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WO2018180524A1 - 窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ装置 Download PDF

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WO2018180524A1
WO2018180524A1 PCT/JP2018/010129 JP2018010129W WO2018180524A1 WO 2018180524 A1 WO2018180524 A1 WO 2018180524A1 JP 2018010129 W JP2018010129 W JP 2018010129W WO 2018180524 A1 WO2018180524 A1 WO 2018180524A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nitride semiconductor
layer
semiconductor laser
laser element
electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/010129
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
裕幸 萩野
修 今藤
信一郎 能崎
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Definitions

  • the present disclosure relates to a nitride semiconductor laser element and a nitride semiconductor laser device mounted with the nitride semiconductor laser element.
  • semiconductor laser elements have been used in light sources for image display devices such as displays and projectors, light sources for in-vehicle headlamps, light sources for industrial lighting and consumer lighting, or industries such as laser welding equipment, thin film annealing equipment, and laser processing equipment. It attracts attention as a light source for various uses such as a light source of equipment.
  • nitride semiconductor laser elements capable of covering the wavelength band from ultraviolet to blue have been actively developed.
  • a semiconductor laser device used as a light source for the above applications is desired to have a high output with a light output greatly exceeding 1 watt and a long life of tens of thousands of hours.
  • Patent Document 1 discloses a conventional nitride semiconductor laser element.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor laser device disclosed in Patent Document 1. In FIG.
  • an n-type nitride semiconductor layer 1020, an active layer 1030, and a p-type nitride semiconductor layer 1040 are sequentially stacked on a substrate 1010. Structure.
  • a ridge stripe 1040a and a flat portion 1040b are formed in the p-type nitride semiconductor layer 1040.
  • An insulating film 1060 made of SiO 2 is formed from the side surface of the ridge stripe 1040a to the flat portion 1040b.
  • a p-side electrode 1051 is formed on the ridge stripe 1040a of the p-type nitride semiconductor layer 1040, and a pad electrode 1052 made of gold (Au) is formed on the p-side electrode 1051 and the insulating film 1060. Note that an n-side electrode 1080 is formed on the back surface of the substrate 1010.
  • the pad electrode made of Au has low adhesion to the insulating film made of SiO 2, there is a problem that the electrode is peeled off when the semiconductor laser element is mounted or when the laser is driven.
  • Patent Document 2 discloses a nitride semiconductor laser element with improved adhesion between an electrode and an insulating film.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor laser device disclosed in Patent Document 2. In FIG.
  • an adhesion layer 2070 made of Ti or the like is formed on the surface of the insulating film 2060 formed on the side surface of the ridge portion 2040a of the p-type semiconductor layer 2040.
  • the ridge portion 2040 a is covered with a p-type electrode 2051 through 2070. Accordingly, the adhesion between the insulating film 2060 and the p-type electrode 2051 can be improved, and peeling of the p-type electrode 2051 from the insulating film 2060 can be suppressed.
  • Non-Patent Document 1 discloses the diffusion rate of hydrogen in a metal.
  • This disclosure is intended to provide a nitride semiconductor laser element or the like that can suppress an increase in operating voltage.
  • an aspect of the nitride semiconductor laser device includes a first nitride semiconductor layer and a nitride semiconductor formed on the first nitride semiconductor layer.
  • the second nitride semiconductor layer has a flat portion on the side of the ridge portion, and the side surface of the ridge portion and the flat portion have SiO 2 on the side of the ridge portion.
  • the adhesion layer formed on the dielectric layer is not in contact with the ohmic electrode, so that hydrogen contained in the dielectric layer made of SiO 2 can be prevented from diffusing into the ohmic electrode. Thereby, it can suppress that an operating voltage raises with progress of energization time. Furthermore, since the adhesion layer formed on the dielectric layer is in contact with the pad electrode, the adhesion between the pad electrode and the dielectric layer is improved, so that the nitride semiconductor laser element can be mounted or can be driven (operated). Peeling of the pad electrode can be suppressed.
  • a distance between the adhesion layer and the ohmic electrode is preferably 0.6 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less.
  • the pad electrode may be in contact with the dielectric layer.
  • the width of the ridge portion may be 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the adhesion layer includes a layer including a layer having at least one of Ti and Ni.
  • the pad electrode including an Au layer is suitable.
  • the nitride semiconductor laser element and a submount that holds the nitride semiconductor laser element are provided.
  • heat generated when the nitride semiconductor laser element is driven can be released to, for example, a submount on which the nitride semiconductor laser element is mounted, so that the nitride semiconductor laser element can be operated with high light output. it can.
  • the nitride semiconductor laser element has the first nitride semiconductor layer side bonded to the submount and a wire connected to the pad electrode. Good.
  • the nitride semiconductor laser device can be easily electrically connected by, for example, an external power source and wire bonding.
  • the nitride semiconductor laser element is bonded to the submount on the pad electrode side, and a solder layer is provided between the pad electrode and the submount. It is good to intervene.
  • the submount is located near the light emitting portion of the nitride semiconductor laser element, the heat from the light emitting portion is radiated more efficiently than the submount, and the heat dissipation characteristics are improved.
  • the pad electrode may include at least a layer made of Au in contact with the solder layer, and the solder layer may include Sn.
  • nitride semiconductor laser element and the like of the present disclosure it is possible to suppress an increase in operating voltage.
  • FIG. 1A is a plan view showing a configuration of a nitride semiconductor laser element according to an embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment taken along line IB-IB in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a process of forming each of the first nitride semiconductor layer, the light emitting layer, and the second nitride semiconductor layer in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing a step of forming a protective film in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 1A is a plan view showing a configuration of a nitride semiconductor laser element according to an embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment taken along line IB-
  • FIG. 2C is a cross-sectional view showing the step of patterning the protective film in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 2D is a cross-sectional view showing a step of forming the ridge portion and the flat portion in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 2E is a cross-sectional view showing the step of forming a dielectric layer in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 2F is a cross-sectional view showing the step of forming the p-side electrode in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 2G is a cross-sectional view showing the step of forming the adhesion layer in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 2H is a cross-sectional view showing a step of forming a pad electrode in the method for manufacturing a nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 2I is a cross-sectional view showing the step of forming the n-side electrode in the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 3A is a plan view for explaining the mounting form 1 of the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view for explaining the mounting form 1 of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment along the line IIIB-IIIB in FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining a mounting form 2 of the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view for explaining the mounting form 2 of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment taken along the line IVB-IVB in FIG. 4A.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of a laser structure schematically showing a nitride semiconductor laser element of a comparative example.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a laser structure schematically showing the nitride semiconductor laser element according to the embodiment.
  • FIG. 5C is a diagram showing a change with time of the operating voltage of the laser structure in the comparative example and the embodiment.
  • FIG. 5D is a diagram illustrating a calculation result of a change over time in the hydrogen concentration calculated using the diffusion equation of the laser structure in the comparative example and the embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor laser device.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor laser device.
  • the X axis, the Y axis, and the Z axis represent the three axes of the three-dimensional orthogonal coordinate system.
  • the X axis and the Y axis are orthogonal to each other and both are orthogonal to the Z axis.
  • the Z-axis positive direction side may be described as the upper side, and the Z-axis negative direction side as the lower side.
  • 1A, 3A, and 4A are not cross-sectional views, but are shown with hatching for explanation.
  • FIG. 1A is a plan view showing a configuration of a nitride semiconductor laser device 1 according to an embodiment.
  • 1B is a cross-sectional view of nitride semiconductor laser device 1 taken along line IB-IB in FIG. 1A.
  • nitride semiconductor laser element 1 is a semiconductor laser element made of a nitride semiconductor material.
  • the nitride semiconductor laser device 1 includes a substrate 10, a first nitride semiconductor layer 20, a light emitting layer 30, a second nitride semiconductor layer 40, an electrode member 50, a dielectric layer 60, and an adhesion layer. 70.
  • the second nitride semiconductor layer 40 includes a striped ridge portion 40a extending in the laser resonator length direction (Y-axis direction) and a flat portion 40b extending in the lateral direction (X-axis direction) from the root of the ridge portion 40a. And have.
  • the width and height of the ridge portion 40a are not particularly limited.
  • the width (stripe width) of the ridge portion 40a is 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, and the height of the ridge portion 40a is 100 nm to 1 ⁇ m. is there.
  • the width of the ridge portion 40a is preferably 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, and the height of the ridge portion 40a is preferably 300 nm or more and 800 nm or less.
  • the substrate 10 is, for example, a GaN substrate.
  • an n-type hexagonal GaN substrate whose main surface is a (0001) plane is used as the substrate 10.
  • the first nitride semiconductor layer 20 is formed on the substrate 10.
  • the first nitride semiconductor layer 20 is an n-side cladding layer made of n-type AlGaN, for example.
  • the light emitting layer 30 is formed on the first nitride semiconductor layer 20.
  • the light emitting layer 30 is made of a nitride semiconductor.
  • the light emitting layer 30 has, for example, a stacked structure of an n-side light guide layer 31 made of n-GaN, an active layer 32 made of an InGaN quantum well layer, and a p-side light guide layer 33 made of p-GaN.
  • the second nitride semiconductor layer 40 is formed on the light emitting layer 30.
  • the second nitride semiconductor layer 40 has, for example, a stacked structure of an electron barrier layer 41 made of AlGaN, a p-side cladding layer 42 made of a p-type AlGaN layer, and a p-side contact layer 43 made of p-type GaN. .
  • the p-side contact layer 43 is formed as the uppermost layer of the ridge portion 40a.
  • the p-side cladding layer 42 has a convex portion.
  • the convex portion of the p-side cladding layer 42 and the p-side contact layer 43 constitute a ridge portion 40a.
  • the p-side cladding layer 42 has a flat portion as a flat portion 40b on both sides of the ridge portion 40a. That is, the uppermost surface of the flat portion 40b is the surface of the p-side cladding layer 42, and the p-side contact layer 43 is not formed on the uppermost surface of the flat portion 40b.
  • the electrode member 50 is formed on the second nitride semiconductor layer 40.
  • the electrode member 50 is wider than the ridge portion 40a. That is, the width of the electrode member 50 (width in the X-axis direction) is larger than the width of the ridge portion 40a (width in the X-axis direction).
  • the electrode member 50 is in contact with the upper surface of the dielectric layer 60, the adhesion layer 70, and the ridge portion 40a.
  • the electrode member 50 includes a p-side electrode (ohmic electrode) 51 for supplying current and a pad electrode 52 formed on the p-side electrode 51.
  • the p-side electrode 51 is in contact with the upper surface of the ridge portion 40a.
  • the p-side electrode 51 is an ohmic electrode that is in ohmic contact with the p-side contact layer 43 above the ridge portion 40a, and is in contact with the upper surface of the p-side contact layer 43 that is the upper surface of the ridge portion 40a.
  • the p-side electrode 51 is formed using a metal material such as Pd, Pt, or Ni, for example. In the present embodiment, the p-side electrode 51 has a Pd / Pt two-layer structure.
  • the pad electrode 52 is wider than the ridge portion 40 a and is in contact with the dielectric layer 60 and the adhesion layer 70. That is, the pad electrode 52 is formed so as to cover the ridge portion 40a, the dielectric layer 60, and the adhesion layer 70.
  • the material of the pad electrode 52 may be a metal material made of Au, and the pad electrode 52 may be a single layer of Au or a multilayer of Au / Ti / Au.
  • the adhesion layer 70 is formed in a part of the region on the dielectric layer 60, specifically, on both sides of the ridge portion 40a, in a region on the dielectric layer 60 away from the ridge portion 40a.
  • the adhesion layer 70 is in contact with the pad electrode 52 and the dielectric layer 60, but not in contact with the p-side electrode 51.
  • the adhesion layer 70 is in contact with the dielectric layer 60 at a position away from the ridge portion 40a on the flat portion 40b.
  • the distances between the left and right adhesion layers 70 and the p-side electrode 51 with respect to the ridge portion 40a are defined as distances d1 and d2, respectively.
  • Non-Patent Document 1 the diffusion distance of hydrogen in a metal can be calculated from Fick's second law.
  • the expression (2) (specifically, the expression (1) shown below) described in Non-Patent Document 1 is called a diffusion equation.
  • FIG. 5D From the experimental results shown in FIG. 5D, it was found that if the distances d1 and d2 are 0.6 ⁇ m or more, the nitride semiconductor laser device 1 can suppress hydrogen diffusion during operation.
  • D is the diffusion coefficient
  • C (x, t) is the hydrogen concentration distribution inside the sample
  • x is the distance from the anode side inside the sample.
  • T is time.
  • the adhesiveness between the pad electrode 52 and the dielectric layer 60 can be secured if the distances d1 and d2 are 3.0 ⁇ m or less.
  • the adhesion layer 70 is separated from the portion formed on the side surface of the ridge portion 40a of the dielectric layer 60 on the flat portion 40b.
  • the dielectric layer 60 is formed at a position through a portion formed on the flat portion 40b. In the vicinity of the ridge portion 40a on the flat portion 40b, there is a portion on the dielectric layer 60 where the adhesion layer 70 is not formed.
  • the pad electrode 52 and the dielectric layer 60 are in direct contact between the adhesion layer 70 and the ridge portion 40a.
  • the distance between the adhesion layer 70 and the p-side electrode 51 a configuration in which the distance is in the height direction (specifically, the Z-axis direction) of the ridge portion 40a is conceivable, but in the case of the nitride semiconductor laser element 1, Since the ridge portion 40a is formed of the p-side cladding layer 42 having a high electric resistance, there is a problem that the operating voltage increases when the ridge portion 40a is increased. For this reason, there is a limit to the distance between the adhesion layer 70, the p-side electrode 51, and the Z-axis direction.
  • the adhesion layer 70 and the p-side electrode 51 can be separated in the Z-axis direction by making the dielectric layer 60 thinner.
  • the distance between the light emitting portion (specifically, the light emitting layer 30) and the electrode portion (specifically, the p-side electrode 51) is shortened, the light from the electrode portion (for example, the p-side electrode 51). Absorption occurs, causing a problem that utilization efficiency (that is, light emission efficiency) of light emitted from the nitride semiconductor laser element 1 is lowered. Therefore, when the distance between the adhesion layer 70 and the p-side electrode 51 is increased, it is effective to increase the distance in the width direction (specifically, the X-axis direction) of the ridge portion 40a. 70 is formed away from the ridge portion 40a.
  • distance d1 distance d2 is set, but distance d1 and distance d2 may be different. Further, even if either one of the distances d1 and d2 is in the range of 0.6 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less, the increase of the operating voltage of the nitride semiconductor laser device 1 due to hydrogen diffusion is suppressed, and the pad electrode Although the effect of ensuring the adhesion between 52 and the dielectric layer 60 is obtained, it is more preferable that the distances d1 and d2 are both in the range of 0.6 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less.
  • the material of the adhesion layer 70 is not particularly limited, but may include a layer having at least one of Ti and Ni.
  • the adhesion layer 70 is a metal material having a two-layer structure of Ti or Ti / Pt.
  • the p-side electrode 51 is a metal material made of Ti.
  • the pad electrode 52 is formed inside the second nitride semiconductor layer 40 in order to improve the yield when the nitride semiconductor laser device 1 is separated. That is, when the nitride semiconductor laser element 1 is viewed from above, the pad electrode 52 is not formed on the peripheral edge of the nitride semiconductor laser element 1. That is, the nitride semiconductor laser device 1 has a non-current injection region where no current is supplied to the periphery of the end portion. Further, the cross-sectional shape of the region where the pad electrode 52 is formed has the structure shown in FIG.
  • the dielectric layer 60 is an insulating film made of SiO 2 formed on the side surface of the ridge portion 40a in order to confine light. Specifically, the dielectric layer 60 is continuously formed from the side surface of the ridge portion 40a to the flat portion 40b. In the present embodiment, the dielectric layer 60 is continuously formed around the side surface of the p-side contact layer 43, the side surface of the convex portion of the p-side cladding layer 42, and the upper surface of the p-side cladding layer 42 around the ridge portion 40a. Is formed.
  • the shape of the dielectric layer 60 is not particularly limited, but the dielectric layer 60 may be in contact with the side surface of the ridge portion 40a and the flat portion 40b. Thereby, the light emitted immediately below the ridge 40a can be stably confined.
  • an end face coating film such as a dielectric multilayer film is formed on the light emitting end face.
  • This end face coat film is difficult to be formed only on the end face, and also goes around the upper surface of the nitride semiconductor laser device 1.
  • the pad electrode 52 is not formed at the end portion in the longitudinal direction (Y-axis direction) of the nitride semiconductor laser element 1, the nitride semiconductor laser element is formed when the end face coat film wraps up to the upper surface.
  • the dielectric layer 60 and the end face coat film may be in contact with each other at the end in the longitudinal direction of 1.
  • the film thickness of the dielectric layer 60 is preferably 100 nm or more.
  • the thickness of the dielectric layer 60 is preferably set to be equal to or less than the height of the ridge portion 40a.
  • etching damage may remain in the side surface of the ridge portion 40a and the flat portion 40b in the etching process when the ridge portion 40a is formed, and a leak current may be generated.
  • etching damage may remain in the side surface of the ridge portion 40a and the flat portion 40b in the etching process when the ridge portion 40a is formed, and a leak current may be generated.
  • an n-side electrode 80 is formed on the lower surface of the substrate 10 as an ohmic electrode in ohmic contact with the substrate 10.
  • FIGS. 2A to 2I are cross-sectional views of each step in the method for manufacturing nitride semiconductor laser device 1 according to the embodiment.
  • 2A to 2I are cross sections at positions corresponding to the line IB-IB in FIG. 1A.
  • a substrate 10 that is an n-type hexagonal GaN substrate having a (0001) plane as a main surface
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • an n-side cladding layer made of n-type AlGaN is grown as a first nitride semiconductor layer 20 on the substrate 10 by 3 ⁇ m.
  • an n-side light guide layer 31 made of n-GaN is grown by 0.1 ⁇ m.
  • an active layer 32 having three periods of a barrier layer made of InGaN and an InGaN quantum well layer is grown.
  • a p-side light guide layer 33 made of p-GaN is grown by 0.1 ⁇ m.
  • an electron barrier layer 41 made of AlGaN is grown by 10 nm.
  • a p-side cladding layer 42 made of a 0.48 ⁇ m strained superlattice formed by repeating 160 cycles of a p-AlGaN layer (1.5 nm) and a GaN layer (1.5 nm) is grown.
  • a p-side contact layer 43 made of p-GaN is grown by 0.05 ⁇ m.
  • TMG trimethylgallium
  • TMA trimethylammonium
  • TMI trimethylindium
  • ammonia NH 3
  • a protective film 91 is formed on the second nitride semiconductor layer 40. Specifically, a 300 nm thick silicon oxide film (SiO 2 ) is formed as the protective film 91 on the p-side contact layer 43 by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using silane (SiH 4 ).
  • the method for forming the protective film 91 is not limited to the plasma CVD method.
  • a known film formation method such as a thermal CVD method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a pulsed laser film formation method is used. Can do.
  • the material for forming the protective film 91 is not limited to the above, and for example, a second nitride semiconductor layer 40 (a p-side cladding layer 42, a p-side contact layer 43, which will be described later) such as a dielectric or a metal. Any material may be used as long as it is selective with respect to the etching.
  • the protective film 91 is selectively removed using a photolithography method and an etching method so that the protective film 91 remains in a stripe shape.
  • an etching method for example, dry etching by reactive ion etching (RIE) using a fluorine-based gas such as CF 4 or wet etching such as hydrofluoric acid (HF) diluted to about 1:10 is used. be able to.
  • the p-side contact layer 43 and the p-side cladding layer 42 are etched using the protective film 91 formed in a stripe shape as a mask, thereby forming a ridge on the second nitride semiconductor layer 40.
  • the part 40a and the flat part 40b are formed.
  • dry etching by RIE using a chlorine-based gas such as Cl 2 may be used.
  • the dielectric layer 60 is formed so as to cover the p-side contact layer 43 and the p-side cladding layer 42. Film. That is, the dielectric layer 60 is formed on the ridge portion 40a and the flat portion 40b.
  • a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 300 nm is formed by a plasma CVD method using silane (SiH 4 ).
  • the film formation method of the dielectric layer 60 is not limited to the plasma CVD method, and a film formation method such as a thermal CVD method, a sputtering method, a vacuum deposition method, or a pulse laser film formation method may be used.
  • the p-side electrode 51 made of Pd / Pt is formed only on the ridge portion 40a by using a vacuum deposition method and a lift-off method. Specifically, the p-side electrode 51 is formed on the p-side contact layer 43 exposed from the dielectric layer 60.
  • the film formation method of the p-side electrode 51 is not limited to the vacuum evaporation method, and may be a sputtering method or a pulse laser film formation method.
  • the electrode material of the p-side electrode 51 may be any material that is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer 40 (p-side contact layer 43), such as Ni / Au or Pt.
  • an adhesion layer 70 made of Ti is formed on the dielectric layer 60 by using a photolithography method, a vacuum deposition method, and a lift-off method.
  • the method for forming the adhesion layer 70 is not limited to the vacuum evaporation method, and may be a sputtering method or a pulse laser film formation method.
  • the material of the adhesion layer 70 may be any material that improves the adhesion to the dielectric layer 60, such as Ni.
  • a pad electrode 52 is formed so as to cover the p-side electrode 51, the dielectric layer 60, and the adhesion layer. Specifically, a resist is patterned on a portion other than a portion to be formed by a photolithography method or the like, a pad electrode 52 made of Au is formed on the entire upper surface of the substrate 10 by a vacuum deposition method or the like, and unnecessary using a lift-off method. By removing the portion of the electrode, a pad electrode 52 having a predetermined shape is formed on the p-side electrode 51, the dielectric layer 60 and the adhesion layer 70. Thereby, the electrode member 50 including the p-side electrode 51 and the pad electrode 52 is formed.
  • an n-side electrode 80 is formed on the lower surface of the substrate 10. Specifically, an n-side electrode 80 made of Ti / Pt / Au is formed on the back surface of the substrate 10 by vacuum vapor deposition or the like, and patterned using a photolithography method and an etching method, whereby an n-side electrode having a predetermined shape is formed. 80 is formed. Thereby, nitride semiconductor laser device 1 according to the present embodiment can be manufactured.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining a mounting form 1 of the nitride semiconductor laser element 1 according to the embodiment.
  • 3B is a cross-sectional view of the mounting form 1 of the nitride semiconductor laser element 1 taken along the line IIIB-IIIB in FIG. 3A.
  • the nitride semiconductor laser device 200 includes a nitride semiconductor laser element 1 and a submount 100. Specifically, the nitride semiconductor laser element 1 is held (mounted) on the submount 100.
  • the submount 100 is a mounting substrate on which the nitride semiconductor laser element 1 is mounted.
  • the submount 100 includes a base 101, a first electrode 102a, a second electrode 102b, a first solder layer 103a, and a second solder layer 103b.
  • the base 101 is a substrate that supports the nitride semiconductor laser element 1.
  • the material of the base 101 is not particularly limited, but ceramics such as aluminum nitride (AlN) and silicon carbide (SiC), diamond (C) formed by CVD, and metals such as Cu and Al It is preferable that the thermal conductivity is equal to or higher than that of the nitride semiconductor laser element 1 such as a single substance or an alloy such as CuW.
  • the first electrode 102 a is formed on one surface of the base 101.
  • the second electrode 102b is formed on the other surface of the base 101.
  • the first electrode 102a and the second electrode 102b are, for example, laminated films made of a metal material of Ti (0.1 ⁇ m), Pt (0.2 ⁇ m), and Au (0.2 ⁇ m).
  • the first solder layer 103a is formed on the first electrode 102a.
  • the second solder layer 103b is formed on the second electrode 102b.
  • the first solder layer 103a and the second solder layer 103b are eutectic solder made of an Sn—Au (gold tin) alloy made of, for example, Au (70%) and Sn (30%).
  • the nitride semiconductor laser element 1 is mounted on the submount 100.
  • the nitride semiconductor laser element 1 has the first nitride semiconductor layer 20 side bonded to the submount 100. More specifically, the n-side electrode 80 of the nitride semiconductor laser device 1 is connected to the submount 100 since the n-side of the nitride semiconductor laser device 1 is connected to the submount 100, that is, junction-up mounting. Connected to the solder layer 103a.
  • the wire 110 formed of a metal material is connected to each of the pad electrode 52 of the nitride semiconductor laser element 1 and the first electrode 102a of the submount 100 by wire bonding. Thereby, a current can be supplied to the nitride semiconductor laser device 1 by the wire 110.
  • the submount 100 may be mounted on a metal package such as a CAN package, for the purpose of improving heat dissipation and simplifying handling.
  • the mounting form 1 As described above, in the mounting form 1, the case where the nitride semiconductor laser element 1 is junction-up mounted has been described. However, the mounting form in which the p-side electrode of the nitride semiconductor laser element 1 is connected to the submount 100, that is, Junction down implementation may be applied. In the mounting mode 2, a case where the nitride semiconductor laser element 1 is mounted by junction down will be described.
  • FIG. 4A is a plan view for explaining a mounting form 2 (nitride semiconductor laser device 200a) of the nitride semiconductor laser element 1 according to the embodiment.
  • 4B is a cross-sectional view of the mounting form 2 of the nitride semiconductor laser element 1 taken along the line IVB-IVB in FIG. 4A.
  • the nitride semiconductor laser device 200a includes the nitride semiconductor laser element 1 and the submount 100 as in the first embodiment. Specifically, the nitride semiconductor laser element 1 is mounted on the submount 100. In addition, the nitride semiconductor laser device 200 a includes a first solder layer (solder layer) 103 a that joins the nitride semiconductor laser element 1 and the submount 100.
  • solder layer solder layer
  • the nitride semiconductor laser device 1 is bonded to the submount 100 on the pad electrode 52 side.
  • the first solder layer 103 a is located between the pad electrode 52 and the submount 100.
  • the electrode member 50 of the nitride semiconductor laser element 1 is connected to the first solder layer 103 a of the submount 100.
  • the pad electrode 52 made of Au and the first solder layer 103a made of Sn—Au (gold tin) are connected, the Sn (tin) in the first solder layer 103a is padded. It diffuses into the electrode 52 and forms a Sn—Au (gold tin) eutectic structure over the first solder layer 103 a and the pad electrode 52. Even in this configuration, since hydrogen diffusion is suppressed, an increase in operating voltage during laser oscillation is suppressed. That is, the pad electrode 52 preferably includes at least a layer made of Au in contact with the first solder layer 103a. Further, the first solder layer 103a may contain Sn.
  • a gold-tin alloy is shown as the material of the solder layer, but a material used for known semiconductor bonding, such as Sn—Ag solder or Sn—Cu solder, may be used.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of a laser structure 1000X schematically showing a nitride semiconductor laser element of a comparative example.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a laser structure 1X schematically showing the nitride semiconductor laser element 1 according to the embodiment.
  • FIG. 5C is a diagram showing a change over time of the operating voltage of the laser structure 1000X of the comparative example and the laser structure 1X of the nitride semiconductor laser element 1 according to the embodiment.
  • dielectric materials widely used in semiconductor devices include those shown in Table 1 below.
  • SiO 2 has the lowest refractive index and is transparent to light. For this reason, SiO 2 is useful as an insulating film of a semiconductor laser element.
  • FIGS. 5A and 5B laser structures 1000X and 1X simulating nitride semiconductor laser elements were actually fabricated and energization experiments were performed.
  • a laser structure (laser structure of a comparative example) 1000X schematically showing a nitride semiconductor laser element of a comparative example includes a substrate 10 made of a GaN substrate and a first made of an n-side AlGaN cladding layer.
  • 2 nitride semiconductor layers 40 are examples of the semiconductor layers 40.
  • the second nitride semiconductor layer 40 includes a ridge portion 40a and a flat portion 40b extending in the lateral direction from the root of the ridge portion 40a.
  • a dielectric layer 60 made of SiO 2 is laminated on the ridge portion 40a and the flat portion 40b.
  • the dielectric layer 60 has an opening, and a p-side electrode 51 made of Pd / Pt is formed in the opening.
  • an adhesion layer 70 made of Ti is formed so as to cover the p-side electrode 51 and the dielectric layer 60.
  • a pad electrode 52 made of Au is formed on the adhesion layer 70.
  • An n-side electrode 80 is formed on the lower surface of the substrate 10.
  • a laser structure (laser structure of the embodiment) 1X schematically showing the nitride semiconductor laser element 1 according to the embodiment is a GaN substrate, similarly to the laser structure 1000X of the comparative example.
  • a substrate 10 comprising: a first nitride semiconductor layer 20 comprising an n-side AlGaN cladding layer; a light-emitting layer 30 comprising an n-side GaN light guide layer, an InGaN active layer and a p-side GaN light guide layer; and an AlGaN electron barrier.
  • the second nitride semiconductor layer 40 includes a ridge portion 40a and a flat portion 40b extending in the lateral direction from the root of the ridge portion 40a.
  • a dielectric layer 60 made of SiO 2 is laminated on the ridge portion 40a and the flat portion 40b.
  • the dielectric layer 60 has an opening, and a p-side electrode 51 made of Pd / Pt is formed in the opening.
  • the adhesion layer 70 made of Ti is formed only on the dielectric layer 60, and the adhesion layer 70 and the p-side electrode 51 are in contact with each other. Not done.
  • a pad electrode 52 made of Au is formed so as to cover the p-side electrode 51, the dielectric layer 60 and the adhesion layer 70.
  • the operating voltage gradually increased as the energization time passed, and the operating voltage increased rapidly when the energization time exceeded 200 hours.
  • the operating voltage does not increase substantially even after a long time, and it is understood that the increase in operating voltage is significantly suppressed as compared with the laser structure 1000X of the comparative example. It was.
  • SiO 2 is a material containing a large amount of hydrogen. Therefore, in the laser structure 1000X of the comparative example, hydrogen contained in the dielectric layer 60 during operation is in contact with the adhesion layer. It was found that it diffused to the p-side electrode 51 via 70 and caused an increase in operating voltage due to this. In addition, materials such as Ti and Ni used as the adhesion layer 70 and materials such as Pd and Pt used as the p-side electrode 51 are highly reactive with hydrogen. It is considered that hydrogen diffused from the dielectric layer 60 containing 2 to the p-side electrode 51 through the adhesion layer 70.
  • the adhesion layer 70 in contact with the dielectric layer 60 containing SiO 2 is not in contact with the p-side electrode 51.
  • the pad electrode 52 is in contact with the dielectric layer 60 and the adhesion layer 70.
  • the material of the pad electrode 52 is composed of Au that has a very low reactivity with hydrogen.
  • FIG. 5D shows the calculation result of the change over time of the hydrogen concentration calculated using the diffusion equation.
  • 5D uses the laser structure 1000X of the comparative example shown in FIG. 5A and the laser structure 1X of the embodiment shown in FIG. 5B, respectively, and the hydrogen in SiO 2 is transferred to the adhesion layer 70 and the pad electrode 52. And a model of diffusing up to the p-side electrode 51.
  • the hydrogen concentration at the origin was fixed at 1E + 21 cm ⁇ 3 , and the hydrogen concentration after 40,000 hours was calculated with respect to the distance from the origin. That is, in the graph shown in FIG. 5D, the horizontal axis indicates the hydrogen diffusion distance (unit: ⁇ m) from the origin, and the vertical axis indicates the hydrogen concentration (unit: cm ⁇ 3 ).
  • the parameters used for the calculation are extracted from the experimental results of FIG. 5C, and the diffusion coefficient is 1E-11 m 2 / sec in the comparative laser structure 1000X, and 1E-18 m 2 / sec in the laser structure 1X of the embodiment. Calculated.
  • the operating voltage of the nitride semiconductor laser device 1 increases when the hydrogen concentration becomes 1E + 17 cm ⁇ 3 or more.
  • the distance at which the hydrogen concentration becomes 1E + 17 cm ⁇ 3 is 0.6 ⁇ m. Therefore, if the adhesion layer 70 is separated from the p-side electrode 51 by 0.6 ⁇ m or more, the nitride semiconductor laser An increase in the operating voltage of the element 1 can be suppressed.
  • the technique of the present disclosure has been made based on such knowledge, and SiO 2 was used as the dielectric layer 60 by preventing hydrogen contained in the dielectric layer 60 from diffusing into the electrode member 50. Even in this case, the increase of the operating voltage is suppressed.
  • the adhesion layer 70 made of Ti is not in contact with the p-side electrode 51.
  • the adhesion layer 70 and the p-side electrode 51 are completely in non-contact. However, even if the adhesion layer 70 and the p-side electrode 51 are partially in contact with each other due to manufacturing variations or the like, if the contact area is sufficiently small, the influence on the operating voltage is small and the increase in the operating voltage is suppressed. can do.
  • the nitride semiconductor laser device 1 includes the first nitride semiconductor layer 20 and the light emitting layer 30 formed of the nitride semiconductor formed on the first nitride semiconductor layer 20.
  • a second nitride semiconductor layer 40 having a ridge portion 40 a formed on the light emitting layer 30, a p-side electrode (ohmic electrode) 51 formed on the ridge portion 40 a, and a p-side electrode 51
  • the pad electrode 52 is formed and is wider than the ridge portion 40a.
  • the second nitride semiconductor layer 40 has a flat portion 40b on the side of the ridge portion 40a.
  • a dielectric layer 60 made of SiO 2 is formed on the side surface of the ridge portion 40a and the flat portion 40b.
  • An adhesion layer 70 is formed on the dielectric layer 60 on the flat portion 40b. The adhesion layer 70 is separated from the dielectric layer 60 on the side surface of the ridge portion 40a, is in contact with the pad electrode 52, and is not in contact with the p-side electrode 51.
  • the contact layer 70 and the p-side electrode 51 are not in contact with each other by the pad electrode 52 formed between the contact layer 70 and the p-side electrode 51.
  • hydrogen contained in the dielectric layer 60 can be prevented from diffusing into the p-side electrode 51. Therefore, it is possible to suppress an increase in operating voltage due to hydrogen.
  • the driving current of the nitride semiconductor laser element 1 flows to the ridge portion 40a through the p-side electrode 51 that is an ohmic electrode. Further, since the pad electrode 52 is formed widely up to the flat portion 40b, electrical connection by wire bonding or the like is facilitated.
  • the distances d1 and d2 between the adhesion layer 70 and the p-side electrode 51 are preferably 0.6 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less.
  • the second nitride semiconductor layer 40 may have a p-side contact layer 43 formed as the uppermost layer of the ridge portion 40a.
  • the p-side electrode 51 (ohmic electrode) is in contact with the upper surface of the p-side contact layer 43 that is the upper surface of the ridge portion 40a.
  • the width of the ridge portion 40a is preferably 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the nitride semiconductor laser element 1 that can be operated with high light output can be realized.
  • the adhesion layer 70 preferably includes a layer having at least one of Ti and Ni.
  • heat generated when the nitride semiconductor laser element 1 is driven can be released to, for example, the submount 100 on which the nitride semiconductor laser element 1 is mounted, so that the nitride semiconductor laser element 1 operates at a high light output. Can be made.
  • the pad electrode 52 including a layer made of Au is suitable.
  • the nitride semiconductor laser device 1 can be operated with high light output.
  • the nitride semiconductor laser device 200 includes the nitride semiconductor laser element 1 and a submount 100 that holds the nitride semiconductor laser element 1.
  • the nitride semiconductor laser element 1 may have the first nitride semiconductor layer 20 side bonded to the submount 100 and the wire 110 connected to the pad electrode 52. .
  • the nitride semiconductor laser device 200 can be easily electrically connected by, for example, an external power source and wire bonding.
  • the nitride semiconductor laser element 1 may be bonded to the submount 100 on the pad electrode 52 side.
  • a solder layer 103 a may be interposed between the pad electrode 52 and the submount 100.
  • the pad electrode 52 may include at least a layer made of Au in contact with the solder layer 103a.
  • the solder layer 103a may contain Sn.
  • the junction between the nitride semiconductor laser device 200 and the submount 100 has an An—Sn eutectic structure. Therefore, the nitride semiconductor laser element 1 and the submount 100 are difficult to peel off.
  • the nitride semiconductor laser element and the nitride semiconductor laser device according to the present disclosure can be used as a light source for an image display device, illumination, or industrial equipment, and in particular, a light source for equipment that requires a relatively high light output. Useful as.

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Abstract

窒化物半導体レーザ素子（１）は、第１の窒化物半導体層（２０）と、第１の窒化物半導体層（２０）の上に形成された窒化物半導体からなる発光層（３０）と、発光層（３０）の上に形成され、リッジ部（４０ａ）を有する第２の窒化物半導体層（４０）と、リッジ部（４０ａ）の上に形成されたｐ側電極（５１）と、第２の窒化物半導体層（４０）上に形成され、リッジ部（４０ａ）よりも幅広であるパッド電極（５２）とを備え、第２の窒化物半導体層（４０）は、リッジ部（４０ａ）の側方に平坦部（４０ｂ）を有し、リッジ部（４０ａ）の側面および平坦部（４０ｂ）の上には、ＳｉＯ２からなる誘電体層（６０）が形成され、平坦部（４０ｂ）上の誘電体層（６０）の上には、密着層（７０）が形成され、密着層（７０）は、リッジ部（４０ａ）の側面上の誘電体層（６０）から離れ、且つ、ｐ側電極（５１）とは非接触であり、パッド電極（５２）と接触している。

Description

窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ装置
　本開示は、窒化物半導体レーザ素子、および当該窒化物半導体レーザ素子を実装した窒化物半導体レーザ装置に関する。
　近年、半導体レーザ素子は、ディスプレイやプロジェクターなどの画像表示装置の光源、車載ヘッドランプの光源、産業用照明や民生用照明の光源、又は、レーザ溶接装置や薄膜アニール装置、レーザ加工装置などの産業機器の光源など、様々な用途の光源として注目されている。中でも、紫外から青色までの波長帯をカバーできる窒化物半導体レーザ素子が盛んに開発されている。また、上記用途の光源として用いられる半導体レーザ素子には、光出力が１ワットを大きく超える高出力化、および、素子寿命が数万時間以上の高寿命化が望まれている。
　特許文献１に、従来の窒化物半導体レーザ素子が開示されている。図６は、特許文献１に開示された従来の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
　図６に示すように、従来の窒化物半導体レーザ素子１０００は、基板１０１０の上に、ｎ型窒化物半導体層１０２０と、活性層１０３０と、ｐ型窒化物半導体層１０４０とが順に積層された構造である。ｐ型窒化物半導体層１０４０には、リッジストライプ１０４０ａおよび平坦部１０４０ｂが形成されている。リッジストライプ１０４０ａの側面から平坦部１０４０ｂにかけて、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１０６０が形成されている。ｐ型窒化物半導体層１０４０のリッジストライプ１０４０ａの上にはｐ側電極１０５１が形成され、ｐ側電極１０５１および絶縁膜１０６０の上には金（Ａｕ）からなるパッド電極１０５２が形成されている。なお、基板１０１０の裏面にはｎ側電極１０８０が形成されている。
　しかし、Ａｕからなるパッド電極はＳｉＯ２からなる絶縁膜との密着性が低いため、半導体レーザ素子の実装時やレーザ駆動時に電極が剥がれるという課題がある。
　特許文献２に、電極と絶縁膜の密着性を向上させた窒化物半導体レーザ素子が開示されている。図７は、特許文献２に開示された従来の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
　図７に示すように、従来の窒化物半導体レーザ素子２０００は、ｐ型半導体層２０４０のリッジ部２０４０ａの側面に形成される絶縁膜２０６０の表面にＴｉ等の密着層２０７０を形成し、密着層２０７０を介してリッジ部２０４０ａをｐ型電極２０５１で覆う。これによって、絶縁膜２０６０とｐ型電極２０５１との密着性を向上させ、ｐ型電極２０５１の絶縁膜２０６０からの剥離を抑制することができる。
　また、非特許文献１には、金属中の水素の拡散速度について開示されている。
特開平１０－２４２５８１号公報 特開２０１０－９３０４２号公報
日本金属学会誌（１９７３）第３７巻　ｐ３０２
　しかしながら、Ｔｉ等の密着層によって電極の密着性を向上させた従来の窒化物半導体レーザ素子では、通電時間の経過にともなって動作電圧が上昇するという課題がある。
　本開示は、動作電圧の上昇を抑制できる窒化物半導体レーザ素子等を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体からなる発光層と、前記発光層の上に形成され、リッジ部を有する第２の窒化物半導体層と、前記リッジ部の上に形成されたオーミック電極と、前記オーミック電極の上に形成され、前記リッジ部よりも幅広であるパッド電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、前記リッジ部の側方に平坦部を有し、前記リッジ部の側面及び前記平坦部の上には、ＳｉＯ２からなる誘電体層が形成され、前記平坦部の上の前記誘電体層の上には、密着層が形成され、前記密着層は、前記リッジ部の側面の上の前記誘電体層から離れ、且つ、前記パッド電極と接触し、前記オーミック電極とは非接触である。
　この構成により、誘電体層上に形成される密着層がオーミック電極と非接触であるため、ＳｉＯ２からなる誘電体層中に含まれる水素がオーミック電極に拡散することを抑制できる。これにより、通電時間の経過にともなって動作電圧が上昇することを抑制できる。さらに、誘電体層上に形成される密着層がパッド電極と接触するため、パッド電極と誘電体層との密着性が向上し、窒化物半導体レーザ素子の実装時やレーザ駆動（動作）時のパッド電極の剥がれを抑制できる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記密着層と前記オーミック電極との距離は、０．６μｍ以上、３．０μｍ以下であるとよい。
　この構成により、パッド電極５２と誘電体層６０との密着性を確保でき、且つ、窒化物半導体レーザ素子における水素に起因して動作電圧が上昇してしまうことを、より抑制できる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記パッド電極は、前記誘電体層と接触しているとよい。
　この構成により、パッド電極がリッジ部の近くに形成されるため、リッジ部における熱がパッド電極を介して効率よく放熱され、放熱特性が向上する。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記リッジ部の幅は、１０μｍ以上５０μｍ以下であるとよい。
　この構成により、高い光出力で動作させることができる窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、密着層としては、Ｔｉ、Ｎｉの少なくとも１つを有する層を含むものが適している。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、パッド電極としては、Ａｕからなる層を含むものが適している。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置の一態様において、前記窒化物半導体レーザ素子と、前記窒化物半導体レーザ素子を保持するサブマウントとを備える。
　これらの構成により、窒化物半導体レーザ素子の駆動時に発生する熱を例えば窒化物半導体レーザ素子が実装されるサブマウントに逃がすことができるので、窒化物半導体レーザ素子を高い光出力で動作させることができる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置の一態様において、前記窒化物半導体レーザ素子は、前記第１の窒化物半導体層側が前記サブマウントに接合され、前記パッド電極にワイヤが接続されているとよい。
　この構成により、窒化物半導体レーザ装置は、例えば外部電源とワイヤボンディングにより簡単に電気接続が可能となる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置の一態様において、前記窒化物半導体レーザ素子は、前記パッド電極側が前記サブマウントに接合され、前記パッド電極と前記サブマウントとの間には、半田層が介在しているとよい。
　この構成により、窒化物半導体レーザ素子の発光部の近くにサブマウントが位置するため、発光部からの熱がサブマウントより効率よく放熱され、放熱特性が向上する。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置の一態様において、前記パッド電極は、少なくとも前記半田層と接触するＡｕからなる層を含み、前記半田層は、Ｓｎを含むとよい。
　この構成により、窒化物半導体レーザ素子とサブマウントとは、Ａｎ－Ｓｎ共晶構造となるために、接合がより強固となり、剥がれにくくなる。
　本開示の窒化物半導体レーザ素子等によれば、動作電圧が上昇することを抑制できる。
図１Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線における実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。 図２Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、第１の窒化物半導体層、発光層および第２の窒化物半導体層の各層を形成する工程を示す断面図である。 図２Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、保護膜を成膜する工程を示す断面図である。 図２Ｃは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、保護膜をパターニングする工程を示す断面図である。 図２Ｄは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、リッジ部および平坦部を形成する工程を示す断面図である。 図２Ｅは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、誘電体層を成膜する工程を示す断面図である。 図２Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、ｐ側電極を形成する工程を示す断面図である。 図２Ｇは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、密着層を形成する工程を示す断面図である。 図２Ｈは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、パッド電極を成膜する工程を示す断面図である。 図２Ｉは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法における、ｎ側電極を形成する工程を示す断面図である。 図３Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の実装形態１を説明するための平面図である。 図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線における実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の実装形態１を説明するための断面図である。 図４Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の実装形態２を説明するための図である。 図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ－ＩＶＢ線における実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の実装形態２を説明するための断面図である。 図５Ａは、比較例の窒化物半導体レーザ素子を模擬的に示すレーザ構造の断面図である。 図５Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子を模擬的に示すレーザ構造の断面図である。 図５Ｃは、比較例および実施の形態におけるレーザ構造の動作電圧の経時的変化を示す図である。 図５Ｄは、比較例および実施の形態におけるレーザ構造の、拡散方程式を用いて計算した水素濃度の経時変化の計算結果を示す図である。 図６は、従来の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。 図７は、従来の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、並びに、ステップ（工程）およびステップの順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　また、本明細書および図面において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。Ｘ軸およびＹ軸は、互いに直交し、且つ、いずれもＺ軸に直交する軸である。また、以下の実施の形態において、Ｚ軸正方向側を上側、Ｚ軸負方向側を下側として記載する場合がある。
　また、図１Ａ、図３Ａおよび図４Ａは、断面を示す図ではないが、説明のためにハッチングを付して図示している。
　（実施の形態）
　［窒化物半導体レーザ素子の構成］
　まず、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の構成について、図１Ａおよび図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の構成を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線における窒化物半導体レーザ素子１の断面図である。
　図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１は、窒化物半導体材料によって構成された半導体レーザ素子である。窒化物半導体レーザ素子１は、基板１０と、第１の窒化物半導体層２０と、発光層３０と、第２の窒化物半導体層４０と、電極部材５０と、誘電体層６０と、密着層７０とを備える。
　第２の窒化物半導体層４０は、レーザ共振器長方向（Ｙ軸方向）に延在するストライプ状のリッジ部４０ａと、リッジ部４０ａの根元から横方向（Ｘ軸方向）に広がる平坦部４０ｂと有する。
　リッジ部４０ａの幅および高さは、特に限定されるものではないが、一例として、リッジ部４０ａの幅（ストライプ幅）は１μｍ以上１００μｍ以下で、リッジ部４０ａの高さは１００ｎｍ以上１μｍ以下である。窒化物半導体レーザ素子１を高い光出力（例えばワットクラス）で動作させるには、リッジ部４０ａの幅を１０μｍ以上５０μｍ以下とし、リッジ部４０ａの高さを３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下にするとよい。
　基板１０は、例えば、ＧａＮ基板である。本実施の形態では、基板１０として、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板を用いている。
　第１の窒化物半導体層２０は、基板１０の上に形成されている。第１の窒化物半導体層２０は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層である。
　発光層３０は、第１の窒化物半導体層２０の上に形成されている。発光層３０は、窒化物半導体によって構成される。発光層３０は、例えば、ｎ－ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１と、ＩｎＧａＮ量子井戸層からなる活性層３２と、ｐ－ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３との積層構造である。
　第２の窒化物半導体層４０は、発光層３０の上に形成されている。第２の窒化物半導体層４０は、例えば、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ側クラッド層４２と、ｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３との積層構造である。ｐ側コンタクト層４３は、リッジ部４０ａの最上層として形成されている。
　ｐ側クラッド層４２は、凸部を有している。このｐ側クラッド層４２の凸部とｐ側コンタクト層４３とによってリッジ部４０ａが構成されている。また、ｐ側クラッド層４２は、リッジ部４０ａの両側方に、平坦部４０ｂとして平面部を有している。つまり、平坦部４０ｂの最上面は、ｐ側クラッド層４２の表面であり、平坦部４０ｂの最上面にはｐ側コンタクト層４３が形成されていない。
　電極部材５０は、第２の窒化物半導体層４０の上に形成されている。電極部材５０は、リッジ部４０ａよりも幅広である。つまり、電極部材５０の幅（Ｘ軸方向の幅）は、リッジ部４０ａの幅（Ｘ軸方向の幅）よりも大きい。電極部材５０は、誘電体層６０および密着層７０、リッジ部４０ａの上面と接触している。
　本実施の形態において、電極部材５０は、電流供給のためのｐ側電極（オーミック電極）５１と、ｐ側電極５１の上に形成されたパッド電極５２とを有する。
　ｐ側電極５１は、リッジ部４０ａの上面と接触している。ｐ側電極５１は、リッジ部４０ａの上方においてｐ側コンタクト層４３とオーミック接触するオーミック電極であり、リッジ部４０ａの上面であるｐ側コンタクト層４３の上面と接触している。ｐ側電極５１は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属材料を用いて形成される。本実施の形態において、ｐ側電極５１は、Ｐｄ／Ｐｔの２層構造である。
　パッド電極５２は、リッジ部４０ａよりも幅広であって、誘電体層６０および密着層７０と接触している。つまり、パッド電極５２は、リッジ部４０ａ、誘電体層６０および密着層７０を覆うように形成されている。
　パッド電極５２の材料は、Ａｕからなる金属材料であるとよく、パッド電極５２は、Ａｕの単層、あるいはＡｕ／Ｔｉ／Ａｕのような多層でもよい。
　密着層７０は、誘電体層６０上の一部の領域、具体的には、リッジ部４０ａの両側において、リッジ部４０ａから離れた誘電体層６０上の領域に形成されている。密着層７０は、パッド電極５２および誘電体層６０には接触しているが、ｐ側電極５１には接触していない。具体的には、密着層７０は、平坦部４０ｂ上におけるリッジ部４０ａから離れた位置において、誘電体層６０と接触している。ここで、図１Ｂに示すように、リッジ部４０ａに対して左右の密着層７０とｐ側電極５１との距離を距離ｄ１、ｄ２とそれぞれ定義する。
　距離ｄ１、ｄ２が大きければ、誘電体層６０から密着層７０を介したｐ側電極５１への水素拡散を抑制できるため、窒化物半導体レーザ素子１の電圧上昇を抑制できるが、パッド電極５２と誘電体層６０との密着性が低下する。
　一方、距離ｄ１、ｄ２が小さければ、パッド電極５２と誘電体層６０との密着性は向上するが、水素拡散により、窒化物半導体レーザ素子１の動作電圧の上昇が生じる。非特許文献１に記載のように、金属中の水素の拡散距離は、Ｆｉｃｋの第２法則から計算できる。非特許文献１に記載の式（２）（具体的には、以下に示す式（１））は、拡散方程式と呼ばれており、この拡散方程式から水素の拡散距離を計算した結果、後述する図５Ｄに示す実験結果から、距離ｄ１、ｄ２が０．６μｍ以上あれば、窒化物半導体レーザ素子１が動作中の水素拡散を抑制できることがわかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、上記式（１）において、Ｄは拡散係数であり、Ｃ（ｘ，ｔ）は、試料内部の水素濃度分布であり、ｘは、試料内部でのアノード側となる面からの距離であり、ｔは時間である。
　また、本願発明者らが実施した実験の結果から、距離ｄ１、ｄ２が３．０μｍ以下であれば、パッド電極５２と誘電体層６０との密着性を確保できることがわかった。なお、本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１の作製時の位置ばらつきも考慮して、距離ｄ１＝距離ｄ２＝１．０μｍとしている。
　また、本実施の形態では、距離ｄ１、ｄ２を所望の値とするため、密着層７０は、平坦部４０ｂの上において、誘電体層６０のリッジ部４０ａの側面に形成された部分から離れた位置に、誘電体層６０の平坦部４０ｂ上に形成された部分を介して形成される。平坦部４０ｂ上のリッジ部４０ａの近傍においては、誘電体層６０上には、密着層７０が形成されていない部分が存在する。密着層７０とリッジ部４０ａとの間では、パッド電極５２と誘電体層６０とが直接接触している。
　また、密着層７０とｐ側電極５１との距離に関しては、リッジ部４０ａの高さ方向（具体的には、Ｚ軸方向）に離す形態も考えられるが、窒化物半導体レーザ素子１の場合、リッジ部４０ａは電気抵抗の高いｐ側クラッド層４２で形成されているため、リッジ部４０ａを高くすると動作電圧が増加するという問題が生じる。そのため、密着層７０とｐ側電極５１とＺ軸方向に話す距離には、制限がある。
　また、誘電体層６０を薄くすることでも、密着層７０とｐ側電極５１とをＺ軸方向に離すことができる。その場合、発光部（具体的には、発光層３０）と、電極部（具体的には、ｐ側電極５１）との距離が短くなるため、電極部（例えば、ｐ側電極５１）による光吸収が生じ、窒化物半導体レーザ素子１から出射された光の利用効率（つまり、発光効率）が低下するという課題が生じる。よって、密着層７０とｐ側電極５１との距離を離す場合、リッジ部４０ａの幅方向（具体的には、Ｘ軸方向）に離すのが有効であり、それを実現するために、密着層７０をリッジ部４０ａから離して形成している。
　なお、本実施の形態では、距離ｄ１＝距離ｄ２としているが、距離ｄ１と距離ｄ２とは異なっていてもよい。また、距離ｄ１、ｄ２のどちらか一方が、０．６μｍ以上、３．０μｍ以下の範囲にあっても、水素拡散による窒化物半導体レーザ素子１の動作電圧が上昇すること抑制、および、パッド電極５２と誘電体層６０との密着性を確保する効果は得られるが、距離ｄ１、ｄ２が両方とも、０．６μｍ以上、３．０μｍ以下の範囲にあるのが、より好ましい。
　密着層７０の材料は、特に限定されるものではないが、Ｔｉ、Ｎｉの少なくとも１つを有する層を含むとよい。例えば、密着層７０は、ＴｉあるいはＴｉ／Ｐｔの２層構造からなる金属材料である。本実施の形態において、ｐ側電極５１は、Ｔｉからなる金属材料である。
　なお、図１Ａに示すように、パッド電極５２は、窒化物半導体レーザ素子１を個片化する際の歩留まりを向上させるために、第２の窒化物半導体層４０の内側に形成されている。すなわち、窒化物半導体レーザ素子１を上面視した場合に、パッド電極５２は、窒化物半導体レーザ素子１の端部周縁には形成されていない。つまり、窒化物半導体レーザ素子１は、端部周縁に電流が供給されない非電流注入領域を有する。また、パッド電極５２が形成されている領域の断面形状は、どの部分でも図１Ｂに示される構造となる。
　誘電体層６０は、光を閉じ込めるために、リッジ部４０ａの側面に形成されたＳｉＯ２からなる絶縁膜である。具体的には、誘電体層６０は、リッジ部４０ａの側面から平坦部４０ｂにわたって連続的に形成されている。本実施の形態において、誘電体層６０は、リッジ部４０ａの周辺において、ｐ側コンタクト層４３の側面とｐ側クラッド層４２の凸部の側面とｐ側クラッド層４２の上面とにわたって連続して形成されている。
　誘電体層６０の形状は、特に限定されるものではないが、誘電体層６０は、リッジ部４０ａの側面および平坦部４０ｂと接しているとよい。これにより、リッジ部４０ａの直下で発光した光を安定的に閉じ込めることができる。
　また、高い光出力で動作させること（高出力動作）を目的とした窒化物半導体レーザ素子では、光出射端面には誘電体多層膜などの端面コート膜が形成される。この端面コート膜は、端面のみに形成することが難しく、窒化物半導体レーザ素子１の上面にも回りこむ。この場合、窒化物半導体レーザ素子１の長手方向（Ｙ軸方向）の端部では、パッド電極５２が形成されていないため、端面コート膜が上面にまで回りこんでしまうと、窒化物半導体レーザ素子１の長手方向の端部で誘電体層６０と端面コート膜とが接してしまう場合がある。この際、誘電体層６０が形成されていない、又は、誘電体層６０の膜厚が光閉じ込めに対して薄い場合には、端面コート膜の影響を受けるため、光損失の原因となる。そこで、発光層３０で発生した光を十分に閉じ込めるためには、誘電体層６０の膜厚は、１００ｎｍ以上にするとよい。一方、誘電体層６０の膜厚が厚すぎると、パッド電極５２の形成が困難となるために、誘電体層６０の膜厚は、リッジ部４０ａの高さ以下にするとよい。
　また、リッジ部４０ａの側面および平坦部４０ｂには、リッジ部４０ａを形成する際のエッチング工程でエッチングダメージが残存してリーク電流が発生する場合があるが、リッジ部４０ａおよび平坦部４０ｂを誘電体層６０で被覆することで、不要なリーク電流の発生を低減できる。
　なお、基板１０の下面には、基板１０とオーミック接触するオーミック電極としてｎ側電極８０が形成されている。
　［窒化物半導体レーザ素子の製造方法］
　次に、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法について、図２Ａ～図２Ｉを用いて説明する。図２Ａ～図２Ｉは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の製造方法における各工程の断面図である。なお、図２Ａ～図２Ｉに示す断面は、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線に対応した位置における断面である。
　まず、図２Ａに示すように、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である基板１０上に、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いて、第１の窒化物半導体層２０、発光層３０および第２の窒化物半導体層４０をこの順で順次成膜する。
　具体的には、基板１０の上に、第１の窒化物半導体層２０としてｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層を３μｍ成長させる。続いて、ｎ－ＧａＮからなるｎ側光ガイド層３１を０．１μｍ成長させる。続いて、ＩｎＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮ量子井戸層との３周期からなる活性層３２を成長させる。続いて、ｐ－ＧａＮからなるｐ側光ガイド層３３を０．１μｍ成長させる。続いて、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１を１０ｎｍ成長させる。続いて、ｐ－ＡｌＧａＮ層（１．５ｎｍ）とＧａＮ層（１．５ｎｍ）とを１６０周期繰り返して形成した０．４８μｍの歪超格子からなるｐ側クラッド層４２を成長させる。続いて、ｐ－ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４３を０．０５μｍ成長させる。ここで、各層において、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎを含む有機金属原料には、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、窒素原料には、アンモニア（ＮＨ３）を用いる。
　次に、図２Ｂに示すように、第２の窒化物半導体層４０上に、保護膜９１を成膜する。具体的には、ｐ側コンタクト層４３の上に、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、保護膜９１として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ成膜する。
　なお、保護膜９１の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法に限るものではなく、例えば、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、又は、パルスレーザ成膜法など、公知の成膜方法を用いることができる。また、保護膜９１の成膜材料は、上記のものに限るものではなく、例えば、誘電体や金属など、後述する第２の窒化物半導体層４０（ｐ側クラッド層４２、ｐ側コンタクト層４３）のエッチングに対して、選択性のある材料であればよい。
　次に、図２Ｃに示すように、フォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて、保護膜９１がストライプ状に残るように、保護膜９１を選択的に除去する。エッチング法としては、例えば、ＣＦ４などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるドライエッチング、又は、１：１０程度に希釈した弗化水素酸（ＨＦ）などのウェットエッチングを用いることができる。
　次に、図２Ｄに示すように、ストライプ状に形成された保護膜９１をマスクとして、ｐ側コンタクト層４３およびｐ側クラッド層４２をエッチングすることで、第２の窒化物半導体層４０にリッジ部４０ａおよび平坦部４０ｂを形成する。ｐ側コンタクト層４３およびｐ側クラッド層４２のエッチングとしては、Ｃｌ２などの塩素系ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを用いるとよい。
　次に、図２Ｅに示すように、ストライプ状の保護膜９１をフッ酸などのウェットエッチングによって除去した後、ｐ側コンタクト層４３およびｐ側クラッド層４２を覆うように、誘電体層６０を成膜する。つまり、リッジ部４０ａおよび平坦部４０ｂの上に誘電体層６０を形成する。誘電体層６０としては、例えば、シラン（ＳｉＨ４）を用いたプラズマＣＶＤ法によって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ成膜する。
　なお、誘電体層６０の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法に限るものではなく、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、又は、パルスレーザ成膜法などの成膜方法を用いてもよい。
　次に、図２Ｆに示すように、フォトリソグラフィー法と、フッ酸を用いたウェットエッチングとにより、リッジ部４０ａ上の誘電体層６０のみを除去して、ｐ側コンタクト層４３の上面を露出させる。その後、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、リッジ部４０ａ上のみにＰｄ／Ｐｔからなるｐ側電極５１を形成する。具体的には、誘電体層６０から露出させたｐ側コンタクト層４３の上にｐ側電極５１を形成する。
　なお、ｐ側電極５１の成膜方法は、真空蒸着法に限るものではなく、スパッタ法又はパルスレーザ成膜法などであってもよい。また、ｐ側電極５１の電極材料は、Ｎｉ／Ａｕ系、Ｐｔ系など、第２の窒化物半導体層４０（ｐ側コンタクト層４３）とオーミック接合する材料であればよい。
　次に、図２Ｇに示すように、フォトリソグラフィー法、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、誘電体層６０上にＴｉからなる密着層７０を形成する。
　なお、密着層７０の成膜方法は、真空蒸着法に限るものではなく、スパッタ法又はパルスレーザ成膜法などであってもよい。また、密着層７０の材料は、Ｔｉ以外にもＮｉ系など、誘電体層６０との密着性を向上させる材料であればよい。
　次に、図２Ｈに示すように、ｐ側電極５１、誘電体層６０および密着層７０を覆うようにパッド電極５２を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー法などによって、形成したい部分以外にレジストをパターニングし、基板１０の上方の全面に真空蒸着法などによってＡｕからなるパッド電極５２を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分の電極を除去することで、ｐ側電極５１、誘電体層６０および密着層７０の上に所定形状のパッド電極５２を形成する。これにより、ｐ側電極５１およびパッド電極５２からなる電極部材５０が形成される。
　次に、図２Ｉに示すように、基板１０の下面にｎ側電極８０を形成する。具体的には、基板１０の裏面に真空蒸着法などによってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極８０を形成し、フォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いてパターニングすることで、所定形状のｎ側電極８０を形成する。これにより、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１を製造することができる。
　［窒化物半導体レーザ素子の実装形態１］
　次に、図３Ａおよび図３Ｂを用いて、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の実装形態１（窒化物半導体レーザ装置）を説明する。図３Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の実装形態１を説明するための図である。図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ―ＩＩＩＢ線における窒化物半導体レーザ素子１の実装形態１の断面図である。
　図３Ａおよび図３Ｂに示すように、窒化物半導体レーザ装置２００は、窒化物半導体レーザ素子１と、サブマウント１００とを備える。具体的には、窒化物半導体レーザ素子１は、サブマウント１００に保持（実装）されている。
　サブマウント１００は、窒化物半導体レーザ素子１が実装される実装基板である。サブマウント１００は、基台１０１と、第１電極１０２ａと、第２電極１０２ｂと、第１半田層１０３ａと、第２半田層１０３ｂとを有する。
　基台１０１は、窒化物半導体レーザ素子１を支持する基板である。基台１０１の材料は、特に限定されるものではないが、アルミナイトライド（ＡｌＮ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）などのセラミック、ＣＶＤで成膜されたダイヤモンド（Ｃ）、ＣｕやＡｌなどの金属単体、又は、ＣｕＷなどの合金など、窒化物半導体レーザ素子１と比べて熱伝導率が同等かそれ以上の材料で構成されているとよい。
　第１電極１０２ａは、基台１０１の一方の面に形成される。また、第２電極１０２ｂは、基台１０１の他方の面に形成される。第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂは、例えば、Ｔｉ（０．１μｍ）、Ｐｔ（０．２μｍ）およびＡｕ（０．２μｍ）の金属材料からなる積層膜である。
　第１半田層１０３ａは、第１電極１０２ａ上に形成される。第２半田層１０３ｂは、第２電極１０２ｂ上に形成される。第１半田層１０３ａおよび第２半田層１０３ｂは、例えば、Ａｕ（７０％）およびＳｎ（３０％）からなるＳｎ－Ａｕ（金スズ）合金からなる共晶半田である。
　上述したように、窒化物半導体レーザ素子１は、サブマウント１００に実装される。実装形態１では、窒化物半導体レーザ素子１は、第１の窒化物半導体層２０側がサブマウント１００に接合される。具体的には、窒化物半導体レーザ素子１のｎ側がサブマウント１００に接続される実装形態、つまりジャンクションアップ実装であるので、窒化物半導体レーザ素子１のｎ側電極８０がサブマウント１００の第１半田層１０３ａに接続される。
　また、ワイヤボンディングによって、窒化物半導体レーザ素子１のパッド電極５２およびサブマウント１００の第１電極１０２ａの各々には、金属材料によって形成されたワイヤ１１０が接続される。これにより、ワイヤ１１０によって窒化物半導体レーザ素子１に電流を供給することができる。
　なお、図示しないが、サブマウント１００は、放熱性の向上および取り扱いの簡便化の目的で、例えば、ＣＡＮパッケージなどの金属パッケージに実装されてもよい。
　［窒化物半導体レーザ素子の実装形態２］
　次に、図４Ａおよび図４Ｂを用いて、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の実装形態２（窒化物半導体レーザ装置）を説明する。
　上述したように、実装形態１では、窒化物半導体レーザ素子１をジャンクションアップ実装する場合について説明したが、窒化物半導体レーザ素子１のｐ側の電極がサブマウント１００に接続される実装形態、すなわちジャンクションダウン実装を適用してもよい。実装形態２では、窒化物半導体レーザ素子１をジャンクションダウン実装する場合について説明する。
　図４Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の実装形態２（窒化物半導体レーザ装置２００ａ）を説明するための平面図である。図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ―ＩＶＢ線における窒化物半導体レーザ素子１の実装形態２の断面図である。
　図４Ａおよび図４Ｂに示すように、窒化物半導体レーザ装置２００ａは、実装形態１と同様に、窒化物半導体レーザ素子１と、サブマウント１００とを備える。具体的には、窒化物半導体レーザ素子１は、サブマウント１００に実装されている。また、窒化物半導体レーザ装置２００ａは、窒化物半導体レーザ素子１とサブマウント１００とを接合する第１半田層（半田層）１０３ａを備える。
　また、実装形態２においては、実装形態１とは異なり、窒化物半導体レーザ素子１は、パッド電極５２側がサブマウント１００に接合される。また、第１半田層１０３ａは、パッド電極５２とサブマウント１００との間に位置する。具体的には、窒化物半導体レーザ素子１の電極部材５０がサブマウント１００の第１半田層１０３ａに接続される。このように、窒化物半導体レーザ素子１をジャンクションダウン実装することで、発熱源に近いｐ側電極５１がサブマウント１００に接続されるので、窒化物半導体レーザ素子１の放熱性を向上させることができる。また、実装形態２においては、Ａｕで構成されるパッド電極５２とＳｎ－Ａｕ（金スズ）からなる第１半田層１０３ａが接続されるため、第１半田層１０３ａ中のＳｎ（スズ）がパッド電極５２中へと拡散し第１半田層１０３ａおよびパッド電極５２にわたってＳｎ－Ａｕ（金スズ）共晶構造が形成される。この構成でも、水素の拡散は抑制されるため、レーザ発振時の動作電圧の上昇は抑制される。つまり、パッド電極５２は、少なくとも第１半田層１０３ａと接触するＡｕからなる層を含むとよい。また、第１半田層１０３ａは、Ｓｎを含むとよい。
　なお、本実施の形態では、半田層の材料として金スズ合金を示したが、Ｓｎ－Ａｇ系半田やＳｎ－Ｃｕ系半田など、公知の半導体接合に用いられている材料を用いてもよい。
　［窒化物半導体レーザ素子の作用効果］
　次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１の作用効果について、本開示の技術を得るに至った経緯も含めて、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを用いて説明する。
　図５Ａは、比較例の窒化物半導体レーザ素子を模擬的に示すレーザ構造１０００Ｘの断面図である。図５Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１を模擬的に示すレーザ構造１Ｘの断面図である。図５Ｃは、比較例のレーザ構造１０００Ｘおよび実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１のレーザ構造１Ｘの動作電圧の経時的変化を示す図である。
　半導体デバイスで広く使用されている誘電体材料としては、以下の表１に示されるものがある。中でも、ＳｉＯ２は、屈折率が最も低く、光に対して透明である。このため、ＳｉＯ２は、半導体レーザ素子の絶縁膜として有用である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　しかしながら、窒化物半導体レーザ素子を開発する中で、窒化物半導体レーザ素子の絶縁膜として用いたＳｉＯ２が原因となって、連続通電時に動作電圧が上昇するという課題があることが判明した。
　その原因を究明するために、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、窒化物半導体レーザ素子を模擬的に示すレーザ構造１０００Ｘおよび１Ｘを実際に作製して通電実験を行った。
　図５Ａに示すように、比較例の窒化物半導体レーザ素子を模擬的に示すレーザ構造（比較例のレーザ構造）１０００Ｘは、ＧａＮ基板からなる基板１０と、ｎ側ＡｌＧａＮクラッド層からなる第１の窒化物半導体層２０と、ｎ側ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ活性層およびｐ側ＧａＮ光ガイド層からなる発光層３０と、ＡｌＧａＮ電子障壁層、ｐ側ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ側ＧａＮコンタクト層からなる第２の窒化物半導体層４０とを有する。さらに、第２の窒化物半導体層４０は、リッジ部４０ａと、リッジ部４０ａの根元から横方向に広がる平坦部４０ｂと有する。リッジ部４０ａおよび平坦部４０ｂ上にはＳｉＯ２からなる誘電体層６０が積層されている。また、誘電体層６０は開口部を有しており、この開口部には、Ｐｄ／Ｐｔからなるｐ側電極５１が形成されている。さらに、ｐ側電極５１と誘電体層６０とを覆うようにＴｉからなる密着層７０が形成されている。さらに、密着層７０上には、Ａｕからなるパッド電極５２が形成されている。なお、基板１０の下面には、ｎ側電極８０が形成されている。
　また、図５Ｂに示すように、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１を模擬的に示すレーザ構造（実施の形態のレーザ構造）１Ｘは、比較例のレーザ構造１０００Ｘと同様に、ＧａＮ基板からなる基板１０と、ｎ側ＡｌＧａＮクラッド層からなる第１の窒化物半導体層２０と、ｎ側ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ活性層およびｐ側ＧａＮ光ガイド層からなる発光層３０と、ＡｌＧａＮ電子障壁層、ｐ側ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ側ＧａＮコンタクト層からなる第２の窒化物半導体層４０と、ｎ側電極８０とを有する。さらに、第２の窒化物半導体層４０は、リッジ部４０ａと、リッジ部４０ａの根元から横方向に広がる平坦部４０ｂと有する。リッジ部４０ａおよび平坦部４０ｂ上には、ＳｉＯ２からなる誘電体層６０が積層されている。また、誘電体層６０は開口部を有しており、この開口部には、Ｐｄ／Ｐｔからなるｐ側電極５１が形成されている。そして、実施の形態のレーザ構造１Ｘでは、比較例のレーザ構造１０００Ｘと異なり、誘電体層６０上のみにＴｉからなる密着層７０が形成されており、密着層７０とｐ側電極５１とは接触していない。さらに、ｐ側電極５１、誘電体層６０および密着層７０を覆うようにＡｕからなるパッド電極５２が形成されている。
　このように作製した比較例のレーザ構造１０００Ｘ（図５Ａ参照）と実施の形態のレーザ構造１Ｘ（図５Ｂ参照）に対して連続通電を行ったところ、動作電圧に関して、図５Ｃに示す結果が得られた。
　図５Ｃに示すように、比較例のレーザ構造１０００Ｘでは、通電時間の経過とともに動作電圧が徐々に上昇し、通電時間が２００時間を超えると、動作電圧が急激に上昇することが分かった。一方、実施の形態のレーザ構造１Ｘでは、長時間経過しても動作電圧がほぼ上昇しておらず、比較例のレーザ構造１０００Ｘと比べて、動作電圧の上昇が大幅に抑制されることが分かった。
　この実験結果について本願発明者らが鋭意検討した結果、ＳｉＯ２は水素が多く含まれる材料であることから、比較例のレーザ構造１０００Ｘでは、動作中に誘電体層６０に含まれる水素が密着層７０を介してｐ側電極５１に拡散し、これが原因となって動作電圧の上昇を引き起こしていたことが分かった。また、密着層７０として使われるＴｉやＮｉなどの材料や、ｐ側電極５１として使われるＰｄやＰｔなどの材料は、水素との反応性が高いため、これらの電極同士が接することで、ＳｉＯ２を含む誘電体層６０から水素が密着層７０を介してｐ側電極５１まで拡散したと考えられる。
　一方、実施の形態のレーザ構造１Ｘでは、ＳｉＯ２を含む誘電体層６０と接する密着層７０は、ｐ側電極５１と接触していない。誘電体層６０と密着層７０とはパッド電極５２が接しているが、パッド電極５２の材料は、水素との反応性が極めて低いＡｕで構成されている。この構成により、誘電体層６０中の水素がｐ側電極５１まで拡散されなかったために、動作電圧が上昇しなかったと考えられる。
　図５Ｄに、拡散方程式を用いて計算した水素濃度の経時的変化の計算結果を示す。なお、図５Ｄに示す実験結果は、図５Ａに示す比較例のレーザ構造１０００Ｘおよび図５Ｂに示す実施の形態のレーザ構造１Ｘをそれぞれ用い、ＳｉＯ２中の水素が、密着層７０とパッド電極５２とを介してｐ側電極５１まで拡散するというモデルで計算した。また、原点の水素濃度を１Ｅ＋２１ｃｍ－３で固定し、４万時間後の水素濃度を、原点からの距離に対して計算した。つまり、図５Ｄに示すグラフにおいて、横軸は原点からの水素の拡散距離（単位：μｍ）を示し、縦軸は水素濃度（単位：ｃｍ－３）を示す。計算に用いたパラメータは、図５Ｃの実験結果から抽出し、比較例のレーザ構造１０００Ｘでは、拡散係数を１Ｅ－１１ｍ２／ｓｅｃ、実施の形態のレーザ構造１Ｘでは、１Ｅ－１８ｍ２／ｓｅｃとして計算した。
　図５Ｄに示す実験結果から、拡散係数が小さいほど、拡散距離が短くなることがわかる。
　従来、水素濃度が１Ｅ＋１７ｃｍ－３以上になると、窒化物半導体レーザ素子１の動作電圧は増加が見られることが知られている。実施の形態のレーザ構造１Ｘの場合、水素濃度が１Ｅ＋１７ｃｍ－３となる距離が０．６μｍであることから、密着層７０をｐ側電極５１から０．６μｍ以上離しておけば、窒化物半導体レーザ素子１の動作電圧の増加を抑制できる。
　また、誘電体層６０を構成するＳｉＯ２に水素が含まれる要因について検討した結果、ＳｉＯ２を成膜する際の原料（シラン（ＳｉＨ４））の水素がＳｉＯ２膜に残留したり、フォトリソグラフィー又はエッチングなどの製造時の水洗浄によってＳｉＯ２膜に水素が残留したりすることで、誘電体層６０に水素が含まれることが分かった。
　本開示の技術は、このような知見に基づいてなされたものであり、誘電体層６０に含まれる水素が電極部材５０に拡散しないようにすることで、誘電体層６０としてＳｉＯ２を用いた場合であっても、動作電圧の上昇を抑制するものである。
　具体的には、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１では、Ｔｉからなる密着層７０はｐ側電極５１とは接触していない。
　これにより、誘電体層６０から密着層７０を介したｐ側電極５１への水素の伝達経路が遮断されるので、誘電体層６０中に含まれる水素がｐ側電極５１に拡散することを抑制することができる。この結果、水素に起因して動作電圧が上昇することを抑制することができる。
　なお、本実施の形態では、誘電体層６０から電極部材５０への水素拡散の抑制効果を最大化するために、密着層７０とｐ側電極５１とが完全に非接触となるようにしているが、製造ばらつきなどによって密着層７０とｐ側電極５１とが一部接触していたとしても、その接触面積が十分に小さければ、動作電圧への影響は僅かであり、動作電圧の上昇を抑制することができる。
　［まとめ］
　以上、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１は、第１の窒化物半導体層２０と、第１の窒化物半導体層２０の上に形成された窒化物半導体からなる発光層３０と、発光層３０の上に形成され、リッジ部４０ａを有する第２の窒化物半導体層４０と、リッジ部４０ａの上に形成されたｐ側電極（オーミック電極）５１と、ｐ側電極５１の上に形成され、リッジ部４０ａよりも幅広であるパッド電極５２とを備える。第２の窒化物半導体層４０は、リッジ部４０ａの側方に平坦部４０ｂを有する。リッジ部４０ａの側面および平坦部４０ｂの上には、ＳｉＯ２からなる誘電体層６０が形成されている。平坦部４０ｂの上の誘電体層６０の上には、密着層７０が形成されている。密着層７０は、リッジ部４０ａの側面の上の誘電体層６０から離れ、且つ、パッド電極５２と接触し、ｐ側電極５１とは非接触である。
　この構成により、密着層７０とｐ側電極５１との間に形成されたパッド電極５２によって密着層７０とｐ側電極５１とが非接触となっている。これにより、誘電体層６０中に含まれる水素がｐ側電極５１に拡散することを抑制することができる。したがって、水素に起因して動作電圧が上昇してしまうことを抑制できる。
　また、この構成により、窒化物半導体レーザ素子１の駆動電流は、オーミック電極であるｐ側電極５１を通してリッジ部４０ａに流れる。また、パッド電極５２が平坦部４０ｂにまで幅広く形成されるので、ワイヤボンディングなどによる電気的接続が容易となる。
　また、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１において、密着層７０とｐ側電極５１との距離ｄ１、ｄ２は、０．６μｍ以上、３．０μｍ以下であるとよい。
　この構成により、パッド電極５２と誘電体層６０との密着性を確保でき、且つ、窒化物半導体レーザ素子１における水素に起因して動作電圧が上昇してしまうことを、より抑制できる。
　また、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１において、第２の窒化物半導体層４０は、リッジ部４０ａの最上層として形成されたｐ側コンタクト層４３を有してもよい。また、ｐ側電極５１（オーミック電極）は、リッジ部４０ａの上面であるｐ側コンタクト層４３の上面と接触している。
　この構成により、ｐ側電極５１（オーミック電極）とリッジ部４０ａとは、良好なオーミック接触の状態になるため、リッジ部４０ａには良好に電流が供給される。
　また、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１において、リッジ部４０ａの幅は、１０μｍ以上５０μｍ以下であるとよい。
　この構成により、高い光出力で動作させることができる窒化物半導体レーザ素子１を実現することができる。
　また、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１において、密着層７０は、Ｔｉ、Ｎｉの少なくとも１つを有する層を含むものが適している。
　この構成により、窒化物半導体レーザ素子１の駆動時に発生する熱を例えば窒化物半導体レーザ素子１が実装されるサブマウント１００に逃がすことができるので、窒化物半導体レーザ素子１を高い光出力で動作させることができる。
　また、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１において、パッド電極５２は、Ａｕからなる層を含むものが適している。
　このように、高い熱伝導性を有する材料を選択することにより、窒化物半導体レーザ素子１の駆動時に発生する熱を、例えば窒化物半導体レーザ素子１が実装されるサブマウント１００に効率よく逃がすことができるので、窒化物半導体レーザ素子１を高い光出力で動作させることができる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置２００は、窒化物半導体レーザ素子１と、窒化物半導体レーザ素子１を保持するサブマウント１００とを備える。
　この構成により、窒化物半導体レーザ素子１の駆動時に発生する熱を、窒化物半導体レーザ素子１が実装されるサブマウント１００に逃がすことができるので、窒化物半導体レーザ素子１を高い光出力で動作させることができる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置２００において、窒化物半導体レーザ素子１は、第１の窒化物半導体層２０側がサブマウント１００に接合され、パッド電極５２にワイヤ１１０が接続されてもよい。
　この構成により、窒化物半導体レーザ装置２００は、例えば外部電源とワイヤボンディングにより簡単に電気接続が可能となる。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置２００ａにおいて、窒化物半導体レーザ素子１は、パッド電極５２側がサブマウント１００に接合されてもよい。この場合に、パッド電極５２とサブマウント１００との間には、半田層１０３ａが介在してもよい。
　この構成により、窒化物半導体レーザ素子１の発光層３０の近くにサブマウント１００が位置するため、発光層３０からの熱がサブマウント１００から効率よく放熱される。そのために、窒化物半導体レーザ装置２００ａの放熱特性は、向上される。
　また、本開示に係る窒化物半導体レーザ装置２００において、パッド電極５２は、少なくとも半田層１０３ａと接触するＡｕからなる層を含んでもよい。この場合に、半田層１０３ａは、Ｓｎを含んでもよい。
　この構成により、窒化物半導体レーザ装置２００とサブマウント１００との接合が、Ａｎ－Ｓｎ共晶構造となる。そのため、窒化物半導体レーザ素子１とサブマウント１００とは剥がれにくくなる。
　（変形例）
　以上、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示に係る窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ装置は、画像表示装置、照明又は産業機器などの光源として利用することができ、特に、比較的に高い光出力を必要とする機器の光源として有用である。
　１　窒化物半導体レーザ素子
　１０　基板
　２０　第１の窒化物半導体層
　３０　発光層
　３１　ｎ側光ガイド層
　３２　活性層
　３３　ｐ側光ガイド層
　４０　第２の窒化物半導体層
　４０ａ　リッジ部
　４０ｂ　平坦部
　４１　電子障壁層
　４２　ｐ側クラッド層
　４３　ｐ側コンタクト層
　５０　電極部材
　５１　ｐ側電極（オーミック電極）
　５２　パッド電極
　６０　誘電体層
　７０　密着層
　８０　ｎ側電極
　９１　保護膜
　１００　サブマウント
　１０１　基台
　１０２ａ　第１電極
　１０２ｂ　第２電極
　１０３ａ　第１半田層（半田層）
　１０３ｂ　第２半田層
　１１０　ワイヤ
　２００、２００ａ　窒化物半導体レーザ装置
　ｄ１、ｄ２　距離

Claims (10)

  1. 　第１の窒化物半導体層と、
    　前記第１の窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体からなる発光層と、
    　前記発光層の上に形成され、リッジ部を有する第２の窒化物半導体層と、
    　前記リッジ部の上に形成されたオーミック電極と、
    　前記オーミック電極の上に形成され、前記リッジ部よりも幅広であるパッド電極とを備え、
    　前記第２の窒化物半導体層は、前記リッジ部の側方に平坦部を有し、
    　前記リッジ部の側面及び前記平坦部の上には、ＳｉＯ２からなる誘電体層が形成され、
    　前記平坦部上の前記誘電体層の上には、密着層が形成され、
    　前記密着層は、前記リッジ部の側面上の前記誘電体層から離れ、且つ、前記パッド電極と接触し、前記オーミック電極とは非接触である
    　窒化物半導体レーザ素子。
  2. 　前記密着層と前記オーミック電極との距離は、０．６μｍ以上、３．０μｍ以下である
    　請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
  3. 　前記パッド電極は、前記誘電体層と接触している
    　請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 　前記リッジ部の幅は、１０μｍ以上５０μｍ以下である
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  5. 　前記密着層は、Ｔｉ、Ｎｉの少なくとも１つを有する層を含む
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  6. 　前記パッド電極は、Ａｕからなる層を含む
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子と、
    　前記窒化物半導体レーザ素子を保持するサブマウントとを備える
    　窒化物半導体レーザ装置。
  8. 　前記窒化物半導体レーザ素子は、前記第１の窒化物半導体層側が前記サブマウントに接合され、
    　前記パッド電極にワイヤが接続されている
    　請求項７記載の窒化物半導体レーザ装置。
  9. 　前記窒化物半導体レーザ素子は、前記パッド電極側が前記サブマウントに接合され、
    　前記パッド電極と前記サブマウントとの間には、半田層が介在している
    　請求項７記載の窒化物半導体レーザ装置。
  10. 　前記パッド電極は、少なくとも前記半田層と接触するＡｕからなる層を含み、
    　前記半田層は、Ｓｎを含む
    　請求項９記載の窒化物半導体レーザ装置。
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