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JP2012094564A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子およびその製造方法 Download PDF

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JP2012094564A JP2010238017A JP2010238017A JP2012094564A JP 2012094564 A JP2012094564 A JP 2012094564A JP 2010238017 A JP2010238017 A JP 2010238017A JP 2010238017 A JP2010238017 A JP 2010238017A JP 2012094564 A JP2012094564 A JP 2012094564A
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昭吉 工藤
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Abstract

【課題】リッジの放熱性を確保するとともに、リッジ直下の活性層に発生する圧縮歪みを抑制することができる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板10と、基板10の一方の面の上方に形成された第一導電型クラッド層11と、第一導電型クラッド層11の上方に形成された活性層13と、活性層13の上方に形成され、表面にリッジ15aおよび平坦部15bを有する第二導電型クラッド層15と、リッジ15aの側面の下方部および平坦部15b上に形成された誘電体膜17と、基板10の他方の面に形成された第一電極19と、リッジ15aの上方に形成された第二電極20と、リッジ15aおよび平坦部15bを覆うようにして第二電極20上および誘電体膜17上に形成された第三電極21とを有し、リッジ15aの側面の少なくとも一部と第三電極21との間に空洞部18が介在している。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特に、窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子が、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)として急速に普及している。特に、窒化ガリウム(GaN)半導体を用いたGaN半導体レーザダイオードは、高密度高速記録光ディスクシステムにおける光ピックアップ装置のキーデバイスとして産業上の重要性が増してきている。
GaN半導体レーザダイオードでは、通常、GaN基板上に活性層としてInGaNが用いられ、活性層の上下に形成されるクラッド層としてAlGaNが用いられる。この場合、活性層には圧縮歪みが発生し、クラッド層には引張歪みが発生する。そして、活性層上部のp型クラッド層にストライプ状のリッジを設けたリッジ構造を有する半導体レーザ素子においては、そのリッジ直下の活性層にクラッド層の引張歪みの反作用として、レーザ共振器の共振方向と直交する方向に、より大きな圧縮歪みが発生することになる。このような現象を利用すると、しきい値電流の低い高性能な半導体発光素子を簡素な構造で実現できる(例えば、特許文献1参照)。
特開平8−255932号公報
しかしながら、リッジ直下の活性層に発生する歪みは、高出力動作時の寿命特性に悪影響を及ぼすという問題がある。リッジ直下の活性層に発生する歪みは、活性層の上方に設けられる電流ブロック層となる誘電体膜やp側電極の応力が起因する。
例えば、GaN半導体レーザダイオードにおけるp側電極に用いられる主な金属は、オーミック電極として用いられるNi(ニッケル)やPd(パラジウム)を含めて殆どの金属が引張応力を有している。従って、当該p側電極がリッジ側面に接触する場合、リッジ直下の活性層に発生する圧縮歪を増加させるように働く。また、p側電極として熱膨張係数の大きい金属を用いた場合、自己発熱等の温度上昇により、活性層に発生する圧縮歪は更に増加する。表1にp側電極に用いられる主な金属の熱膨張係数を示す。
Figure 2012094564
表1に示すように、オーミック電極として用いられるNiやPdは、熱膨張係数が10×10-6(℃)を越える大きな値を有するため、温度上昇による活性層への圧縮歪の増加は避けられない。
ここで、半導体レーザダイオードにおける半導体積層体における応力を抑制する方法の一例が、特許文献2(特開2007−288149号公報)又は特許文献3(特開平3−142985号公報)に開示されている。
特許文献2によれば、GaN半導体レーザダイオードにおいて、p側半導体層のリッジの両側面と絶縁保護膜との間に空隙を形成することにより、リッジと当該リッジに接する絶縁保護膜との界面にかかる応力を抑制することが開示されている。
また、特許文献3によれば、半導体レーザダイオードにおいて、クラッド層のメサ部(リッジ)の両側に溝を形成するとともにメサ部(リッジ)側面には電極を形成せず、かつ、発光領域から電極を離すことにより、電極に関与する歪みを低減できることが開示されている。
しかしながら、特許文献2、3は、クラッド層のリッジ側部の全面および平坦部(クラッド層のリッジが形成されていない部分)に空隙が存在する構成であり、高出力動作による発熱が最も大きいリッジ直下での放熱が阻害されるという問題がある。
本発明は、リッジの放熱性を確保した上で、熱膨張係数が大きいオーミック電極を用いたとしてもリッジ直下の活性層に発生する圧縮歪みを抑制することができる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様は、基板と、前記基板の一方の面の上方に形成された第一導電型クラッド層と、前記第一導電型クラッド層の上方に形成された活性層と、前記活性層の上方に形成され、表面にリッジおよび平坦部を有する第二導電型クラッド層と、前記リッジの側面の下方部および前記平坦部上に形成された誘電体膜と、前記基板の他方の面に形成された第一電極と、前記リッジの上方に形成された第二電極と、前記リッジおよび前記平坦部を覆うようにして前記第二電極上および前記誘電体膜上に形成された第三電極とを有し、前記リッジの側面の少なくとも一部と前記第三電極との間に空洞部が介在しているものである。
本態様によれば、第二導電型クラッド層のリッジの側面の下方部は誘電体膜を介して第三電極と接続されている。これにより、高出力動作による発熱が最も大きいリッジ直下での放熱を効率的に行うことが可能となる。さらに、本態様によれば、前記空洞部が介在するので、第三電極は、第二導電型クラッド層の一部と接しないように構成されている。これにより、第二電極として、熱膨張係数が大きい電極材料を用いたとしても、活性層に加わる圧縮歪みを抑制することが可能である。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第二導電型クラッド層の前記リッジと前記第二電極との間に形成された第二導電型コンタクト層を有し、前記空洞部は、前記第二導電型コンタクト層の側面と前記第三電極との間にも介在していることが好ましい。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記半導体レーザ素子は、InAlGaN系のIII−V族窒化物半導体材料からなることが好ましい。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第二導電型クラッド層は、AlGaNからなることが好ましい。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記活性層は、InGaNからなることが好ましい。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第二電極は、PdもしくはNiからなる単層膜、または、PdおよびNiからなる多層膜であることが好ましい。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第三電極は、PdおよびNi以外の金属からなる多層膜であり、前記多層膜における少なくとも最外層金属は、前記リッジの上部から前記誘電体膜にかけて連続形成されることが好ましい。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記誘電体膜は、SiO2膜、AlN膜もしくはAl23膜からなる単層膜、または、SiO2膜、AlN膜およびAl23膜の中から少なくとも2種選択されて構成される多層膜からなることが好ましい。
さらに、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様において、前記第二電極の幅は、前記リッジの幅よりも広いことが好ましい。
また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の一態様は、基板上に、第一導電型クラッド層、活性層、第二導電型クラッド層および第二導電型コンタクト層を順次形成する工程と、前記第二導電型クラッド層および前記第二導電型コンタクト層をエッチングすることにより、リッジ部を形成する工程と、前記リッジ部を覆うように誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜をエッチングすることにより前記リッジ部の側面を選択的に露出させる工程と、前記リッジ部の上方に第二電極を形成する工程と、前記第二電極の上方に第三電極を形成する工程とを有し、前記第二電極を形成する工程において、当該第二電極は、自公転成膜方法によって前記リッジ部の露出させた部分に形成されることなく前記第二導電型コンタクト層上に形成され、かつ、当該第二電極の幅が前記第二導電型コンタクト層の上面の幅よりも広くなるように形成され、前記第三電極を形成する工程において、当該第三電極は、公転成膜方法によって、当該第三電極と前記リッジ部の露出させた部分との間に空洞部が介在するように形成されるものである。
本発明に係る半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、リッジの放熱性を確保することができるとともに、熱膨張係数が大きい電極材料を用いたとしても活性層に発生する圧縮歪みを抑制することができる。これにより、半導体レーザ素子の寿命特性を向上させることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。 図2は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子に製造方法における各製造工程の断面図である。 図3(a)は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の要部拡大断面図であり、図3(b)は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子における時間変化と動作電圧変化との関係を示す図である。 図4(a)は、比較例に係る半導体レーザ素子の要部拡大断面図であり、図4(b)は、当該比較例に係る半導体レーザ素子における時間変化と動作電圧変化との関係を示す図である。
以下、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子および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。なお、本実施形態では、GaN半導体レーザダイオードに適用した場合について説明する。
まず、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図(レーザ共振器の共振方向に垂直な断面図)である。
本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子1は、InAlGaN系のIII−V族窒化物半導体材料からなるGaN半導体レーザダイオードであって、図1に示すように、基板10と、第一導電型クラッド層11、第一導電型光ガイド層12、活性層13、第二導電型光ガイド層14、第二導電型クラッド層15、および、第二導電型コンタクト層16を有する半導体積層体と、誘電体膜17と、空洞部18と、第一電極19と、第二電極20と、第三電極21とを備える。以下、半導体レーザ素子1の各構成要素ついて、詳述する。
基板10は、一方の面と当該一方の面に対向する他方の面を有する半導体基板であって、例えば、n型GaN基板を用いることができる。
第一導電型クラッド層11は、第一導電型であるn型のAlxGa1-xNで構成され、基板10の一方の面(表面)上に形成される。本実施形態において、第一導電型クラッド層11は、膜厚が2.5μmのn型Al0.03Ga9.97N(x=0.03)で構成した。
第一導電型光ガイド層12は、n型の窒化物半導体で構成され、第一導電型クラッド層11上に形成される。本実施形態において、第一導電型光ガイド層12は、膜厚が0.1μmのn型GaNで構成した。
活性層13は、InyGa1-yNからなる障壁層とInsGa1-sNからなる井戸層とによって構成される量子井戸活性層であって、第一導電型光ガイド層12上に形成される。本実施形態において、活性層13は、In0.08Ga9.92N(y=0.08)からなる障壁層とIn0.03Ga9.97N(s=0.03)からなる井戸層とによって構成される量子井戸活性層で構成した。
第二導電型光ガイド層14は、第一導電型とは異なる第二導電型であるp型の窒化物半導体で構成され、活性層13上に形成される。本実施形態において、第二導電型光ガイド層14は、膜厚が0.1μmのp型GaNで構成した。
第二導電型クラッド層15は、p型のAltGa1-tNで構成され、第二導電型光ガイド層14上に形成される。本実施形態において、第二導電型クラッド層15は、膜厚が0.5μmのp型Al0.03Ga9.97N(t=0.03)で構成した。
また、第二導電型クラッド層15は、表面にリッジ15aと平坦部15bとを有する。リッジ15aは、断面が凸状であり、レーザ共振器の共振方向に沿って延びるストライプ状に形成されている。リッジ15aのストライプ幅は、例えば、1.4μm程度とすることができる。平坦部15bは、第二導電型クラッド層15においてリッジ15aが形成されていない領域であって、リッジ15aの両側に形成される平面である。従って、第二導電型クラッド層15において、平坦部15bの膜厚は、リッジ15aの膜厚(リッジの高さ)よりも薄くなるように構成される。
第二導電型コンタクト層16は、p型の窒化物半導体で構成され、第二導電型クラッド層15のリッジ15a上に形成される。本実施形態において、第二導電型コンタクト層16は、リッジ15aと同じ幅で、膜厚が50nmのp+型GaNで構成した。
本実施形態において、第二導電型クラッド層15の一部および第二導電型コンタクト層16は、レーザ共振器の共振方向に沿って延びるリッジストライプに加工され、第二導電型コンタクト層16は、第二導電型クラッド層15のリッジ15aとともにリッジ部を構成している。すなわち、本実施形態に係る半導体レーザ素子1では、第二導電型クラッド層15のリッジ15aと第二導電型コンタクト層16とによってリッジ部が構成されている。
誘電体膜17は、電流ブロック層であり、第二導電型クラッド層15の平坦部15b上およびリッジ15aの側部(側面)の一部に形成される。また、誘電体膜17は、平坦部15bからリッジ15aにかけて連続するようにして形成されている。
本実施形態において、誘電体膜17は、リッジ15aの側面の下方部(基底部)に形成されているが、リッジ15aの側面の上方部および第二導電型コンタクト層16の側面には形成されていない。このため、誘電体膜17に対してリッジ部の一部が露出するように、すなわち、リッジ15aの側面の上方部と第二導電型コンタクト層16とが露出するように構成されており、リッジ15aの側面の上方部と第二導電型コンタクト層16とは誘電体膜17と接していない。
リッジ部側面に接する誘電体膜17の形成領域(誘電体膜の高さ)としては、上限は第二導電型コンタクト層16の側面に接しない程度の高さであり、下限はリッジ平坦部が露出しない程度であり、好ましくはリッジ15aの高さの半分程度の高さである。誘電体膜17は、この範囲内に形成すればよい。
誘電体膜17は、例えば、SiO2膜、AlN膜もしくはAl23膜の単層膜、または、これらの中から少なくとも2種選択して2層以上積層した多層膜で構成することができる。本実施形態において、誘電体膜17は、SiO2膜の単層膜で構成した。
第一電極19は、n型コンタクト電極(n側電極)であって、基板10の他方の面(裏面)に形成される。本実施形態において、第一電極19は、n型GaN基板の基板10とコンタクト接続するように形成されており、基板10側からTi/Pt/Auの3層の金属膜からなる多層膜で構成した。
第二電極20は、p型コンタクト電極(p側電極)であって、第二導電型コンタクト層16の上面に形成される。第二電極20は、p+型GaN層と良好なコンタクトを形成できる金属で構成することが好ましく、PdもしくはNiの単層膜、または、これらを2層以上積層した多層膜で構成することができる。
さらに、本実施形態において、第二電極20の幅は、第二導電型クラッド層15のリッジ15aの幅および第二導電型コンタクト層16の幅よりも広くなるように構成されており、第二電極20には、リッジ部の上面(第二導電型コンタクト層16の上面)から横方向に突出する庇(突出部)が形成されている。なお、本実施形態において、第二電極20の庇は、リッジ15aの側面の下方部に形成された誘電体膜17の膜厚の分だけ突出するように構成されている。
第三電極21は、p側のパッド電極であって、第二電極20およびリッジ部(リッジ15a、第二導電型コンタクト層16)を覆うように、第二電極20の上面および誘電体膜17の上面に形成されている。本実施形態において、第三電極21は、リッジ15aの上部の第二電極20から平坦部15b上の誘電体膜17にかけて連続形成されている。
第三電極21は、第二電極20又は誘電体膜17との密着性がよく金属の相互拡散を抑止できる積層構造であることが好ましく、第三電極21を構成する金属の熱膨張係数が第二電極20を構成する金属の熱膨張係数よりも小さいことが好ましい。第三電極21は、熱膨張係数がPdまたはNiよりも小さい金属で構成することができ、例えば、第二電極20側から、Ti/Pt/Auの3層の金属膜からなる多層膜で構成することができる。この場合、多層膜における少なくとも最外層金属は、リッジ15aの上部から平坦部15bにかけて連続形成されることが好ましい。
そして、本実施形態では、第二電極20にはリッジ部から突出する庇が形成されているので、庇の直下には、誘電体膜17から露出するように構成されたリッジ15aの側面の上方部である第二導電型クラッド層15の一部と、第二導電型コンタクト層16の側面と、第三電極21の内側面(リッジ部側の面)とで囲まれる空洞部18が設けられている。空洞部18は、リッジ15aのストライプ方向に沿ってストライプ状に形成されている。
なお、本実施形態においては、第二電極20と第三電極21は、図1に示すように、リッジ15aの側面の上方部と第二導電型コンタクト層16の側面とのいずれとも接しないように構成されているが、本発明の主旨を逸脱しない程度に少なくとも第二導電型クラッド層15のリッジ15aと接していない領域を設ければよい。また、第二電極20は、リッジ15aの側面および平坦部15b上に形成された誘電体膜17上には形成されてないが、第二電極20は、第二導電型コンタクト層16上の庇とは切断されるように構成すれば、誘電体膜17上に形成されていてもよい。この場合、第二電極20は、第二導電型コンタクト層16上と第二導電型クラッド層15の平坦部15b上とに分離形成される。
なお、このように構成される本実施形態に係る半導体レーザ素子1は、共振器長が例えば800μmであり、チップ幅が例えば200μmである。
以上、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子1によれば、第二導電型クラッド層15のリッジ15aの側面の下方部は誘電体膜17を介して第三電極21と接続されている。これにより、高出力動作による発熱が最も大きいリッジ15a直下(リッジ部直下)での放熱を効率的に行うことが可能となる。しかも、第二導電型クラッド層15の平坦部15bも誘電体膜17を介して第三電極21と接続されている。これにより、リッジ15aでの発熱は平坦部15bからも放熱する。従って、リッジ15a(リッジ部)の放熱性を確保することができる。
さらに、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子1によれば、空洞部18が介在するので、p側の第三電極21は、第二導電型クラッド層15の一部と接しないように構成されている。これにより、第二電極20として、熱膨張係数が大きい電極材料を用いたとしても、活性層13に加わる圧縮歪みを抑制することが可能である。
また、本実施形態では、さらに、リッジ15aと第二電極20との間に第二導電型コンタクト層16が形成されており、空洞部18は第二導電型コンタクト層16の側面と第三電極21との間にも介在している。これにより、第三電極21は、第二導電型コンタクト層16の側面にも接しないように構成されるので、活性層13に加わる圧縮歪みを抑制できる。
このように、本実施形態に係る半導体レーザ素子1によれば、リッジの放熱性を確保することができるとともに、熱膨張係数が大きい電極材料を用いたとしても活性層に発生する圧縮歪みを抑制することができる。これにより、半導体レーザ素子の寿命特性を向上させることができる。
次に、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法について、図2(a)〜図(h)を用いて説明する。図2は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子に製造方法における各製造工程の断面図である。なお、図2は、半導体レーザの電流注入領域における断面図である。
先ず、図2(a)に示すように、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて、n型GaN基板からなる基板10の上に、n型AlxGa1-xN(x=0.03)からなる第一導電型クラッド層11、n型GaN光ガイド層からなる第一導電型光ガイド層12、InyGa1-yN(y=0.08)からなる障壁層とInsGa1-sN(s=0.03)からなる井戸層とによって構成される多重量子井戸構造の活性層13、p型GaN光ガイド層からなる第二導電型光ガイド層14、p型AltGa1-tN(t=0.03)からなる第二導電型クラッド層15、および、p+型GaNコンタクト層からなる第二導電型コンタクト層16を順次形成することにより、基板10上に半導体積層体を形成する。
次に、図2(b)に示すように、半導体積層体表面の第二導電型コンタクト層16上に、レジストパターンを用いて所望膜厚のSiO2からなるストライプ状のマスクパターン22をドライエッチングあるいはウエットエッチングにより形成し、マスクパターン22を用いて、塩素ガス(Cl2)を利用したドライエッチングにより、第二導電型クラッド層15の一部および第二導電型コンタクト層16をエッチングしてストライプ状のリッジ部(リッジ15a、第二導電型コンタクト層16)を形成する。その後、バッファードフッ酸等を用いたウエットエッチングにより、マスクパターン22を除去する。なお、リッジ部の形状は、側面の傾斜角度が70°から90°の順メサであって、ボトム(リッジ部の基底面)寸法は所望の幅で構成することができる。なお、リッジ部の形状としては、第二導電型コンタクト層16近傍において一部逆メサ形状を有していても構わない。
次に、図2(c)に示すように、化学気相成長(CVD)法により、リッジ部を覆うようにして、第二導電型コンタクト層16の露出部分(上面および側面)と第二導電型クラッド層15の露出部分(リッジ15aの全側面および平坦部15b全面)にSiO2からなる誘電体膜17を形成する。この誘電体膜17は、半導体レーザ素子1の電流ブロック層として使用される。なお、誘電体膜17を形成する手法としては、CVD法以外に、熱CVD法やプラズマCVD法等の工法を用いてもよい。また、誘電体膜17の膜厚は、50nm〜1000nm程度であれば良く、誘電体膜17による光閉じ込め効果を加味すると、50nm〜300nm程度が好ましい。
また、リッジ部の側面に堆積させる誘電体膜17は、アルゴン等の不活性ガスを用いるRIE法により、垂直方向から略70°〜略85°程度の所望の傾斜角度を有する順メサ形状に整形加工することが好ましい。これにより、第三電極21を形成する際において、リッジ部に伴う段差部位における電極の段切れを防止することができる。
なお、本実施形態では、誘電体膜17の材料として、SiO2を用いたが、容易にエッチングが可能なAlNまたはAl23を用いても構わない。
次に、誘電体膜17上に第1のレジスト膜23を形成し、図2(d)に示すように、リッジ部上の誘電体膜17の頭頂部が露出するように、第1のレジスト膜23に開口部を形成する。この開口部の形成には、例えば酸素プラズマ処理によるレジストエッチバック法を用いることができる。
続いて、図2(e)に示すように、例えばバッファードフッ酸を用いたウエットエッチングにより、第1のレジスト膜23の開口部から露出する誘電体膜17をエッチングする。このとき、リッジ部の側面の上方部に接する誘電体膜17のみを選択的に除去し、リッジ部の側面の一部を露出させる。
本実施形態では、リッジ部の側面の一部を露出させて空洞部18を形成するために、リッジ部の側面の上方部に接する誘電体膜17を除去し、かつ、リッジ部の基底部の放熱性を得るために、リッジ部の側面の下方部に接する誘電体膜17は残存させるようにエッチングする。
より具体的には、第二導電型コンタクト層16については、上面(第二電極20を形成する領域)および側面の誘電体膜17を除去するとともに、第二導電型クラッド層15については、リッジ15aの側面の一部が誘電体膜17から所望の高さで露呈するように、リッジ15aの側面の上部の誘電体膜17を除去する。これにより、リッジ部の側面の上方部に接する誘電体膜17のみが選択的に除去されて、リッジ15aの側面の下方部(基底部)と平坦部15bとを覆うようにして誘電体膜17が残存する。
次に、図2(f)に示すように、レジストエッチバック後の第1のレジスト膜23上に、第2のレジスト膜24をパターン形成する。このような二層レジスト工法を用いることにより、後に行う第二電極20のリフトオフ時に、第二電極20を第二導電型コンタクト層16上に選択的に安定して形成できる。また、第2のレジスト膜24を用いて、リッジ部の一部を被覆することで、誘電体膜17を開口しない領域を設けることもでき、例えば端面非注入構造として使用することもできる。
なお、第2のレジスト膜24を形成するこの工程は必須の行程ではないが、このように二層レジスト工法を用いる場合は、誘電体膜17上の全面において、第1のレジスト膜23がリッジ部近傍で平坦となるように所望の膜厚で塗布し、150℃以上の加熱処理により失活処理をしておくことが好ましい。なお、失活処理をする手法は、UVキュア等の的確な失活法であれば良い。
次に、自公転(プラネタリードーム型)成膜方法の1つである自公転蒸着法を用いてウエハ全面にp型コンタクト電極である第二電極20を形成し、図2(g)に示すように、第1のレジスト膜23および第2のレジスト膜24上の不要な蒸着膜をリフトオフにより除去して、第二導電型コンタクト層16の上部に第二電極20を選択形成する。
ここで、蒸着粒子の斜め入射が可能となる自公転蒸着法を採用することにより、リッジ部の露出させた部分に第二電極20が形成されることなく、かつ、第二導電型コンタクト層16上に形成された第二電極20の電極幅がリッジ部の上面幅(第二導電型コンタクト層16の幅)よりも広くなるようにして第二電極20を形成することができる。これにより、第二電極20によってリッジ部の上部にのみ庇を設けることが可能になり、次工程で第三電極21を蒸着する際にリッジ部の側面に空洞部18を容易にかつ安定に形成できる。また、ウエットエッチングで開口した誘電体膜17上に第二電極20が形成されていても構わない。
ここで、第二電極20は、第二導電型コンタクト層16に対して低接触抵抗で接続する金属を用いて所望の膜厚で形成すれば良く、例えば、PdまたはNiから選択される単層または二層以上の金属と、第三電極21との接合が容易となる最表面層よりなる膜であれば良い。更に、安定したコンタクト特性を得るためには、第二電極20を形成した後に、オーミックアニールを行うことが好ましい。
続いて、図2(h)に示すように、公転(法線ドーム型)成膜方法の1つである公転蒸着法を用いて、第二電極20上に第三電極21を形成する。第三電極21は、第二電極20より広範囲に形成し、ダイスボンドやワイヤーボンド等の工程で接合面の役割を果たすパッド電極として使用する。第三電極21は、Au等の金属相互拡散を抑止できる二層以上の多層膜で構成することが好ましく、更には熱膨張係数が大きく、残存応力が存在するPdおよびNi以外の電極材料によって構成される積層構造であることがより好ましい。このような第三電極21としては、例えばTi/Pt/Auの多層膜を用いることができる。
ここで、第三電極21の形成に、蒸着粒子を垂直入射する公転蒸着法を用いることにより、第二電極20で形成された庇を利用して、リッジ部の露出させた側面と第三電極21との間にストライプ状の空洞部18を安定して形成することができる。また、空洞部18を形成する第三電極21については、多層膜における少なくとも最外層金属がリッジ部の上部から平坦部にかけて連続形成されていれば、その他の電極層金属は第二導電型クラッド層15の側面に不連続部が存在しても構わない。例えば、第三電極21をTi/Pt/Auの多層膜で構成する場合は、最外層であるAuが連続形成されていればよい。
なお、パッド電極である第三電極21の上に第四電極として厚膜のメッキを形成しても構わない(図示せず)。この場合、第三電極21を給電膜として電界メッキ形成することが好ましく、例えば、上述のように最外層に連続形成されたAu層を用いることにより、空洞部18は安定して形成することができる。メッキは、所定のメッキ処理によって形成すすることができる。
このように、リッジ部の側面と第三電極21との間にストライプ状に介在する空洞部18を形成することにより、緩衝作用により電極が活性層13に及ぼす応力を緩和することができる。
最後に、基板10を所望の厚さ(100μm以下)に研削および研磨し、基板10の裏面にコンタクト接続する第一電極19を形成する。これにより、図1に示すようなGaN半導体レーザダイオードを作製することができる。
その後、図示しないが、バー状に劈開加工し、共振器の端面に誘電体膜を所望の反射率になるようコートし、チップ化する。
次に、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の寿命特性について実験を行ったので、その実験結果について図3および図4を用いて説明する。
図3(a)は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の要部拡大断面図であり、図3(b)は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子における時間変化と動作電圧変化との関係を示す図である。なお、図3(a)は、空洞部18周辺部の拡大図であり、図1と同じ構成要素については同じ符号を付している。また、図3(b)は、動作電圧(Vop)値の変動量の試験時間依存性を示したものであり、上述の製造方法によって作製した半導体レーザ素子のチップをヒートシンクにダイスボンド実装した後、一定光出力における通電試験を実施したときの結果を示している。本実施形態では、半導体レーザ素子を5個作製し、300時間連続発振させたときにおける動作電圧(Vop)の変動を測定した。
また、図4(a)は、比較例に係る半導体レーザ素子の要部拡大断面図であり、図4(b)は、当該比較例に係る半導体レーザ素子における時間変化と動作電圧変化との関係を示す図である。なお、図4(a)の構成は、図3(a)の空洞部18が第二電極20Aによって埋め込まれた構成であり、第二電極の蒸着方法を公転(法線ドーム型)蒸着法にすることによって作製した。また、図4(b)は、図3(b)と同様の方法によって測定した。
まず、図3(b)に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ素子よれば、300時間通電中においても300時間経過後の動作電圧においても電圧の上昇率は2〜3%である。従って、本実施形態に係る半導体レーザ素子は、長時間に渡って安定した動作電圧が得られ、良好な寿命特性を有する。
これに対して、図4(b)に示すように、比較例に係る半導体レーザ素子によれば、300時間通電中において時間の経過と共に動作電圧が上昇し、300時間経過後には電圧の上昇率は16%以上に達し、良好な寿命特性を得ることができなかった。
以上のように、pクラッド層である第二導電型クラッド層15のリッジ15aの側面とパッド電極である第三電極21との間にストライプ状の空洞部18を介在させることにより、リッジ15aの側面およびリッジ基底部での放熱性を確保した上で、第二導電型クラッド層15に発生する引張歪みと同じ方向に応力を発生させることができる。これにより、第三電極21に熱膨張係数が大きい電極材料を用いたとしても、活性層13に加わる圧縮歪みを抑制することができるので、半導体レーザ素子の寿命特性の向上を図ることができる。
以上、本発明に係る半導体レーザ素子およびその製造方法について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
本発明は、光ディスクシステムにおける光ピックアップ装置等に用いられる半導体レーザ素子として有用である。
10 基板
11 第一導電型クラッド層
12 第一導電型光ガイド層
13 活性層
14 第二導電型光ガイド層
15 第二導電型クラッド層
15a リッジ
15b 平坦部
16 第二導電型コンタクト層
17 誘電体膜
18 空洞部
19 第一電極
20、20A 第二電極
21 第三電極
22 マスクパターン
23 第1のレジスト膜
24 第2のレジスト膜

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板の一方の面の上方に形成された第一導電型クラッド層と、
    前記第一導電型クラッド層の上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成され、表面にリッジおよび平坦部を有する第二導電型クラッド層と、
    前記リッジの側面の下方部および前記平坦部上に形成された誘電体膜と、
    前記基板の他方の面に形成された第一電極と、
    前記リッジの上方に形成された第二電極と、
    前記リッジおよび前記平坦部を覆うようにして前記第二電極上および前記誘電体膜上に形成された第三電極とを有し、
    前記リッジの側面の少なくとも一部と前記第三電極との間に空洞部が介在している
    半導体レーザ素子。
  2. さらに、前記第二導電型クラッド層の前記リッジと前記第二電極との間に形成された第二導電型コンタクト層を有し、
    前記空洞部は、前記第二導電型コンタクト層の側面と前記第三電極との間にも介在している
    請求項1に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記半導体レーザ素子は、InAlGaN系のIII−V族窒化物半導体材料からなる
    請求項1または2に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記第二導電型クラッド層は、AlGaNからなる
    請求項3に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記活性層は、InGaNからなる
    請求項3または4に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記第二電極は、PdもしくはNiからなる単層膜、または、PdおよびNiからなる多層膜である
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記第三電極は、PdおよびNi以外の金属からなる多層膜であり、
    前記多層膜における少なくとも最外層金属は、前記リッジの上部から前記誘電体膜にかけて連続形成される
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記誘電体膜は、SiO2膜、AlN膜もしくはAl23膜からなる単層膜、または、SiO2膜、AlN膜およびAl23膜の中から少なくとも2種選択されて構成される多層膜からなる
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記第二電極の幅は、前記リッジの幅よりも広い
    請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
  10. 基板上に、第一導電型クラッド層、活性層、第二導電型クラッド層および第二導電型コンタクト層を順次形成する工程と、
    前記第二導電型クラッド層および前記第二導電型コンタクト層をエッチングすることにより、リッジ部を形成する工程と、
    前記リッジ部を覆うように誘電体膜を形成する工程と、
    前記誘電体膜をエッチングすることにより前記リッジ部の側面を選択的に露出させる工程と、
    前記リッジ部の上方に第二電極を形成する工程と、
    前記第二電極の上方に第三電極を形成する工程とを有し、
    前記第二電極を形成する工程において、当該第二電極は、自公転成膜方法によって前記リッジ部の露出させた部分に形成されることなく前記第二導電型コンタクト層上に形成され、かつ、当該第二電極の幅が前記第二導電型コンタクト層の上面の幅よりも広くなるように形成され、
    前記第三電極を形成する工程において、当該第三電極は、公転成膜方法によって、当該第三電極と前記リッジ部の露出させた部分との間に空洞部が介在するように形成される
    半導体レーザ素子の製造方法。
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