(57)【要約】【課題】窒化物半導体層との接触抵抗のみならずパッド電極との接触抵抗も低く、且つ密着性や機械的強度に極めて優れている窒化物半導体素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の窒化物半導体素子は、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層が順に積層された積層半導体層と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された電極と、を備える窒化物半導体素子であって、前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から第１金属層、第２金属層、第３金属層を順に積層しており、前記第１金属層と第３金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、第１金属層は第３金属層よりも密度が高いものであり、前記第２金属層は、前記第１金属層及び第３金属層とは異なる材料を含有している。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層が順に積層された積層半導体層と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された電極と、を備える窒化物半導体素子において、
前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から第１金属層、第２金属層、第３金属層を順に積層しており、
前記第１金属層と第３金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、第１金属層は第３金属層よりも密度が高いものであり、
前記第２金属層は、前記第１金属層及び第３金属層とは異なる材料を含有していることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第１金属層は、前記第３金属層よりも膜厚が厚い請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１金属層の密度は、１０ｇ／ｃｍ３以上３０ｇ／ｃｍ３以下である請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第３金属層の密度は、３ｇ／ｃｍ３以上１５ｇ／ｃｍ３以下である請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第１金属層及び第３金属層は、少なくとも金又はその合金を含む層からなる請求項１乃至４のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第２金属層は、少なくとも白金族元素又はその合金を含む層からなる請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記第３金属層は、バリア層である請求項１乃至６のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層が順に積層された積層半導体層と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された電極と、を備える窒化物半導体素子において、
前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から酸化防止機能を有する金属層、他層の析出を防止するバリア金属層を順に積層しており、
前記酸化防止機能を有する金属層とバリア金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、前記酸化防止機能を有する金属層はバリア金属層よりも密度が高いものであることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体素子は、前記第２導電型半導体層にストライプ状のリッジが形成されており、該リッジの上面に前記電極が形成されているレーザダイオードである請求項１又は８に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体を積層した半導体層を用いて形成した窒化物半導体素子及びその製造方法に関するものである。その用途としては、大電流駆動が可能であるレーザダイオードや高輝度ＬＥＤ、受光素子、その他にはＦＥＴ等の電子デバイスがある。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を積層してなる窒化物半導体素子は、紫外線領域から青色、更には緑色に至る広範囲の波長域の光を発光する発光素子として期待されている。その中で、レーザダイオードは、光ディスク用光源、その他には医療機器や加工機器、光ファイバ通信に用いる光源として、その用途は注目されている。
【０００３】
窒化物半導体素子は、レーザダイオードに限らずサファイア基板やＧａＮ基板上に窒化物半導体を積層し、該積層体に電極を形成した構造としている。積層された窒化物半導体には、少なくとも電極とオーミック接触させるコンタクト層を備えている。
【０００４】
上述した窒化物半導体素子では、安定した動作を確保するために半導体層中のコンタクト層とオーミック接触させる電極が極めて重要となる。このような電極には、主として仕事関数の大きい金属の単層膜や多層膜、或いは合金を用いている。例えば、Ｎｉ／Ａｕ等の多層膜からなる電極が用いられてきた。尚、前記電極の多層膜は、Ｎｉ／Ａｕであれば、Ｎｉが下層、Ａｕが上層となる。「／」の前の材料が下側の層を構成し、「／」の後ろの材料が上側の層を構成する。以下においても同様とする。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１３５５１５号公報
【特許文献２】特開２００３−５９８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１に開示された窒化物半導体素子には以下のような問題がある。Ｎｉ／Ａｕを電極とする場合には、該電極を形成した後、熱処理（アニール処理）工程を必要とする。ここで、熱処理とは、高温雰囲気下に一定時間保持することであって、Ｎｉ／Ａｕ等の電極は熱処理をしなければ、オーミック特性を得ることが難しい。そのため、このような電極材質を用いる場合には熱処理は必須工程となる。
【０００７】
Ｎｉ／Ａｕ等の電極はオーミック特性を得るために熱処理工程を行うことで、電極の下層であるＮｉ層と上層であるＡｕ層との深さ方向の分布が反転する。その結果、下層であるＮｉ層が上層のＡｕ層よりも移動して最表面に露出することで酸化層となる。これでは、この電極上に形成するパッド電極との界面での接触抵抗が高くなり、またパッド電極との密着性が低下する。
【０００８】
また特許文献２には電極にＮｉ層とＡｕ層とを備えた構成が開示されている。またＮｉ層とＡｕ層とが相互拡散することでＮｉ層が酸化することを防止するためにＮｉ層とＡｕ層との間にＡｇ層を形成することが開示されている。しかしながら、ここで開示されている電極は、半導体層に形成する電極ではなく基板の裏面に形成する電極である。しかも窒化物半導体に適用できるとの示唆もない。このような構成をした電極では、窒化物半導体との接触抵抗低減や、安定した寿命特性を望めない。
【０００９】
そこで、本件発明は上記問題を鑑み、窒化物半導体層との接触抵抗のみならずパッド電極との接触抵抗も低く、且つ密着性や機械的強度に極めて優れている窒化物半導体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】
【００１０】
本発明の窒化物半導体素子は、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層が順に積層された積層半導体層と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された電極と、を備える窒化物半導体素子であって、前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から第１金属層、第２金属層、第３金属層を順に積層しており、前記第１金属層と第３金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、第１金属層は第３金属層よりも密度が高いものであり、前記第２金属層は、前記第１金属層及び第３金属層とは異なる材料を含有している。
【００１１】
前記窒化物半導体素子における前記第３金属層は、バリア層であることが好ましい。
【００１２】
前記窒化物半導体素子における前記第１金属層は、前記第３金属層よりも厚膜であることが好ましい。
【００１３】
前記窒化物半導体素子における前記第１金属層の密度は、１０ｇ／ｃｍ３以上３０ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１４】
前記窒化物半導体素子における前記第３金属層の密度は、３ｇ／ｃｍ３以上１５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１５】
前記窒化物半導体素子における前記第１金属層及び第３金属層は、少なくとも金又はその合金を含む層からなることが好ましい。
【００１６】
前記窒化物半導体素子における前記第２金属層は、少なくとも白金族元素又はその合金を含む層からなることが好ましい。
【００１７】
本発明の窒化物半導体素子は、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層が順に積層された積層半導体層と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された電極と、を備える窒化物半導体素子であって、前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から窒化物半導体層や他の金属層の酸化を防止する金属層、他層の析出を防止するバリア金属層を順に積層しており、前記酸化を防止する金属層（以下、保護金属層と称する場合がある。）とバリア金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、前記保護金属層はバリア金属層よりも密度が高いものである。
【００１８】
前記窒化物半導体素子は、前記第２導電型半導体層にストライプ状のリッジが形成されており、該リッジの上面に前記電極が形成されているレーザダイオードである。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、大電流を投入した駆動時においても窒化物半導体層との接触抵抗のみならずパッド電極との接触抵抗も低く、且つ密着性や機械的強度に極めて優れている窒化物半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る窒化物半導体を用いた半導体素子の電極構造を模式的に示す断面図である。本発明は、以下に示す実施の形態に示される窒化物半導体素子の構造に限定されるものではない。
【００２１】
（電極）
本発明における電極は、ｐ側電極とｎ側電極の両方に設けても良く、どちらか一方でもよい。そのため、該電極との接触界面ｓを形成する窒化物半導体層Ｔはｐ側コンタクト層に限らずｎ側コンタクト層でもよい。
【００２２】
図１に示すように、電極は、窒化物半導体層Ｔ上に多層構成であって少なくとも３層以上の積層構造となっている。ここに示されている３層は各々が個別の機能を備えた金属層である。第１金属層Ｍ１は、窒化物半導体層Ｔとオーミック接触する他の金属層の酸化防止機能や保護機能を有する。保護機能とは、窒化物半導体層Ｔの酸化を防止する機能のことである。この第１金属層Ｍ１の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ等からなる。その中でも特に金（Ａｕ）又はその合金を含むことが窒化物半導体層とのオーミック性（接触抵抗）及び密着性が良好である事から好ましい。
また第１金属層Ｍ１の膜厚は、１００Å〜５０００Å、好ましくは５００Å〜２０００Åである。この膜厚であることで、他の金属層の酸化防止効果を奏する。第１金属層Ｍ１の膜厚が上記範囲を外れると、オーミック特性が損なわれるので好ましくない。また界面ｓの接触抵抗値は上昇してしまう。更に第１金属層Ｍ１の密度は、１０ｇ／ｃｍ３〜３０ｇ／ｃｍ３、好ましくは１２ｇ／ｃｍ３〜２０ｇ／ｃｍ３である。第１金属層がこの範囲の密度であれば、より良好なオーミック性を示す。
但し、第１金属層Ｍ１と第２金属層Ｍ２のみでは窒化物半導体層とパッド電極の両方とのオーミック性や密着性に優れた電極を構成することは困難である。それは、電極が第１金属層Ｍ１と第２金属層Ｍ２のみでは電極表面に形成される酸化膜の発生を抑制することが出来ず、パッド電極との接触抵抗が高くなり、またパッド電極との密着性が低下することになる。そこで、本発明では前記第１金属層Ｍ１、第２金属層Ｍ２の上に第３金属層を有する電極とする。
【００２３】
前記第１金属層Ｍ１は、後に積層される第３金属層Ｍ３と同一の材料を含有する金属層である。これによって、第１金属層Ｍ１と第２金属層Ｍ２との密着性が良ければ第２金属層Ｍ２と第３金属層Ｍ３との密着性も良好なものとなる。
【００２４】
また、第１金属層Ｍ１の密度を第３金属層Ｍ３の密度よりも高くする。第１金属層Ｍ１と第３金属層Ｍ３とが同一の材料を含有する金属層であって、第１金属層Ｍ１の密度を第３金属層Ｍ３の密度よりも高くすることにより、この２金属層の間には界面が形成される。この密度差により形成される界面は、反転しようとする他の金属を捕捉し、更に上方向に反転しようとする金属を低減させるバリア効果を奏する。
【００２５】
第２金属層Ｍ２は、前記第１金属層Ｍ１の上部に形成されるものであって、第１金属層Ｍ１と第３金属層Ｍ３との機能分離層としての機能だけでなく、下の金属層が分解することを抑制するキャップ層としての効果を有する。この第２金属層Ｍ２の材料は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｖ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｚｒからなるものであって、第１金属層Ｍ１及び第３金属層Ｍ３と異なる材料からなる。その中でも第２金属層は、ニッケル（Ｎｉ）又はその合金を含むことが窒化物半導体とのｐ型化を促す効果やオーミック抵抗を下げることが出来るため好ましい。
また第２金属層Ｍ２の膜厚は、１０Å以上５００Å以下、好ましくは５０Å以上２００Å以下である。第２金属層Ｍ２がこの膜厚範囲にあることで他の金属層の分解抑制、更にはオーミック性の安定効果を奏する。更に第２金属層Ｍ２の密度は、３ｇ／ｃｍ３〜２０ｇ／ｃｍ３、好ましくは５ｇ／ｃｍ３〜１０ｇ／ｃｍ３である。第２金属層Ｍ２の密度がこの範囲であると他の金属層の分解抑制、更にはオーミック性の安定効果がある。
【００２６】
第３金属層Ｍ３は、前記第２金属層の上部に形成されるものであって、上述したように第１金属層Ｍ１と同一の材料を含有する。また、第３金属層Ｍ３の密度が第１金属層の密度よりも低いものである。第３金属層Ｍ３の密度は、第１金属層Ｍ１の密度の１／２以下とすることが好ましい。これによって他の金属層が上面に析出することを防止して、電極とパッド電極との良好な接触抵抗を維持する。より好ましくは第３金属層Ｍ３の密度が第１金属層Ｍ１の密度の１／３以下とする。これによって前記効果に合わせて、パッド電極との密着を安定にすることができる。他の金属層が表面に露出すると酸化膜を形成してしまい、パッド電極との密着性が低下するがこのような問題が解消する。
【００２７】
ここで前記第３金属層Ｍ３の膜厚範囲は、１００Å以上１５００Å以下、好ましくは３００Å以上８００Å以下である。第３金属層Ｍ３の材料は、第１金属層Ｍ１と同一の材料を含有している。第３金属層Ｍ３は、白金族元素又は金からなることが好ましく、さらに好ましくはＡｕ、Ｒｈ、Ｐｔのいずれかからなる。
【００２８】
図２には前記電極が最上層に金属層Ｍｂを形成した構成を示している。ここで前記第３金属層Ｍ３上に形成された金属層Ｍｂはパッド電極との接触層である。この金属層Ｍｂは外気に曝露されるため酸化膜となりやすい。そのため、金属層Ｍｂは酸化しにくい金属からなり、更には剥がれ防止の為にアニール時の応力を低減させる必要があることから金属層Ｍｂは厚膜であるよりも薄膜であることが好ましい。金属層Ｍｂの好ましい膜厚範囲は、５Å以上５０Å以下、好ましくは５Å以上２０Å以下である。この金属層Ｍｂは、下層の金属層である第２金属層Ｍ２が上方に反転して形成される場合には前記第２金属層Ｍ２と同一材料からなる。
【００２９】
第３金属層Ｍ３が存在しない電極では第２金属層Ｍ２と最上層の金属層Ｍｂが一体の層となり酸化される割合も向上してしまう。第３金属層を備えた構成であったとしても、第３金属層よりも下側の金属層から反転して表面に露出する金属を完全に抑制できるものではないが、上述した第３金属層を備えた構成とすることで第２金属層と最上層である金属層Ｍｂとを併せた総体積に対する第２金属層の体積割合を２割以上、好ましくは３割以上、更に好ましくは５割以上とすることができる。第３金属層を構成に備えた電極とすることで、第３金属層が構成にない電極と比べて表面に形成される酸化膜の割合を低減することができる。
また第１金属層と第３金属層とを同一材料にして、第１金属層Ｍ１、第２金属層Ｍ２、第３金属層Ｍ３をこの順に形成したとしても、第１金属層Ｍ１と第３金属層Ｍ３との密度が同じである場合や、第３金属層Ｍ３の密度が第１金属層Ｍ１の密度よりも高い場合には、第２金属層と第３金属層とが反転して第２金属層が表面に露出してしまう。このとき、第２金属層と最上層である金属層Ｍｂとを併せた総体積に対する第２金属層の体積割合は２割未満となり、第２金属層Ｍ２は８割以上が表面に露出される。これでは、本発明の効果を奏することは困難となる。
【００３０】
前記電極を構成する総膜厚としては、前記３層の多層構成を含めて２００℃〜１００００℃、好ましくは３００℃〜５０００℃とする。総膜厚を３００℃〜５０００℃とすることで、シート抵抗を低くすることができる。
【００３１】
前記電極を形成した後に、熱処理を行うことで、窒化物半導体層Ｔと良好なオーミック接触を得ることができ、また窒化物半導体層と電極との接触抵抗を低下させることができる。熱処理温度としては、２００℃〜１２００℃の範囲が好ましく、更に好ましくは３００℃〜９００℃の範囲である。
【００３２】
上記以外の熱処理の条件としては、雰囲気ガスを酸素、及び／又は窒素を含有する雰囲気とする。そのため、不活性ガス、例えばＡｒを含有する雰囲気や大気条件での熱処理も可能である。
【００３３】
図３には前記電極が窒化物半導体層Ｔとの接触界面である最下層に金属層Ｍａを形成した構成を示している。この最下層である金属層Ｍａの材料は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄから成る群から選ばれる金属又はその合金である。窒化物半導体層Ｔ上に金属層Ｍａと第１金属層Ｍ１、第３金属層Ｍ３をこの順で積層して電極を形成した後に熱処理を行うことで金属層Ｍａは反転を起こし、上部に析出する。第１金属層Ｍ１と第３金属層Ｍ３との間に捕捉された金属層は第２金属層Ｍ２を形成する。また、第３金属層Ｍ３で捕捉出来なかった金属層は第３金属層Ｍ３よりも上部に析出して金属層Ｍｂを形成する。ここで、第１金属層Ｍ１と第２金属層Ｍ２、第３金属層Ｍ３とが上述した関係を満たしていれば、第３金属層Ｍ３よりも上部に析出される金属層Ｍｂの割合を低減することができ、本発明の効果を奏することになる。
【００３４】
電極を３層以上の多層膜とすることで、単一組成の層で膜厚を厚くする場合に比べて応力を緩和させることもできる。特に、ストライプ状のリッジを有するレーザダイオードを形成する場合、リッジに形成される電極（例えば、ｐ側電極）は、極めて幅の狭い領域に形成され、しかも、その膜質によりリッジにかかる負荷が大きく左右されるが、多層構造としてリッジにかかる応力を緩和することで信頼性に優れたレーザ特性を得ることができる。
【００３５】
また、窒化物半導体層Ｔと接する前記電極とは別に、ワイヤをボンディングさせるための引き出し用の電極としてパッド電極が前記電極上に設けられている。絶縁性の基板を用いている場合はｐ側電極とｎ側電極が同一面側に設けられているので、その両方にパッド電極が設けられる。また、パッド電極の上に、ワイヤではなく、外部電極等と接続させるためのメタライズ層を形成させることで、フェイスダウンでも用いることができる。
【００３６】
本発明における電極の成膜装置にはスパッタリング装置や蒸着装置、その他の公知の成膜装置を用いることができる。例えば、スパッタリング装置を用いて金属層Ｍａを形成する場合の条件としては、初期真空度を５．０×１０―４Pa以上とする。また、成膜圧力は0.5×10-1Pa以上とする。次に、スパッタリング装置を用いて第１金属層Ｍ１、第３金属層Ｍ３を形成する。第１金属層Ｍ１は、金属層Ｍａから連続して成膜することが好ましい。その成膜圧力は０．５×１０−１Paとする。次に、第３金属層Ｍ３を形成する。第３金属層Ｍ３を成膜する条件としては、最初に、初期真空度を８．０×１０―４Pa以上とする。その後、成膜圧力を０．５×１０−１Pa以上とする。以上の条件で各金属層を成膜することで第１金属層、及び第３金属層の密度を所望の範囲で形成することができる。
【００３７】
また、本発明における金属層の密度の測定方法は、ＴＥＣＨＮＯＳ社製の膜厚組成測定装置を用い、Ｘ線干渉法を利用して測定する。
【００３８】
パッド電極の電極材料としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ、及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。最上層はワイヤ等を接続させるので一般的に用いられるワイヤの材料（例えばＡｕ）との密着性を考慮してＡｕを用いるのが好ましい。そして、このＡｕが拡散しないようにその下層には拡散防止層として機能する比較的高融点の材料を用いるのが好ましい。
【００３９】
また、本発明における窒化物半導体層Ｔはｐ側コンタクト層に限らずｎ側コンタクト層でもよい。この窒化物半導体層Ｔがｐ側コンタクト層である場合には、ｐ型のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≦０、ｙ≦０、ｘ＋ｙ≦１）で構成する。ｐ型不純物には、Ｍｇを用いる。ｐ側コンタクト層の膜厚は１００Å以上とする。また１０００Å以下とすることが好ましい。また、窒化物半導体素子がｎ側コンタクト層を有する構成であって、このｎ側コンタクト層を前記窒化物半導体層Ｔとする場合には、ｎ側コンタクト層はｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）で構成する。ｎ型不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ等を用いる。
【００４０】
本実施形態の窒化物半導体素子の一例としては、図６に示すように第１主面と第２主面とを有する基板１００の第１主面上に窒化物半導体層としてｎ側窒化物半導体層１１０と、活性層１２０と、ｐ側窒化物半導体層１３０とを順に積層しており、前記ｐ側窒化物半導体層１３０上に前記電極１５０が形成されている。前記ｐ側窒化物半導体層１３０にはストライプ状のリッジ部と、その上にｐ側電極１５０と、その上にｐ側パッド電極１７０を備えており、基板１００の第２主面にはｎ電極１８０を備えている対向電極構造の半導体レーザ素子である。前記ｐ側電極１５０に本発明の電極構造を採用する。また、図８に示すように基板が導電性や絶縁性に関係なく基板の同一面上に両電極を形成する構成であってもよい。
【００４１】
実施の形態１
図６は本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を示す断面図であり、図４（ａ）はリッジ構造および電極構造の一例を示す部分拡大図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の部分拡大図である。リッジは、ｐ側窒化物半導体層１３０の一部をエッチングすることで形成することができ、これにより実効屈折率型の導波路を形成することができる。また、リッジの側面及びそのリッジから連続するｐ側窒化物半導体層にかけて第１の絶縁膜１４０が形成されている。リッジ上面及び第１の絶縁膜１４０の上面には上述した金属層（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の多層構造を備えたｐ側電極１５０が設けられている。ｐ側電極１５０上には該ｐ側電極を覆うようにｐ側のパッド電極１７０が設けられている。またリッジを形成した後にリッジ表面に半導体層を再成長させた埋め込み型のレーザ素子や、積層半導体内に開口部を有する電流狭窄層を有する電流狭窄構造のレーザ素子や、ｎ側半導体層及び／又はｐ側半導体層内に回折格子を有するＤＦＢレーザであってもよい。
【００４２】
ｐ側電極１５０は、第１の絶縁膜１４０上を覆う領域に形成され、ｐ側電極１５０のリッジ以外から離間する領域の上の一部を被覆するよう第２の絶縁膜１６０が形成されている。そして、ｐ側のパッド電極１７０は、ｐ側電極１２０と第２の絶縁膜１６０との上に渡って形成されている。
【００４３】
また、上記リッジのストライプ方向を共振器方向とするために、端面に設けられている一対の共振器面は、劈開又はエッチング等によって形成することができる。劈開で形成させる場合は、基板や半導体層が劈開性を有していることが必要であり、その劈開性を利用すると優れた鏡面を容易に得ることができる。
【００４４】
絶縁膜の材料としてはＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＳｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂの酸化物、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮを用いることが特に好ましい。
【００４５】
また、絶縁膜の膜厚としては、具体的には、１０Å以上１００００Å以下の範囲、好ましくは１００Å以上５０００Å以下の範囲とすることである。なぜなら、１０Å以下であると、電極１２０の形成時に、十分な絶縁性を確保することが困難で、１００００Å以上であると、かえって保護膜の均一性が失われ、良好な絶縁膜とならないからである。また、前記好ましい範囲にあることで、リッジ側面において、リッジとの間に良好な屈折率差を有する均一な膜が形成される。
【００４６】
第２の絶縁膜は、エッチングによって露出されたｐ側窒化物半導体層及び活性層の側部端面にも連続するように設けるのが好ましい。好ましい材料としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でも特に好ましい材料として、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの単層膜または多層膜を挙げることができる。尚、第２の絶縁膜は省略することが可能である。
【００４７】
実施の形態２
図７は、本発明の他の実施形態を示す断面図である。本実施形態は、実施の形態１と同様に、基板１００上に、ｎ側窒化物半導体層１１０、活性層１２０、ｐ側窒化物半導体層１３０が順に積層された積層半導体層を構成しており、前記ｐ側窒化物半導体層にストライプ状のリッジが設けられたレーザ素子であって、ｐ側電極１５０が、リッジ上部のみに形成されているものである。このｐ側電極１５０は、少なくとも前記積層半導体層側から金属層Ｍａ、第１金属層Ｍ１、第２金属層Ｍ２、第３金属層Ｍ３、金属層Ｍｂを順に積層した構造をしている。
リッジ上幅と、ほぼ同一幅のｐ側電極を形成するには、平坦なウエハ上に所望のリッジ幅のｐ側電極を形成し、そのｐ側電極をマスクとして半導体層をエッチングすることで、リッジ上部に、リッジと同一幅のｐ側電極が形成される。このようなセルフアライメント方式を用いて半導体層をエッチングするには、主として塩素系のエッチングガスを用いてドライエッチングするのが好ましい。
【００４８】
セルフアライメント方式を用いてリッジを形成する場合、ｐ側電極の上面は、半導体層エッチング時の塩素系ガスや、ＳｉＯ２膜等のエッチング時のフッ素系ガス等に曝露される。そのため、酸化物ではなく、塩化物、或いはフッ化物等が形成される。しかし、白金族元素の層は、これら塩化系ガスやフッ素系ガスと反応したとしても、その反応が表面近傍に限られる。従って、熱処理時等と同様に、層内部は成膜時と同様の組成で保持されやすい。塩素或いはフッ素との化合物が安定で、絶縁性を示すようであれば、パッド電極との間で界面抵抗が生じるので、そのような場合は、表面を洗浄することで、層内部の化合物非生成領域を露出させ、その露出部にパッド電極を形成させることで、オーミック性を損ないにくくすることができる。
また、実施の形態２においては、ｐ側電極の幅がさらに狭く形成されるため、その膜質によってはリッジにかかる負荷が大きくなるが、ｐ側電極を多層構造としてリッジにかかる応力を緩和することで信頼性に優れたレーザ特性を得ることができる。
【００４９】
以下、実施例として窒化物半導体レーザ素子について説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能であることは言うまでもない。
【００５０】
［実施例１］
基板は、Ｃ面を主面とするウエハ状のＧａＮ基板１００を用いる。基板としては特にこれに限定されるものではなく、必要に応じてＲ面、Ａ面、Ｍ面を主面とするＧａＮ基板を用いる。
【００５１】
（ｎ側窒化物半導体層１１０）
次に、ＭＯＣＶＤ装置に前記ＧａＮ基板を搬送する。炉内の雰囲気温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎよりなるｎ型クラッド層を膜厚２．０μｍで成長させる。
【００５２】
次に、ｎ型クラッド層と略同じ温度で原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層を０．１９μｍの膜厚で成長させる。この層は、ｎ型不純物をドープさせてもよい。
【００５３】
（活性層１２０）
次に、温度を８００℃にして、原料にＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる井戸層を８０Åの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後にＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚で成長させて総膜厚５８０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。
【００５４】
（ｐ側窒化物半導体層１３０）
同様の温度で、Ｎ２雰囲気またはＨ２雰囲気中で、ＭｇドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層を１００Åの膜厚で成長させる。
【００５５】
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層を０．１３μｍの膜厚で成長させる。
【００５６】
続いて、アンドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２ＮよりなるＡ層を８０Åの膜厚で成長させ、その上にＭｇドープのＧａＮよりなるＢ層を８０Åの膜厚で成長させる。これを２８回繰り返してＡ層とＢ層とを交互に積層させて、総膜厚０．４５μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層を成長させる。
【００５７】
最後に１０５０℃でｐ型クラッド層の上にＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層はｐ型のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≦０、ｙ≦０、ｘ＋ｙ≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすればｐ電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを７００℃でアニーリングして、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００５８】
以上のようにしてＧａＮ基板上に窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成してＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＣｌ２ガスによりエッチングし、ｎ型クラッド層の表面を露出させる。また、このとき、Ｗ型溝を光出射側端面付近に形成してもよい。なお、この工程は省略可能である。
【００５９】
次に、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のｐ型コンタクト層のほぼ全面にＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ２）よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、フォトリソグラフィ技術により保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ装置によりＣＨＦ３ガスを用いたエッチングによりストライプ状のＳｉ酸化物からなる保護膜を形成する。このＳｉ酸化物の保護膜をマスクとしてＣｌ２ガスとＳｉＣｌ４ガスとを用いて半導体層をエッチングして、活性層よりも上にリッジストライプが形成される。このとき、リッジの幅は１．６μｍとなるようにする。
【００６０】
ＳｉＯ２マスクを形成させた状態で、ｐ型半導体層表面にＺｒＯ２よりなる第１の絶縁膜１４０を膜厚を約６００Åで形成する。第１の絶縁膜を形成した後、ウエハを６００℃で熱処理する。熱処理後、バッファード液に浸漬して、リッジストライプの上面に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ型コンタクト層上にあるＺｒＯ２を除去する。これにより、リッジの上面は露出され、リッジの側面はＺｒＯ２で覆われた構造となる。
【００６１】
次にｐ型コンタクト層上にｐ側電極１５０を形成する。まず、スパッタリング装置を用いて金属層ＭａとしてＮｉを膜厚１００Åで形成する。このときの成膜条件は、初期真空度を５．０×１０―４Pa以上とする。次にスパッタリング装置を用いて第１金属層Ｍ１と第３金属層Ｍ３を形成する。第１金属層Ｍ１は、Ａｕを１０００Åの膜厚で形成する。第３金属層Ｍ３は、Ａｕを５００Åの膜厚で形成する。第１金属層Ｍ１を形成する条件は、金属層ＭａであるＮｉを成膜した後に連続して成膜する。このときの成膜圧力は0.5×10-1Pa以上とする。次に、第３金属層Ｍ３を形成する条件は、まず、初期真空度を８．０×１０―４Pa以上とする。その後、成膜圧力を0.5×10-1Pa以上とする。
その後、アニール炉装置の中、N2雰囲気に対して、酸素濃度を0.5〜10％とする雰囲気において６００℃で熱処理をする。これによりｐ側電極を所望の特性を有する積層構造とすることができる。
【００６２】
以上によりｐ側電極１５０は、最下層である金属層Ｍａが、Ｎｉからなり、膜厚は１０Åとなる。その上には、第１金属層Ｍ１が、Ａｕからなり、密度は１５ｇ／ｃｍ３、膜厚は１０００Åとなる。その上には、第２金属層Ｍ２が、Ｎｉからなり、膜厚は８０Åとなる。その上には、第３金属層Ｍ３が、Ａｕからなり、密度は５ｇ／ｃｍ３、膜厚は５００Åとなる。さらには、その上に、最上層である金属層Ｍｂが、Ｎｉからなり、膜厚は１０Åとなる。
【００６３】
次に第２の絶縁膜としてＳｉＯ２をレーザ素子の側面に形成する。更に、前記ｐ電極上にｐパッド電極をＮｉ−Ｔｉ−Ａｕの順に膜厚を１０００Å―１０００Å―８０００Åで形成する。次に、ＧａＮ基板を研磨して約８５μｍの膜厚になるよう調整後、基板裏面にＶ−Ｐｔ−Ａｕの順に膜厚を１００Å、２０００Å、３０００Åで積層したｎ電極を形成する。
【００６４】
次に、窒化物半導体層側からブレーキングして、劈開することでバー形状とする。窒化物半導体層の劈開面は、窒化物半導体のＭ面（１１−００面）となっており、この面を共振器面とする。
【００６５】
上記のように形成されたバー形状の窒化物半導体の光出射側端面に誘電体膜を設ける。光出射側端面には、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２等の誘電体膜を膜厚１５０ｎｍで形成する。
次に、光反射側端面にはＡｌｘＯｙからから成る誘電体膜を形成した後、ＳｉＯ２とＺｒＯ２から成る反射ミラーを形成する。
【００６６】
その後、バー形状の半導体からチップ化して矩形状の窒化物半導体レーザ素子を形成する。共振器長は６００μｍ、チップ幅を２００μｍとする。以上より、得られる窒化物半導体レーザ素子は電極の接触抵抗が低く、密着性が良好であって、ＣＯＤレベルが８００ｍＷ以上である。またＫｉｎｋパワーが４００ｍＷとなる。寿命試験（Ｔｃ＝７０℃、ＣＷで出力１００ｍＷ）を行った結果、５０００時間以上の結果を得ることができる。また本実施例における窒化物半導体レーザ素子は、室温において閾値電流密度３．５ｋＡ／ｃｍ２、ＣＷ駆動時で１５０ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
本実施例ではＶｆは３．８９Ｖとなる。金属層Ｍ３を成膜しないものはＶｆが３．９６であり、これに比べてＶｆの下げ率が約5以上%となる。また、パッド電極との密着性についても良好になる。
P側電極とpパッド電極の接触面積に応じて、密着性が向上する。本実施例では金属層Ｍ３を成膜しないものに比べて電極の表面に形成される酸化膜の割合を１／１０以下にすることができる。
これらの特性向上は、レーザーダイオードに限らずＬＥＤにおいても、電極とパッド電極との接触抵抗を改善できると共に、FaceDown構造を採用する場合においても歩留まりを向上できる。
【００６７】
［実施例２］
実施例２では、ｐ側電極をＮｉ―Ｐｔ−Ｎｉ−Ｐｔ―Ｎｉ（１０Å―１０００Å―８０Å―５００Å―１０Å）の順に形成させる。ｐ側電極をこのような材料で形成する以外は、実施例１と同様に行う。このようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれは確認されず、実施例１と同様の効果が期待できる。また室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、６５ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
【００６８】
［実施例３］
実施例３では、ｐ側電極を最下層―第１金属層―第２金属層―第３金属層―最上層の順に形成させる。具体的には、ｐ側電極をＮｉ―Ａｕ―Ｎｉ―Ａｕ−Ｎｉ（１０Å―１０００Å―８０Å―５００Å―１０Å）で形成させる。他の工程は実施例１と同様に行い、本発明の窒化物半導体レーザ素子を得る。上記のようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれは確認されず、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、６５ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の窒化物半導体素子は、大電流駆動が可能であるレーザダイオード（レーザ素子）に限らず、高輝度ＬＥＤ、受光素子、その他にはＦＥＴ等の電子デバイスに用いることができる。特にレーザダイオードは、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定等に利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１００…基板、１１０…ｎ側窒化物半導体層、１２０…活性層、１３０…ｐ側窒化物半導体層、１４０…第１の絶縁膜、１５０…ｐ側電極、１６０…第２の絶縁膜、１７０…ｐ側パッド電極、１８０…ｎ側電極、１９０…ｎ側パッド電極
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る電極構造の一例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る電極構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る電極構造の一例を示す断面図である。
【図４】本発明に係るリッジ構造および電極構造の一例を示す部分拡大図である。
【図５】本発明に係るリッジ構造および電極構造の一例を示す部分拡大図である。
【図６】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的断面図である。
【図７】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的断面図である。
【図８】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的断面図である。
【図１】
2008085151.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月12日(2006.10.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
前記電極を構成する総膜厚としては、前記３層の多層構成を含めて２００Å〜１００００Å、好ましくは３００Å〜５０００Åとする。総膜厚を３００Å〜５０００Åとすることで、シート抵抗を低くすることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
その後、バー形状の半導体からチップ化して矩形状の窒化物半導体レーザ素子を形成する。共振器長は６００μｍ、チップ幅を２００μｍとする。以上より、得られる窒化物半導体レーザ素子は電極の接触抵抗が低く、密着性が良好であって、ＣＯＤレベルが８００ｍＷ以上である。またＫｉｎｋパワーが４００ｍＷとなる。寿命試験（Ｔｃ＝７０℃、ＣＷで出力１００ｍＷ）を行った結果、５０００時間以上の結果を得ることができる。また本実施例における窒化物半導体レーザ素子は、室温において閾値電流密度３．５ｋＡ／ｃｍ２、ＣＷ駆動時で１５０ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
本実施例ではＶｆは３．８９Ｖとなる。金属層Ｍ３を成膜しないものはＶｆが３．９６であり、これに比べてＶｆの下げ率が約５％以上となる。また、パッド電極との密着性についても良好になる。
P側電極とpパッド電極の接触面積に応じて、密着性が向上する。本実施例では金属層Ｍ３を成膜しないものに比べて電極の表面に形成される酸化膜の割合を１／１０以下にすることができる。
これらの特性向上は、レーザーダイオードに限らずＬＥＤにおいても、電極とパッド電極との接触抵抗を改善できると共に、ＦａｃｅＤｏｗｎ構造を採用する場合においても歩留まりを向上できる。