专利名称：脊形波导型半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脊形波导型半导体激光器，具体涉及在脊形波导型半导体激光器的组装后可提高可靠性的脊形结构。
背景技术：
近年来，半导体激光器广泛用作DVD等光盘、医疗器械、加工机器、光纤通信等的光源。特别是由氮化物半导体(InxAlyGal1-x-yN、0≤x、0≤y、x+y≤1)构成的半导体激光器，作为可从相对短波长的紫外区域发红色光的半导体元件，引人注目。
在这些半导体激光器中，作为用于横向模式控制的条形结构，多采用能够同时实现增益波导和折射率波导的脊形波导型。此外，特别是氮化物半导体激光器，由于多形成在导热率小的蓝宝石基板等，为提高激光器元件的散热性，优选采用将接近活性层的p电极侧放在下面的倒装焊接法(down junction)进行组装。此外，即使在采用不是蓝宝石基板等的异种基板的氮化物半导体基板时，为了抑制高输出时产生的热造成的元件劣化，通过或采用导热率比基板大得多的辅助固定架，或将p层侧放在下面，可有效地进行倒装组装。
图5是表示倒装焊接脊形波导型激光器的以往例的概略剖面图(例如，参照特开2000-58965号公报)。在图5中，采用焊锡等导电性粘合剂23将氮化物半导体激光器10倒装组装在组装基板20上。氮化物半导体激光器10是通过在基板11的上面依次叠层n型氮化物半导体层12、活性层13及p型氮化物半导体层14，在p型氮化物半导体层上形成条形状的脊形部14a的脊形波导型半导体激光器。氮化物半导体激光器10的n型电极16及p型电极15和19通过焊锡等导电性粘合剂23接合在组装用基板20的电极21及22上。
但是，在上述以往的脊形波导型半导体激光器中，在组装基板20上组装激光器10后，存在或是初期的激光器特性发生异常，或是元件寿命缩短等问题。
发明内容
为此，本发明就脊形波导型半导体激光器，提供一种新型的脊形结构，能够防止组装时产生的激光器特性异常或寿命特性的劣化。
本发明人等经过深入研究，结果发现，组装脊形波导型半导体激光器后产生的激光器特性异常或寿命劣化的原因在于产生在脊形部的异常，特别是在于组装时使用的导电性粘合剂向p侧欧姆电极的扩散、或脊形部的绝缘保护膜或p型电极的剥离，由此完成本发明。
下面，采用图6说明上述情况。图6是局部放大氮化物半导体激光器的脊形部的剖面图。此外，图6表示与图5上下逆转的图面。如图6所示，在氮化物半导体激光器10的p型氮化物半导体层14上，设有波导形成用的脊形14a，露出脊形14a的顶面地形成第1绝缘保护膜17。第1绝缘保护膜17采用光折射率与脊形14a有较大不同的材料，基于该光折射率的差异发挥脊形14a的光封闭功能。此外，整体覆盖脊形14a地形成p侧欧姆电极15，在与在脊形14a的顶面露出的p型氮化物半导体14之间形成欧姆接合。此外，与脊形部14a分离地并在第1绝缘保护膜17的上面形成第2绝缘保护膜18。
在该脊形部14a，p侧欧姆电极15与组装基板的接合按如下进行。首先，在p侧欧姆电极15的上面，形成由与导电性粘合剂23有良好接合性的金属构成的p侧垫片电极19，利用导电性粘合剂23将p侧垫片电极19接合在组装基板的电极上。一边在组装基板上安装激光器元件，一边将元件加热到导电性粘合剂的熔点以上，如此进行该接合。
本发明人等对产生工作不良的激光器元件进行了多种研究，结果发现，导电性粘合剂23中的Sn等金属成分到达覆盖脊形部14a的p侧欧姆电极15，阻碍p侧欧姆电极15和p型氮化物半导体层14的欧姆接触。关于导电性粘合剂23，通常采用焊锡等低熔点金属，但由于接合时的加热，该低熔点金属(Sn等)沿p侧垫片电极19内扩散，推断能到达p侧欧姆电极15。Sn等低熔点金属一旦到达p侧欧姆电极15，则阻碍p侧欧姆电极15和p型氮化物半导体间的欧姆接触，增大接触电阻。
此外，除上述问题外，本发明人还发现，在p型氮化物半导体层的脊形部14a的侧面，在p型氮化物半导体层14和第1绝缘保护膜17之间或绝缘保护膜17和p侧欧姆电极15之间产生剥离，结果引起激光器的特性劣化及寿命劣化。在利用倒装焊接在基板上接合激光器芯片时，对在激光器芯片的结构上最突出的脊形部14a施加大的力。而且，脊形部14a的侧面，特别是脊形14a的侧面和顶面结成的角部25或侧面和底面结成的角部26，作为制膜工序的一般的倾向，容易减薄第1绝缘保护膜17的膜厚度。此外，绝缘保护膜一般与氮化物半导体或金属的密合性不好。因此，因在组装基板上接合激光器芯片时的热或加压，第1绝缘保护膜17和p型氮化物半导体层14之间或第1绝缘保护膜17和p侧欧姆电极15之间产生剥离。由于一旦在第1绝缘保护膜17产生剥离，脊形部14a周围的光折射率就发生异常，所以严重阻碍脊形部14a的光封闭功能。
此外，这样的事情不局限于利用倒装焊接进行脊形波导型激光器元件的组装。如果是在激光器元件的脊形部附近，在p侧垫片电极上，利用由低熔点金属构成的导电性粘合剂进行接合的组装方法，都产生同样的问题。另外，即使在组装以外的工序，在具有暴露于高温下的工序时，也降低电极(特别是p侧电极)和绝缘膜或半导体层的接合性，是使元件特性劣化的原因。
因此，本发明脊形波导型半导体激光器，具有夹着活性层的n侧半导体层及p侧半导体层、形成在p侧半导体层的波导形成用脊形部、至少部分露出所述脊形部顶面地覆盖的绝缘保护膜、在从所述绝缘保护膜露出的脊形部欧姆接触的p侧欧姆电极、与该p侧欧姆电极上电接触地形成的p侧垫片电极，其特征在于在上述p侧欧姆电极和上述p侧垫片电极之间，形成可防止上述低熔点金属扩散的中间层，该中间层至少覆盖从上述绝缘保护膜露出的上述脊形部。
在p侧欧姆电极和p侧垫片电极之间，通过形成中间层，能够抑制低熔点金属向脊形部扩散，能够防止阻碍p侧垫片电极和p侧半导体层的欧姆接触。
此外，为了防止脊形部侧面的绝缘保护膜的剥离，优选进一步覆盖脊形部的侧面地形成中间层。中间层扩展到脊形部的侧面，通过填埋容易产生绝缘保护膜剥离的脊形侧面和顶面结成的角部及脊形侧面、底面结成的角部，可缓和施加给绝缘保护膜的热及压力的集中。此外，中间层通过采用与电极密合性弱的材料(例如氧化物等)，填埋角部，不仅有缓和倒装组装时的应力集中的效果，无论组装方式如何，还能得到电极结构具有自由度的效果，由此能够提高相对于热膨胀等造成的热结构变化的机械耐性。作为得到如此效果的原因，认为是，与p侧欧姆电极或p侧垫片电极的界面经过包括脊形上部的(大范围)，与金属—金属结合时相比，通过加入密合性弱的材料，能够缓和该强固金属间的结合力。其结果是，与欧姆接触相关的区域(p侧接触层～p侧垫片电极)整体的内部结构提高了相对于热的或物理的外部应力的自由度，能够分散(扩散)施加给欧姆接触部的负荷。此外，在这样的密合性弱的中间层为绝缘性时，即使剥离中间层和p侧欧姆电极或p侧垫片电极，只要能确保欧姆接触部的密合性，对元件驱动也无问题。
对于中间层的形成区域，通过在脊的左右设置为大致相同宽度和长度，由于可以使向脊的电流供给容易变得均匀，因此是理想的。尤其在脊的宽度大时或设置多个脊时等，无论是作为缓冲层发挥作用的情况下还是作为扩散防止层发挥作用的情况下，对于左右方向可以使热的负荷或机械负荷大致均等地分散，因此可以抑制光密度的偏在等，可以容易获得COD发生的抑制、部分发光的抑制等效果。
如上述，也可使以在中间层具有作为扩散防止层的功能和防止剥离的即作为调整密合性的缓冲层的功能的两种不同功能。在这种情况下，既可以以单层形成兼具两种功能的层，也可以形成叠层两层以上的层的结构，可以根据需要的功能等，进行各种组合。例如，可以选择在防止扩散层上叠层缓冲层或在缓冲层上叠层扩散防止层或在缓冲层上进一步叠层缓冲层等的组合。尤其是考虑到密合性时，可以根据p侧欧姆电极和p侧垫片电极的各个界面侧所用的材料，考虑各自的密合性来选择最适的材料。
作为形成多层结构情况的具体例子，对于在扩散防止层上与缓冲层的组合，可以举出Ti/SiO2、Ni/SiO2等。这是由于仅以SiO2就可以满足扩散防止功能与缓冲功能(密合性调整功能)的两方面功能，但是电极的材料，例如欧姆电极使用在Ni/Au或Ni/Au/pt等最上层不易氧化的材料时，与氧化物的密合性不好，因此有时在氧化膜成膜时，不能形成所需形成和膜厚。因此，通过设置作为补足氧化膜与欧姆电极材料之间的密合性的层，可以形成所需形状。这样，与其说作为缓冲层的功能，倒不如说作为增强扩散防止层的密合性的层发挥作用。除此以外，还可以举出以SiO2/TiO2等、氧化膜/氧化膜等构成结构；或以SiO2/Si等、氧化膜/金属、Pt/SiO2等、金属/氧化膜等构成的结构；以AlN/Al2O3等、氮化物/氧化物构成的结构；以Pt/Rh等金属/金属构成的结构等。另外，可以将设置于脊顶部与侧面部上的中间层作为同一功能的层，也可以根据各自的形状使功能分离地设置为缓冲层与扩散防止层。另外，这样在形成多层结构时，若各层形成相同，则可以以少的工序形成，因此是理想的，但是并不限于这些，也可以根据目的、工序进而所用材料等形成为不同的形状。例如，作为增强上述的由氧化膜构成的扩散防止层的密合性的层，使用具有吸收光形状的材料时，仅通过使在稍微远离脊部的部分存在，可以保持光学特性的同时调整密合性。
通过如此提高欧姆接触部的自由度，也能够缓和倒装组装时芯棒(stem)及辅助固定架等组装基板间的热膨胀率差，降低组装不良。关于与组装基板的密合性，由于在倒装组装时，受元件和组装基板之间的粘合剂的材料及组装基板的材料等的热膨胀率的影响，也可通过调整这些部件提高密合性。此外，如本申请所述，通过元件本身提高相对于对热膨胀率等的结构变化的自由度，即使在因考虑其他因素而选择的材料增大了热膨胀率差等时，粘合剂及组装基板的材料也能适应。这样，通过具有中间层可以进一步有效地提高耐热性。
中间层只要是能够防止低熔点金属扩散的材料，不做特别限定，可以采用绝缘体、半导体、金属中的任何一种。作为中间层优选的材料是氧化物、氮化物或高熔点金属等，例如可以采用Si、Al、Rh、Zr、Ti、Zn、Ga、Nb等的氧化物及氮化物，W、Mo、铂族金属(Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)等金属，或InN、AlN、GaN及其它们的混晶AlInGaN系、GaAs系、GaP系及InP系，以及Si、SiO等半导体层，其中更优选采用SiO2、TiO2、ZrO2、AlN、SiN、GaN、AlGaN、InGaN、Pt等。此外，在中间层是绝缘物或半导体时，为保证p侧欧姆电极和p侧垫片电极的电接触，需要部分露出p侧欧姆电极地形成中间层。
在中间层主要由金属等导电材料构成时，导通路径与不设置中间层时相同。作为中间层优选的材料，可以是在多种材料叠层的电极层内部也具有作为用于防止各层扩散的阻挡层的功能的材料，但在本申请中，不同于这样的电极层内部的中间层，不是遍及电极整面地形成，而只是在脊形部附近形成。这样，能够补偿脊形部附近的光学特性，例如，作为由铂构成的中间层，在设在脊形部附近时，由于铂很难吸收来自发光层的发光波长，所以波导损失小。该效果是在p侧垫片电极含铂时也能得到的效果。但是，在稍微远离脊形的区域(发生1次模式的区域)，如为了连接p侧欧姆电极和p侧垫片电极而限制中间层的宽度，就能够例如用由Ni/Au构成的p侧垫片电极吸收来自发光层的发光波长。由此，能够吸收高次的水平横向模式，能够只选出基本模式。这样的效果是在p侧垫片电极包含阻挡层(例如铂)时是得不到的。如本申请所述，通过用比p侧垫片电极窄的宽度形成采用导电性材料的中间层，能够实现该效果。
此外，在中间层主要为由氧化物构成的绝缘形材料时，从p侧垫片电极至p侧欧姆电极的导通路径由于不是脊形上部，为一度相对于条形状的脊形的横向扩展的径路，因此，容易在整个条形区域均匀流动。在用另外工序形成p侧欧姆电极和p侧垫片电极时，形成其长度(条形方向)不同的形状。特别是，p侧垫片电极与p侧欧姆电极相比容易缩短。因此，p侧欧姆电极的端部有时不与p侧垫片电极直接相接。此时，电流不容易流到p侧欧姆电极的端部，电流也不容易在其正下面的半导体层流动，结果形成发光弱的区域。并且，由于电流容易集中在p侧垫片电极的端部的正下面的p侧欧姆电极，形成发光强的区域，所以更增强发光的不均匀性。如本申请所述，通过形成绝缘性的中间层，缓和电流路径的不均匀性，能够易于提供全条形区域均匀的电流。
在中间层为氧化物时，除防止低熔点金属在倒装时扩散外，在以正装组装时也具有能提高耐热性的效果。详细情况虽不确定，但也可认为这是起因于为在另外工序形成p侧欧姆电极和p侧垫片电极而在其界面存在氧。在芯片焊接时，不只是倒装组装时，在正装组装时也对激光器元件施加约300℃的热。因暴露在这样的高温下，欧姆性降低，容易使部分发光(发光不均)或Vf上升等元件特性恶化。欧姆性降低的原因之一认为是组装时施加给元件的热使原本存在p侧欧姆电极和p侧垫片电极的界面的氧向其界面以外的区域(例如外部)等扩散，由此降低欧姆性。如本申请所述，通过使氧化物存在于p侧欧姆电极和p侧垫片电极的界面，作为中间层能够补偿认为辅助欧姆性的氧浓度的降低。由此，能够抑制因组装时的加热而使氧移动(扩散)造成的欧姆特性的降低，形成耐热性优良的激光器元件。
此外，在绝缘保护膜的上面形成第2绝缘保护膜(例如，为绝缘保护n电极形成区域以外部分的膜)时，上述中间层优选由与第2绝缘保护膜相同的组成构成。这样，即使在以往的制造方法中不增加新的工序，而只增加变更形成第2绝缘保护膜的光刻蚀法的掩模形状，也能够形成中间层。
在使中间层发挥缓和(调整)密合性的缓冲层作用时，对于导电性不作限制，因此可以使用导电性材料、绝缘性材料、半导体材料等。优选由金属氧化膜构成的绝缘性材料，通过使用这种材料，可以缓和由金属材料构成的欧姆电极与垫片电极之间的密合性。
本发明由于按以上说明构成，能够抑制组装时使用的导电性粘合剂向p侧欧姆电极扩散，能够抑制脊形部的绝缘保护膜或p型电极的剥离。因此，能够防止在脊形波导型激光器的组装中产生的激光特性异常及寿命特性的劣化。
图1是表示在组装基板上组装本发明实施方式1的脊形波导型激光器时的模式剖面图。
图2是表示本发明实施方式1的脊形波导型激光器的脊形部附近结构的模式剖面图。
图3是从上面看本发明实施方式2的脊形波导型激光器的p侧半导体层的局部图，表示形成电极等的工序。
图4是表示本发明实施方式4的脊形波导型激光器的脊形部附近的结构的模式剖面图。
图5是表示一例以往的脊形波导型氮化物半导体激光器的模式剖面图。
图6是表示以往的氮化物半导体激光器的脊形部附近结构的模式剖面图。
图中10半导体激光器，11基板，12n型氮化物半导体层，13活性层，14p型氮化物半导体层，14a脊形部，15p侧欧姆电极，16n侧欧姆电极，17第1绝缘保护膜，18第2绝缘保护膜，19p侧垫片电极，20组装基板，21、22组装基板上的电极，23导电性粘合剂(焊锡凸面)，30中间层。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的实施方式。
实施方式1图1是模式表示本发明实施方式1的脊形波导型激光器的剖面图。在图1中，氮化物半导体激光器10用焊锡等导电性粘合剂23倒装组装在组装基板20上。氮化物半导体激光器10是在蓝宝石等绝缘性基板11的上面依次叠加n侧氮化物半导体层12、活性层13及p侧氮化物半导体层14，并在p侧氮化物半导体层上形成条形状的脊形部的脊形波导型激光器。n侧氮化物半导体层12和p侧氮化物半导体层14各自主要具有为活性层13提供电子和空穴的功能，一般由n型氮化物半导体和p型氮化物半导体构成。氮化物半导体激光器10的n侧电极16和29以及p侧电极15和19通过焊锡等导电性粘合剂23接合在组装用基板20的电极21及22上。
此外，在本实施方式中，接合前的导电性粘合剂23，如图1所示，由Sn、Pb、Ag、Bi、Cu、In、Zn等构成的低熔点金属层23a和由Au、Pt等抗氧化金属构成的保护层23b这两层组成。保护层23b具有防止低熔点金属层23a在接合前因空气而氧化的功能，形成在可以被接合时的热和压力破坏的薄膜上。即，保护层23b在被接合时的热和压力破坏的同时，低熔点金属层23a熔化，接合氮化物半导体激光器10和组装用基板20的电极。
此外，氮化物半导体激光器10的n侧电极16及29由于形成在去除p侧氮化物半导体层14及活性层13而露出的n侧氮化物半导体层12的表面，因此位于不同于p侧电极15和19的高度。因此，为补偿该高度的差异，在组装用基板20侧的垫片电极22的上面形成由Au层24b和Pt层24a两层构成的电极24。
下面参照图2说明本发明的特征即脊形部附近的结构。图2是放大表示图1的脊形部附近的结构的局部放大剖面图。此外，图2表示与图1上下逆转的图面。如图2所示，在氮化物半导体激光器10的p侧氮化物半导体层14上，设有波导形成用的脊形14a，以露出脊形14a的顶面地形成第1绝缘保护膜17。在第1绝缘保护膜17上，采用光折射率与脊形14a有较大差异的材料，基于该光折射率的差异，脊形14a发挥光封闭的功能。此外，以整体覆盖脊形部14a地形成p侧欧姆电极15，在与脊形部14a的顶面露出的p侧氮化物半导体层14的之间形成欧姆接合。然后，与脊形部14a分离地，在第1绝缘保护膜17的上面形成第2绝缘保护膜18。
然后，在p侧欧姆电极15和p侧垫片电极19之间，以覆盖从第1绝缘保护膜17露出的脊形部14a的顶面地形成中间层30。即，以至少覆盖p侧欧姆电极15和p侧氮化镓系化合物半导体层14的欧姆接合部的方式形成中间层30。这样形成的中间层30可抑制，因接合组装基板时的加热和加压，或因组装后的通电，从组成中含有Sn、Pb、Ag、Bi、Cu、In、Zn等低熔点金属的导电性粘合剂23扩散低熔点金属，达到p侧欧姆电极15。所以，能够抑制发生由氮化物半导体激光器的组装或其后的通电造成的p侧欧姆电极的接触不良。
此外，以从脊形14a的顶面全面覆盖其侧面地形成中间层30，并埋没脊形14a的顶面和侧面结成的角部25及顶面和底面结成的角部26。在如此形成的角部25及26，作为半导体制造工艺的一般倾向，局部减薄形成在其上面的第1绝缘保护膜17及p侧欧姆电极15的膜厚度。其结果是在角部25及26形成第1绝缘保护膜17及p侧欧姆电极被掘成沟槽状的形状。中间层30通过填埋上述沟槽，缓和角部25及26的热或压力，能够防止第1绝缘保护膜17从p侧氮化镓系化合物半导体层14剥离以及p侧欧姆电极15从第1绝缘保护膜17剥离。因此，能够防止产生因剥离而造成的脊形部14a的光封闭功能的异常。
中间层30只要是能够防止低熔点金属从导电性粘合剂23扩散的材料，不做特别限定，可以采用绝缘物、半导体、金属中的任何一种。但是，中间层30不能是阻碍p侧欧姆电极15的欧姆接合的材料。例如，要求中间层30不能以阻碍p侧欧姆电极15的欧姆接合的浓度含有Sn、Pb、Ag、Bi、Cu、In、Zn等低熔点金属。此外，中间层30优选不与p侧电极15反应的材料。作为中间层的优选材料是氧化物、氮化物或高熔点金属等，例如优选采用SiO2、AlN、SiN、GaN、AlGaN、InGaN、Pt等。
其中，如果用SiO2等绝缘物形成中间层30，能够同时形成中间层30和第2绝缘保护膜18。即，在以往的制造方法中，即使不附加新的工序，只通过变更形成第2绝缘保护膜18时的掩模图形，也能形成中间层30。此外，在中间层30为绝缘物或半导体时，为确保p侧欧姆电极15和p侧垫片电极19的电接触，需要以部分露出p侧欧姆电极15地形成中间层30。在图1所示例中，从基板上面看，通过使中间层30的形成面积比p侧欧姆电极15狭窄，可确保p侧欧姆电极15和p侧垫片电极19间的电接触。
实施方式2在本实施方式中，说明本发明的脊形波导型氮化物半导体激光器的制造方法。
图3(a)～(e)是从上面看本发明的脊形波导型氮化物半导体激光器的p型氮化物半导体层的局部图，表示形成电极等的工序。
首先，如图(a)所示，在p型氮化物半导体层的上面，形成条形状的脊形部。通过利用蚀刻等手段去除部分p型氮化物半导体层，形成凸部，作为脊形部。脊形部可以是凸部的底面侧的宽度大、随着逐渐靠近上面条形宽度变窄的正台形形状，相反，也可以是随着接近凸部的平面条形的宽度变窄的反台形形状。此外，也可以是具有垂直于叠层面的侧面的条形。
然后，如图3(b)所示，除脊形部14a的顶面外，以全面覆盖p型氮化物半导体层14地形成第1绝缘保护膜17(＝图3(b)的斜线的区域)。在第1绝缘保护膜17上，优选采用p型氮化物半导体14和折射率差大的材料，例如可以采用ZrO2、SiO2、Al2O3、AlN、BN、DLC、C、MgO、SiN、SiON、CrO、ZnO、GaO、AlGaN、HfO、Ta2O5等。
然后，如图3(c)所示，以大致全面覆盖p型氮化物半导体14和第1绝缘保护膜地形成p侧欧姆电极15，在脊形部14a的顶面，使p型氮化物半导体层14和p侧欧姆电极15欧姆接触。
然后，如图3(d)所示，同时形成第2绝缘保护膜18和中间层30。即，在比p侧欧姆电极15宽的范围内形成第2绝缘保护膜18，在脊形部14a的两肋各设一个与脊形平行的细长的开口部18a。以至少与p侧欧姆电极15重合地形成该开口部18a，优选以位于p侧欧姆电极15的内侧地形成该开口部18a。被这两个开口部18a夹着的区域18b成为中间层30。此外，该第2绝缘保护膜18(兼中间层30)以去除n电极的形成区域覆盖到激光器芯片的侧面的方式形成。关于该第2绝缘保护膜18(兼中间层30)，可以采用SiO2、ZrO、SiC、TiO2、ZnO、Al2O3、DLC、C、MgO、SiON、CrO、ZnO、GaO、AlGaN、HfO、Ta2O5、RhO、RhO2、Nb2O5、ITO等氧化物或AlN、BN、SiN、RhN、ZrN、TiN、ZnN、GaN、NbN等。
然后，如图3(e)所示，在第2绝缘保护膜18的内侧，p侧欧姆电极15的外侧，形成p侧垫片电极19。p侧垫片电极19借助设在第2绝缘保护膜18上的开口部18a能够与p侧欧姆电极15电接触。
如果采用这样的制造方法，即使不需要在以往的制造方法中增加新的工序，只需变更形成第2绝缘保护膜18的光刻法的掩模形状，就能够形成中间层30。
实施例1以下，说明本发明的实施例。
在本发明中，作为构成叠层结构体的n型氮化物半导体层、活性层、p型氮化物半导体层，不做特别限定，可以采用多种层结构。关于设计的具体结构，例如有在后述的实施例记载的设计结构。此外，电极、绝缘膜(保护膜)等也不做特限定，也可以采用多种材料。关于用于叠层结构体的氮化物半导体，可以采用GaN、AlN或InN等氮化物半导体或它们混晶的III-V族氮化物半导体(InxAlyGa1-x-yN，0≤x、0≤y、x+y≤1)。氮化物半导体的生长可以采用MOVPE、MOCVD(有机金属化学气相生长法)、HVPE(卤化物气相生长法)、MBE(分子射线气相生长法)等已知所有生长氮化物半导体的方法。
以下，作为实施例，说明采用氮化物半导体的半导体激光器元件，但是，本发明的半导体激光器元件并不局限于此，在本发明的技术构思中，当然可以在各种半导体中实施。
基板在实施例1中，采用以C面为主面的蓝宝石作基板。
此外，也可以采用由GaN基板等的氮化物半导体构成的基板，代替不同于蓝宝石这样的氮化物半导体的异种基板。关于以C面为主面的蓝宝石基板以外的异种基板，例如可以采用以R面及A面任何一面为主面的蓝宝石、尖晶石、ZnS、ZnO、GaAs、Si、SiC及与氮化物半导体晶格匹配的氧化物基板等，以及可使氮化物半导体生长的基板材料。作为优选的异种基板，有蓝宝石、尖晶石。
缓冲层将直径2时、由以C面为主面的蓝宝石构成的异种基板设定在MOVPE反应容器内，升温到500℃，采用三甲基镓(TMG)、氨(NH3)，以200的膜厚度生长由GaN构成的缓冲层。
衬底层缓冲层形成后，将温度升到1050℃，采用TMG、氨，按4μm的膜厚生长由不掺杂GaN构成的氮化物半导体层。该层在形成元件结构的各层的成长中起到衬底层(生长基板)的作用。作为衬底层，除此之外，如采用ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)生长的氮化物半导体，可得到结晶性良好的生长基板。作为ELOG生长层的具体例子有在异种基板上生长氮化物半导体层，在其表面上设置生长氮化物半导体困难的保护膜等，将如此形成的掩模区域和生长氮化物半导体的非掩模区域设计成条形状，通过从该非掩模区域生长氮化物半导体，以及通过除向膜厚度方向生长外还向横向生长，在掩模区域也生长氮化物半导体，从而进行成膜的例子；以及在异种基板上生长的氮化物半导体层上设开口部，从其开口部侧面向横向形成生长从而进行成膜的例子等。
n侧接触层然后，在衬底层(氮化物半导体基板)上以4.5μm的膜厚度生长，由在1050℃，采用TMG、TMA、氨，硅烷杂质气体采用硅烷，1×1018/cm3掺杂Si的n型AlGaN构成的n侧接触层。n侧接触层也可以通过AlGaN以外的n型氮化物半导体层构成，例如也可以是GaN。
裂纹防止层下面，采用TMG、TMI(三甲基铟)、氨，温度升至800℃，以0.15μm的膜厚度生长由In0.06Ga0.94N构成的裂纹防止层。另外，可省略该裂纹防止层。
n侧包覆层下面，温度升至1050℃，原料气体中采用TMA(三甲基铝)、TMG及氨，以25的膜厚度生长由不掺杂的AlGaN构成的A层，然后，停止TMA，以25的膜厚度生长采用硅烷作为杂质气体并以5×1018/cm3掺杂Si的GaN构成的B层。然后，分别160次重复上述操作，交替叠加A层和B层，生长由总膜厚8000的多层膜(超晶格结构)构成的n侧包覆层。此时，关于不掺杂AlGaN的Al的混晶比，如果在0.05以上0.3以下的范围，能够设置充分具有包覆层功能的折射率差。此外，n侧包覆层只要是禁带宽度比活性层宽的、能够供给电子的氮化物半导体就行，但优选含铝的氮化物半导体。
n侧光波导层下面，在相同的温度下，原料气体采用TMG及氨，以0.1μm的膜厚度生长由无掺杂的GaN构成的n侧光波导层。该层也可以掺杂n型杂质。作为用于波导层的氮化物半导体，与设在其外侧的裂纹层相比较，波导型形成只要具有足够的折射率就可以，单层膜或多层膜都可以。具体是，振荡波长在370nm～470nm时，优选无掺杂的GaN，在比较长的波长区域(450nm以上)，优选采用InGaN/GaN的多层膜结构。
活性层下面，温度升至800℃，原料气体采用TMI(三甲基铟)、TMG及氨，采用硅烷气体作杂质气体，并以100的膜厚生长由以5×1018/cm3掺杂Si的In0.05Ga0.95N构成的阻挡层。然后，停止硅烷气体，以50的膜厚生长由In0.1Ga0.9N构成的阱层。该操作重复3次，最后，叠加阻挡层，生长总膜厚550的多重量子阱结构(MQW)的活性层。
此外，活性层优选采用含In的氮化物半导体层。由此，能够在紫外线及可视区从紫色系得到红色系的波长的激光。此外，在采用含In的氮化物半导体层时，如活性层暴露于大气下，在激光元件驱动时，引起极大的元件劣化。这是由于In的熔点低，易引起分解及蒸发，被形成凸部时的蚀刻损伤，由于在活性层露出后的加工中，很难确保其结晶性，所以优选在未达到活性层的深度形成条形状的凸部。活性层可以是量子阱结构，此时，单一量子势阱或多重量子阱都可以。
p侧电子封闭层下面，在相同的温度下，原料气体采用TMA、TMG及氨，采用Cp2Mg(茂基镁)作杂质气体，以100的膜厚度生长由以1×1019/cm3掺杂Mg的AlGaN构成的p侧电子封闭层。
p侧光波导层下面，温度升至1050℃，原料气体采用TMG及氨，以750的膜厚度生长由无掺杂的GaN构成的p侧光波导层。该p侧光波导层可无掺杂生长，但也可以掺杂Mg。作为用于波导层的氮化物半导体，与设在其外侧的包覆层相比较，只要具有足够形成波导的折射率就可以，单层膜或多层膜都可以。具体是，振荡波长在370nm～470nm时，优选无掺杂的GaN，在比较长的波长区域(450nm以上)，优选采用InGaN/GaN的多层膜结构。
p侧包覆层下面，在1050℃，以25的膜厚度生长由不掺杂的Al0.16Ga0.84N构成的层，然后，停止TMG，采用Cp2Mg，以25的膜厚度生长由掺杂Mg的GaN构成的层，生长由总膜厚度0.6μm的超晶格层构成的p侧包覆层。p侧包覆层至少一方包含含有Al的氮化物半导体层，在用叠加禁带宽度能相互不同的氮化物半导体层的超晶格制作时，可在任何一方的层中多掺杂杂质，即有如进行调制掺杂能提高结晶性的倾向，但也可以同样向双方掺杂。p侧包覆层只要是禁带宽度比活性层宽的、能够提供电子的氮化物半导体层就可以，但优选含Al的氮化物半导体。
p侧接触层最后，在1050℃，在p侧包覆层的上面，以150的膜厚度生长由以1×1020/cm3掺杂Mg的p型GaN构成的p侧接触层。p侧接触层可由InxAlyGa1-x-yN(x≤0、y≤0、x+y≤1)构成，如优选掺杂Mg的GaN，可得到与p电极最优选的欧姆接触。反应结束后，通过在反应容器内，在氮保护气氛中，700℃退火晶片，可进一步使p侧接触层低电阻化。
n侧接触层露出及谐振器面形成按上述方法，在通过生长氮化物半导体形成叠层结构体后，从反应容器中取出晶片，在最上层的p侧接触层的表面形成由SiO2构成的保护膜，采用RIE(反应性离子蚀刻)，利用SiCl4气体进行蚀刻，露出形成n电极的n侧接触层的表面。此时，露出成为谐振器面的活性层端面，将蚀刻端面作为谐振器面。
脊形部形成下面，为了形成条形状的波导型区域，在最上层的p侧接触层的大致整个表面上，利用CVD装置，以0.5μm的膜厚度形成由Si氧化物(主要是SiO2)构成的保护膜，然后，在保护膜上施加规定形状的掩模，采用利用RIE装置和采用CF4气体的光刻技术形成条形状的保护模。然后，再次利用RIE和采用SiCl4气体，蚀刻p侧接触层及p侧包覆层，形成条形宽2μm的脊形部14a。
第1绝缘保护膜下面，带着SiO2掩模，在p侧氮化物半导体层表面形成由ZrO2构成的第1绝缘膜17。该第1绝缘膜17掩蔽n侧欧姆电极16形成面并设置在半导体层的整个表面上。此外，设置未形成绝缘膜17的部分，以易于后面的分割。形成第1绝缘膜17后，浸渍在缓冲液中，溶解去除形成在条形状凸部14a的上面的SiO2，利用剥离法与SiO2一起去除脊形部14a上(具体是n型接触层上)的ZrO217。由此，露出脊形部14a的顶面，形成脊形部14a的侧面被ZrO217覆盖的结构。
p侧欧姆电极下面，在第1绝缘保护膜17上形成p侧欧姆电极15。p侧欧姆电极15形成在p侧氮化物半导体层14的内侧。该p侧欧姆电极15由Ni-Au构成。此外，在蚀刻露出的n侧接触层的表面也形成条形状的n侧欧姆电极16。n侧欧姆电极16由Ti-Al构成。形成上述电极后，将其分别在氧∶氮比为80∶20气氛中，600℃退火，由此使p侧和n侧的欧姆电极都合金化，得到良好的欧姆特性。
第2绝缘保护膜、中间层下面，在与脊形部14a的两肋的p侧欧姆电极15上的脊形平行的细长的两个区域、n侧欧姆电极16的局部涂布抗蚀剂，除芯片分割位置外，全面形成由Si氧化物(主要是SiO2)构成的第2绝缘保护膜18。之后，通过剥离抗蚀剂，如图3(d)所示，形成具有两个开口部18a的第2绝缘保护膜18。被该第2绝缘保护膜18的开口部18a夹着的区域为中间层30。
垫片电极下面，为覆盖上述绝缘膜，分别形成p侧垫片电极19和n侧垫片电极29。比p侧欧姆电极15宽地、并比第2绝缘保护膜18窄地形成p侧垫片电极19。通过如此形成，通过设在第2绝缘保护膜18的开口部18a，p侧垫片电极19和p侧欧姆电极15能够接触。p侧垫片电极19和n侧垫片电极29由Ni-Ti-Au构成。该垫片电极与露出的欧姆电极15及16条形状接合。
按以上方法形成垫片电极后，除芯片分割区域外，在整个晶片表面形成第1抗蚀剂膜。然后，在整个晶片表面形成SiO2掩模。此外，在该SiO2掩模上形成第2抗蚀剂膜。此时，进行第2抗蚀剂膜的图案形成，以蚀刻到接近光出射侧的谐振器面。此外，第2抗蚀剂膜也可以达到半导体层的端面。这样，在按第1抗蚀剂膜-SiO2-第2抗蚀剂膜的顺序形成掩模后，首先，采用CHF3作为蚀刻气体，蚀刻SiO2，然后以该SiO2的图案作为掩模，蚀刻半导体层，直到露出基板。在蚀刻半导体基板时，采用SiCl4作为蚀刻气体。这样，蚀刻未被第2抗蚀剂膜覆盖的SiO2的露出部及其下面的半导体层。然后，去除第1抗蚀剂膜、SiO2、第2抗蚀剂膜。如此就形成从谐振器面突出的具有n型半导体层的端面。
条状分割按以上方法形成p侧欧姆电极及n侧欧姆电极后，研磨基板，使包括基板的总膜厚度为200μm，在背面形成由Ti-Pt-Au构成的背面金属后，按与条形状电极垂直的方向从基板侧分割成条状。此时，在分割成条状之前，如与从基板背面侧分割的位置对应地引入划线，易于后面工序的分割。此外，作为划线的方法，可以采用使用刀具等刻刀的机械或物理的划线及使用YAG激光器等的光学或热能的划线等。
光反射侧反射镜对于按以上方法分割成条状的半导体，在条的一方并排光出射侧的谐振器面，在相对的一侧并排光反射侧的谐振器面。沿如此的多个条变化角度，使光出射侧的谐振器面及光反射侧的谐振器面朝同一方向。然后，在各条之间，通过隔片，无间隙地排列成膜夹具。通过这样的隔片，可以在形成在元件上的电极等上不形成保护膜。首先，在光反射侧的谐振器面形成6对ZrO2和(SiO2/ZrO2)，成为反射镜。如此形成脊形波导型半导体激光器。
组装下面，在组装基板上倒装组装得到的脊形波导型半导体激光器。在组装基板上的组装用电极上形成作为粘合剂的Sn/Au凸度23，使p侧欧姆电极19和n侧欧姆电极29与该Sn/Au凸度23接触，通过加热，组装激光器芯片。
按以上方法得到的氮化物半导体激光器，输出功率为60mW，阈值电流大约达到40mA。与以往例相比，通过降低热电阻及驱动电流，提高了高温工作时的可靠性，此外也提高了寿命特性。
实施例2在实施例2中，分别形成第2绝缘保护膜和中间层，作为中间层的材料采用SiN。以下，说明第2绝缘保护膜和中间层的形成。其他方面与实施例1相同。
第2绝缘保护膜在脊形直交的方向，在p侧欧姆电极的大约整个表面和n侧欧姆电极的局部涂布抗蚀剂，除芯片分割位置外，全面形成由Si氧化物(主要是SiO2)构成的第2绝缘膜。之后，通过剥离抗蚀剂，能够以露出包括脊形部的p侧欧姆电极的大部分和n侧欧姆电极的局部的方式，形成第2绝缘保护膜。
中间层下面，在p侧欧姆电极上，以全面覆盖脊形部的顶面，并且，部分露出p侧欧姆电极的方式形成由Si构成的中间层。在本实施例中，在该p侧欧姆电极的露出部，p侧垫片电极与p侧欧姆电极接触。在中间层的图案形成中，例如可使用采用抗蚀剂的剥离法。
对于按上述方法得到的氮化物半导体激光器，与实施例1一样，通过降低热电阻及驱动电流，提高了高温工作时的可靠性，此外也提高了寿命特性。
比较例在实施例2中，除不形成中间层外，在同样制作氮化物半导体激光器时，在微小电流区产生非发光点，在波导区域内产生发光不均匀。
实施例3除将脊形部的条形宽度设为5μm外，如与实施例1同样制作氮化物半导体激光器，输出功率为100mW，阈值电流为70mA。此外，与实施例1一样，通过降低热电阻及驱动电流，提高了高温工作时的可靠性，此外也提高了寿命特性。
实施例4在本实施例中，将本发明用于多带型激光器。除以下说明外，其余的与实施例1相同。
首先，如图4所示，以空2μm的间隔，两根并列形成条形宽3μm的脊形部14a。然后，露出脊形部14a的顶面地形成由ZrO2构成的第1绝缘保护膜17。随后，在第1绝缘保护膜17上形成由Ni-Au构成的p侧欧姆电极15。在本实例中，覆盖两个脊形部14a的顶面地连续形成p侧欧姆电极15。并且，在整体看两个脊形部14a时，在与脊形纵向平行的最外侧，即在图4中左侧脊形14a的左侧及右侧脊形14a的右侧，具有开口部18a地形成第2绝缘保护膜18兼中间层30。如以覆盖如此形成的第2绝缘保护膜18兼中间层30的方式形成p侧垫片电极19，则通过开口部18a，能够选择p侧垫片电极19和p侧欧姆电极15间的导通。
按上述方法形成的激光器，输出功率为100mW，阈值电流为100mA。此外，与实施例1一样，通过降低热电阻及驱动电流，提高了高温工作时的可靠性，此外也提高了寿命特性。
这样，在是具有多个脊形部的多带型激光器的情况下，遍及多个脊形部地连续形成p侧欧姆电极，在与多个并列的脊形部的脊形纵向平行的最外侧的区域，露出p侧欧姆电极地形成中间层30，优选在其最外侧的区域选择p侧欧姆电极和p侧垫片电极的导通。即，在多个脊形部并列时，在脊形部相互之间的部分，连续形成p侧欧姆电极和中间层，在与多个并列的脊形部的脊形纵向平行的最外侧的区域，使p侧欧姆电极从中间层露出，确保与p侧垫片电极的导通。由此，即使在脊形部相互间的间隔窄时，通过中间层30，能够一边有效地覆盖到每各脊形部的角部，一边确保p侧欧姆电极和p侧垫片电极间的导通。因此，通过使脊形部相互间的间隔变窄，能够减小多带型激光器的出射光点的直径。
此外，在能够扩大脊形部相互间的间隔时，或不需要通过中间层30覆盖到脊形部的角部时，不连续形成p侧欧姆电极或中间层，在每个脊形部14a的两肋，可以选择p侧欧姆电极和p侧垫片电极的导通。
实施例5在本实施例中，本发明用于不采用氮化镓系而采用砷化镓系化合物半导体的激光器。本实施例在基板背面形成n电极这一点不同于实施例1～4。但是，由于通过将p电极侧置于下侧进行组装，可与实施例1～4同样采用本发明。
在n-InGaP基板的上面，叠加n-InP包覆层、n-InGaAsP波导层、InGaAsP活性层、p-InGaAsP波导层、p-InP包覆层、p-InGaAsP接触层，通过蚀刻到p-InP包覆层形成脊形部。在p-InGaAsP接触层的上面形成由Au/Zn构成的p侧欧姆电极，在n-InGaP基板的背面形成由Au/Ge构成的n侧欧姆电极。然后，在p侧欧姆电极的上面，以覆盖p侧欧姆电极和p-InGaAsP接触层的接合部的方式形成由SiO2等构成的中间层。然后，在p侧欧姆电极和n侧欧姆电极的上面形成垫片电极，之后，将p侧置于下侧，在组装用基板上或引线框架上进行键合连接，对于n侧垫片电极另外进行键合连接。此外，这是因为，由于GaAs系比GaN系的导热率差，将p侧电极置于下侧有利于从接近活性层的p型层散热。
如此制作的GaAs系激光器与以往的不形成中间层时相比，提高了元件寿命。
此外，上面说明了在GaN系或GaAs系脊形波导型半导体激光器中应用本发明时的情况，但本发明并不局限于此。例如，与上述具体例同样，本发明也能用于由GaN系或GaAs系以外的III-V族化合物半导体或InP、ZnSe等II-VI族化合物半导体构成的脊形波导型型半导体激光器。
本发明可用于需要激光器元件的所有装置，例如CD唱机、MD唱机、各种娱乐器械、DVD唱机、电话线路及海底电缆等基干线·光通信系统，激光手术刀、激光治疗器、激光穿耳机等医疗器械，激光束印刷、显示器等印刷机，各种测定器、激光水准仪、激光测长仪、激光球速测定器、激光温度计等光读出仪器，激光电力输送机等各种领域。
权利要求
1.一种脊形波导型半导体激光器，具有夹着活性层的n侧半导体层及p侧半导体层、形成在所述p侧半导体层的波导形成用脊形部、至少部分露出脊形部顶面地覆盖所述脊形部的绝缘保护膜、在从所述绝缘保护膜露出的脊形部欧姆接触的p侧欧姆电极、与该p侧欧姆电极上电接触地形成的p侧垫片电极，其特征在于在所述p侧欧姆电极和所述p侧垫片电极之间形成中间层，该中间层至少覆盖从所述绝缘保护膜露出的所述脊形部。
2.根据权利要求1所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述中间层是可以防止低熔点金属扩散的扩散防止层。
3.根据权利要求1或2所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述中间层是可以调整密合性的缓冲层。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于以进一步覆盖所述脊形部侧面的方式形成所述中间层。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述中间层为选自氧化物、氮化物或高熔点金属中的一种。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述中间层为绝缘性。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述中间层为从由SiO2、TiO2、ZrO2、AlN、SiN、GaN、AlGaN、InGaN、Pt构成的物质组中选择的至少一种。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述中间层为单层或两层以上的多层。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于在所述绝缘保护膜上形成第2绝缘保护膜，所述扩散防止层由与所述第2绝缘保护膜相同的组成构成。
10.根据权利要求9所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述中间层在所述脊形左右长度大致相同。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于在所述脊形部附近，在所述p侧垫片电极上接合含有低熔点金属的导电性粘合剂。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的脊形波导型半导体激光器，其特征在于所述脊形波导型半导体激光器的半导体层由InxAlyGal1-x-yN、其中0≤x、0≤y、x+y≤1的氮化物半导体构成。
全文摘要
一种新型的激光元件结构，具有形成在p侧半导体层(14)的波导形成用脊形部(14a)、至少部分露出脊形部顶面地覆盖的绝缘保护膜(17)、在从此处露出的脊形部欧姆接触的p侧欧姆电极(15)、与p侧欧姆电极电接触地形成的p侧垫片电极(19)；在p侧欧姆电极和p侧垫片电极之间，形成可防止低熔点金属扩散的中间层(30)，中间层至少覆盖从绝缘保护膜(17)露出的脊形部(14a)。由此能够在脊形波导型半导体激光器中防止在组装时产生的激光特性异常及寿命特性的劣化。通过中间层，抑制低熔点金属从组装用的导电性粘合剂向脊形部扩散，良好地维持p侧欧姆电极和p型氮化物半导体的欧姆接触。
文档编号H01S5/323GK1503416SQ20031011499
公开日2004年6月9日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月25日
发明者松村拓明 申请人:日亚化学工业株式会社