JP3604278B2

JP3604278B2 - 窒化物半導体レーザー素子

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Publication number: JP3604278B2
Application number: JP12654998A
Authority: JP
Inventors: 雅彦佐野; 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2018-05-11
Also published as: JP2000004063A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ、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ＳｉＯ_２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−Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ／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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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、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のほぼ全面に電極が設けられて、さらに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、ｐ側クラッド層の下端面より上でかつ下端面からｐ側コンタクト層方向０．２μｍよりも基板側にあることを特徴とする。
【０００８】
【０００９】
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の範囲を有することを特徴とする。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。
【００１０】
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、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を用いる。
【００１１】
また本発明のレーザ素子の電極形成方法は、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。
【００１２】
本発明の電極形成方法では、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。
【００１３】
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。
【００１４】
また本発明の電極形成方法では、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を特徴とする。これは即ち第１の保護膜の形成方法を示すものである。
【００１５】
また本発明では、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を特徴とする。
【００１６】
さらに、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。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。
【００１７】
【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。
【００１８】
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（ＳｉＯ_２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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、ＣＦ_４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、Ｃｌ_２、ＣＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４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。
【００２４】
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。
【００２５】
第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。
【００２６】
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。
【００２７】
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ＳｉＯ_２が用いられる。しかしながらＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。
【００２８】
【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。
【００２９】
（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（ＮＨ_３）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。
【００３０】
（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ＳｉＯ_２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（ＳｉＯ_Ｘ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_ＸＮ_Ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）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
【００３１】
（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１０^５個／cm^２以下と下地層２に比較して２桁以上少なくなる。
【００３２】
（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３×１０^１８／cm^３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。
【００３３】
（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Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ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。
【００３４】
（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Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ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１×１０^１９／cm^３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。
【００３５】
（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。
【００３６】
（活性層９）
次に、温度を８００℃にして、ＳｉドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ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Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ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。
【００３７】
（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１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ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。
【００３８】
（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。
【００３９】
（ｐ側クラッド層１２）
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ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Ａｌ_ＸＧａ_１−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。
【００４０】
（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１×１０^２０／cm^３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Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（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、１×１０^１７／cm^３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０^１７／cm^３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。
【００４１】
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ＳｉＯ_２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ＳｉＣｌ_４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ＳｉＯ_２が最適である。
【００４２】
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、ＳｉＯ_２）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。
【００４３】
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、ＣＦ_４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。
【００４４】
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ＳｉＣｌ_４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。
【００４５】
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ＺｒＯ_２）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。
【００４６】
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ＳｉＯ_２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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２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。
【００５１】
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／cm^２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。
【００５２】
一方、第２の保護膜をＳｉＯ_２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。
【００５３】
［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。
【００５４】
［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ＨｆＯ_２）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。
【００５６】
［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ＴｉＯ_２）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。
【００５７】
［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Ｖ_２Ｏ_３）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。
【００５８】
［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Ｎｂ_２Ｏ_５）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Ｔａ_２Ｏ_５）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。
【００６１】
［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、ＳｉＯ_２）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。
【００６２】
［参考例１］
図３は本発明の参考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、以下この図を元に参考例１について説明する。
【００６３】
（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。
【００６４】
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。
【００６５】
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、ＺｒＯ_２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／cm^２にまで低下し、寿命は３倍以上向上した。
【００６６】
［参考例２］
図４は本発明の他の参考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、以下この図を元に参考例２について説明する。
【００６７】
参考例１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１×１０^１８／cm^３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１×１０^１７／cm^３〜５×１０^１９／cm^３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、参考例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。
【００６８】
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、ＺｒＯ_２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、参考例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００６９】
なお参考例２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／ｃｍ^２以下の閾値電流密度が得られる。２．０ｋＡ／ｃｍ^２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。
【００７０】
【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】本発明の参考例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】本発明の他の参考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

Claims

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、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のほぼ全面に電極が設けられており、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側クラッド層の膜厚方向において、ｐ側クラッド層の下端面より上でかつ下端面からｐ側コンタクト層方向０．２μｍよりも基板側にあることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
前記絶縁膜が、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、ＡｌＮの内の少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
前記ストライプの幅が、４μｍ〜０．５μｍの範囲を有することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。