JP3786907B2

JP3786907B2 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3786907B2
Application number: JP2002262712A
Authority: JP
Inventors: 大助上田; 信一瀧川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2022-09-09
Also published as: JP2003163417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色光から紫外光を出力可能なIII-Ｖ族窒化物半導体からなる半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、一般式がＢ_xＡｌ_yＧａ_1-x-y-zＩｎ_zＮ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である）で表わされるIII-Ｖ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子、すなわち発光ダイオード素子及び半導体レーザ素子が、青色から紫外に及ぶ波長領域を有する光源として盛んに開発されている。
【０００３】
以下、従来のIII-Ｖ族窒化物半導体からなる半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図１３に示すように、例えばサファイアからなる基板１０１の上に、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、ＧａＩｎＮからなる活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０５、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０６が順次エピタキシャル成長により形成されている。
【０００５】
ｐ型コンタクト層１０６の上には、酸化シリコン又は窒化シリコンからなり、電流狭窄用の開口部１０７ａを有する電流ブロック層１０７が形成されており、ｐ型コンタクト層１０６における電流ブロック層１０７の開口部１０７ａからの露出部分上には、ｐ側電極１０８が形成されている。
【０００６】
また、電流狭窄構造を設ける他の方法として、レーザ素子構造の少なくともｐ型クラッド層１０５の両側部をエッチングにより除去して電流経路を狭窄する方法が知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１６０６５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の半導体発光素子は、電流ブロック層１０７を構成する酸化シリコン又は窒化シリコンは、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition)法等により、ｐ型コンタクト層１０６の上に堆積して形成している。酸化シリコン及び窒化シリコンは、III-Ｖ族窒化物半導体との密着性が低く、その上、細孔の密度、すなわちピンホール密度が高くなる等の問題がある。
【０００９】
また、クラッド層の両側部をエッチングにより除去して電流狭窄構造を形成する場合には、エッチング工程により形成されたリッジ領域（メサ領域）の上に電極を形成しなければならず、電極の面積がより小さくなるため、電流経路における直列抵抗成分を大きくしてしまうという問題がある。
【００１０】
さらに、半導体レーザ素子の場合には、誘電体からなる電流ブロック層１０７によって、活性層１０４で生成される再結合光は、III-Ｖ族窒化物半導体との屈折率差により該半導体の内部に閉じこめられる。この屈折率差は比較的に大きく、不連続（ステップ状）に変化するため、再結合光を例えば単一横モードで閉じ込めようとすると、電流ブロック層１０７の開口部１０７ａの開口幅（ストライプ幅）が小さくなり過ぎるので、レーザ構造を最適化することが困難となる。また、ストライプ幅が小さくなり過ぎると、前述したように直列抵抗成分が大きくなる。
【００１１】
さらに、図示はしていないが、従来の半導体レーザ素子は、共振器にリッジ構造を用いる場合が多い。リッジ構造の場合には、再結合光の閉じ込め効率は、リッジ構造の内部における第１屈折率と、リッジ構造の外部における第２屈折率との差によって決定される。より詳細には、第１屈折率とは、活性層を構成する半導体層とクラッド層を構成する半導体層との各屈折率及び各半導体層の厚さにより決定される第１実効屈折率であり、第２屈折率とは、活性層を構成する半導体層と、クラッド層を構成する半導体層と、リッジ構造の側部を構成する、例えば酸化シリコン層又は窒化シリコン層との各屈折率及び各層の厚さにより決定される第２実効屈折率である。従来のリッジ構造は、第１屈折率と第２屈折率との差がステップ状に変化し且つその差が極めて大きい。この状態で再結合光が共振器に閉じ込められると、閉じ込め効率が大き過ぎることにより、高出力時にレーザ光の発光点位置が移動したり、そのスポット形状が変化しやすい。このため、例えば光ディスク装置のように精密な発光点位置及びスポット形状の制御が必要な機器に対しては、レーザ構造の最適設計が極めて困難となる。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題を解決し、III-Ｖ族窒化物半導体からなる半導体発光素子に設ける電流ブロック層の密着性を向上し且つピンホール密度を小さくできるようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る半導体発光素子は、基板の上に形成された活性層と、活性層の上に形成され、III-Ｖ族窒化物からなる半導体層と、半導体層に、該半導体層を露出する開口部を有するように形成され、半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層とを備えている。
【００１４】
本発明の半導体発光素子によると、電流ブロック層にIII-Ｖ族窒化物からなる半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換されてなる誘電体を用いているため、電流ブロック層は半導体層と一体化されて形成されている。このため、電流ブロック層は半導体層との間の密着性に関する問題が生じなくなり、さらには、ピンホール密度が格段に低減する。
【００１５】
本発明の半導体発光素子において、電流ブロック層における酸素の組成が、活性層に近づくにつれて減少していることが好ましい。
【００１６】
このようにすると、半導体層の内部から外部に向けて、半導体層における酸素の組成が増大するため、半導体層と電流ブロック層との屈折率差が連続的に変化する。その結果、例えばレーザ素子の場合に、単一横モードの閉じ込めを行なうための電流ブロック層における開口部の開口幅を大きくすることができるので、レーザ構造を最適化することが容易となる。
【００１７】
本発明の半導体発光素子において、電流ブロック層の開口部の平面形状がストライプ状であることが好ましい。
【００１８】
この場合に、半導体層が共振器を構成するリッジ部を有し、電流ブロック層が半導体層の側部にも形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の半導体発光素子において、電流ブロック層の開口部の平面形状がドット状であることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板の上に活性層を形成する第１の工程と、活性層の上に、III-Ｖ族窒化物からなる半導体層を形成する第２の工程と、半導体層の上にその一部をマスクするマスク膜を選択的に形成する第３の工程と、マスク膜が形成された半導体層を酸化性雰囲気で酸化することにより、半導体層に、半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層を形成する第４の工程と、マスク膜を除去する第５の工程とを備えている。
【００２１】
本発明の半導体発光素子の製造方法によると、活性層の上にIII-Ｖ族窒化物からなる半導体層を形成し、その上にマスク膜を選択的に形成する。その後、形成したマスク膜を用いて半導体層を酸化することにより、半導体層に該半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層を形成するため、電流ブロック層の半導体層との間の密着性に関する問題が生じなくなる。その上、半導体層を構成する窒素原子の一部が、窒素よりも原子半径が大きい酸素原子に置換することにより、半導体層の体積が膨張するため、電流ブロック層のピンホール密度を格段に低減することができる。
【００２２】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、第３の工程と第４の工程との間に、マスク膜を用いて、半導体層をリッジ状にパターニングする第６の工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【００２５】
図１に示す半導体レーザ素子は、バンドギャップが比較的に大きい窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）をクラッド層とし、該クラッド層よりもバンドギャップが小さい窒化ガリウム（ＧａＮ）若しくは窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）又はこれらを組み合わせてなる量子井戸層等を挟んでなるダブルヘテロ構造を有している。ここでは、単一量子井戸分離光閉じ込め構造（Single Quantum Well Separate Confinement Heterostructure，SQW-SCHという)を用いる場合を説明する。
【００２６】
図１に示すように、サファイア（単結晶Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板１０の上に、厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層１１と、厚さが約１μｍのｎ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるｎ型クラッド層１２と、厚さが約０．１μｍのｎ型のＧａＮからなるｎ型光ガイド層１３と、厚さが約５ｎｍのアンドープのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎからなる単一量子井戸型活性層１４と、厚さが約０．１μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型光ガイド層１５と、厚さが約１μｍのｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるｐ型クラッド層１６と、厚さが約０．５μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層１７とが結晶成長により順次形成されている。
【００２７】
ここで、ｎ型バッファ層１１は、基板１０を構成するサファイアと、基板１０上にエピタキシャル成長する各半導体層１２〜１７との格子不整合を緩和すると共に、ｎ側電極２０のコンタクト層として機能する。
【００２８】
ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１６は、ｎ側電極２０及びｐ側電極１９からそれぞれ注入されるキャリアを閉じ込めると共に、該キャリアの再結合光を閉じ込める。また、ｎ型光ガイド層１３及びｐ型光ガイド層１５は、再結合光の閉じ込め効率を向上するように設けられている。
【００２９】
第１の実施形態の特徴として、ｐ型クラッド層１６の上部に互いに間隔をおくと共に、ｐ型コンタクト層１７の両側部には、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層１８が形成されている。該電流ブロック層１８は、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７が、メサ状で且つ平面ストライプ状のリッジ構造となるように形成されている。ここで、メサ幅は上部が約２μｍで、下部が約３μｍである。
【００３０】
ｐ型コンタクト層１７の上には、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層体からなり、ｐ型コンタクト層１７とオーミック接触するｐ側電極１９が形成されている。また、ｎ型バッファ層１１が露出された領域の上には、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層体からなり、ｎ型バッファ層１１とオーミック接触するｎ側電極２０が形成されている。
【００３１】
このように、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子は、リッジ構造の両端面を劈開されたミラー面とする共振器を有する、いわゆる端面発光型レーザである。なお、共振器のストライプ方向は、図１における半導体層の断面に対して垂直な方向（手前から後方）である。
【００３２】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図２において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示すように、例えば有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）法により、サファイアからなる基板１０の上に、ｎ型バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、ｎ型光ガイド層１３、単一量子井戸型活性層１４（以下、活性層１４と呼ぶ。）、ｐ型光ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６、及びｐ型コンタクト層１７を順次成長してエピタキシャル層を形成する。ここでは、ｎ型ドーパントにシリコン（Ｓｉ）を用い、ｐ型ドーパントにマグネシウムを用いる。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層１７の上に、厚さが約５００ｎｍのポリシリコン膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法により、ｐ型コンタクト層１７の上に共振器形成領域を覆うように、幅が約３μｍのストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、ポリシリコン膜に対してテトラフルオロカーボン（ＣＦ₄ ）をエッチングガスとするドライエッチングを行なうことにより、ポリシリコン膜から酸化防止膜９０を形成する。続いて、形成した酸化防止膜９０をマスクとして、温度が約９００℃で圧力が約１ａｔｍの酸素雰囲気中にエピタキシャル層を２４時間程度さらすことにより、ｐ型クラッド層１６の上部及びｐ型コンタクト１７における酸化防止膜９０の両側方部分を酸化する。これにより、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された電流ブロック層１８が、ｐ型クラッド層１６の上部及びｐ型コンタクト１７における酸化防止膜９０の両側方部分に形成される。
【００３６】
第１の実施形態の特徴として、電流ブロック層１８における酸素の濃度分布は、該電流ブロック層１８の表面から内部に向けて徐々に低下するプロファイルを有している。
【００３７】
次に、図２（ｃ）に示すように、エピタキシャル層をフッ化水素酸（ＨＦ）とフッ化アンモニウム(ＮＨ₄Ｆ）との混合溶液であるバッファードフッ酸に浸して酸化防止膜９０を除去し、さらに、残存した酸化防止膜９０はテトラフルオロカーボンを用いたドライエッチングにより除去する。このとき、形成された電流ブロック層１８はバッファードフッ酸によってはエッチングされない。その後、リソグラフィ法により、エピタキシャル層における共振器形成領域を含む部分をマスクするレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、エピタキシャル層に対して塩素（Ｃｌ₂ ）を用いたドライエッチングを行なって、ｎ型バッファ層１１を露出する。
【００３８】
次に、図２（ｄ）に示すように、例えば蒸着法により、ｐ型コンタクト層１７の上に、ニッケル、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｐ側電極１９を選択的に形成する。続いて、ｎ型バッファ層１１の露出部分の上に、チタン、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｎ側電極２０を選択的に形成する。ここで、ｐ側電極１９とｎ側電極２０との形成順序は問われない。
【００３９】
その後、図示はしていないが、基板１０を共振器長が約５００μｍとなるように劈開し、共振器の出射端面には、反射率が約１０％となるように低反射コーティングを施し、反射端面には反射率が約８０％となるように高反射コーティングを施す。
【００４０】
第１の実施形態に係る製造方法によると、電流ブロック層１８を、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子の一部を酸素原子で置換した誘電体により形成する。このため、従来のような酸化シリコン又は窒化シリコンからなる別体の電流ブロック層とは異なり、電流ブロック層１８のｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７に対する密着性が格段に向上する。その上、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）又は窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）を用いないため、電流ブロック層１８に発生するピンホールの密度も大幅に低減する。
【００４１】
また、電流ブロック層１８の酸素含有量（酸素組成）は、活性層１４に近づくにつれて徐々に減少しており、電流ブロック層１８の屈折率を連続的に変化させることができ、例えば単一横モード閉じ込めを実現するためのストライプ幅（メサ幅）を広くできる等の、レーザ構造を容易に最適化を図ることができる。
【００４２】
また、第１の実施形態に係る製造方法によると、電流ブロック層１８に、光閉じ込め機能と電流狭窄機能とを自己整合的に持たせることができる。
【００４３】
電流ブロック層１８は、以下に示す２つの機能を有している。
【００４４】
第１は電流狭窄機能である。誘電体層は絶縁性を有するため電流をほとんど流さない。このため、半導体レーザ素子に注入された電流はメサ部（リッジ部）を流れるので、活性層１４の発光部分にのみ流れこむ。その結果、無効電流が少なくなり、レーザ発振のしきい値電流の値を小さくすることができる。
【００４５】
第２は光の閉じ込めである。ｐ型クラッド層１６と電流ブロック層１８には屈折率差が存在する。この屈折率差によって、半導体レーザ素子内の再結合光はメサ部に閉じ込められるため、活性層１４における誘導放出と効率的に結合することができる。
【００４６】
ところで、前述したように、従来の電流ブロック層は、窒化シリコン又は酸化シリコンにより形成されていため、エピタキシャル層との屈折率差が０．５〜１程度と大きく且つ不連続に変化する。このため、半導体レーザ素子の横モード制御に用いるにはエピタキシャル層との屈折率差が大き過ぎ、例えば、わずかなメサ形状のばらつきにより遠視野像が高次横モードとなってしまうので、光装置の光源としての利用が困難となる。
【００４７】
これに対し、第１の実施形態に係る電流ブロック層（誘電体層）１８は、エピタキシャル層の表面から酸素を熱拡散させ、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子を酸素原子に置き換えることにより形成されている。このようにして形成された電流ブロック層１８は、ｐ型クラッド層１６と電流ブロック層１８との間の屈折率差が小さく且つ緩やかに変化するため、半導体レーザ素子の横モード制御が容易となる。
【００４８】
本願発明者らは、電流ブロック層１８に含まれる酸素の組成を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）法により測定し、酸素の組成が２次曲線的に変化することを確認している。具体的には、電流ブロック層１８の表面の酸素濃度は、約１×１０²⁰ｃｍ^-3であり、表面から深さが約１μｍの領域の酸素濃度は、約１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。このように、電流ブロック層１８の酸素の組成が２次曲線的に変化することにより、その屈折率もメサ部の約２．１から電流ブロック層１８の表面近傍の約１．６と、その差は約０．５と小さく、且つ外側に向かって２次曲線的に緩やかに減少することを確認している。これにより、再結合光のメサ部への閉じ込めが緩やかとなるため、安定した横モード発振が可能となる。
【００４９】
図３は第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の注入電流と光出力との関係を示している。発振波長は４１０ｎｍで、しきい値電流は４０ｍＡ、しきい値電圧は４．２Ｖである。また、最大光出力は６０ｍＷである。このように、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層１８によって、電流閉じ込め効率及び光閉じ込め効率が向上するため、しきい値電流値の低減と高出力動作とを実現している。
【００５０】
また、図４に示すように、出力が２０ｍＷの場合における遠視野像の半値幅は、接合面（基板面）に対して平行な方向が８°であり、接合面に対して垂直な方向が２５°である。
【００５１】
図５は第１の実施形態に係る電流ブロック層１８を有する半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力依存性を示している。図６は比較用であって、従来例に係る窒化シリコンからなる電流ブロック層を有する半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力特性を示している。光出力は共に２０ｍＷと５０ｍＷとの場合を示す。
【００５２】
従来例に係るレーザ素子の場合は、メサ部と電流ブロック層との界面における屈折率差が約０．９であり、さらに、屈折率自体が界面において不連続に変化している。従って、接合面に対して垂直な方向で基本横モード発振を得るように、メサ部下部と活性層との距離を離すことにより実効的な屈折率差を小さくしている。しかしながら、このような構造では、活性層の近傍で注入電流が広がってしまい、しきい値電流の値が上昇するだけでなく、再結合光の閉じ込めが不安定となるので、図６に示すように光出力値を５０ｍＷに増大すると、相対強度のピークが２つとなって、いわゆる双峰性の遠視野像を示すようになる。
【００５３】
これに対し、図５に示す第１の実施形態に係るレーザ素子の場合は、出力値が２０ｍＷ及び５０ｍＷのいずれの場合でも、相対強度のピークは１つであり、単峰性の遠視野像を示すことが分かる。
【００５４】
図７は第１の実施形態に係る半導体レーザ素子に対する高温高湿寿命試験の結果を示す。寿命試験の各条件は、出力を３０ｍＷとし、温度を６０℃とし、湿度を８５％としている。図７において、横軸は動作時間を表わし、縦軸は動作開始直後の動作電流を１として規格化して表わしている。また、曲線群Ａは本発明の場合を示し、曲線群Ｂは従来例の場合を示している。図７に示すように、従来例の場合は、窒化シリコンからなる電流ブロック層のメサ部との密着性が弱いため、電流ブロック層に膜剥がれが進行する。その結果、屈折率分布が変化して高次横モード発振となるため、レーザ光は活性層内の誘導放出との結合が弱まり、しきい値電流の値が増加して急激な劣化が発生する。
【００５５】
これに対し、本発明の場合は、従来例のように、電流ブロック層にメサ部と別体の誘電体を用いる代わりに、メサ部を構成するｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７の一部を酸化して形成しており、メサ部との密着性が極めて強いため、膜剥がれはほとんど生じることがなく、長期間にわたって安定した動作を行なうことができる。
【００５６】
なお、半導体発光素子として半導体レーザ素子の場合を説明したが、発光ダイオード素子であっても半導体レーザ素子と同様に、電流狭窄機能及び光閉じ込め機能の観点から本発明の電流ブロック層を適用することができる。
【００５７】
また、半導体レーザ素子として端面発光型レーザ素子を例に挙げたが、本発明は面発光型レーザ素子にも適用可能である。
【００５８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図８は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【００６０】
第１の実施形態においては、エピタキシャル層を成長する基板１０に絶縁性のサファイアを用いたが、第２の実施形態においては、図８に示すように、基板３０として、導電性を有し且つIII 族窒化物半導体と格子定数が近い、ｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）、ｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）又はｎ型のシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いている。
【００６１】
図８に示すように、例えばｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板３０の上には、厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層３１と、厚さが約１μｍのｎ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるｎ型クラッド層３２と、厚さが約０．１μｍのｎ型のＧａＮからなるｎ型光ガイド層３３と、厚さが約５ｎｍのアンドープのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎからなる単一量子井戸型活性層３４と、厚さが約０．１μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型光ガイド層３５と、厚さが約１μｍのｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるｐ型クラッド層３６と、厚さが約０．５μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層３７とが結晶成長により順次形成されている。
【００６２】
第２の実施形態においても、ｐ型クラッド層３６の上部に互いに間隔をおくと共に、ｐ型コンタクト層３７の両側部に、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層３８が形成されている。該電流ブロック層３８は、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７が、メサ状で且つ平面ストライプ状のリッジ構造となるように形成されている。ここで、メサ幅は上部が約２μｍで、下部が約３μｍである。
【００６３】
ｐ型コンタクト層３７の上には、ニッケル、白金及び金の積層体からなり、ｐ型コンタクト層３７とオーミック接触するｐ側電極３９が形成されている。また、基板３０におけるｎ型バッファ層３１の反対側の面上には、チタン、白金及び金の積層体からなるｎ側電極４０が形成されている。
【００６４】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００６５】
図９（ａ）〜図９（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図９において、図８に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す。
【００６６】
まず、図９（ａ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法により、窒化ガリウムからなる基板３０の上に、ｎ型バッファ層３１、ｎ型クラッド層３２、ｎ型光ガイド層３３、単一量子井戸型活性層３４（以下、活性層３４と呼ぶ。）、ｐ型光ガイド層３５、ｐ型クラッド層３６、及びｐ型コンタクト層３７を順次成長してエピタキシャル層を形成する。
【００６７】
次に、図９（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層３７の上に、厚さが約５００ｎｍのポリシリコン膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法により、ｐ型コンタクト層３７の上に共振器形成領域を覆うように、幅が約３μｍのストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、ポリシリコン膜に対してテトラフルオロカーボンをエッチングガスとするドライエッチングを行なうことにより、ポリシリコン膜から酸化防止膜９０を形成する。
【００６８】
次に、図９（ｃ）に示すように、酸化防止膜９０をマスクとして、温度が約９００℃で圧力が約１ａｔｍの酸素雰囲気中にエピタキシャル層を２４時間程度さらすことにより、ｐ型クラッド層３６の上部及びｐ型コンタクト３７における酸化防止膜９０の両側方部分を酸化する。これにより、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された電流ブロック層３８が、ｐ型クラッド層３６の上部及びｐ型コンタクト３７における酸化防止膜９０の両側方部分に形成される。ここでも、電流ブロック層３８における酸素の濃度分布は、該電流ブロック層３８の表面から内部に向けて徐々に低下するプロファイルを有している。
【００６９】
次に、図９（ｄ）に示すように、エピタキシャル層をバッファードフッ酸に浸して酸化防止膜９０を除去し、さらに、残存した酸化防止膜９０はテトラフルオロカーボンを用いたドライエッチングにより除去する。このとき、形成された電流ブロック層３８はバッファードフッ酸によってはエッチングされない。
【００７０】
次に、図９（ｅ）に示すように、例えば蒸着法によりｐ型コンタクト層３７を覆うように、ニッケル、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｐ側電極３９を選択的に形成する。続いて、基板３０におけるｎ型バッファ層３１の反対側の面上に、チタン、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｎ側電極４０を選択的に形成する。ここでも、ｐ側電極３９とｎ側電極４０との形成順序は問われない。
【００７１】
その後、図示はしていないが、基板３０を共振器長が約５００μｍとなるように劈開し、共振器の出射端面には、反射率が約１０％となるように低反射コーティングを施し、反射端面には反射率が約８０％となるように高反射コーティングを施す。
【００７２】
このように、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子及びその製造方法によると、第１の実施形態と同様に、電流ブロック層３８は、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換した誘電体により形成されるため、該電流ブロック層３８のｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３９に対する密着性が格段に向上する。
【００７３】
また、電流ブロック層３８の酸素含有量（酸素組成）は、活性層３４に近づくにつれて徐々に減少しており、電流ブロック層３８の屈折率差を連続的に変化させることができるので、レーザ構造を容易に最適化することができる。
【００７４】
その上、基板３０におけるｎ型バッファ層３１の反対側の面上にｎ側電極４０をｐ側電極３９と対向するように設けるため、第１の実施形態のように、エピタキシャル層に対してｎ型バッファ層３１を露出するエッチング工程が不要となるので、第１の実施形態と比べて、歩留まりがさらに向上する。
【００７５】
なお、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子は、端面発光型レーザ素子に限らず、面発光型レーザ素子にも適用可能である。
【００７６】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
図１０は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【００７８】
第３の実施形態においては、第２の実施形態に示した半導体レーザ素子におけるメサ構造を光の閉じ込め率がさらに向上する構成とする。
【００７９】
図１０に示すように、例えばｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板５０の上には、厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層５１と、厚さが約１μｍのｎ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるｎ型クラッド層５２と、厚さが約０．１μｍのｎ型のＧａＮからなるｎ型光ガイド層５３と、厚さが約５ｎｍのアンドープのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎからなる単一量子井戸型活性層５４と、厚さが約０．１μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型光ガイド層５５と、厚さが約１μｍのｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるｐ型クラッド層５６と、厚さが約０．５μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層５７とが結晶成長により順次形成されている。ここで、基板５０は、窒化ガリウムに限らず、ｎ型のＡｌＧａＮ又はＳｉＣであっても良い。
【００８０】
第３の実施形態の特徴として、ｐ型コンタクト層５７からｎ型クラッド層５２の上部には、それらの両側部が約２μｍの幅となるようにエッチングされてメサ部（リッジ部）が形成され、該メサ部の両側部には、ｐ型コンタクト層５７からｎ型クラッド層５２をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層５８が形成されている。
【００８１】
ｐ型コンタクト層５７の上には、ニッケル、白金及び金の積層体からなり、ｐ型コンタクト層５７とオーミック接触するｐ側電極５９が形成されている。また、基板５０におけるｎ型バッファ層５１の反対側の面上には、チタン、白金及び金の積層体からなるｎ側電極６０が形成されている。
【００８２】
ここで、ｐ側電極５９は、ｐ型コンタクト層５７の上面にのみ形成されているが、電流ブロック層５８の上部を覆うように設けることも可能である。
【００８３】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００８４】
図１１（ａ）〜図１１（ｅ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図１１において、図１０に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す。
【００８５】
まず、図１１（ａ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法により、窒化ガリウムからなる基板５０の上に、ｎ型バッファ層５１、ｎ型クラッド層５２、ｎ型光ガイド層５３、単一量子井戸型活性層５４（以下、活性層５４と呼ぶ。）、ｐ型光ガイド層５５、ｐ型クラッド層５６、及びｐ型コンタクト下部層５７ａを順次成長してエピタキシャル層を形成する。ここでは、ｐ型コンタクト下部層５７ａは、後工程で再成長するため、その厚さを０．３μｍ程度に留めておく。
【００８６】
次に、図１１（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト下部層５７ａの上に、厚さが約５００ｎｍのポリシリコン膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法により、ｐ型コンタクト下部層５７ａの上に共振器形成領域を覆うように、幅が約３μｍのストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、ポリシリコン膜に対してテトラフルオロカーボンをエッチングガスとするドライエッチングを行なうことにより、ポリシリコン膜から酸化防止膜９０を形成する。続いて、レジストパターン及び酸化防止膜９０をマスクとして、エピタキシャル層に対してｎ型クラッド層５２を露出するまで、塩素（Ｃｌ₂ ）を用いたドライエッチングを行なって、メサ部を形成する。
【００８７】
次に、図１１（ｃ）に示すように、酸化防止膜９０をマスクとして、温度が約９００℃で圧力が約１ａｔｍの酸素雰囲気中にエピタキシャル層を２４時間程度さらすことにより、ｎ型クラッド層５２の上部、ｎ型光ガイド層５３、活性層５４、ｐ型光ガイド層５５、ｐ型クラッド層５６及びｐ型コンタクト下部層５７ａにおけるメサ部の両側方部分を酸化する。これにより、ｎ型クラッド層５２の上部からｐ型コンタクト下部層５７ａをそれぞれ構成する窒素原子の一部を酸素原子で置換した電流ブロック層５８が、ｎ型クラッド層５２の上部からｐ型コンタクト下部層５７ａにわたる両側方部分に形成される。
【００８８】
次に、図１１（ｄ）に示すように、エピタキシャル層をバッファードフッ酸に浸して酸化防止膜９０を除去し、さらに、残存した酸化防止膜９０はテトラフルオロカーボンを用いたドライエッチングにより除去する。このとき、形成された電流ブロック層５８はバッファードフッ酸によってはエッチングされない。続いて、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型コンタクト下部層５７ａを再成長して、厚さが０．５μｍ程度のｐ型コンタクト層５７を形成する。このとき、ｐ型コンタクト層５７は、電流ブロック層５８の上端面を覆うように成長する。
【００８９】
次に、図１１（ｅ）に示すように、例えば蒸着法によりｐ型コンタクト層５７を覆うように、ニッケル、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｐ側電極５９を選択的に形成する。続いて、基板５０におけるｎ型バッファ層５１の反対側の面上に、チタン、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｎ側電極６０を選択的に形成する。ここでも、ｐ側電極５９とｎ側電極６０との形成順序は問われない。
【００９０】
その後、図示はしていないが、基板５０を共振器長が約５００μｍとなるように劈開し、共振器の出射端面には、反射率が約１０％となるように低反射コーティングを施し、反射端面には反射率が約８０％となるように高反射コーティングを施す。
【００９１】
このように、第３の実施形態に係る半導体レーザ素子及びその製造方法によると、第１及び第２の実施形態と同様に、電流ブロック層５８は、ｎ型クラッド層５２からｐ型コンタクト層５７をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換した誘電体により形成されるため、該電流ブロック層５８のメサ部に対する密着性が格段に向上する。
【００９２】
また、電流ブロック層５８の酸素含有量（酸素組成）は、活性層５４に近づくにつれて徐々に減少しており、電流ブロック層５８の屈折率差を連続的に変化させることができるので、レーザ構造を容易に最適化することができる。
【００９３】
その上、基板５０におけるｎ型バッファ層５１の反対側の面上にｎ側電極６０をｐ側電極５９と対向するように設けるため、直列抵抗成分が減少する。
【００９４】
また、ｐ側電極５９を電流ブロック層５８の上側に設けることができるため、電極形成時の位置合わせ工程を不要にできる。
【００９５】
なお、第１及び第２の実施の形態と同様に、本発明は端面発光型レーザ素子に限らず、面発光型レーザ素子にも適用可能である。
【００９６】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００９７】
図１２は本発明の第４の実施形態に係る青色発光ダイオード素子アレイを模式的に示している。
【００９８】
図１２に示すように、ｎ型の導電性を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなる基板７０の上には、第２の実施形態と同等の構成を持つダブルヘテロ構造からなるエピタキシャル層７１が形成されている。
【００９９】
エピタキシャル層７１の上面には、行列状に配置された４つのドット状の開口部７２ａからそれぞれｐ型コンタクト層７１ａを露出するように電流ブロック層７２が形成されている。
【０１００】
第４の実施形態の特徴として、電流ブロック層７２は、少なくともｐ型コンタクト層７１ａを構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体により形成されている。
【０１０１】
電流ブロック層７２の上には、各開口部７２ａから露出するｐ型コンタクト層７１ａとオーミック接触し、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のように再結合光を透過して、エピタキシャル層の上方に出力光を取り出すことができる透明電極７３が形成されている。また、基板７０におけるエピタキシャル層７１の反対側の面上には、チタン、白金及び金の積層体からなるｎ側電極７４が形成されている。
【０１０２】
ここで、各ダイオード素子同士の電気的な素子分離は電流ブロック層７２によりなされている。
【０１０３】
第４の実施形態によると、電流ブロック層７２はエピタキシャル層７１と比べて屈折率が小さいため、再結合光をエピタキシャル層７１の内部に光学的に閉じ込めることができる。
【０１０４】
なお、透明電極７３の上に発光波長を透過する多層の誘電体膜を設けてもよい。この場合、エピタキシャル層７１におけるダブルヘテロ構造の下層に、発光波長に対して反射性を有する周期構造を設けることによりレーザ発振させる、いわゆる面発光レーザ構造としてもよい。
【０１０５】
第４の実施形態によると、第１の実施形態と同様に、、III-Ｖ族窒化物半導体における窒素原子の一部を酸素原子で置換した電流ブロック層７２を有しているため、従来の窒化シリコン用いた電流ブロック層と比較して、素子分離領域の信頼性が極めて高くなる。
【０１０６】
従って、第４の実施形態に係る青色発光ダイオード素子アレイは、屋外の厳しい環境下で使用される際にも高い信頼性を得ることができる。
【０１０７】
なお、第１〜第４の各実施形態において、III-Ｖ族窒化物半導体の窒素原子の一部を酸素原子で置き換えてなる電流ブロック層は、蛍光材を励起して得られる白色光源、又は光集積素子等に適用しても同様な効果を得ることができる。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子及びその製造方法によると、電流ブロック層が半導体層と一体に形成されているため、電流ブロック層は半導体層との間の密着性に関する問題がなくなり、さらには、ピンホール密度が格段に低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子における注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子における遠視野像を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力依存性を示すグラフである。
【図６】従来の半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子と従来の半導体レーザ素子との高温高湿寿命試験の結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る青色発光ダイオード素子アレイを示す斜視図である。
【図１３】従来の半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１０基板
１１ｎ型バッファ層
１２ｎ型クラッド層
１３ｎ型光ガイド層
１４単一量子井戸型活性層
１５ｐ型光ガイド層
１６ｐ型クラッド層
１７ｐ型コンタクト層
１８電流ブロック層
１９ｐ側電極
２０ｎ側電極
３０基板
３１ｎ型バッファ層
３２ｎ型クラッド層
３３ｎ型光ガイド層
３４単一量子井戸型活性層
３５ｐ型光ガイド層
３６ｐ型クラッド層
３７ｐ型コンタクト層
３８電流ブロック層
３９ｐ側電極
４０ｎ側電極
５０基板
５１ｎ型バッファ層
５２ｎ型クラッド層
５３ｎ型光ガイド層
５４単一量子井戸型活性層
５５ｐ型光ガイド層
５６ｐ型クラッド層
５７ｐ型コンタクト層
５７ａｐ型コンタクト下部層
５８電流ブロック層
５９ｐ側電極
６０ｎ側電極
７０基板
７１エピタキシャル層
７１ａｐ型コンタクト層
７２電流ブロック層
７２ａ開口部
９０酸化防止膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device made of a group III-V nitride semiconductor capable of outputting ultraviolet light from blue light and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the general formula is B _x Al _y Ga _1-xyz In _z Semiconductor light emission using a group III-V nitride semiconductor represented by N (where x, y, z are 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) Elements, that is, light-emitting diode elements and semiconductor laser elements, have been actively developed as light sources having a wavelength range from blue to ultraviolet.
[0003]
Hereinafter, a conventional semiconductor light emitting device made of a group III-V nitride semiconductor will be described with reference to the drawings.
[0004]
As shown in FIG. 13, an n-type contact layer 102 made of n-type GaN, an n-type cladding layer 103 made of n-type AlGaN, an active layer 104 made of GaInN, and a p-type AlGaN on a substrate 101 made of sapphire, for example. A p-type cladding layer 105 and a p-type contact layer 106 made of p-type GaN are sequentially formed by epitaxial growth.
[0005]
A current blocking layer 107 made of silicon oxide or silicon nitride and having an opening 107a for current confinement is formed on the p-type contact layer 106, and the opening of the current blocking layer 107 in the p-type contact layer 106 is formed. A p-side electrode 108 is formed on the exposed portion from 107a.
[0006]
As another method of providing a current confinement structure, a method of constricting the current path by removing at least both sides of the p-type cladding layer 105 of the laser element structure by etching is known.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-160658 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional semiconductor light emitting device is formed by depositing silicon oxide or silicon nitride constituting the current blocking layer 107 on the p-type contact layer 106 by a chemical vapor deposition method or the like. is doing. Silicon oxide and silicon nitride have problems such as low adhesion to III-V nitride semiconductors, and high pore density, that is, pinhole density.
[0009]
When a current confinement structure is formed by removing both sides of the cladding layer by etching, an electrode must be formed on the ridge region (mesa region) formed by the etching process, and the area of the electrode Has a problem of increasing the series resistance component in the current path.
[0010]
Further, in the case of a semiconductor laser device, recombination light generated in the active layer 104 by the current blocking layer 107 made of a dielectric is caused to enter the inside of the semiconductor due to a difference in refractive index from the group III-V nitride semiconductor. It is confined. Since this refractive index difference is relatively large and changes discontinuously (step-like), for example, when the recombination light is confined in a single transverse mode, the opening width (stripe width) of the opening 107a of the current blocking layer 107 is obtained. ) Becomes too small, it becomes difficult to optimize the laser structure. If the stripe width becomes too small, the series resistance component increases as described above.
[0011]
Furthermore, although not shown, conventional semiconductor laser elements often use a ridge structure for the resonator. In the case of the ridge structure, the confinement efficiency of the recombination light is determined by the difference between the first refractive index inside the ridge structure and the second refractive index outside the ridge structure. More specifically, the first refractive index is a first effective refractive index determined by each refractive index of the semiconductor layer constituting the active layer and the semiconductor layer constituting the cladding layer and the thickness of each semiconductor layer. The second refractive index is the refractive index and each layer of the semiconductor layer constituting the active layer, the semiconductor layer constituting the cladding layer, and the side portion of the ridge structure, for example, a silicon oxide layer or a silicon nitride layer. Is the second effective refractive index determined by the thickness of. In the conventional ridge structure, the difference between the first refractive index and the second refractive index changes stepwise, and the difference is extremely large. When the recombination light is confined in the resonator in this state, the confinement efficiency is too high, and the position of the light emission point of the laser light is easily moved or the spot shape is easily changed at high output. This makes it extremely difficult to optimally design the laser structure for an apparatus that requires precise control of the light emitting point position and spot shape, such as an optical disk device.
[0012]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to improve the adhesion of a current blocking layer provided in a semiconductor light emitting device made of a group III-V nitride semiconductor and reduce the pinhole density. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a semiconductor light emitting device according to the present invention includes an active layer formed on a substrate, a semiconductor layer formed on the active layer and made of a group III-V nitride, and a semiconductor layer. And a current blocking layer made of a dielectric formed so as to have an opening exposing the semiconductor layer, wherein a part of nitrogen atoms constituting the semiconductor layer is replaced with oxygen atoms.
[0014]
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the current blocking layer uses a dielectric in which a part of nitrogen atoms constituting the semiconductor layer made of group III-V nitride is replaced with oxygen atoms. Is formed integrally with the semiconductor layer. For this reason, the current blocking layer does not cause a problem regarding the adhesion between the semiconductor layer and the pinhole density is remarkably reduced.
[0015]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the oxygen composition in the current blocking layer decreases as it approaches the active layer.
[0016]
In this case, the composition of oxygen in the semiconductor layer increases from the inside of the semiconductor layer to the outside, so that the refractive index difference between the semiconductor layer and the current blocking layer changes continuously. As a result, for example, in the case of a laser element, the opening width of the opening in the current blocking layer for confining the single transverse mode can be increased, so that the laser structure can be easily optimized.
[0017]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the planar shape of the opening of the current blocking layer is preferably a stripe shape.
[0018]
In this case, it is preferable that the semiconductor layer has a ridge portion constituting a resonator, and the current blocking layer is also formed on the side portion of the semiconductor layer.
[0019]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the planar shape of the opening of the current blocking layer is preferably a dot shape.
[0020]
The method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention includes a first step of forming an active layer on a substrate, and a second step of forming a semiconductor layer made of a group III-V nitride on the active layer. A third step of selectively forming a mask film for masking a part of the semiconductor layer on the semiconductor layer; and oxidizing the semiconductor layer on which the mask film is formed in an oxidizing atmosphere, thereby forming a semiconductor layer on the semiconductor layer A fourth step of forming a current blocking layer made of a dielectric material in which some nitrogen atoms are substituted with oxygen atoms, and a fifth step of removing the mask film.
[0021]
According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, a semiconductor layer made of a group III-V nitride is formed on an active layer, and a mask film is selectively formed thereon. Thereafter, by oxidizing the semiconductor layer using the formed mask film, a current blocking layer made of a dielectric material in which a part of nitrogen atoms constituting the semiconductor layer is replaced with oxygen atoms is formed in the semiconductor layer. Problems relating to adhesion between the current blocking layer and the semiconductor layer are eliminated. In addition, by replacing some of the nitrogen atoms that make up the semiconductor layer with oxygen atoms that have a larger atomic radius than nitrogen, the volume of the semiconductor layer expands, greatly reducing the pinhole density of the current blocking layer. can do.
[0022]
The method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention may further include a sixth step of patterning the semiconductor layer into a ridge shape using a mask film between the third step and the fourth step. preferable.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
[0025]
The semiconductor laser device shown in FIG. 1 uses aluminum gallium nitride (AlGaN) having a relatively large band gap as a cladding layer, gallium nitride (GaN) or gallium indium nitride (GaInN) having a smaller band gap than the cladding layer, or these. A double heterostructure having a quantum well layer or the like sandwiched between them. Here, a case where a single quantum well separate confinement structure (referred to as SQW-SCH) is used will be described.
[0026]
As shown in FIG. 1, sapphire (single crystal Al ₂ O _Three ) On a substrate 10 made of n-type buffer layer 11 made of n-type GaN having a thickness of about 2 μm, and n-type Al having a thickness of about 1 μm. _0.15 Ga _0.85 An n-type cladding layer 12 made of N, an n-type light guide layer 13 made of n-type GaN having a thickness of about 0.1 μm, and an undoped Ga having a thickness of about 5 nm. _0.8 In _0.2 A single quantum well active layer 14 made of N; a p-type light guide layer 15 made of p-type GaN having a thickness of about 0.1 μm; and a p-type Al having a thickness of about 1 μm. _0.15 Ga _0.85 A p-type cladding layer 16 made of N and a p-type contact layer 17 made of p-type GaN having a thickness of about 0.5 μm are sequentially formed by crystal growth.
[0027]
Here, the n-type buffer layer 11 relaxes lattice mismatch between the sapphire constituting the substrate 10 and each of the semiconductor layers 12 to 17 epitaxially grown on the substrate 10 and functions as a contact layer for the n-side electrode 20. .
[0028]
The n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 16 confine the carriers injected from the n-side electrode 20 and the p-side electrode 19, respectively, and confine the recombination light of the carriers. The n-type light guide layer 13 and the p-type light guide layer 15 are provided so as to improve the confinement efficiency of the recombination light.
[0029]
As a feature of the first embodiment, the upper part of the p-type cladding layer 16 is spaced from each other, and nitrogen atoms constituting the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 are formed on both sides of the p-type contact layer 17. A current blocking layer 18 made of a dielectric in which a part of is substituted with oxygen atoms is formed. The current blocking layer 18 is formed so that the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 have a mesa shape and a planar stripe ridge structure. Here, the mesa width is about 2 μm at the top and about 3 μm at the bottom.
[0030]
On the p-type contact layer 17, a p-side electrode 19 made of a laminate of nickel (Ni), platinum (Pt) and gold (Au) and in ohmic contact with the p-type contact layer 17 is formed. Further, an n-side electrode 20 made of a laminate of titanium (Ti), platinum (Pt), and gold (Au) is formed on the region where the n-type buffer layer 11 is exposed, and is in ohmic contact with the n-type buffer layer 11. Is formed.
[0031]
As described above, the semiconductor laser device according to the first embodiment is a so-called edge-emitting laser having a resonator in which both end surfaces of the ridge structure are cleaved mirror surfaces. Note that the stripe direction of the resonator is a direction perpendicular to the cross section of the semiconductor layer in FIG.
[0032]
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor laser device configured as described above will be described with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 2A to FIG. 2D show cross-sectional configurations in the order of steps of the method of manufacturing the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. Here, in FIG. 2, the same components as those shown in FIG.
[0034]
First, as shown in FIG. 2A, an n-type buffer layer 11, an n-type cladding layer 12, and an n-type light guide layer are formed on a substrate 10 made of sapphire, for example, by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). 13. A single quantum well active layer 14 (hereinafter referred to as an active layer 14), a p-type light guide layer 15, a p-type cladding layer 16, and a p-type contact layer 17 are sequentially grown to form an epitaxial layer. . Here, silicon (Si) is used for the n-type dopant, and magnesium is used for the p-type dopant.
[0035]
Next, as shown in FIG. 2B, a polysilicon film having a thickness of about 500 nm is deposited on the p-type contact layer 17 by, eg, CVD. Subsequently, a stripe-shaped resist pattern (not shown) having a width of about 3 μm is formed on the p-type contact layer 17 so as to cover the resonator formation region by lithography, and the formed resist pattern is used as a mask. , Tetrafluorocarbon (CF _Four ) Is used as an etching gas to form an antioxidant film 90 from the polysilicon film. Subsequently, by using the formed antioxidant film 90 as a mask, the epitaxial layer is exposed to an oxygen atmosphere at a temperature of about 900 ° C. and a pressure of about 1 atm for about 24 hours, whereby the upper portion of the p-type cladding layer 16 and the p-type contact 17 are exposed. The side portions of the anti-oxidation film 90 are oxidized. As a result, the current blocking layer 18 in which some of the nitrogen atoms constituting the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 are replaced with oxygen atoms is oxidized on the upper portion of the p-type cladding layer 16 and the p-type contact 17. It is formed on both sides of the prevention film 90.
[0036]
As a feature of the first embodiment, the concentration distribution of oxygen in the current blocking layer 18 has a profile that gradually decreases from the surface of the current blocking layer 18 toward the inside.
[0037]
Next, as shown in FIG. 2C, the epitaxial layer is made of hydrofluoric acid (HF) and ammonium fluoride (NH _Four The antioxidant film 90 is removed by dipping in a buffered hydrofluoric acid which is a mixed solution with F), and the remaining antioxidant film 90 is removed by dry etching using tetrafluorocarbon. At this time, the formed current blocking layer 18 is not etched by the buffered hydrofluoric acid. Thereafter, a resist pattern (not shown) for masking a portion including the resonator formation region in the epitaxial layer is formed by lithography, and chlorine (Cl) is formed on the epitaxial layer using the formed resist pattern as a mask. ₂ The n-type buffer layer 11 is exposed by dry etching using
[0038]
Next, as shown in FIG. 2D, nickel, platinum and gold are sequentially deposited on the p-type contact layer 17 by, for example, vapor deposition, and the p-side electrode 19 made of these laminates is selected. Form. Subsequently, titanium, platinum, and gold are sequentially deposited on the exposed portion of the n-type buffer layer 11 to selectively form the n-side electrode 20 composed of these laminates. Here, the order of forming the p-side electrode 19 and the n-side electrode 20 is not limited.
[0039]
Thereafter, although not shown in the figure, the substrate 10 is cleaved so that the resonator length is about 500 μm, and a low-reflection coating is applied to the emission end face of the resonator so that the reflectivity is about 10%. A highly reflective coating is applied to the end face so that the reflectance is about 80%.
[0040]
According to the manufacturing method according to the first embodiment, the current blocking layer 18 is formed of a dielectric material in which part of nitrogen atoms constituting the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 are replaced with oxygen atoms. Therefore, unlike a separate current blocking layer made of silicon oxide or silicon nitride as in the prior art, the adhesion of the current blocking layer 18 to the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 is significantly improved. In addition, silicon oxide (SiO ₂ ) Or silicon nitride (Si _Three N _Four ) Is not used, the density of pinholes generated in the current blocking layer 18 is also greatly reduced.
[0041]
Further, the oxygen content (oxygen composition) of the current blocking layer 18 gradually decreases as it approaches the active layer 14, and the refractive index of the current blocking layer 18 can be continuously changed. The laser structure can be easily optimized such that the stripe width (mesa width) for realizing mode confinement can be increased.
[0042]
In addition, according to the manufacturing method according to the first embodiment, the current blocking layer 18 can have a light confinement function and a current confinement function in a self-aligning manner.
[0043]
The current blocking layer 18 has the following two functions.
[0044]
The first is a current confinement function. Since the dielectric layer has an insulating property, almost no current flows. For this reason, the current injected into the semiconductor laser element flows through the mesa portion (ridge portion), and therefore flows only into the light emitting portion of the active layer 14. As a result, the reactive current is reduced and the value of the laser oscillation threshold current can be reduced.
[0045]
The second is light confinement. There is a difference in refractive index between the p-type cladding layer 16 and the current blocking layer 18. Due to this difference in refractive index, the recombination light in the semiconductor laser element is confined in the mesa portion, so that it can be efficiently coupled to the stimulated emission in the active layer 14.
[0046]
As described above, since the conventional current blocking layer is formed of silicon nitride or silicon oxide, the refractive index difference from the epitaxial layer is as large as about 0.5 to 1 and changes discontinuously. For this reason, the refractive index difference with the epitaxial layer is too large to be used for the lateral mode control of the semiconductor laser element. For example, the far-field image becomes a higher-order lateral mode due to slight variations in the mesa shape. Use as a light source becomes difficult.
[0047]
On the other hand, the current blocking layer (dielectric layer) 18 according to the first embodiment thermally diffuses oxygen from the surface of the epitaxial layer, and causes nitrogen atoms constituting the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 to escape. It is formed by replacing with oxygen atoms. The current blocking layer 18 formed in this way has a small difference in refractive index between the p-type cladding layer 16 and the current blocking layer 18 and changes gradually, so that the transverse mode control of the semiconductor laser device is facilitated. .
[0048]
The inventors of the present application measured the composition of oxygen contained in the current blocking layer 18 by secondary ion mass spectrometry (SIMS), and confirmed that the composition of oxygen changes in a quadratic curve. Specifically, the oxygen concentration on the surface of the current blocking layer 18 is about 1 × 10. ²⁰ cm ^-3 The oxygen concentration in the region having a depth of about 1 μm from the surface is about 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 It is. Thus, by changing the oxygen composition of the current blocking layer 18 in a quadratic curve, its refractive index is about 2.1 from the mesa portion to about 1.6 near the surface of the current blocking layer 18, The difference is as small as about 0.5, and it has been confirmed that it gradually decreases toward the outside in a quadratic curve. Thereby, since the confinement of the recombined light in the mesa portion becomes gentle, stable transverse mode oscillation becomes possible.
[0049]
FIG. 3 shows the relationship between the injection current and the optical output of the semiconductor laser device according to the first embodiment. The oscillation wavelength is 410 nm, the threshold current is 40 mA, and the threshold voltage is 4.2V. The maximum light output is 60 mW. Thus, current confinement efficiency and optical confinement efficiency are improved by the current blocking layer 18 made of a dielectric material in which some of the nitrogen atoms constituting the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 are replaced with oxygen atoms. Therefore, reduction of the threshold current value and high output operation are realized.
[0050]
As shown in FIG. 4, the half-value width of the far-field image when the output is 20 mW is 8 ° in the direction parallel to the bonding surface (substrate surface) and the direction perpendicular to the bonding surface. 25 °.
[0051]
FIG. 5 shows the light output dependence of the far-field image in a direction parallel to the bonding surface of the semiconductor laser device having the current blocking layer 18 according to the first embodiment. FIG. 6 is for comparison, and shows a light output characteristic of a far-field image in a direction parallel to the bonding surface of a semiconductor laser element having a current blocking layer made of silicon nitride according to a conventional example. Both optical outputs show the case of 20 mW and 50 mW.
[0052]
In the case of the laser element according to the conventional example, the refractive index difference at the interface between the mesa portion and the current blocking layer is about 0.9, and the refractive index itself changes discontinuously at the interface. Accordingly, the effective refractive index difference is reduced by increasing the distance between the lower portion of the mesa portion and the active layer so as to obtain fundamental transverse mode oscillation in a direction perpendicular to the bonding surface. However, in such a structure, the injection current spreads in the vicinity of the active layer, which not only increases the value of the threshold current, but also makes the confinement of recombination light unstable, and as shown in FIG. When the light output value is increased to 50 mW, two peaks of relative intensity are obtained, and a so-called bimodal far-field image is displayed.
[0053]
On the other hand, in the case of the laser device according to the first embodiment shown in FIG. 5, the peak of the relative intensity is one regardless of whether the output value is 20 mW or 50 mW, and the unimodal far-field image. It can be seen that
[0054]
FIG. 7 shows the results of a high-temperature, high-humidity life test for the semiconductor laser device according to the first embodiment. Each condition of the life test is such that the output is 30 mW, the temperature is 60 ° C., and the humidity is 85%. In FIG. 7, the horizontal axis represents the operating time, and the vertical axis represents the normalized operating current immediately after the start of the operation. Curve group A shows the case of the present invention, and curve group B shows the case of the conventional example. As shown in FIG. 7, in the case of the conventional example, since the adhesiveness with the mesa portion of the current block layer made of silicon nitride is weak, film peeling progresses in the current block layer. As a result, the refractive index distribution changes and high-order transverse mode oscillation occurs, so that the laser beam becomes weakly coupled with stimulated emission in the active layer, and the threshold current value increases, causing rapid degradation .
[0055]
On the other hand, in the case of the present invention, the p-type cladding layer 16 and the p-type contact layer 17 constituting the mesa portion are used instead of using a dielectric separately from the mesa portion for the current blocking layer as in the conventional example. Part of the film is formed by oxidation, and the adhesion to the mesa portion is extremely strong. Therefore, film peeling hardly occurs and stable operation can be performed over a long period of time.
[0056]
Although the case of a semiconductor laser element has been described as the semiconductor light emitting element, the current blocking layer of the present invention is applied from the viewpoint of the current confinement function and the light confinement function as in the case of the semiconductor laser element even if the light emitting diode element. Can do.
[0057]
Further, although an edge-emitting laser element has been exemplified as a semiconductor laser element, the present invention can also be applied to a surface-emitting laser element.
[0058]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0059]
FIG. 8 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention.
[0060]
In the first embodiment, insulating sapphire is used for the substrate 10 on which the epitaxial layer is grown. However, in the second embodiment, as shown in FIG. N-type gallium nitride (GaN), n-type aluminum gallium nitride (AlGaN), or n-type silicon carbide (SiC), which has a lattice constant close to that of the group III nitride semiconductor, is used.
[0061]
As shown in FIG. 8, on a substrate 30 made of, for example, n-type gallium nitride (GaN), an n-type buffer layer 31 made of n-type GaN having a thickness of about 2 μm and an n-type having a thickness of about 1 μm. Mold Al _0.15 Ga _0.85 An n-type cladding layer 32 made of N, an n-type light guide layer 33 made of n-type GaN having a thickness of about 0.1 μm, and an undoped Ga having a thickness of about 5 nm. _0.8 In _0.2 A single quantum well active layer 34 made of N, a p-type light guide layer 35 made of p-type GaN having a thickness of about 0.1 μm, and a p-type Al having a thickness of about 1 μm. _0.15 Ga _0.85 A p-type cladding layer 36 made of N and a p-type contact layer 37 made of p-type GaN having a thickness of about 0.5 μm are sequentially formed by crystal growth.
[0062]
Also in the second embodiment, the upper part of the p-type cladding layer 36 is spaced from each other, and the nitrogen atoms constituting the p-type cladding layer 36 and the p-type contact layer 37 are formed on both sides of the p-type contact layer 37. A current blocking layer 38 made of a dielectric whose part is replaced with oxygen atoms is formed. The current blocking layer 38 is formed such that the p-type cladding layer 36 and the p-type contact layer 37 have a mesa-like and striped ridge structure. Here, the mesa width is about 2 μm at the top and about 3 μm at the bottom.
[0063]
On the p-type contact layer 37, a p-side electrode 39 made of a laminate of nickel, platinum and gold and in ohmic contact with the p-type contact layer 37 is formed. An n-side electrode 40 made of a laminate of titanium, platinum and gold is formed on the surface of the substrate 30 opposite to the n-type buffer layer 31.
[0064]
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor laser device configured as described above will be described with reference to the drawings.
[0065]
FIG. 9A to FIG. 9E show cross-sectional structures in the order of steps of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. Here, in FIG. 9, the same components as those shown in FIG.
[0066]
First, as shown in FIG. 9A, an n-type buffer layer 31, an n-type cladding layer 32, an n-type light guide layer 33, a single quantum well are formed on a substrate 30 made of gallium nitride by, for example, MOVPE. An epitaxial layer is formed by sequentially growing a p-type active layer 34 (hereinafter referred to as an active layer 34), a p-type light guide layer 35, a p-type cladding layer 36, and a p-type contact layer 37.
[0067]
Next, as shown in FIG. 9B, a polysilicon film having a thickness of about 500 nm is deposited on the p-type contact layer 37 by, eg, CVD. Subsequently, a stripe-shaped resist pattern (not shown) having a width of about 3 μm is formed on the p-type contact layer 37 so as to cover the resonator formation region by lithography, and the formed resist pattern is used as a mask. The antioxidant film 90 is formed from the polysilicon film by performing dry etching using tetrafluorocarbon as an etching gas on the polysilicon film.
[0068]
Next, as shown in FIG. 9C, by using the antioxidant film 90 as a mask, the epitaxial layer is exposed to an oxygen atmosphere at a temperature of about 900 ° C. and a pressure of about 1 atm for about 24 hours, thereby forming a p-type cladding layer. The upper portions of 36 and both sides of the antioxidant film 90 in the p-type contact 37 are oxidized. As a result, the current blocking layer 38 in which some of the nitrogen atoms constituting the p-type cladding layer 36 and the p-type contact layer 37 are replaced with oxygen atoms is oxidized on the p-type cladding layer 36 and the p-type contact 37. It is formed on both sides of the prevention film 90. Again, the oxygen concentration distribution in the current blocking layer 38 has a profile that gradually decreases from the surface of the current blocking layer 38 toward the inside.
[0069]
Next, as shown in FIG. 9D, the epitaxial layer is immersed in buffered hydrofluoric acid to remove the antioxidant film 90, and the remaining antioxidant film 90 is removed by dry etching using tetrafluorocarbon. . At this time, the formed current blocking layer 38 is not etched by buffered hydrofluoric acid.
[0070]
Next, as shown in FIG. 9E, for example, nickel, platinum and gold are sequentially deposited so as to cover the p-type contact layer 37 by vapor deposition, and the p-side electrode 39 made of these laminates is selected. Form. Subsequently, titanium, platinum, and gold are sequentially deposited on the surface of the substrate 30 on the opposite side of the n-type buffer layer 31 to selectively form the n-side electrode 40 composed of these laminates. Here, the order of forming the p-side electrode 39 and the n-side electrode 40 is not limited.
[0071]
Thereafter, although not shown in the figure, the substrate 30 is cleaved so that the resonator length is about 500 μm, and a low-reflection coating is applied to the output end face of the resonator so that the reflectance is about 10%. A highly reflective coating is applied to the end face so that the reflectance is about 80%.
[0072]
As described above, according to the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment, the current blocking layer 38 constitutes the p-type cladding layer 36 and the p-type contact layer 37 as in the first embodiment. Since a part of the nitrogen atoms is formed by a dielectric material substituted with oxygen atoms, the adhesion of the current blocking layer 38 to the p-type cladding layer 36 and the p-type contact layer 39 is remarkably improved.
[0073]
Further, the oxygen content (oxygen composition) of the current blocking layer 38 gradually decreases as it approaches the active layer 34, and the refractive index difference of the current blocking layer 38 can be continuously changed. Can be easily optimized.
[0074]
In addition, since the n-side electrode 40 is provided on the surface of the substrate 30 opposite to the n-type buffer layer 31 so as to face the p-side electrode 39, the n-side electrode 40 is n with respect to the epitaxial layer as in the first embodiment. Since the etching process for exposing the mold buffer layer 31 is not necessary, the yield is further improved as compared with the first embodiment.
[0075]
Similar to the first embodiment, the semiconductor laser device according to the second embodiment is not limited to the edge-emitting laser device, but can also be applied to a surface-emitting laser device.
[0076]
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0077]
FIG. 10 shows a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention.
[0078]
In the third embodiment, the mesa structure in the semiconductor laser device shown in the second embodiment is configured to further improve the light confinement rate.
[0079]
As shown in FIG. 10, for example, on a substrate 50 made of n-type gallium nitride (GaN), an n-type buffer layer 51 made of n-type GaN having a thickness of about 2 μm and an n-type having a thickness of about 1 μm. Mold Al _0.15 Ga _0.85 An n-type cladding layer 52 made of N, an n-type light guide layer 53 made of n-type GaN having a thickness of about 0.1 μm, and an undoped Ga having a thickness of about 5 nm. _0.8 In _0.2 A single quantum well active layer 54 made of N, a p-type light guide layer 55 made of p-type GaN having a thickness of about 0.1 μm, and a p-type Al having a thickness of about 1 μm. _0.15 Ga _0.85 A p-type cladding layer 56 made of N and a p-type contact layer 57 made of p-type GaN having a thickness of about 0.5 μm are sequentially formed by crystal growth. Here, the substrate 50 is not limited to gallium nitride, but may be n-type AlGaN or SiC.
[0080]
As a feature of the third embodiment, a mesa portion (ridge portion) is formed on the upper portion of the p-type contact layer 57 to the n-type cladding layer 52 so that both sides thereof have a width of about 2 μm. On both sides of the mesa portion, a current blocking layer 58 made of a dielectric in which part of nitrogen atoms constituting the p-type contact layer 57 to the n-type cladding layer 52 is replaced with oxygen atoms is formed. .
[0081]
On the p-type contact layer 57, a p-side electrode 59 made of a laminate of nickel, platinum and gold and in ohmic contact with the p-type contact layer 57 is formed. An n-side electrode 60 made of a laminate of titanium, platinum and gold is formed on the surface of the substrate 50 opposite to the n-type buffer layer 51.
[0082]
Here, although the p-side electrode 59 is formed only on the upper surface of the p-type contact layer 57, it can also be provided so as to cover the upper part of the current blocking layer 58.
[0083]
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor laser device configured as described above will be described with reference to the drawings.
[0084]
FIG. 11A to FIG. 11E show cross-sectional structures in the order of steps of a method for manufacturing a semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. Here, in FIG. 11, the same components as those shown in FIG.
[0085]
First, as shown in FIG. 11A, an n-type buffer layer 51, an n-type cladding layer 52, an n-type light guide layer 53, a single quantum well are formed on a substrate 50 made of gallium nitride, for example, by MOVPE. An epitaxial layer is formed by sequentially growing a p-type active layer 54 (hereinafter referred to as an active layer 54), a p-type light guide layer 55, a p-type cladding layer 56, and a p-type contact lower layer 57a. Here, since the p-type contact lower layer 57a is regrown in a later process, its thickness is kept at about 0.3 μm.
[0086]
Next, as shown in FIG. 11B, a polysilicon film having a thickness of about 500 nm is deposited on the p-type contact lower layer 57a by, eg, CVD. Subsequently, a stripe-shaped resist pattern (not shown) having a width of about 3 μm is formed on the p-type contact lower layer 57a by a lithography method so as to cover the resonator formation region, and the formed resist pattern is used as a mask. The antioxidant film 90 is formed from the polysilicon film by performing dry etching using tetrafluorocarbon as an etching gas on the polysilicon film. Subsequently, using the resist pattern and the antioxidant film 90 as a mask, chlorine (Cl is used until the n-type cladding layer 52 is exposed to the epitaxial layer. ₂ ) Is performed to form a mesa portion.
[0087]
Next, as shown in FIG. 11C, by using the antioxidant film 90 as a mask, the epitaxial layer is exposed to an oxygen atmosphere at a temperature of about 900 ° C. and a pressure of about 1 atm for about 24 hours. The upper side of 52, the n-type light guide layer 53, the active layer 54, the p-type light guide layer 55, the p-type cladding layer 56, and the p-type contact lower layer 57a on both sides of the mesa are oxidized. As a result, the current blocking layer 58 in which a part of nitrogen atoms constituting the p-type contact lower layer 57a is replaced with oxygen atoms from the upper part of the n-type clad layer 52 is formed from the upper part of the n-type clad layer 52 to the lower part of the p-type contact It is formed on both side portions over the layer 57a.
[0088]
Next, as shown in FIG. 11D, the epitaxial layer is immersed in buffered hydrofluoric acid to remove the antioxidant film 90, and the remaining antioxidant film 90 is removed by dry etching using tetrafluorocarbon. . At this time, the formed current blocking layer 58 is not etched by buffered hydrofluoric acid. Subsequently, the p-type contact lower layer 57a is regrown by MOVPE to form the p-type contact layer 57 having a thickness of about 0.5 μm. At this time, the p-type contact layer 57 grows so as to cover the upper end surface of the current blocking layer 58.
[0089]
Next, as shown in FIG. 11E, for example, nickel, platinum and gold are sequentially deposited so as to cover the p-type contact layer 57 by vapor deposition, and the p-side electrode 59 made of these laminates is selected. Form. Subsequently, titanium, platinum, and gold are sequentially deposited on the surface of the substrate 50 opposite to the n-type buffer layer 51 to selectively form the n-side electrode 60 composed of these laminates. Here, the order of forming the p-side electrode 59 and the n-side electrode 60 is not limited.
[0090]
Thereafter, although not shown, the substrate 50 is cleaved so that the resonator length is about 500 μm, and a low-reflection coating is applied to the emission end face of the resonator so that the reflectance is about 10%. A highly reflective coating is applied to the end face so that the reflectance is about 80%.
[0091]
As described above, according to the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof according to the third embodiment, the current blocking layer 58 is changed from the n-type cladding layer 52 to the p-type contact layer 57 as in the first and second embodiments. Therefore, the adhesion of the current blocking layer 58 to the mesa portion is remarkably improved.
[0092]
Further, the oxygen content (oxygen composition) of the current blocking layer 58 gradually decreases as it approaches the active layer 54, and the refractive index difference of the current blocking layer 58 can be continuously changed. Can be easily optimized.
[0093]
In addition, since the n-side electrode 60 is provided on the opposite surface of the substrate 50 to the n-type buffer layer 51 so as to face the p-side electrode 59, the series resistance component is reduced.
[0094]
In addition, since the p-side electrode 59 can be provided on the upper side of the current blocking layer 58, an alignment process at the time of electrode formation can be eliminated.
[0095]
As in the first and second embodiments, the present invention is not limited to the edge-emitting laser element, but can be applied to a surface-emitting laser element.
[0096]
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0097]
FIG. 12 schematically shows a blue light-emitting diode element array according to the fourth embodiment of the present invention.
[0098]
As shown in FIG. 12, a structure equivalent to that of the second embodiment is formed on a substrate 70 made of n-type conductive gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), or silicon carbide (SiC). An epitaxial layer 71 having a double hetero structure having the structure is formed.
[0099]
On the upper surface of the epitaxial layer 71, a current blocking layer 72 is formed so as to expose the p-type contact layer 71a from four dot-shaped openings 72a arranged in a matrix.
[0100]
As a feature of the fourth embodiment, the current blocking layer 72 is formed of a dielectric material in which at least part of nitrogen atoms constituting the p-type contact layer 71a is replaced with oxygen atoms.
[0101]
On the current blocking layer 72, ohmic contact is made with the p-type contact layer 71a exposed from each opening 72a, and recombination light is transmitted, for example, like ITO (Indium Tin Oxide), and output above the epitaxial layer. A transparent electrode 73 from which light can be extracted is formed. An n-side electrode 74 made of a laminate of titanium, platinum and gold is formed on the surface of the substrate 70 opposite to the epitaxial layer 71.
[0102]
Here, the electric element separation between the diode elements is performed by the current blocking layer 72.
[0103]
According to the fourth embodiment, since the current block layer 72 has a smaller refractive index than the epitaxial layer 71, the recombination light can be optically confined inside the epitaxial layer 71.
[0104]
A multilayer dielectric film that transmits the emission wavelength may be provided on the transparent electrode 73. In this case, a so-called surface emitting laser structure in which laser oscillation is performed by providing a periodic structure having reflectivity with respect to the emission wavelength in the lower layer of the double heterostructure in the epitaxial layer 71 may be employed.
[0105]
According to the fourth embodiment, as in the first embodiment, the current blocking layer 72 in which a part of the nitrogen atoms in the group III-V nitride semiconductor is replaced with oxygen atoms is provided. Compared with the current blocking layer using silicon nitride, the reliability of the element isolation region is extremely high.
[0106]
Therefore, the blue light-emitting diode element array according to the fourth embodiment can obtain high reliability even when used in a severe outdoor environment.
[0107]
In each of the first to fourth embodiments, the current blocking layer obtained by replacing some of the nitrogen atoms of the group III-V nitride semiconductor with oxygen atoms is a white light source obtained by exciting a fluorescent material, or The same effect can be obtained even when applied to an optical integrated device or the like.
[0108]
【The invention's effect】
According to the semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof of the present invention, since the current blocking layer is formed integrally with the semiconductor layer, the current blocking layer eliminates the problem regarding the adhesion between the semiconductor layer, and further, the pinhole The density is significantly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are structural cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between an injection current and an optical output in the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a far-field image in the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the light output dependence of the far-field image in a direction parallel to the bonding surface of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the light output dependence of a far-field image in a direction parallel to the bonding surface of a conventional semiconductor laser element.
FIG. 7 is a graph showing the results of a high-temperature and high-humidity life test of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention and the conventional semiconductor laser device.
FIG. 8 is a structural sectional view showing a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 9A to 9E are structural cross-sectional views in order of steps showing a method of manufacturing a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 10 is a structural sectional view showing a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 11A to 11E are structural cross-sectional views in order of steps showing a method of manufacturing a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 12 is a perspective view showing a blue light emitting diode element array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a structural sectional view showing a conventional semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
10 Substrate
11 n-type buffer layer
12 n-type cladding layer
13 n-type light guide layer
14 Single quantum well active layer
15 p-type light guide layer
16 p-type cladding layer
17 p-type contact layer
18 Current blocking layer
19 p-side electrode
20 n-side electrode
30 substrates
31 n-type buffer layer
32 n-type cladding layer
33 n-type light guide layer
34 Single quantum well active layer
35 p-type light guide layer
36 p-type cladding layer
37 p-type contact layer
38 Current blocking layer
39 p-side electrode
40 n-side electrode
50 substrates
51 n-type buffer layer
52 n-type cladding layer
53 n-type light guide layer
54 Single quantum well active layer
55 p-type light guide layer
56 p-type cladding layer
57 p-type contact layer
57a p-type contact lower layer
58 Current blocking layer
59 p-side electrode
60 n-side electrode
70 substrates
71 Epitaxial layer
71a p-type contact layer
72 Current blocking layer
72a opening
90 Antioxidant film

Claims

An active layer formed on a substrate;
A semiconductor layer formed on the active layer and made of III-V nitride;
A current blocking layer made of a dielectric formed in the semiconductor layer so as to have an opening exposing the semiconductor layer, wherein a part of nitrogen atoms constituting the semiconductor layer is replaced with oxygen atoms;
The composition of oxygen in the current blocking layer decreases as it approaches the active layer.

The semiconductor light emitting device according to claim 1 , wherein the planar shape of the opening of the current blocking layer is a stripe shape.

The semiconductor light emitting element according to claim 2 , wherein the semiconductor layer has a ridge portion constituting a resonator, and the current blocking layer is also formed on a side portion of the semiconductor layer.

The semiconductor light emitting element according to claim 1 , wherein the planar shape of the opening of the current blocking layer is a dot shape.

A first step of forming an active layer on a substrate;
A second step of forming a semiconductor layer made of III-V nitride on the active layer;
A third step of selectively forming a mask film for masking a part of the semiconductor layer;
A current blocking layer made of a dielectric material in which a part of nitrogen atoms constituting the semiconductor layer is replaced with oxygen atoms by oxidizing the semiconductor layer on which the mask film is formed in an oxidizing atmosphere. A fourth step of forming
And a fifth step of removing the mask film. A method for manufacturing a semiconductor light-emitting element.

Between the third step and the fourth step,
6. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 5 , further comprising a sixth step of patterning the semiconductor layer into a ridge shape using the mask film.