激光二极管元件和制造激光二极管元件的方法
【专利摘要】一种半导体激光元件，包括：由六方晶系III族氮化物半导体形成的具有半极性面的半导体基板；外延层(2)，形成在半导体基板的半极性面上并包括发光层，外延层具有脊部(18)；第一电极(14)，形成在脊部之上；绝缘层(12)，覆盖脊部的周围(18a)和脊部的侧面(18b)的外延层同时从外延层侧连续覆盖第一电极的侧面的至少一部分；焊盘电极(13)，被形成为覆盖在第一电极和绝缘层之上，并且该焊盘电极电连接到第一电极；以及第二电极(15)，形成在半导体基板的、与形成外延层的表面相对的表面上。
【专利说明】激光二极管元件和制造激光二极管元件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光二极管元件和制造激光二极管元件的方法。更具体地，本发明涉及一种六方晶III族氮化物激光二极管元件，及其制造方法。
【背景技术】
[0002]当前，激光二极管被应用在大量的【技术领域】。尤其是，在诸如电视和投影仪的图像显示装置的领域中，激光二极管是不可或缺的必要光学设备。在这样的应用中，输出作为光的三原色的红光、绿光和蓝光的激光二极管是必需的，并期望改善激光器的特性。
[0003]在PTLl中，为了有效地抑制用在波长为约400nm的短波长区域的氮化物基激光二极管元件中的高阶模式的光，公开了以下一种构造，其中，包含吸收发射光的微粒子的绝缘层形成在脊的侧面。红色和蓝色激光二极管已处于实际使用中。同时，最近几年，绿色(波长从约500nm至约560nm，包括端点)激光二极管已经被积极地开发(例如，参见NPTLl和NPTL2)。
[0004]在NPTLl和NPTL2中，提出了以下一种III族氮化物激光二极管(绿色激光)，其中，η-型熔覆层、包括由InGaN构成的活性层的发光层、以及P型熔覆层按顺序层压在η型GaN基板的半极性面{2，0，-2,1}上。应当注意的是，在本说明书中，六方晶的平面方向被标记为{h，k，1，m} (h，k，I和m代表平面指数)。
[0005]在NPTLl和NPTL2中，外延层的晶体生长是在GaN基板的半极性面上进行的，由此，实现了具有优异晶体质量的绿色激光，同时抑制了压电电场的影响。此外，在NPTL2中，描述了其中具有折射率波导(脊型)结构的绿色激光装置的情况下的一种构造。在该构造中，通过在脊的侧面形成具有低折射率的绝缘层，激光被限制(confined)。
[0006]引用列表
[0007]专利文献
[0008]PTLl:日本特开第 2009-176837 号
[0009]非专利文献
[0010]NPTLl:Takashi Kyono等人，"The World’s First True Green Laser Diodes onNovel GaN Substrates I", SEI Technical Review, 176 卷，88-92 页(2010 年 I 月)
[0011]NPTL2:Masahiro Adachi 等人，"The World’s First True Green Laser Diodeson Novel GaN Substrates II"，SEI Technical Review, 176 卷，93-96 页(2010 年 I 月)
【发明内容】
[0012]如上所述，在现有的激光二极管元件中，已经提出了防止由脊状结构引起的振荡特性劣化的不同构造。然而，在使用半极性基板的激光二极管元件的【技术领域】中，存在不同于使用极性基板的现有氮化物基激光二极管元件的特性的很多特性，并且因此，期望进一步开发以改进这些特性。
[0013]因此，当使用半极性基板的氮化物基半导体激光元件时，期望提供一种具有抑制由脊状结构引起的振荡特性劣化的优异可靠性的激光二极管元件。
[0014]一种本发明的实施方式的激光二极管元件，包括:包括由六方晶III族氮化物半导体形成的具有半极性面的半导体基板，以及包括发光层并形成在半导体基板的半极性面上的外延层，该外延层包括脊部。此外，本发明的实施方式的激光二极管元件包括:形成在脊部的上表面上的第一电极，以及绝缘层，该绝缘层在脊部相邻区域和脊部的侧面覆盖外延层以及从外延层侧连续覆盖第一电极的侧面的一部分或全部。此外，本发明的实施方式的激光二极管元件包括:焊盘电极，被形成为覆盖第一电极的上表面和绝缘层并电连接到第一电极，以及第二电极，形成在半导体基板的、与其中形成外延层的表面相对的表面上。此处，“脊部的相邻区域”是指外延层的、除了脊部之外的区域中的表面。
[0015]在根据本发明的实施方式的激光二极管元件中，绝缘层覆盖外延层，并从外延层连续地覆盖第一电极的部分或全部侧面，因此，焊盘电极与外延层不直接接触。
[0016]一种制造本发明的实施方式的激光二极管元件的方法，包括以下步骤:制备包括半极性面的半导体基板，所述半导体基板由六方晶III族氮化物半导体形成；以及在半导体基板的半极性面上形成外延层，所述外延层包括激光二极管元件的发光层。此外，制造本发明的实施方式的激光二极管元件的方法，包括通过期望掩模蚀刻外延层至其预定深度，以形成呈条形形状的脊部的步骤。此外，制造本发明的实施方式的激光二极管元件的方法，包括在形成脊部的步骤之前，在对应于脊部的区域形成第一电极的步骤，或者在形成脊部的步骤之后，在脊部的上表面上形成第一电极的步骤。此外，制造本发明的实施方式的激光二极管元件的方法，包括:在包括第一电极上表面的外延层表面上形成绝缘材料层的步骤。此外，制造本发明的实施方式的激光二极管元件的方法，包括蚀刻绝缘材料层的步骤，从而形成绝缘层，该绝缘层在脊部相邻区域和脊部侧面覆盖外延层，并且该绝缘层从外延层连续地覆盖第一电极的侧面 的部分或全部。此外，制造本发明的实施方式的激光二极管元件的方法，包括以下步骤:形成焊盘电极，其覆盖第一电极的上表面和绝缘层，并被电连接到第一电极；以及在半导体基板的、与其中形成外延层的表面相对的表面上形成第二电极。
[0017]在制造根据本发明的实施方式的激光二极管元件的方法中，绝缘层覆盖外延层，并且从外延层连续地覆盖第一电极的侧面的部分或全部。因此，形成绝缘层之后形成的焊盘电极与外延层不直接接触。
[0018]根据本发明的实施方式，可以获得抑制由脊状结构引起的振荡特性劣化并具有比利用半极性基板的氮化物基激光二极管元件更优异的可靠性的激光二极管元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]【图1】是根据本发明的实施方式的激光二极管元件的示意性外观图。
[0020]【图2A】清晰地示出了GaN晶体结构的c面的示图。
[0021]【图2B】清晰地示出了GaN晶体结构的m面的示图。
[0022]【图3】清晰地示出了GaN晶体结构的半极性面的示图。
[0023]【图4】是在根据本发明的实施方式的激光二极管元件的厚度方向(图中的Z方向)的示意性截面图。
[0024]【图5】示出了流程图，该图示出了制造根据本发明的实施方式的激光二极管元件的步骤。[0025]【图6A】是制造根据本发明的实施方式的激光二极管元件的步骤的示意图。
[0026]【图6B】是接着图6A的步骤的示图。
[0027]【图6C】是接着图6B的步骤的示图。
[0028]【图6D】是接着图6C的步骤的示图。
[0029]【图6E】是接着图6D的步骤的示图。
[0030]【图6F】是接着图6E的步骤的示图。
[0031]【图6G】是接着图6F的步骤的示图。
[0032]【图6H】是接着图6G的步骤的示图。
[0033]【图61】是接着图6H的步骤的示图。
[0034]【图7】是示出了测量相对于脊部的暴露宽度的电压劣化率的实验结果。
[0035]【图8】是根据变形例的激光二极管元件的示意横截面构造图。
[0036]【图9】是具有通过一般技术形成的脊状结构的氮化物基激光二极管元件的横截面构造图。
[0037]【图10】是示出了激光二极管元件的伏安特性，其中，GaN基板的半极性面被用作晶体生长面，并且约200nm的外延层从绝缘层暴露(图9的暴露长度L2:约200nm)。
【具体实施方式】
[0038]首先，本发明的技术提案者进行了以下研究。
[0039]图9示出了具有由现有技术形成的脊状结构的氮化物基激光二极管元件的横截面结构图。一般而言，氮化物基激光二极管元件30包括:由η型GaN构成的半导体基板37、外延层31、绝缘层32、第一电极(P侧电极)34、第二电极(η侧电极)36和焊焊盘电极35。外延层31形成在半导体基板37的一个表面上。虽然未被不出，例如，外延层31具有以下结构，即η型熔覆层、发光层、P型熔覆层和接触层按接近半导体基板37的顺序被层压。此外，在图9中，脊部38是通过除去外延层31的一部分形成的。
[0040]第一电极34形成在外延层31的脊部38的上表面上。绝缘层32形成在外延层31的表面，以覆盖脊部的相邻区域38a和脊部的侧面38b。焊盘电极35形成在包括绝缘层32和第一电极34的整个表面上。第二电极36形成在半导体基板37的另一面(后表面)上。
[0041]在一般的技术中，例如，图9所示的激光二极管元件30形成如下。首先，在外延层31形成在半导体基板37表面上之后，条状第一电极34形成在其中将要形成脊部38的预定位置。之后，通过用第一电极34作为掩模进行蚀刻来除去除从外延层31的未示出的接触层表面到外延层31的未示出的P型熔覆层的预定位置的部位。接下来，在绝缘层32形成在整个表面上之后，利用所期望的抗蚀剂掩模，通过蚀刻除去第一电极34上的绝缘层，直至第一电极34被暴露。此后，除去抗蚀剂掩模，并且焊盘电极35形成在绝缘层32和暴露的第一电极34上。
[0042]顺便提及，在蚀刻绝缘层32以暴露第一电极34的步骤中，第一电极34上的绝缘层32通常被过度蚀刻，以便确保实现第一电极34与形成在其上的焊盘电极35之间的电接触。也就是说，通常蚀刻绝缘层32，直到成型为脊状结构的外延层31的侧面部分被暴露，以防止绝缘层32残留在第一电极34上。 [0043]作为结果，在现有的技术中，如图91所示，在其中外延层31从绝缘层32暴露的具有暴露长度L2的区域中，形成在第一电极34上的焊盘电极35与从绝缘层32暴露的外延层31彼此直接接触。
[0044]然而，在发射蓝光的现有氮化物基激光二极管元件中，外延层和焊盘电极之间的一些轻微的接触不会引起诸如劣化激光特性的缺点。因此，图9所示的构造被认为没有问题。
[0045]另一方面，本发明的技术提案者已经开发了使用GaN基板的半极性面作为晶体生长面的激光二极管元件，并且已经发现，如图9中所示，在其中外延层31从绝缘层32暴露的构造中，当操作激光二极管元件时发生电压劣化。
[0046]图10示出了激光二极管元件的伏安特性，其中，GaN基板的半极性面用作晶体生长面，并且约200nm的外延层从绝缘层暴露(图9中的暴露长度L:约200nm)。图10的横轴表示电流，而图10的纵轴表示电压。此外，图10示出了对其进行连续三次测量的情况下，同一激光二极管元件的相应的伏安特性。
[0047]如图10所示，从第一次测量到第三次测量，相对于操作电流的操作电压上升。即，测量越在后，操作电压越大。在发生这种电压上升的情况下，元件劣化，不允许长时间稳定操作。
[0048]如上所述，在通过在半导体基板的半极性面上层压晶体层所形成的激光二极管元件中，在其中存在绝缘层未形成在脊部的侧面上的部位的情况下，由于电压上升导致的元件劣化是显著的。
[0049]劣化特性这种缺点特定于使用半极性基板的激光二极管元件，且尚未在使用极性基板的现有激光二极管元件上发现。对于半极性基板与极性基材的描述将后面给出。
[0050]基于上述发现，当通过将晶体层层压在半导体基板的半极性面上来获得激光二极管元件时，本发明的技术提案者已经发现了其中抑制电压上升并且降低元件劣化的一种激光二极管元件。
[0051]将在下文中将给出本发明的激光二极管元件的描述。
[0052]在下文中，将参照附图给出根据本发明的激光二极管元件及其制造方法的描述。将按照下列顺序进行描述本发明的实施方式。应当注意的是，本发明并不限于以下实施例。
[0053]1.激光二极管元件的构造
[0054]2.制造激光二极管元件的方法
[0055]3.实验结果
[0056]〈1.激光二极管元件的构造〉
[0057]根据本公开的实施方式的激光二极管元件是振荡绿色光的激光元件，并且是具有脊状结构的折射率波导型(脊型)激光二极管元件。将在下文给出根据此实施方式的激光二极管元件的描述。
[0058]【激光二极管元件的整体构造】
[0059]图1示出了根据本发明的实施方式的激光二极管元件的示意性外观图。应当注意的是，在本实施方式中，示出了脊型(折射率波导型)激光二极管元件I。
[0060]激光二极管兀件I包括:半导体基板3、外延层2、绝缘层12、第一电极14、第二电极15和焊盘电极13。在根据本实施方式的激光二极管元件I中，外延层2、绝缘层12、第一电极14、和焊盘电极13。在根据本实施方式的激光二极管元件I中，外延层2、绝缘层12、第一电极14、和焊盘电极13按顺序层压在半导体基板3的一个表面3a(图1所示示例中的半导体基板3的上表面，在下文中被称为“半极性面3a”)上。此外，第二电极15形成在半导体基板3的另一表面3b (图1所示的示例中的半导体基板3的下表面，在下文中称为“后表面3b”)上。应当注意的是，如下文所述，半导体基板3是半极性基板，其中半极性面3a是半极性面，如{2,0, -2,1}面。外延层2、绝缘层12、第一电极14和焊盘电极13的层压方向(图1中的Z方向)是半极性面3a的法线方向(图1中的Z方向)。
[0061]激光二极管元件I具有大致长方体的形状。此外，在激光二极管元件I的第一电极14侧的表面上，形成具有在预定方向(图1中的Y方向)上延伸的脊状结构的条形部
21。条形部21的延伸方向是激光的波导方向。对应于条形部21的外延层2的区域是光波导路。
[0062]此外，激光二极管元件I具有垂直于条形部21的延伸方向(图1中的Y方向)的两个侧面22和23 (端面)。应当注意的是，条形部21形成为从一个侧面22延伸到另一侧面23。两个侧面22和23 (割断面)充当激光谐振器的反射面上。因此，侧面22和23在下文中将被称为谐振端面。
[0063]在本实施方式中，条形部21的延伸方向是垂直于a轴方向的方向。然而，条形部21的延伸方向不局限于此示例，并且条形部21的延伸方向可以根据，例如应用和诸如必要振荡波长等条件进行适当地设定。此外，条形部21的宽度大约为几μ m，并且两个谐振端面22和23之间的长度约为几百μ m。
[0064]应当注意的是，在根据本实施方式的激光二极管元件I中，由例如SiO2和TiO2构成的电介质多层膜可以形成 在两个谐振端面22和23(端面涂覆)的一个或两个上。通过执行端面涂敷，允许对反射率进行调节。
[0065]【各部分的构造】
[0066]接下来，将对根据本实施方式的激光二极管元件I的各部分的构造进行更具体的说明。
[0067](I)半导体基板
[0068]半导体基板3是由诸如GaN、AIN、AlGaN, InGaNjP InAlGaN的六方晶III族氮化物半导体构成的。
[0069]此外，作为半导体基板3，可以使用其中载流子导电类型为η型的基板。
[0070]此外，在本实施方式中，在其上形成外延层2、绝缘层12和第一电极14的半导体基板3的一个表面不是由表平面(surface-plane)(极性面)构成的,而是由半极性面3a构成的。
[0071]图2A、图2B和图3示出了 GaN晶体结构。如图2A和图2B所示，GaN具有称为六方晶的晶体结构。发光层中产生的压电电场沿着C轴产生。因此，垂直于C轴的C面201 ({0，
0,0,1}面)具有极性，并且c面被称为极性面。另一方面，垂直于111轴的111面202({1，0，-1，0}面)与c轴平行，因此，m面是非极性面。另一方面，其中，通过在m轴方向以预定的角度倾斜c轴所获得的轴方向是其法线方向的面是c面和m面之间的中间面，并且被称为半极性面，例如，图3所示的示例中的通过向m轴方向倾斜c轴75°所获得的轴方向是其法线方向的平面({2,0, -2,1}面 203)。
[0072]对于本实施方式,在外延层2、绝缘层12和第一电极14形成在半导体基板3的半极性面3a上的情况下，例如，允许振荡波长约为500nm的绿色光。
[0073]作为半极性面3a,可以使用其中半极性面3a的法线方向是通过向m轴方向倾斜c轴45°至80° (包括两端点)的角度或倾斜c轴100°至135° (包括两端点)的角度获得的方向的晶体面。应当注意的是，在半极性面3a的法线方向和c轴之间的角度小于45度或大于135度的情况下，通过劈开处理(加压处理)而形成的端面变成m面(无极性面)的可能性很高。此外，在半极性面3a的法线方向与c轴之间的角度大于80°且小于135°的情况下，存在无法获得具有期望平坦性和期望正交性的端面的可能性。
[0074]此外，在上述角度范围内，半极性面3a的法线方向和c轴之间的角度优选为63°至80° (包括两端点)，或优选为100°至117° (包括两端点)，以便获得长波长的发光。在这些角度范围中，外延层2中的后述发光层7的压电极化降低，在生长(形成)活性层时In的引入量变得良好，并且发光层7 (活性层)中In成分的可变范围允许被扩大。因此，通过将半极性面3a的法线方向和c轴之间的角度设定为上述范围内的值，则容易获得具有长波长的发光。
[0075]例如，作为其具有在上述范围内的法线方向的半极性面3a，也可以使用诸如{2，
O,-2,1}面、{1,0, -1,1}面、{2,0, -2, -1}面、和{1,0, -1, -1}面的晶体面。应当注意的是，稍微倾斜于上述晶面±4°的晶体面也可以用作半极性面3a。在此实施方式中，η型GaN被用作半导体基板3，并且半导体基板的{2，0，-2，1}面被用作一个主面。因为GaN是作为为二元化合物的氮化镓基半导体，所以提供了良好的晶体质量和稳定的基板面(主面)。
[0076](2)外延层、绝缘层、第一电极、第二电极和焊盘电极
[0077]接下来，将参照图4，对本实施方式中的激光二极管元件I的外延层2、绝缘层12、第一电极14、第二电极15和焊盘电极13的构造进行描述。图4是激光二极管元件I的厚度方向(图中的Z方向)的示意性截面图，应当注意的是，图4示出了垂直于条形部21的延伸方向(图中的Y方向)的横截面。
[0078]在本实施方式中,外延层2包括:缓冲层4、第一熔覆层5、第一光导层6、发光层7、第二光导层8、载流子阻挡层9、第二熔覆层10和接触层11。缓冲层4、第一熔覆层5、第一光导层6、发光层7、第二光导层8、载流子阻挡层9、第二熔覆层10、和接触层11按该顺序层压在半导体基板3的半极性面3a上。
[0079]缓冲层4形成在作为半导体基板3的一个主面的半极性面3a上，并且缓冲层4由添加了 η型掺杂剂的氮化镓基半导体层构成。更具体地，例如，缓冲层4可以由η型GaN层构成，并且Si适用作η型掺杂剂。此外，缓冲层4的膜厚度优选为，例如，从IOOnm至2000nm(包括两端点)。
[0080]第一熔覆层5形成在缓冲层4上，并且第一熔覆层由添加了 η型掺杂剂的一个或多个氮化镓基半导体层构成。更具体地，例如，第一熔覆层5可以由η型GaN层、η型AlGaN层、η型InAlGaN层等构成，并且Si适用作η型掺杂剂。此外，第一熔覆层5的膜厚度优选为，例如从500nm至3000nm (包括两端点)。
[0081]第一光导层6形成在第一熔覆层5上,并且第一光导层由一个或多个氮化镓基半导体层构成。更具体地，例如，第一光导层6可以由η型GaN层、η型InGaN层、η型InAlGaN层等构成。除此之外，第一光导层6也可以由非掺杂的氮化镓基半导体层构成,或者第一光导层可以具有由η型层与非掺杂层构成的层压结构。此外，第一光导层6的膜厚度优选为，例如，从IOnm至500nm(包括两端点)。
[0082]发光层7形成在第一光导层6上，并且具有以下构造，其中，例如，由未添加杂质的非掺杂氮化镓基半导体层构成的阱层(未图示)和屏障层(未示出)交替设置。更具体地,例如，阱层和屏障层可以由AlGaN层、GaN层、InGaN层、InAlGaN层等构成。可替代地，发光层7(具体地，屏障层)可以由掺杂有η型掺杂剂的氮化镓基半导体层构成。在这种情况下，屏障层的带隙被设定为与阱层的带隙相比较大的值。此外，各层的膜厚度均优选为，例如，从Inm至IOOnm (包括两端点)。
[0083]发光层7可以具有包括单个阱层的单量子阱结构，或发光层可以具有其中多个阱层和多个屏障层交替设置的多量子阱结构。在此实施方式中，通过在半导体基板3的半极性面3a上层压每个层，允许发光层7形成为振荡从430nm至570nm(包括两端点)波长的光。此外，根据本实施方式的激光二极管元件I的结构特别适合于振荡从480nm至550nm(包括两个端点)波长的光。
[0084]第二光导层8形成在发光层7上,并且第二光导层由一个或多个氮化镓基半导体层构成。更具体地，例如，第二光导层8可以由GaN层、InGaN层等构成，并且掺杂了 Mg的P型氮化镓基半导体层适用于第二光导层。此外，第二光导层8的膜厚度优选为，例如，从IOnm至500nm(包括两端点)。
[0085]载流子阻挡层9 (电子阻挡层)形成在第二光导层8上，并且载流子阻挡层9由添加了 P型掺杂剂的氮化镓基半导体层构成。更具体地，例如，载流子阻挡层9可以由P型AlGaN层等构成，并且Mg适用作p型掺杂剂。此外，载流子阻挡层9的膜厚度优选为，例如，从5nm至100nm(包括两端点)。应当注意的是，载流子阻挡层9可以形成在发光层7和第二光导层8之间，或者可以形成在第二光导层8的中间。此外，可以采用其中载流子阻挡层9不设置在外延层2中的构造。即使不设置载流子阻挡层9，仍维持作为激光二极管元件的功能。
[0086]第二熔覆层10形成在载流子阻挡层9上，并且第二熔覆层10由一个或多个氮化镓基半导体层构成。更具体地，例如，第二熔覆层10可以由P型GaN层、P型AlGaN层、P型InAlGaN层等构成，而Mg适用作p型掺杂剂。此外，第二熔覆层10的膜厚度优选为，例如，从IOOnm至IOOOnm(包括两端点)。
[0087]接触层11形成在第二熔覆层10上，并且接触层11由添加了 P型掺杂剂的氮化镓基半导体层构成。更具体地说，例如，接触层11可以由P型GaN层构成，而Mg适用作P型掺杂剂。此外，接触层11的膜厚度优选为，例如，从5nm至IOOnm(包括两端点)。
[0088]在本实施方式中，通过蚀刻成锥形形状并除去层压在半导体基板3上的外延层2的一个方向的相对的侧面上从接触层11的表面到第二熔覆层10中腹的部位来形成凸脊部
18。脊部18构成图1所示的条形部21，而且脊部18形成为在外延层2的Y方向上延伸的条形形状。
[0089]应当注意的是，在本实施方式中，对其中脊部18是通过向下蚀刻至第二熔覆层10中腹而形成的实例进行了说明。此外，脊部也可以通过向下蚀刻至第二熔覆层10的下一层来形成。
[0090]此处，如图1中所示，垂直于脊部18的延伸方向的面是构成谐振器的谐振端面22和23。谐振端面22和23由割断面构成。因为根据本实施方式的激光二极管元件I具有以下一种构造，其中，外延层2层压在半导体基板3的半极性面3a上，谐振端面22和23不同于前面提到的劈开面，如c面、m面和a面。然而，在本实施方式中，谐振端面22和23也具有如镜子般的平坦性和垂直性。
[0091]第一电极14由一个或多个导电膜层构成,并且第一电极14形成为在接触层11上部电连接到接触层11。如后所述，在本实施方式中，第一电极14是在形成脊部18之前形成的。第一电极14形成为延伸在接触层11的上部Y方向的条形形状。作为第一电极14的导电材料，可以使用能够与接触层11欧姆接触的材料。更具体地，例如，由按接近接触层11的顺序形成的Pd膜和Pt膜构成的层压是适用的。
[0092]绝缘层12形成以覆盖脊部的相邻区域18a的第二熔覆层10的上部，以覆盖由第二熔覆层10和接触层11构成的脊部的侧面18b，并到达第一电极14的侧面。此处，脊部的相邻区域18a是指除脊部18之外的外延层2的区域的面。作为绝缘层12，例如，含有Si02、SiN、Al2O3和ZrO2 —种以上的绝缘材料是适用的。绝缘层的膜厚度优选为，例如，从IOOnm至500nm(包括两端点)。
[0093]此外，在图4中，绝缘层12覆盖第一电极14的侧面的一部分。可替代地，绝缘层12可以形成为覆盖第一电极14的侧面的全部。也就是说，绝缘层12从接触层11开始连续地覆盖第一电极14的部分或全部侧面均是足够的。
[0094]焊盘电极13形成在绝缘层12和从绝缘层12暴露的第一电极14上，并且焊盘电极形成为电连接到第一电极14。作为焊盘电极13，例如，由按接近第一电极14的顺序形成在第一电极14上的Ti膜、Pt膜和Au膜构成的层压膜是适用的。Ti膜的膜厚度优选为从5nm至IOOnm (包括两端点)，Pt膜的膜厚度优选为IOnm至300nm(包括两端点)，并且Au膜的膜厚度优选为IOOnm至IOOOnm(包括两端点)。因为焊盘电极13的最下层由Ti膜构成，与绝缘层12接触的金属膜是Ti膜，所以提高了焊盘电极13相对于绝缘层12的粘着性。
[0095]第二电极15由一个或多个层的导电膜构成，并且第二电极形成在半导体基板3的另一面(后表面3b)上。作为第二电极15的导电材料，更具体地，例如，由按接近半导体基板3的顺序形成的Ti膜和Al膜构成的层压膜是适用的。Ti膜的膜厚度优选为5nm至50nm(包括两端点)，而Al膜的膜厚度优选为IOnm至300nm(包括两端点)。
[0096]在本实施方式中，通过在第一电极14和第二电极15之间流动期望电流，振荡从480nm至550nm(包括两端点)波长的绿色光。
[0097]<2.制造激光二极管元件的方法〉
[0098]接下来，将对根据本实施方式的制造激光二极管元件I的方法进行描述。图5是示出制造根据本实施方式的激光二极管元件I的过程的流程图。图6A至图6K是制造步骤的示图。
[0099]首先，制备由六方晶III族氮化物半导体构成的、具有半极性面的半导体基板3，即，我们所称的半极性基板(步骤SI)。此外，对制备的半导体基板3执行热清洗。
[0100]接下来，通过使用诸如MOVPE (有机金属汽相外延)方法和/或类似方法在在半导体基板3的半极性面上顺序并外延地生长构成外延层2的各半导体层，从而，形成外延层2 (步骤S2)。具体而言，构成缓冲层4、第一熔覆层5、第一光导层6、发光层7、第二光导层
8、载流子阻挡层9、第二熔覆层10和接触层11的各半导体层按顺序外延生长在半导体基板3上。[0101]接下来，第一电极14形成在外延层2(接触层11)上(步骤S3)。在这种情况下，首先，如图6A所示，形成具有暴露外延层2(接触层11)的开口部17a的抗蚀膜17。抗蚀膜17是通过利用抗蚀材料涂覆包括接触层11的整个表面，并接着通过使用期望光掩模来曝光并显影所得物(resultant)形成的。作为抗蚀膜17的材料，例如，可以使用正型抗蚀剂。
[0102]接下来，如图6B所不,用于形成第一电极14的导电膜14a形成在暴露的外延层2(接触层11)的整个面上。导电膜14a也可以通过使用诸如真空蒸镀法和溅射法的方法来形成。此后，抗蚀膜17与形成在其上的导电膜14a—起被除去(剥离)，从而，如图6C所示的第一电极14形成。
[0103]接下来，形成脊部18 (步骤S4)。如图6D所示，通过形成第一电极14，并随后利用在Y方向上延伸的第一电极14作为掩模，从外延层2 (接触层11)的表面到第二熔覆层10的预定深度蚀刻外延层2来形成脊部18。
[0104]接下来，形成将要变为绝缘层12的绝缘材料层19(步骤S5)。在这种情况下，如图6E所示，绝缘材料层19形成在包括脊部的相邻区域18a、脊部的侧面18b和第一电极14的表面的整个面上。绝缘材料层19可以通过诸如蒸镀法和溅射法等的方法来形成。
[0105]接下来，形成用于蚀刻绝缘材料层19的抗蚀膜20(步骤S6)。在这种情况下，首先，绝缘材料层19的整个面上涂有抗蚀材料层。然后，通过使用其中形成所期望图案的光掩模暴露和显影所得物。从而，如图6F中，形成具有开口位于第一电极14上方部位的开口部20a的抗蚀膜20。
[0106]接下来，通过使用抗蚀膜20作为掩模蚀刻第一电极14上的绝缘层(步骤S7)。在此蚀刻步骤中，作为蚀刻方法，可以使用干法蚀刻或湿法蚀刻。在这种情况下，如图6G所示，通过使用抗蚀膜20作为掩模，蚀刻并除去绝缘材料层19，并在第一电极14暴露时停止蚀刻。从而，形成覆盖脊部的相邻区域18a、脊部的侧面18b、以及第一电极14的部分或所有侧面的绝缘层12。应当注意的是，在这种情况下，通过使用脊部18的外延层2未暴露的蚀刻轮廓来执行蚀刻。
[0107]如上所述，在本实施方式中，形成绝缘层12以从脊部的侧面18b连续覆盖第一电极14的侧面的一部分和全部。因此，在此蚀刻步骤中，在其中第一电极14的侧面没有完全暴露的条件下执行蚀刻。此后,如图6H所示，除去抗蚀膜20。
[0108]接下来，形成焊盘电极13 (步骤S8)。在此情况下，例如，通过使用例如真空蒸镀法和溅射法等方法形成期望的导电膜。从而，如图61所示，焊盘电极13形成在绝缘层12和第一电极14的整个面上。
[0109]此后，虽然未示出，但是通过例如剥离法在半导体基板3的后表面3b上形成第二电极15，以形成激光结构。应当注意的是，通过从其中二维形成多个激光二极管元件I的基板构件中切割激光二极管元件I来形成激光二极管元件I。也就是说，通过切割半导体基板3以形成谐振端面22和23并对谐振端面22和23执行涂覆来形成激光棒，并且随后激光棒被切割以获得晶片状态(chipped state)。
[0110]因此，制作了根据本实施方式的激光二极管元件I。
[0111]〈3.实验结果〉
[0112]接下来，将对本实施方式制造的激光二极管元件I与比较例的激光二极管元件之间的特性差异进行描述。
[0113]比较例的激光二极管元件是其中外延层2从根据本实施方式的激光二极管元件I中的绝缘层12暴露的实例。也就是说，比较例的激光二极管元件具有图9所示的结构。因此，在根据本实施方式的激光二极管元件I和根据比较例的激光二极管元件中，构成各层的所有材料是相同的，只有相应的绝缘层的构造是不同的。
[0114]图7示出了测量相对于外延层的脊部暴露宽度的电压劣化率的实验结果。横轴表示脊部的暴露宽度(nm)，而纵轴表示电压上升率。此处，当绝缘层的高度达到外延层的表面时，水平轴上的脊部的暴露宽度被设定为O。其中水平轴上的暴露宽度在正值范围内的情况对应于比较例，而水平轴上的暴露宽度在负值范围内的情况对应于本实施方式。也就是说，通过将其中图7中的暴露值小于O的情况下的值的符号改为正号所获得的值是对应于图4中的覆盖长度LI的值。
[0115]此外，电压上升率是正向电压的上升率。通过针对各元件流动电流三次，并取第一次流动电流时IOOmA处的电压值与第三次流动电流时IOOmA处的电压值的比率来获得电压上升率。也就是说，电压上升率表示电压值(第三次)/电压值(第一次)。
[0116]可以发现，在其中外延层的部分未覆盖有绝缘层并且暴露的比较例的激光二极管元件中，随着暴露宽度增加，电压上升率也增加。从上述结果来看，已经发现，外延层的暴露引起电压上升。比较例中这种电压上升的一个原因可能是，由形成在半极性面上的外延层与焊盘电极之间的直接接触引起的劣化的急剧进展。
[0117]此外，在图5的步骤S7示出的步骤中，具体地，在使用干法蚀刻的情况下，如果外延层的绝缘层涂敷不足，可能在外延层发生蚀刻损坏。这可能是电压上升的原因之一。此外，这种电压上升特定于使用半极性面的激光二极管元件。
[0118]另一方面，可以看出的是，在根据本实施方式的其中绝缘层12的覆盖范围扩展到第一电极的侧面上的激光二极管元件I中，电压上升率约为I，而第三次的电压值相对于第一次电压值并未改变。正如已经指出的，在激光二极管元件I中，其中，绝缘层12形成为从外延层2连续延伸到第一电极14的侧面，而外延层2没有与焊盘电极13直接接触，对应于本实施方式，抑制了电压上升。
[0119]如上所述，在本公开的实施方式中，在通过在半导体基板的半极性面上晶体生长形成的具有脊状结构的激光二极管元件中，覆盖外延层表面的绝缘层形成为从外延层覆盖第一电极的部分或全部。从而，允许抑制与电压上升相关的元件劣化。
[0120]在上述的本实施方式中，如图4所示，绝缘层12覆盖第一电极14的侧面的一部分。然而，绝缘层12可以覆盖第一电极14的侧面的全部。也就是说，只要外延层2的侧面被完全覆盖有绝缘层12，则可以采用各种变化。
[0121]【变形例】
[0122]图8示出了根据变形例的激光二极管元件的横截面构造。在图8中，对于相应于图4中那些部分的部分，对其附上相同的附图标记，并且将省略重复的描述。此外，因为图8中的外延层2的具体构造类似于图4中的构造，该构造在图中没有示出。
[0123]在根据本变形例的激光二极管元件24中，覆盖外延层2的表面的绝缘层25被形成为延伸至第一电极14的一部分上方。也就是说，在所述变形例中，第一电极14的中央区域的一部分与焊盘电极13接触。[0124]这样的激光二极管元件24可以通过在图6F和图6G所示的蚀刻绝缘层的步骤(步骤S7)中蚀刻绝缘材料层19使得第一电极14的中央区域的部分暴露来形成。在这种情况下，例如，图6F所示的抗蚀膜20的开口部20a的、垂直于脊部18的延伸方向的方向上的宽度被形成为窄于第一电极14的宽度，并且对绝缘材料层19进行蚀刻。
[0125]如上所述，只要第一电极14电连接到焊盘电极13，绝缘层25可以被形成为延伸至第一电极14的上表面的一部分。如图8所示，通过采用其中绝缘层25形成为延伸至第一电极14的上表面上的构造，外延层2的侧面确实覆盖有绝缘层25，从而允许提高可靠性。
[0126]此外，在上述该实施方式中，如图6E的步骤中所示，在形成第一电极14之后，通过使用第一电极14作为掩模执行蚀刻，并且形成脊部18。然而，适用的构造并不局限于此，可以在形成脊部之后，形成第一电极。在这种情况下，通过期望掩模形成脊部，并且随后形成第一电极，以使通过剥离方法导电膜只残留在脊部的上表面上。
[0127]此外，在上述的该实施方式中，η型半导体基板被用作实例。可替代地，可以使用P型半导体基板。在这种情况下，对于各层，在上述实施方式中可以使用逆导电类型。在这种情况下，可以获得与本发明效果类似的效果。
[0128]此外，根据本发明的激光二极管元件并不限于上述实施方式，并且可以在本公开的精神范围内进行各种修改。
[0129]本发明可以实现以下构造。
[0130](I) 一种激光二极管元件，包括:
[0131]半导体基板，包括半极性面，所述半导体基板由六方晶III族氮化物半导体构成；
[0132]外延层，包括发光层，该外延层形成在半导体基板的半极性面上，并且该外延层包括脊部；
[0133]第一电极，形成在脊部的上表面上；
[0134]绝缘层，在脊部的相邻区域和脊部的侧面覆盖外延层，该绝缘层从外延层连续覆盖第一电极的侧面的部分或全部；
[0135]焊盘电极，被形成为覆盖绝缘层和第一电极的上表面，所述焊盘电极电连接到第一电极；以及
[0136]第二电极，形成在半导体基板的、与半极性面相对的表面上。
[0137](2)根据⑴所述的激光二极管元件，其中，绝缘层由包括Si02、SiN、Al203和ZrO2的一种或多种的绝缘材料构成。
[0138](3)根据(I)或(2)所述的激光二极管元件，其中，绝缘层的第一电极侧的端面被定位为不达到第一电极的上表面。
[0139](4) 一种制造激光二极管元件的方法，所述方法包括:
[0140]制备包括半极性面的半导体基板，所述半导体基板由六方晶III族氮化物半导体构成；
[0141]在半导体基板的半极性面上形成外延层，所述外延层包括激光二极管元件的发光层；
[0142]通过掩模蚀刻外延层至其预定深度，并形成条形形状的脊部；
[0143]在形成脊部之前，在对应于脊部的区域形成第一电极，或在形成脊部之后，在脊部的上表面上形成第一电极；[0144]在包括第一电极上表面的外延层表面上形成绝缘材料层；
[0145]蚀刻绝缘材料层，从而形成绝缘层，该绝缘层在脊部相邻区域和脊部的侧面覆盖外延层，并且该绝缘层从外延层连续覆盖第一电极的侧面的一部分或全部；
[0146]形成焊盘电极，该焊盘电极覆盖绝缘层和第一电极的上表面，该焊盘电极被电连接到第一电极；以及
[0147]在半导体基板的、与半极性面相对的表面上形成第二电极。
[0148](5)根据(4)所述的制造激光二极管元件的方法，其中
[0149]在形成脊部之前形成第一电极，以及
[0150]通过利用第一电极作为掩模蚀刻而形成脊部。
[0151](6)根据(4)或(5)所述的制造激光二极管元件的方法，其中
[0152]绝缘材料层的蚀刻是通过使用包括开口部的抗蚀膜作为掩模来执行的，开口部具有形成在第一电极的上表面上的绝缘材料层暴露，而形成在脊部的相邻区域的上表面上的绝缘材料层不暴露的尺寸。
[0153](7)根据(4)至(6)中任一项所述的制造激光二极管元件的方法，其中
[0154]在第一电极的上 表面被暴露之后，并且在外延层被暴露之前，停止绝缘材料层的蚀刻。
[0155](8)根据(4)至(7)中任一项所述的制造激光二极管元件的方法，其中，绝缘层是由包括Si02、SiN、Al2O3和ZrO2的一种以上的绝缘材料构成的。
[0156]本公开包含的主题涉及于2011年12月15日提交至日本专利局的日本在先专利申请JP2011-274256中所公开的主题，其全部内容通过引用结合于此。
[0157]本领域技术人员应当理解，根据设计需求和其他因素，只要在所附权利要求或其等价物范围内，可以发生各种变形、组合、子组合、以及更改。
【权利要求】
1.一种激光二极管元件，包括: 半导体基板，包括半极性面，所述半导体基板由六方晶III族氮化物半导体形成；外延层，包括发光层，所述外延层形成在所述半导体基板的所述半极性面上，并且所述外延层包括脊部； 第一电极，形成在所述脊部的上表面上； 绝缘层，在所述脊部的相邻区域和所述脊部的侧面覆盖所述外延层，所述绝缘层从所述外延层侧连续地覆盖所述第一电极的侧面的部分或全部； 焊盘电极，被形成为覆盖所述第一电极的上表面和所述绝缘层，所述焊盘电极被电连接到所述第一电极；以及 第二电极，形成在所述半导体基板的、与形成有所述外延层的面相对的面上。
2.根据权利要求1所述的激光二极管元件，其中，所述绝缘层由包括以下各项的一项或多项的绝缘材料构成:Si02、SiN、Al203、和Zr02。
3.根据权利要求2所述的激光二极管元件，其中，形成在所述脊部的侧面上的所述绝缘层的第一电极侧的端面被定位为未到达所述第一电极的上表面。
4.一种制造激光二极管元件的方法，所述方法包括: 制备包括半极性面的半导体基板，所述半导体基板由六方晶III族氮化物半导体形成； 在所述半导体基板的所述半极性面上形成外延层，所述外延层包括所述激光二极管元件的发光层； 通过期望掩模蚀刻所述外延层至所述外延层的预定深度，并且形成条形形状的脊部；在所述脊部的所述形成之前，在对应于所述脊部的区域中形成第一电极，或者在所述脊部的所述形成之后，在所述脊部的上表面上形成所述第一电极； 在包括所述第一电极的上表面的所述外延层的表面上形成绝缘材料层； 蚀刻所述绝缘材料层，并从而形成绝缘层，所述绝缘层在所述脊部的相邻区域和所述脊部的侧面覆盖所述外延层，并且所述绝缘层从所述外延层侧连续地覆盖所述第一电极的侧面的部分或全部； 形成焊盘电极，所述焊盘电极覆盖所述第一电极的上表面和所述绝缘层，所述焊盘电极被电连接到所述第 一电极；以及 在所述半导体基板的、与形成有所述外延层的面相对的面上形成第二电极。
5.根据权利要求4所述的制造激光二极管元件的方法，其中 在所述脊部的所述形成之前形成所述第一电极，以及 通过利用所述第一电极作为掩模进行蚀刻来形成所述脊部。
6.根据权利要求5所述的制造激光二极管元件的方法，其中 通过使用包括开口部的抗蚀膜作为掩模来执行所述绝缘材料层的所述蚀刻，所述开口部具有利用所述开口部形成在所述第一电极的所述上表面上的所述绝缘材料层暴露、并且形成在所述脊部的所述相邻区域的上表面上的所述绝缘材料层不暴露的尺寸。
7.根据权利要求6所述的制造激光二极管元件的方法，其中 在所述第一电极的所述上表面被暴露之后且在所述外延层被暴露之前，停止所述绝缘材料层的所述蚀刻。
8.根据权利要求7所述的制造激光二极管元件的方法，其中，所述绝缘层由包括以下各项的一项或多项 的绝缘材料构成:Si02、SiN、Al2O3、和Zr02。
【文档编号】H01S5/22GK103975491SQ201280060441
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】风田川统之, 中岛博, 簗岛克典, 京野孝史, 足立真宽 申请人:索尼公司, 住友电气工业株式会社