(57)【要約】【課題】ｐ電極側がヒートシンクに固着された、放熱特性の優れた窒化物系半導体レーザ装置を製造できるようにする。【解決手段】窒化物系半導体レーザ装置は、活性層２０３と、活性層２０３上のｐ型半導体層２０４と、ｐ型半導体層２０４を掘り込んで形成される前後左右一周の溝部と、前記ｐ型半導体層２０４に形成され、一周の溝部に囲まれるリッジ形状のリッジストライプ３０１と、溝部を埋め込む酸化亜鉛からなる電流ブロック層２０５を備える。【選択図】図２
2013229417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、前記活性層上のｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を掘り込んで形成される一周の溝部と、前記ｐ型半導体層に形成され、前記一周の溝部に囲まれるリッジ形状のストライプと、前記溝部を埋め込む酸化亜鉛からなる電流ブロック層を備えることを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層は、化学溶液成長法で形成した結晶性酸化亜鉛で構成される請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記ｐ型半導体層上面および前記電流ブロック層上面に接する金属電極が設けられることを特徴とする請求項１ないしは請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層の高さは前記リッジ形状のストライプより若干高いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項５】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体で構成され青紫色の発振波長を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐ電極側がヒートシンクに固着された、放熱特性の優れた窒化物系半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは光ストレージ等に広く用いられているが、例えば光ピックアップ等において、近年のブルーレイディスクに代表される高密度記録に対応して半導体レーザの高出力化及び高信頼性が求められている。ところで、半導体レーザ装置の出力が高くなるとそれに伴って発生する熱量も不可避的に増大するが、半導体レーザ素子は自身の放出する熱による劣化等の影響を受け易いため、出力上昇に従って発生する熱は半導体レーザの性能向上にとって深刻な問題となっている。とくに、半導体レーザにおいては瞬時光学損傷現象（ＣＯＤ）が発生することが知られている。これは、レーザ光が界面準位が多くバンドギャップが縮小している端面付近にくると、光吸収→非発光再結合という過程でその光エネルギーが熱に変わり端面温度が上昇することから、光出力上昇に伴い端面でのバンドギャップが益々縮小し光吸収（発熱）が多くなるという正の循環が生じ、最終的に端面が破壊される現象であり、半導体レーザ装置で高出力状態で高い信頼性を得るための阻害要因となっている。そのため、一般的に排熱を効率的に行うことによりＣＯＤレベルを高めることが要求されている。
【０００３】
半導体レーザ素子では、上記致命的な破壊損傷以外にも、温度上昇が光出力、電流特性、波長、ノイズ、寿命に大きな影響を与え、各基本特性は動作中の発熱により全て悪化の方向にシフトすることが知られている。
【０００４】
半導体レーザの中でもIII族元素であるアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）と、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とにより構成された窒化物系半導体を用いた半導体レーザは、短波長に起因する高いフォトンエネルギーおよび高出力といった優れた特徴を有している。このため、光ディスク等の高密度情報記録技術だけでなく、画像表示、医療及び照明といった幅広い技術分野で用いられている。さらに窒化物系半導体レーザの高出力化に伴い、非晶質シリコンの結晶化プロセスに用いる光源といったような、従来高出力ガスレーザや固体レーザを用いていた材料加工分野での応用も検討されている。
【０００５】
高指向性であるレーザ出力光を得るために、窒化物系半導体レーザは一般的に光導波路を有しており、高出力かつ低消費電力で動作させるために、光導波路はリッジ構造を採用している。リッジの両側に電流ブロック層である酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる絶縁膜を形成し、リッジ構造上に形成されたｐ電極から注入される電流の狭窄を行って、効率的なキャリアならびに光の閉じ込めを実現している（特許文献１参照）。
【０００６】
排熱を効率的に行い、温度上昇を抑制するために、リッジの両側に酸窒化アルミニウム（ＡｌＯxＮy）膜を形成した構造が提案されており（特許文献２参照）、ＳｉＯ2と比較して高い熱伝導率を有するＡｌＯxＮyを電子サイクロトロン共鳴スパッタ法を用いて成膜している。これにより、高出力動作時において放熱性を向上させ、最大光出力ならびに電気−光変換効率を向上させることができると期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９８２５２１号公報
【特許文献２】特開２００９−４６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では電流ブロック層としてリッジの両側にＳｉＯ２膜を、特許文献２ではリッジの両側にＡｌＯxＮy膜を形成しているが、スパッタ法で形成された電流ブロック層の薄膜はＳｉＯ2の場合は非晶質、ＡｌＯxＮyの場合でも多結晶である。結晶性が不十分なために熱伝導率が十分でなく、高出力時に電流ブロック層を介した放熱を期待することは困難である。
【０００９】
さらに図１に示したように従来の窒化物系半導体レーザではリッジ形成時に掘られたリッジ両側の溝部に電流ブロック層の薄膜が形成された構造である。発熱部位である電流狭窄部と放熱部品であるヒートシンクの距離が離れており、電流ブロック層もヒートシンクに接していないため電流ブロック層を介した放熱はほとんど期待できない。
【００１０】
高出力の赤色ないしは近赤外に発振波長を有する半導体レーザでは、電流狭窄部側のｐ電極側をヒートシンクに固着したジャンクションダウン実装と呼ばれる手法が一般的に用いられている。しかしながら、図１のような従来構造の窒化物系半導体レーザでは、ジャンクションダウン実装時にリッジ部分に圧力、応力が集中するため半導体層に歪みやクラックが発生し、素子の信頼性に悪影響を与える懸念がある。さらにヒートシンクとの接触面積が小さいため放熱が十分行われないおそれがある。
【００１１】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ｐ電極側がヒートシンクに固着された（ジャンクションダウン実装）、放熱特性の優れた窒化物系半導体レーザ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】
【００１２】
前記のような課題を解決するために、本発明の窒化物系半導体レーザは、活性層と、前記活性層上のｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を掘り込んで形成される一周の溝部と、前記ｐ型半導体層に形成され、前記一周の溝部に囲まれるリッジ形状のストライプと、前記溝部を埋め込む酸化亜鉛からなる電流ブロック層を備える。
【００１３】
前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層は、化学溶液成長法で形成した結晶性酸化亜鉛で構成されることが望ましい。
【００１４】
前記ｐ型半導体層上面と前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層上面に接するｐ電極がもうけられることが望ましい。
【００１５】
前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層の高さは前記リッジ形状のストライプより若干高いことが好ましい。ジャンクションダウン実装時にリッジ部分に加わる応力を低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、リッジストライプ周囲（前後ならびに両側）の溝部を熱伝導率の高い結晶性酸化亜鉛からなる埋め込み層で囲うことにより、ジャンクションダウン実装を容易に実現しつつ活性層端面部の温度上昇を抑制した窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の窒化物系半導体レーザの正面模式図
【図２】本発明の一実施の形態に係わる窒化物系半導体レーザ装置を示す断面模式図
【図３】本発明の一実施の形態に係わる窒化物系半導体レーザ装置におけるリッジストライプの構造模式図
【図４】比較例におけるリッジストライプの構造模式図
【図５】本発明の一実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法を工程順に示す断面模式図
【図６】本発明の一実施の形態に係わる変形例における窒化物系半導体レーザ装置を示す断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の第１の態様は、前記のような課題を解決するために、本発明の窒化物系半導体レーザは、活性層と、前記活性層上のｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を掘り込んで形成される一周の溝部と、前記ｐ型半導体層に形成され、前記一周の溝部に囲まれるリッジ形状のストライプと、前記溝部を埋め込む酸化亜鉛からなる電流ブロック層を備える。
【００１９】
本発明の第２の態様は、前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層は、化学溶液成長法で形成した結晶性酸化亜鉛で構成されることが望ましい。
【００２０】
本発明の第３の態様は、前記ｐ型半導体層上面と前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層上面に接するｐ電極がもうけられることが望ましい。
【００２１】
本発明の第４の態様は、前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層の高さは前記リッジ形状のストライプより若干高いことが好ましい。ジャンクションダウン実装時にリッジ部分に加わる応力を低減することが可能となる。
【００２２】
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。
【００２３】
（実施の形態）
図２は、本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置の断面模式図である。本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置は、具体的には窒化ガリウム（ＧａＮ）系の青紫色半導体レーザである。また、リッジ形状のストライプを有するリッジ導波路型半導体レーザである。
【００２４】
図２に示すように、本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＮ基板２０１の主面に形成された、ｎ型半導体層２０２と、活性層２０３、ｐ型半導体層２０４を有している。ｎ型半導体層２０２はｎ型ＧａＮ基板２０１から見て順に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層と、ｎ型ＧａＮガイド層、から構成されている。活性層２０３は井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばＩｎ濃度を変えたＩｎＧａＮ層から構成される。ｐ型半導体層２０４は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアオーバーフロー抑制層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型ＧａＮコンタクト層、から構成されている。
【００２５】
ｐ型半導体層２０４は、図３に示すようなリッジストライプ３０１を有している。リッジストライプ３０１はｐ型半導体層２０４を掘り込むことにより形成されており、リッジストライプの前後、両側に、一周の溝を掘り込んだ形状である。リッジストライプ３０１の周囲は、結晶性酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる電流ブロック層２０５が形成されている。具体的には、リッジストライプ３０１の外周の溝部が、化学溶液成長法により形成された結晶性酸化亜鉛からなる電流ブロック層２０５で埋め込まれている。
【００２６】
リッジストライプ３０１の下には電流ブロック層２０５とも接するようにｐ電極２０６が形成されており、ｎ型ＧａＮ基板２０１の上面にはｎ電極２０８が形成されている。ｐ電極２０６は、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ膜とＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜の積層膜である。さらにｎ電極２０８は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜である。加えてｐ電極２０６と銅（Ｃｕ）製のヒートシンク２０９と固着するためのＡｕメッキ層２０７が形成されている。ジャンクションダウン実装時には、Ａｕメッキ層２０７上に、ＡｎＳｎハンダ層（図示せず）等を介してヒートシンク２０９と固着される。
【００２７】
リッジ導波路型半導体レーザでは、ｐ電極２０６とｎ電極２０８間に電流を注入すると、リッジストライプ３０１部分で狭窄された電流がリッジ直下の活性層２０３で光に変換され、レーザが発振する。このため、リッジストライプ直下の電流狭窄部が主な発熱源となる。上述のように、ジャンクションダウン実装時には、ｐ電極２０６側をヒートシンク２０９に接触させる。レーザ発振時に発生した熱はｐ電極２０６、Ａｕメッキ層２０７を介してヒートシンク２０９に放熱される。
【００２８】
主たる放熱の経路としてはｐ型半導体層２０４からｐ電極２０６、Ａｕメッキ層２０７、ヒートシンク２０９へと至るものであるが、リッジストライプ３０１に接した高い熱伝導率を有する結晶性酸化亜鉛からなる電流ブロック層２０５を介してｐ電極２０６、Ａｕメッキ層２０７、ヒートシンク２０９へと至る経路を経由して多くの熱が移動することが可能である。特に図３に示すようにリッジストライプ３０１の左右だけでなく前後にも、こうした熱の移動経路が存在するため端面における温度上昇の低下が期待できる。
【００２９】
一方、図１に示したような従来の窒化物半導体レーザでは発熱部位である電流狭窄部と放熱部品であるヒートシンクの距離が離れており、電流ブロック層もヒートシンクに接していないため電流ブロック層を介した放熱はほとんど期待できない。
表１は、図２の本実施の形態の構造（本発明）と、図１の従来技術の構造（従来例）ならびに、図４に示したようなリッジストライプ両側のみを結晶性酸化亜鉛からなる電流ブロック層で埋め込んだ構造の比較例についての、活性層端面温度と熱抵抗係数の計算による比較である。計算はリッジストライプ幅を６μｍ、共振器長を８００μｍ、光出力１Ｗにおける排熱を３Ｗとし、ヒートシンク温度を２５℃として行ったものである。
【００３０】
【表１】
2013229417.tif 000003
【００３１】
本実施の形態の場合、従来技術に比べ、活性層端面温度が１７．１℃、熱抵抗が５．７℃／Ｗ小さくなり放熱性が大きく改善することが分かる。さらにリッジストライプ両側のみを結晶性酸化亜鉛で埋め込んだ比較例に対しても活性層端面温度で５．６℃、熱抵抗で１．９℃／Ｗ小さくなっており、リッジストライプ一周を結晶性酸化亜鉛で埋め込んだ本実施の形態の優位性は明らかである。
【００３２】
以下に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、例えば主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮからなる基板２０１の上に、有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ法）等を用いてｎ型半導体層２０２と、活性層２０３、ｐ型半導体層２０４を成長させる。続いて、ｐ型半導体層２０４の上に選択的にマスク５０１を形成する。
【００３３】
ｎ型半導体層２０２は例えば、基板２０１側から順次形成されたｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層とすればよい。量子井戸構造の活性層２０３は、ＩｎＧａＮからなるバリア層と井戸層、それぞれＩｎ濃度が異なる、とを３周期成長させればよい。ｐ型半導体層２０４は、ｐ型光ガイド層、キャリアオーバーフロー抑制層、ｐ型クラッド層およびコンタクト層とすればよい。ｎ型クラッド層は、厚さが２μｍのｎ型ＡｌＧａＮとすればよい。ｎ型光ガイド層は、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮとすればよい。ｐ型光ガイド層は、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮとすればよい。キャリアオーバーフロー抑制層は、厚さが１０ｎｍのＡｌＧａＮとすればよい。ｐ型クラッド層は、厚さが０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮとすればよい。コンタクト層は、厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮとすればよい。
【００３４】
マスク５０１は、ｐ型半導体層２０４の上に厚さが３００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成した後、ＳｉＯ2膜を選択的に除去して形成すればよい。例えば、まずモノシラン（ＳｉＨ4）を用いた熱化学気相堆積法（熱ＣＶＤ法）により、ｐ型半導体層２０４の上にＳｉＯ2膜を成膜する。続いて、ＳｉＯ2膜の上にフォトリソグラフィにより、例えば幅が６μｍ、長さが７８８μｍのストライプ状の開口部を有するフォトレジストを形成する。この後、四フッ化炭素（ＣＦ4）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＯ2膜の露出部分を除去すればよい。
【００３５】
次に、図５（ｂ）に示すように、マスク５０１を用いてｐ型半導体層２０４を選択的に除去して、深さが４００ｎｍ程度のストライプ状の凹部３０１ｂを形成する。これにより、ｐ型半導体層２０４にストライプ状のリッジ部３０１ａ（幅６μｍ、長さ７８８μｍ）が形成される。ｐ型半導体層２０４の除去は、塩素（Ｃｌ２）を用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングにより行えばよい。
【００３６】
次に、図５（ｃ）に示すように、凹部３０１ｂに化学溶液成長法によりＺｎＯからなる電流ブロック層２０５を約４００ｎｍ結晶成長させる。ＺｎＯの成長は、例えば７０℃に熱した硝酸亜鉛鉛六水和物及びヘキサメチレンテトラミンを含む溶液に、ｎ型半導体層２０２と、活性層２０３、ｐ型半導体層２０４を形成した基板２０１を５時間浸漬することにより行う。ＺｎＯは、図５に示すようにＳｉＯ2からなるマスク５０１の上には成長せず、露出したｐ型半導体層２０４の上のみに選択的に成長する。この方法により成長したＺｎＯはｎ型の導電性を示す。このため、ｐ型半導体層２０４との界面にｐｎ接合が形成され、ｐｎ接合の逆バイアス効果により電流狭窄機能を実現できる。
【００３７】
次に、例えば、５％程度の濃度のフッ化水素酸溶液を用いたウェットエッチングによりマスク５０１を除去する。
【００３８】
次に、図５（ｄ）に示すように、ｐ電極２０６を形成する。まず、リッジ部３０１ａの上を露出する幅が１５０μｍ程度のストライプ状の開口部を有するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する。例えば、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により、ｐ型半導体層２０４上の全面に厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）層と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）層とを順次形成する。続いて、リフトオフを行いリッジ部３０１ａの上部を除いてＰｄ層及びＰｔ層を除去する。この後、４００℃程度の温度でシンターを行い、オーミック接合を形成する。さらに、リッジ部３０１ａを覆うように、リッジ部３０１ａと垂直な方向の幅が約１５０μｍとなるように、例えば厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、厚さが２００ｎｍのＰｔ及び厚さが１００ｎｍの金（Ａｕ）の積層膜を形成する。これはフォトリソグラフィにより形成すればよい。さらに、Ａｕメッキ層２０７を厚さが、例えば、３μｍとなるようにメッキ法で形成する。
【００３９】
次に、基板２０１の裏面をダイヤモンドスラリーにより厚さが８０μｍ程度まで研磨した後、基板２０１の裏面にｎ電極２０８を形成する。ｎ電極２０８は例えば、厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍのＰｔ及び厚さが１００ｎｍのＡｕとし、ＥＢ蒸着法により形成すればよい。
【００４０】
電極形成後に、例えば共振器長が８００μｍ（リッジ部３０１ａの前後にプラス６μｍ）となるようにウェハを劈開して、窒化物系半導体レーザバーを形成し、出射端面に低反射率の、反対の端面に高反射率の反射膜を成膜する。その後、例えば共振機幅が２００μｍとなるようにレーザバーを劈開して窒化物系半導体レーザを個片化すればよい。
【００４１】
最後に図５（ｅ）に示すように、ＡｕＳｎ半田層を介してヒートシンク２０９に窒化物系半導体レーザを、ｐ電極側がヒートシンク２０９に接するようにジャンクションダウンで固着実装すればよい。
【００４２】
以上のようにして図２に示したような本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置が製造可能である。
【００４３】
図６は、本実施の形態の変形例の窒化物系半導体レーザ装置の断面模式図である。変形例における窒化物系半導体レーザ装置は、図２の窒化物系半導体レーザ装置に対し、電流ブロック層２０５の高さがリッジストライプ３０１より若干高い点で異なっている。例えば０．５μｍ電流ブロック層２０５の高さが高い。この構造にすることにより、図２に比べジャンクションダウン実装時にリッジ部分に加わる応力を低減することが可能となる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態によれば、リッジストライプ周囲（前後ならびに両側）の溝部を熱伝導率の高い結晶性酸化亜鉛からなる埋め込み層で囲うことにより、ジャンクションダウン実装を容易に実現しつつ活性層端面部の温度上昇を抑制した窒化物系半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
【００４５】
なお、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての窒化物系半導体レーザ装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ装置は、ジャンクションダウン実装を容易に実現しつつ活性層端面部の温度上昇を抑制した半導体レーザ装置を実現でき、放熱特性の優れた窒化物系半導体レーザ装置として有用である。
【符号の説明】
【００４７】
２０１      基板
２０２      ｎ型半導体層
２０３      活性層
２０４      ｐ型半導体層
２０５      電流ブロック層
２０６      ｐ電極
２０７      Ａｕメッキ層
２０８      ｎ電極
２０９      ヒートシンク
３０１      リッジストライプ
３０１ａ    リッジ部
３０１ｂ    凹部
５０１      マスク
【図１】
2013229417.tif 000004
【図２】
2013229417.tif 000005
【図３】
2013229417.tif 000006
【図４】
2013229417.tif 000007
【図５】
2013229417.tif 000008
【図６】
2013229417.tif 000009