(57)【要約】【課題】  窒化物半導体レーザ素子において良好な光閉じ込めを実現し、リッジ両側の保護膜の密着性を確保し、投入電流に対する出力特性を向上させ、低閾値で長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。【解決手段】  基板と、該基板上に第１窒化物半導体層、活性層及び第２窒化物半導体層がこの順に設けられた窒化物半導体層と、該窒化物半導体層表面に設けられたリッジと、を有する窒化物半導体レーザ素子において、リッジの両側の窒化物半導体層表面に共振器方向に連続してリッジの側面から連続した面を側面とする溝部を有することを特徴とする。【選択図】図１
2010226094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に第１窒化物半導体層、活性層及び第２窒化物半導体層がこの順に設けられた窒化物半導体層と、該窒化物半導体層表面に設けられたリッジと、を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記リッジの両側の窒化物半導体層表面に共振器方向に連続して前記リッジの側面から連続した面を側面とする溝部を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記溝部の幅は、前記リッジの幅よりも狭い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。
【請求項３】
前記溝部の幅は、前記窒化物半導体層の表面から溝部の底面までの深さよりも広いことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記溝部の底面は、第２窒化物半導体層中に設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層は量子井戸構造であり、井戸層の第２窒化物半導体層側に接する層に溝部の底面が設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記溝部の側面のうちリッジの側面と対向する側面は、リッジの側面よりも傾斜が緩やかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記リッジの側面から窒化物半導体層表面にかけて絶縁膜が形成され、該絶縁膜の膜厚は、窒化物半導体層表面よりも溝部上において薄いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記溝部上の絶縁膜の膜厚は、前記窒化物半導体層の表面から溝部の底面までの深さよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記溝部の幅は０．５〜５μｍであり、深さは１０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記絶縁膜の最大膜厚は、５０〜４００ｎｍであり、前記溝部上の絶縁膜の膜厚は、４０〜３００ｎｍであることを特徴とすることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、より詳細には、リッジ導波路構造を有した窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む化合物半導体によって形成されており、これを用いた半導体レーザ素子は、次世代ＤＶＤなどの大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用、パーソナルコンピュータ等の電子機器への利用に対する要求が高まりつつある。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子の研究は、盛んに行われている。
また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広い可視光の波長域での発振が可能と考えられていることから、その応用範囲は、レーザプリンタ、レーザディスプレイ、光ネットワークの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
【０００３】
特に、窒化物半導体レーザ素子の構造に関しては、種々の研究がなされており、横モードの好適な制御を可能にする構造、低消費電力化、高出力化、高信頼性、小型化、長寿命化などを図るための構造などが提案されている。なかでも、特に有望視されている構造として、リッジ導波路構造を有するものがある。リッジ導波路構造の窒化物半導体レーザ素子では、横方向の光閉じ込めの制御のためにリッジが設けられ、リッジ側面及びリッジ両側の窒化物半導体層の表面に電流の狭窄及び光閉じ込めの目的で保護膜が形成されている（例えば、特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８３８４５号
【特許文献２】特開平１０−２７０７９２号
【特許文献３】特開２０００−１２９７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、リッジ導波路型のレーザ素子での横方向の光閉じ込めは、リッジの幅や深さ、保護膜の材料等の種々の要因に依存する。また、これらの素子設計時に考慮すべき事項以外にも、窒化物半導体層と保護膜の密着状態など、経時的に変化するような要因にも影響を受けやすく制御が困難であった。
つまり、窒化物半導体層との密着性が良好な保護膜を選択した場合であっても、光閉じ込めが良好ではないことがある。また、窒化物半導体層との屈折率を考慮してリッジを形成し、保護膜を選択した場合であっても、その保護膜は、必ずしも窒化物半導体層との密着性が良好ではないこともあり得る。従って、光閉じ込め及び密着性の双方において、長期間の駆動にわたって良好に機能し続けるような構造とすることが窒化物半導体レーザ素子には必要とされる。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、窒化物半導体レーザ素子において良好な光閉じ込めを実現し、リッジ両側の保護膜の密着性を確保し、投入電流に対する出力特性を向上させ、低閾値で長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板と、基板上に第１窒化物半導体層、活性層及び第２窒化物半導体層がこの順に設けられた窒化物半導体層と、窒化物半導体層表面に設けられたリッジと、を有する窒化物半導体レーザ素子において、リッジの両側の窒化物半導体層表面に共振器方向に連続してリッジの側面から連続した面を側面とする溝部を有することを特徴とする。
溝部の幅は、リッジの幅よりも狭いことが好ましい。
溝部の幅は、窒化物半導体層の表面から溝部の底面までの深さよりも広いことが好ましい。
溝部の底面は、第２窒化物半導体層中に設けられることが好ましい。
活性層は量子井戸構造であり、井戸層の第２窒化物半導体層側に接する層に溝部の底面が設けられることが好ましい。
溝部の側面のうちリッジの側面と対向する側面は、リッジの側面よりも傾斜が緩やかであることが好ましい。
リッジの側面から窒化物半導体層表面にかけて絶縁膜が形成され、絶縁膜の膜厚は、窒化物半導体層表面よりも溝部上において薄いことが好ましい。
溝部上の絶縁膜の膜厚は、窒化物半導体層の表面から溝部の底面までの深さよりも大きいことが好ましい。
溝部の幅は０．５〜５μｍであり、深さは１０〜１００ｎｍであることが好ましい。
絶縁膜の最大膜厚は、５０〜４００ｎｍであり、溝部上の絶縁膜の膜厚は、４０〜３００ｎｍであることを特徴とすることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、良好な光閉じ込めを実現し、リッジ両側の保護膜の密着性を確保し、投入電流に対する出力特性を向上させ、低閾値で長寿命の窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式断面図及び要部の拡大図
【図２】本発明の別の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の要部の拡大図
【図３】本発明の別の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の要部の拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、第１主面と第２主面の２つの主面を有する基板１０上に、窒化物半導体層２０として、第１窒化物半導体層２１、活性層２２、第２窒化物半導体層２３がこの順に形成されている。窒化物半導体層２０の表面にはリッジ２４が形成されており、リッジの両側の窒化物半導体層表面には、共振器方向に連続してリッジの側面から連続した面を側面とする溝部２５が設けられている。また、リッジの側面から窒化物半導体層表面２０ａにかけて絶縁膜３０が形成されている。
リッジ２４上面にはｐ側電極４０が形成されている。また、基板１０の第２主面側に、ｎ側電極７０が形成されている。また、窒化物半導体層の側面から上面にかけて、窒化物半導体層を保護するための保護膜５０が形成されている。絶縁膜３０、ｐ側電極４０及び保護膜５０の上面には、ｐ側パッド電極６０が形成されている。
【００１１】
なお、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、４００ｎｍ程度以下の波長のレーザ光を照射する素子であってもよいが、４４０ｎｍ程度以上の波長のレーザ光を照射する素子である場合に特に有効である。４４０ｎｍ程度以上の比較的長波長の発光波長を得るためには、活性層に高混晶のＩｎを導入する必要がある。例えば、活性層に高混晶のＩｎＧａＮを導入し長波長化すると、クラッド層として通常用いられるＡｌＧａＮとの屈折率差が小さくなるため、十分な光閉じ込め係数が得られ難くなる。これに対して本発明では、リッジの両側に共振器方向に連続する溝部を設けることで充分な光閉じ込めを行うことができ、長波長での発振を実現することができる。
【００１２】
窒化物半導体層２０は、一般式ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含むものを用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。ｎ側半導体層は、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有していてもよい。また、ｐ側半導体層は、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有していてもよい。不純物は、例えば、５×１０16／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3程度の濃度範囲で含有されていることが好ましい。なお、第１窒化物半導体層２１及び第２窒化物半導体層２３は、いずれか一方がｎ型、他方がp型であることを意味する。また、実施形態中では、第１窒化物半導体層をｎ側半導体層、第２窒化物半導体層をｐ側半導体層と記載することがある。
【００１３】
活性層２２は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。
窒化物半導体層は、ｎ側半導体層とｐ側半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造としてもよい。但し、本発明は、これらの構造に限定されるものではない。
【００１４】
窒化物半導体層の成長方法は、特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥは結晶性良く成長させることができるので好ましい。
【００１５】
リッジ２４は、窒化物半導体層、つまり、ｐ側半導体層の表面に形成されている。リッジは、導波路領域として機能し、その幅は１．０μｍ〜３０．０μｍ程度、さらにシングルモードのレーザ光を得る場合には、１．０μｍ〜３．０μｍ程度が好ましい。その高さ（エッチングの深さ）は、ｐ側半導体層を構成する層の膜厚、材料、光閉じ込めの程度等により適宜調整することができ、例えば、０．１〜２μｍが挙げられる。本発明では、リッジの高さは窒化物半導体層の表面からリッジ表面までの高さとする。リッジは、共振器方向の長さが１００μｍ〜２０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。また、共振器方向においてすべて同じ幅でなくてもよいし、その側面が垂直であっても、テーパー状であってもよい。この場合のテーパー角は４５°〜９０°程度が適当である。
【００１６】
なお、リッジの形成は、当該分野で通常用いられる方法により形成することができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。この際のエッチングは、ドライエッチング（例えば、ＲＩＥ法）、ウェットエッチングのいずれでもよいし、双方をこの順序又は逆の順序で行ってもよい。
【００１７】
溝部２５は、リッジの両側の窒化物半導体層表面に共振器方向に連続して設けられ、リッジの側面から連続した面を側面とする。つまり、溝部はリッジ部下方をはさむようにリッジに接触する形で設けられる。また、リッジと溝部の間には段差がなく形成されることが好ましい。リッジの両側にこのような溝部を有することでより効率よく横方向の光を閉じ込めることができる。つまり、リッジによる光閉じ込めに加えて補助的な光閉じ込め機能を持つ溝部をリッジの両側に設けることによって、リッジにより閉じ込められた横方向の光をリッジ下の領域にさらに集中させることができる。また、窒化物半導体層と後述する絶縁膜の密着性を向上させることができる。
【００１８】
また、上述したように、リッジ導波路型のレーザ素子で所望の光閉じ込めを得るためには、リッジの形状の制御が要因の１つであるが、通常用いられるエッチングによるリッジ加工では窒化物半導体層の結晶の損傷が懸念される。これにより、窒化物半導体層表面などで転位や異常成長を介した電流のリークが起こり、安定した素子特性のレーザ素子を得られなくなることがある。本発明では、窒化物半導体層表面のうち一部の領域に局所的に溝部を設けることで光閉じ込めを強くしているので、全体的に窒化部半導体層を除去してリッジの高さを高くする方法よりもリーク電流が流れる可能性を軽減することができ、窒化物半導体レーザ素子の信頼性の向上につなげることができる。
【００１９】
溝部の深さとしては、第２窒化物半導体層中に底面を有することが好ましい。これにより、溝部を深く形成した場合にもリッジ周辺でのリーク電流を確実に抑制しながら横方向の光閉じ込めを行うことができ、閾値電流の低下、発光効率の向上を実現し、信頼性の高い素子を得ることができる。また、井戸層の第２窒化物半導体層側に接する層に溝部の底面が設けられると、横方向の光閉じ込めをより強めることができ好ましい。つまり、発光のおこる井戸層に接触する層に溝部の底面を形成すると、より直接的にリッジの両側との屈折率差を設けることができるためである。この場合、井戸層の第２窒化物半導体層側に接する層の膜厚としては、４０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好ましい。縦方向の光閉じ込めに効果的である。なお、複数の井戸層を有する場合には、最も第２窒化物半導体層に近い井戸層の第２窒化物半導体層側に接触する層に溝部の底面が設けられるようにすることが好ましい。具体的には、溝部の深さは１０〜１００ｎｍ程度が好ましい。また、リッジの高さに対して１〜１０％程度で設けられることが好ましい。また、いずれの場合も溝部の底面から井戸層までの距離は、リーク電流の防止のため、少なくとも１０ｎｍ以上あることが好ましい。
【００２０】
溝部の幅としては、リッジの幅よりも狭いことが好ましい。これにより、溝部底面から活性層、特に井戸層へのリーク電流が流れることを軽減することができる。リーク電流は、エッチングされた面積に比例して増加する傾向にあり、溝部を広くすればするほどリークしやすくなるからである。また、詳細は後述するが、絶縁膜との密着性の向上にも有効である。具体的には、最も広い部分の幅が０．５〜５μｍ程度で設けられることが好ましい。また、溝部の幅は、開口部側と底部側で異なっていてもよい。好ましくは、底部側の幅が狭くなるように形成されるものである。これにより、絶縁膜を形成しやすくなる。
また、溝部は共振器方向に略同じ幅で設けられることが好ましい。共振器方向での光閉じ込めの強さを制御し安定して光閉じ込めを行うことができ、ビーム形状の安定化につながるためである。
【００２１】
溝部の形状としては、特に限定されないが、溝部の幅は窒化物半導体層の表面から溝部の底面までの深さよりも広いこと、つまり横長の溝部とすることが好ましい。このような横長の溝部とすることで、溝部により効果的に光を閉じ込めることができると共に、溝部内に所定の絶縁膜を確実に形成することができるため好ましい。具体的な溝部の形状としては、図２のように溝部全体が曲面で構成されるものでもよいし、図３のように断面形状が略矩形のものでもよいし、図１のように底部が曲面で構成されるものでもよい。図１及び２のように、曲面で構成されていると、溝部の角から絶縁膜が剥がれることがなく、密着性を向上させることができ好ましい。特に、図２に示すように、溝部の側面のうちリッジ側面と対向する面が、リッジの側面よりも傾斜が緩やかな面で構成されることが好ましい。これにより、横方向で急激に屈折率が変化するのを抑制できるので、リッジの左右で溝部の形状にばらつきが生じたとしても光閉じ込めの制御が比較的容易になる。
【００２２】
溝部の形成は、窒化物半導体を加工するのに通常用いられる方法を用いて行うことができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。この際のエッチングは、ドライエッチング（例えば、ＲＩＥ法）、ウェットエッチングのいずれでもよいし、双方をこの順序又は逆の順序で行ってもよい。なかでも、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、レジスト等のマスクパターンを用いたフォトリソグラフィ及びＲＩＥで形成することが好ましい。また、溝部の形状は、マスクパターンの材料、形状、膜厚、エッチングガスの種類、温度、流量、時間、ＲＦ電力等を適宜調整して行うことができる。例えば、図３のように矩形の溝部を形成するには、ＲＦ出力を比較的高くしてエッチングすることが挙げられる。また、図１のように底部付近が曲面で構成される溝部は、ＲＦ出力を比較的低くしてエッチングする、若しくは、ＩＣＰ装置（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ：誘導結合プラズマを加えた装置）を用いてエッチングする方法が挙げられる。また、この方法で溝部を設ける場合は、溝部形成工程はリッジ形成工程の前及び／又は後のどちらでもよい。
また、本発明の溝部は、共振器方向に連続して設けられ、かつリッジの側面から連続する面を側面とするので、リッジの形成工程と一連の工程として溝部を設けることもできる。つまり、リッジを形成する際に使用するマスクを用いてリッジが形成される前もしくは後に、所定の条件でエッチングを行うことで、溝部を形成することができる。また、リッジ形成前に所望の深さよりも浅く溝部を形成し、リッジ形成と同時にさらに深くして溝部を完成させてもよい。これらの方法を用いて溝部を形成すると、簡便な方法で図２のような、溝部全体が曲面で構成された溝部を設けることができるため好ましい。具体的には、エッチングガスの種類、温度、流量、時間等を適宜調整して行うことができる。例えば、リッジ形成後に溝部を形成する場合は、リッジ形成用のマスクパターンを形成してエッチングを行いリッジを形成した後に、エッチングの圧力を上げる及び／又はＲＦ出力を上げてリッジの両側の窒化物半導体層をエッチングし溝部を形成することができる。特に、リッジが形成される前に溝部を形成することが好ましく、リッジ形成用のマスクパターンを形成し、リッジの両側の窒化物半導体層を優先的にエッチングして溝部を形成し、エッチング時の圧力を下げる及び／又はＲＦ出力を下げてエッチングしてリッジを形成すると同時に溝部をさらに深くし、リッジ及び溝部を形成することができる。この方法によれば、所望の形状の溝部を確実に形成することができる。
【００２３】
絶縁膜３０は、埋込膜とも称されるものであり、通常、窒化物半導体層の表面及び／又はリッジの側面にわたって形成されている。つまり、窒化物半導体層上であって、窒化物半導体層と、後述する電極とが直接接触して、電気的な接続をとる領域以外の領域に形成されている。ここで、絶縁性とは、窒化物半導体レーザ素子の駆動時に、選択的にリッジの窒化物半導体層と電極との接続領域から電流を流すことができることを意味する。ただし、この絶縁膜は、ショートしない程度の電流であれば、導通するものであってもよい。
【００２４】
絶縁膜は、一般に、窒化物半導体層よりも屈折率が小さな絶縁材料によって形成されている。具体的には、屈折率が２．４以下のものが適している。屈折率は、エリプソメトリーを利用した分光エリプソメータ、具体的には、Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ社製のＨＳ−１９０等を用いて測定することができる。
【００２５】
絶縁膜は、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎ等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の絶縁膜から選択される。具体的には、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ、ＳｉＮのいずれか１つを含む材料からなることが好ましい。このような材料でリッジの側面からリッジの両側の窒化物半導体表面２０ａにわたって絶縁膜が形成されていることにより、窒化物半導体層、特にｐ側半導体層に対する屈折率差を確保して、活性層からの光の漏れを制御することができる。また、リッジ内に効率的に光閉じ込めができるとともに、リッジ基底部近傍における絶縁性をより確保することができ、リーク電流の発生を回避することができる。
【００２６】
このような作用を十分効果的に発揮させるためには、リッジ周辺部に対して、応力を生じさせることなく、密着性が良好であることも要求される。それには、リッジとリッジ両側の絶縁膜との間の応力を緩和し、密着性を確保することによって、窒化物半導体層の割れや絶縁膜の剥がれを防止することが必要である。本発明ではリッジの側面からリッジの両側の窒化物半導体表面にわたって、溝部上にも絶縁膜を形成することによって、窒化物半導体層と絶縁膜との熱膨張係数や格子定数の差異によって発生する応力を緩和することができる。つまり、本発明のような溝部がなく、リッジ側面とフラットな窒化物半導体層表面に絶縁膜が形成されている場合、リッジ側面やリッジ基底部から絶縁膜が剥がれてしまうことがある。このとき、絶縁膜と窒化物半導体との間の応力を緩和するため絶縁膜を薄膜化すると、絶縁性を保持することが困難となり、電流をリッジに集中させることができず、レーザ発振は困難となる。また、所望の膜厚を確保しようとすれば絶縁膜や窒化物半導体層にクラックが生じたりして、窒化物半導体レーザ素子の劣化速度が大きくなる。本発明のように、溝部上に絶縁膜を形成することで、リッジ側面側にかかる応力をリッジの外側へ逃がすことができるので、絶縁性の低下やリッジ側面や基底部での絶縁膜の剥がれを防止し、リッジや窒化物半導体層に結晶欠陥が発生するのを抑制することができる。
【００２７】
絶縁膜は、図１（ｂ）に示すように、窒化物半導体層上の膜厚Ｘよりも溝部上の膜厚Ｙが薄いことが好ましい。これによって、絶縁膜の応力を効果的に緩和することができる。上述したように、溝部上に絶縁膜を形成することでリッジ周辺部の応力を緩和させることができるが、所望の屈折率差を得るために、絶縁膜を厚膜化した場合には、やはり、絶縁膜の剥がれやクラックの発生という問題が起こり得る。このとき、溝部上において絶縁膜の膜厚を薄く、窒化物半導体層表面において膜厚を厚く形成することで、リッジ周辺部では、応力を緩和させつつ、溝部底面よりも高い位置にある窒化物半導体層表面ではリッジ周辺部を横から押さえ込む形とすることができ、さらに、所望の膜厚を確保することができるので屈折率差及び絶縁性を保つことができる。より効果的に応力を緩和させるためには、溝部上の絶縁膜の膜厚は、窒化物半導体層の表面から溝部底面までの深さよりも大きいこと、つまり、図２に示すように、溝部上において窒化物半導体層表面２０ａよりも高い位置に絶縁層の表面３０ａがあることが好ましい（図２中のＺ部参照）。これにより、電極と窒化物半導体層との距離を遠くできるので電極による光吸収を抑制することもできる。溝部上の絶縁膜の表面が窒化物半導体層表面よりも低い位置にある場合、溝部にｐ側電極又はパッド電極が埋め込まれてしまう。これによって、損失が増大し、閾値の上昇、スロープ効率の低下が起こる。また、溝部上の絶縁膜の膜厚は、窒化物半導体層上の絶縁膜の膜厚の９０％以下であることでこのような効果が得られ、さらに好ましくは８０％程度以下であることが適している。
【００２８】
例えば、絶縁膜は、窒化物半導体層表面において５０〜４００ｎｍ程度の膜厚であることが好ましい。この絶縁膜の膜厚が１００ｎｍ以上あることで光閉じ込めに関してより効果的であり、かつ電極による光吸収を防止することができる。また、この絶縁膜の膜厚が４００ｎｍ以下であることで応力による絶縁膜の剥がれや割れを抑止することができる。具体的には、窒化物半導体層上では、５０〜４００ｎｍ程度で形成され、溝部上では、少なくとも４０ｎｍ程度の膜厚があれば絶縁性を確保することができ好ましい。４０〜３００ｎｍ程度で形成されることが好ましい。
【００２９】
また、窒化物半導体レーザ素子では、リッジ直下の活性層が電流及び光が集中するので最も発熱しやすい構造となっている。しかし、本発明ではリッジ両側に溝部を設けていることで、発熱部から素子外への放熱経路を短くすることができ、熱による素子の劣化を抑制することができる。また、溝部上では、窒化物半導体層表面よりも絶縁膜の膜厚が薄いため、窒化物半導体層上に絶縁膜を解して形成された電極（パッド電極）への放熱がスムーズに行うことができる。
【００３０】
なお、本発明では、絶縁膜がリッジの側面を完全に被覆するか否かは限定されないが、リッジ側面も被覆することが好ましい。また、リッジ側面においては、窒化物半導体層や溝部上よりも薄い膜厚で絶縁膜が形成されることが好ましい。絶縁膜は、リッジ側面及び窒化物半導体層表面に形成されるため、成膜装置及び方法などによって、両者における膜厚に差異が生じる場合がある。例えば、窒化物半導体層表面の絶縁膜の膜厚とリッジ側面の絶縁膜の膜厚の比は、１〜２：１程度、好ましくは２：１程度である。つまり、リッジ側面の絶縁膜の膜厚が窒化物半導体層表面の絶縁膜の膜厚の半分程度の膜厚となり得る。具体的には、３０〜２５０ｎｍ程度が挙げられる。
【００３１】
絶縁膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。
【００３２】
溝部上において絶縁膜の膜厚が薄くなるように形成する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、一旦、リッジの側面から窒化物半導体層表面にかけて所定の膜厚の絶縁膜を形成し、その後、公知のフォトリソグラフィ（例えば、レジスト塗布、プリベーク、露光、現像及びポストベーク等）及びエッチング工程（アルカリ現像液によるウェットエッチング、塩素系ガスを用いるドライエッチング等）を利用して、あるいは、局所的に溝部上の絶縁膜に露光又は熱処理などを付し、絶縁膜の膜厚方向において部分的に薄膜化してもよい。また、公知のフォトリソグラフィ及びエッチング工程を利用して、窒化物半導体層表面にのみ所定膜厚の絶縁膜を形成し、続いて、リッジ側面及び溝部上を含む窒化物半導体層表面の全面に同じ材料の絶縁膜を積層して、溝部上に薄膜の領域を形成してもよい。また、絶縁膜を形成する際に成膜条件を適宜調整することによって溝部上に薄膜の領域を形成することもできる。具体的には、成膜圧力、酸素流量、窒素流量、アルゴン流量、マイクロ波電力、ＲＦ電力、成膜レート等を適宜調整して行うことができる。その中でも、成膜中に一時的に成膜時の圧力を下げて絶縁膜を形成することが好ましい。これにより、窒化物半導体層表面では絶縁膜が形成されるが、溝部周辺及びリッジ側面においては成膜レートが低下し相対的に溝部上において絶縁膜を薄膜化させることができる。また、絶縁膜を形成する前に、得られる絶縁膜の膜質、膜厚等を局所的に変化させることができるように、局所的に前処理等を施してもよい。さらに、これらの方法を任意に組み合わせてもよい。
【００３３】
また、絶縁膜３０は、複数層で形成されていてもよい。異なる材料若しくは、結晶状態で複数設けられることが挙げられる。例えば、単結晶の第１膜と、多結晶又はアモルファスの第２膜とが窒化物半導体層上にこの順に形成された多層膜として構成されるものが挙げられる。
【００３４】
以下、他の各構成について説明する。
（基板１０）
基板は、窒化物半導体を成長させることができるものであればよい。具体的には、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面及びＲ面のいずれかを主面とするＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面及びＲ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）、炭化珪素、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、ニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等からなるものが挙げられる。また、基板は、第１主面及び／又は第２主面に、０°〜１０°程度のオフ角を有していてもよい。なかでも、結晶性のよい窒化物半導体層を成長させる観点からは窒化物半導体基板が好ましい。
窒化物半導体基板は、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。
【００３５】
（電極）
本発明における電極は、ｐ及びｎ側窒化物半導体層と電気的に接続された一対の電極を指す。なお、窒化物半導体層とｐ側電極との接続領域としては、特にその位置、大きさ、形状等は限定されず、窒化物半導体層の表面の一部、例えば、窒化物半導体層の表面に形成されるストライプ状のリッジ上面のほぼ全面又はリッジ上面のほぼ全面からその両側にわたる部分が例示される。ｐ側電極４０は、リッジ表面の窒化物半導体層に形成され、ｎ側電極７０は基板の第２主面に形成されることが好ましい。
【００３６】
電極は、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５０〜５００ｎｍ程度が適当である。電極は、少なくともｐ側及びｎ側半導体層又は基板上にそれぞれ形成していればよく、さらにこの電極上にパッド電極等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。
【００３７】
また、絶縁膜上には、保護膜５０が形成されていることが好ましい。このような保護膜は、少なくとも窒化物半導体層表面において絶縁膜上に配置していればよく、絶縁膜を介して又は介さないで、窒化物半導体層の側面及び／又は基板の側面又は表面等を被覆していることが好ましい。保護膜は、絶縁膜で例示したものと同様の材料で形成することができる。これにより、絶縁性のみならず、露出した窒化物半導体層の側面又は表面等を確実に保護することができる。
【００３８】
なお、共振器端面には、反射ミラーを形成してもよい。反射ミラーは、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、これらの組み合わせ等により形成することができる。具体的には、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＯＮ等の酸化膜、窒化膜等からなる誘電体多層膜である。反射ミラーは、共振面の光反射側及び／又は光出射面に形成することが好ましく、さらに、共振面の光反射側及び光出射面に形成することが好ましい。劈開によって形成された共振面であれば、反射ミラーを再現性よく形成することができる。
【００３９】
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４０】
＜実施例１＞
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板１０上に、窒化物半導体層２０として、ｎ側半導体層２１、活性層２２、ｐ側半導体層２３がこの順に形成されており、ｐ側半導体層２３の表面にリッジ２４が形成されている。リッジの側面から連続する面を側面とする溝部２５が設けられ、リッジ２４の側面から窒化物半導体層の表面２０ａにわたって絶縁膜３０が形成されている。溝部の底面は曲面で形成され、絶縁膜は、溝部上において窒化物半導体層表面よりも膜厚が薄く形成されている。
また、リッジ２４上面にはｐ側電極４０が形成されている。また、ｎ側電極７０が、基板１０の第２主面に形成されている。窒化物半導体層の側面から、上面にかけて、素子を保護するための保護膜５０が形成されており、絶縁膜３０、ｐ側電極４０及び保護膜５０の上面には、ｐ側パッド電極６０が形成されている。
【００４１】
このレーザ素子は、以下の方法で製造することができる。
まず、基板上に第１窒化物半導体層を形成する。
ｎ型不純物を含有し、（０００１）を窒化物半導体層の成長面とする窒化物半導体基板１０を準備し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ3）及び不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉをドープしたＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎを２．０μｍ成長させる。
次に、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉをドープしたＩｎＧａＮを１５０ｎｍ成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア及びシランガスを用い、ＳｉをドープしたＡｌＧａＮを１．０μｍ成長させる。
次に、ＴＭＧアンモニア及びシランガスを用い、ＳｉをドープしたＧａＮを１５０ｎｍ成長させ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮを１５０ｎｍ成長させる。
【００４２】
続いて、第１窒化物半導体層上に活性層を形成する。
ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア及びシランガスを用い、ＳｉをドープしたＩｎ0.0４Ｇａ0.99Ｎを２１０ｎｍ成長させる。
次に、シランガスを止め、アンドープのＧａＮよりなる障壁層を１ｎｍ、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を３ｎｍ成長させる。さらに、アンドープのＧａＮよりなる障壁層を１４ｎｍ、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を３ｎｍ成長させる。
次に、井戸層に接する層としてＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎを７０ｎｍ形成する。
【００４３】
続いて、活性層上に第２窒化物半導体層を形成する。
ＴＭＩを止め、ＴＭＡ及びＣｐ2Ｍｇを流し、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮを１０ｎｍ成長させる。
次に、Ｃｐ2Ｍｇを止め、アンドープのＡｌＧａＮを１５０ｎｍの膜厚で成長させ、Ｃｐ2Ｍｇを用いてＭｇをドープしたＡｌＧａＮを１５０ｎｍの膜厚で成長させる。
次に、Ｃｐ2Ｍｇを止め、ＴＭＡを流し、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎを２．５ｎｍ成長させ、Ｃｐ2Ｍｇを流しＭｇをドープしたＡｌＧａＮを２．５ｎｍ成長させ、これを交互に繰り返し、総膜厚０．４５μｍの超格子層を成長させる。
次に、ＭｇをドープしたＧａＮを１５ｎｍ成長させる。
【００４４】
（リッジ２４の形成）
窒化物半導体層を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅２．０μｍのストライプ状のＳｉＯ2よりなる絶縁膜を形成する。ＳｉＯ2よりなる絶縁膜をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で０．７４μｍエッチングし、幅２．０μｍのストライプ状のリッジ２４を形成する。
【００４５】
（溝部２５の形成）
リッジ両側の溝部形成予定領域を開口させたレジストからなるマスクを設け、ＲＩＥで３０ｎｍエッチングを行いマスクを除去する。
これにより、リッジの両側の窒化物半導体層表面にリッジ側面から連続した面を側面とし、底面が曲面で構成される溝部２５が形成される。このときの溝部の底面は、第２窒化物半導体層として形成された１０ｎｍのＡｌＧａＮ層中に形成される。
【００４６】
（ｐ側電極４０の形成）
続いて、フォトレジストでウェハの全面を覆い、リッジ２４上のＳｉＯ2よりなる絶縁膜が露出するまでフォトレジストを除去する。リッジ上のＳｉＯ2よりなる絶縁膜をエッチングし、リッジの上面を露出させる。次に、ウェハ全体にＮｉ(１０ｎｍ)／Ａｕ(１００ｎｍ)／Ｐｔ(１００ｎｍ)よりなるｐ側電極４０をスパッタリングにより形成する。フォトレジストを除去することによって、リッジの上面にｐ側電極４０が形成される。ｐ側電極形成後、オーミックアニールを行う。
（絶縁膜３０の形成）
次に、ＳｉＯ２からなる絶縁膜３０をスパッタリングにより成膜する。まず、リッジ側面に絶縁層が形成されるのを確認し、成膜時の圧力を下げ、続けて成膜する。これにより、リッジ側面付近の溝部上では成膜レートが低下し、溝部上には窒化物半導体層表面よりも薄く絶縁膜が形成される。最終的に、窒化物半導体層表面に絶縁膜を２００ｎｍ、溝部上には、１５０ｎｍ、リッジ側面には１２５ｎｍ形成する。
再びフォトレジストにでウェハの全面を覆い、リッジ部２４上のｐ側電極４０が露出するまでフォトレジストを除去し、ｐ側電極上の絶縁膜３０を除去し、絶縁膜３０上のフォトレジストを除去する。
【００４７】
（保護膜５０の形成）
絶縁膜上及び窒化物半導体層の側面に、ＳｉＯ2よりなる保護膜５０を０．５μｍの膜厚で形成する。
【００４８】
（ｐ側パッド電極６０の形成）
絶縁膜５０及びｐ側電極４０上にｐ側パッド電極６０をＮｉ(８ｎｍ)／Ｐｄ(２００ｎｍ)／Ａｕ(８００ｎｍ)で形成する。
（ｎ側電極７０の形成）
基板を８０μｍの厚さに研磨し、研磨面上にｎ側電極７０をＶ(１０ｎｍ)／Ｐｔ(２００ｎｍ)／Ａｕ(３００ｎｍ)で形成する。
【００４９】
（分割）
その後、基板１０を劈開してバー状とし、そのバーの劈開面に共振器面を作製する。共振器面に、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２からなる多層膜構造でミラーを形成し、共振器面に垂直な方向でバー状のウェハを切断してレーザチップとする。
【００５０】
（評価）
得られた半導体レーザチップについて、各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、所望の光閉じ込めが実現しており、室温において閾値電流密度３ｋＡ／ｃｍ2、発振波長４８８ｎｍの連続発振が確認され、絶縁膜も剥がれることなく１０００時間以上の長寿命を示す。
【００５１】
＜実施例２＞
この実施例の半導体レーザ素子は、溝部の断面形状が図２のように、曲面で構成されること以外は、実質的に実施例１の半導体レーザ素子と同様の構成である。
本実施例の製造方法は、窒化物半導体層を成長させた後、実施例１と同様に形成したＳｉＯ2よりなる絶縁膜をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で３０ｎｍの溝部を形成する。続けて、エッチング時の圧力を下げて０．７４μｍエッチングし、幅２．０μｍのストライプ状のリッジ２４を形成する以外は、実質的に実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様にして製造することができる。これにより、先に形成した溝部の形状を引き継いだままリッジが形成され、断面形状が曲面で構成される溝部２５が形成される。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１とほぼ同様の効果が得られると共に、製造時のばらつきが緩和され溝部形成工程における歩留まりが向上する。
【００５２】
＜実施例３＞
この実施例の半導体レーザ素子は、溝部の形成方法以外は、実質的に実施例２の半導体レーザ素子と同様の構成である。
本実施例では、リッジ形成後に、エッチング圧力を上げてリッジの両側の窒化物半導体層を３０ｎｍエッチングし溝部を形成する。この工程以外は、実質的に実施例２の窒化物半導体レーザ素子と同様にして製造することができる。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例２とほぼ同様の効果が得られる。
【００５３】
＜実施例４＞
この実施例の半導体レーザ素子は、溝部の断面形状が図３のように、略矩形であること以外は、実質的に実施例１の半導体レーザ素子と同様の構成である。
本実施例では、実施例１よりもＲＦ出力を上げて溝部を形成する以外は、実質的に実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様にして製造することができる。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１とほぼ同様の効果が得られる。
【００５４】
＜実施例５＞
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、井戸層の第２窒化物半導体層側に接触する層（７０ｎｍの膜厚で形成されたＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層）に溝部の底面が設けられる以外は、実質的に実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成である。このとき、リッジの高さは０．７４μｍ、溝の深さは６０ｎｍで形成される。
本実施例では、実施例１と比較して横方向の光閉じ込めを強めることができるため、得られた窒化物半導体レーザ素子の閾値が低下することが確認された。
【００５５】
＜実施例６＞
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、リッジの高さが０．７μｍ、溝部の深さが１００ｎｍとなるようにする以外は実施例１と同様の構成である。
本実施例では、リッジの高さが小さくなったが溝部を深く形成したため、実施例１と同等の効果が得られる。
【００５６】
＜実施例７＞
この実施例の半導体レーザ素子は、溝部上の絶縁膜の形成方法以外は、実質的に実施例１の半導体レーザ素子と同様である。
本実施例では、絶縁膜の形成時に、成膜時の圧力を下げることに変えてＲＦ出力を上げて絶縁膜を形成する以外は、実質的に実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様にして製造することができる。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１とほぼ同様の効果が得られる。
【００５７】
＜実施例８＞
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、絶縁膜の膜厚が、溝部上において６０ｎｍで形成され、窒化物半導体層表面において１００ｎｍで形成される以外は、実質的に実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成である。
本実施例では、実施例１と比較して放熱性の良好な窒化物半導体レーザ素子が得られる。
【００５８】
＜実施例９＞
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、絶縁膜がＺｒＯ２で形成される以外は、実質的に実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成である。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１とほぼ同様の効果が得られる。
【００５９】
＜実施例１０＞
この実施例の半導体レーザ素子は、井戸層がＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎで形成され、発振波長が５０５ｎｍのレーザ素子であること以外は、実質的に実施例１の半導体レーザ素子と同様の構成である。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１と比較して発振波長が長波長化し光が閉じ込められにくくなるが、実施例１と同様に好適に光閉じ込めをすることができ、実施例１とほぼ同様の効果が得られる。
【００６０】
＜実施例１１＞
この実施例の半導体レーザ素子は、第２窒化物半導体層の構造及びｐ側電極４０が異なる以外は実質的に実施例１の半導体レーザ素子と同様の構成である。
具体的には、第２窒化物半導体層として、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮを１０ｎｍ成長させ、次に、Ｃｐ2Ｍｇを止め、アンドープのＡｌＧａＮを１５０ｎｍの膜厚で成長させ、Ｃｐ2Ｍｇを用いてＭｇをドープしたＡｌＧａＮを４５０ｎｍの膜厚で成長させる。次に、ＭｇをドープしたＧａＮを１５ｎｍ成長させる。
リッジ２４及び溝部２５を形成した後に、実施例１と同様の方法を用いてＩＴＯを膜厚４００ｎｍで形成する。
以上のようにして得られる本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１と比較して、第２窒化物半導体層が薄膜で形成され、ｐ側電極がＩＴＯで形成されているため、接触抵抗が低下して消費電力が小さくなり、長寿命の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００６１】
＜実施例１２＞
この実施例の半導体レーザ素子は、リッジ２４の幅を５．０μｍで形成する以外は、実質的に実施例１の半導体レーザ素子と同様の構成である。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１と同様に好適に光閉じ込めをすることができ、実施例１とほぼ同様の効果が得られ、実施例１と比較して高出力の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００６２】
＜比較例１＞
この窒化物半導体レーザ素子は、溝部が形成されていない以外、実施例１と実質的に同様の構成である。
本比較例によれば、実施例１のレーザ素子と比較して、閾値電流が高いことが確認され、寿命特性についても悪いことが確認された。これは、横方向の光閉じ込めが弱いことに起因する。
【００６３】
＜比較例２＞
この窒化物半導体レーザ素子は、実施例１と同様に溝部が形成されているが、絶縁膜の膜厚がリッジ側面から窒化物半導体層表面にかけて均一である以外、実施例１と実質的に同様の構成である。
絶縁膜は、２００ｎｍの膜厚とする。
本比較例によれば、実施例１のレーザ素子と比較して、レーザ素子の電流−電圧特性が不安定なものが見られた。これは、絶縁膜に剥がれ及び／又はクラックが発生したことに起因する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、レーザダイオード（ＬＤ）のみならず、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネセンスダイオード等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられるような、埋め込み膜と同じ材料の膜と、電極材料との密着性を確保する必要がある窒化物半導体素子に広く適用することができる。特に、光ディスク用途、光通信システム、ディスプレイ、印刷機、露光用途、測定、バイオ関連の励起用光源等における窒化物半導体レーザ素子に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０    基板
２０    窒化物半導体層
２０ａ    窒化物半導体層表面
２１    第１窒化物半導体層
２２    活性層
２３    第２窒化物半導体層
２４    リッジ
２５    溝部
３０    絶縁膜
４０  ｐ側電極
５０  保護膜
６０  ｐ側パッド電極
７０  ｎ側電極
【図１】
2010226094.tif 000003
【図２】
2010226094.tif 000004
【図３】
2010226094.tif 000005