(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る複数の層を形成し、共振器部分を残してその周辺部分をエッチングにより除去することで、共振器を平頂な島、メサまたはリッジ型に形成したフリップチップ構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおいて、
前記共振器平頂部以外の前記共振器平頂部と同じ高さの前記エッチングの対象とされずに残った窒化ガリウム系化合物半導体最上層の上面と、
前記上面の第１部分領域から、前記エッチングにより露出した半導体表面の第１部分領域を経て、前記共振器平頂部の少なくとも１部分を露出させて前記共振器平頂部まで形成された絶縁性保護膜と、
前記共振器平頂部の露出部に接合し、前記絶縁性保護膜上に渡って形成されたｐ電極と、
前記上面の第２部分領域から、前記エッチングにより露出した半導体表面の第２部分領域に渡って形成されたｎ電極と
を有し、
前記共振器は、島型の面発光型であり、
前記ｐ電極の前記共振器平頂部露出部上の部分は、透光性の薄膜金属により形成されており、
前記ヒートシンクは、前記共振器に相対する部分において、レーザ光を通すロの字型の穴を有し、
前記共振器上部を除いた前記ｐ電極の上方平頂部と、前記ｎ電極の上方平頂部とが、ヒートシンクに設けられた電極パターンに接触していることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
【請求項２】
前記ｐ電極は、前記共振器を包む構造である請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
【請求項３】
前記ｎ電極の膜厚が前記ｐ電極の膜厚と前記絶縁性保護膜の膜厚との和に略一致していることにより、前記ｎ電極の高さは、前記ｐ電極の高さと略一致していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
ｐ電極およびｎ電極の構造を高度に鑑みた、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたレーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの従来技術としては、例えば、公開特許公報「特開平９−１９９７８７：窒化物半導体レーザ素子」に記載されたものがある。これらの従来技術における窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの模式的断面図を図６に示す。
６０１はサファイア基板、６０２はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、６０３は活性層、６０４はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層、６０５はｐ電極、６０６はｎ電極である。また、６０８は予め電極パターン６０７が形成された絶縁基板であり、半田６０９により上記のｐ電極６０５およびｎ電極６０６と接続固定されている。本図断面におけｐ電極６０５のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層６０４との接触部分の幅は、電流狭窄を起こさせるために通常１〜３μｍと非常に狭くなっている。また、ｐ電極６０５とｎ電極６０６との間には、空間的に大きな段差がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、図６に示すように、上記の６０１〜６０６より成る発光素子を上記の６０７、６０８より成るヒートシンクに接続固定する際、上記の段差を半田６０９で全て解消しなければならないため、レーザダイオードが傾きやすく、リードフレームやヒートシンク上にある決まった一定の角度に接続固定することが難しいという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するために成されたものであり、その目的は、
リードフレームやヒートシンクに確実かつ正確に接続固定することが容易なレーザダイオードを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための第１の手段は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る複数の層を形成し、共振器部分を残してその周辺部分をエッチングにより除去することで、共振器を平頂な島、メサまたはリッジ型に形成したフリップチップ構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおいて、共振器平頂部以外の共振器平頂部と同じ高さの上記のエッチングの対象とされずに残った窒化ガリウム系化合物半導体最上層の上面と、この上面の第１部分領域から、エッチングにより露出した半導体表面の第１部分領域を経て、共振器平頂部の少なくとも１部分を露出させて共振器平頂部まで形成された絶縁性保護膜と、共振器平頂部の露出部に接合し、絶縁性保護膜上に渡って形成されたｐ電極と、上記上面の第２部分領域から、エッチングにより露出した半導体表面の第２部分領域に渡って形成されたｎ電極とを設け、共振器は、島型の面発光型であり、ｐ電極の共振器平頂部露出部上の部分は、透光性の薄膜金属により形成されており、ヒートシンクは、共振器に相対する部分において、レーザ光を通すロの字型の穴を有し、共振器上部を除いたｐ電極の上方平頂部と、ｎ電極の上方平頂部とが、ヒートシンクに設けられた電極パターンに接触していることである。
また、第２の手段は、ｐ電極は、共振器を包む構造であることである。
また、第３の手段は、上記の手段において、ｎ電極の膜厚をｐ電極の膜厚と絶縁性保護膜の膜厚との和に略一致させることにより、ｎ電極の高さをｐ電極の高さと略一致させることである。
【０００６】
【作用及び発明の効果】
図１に、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００の模式的断面図を示す。
１０１はサファイア基板、１０２はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、１０３は活性層、１０４はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層、１０５はｐ電極、１０６はｎ電極である。また、１０８は予め電極パターン１０７が形成されたヒートシンクであり、半田または導電性接着剤１０９により上記のｐ電極１０５およびｎ電極１０６と接続固定されている。本図断面におけｐ電極１０５のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１０４との接触部分の幅は、電流狭窄を起こさせるために通常１〜３μｍと非常に狭くなっている。
本図からも判るように、本発明によれば、ｐ電極１０５を予め電極パターン１０７が形成されたヒートシンク１０８に半田または導電性接着剤１０９により接続固定する際のｐ電極１０５の半田または導電性接着剤１０９との接触面積を従来よりも大幅に広く取ることができる。このため、ｐ電極１０５をヒートシンク１０８に確実に接続固定することができる。また、ｐ電極１０５の高さとｎ電極１０６の高さを容易に同じにでき、これにより、１０１〜１０６及び１１０より成る発光素子を１０７、１０８より成る基板に接続固定する際に、発光素子が傾かないので、正確に接続固定することができる。  また、本発明によれば、ｐ電極１０５の表面積は従来のｐ電極６０５の表面積よりも大幅に広く、また、ｐ電極１０５は共振器を包む構造となっているので、電流狭窄による活性層からの発熱を外部に放熱し易いという効果もある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
図２に、図１のレーザダイオード１００に用いた本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの製造工程の流れ図を示す。本レーザダイオードは、以下のように（Ａ）〜（Ｃ）の順序に従って製造された。
（Ａ）まず、サファイア基板１０１、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１０２、活性層１０３、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１０４等より成る窒化ガリウム系化合物半導体結晶の最上層の上面にフォトレジストを一様に塗布し、フォトリソグラフィにより所定領域のフォトレジストを除去することにより、（ａ）に示したようにエッチングマスク２０１を形成した。その後、（ａ）の点線で示した部分を反応性イオンビームエッチングによりドライエッチングし、更にエッチングマスク２０１を除去した。
（Ｂ）次に、エレクトロンビーム蒸着により、上方露出部に一様にＳｉＯ2 より成る膜厚約2000nmの絶縁性保護膜１１０を形成し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程を経て（ｂ）に示すように、共振器平頂部のｐ電極１０５接合部分とｎ電極１０６形成部分をウェットエッチングにより露出させた後、エッチングマスクを除去した。
【０００８】
（Ｃ）その後、以下の(1) 〜(7) の順序に従って、ｐ電極１０５及びｎ電極１０６が、図２（ｃ）に示すように形成された。
(1）フォトレジストを上方露出部に一様に塗布し、フォトリソグラフィによりｐ電極１０５の形成部分だけを露出させ、蒸着装置にて、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、フォトレジスト上及び露出させた上記のｐ電極１０５の形成部分の上に、膜厚約15ÅのCoを成膜し、このCoより形成された薄膜金属層の上に膜厚約60ÅのAuより成る薄膜金属層を成膜した。
(2) 次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したCo、Auを除去し、Co、Auの２層より成る膜厚約75Åの薄膜金属層を形成した。
(3) その後、ｐ電極の低抵抗化と共振器平頂部との接触面におけるオーミック性の向上のため、上記薄膜金属層の熱処理を行った。即ち、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、O2ガスを供給して圧力１０Ｐａとし、その状態で雰囲気温度を約
570℃にして、約4 分程度加熱した。
(4) 上記の工程により形成されたCo、Auの２層より成る膜厚約75Åの薄膜金属層上に、更に、３層の金属層より成る厚膜金属層を形成するために、フォトレジストを一様に塗布して、厚膜金属層の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。その後、膜厚約５００Åのニッケル(Ni)層と、膜厚約６００Åのチタン(Ti)層と、膜厚約５０００Åのニッケル(Ni)層とを上記薄膜金属層の上に順次蒸着により成膜させ、(2) の工程と同様にリフトオフ法により、Ni、Ti、Niの３層より成る膜厚約6100Åの厚膜金属層を形成した。
以上のようにして、ＳｉＯ2 より成る膜厚約2000nmの絶縁性保護膜１１０の上にCo、Au、Ni、Ti、Niの５層より成る膜厚約6000Åのｐ電極１０５を図２（ｃ）に示したように形成した。
【０００９】
(5) その後、フォトレジストを上方露出部に一様に塗布し、（Ａ）のドライエッチングによる露出面及び窒化ガリウム系化合物半導体結晶の最上層の上面のｎ電極を形成する所定領域にフォトリソグラフィにより窓を形成して、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約１７５Åのバナジウム(V) 層と、膜厚約１０００Åのアルミニウム(Al)層と、膜厚約５００Åのバナジウム(V) 層と、膜厚約５０００Åのニッケル(Ni)層とを順次蒸着した。
(6) 更に、膜厚約５００Åのバナジウム(V) 層と、膜厚約６０００Åのニッケル(Ni)層とを１周期として、これを３周期順次蒸着した。
(7) 最後に、(2) の工程と同様にリフトオフ法により、Ｖ、Al、( Ｖ、Ni) ×４の１０層より成る膜厚約26000 Åのｎ電極１０６を図２（ｃ）に示したように形成した。
【００１０】
本発明の第１の実施例を以下図３を用いて説明する。
図３に、本発明によるメサストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード３００の斜視図を示す。本レーザダイオード３００は、上記の（Ａ）〜（Ｃ）に示した手順により製造されたものであり、図３の一点鎖線で示した断面において、図２（ｃ）の断面図に示した構造を持つ。ただし、従来通りの端面発光の光閉じ込め機構により、本レーザダイオード３００は、図１に示すように接続、構成することで端面発光する。
【００１１】
本発明の第２の実施例を以下図４を用いて説明する。
図４に、本発明による島型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード４００の斜視図を示す。本レーザダイオード４００は、前記の（Ａ）〜（Ｃ）に示した手順により製造されたものであり、図４の一点鎖線で示した断面において、図２（ｃ）の断面図に示した構造を持つ。ただし、従来通りの面発光の光閉じ込め機構により、本レーザダイオード４００は、図１に示すように接続、構成することでサファイア基板１０１側より面発光する。
【００１２】
本発明の第３の実施例を以下図５を用いて説明する。
図５に、ｐ電極に透光性の薄膜金属を用いた本発明による島型の窒化ガリウム系化合物半導体素子５００の平面図（ａ）およびその断面図（ｂ）を示す。
ｐ電極５０５は、図５からも分かるようにＳｉＯ2 より成る膜厚約2000Åの絶縁性保護膜１１０上及びウェットエッチングにより露出された共振器平頂部のｐ電極５０５接合部分に渡って形成されている。このｐ電極５０５は、上記の領域に膜厚約40ÅのCoを成膜後、このCoより形成された薄膜金属層の上に膜厚約60ÅのAuより成る薄膜金属層を成膜し、更に、前記（Ｃ）-(3)と同様の熱処理を施すことにより形成された。この構成により、膜厚約１００Åのｐ電極５０５は、透光性を有する。
ｎ電極５０６は、図５からも分かるようにドライエッチングによる露出面及び窒化ガリウム系化合物半導体結晶の最上層の上面に渡って形成されている。このｎ電極５０６は、上記の領域に、膜厚約２００Åのバナジウム(V) 層と、膜厚約１０００Åのアルミニウム(Al)層と、膜厚約５００Åのバナジウム(V) 層と、膜厚約５０００Åのニッケル(Ni)層とを順次蒸着し、更に、膜厚約５００Åのバナジウム(V) 層と膜厚約６０００Åのニッケル(Ni)層とを１周期として、これを２周期順次蒸着すことにより形成された。
【００１３】
レーザ光を反射する金属層５２０は、膜厚約1000Åの銀(Ag)を蒸着した金属層である。また、ヒートシンク５０８は、共振器の上部（図５（ｂ）では下部）に、レーザ光を通すロの字型の穴をもつ。
以上の構成及び従来通りの面発光の光閉じ込め機構により、図５（ｂ）の本窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード５００は、透光性を有するｐ電極５０５の側より面発光する。
本窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード５００は、共振器平頂部上面を除く半導体結晶最上層上面の上方に形成されているｎ電極５０６及びｐ電極５０５を上記のレーザ光を通すロの字型の穴をもつヒートシンク５０８により、ロの字型の穴の回りほぼ１周に渡る広面積において半田または銀ペースト等の導電性接着剤１０９で接合固定されるため、安定性に優れており、傾きにくく、確実に接合固定できる構造となっている。
【００１４】
また、上記の第１、第２及び第３の実施例では、絶縁性保護膜１１０は、ｎ電極１０６、５０６上には形成されていないが、絶縁性保護膜１１０は、ｎ電極１０６、５０６形成後にｎ電極１０６、５０６上に渡って形成してもよい。この場合には、絶縁性保護膜１１０のｎ電極１０６、５０６上部平頂部に及んでいる部分の少なくとも一部分に対して、図２（ｂ）で示したウエットエッチングと同様のエッチングを施し、ｎ電極１０６、５０６の上部平頂部を再度露出させる。この時、共振器平頂部の絶縁性保護膜１１０を全面ウエットエッチングするならば、ｎ電極１０６、５０６上部平頂部の絶縁性保護膜１１０も全面ウエットエッチングし、共振器平頂部の絶縁性保護膜１１０を一部だけウエットエッチングするならば、ｎ電極１０６、５０６上部平頂部の絶縁性保護膜１１０も一部だけウエットエッチングする。この構成によれば、ｐ電極１０５、５０５とｎ電極１０６、５０６との間の絶縁性を確実かつ容易に確保でき、かつ、絶縁性保護膜１１０の膜厚が一様であれば、ｐ電極１０５、５０５の膜厚をｎ電極１０６、５０６の膜厚と同じにすることにより、レーザダイオードが傾かない。
【００１５】
また、上記実施例では、膜厚約1000Åの銀(Ag)から成るレーザ光を反射する金属層５２０を蒸着により設けたが、金属層５２０を構成する金属はいずれの種類でもよく、光を反射できる程度の膜厚を有していればよい。又、蒸着以外の方法を用いて金属層５２０を形成してもよい。
【００１６】
なお、活性層１０３の構造は、ＳＱＷ構造でもＭＱＷ構造でもよい。また、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１０２およびｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１０４は、それぞれ複数の層で構成してもよい。即ち、それらの各層は、クラッド層、コンタクト層の２層で構成してもよい。活性層及びその他の層は、任意の混晶比の４元、３元、２元系のAlx Gay In1-x-y N （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）として良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００の模式的断面図。
【図２】本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの製造工程の流れ図。
【図３】本発明によるメサストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード３００の斜視図。
【図４】本発明による島型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード４００の斜視図。
【図５】ｐ電極に透光性の薄膜金属を用いた本発明による島型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード５００の平面図（ａ）およびそのレーザダイオードの断面図（ｂ）。
【図６】従来技術による窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード６００の模式的断面図。
【符号の説明】
１００、３００、４００、
５００、６００…窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード
１０１、６０１…サファイア基板
１０２、６０２…ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
１０３、６０３…活性層
１０４、６０４…ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層
１０５、６０５…ｐ電極
１０６、６０６…ｎ電極
１０７、６０７…電極パターン
１０８、６０８…ヒートシンク
１０９、６０９…半田または導電性接着剤
１１０…絶縁性保護膜
２０１…フォトレジストより成るエッチングマスク
５０５…透光性の薄膜金属より成るｐ電極
５０８…レーザ光を通す穴をもつヒートシンク
５２０…レーザ光を反射する金属層
【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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