(57)【要約】      （修正有）【課題】動作電圧が小さく安定して長期信頼性が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】基板１上に順に形成された第１導電型の下部クラッド層２、活性層５、第２導電型の上部クラッド層８と、その上に形成された第１の電極１１とを有し、上部クラッド層は、ストライプ状のリッジ部Ｓ１が第１の面Ｓ２から連なって突出するリッジ形状を有し、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層の各々は、窒化物半導体層からなる。前記第１の電極は、リッジ部の上面と、リッジ部の側壁の少なくとも一部領域に接して設けられ、第１の面は絶縁膜で覆われ、第１の電極が接していない。これにより自発分極やピエゾ分極に起因する電荷をキャンセルすることができるために電圧が低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１導電型の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された、前記第１導電型とは逆導電型である第２導電型の上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成された第１の電極とを有し、
前記上部クラッド層は、ストライプ状のリッジ部が第１の面から連なって突出するリッジ形状を有し、
前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層の各々は、窒化物半導体層からなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記第１の電極は、前記リッジ部の上面と、前記リッジ部の側壁の少なくとも一部領域に接して設けられ、
前記第１の面は絶縁膜で覆われ、前記第１の面には前記第１の電極が接していないことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１の電極は、前記リッジ部の上面から前記リッジ部の側壁に亘って形成され、かつ前記第１の面から離間しており、
前記リッジ部の側壁のうち、前記第１の電極が接していない部分では前記絶縁膜が接してい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。
【請求項３】
請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１の面から前記リッジ部の上面までの高さをＨとする時、前記第１の面から、前記リッジ部の側壁に接している前記第１の電極までの高さは、０．７Ｈ以下であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項３に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１の面から、前記リッジ部の側壁に接している前記第１の電極までの高さは、０．６Ｈ以下であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１の電極を覆う第２の電極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６】
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記リッジ部の側壁と前記第１の面とが連なる部分の断面形状が裾を引く形状になっていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記絶縁膜は、Ｓｉの酸化膜或いは窒化膜、Ａｌの窒化膜或いは酸化膜、金属の酸化膜の何れかで形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記絶縁膜上に、前記第１の電極との接着層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９】
請求項８に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
接着層は、アモルファスＳｉ、ＷＯ３，Ａｌの酸化膜或いは窒化膜，Ｔｉの酸化膜或いは窒化膜で形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
基板上に形成された第１導電型の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された、前記第１導電型とは逆導電型である第２導電型の上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成された第１の電極とを有し、
前記上部クラッド層は、ストライプ状のリッジ部が第１の面から連なって突出するリッジ形状を有し、
前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層の各々は、窒化物半導体層からなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記リッジ部は、前記第１の面から連なって突出する第１の部分と、前記第１の部分から連なって突出し、前記第１の部分の幅よりも狭い第２の部分とを有し、
前記第１の電極は、前記リッジ部の前記第２の部分の上面及び側壁と、前記リッジ部の前記第１の部分の上面と、前記第１の部分の少なくとも一部領域に接して設けられ、
前記第１の面は絶縁膜で覆われ、前記第１の面には前記第１の電極が接していないことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
基板上に形成された第１導電型の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された、前記第１導電型とは逆導電型である第２導電型の上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成された第１の電極とを有し、
前記上部クラッド層は、ストライプ状のリッジ部が第１の面から連なって突出するリッジ形状を有し、
前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層の各々は、窒化物半導体層からなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記リッジ部は、少なくとも２つ以上設けられ、
前記第１の電極は、前記各リッジ部の上面と、前記各リッジ部の側壁の少なくとも一部領域に接して設けられていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１の面は、前記リッジ部で挟まれた第１の領域と、前記リッジ部で挟まれない第２の領域とを含み、
前記第１の面の第１の領域には、前記第１の電極が接しており、
前記第１の面の第２の領域は絶縁膜で被われ、前記第２の領域には前記第１の電極が接していないことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】
請求項１１に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１の面は、前記リッジ部で挟まれた第１の領域と、前記リッジ部で挟まれない第２の領域とを含み、
前記第１の面の前記第１及び第２の領域は絶縁膜で被われ、前記第１の面の前記第１及び第２の領域には、前記第１の電極が接していないことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体を用いたレ−ザ素子、特に窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外領域から青色まで発光するＧａＮ系の窒化物半導体発光素子の研究開発が盛んに行われている。特に、光ディスクの高密度化やレーザディスプレイとして窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子の研究開発が活発化している。この窒化物半導体レーザ素子については、例えばShuji Nakamuraらによる下記の論文（非特許文献１）に開示されている。
【非特許文献１】APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 72, NUMBER 16 (1998年発行)の2014-2016頁「Continuous-wave operation of InGaN/GaN/AlGaN-based laser diodes grown on GaN substrates」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記論文（非特許文献１）では図２（従来の窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す図）に示すようなレーザ横断面構造が記載されている。図２において、５１がｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造のｎ型クラッド層、５２がｎ−ＧａＮ層、５３がＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層、５４がｐ−ＡｌＧａＮ電子ストッパ層、５５がｐ−ＧａＮ層、５６がｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造のｐ型クラッド層、５７がｐ−ＧａＮ層、５８がｐ電極（陽極側電極）、５９が酸化シリコン（ＳｉＯ２）層である。
【０００４】
ｐ型クラッド層５６の一部がドライエッチングにより、ストライプ状のリッジ部Ｓ１が第１の面Ｓ２から連なって突出するリッジ形状に加工され、ｐ型クラッド層５６のリッジ側壁（リッジ部Ｓ１の側壁）とリッジ脇底部の第１の面Ｓ２には例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜５９が接触している。リッジ上部（リッジ部Ｓ１の上面）のみＳｉＯ２膜（絶縁膜５９）が無く、ｐ電極５８が接触している。ｎ型クラッド層５１より下方にはＧａＮ半導体基板やｎ電極（陰極側電極）があるがここでは省略している。
【０００５】
このような窒化物半導体レーザ素子では動作電圧が高いという課題がある。特にｐ型クラッド層５６がバルクのＡｌＧａＮで構成される場合にはこの傾向が顕著となる。これは結晶の非対称性に起因してＡｌＧａＮの自発分極とピエゾ分極により上下に表面電荷が生じる。図２においてはｐ型クラッド層５６の上端部に負の電荷、下端部に正の電荷が生じる。ｐ型クラッド層５６は厚いため半導体レーザの順方向とは逆向きの電圧がｐ型クラッド層５６に掛かったことになり、順方向に電流を流すためには自発分極で生じた電圧をキャンセルすべく過剰な電圧が必要となる。また、窒化物半導体のｐ型導電層はホールの移動度が極めて低いことに起因して抵抗率が大きいことが知られている。さらに、窒化物半導体がワイドギャップ半導体であることに起因してｐ型窒化物半導体とｐ電極の接触抵抗も大きい。よって図２のようにｐ型窒化物半導体を矩形状に狭くしたリッジ形状では抵抗が大きくなる。
【０００６】
実際に作製した窒化物半導体レーザ素子の電流電圧特性の例を図３に示す。デバイス構造は図２とほぼ同様の構造であるが、ｐ型クラッド層はバルクのｐ型ＡｌＧａＮを用いており、基板にはｎ型ＧａＮ半導体基板を用いて基板の下にｎ電極（陰極側電極）を設けた。この時の窒化物半導体レーザ素子のしきい電流は４２ｍＡであり、発振波長は４１５ｎｍであった。発振波長から計算される印加電圧は約３Ｖより若干（０．２Ｖ〜０．５Ｖ程度）大きい程度のはずである。しかし、図３から分かるように、６〜８Ｖと非常に大きい電圧を示した。この特性はリッジ形状のメサ幅に僅かしか依存せず高い電圧特性を示した。さらに、この窒化物半導体レーザ素子を８時間の通電試験にかけたところ、動作電圧が１．５〜３Ｖ増大し、しきい電流も１５〜３０％増大した。即ち、レーザ特性が大きく劣化しており短時間でも信頼性が得られていないことが分かった。
【０００７】
一方、図の点線は同一のウェハでｐ型クラッド層を介さないで導通させた電流電圧特性である。電圧は４〜５Ｖと非常に小さい。概略計算値より約１Ｖ程度大きいのは電極との接触面積が通常のレーザと比べて１／３以下と小さくそれに起因した抵抗成分が大きいからである。
【０００８】
これらの比較からｐ型クラッド層に係わる電圧成分が大きいことが分かる。これは既に述べたように自発分極とピエゾ分極、窒化物ｐ型半導体の高抵抗性、及び窒化物半導体と金属接触抵抗の高さに起因している。メサ幅依存性が極めて小さいことから自発分極とピエゾ分極の影響が大きいと推察される。この高電圧性の傾向はｐ型クラッド層５６が超格子構造になっている場合には改善される。しかし、完全にその影響を排除することができない。また、超格子構造は数ｎｍの異なる組成の半導体層を数百層成長させた複雑な構造を有するので作製プロセスが複雑であり、作製コストの増大に繋がっていた。
【０００９】
なお、リッジ型半導体レーザ素子として例えばＩｎＧａＡｌＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系のリッジ型半導体レーザ素子がある。これらのリッジ型半導体レーザ素子では、リッジ部の側壁を絶縁膜で覆うことにより、リッジ部を覆うようにして形成された電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）からリッジ部の側壁を通してリッジ部に入り込むＡｕの拡散を抑制している。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は動作電圧が小さく安定して長期信頼性が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。さらに、製造コストが低く、かつ動作電圧が小さな窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１２】
本発明者らは上記の課題を解決するために鋭意検討を行った。その概要は次の通りである。
発明者らは種々の検討を行い、リッジ部の上部のみならず側壁のｐ型窒化物半導体層と電極を接触させることにより動作電圧を低減できることを見出した。これは主にｐ型クラッド層の自発分極とピエゾ分極により生じた電荷を側壁の電極によりキャンセルすることができるからと考えられる。さらに、本構造の適用により抵抗率が大きいｐ型窒化物半導体では横方向からの電流パスも加わるため、ｐ型クラッド層での実質的な抵抗が小さくなる。
【００１３】
尚、ドライエッチで形成されたリッジ部の側壁（リッジ側壁）は適度に荒れており、多少キャリア濃度が低くとも電気的接触を取るには有効である。また、この構造では電極面積が増大するため元来大きい窒化物半導体とｐ電極の接触抵抗も小さくすることができる。
【００１４】
詳細には本発明において上記の課題は、基板上に形成された第１導電型の下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された、前記第１導電型とは逆導電型である第２導電型の上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された第１の電極とを有し、前記上部クラッド層は、ストライプ状のリッジ部が第１の面から連なって突出するリッジ形状を有し、前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層の各々は、窒化物半導体層からなる窒化物半導体レーザ素子であって、前記第１の電極は、前記リッジ部の上面と、前記リッジ部の側壁の少なくとも一部領域に接して設けられ、前記第１の面は絶縁膜で覆われ、前記第１の面には前記第１の電極が接していないことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子により達成される。
【００１５】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【発明の効果】
【００１６】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
本発明によれば、動作電圧が小さく安定して長期信頼性が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
また、本発明によれば、製造コストが低く、かつ動作電圧が小さな窒化物半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、発明の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１である窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す断面図である。
本実施例１の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ半導体基板1上にＭＯＣＶＤ(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法により結晶成長されたレーザ構造である。結晶成長のし易さの観点からＧａＮ基板１のＧａ極性面が上面方向を向いている基板を使用することが好ましい。下からｎ−ＡｌＧａＮの窒化物半導体からなるｎ型クラッド層２，ｎ−ＧａＮ層３，ＩｎＧａＮガイド層４，ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層５，ＩｎＧａＮガイド層６，ｐ−ＡｌＧａＮ電子ストッパ層７，ｐ−ＡｌＧａＮの窒化物半導体からなるｐ型クラッド層８，ｐ＋−ＧａＮの窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層９が結晶成長され、ｐ型コンタクト層９とｐ型クラッド層８の一部がリッジ形状を成している。即ち、ｐ型クラッド層８は、ストライプ状のリッジ部Ｓ１がリッジ脇底部の第１の面Ｓ２から連なって突出するリッジ形状を有し、リッジ部Ｓ１はｐ型クラッド層８と、このｐ型クラッド層８上に設けられたｐ型コンタクト層９とを含む構成になっている。
【００１９】
ｐ型クラッド層８はＭｇがドーピングされ、その不純物濃度は１〜３×１０１９ｃｍ−３の範囲が好ましい。リッジ部Ｓ１の高さは５００ｎｍで、リッジ部Ｓ１の幅は１．６μｍであり、矩形、或いは台形の形状を成している。リッジ部Ｓ１の高さは４００〜８００ｎｍが好ましい。ｐ型コンタクト層９はＡｌＧａＮで構成されていても良い。
【００２０】
リッジ脇底部の第１の面Ｓ２上にはＳｉＮｘからなる絶縁膜１０とアモルファスＳｉからなる接着層２１が積層されている。絶縁膜１０の厚さは１５０ｎｍで接着層２１の厚さは１０ｎｍである。１０と２１は成膜装置の膜質変化を利用してリッジ部Ｓ１の側壁（リッジ側壁）には膜質が悪くリッジ脇底部の第１の面Ｓ２には良質の膜が付くのでリッジ側壁のみウェットエッチで容易に取り去ることができ、図１のようなリッジ脇底部全部を覆いリッジ側壁を露出できる構造を作成できる。
【００２１】
絶縁膜１０がリッジ側壁を覆う高さは膜厚と同一の高さの１５０ｎｍか、成膜条件やエッチング方法と条件によりそれより高くも低くもすることができる。下限はリッジ側壁とリッジ脇底部の交点（リッジ部Ｓ１の側壁とリッジ脇底部の第１の面Ｓ２とが連なる部分）である。この高さの望ましい範囲については後述する。
【００２２】
１１はｐ型クラッド層８のリッジ形状の上面から側壁を覆い電気的に接触しているｐ電極（陽極側電極）であり、このｐ電極１１としては例えばＰｄが用いられている。絶縁膜１０と接着層２１はリッジ側壁まで達しているため、ｐ電極１１はリッジ脇底部の第１の面Ｓ２には接しないようになっており、リッジ部Ｓ１のみから電流が活性層５に注入することができる。即ち、ｐ電極１１は、リッジ部Ｓ１の上面と、リッジ部Ｓ１の側壁の少なくとも一部領域に接して設けられ、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２は絶縁膜１０で覆われ、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２にはｐ電極１１は接していない。
【００２３】
さらに、ｐ電極１１を覆い電気的に接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層金属で構成されたパッド電極１２が設けられている。ｎ−ＧａＮ基板１の下には電気的に接触されたｎ電極（陰極側電極）１３が設けられている。ｐ電極１１はｐ型窒化物半導体と良好なオーミック特性を得る金属として、好ましくはＡｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉが用いられる。さらに好ましくはＰｄが用いられる。膜厚は１０〜５００ｎｍが好ましい。これらのうち、貴金属であるＡｕ，Ｐｔ，Ｐｄは絶縁物とは接着性が悪い場合があるので、本実施例１では絶縁膜１１上に接着性の高い膜、接着層２１を重ねている。接着層２１としてはＷ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ａｌ，Ｔｉ等の金属酸化物やアモルファスＳｉやｐｏｌｙ−Ｓｉが用いられる。好ましくはアモルファスＳｉが用いられる。絶縁膜１１としてはＳｉの酸化物または窒化物、Ａｌの酸化物または窒化物、ＺｒＯ２，ＷＯ３，ＴｉＯ２，ＴｉＳｉＮ，ＨｆＯ２等が使用される。好ましくはＳｉの窒化物（以下ＳｉＮｘと略す）が用いられる。
【００２４】
ここで、図２と同様な従来構造と本発明の構造の電流電圧特性の典型例を図７に示す。図７において、（α）はレーザ素子の初期状態の電流電圧特性である。従来構造では数ｍＡから４０ｍＡの注入電流で電圧は６〜７Ｖ程度あり大きい。それに対して本発明では数ｍＡから８０ｍＡ弱の注入電流に対して３．５Ｖ〜４．２Ｖと非常に小さい電圧であった。さらに、（β）は通電後の電流電圧特性である。従来構造の（β）は２５℃において初期状態で５ｍＷの光出力に相当する電流で電流一定にて８時間動作させた後の状態であり、初期状態より１．５Ｖから２Ｖ電圧が増大した。この時、しきい電流も約２割増大し、スロープ効率は約１．５割減少した。即ち、レーザ特性が劣化してしまった。
これに対して本発明の構造において同一条件で通電試験を行ったところ、図７に示すように電流電圧特性は殆ど全く変化せず、しきい電流、スロープ効率も２〜３％未満の測定誤差範囲内の変化率であった。このように従来構造では初期特性の高い動作電圧のみならず、通電によるさらなる動作電圧増大とレーザ特性の劣化があるのに対して、本発明では元々動作電圧が低く、通電による動作電圧やレーザ特性の劣化のない優れたレーザ構造を実現することができた。
【００２５】
これらの大きな違いはリッジ側壁に電極が存在するか否かである。次にリッジ側壁にどの程度電極が接していれば良いか調べた。図６はｐ型クラッド層８から上のレーザ断面構造を示したものであり、同図のようにリッジ形状の下端部からｐ電極１１がリッジ側壁に接している下端部までの高さ、即ち、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２から、リッジ部Ｓ１の側壁に接しているｐ電極１１までの高さをｈとする。ｈより下のリッジ側壁には絶縁膜１０が接している。ｈをいくつか変化させたレーザ構造を作成し、上記と同様の通電試験を行い動作電圧の変化を調べたのが図８である。図８から明らかなように、動作電圧はＡ点からＢ点に亘って急激に変化しており、リッジ形状の下端部からｐ電極１１がリッジ側壁に接している下端部までの高さｈは３５０ｎｍ以下（Ａ点）が好ましいことが分かる。さらに好ましい範囲は３００ｎｍ以下（Ｂ点）である。即ち、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２からリッジ部Ｓ１の上面までの高さをＨとする時、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２から、リッジ部Ｓ１の側壁に接しているｐ電極１１までの高さｈは、０．７Ｈ以下が好ましく、更に好ましい範囲は、０．６Ｈ以下である。
【００２６】
本レーザの鳥瞰図による概略は図４である。詳しい層構造が省略してある。リッジストライプの主たる領域はｐ電極１１とパッド電極１２で覆われている。端面近傍は劈開時のリッジ形状破損を防ぎ、かつ通電による端面劣化を防ぐために電極は除いてある。
【００２７】
ここで、本実施例１の窒化物半導体レーザ素子の製造について図５を用いて説明する。図５は、窒化物半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。
【００２８】
まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮ半導体基板１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法によりｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２，ｎ−ＧａＮ層３，ＩｎＧａＮガイド層４，ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層５，ＩｎＧａＮガイド層６，ｐ−ＡｌＧａＮ電子ストッパ層７，ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層８，ｐ＋−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９を結晶成長する。結晶成長のし易さの観点からＧａＮ半導体基板１はＧａ極性面側に結晶成長することが好ましい。また、ｐ型クラッド層８はＭｇがドーピングされ、その不純物濃度は１〜３×１０１９ｃｍ−３の範囲が好ましく、ｐ型コンタクト層９よりもさらにＭｇの不純物濃度が高いことが好ましい。
【００２９】
次に、ｐ型コンタクト層９上に誘電体膜３０をＣＶＤ装置等により成膜する。誘電体膜３０は例えばＳｉＯ２である。その後、フォトレジストを塗布し、フォトマスクと露光装置によりストライプ形状のフォトレジスト３１を形成し、さらに、ストライプ形状のフォトレジスト３１をマスクとして誘電体膜３０をドライエッチやウェットエッチングを使用して、図５（ｂ）に示すように、エッチングして誘電体膜３０にストライプ形状を転写する。
【００３０】
次に、フォトレジスト３１は取り、塩素系のドライエッチによりｐ型コンタクト層９とｐ型クラッド層８の一部をエッチングして、図５（ｃ）に示すように、ストライプ状のリッジ部Ｓ１がリッジ脇底部の第１の面Ｓ２から連なって突出するリッジ形状を形成する。
【００３１】
次に、図５（ｄ）に示すように、スパッタ装置等の成膜装置により絶縁膜１０と接着層２１を成膜する。この時、リッジ側壁（リッジ部Ｓ１の側壁）には膜質が悪く、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２には良質の膜が付くので、リッジ側壁のみウェットエッチで容易に取り去ることができる。この時、誘電体膜３０も同時にウェットエッチで取れ、その上に付着した絶縁膜１０と接着層２１も取れる。
【００３２】
次に、図５（ｅ）に示すように、リッジ部Ｓ１の上面と、側壁の少なくとも一部領域に接して設けられるｐ電極１１を形成する。このｐ電極１１は、リフトオフ法で形成される。具体的には、リッジ部Ｓ１に対応する位置にこのリッジ部Ｓ１の幅よりも広い幅の開口部を有するレジスト膜をフォトリソグラフィ技術で形成し、その後、前記開口部内を含む前記レジスト膜上に導電膜を成膜し、その後、前記レジスト膜を除去すると共に前記レジスト膜上の導電膜を選択的に除去する（リフトオフする）ことによって形成される。
【００３３】
次に、図５（ｆ）に示すように、ｐ電極１１を覆うパッド電極１２を形成する。このパッド電極１２もｐ電極１１と同様にリフトオフ法で形成される。
【００３４】
本実施例１による半導体レーザ素子は室温にて発振波長４４３ｎｍ，しきい電流３３ｍＡ，スロープ効率１．４３Ｗ／Ａ，しきい電流での動作電圧３．８９Ｖと良好な特性を有し、５０℃，５ｍＷのＡＰＣ（Auto Power Control）試験において１５００時間に渡り動作電流の増加率８％以下の良好な信頼性特性を得た。この時の動作電圧の変動も数％以下の極めて安定した動作を得ることができた。
【００３５】
尚、絶縁膜１０に関しては、同一の絶縁膜高さでもＳｉＮｘ膜の方がＳｉＯ２膜より約０．５Ｖ以上の電圧低減の効果が得られた。この原因は定かでないが、半導体−絶縁膜の界面の状態に起因していると考えられる。この観点からはＳｉＮｘ膜の方が好ましい形態と言える。また、本実施例ではｐクラッド層としてバルクのｐ−ＡｌＧａＮ層を使用したがｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子構造を適用しても効果が得られる。それは超格子構造でも完全に自発分極やピエゾ分極は消失することが出来ない上に、横方向からの電流パスが加わることによるｐクラッド層の抵抗値低減とｐ電極接触面積増大による接触抵抗低減効果があるからである。
【００３６】
尚、超格子構造ではＡｌＧａＮ層、或いはＧａＮ層のどちらにｐドーピングしても本構造としての効果は変わらない。また、リッジ部の幅に関しては１２μｍまで本構造による電圧低減の効果を確認することができた。さらに、本実施例ではｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層８の上部の一部をリッジ形状としたが、ｐ型クラッド層８全部をリッジ形状としても良い。この場合、ｐ型クラッド層８とｐ−ＡｌＧａＮ電子ストッパ層７の間に例えばｐ−ＧａＮ層等のｐ型半導体層を挿入しても良い。
【００３７】
ここで、ｐ電極１１，ｐ型クラッド層８，絶縁膜１０等の形態について図９及び図１０を用いて述べる。図９は、実施例１の第１〜第４の変形例を示す図、図１０は、実施例１の第５〜第７の変形例を示す図である。
ｐ電極１１に関してはリッジ側壁に電気的に接していることが肝要である。よって、図９（ａ）の第１の変形例のように、ｐ電極１１が絶縁膜１０上に無く（ｐ電極１１がリッジ側壁から絶縁膜１０上に亘って形成されて無く）、リッジ上面とリッジ側壁にのみある形態でも良い。
【００３８】
また、図９（ｂ）の第２の変形例のように、絶縁膜１０より前にｐ電極１１をリッジ上部とリッジ側壁に成膜した後に絶縁膜１０を成膜し、ｐ電極１１が一部、絶縁膜１０とｐ型クラッド層８に挟まれる構造でも良い。
【００３９】
さらに、図９（ｃ）の第３の変形例のようにｐ電極１１がリッジ上部のみ、或いはリッジ上部とリッジ側壁の一部のみであり、その下のリッジ側壁にはパッド電極１２が接している形態でも良い。この場合はリッジ側壁とパッド電極（例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ）１２はショットキー接続となるが、ｐ型クラッド層８の自発分極やピエゾ分極をキャンセルする効果は保たれる。また、横方向からの電流パスが加わることによるｐ型クラッド層８の実質的な抵抗値低減の効果も保たれる。
【００４０】
さらに、図９（ｄ）の第４の変形例のように、図１に示す接着層２１を用いない構造も適用できる。この場合、ｐ電極１１として絶縁膜１０と接着性の良いものを選ぶか、そうでない場合でもパッド電極１２に絶縁膜１０と接着性が良いものを選べばｐ電極１１は囲われるので、完成された構造としては安定性を保つことが出来る。
【００４１】
ｐ型クラッド層８の形態としては、上述したバルクのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド層の他に、図１０（ａ）の第５の変形例のように、ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造のｐ型クラッド層２２ｂとｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２２ａの複合構造を有するｐ型クラッド層の形態がある。これは、信頼性の要因がｐ型ドーパント（Ｍｇ等）の拡散である場合に、この図の下のガイド層や活性層にｐ型ドーパントが拡散しないように超格子クラッド層にすることは効果がある。また、複合構造にすることにより煩雑な超格子構造の成長プロセスを簡略化し、より作製しやすい構造であると言える。
【００４２】
図１０（ｂ）の第６の変形例では、リッジ形状を作製し絶縁膜１０を形成後にさらにｐドーパントを高濃度化したＡｌＧａＮ層或いはＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２３を再成長した構造である。その後、ｐ電極１１を成膜するとリッジ上面だけではなくリッジ側壁も良好なオーミック接触が得られ接触抵抗が下げることが出来る。ｐ型クラッド層８の自発分極やピエゾ分極をキャンセルする効果と横方向からの電流パスが加わることによるｐ型クラッド層８の実質的な抵抗値低減の効果は同等以上が得られる。
【００４３】
また、図１０（ｃ）の第７の変形例のように、ｐ型クラッド層８の下端が裾を引くような構造、即ち、リッジ部Ｓ１の側壁とリッジ脇底部の第１の面Ｓ２とが連なる部分の断面形状がなだらかな曲線形状となるような構造にすると、リッジ側壁とリッジ脇底部でのｐ型クラッド層８（半導体）と絶縁膜１０との接触、及びｐ電極１１と絶縁膜１０との接触形体が良くなり、その領域で絶縁膜１０の形成不良によりリッジ脇底部の第１の面Ｓ２にｐ電極１１が接することが避けられる。また、光学的にはリッジ下端で屈折率が急峻に変化せず、また電流もリッジ下端から素直に広がるのでレーザ光の遠視野像に乱れがなく、単峰性のガウス関数形状が得られる。
【００４４】
また、本実施例では純青色レーザの実施例について述べたが、さらに、Ｉｎを増大させた緑色のＩｎＧａＮを活性層とする窒化物半導体レーザ素子、或いは量子井戸にＩｎＮを使用する緑色窒化物半導体レーザ素子においても本発明が適用できることは言うまでもない。
【００４５】
また、本実施例ではｎ−ＧａＮ半導体基板１上に作成した窒化物半導体について述べたが窒化物半導体層が成長できる基板、例えばサファイア基板や、ＺｎＯ基板等上でも同じような構造ができれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４６】
尚、非導電性基板を使用する場合にはリッジ構造を避けて離れた基板上から窒化物半導体をエッチングしてｎ型クラッド層を露出させてｎ電極パッドを取ることは言うまでもない。
【００４７】
尚、本実施例においてリッジ脇底部上の絶縁膜は素子が機能する範囲で覆われていれば良い。即ち、パッドを含めた電極より１回り程度大きい範囲で覆われていれば良く、半導体チップの周辺部の電極のない領域は絶縁膜が無くても良い。
【実施例２】
【００４８】
図１１は、本発明の実施例２である窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す断面図である。
本発明の実施例２を図１１にて説明する。図１１の窒化物半導体レーザ素子の層構成は前述の実施例１と同じである。但し、実施例１のリッジ形状が通常の矩形或いは台形状になっているのに対して、本実施例２では幅の広いリッジ形状に幅の狭いリッジ形状が乗った構造を成している。即ち、本実施例２のリッジ部Ｓ１は、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２から連なって突出する第１の部分Ｓ１ａと、この第１の部分Ｓ１ａから連なって突出し、この第１の部分Ｓ１ａの幅よりも狭い幅の第２の部分Ｓ１ｂとを有する二段構造になっている。幅の広い下側のリッジ形状（第１の部分Ｓ１ａ）の幅は２〜３μｍであり、上のリッジ形状（第２の部分Ｓ１ｂ）の幅は１．２〜１．８μｍである。下側のリッジの高さ（第１の面Ｓ２から第１の部分Ｓ１ａの上面までの高さ）は１８０ｎｍであり、上側のリッジ形状の高さ（第１の部分Ｓ１ａの上面から第２の部分Ｓ１ｂの上面までの高さ）は２４０ｎｍである。
【００４９】
ｐ電極１１は上部のリッジ側壁のみならず、下部のリッジ上面と側壁にも電気的に接触している。即ち、ｐ電極１１は、リッジ部Ｓ１の第２の部分Ｓ１ｂの上面及び側壁と、リッジ部Ｓ１の第１の部分Ｓ１ａの上面と、リッジ部Ｓ１の第１の部分Ｓ１ａの少なくとも一部領域に接して設けられている。これにより、大幅に電圧を低減することができる。さらに、上部のリッジ形状の幅が狭いのでレーザ光の遠視野像に乱れがなく、単峰性のガウス関数形状の遠視野像を得ることができる。本実施例による窒化物半導体レーザ素子は室温にて発振波長４０５ｎｍ，しきい電流４３ｍＡ，スロープ効率１．５１Ｗ／Ａ、しきい電流での動作電圧３．５３Ｖと良好な特性を有し、７０℃，２５ｍＷのＡＰＣ（Auto Power Control)試験において３０００時間に渡り動作電流の増加率４％以下の良好な信頼性特性を得た。この時の動作電圧の変動も数％以下の極めて安定した動作を得ることができた。
【００５０】
尚、前述の実施例１と同様にｐ型クラッド層８は超格子構造でも同様な効果が得られ、また、実施例１で図１１，１２示した各種形態を同様に適用でき同様な効果が得られることは言うまでもない。
【実施例３】
【００５１】
図１２は、本発明の実施例３の窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す断面図であり、図１３は本実施例３の第１の変形例を示す図であり、図１４は、本実施例３の第２の変形例を示す図である。
本発明の実施例３を図１２にて説明する。図１２の窒化物半導体レーザ素子の層構成は前述の実施例１と同じである。但し、実施例１と異なりリッジ形状（リッジ部）が３つあるマルチリッジ構造を成している。この構造は其々のリッジ形状（リッジ部Ｓ１）の間隔が数μｍと狭いと其々のリッジ部Ｓ１からの光が重なり合い相互作用を及ぼすフェーズドアレイ構造になり、それ以上の間隔では単体のレーザがアレイ化した形状となる。どちらにおいても本発明の適用により低電圧化と高信頼化を実現することができる。
【００５２】
図１２の窒化物半導体レーザ素子の層構成は前述の実施例１と同じである。但し、中央部のリッジ形状（リッジ部Ｓ１）の両脇のリッジ脇底部には絶縁膜１０がなくｐ電極１１により覆われていることが特徴である。また、リッジ側壁はすべてのリッジ部Ｓ１においてｐ電極１１が接している。
【００５３】
即ち、リッジ部Ｓ１は、少なくとも２つ以上（本実施例では３つ）設けられ、ｐ電極１１は、各リッジ部Ｓ１の上面と、各リッジ部Ｓ１の側壁の少なくとも一部領域に接して設けられている。更に、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２は、リッジ部Ｓ１で挟まれた第１の領域Ｓ２ａと、リッジ部Ｓ１で挟まれない第２の領域Ｓ２ｂとを含み、第１の面Ｓ２の第１の領域Ｓ２ａにはｐ電極１１が接しており、第１の面Ｓ２の第２の領域Ｓ２ｂは絶縁膜１０で覆われ、第２の領域Ｓ２ｂにはｐ電極１１が接していない構造になっている。
【００５４】
この構造により、単純な幅の広いリッジ形状に比べて自発分極やピエゾ分極による電圧増大を抑制することができ、また、横方向からの電流パスが加わることによるｐクラッド層の実質的な抵抗値低減の効果が大きい。さらに接触抵抗も小さくすることができる。
【００５５】
本実施例による窒化物半導体レーザ素子は室温にて発振波長４０５ｎｍ，しきい電流９７ｍＡ，スロープ効率１．９２Ｗ／Ａ、しきい電流での動作電圧３．４３Ｖと良好な特性を有し、５０℃，３５０ｍＷのＡＰＣ（Auto Power Control）試験において５０００時間に渡り動作電流の増加率４％以下の良好な信頼性特性を得た。この時の動作電圧の変動も数％以下の極めて安定した動作を得ることができた。
【００５６】
一方、形態として図１３の第１の変形例も有効である。図１３では真ん中のリッジ形状（リッジ部Ｓ１）の脇底部の第１の面Ｓ２は絶縁膜１０で覆われているので、図１のレーザ構造を３つ近接して並べた構造を有している。
即ち、本実施例３の変形例では、リッジ部Ｓ１は、少なくとも２つ以上（本変形例でも３つ）設けられ、ｐ電極１１は、各リッジ部Ｓ１の上面と、各リッジ部Ｓ１の側壁の少なくとも一部領域に接して設けられている。更に、リッジ脇底部の第１の面Ｓ２は、リッジ部Ｓ１で挟まれた第１の領域Ｓ２ａと、リッジ部Ｓ１で挟まれない第２の領域Ｓ２ｂとを含み、第１の面Ｓ２の第１及び第２の領域（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ）は絶縁膜１０で覆われ、第１の面Ｓ２の第１及び第２の領域（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ）には、ｐ電極１１が接していない構造になっている。
【００５７】
こちらのほうが図１と同一のプロセス工程で作製可能というプロセス的な利点を有している。
また、前述の実施例２の構成と組み合わせると図１４の第２の変形例による形態も有効である。この場合、さらに実質的な抵抗を下げることが可能となる。
尚、実施例１と同様にｐ型クラッド層８は超格子構造でも同様な効果が得られ、また、実施例１の変形例として図９，１０に示した各種形態を同様に適用でき同様な効果が得られることは言うまでもない。
【実施例４】
【００５８】
図１５は、本発明の実施例４である窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す図であり、ｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層からなるｐ型超格子クラッド層４０を適用したものである。ｐ型超格子クラッド層４０はそれぞれ膜厚２．５ｎｍ程度のＡｌＧａＮ，ＧａＮ層を交互に１００対程度成長したものであり、超格子層全体の膜厚は５００ｎｍ程度となる。Ｍｇの不純物ドーピングはＡｌＧａＮ層、或いはＧａＮ層のどちらかに導入するが、その不純物濃度はバルクよりも高く３〜８×１０１９ｃｍ−３の範囲が好ましい。図１５に示すように、ｐ型超格子クラッド層４０は電極１１とリッジ側壁で接している。このときドーピングされている超格子の層の不純物濃度はバルクよりも高いのでオーミック接合が得られ易く、上面のｐ型コンタクト層９の領域と合わせたオーミック接合の接触面積はバルクで形成したｐ型クラッド層のときよりも大きくなり、抵抗の低減が可能となる。
【００５９】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施例１である窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図２】従来の窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図３】従来の窒化物半導体レーザ素子の電流電圧特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例１である窒化物半導体レーザ素子の外観構成を示す鳥瞰図である。
【図５】本発明の実施例１である窒化物半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。
【図６】本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層から上の断面構造を示す図である。
【図７】本発明の窒化物半導体レーザ素子の電流電圧特性を示す図である。
【図８】本発明の窒化物半導体レーザ素子において、電極下端までの高さと動作電圧との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例１の第１〜第４の変形例を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１の第５〜第７の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２である窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３である窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図１３】本発明の実施例３の第１の変形例を示す図である。
【図１４】本発明の実施例３の第２の変形例を示す図である。
【図１５】本発明の実施例４である窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  ｎ−ＧａＮ半導体基板
２  ｎ型クラッド層（n-ＡｌＧａＮ）
３  ｎ−ＧａＮ層
４  ＩｎＧａＮガイド層
５  活性層（ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ）
６  ＩｎＧａＮガイド層
７  ｐ−ＡｌＧａＮ電子ストッパ層
８  ｐ型クラッド層
９  ｐ型コンタクト層（ｐ＋−（Ａｌ）ＧａＮ）
１０  絶縁膜
１１  ｐ電極（陽極側電極）
１２  パッド電極
１３  ｎ電極（陰極側電極）
２１  接着層
２２ａ  ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＮ）
２２ｂ  ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造）
２３  ｐ型コンタクト層
３０  誘電体マスク
３１  フォトレジスト
４０  ｐ型超格子クラッド層
５１  ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造）
５２  ｎ−ＧａＮ層
５３  活性層（ＩｎＧａＮのＭＱＷ）
５４  ｐ−ＡｌＧａＮ電子ストッパ層
５５  ｐ−ＧａＮ層
５６  ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造）
５７  ｐ−ＧａＮ層
５８  ｐ電極（陽極側電極）
５９  酸化シリコン（ＳｉＯ２）層
【図１】
2010034246.tif 000003
【図２】
2010034246.tif 000004
【図３】
2010034246.tif 000005
【図４】
2010034246.tif 000006
【図５】
2010034246.tif 000007
【図６】
2010034246.tif 000008
【図７】
2010034246.tif 000009
【図８】
2010034246.tif 000010
【図９】
2010034246.tif 000011
【図１０】
2010034246.tif 000012
【図１１】
2010034246.tif 000013
【図１２】
2010034246.tif 000014
【図１３】
2010034246.tif 000015
【図１４】
2010034246.tif 000016
【図１５】
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