(57)【要約】基板（１０１）上に、少なくともｎ型窒化物半導体層（１０２）、活性層（１０５）、及びｐ型窒化物半導体層（１０８）を有する半導体積層体を形成する第１ステップと、前記半導体積層体を選択的にエッチングすることにより、ｎ型窒化物半導体層（１０２）及びｐ型窒化物半導体層（１０８）の表面を、それぞれ異なる高さ位置において露出させる第２ステップと、ｎ型窒化物半導体層（１０２）及びｐ型窒化物半導体層（１０８）の露出面を含む前記半導体積層体の表面を、ｎ型窒化物半導体層（１０２）の露出面とｐ型窒化物半導体層（１０８）の露出面との間に生じる段差よりも大きな膜厚を有する絶縁膜（１０９）により被覆する第３ステップと、絶縁膜（１０９）の表面を平坦化する第４ステップと、絶縁膜（１０９）を貫通してｎ型窒化物半導体層（１０２）及びｐ型窒化物半導体層（１０８）に電気的に接続されるｎ型電極（１１１）及びｐ型電極（１１０）をそれぞれ形成する第５ステップとを備える窒化物半導体レーザ素子の製造方法である。この製造方法により、信頼性が高く、且つ良好な放熱特性を有する窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
2003063312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する半導体積層体を形成する第１ステップと、
前記半導体積層体を選択的にエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層の表面を、それぞれ異なる高さ位置において露出させる第２ステップと、
前記ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層の露出面を含む前記半導体積層体の表面を、前記ｎ型窒化物半導体層の露出面と前記ｐ型窒化物半導体層の最表面との間に生じる段差よりも大きな膜厚を有する絶縁膜により被覆する第３ステップと、
前記絶縁膜の表面を平坦化する第４ステップと、
前記絶縁膜を貫通してｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されるｎ型電極及びｐ型電極をそれぞれ形成する第５ステップと
を備える窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記第５ステップの後、第１配線及び第２配線を有するサブマウントに対して、加熱溶融させた半田体を介して前記絶縁膜の表面を圧接することにより、前記ｎ型電極及びｐ型電極をそれぞれ前記第１配線及び第２配線に電気的に接続する第６ステップを更に備える請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁膜は、金属または半導体の微粒子を含有する請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
基板上に形成され、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層を有する半導体積層体と、
前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層にそれぞれ電気的に接続されているｎ型電極およびｐ型電極と
を備えている窒化物半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層体を覆う絶縁膜を有し、
前記ｎ型電極および前記ｐ型電極は前記絶縁膜を貫通して前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層にそれぞれ電気的に接続されており、
前記絶縁膜の厚みは、ｎ型電極と前記ｎ型窒化物半導体層とが接触する面と、
前記ｐ型窒化物半導体層の最表面との間の段差よりも厚く、
前記絶縁膜の表面が平坦になっている
ことを特徴とする、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ型電極及びｐ型電極に半田体を介して電気的に接続された第１配線及び第２配線を有するサブマウントを更に備える請求項４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
本発明は、半導体レーザなどの窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
背景技術
窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから短波長発光素子の材料として有望視されており、光情報処理分野などへの応用が期待されている。なかでも、窒化ガリウム系化合物半導体（例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどのＧａＮ系半導体）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や緑色ＬＥＤが実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化のために、４００ｎｍ帯に発振波長を有する半導体レーザが必要とされており、ＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザが注目され、現在では実用レベルに達しつつある。
従来のＧａＮ系半導体レーザ素子として、特開２００１−１６８４４２号公報（米国特許第６４７９３２５号明細書）に開示されたものが知られている。この半導体レーザ素子は、図３に示すように、チップ２１０の発光部である活性層を含むｐｎ接合部側を、放熱性の高いヒートシンク２３０に接続されたサブマウント２２０に実装するジャンクションダウンにより形成されている。
チップ２１０は、サファイアからなる基板２１１の表面に、ｎ型コンタクト層２１２、ｎ型クラッド層２１３、活性層２１４、ｐ型クラッド層２１５、ｐ型コンタクト層２１６およびｐ型電極２１７がこの順に積層されて構成されており、エッチングにより部分的に除去されて露出したｎ型コンタクト層２１２の表面に、ｎ型電極２１８が形成されている。図３から明らかなように、ｐ型電極２１７及びｎ型電極２１８の基板２１１表面からの高さは相違しており、ｐ型電極２１７がｎ型電極２１８よりも例えば約３．５μｍ突出している。
また、サブマウント２２０は、支持板２２１の表面に、リード電極層２２２ａ，２２２ｂ及び半田膜２２３ａ，２２３ｂが積層されて構成されており、半田膜２２３ａ，２２３ｂを加熱溶融させた状態でチップ２１０とサブマウント２２０とを圧着することにより、チップ２１０のｐ型電極２１７及びｎ型電極２１８がそれぞれリード電極層２２２ａ，２２２ｂに接合される。支持板２２１の裏面側は、半田膜２２２ｃを介してヒートシンク２３０に接続されている。
サブマウント２２０の表面側の半田膜２２３ａ，２２３ｂは、それぞれチップ２１０におけるｐ型電極２１７及びｎ型電極２１８の突出高さに対応した厚みを有している。例えば、図３における左側の半田膜２２３ａの厚さを約３．５μｍとして、右側の半田膜２２３ｂの厚さを約７μｍとすることで、半田膜２２３ａ，２２３ｂ間に約３．５μｍの段差を形成し、この段差によって、チップ２１０におけるｐ型電極２１７及びｎ型電極２１８の突出高さの相違を吸収している。
ところが、このような半導体レーザ素子の構成によれば、半田膜２２３ａ，２２３ｂ間に段差を有しているために、特にｐ型電極２１７と半田膜２２３ａとの間で密着不良が生じ易くなり、信頼性が低下するだけでなく、チップ２１０において発生した熱が半田膜２２３ａ，２２３ｂを介して効率よく放散されないという問題があった。
一方、ｐ型電極２１７及びｎ型電極２１８に対応する各半田膜２２３ａ，２２３ｂの膜厚を同じにした場合には、ｐ型電極２１７及びｎ型電極２１８の突出高さの相違によって、図４（ａ）に示すように、ｐ型電極２１７に対応する半田膜２２３ａが薄く伸ばされてリード電極層２２２ａ，２２２ｂ間が短絡したり、図４（ｂ）に示すように、チップ２１０がサブマウント２２０に対して傾斜した状態で装着されて、導通不良を生じるおそれがあるなどの問題があった。
発明の開示
本発明は、これらの問題を解決すべくなされたものであって、信頼性が高く、且つ良好な放熱特性を有する窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する半導体積層体を形成する第１ステップと、前記半導体積層体を選択的にエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層の表面を、それぞれ異なる高さ位置において露出させる第２ステップと、前記ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層の露出面を含む前記半導体積層体の表面を、前記ｎ型窒化物半導体層の露出面と前記ｐ型窒化物半導体層の露出面との間に生じる段差よりも大きな膜厚を有する絶縁膜により被覆する第３ステップと、前記絶縁膜の表面を平坦化する第４ステップと、前記絶縁膜を貫通してｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されるｎ型電極及びｐ型電極をそれぞれ形成する第５ステップとを備える窒化物半導体レーザ素子の製造方法により達成される。
また、本発明の前記目的は、基板上に形成され、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層を有する半導体積層体と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層にそれぞれ電気的に接続されているｎ型電極およびｐ型電極とを備えている窒化物半導体レーザ素子であって、前記半導体積層体を覆う絶縁膜を有し、前記ｎ型電極および前記ｐ型電極は前記絶縁膜を貫通して前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層にそれぞれ電気的に接続されており、前記絶縁膜の厚みは、ｎ型電極と前記ｎ型窒化物半導体層とが接触する面と、前記ｐ型窒化物半導体層の最表面との間の段差よりも厚く、前記絶縁膜の表面が平坦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により達成される。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。本実施形態においては、窒化物半導体レーザ素子がＧａＮ系半導体レーザである場合を例として説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、サファイア基板１０１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などにより、ＧａＮからなるバッファ層（図示せず）、ｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１０２、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、ｎ−ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０４、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮ／Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜ｘ＜１）からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０５、ｐ−ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０６、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０７、およびｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０８をこの順で積層することにより、ｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層との間に活性層が挟持された半導体積層体を構成する。
次に、フォトリソグラフィによって、ｐ型コンタクト層１０８上にストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、このレジストパターンをマスクとして、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層１０８およびｐ型クラッド層１０７の一部を選択的にエッチングし、図１（ｂ）に示すように、半導体積層体の表面に幅２μｍ程度、高さ１μｍ程度のリッジストライプＲを形成する。
さらに、フォトリソグラフィによって、数十μｍから数百μｍの幅を有するストライプ状のレジストパターン（図示せず）を、リッジストライプＲがこのレジストパターンに被覆されるような位置関係で、半導体積層体の表面に形成する。そして、このレジストパターンをマスクとして、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、ｐ型クラッド層１０７、ｐ型光ガイド層１０６、多重量子井戸活性層１０５、ｎ型光ガイド層１０４、ｎ型クラッド層１０３およびｎ型コンタクト層１０２の一部を選択的にエッチングし、図１（ｂ）に示すように、ｎ型コンタクト層１０２の表面を露出させる。このエッチング膜厚は、例えば１μｍ程度である。その後、レジストパターンを除去する。
こうして、図１（ｂ）に示すように、半導体積層体の表面に段差が形成され、ｎ型コンタクト層１０２の表面１０２ａおよびｐ型コンタクト層１０８の最表面１０８ａが、それぞれ異なる高さ位置に露出する。半導体積層体の表面に生じる段差ｓ、すなわち、ｎ型コンタクト層１０２の露出面１０２ａとｐ型コンタクト層１０８の最表面１０８ａとの段差は、例えば２μｍ程度である。
そして、図１（ｃ）に示すように、例えばＳｉＨ４およびＮ２Ｏを原料とするプラズマＣＶＤ法により、半導体積層体の表面にシリコン酸化膜を堆積し、絶縁膜１０９を形成する。堆積させる絶縁膜１０９の膜厚は、上述した半導体積層体の最大の段差ｓ（本実施形態では２μｍ）より大きく、本実施形態においては４μｍ程度としている。この最大の段差ｓは、ｎ型コンタクト層１０２の露出面１０２ａとｐ型コンタクト層１０８の最表面１０８ａとの間の高さでもある。また、最表面１０８ａは、図１（ｂ）に示されるように、ｐ型コンタクト層１０８、ｐ型クラッド層１０７、およびｐ型光ガイド層１０６により構成されるｐ型化合物半導体層において最も高い位置に存在する部分でもある。
ついで、図１（ｄ）に示すように、例えば化学機械研磨法（ＣＭＰ法）やレジストエッチバック法などにより、絶縁膜１０９の表面を研磨あるいはエッチングして、半導体積層体の表面を平坦化する。
次に、絶縁膜１０９の一部を選択的にエッチングして、リッジストライプＲのｐ型コンタクト層１０８およびｎ型コンタクト層１０２の表面を露出させるコンタクトホールを形成する。そして、図１（ｅ）に示すように、ｐ型コンタクト層１０８に至るコンタクトホールに、例えばＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極１１０を埋め込み、ｎ型コンタクト層１０２に至るコンタクトホールに、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極１１１を埋め込む。この後、基板１０１をへき開してチップ１０に分離する。こうして、本実施形態の半導体チップが完成する。
一方、サブマウントは、図２に示すように、例えばＳｉＣのように熱伝導率が高い絶縁性材料からなる基板１１３上に、金属配線１１４ａ，１１４ｂおよび半田体１１５ａ，１１５ｂを積層して形成される。サブマウント２０へのチップ１０の実装は、加熱溶融させた半田体１１５ａ，１１５ｂに、チップ１０表面のｐ型電極１１０およびｎ型電極１１１を押し付けることにより行われ、ｐ型電極１１０およびｎ型電極１１１が半田体１１５ａ，１１５ｂを介してそれぞれ金属配線１１４ａ，１１４ｂに接続される。各半田体１１５ａ，１１５ｂの厚みは、略同じとしている。
本実施形態においては、ｐ型電極１１０およびｎ型電極１１１の突出高さが略等しく、絶縁膜１０９の平坦面と同一平面上にｐ型電極１１０およびｎ型電極１１１の露出面が形成されるようにしているので、半田体１１５ａ，１１５ｂに対してｐ型電極１１０およびｎ型電極１１１を押し付ける際に、押圧力を均等に作用させることができる。この結果、半田体１１５ａ，１１５ｂにおける密着不良が生じにくく、製品としての信頼性及び歩留まりを良好に維持することができる。また、チップ１０とサブマウント２０との間における密着性を高めることができるので、チップ１０において発生した熱をサブマウント２０側へ効率よく放散することができる。
このように構成されたＧａＮ系半導体レーザは、ｐ型電極１１０とｎ型電極１１１との間に電圧を印加することにより、ｐ型電極１１０からのホールおよびｎ型電極１１１からの電子が多重量子井戸活性層１０５に注入され、多重量子井戸活性層１０５において光学利得を生じることにより、発振波長が４００ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様が上記実施形態に限定されるものではない、例えば、絶縁膜１０９の形成は、プラズマＣＶＤ法の代わりに、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、スピンコート法、スパッタ法などの他の公知の成膜手段を用いることができる。
また、絶縁膜１０９の材料として、シリコン酸化膜以外に、シリコン窒化膜や窒化アルミニウムなど、絶縁性の高い他の材料を用いてもよい。特に、絶縁膜１０９として、熱伝導率の高い金属微粒子や半導体微粒子を含有する絶縁膜を用いることが好ましく、これによって放熱特性を向上させることができ、チップ１０において発生した熱を更に効率良く放散することができる。
なお、第１図においては、ｎ型コンタクト層を１０２、ｎ型クラッド層を１０３、ｎ型光ガイド層を１０４としているが、１０４をｎ型窒化物半導体層（これは、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層からなる）とし、１０３を第２ｎ型電極とし、１０２を金属などからなる導電性部材とすることにより、参照符号１０３〜１０８により構成される半導体レーザ素子を、導電性部材１０２が設けられた基板１０１上に接着、ハンダ付けなどにより取り付け、その後、第１図（ｃ）〜（ｅ）、第２図に示される工程を行っても良い。この場合もまた、上記とほぼ同様の技術的効果を得ることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば、信頼性が高く、且つ良好な放熱特性を有する窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
第２図は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
第３図は、従来の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
第４図は、従来の他の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図１】
2003063312.tif 000003
【図２】
2003063312.tif 000004
【図３】
2003063312.tif 000005
【図４】
2003063312.tif 000006
【国際調査報告】
2003063312.tif 000007
2003063312.tif 000008
2003063312.tif 000009
2003063312.tif 000010