(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を積層し、エッチングによってリッジが形成されたｐ型窒化物半導体層を有し、同一面側に一対の正電極及び負電極を設けてなる窒化物半導体レーザダイオードの製造方法であって、
エッチングにより、露出したｎ型窒化物半導体層上に負電極、ｐ型窒化物半導体層のリッジ上に正電極を設置し、前記リッジのサイドのｐ型窒化物半導体層をエッチングによって除去することなく残存させることで、放熱部を形成することを特徴とする窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
【請求項２】
正電極及び負電極を有する面に、正電極及び負電極とは別に、前記負電極に隣接し、エッチングで除去されない窒化物半導体層からなる放熱部を形成す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ダイオードの製造方法。
【請求項３】
基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を積層し、エッチングによってリッジが形成されたｐ型窒化物半導体層を有し、同一面側に一対の正電極及び負電極を設けてなる窒化物半導体レーザダイオードにおいて、
エッチングにより、露出したｎ型窒化物半導体層上に負電極、ｐ型窒化物半導体層のリッジ上に正電極を設置し、前記ｐ型窒化物半導体のリッジの、サイドのｐ型窒化物半導体層を除去することなく残存させることで設けた、放熱部を有することを特徴とする窒化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】
本発明は、窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる窒化物半導体レーザダイオード（ＬＤ）に関し、特に放熱性に優れた窒化物半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザダイオード（以下単に半導体レーザという場合がある。）は、熱によってその特性及び信頼性が著しく影響を受けるため、半導体レーザの駆動には高電流密度によるジュール熱を放散することが、実用上、非常に大切である。熱の放散は、半導体レーザをヒートシンクに接触させることによって行われている。
窒化物半導体レーザは、サファイアやスピネルのような絶縁性基板の上に成長されるため、正と負の電極を窒化物半導体層側から取り出すいわゆるフリップチップ形式である。例えば窒化物半導体レーザは、絶縁性基板、ｎ型層、活性層、及びｐ型層を積層してなる基本構造を有しており、電極はｐ型層と活性層とがエッチングされ、エッチングにより露出したｎ型層と最上層のｐ型層とに設けられる。このような構造の場合、窒化物半導体レーザは露出したｎ型層と最上層のｐ型層とに段差が生じる。このような構造を有する半導体レーザチップの一例を図１に模式的な断面図で示すと、図１は、基板１、ｎ型層２（光ガイド層及び光閉じこめ層等の積層構造を有する）、活性層３、ｐ型層４（光りガイド層及び光閉じこめ層等の積層構造を有する）を有し、更に窒化物半導体層上の凹部にｎ−オーミック電極１１（負電極）、凸部にｐ−オーミック電極１２（正電極）を設置し、絶縁膜１３、ｐ−パット電極１５、ｎ−パット電極１４を形成してある。そして高電流密度によるジュール熱は電極を有する面を、リード電極４１及び４２を有するヒートシンク４０に接触させ放散される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような図１の窒化物半導体レーザは、上記の如く１面２電極のため負電極形成時に正電極を有するｐ側と負電極を形成するｎ側との間でヒートシンクに接触する面に高低差（段差）が生じ、フェイスダウンでヒートシンクに良好なダイレクトボンディングができず、窒化物半導体レーザの電極とヒートシンクとが十分に接触できない。その結果、窒化物半導体レーザの放熱性が悪くなり、しきい値が上昇し、寿命特性が劣化する等の問題が生じる。
そこで本発明の目的は、窒化物半導体レーザの放熱性を向上させ、しきい値の上昇の抑制、寿命特性の向上を達成させることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は、下記構成によって達成することができる。
（１）    本発明に係わる窒化物半導体レーザダイオードの製造方法は、基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を積層し、エッチングによってリッジが形成されたｐ型窒化物半導体層を有し、同一面側に一対の正電極及び負電極を設けてなる窒化物半導体レーザダイオードの製造方法であって、エッチングにより、露出したｎ型窒化物半導体層上に負電極、ｐ型窒化物半導体層のリッジ上に正電極を設置し、前記リッジのサイドのｐ型窒化物半導体層をエッチングによって除去することなく残存させることで、放熱部を形成することを特徴とする。
（２）    また、本発明に係わる窒化物半導体レーザダイオードの製造方法は、上記窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、更に、正電極及び負電極を有する面に、正電極及び負電極とは別に、前記負電極に隣接し、エッチングで除去されない窒化物半導体層からなる放熱部を形成することを特徴とする。
（３）  また、本発明に係わる窒化物半導体レーザダイオードは、基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を積層し、エッチングによってリッジが形成されたｐ型窒化物半導体層を有し、同一面側に一対の正電極及び負電極を設けてなる窒化物半導体レーザダイオードにおいて、エッチングにより、露出したｎ型窒化物半導体層上に負電極、ｐ型窒化物半導体層のリッジ上に正電極を設置し、前記ｐ型窒化物半導体のリッジの、サイドのｐ型窒化物半導体層を除去することなく残存させることで設けた、放熱部を有することを特徴とする。
【０００５】
（２）また、本発明に係わる窒化物半導体レーザダイオードの製造方法は上記窒化物半導体レーザダイオードの製造方法においてさらに、前記負電極に隣接し、エッチングで除去されない窒化物半導体層からなる放熱部を形成することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
つまり、本発明は、正電極及び負電極を有する面に正電極及び負電極を形成するのとは別に、放熱体に接触可能な形状で形成された窒化物半導体層（以下放熱部という場合がある。）を有することによって、窒化物半導体レーザダイオードの放熱体への接触面積を増大し、半導体レーザの駆動において非常に問題となる高電流密度によるジュール熱を良好に放散することができる。これによってしきい値の上昇を抑え、寿命特性が著しく向上する。
このような本発明の放熱部は、半導体レーザの窒化物半導体層を積層後、レジストを塗布しレジストに光を照射してエッチングする箇所を決める際に、所望する形状、つまり放熱体（例えばヒートシンク等）に接触可能な形状となるように、放熱部となり得る部分に露光せずエッチングすることで形成される。このため、多数の工程を必要とする半導体レーザの製作に特別新たな工程を必要とせず、簡易な方法で本発明の放熱部を設けることができる。
【０００７】
放熱体とは、窒化物半導体レーザダイオードに生じるジュール熱を吸収し放散する吸熱材料であり、例えばヒートシンク、サブマウント、ステムなどであり、熱を放散させるための熱伝導性の良い材料としては、ダイヤモンド、ＢｅＯ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、ｃＢＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。特に、放熱体がダイヤモンドであると熱伝導性が良く、更に本発明の放熱部と組み合わせるとより良い効果が得られる。
また、放熱部とは、窒化物半導体レーザダイオードに生じるジュール熱を放熱体に伝導させるため放熱体に接触可能な形状で形成され、放熱体に接触し熱を放散させるための部位であり、窒化物半導体よりなる。ここで、放熱部が放熱体に接触可能な形状で形成されとは、放熱部が少なくとも放熱体に接触可能であれば良く、好ましくは放熱部の最上層が窒化物半導体層の凹部に設けられる負電極の上部より高く、つまり放熱部が負電極よりも放熱体に接触し易く形成され、更に好ましくは放熱部の最上層と正電極が設けられている窒化物半導体層の凸部の最上層との高低差が０〜２μｍで形成され、特に好ましくは放熱体と水平に接触できるように放熱部が形成される。
【０００８】
本発明の放熱部の設置位置は、放熱体に接触可能な状態であればいずれでも良いが、放熱効率を高めるため、凹部に形成された負電極及び／又は凸部に形成された正電極に隣接させて形成するのが好ましい。こうすることで高電流密度によるジュール熱を蓄積し易い電極から放熱部へ熱を効率良く伝導できる。また、放熱部は、窒化物半導体レーザダイオード１単位の窒化物半導体層上に２箇所以上形成されても良く、窒化物半導体レーザダイオードの一般的に好ましいとされる大きさの１単位内に可能なだけ形成されても良い。ここで、可能なだけ形成しても良いとは、電極が形成されていない窒化物半導体層を窒化物半導体レーザの性能の低下を引き起こさない範囲で放熱部として形成することを意味する。
また、凸部に設けられた正電極を有する窒化物半導体層の最上層と放熱部の最上層の高さを０〜２μｍ以内にすると、従来の窒化物半導体レーザダイオードのように著しい段差がなくなり、窒化物半導体レーザダイオードの正及び負電極を有する面を放熱体に接触させても斜めにならず良好に接触でき、放熱性が著しく改善される。また、放熱部は窒化物半導体であるので熱伝導性に優れており、この点でも放熱部が熱を放散するのに適している。
【０００９】
本発明は、正電極及び負電極を有する同一面の少なくとも１箇所以上に窒化物半導体層からなる放熱部を有している窒化物半導体レーザダイオードであれば良く、窒化物半導体レーザダイオードにおける放熱部以外のその他の構成（窒化物半導体層の層構成、電極の形状及び材質等）は特に限定されず、公知の種種の窒化物半導体レーザダイオードの構成が適用できる。
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の放熱部を有する窒化物半導体レーザダイオードについて具体的に説明する。
図２は、本発明の一実施態様である窒化物半導体レーザダイオードの模式的な断面図である。
図２は、基板１上にｎ型層２（光ガイド層及び光閉じこめ層等の積層構造を有する）、活性層３、ｐ型層４（光りガイド層及び光閉じこめ層等の積層構造を有する）を積層し、エッチング処理で形成した凹部のｎ型窒化物半導体層上にｎ−オーミック電極１１（負電極）、エッチングされない凸部のｐ型窒化物半導体層にｐ−オーミック電極１２（正電極）を各々設置し、ｐ−オーミック電極１２を有するｐ型窒化物半導体層の面上及び図２に示す様に窒化物半導体層の側面から露出しているｎ型層上に絶縁膜１３を形成し、ｐ側のｐ−オーミック電極１２上にｐ−パット電極１５を形成し、ｎ側のｎ−オーミック電極１１上からｎ−オーミック電極１１に隣接しエッチングで除去されない窒化物半導体層の放熱部３０にｎ−パット電極１４を図２のように形成し、ｐ−パット電極１５とリード電極４２、及びｎ−パット電極１４とリード電極４１とを導電性材料５２、５１でそれそれヒートシンク４０にダイレクトボンディングしてなる窒化物半導体レーザダイオード１０１である。
【００１１】
放熱部３０は、図面に向かってｎ−オーミック電極１１の左隣の窒化物半導体層をエッチングで除去せずに残存させヒートシンク４０に接触可能な形状で形成されている。放熱部３０がｎ−オーミック電極１１の左隣に設けられることにより、電極に生じるジュール熱を効率良くヒートシンク４０に放散させることができる。また、放熱部３０の高さをｐ−オーミック電極１２を有するｐ側の窒化物半導体層と同一にし、更にｐ−オーミック電極１２の厚みと同一に絶縁膜１３をｐ−オーミック電極１２の両側に設けることにより、窒化物半導体レーザダイオード１０１の正及び負電極を有する面がヒートシンク４０に良好に接触できるようになる。また放熱部３０にｎ−オーミック電極１１と電気的に接触されたｎ−パット電極１４及びｐ−オーミック電極１２と電気的に接触されたｐ−パット電極１５を厚みを考慮して各々設けることで、ｐ側とｎ側の高低差をほぼ０μｍに調整することができ、窒化物半導体レーザダイオード１０１とヒートシンク４０とが水平に接触でき、より一層効率的に熱の放散が行われる。
【００１２】
このように、半導体レーザダイオード１０１をヒートシンク４０に接触させる際、放熱部３０が形成されているためｐ側とｎ側との間に段差が発生せず半導体レーザダイオード１０１がヒートシンク４０とほぼ水平状に接触できる。更に放熱部３０が窒化物半導体と同一材料よりなっているので、活性層３の発熱が迅速に放熱部３０に伝わる。更に放熱部３０には熱伝導率の良いＡｕ、Ａｇ、Ａｕ／Ｇｅ等の金属材料よりなるｎ−パット電極１４が設けられているので、熱がこの部材を介して効率良くヒートシンク４０に伝導される。
【００１３】
ｐ−オーミック電極１２を有するｐ型窒化物半導体層の最上層と放熱部３０の最上層との高低差が０〜２μｍ、好ましくは０〜１μｍであるとヒートシンク４０との接触が良好となり、熱伝導性が更に向上し、また、ヒートシンク４０に対してほぼ水平にボンディングできるため窒化物半導体レーザ製造上、分留が向上して好都合である。
ｐ−パット電極１５及びｎ−パット電極１４をダイレクトボンディングする導電性材料５１及び５２はＩｎ、ＰｂＳｎ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ等の半田材、銀ペースト、Ｉｎペースト等を使用することができる。
【００１４】
図３は、本発明の一実施態様である窒化物半導体レーザダイオードの模式的な断面図である。
図３は、基板１上にｎ型層２（光ガイド層及び光閉じこめ層等の積層構造を有する）、活性層３、ｐ型層４（光りガイド層及び光閉じこめ層等の積層構造を有する）を積層し、エッチング処理でリッジ形状にされたｐ型窒化物半導体層の最上層にｐ−オーミック電極１２を設置し、エッチング処理でｎ型窒化物半導体層に形成された凹部のｎ型窒化物半導体層上にｎ−オーミック電極１１を設置し、ｎ−オーミック電極１１に隣接して放熱部３０及びｐ側のリッジを形成した以外のｐ側の窒化物半導体層に放熱部３１を各々設け、ｐ−パット電極１５とリード電極４２、及びｎ−パット電極１４とリード電極４１とを導電性材料５２、５１でそれぞれヒートシンク４０でダイレクトボンディングしてなる窒化物半導体レーザダイオード１０２である。
本発明は、従来、図１に示す様にリッジを形成する場合、ｐ側の窒化物半導体層は図１のｐ型層４の様にエッチングされるのに対し、従来除去されていたリッジのサイドの窒化物半導体をエッチングで除去することなく残存させ放熱部３１を形成することで、放熱部３０に加えてヒートシンク４０への熱伝導性が向上する。更にリッジの形成位置をレーザの構成などと加味し、その都度適切に選択することで、例えばｐ型窒化物半導体層の中央や端部などを選択することで、放熱部３１を容易に形成でき且つ放熱部３１の性能を十分に発揮させる等のことができる。このように、リッジがｐ側の左端であるときはｐ側窒化物半導体層の中央から右端にかけて、又、図示されてないが、リッジがｐ側の中央であるときはリッジの両側に、各々放熱部を設けるなど、電極が形成されてないｐ側及びｎ側の窒化物半導体層上に可能なだけ放熱部を形成することができる。
【００１５】
図３の放熱部３１の窒化物半導体の最上層とリッジの窒化物半導体の最上層の高さを一致させるのが好ましく、更に放熱部３１の最上層、リッジの最上層及び放熱部３０の高さを一致させるのがより好ましい。こうすることで窒化物半導体層上の正及び負電極とヒートシンクとの接触性が良好となり、放熱性が向上する。図３では、リッジの電極１２の両側に絶縁膜１３を設け、更にｐ側にｐ−パット電極１５、ｎ側にｎ−パット電極１４を設け、ｐ側とｎ側の高低差をほぼ同一にしてある。
また、本発明は、ｐ側とｎ側の高低差が少なくなると、ダイレクトボンディングする導電性材料の量も少なくてすむので正負の電極間がショートする確率が少なくなり産業上の利用価値が増大する。
【００１６】
【実施例】
以下有機金属気相成長法により、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を製造し放熱性の改善によるしきい値の上昇の抑制及び寿命特性について以下に本発明の一実施例及び比較例を示し比較した。
［比較例］
ＭＯＣＶＤを用いてサファイア基板上に成長させたＧａＮ系化合物半導体青色発光素子を図１のようなｐ層形状が残るようにｐ型ＧａＮ層、及びｎ型ＩｎＧａＮ層の一部をエッチングにより取り除いた後、ｐ型化処理を行い最上層のｐ型ＧａＮ層を更に低抵抗化する。図１の様にｐ型層にはｐ−オーミック電極１２、ｎ型層にはｎ−オーミック電極１１を形成し、これを５００℃で熱処理を行い、フェイスダウンでダイボンドし、後は常法に従いレーザダイオードとした。
この素子をパルスで発振を試みたところ、しきい値電流密度は５ＫＡ／ｃｍ２で１時間後の出力は６０％低下していた。
［実施例］
実施例において、図３のようにｐ側及びｎ側にリッジ高さと同一の放熱部３０、３１を設け（ｐ−ＧａＮをエッチングせず、所望する形状で残す）、ｐ側とｎ側の高低差をなくし、このｐ及びｎ側の放熱部３０、３１にまでパット電極を形成する様に変える以外は比較例と同様にしてレーザダイオードとした。
この素子をパルスで発振を試みたところ、しきい値電流密度は３．５ＫＡ／ｃｍ２で１時間後の出力は１０％低下した。
【００１７】
以上のように放熱部を設置してある実施例は、放熱部を有してない比較例に比べしきい値電流密度が低く出力の低下が少なく寿命特性が良好である。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、正電極及び負電極を有する面に放熱部を形成することによって、放熱性を改善し、しきい値の上昇を抑え、寿命特性が著しく向上する。
更に、本発明は正電極を有するｐ側窒化物半導体層の高さ、正電極を有するｐ側に放熱部を有する場合は放熱部の高さ、及びｎ側の放熱部の高さが、高低差内０〜２μｍであると放熱体との接触をより良好にし、更に好ましい効果が得られる。
更に、その他の効果として、本発明は、半導体レーザダイオードと放熱体がほぼ平行に接触するため、レーザ光を集光するためのレンズの設計も容易になる。更に、その他の効果として、本発明は、窒化物半導体層の電極を有する面でｐ側とｎ側の高低差が少なくなると、ダイレクトボンディングする導電性材料の量も少なくてすむので正電極と負電極間がショートする確率が少なくなり産業上の利用価値が増大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の窒化物半導体レーザダイオードの模式的断面図である。
【図２】本発明の一実施態様である窒化物半導体レーザダイオードの模式的断面図である。
【図３】本発明の一実施態様である窒化物半導体レーザダイオードの模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・ｎ型層
３・・・活性層
４・・・ｐ型層
１１・・・ｎ−オーミック電極
１２・・・ｐ−オーミック電極
１３・・・絶縁膜
１４・・・ｎ−パット電極
１５・・・ｐ−パット電極
３０、３１・・・放熱部
４０・・・ヒートシンク
４１、４２・・・リード電極
５１、５２・・・導電性材料
【図１】
0003786000.tif 000002
【図２】
0003786000.tif 000003
【図３】
0003786000.tif 000004