JP4639571B2 - Nitride semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体(InaAlbGa1−a−bN、0≦a、0≦b、a+b≦1)よりなる窒化物半導体レーザ素子の電極形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
我々は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振1万時間以上を達成したことを発表した(ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-1571、Part2,No.12A,1 December 1997)。基本的な構造としては、サファイア基板上部に、部分的に形成されたSiO2膜を介して選択成長されたn−GaNよりなる窒化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層が複数積層されてなる。(詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36参照)
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
図6は従来のレーザ素子の一構造を示す模式断面図である。この図は前記J.J.A.P.に示される図とほぼ同じ図である。この図に示すように従来のレーザ素子ではp−Al0.14Ga0.86N/GaNの超格子構造よりなるp側クラッド層とp−GaNよりなるp側コンタクト層から上にリッジが設けられており、そのリッジの側面とp側クラッド層の平面とに渡って、SiO2よりなる絶縁膜が形成され、その絶縁膜を介してp−GaN層と電気的に接続されたp電極が形成されている。リッジのストライプ幅は例えば10μm以下と非常に狭く調整されており、そのストライプ幅の狭いリッジ最表面に、オーミック用のp電極を形成し、さらにはそのp電極の上に直接ボンディングするのは困難である。そのため、この図に示すように、p電極と電気的に接続し、そのp電極よりも大面積を有するpパッド電極が、p側クラッド層の表面に形成された絶縁膜を介して形成される。
【0004】
しかしながらSiO2よりなる絶縁膜は、通常、スパッタ、蒸着等のPVD技術を用いて形成されるため、絶縁性の高いSiO2になっていないことが多く、Si酸化物の絶縁性が不十分な傾向にある。絶縁性が不十分であると、リッジ以外のp側クラッド層に電流が流れ、閾値が上昇する原因となる。また、p側クラッド層は膜厚が1.0μm以下と他の半導体材料に比べて非常に薄く、さらにAlを含む窒化物半導体で成長されているのでクラッド層内に微細な孔(ピット)が発生しやすい。p側クラッド層の上に形成された絶縁膜の絶縁性が不十分であると、そのピットから電流が流れて、ショートしてしまう恐れがある。
【0005】
一方、電極形成方法について、ストライプ幅の狭いp側コンタクト層の表面にオーミック用のp電極を設けるには非常に細かい作業を必要とする。また絶縁膜形成時に、p側クラッド層の表面に均一な膜厚で絶縁膜を設けないと、膜厚の薄い所に電流が集中して、ショートの原因となる。さらにリッジストライプ形成時にSiO2をマスクとして使用すると、クラッド層上部の保護膜を同じSiO2で形成することは、両者とも同一のフッ酸で溶けてしまうため、工程上困難である。
【0006】
従って、本発明の目的とするところは、リッジストライプがp層側に設けられてなるレーザ素子において、p側のクラッド層の表面に絶縁性の高い絶縁膜が設けられた信頼性の高いレーザ素子を提供すると共に、簡単な方法で絶縁膜を形成して、その絶縁膜を介して電極を形成しやすくできる電極の形成方法を提供することにある。さらに、新規な電極の構造を提供することによりレーザ素子の閾値を低下させることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、活性層の上に、第1のp型窒化物半導体を含むp側クラッド層と、該p側クラッド層の上に、第2のp型窒化物半導体を含むp側コンタクト層が積層され、そのp側コンタクト層側からエッチングされて、p側コンタクト層よりも下の層に、ストライプ状の導波路領域が設けられた窒化物半導体レーザ素子において、そのストライプ導波路のストライプの両側面、およびその側面と連続した窒化物半導体層の平面には、Si酸化物以外で、かつ、屈折率が窒化物半導体よりも小さい絶縁膜が形成され、さらにその絶縁膜を介して、前記ストライプの最上層にあるコンタクト層の表面に電極が設けられており、さらに前記絶縁膜がZr、Hfから選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、BN、SiCの内少なくとも一種からなることを特徴とする。
さらには、前記ストライプの両側面と連続した窒化物半導体の平面が、p側クラッド層下端面よりも基板側にあることを特徴とする。
さらには、前記活性層とp側クラッド層との間に、p側光ガイド層を有することを特徴とする。
さらには、前記p側クラッド層は、少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層からなる超格子構造であることを特徴とする。
また、第1のp型窒化物半導体を含むp側クラッド層の上に、第2のp型窒化物半導体を含むp側コンタクト層が積層され、そのp側コンタクト層側からエッチングされて、そのp側コンタクト層よりも下の層に、ストライプ状の導波路領域が設けられた窒化物半導体レーザ素子において、そのストライプ導波路のストライプの両側面、およびその側面と連続した窒化物半導体層の平面には、Si酸化物以外で、かつ、屈折率が窒化物半導体よりも小さい絶縁膜が形成され、さらにその絶縁膜を介して、前記ストライプの最上層にあるコンタクト層の表面に電極が設けられる。
【0008】
本発明のレーザ素子では、前記ストライプの側面と連続した窒化物半導体の平面が、前記p側クラッド層の膜厚方向において、下端面からp側コンタクト層方向0.2μmよりも基板側にあってもよい。
【0009】
また、前記ストライプの側面と連続した窒化物半導体の平面が、p側クラッド層の下端面よりも下にあってもよい。このことによりレーザ素子の閾値が2/3以下と著しく低下し、非常に好ましい。なおp側クラッド層の下端面とは、p側クラッド層が形成されている下地層と、そのp側クラッド層との界面を指すものとする。また下端面からp側コンタクト層方向0.2μmとは、前記界面から、p側クラッド層が0.2μm残った状態を指す。
【0010】
さらに本発明のレーザ素子では、前記ストライプの幅が、4μm〜0.5μmの範囲を有してもよい。さらに好ましくは3μm〜1μmに調整する。4μmよりも広いと横モードが多モードとなりやすく、また0.5μmより狭いと、ストライプの形成が難しく、また電極との接触面積が小さいため、閾値が上昇しやすい。
【0011】
絶縁膜としては、Ti、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、BN、SiC、AlNの内の少なくとも一種を選択することが望ましく、最も好ましくはZr、Hfの酸化物、BN、SiCを用いる。なおSiCはスパッタ、蒸着等のPVDによる製膜ではアモルファス状になるため絶縁体であり、またn、p型の不純物を含んでいないSiCも絶縁体である。
【0012】
また本発明のレーザ素子の製造方法としては、第1のp型窒化物半導体を含むp側クラッド層の上に、第2のp型窒化物半導体を含むp側コンタクト層を積層した後、そのp側コンタクト層の表面に、ストライプ状の第1の保護膜を形成する第1の工程と、第1の保護膜を介して、該第1の保護膜が形成されていない部分の窒化物半導体をエッチングして、保護膜直下部分にストライプ状の導波路領域を形成する第2の工程と、第2の工程後、第1の保護膜と異なる材料であって、絶縁性を有する第2の保護膜を、ストライプ導波路の側面及びエッチングされて露出した窒化物半導体層の平面に形成する第3の工程と、第3の工程後、第1の保護膜を除去して、前記第2の保護膜と最上層のp型窒化物半導体層の表面に、そのp側コンタクト層と電気的に接続した電極を形成する第4の工程とを具備することを特徴とする。
【0013】
また本発明のレーザ素子の製造方法としては、前記第2の工程において、エッチングストップをp側クラッド層の膜厚方向において、下端面からp側コンタクト層方向0.2μmよりも基板側にある窒化物半導体の平面とすることを特徴とする。エッチングストップとは言うまでもなくエッチングを停止する層であり、このエッチングストップ後に、窒化物半導体にストライプ状の導波路領域が形成され、そのストライプの側面と連続した窒化物半導体の平面が露出される。
【0014】
また、前記第2の工程において、エッチングストップをp側クラッド層の下端面よりも基板側にある窒化物半導体の平面とする。エッチングストップをp側クラッド層下端面よりも基板側にある窒化物半導体平面にすることにより、レーザ素子の閾値が著しく低下する。
【0015】
また本発明のレーザ素子の製造方法としては、前記第1の工程において、p型窒化物半導体層最上層のほぼ全面に第1の保護膜を形成し、その第1の保護膜の上にストライプ状の第3の保護膜を形成した後、その第3の保護膜を介して、第1の保護膜をストライプ状にエッチングする工程により、第1の保護膜を形成することが好ましい。これは即ち第1の保護膜の形成方法を示すものである。
【0016】
また本発明のレーザ素子の製造方法としては、前記第1の工程において、第1の保護膜をリフトオフ法により形成することが好ましい。
【0017】
第1の保護膜としては、Siの酸化物よりなり、前記第2の保護膜はTi、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、またはBN、SiC、AlNの内の少なくとも一種を選択し、第2の保護膜として、さらに好ましくはZr、Hfの酸化物、BN、SiCを用いる。第1の保護膜と第2の保護膜とをこれらの材料にすると、保護膜の溶解度差、エッチング速度差により、リフトオフにより第1の保護膜のみが除去できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の電極形成方法の工程を説明するための、窒化物半導体ウェーハの部分的な構造を示す模式的な断面図であり、エッチングにより形成したストライプ導波路に対し垂直方向、即ち共振面に対して平行方向で切断した際の図を示している。本発明の第1の工程では図1(c)に示すように、最上層にあるp側コンタクト層13の上にストライプ状の第1の保護膜61を形成する。
【0019】
第1の保護膜61は、特に絶縁性は問わず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であればどのような材料でも良い。例えばSi酸化物(SiO2を含む)、フォトレジスト等が用いられ、好ましくは、後に形成する第2の保護膜との溶解度差を設けるために、第2の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料として、Si酸化物を好ましく用いる。第1の保護膜のストライプ幅(W)としては4μm〜0.5μm、好ましくは3μm〜1μmに調整する。第1の保護膜61のストライプ幅が、おおよそ導波路領域のストライプ幅に相当する。
【0020】
図1(a)、(b)は前記第1の保護膜61を形成するための具体的な工程を示すものである。即ち、図1(a)に示すように、第1の保護膜61をp側コンタクト層13の表面のほぼ全面に形成し、次にその第1の保護膜61の上にストライプ状の第3の保護膜63を形成する。その後、図1(b)に示すように、その第3の保護膜63をつけたまま、第1の保護膜61をエッチングした後、第3保護膜63を除去すれば、図1(c)に示すようなストライプ状の第1の保護膜61を形成することができる。なお第3の保護膜63をつけたままエッチングガス、若しくはエッチング手段等を変えて、p側コンタクト層13側からエッチングすることもできる。
【0021】
また図1(c)に示すようなストライプ状の第1の保護膜61を形成するにはリフトオフ法を用いることもできる。即ち、ストライプ状の孔が開いた形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストの上から全面に第1の保護膜を形成し、その後フォトレジストを溶解除去することにより、p側コンタクト層と接触している第1の保護膜のみを残す手段である。なおリフトオフ法でストライプ状の第1の保護膜を形成するよりも、前記図1(a)、(b)のようにエッチングにより形成する方が端面がほぼ垂直で形状が整ったストライプが得られやすい傾向にある。
【0022】
次に本発明の第2の工程では図1(d)に示すように、第1の保護膜61を介して、該第1の保護膜61が形成されていない部分のp側コンタクト層13からエッチングして、第1の保護膜61の直下部分に保護膜の形状に応じたストライプ状の導波路領域を形成する。エッチングを行う場合、エッチストップをどの位置にするかでレーザ素子の構造、特性が異なってくる。エッチストップはp側コンタクト層よりも下の層であればどの窒化物半導体層で止めてもよい。図1に示す例ではp側コンタクト層13の下にあるp側クラッド層12の途中をエッチストップとしている。p側クラッド層の下端面からp側コンタクト層方向0.2μmよりも基板側をエッチストップとすると、ストライプがリッジとなって屈折率導波路型のレーザ素子ができる。下端面とは厚さ方向に対して最も下のクラッド層の面を指し、先にも述べたようにクラッド層の下に光ガイド層がある場合には、ガイド層とクラッド層の界面が下端面に相当する。エッチストップをこの下端面よりも上にすると、エッチング時間が短くなり、またエッチングレートを制御しやすいので、生産技術上都合がよい。また、p側クラッド層がストライプの下に存在しているため、閾値は高くなる傾向にあるが、電極間のショートが少ない素子が容易にできる。
【0023】
一方、また図1には示していないが、エッチストップをp側クラッド層の下端面よりも下にある窒化物半導体とすることもできる。下端面よりも基板側の層をエッチストップとすると、側面の露出する面積が多く、電極がショートしやすい傾向にあるものの、閾値が著しく低下する傾向にあり、その点では好ましい。
【0024】
エッチング手段としては、例えばRIE(反応性イオンエッチング)のようなドライエッチングを用いる場合、第1の工程で多用するSi酸化物よりなる第1の保護膜をエッチングするには、CF4のようなフッ素化合物系のガスを用いることが望ましく、第2の工程では窒化物半導体をエッチングするには他のIII−V族化合物半導体で良く用いられている、Cl2、CCl4、SiCl4のような塩素系のガスを用いると、Si酸化物との選択比が大きくできるため望ましい。
【0025】
次に第3の工程では、図1(e)に示すように、第1の保護膜61と異なる材料であって、絶縁性を有する第2の保護膜62を、ストライプ状の導波路の側面と、エッチングされて露出した窒化物半導体層(図1eでは、p側クラッド層12)の平面とに形成する。第1の保護膜61は第2の保護膜62と異なる材料よりなるため、エッチング手段に対して、第2の保護膜と選択性を有している。そのため、後に第1の保護膜61のみを、例えばフッ酸で除去すると、次の図1(f)に示すような、p型クラッド層12の表面とストライプの側面との両方に連続した第2の保護膜62を形成することができる。第2の保護膜を連続して形成することにより、高い絶縁性を保持できる。しかも第1の保護膜61の上から連続して第2の保護膜62を形成すると、p側クラッド層12の上に均一な膜厚で形成できるため、膜厚の不均一が起こりにくく、膜厚の不均一に起因する電流の集中も発生しなくなる。なお、第2の工程においてエッチストップをp側クラッド層12の途中としているため、図1(e)では第2の保護膜62はp側クラッド層の平面に形成されるが、エッチストップをp側クラッド層12よりも下にすると、当然第2の保護膜はそのエッチストップした窒化物半導体層の平面に形成されることは言うまでもない。
【0026】
第2の保護膜の材料としてはSiO2以外の材料、好ましくはTi、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、BN、SiC、AlNの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもZr、Hfの酸化物、BN、SiCを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれば埋め込み層としてSiO2よりもかなり信頼性が高くなる傾向にある。またPVD、CVDのような気相で製膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のPVD、CVDによる酸化物、BN、SiC、AlNはSi酸化物よりも絶縁性に対して信頼性に優れている傾向にある。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの(例えばSiC以外のもの)を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。さらにまた、第1の保護膜61をSi酸化物とすると、Si酸化物に対して、フッ酸による選択性を有しているため、図1(e)に示すようにストライプ導波路の側面、そのストライプが形成されている平面(エッチストップ層)、及び第1の保護膜61の表面に連続して形成すると、リフトオフ法により、第1の保護膜61のみを除去すると、図1(f)に示すような、平面に対して膜厚が均一な第2の保護膜62を形成することができる。
【0027】
次に本発明の第4の工程では、図1(f)に示すように、第1の保護膜61を除去した後に、次に図1(g)に示すように、第2の保護膜62とp側コンタクト層13の上に、そのp側コンタクト層と電気的に接続したp電極を形成する。本発明では、先に第2の保護膜を先に形成しているために、このp電極を形成する際に、ストライプ幅の狭いコンタクト層のみに形成する必要がなく、大面積で形成できる。しかも、オーミック接触を兼ねた電極材料を選択してオーミックとボンディング用の電極を兼ねた電極とを一緒に形成できる。
【0028】
窒化物半導体レーザ素子では、ストライプ状の導波路領域を形成する場合、ウェットエッチングではエッチングが難しいため、ドライエッチングが用いられる。ドライエッチングでは、第1の保護膜と窒化物半導体との選択性が重要視されるため、第1の保護膜としてSiO2が用いられる。しかしながらSiO2をエッチストップした層の平面に形成する第2の保護膜にも使用することは、絶縁性が不十分であり、また第1の保護膜と同一材料であるので、第1の保護膜のみを除去することが困難となる。そのため、本発明では、第2の保護膜をSiO2以外の材料とすると、第1の保護膜との選択性が得られる、しかも第2の保護膜形成後は窒化物半導体をエッチングしないため、第2の保護膜は、窒化物半導体とのエッチング速さに関して、問題とされない。
【0029】
【実施例】
[実施例1]
図2は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図でありストライプ導波路に垂直な方向で切断した際の図を示すものである。以下、この図を基に実施例1について説明する。
【0030】
(下地層2)
1インチφ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板1をMOVPE反応容器内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNよりなるバッファ層を200オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を1050℃にして、同じくGaNよりなる下地層2を4μmの膜厚で成長させる。この下地層は保護膜を部分的に表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を行うための下地層として作用する。
【0031】
(保護膜3)
下地層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、PVD装置によりストライプ幅10μm、ストライプ間隔(窓部)2μmのSiO2よりなる保護膜3を形成する。保護膜の形状はストライプの窓部よりも保護膜の面積を大きくする方が、次に成長させる結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板が得られる。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素(SiOX)、窒化ケイ素(SiXNY)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600℃〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有している。なおこの保護膜3は窒化物半導体基板4の成長を行うための保護膜であり、本発明の方法の保護膜とは異なる
【0032】
(窒化物半導体基板4)
保護膜形成後、ウェーハを再度MOVPEの反応容器内にセットし、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなる窒化物半導体基板4を20μmの膜厚で成長させる。この窒化物半導体基板は保護膜3上部において横方向に成長されたものであるため、結晶欠陥が105個/cm2以下と下地層2に比較して2桁以上少なくなる。
【0033】
(n側コンタクト層5)
次に、アンモニアとTMG、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物半導体基板1の上に、1050℃でSiを3×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層5を4μmの膜厚で成長させる。
【0034】
(クラック防止層6)
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を800℃にしてIn0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層6を0.15μmの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【0035】
(n側クラッド層7)
続いて、1050℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG、アンモニアを用い、アンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAを止めて、シランガスを流し、Siを1×1019/cm3ドープしたn型GaNよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させる。それらの層を交互積層して超格子層を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn側クラッド層7を成長させる。
【0036】
(n側光ガイド層8)
続いて、シランガスを止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn側光ガイド層8を0.1μmの膜厚で成長させる。このn側光ガイド層8にn型不純物をドープしても良い。
【0037】
(活性層9)
次に、温度を800℃にして、SiドープIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層を100オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を40オングストロームの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを2回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚380オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またn型不純物及び/又はp型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なお障壁層にのみn型不純物をドープすると閾値が低下しやすい。
【0038】
(p側キャップ層10)
次に、温度を1050℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p側光ガイド層11よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層7を300オングストロームの膜厚で成長させる。
【0039】
(p側光ガイド層11)
続いてCp2Mg、TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層10よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層11を0.1μmの膜厚で成長させる。
【0040】
(p側クラッド層12)
続いて、1050℃でアンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてCp2Mg、TMAを止め、アンドープGaNよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層12を成長させる。p側クラッド層は少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層12は、Alを含む窒化物半導体層、好ましくはAlXGa1−XN(0<X<1)を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはGaNとAlGaNとを積層した超格子構造とする。p側クラッド層12を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のAl混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートする確率も低くなる。
【0041】
(p側コンタクト層13)
最後に、1050℃で、p側クラッド層9の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層13を150オングストロームの膜厚で成長させる。p側コンタクト層はp型のInXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極20と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層13は電極を形成する層であるので、1×1017/cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。1×1017/cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をGaNとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。
【0042】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成して、RIE(反応性イオンエッチング)を用いSiCl4ガスによりエッチングし、図2に示すように、n電極を形成すべきn側コンタクト層5の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてSiO2が最適である。
【0043】
次に本発明の電極形成方法について詳説する。まず、図1(a)に示すように、最上層のp側コンタクト層13のほぼ全面に、PVD装置により、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の保護膜61を0.5μmの膜厚で形成した後、第1の保護膜61の上に所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる第3の保護膜63を、ストライプ幅2μm、厚さ1μmで形成する。
【0044】
次に、図1(b)に示すように第3の保護膜63形成後、RIE(反応性イオンエッチング)装置により、CF4ガスを用い、第3の保護膜63をマスクとして、前記第1の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、図1(c)に示すようにp側コンタクト層13の上にストライプ幅2μmの第1の保護膜61が形成できる。
【0045】
さらに、図1(d)に示すように、ストライプ状の第1の保護膜61形成後、再度RIEによりSiCl4ガスを用いて、p側コンタクト層13、およびp側クラッド層12をエッチングして、ストライプ状の導波路領域(この場合、リッジストライプ)を形成する。ストライプを形成する際、そのストライプの断面形状を図2に示すような順メサの形状とすると、横モードがシングルモードとなりやすく非常に好ましい。このストライプ形状は本発明のストライプ導波路の形状全てについて適用可能である。
【0046】
リッジストライプ形成後、ウェーハをPVD装置に移送し、図1(e)に示すように、Zr酸化物(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜62を、第1の保護膜61の上と、エッチングにより露出されたp側クラッド層12の上に0.5μmの膜厚で連続して形成する。
【0047】
第2の保護膜62形成後、ウェーハを600℃で熱処理する。このようにSiO2以外の材料を第2の保護膜として形成した場合、第2の保護膜製膜後に、300℃以上、好ましくは400℃以上、窒化物半導体の分解温度以下(1200℃)で熱処理することにより、第2の保護膜が第1の保護膜の溶解材料(フッ酸)に対して溶解しにくくなり、この工程を加えることがさらに望ましい。
【0048】
次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図1(f)に示すように、第1の保護膜61をリフトオフ法により除去する。
【0049】
次に図1(g)に示すように、p側コンタクト層13の上の第1の保護膜61が除去されて露出したそのp側コンタクト層の表面にNi/Auよりなるp電極20を形成する。但しp電極20は100μmのストライプ幅として、この図に示すように、第2の保護膜62の上に渡って形成する。
【0050】
第2の保護膜形成後、一番最初に露出させたn側コンタクト層5の表面にはTi/Alよりなるn電極21をストライプと平行な方向で形成する。
【0051】
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研磨して70μmとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面(11−00面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)に共振器を作製する。共振器面にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断して図2に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は300〜500μmとすることが望ましい。
【0052】
このレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長400〜420nm、閾値電流密度2.9kA/cm2において室温連続発振を示した。さらに電流値を上げて出力を上げ、40mWとしても、素子自体にショートは発生せず、50時間以上の連続発振を続けた。
【0053】
一方、第2の保護膜をSiO2とした従来のものは、閾値電流密度はほぼ同じで連続発振したが、出力を40mWとすると、即、電極間でショートが発生するものがあった。
【0054】
[実施例2]
実施例1において、ストライプ導波路形成後、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、BNを0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【0055】
[実施例3]
実施例1において、ストライプ導波路形成後、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、Hf酸化物(主としてHfO2)を0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【0056】
[実施例4]
実施例1において、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、SiCを0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【0057】
[実施例5]
実施例1において、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、Ti酸化物(主としてTiO2)を0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、閾値がやや高くなり、40mWの出力において、寿命が40時間とやや短くなった。
【0058】
[実施例6]
実施例1において、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、V酸化物(主としてV2O3)を0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例5とほぼ同等の特性を示した。
【0059】
[実施例7]
実施例1において、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、Nb酸化物(主としてNb2O5)を0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例5とほぼ同等の特性を示した。
【0060】
[実施例8]
実施例1において、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、Ta酸化物(主としてTa2O5)を0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例5とほぼ同等の特性を示した。
【0061】
[実施例9]
実施例1において、第2の保護膜62を形成する際に、PVD装置で、AlNを0.5μmの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例5とほぼ同等の特性を示した。
【0062】
[実施例10]
実施例1において、p側コンタクト層13成長後、そのp側コンタクト層13の上に2μmのストライプ状の開口部を有するフォトレジストを、0.5μmの膜厚で形成した後、そのフォトレジストの上から、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の保護膜61を0.5μmの膜厚で形成する。その後リフトオフ法により、フォトレジストを溶解除去することにより、図1(c)に示すような2μmのストライプ幅を有する第1の保護膜61を形成する。後は実施例1と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【0063】
[実施例11]
図3は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に実施例11について説明する。
【0064】
(窒化物半導体基板4’)
実施例1において、下地層2の表面にストライプ状の保護膜3形成後、ウェーハを再度MOVPEの反応容器内にセットし、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaNを5μmの膜厚で成長させる。その後、ウェーハをHVPE(ハイドライド気相成長法)装置に移送し、原料にGaメタル、HClガス、及びアンモニアを用い、アンドープGaNよりなる窒化物半導体基板4’を200μmの膜厚で成長させる。このようにMOVPE法により保護膜3の上に窒化物半導体を成長させた後、HVPE法で100μm以上のGaN厚膜を成長させると結晶欠陥は実施例1に比較してもう一桁以上少なくなる。窒化物半導体基板4’成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、サファイア基板1、バッファ層2、保護膜3、アンドープGaN層を研磨により除去し、窒化物半導体基板4’単独とする。
【0065】
後は実施例1と同様にして、研磨側と反対側の窒化物半導体基板4’の上にn側コンタクト層5〜p側コンタクト層13までを積層する。
【0066】
p側コンタクト層13成長後、実施例1と同様にして、ストライプ状の第1の保護膜61を形成した後、第2の工程において、エッチングストップをn側コンタクト層5の表面とする。後は実施例と同様にして、ZrO2を主成分とする第2の保護膜62をストライプ導波路の側面、及びn側コンタクト層5の表面に形成した後、それぞれのコンタクト層に電極を形成して、図3に示すような構造のレーザ素子とする。なお共振面を形成する場合、窒化物半導体基板の劈開面は実施例1と同じM面とする。このレーザ素子は実施例1に比較して、閾値電流密度は1.8kA/cm2にまで低下し、寿命は3倍以上向上した。
【0067】
[実施例12]
図4は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に実施例11について説明する。
【0068】
実施例11において、窒化物半導体基板4'を作製する際にHVPE装置において原料にシランガスを加え、Siを1×1018/cm3ドープしたGaNよりなる窒化物半導体基板4''を200μmの膜厚で成長させる。なおSi濃度は1×1017/cm3〜5×1019/cm3の範囲とすることが望ましい。窒化物半導体基板4''成長後、実施例1と同様にしてサファイア基板1、バッファ層2、保護膜3、アンドープGaN層を研磨して除去し、窒化物半導体基板4''単体とする。
【0069】
次にこの窒化物半導体基板4''の上に実施例1と同様にして、クラック防止層6〜p側コンタクト層13までを積層成長させる。
p側コンタクト層13成長後、実施例1と同様にして、ストライプ状の第1の保護膜61を形成した後、第2の工程において、エッチングストップを図4に示すn側クラッド層7の表面とする。後は実施例と同様にして、ZrO2を主成分とする第2の保護膜62をストライプ導波路の側面と、n側クラッド層7の表面とに形成した後、その第2の保護膜を介してp電極20を形成する。一方、窒化物半導体基板の裏面側のほぼ全面にn電極21を形成する。電極形成後、窒化物半導体基板のM面で劈開して、共振面を作製し、図3に示すような構造のレーザ素子としたところ、実施例11とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【0070】
なお実施例12のレーザ素子を作製する工程において、第2の工程においてエッチングストップを、窒化物半導体基板の上に積層した種々の半導体層とした場合に、レーザ素子の閾値電流密度と、エッチング深さとの関係を示している。Aはp側クラッド層12の上端面から0.1μm入ったところ、Bはp側クラッド層が0.2μmで残ったところ、Cはp側光ガイド層11の中央、Dはn側光ガイド層8の中央、Eはn側クラッド層7の中央、Fは基板上端面から0.1μm入ったところを示している。この図5に示すように、エッチングストップをp側クラッド層の下端面よりも基板側の層とすると閾値が著しく低下することが分かる。また、B点よりも深くエッチングすると、2.0kA/cm2以下の閾値電流密度が得られる。2.0kA/cm2より閾値が高くなると、高出力で500時間以上連続発信させた場合に、レーザ素子が切れやすい傾向にある。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子ではストライプ導波路領域の側面、及びその側面と連続した窒化物半導体の平面に、絶縁性に優れて信頼性が高い保護膜が形成されているために、その保護膜の上に電極を形成して、高電流を流しても、電極間でショートせずにレーザ素子の寿命を延ばすことができる。さらにその位置をp側クラッド層下端面より基板側にすることにより、閾値が著しく低下したレーザ素子を作製できる。また本発明の方法によると、ほぼ均一な膜厚でクラッド層の上に保護膜が形成できるので、電流の集中が起こることが少ない。また第1の保護膜の材料と、第2の保護膜との材料を異ならせているために、保護膜によるエッチング手段による選択性を用いて、再現性よく電極形成を行うことができる。このように本発明は、これからレーザ素子を高出力にして長寿命化するために、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の方法の各工程を説明するための、各工程においてそれぞれ得られるウェーハの部分的な構造を示す模式断面図。
【図2】 本発明の一実施例にかかるレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図3】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図4】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図5】 エッチングストップ層と、レーザ素子の閾値電流密度との関係を示す図。
【図6】 従来のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
1・・・異種基板
2・・・下地層
3・・・窒化物半導体基板成長用の保護膜
4、4’4''・・・窒化物半導体基板
5・・・n側コンタクト層
6・・・クラック防止層
7・・・n側クラッド層
8・・・n側光ガイド層
9・・・活性層
10・・・p側キャップ層
11・・・p側光ガイド層
12・・・p側クラッド層
13・・・p側コンタクト層
61・・・第1の保護膜
62・・・第2の保護膜
63・・・第3の保護膜
20・・・p電極
21・・・n電極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a nitride semiconductor (InaAlbGa1-abN, 0 ≦ a, 0 ≦ b, a + b ≦ 1).
[0002]
[Prior art]
We have produced a nitride semiconductor laser device including an active layer on a nitride semiconductor substrate, and have achieved the world's first continuous oscillation at room temperature of 10,000 hours or more (ICNS'97 Proceedings, October 27-31, 1997, P444-446, and Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp. L1568-1571,
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a conventional laser element. This figure is almost the same as the figure shown in the above-mentioned J.J.A.P. As shown in this figure, in the conventional laser element, p-Al0.14Ga0.86A ridge is provided above a p-side cladding layer made of an N / GaN superlattice structure and a p-side contact layer made of p-GaN. The ridge is formed across the side surface of the ridge and the plane of the p-side cladding layer.2An insulating film is formed, and a p-electrode electrically connected to the p-GaN layer through the insulating film is formed. The stripe width of the ridge is adjusted to be very narrow, for example, 10 μm or less. It is difficult to form an ohmic p-electrode on the outermost surface of the ridge having a narrow stripe width, and to bond directly on the p-electrode. It is. Therefore, as shown in this figure, a p-pad electrode that is electrically connected to the p-electrode and has a larger area than the p-electrode is formed via an insulating film formed on the surface of the p-side cladding layer. .
[0004]
However, SiO2Since the insulating film made of this material is usually formed using PVD technology such as sputtering or vapor deposition, it is highly insulating SiO2In many cases, the insulating property of the Si oxide tends to be insufficient. If the insulation is insufficient, a current flows through the p-side cladding layer other than the ridge, which causes the threshold value to rise. In addition, the p-side cladding layer has a thickness of 1.0 μm or less, which is very thin compared to other semiconductor materials. Further, since the p-side cladding layer is grown from a nitride semiconductor containing Al, fine holes (pits) are formed in the cladding layer. Likely to happen. If the insulating film formed on the p-side cladding layer has insufficient insulation, a current may flow from the pits, causing a short circuit.
[0005]
On the other hand, regarding the electrode forming method, a very fine operation is required to provide an ohmic p-electrode on the surface of the p-side contact layer having a narrow stripe width. If an insulating film with a uniform film thickness is not provided on the surface of the p-side cladding layer when forming the insulating film, current concentrates on the thin film, causing a short circuit. Furthermore, when forming ridge stripes, SiO2Is used as a mask, the protective film on the top of the cladding layer is made of the same SiO2It is difficult in terms of the process because both are dissolved in the same hydrofluoric acid.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly reliable laser element in which a highly insulating insulating film is provided on the surface of the p-side cladding layer in the laser element in which the ridge stripe is provided on the p-layer side. It is another object of the present invention to provide an electrode forming method that can easily form an electrode through an insulating film formed by a simple method. Furthermore, the threshold value of the laser element is lowered by providing a novel electrode structure.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The nitride semiconductor laser device of the present invention includes a p-side cladding layer containing a first p-type nitride semiconductor on an active layer, and a second p-type nitride semiconductor on the p-side cladding layer. In a nitride semiconductor laser device in which a p-side contact layer is stacked, etched from the p-side contact layer side, and provided with a stripe-shaped waveguide region in a layer below the p-side contact layer, the stripe An insulating film other than Si oxide and having a refractive index smaller than that of the nitride semiconductor is formed on both sides of the stripe of the waveguide and on the plane of the nitride semiconductor layer continuous with the side surface. An electrode is provided on the surface of the contact layer in the uppermost layer of the stripe, and the insulating film is an oxide containing at least one element selected from Zr and Hf, BN, Si Characterized in that it consists of at least one of the.
Furthermore, a plane of the nitride semiconductor continuous with both side surfaces of the stripe is on the substrate side with respect to the lower end surface of the p-side cladding layer.
Furthermore, a p-side light guide layer is provided between the active layer and the p-side cladding layer.
Furthermore, the p-side clad layer has a superlattice structure including at least one nitride semiconductor layer containing Al and having nitride semiconductor layers having different band gap energies.
A p-side contact layer including a second p-type nitride semiconductor is stacked on the p-side cladding layer including the first p-type nitride semiconductor, and etched from the p-side contact layer side. In a nitride semiconductor laser device in which a stripe-shaped waveguide region is provided in a layer below the p-side contact layer, both sides of the stripe of the stripe waveguide and a plane of the nitride semiconductor layer continuous with the side surface An insulating film other than Si oxide and having a refractive index smaller than that of a nitride semiconductor is formed, and an electrode is provided on the surface of the contact layer at the uppermost layer of the stripe via the insulating film.Be.
[0008]
In the laser element of the present invention, the plane of the nitride semiconductor continuous with the side surface of the stripe is closer to the substrate side from the lower end surface to the p-side contact layer direction of 0.2 μm in the film thickness direction of the p-side cladding layer.There may be.
[0009]
Further, the plane of the nitride semiconductor continuous with the side surface of the stripe is below the lower end surface of the p-side cladding layer.There may be.This greatly reduces the threshold value of the laser element to 2/3 or less, which is very preferable. The lower end surface of the p-side cladding layer refers to the interface between the base layer on which the p-side cladding layer is formed and the p-side cladding layer. Moreover, 0.2 μm in the p-side contact layer direction from the lower end surface indicates a state in which 0.2 μm of the p-side cladding layer remains from the interface.
[0010]
Furthermore, in the laser element of the present invention, the stripe width has a range of 4 μm to 0.5 μm.May be.More preferably, it adjusts to 3 micrometers-1 micrometer. If the width is larger than 4 μm, the transverse mode tends to be multimode, and if it is smaller than 0.5 μm, it is difficult to form a stripe, and the contact area with the electrode is small, so the threshold value is likely to rise.
[0011]
As the insulating film, it is desirable to select at least one of oxides containing at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, BN, SiC, and AlN. Preferably, oxides of Zr and Hf, BN, and SiC are used. Note that SiC is an insulator because it becomes amorphous in film formation by PVD such as sputtering and vapor deposition, and SiC that does not contain n-type and p-type impurities is also an insulator.
[0012]
The laser element of the present inventionAs a manufacturing method ofAfter a p-side contact layer including a second p-type nitride semiconductor is stacked on the p-side cladding layer including the first p-type nitride semiconductor, a stripe-shaped first layer is formed on the surface of the p-side contact layer. A first step of forming one protective film, and a portion of the nitride semiconductor where the first protective film is not formed is etched through the first protective film, and a stripe shape is formed directly under the protective film. The second step of forming the waveguide region, and after the second step, the second protective film, which is made of a material different from the first protective film and has an insulating property, is etched on the side surface of the stripe waveguide and A third step of forming the nitride semiconductor layer exposed on the plane, and after the third step, the first protective film is removed, and the second protective film and the uppermost p-type nitride semiconductor layer A fourth process for forming an electrode electrically connected to the p-side contact layer on the surface of Characterized by including and.
[0013]
As a method for manufacturing the laser element of the present invention,In the second step, the etching stop is a planar surface of the nitride semiconductor located on the substrate side from the lower end surface in the p-side contact layer direction of 0.2 μm in the film thickness direction of the p-side cladding layer. Needless to say, etching stop is a layer that stops etching. After this etching stop, a stripe-shaped waveguide region is formed in the nitride semiconductor, and the plane of the nitride semiconductor continuous with the side surface of the stripe is exposed.
[0014]
In the second step, the etching stop is a plane of the nitride semiconductor located on the substrate side with respect to the lower end surface of the p-side cladding layer. By setting the etching stop to the nitride semiconductor plane located on the substrate side with respect to the lower end surface of the p-side cladding layer, the threshold value of the laser element is significantly lowered.
[0015]
The laser element of the present inventionAs a manufacturing method ofIn the first step, after forming a first protective film on substantially the entire upper surface of the p-type nitride semiconductor layer and forming a stripe-shaped third protective film on the first protective film, The first protective film is preferably formed by a step of etching the first protective film in a stripe shape through the third protective film. That is, this shows a method for forming the first protective film.
[0016]
The laser element of the present inventionAs a manufacturing method ofIn the first step, the first protective film is preferably formed by a lift-off method.
[0017]
FirstThe protective film 1 is made of an oxide of Si, and the second protective film is an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, or BN At least one of SiC, SiC, and AlN is selected, and an oxide of Zr and Hf, BN, and SiC are more preferably used as the second protective film. When the first protective film and the second protective film are made of these materials, only the first protective film can be removed by lift-off due to the solubility difference and the etching rate difference of the protective film.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a partial structure of a nitride semiconductor wafer for explaining the steps of the electrode forming method of the present invention, and is perpendicular to the stripe waveguide formed by etching, that is, The figure at the time of cut | disconnecting in a parallel direction with respect to the resonance surface is shown. In the first step of the present invention, as shown in FIG. 1C, a stripe-shaped first
[0019]
The first
[0020]
FIGS. 1A and 1B show specific steps for forming the first
[0021]
A lift-off method can also be used to form the stripe-shaped first
[0022]
Next, in the second step of the present invention, as shown in FIG. 1 (d), from the p-
[0023]
On the other hand, although not shown in FIG. 1, the etch stop may be a nitride semiconductor below the lower end surface of the p-side cladding layer. When the layer on the substrate side with respect to the lower end surface is used as an etch stop, although the exposed area of the side surface is large and the electrode tends to be short-circuited, the threshold tends to be remarkably lowered, which is preferable.
[0024]
As the etching means, for example, when dry etching such as RIE (reactive ion etching) is used, in order to etch the first protective film made of Si oxide frequently used in the first step, CF is used.4It is desirable to use a fluorine compound-based gas such as Cl, which is often used in other III-V compound semiconductors to etch nitride semiconductors in the second step.2, CCl4, SiCl4It is desirable to use a chlorine-based gas such as that because the selectivity with Si oxide can be increased.
[0025]
Next, in the third step, as shown in FIG. 1E, a second
[0026]
The material of the second protective film is SiO2It is desirable to form with a material other than the above, preferably an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, BN, SiC, AlN, Among these, it is particularly preferable to use an oxide of Zr or Hf, BN, or SiC. Some of these materials have a property of being slightly dissolved in hydrofluoric acid. However, if the insulating layer of the laser element is used, SiO2 can be used as a buried layer.2Tend to be much more reliable. Also, oxide-based thin films formed in the gas phase such as PVD and CVD are less likely to be oxides in which the elements and oxygen are equivalently reacted, and thus the reliability of the oxide-based thin film tends to be insufficient. However, PVD, CVD oxides, BN, SiC, and AlN of the elements selected in the present invention tend to be more reliable in terms of insulation than Si oxides. In addition, it is very convenient as a buried layer of a laser element when an oxide whose refractive index is smaller than that of a nitride semiconductor (for example, other than SiC) is selected. Furthermore, when the first
[0027]
Next, in the fourth step of the present invention, as shown in FIG. 1 (f), after removing the first
[0028]
In the nitride semiconductor laser device, when forming a striped waveguide region, dry etching is used because etching is difficult by wet etching. In dry etching, since the selectivity between the first protective film and the nitride semiconductor is regarded as important, SiO as the first protective film is used.2Is used. However, SiO2Is used for the second protective film formed on the plane of the etch-stopped layer, because the insulation is insufficient and is the same material as the first protective film, so only the first protective film is used. It becomes difficult to remove. Therefore, in the present invention, the second protective film is made of SiO.2If a material other than the above is used, selectivity with the first protective film can be obtained, and the nitride semiconductor is not etched after the formation of the second protective film. Therefore, the second protective film has an etching rate with the nitride semiconductor. There is no problem with this.
[0029]
【Example】
[Example 1]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to an embodiment of the present invention, and shows a view when cut in a direction perpendicular to the stripe waveguide. Hereinafter, Example 1 is demonstrated based on this figure.
[0030]
(Underlayer 2)
A heterogeneous substrate 1 made of sapphire having a 1-inch φ and C-plane as the main surface is set in a MOVPE reaction vessel, and the temperature is set to 500 ° C.3), A buffer layer made of GaN is grown to a thickness of 200 angstroms. After growing the buffer layer, the temperature is set to 1050 ° C., and the
[0031]
(Protective film 3)
After the underlayer growth, the wafer is taken out from the reaction vessel, a striped photomask is formed on the surface of the underlayer, and a PVD apparatus is used to reduce the stripe width to 10 μm and the stripe interval (window) to 2 μm.2A
[0032]
(Nitride semiconductor substrate 4)
After forming the protective film, the wafer is set again in the MOVPE reaction vessel, the temperature is set to 1050 ° C., and the
[0033]
(N-side contact layer 5)
Next, ammonia and TMG are used, and silane gas is used as an impurity gas. On the
[0034]
(Crack prevention layer 6)
Next, using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia, the temperature is set to 800 ° C. and In0.06Ga0.94A
[0035]
(N-side cladding layer 7)
Subsequently, undoped Al was used at 1050 ° C. using TMA (trimethylaluminum), TMG, and ammonia.0.16Ga0.84A layer made of N is grown to a film thickness of 25 Å, then TMA is stopped, silane gas is flowed, and Si is 1 × 10 × 10.19/cm3A layer made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 25 Å. These layers are alternately laminated to form a superlattice layer, and an n-
[0036]
(N-side light guide layer 8)
Subsequently, the silane gas is stopped, and an n-side
[0037]
(Active layer 9)
Next, the temperature is set to 800 ° C. and Si-doped In0.05Ga0.95A barrier layer of N is grown to a thickness of 100 Å, and then at the same temperature, undoped In0.2Ga0.8A well layer made of N is grown to a thickness of 40 Å. A barrier layer and a well layer are alternately stacked twice, and finally an active layer having a multi-quantum well structure (MQW) having a total film thickness of 380 Å is grown by ending with the barrier layer. The active layer may be undoped as in this embodiment, or may be doped with n-type impurities and / or p-type impurities. Impurities may be doped into both the well layer and the barrier layer, or one of them may be doped. Note that if the n-type impurity is doped only in the barrier layer, the threshold value tends to decrease.
[0038]
(P-side cap layer 10)
Next, the temperature is increased to 1050 ° C., and TMG, TMA, ammonia, Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used and has a band gap energy larger than that of the p-side light guide layer 11.20/cm3Doped p-type Al0.3Ga0.7A p-
[0039]
(P-side light guide layer 11)
Next, Cp2The Mg and TMA are stopped, and the p-side
[0040]
(P-side cladding layer 12)
Subsequently, undoped Al at 1050 ° C.0.16Ga0.84A layer of N is grown to a thickness of 25 Angstroms, followed by Cp2After stopping Mg and TMA, a layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 25 Å, and a p-
[0041]
(P-side contact layer 13)
Finally, at 1050 ° C., 1 × 10 5 Mg was deposited on the p-side cladding layer 9.20/cm3A p-
[0042]
The wafer on which the nitride semiconductor has been grown as described above is taken out of the reaction vessel, and
[0043]
Next, the electrode forming method of the present invention will be described in detail. First, as shown in FIG. 1A, an Si oxide (mainly SiO 2) is formed on almost the entire surface of the uppermost p-
[0044]
Next, as shown in FIG. 1B, after the third
[0045]
Further, as shown in FIG. 1 (d), after forming the first
[0046]
After forming the ridge stripe, the wafer is transferred to a PVD apparatus, and as shown in FIG. 1 (e), Zr oxide (mainly ZrO2The second
[0047]
After forming the second
[0048]
Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid, and as shown in FIG. 1F, the first
[0049]
Next, as shown in FIG. 1G, the p-
[0050]
After the formation of the second protective film, the n-
[0051]
As described above, the sapphire substrate of the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is polished to 70 μm, and then cleaved in a bar shape from the substrate side in the direction perpendicular to the stripe-shaped electrode. A resonator is formed on the 11-00 plane, a plane corresponding to the side surface of the hexagonal columnar crystal = M plane). SiO on the resonator surface2And TiO2A dielectric multilayer film is formed, and finally the bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to obtain a laser element as shown in FIG. The resonator length is preferably 300 to 500 μm.
[0052]
When this laser element was placed on a heat sink and each electrode was wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature, the oscillation wavelength was 400 to 420 nm, the threshold current density was 2.9 kA / cm.2Showed continuous oscillation at room temperature. Furthermore, even when the current value was increased to increase the output to 40 mW, no short circuit occurred in the element itself, and continuous oscillation continued for 50 hours or more.
[0053]
On the other hand, the second protective film is made of SiO.2However, when the output was 40 mW, there was a case where a short circuit occurred immediately between the electrodes.
[0054]
[Example 2]
In Example 1, after forming the stripe waveguide, when forming the second
[0055]
[Example 3]
In Example 1, when the second
[0056]
[Example 4]
In Example 1, when the second
[0057]
[Example 5]
In Example 1, when the second
[0058]
[Example 6]
In Example 1, when the second
[0059]
[Example 7]
In Example 1, when the second
[0060]
[Example 8]
In Example 1, when the second
[0061]
[Example 9]
In Example 1, when the second
[0062]
[Example 10]
In Example 1, after growing the p-
[0063]
[Example 11]
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
[0064]
(Nitride semiconductor substrate 4 ')
In Example 1, after forming the stripe-shaped
[0065]
Thereafter, in the same manner as in Example 1, the layers from the n-
[0066]
After the growth of the p-
[0067]
[Example 12]
FIG. 4 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
[0068]
In Example 11, when producing the
[0069]
Next, on the
After the growth of the p-
[0070]
In the step of manufacturing the laser device of Example 12, when the etching stop is various semiconductor layers stacked on the nitride semiconductor substrate in the second step, the threshold current density and the etching depth of the laser device are obtained. Shows the relationship. A is 0.1 μm from the upper end surface of the p-
[0071]
【The invention's effect】
As described above, in the laser device of the present invention, the protective film having excellent insulation and high reliability is formed on the side surface of the stripe waveguide region and the plane of the nitride semiconductor continuous with the side surface. Even when an electrode is formed on the protective film and a high current flows, the life of the laser element can be extended without causing a short circuit between the electrodes. Furthermore, by setting the position to the substrate side from the lower end surface of the p-side cladding layer, it is possible to manufacture a laser element having a significantly reduced threshold. Further, according to the method of the present invention, since a protective film can be formed on the cladding layer with a substantially uniform film thickness, current concentration hardly occurs. In addition, since the material of the first protective film is different from the material of the second protective film, the electrode can be formed with high reproducibility using the selectivity of the protective film by the etching means. As described above, the present invention is very useful in order to increase the life of the laser element from now on.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a partial structure of a wafer obtained in each step for explaining each step of a method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an etching stop layer and a threshold current density of a laser element.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional laser element.
[Explanation of symbols]
1 ... Different substrates
2 ... Underlayer
3 ... Protective film for growth of nitride semiconductor substrate
4, 4'4 "... nitride semiconductor substrate
5 ... n-side contact layer
6 ... Crack prevention layer
7 ... n-side cladding layer
8 ... n-side light guide layer
9 ... Active layer
10 ... p-side cap layer
11 ... p-side light guide layer
12 ... p-side cladding layer
13 ... p-side contact layer
61... First protective film
62 ... Second protective film
63: Third protective film
20 ... p electrode
21 ... n electrode
Claims (10)
そのストライプ導波路のストライプの両側面、およびその側面と連続した窒化物半導体層の平面には、Si酸化物以外で、かつ、屈折率が窒化物半導体よりも小さい絶縁膜が形成され、さらにその絶縁膜を介して、前記ストライプの最上層にあるコンタクト層の表面に電極が設けられており、
さらに前記絶縁膜がZr、Hfから選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、BN、SiCの内少なくとも一種からなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。A p-side cladding layer including a first p-type nitride semiconductor is stacked on the active layer, and a p-side contact layer including a second p-type nitride semiconductor is stacked on the p-side cladding layer. In the nitride semiconductor laser element etched from the p-side contact layer side and provided with a striped waveguide region in a layer below the p-side contact layer,
An insulating film other than Si oxide and having a refractive index smaller than that of the nitride semiconductor is formed on both sides of the stripe of the stripe waveguide and on the plane of the nitride semiconductor layer continuous with the side surface. An electrode is provided on the surface of the contact layer in the uppermost layer of the stripe via an insulating film,
The nitride semiconductor laser device, wherein the insulating film is made of at least one of an oxide containing at least one element selected from Zr and Hf, BN, and SiC.
前記第2の保護膜はSi酸化物以外の絶縁材料よりなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 After a p-side contact layer including a second p-type nitride semiconductor is stacked on the p-side cladding layer including the first p-type nitride semiconductor, a stripe-shaped first layer is formed on the surface of the p-side contact layer. A first step of forming one protective film, and a portion of the nitride semiconductor where the first protective film is not formed is etched through the first protective film, and a stripe shape is formed directly under the protective film. The second step of forming the waveguide region, and after the second step, the second protective film, which is made of a material different from the first protective film and has an insulating property, is etched on the side surface of the stripe waveguide and A third step of forming the nitride semiconductor layer exposed on the plane, and after the third step, the first protective film is removed, and the second protective film and the uppermost p-type nitride semiconductor layer A fourth process for forming an electrode electrically connected to the p-side contact layer on the surface of Provided with a door,
The method for manufacturing a nitride semiconductor laser element, wherein the second protective film is made of an insulating material other than Si oxide.
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