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JP5425172B2 - 半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法に関し、より詳細には、六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
半導体レーザは、現在、非常に多くの技術分野で利用されているが、特に、例えばテレビやプロジェクタなどの映像表示装置の分野では不可欠の光デバイスになっている。このような用途では、光の三原色である赤色、緑色及び青色の光を出力する半導体レーザが必要となり、また、レーザ特性の向上が求められている。
特許文献１では、波長４００ｎｍ程度の短波長領域で用いられる窒化物系半導体レーザ素子において、効率よく高次モード光を抑制するため、リッジの側面に放射光を吸収する微粒子を含む絶縁層を形成する構成が記載されている。ところで、赤色及び青色の半導体レーザは、すでに実用化されているが、近年では、緑色（波長５００〜５６０ｎｍ程度）の半導体レーザの開発も活発に行われている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
非特許文献１及び２には、ｎ型ＧａＮ基板の半極性面｛２，０，−２，１｝上に、ｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮからなる活性層を含む発光層及びｐ型クラッド層をこの順で積層したＩＩＩ族窒化物半導体レーザ（緑色レーザ）が提案されている。なお、本明細書では、六方晶系結晶の面方位を｛ｈ，ｋ，ｌ，ｍ｝（ｈ、ｋ、ｌ及びｍは面指数）で表記する。
非特許文献１及び２では、ＧａＮ基板の半極性面上にエピタキシャル層を結晶成長させることで、ピエゾ電界の影響を抑えつつ結晶品質に優れた緑色レーザが実現されている。そして、非特許文献２においても、緑色レーザ装置を屈折率導波型（リッジ型）の構造とする場合、リッジ側面に低屈折率の絶縁層を形成することでレーザ光を閉じ込める構成が記載されている。
特開２００９−１７６８３７号公報
京野孝史ら：「世界初の新規ＧａＮ基板上純緑色レーザ開発Ｉ」、２０１０年１月、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１７６号、８８〜９２頁 足立真寛ら：「世界初の新規ＧａＮ基板上純緑色レーザ開発ＩＩ」、２０１０年１月、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１７６号、９３〜９６頁
以上のように、従来の半導体レーザ素子ではリッジ構造に起因する発振特性の劣化を防止する構成が種々提案されている。しかしながら、半極性基板を用いた半導体レーザ素子の技術分野では、従来の極性基板を用いる窒化物系半導体レーザ素子の特性とは異なる部分が多く、特性向上のため更なる開発が望まれている。
上述の点に鑑み、本開示は、半極性基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子において、リッジ構造に起因する発振特性の劣化を抑制し、信頼性に優れた半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
本開示の半導体レーザ素子は、六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板と、半導体基板の半極性面に形成された発光層を含むエピタキシャル層であって、リッジ部が形成されたエピタキシャル層を備える。また、リッジ部上面に形成された第１電極と、リッジ部脇及びリッジ部側面においてエピタキシャル層を被覆すると共に、エピタキシャル層側から連続して第１電極の側面の少なくとも一部を被覆する絶縁層を備える。さらに、第１電極の上面、側面の少なくとも一部及び絶縁層を被覆するように形成され、第１電極に電気的に接続されたパッド電極と、半導体基板のエピタキシャル層が形成される面とは反対側の面に形成された第２電極とを備える。さらに、絶縁層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のうち１種類以上を含む絶縁材料で構成され、リッジ部側面に形成された絶縁層の第１電極側の端面は、第１電極の上面に達しない位置とされている。ここで、「リッジ部脇」とは、エピタキシャル層のリッジ部以外の領域の面上を示す。
本開示の半導体レーザ素子では、絶縁層がエピタキシャル層を被覆すると共に、エピタキシャル層側から連続して第１電極の側面の少なくとも一部を被覆するように形成され、絶縁層の第１電極側の端面は、第１電極の上面に達しない位置とされている。このため、パッド電極とエピタキシャル層とが直接接触することがない。
本開示の半導体レーザ素子の製造方法は、六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板を用意する工程と、半導体基板の半極性面上に、半導体レーザ素子の発光層を含むエピタキシャル層を形成する工程とを有する。また、所望のマスクを介してエピタキシャル層を所定の深さまでエッチングし、ストライプ状のリッジ部を形成する工程を有する。また、リッジ部の形成の前の工程でリッジ部に対応する領域に第１電極を形成する工程を有する。また、第１電極の上面を含むエピタキシャル層表面に、絶縁材料層を形成する工程を有する。また、第１電極の上面に形成された絶縁材料層が露出し、リッジ部脇の上面に形成された絶縁材料層が露出しない大きさに形成された開口部を備えるレジスト膜をマスクとして、絶縁材料層をエッチングすることにより、リッジ部脇及びリッジ部側面においてエピタキシャル層を被覆すると共に、エピタキシャル層側から連続して第１電極の側面の一部を被覆する絶縁層を形成する工程を有する。また、第１電極の上面、側面の少なくとも一部及び絶縁層を被覆して、第１電極に電気的に接続されるパッド電極を形成する工程と、半導体基板のエピタキシャル層が形成される側とは反対側の面に第２電極を形成する工程を有する。そして、リッジ部は、第１電極をマスクとしてエッチングすることにより形成する。
本開示の半導体レーザ素子の製造方法では、絶縁層がエピタキシャル層を被覆すると共に、エピタキシャル層側から連続して第１電極の側面の一部を被覆するように形成する。これにより、絶縁層の形成後に形成されるパッド電極と、エピタキシャル層とが直接接触することがない。
本開示によれば、半極性基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子において、リッジ構造に起因する発振特性の劣化が抑制され、信頼性に優れた半導体レーザ素子を得ることができる。
図１は本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子の概略外観図である。 図２ＡはＧａＮの結晶構造においてｃ面を明示する図であり、図２ＢはＧａＮの結晶構造においてｍ面を明示する図である。 図３はＧａＮの結晶構造において半極性面を明示する図である。 図４は本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子の厚さ方向（図面中のＺ方向）の概略断面図である。 図５は本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造工程を示すフローチャートである。 図６Ａ〜図６Ｋは本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造工程図である。 図７はリッジ部の露出幅に対する電圧劣化率を測定した実験結果を示す図である。 図８は変形例に係る半導体レーザ素子の概略断面構成図である。 図９は従来の技術で形成したリッジ構造を有する窒化物系半導体レーザ素子の断面構成図である。 図１０はＧａＮ基板の半極性面を結晶成長面として用い、エピタキシャル層が絶縁層から２００ｎｍ程度露出した状態（図９の露出長Ｌ２＝２００ｎｍ程度）の半導体レーザ素子の電圧−電流特性を示す図である。
まず、本開示の技術の提案者らは以下の検討を行った。
図９に、従来の技術で形成したリッジ構造を有する窒化物系半導体レーザ素子の断面構成図を示す。一般的に、窒化物系の半導体レーザ素子３０は、ｎ型ＧａＮからなる半導体基板３７と、エピタキシャル層３１と、絶縁層３２と、第１電極（ｐ側電極）３４と、第２電極（ｎ側電極）３６と、パッド電極３５とを備える構成とされている。エピタキシャル層３１は、半導体基板３７の一方の面上に形成され、図示を省略するが、例えば、半導体基板３７側からｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、コンタクト層が順に積層された構造とされている。また、図９では、エピタキシャル層３１の一部が除去されることによりリッジ部３８が形成されている。
第１電極３４は、エピタキシャル層３１のリッジ部３８上面に形成されている。絶縁層３２は、リッジ部脇３８ａ及びリッジ部側面３８ｂを被覆するようにエピタキシャル層３１表面に形成されている。パッド電極３５は、絶縁層３２及び第１電極３４を含む全面に形成されている。第２電極３６は半導体基板３７の他方の面（裏面）に形成されている。
従来の技術では、図９に示すような半導体レーザ素子３０は例えば次のようにして形成する。まず、半導体基板３７の表面にエピタキシャル層３１を形成した後、リッジ部３８が形成される所定の位置にストライプ状の第１電極３４を形成する。その後、第１電極３４をマスクとしてエピタキシャル層３１の図示しないコンタクト層表面からｐ型クラッド層の所定の位置までエッチング除去する。次に、全面に絶縁層３２を形成した後、所望のレジストマスクを介して、第１電極３４が露出するまで第１電極３４上部の絶縁層をエッチング除去する。その後、レジストマスクを除去し、露出された第１電極３４を含む絶縁層３２上部にパッド電極３５を形成する。
ところで、第１電極３４を露出させるための絶縁層３２のエッチング工程において、第１電極３４とその上部に形成されるパッド電極３５との電気的コンタクトを確実に行うため、一般的に、第１電極３４上部の絶縁層３２はオーバーエッチングされる。すなわち、第１電極３４上に絶縁層３２を残さないために、リッジ構造とされたエピタキシャル層３１の側面が一部露出するまで絶縁層３２のエッチングが行われるのが一般的である。
この結果、従来の技術では、図９に示すように、エピタキシャル層３１が絶縁層３２から露出した露出長Ｌ２の領域では、第１電極３４上部に形成されるパッド電極３５と絶縁層３２から露出したエピタキシャル層３１が直接接触していた。
しかしながら、従来の青色の光を発光する窒化物系半導体レーザ素子では、エピタキシャル層とパッド電極の多少の接触では、レーザ特性が損なわれるというような問題がなく、図９に示す構成が問題視されることは無かった。
一方、本開示技術の提案者らは、ＧａＮ基板の半極性面を結晶成長面として用いる半導体レーザ素子の開発に当たり、図９に示すような、エピタキシャル層３１が絶縁層３２から露出する構成では、通電時と同時に電圧劣化が起こるということを見出した。
図１０に、ＧａＮ基板の半極性面を結晶成長面として用い、エピタキシャル層が絶縁層から２００ｎｍ程度露出した状態（図９の露出長Ｌ＝２００ｎｍ程度）の半導体レーザ素子の電圧−電流特性を示す。図１０の横軸は電流を示し、縦軸は電圧を示す。また、図１０では、同じ半導体レーザ素子を用いて、連続して３回の測定を行った場合のそれぞれの電圧−電流特性を示している。
図１０に示すように、１回目の測定から３回目の測定にかけて、動作電流に対する動作電圧が上昇していることがわかる。すなわち、測定回数が増えるに連れ、動作電圧が上昇している。このような電圧上昇が起こると、素子が劣化し、長時間安定に動作させることができない。
以上のように、半導体基板の半極性面上に結晶層を積層させて形成した半導体レーザ素子では、リッジ部の側面に絶縁層が形成されない部分が存在した場合、電圧上昇に伴う素子劣化が著しい。
このような劣化特性の問題は、半極性基板を用いた半導体レーザ素子に特有のものであり、従来の極性基板を用いた半導体レーザ素子では見られなかった問題である。なお、半極性基板、極性基板については後述する。
このような知見に基づき、本開示技術の提案者らは、半導体基板の半極性面上に結晶層を積層させて得られる半導体レーザ素子において、電圧上昇が抑制され、素子劣化が低減された半導体レーザ素子を見出すに至った。
以下に、本開示の半導体レーザ素子について説明する。
本開示の実施形態に係る半導体レーザ素子とその製造方法とを、図面を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。
１．半導体レーザ素子の構成
２．半導体レーザ素子の製造方法
３．実験結果
〈１．半導体レーザ素子の構成〉
本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子は、緑色の光を発振するレーザ装置として構成されるものであり、リッジ構造を備えた屈折率導波型（リッジ型）の半導体レーザ素子である。以下に、本実施形態の半導体レーザ素子について説明する。
［半導体レーザ素子の全体構成］
図１に、本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子の概略外観図を示す。なお、本実施形態では、リッジ型（屈折率導波型）の半導体レーザ素子１を示す。
半導体レーザ素子１は、半導体基板３と、エピタキシャル層２と、絶縁層１２と、第１電極１４と、第２電極１５と、パッド電極１３とを備える。本実施形態の半導体レーザ素子１では、半導体基板３の一方の面３ａ（図１の例では上面：以下、半極性面３ａという）上に、エピタキシャル層２、絶縁層１２、第１電極１４及びパッド電極１３がこの順で形成される。また、半導体基板３の他方の面３ｂ（図１の例では下面：以下、裏面３ｂという）上には、第２電極１５が形成される。なお、後述のように、半導体基板３は、半極性面３ａが例えば｛２，０，−２，１｝面等の半極性面である半極性基体であり、エピタキシャル層２、絶縁層１２、第１電極１４、及びパッド電極１３の積層方向（図１中のＺ方向）は、その半極性面３ａの法線方向（図１中のＺ方向）となる。
半導体レーザ素子１は、略直方体状の形状を有する。また、半導体レーザ素子１の第１電極１４側の表面には、所定方向（図１中のＹ方向）に延在したリッジ構造のストライプ部２１が形成される。ストライプ部２１の延在方向はレーザ光の導波方向となり、ストライプ部２１に対応するエピタキシャル層２の領域が光導波路となる。
また、半導体レーザ素子１は、ストライプ部２１の延在方向（図１中のＹ方向）に直交する２つの側面２２，２３（端面）を有する。なお、ストライプ部２１は、一方の側面２２から他方の側面２３まで延在して形成される。この２つの側面２２，２３（割断面）は、レーザ共振器の反射面として作用する。そこで、以下では、側面２２，２３を共振端面という。
本実施形態では、ストライプ部２１の延在方向を、ａ軸方向と直交する方向とする。ただし、ストライプ部２１の延在方向は、この例に限定されず、例えば用途、必要とする発振波長等の条件に応じて適宜設定することができる。また、ストライプ部２１の幅は、数μｍ程度であり、２つの共振端面２２，２３間の長さは、数百μｍ程度である。
なお、本実施形態の半導体レーザ素子１では、２つの共振端面２２，２３の少なくとも一方の表面上に、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２等の誘電体多層膜を形成（端面コート）してもよい。端面コートを行うことにより、反射率を調整することができる。
［各部の構成］
次に、本実施形態の半導体レーザ素子１の各部の構成について、より詳細に説明する。
（１）半導体基板
半導体基板３は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧaＮ、ＩｎＧaＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体で形成される。
また、半導体基板３としては、キャリアの導電型がｎ型の基板を用いることができる。
そして、本実施形態では、エピタキシャル層２、絶縁層１２及び第１電極１４が形成される半導体基板３の一方の面を、ｃ面（極性面）でなく、半極性面３ａで構成する。
ここで、図２Ａ及び図２Ｂ、並びに、図３に、ＧａＮの結晶構造を示す。ＧａＮは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、六方晶と呼ばれる結晶構造を有し、発光層内部に発生するピエゾ電界はｃ軸に沿って発生するので、ｃ軸に直交するｃ面２０１（｛０，０，０，１｝面）は極性を有し、極性面と呼ばれる。一方、ｍ軸に直交するｍ面２０２（｛１，０，−１，０｝面）は、ｃ軸に平行であるので無極性面になる。それに対して、ｃ軸をｍ軸方向に所定角度傾けた軸方向を法線方向とする面、例えば、図３に示す例では、ｃ軸をｍ軸方向に７５度傾けた軸方向を法線方向とする面（｛２，０，−２，１｝面２０３）はｃ面とｍ面の中間的な面となり、半極性面と呼ばれる。
本実施形態のように、半導体基板３の半極性面３ａ上に、エピタキシャル層２、絶縁層１２及び第１電極１４を形成した場合には、例えば、波長が５００ｎｍ付近の緑色の光を発振させることができる。
半極性面３ａとしては、半極性面３ａの法線方向が、ｃ軸をｍ軸方向に４５度〜８０度、又は、１００度から１３５度傾けた方向である結晶面を用いることができる。なお、半極性面３ａの法線方向とｃ軸との間の角度が４５度未満、又は、１３５度より大きい場合には、劈開処理（押圧処理）により形成される端面がｍ面（無極性面）となる可能が高くなる。また、半極性面３ａの法線方向とｃ軸との間の角度が８０度より大きくかつ１３５度未満である場合には、所望の平坦性及び直交性を有する端面が得られない可能性がある。
また、上記角度範囲の中でも、長波長の発光を得るためには、半極性面３ａの法線方向とｃ軸との間の角度が６３度〜８０度、又は、１００度〜１１７度にすることが好ましい。これらの角度範囲では、エピタキシャル層２内の後述する発光層７でのピエゾ分極が小さくなるとともに、活性層成長（形成）時のＩｎの取り込みが良好になり、発光層７（活性層）におけるＩｎ組成の可変範囲を広げることができる。それゆえ、半極性面３ａの法線方向とｃ軸との間の上記角度範囲とすることにより、長波長の発光を得易くすることができる。
上記角度範囲内の法線方向を有する半極性面３ａとしては、例えば、｛２，０，−２，１｝面、｛１，０，−１，１｝面、｛２，０，−２，−１｝面、｛１，０，−１，−１｝面等の結晶面を用いることができる。なお、これらの結晶面から±４度程度、微傾斜した結晶面も半極性面３ａとして用いることができる。本実施形態では、半導体基板３としてｎ型のＧａＮを用い、その｛２，０，−２，１｝面を一方の主面として構成した。ＧａＮは、二次元化合物である窒化ガリウム系半導体であるため、良好な結晶品質と安定した基板面（主面）を提供できる。
（２）エピタキシャル層、絶縁層、第１電極、第２電極及びパッド電極
次に、本実施形態の半導体レーザ素子１のエピタキシャル層２、絶縁層１２、第１電極１４、第２電極１５及びパッド電極１３の構成を、図４を参照しながら説明する。図４は、半導体レーザ素子１の厚さ方向（図面中のＺ方向）の概略断面図である。なお、図４には、ストライプ部２１の延在方向（図面中のＹ方向）に直交する断面を示す。
本実施形態では、エピタキシャル層２は、バッファ層４と、第１クラッド層５と、第１光ガイド層６と、発光層７と、第２光ガイド層８と、キャリアブロック層９と、第２クラッド層１０と、コンタクト層１１とを備える。そして、バッファ層４、第１クラッド層５、第１光ガイド層６、発光層７、第２光ガイド層８、キャリアブロック層９、第２クラッド層１０及びコンタクト層１１は、半導体基板３の半極性面３ａ上に、この順で積層される。
バッファ層４は、半導体基板３の一方の主面とされた半極性面３ａ上に形成されており、ｎ型のドーパントが添加された窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、バッファ層４は、例えばｎ型ＧａＮ層で構成することができ、ｎ型のドーパントとしてはＳｉを適用することができる。また、バッファ層４の膜厚は、例えば１００ｎｍ〜２０００ｎｍとされるのが好ましい。
第１クラッド層５は、バッファ層４上部に形成され、ｎ型のドーパントが添加された一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第１クラッド層５は、例えばｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層等で構成することができ、ｎ型のドーパントとしてはＳｉを適用することができる。また、第１クラッド層５の膜厚は、例えば５００ｎｍ〜３０００ｎｍとされるのが好ましい。
第１光ガイド層６は、第１クラッド層５上部に形成され、一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第１光ガイド層６は、例えばｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＩｎＧａＮ層、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層等で構成することができる。その他、第１光ガイド層６は、ノンドープの窒化ガリウム系半導体層で形成してもよく、ｎ型の層とノンドープの層の積層構造で構成してもよい。また、第１光ガイド層６の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍとされるのが好ましい。
発光層７は、第１光ガイド層６上部に形成され、例えば、不純物が添加されないノンドープの窒化ガリウム系半導体層で構成された井戸層（不図示）と障壁層（不図示）とが交互に配置された構成とされる。より具体的には、井戸層及び障壁層は、例えばＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＩｎＡｌＧａＮ層等で構成することができる。また、発光層７（特に障壁層）は、ｎ型のドーパントが添加された窒化ガリウム系半導体層で構成することもできる。このとき、障壁層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように構成する。また、各層の膜厚は、例えば１ｎｍ〜１００ｎｍとされるのが好ましい。
発光層７は、一層の井戸層を備える単一量子井戸構造としてもよく、また、複数の井戸層と障壁層が交互に配置された多重量子井戸構造としてもよい。本実施形態では、半導体基板３の半極性面３ａに各層を積層することで、波長４３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の光を発振するように発光層７を形成することができる。また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１の構造は、特に、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発振に好適である。
第２光ガイド層８は、発光層７上部に形成され、一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第２光ガイド層８は、例えばＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層等で構成することができ、Ｍｇが添加されたｐ型の窒化ガリウム系半導体層を適用することもできる。また、第２光ガイド層８の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍとされるのが好ましい。
キャリアブロック層９（電子ブロック層）は、第２光ガイド層８上部に形成され、ｐ型のドーパントが添加された窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、キャリアブロック層９は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ層等で構成することができ、ｐ型のドーパントとしてはＭｇを適用することができる。また、キャリアブロック層９の膜厚は、例えば
５ｎｍ〜１００ｎｍとされるのが好ましい。なお、キャリアブロック層９は、発光層７と第２光ガイド層８との間に形成されてもよく、第２光ガイド層８の途中に形成されてもよい。さらに、エピタキシャル層２において、キャリアブロック層９を設けない構成としてもよい。キャリアブロック層９を設けない場合でも半導体レーザ素子としての機能は維持される。
第２クラッド層１０は、キャリアブロック層９上部に形成され、一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第２クラッド層１０は、例えばｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層等で構成することができ、ｐ型のドーパントとしてはＭｇを適用することができる。また、第２クラッド層１０の膜厚は、例えば１００ｎｍ〜１０００ｎｍとされるのが好ましい。
コンタクト層１１は、第２クラッド層１０上部に形成され、ｐ型のドーパントが添加された窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、コンタクト層１１は、例えばｐ型ＧａＮ層で構成することができ、ｐ型のドーパントとしてはＭｇを適用することができる。また、コンタクト層１１の膜厚は、例えば５ｎｍ〜１００ｎｍとされるのが好ましい。
そして、本実施形態では、半導体基板３上に積層されたエピタキシャル層２の一方向の対向する側面において、コンタクト層１１表面から第２クラッド層１０の中腹に架けてテーパ状にエッチング除去されることにより凸状のリッジ部１８が形成されている。このリッジ部１８は、図１に示したストライプ部２１を構成するものであり、エピタキシャル層２のＹ方向に延在するストライプ状に形成されている。
なお、本実施形態では、第２クラッド層１０の中腹までのエッチングによりリッジ部１８を形成する例としているが、第２クラッド層１０よりも下層までエッチングすることによりリッジ部を形成してもよい。
ここで、リッジ部１８の延在方向に垂直な面は、図１に示したように、共振器を構成する共振端面２２，２３とされており、この共振端面２２，２３は割断面で構成される。なお、本実施形態の半導体レーザ素子１は、半導体基板３の半極性面３ａ上にエピタキシャル層２が積層された構成とされているため、共振端面２２，２３は、ｃ面、ｍ面、又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。しかしながら、本実施形態においても、共振端面２２，２３は、ミラーとしての平坦性や垂直性を有するように構成されているものである。
第１電極１４は、一層又は複数層の導電膜で形成され、コンタクト層１１上部において、コンタクト層１１に電気的に接続されるように形成されている。後述するが、本実施形態では、第１電極１４はリッジ部１８を形成する前に形成されるものであり、第１電極１４も、コンタクト層１１上部においてＹ方向に延在するストライプ状に形成されている。第１電極１４を構成する導電材料としては、コンタクト層１１とオーミック接触可能な材料であればよく、より具体的には、例えばコンタクト層１１側から順に形成されたＰｄ／Ｐｔ膜からなる積層膜を適用することができる。
絶縁層１２は、リッジ部脇１８ａの第２クラッド層１０上部を被覆すると共に、第２クラッド層１０及びコンタクト層１１からなるリッジ部側面１８ｂを被覆し、かつ、第１電極１４の側面に達するように形成されている。ここで、リッジ部脇１８ａは、エピタキシャル層２のリッジ部１８以外の領域の面上を示すものとする。絶縁層１２としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のうち１種類以上を含む絶縁材料を適用することができ、膜厚は、例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍとされるのが好ましい。
また、図４では、絶縁層１２は第１電極１４の側面の一部を被覆するような構成とされているが、第１電極１４の側面の全部を被覆するように形成してもよい。すなわち、絶縁層１２が、コンタクト層１１側から連続して第１電極１４の側面の少なくとも一部を被覆する構成であればよい。
パッド電極１３は、絶縁層１２及び絶縁層１２から露出した第１電極１４上に形成され、第１電極１４に電気的に接続されるように形成されている。パッド電極１３としては、例えば、第１電極１４に接する側から順に形成されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜からなる積層膜を適用することができる。Ｔｉ膜は５ｎｍ〜１００ｎｍ、Ｐｔ膜は１０ｎｍ〜３００ｎｍ、Ａｕ膜は１００ｎｍ〜１０００ｎｍとされるのが好ましい。パッド電極１３の最下層をＴｉ膜で構成することにより、絶縁層１２に接触する金属膜がＴｉ膜となるため、絶縁層１２に対するパッド電極１３の密着性が向上する。
第２電極１５は、一層、又は複数層の導電膜で形成され、半導体基板３の他方の面（裏面３ｂ）上に形成されている。第２電極１５を構成する導電材料として、より具体的には、例えば半導体基板３側から順に形成されたＴｉ／Ａｌ膜からなる積層膜を適用することができる。Ｔｉ膜は５ｎｍ〜５０ｎｍ、Ａｌ膜は１０ｎｍ〜３００ｎｍ、とされるのが好ましい。
そして、本実施形態では、第１電極１４及び第２電極１５間に所望の電流を流すことにより、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の緑色の光が発振される。
〈２．半導体レーザ素子の製造方法〉
次に、本実施形態の半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。図５は、本実施形態の半導体レーザ素子１の製造工程を示すフローチャートであり、図６Ａ〜図６Ｋは、製造工程図である。
まず、六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板３、いわゆる半極性基板を用意する（ステップＳ１）。そして、用意した半導体基板３に対してサーマルクリーニングを行う。
次いで、半導体基板３の半極性面上に、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法等の手法を用いて、エピタキシャル層２を構成する各種半導体層を順次、エピタキシャル成長させ、エピタキシャル層２を形成する（ステップＳ２）。具体的には、半導体基板３上に、バッファ層４、第１クラッド層５、第１光ガイド層６、発光層７、第２光ガイド層８、キャリアブロック層９、第２クラッド層１０及びコンタクト層１１を構成する各半導体層を、この順でエピタキシャル成長させる。
次に、エピタキシャル層２（コンタクト層１１）上部に、第１電極１４を形成する（ステップＳ３）。ここでは、まず、図６Ａに示すように、エピタキシャル層２（コンタクト層１１）を露出させる開口部１７ａを有するレジスト膜１７を形成する。レジスト膜１７は、絶縁層１６及びコンタクト層１１を含む全面にレジスト材料を塗布した後、所望のフォトマスクを用いて露光・現像することにより形成する。レジスト膜１７の材料としては、例えばポジ型レジストを用いることができる。
次に、図６Ｂに示すように、露出したエピタキシャル層２（コンタクト層１１）全面に第１電極１４形成用の導電膜１４ａを形成する。導電膜１４ａは、例えば、真空蒸着法やスパッタ法などの手法を用いて形成することができる。その後、レジスト膜１７を、その上部に形成された導電膜１４ａと共に除去（リフトオフ）することにより、図６Ｃに示す第１電極１４が形成される。
次に、リッジ部１８を形成する（ステップＳ４）。リッジ部１８は、第１電極１４を形成後、図６Ｄに示すように、Ｙ方向に延在する第１電極１４をマスクとしてエピタキシャル層２（コンタクト層１１）表面側から第２クラッド層１０の所定の深さまでエピタキシャル層２をエッチングすることにより形成される。
次に、絶縁層１２となる絶縁材料層１９を形成する（ステップＳ５）。ここでは、図６Ｅに示すように、リッジ部脇１８ａ、リッジ部側面１８ｂ、及び第１電極１４表面を含む全面に絶縁材料層１９を形成する。絶縁材料層１９は、蒸着法、スパッタ法などの手法で形成することができる。
次に、絶縁材料層１９のエッチングの為のレジスト膜２０を形成する（ステップＳ６）。ここでは、まず、絶縁材料層１９全面にレジスト材料層を塗布し、その後、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて露光、現像する。これにより、図６Ｆに示すように、第１電極１４上部に位置する部分を開口する開口部２０ａが形成されたレジスト膜２０を形成する。
次に、レジスト膜２０をマスクとして第１電極１４上の絶縁層のエッチングをする（ステップＳ７）。このエッチング工程では、エッチングの手法として、ドライエッチング又はウェットエッチングを用いることができる。ここでは、図６Ｇに示すように、レジスト膜２０をマスクとして絶縁材料層１９をエッチング除去し、第１電極１４が露出した時点でエッチングを停止する。これにより、リッジ部脇１８ａ、リッジ部側面１８ｂ、及び第１電極１４の側面の一部又は全部を被覆する絶縁層１２を形成する。なお、ここではリッジ部１８のエピタキシャル層２が露出しないエッチングプロファイルでエッチングを行う。
前述したように、本実施形態では、リッジ部側面１８ｂから連続する第１電極１４の側面の少なくとも一部を被覆するように絶縁層１２形成する。したがって、このエッチング工程では、第１電極１４側面が全て露出されない条件でエッチングする。その後、図６Ｈに示すように、レジスト膜２０を除去する。
次に、パッド電極１３を形成する（ステップＳ８）。ここでは、例えば、真空蒸着法やスパッタ法などの手法を用いて所望の導電膜を形成することにより、図６Ｉに示すように、第１電極１４を含む絶縁層１２全面にパッド電極１３を形成する。
その後、図示を省略するが、半導体基板３の裏面３ｂに例えばリフトオフ法により第２電極１５を形成し、レーザ構造を形成する。なお、半導体レーザ素子１は、複数の半導体レーザ素子１が２次元状に形成された基板部材から切り出すことによって形成される。すなわち、半導体基板３を割断することによりレーザバーを形成して共振端面２２，２３を形成し、さらに、共振端面２２，２３にコーティングを施した後レーザバーを切断することによりチップ化する。
以上のようにして本実施形態の半導体レーザ素子１が作製される。
〈３．実験結果〉
次に、本実施形態で作製した半導体レーザ素子１と、比較例の半導体レーザ素子の特性の違いについて説明する。
比較例の半導体レーザ素子は、本実施形態の半導体レーザ素子１において、エピタキシャル層２が絶縁層１２から露出する構成とされた例であり、すなわち、図９に示す構造とされた例である。したがって、本実施形態の半導体レーザ素子１と、比較例の半導体レーザ素子は、各層を構成する材料は全て同一とされ、絶縁層の構成のみが異なるものである。
図７に、エピタキシャル層のリッジ部の露出幅に対する電圧劣化率を測定した実験結果を示す。横軸はリッジ部の露出幅（ｎｍ）で、縦軸が電圧上昇率を示す。ここで、横軸のリッジ部の露出幅は、絶縁層の高さがエピタキシャル層表面の位置になるときを、露出幅＝０とし、露出幅が正の範囲にあるときが比較例に相当し、負の範囲にあるときが本実施形態に相当する。すなわち、図７の露出幅＜０における値の符号を正にした値が図４の被覆長Ｌ１に相当する値である。
また、電圧上昇率は順方向電圧の上昇率であり、それぞれの素子に３回ずつ電流を流し、１回目に電流を流したときの１００ｍＡにおける電圧値と、３回目に電流を流したときの１００ｍＡにおける電圧値との比を取ったものである。すなわち、電圧上昇率＝電圧値（３回目）／電圧値（１回目）である。
エピタキシャル層の一部が絶縁層で被覆されず露出するように形成された比較例の半導体レーザ素子では、露出幅が大きくなるにつれて電圧上昇率も高くなっていることがわかる。以上の結果から、エピタキシャル層の露出が電圧上昇の原因になっていることが明らかとなった。このような比較例における電圧上昇の原因の一つには、半極性面に形成されたエピタキシャル層がパッド電極と直接接触することにより劣化が急激に進行することが考えられる。
また、図５のステップＳ７で示す工程において、特にドライエッチングを用いた場合、絶縁層によるエピタキシャル層の被服が不十分だと、エピタキシャル層にエッチングダメージが入るおそれがある。このことも電圧上昇の一因と考えられる。また、このような電圧上昇は、半極性面を用いた半導体レーザ素子に特有のものである。
一方、第１電極の側面まで絶縁層１２で被覆するように形成された本実施形態の半導体レーザ素子１では電圧上昇率が、ほぼ１であり、１回目と３回目とで電圧値が変化していないことがわかる。本実施形態のように、絶縁層１２がエピタキシャル層２側から連続して第１電極１４の側面に達するまで形成され、エピタキシャル層２とパッド電極１３とが直接接触することがない半導体レーザ素子１では、電圧上昇が抑制されることが実証された。
以上のように、本開示では、半導体基板の半極性面に結晶成長して形成されたリッジ構造を備える半導体レーザ素子において、エピタキシャル層表面を被覆する絶縁層を、エピタキシャル層側から第１電極の少なくとも一部を被覆するように形成する。これにより、電圧上昇の伴う素子劣化を抑制することができる。
上述の本実施形態では、図４に示すように、絶縁層１２が第１電極１４の側面の一部を被覆するように構成したが、第１電極１４の側面全部を被覆する構成としてもよい。すなわち、エピタキシャル層２の側面が絶縁層１２で完全に被覆される構成であれば種々の変更が可能である。
［変形例］
図８に、変形例に係る半導体レーザ素子の断面構成を示す。図８において、図４に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。また、図８では、エピタキシャル層２の具体的な構成は図４と同様であるので、図示を省略する。
変形例に係る半導体レーザ素子２４では、エピタキシャル層２の表面を被覆する絶縁層２５が、第１電極１４の上部に一部張り出して形成されている。すなわち、変形例では、第１電極１４の中央領域の一部でパッド電極１３とコンタクトをとる構成とされている。
このような半導体レーザ素子２４は、図６Ｆ及び図６Ｇに示した絶縁層エッチングの工程（ステップＳ７）において、第１電極１４の中央部の一部が露出するように絶縁材料層１９をエッチングすることで形成することができる。この場合、例えば、図６Ｆに示すレジスト膜２０の開口部２０ａの、リッジ部１８の延在方向に直交する方向の幅を、第１電極１４の幅よりも狭く形成し、絶縁材料層１９のエッチングを行う。
このように、第１電極１４とパッド電極１３が電気的に接続される構成であれば、絶縁層２５は第１電極１４の上面に一部張り出すように形成されていてもよい。図８に示すように、絶縁層２５を、第１電極１４上面に張り出すような構成とすることにより、絶縁層２５で確実にエピタキシャル層２の側面を被覆することができ、信頼性の向上を図ることができる。
また、上述の本実施形態では、図６Ｅの工程で示したように、第１電極１４形成後、第１電極１４をマスクとしてエッチングをし、リッジ部１８を形成する構成とした。しかしながら、これに限られるものではなく、リッジ部を形成した後に第１電極を形成してもよい。この場合には、リッジ部は、所望のマスクを介して形成し、その後、リフトオフ法により、リッジ部上面にのみ導電膜が残るように第１電極を形成する。
さらに、上述の実施形態では、ｎ型の半導体基板を用いる例としたが、ｐ型の半導体基板を用いることもできる。その場合には、上述した実施形態において、各層の導電型を逆導電型で構成すればよく、この場合にも本開示と同様の効果を得ることができる。
また、本開示の半導体レーザ素子は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。
本開示は以下の構成をとることもできる。
（１）
六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の半極性面に形成された発光層を含むエピタキシャル層であって、リッジ部が形成されたエピタキシャル層と、
前記リッジ部上面に形成された第１電極と、
前記リッジ部脇及びリッジ部側面において前記エピタキシャル層を被覆すると共に、前記エピタキシャル層側から連続して前記第１電極の側面の少なくとも一部を被覆する絶縁層と、
前記第１電極の上面及び前記絶縁層を被覆するように形成され、前記第１電極に電気的に接続されたパッド電極と、
前記半導体基板のエピタキシャル層が形成される面とは反対側の面に形成された第２電極と
を備える半導体レーザ素子。
（２）
前記絶縁層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のうち１種類以上を含む絶縁材料で構成されている
（１）に記載の半導体レーザ素子。
（３）
前記リッジ部側面に形成された絶縁層の第１電極側の端面は、前記第１電極の上面に達しない位置とされている
（１）又は（２）に記載の半導体レーザ素子。
（４）
六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板の前記半極性面上に、半導体レーザ素子の発光層を含むエピタキシャル層を形成する工程と、
所望のマスクを介して前記エピタキシャル層を所定の深さまでエッチングし、ストライプ状のリッジ部を形成する工程と、
前記リッジ部の形成の前の工程で前記リッジ部に対応する領域に第１電極を形成する、又は前記リッジ部の形成の後の工程で前記リッジ部の上面に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上面を含む前記エピタキシャル層表面に、絶縁材料層を形成する工程と、
前記絶縁材料層をエッチングすることにより、前記リッジ部脇及びリッジ部側面において前記エピタキシャル層を被覆すると共に、前記エピタキシャル層側から連続して前記第１電極の側面の少なくとも一部を被覆する絶縁層を形成する工程と、
前記第１電極の上面及び前記絶縁層を被覆して、前記第１電極に電気的に接続されるパッド電極を形成する工程と、
前記半導体基板の前記エピタキシャル層が形成される側とは反対側の面に第２電極を形成する工程と
を含む半導体レーザ素子の製造方法。
（５）
前記第１電極は、前記リッジ部の形成の前に形成し、
前記リッジ部は、前記第１電極をマスクとしてエッチングすることにより形成する
（４）に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
（６）
前記絶縁材料層のエッチングは、前記第１電極の上面に形成された絶縁材料層が露出し、前記リッジ部脇の上面に形成された絶縁材料層が露出しない大きさに形成された開口部を備えるレジスト膜をマスクとして行う
（４）又は（５）に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
（７）
前記絶縁材料層のエッチングは、前記第１電極の上面が露出し、かつ、前記エピタキシャル層が露出する前に停止する
（４）〜（６）のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
（８）
前記絶縁層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のうち１種類以上を含む絶縁材料で形成する
（４）〜（７）のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
１・・・半導体レーザ素子、２・・・エピタキシャル層、３・・・半導体基板、３ａ・・・半極性面、３ｂ・・・裏面、４・・・バッファ層、５・・・第１クラッド層、６・・・第１光ガイド層、７・・・発光層、８・・・第２光ガイド層、９・・・キャリアブロック層、１０・・・第２クラッド層、１１・・・コンタクト層、１２・・・絶縁層、１３・・・パッド電極、１４・・・第１電極、１５・・・第２電極、１６・・・絶縁層、１６ａ・・・開口部、１７・・・レジスト膜、１７ａ・・・開口部、１８・・・リッジ部、１８ａ・・・リッジ部脇、１８ｂ・・・リッジ部側面、１９・・・絶縁材料層、２０・・・レジスト膜、２０ａ・・・開口部、２１・・・ストライプ部、２２，２３・・・共振端面、３０・・・半導体レーザ素子、３１・・・エピタキシャル層、３２・・・絶縁層、３４・・・第１電極、３５・・・パッド電極、３６・・・第２電極、３７・・・半導体基板、３８・・・リッジ部、３８ａ・・・リッジ部脇、３８ｂ・・・リッジ部側面、２０１・・・ｃ面、２０２・・・ｍ面、２０３・・・｛２，０，−２，１｝面、Ｌ１・・・被覆長、Ｌ２・・・露出長

Claims (4)

  1. 六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の半極性面に形成された発光層を含むエピタキシャル層であって、リッジ部が形成されたエピタキシャル層と、
    前記リッジ部上面に形成された第１電極と、
    前記リッジ部脇及びリッジ部側面において前記エピタキシャル層を被覆すると共に、前記エピタキシャル層側から連続して前記第１電極の側面の少なくとも一部を被覆する絶縁層と、
    前記第１電極の上面、側面の少なくとも一部及び前記絶縁層を被覆するように形成され、前記第１電極に電気的に接続されたパッド電極と、
    前記半導体基板のエピタキシャル層が形成された面とは反対側に面に形成された第２電極とを備え、
    前記絶縁層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のうち１種類以上を含む絶縁材料で構成され、
    前記リッジ部側面に形成された前記絶縁層の第１電極側の端面は、前記第１電極の上面に達しない位置とされている
    半導体レーザ素子。
  2. 六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板を用意する工程と、
    前記半導体基板の前記半極性面上に、半導体レーザ素子の発光層を含むエピタキシャル層を形成する工程と、
    所望のマスクを介して前記エピタキシャル層を所定の深さまでエッチングし、ストライプ状のリッジ部を形成する工程と、
    前記リッジ部の形成の前の工程で前記リッジ部に対応する領域に第１電極を形成する工程と、
    前記第１電極の上面を含む前記エピタキシャル層表面に、絶縁材料層を形成する工程と、
    前記第１電極の上面に形成された前記絶縁材料層が露出し、前記リッジ部脇の上面に形成された前記絶縁材料層が露出しない大きさに形成された開口部を備えるレジスト膜をマスクとして、前記絶縁材料層をエッチングすることにより、前記リッジ部脇及びリッジ部側面において前記エピタキシャル層を被覆すると共に、前記エピタキシャル層側から連続して前記第１電極の側面の一部を被覆する絶縁層を形成する工程と、
    前記第１電極の上面、側面の少なくとも一部及び前記絶縁層を被覆して、前記第１電極に電気的に接続されるパッド電極を形成する工程と、
    前記半導体基板の前記エピタキシャル層が形成される側とは反対側の面に第２電極を形成する工程とを含み、
    前記リッジ部は、前記第１電極をマスクとしてエッチングすることにより形成する
    半導体レーザ素子の製造方法。
  3. 前記絶縁材料層のエッチングは、前記第１電極の上面が露出し、かつ、前記エピタキシャル層が露出する前に停止する
    請求項２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  4. 前記絶縁層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のうち１種類以上を含む絶縁材料で形成する請求項３に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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