JP2007188928A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高歩留まりで実装可能な窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、基板１０１と、基板１０１上に配置されたｎ型窒化物半導体層１０２と、ｎ型窒化物半導体層上に配置された窒化物半導体からなる活性層１１０と、活性層１１０上に配置され、一部にリッジストライプ形状を有するｐ型窒化物半導体層１０３と、リッジストライプ形状の上面においてｐ型窒化物半導体層１０３と接触する第一の電極１０５と、第一の電極１０５上に配置された第二の電極１０６と、第二の電極１０６上に配置された第三の電極１０７とを有し、第三の電極１０７はリッジストライプ形状の上面の上方を避けて配置されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光情報処理分野などへの応用が期待される半導体レーザなどの窒化物半導体発光素子に関するものである。

Ｖ族元素に窒素（Ｎ）を有する窒化物半導体は、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いる。中でも窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体：Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ, ｙ, ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、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の開発が進められている。

図４は窒化物半導体を用いて形成した従来の半導体レーザの構造図である。窒化物半導体を用いて形成した半導体レーザに関しては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。

図４の半導体レーザの製造方法について説明する。まず、有機金属気相成長法により、ｎ型ＧａＮ基板４０１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層からなるｎ型窒化物半導体４０２を堆積させる。さらに、Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ/Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ（０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層４１０、ｐ−ＧａＮ光ガイド層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＧａＮコンタクト層からなるｐ型窒化物半導体４０３を形成する。そしてｐ型窒化物半導体４０３を幅１〜２μｍ程度のリッジストライプ形状に加工し、その両側を絶縁膜４０４によって埋め込む。その後リッジストライプ頂部のｐ型窒化物半導体４０３と接するように、例えばＰｄ／Ｐｔからなるｐ電極４０５を形成する。次に、ｐ電極４０５の上に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド電極４０６を形成する。

そして、基板４０１の裏面を研磨し薄膜化した後、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極４０７を基板４０１の裏面に形成する。次に、基板４０１の＜１１―２０＞方向に沿って、一次へき開を行ない、（１−１００）面からなる共振器端面を形成した後、共振器端面に誘電体膜からなる反射膜をスパッタ法によって形成する。さらに、＜１―１００＞方向に沿って二次へき開を行ない、チップ分離する。以上の工程を経て、半導体レーザチップが形成される。

次にチップをサブマウントに実装する。サブマウントは、例えば、ＳｉＣ基板と基板上にパターニングされた金属配線と金属配線上の半田からなる。半田を加熱して溶かしながら、チップ裏面をサブマウントに押さえつけることにより、チップ裏面のｎ電極４０７をサブマウントの金属配線と接合する。また、表面側のパッド電極４０６にはＡｕワイヤー４０８がワイヤーボンディングされる。ワイヤーボンディング工程では、ボンディング時に加わる加重によって、デバイスに結晶欠陥やクラックなどの損傷が発生し、歩留まりを低下させる。これを改善する手段として、例えば、特許文献２に記載されているように、活性層の導波路領域上部、即ちリッジストライプの上部を避けた位置にワイヤーボンディングを行う方法が知られている。

このような従来の半導体レーザにおいて、サブマウントの金属配線を介してｎ電極４０７を接地し、Ａｕワイヤー４０８を介してｐ電極４０５に電圧を印可すると、ＭＱＷ活性層に向かってｐ電極４０5側からホールが、またｎ電極４０７側から電子が注入され、前記ＭＱＷ活性層内で光学利得を生じ、発振波長４００ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。
特開平１１-３３０６２２号公報 特開平１０-０９３１８６号公報

上述のように、半導体レーザの実装工程には、Ａｕワイヤーをパッド電極にワイヤーボンディングする工程を有する。ボンディング時に加わる加重によって、デバイスに結晶欠陥やクラックなどの損傷が発生し、歩留まりが低下するという不良を改善する手段として、上述したように、活性層の導波路領域上部を避けた位置にワイヤーボンディングを行う方法が知られている。

しかしながら、この方法は、ダメージの加わる場所を素子の活性領域から遠ざける手法であって、ボンディング位置に導入されるダメージそのものを低減するものではない。光ディスク用途で将来必要とされる高出力レーザにおいては、素子の信頼性にあたえるボンディングダメージの影響が大きくなることが予想され、ワイヤーボンディングの位置の制御だけでなく、ワイヤーボンディングによるダメージそのものを低減する必要がある。

一方、ワイヤーボンディングによるダメージを低減する方策の一つとして、パッド電極の膜厚を厚くすることが考えられる。これは厚いパッド電極でワイヤーボンディング時の衝撃を吸収し、素子へのダメージを低減するという手法である。しかしながら、従来の素子構造でパッド電極の膜厚を厚くすると、パッド電極の膜応力が増し、この応力がリッジストライプや素子の活性領域に加わることになり、高出力動作時の素子の信頼性を悪化させる可能性がある。

本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、ワイヤーボンディング時のダメージが少なく、かつ、リッジストライプの上部の電極の膜応力の小さい窒化物半導体発光素子を提供するものである。特に高出力の光ディスク用レーザへの応用において効果的である。

本発明の窒化物半導体発光素子は基板と、前記基板上に配置されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に配置された窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に配置され、一部にリッジストライプ形状を有するｐ型窒化物半導体層と、前記リッジストライプ形状の上面において前記ｐ型窒化物半導体層と接触する第一の電極と、前記第一の電極上に配置された第二の電極と、前記第二の電極上に配置された第三の電極と、を有し、前記第三の電極は前記リッジストライプ形状の上面の上方を避けて配置されることを特徴とする。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第三の電極は前記リッジストライプ形状の上面の上方を避けて配置されることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第三の電極は前記第一の電極の上方を避けて配置されることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第一の電極と前記第二の電極とはＡｕを含まず、前記第三の電極はAuを含むことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第二の電極の膜厚が０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、前記第三の電極の膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。

本発明による窒化物半導体発光素子は、ワイヤーボンディング工程でのダメージが、リッジストライプ下部の活性領域に伝わりにくく、ワイヤーボンディング工程での歩留まり低下が少ない。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明による窒化物半導体発光素子である窒化物半導体レーザの構造について説明する。図１は第１の実施例を示す窒化物半導体レーザの構造図である。基板１０１は、六方晶の結晶構造を有するｎ型窒化物半導体からなり、表面は（０００１）面である。基板１０１上には、例えば、ｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層とｎ−ＧａＮ光ガイド層からなるｎ型窒化物半導体１０２が形成されており、さらにその上には、例えば、多重量子井戸活性層１１０、p-GaN光ガイド層とｐ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層とｐ−ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体１０３が形成されている。ｐ型窒化物半導体１０３はリッジストライプ形状に加工されており、リッジストライプの頂部に開口を有する絶縁膜１０４で被覆されている。そして、リッジストライプ頂部のｐ型半導体１０３と接するように、例えば、Ｐｄ／Ｐｔからなるｐ電極１０５が形成されている。ｐ電極１０５の上にはｐ電極１０５と接するように、例えば、膜厚５０ｎｍのＴｉと膜厚１５０ｎｍのＰｔからなるＴｉ／Ｐｔからなる配線電極１０６が形成されている。配線電極１０６上のリッジストライプ直上を避けた領域には、配線電極１０６と接するように、例えば、膜厚５０ｎｍのＴｉと膜厚３μｍのＡｕからなるＴｉ／Ａｕからなるパッド電極１０７が形成されている。パッド電極１０７には、Auワイヤー１０９がワイヤーボンドされている。裏面側には基板１０１に接するように、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極１０８が形成される。共振器端面は基板１０１の（１―１００）面からなり、リッジストライプは＜１―１００＞方向に形成される。

上記窒化物半導体レーザにおいてｎ電極１０８を接地し、Ａｕワイヤー１０９を介して、ｐ電極１０５に電圧を加えると、多重量子井戸活性層１１０に向かってｐ電極１０５側からホールが、またｎ電極１０８側から電子が注入され、前記多重量子井戸活性層１１０内で光学利得を生じ、発振波長４００ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。

本発明による窒化物半導体レーザは、Ａｕワイヤー１０９が、配線電極１０６上のリッジストライプ直上を避けた領域に作られたパッド電極１０７にボンディングされているため、ワイヤーボンディング工程でのダメージが、リッジストライプ下部の活性領域に伝わりにくく、ワイヤーボンディング工程での歩留まり低下が少ない。

また、本発明による窒化物半導体レーザは、パッド電極１０７がリッジストライプ直上を避けて配置されているため、パッド電極１０７の膜厚増加に伴う過剰な膜応力がリッジストライプに加わりにくい。したがって、パッド電極１０７を厚膜化することによってワイヤーボンディング工程の歩留まりを向上させた場合に、素子の活性領域に過剰な応力が加わることに起因する信頼性低下が発生しにくい。

なお、素子の消費電力を小さくするという観点では、配線電極１０６の膜厚を厚くすることが望ましい。しかしながら、配線電極１０６の膜厚が厚くなりすぎるとリッジストライプに加わる応力が大きくなり、素子の信頼性低下の要因となる。したがって、配線電極１０６の膜厚は０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが望ましい。

なお、パッド電極１０７の膜厚は、ワイヤーボンディング工程における衝撃を効果的に緩和するため、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。

なお、本実施の形態では、パッド電極１０７はリッジストライプ直上を避けて配置したが、Ｐ電極１０５の直上を避けて配置することがより望ましい。

（実施の形態２）
図１の半導体レーザの作製方法を図２で説明する。まず、図２（ａ）に示すように、六方晶の結晶構造を有するｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層とｎ−ＧａＮ光ガイド層からなるＮ型窒化物半導体１０２、多重量子井戸活性層１１０、p-GaN光ガイド層とｐ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層とｐ−ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体１０３を順次堆積する。

その後、図２（ｂ）に示すように、例えば、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングによって、ｐ型窒化物半導体１０３を幅１〜２μｍ程度のリッジストライプ形状に加工する。そして、例えば、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを原料とするプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ２からなる厚さ１００ｎｍの絶縁膜１０４を基板表面に形成する。その後、リッジストライプの頂部を被覆する絶縁膜１０４を除去し、リッジストライプ頂部に電流注入領域を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、リフトオフ法により、リッジストライプ頂部に露出しているｐ型窒化物半導体１０３表面に接するように、例えば、Pd／Ptからなるｐ電極１０５を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、リフトオフ法により、ｐ電極１０５の上に、例えば、膜厚５０ｎｍのＴｉと膜厚１５０ｎｍのＰｔからなるTi/Ptからなる配線電極１０６を形成する。

次に、図２（e）に示すように、リフトオフ法により、配線電極１０６の上に、例えば、膜厚５０ｎｍのＴｉと膜厚３μｍのＡｕからなるTi/Auからなるパッド電極１０７を形成する。パッド電極１０７は、配線電極１０６上で、且つリッジストライプ直上を避けた領域に配置する。

次に、基板１０１の裏面を研磨し薄膜化した後、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極１０８を形成する。そして、基板１０１の＜１１―２０＞方向に沿って、一次へき開を行ない、（１−１００）面からなる共振器端面を形成した後、共振器端面に誘電体膜からなる反射膜をスパッタ法によって形成する。さらに、＜１―１００＞方向に沿って二次へき開を行ない、チップ分離する。以上の工程を経て、半導体レーザが形成される。

次に上記半導体レーザをサブマウントに実装する。サブマウントは、例えば、ＳｉＣ基板と基板上にパターニングされた金属配線と金属配線上の半田からなる。半田を加熱して溶かしながら、半導体レーザの基板裏面をサブマウントに押さえつけることにより、基板裏面のｎ電極１０８をサブマウントの金属配線と接合する。また、表面側のパッド電極にはＡｕワイヤー１０９がワイヤーボンディングされる。

本素子においてサブマウントの金属配線を介してｎ電極１０８を接地し、Ａｕワイヤー１０９を介してｐ電極１０５に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１１０に向かってｐ電極１０５側からホールが、またｎ電極１０８側から電子が注入され、前記ＭＱＷ活性層内で光学利得を生じ、発振波長４００ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。

本発明による窒化物半導体レーザでは、Ａｕワイヤー１０９をボンディングするためのパッド電極が、配線電極１０６上のリッジストライプ直上を避けた領域に作られているため、ワイヤーボンディング工程でのダメージが、リッジストライプ下部の活性領域に伝わりにくく、ワイヤーボンディング工程での歩留まり低下が少ない。

また、本発明による窒化物半導体レーザでは、パッド電極１０７がリッジストライプ直上を避けて配置されているため、パッド電極１０７の膜厚増加に伴う過剰な応力がリッジストライプに加わりにくい。したがって、パッド電極１０７を厚膜化することによってワイヤーボンディング工程の歩留まりを向上させた場合に、素子の活性領域に過剰な応力が加わることに起因する信頼性低下が発生しにくい。

なお、素子の消費電力を小さくするという観点では、配線電極１０６の膜厚を厚くすることが望ましい。しかしながら、配線電極１０６の膜厚が厚くなりすぎるとリッジストライプに加わる応力が大きくなり、素子の信頼性低下の要因となる。したがって、配線電極１０６の膜厚は０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが望ましい。

なお、パッド電極１０７の膜厚は、ワイヤーボンディング工程における衝撃を効果的に緩和するため、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。

なお、本実施の形態では、パッド電極１０７はリッジストライプ直上を避けて配置したが、Ｐ電極１０５の直上を避けて配置することがより望ましい。

（実施の形態３）
図１の半導体レーザの別の作製方法を図３で説明する。まず、図３（ａ）に示すように、六方晶の結晶構造を有するｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層とｎ−ＧａＮ光ガイド層からなるＮ型窒化物半導体１０２、多重量子井戸活性層１１０、p-GaN光ガイド層とｐ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層とｐ−ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体１０３を順次堆積する。

その後、図３（ｂ）に示すように、例えば、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングによって、ｐ型窒化物半導体１０３を幅１〜２μｍ程度のリッジストライプ形状に加工する。そして、例えば、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを原料とするプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ２からなる厚さ１００ｎｍの絶縁膜１０４を基板表面に形成する。その後、リッジストライプの頂部を被覆する絶縁膜１０４を除去し、リッジストライプ頂部に電流注入領域を形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、リフトオフ法により、リッジストライプ頂部に露出しているｐ型窒化物半導体１０３表面に接するように、例えば、Pd／Ptからなるｐ電極１０５を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、リフトオフ法により、ｐ電極１０５の上に、例えば、膜厚５０ｎｍのＴｉと膜厚１５０ｎｍのＰｔと膜厚３μｍのＡｕからなるTi/Pt/Ａｕからなる配線電極１０６を形成する。

次に、フォトリソグラフィ法により、配線電極１０６の上に、パッド電極パターンを有するレジストパターンを形成する。レジストパターンは配線電極１０６上のリッジストライプ直上を避けた領域に配置する。次に、ＫＩとＩ_２とＨ_２Ｏの混合液を用いて、配線電極１０６の最上層であるＡｕをエッチングする。この時、レジストで保護された配線電極最上層のＡｕはエッチングされずに残り、パッド電極１０７となる。レジスト除去後、基板表面には、図３（ｅ）に示すように、Ｔｉ／Ｐｔからなる配線電極１０６とＡｕからなるパッド電極１０７が形成される。

次に、基板１０１の裏面を研磨し薄膜化した後、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極１０８を形成する。そして、基板１０１の＜１１―２０＞方向に沿って、一次へき開を行ない、（１−１００）面からなる共振器端面を形成した後、共振器端面に誘電体膜からなる反射膜をスパッタ法によって形成する。さらに、＜１―１００＞方向に沿って二次へき開を行ない、チップ分離する。以上の工程を経て、半導体レーザチップが形成される。

次にチップをサブマウントに実装する。サブマウントは、例えば、ＳｉＣ基板と基板上にパターニングされた金属配線と金属配線上の半田からなる。半田を加熱して溶かしながら、チップ裏面をサブマウントに押さえつけることにより、チップ裏面のｎ電極１０８をサブマウントの金属配線と接合する。また、表面側のパッド電極１０７にはＡｕワイヤー１０９がワイヤーボンディングされる。

本素子においてサブマウントの金属配線を介してＮ電極１０８を接地し、Ａｕワイヤー１０９を介してｐ電極１０５に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層に向かってｐ電極１０５側からホールが、またｎ電極１０８側から電子が注入され、前記ＭＱＷ活性層内で光学利得を生じ、発振波長４００ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。

本発明による窒化物半導体レーザでは、Ａｕワイヤー１０９をボンディングするためのパッド電極が、配線電極１０６上のリッジストライプ直上を避けた領域に作られているため、ワイヤーボンディング工程でのダメージが、リッジストライプ下部の活性領域に伝わりにくく、ワイヤーボンディング工程での歩留まり低下が少ない。

また、本発明による窒化物半導体レーザでは、パッド電極１０７がリッジストライプ直上を避けて配置されているため、パッド電極１０７の膜厚増加に伴う過剰な応力がリッジストライプに加わりにくい。したがって、パッド電極１０７を厚膜化することによってワイヤーボンディング工程の歩留まりを向上させた場合に、素子の活性領域に過剰な応力が加わることに起因する信頼性低下が発生しにくい。

なお、素子の消費電力を小さくするという観点では、配線電極１０６の膜厚を厚くすることが望ましい。しかしながら、配線電極１０６の膜厚が厚くなりすぎるとリッジストライプに加わる応力が大きくなり、素子の信頼性低下の要因となる。したがって、配線電極１０６の膜厚は０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが望ましい。

なお、パッド電極１０７の膜厚は、ワイヤーボンディング工程における衝撃を効果的に緩和するため、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。

なお、本実施の形態では、パッド電極１０７はリッジストライプ直上を避けて配置したが、Ｐ電極１０５の直上を避けて配置することがより望ましい。

なお、本実施の形態では、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる配線電極１０６を一旦形成した後、最上層のＡｕを部分的にウェットエッチングすることによって、Ｔｉ／Ｐｔからなる配線電極１０６とＡｕからなるパッド電極１０７を形成している。エッチング液には、Ａｕをエッチングするのに一般的に使用されているＫＩとＩ_２とＨ_２Ｏの混合液を用いるが、ｐ電極１０５や配線電極１０６の最上層以外の部分にＡｕが含まれていると、ピンホールなどを介してエッチング液が浸透し、浸透した部分のＡｕが溶け出し、不良の原因となり得る。したがって、ｐ電極１０５はＡｕを含有せず、また、配線電極１０６はＡｕ以外の金属からなる層とＡｕからなる最上層とが積層された構造を有することが望ましい。

本発明による窒化物半導体発光素子は主として光情報処理分野での利用が期待される。

本発明の第１の実施の形態を示す窒化物半導体レーザの構造図 本発明の第２の実施の形態を示す窒化物半導体レーザの製造方法を工程順に示した構造断面図 本発明の第３の実施の形態を示す窒化物半導体レーザの製造方法を工程順に示した構造断面図 従来の窒化物半導体レーザの構造図

符号の説明

１０１ ｎ型ＧａＮ基板
１０２ ｎ型窒化物半導体
１０３ ｐ型窒化物半導体
１０４ 絶縁膜
１０５ ｐ電極
１０６ 配線電極
１０７ パッド電極
１０８ ｎ電極
１０９ Auワイヤー
４０１ ｎ型ＧａＮ基板
４０２ ｎ型窒化物半導体
４０３ ｐ型窒化物半導体
４０４ 絶縁膜
４０５ ｐ電極
４０６ パッド電極
４０７ ｎ電極
４０８ Auワイヤー

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上に配置された窒化物半導体からなる活性層と、
   前記活性層上に配置され、一部にリッジストライプ形状を有するｐ型窒化物半導体層と、
   前記リッジストライプ形状の上面において前記ｐ型窒化物半導体層と接触する第一の電極と、
   前記第一の電極上に配置された第二の電極と、
   前記第二の電極上に配置された第三の電極と、
   を有し、
   前記第三の電極は前記リッジストライプ形状の上面の上方を避けて配置されること
   を特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記第三の電極は前記第一の電極の上方を避けて配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記第一の電極と前記第二の電極とはＡｕを含まず、
   前記第三の電極はAuを含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記第二の電極の膜厚が０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、
   前記第三の電極の膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下であること
   を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

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