JP4780376B2

JP4780376B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP4780376B2
Application number: JP2005158834A
Authority: JP
Inventors: 史雄志村; 崇水野; 啓慈一ノ倉; 大倉本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP2006339213A

Description

本発明は、電極形状の改良された窒化物系の半導体発光素子に関する。

近年、高密度光ディスク装置やレーザビームプリンタなどの光源として、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザ素子が注目されている。このレーザ素子は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板の表面に、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層がこの順に積層配置されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を有している。このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の上部、具体的には、ｐ型クラッド層の上部およびｐ型コンタクト層に、帯状のリッジ部が形成されている。また、リッジ部の上部にはｐ側電極、ＧａＮ基板の裏面全体にはｎ側電極が形成されており、リッジ部の延在方向に対して垂直な端面に一対の反射鏡膜が形成されている。

このような構成の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ側電極とｎ側電極との間に所定の電位差の電圧が印加されると、リッジ部により電流狭窄されると共に、活性層の電流注入領域に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、ビームとして一方の反射鏡膜から外部に射出される。

ところで、上記のＧａＮ基板は、一般に、複数の高欠陥領域が低欠陥領域を貫通して不規則に形成された構造を有する大型のＧａＮ基板の一部を切り出すことにより形成される。そのため、その大型のＧａＮ基板上に複数のレーザ構造を格子状に形成しようとすると、高欠陥領域にレーザ構造が形成されるのを避けることができず、素子の発光特性や信頼性の低下を招いていた。そこで、そのような問題を解決すべく、低欠陥領域中に高欠陥領域を規則的（周期的）に配列させたＧａＮ基板上に複数のレーザ構造を格子状に形成する方法が提案されている（特許文献１）。これにより、確実に低欠陥領域中にレーザ構造を形成することができ、素子の発光特性や信頼性を向上させることが可能となる。

特開２００３−１２４５７２号公報

このように、上記特許文献１記載のＧａＮ基板は優れた結晶構造を有する基板であることから、近年、このＧａＮ基板を用いたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザ素子の開発が盛んに行われている。

ところで、このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザ素子は、一般に、大型のＧａＮ基板のうち規則的（周期的）に配列された高欠陥領域に溝を形成したのち分割（スクライビング）することにより切り出されている。ところが、従来はＧａＮ基板の裏面全体に渡って電極が形成されていたため、スクライビングにより電極が剥離する虞があった。

そこで、そのような事態を防止するために、ＧａＮ基板のうち低欠陥領域上にのみ電極を形成することが考えられる。しかしながら、そのように電極を形成すると、動作電圧にばらつきが生じ、その結果、動作電圧が不安定になってしまうという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことがなく、しかも動作電圧の安定した半導体発光素子を提供することにある。

本発明による半導体発光素子は、窒化物半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を形成して構成されたものである。この窒化物半導体基板は、第１平均転位密度を有する結晶からなる第１領域中に、第１平均転位密度より高い第２平均転位密度を有する結晶からなる複数の第２領域を有する。この窒化物半導体基板の裏面側には、幾何学的な形状の電極層が形成されている。各第２領域は、前記窒化物半導体基板のうち当該窒化物半導体基板の側面を含む領域に形成されている。電極層は、第１領域の表面を覆うと共に、第２領域の表面を断続的に覆っており、かつ、幾何学的な形状からなる開口を有している。

本発明による半導体発光素子では、窒化物半導体基板の裏面側の電極層は、第１領域の表面を覆うと共に、第２領域の表面を断続的に覆うように形成されている。ここで、窒化物半導体基板の第２領域は一般にスクライビングの対象領域であるが、この第２領域では、電極層は断続的に形成されているので、スクライビングの際に電極が剥離する虞はない。また、電極層は窒化物半導体基板の第２領域の表面と接しているので、動作電圧のばらつきが抑制される。

本発明による半導体発光素子によれば、電極層が窒化物半導体基板の第２領域の表面上に断続的に形成されるようにしたので、スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことは無く、しかも動作電圧を安定させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子（半導体発光素子）の断面構成を表すものである。図２は、図１の半導体レーザ素子を底面から見たときの形態を表すものである。なお、図１は、図２のＡ−Ａ矢視方向の断面構成図を表すものである。また、図１および図２は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

この半導体レーザ素子は、ＧａＮからなる基板１０（窒化物半導体基板）上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０を成長させたものである。このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０は、ｎ型バッファ層１１，ｎ型クラッド層１２，ｎ型ガイド層１３，活性層１４，ｐ型ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６およびｐ型コンタクト層１７をこの順に積層してなるレーザ構造（発光素子構造）を有する。なお、以下、上記半導体層を積層した方向を縦方向、レーザ光の射出方向を軸方向、軸方向と縦方向とに垂直な方向を横方向と称する。

なお、ここでいうＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体とは、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウム・ガリウム），あるいはＡｌＧａＩｎＮ（窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム）などが挙げられる。これらは、必要に応じてＳｉ（シリコン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｏ（酸素），Ｓｅ（セレン）などのＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、または、Ｍｇ（マグネシウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｃ（炭素）などのＩＩ族およびＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有している。

このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０のうち、ｎ型バッファ層１１は例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型クラッド層１２は例えばｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ガイド層１３は例えばｎ型ＧａＮによりそれぞれ構成される。活性層１４は例えばアンドープのＧａＩｎＮ多重量子井戸構造を有する。ｐ型ガイド層１５は例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型クラッド層１６は例えばＡｌＧａＮ、ｐ型コンタクト層１７は例えばｐ型ＧａＮによりそれぞれ構成される。

基板１０は、平均転位密度（第１平均転位密度）の低い低欠陥領域１０Ａ（第１領域）中に低欠陥領域１０Ａより高い平均転位密度（第２平均転位密度）を有する複数の高欠陥領域１０Ｂ（第２領域）を有する。ここでは、基板１０のうち横方向の中央領域に低欠陥領域１０Ａを有しており、その両側の領域に高欠陥領域１０Ｂ，１０Ｂを有している。

この基板１０は、図３に示したように、低欠陥領域１００Ａ中に、高欠陥領域１００Ｂが規則的（周期的）に、例えば横方向に数百μｍ程度の周期で配列された大型のＧａＮ基板１００の一部を切り出したものである。この高欠陥領域１００Ｂは、ＧａＮ基板１００表面において軸方向に延在する連続帯状となっており、ＧａＮ基板１００を軸方向および縦方向に貫通する平面形状となっている。なお、このＧａＮ基板１００の低欠陥領域１００Ａにおける平均転位密度は、例えば５x １０⁵ｃｍ^-3であり、高欠陥領域１００Ｂにおける平均転位密度は例えば２x １０⁸ｃｍ^-3である。

ところで、上記のＧａＮ基板１００は、例えば、特開２００３−１２４５７２において詳述されているように、ファセット面からなる斜面を有した状態で結晶成長させることにより形成されたものである。このような結晶成長方法を用いることにより転位密度の高い領域を任意の領域に集約することができ、上記のように、転位密度の高い領域と転位密度の低い領域とを規則的，周期的に形成することができる。その結果、後述のように、転位密度の低い領域にのみレーザ構造を形成することができると共に、発光特性の優れた素子を形成することが可能となる。

一方、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０は、基板１０の高欠陥領域１０Ｂに対応する部分に高欠陥領域３０Ｂ、低欠陥領域１０Ａに対応する部分に低欠陥領域３０Ａをそれぞれ有している。これは、後述のように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０は基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成されるため、基板１０の結晶転位がＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０へ伝播してしまうからである。

また、ｐ型クラッド層１６の一部およびｐ型コンタクト層１７には、後述のようにｐ型クラッド層１６まで形成したのち選択的にエッチングすることにより、軸方向に延在する帯状のリッジ部（突条部）１８が設けられている。このリッジ部１８は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の低欠陥領域３０Ａに形成されており、活性層１４のうちリッジ部１８に対応する領域に電流注入領域（発光領域）が形成されるようになっている。なお、リッジ部１８は、活性層１３の電流注入領域の大きさを制限すると共に、横方向の光モードを基本（０次）モードに安定に制御し、軸方向に導波させる機能を有する。

リッジ部１８の両側面は絶縁膜２０により覆われている。リッジ部１８のｐ型コンタクト層１７上にはｐ側電極２１が形成されている。このｐ側電極２１の表面には絶縁膜２０の表面にかけてｐ側引出電極２２が設けられている。

一方、基板１０の裏面には、くし型部２３Ａを有するｎ側電極２３（電極層）が設けられている。このｎ側電極２３は、低欠陥領域１０Ａの表面を覆うと共に、高欠陥領域１０Ｂの表面を断続的に覆っている。すなわち、ｎ側電極２３は高欠陥領域１０Ｂの表面全体ではなく、一部と接している。なお、ここでは、くし型部２３Ａを片側の高欠陥領域１０Ｂに対応して設けるようにしているが、図４に示したｎ側電極２３−１のように、両側の高欠陥領域１０Ｂそれぞれに対応して設けるようにしてもよい。

このｎ側電極２３は、くし型状の形状（幾何学的な形状）を有していることから、半導体レーザ素子を例えばヒートシンク（図示せず）にマウントする際の位置決めの基準として用いられる。

なお、リッジ部１８の延在方向（軸方向）に対して垂直な面には、一対の反射鏡膜（図示せず）が形成されている。

絶縁膜２０は、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ₂）または窒化珪素（ＳｉＮ）により構成される。ｐ側電極２１は例えばパラジウム（Ｐｄ）層および白金（Ｐｔ）層をこの順に積層することにより構成される。ｐ側引出電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ型コンタクト層１７の側から順に積層したものである。ｎ側電極２３は、例えば、金とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とを基板１０の側から順に積層した構造を有する。

また、一対の反射鏡膜の一方（主出射側）は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）により構成され、低反射率となるように調整されている。これに対して他方の反射鏡膜は、例えば酸化アルミニウム層と非晶質珪素（アモルファスシリコン）層とを交互に積層して構成され、高反射率となるように調整されている。これにより、活性層１４の発光領域において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からビームとして射出されるようになっている。

このような構成を有する半導体レーザ素子は、例えば次のようにして製造することができる。

図５〜図８はその製造方法を工程順に表したものである。半導体レーザ素子を製造するためには、ＧａＮ基板１００（図３参照）上のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０を、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成する。この際、ＧａＮ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア (ＮＨ₃)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、例えばセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、図５に示したように、ＧａＮ基板１００上に、前駆ｎ型バッファ層１１Ａ，前駆ｎ型クラッド層１２Ａ，前駆ｎ型ガイド層１３Ａ，前駆活性層１４Ａ，前駆ｐ型ガイド層１５Ａ、前駆ｐ型クラッド層１６Ａおよび前駆ｐ型コンタクト層１７Ａをこの順に積層する。

次に、図６に示したように、例えば、前駆ｐ型コンタクト層１７Ａの上にマスク層（図示せず）を形成し、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、前駆ｐ型コンタクト層１７Ａおよび前駆ｐ型クラッド層１６Ａの一部を選択的に除去する。その後、マスク層を除去する。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０Ｃの低欠陥領域３０Ａに軸方向に延在する帯状のリッジ部１８が形成される。

次いで、図７に示したように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の表面に絶縁材料を成膜したのち、リソグラフィー処理およびエッチング加工を行うことにより、リッジ部１８のｐ型コンタクト層１７上に開口部を有する絶縁膜２０Ａを形成する。続いて、リフトオフ加工を行うことにより、絶縁膜２０Ａの開口部にｐ側電極２１を形成する。さらに、リソグラフィー処理、エッチング加工およびリフトオフ加工を行うことによりリッジ部１８の上部にあるｐ側電極２１と電気的に接続されたｐ側引出電極２２を形成する。

さらに、例えば、ＧａＮ基板１００の裏面側をラッピングしてＧａＮ基板１００の厚さを所定の厚さに調整したのち、リソグラフィー処理、エッチング加工およびリフトオフ加工を行うことにより、図８に示したようなパターンを有するｎ側電極２３Ｂを形成する。そののち、高欠陥領域１００Ｂの延在する方向と並行な方向にＧａＮ基板１００の高欠陥領域１００Ｂをスクライビング加工すると共に、高欠陥領域１００Ｂの延在する方向と垂直な方向にへき開を行う。そして、軸方向の一対の側面に反射鏡膜（図示せず）を形成する。このようにして本実施の形態の半導体レーザ素子は形成される。

なお、必要に応じて、半導体レーザ素子を形成したのち、例えばｎ側電極２３の幾何学的な形状を利用して、その半導体レーザ素子をヒートシンクにマウントする。

次に、本実施の形態の半導体レーザ素子の作用および効果について説明する。

この半導体レーザ素子では、リッジ部１８のｐ側電極２１とｎ側電極２３との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、リッジ部１８により電流狭窄された電流が電流注入領域（発光領域）に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、ビームとして外部に出射される。

ここで、基板１０の裏面側に設けられたｎ側電極２３は、低欠陥領域１０Ａの表面を覆うと共に、高欠陥領域１０Ｂの表面を断続的に覆うように形成されている。ここで、基板１０の高欠陥領域１０Ｂは上記したようにスクライビングの対象領域であるが、この高欠陥領域１０Ｂでは、ｎ側電極２３は断続的に形成されているので、スクライビングの際に電極が剥離する虞はない。また、ｎ側電極２３は基板１０の高欠陥領域１０Ｂの表面と接しているので、動作電圧のばらつきが抑制される。

このように、本実施の形態の半導体発光素子によれば、ｎ側電極２３が基板１０の高欠陥領域１０Ｂの表面上に断続的に形成されるようにしたので、スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことは無く、しかも動作電圧を安定させることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、ｎ側電極２３は、くし型状の形状を有していたが、図９に示したｎ側電極２３−２ようなジグザグ状の形状を有していてもよい。ｎ側電極２３−２は、ｎ側電極２３と同様、高欠陥領域１０Ｂの表面を断続的に覆うように形成されているからである。

また、ｎ側電極２３は、図１０に示したｎ側電極２３−３および図１１に示したｎ側電極２３−４のように、白抜きされた４角形や円形などの幾何学模様を有していてもよい。また、図１２に示したｎ側電極２３−５および図１３に示したｎ側電極２３−６のように、ｎ側電極が複数に分断されるような模様を有していてもよい。このようにｎ側電極２３−２ないし２３−６は、物理的に分離された複数の電極により構成されているが、物理的に分離された個々の電極はヒートシンクへのマウントの際に半田により互いに電気的に接続されるので、半導体レーザ素子の動作電圧には何ら影響はなく、動作電圧を安定させることができるからである。また、ｎ側電極２３−２ないし２３−６は、ｎ側電極２３と同様、高欠陥領域１０Ｂの表面を断続的に覆うように形成されているので、スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことがないからである。また、例えば半導体レーザ素子をヒートシンクにマウントする際の位置決めの基準としてｎ側電極２３の模様を用いることも可能だからである。

また、本発明は、上記実施の形態のような単ビーム型の半導体レーザ素子だけでなく、複数ビーム型の半導体レーザ素子に対しても適用可能である。ただし、基板１０が、図１４に示したように、高欠陥領域１０Ｂが基板１０の中央領域と両端部との３カ所にあり、それらの間に低欠陥領域１０Ａを有するように構成されている場合には、ｎ側電極２３−７は、低欠陥領域１０Ａの表面の一部を覆うと共に、中央領域にある高欠陥領域１０Ｂの表面を断続的に覆うような形状を有することとなる。

ｎ側電極２３−７をこのような形状とすることにより、動作電圧を安定させることができ、また、例えば半導体レーザ素子をヒートシンクにマウントする際の位置決めの基準としてｎ側電極２３を用いることもできる。なお、この場合には、中央領域にある高欠陥領域１０Ｂをスクライビングする必要はない。

また、上記実施の形態では、高欠陥領域１０Ｂを、ＧａＮ基板１００表面において軸方向に連続的に延在する連続帯状としたが、図１５に示したような断続的な帯状としてもよい。

また、上記実施の形態では、リッジ部１８による電流狭窄構造としたが、他の方法によるものであってもよい。

また、本発明は、半導体レーザ素子の他に、発光ダイオード素子などの半導体発光素子一般に適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子の概略構成を表した断面図である。図１の半導体レーザ素子のｎ側電極の形状を示した底面図である。ＧａＮ基板の欠陥領域の分布について説明するための平面図である。ｎ側電極の一変形例を表した平面図である。図１のレーザ素子の製造工程を説明するための断面図である。図３の続きの工程を説明するための断面図である。図４の続きの工程を説明するための断面図である。図７の工程終了後のｎ側電極の形状を示した底面図である。ｎ側電極の他の変形例を表した平面図である。ｎ側電極の他の変形例を表した平面図である。ｎ側電極の他の変形例を表した平面図である。ｎ側電極の他の変形例を表した平面図である。ｎ側電極の他の変形例を表した平面図である。ｎ側電極の他の変形例を表した平面図である。ＧａＮ基板の一変形例を表した平面図である。

符号の説明

１０，１００…基板、１０Ａ，１００Ａ…低欠陥領域（基板）、１０Ｂ，１００Ｂ…高欠陥領域（基板）、１１…バッファ層、１２…ｎ型クラッド層、１３…ｎ型ガイド層、１４…活性層、１５…ｐ型ガイド層、１６…ｐ型クラッド層、１７…ｐ型コンタクト層、１８…リッジ部、２０…絶縁膜、２１…ｐ側電極、２２…ｐ側引出電極、２３，２３−１，２３−２，２３−３，２３−４，２３−５，２３−６，２３−７…ｎ側電極、３０…ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層、３０Ａ…低欠陥領域、３０Ｂ…高欠陥領域。

Claims

第１平均転位密度を有する結晶からなる第１領域中に、前記第１平均転位密度より高い第２平均転位密度を有する結晶からなる複数の第２領域を有する窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体基板の裏面側に設けられると共に、幾何学的な形状を有する電極層と
を備え
各第２領域は、前記窒化物半導体基板のうち当該窒化物半導体基板の側面を含む領域に形成され、
前記電極層は、前記第１領域の表面を覆うと共に、前記第２領域の表面を断続的に覆っており、かつ、幾何学的な形状からなる開口を有する
半導体発光素子。
前記第２領域は、前記窒化物半導体基板の表面において、連続帯状および断続的帯状のいずれか１つの配列をなす
請求項１に記載の半導体発光素子。