JP2000012970A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
V族化合物半導体を用いた半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 サファイア基板1の一主面にレーザ構造
を形成するGaN系半導体層を形成し、このGaN系半
導体層上にp側電極16をn側電極17より高く形成す
るGaN系半導体レーザにおいて、p側電極形成領域に
おけるGaN系半導体層の上部に溝12、13を互いに
平行に形成してそれらの間にリッジ部14を形成し、こ
れらのリッジ部14および溝12、13にまたがってp
側電極16を形成する。
Description
に関し、特に、GaNなどの窒化物系III−V族化合
物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードに適用
して好適なものである。
り、その禁制帯幅は1.9eVから6.2eVに亘って
おり、可視領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な発
光素子の実現が可能であることから、近年注目を集めて
おり、その開発が活発に進められている。
でに発光ダイオードが実用化されている。このGaN系
発光ダイオードの実用化により、単に緑色〜紫外の波長
範囲の短波長光源が得られただけでなく、高輝度の三原
色発光ダイオード光源がそろったことでフルカラーディ
スプレイなどへの応用も確実となった。一方、GaN系
半導体レーザについては、実用化にはまだ至っていない
ものの、すでに室温連続発振が達成され、現在は長寿命
化が図られている。
te Confinement Heterostructure)構造を有する従来の
GaN系半導体レーザの一例を示す。
レーザにおいては、c面サファイア基板101上に、低
温成長によるアンドープGaNバッファ層102を介し
て、アンドープGaN層103、n型GaNコンタクト
層104、n型AlGaNクラッド層105、n型Ga
N光導波層106、Ga1-x Inx N/Ga1-y Iny
N多重量子井戸構造の活性層107、p型AlGaNキ
ャップ層108、p型GaN光導波層109、p型Al
GaNクラッド層110およびp型GaNコンタクト層
111が順次積層されている。ここで、p型AlGaN
キャップ層108は、p型GaN光導波層109、p型
AlGaNクラッド層110およびp型GaNコンタク
ト層111を1000℃程度の温度で成長させる際にG
a1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重量子井戸構造の
活性層107からInNが分解するのを防止するととも
に、活性層107からの電子のオーバーフローを防止す
るためのものである。
n型AlGaNクラッド層105、n型GaN光導波層
106、Ga1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重量子
井戸構造の活性層107、p型AlGaNキャップ層1
08、p型GaN光導波層109、p型AlGaNクラ
ッド層110およびp型GaNコンタクト層111は所
定幅のメサ形状を有する。また、このメサ部におけるp
型AlGaNクラッド層110の上層部およびp型Ga
Nコンタクト層111には一方向に延在する所定幅のリ
ッジ部112が形成されている。メサ部の表面およびメ
サ部以外の部分のn型GaNコンタクト層104の表面
にはSiO2 膜のような絶縁膜113が設けられてい
る。この絶縁膜112には、リッジ部112の上の部分
に開口113aが、メサ部に隣接する部分のn型GaN
コンタクト層104の上の部分に開口113bが設けら
れている。そして、リッジ部112をまたぐようにp側
電極114が設けられており、絶縁膜113の開口11
3aを通じてリッジ部112のp型GaNコンタクト層
111とオーミックコンタクトしている。また、絶縁膜
113の開口113bを通じてn型GaNコンタクト層
104上にn側電極115がオーミックコンタクトして
設けられている。
半導体レーザをサブマウント上に実装する場合には、こ
のGaN系半導体レーザのp側電極114およびn側電
極115を下にしてこれらのp側電極114およびn側
電極115をはんだなどを介してサブマウント上にあら
かじめ形成された電極と接続する必要がある。
半導体レーザのp側電極114のうちのリッジ部112
の上の平坦部しかサブマウントと当たらないことから、
p側電極114とサブマウントとの熱抵抗が高く、ま
た、GaN系半導体レーザをサブマウント上に置いたと
きの安定性が悪く、傾きやすいなどの問題があり、実装
の信頼性が悪かった。
性で実装が可能な窒化物系III−V族化合物半導体を
用いた半導体発光素子を提供することにある。
に、この発明は、基板の一方の主面に発光素子構造を形
成する窒化物系III−V族化合物半導体層を有し、窒
化物系III−V族化合物半導体層上に第1の電極が第
2の電極より高く形成された半導体発光素子において、
第1の電極の形成領域における窒化物系III−V族化
合物半導体層の上部に線状の突起部およびこの突起部の
少なくとも一方の側の溝が形成されていることを特徴と
するものである。
には、突起部およびこの突起部の少なくとも一方の側の
溝をまたぐように形成される。また、この溝は、第1の
電極の最も高い部分に形成される平坦部の面積をより大
きくするために、好適には、突起部の両側に形成され
る。典型的な一つの例では、第1の電極は、突起部の窒
化物系III−V族化合物半導体層と接触しており、突
起部以外の部分では窒化物系III−V族化合物半導体
層上に形成された絶縁膜と接触している。典型的なもう
一つの例では、突起部の窒化物系III−V族化合物半
導体層上に第1の電極が形成されているとともに、第1
の電極を覆い、かつ突起部および溝をまたぐように第1
の電極の一部を構成するパッド電極が形成される。この
場合、このパッド電極により、突起部の窒化物系III
−V族化合物半導体層上に形成された第1の電極が機械
的に保護される。ここで、典型的には、第1の電極はp
側電極であり、第2の電極はn側電極である。
化合物半導体は、Ga、Al、InおよびBからなる群
より選ばれた少なくとも一種のIII族元素と、少なく
ともNを含み、場合によってさらにAsまたはPを含む
V族元素とからなり、具体例を挙げると、GaN、In
N、AlN、AlGaN、GaInN、AlGaInN
などである。
ば、第1の電極の形成領域における窒化物系III−V
族化合物半導体層の上部に線状の突起部およびこの突起
部の少なくとも一方の側の溝が形成されていることによ
り、この突起部およびこの突起部の少なくとも一方の側
の溝をまたぐように第1の電極を形成した場合、この第
1の電極には、この突起部とこの突起部の少なくとも一
方の側の溝の外側の部分とに平坦部が互いにほぼ同一の
高さで形成される。このため、この半導体発光素子を、
その第1の電極および第2の電極を下にしてサブマウン
ト上に実装する場合、サブマウントに対して第1の電極
がより広い面積で当たるようにすることができる。
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。
aN系半導体レーザを示す。このGaN系半導体レーザ
はリッジ構造およびSCH構造を有するものである。
よるGaN系半導体レーザにおいては、c面サファイア
基板1上に、低温成長によるアンドープGaNバッファ
層2を介して、アンドープGaN層3、n型GaNコン
タクト層4、n型AlGaNクラッド層5、n型GaN
光導波層6、Ga1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重
量子井戸構造の活性層7、p型AlGaNキャップ層
8、p型GaN光導波層9、p型AlGaNクラッド層
10およびp型GaNコンタクト層11が順次積層され
ている。ここで、p型AlGaNキャップ層8は、p型
GaN光導波層9、p型AlGaNクラッド層10およ
びp型GaNコンタクト層11を1000℃程度の温度
で成長させる際にGa1-x Inx N/Ga1-y Iny N
多重量子井戸構造の活性層7からInNが分解するのを
防止するとともに、活性層7からの電子のオーバーフロ
ーを防止するためのものである。
えば30nmであり、アンドープGaN層3は厚さが例
えば1μmである。n型GaNコンタクト層4は厚さが
例えば4μmであり、n型不純物として例えばSiがド
ープされている。n型AlGaNクラッド層5は厚さが
例えば0.7μmであり、n型不純物として例えばSi
がドープされている。n型GaN光導波層6は厚さが例
えば0.1μmであり、n型不純物として例えばSiが
ドープされている。p型AlGaNキャップ層8は厚さ
が例えば20nmであり、p型不純物として例えばMg
がドープされている。p型GaN光導波層9は厚さが例
えば0.1μmであり、p型不純物として例えばMgが
ドープされている。p型AlGaNクラッド層10は厚
さが例えば0.7μmであり、p型不純物として例えば
Mgがドープされている。また、n型AlGaNクラッ
ド層5およびp型AlGaNクラッド層10のAl組成
比は例えば0.07、p型AlGaNキャップ層8のA
l組成比は例えば0.16である。Ga1-x Inx N/
Ga1-y Iny N多重量子井戸構造の活性層7について
は、例えばx=0.11、y=0.01、Ga1-x In
x N層およびGa1-y Iny N層の厚さは例えばそれぞ
れ3nmおよび6nm、井戸数は4である。
AlGaNクラッド層5、n型GaN光導波層6、Ga
1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重量子井戸構造の活
性層7、p型AlGaNキャップ層8、p型GaN光導
波層9、p型AlGaNクラッド層10およびp型Ga
Nコンタクト層11は所定幅のメサ形状を有する。この
メサ部の高さは例えば2.3μm、幅は例えば250〜
300μmである。また、このメサ部におけるp型Al
GaNクラッド層10の上層部およびp型GaNコンタ
クト層11には例えばGaN系半導体の〈11−20〉
方向に互いに平行に直線状に延在する溝12、13が設
けられており、これらの溝12、13の間にリッジ部1
4が形成されている。これらの溝12、13の幅は例え
ばそれぞれ20nm、リッジ部14の幅は例えば4μm
である。また、溝12とメサ部の一側面との間の距離は
例えば10nmである。これらの溝12、13は、それ
らの底面の部分のp型AlGaNクラッド層10の厚さ
が例えば0.1μmになるような深さを有する。
型GaNコンタクト層4の表面には例えばSiO2 膜の
ような絶縁膜15が設けられている。この絶縁膜15の
厚さは例えば0.3μmである。この絶縁膜15には、
リッジ部14の上の部分に開口15aが、メサ部に隣接
する部分のn型GaNコンタクト層4の上の部分に開口
15bが設けられている。そして、リッジ部14および
溝12、13をまたぐようにp側電極16が設けられて
おり、絶縁膜15の開口15aを通じてリッジ部14の
p型GaNコンタクト層11とオーミックコンタクトし
ている。この場合、このp側電極16の両端はメサ部の
両側面とほぼ一致している。このp側電極16は、例え
ばNi膜、Pt膜およびAu膜を順次積層したNi/P
t/Au構造を有し、これらのNi膜、Pt膜およびA
u膜の厚さは例えばそれぞれ10nm、100nmおよ
び300nmである。また、絶縁膜15の開口15bを
通じてn型GaNコンタクト層4上にn側電極17がオ
ーミックコンタクトして設けられている。このn側電極
17は、例えばTi膜、Al膜、Pt膜およびAu膜を
順次積層したTi/Al/Pt/Au構造を有し、これ
らのTi膜、Al膜、Pt膜およびAu膜の厚さは例え
ばそれぞれ10nm、100nm、100nmおよび3
00nmである。
えば1mm、チップ幅は例えば600μmである。ま
た、共振器端面は例えばGaN系半導体層の(11−2
0)面である。共振器端面には端面コーティングが施さ
れ、フロント側およびリア側の共振器端面の反射率が例
えばそれぞれ64%および88%に設定されている。
実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法につい
て説明する。
は、まず、図2に示すように、c面サファイア基板1上
に有機金属化学気相成長(MOCVD)法により例えば
560℃程度の温度でアンドープGaNバッファ層2を
成長させた後、引き続いてMOCVD法により、このア
ンドープGaNバッファ層2上にアンドープGaN層
3、n型GaNコンタクト層4、n型AlGaNクラッ
ド層5、n型GaN光導波層6、Ga1-x Inx N/G
a1-y Iny N多重量子井戸構造の活性層7、p型Al
GaNキャップ層8、p型GaN光導波層9、p型Al
GaNクラッド層10およびp型GaNコンタクト層1
1を順次成長させる。ここで、Inを含まない層である
アンドープGaN層3、n型GaNコンタクト層4、n
型AlGaNクラッド層5、n型GaN光導波層6、p
型AlGaNキャップ層8、p型GaN光導波層9、p
型AlGaNクラッド層10およびp型GaNコンタク
ト層11の成長温度は1000℃程度とし、Inを含む
層であるGa1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重量子
井戸構造の活性層7の成長温度は700〜800℃とす
る。これらのGaN系半導体層の成長原料は、例えば、
III族元素であるGaの原料としてはトリメチルガリ
ウム(TMG)を、III族元素であるAlの原料とし
てはトリメチルアルミニウム(TMA)を、III族元
素であるInの原料としてはトリメチルインジウム(T
MI)を、V族元素であるNの原料としてはアンモニア
(NH3 )を用いる。また、キャリアガスとしては、例
えば、水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを用い
る。ドーパントについては、n型ドーパントとしては例
えばモノシラン(SiH4 )を、p型ドーパントとして
は例えばメチルシクロペンタジエニルマグネシウム
((MCp)2 Mg)を用いる。
に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法など
により例えば厚さが0.4μmのSiO2 膜を形成した
後、このSiO2 膜上にリソグラフィーにより所定形状
のレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジス
トパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチン
グ液を用いたウエットエッチング、または、CF4 やC
HF3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたドラ
イエッチング(RIEなど)によりSiO2 膜をエッチ
ングする。これによって、図2に示すように、p型Ga
Nコンタクト層11上にSiO2 膜からなるマスク18
が形成される。
いて例えば反応性イオンエッチング(RIE)法により
n型GaNコンタクト層4に達するまでエッチングを行
う。このとき、例えば、n型GaNコンタクト層4が
0.5μmエッチングされるようにする。このRIEの
エッチングガスとしては例えば塩素系ガス(Cl2 、S
iCl4 など)を用いる。
後、再び基板全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパ
ッタリング法などにより例えば厚さが0.2μmのSi
O2 膜を形成した後、このSiO2 膜上にリソグラフィ
ーにより所定形状のレジストパターン(図示せず)を形
成し、このレジストパターンをマスクとして例えばフッ
酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、また
は、CF4 やCHF3 などのフッ素を含むエッチングガ
スを用いたドライエッチング(RIEなど)によりSi
O2 膜をエッチングする。これによって、図4に示すよ
うに、メサ部を含む基板表面にSiO2 膜からなるマス
ク19が形成される。
いて例えばRIE法によりp型GaNコンタクト層11
の厚さ方向の所定の深さまでエッチングを行うことによ
り、溝12、13を形成し、リッジ部14を形成する。
このRIEのエッチングガスとしては例えば塩素系ガス
を用いる。
によりn側電極形成領域を除いた領域の表面を覆うレジ
ストパターン20を形成する。
ン20をマスクとして絶縁膜15をエッチングすること
により、開口15bを形成する。
の状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりTi膜、A
l膜、Pt膜およびAu膜を順次形成した後、レジスト
パターン20をその上に形成されたTi膜、Al膜、P
t膜およびAu膜とともに除去する(リフトオフ)。こ
れによって、図8に示すように、絶縁膜15の開口15
bの部分におけるn型GaNコンタクト層4上にTi/
Al/Pt/Au構造のn側電極17が形成される。
800℃で10分熱処理を行うことにより、p型AlG
aNキャップ層8、p型GaN光導波層9、p型AlG
aNクラッド層10およびp型GaNコンタクト層11
にドープされたp型不純物の電気的活性化を行うととも
に、n側電極17のアロイ処理を行う。
によりリッジ部14の領域を除いた領域の表面を覆うレ
ジストパターン21を形成する。
ーン21をマスクとして絶縁膜15をエッチングするこ
とにより開口15aを形成し、リッジ部14の上面を露
出させる。
ーによりp側電極形成領域を除いた領域の表面を覆うレ
ジストパターン22を形成する。
Ni膜、Pt膜およびAu膜を順次形成した後、レジス
トパターン22をその上に形成されたNi膜、Pt膜お
よびAu膜とともに除去する。これによって、図1に示
すように、リッジ部14および溝12、13にまたがっ
て、Ni/Pt/Au構造のp側電極16が形成され
る。次に、例えば、窒素ガス雰囲気中において600℃
で20分熱処理を行うことにより、p側電極16のアロ
イ処理を行う。
成されたc面サファイア基板1をバー状に加工して両共
振器端面を形成し、さらに端面コーティングを施した
後、このバーをチップ化する。これによって、目的とす
るリッジ構造およびSCH構造のGaN系半導体レーザ
が製造される。
ば、p側電極形成領域におけるp型GaNコンタクト層
11およびp型AlGaNクラッド層10に溝12、1
3が互いに平行に形成され、これらの溝12、13間に
リッジ部14が形成されており、これらのリッジ部14
および溝12、13をまたぐようにp側電極16が形成
されていることにより、このp側電極16には、リッジ
部14と溝12、13の外側の部分とに対応する部分に
平坦部が互いにほぼ同一の高さに形成される。このた
め、このGaN系半導体レーザをp側電極16およびn
側電極17を下にして例えばキャンパッケージのサブマ
ウント上に実装する場合、p側電極16はそれらの平坦
部でサブマウントに当たり、したがって従来より十分に
広い面積でサブマウントに当たる。これによって、p側
電極16とサブマウントとの熱抵抗が低くなり、また、
GaN系半導体レーザをサブマウント上に置いたときの
安定性が良好となって傾きが生じにくくなることから、
従来に比べて実装の信頼性の向上を図ることができる。
GaN系半導体レーザを示す。このGaN系半導体レー
ザもリッジ構造およびSCH構造を有するものである。
によるGaN系半導体レーザにおいては、絶縁膜15の
開口15aを通じてリッジ部14のp型GaNコンタク
ト層11上にp側電極16が設けられ、このp側電極1
6を覆うように、リッジ部14および溝12、13にま
たがってパッド電極23が設けられている。このパッド
電極23はp側電極16と電気的に接続されていて、p
側電極の一部として働く。また、n側電極17上にもパ
ッド電極24が設けられている。これらのパッド電極2
3、24は、例えばTi膜およびAu膜を順次積層した
Ti/Au構造を有し、これらのTi膜およびAu膜の
厚さは例えばそれぞれ50nmおよび450nmであ
る。その他のことは、第1の実施形態によるGaN系半
導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法につい
て説明する。
は、まず、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザ
と同様にして図8に示す工程までプロセスを進めた後、
図13に示すように、リソグラフィーによりリッジ部1
4の領域を除いた領域の表面を覆うレジストパターン2
5を形成する。
ーン25をマスクとして絶縁膜15をエッチングするこ
とにより開口15aを形成し、リッジ部14の上面を露
出させる。
の状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりNi膜、P
t膜およびAu膜を順次形成した後、レジストパターン
25をその上に形成されたNi膜、Pt膜およびAu膜
とともに除去する。これによって、図15に示すよう
に、絶縁膜15の開口15aにおけるリッジ部14のp
型GaNコンタクト層11上にNi/Pt/Au構造の
p側電極16が形成される。
ーによりパッド電極形成領域を除いた領域の表面を覆う
レジストパターン26を形成する。
の状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりTi膜およ
びAu膜を順次形成した後、レジストパターン26をそ
の上に形成されたTi膜およびAu膜とともに除去す
る。これによって、図12に示すように、p側電極16
を覆うようにリッジ部14および溝12、13にまたが
ってパッド電極23が形成されるとともに、n側電極1
7上にパッド電極24が形成される。
を進めて目的とするGaN系半導体レーザを製造する。
形態と同様な利点を得ることができるほか、p側電極1
6を覆うようにリッジ部14および溝12、13にまた
がってパッド電極23が設けられていることにより、ス
トライプ状に細長く形成されたp側電極16の機械的強
度の向上を図ることができ、GaN系半導体レーザの信
頼性および製造歩留まりの向上を図ることができるとい
う利点をも得ることができる。
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
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。
において挙げた数値、構造、原料、プロセスなどはあく
までも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数
値、構造、原料、プロセスなどを用いてもよい。
ば、第1の電極の形成領域における窒化物系III−V
族化合物半導体層の上部に線状の突起部およびこの突起
部の少なくとも一方の側の溝が形成されていることによ
り、半導体発光素子を高い信頼性で実装することが可能
となる。
体レーザの共振器長方向に垂直な断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
導体レーザの共振器長方向に垂直な断面図である。
導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
ある。
タクト層、5・・・n型AlGaNクラッド層、6・・
・n型GaN光導波層、7・・・活性層、8・・・p型
AlGaNキャップ層、9・・・p型GaN光導波層、
10・・・p型AlGaNクラッド層、11・・・p型
GaNコンタクト層、12、13・・・溝、14・・・
リッジ部、15・・・絶縁膜、16・・・p側電極、1
7・・・n側電極、23、24・・・パッド電極
Claims (6)
- 【請求項1】 基板の一方の主面に発光素子構造を形成
する窒化物系III−V族化合物半導体層を有し、 上記窒化物系III−V族化合物半導体層上に第1の電
極が第2の電極より高く形成された半導体発光素子にお
いて、 上記第1の電極の形成領域における上記窒化物系III
−V族化合物半導体層の上部に線状の突起部およびこの
突起部の少なくとも一方の側の溝が形成されていること
を特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項2】 上記第1の電極が上記突起部および上記
溝をまたぐように形成されていることを特徴とする請求
項1記載の半導体発光素子。 - 【請求項3】 上記突起部の両側に上記溝が形成されて
いることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 【請求項4】 上記第1の電極は上記突起部の上記窒化
物系III−V族化合物半導体層と接触しており、上記
突起部以外の部分では上記窒化物系III−V族化合物
半導体層上に形成された絶縁膜と接触していることを特
徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 【請求項5】 上記突起部の上記窒化物系III−V族
化合物半導体層上に上記第1の電極が形成されていると
ともに、上記第1の電極を覆い、かつ上記突起部および
上記溝をまたぐように上記第1の電極の一部を構成する
パッド電極が形成されていることを特徴とする請求項1
記載の半導体発光素子。 - 【請求項6】 上記第1の電極はp側電極であり、上記
第2の電極はn側電極であることを特徴とする請求項1
記載の半導体発光素子。
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-
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- 1998-06-19 JP JP17330998A patent/JP3716622B2/ja not_active Expired - Fee Related
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