(57)【要約】      （修正有）【課題】ＦＦＰのリップルを十分に抑制することができる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＧａＮ基板１４上に、半導体積層構造１６として、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、活性層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３４、及びｐ型ＧａＮコンタクト層３６が順次形成されている。半導体積層構造１６の上面にストライプ状の導波路領域３８が形成されている。導波路領域３８から離間して、半導体積層構造１６の上面に凹部４０が形成されている。ｎ型電極５０がＧａＮ基板１４に電気的に接続されている。ｐ型電極４６がｐ型ＧａＮコンタクト層３６に電気的に接続されている。ｐ型電極４６上にパッド電極４８が形成されている。ＳｉＯ２膜４４を介して凹部４０の内部に凹部内電極５２が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に順次形成された第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型のクラッド層、及び第２導電型のコンタクト層を有し、ストライプ状の導波路領域が上面に形成され、前記導波路領域から離間して凹部が上面に形成された半導体積層構造と、
前記半導体基板に電気的に接続された第１導電型電極と、
前記コンタクト層に電気的に接続された第２導電型電極と、
前記第２導電型電極上に形成されたパッド電極と、
絶縁膜を介して前記凹部の内部に形成された凹部内電極とを備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記凹部内電極は、前記第２導電型電極と前記パッド電極の少なくとも一方の一部であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記凹部の平面形状が四角形であり、前記四角形の２辺が共振器端面に平行であり、前記四角形の他の２辺が共振器方向に平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記凹部の平面形状が四角形であり、前記四角形の各辺が共振器端面及び共振器方向に対して斜めであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記絶縁膜は、前記凹部の外部の前記半導体積層構造上の前記導波路領域以外の領域にも形成され、
前記絶縁膜と前記導波路領域の間隔は、前記凹部が有る領域に比べて前記凹部が無い領域において広いことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記凹部は、共振器の前端面又は後端面の近傍に形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体基板及び前記半導体積層構造は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体発光素子を製造する方法であって、
前記凹部内電極を、前記第２導電型電極と前記パッド電極の少なくとも一方と同時に形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストライプ状の導波路領域が形成された半導体発光素子及びその製造方法に関し、特にＦＦＰのリップルを十分に抑制することができる半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＩｎＧａＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
【０００３】
半導体レーザから放射した光は、レンズ系を通して光ディスク上の小さなスポットに集光されることから、端面からの出射されるレーザ光の遠視野像（FFP：Far Field Pattern）は、ガウス形状に近いことが望ましく、リップルなどの乱れが無いことが要求される。
【０００４】
半導体レーザには、電流狭窄及び光閉じ込めのために、ストライプ状の導波路領域が半導体積層構造の上面に形成される。この導波路領域によって、水平方向にはガウス形状に近い形に光分布が形成され、それが共振器端面間を往復する。この時、導波路領域形状あるいはエピ厚さなどに構造の不完全性があると、共振器方向の位置により屈折率分布が異なる。
【０００５】
屈折率分布が異なるということは、光の導波モード形状が異なるということである。従って、屈折率が異なる部分に光が進行する際には、この導波モード形状の不一致により、レーザ光が導波路領域部より水平及び垂直方向に散乱される。この散乱光が本来のレーザ光と共に前端面より放射されることで、ＦＦＰにリップルが発生する。特に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、水平方向のＦＦＰにリップルが発生することが多く、実用上大きな問題となっている。
【０００６】
これに対して、導波路領域から離間して半導体積層構造の上面に凹部が形成された半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この凹部により、水平方向に散乱された放射光を外部に放射させないようにして、ＦＦＰのリップルを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１１３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、凹部を形成した従来の半導体発光素子でも、依然としてＦＦＰにリップルが残り、ＦＦＰのリップルを十分に抑制することはできなかった。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はＦＦＰのリップルを十分に抑制することができる半導体発光素子及びその製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に順次形成された第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型のクラッド層、及び第２導電型のコンタクト層を有し、ストライプ状の導波路領域が上面に形成され、前記導波路領域から離間して凹部が上面に形成された半導体積層構造と、前記半導体基板に電気的に接続された第１導電型電極と、前記コンタクト層に電気的に接続された第２導電型電極と、前記第２導電型電極上に形成されたパッド電極と、絶縁膜を介して前記凹部の内部に形成された凹部内電極とを備えることを特徴とする半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、ＦＦＰのリップルを十分に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図２】図１の半導体発光素子のＡ−Ａ´における断面図である。
【図３】比較例に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図４】図３の半導体発光素子のＢ−Ｂ´における断面図である。
【図５】凹部が形成されていない半導体発光素子の水平方向ＦＦＰの実測結果を示す図である。
【図６】比較例に係る半導体発光素子の水平方向ＦＦＰの実測結果を示す図である。
【図７】比較例に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図８】実施の形態１に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図９】実施の形態１に係る半導体発光素子の水平方向ＦＦＰの実測結果を示す図である。
【図１０】実施の形態２に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図１１】実施の形態２に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図１２】実施の形態３に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体発光素子を示す斜視図である。この半導体発光素子は、共振器長が８００μｍとなるように劈開されている。半導体発光素子の前端面１０には反射率１０％の低反射コーティングが施され、後端面１２には反射率９５％の高反射コーティングが施されている。
【００１４】
図２は、図１の半導体発光素子のＡ−Ａ´における断面図である。ＧａＮ基板１４上に、半導体積層構造１６として、厚さ３．０μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層２０、厚さ７ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層２２、活性層２４、厚さ７ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層２６、厚さ３０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ中間層２８、厚さ５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ中間層３０、厚さ１０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３２、厚さ４５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３４、及び厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３６が順次形成されている。
【００１５】
ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８のＡｌ組成比は０．０４である。活性層２４は、厚さが３．５ｎｍでＩｎ組成比が０．１４のアンドープＩｎＧａＮ井戸層の３層と、厚さが７．０ｎｍでＩｎ組成比が０．０２のアンドープＩｎＧａＮ障壁層の２層と、を交互に積層した多重量子井戸構造である。アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層２２，２６のＩｎ組成比は０．０２である。アンドープＡｌＧａＮ中間層２８のＡｌ組成比は０．０３である。アンドープＩｎＧａＮ中間層３０のＩｎ組成比は０．０２である。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３２のＡｌ組成比は０．１８である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３４のＡｌ組成比は０．０４である。
【００１６】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３４及びｐ型ＧａＮコンタクト層３６がエッチングされて、半導体積層構造１６の上面に〈１−１００〉方向に向かってストライプ状の導波路領域３８が形成されている。導波路領域３８の幅は１．５μｍ、導波路領域３８の高さは４５０ｎｍである。
【００１７】
導波路領域３８から離間して、半導体積層構造１６の上面に凹部４０が形成されている。凹部４０は、共振器の前端面１０の近傍において、導波路領域３８の左右に形成されている。凹部４０の導波路領域３８に近い側の側面と導波路領域３８との距離ｗは３．０μｍである。共振器端面に平行な方向における凹部４０の幅は１０μｍ、共振器方向における凹部４０の幅は１０μｍである。凹部４０の深さは２．５μｍである。凹部４０の平面形状は四角形であり、その四角形の２辺が共振器端面に平行であり、他の２辺が共振器方向に平行である。
【００１８】
導波路領域３８以外の領域におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３４の上面、及び導波路領域３８の側面を厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜４２が覆っている。凹部４０の側面及び底面を厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜４４が覆っている。導波路領域３８上においてＳｉＯ２膜４２に開口が形成されている。この開口を介してｐ型電極４６がｐ型ＧａＮコンタクト層３６に電気的に接続されている。ｐ型電極４６は、Ｐｄ膜及びＡｕ膜を順次積層した構造となっている。ｐ型電極４６上に、ワイヤボンドや半田によるボンディングを行うためのパッド電極４８が形成されている。パッド電極４８はＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次積層した構造である。ＧａＮ基板１４の裏面に、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次積層したｎ型電極５０が電気的に接続されている。
【００１９】
本実施の形態の特徴として、凹部４０の内部に、ＳｉＯ２膜４４を介して凹部内電極５２が形成されている。そして、この凹部内電極５２はパッド電極４８の一部である。
【００２０】
続いて、実施の形態１に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したＧａＮ基板１４上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０、アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層２２、活性層２４、アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層２６、アンドープＡｌＧａＮ中間層２８、アンドープＩｎＧａＮ中間層３０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３２、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３４、及びｐ型ＧａＮコンタクト層３６を順次形成する。
【００２１】
ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８及びｎ型ＧａＮ光ガイド層２０の成長温度は１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層２２からアンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層２６までの成長温度は７４０℃、アンドープＡｌＧａＮ中間層２８の成長温度は１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ中間層３０の成長温度は７４０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３２からｐ型ＧａＮコンタクト層３６までの成長温度は１０００℃とする。
【００２２】
次に、上記の結晶成長を行ったウェハの全面にレジストを塗布し、リソグラフィーにより導波路領域３８の形状に対応した形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えばＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３４の途中までエッチングして、導波路領域３８を形成する。ＲＩＥのエッチングガスとして例えば塩素系ガスを用いる。
【００２３】
次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ２膜４２を形成し、レジスト除去と同時に導波路領域３８上にあるＳｉＯ２膜４２を除去する、いわゆるリフトオフを行う。
【００２４】
次に、例えば真空蒸着法によりＰｄ及びＡｕ膜を順次形成し、リフトオフを行うことで、ｐ型電極４６を形成する。
【００２５】
次に、レジスト塗布及びリソグラフィーによって凹部４０の位置に開口を持つ形状のレジストパターンを形成し、ウエットエッチング又はドライエッチングによりＳｉＯ２膜４２をエッチングし、その下の半導体積層構造１６をＲＩＥ法などによりエッチングすることで凹部４０を形成する。
【００２６】
次に、凹部４０の内部において露出した半導体積層構造１６を絶縁するために、凹部４０の側面及び底面を覆うように、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ２膜４４を形成する。このＳｉＯ２膜４４の形状は、レジスト塗布及びリソグラフィーを用いたリフトオフにより任意に決めることができる。
【００２７】
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次積層した後、レジスト塗布及びリソグラフィー及び、ウエットエッチング又はドライエッチングにより、パッド電極４８を形成する。この際、パッド電極４８を凹部４０の内部にもＳｉＯ２膜４４を介して形成し、この凹部４０の内部に存在するパッド電極４８を凹部内電極５２とする。
【００２８】
次に、ＧａＮ基板１４の裏面に真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次積層してｎ型電極５０を形成する。そして、オーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００２９】
次に、ウェハを劈開などによりバー状に加工して前端面１０及び後端面１２を形成し、これらの共振器端面に端面コーティングを施す。その後、このバーを劈開などによりチップ化する。以上の工程により、実施の形態１に係る半導体発光素子が製造される。
【００３０】
実施の形態１に係る半導体発光素子の効果について比較例と比較しながら説明する。図３は、比較例に係る半導体発光素子を示す斜視図である。図４は、図３の半導体発光素子のＢ−Ｂ´における断面図である。実施の形態１と同様に半導体積層構造１６に凹部４０が形成されているが、凹部４０の内部に凹部内電極５２が形成されていない。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３１】
図５は、凹部が形成されていない半導体発光素子の水平方向ＦＦＰの実測結果を示す図である。図６は、比較例に係る半導体発光素子の水平方向ＦＦＰの実測結果を示す図である。この結果、凹部４０が形成されている比較例の方が、凹部が無い場合よりもリップルが低減していることが分かった。しかし、凹部を形成した半導体発光素子でも、依然としてＦＦＰにリップルが残り、ＦＦＰのリップルを十分に抑制することはできなかった。これは、比較例の上面図である図７に示すように、散乱光が導波路領域３８と凹部４０の間を通って前端面１０側に導波されたり、凹部４０よりも基板側で導波又は透過されたりするためである。
【００３２】
この現象を防ぐには、導波路領域３８と凹部４０の間隔を小さくすればよい。しかし、この間隔が小さくなりすぎると、レーザ光の主モードが凹部４０の側面にまで浸み出してしまう。このため、凹部４０の側面での反射や散乱の影響を大きく受けることになるため、かえってＦＦＰの乱れが増大してしまう。
【００３３】
これに対し、実施の形態１では、半導体積層構造１６の凹部４０の内部に凹部内電極５２が形成されている。図８は、実施の形態１に係る半導体発光素子を示す上面図である。図９は、実施の形態１に係る半導体発光素子の水平方向ＦＦＰの実測結果を示す図である。実施の形態１の場合、図８に示すように、水平方向に散乱された光のほとんど全てが凹部４０の側面や底面に有る凹部内電極５２により吸収されるため、散乱光が端面から放射されることが無くなる。よって、図９に示すように、ＦＦＰのリップルを十分に抑制することができる。
【００３４】
また、本実施の形態では凹部４０の内部に形成された凹部内電極５２はパッド電極４８の一部であるが、ｐ型電極４６とパッド電極４８の少なくとも一方の一部であればよい。従って、凹部内電極５２は、ｐ型電極４６とパッド電極４８の少なくとも一方と同時に形成することができる。これにより、工程を増やすことなく、凹部内電極５２を形成することができる。なお、ｐ型電極４６を凹部４０の内部に形成する場合には、凹部４０を形成した後にｐ型電極４６を形成する必要がある。
【００３５】
また、凹部４０の共振器方向の位置は任意である。ただし、凹部４０よりも前端面１０側において発生した放射光は凹部４０で吸収されないため、凹部４０は前端面１０の近傍に形成されていることが好ましい。なお、凹部４０が共振器の後端面１２の近傍に形成されていてもよい。
【００３６】
また、半導体基板及び半導体積層構造が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる場合、水平方向のＦＦＰにリップルが発生することが多いため、本実施の形態が特に有効である。
【００３７】
また、凹部４０での光吸収の効果を大きくするために、垂直方向での光電界強度が最大となる活性層２４の付近又は活性層２４の下部まで凹部４０の深さを伸ばすことが好ましい。
【００３８】
また、一般的に金属は非常に大きな光吸収係数を持つことから、凹部４０の共振器方向の長さがそれほど大きくなくても十分な効果がある。従って、凹部４０の共振器方向の長さは０．５μｍ以上であればよい。
【００３９】
実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係る半導体発光素子を示す斜視図である。図１１は、実施の形態２に係る半導体発光素子を示す上面図である。この半導体発光素子は、凹部４０の平面形状である四角形を実施の形態１と比べて４５°回転させたものである。即ち、凹部４０の四角形の各辺が共振器端面及び共振器方向に対して斜めである。その他の構成や製造方法は実施の形態１と同様である。これにより、凹部４０から反射されたごく一部の放射光が再び前端面１０方向に反射するのを抑制することができる。
【００４０】
実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係る半導体発光素子を示す上面図である。絶縁膜４４は、凹部４０の外部の半導体積層構造１６上の領域にも形成されている。ただし、ｐ型電極４６を導波路領域３８のｐ型ＧａＮコンタクト層３６に電気的に接続するために、絶縁膜４４は導波路領域３８には形成されていない。また、絶縁膜４４は、半導体層と凹部内電極５２の絶縁を取るために、凹部４０の内部にも形成する必要がある。このため、半導体積層構造１６上において凹部４０が有る領域では、絶縁膜４４と導波路領域３８の間隔は狭くなる。
【００４１】
絶縁膜４４が存在する部分と存在しない部分との境界では、絶縁膜４４の応力によるストレスが結晶に働き、このストレスが結晶の屈折率を変動させる。そのストレスが共振器方向において均一でない場合には、レーザ光が感じる屈折率が共振器方向で均一でなくなるため、光が散乱し、水平方向のＦＦＰの乱れが発生する。これを極力防止するためには、絶縁膜の開口幅を広げることが有効である。そこで、実施の形態３では、絶縁膜４４と導波路領域３８の間隔が、凹部４０が有る領域に比べて凹部４０が無い領域において広くなるようにする。ただし、両領域の連結部分において急激な間隔変化があると上記ストレスが急激に変化するため、緩やかに間隔を変化させることが好ましい。
【符号の説明】
【００４２】
１０  前端面
１２  後端面
１４  ＧａＮ基板（半導体基板）
１６  半導体積層構造
１８  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（第１導電型のクラッド層）
２４  活性層
３４  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（第２導電型のクラッド層）
３６  ｐ型ＧａＮコンタクト層（第２導電型のコンタクト層）
３８  導波路領域
４０  凹部
４６  ｐ型電極（第２導電型電極）
４８  パッド電極
４４  ＳｉＯ２膜（絶縁膜）
５０  ｎ型電極（第１導電型電極）
５２  凹部内電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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