DE60307025T2 - Halbleiterlaserdiode mit Stegwellenleiter - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode und insbesondere eine Stegwellenleiterstruktur, die dazu geeignet ist, die Zuverlässigkeit nach der Montage einer Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode zu verbessern.
  • In jüngster Zeit werden Halbleiterlaserdioden als Lichtquelle einer optischen Platte, z.B. einer DVD, und als Lichtquelle medizinischer Geräte, von Verarbeitungseinrichtungen, für Kommunikationen über Lichtleitfasern, usw. weit verbreitet verwendet. Insbesondere findet ein Halbleiterlaserelement mit einem Nitridhalbleiter (InxAlyGa1-x-yN, 0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1) als Halbleiterlaserelement Aufmerksamkeit, das in der Lage ist, Licht im Bereich von relativ kurzwelligem Ultraviolett bis Rot zu emittieren.
  • Hinsichtlich der Streifenstruktur zum Steuern eines Transversalschwingungsmodus wird in derartigen Halbleiterlaserdioden häufig eine Stegwellenleiterstruktur verwendet, weil dadurch eine Verstärkungsführung (Gain Guiding) und eine Indexführung (Index Guiding) gleichzeitig realisierbar sind. Außerdem wird eine Nitridhalbleiterlaserdiode häufig auf einem Saphirsubstrat konstruiert, dessen Wärmeleitfähigkeit gering ist, wobei es vorteilhaft ist, eine Nitridhalbleiterlaserdiode durch ein Face-Down-Verbindungsverfahren (mit dem Übergangsbereich nach unten) zu montieren, wobei die p-seitige Elektrode, die sich in der Nähe der aktiven Schicht befindet, nach unten angeordnet wird, um die Wärmefreigabe vom Laserelement zu erhöhen. Außerdem ist es, auch wenn ein von einem Fremdsubstrat, z.B. einem Saphirsubstrat, verschiedenes Nitridhalbleitersubstrat verwendet wird, vorteilhaft, ein Submount-Element zu verwenden, das eine größere Wärmeleitfähigkeit hat als das Substrat, oder die p-leitende Schichtseite durch das Face-Down-Verbindungsverfahren nach unten zu montieren, um eine Qualitätsabnahme des Halbleiterelements aufgrund der Wärmeerzeugung durch eine hohe Ausgangsleistung zu verhindern.
  • 5 zeigt eine schematische Querschnittansicht zum Darstellen einer Stegwellenleiter-Laserdiode, die durch das Face-Down-Verbindungsverfahren gemäß einem herkömmlichen Beispiel (vergl. ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2000-58965) montiert wird. Die in 5 dargestellte Nitridhalbleiterlaserdiode 10 wird durch ein leitfähiges Verbindungsmaterial, z.B. ein Lötmittel 23, mit der Oberseite nach unten mit dem Halterungssubstrat 20 verbunden. Die Nitridhalbleiterlaserdiode 10 ist ein Stegwellenleiterlaser mit einer Schichtstruktur. In dieser Struktur werden eine n-Nitridhalbleiterschicht 12, eine aktive Schicht 13 und eine p-Nitridhalbleiterschicht 14 auf dem Substrat 11 nacheinander ausgebildet, und ein streifenförmiger Steg 14a wird in der p-Nitridhalbleiterschicht ausgebildet. In der Nitridhalbleiterlaserdiode 10 werden die n-seitige Elektrode 16 und die p-seitigen Elektroden 15 und 19 durch ein leitfähiges Verbindungsmaterial, z.B. ein Lötmittel 23, mit Elektroden 21 und 22 auf dem Halterungssubstrat 20 verbunden.
  • Bei den vorstehend beschriebenen herkömmlichen Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdioden treten jedoch Probleme auf, wie beispielsweise eine nach der Montage der Laserdiode 10 auf dem Halbleitersubstrat 20 auftretende Herabsetzung der Laserqualität oder eine Verminderung der Lebensdauer des Lasers.
  • Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode mit einer Struktur bereitzustellen, die dazu geeignet ist, die nach der Montage auftretende Herabsetzung der Laserqualität und die Verminderung der Lebensdauer der Laserdiode verhindern.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen definierten Merkmale gelöst.
  • Der vorliegende Erfinder hat festgestellt, dass die Herabsetzung der Laserqualität und die Verminderung der Lebensdauer des Lasers, die nach der Montage eines Stegwellenleiter-Halbleiterlasers auftreten, durch im Steg auftretende Abnormalitäten verursacht werden. Der vorliegende Erfinder hat festgestellt, dass diese Probleme insbesondere durch Diffusion eines zum Verbinden verwendeten leitfähigen Verbindungsmaterials zur p-seitigen ohmschen Elektrode hin, Abblättern der Schutzisolierschicht am Steg oder Abblättern der p-seitigen Elektrode verursacht werden.
  • Dies wird nachstehend unter Bezug auf 6 erläutert. 6 zeigt eine Teil-Querschnittansicht eines vergrößerten Stegabschnitts einer Nitridhalbleiterlaserdiode. 6 zeigt eine Zeichnung, in der die Ober- und die Unterseite bezüglich 5 umgekehrt sind. Wie in 6 dargestellt ist, ist der Steg 14a zum Herstellen des Wellenleiters in der p-Nidridhalbleiterschicht 14 der Nitridhalbleiterlaserdiode 10 ausgebildet, und die erste Schutzisolierschicht 17 ist derart angeordnet, dass die obere Fläche des Stegs 14a freiliegt. Für die erste Schutzisolierschicht wird ein Mate rial mit einem optischen Brechungsindex verwendet, der sich vom optischen Brechungsindex des Stegs 14a wesentlich unterscheidet. Der Steg 14a begrenzt Licht basierend auf dem Unterschied der optischen Brechungsindizes. Außerdem ist die p-seitige ohmsche Elektrode 15 auf dem Steg 14a derart angeordnet, dass sie ihn vollständig abdeckt, und zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und dem auf der oberen Fläche des Stegs 14a freiliegenden p-Nitridhalbleiter 14 wird eine ohmsche Verbindung hergestellt. Außerdem ist die zweite Schutzisolierschicht 18 auf der ersten Schutzisolierschicht 17 beabstandet vom Steg 14a angeordnet.
  • Im Steg 14a wird die Verbindung zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und dem Halterungssubstrat 20 folgendermaßen hergestellt: Zunächst wird die p-seitige Anschlusselektrode 19 auf der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 angeordnet. Die p-seitige Anschlusselektrode besteht aus einem Metall mit einer guten Verbindungseigenschaft bezüglich dem leitfähigen Verbindungsmaterial 23. Diese Verbindung wird hergestellt, indem das leitfähige Verbindungsmaterial über seinen Schmelzpunkt hinaus erwärmt wird, während das Laserdiodenelement gegen das Halterungssubstrat gepresst wird.
  • Der vorliegende Erfinder führte verschiedene Untersuchungen bezüglich den Laserdiodenelementen aus, die Mängel oder Defekte zeigten, und stellte fest, dass das Metallelement, wie beispielsweise Sn, im leitfähigen Verbindungsmaterial 23 den ohmschen Kontakt zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und dem p-Nitridhalbleiter 14 behindert, weil es die den Steg 14a abdeckende p-seitige ohmsche Elektrode 15 erreicht. Obwohl im Allgemeinen ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, z.B. Lötmittel, für das leitfähige Verbindungsmaterial 23 verwendet wird, wird vermutet, dass das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Sn, durch während des Verbindungsprozesses zugeführte Wärme in die p-seitige Anschlusselektrode 19 diffundiert und die p-seitige ohmsche Elektrode 15 erreicht. Das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Sn, behindert den ohmschen Kontakt zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und dem p-Nitridhalbleiter, wenn es die p-seitige ohmsche Elektrode 15 erreicht, und erhöht den Kontaktwiderstand.
  • Der vorliegende Erfinder hat außer den vorstehenden Problemen ferner festgestellt, dass auch durch das Abblättern die Laserqualität herabgesetzt und die Lebensdauer vermindert wird. Das Abblättern tritt zwischen der p-Nitridhalbleiterschicht 14 und der ersten Schutzisolierschicht 17 oder zwischen der ersten Schutzisolierschicht 17 und der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 an der Seitenfläche des Stegs 14a der p-Nitridhalbleiterschicht auf. Der Steg 14a, der in der Struktur des Laserchips am meisten hervorsteht, nimmt eine große Belastung auf, während der Laserchip durch das Face-Down-Verbindungsverfahren mit dem Halterungssubstrat verbunden wird. Die Dicke der ersten Schutzisolierschicht wird im Schichtherstellungsprozess im Allgemeinen tendenziell dünner ausgebildet als andere Abschnitte auf der Seitenfläche des Stegs 14a, insbesondere an der Ecke oder Kante 25, die die Seitenfläche und die obere Fläche des Stegs 14a verbindet, oder an der Ecke oder Kante 26, die die Seitenfläche und die untere Fläche oder Unterseite des Stegs 14a verbindet. Außerdem hat eine Schutzisolierschicht allgemein ein schlechtes Haftvermögen bezüglich des Nitridhalbleiters oder eines Metallmaterials. Daher tritt zwischen der ersten Schutzisolierschicht 17 und der p-Nitridhalbleiterschicht 14 oder zwischen der ersten Schutzisolierschicht 17 und der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 durch Wärme oder Druck, die während des Verbindens des Laserchips mit dem Halterungssubstrat zugeführt bzw. ausgeübt werden, eine Abblätterung auf. Wenn in der ersten Schutzisolierschicht 17 eine Abblätterung auftritt, wird der optische Brechungsindex um den Steg 14a herum abnormal, wodurch die optische Begrenzungsfunktion des Stegs 14a wesentlich beeinträchtigt wird.
  • Das vorstehend beschriebene Problem ist nicht auf den Fall beschränkt, in dem das Stegwellenleiter-Halbleiter laserdiodenelement durch das Face-Down-Verbindungsverfahren montiert wird. Ein ähnliches Problem wird auftreten, wenn die p-seitige Anschlusselektrode durch ein leitfähiges Verbindungsmaterial, das ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt enthält, in der Nähe des Stegabschnitts des Laserdiodenelements verbunden wird. Außerdem kann eine Beeinträchtigung des Haftvermögens zwischen der Elektrode (insbesondere der p-seitigen Elektrode) und der Schutzisolierschicht oder der Halbleiterschicht auftreten, wenn in einem vom Montageprozess verschiedenen Prozess eine hohe Temperatur angewendet wird. Diese Beeinträchtigung des Haftvermögens wird zu einer Verschlechterung der Eigenschaften und Kenngrößen des Laserdiodenelements führen.
  • Die gemäß der US-A-2002/0034204 oder der US-A-6067309 bekannte Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode weist auf: eine zwischen einer n-Halbleiterschicht und einer p-Halbleiterschicht angeordnete aktive Schicht, einen in der p-Halbleiterschicht ausgebildeten Steg, eine Schutzisolierschicht, die den Steg derart abdeckt, dass mindestens ein Abschnitt seiner Oberseite freiliegt, eine p-seitige ohmsche Elektrode, die eine ohmsche Verbindung mit dem freiliegenden Stegabschnitt bildet, und eine p-seitige Anschlusselektrode, die mit der p-seitigen ohmschen Elektrode elektrisch verbunden ist. Eine Diffusionsunterdrückungsschicht, die dazu geeignet ist, die vorstehend erwähnte Diffusion des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt zu verhindern, ist zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode angeordnet.
  • Die Diffusion des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt in den Stegabschnitt kann verhindert werden, indem die Diffusionsunterdrückungsschicht zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode angeordnet wird, wodurch die Blockierung oder Behinderung des ohmschen Kontakts zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und den p-Halbleiterschichten verhindert werden kann.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die Diffusionsunterdrückungsschicht jedoch anders als die vorstehend beschriebene Diffusionsunterdrückungsschicht in den Elektrodenschichten nicht auf der gesamten Fläche der Elektroden ausgebildet, sondern lediglich in der Nähe des Stegs.
  • Vorzugsweise wird die Diffusionsunterdrückungsschicht derart ausgebildet, dass sie auch die Seitenfläche des Stegs abdeckt, um das Abblättern der Schutzisolierschicht an der Seitenfläche des Stegs zu verhindern. Dies ist der Fall, weil die Konzentration von Wärme und Druck auf die Schutzisolierschicht vermindert werden kann, indem die Diffusionsunterdrückungsschicht zur Seitenfläche des Stegs derart erweitert wird, dass die für die Abblätterung anfälligen Abschnitte, wie beispielsweise die die Seitenfläche des Stegs mit der Oberseite verbindende Ecke oder Kante und die die Seitenfläche des Stegs mit der Unterseite verbindende Ecke oder Kante, bedeckt werden.
  • Außerdem kann unter Verwendung eines Materials mit einem schwachen Haftvermögen bezüglich der Elektrode (z.B. Oxide) für die Diffusionsunterdrückungsschicht nicht nur der durch Abdecken der Eckenabschnitte erhaltene Effekt erhalten werden, gemäß dem die durch die Face-Down-Montage ausgeübte Belastungskonzentration vermindert wird, sondern unabhängig von der Montagestruktur auch die Flexibilität für die Elektrodenstruktur erhöht werden. Dadurch kann die mechanische Toleranz bezüglich einer durch Wärmedehnung oder ähnliche Effekte hervorgerufenen thermischen Strukturänderung verbessert werden.
  • Die starke Verbindung zwischen den Metallen kann durch eine Zwischenlage aus einem Metall mit einem Haftvermögen vermindert werden, das im Vergleich zu dem Fall schwach ist, in dem die Grenzflächen zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode durch eine Metall-Metall-Verbindung über einen den Grat einschließenden weiten Bereich verbunden werden. Dadurch kann die Flexibilität der inneren Struktur des gesamten Bereichs (d.h. von der p-leitenden Kontaktschicht bis zur p-seitigen Anschlusselektrode), die den ohmschen Kontakt beinhaltet, bezüglich Wärme oder eine äußere mechanische Kraft erhöht werden, so dass auf den ohmschen Verbindungsabschnitt ausgeübte Belastungen verteilt werden können.
  • Außerdem kann, wenn eine derartige Diffusionsunterdrückungsschicht mit einem schwachen Haftvermögen ein Isolator ist, die Vorrichtung problemlos betrieben werden, so lange das Haftvermögen an der ohmschen Verbindungsstelle gewährleistet ist, auch wenn die Grenzfläche zwischen der Diffusionsunterdrückungsschicht und der p-seitigen ohmschen Elektrode oder der p-seitigen Anschlusselektrode abblättert.
  • Außerdem ist es bevorzugt, die Zwischenlage derart anzuordnen, dass sie auf beiden Seiten des Stegs im wesentlichen die gleiche Breite und/oder Länge hat, so dass der elektrische Strom dem Steg gleichmäßig zugeführt werden kann. Insbesondere kann, wenn die Stegbreite groß ist oder mehrere Stege angeordnet sind, eine thermische oder mechanische Belastung in der Querrichtung gleichmäßig verteilt werden, unabhängig davon, ob die Zwischenschicht als Pufferschicht oder Diffusionsunterdrückungsschicht dient. Dadurch kann eine ungleichmäßige Verteilung der Lichtdichte verhindert werden, und es können vorteilhaft leicht Effekte erzielt werden, beispielsweise kann die COD (Catastrophical Optical Damage) kontrolliert oder eine partielle Emission verhindert werden.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, können der Zwischenschicht zwei Funktionen hinzugefügt werden, gemäß denen sie als Diffusionsunterdrückungsschicht und als Pufferschicht dient, durch die ein Abblättern verhindert wird, d.h. das Haftvermögen kann eingestellt werden. In diesem Fall kann nicht nur eine einzelne Schicht mit den beiden Funktionen ausgebildet werden, sondern auch eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten. Daher können gemäß den Anforderungen verschiedenartige Kombinationen von Schichten hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Kombination aus einer auf einer Diffusionsunterdrückungsschicht ausgebildeten Pufferschicht, einer auf einer Pufferschicht angeordneten Diffusionsunterdrückungsschicht oder einer auf einer Pufferschicht ausgebildeten Pufferschicht ausgewählt werden. Insbesondere können hinsichtlich des Haftvermögens die geeignetsten Materialien gemäß dem für jede der Grenzflächen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode verwendeten Material ausgewählt werden.
  • Eine Kombination, wie beispielsweise Ti/SO2 oder Ni/SO2 wird für eine mehrschichtige Struktur verwendet, wenn eine Diffusionsunterdrückungsschicht auf einer Pufferschicht angeordnet ist. Ausschließlich SiO2 kann sowohl die Diffusionsunterdrückungsfunktion als auch die Pufferfunktion (Funktion zum Einstellen des Haftvermögens) erfüllen. Wenn jedoch für die Elektrode ein oxidationsbeständiges Material verwendet wird, d.h., wenn beispielsweise Ni/Au oder Ni/Au/Pt für die obere Schicht der ohmschen Elektrode verwendet wird, ist das Haftvermögen bezüglich Oxid schlecht. Daher werden eine gewünschte Form und Dicke der Schicht möglicherweise nur schwer erhalten, wenn eine Oxidschicht gebildet wird. In diesem Fall wird eine Schicht zum Verbessern des Haftvermögens zwischen der Oxidschicht und der ohmschen Elektrode bereitgestellt, so dass eine Oxidschicht mit einer gewünschten Form und Dicke ausgebildet werden kann.
  • Dadurch kann das Haftvermögen der gesamten Zwischenschicht eingestellt werden, indem die Zwischenschicht nicht als Pufferschicht ausgebildet wird, sondern derart, dass das Haftvermögen der Diffusionsunterdrückungsschicht verbessert wird. Außerdem werden Oxidschicht/Oxidschicht-Kombinationen verwendet, wie beispielsweise SiO2/TiO2, Oxidschicht/Metallschicht-Kombinationen, wie beispielsweise SiO2/Si, Metallschicht/Oxidschicht-Kombinationen, wie beispielsweise Pt/SiO2, Nitridschicht/Oxidschicht-Kombinationen, wie beispielsweise AlN/Al2O3 oder Metallschicht/Metallschicht-Kombinationen, wie beispielsweise Pt/Rh. Außerdem können die auf der Oberseite und der Seitenfläche des Stegs angeordneten Zwischenschichten gemäß der Form der Schicht die gleiche Funktion oder verschiedene Funktionen haben, d.h. als Pufferschicht oder Diffusionsunterdrückungsschicht dienen. Es ist bevorzugt, wenn weniger Verarbeitungsschritte zum Ausbilden einer mehrschichtigen Struktur erforderlich sind, wenn alle Schichten die gleiche Form haben. Eine mehrschichtige Struktur, in der jede der Schichten eine andere Form hat, kann jedoch gemäß dem Ziel und den Verarbeitungen oder den Materialien ausgebildet werden. Beispielsweise wird ein Material mit einem Lichtabsorptionsvermögen für die Schicht verwendet, um das Haftvermögen der aus der Oxidschicht hergestellten Diffusionsunterdrückungsschicht zu verbessern, wie vorstehend beschrieben wurde. In diesem Fall kann das Haftvermögen eingestellt werden, während die Lichteigenschaften beibehalten werden, indem die Zwischenlagen nur auf vom Steg geringfügig beabstandeten Stellen angeordnet wird.
  • Daher kann durch Verbessern der Flexibilität des ohmschen Verbindungsabschnitts der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserdiodenelement und dem Halterungssubstrat, z.B. einem Schaft oder einem Submount- Element, während der Face-Down-Montage vermindert und können Montagedefekte reduziert werden.
  • Während einer Face-Down-Verbindung wird das Haftvermögen zwischen dem Laserdiodenelement und dem Halterungssubstrat durch das Verbindungsmaterial oder die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halterungssubstrats oder durch ähnliche Ursachen beeinflusst. Daher kann das Haftvermögen durch geeignete Auswahl dieser Materialien verbessert werden.
  • Wenn das Verbindungsmaterial oder das Halterungssubstrat basierend auf anderen Faktoren ausgewählt werden, kann der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten groß werden. Diese Materialien können jedoch, wie dies in der vorliegenen Erfindung vorgesehen ist, verwendet werden, um die Flexibilität des Laserdiodenelements bezüglich den den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zugeordneten Strukturänderungen zu verbessern. Daher kann eine Temperaturtoleranz durch Bereitstellen der Diffusionsunterdrückungsschicht effektiver verbessert werden.
  • Das Material für die Diffusionsunterdrückungsschicht ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann ein Isolator, ein Halbleiter oder ein Metall verwendet werden, so lange es dazu geeignet ist, zu verhindern, dass Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt diffundieren.
  • Ein Oxid, ein Nitrid oder ein Metall mit hohem Schmelzpunkt sind bevorzugte Materialien für die Diffusionsunterdrückungsschicht. Beispielsweise können ein Oxid oder ein Nitrid von Si, Al, Rh, Zr, Ti, Zn, Ga und Nb, ein Metall, wie beispielsweise ein Metall der Platingruppe (Pt, Pd, Rh, Ir, Ru und Os), eine Halbleiterschicht, wie beispielsweise InN, AlN, GaN, ein Mischkristall davon, wie beispielsweise AlInGaN, GaAs, GaP oder InP, oder Si und SiC verwendet werden. Darunter wird vorzugsweise SiO2, TiO2, ZrO2, AlN, SiN, GaN, AlGaN, InGaN und Pt oder ein ähnliches Material verwendet.
  • Die Diffusionsunterdrückungsschicht muss derart ausgebildet werden, dass ein Abschnitt der p-seitigen Elektrode freiliegt, um den elektrischen Kontakt zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode aufrechtzuerhalten, wenn die Diffusionsunterdrückungsschicht ein Isolator oder ein Halbleiter ist.
  • Wenn die Diffusionsunterdrückungsschicht hauptsächlich aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, wie beispielsweise aus Metall, wird der Leitungsweg der gleiche wie in dem Fall, in dem die Diffusionsunterdrückungsschicht nicht bereitgestellt wird. Das bevorzugte Material der Diffusionsunterdrückungsschicht kann auch als Sperrschicht zum Verhindern der Zwischenlagendiffusion in die Elektrodenschichten dienen, in denen mehrere Materialien aufeinander laminiert sind.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Diffusionsunterdrückungsschicht nicht auf der gesamten Oberfläche der Elektroden ausgebildet, sondern nur in der Nähe des Stegs.
  • Gemäß dieser Konfiguration können die optischen Eigenschaften oder Kenngrößen in der Nähe des Stegs kompensiert werden. Beispielsweise wird, wenn eine aus Pt bestehende Diffusionsunterdrückungsschicht in der Nähe des Stegs angeordnet ist, der Wellenleiterverlust klein sein, weil Pt die Emissionswellenlänge von der Emissionsschicht kaum absorbiert. Dieser Effekt kann auch erhalten werden, wenn die p-seitige Anschlusselektrode Pt enthält.
  • Wenn die Breite der Diffusionsunterdrückungsschicht begrenzt wird, um die p-seitige ohmsche Elektrode mit der p-seitigen Anschlusselektrode in einem Bereich in Kontakt zu bringen, der geringfügig vom Steg beabstandet ist (ein Bereich, in dem der Primärmodus auftritt), kann jedoch die Emissionswellenlänge von der Emissionsschicht in einer beispielsweise aus Ni/Au bestehenden p-seitigen Anschlusselektrode absorbiert werden.
  • Durch diese Konstruktion kann der horizontale Transversalmodus einer hohen Ordnung absorbiert werden, so dass nur der Fundamentalmodus extrahiert werden kann. Ein derartiger Effekt kann nicht erhalten werden, wenn die Sperrschicht (z.B. Pt) in der p-seitigen Anschlusselektrode enthalten ist, und kann erhalten werden, indem die Diffusionsunterdrückungsschicht, wie in der vorliegenden Erfindung vorgesehen, unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet wird, dessen Breite schmäler ist als die p-seitige Anschlusselektrode.
  • Wenn die Diffusionsunterdrückungsschicht aus einem Isoliermaterial besteht, das hauptsächlich aus einem Oxid besteht, wird es sehr einfach einen Stromfluß in den gesamten Bereich des Streifens zu veranlassen. Der Leitungsweg von der p-seitigen Anschlusselektrode zur p-seitigen ohmschen Elektrode erstreckt sich nicht durch den oberen Abschnitt des Stegs, sondern der Leitungsweg erstreckt sich in die Querrichtung des streifenförmigen Stegs.
  • Wenn die p-seitige Elektrode und die p-seitige Anschlusselektrode durch separate Prozesse ausgebildet werden, unterscheiden sich ihre Längen (in Richtung des Streifens). Insbesondere werden die p-seitigen Anschlusselektroden tendenziell kürzer ausgebildet als die p-seitigen ohmschen Elektroden. Daher kann der Rand der p-seitigen ohmschen Elektrode nicht direkt mit der p-seitigen Anschlusselektrode verbunden werden. In diesem Fall erreicht der elektrische Strom kaum den Randabschnitt der p-seitigen ohmschen Elektrode und die Halbleiterschicht darunter, wodurch ein Bereich mit schwacher Emission gebildet wird.
  • Daher konzentriert sich der elektrische Strom an der p-seitigen ohmschen Elektrode unter der p-seitigen Anschlusselektrode, wodurch ein Bereich mit starker Emission gebildet wird, wodurch eine ungleichmäßige Emission verstärkt wird. Eine Inkonsistenz im elektrischen Stromweg kann erfindungsgemäß durch Ausbilden der isolierenden Diffusionsunterdrückungsschicht verbessert werden, wodurch eine gleichmäßige Zufuhr des elektrischen Stroms zum gesamten Streifenbereich leicht ermöglicht wird.
  • Wenn die Diffusionsunterdrückungsschicht aus einem Oxid besteht, kann die Diffusion des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt bei der Face-Down-Montage verhindert werden. Außerdem kann die Wärmebeständigkeit auch bei einer Face-Up-Montage verbessert werden. Dies wird vermutlich dadurch verursacht, dass Sauerstoff in der Grenzfläche vorhanden ist, weil die p-seitige ohmsche Elektrode und die p-seitige Anschlusselektrode durch verschiedene Prozesse hergestellt werden, obwohl keine genauen Details bekannt sind. Das Laserdiodenelement wird nicht nur bei der Face-Down-Montage, sondern auch bei der Face-Up-Montage in einem Die-Bonding-Prozess einer Temperatur von etwa 300°C ausgesetzt. Wenn ein Laserdiodenelement einer derartigen hohen Temperatur ausgesetzt ist, können seine Kenngrößen beeinträchtigt werden, beispielsweise können die ohmschen Kenngrößen beeinträchtigt werden, kann eine partielle Emission (ungleichmäßige Emission) auftreten oder nimmt Vf zu.
  • Eine mögliche Ursache für die Beeinträchtigung der ohmschen Kenngrößen ist die Diffusion von Sauerstoff. Sauerstoff, der ursprünglich in der Grenzfläche zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode vorhanden ist, diffundiert z.B. in den Bereich außerhalb der Grenzfläche (z.B. nach außen), wodurch die ohmschen Kenngrößen beeinträchtigt werden. Der Verlust der Sau erstoffkonzentration, durch die die ohmschen Kenngrößen vermutlich unterstützt werden, kann durch Bereitstellen eines Oxids als Diffusionsunterdrückungsschicht an der Grenzfläche zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode kompensiert werden. Dadurch kann die Beeinträchtigung der ohmschen Kenngrößen aufgrund der durch die Erwärmung im Montageprozess verursachte Bewegung (Diffusion) des Sauerstoffs verhindert werden, so dass ein Laserdiodenelement mit einer ausgezeichneten Thermostabilität erhalten werden kann.
  • Außerdem ist es bevorzugt, wenn die vorstehend erwähnte Diffusionsunterdrückungsschicht das gleiche Material aufweist wie die zweite Schutzisolierschicht, wenn die zweite Schutzisolierschicht auf der ersten Schutzisolierschicht angeordnet ist (die beispielsweise eine Schicht ist, die Bereiche isoliert und schützt, die von dem Bereich verschieden sind, in dem die n-seitige Elektrode ausgebildet wird). Durch diese Konstruktion kann die Diffusionsunterdrückungsschicht ausgebildet werden, indem lediglich die Maskenform für den Fotolithografieprozess geändert wird, durch den die zweite Isolierschutzschicht ausgebildet wird, ohne dass ein neuer Prozess hinzugefügt werden muss.
  • Die Leitfähigkeit ist nicht besonders eingeschränkt, wenn die Zwischenschicht als Pufferschicht verwendet wird, um das Haftvermögen zu vermindern (einzustellen). Daher kann ein leitfähiges Material, ein Isoliermaterial oder ein Halbleiter verwendet werden. Das bevorzugte Material für die Zwischenschicht ist ein Isoliermaterial aus einer Metalloxidschicht, und das Haftvermögen zwischen der aus einem Metallmaterial hergestellten ohmschen Elektrode und der Anschlusselektrode kann unter Verwendung eines derartigen Materials vermindert werden.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterlaserdiodenelement ist wie vorstehend beschrieben derart konstruiert, dass die Diffusion des für die Montage verwendeten leitfähigen Verbindungsmaterials zur p-seitigen ohmschen Elektrode hin, das Abblättern der Schutzisolierschicht am Steg und das Abblättern der p-seitigen Elektrode verhindert werden können. Dadurch kann eine durch die Montage verursachte Verminderung der Leistungsfähigkeit des Lasers oder eine Verminderung der Lebensdauer in der Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode verhindert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben; es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittansicht zum Darstellen einer auf einem Halterungssubstrat montierten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stegwellenleiter-Laserdiode;
  • 2 eine schematische Querschnittansicht zum Darstellen der Struktur des Stegbereichs der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stegwellenleiter-Laserdiode;
  • 3A bis 3E Draufsichten des p-Halbleiterschichtbereichs einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stegwellenleiter-Laserdiode zum Darstellen des Prozesses zum Ausbilden der Elektrode und anderer Komponenten;
  • 4 eine schematische Querschnittansicht zum Darstellen der Struktur des Stegabschnitts des Beispiels 4 einer erfindungsgemäßen Stegwellenleiter-Laserdiode;
  • 5 eine schematische Querschnittansicht zum Darstellen eines Beispiels einer herkömmlichen Stegwellenleiter-Nitridhalbleiterlaserdiode; und
  • 6 eine schematische Querschnittansicht zum Darstellen der Struktur des Stegabschnitts der herkömmlichen Stegwellenleiter-Nitridhalbleiterlaserdiode.
  • Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht zum Darstellen einer erfindungsgemäßen Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode. In 1 ist die Nitridhalbleiterlaserdiode 10 unter Verwendung eines leitfähigen Verbindungsmaterials 23, wie beispielsweise Lötmittel, mit der Oberseite nach unten auf dem Halterungssubstrat 20 montiert.
  • Die Nitridhalbleiterlaserdiode 10 ist eine Stegwellenleiter-Laserdiode. Die n-Nitridhalbleiterschicht 12, die aktive Schicht 13 und die p-Nitridhalbleiterschicht 14 werden nacheinander auf einem Isoliersubstrat 11 angeordnet, wie beispielsweise Saphir. Der streifenförmige Steg wird in der p-Nitridhalbleiterschicht ausgebildet. Die n-Nitridhalbleiterschicht 12 und die p-Nitridhalbleiterschicht 14 haben die Hauptfunktion zum Zuführen von Elektronen bzw. Löchern zur aktiven Schicht 13 und bestehen im Allgemeinen aus dem n-Nitridhalbleitermaterial und dem p-Nitridhalbleitermaterial.
  • In der Nitridhalbleiterlaserdiode 10 werden die n-seitigen Elektroden 16 und 29 und die p-seitigen Elektroden 15 und 19 unter Verwendung des leitfähigen Verbindungsmaterials 23, wie beispielsweise Lötmittel, mit den Elektroden 21 und 22 des Halterungssubstrats 20 verbunden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform besteht das leitfähige Verbindungsmaterial 23, wie in 1 dargestellt ist, aus zwei Schichten: einer Metallschicht 23a mit niedrigem Schmelzpunkt, die aus Sn, Pb, Ag, Bi, Cu, In, Zn und ähnlichen Elementen besteht, und einer Schutzschicht 23b, die aus einem kaum oxidierbaren Metall besteht, wie beispielsweise Au und Pt.
  • Die Schutzschicht 23b ist als dünne Schicht ausgebildet, so dass sie durch die Wärme und den Druck, die während des Verbindungsprozesses ausgeübt werden, reißt, und weist eine Funktion zum Verhindern der Oxidation des Verbindungsmetalls 23a mit niedrigem Schmelzpunkt in Luft auf. D.h., durch die Wärme und den Druck, die während des Verbindungsprozesses ausgeübt werden, reißt die Schutzschicht 23b und schmilzt das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, so dass die Nitridhalbleiterlaserdiode 10 und die Elektroden des Halterungssubstrats 20 verbunden werden.
  • Die n-seitigen Elektroden 16 und 29 sind auf der n-Nitridhalbleiterschicht 12 angeordnet, die durch teilweises Entfernen der p-Nitridhalbleiterschicht 14 und der aktiven Schicht 13 freigelegt wird, so dass die Höhe an der Stelle, wo die n-seitigen Elektroden 16 und 29 angeordnet sind, sich von der Höhe an der Stelle unterscheidet, wo die p-seitigen Elektroden 15 und 19 angeordnet sind.
  • Daher besteht die Elektrode 24 aus zwei Schichten, d.h. aus der Au-Schicht 24b und der Pt-Schicht 24a, und ist auf der Anschlusselektrode 22 an der Seite des Halterungssubstrats 20 angeordnet, um den Höhenunterschied zwischen den n-seitigen Elektroden und den p-seitigen Elektroden zu kompensieren.
  • Nachstehend wird die Struktur in der Nähe des Stegabschnitts unter Bezug auf 2 näher beschrieben. 2 zeigt eine teilweise vergrößerte Querschnittansicht der Struktur in der Nähe des in 1 dargestellten Stegabschnitts. Die in 2 dargestellte Ansicht ist bezüglich 1 umgekehrt, d.h. mit der Oberseite nach unten, dargestellt. Wie in 2 dargestellt ist, ist der Steg 14a für den Wellenleiter in der p-Nitridhalbleiterschicht 14 der Nitridhalbleiterlaserdiode 10 ausgebildet. Die erste Schutzisolierschicht 17 ist auf der p-Nitridhalbleiterschicht an von der Oberseite des Stegs 14a verschiedenen Bereichen ausgebildet, so dass die Oberseite freiliegt.
  • Für die erste Schutzisolierschicht wird ein Material mit einem optischen Brechungsindex verwendet, der sich vom optischen Brechungsindex des Stegs 14a wesentlich unterscheidet. Der Steg 14a begrenzt Licht basierend auf dem Unterschied der optischen Brechungsindizes.
  • Außerdem ist die p-seitige ohmsche Elektrode 15 auf dem Steg 14a derart angeordnet, dass sie seinen gesamten Abschnitt abdeckt, und zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und dem auf der Oberseite des Stegs 14a freiliegenden p-Nitridhalbleiter 14 wird eine ohmsche Verbindung hergestellt. Außerdem ist die zweite Schutzisolierschicht 18 beabstandet vom Steg 14a auf der ersten Schutzisolierschicht 17 angeordnet.
  • Die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 ist zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und der p-seitigen Anschlusselektrode 19 derart angeordnet, dass sie die Oberseite des Stegs 14a abdeckt, die bezüglich der ersten Schutzisolierschicht 17 freiliegt. D.h., die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 ist derart angeordnet, dass sie mindestens die ohmsche Verbindung zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und der p-Galliumnitridhalbleiterschicht 14 abdeckt.
  • Das leitfähige Verbindungsmaterial 23 weist ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt auf, wie beispielsweise Sn, Pb, Ag, Bi, Cu, In und Zn. Durch Wärme oder Druck, die während des Verbindungsprozesses ausgeübt werden, diffundiert das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt vom leitfähigen Verbindungsmaterial und erreicht die p-seitige ohmsche Elektrode 15. Die derart angeordnete Diffusionsunterdrückungsschicht 30 verhindert, dass das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt die p-seitige ohmsche Elektrode 15 erreicht. Dadurch kann verhindert werden, dass bei der Montage der Nitridhalbleiterlaserdiode oder in einem späteren Betrieb ein Verbindungsdefekt in der p-seitigen ohmschen Elektrode auftritt.
  • Außerdem ist die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 derart angeordnet, dass sie die Oberseite und die gesamte Seitenfläche des Stegs 14a abdeckt, insbesondere den Rand 25, der die Oberseite und die Seitenfläche verbindet, und den Rand 26, der die Seitenfläche und die Unterseite des Stegs verbindet.
  • In einem Halbleiterherstellungsprozess wird die erhaltene Dicke der ersten Schutzisolierschicht 17 und der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 an den Rändern 25 und 26 im Allgemeinen tendenziell lokal kleiner ausgebildet als an anderen Abschnitten.
  • Infolgedessen tritt in der ersten Schutzisolierschicht 17 oder in der p-seitigen ohmschen Elektrode an den Rändern 25 und 26 eine schmale Vertiefung auf. Die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 füllt diese Vertiefungen und modifiziert die Wärme und den Druck an den Rändern 25 und 26, so dass das Abblättern der ersten Schutzisolierschicht 17 vom p-Galliumnitridhalbleiter 14 oder der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 von der ersten Schutzisolierschicht 17 verhindert werden kann. Dadurch kann eine durch das Abblättern am Stegabschnitt 14a verursachte Fehlfunktion der optischen Begrenzung verhindert werden.
  • Das Material der Diffusionsunterdrückungsschicht 30 ist nicht besonders eingeschränkt. Es kann ein Isolator, ein Halbleiter oder ein Metall verwendet werden, d.h. ein Material, das die Diffusion eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt vom leitfähigen Verbindungsmaterial 23 verhindern kann. Ein Material, das eine ohmsche Verbindung der p-seitigen ohmschen Elektrode verhindert, kann jedoch für die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 nicht verwendet werden.
  • Beispielsweise müssen die Bestandteile der Diffusionsunterdrückungsschicht 30 derart festgelegt werden, dass vermieden wird, dass darunter ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Sn, Pb, Ag, Bi, Cu, In oder Zn, in einer Konzentration enthalten ist, durch die der ohmsche Kontakt der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 verhindert wird.
  • Außerdem ist es bevorzugt, wenn das Material der Diffusionsunterdrückungsschicht 30 nicht mit dem Material der p-seitigen Elektrode 15 reagiert. Ein Oxid, ein Nitrid, ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, usw. sind bevorzugte Materialien für die Diffusionsunterdrückungsschicht. Beispielsweise ist es bevorzugt, ein Material wie beispielsweise SiO2, AlN, SiN, GaN, AlGaN, InGaN und Pt für die Diffusionsunterdrückungsschicht zu verwenden.
  • Insbesondere können die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 und die zweite Schutzisolierschicht gleichzeitig ausgebildet werden, wenn die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 aus einem Isolatormaterial, wie beispielsweise SiO2, hergestellt wird. D.h., die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 kann einfach hergestellt werden, indem das zum Ausbilden der zweiten Schutzisolierschicht 18 verwendete Maskenmuster modifiziert wird.
  • Wenn das Material der Diffusionsunterdrückungsschicht 30 jedoch ein Isolator- oder ein Halbleitermaterial ist, muss die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 derart ausgebildet werden, dass ein Abschnitt der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 freiliegt, um den elektrischen Kontakt zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und der p-seitigen Anschlusselektrode 19 aufrechtzuerhalten.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird der elektrische Kontakt zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und der p-seitigen Anschlusselektrode 19 gewährleistet, indem betrachtet in einer Ansicht von der Oberseite des Substrats die Fläche der Diffusionsunterdrückungsschicht 30 schmäler ausgebildet wird als die Fläche der p-seitigen ohmschen Elektrode 15.
  • Ausführungsform 2
  • Nachstehend wird der Herstellungsprozess für die vorliegende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode beschrieben.
  • Die 3A bis 3E zeigen Ansichten von der Oberseite der p-Nitridhalbleiterschicht der erfindungsgemäßen Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode, wobei die Schritte des Herstellungsprozesses der Elektrode und anderer Komponenten schematisch dargestellt sind.
  • Zunächst wird der streifenförmige Steg auf der p-Nitridhalbleiterschicht ausgebildet, wie in 3A dargestellt ist. Der Steg wird durch Entfernen eines Abschnitts der p-Nitridhalbleiterschicht durch Ätzen oder ein ähnliches Verfahren ausgebildet, um einen Vorsprung auszubilden. Der Steg kann eine Mesa-Form oder eine inverse Mesa-Form haben. Bei einer Mesa-Form des Vorsprungs ist die Streifenbreite an der Unterseite breiter und verschmälert sich zur Oberseite hin. Bei der inversen Mesa-Form wird die Streifenbreite dagegen zur Unterseite hin schmäler. Außerdem kann die Seitenfläche des Streifens sich senkrecht zu den Halbleiterschichten erstrecken.
  • Dann wird die erste Schutzisolierschicht 17, wie in 3B dargestellt ist, derart angeordnet, dass sie die gesamte Oberfläche der p-Nitridhalbleiterschicht 14 mit Ausnahme der Oberseite des Stegs 14a bedeckt (die erste Schutzisolierschicht 17 ist in 3B als schraffierter Abschnitt dargestellt).
  • Vorzugsweise wird ein Material mit einem großen Unterschied des Brechungsindex bezüglich des p-Nitridhalbleiters 14 verwendet. Beispielsweise können ZrO2, SiO2, Al2O3, AlN, BN, DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff), C, MgO, SiN, SiON, CrO, ZnO, GaO, AlGaN, HfO, Ta2O5 oder ähnliche Materialien verwendet werden.
  • Dann wird, wie in 3C dargestellt ist, die p-seitige ohmsche Elektrode 15 derart angeordnet, dass sie nahezu die gesamte Oberfläche des p-Nitridhalbleiters 14 und der ersten Schutzisolierschicht 17 bedeckt. Dadurch wird der ohmsche Kontakt zwischen der p-Nitridhalbleiterschicht 14 und der p-seitigen ohmschen Elektrode an der Oberseite des Stegs 14a hergestellt.
  • Dann werden die zweite Schutzisolierschicht 18 und die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 gleichzeitig aufgebracht, wie in 3D dargestellt ist. D.h., die zweite Schutzisolierschicht 18 wird auf einer Fläche aufgebracht, die breiter ist als die p-seitige ohmsche Elektrode 15, und sich jeweils parallel zum Steg erstreckende schmale Öffnungen 18a werden auf beiden Seiten des Stegs 14a ausgebildet.
  • Die Öffnungen 18a sind derart angeordnet, dass sie mindestens die p-seitige ohmsche Elektrode 15 überlappen. Außerdem ist es bevorzugt, wenn die Öffnungen 18a an einem inneren Bereich der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 angeordnet sind. Die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 ist der Bereich 18b, der zwischen den beiden Öffnungen 18a sandwichartig eingeschlossen ist. Außerdem wird die zweite Schutzisolierschicht 18 (ähnlich wie die Diffusionsunterdrückungsschicht 30) derart angeordnet, dass sie die Seitenfläche des Laserdiodenchips mit Ausnahme des Bereichs für die n-seitige Elektrode abdeckt.
  • Die für die zweite Schutzisolierschicht 18 (ähnlich wie für die Diffusionsunterdrückungsschicht 30) verwendeten Materialien sind beispielsweise Oxide, z.B. SiO2, ZrO, SiC, TiO2, ZnO, Al2O3, DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff), C, MgO, SiON, CrO, ZnO, GaO, AlGaN, HfO, Ta2O5, RhO, RhO2, Nb2O5, ITO, oder Nitride, z.B. AlN, BN, SiN, RhN, ZrN, TiN, ZnN, GaN und NbN.
  • Dann wird, wie in 3E dargestellt ist, die p-seitige Anschlusselektrode 19 auf dem inneren Bereich der zweiten Schutzisolierschicht und dem äußeren Bereich der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 angeordnet. Die p-seitige Anschlusselektrode 19 steht mit der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 über die in der zweiten Schutzisolierschicht 18 ausgebildeten Öffnungen 18a in elektrischem Kontakt.
  • Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens kann die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 einfach durch Ändern der Maskenform im Fotolithografieprozess ausgebildet werden, der zum Ausbilden der zweiten Schutzisolierschicht 18 verwendet, ohne dass ein neuer Verarbeitungsschritt hinzugefügt werden muss.
  • Nachstehend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Beispiel 1
  • In der vorliegenden Erfindung sind die Komponenten der Schichtstruktur nicht besonders eingeschränkt, so dass verschiedenartige Schichtstrukturen für die n-Nitridhalbleiterschicht, die aktive Schicht und die p-Nitridhalbleiterschicht verwendet werden können. Beispielsweise wird die folgende Struktur verwendet. Außerdem sind die für die Elektrode und die Isolierschicht (Schutzschicht) und ähnliche Komponenten verwendeten Materialien nicht besonders eingeschränkt, so dass verschiedene Materialarten verwendet werden können.
  • Die für die Schichtstruktur verwendeten Nitridhalbleitermaterialien sind beispielsweise GaN, AlN oder InN, und der III-V-Nitridhalbleiter (InxAlyGa1-x-yN, 0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1), der ein Mischkristall davon ist.
  • Der Nitridhalbleiter kann durch ein beliebiges bekanntes Verfahren zum Ausbilden des Nitridhalbleiters gewachsen werden, wie beispielsweise das MOVPE-Verfahren, das MOCVD-Verfahren (metallorganisches CVD-Verfahren), das HVPE-Verfahren (Halogenid-Dampfphasenepitaxieverfahren) und das MBE-Verfahren (Molekularstrahlepitaxieverfahren).
  • Nachstehend wird das Halbleiter-Laserdiodenelement beschrieben, in dem der Nitridhalbleiter verwendet wird. Das erfindungsgemäße Halbleiter-Laserdiodenelement ist jedoch nicht auf den Nitridhalbleiter beschränkt, sondern gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien können verschiedenartige Halbleiter verwendet werden.
  • (Substrat)
  • Im Beispiel 1 wird als Substrat ein Saphir verwendet, in dem die Hauptfläche die c-Fläche ist.
  • An Stelle des Fremdsubstrats, wie beispielsweise des Saphirs, der von einem Nitridhalbleiter verschieden ist, kann ein aus einem Nitridhalbleiter, wie beispielsweise GaN, hergestelltes Substrat verwendet werden. Das von einem Saphirsubstrat, dessen Hauptfläche die C-Fläche ist, verschiedene Fremdsubstrat kann beispielsweise aus einem Substratmaterial hergestellt sein, das dazu geeignet ist, die Nitridhalbleiter zu wachsen. Derartige Materialien sind beispielsweise ein Saphirsubstrat mit der r-Fläche oder der a-Fläche als Hauptfläche, Spinell, ZnS, ZnO, GaAs, Si, SiC und ein Oxidsubstrat, dessen Gitterkonstante mit derjenigen des Nitridhalbleiters übereinstimmt. Vorzugsweise werden Saphir und Spinell als Fremdsubstrat verwendet.
  • (Pufferschicht)
  • Das Fremdsubstrat, das aus Saphir mit der c-Fläche als Hauptfläche besteht und einen Durchmesser von 2 Zoll hat, wird in einem MOVPE-Reaktor angeordnet. Die Pufferschicht aus GaN wird in einer Dicke von 200 Å bei 500°C unter Verwendung von Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak (NH3) gewachsen.
  • (Unterlage)
  • Nach dem Wachsen der Pufferschicht wird die aus undotiertem GaN bestehende Nitridhalbleiterschicht in einer Dicke von 4 μm bei 1500°C unter Verwendung von TMG und Ammoniak gewachsen. Diese Schicht dient als Unterlage (Wachstumssubstrat) während der Zeit, in der die einzelnen Schichten der Bausteinstruktur gewachsen werden. Außerdem kann ein Wachstumssubstrat mit einer ausgezeichneten Kristallinität unter Verwendung einer Unterlage aus einem Nitridhalbleiter erhalten werden, der durch ein ELOG- (Epitaxially Laterally Overgrowth) Verfahren gewachsen wird.
  • Die folgenden Beispiele können als durch das ELOG-Verfahren gewachsene Schicht betrachtet werden. In einem Beispiel wird eine Nitridhalbleiterschicht auf dem Fremdsubstrat gewachsen. Dann werden Streifen des Maskierungsbereichs und des Nichtmaskierungsbereichs auf der Oberfläche der Nitridhalbleiterschicht durch Aufbringen einer Schutzschicht ausgebildet, auf der die Nitridhalbleiterschicht kaum wächst. Dann wird die Nitridhalbleiterschicht auf dem Nichtmaskierungsbereich gewachsen, so dass zusätzlich zum Dickenwachstum ein laterales Wachstum erhalten wird. Dadurch kann eine Schicht erhalten werden, bei der der Nitridhalbleiter über den maskierten Bereich gewachsen ist.
  • In einem anderen Beispiel wird eine Öffnung auf der auf dem Fremdsubstrat gewachsenen Nitridhalbleiterschicht ausge bildet. Dann wird eine Schicht durch Wachsen der Nitridhalbleiterschicht in die laterale Richtung von der Seitenfläche der Öffnung ausgebildet.
  • n-Kontaktschicht
  • Daraufhin wird eine n-Kontaktschicht aus n-dotiertem AlGaN in einer Dicke von 4,5 μm auf der Unterlage (Nitridhalbleitersubstrat) gewachsen, wobei Si in einer Konzentration von 1 × 1018/cm3 bei 1050°C dotiert wird, während TMG, TMA und Ammoniak zugeführt wird, wobei Silangas als Verunreinigungsgas zugeführt wird. Die n-Kontaktschicht kann durch eine von n-dotiertem AlGaN verschiedene n-Nitridhalbleiterschicht, wie beispielsweise GaN, gebildet werden.
  • Rissunterdrückungsschicht
  • Dann wird eine Rissunterdrückungsschicht aus In0,06Ga0,94N in einer Dicke von 0,15 μm bei 800°C unter Verwendung von TMG, TMI (Trimethylindium) und Ammoniak gewachsen. Die Rissunterdrückungsschicht kann weggelassen werden.
  • n-Überzugsschicht
  • Dann wird eine aus undotiertem AlGaN bestehende Schicht bei 1050°C unter Verwendung eines Quellengases aus TMA (Trimethylaluminium), TMG und Ammoniak in einer Dicke von 25Å gewachsen. Dann wird die Zufuhr von TMA unterbrochen, und es wird eine Schicht B aus mit Si in einer Konzentration von 5 × 1018/cm3 dotiertem GaN unter Verwendung von Silangas als Verunreinigungsgas in einer Dicke von 25 A gewachsen.
  • Dieser Verarbeitungsschritt wird 160-mal wiederholt, um die Schicht A und die Schicht B alternierend stapelförmig aufzubauen und die n-Überzugsschicht mit einer mehrschichtigen Struktur (Übergitterstruktur) in einer Gesamtdicke von 800 A auszubilden. Hierbei kann der Unterschied des Bre chungsindex, der für eine Funktion als Überzugsschicht ausreichend ist, erhalten werden, wenn der Anteil von Al im undotierten AlGan im Bereich von 0,05 und mehr bis 0,3 oder weniger liegt.
  • Außerdem ist eine Nitridhalbleiterschicht, die eine breitere Bandlücke (Bandabstand) hat als die aktive Schicht und dazu geeignet ist, Elektronen zuzuführen, für die n-Überzugsschicht ausreichend. Ein Nitridhalbleiter, der Al enthält, ist bevorzugt.
  • n-Lichtleiterschicht
  • Daraufhin wird die n-Lichtleiterschicht aus undotiertem GaN in einer Dicke von 0,1 μm bei einer ähnlichen Temperatur wie vorstehend erwähnt unter Verwendung von TMG und Ammoniak als Quellengas gewachsen. Die n-Lichtleiterschicht kann mit einer n-Verunreinigung dotiert werden. Der in der Lichtleiterschicht verwendete Nitridhalbleiter muss zum Ausbilden des Wellenleiters lediglich einen Brechungsindex aufweisen, der bezüglich des Brechungsindex der außerhalb davon ausgebildeten Überzugsschicht ausreichend verschieden ist, und es kann eine einzelne Schicht oder eine mehrschichtige Struktur verwendet werden. Undotiertes GaN ist für eine Oszillationswellenlänge von 370 nm bis 470 nm bevorzugt, und eine Mehrschichtstruktur aus InGaN/GaN ist für eine relativ längere Wellenlänge (450 nm und darüber) bevorzugt.
  • Aktive Schicht
  • Daraufhin wird eine mit Si in einer Konzentration von 5 × 1018/cm3 dotierte Sperrschicht aus In0,05Ga0,95N in einer Dicke von 100 Å bei 800°C unter Verwendung von TMI (Trimethylindium), TMG und Ammoniak als Quellengase mit Silan als Verunreinigungsgas gewachsen. Dann wird die Zufuhr des Silangases unterbrochen und wird die Quellenschicht aus undotiertem In0,1Ga0,9N in einer Dicke von 550 Å gewachsen. Die aktive Schicht mit einer Mehrfach-Quantenschicht (Multiple Quantum Well)struktur in einer Gesamtdicke von 50 Å wird durch dreimaliges Wiederholen dieses Verarbeitungsschritts ausgebildet, woraufhin die Sperrschicht darauf aufgebracht wird.
  • Hinsichtlich der aktiven Schicht ist es bevorzugt, eine Nitridhalbleiterschicht zu verwenden, die In enthält. Durch diese Zusammensetzung kann ein Laserstrahl im Bereich von Violett bis Rot im Ultraviolett- und im sichtbaren Bereich erhalten werden. Wenn die In enthaltende Nitridhalbleiterschicht verwendet wird, kann, wenn die aktive Schicht Luft ausgesetzt ist, das Laserelement ernsthaft beschädigt werden, wenn es aktiviert wird. Dies ergibt sich, weil aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes von In tendenziell eine Zersetzung und Verdampfung auftreten, so dass die Schicht durch einen bei der Ausbildung des Vorsprungs ausgeführten Ätzvorgang beschädigt wird. Dadurch wird es schwierig, die Kristallinität in einem Verarbeitungsschritt nach dem Freilegen der aktiven Schicht aufrechtzuerhalten. Daher ist es bevorzugt, den streifenförmigen Vorsprung nur bis zu einer Tiefe auszubilden, in der die aktive Schicht nicht erreicht wird. Die aktive Schicht kann eine Quantum-Well-Struktur haben, wobei sie in diesem Fall entweder eine einschichtige oder eine mehrschichtige Quantum-Well-Struktur sein kann.
  • p-Elektronenbegrenzungsschicht
  • Dann wird aus AlGaN mit Mg in einer Konzentration von 5 × 1019/cm3 dotierte p-Elektronenbegrenzungsschicht in einer Dicke von 100 Å bei einer ähnlichen Temperatur wie vorstehend erwähnt unter Verwendung von TMA, TMG und Ammoniak als Quellengas mit Cp2Mg (Magnesiumcyclopentadienyl) als Verunreinigungsgas gewachsen.
  • p-Lichtleiterschicht
  • Dann wird die p-leitende Lichtleiterschicht aus undotiertem GaN in einer Dicke von 750 Å bei 1050°C unter Verwendung von TMG und Ammoniak als Quellengas gewachsen. Die p-Lichtleiterschicht wird undotiert gewachsen, kann jedoch mit Mg dotiert werden. Der in der Lichtleiterschicht verwendete Nitridhalbleiter muß lediglich einen bezüglich des Brechungsindexes der auf seiner Außenseite ausgebildeten Überzugsschicht ausreichend unterschiedlichen Brechungsindex zum Auusbilden eines Wellenleiters aufweisen, wobei entweder eine einzelne Schicht oder eine Mehrfachschichstruktur verwendet werden kann. Undotiertes GaN ist für eine Oszillationswellenlänge von 370 nm bis 470 nm bevorzugt, und eine Mehrfachschichtstruktur aus InGaN/GaN ist für relativ längere Wellenlängen (450 nm und mehr) bevorzugt.
  • p-Überzugsschicht
  • Daraufhin wird die undotierte Schicht aus Al0,16Ga0,84N in einer Dicke von 25 Å bei 1050°C unter Verwendung von TMA (Trimethylaluminium), TMG und Ammoniak als Quellengas gewachsen. Dann wird die Zufuhr von TMA unterbrochen, und die Schicht aus mit Mg dotiertem GaN wird in einer Dicke von 25 Å unter Verwendung von Cp2Mg-Gas als Verunreinigungsgas gewachsen. Dadurch wird eine p-Überzugsschicht, die aus einer Übergitterschicht besteht, in einer Gesamtdicke von 0,6 μm gewachsen.
  • Wenn die p-Überzugsschicht eine durch Laminieren von Nitridhalbleiterschichten mit voneinander verschiedenen Bandlückenenenergien hergestellt wird und mindestens eine davon Al enthält, wird die Kristallinität durch sogenanntes Modulationsdotieren tendenziell verbessert, durch das eine der Schichten mit Verunreinigungen in einer höheren Konzen tration dotiert wird. Beide Schichten können jedoch auch ähnlich dotiert werden.
  • Die in der p-Überzugsschicht verwendete Nitridhalbleiterschicht muß lediglich eine breitere Bandlücke aufweisen als die aktive Schicht, und dazu geeignet sein, Elektronen zuzuführen. Vorzugsweise wird ein Al enthaltender Nitridhalbleiter verwendet.
  • p-Kontaktschicht
  • Schließlich wird die p-Kontaktschicht aus mit Mg in einer Konzentration von 15 × 1020/cm3 dotiertem p-dotiertem GaN bei 1050°C auf der p-Überzugsschicht gewachsen. Die p-Kontaktschicht kann durch InxAlyGa1-x-y (x ≥ 0, y ≥ 0, x + y ≤ 1) ausgebildet werden, und der bevorzugteste ohmsche Kontakt mit der p-Elektrode kann durch Ausbilden der Schicht durch mit Mg dotiertem GaN erhalten werden. Nach der Reaktion wird der Wafer im Reaktor in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C geglüht, um den elektrischen Widerstand der p-Kontaktschicht zu vermindern.
  • (Freilegen der n-Kontaktschicht und Ausbildung eines Resonators)
  • Die Laminatstruktur wird durch Wachsen des Nitridhalbleiters konstruiert, wie vorstehend beschrieben wurde. Dann wird der Wafer aus dem Reaktor entnommer, und die aus SiO2 bestehende Schutzschicht wird auf der oberen Schichtlage der p-Kontakschicht ausgebildet. Dann wird die Oberfläche der n-Kontaktschicht durch Ätzen unter Verwerdung von SiCl4-Gas durch ein RIE-Verfahren (reaktives Ionenätzen) freigelegt. Die n-Elektrode wird auf der freigelegten Oberfläche der n-Kontaktschicht ausgebildet. Gleichzeitig wird die Endfläche der aktiven Schicht durch Ätzen freigelegt, um die Resonatorendfläche auszubilden.
  • Herstellung des Stegs
  • Dann wird zum Ausbilden des Bereichs für den streifenförmigen Steg die Schutzschicht aus Si-Oxid (hauptsächlich SiO2) in einer Dicke von 0,5 μm unter Verwendung eines CVD-Verfahrens auf nahezu der gesamten Oberfläche der oberen Schichtlage der p-Kontaktschicht aufgebracht. Dann wird eine Maske mit einer vorgegebenen Form durch Fotolithografie auf der Schutzschicht aufgebracht, und die streifenförmige Schutzschicht wird durch ein RIE-Verfahren unter Verwendung von CF4-Gas konstruiert. Nach dem Ausbilden der streifenförmigen Schutzschicht wird das Fotoresistmaterial durch Ätzen entfernt.
  • Es wird ein weiterer Ätzvorgang bezüglich der p-Kontaktschicht und der p-Überzugsschicht durch das RIE-Verfahren unter Verwendung von SiCl4 ausgeführt, um den Steg 14a mit einer Streifenbreite von 2 μm auszubilden.
  • Erste Schutzisolierschicht
  • Dann wird die erste Schutzisolierschicht 17 aus ZrO2 auf der p-Halbleiterschicht aufgebracht, während die SiO2-Maske darauf verbleibt. Die erste Schutzisolierschicht 17 kann auf der gesamten Oberfläche der Halbleiterschicht durch Maskieren des Bereichs zum Ausbilden der n-seitigen ohmschen Elektrode angeordnet werden. Außerdem wird ein Abschnitt festgelegt, auf dem die Schutzisolierschicht 17 nicht ausgebildet werden soll, um eine anschließende Trennung oder Teilung des Wafers in Chips zu vereinfachen.
  • Nachdem die erste Schutzisolierschicht 17 ausgebildet wurde, wird der Wafer in eine Pufferlösung eingetaucht, um das auf dem streifenförmigen Vorsprung 14a angeordnete SiO2 zu lösen und zu entfernen. Das ZrO2 17 auf dem Steg 14a (und auch auf der n-Kontaktschicht) wird durch ein Abziehverfah ren mit SiO2 entfernt. Dadurch wird die Oberseite des Stegs 14a freigelegt, und die Seitenfläche des Stegs 14a wird mit ZrO2 17 bedeckt.
  • Ohmsche Elektrode
  • Daraufhin wird die p-seitige ohmsche Elektrode 15 auf der ersten Schutzisolierschicht 17 ausgebildet. Die p-seitige ohmsche Elektrode 15 wird auf einem Bereich ausgebildet, der weiter innen angeordnet ist als die p-Nitridhalbleiterschicht 14. Die p-seitige ohmsche Elektrode 15 besteht aus Ni-Au. Außerdem wird die streifenförmige n-seitige ohmsche Elektrode 16 auf der durch das Ätzen freigelegten n-Kontaktschicht ausgebildet. Die n-seitige ohmsche Elektrode 16 besteht aus Ti-Al. Nachdem diese Elektroden ausgebildet wurden, wird ein Glühvorgang bei 600°C in einer Atmosphäre aus Sauerstoff und Stickstoff ausgeführt, wobei das Sauerstoff/Stickstoff-Verhältnis 80:20 beträgt, um die p-seitige und die n-seitige ohmsche Elektrode jeweils als Legierung auszubilden. Dadurch können ausgezeichnete ohmsche Eigenschaften erhalten werden.
  • Zweite Schutzisolierschicht, Diffusionsunterdrückungsschicht
  • Daraufhin wird ein Resistmaterial auf die Streifen auf beide Seiten und parallel zum Steg 14a auf der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 und einem Abschnitt der n-seitigen ohmschen Elektrode 16 aufgebracht. Die zweite Schutzisolierschicht 18, die aus dem Oxid von Si besteht (hauptsächlich SiO2), wird auf die gesamte Oberfläche des Wafers, mit Ausnahme des Abschnitte aufgebracht, durch den der Wafer in Chips geteilt wird.
  • Dann wird die zweite Schutzisolierschicht 18 mit zwei Öffnungen 18a durch Abziehen des Resistmaterials herge stellt, wie in 3D dargestellt ist. Der durch die Öffnungen 18a der zweiten Schutzisolierschicht 18 sandwichartig umschlossene Bereich ist die Diffusionsunterdrückungsschicht 30.
  • Anschlusselektrode
  • Dann werden die p-seitige Anschlusselektrode 19 bzw. die n-seitige Anschlusselektrode 29 ausgebildet, um die Schutzisolierschicht abzudecken. Die p-seitige Anschlusselektrode 19 wird breiter ausgebildet als die p-seitige ohmsche Elektrode 15 und schmäler als die zweite Schutzisolierschicht 18. Durch diese Konstruktion kann der ohmsche Kontakt zwischen der p-seitigen Anschlusselektrode 19 und der p-seitigen ohmschen Elektrode 18 durch die auf der zweiten Schutzisolierschicht 18 ausgebildeten Öffnungen 18a erhalten werden. Die p-seitige Anschlusselektrode 19 und die n-seitige Anschlusselektrode 29 bestehen aus Ni-Ti-Au. Diese Anschlusselektroden stehen mit den freiliegenden ohmschen Elektroden 16 und 16 im streifenförmigen Abschnitt in Kontakt.
  • Nachdem die Elektroden wie vorstehend beschrieben ausgebildet wurden, wird die erste Resistschicht auf die gesamte Oberfläche des Wafers mit Ausnahme des Abschnitts aufgebracht, durch den der Wafer in Chips geteilt wird. Dann wird die SiO2-Maske auf der gesamten Oberfläche des Wafers aufgebracht. Dann wird die zweite Resistschicht auf der SiO2-Maske aufgebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Strukturierung bezüglich der zweiten Resistschicht für einen Abschnitt in der Nähe der Oberfläche des Resonators der Lichtemissionsseite für einen weiteren Ätzvorgang ausgeführt. Die zweite Resistschicht kann sich bis zur Endfläche der Halbleiterschicht erstrecken.
  • Nachdem die Maske in der Folge: erste Resistschicht – SiO2-Schicht – zweite Resistschicht ausgebildet worden ist, wird der Ätzvorgang ausgeführt, zunächst bezüglich der SiO2-Schicht unter Verwendung von CHF3 als Ätzgas und dann bezüglich der Halbleiterschicht unter Verwendung des erhaltenen SiO2-Musters als Maske, bis das Substrat freiliegt. Als Ätzgas zum Ätzen der Halbleiterschicht wird SiCl4 verwendet. Dadurch können der freiliegende Abschnitt der SiO2-Schicht, der nicht durch die zweite Resistschicht bedeckt ist, und die darunterliegende Halbleiterschicht geätzt werden.
  • Dann werden die erste Resistschicht, die SiO2-Schicht und die zweite Resistschicht entfernt. Durch diese Behandlung kann die Endfläche hergestellt werden, die die von der Endfläche des Resonators freiliegende n-Halbleiterschicht ist.
  • Teilung in Barren
  • Nachdem die p-seitige ohmsche Elektrode und die n-seitige ohmsche Elektrode wie vorstehend ausgebildet wurden, wird das Substrat auf die Gesamtdicke, einschließlich des Substrats, von 200 μm poliert. Das aus Ti-Pt-Au bestehende Unterlags- oder Verstärkungsmetall wird auf seiner Rückseite ausgebildet. Dann wird der Wafer von der Substratseite entlang einer sich senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden erstreckenden Linie in Barren geteilt. Eine Teilung in einem späteren Verarbeitungsschritt kann leicht vorgenommen werden, indem an dieser Stelle vor der Teilung des Wafers in Barren die Rückseite des Substrats an den dem nachfolgenden Teilungsprozess entsprechenden Abschnitten eingeritzt wird. Hinsichtlich des Einritzverfahrens kann ein mechanisches oder ein physikalisches Einritzverfahren unter Verwendung eines Messers, z.B. eines Schneidmessers, oder ein optischer oder ein thermischer Einritzprozess unter Verwendung eines YAG-Lasers oder einer ähnlichen Vorrichtung verwendet werden.
  • Spiegel auf der Lichtreflexionsseite
  • In dem Halbleiter, der wie vorstehend beschrieben in Barren geteilt wurde, sind die Resonatoroberflächen an der Lichtemissionsseite auf der einen Seite der Barren reihenförmig angeordnet, und die Resonatoroberflächen an der Lichtreflexionsseite sind auf der anderen Seite der Barren reihenförmig angeordnet. Mehrere derartige Barren werden derart angeordnet, dass die Resonatoroberflächen an der Lichtemissionsseite und die Resonatoroberflächen an der Lichtreflexionsseite jeweils in die gleiche Richtung weisen. Dann werden die Barren auf einer Beschichtungs-Spannvorrichtung mit Abstandselementen zwischen zwei Barren angeordnet, so dass ein Zwischenraum dazwischen verbleibt. Mit den zwischen den Barren angeordneten Abstandselementen kann die Ausbildung der Schutzschicht auf den auf dem Diodenelement ausgebildeten Elektroden usw. verhindert werden. Zunächst werden eine ZrO2-Schicht und sechs Paare von (SiO2/ZrO2-Schichten) auf der Resonatorfläche der Lichtreflexionsseiten ausgebildet, und es wird ein Spiegel ausgebildet. Dadurch wird die Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode konstruiert.
  • Montage
  • Dann wird die Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode mit der Oberseite nach unten auf dem Halterungssubstrat montiert. Sn/Au-Bumps 23 werden auf der Halterungselektrode des Halterungssubstrats als das leitfähige Verbindungsmaterial angeordnet. Die p-seitige Anschlusselektrode 19 und die n-seitige Anschlusselektrode 29 des Laserdiodenchips werden in Kontakt mit den Sn/Au-Bumps 23 angeordnet und erwärmt. Dadurch wird der Laserdiodenchip montiert.
  • Die vorstehend beschriebene Nitridhalbleiterlaserdiode weist eine Ausgangsleistung von 60 mW und einen Schwellenstrom von etwa 40 mA auf. Die erfindungsgemäße Halbleiterlaserdiode weist eine verbesserte Wärmebeständigkeit und einen niedrigeren Treiberstrom auf, so dass die Zuverlässigkeit bei einem Betrieb bei einer hohen Temperatur verbessert und außerdem die Lebensdauer höher ist.
  • Beispiel 2
  • Im Beispiel 2 werden die zweite Schutzisolierschicht und die Diffusionsunterdrückungsschicht separat konstruiert, und SiN wird als Material für die Diffusionsunterdrückungsschicht verwendet. Die Konstruktion der zweiten Schutzisolierschicht und der Diffusionsunterdrückungsschicht werden nachstehend beschrieben. In Beispiel 2 war ein Halbleiterlaserdiodenelement, in dem der Nitridhalbleiter verwendet wurde, ansonsten auf die gleiche Weise konstruiert wie in Beispiel 1.
  • Zweite Schutzisolierschicht
  • Nahezu die gesamte Oberfläche der p-seitigen Elektrode und eines Abschnitts der n-seitigen Elektrode werden senkrecht zum Steg mit dem Resistmaterial beschichtet. Die aus dem Oxid von Si (hauptsächlich SiO2) bestehende zweite Schutzisolierschicht wird mit Ausnahme des Abschnitts, der für eine Teilung des Wafers in Chips vorgesehen ist, auf der gesamten Oberfläche des Wafers aufgebracht. Daraufhin wird das Resistmaterial durch Abziehen entfernt, so dass nahezu die gesamte Oberfläche der p-seitigen ohmschen Elektrode einschließlich des Stegs und eines Abschnitts der n-seitigen Elektrode freigelegt wird. Dadurch wird die zweite Schutzisolierschicht ausgebildet.
  • Diffusionsunterdrückungsschicht
  • Daraufhin wird die Diffusionsunterdrückungsschicht aus SiN auf der p-seitigen ohmschen Elektrode derart ausgebildet, dass sie die gesamte obere Fläche des Stegs bedeckt und ein Abschnitt der p-seitigen ohmschen Elektrode freiliegt. Im vorliegenden Beispiel kommt die p-seitige Anschlusselektrode mit der p-seitigen ohmschen Elektrode auf dem freiliegenden Abschnitt der p-seitigen ohmschen Elektrode in Kontakt. Für eine Strukturierung der Diffusionsunterdrückungsschicht kann das Abziehverfahren unter Verwendung eines Resistmaterials verwendet werden.
  • In der derart konstruierten Nitridhalbleiterlaserdiode sind wie in Beispiel 1 die Wärmebeständigkeit erhöht und der Treiberstrom vermindert, so dass die Zuverlässigkeit bei einem Betrieb bei einer hohen Temperatur verbessert und außerdem die Lebensdauer erhöht ist.
  • Vergleichsbeispiel
  • Eine Nitridhalbleiterlaserdiode wird auf die gleiche Weise hergestellt wie Beispiel 2, außer dass keine Diffusionsunterdrückungsschicht ausgebildet wird. In diesem Fall traten im Bereich sehr kleiner elektrischer Ströme Spots auf, an denen kein Licht emittiert wird, und im Wellenleiter traten Irregularitäten der Emission auf.
  • Beispiel 3
  • Eine Nitridhalbleiterlaserdiode wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie Beispiel 1, außer dass die Breite des streifenförmigen Stegs 5 μm, die Ausgangsleistung 100 mW und der Schwellenstrom 70 mA betrugen. In der derart konstruier ten Nitridhalbleiterlaserdiode sind wie in Beispiel 1 die Wärmebeständigkeit erhöht und der Treiberstrom vermindert, so dass die Zuverlässigkeit bei einem Betrieb bei einer hohen Temperatur verbessert und außerdem die Lebensdauer erhöht ist.
  • Beispiel 4
  • Im vorliegenden Beispiel wird die vorliegende Erfindung auf mehrstreifige Laser angewendet. Die Nitridhalbleiterlaserdiode ist mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Punkte auf die gleiche Weise konstruiert wie Beispiel 1.
  • Zunächst werden, wie in 4 dargestellt ist, zwei parallele streifenförmige Stege 14a, die jeweils eine Breite von 3 μm haben, in einem Abstand von 2 μm angeordnet. Dann wird die erste Schutzisolierschicht 17 aus ZrO2 derart angeordnet, dass die Oberseite des Stegs 14a freiliegt. Daraufhin wird die p-seitige ohmsche Elektrode 15 aus Ni-Au auf der ersten Schutzisolierschicht 17 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel wird die p-seitige ohmsche Elektrode 15 derart kontinuierlich angeordnet, dass sie die Oberseite der beiden Stege 14a abdeckt.
  • Daraufhin werden die zweite Schutzisolierschicht 18 und die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 auf den Stegen derart angeordnet, dass Öffnungen 18a entstehen. Wenn die beiden Stege als Einheit betrachtet werden, sind die Öffnungen im äußersten Abschnitt parallel zur Längsrichtung der Einheit ausgebildet. D.h., in 4 ist eine Öffnung links vom linken Steg 14a und die andere Öffnung rechts vom rechten Steg 14a angeordnet.
  • Wenn die p-seitige Anschlusselektrode 19 derart angeordnet ist, dass sie die zweite Schutzisolierschicht 18 abdeckt, und die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann der ohmsche Kontakt zwischen der p-seitigen Anschlusselektrode 19 und der p-seitigen ohmschen Elektrode 15 durch die Öffnungen 18a hergestellt werden.
  • Die gemäß der vorstehenden Beschreibung konstruierte Laserdiode weist eine Ausgangsleistung von 100 mW und einen Schwellenstrom von 100 mA auf. Wie in Beispiel 1 sind die Wärmebeständigkeit erhöht und der Treiberstrom vermindert, so dass die Zuverlässigkeit bei einem Betrieb bei einer hohen Temperatur verbessert und außerdem die Lebensdauer erhöht ist.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es in der mehrstreifigen Laserdiode mit mehreren Stegen vorteilhaft, wenn die p-seitige ohmsche Elektrode kontinuierlich auf den mehreren Stegen angeordnet ist und die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 derart ausgebildet ist, dass die p-seitige ohmsche Elektrode im äußersten Bereich parallel zur Längsrichtung des Stegabschnitts, in dem die mehreren Stege reihenförmig ausgebildet sind, freiliegt. Dadurch wird der ohmsche Kontakt zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode in ihrem äußersten Bereich hergestellt.
  • D.h., wenn mehrere Stege nebeneinander angeordnet sind, werden die p-seitige ohmsche Elektrode und die Diffusionsunterdrückungsschicht zwischen den Stegen kontinuierlich ausgebildet. Und die p-seitige ohmsche Elektrode liegt bezüglich der Diffusionsunterdrückungsschicht am äußersten Bereich parallel zur Längsrichtung des Stegabschnitts frei, in dem mehrere Stege ausgebildet sind, so dass die elektrische Verbindung mit der p-seitigen Anschlusselektrode gewährleistet ist.
  • Durch diese Konstruktion werden, auch wenn der Abstand zwischen den Stegen schmal ist, alle Ecken oder Ränder der Stege ausreichend durch die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 abgedeckt und kann der elektrische Kontakt zwischen der p-seitigen Anschlusselektrode und der p-seitigen ohmschen Elektrode gewährleistet werden. Daher kann der Radius der Spotgröße vermindert werden, indem der Abstand zwischen den Stegen verkleinert wird.
  • Wenn die Abstände zwischen den Stegen groß sind, oder wenn die Ecken oder Ränder der Stege nicht durch die Diffusionsunterdrückungsschicht 30 abgedeckt werden müssen, kann die p-seitige ohmsche Elektrode oder die Diffusionsunterdrückungsschicht diskontinuierlich angeordnet und der elektrische Kontakt zwischen der p-seitigen Elektrode und der p-seitigen Anschlusselektrode auf beiden Seiten jedes Stegs 14a hergestellt werden.
  • Beispiel 5
  • Im vorliegenden Beispiel wird die vorliegende Erfindung nicht auf die Galliumnitrid-Laserdiode angewendet, sondern auf eine Laserdiode, in der ein Galliumarsenidhalbleiter verwendet wird. Das vorliegende Beispiel unterscheidet sich von den Beispielen 1 bis 4 dadurch, dass die n-Elektrode auf der Rückseite des Substrats angeordnet ist. Die Montage erfolgt jedoch mit der p-seitigen Elektrodenseite auf der Unterseite, so dass die vorliegende Erfindung auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 bis 4 angewendet werden kann.
  • Auf dem n-InGaP-Substrat werden nacheinander die n-InP-Überzugsschicht, n-InGaAsP-Leiterschicht, die aktive In-GaAsP-Schicht, die p-InGaAsP-Leiterschicht, die p-InP-Überzugsschicht und die p-InGaAsP-Kontaktschicht laminiert. Der Steg wird durch Ätzen der p-InP-Überzugsschicht ausgebildet. Die p-seitige ohmsche Elektrode aus Au/Zn wird auf der p-InGaAsP-Kontaktschicht angeordnet, und die n-seitige ohmsche Elektrode aus Au/Ge wird auf der Rückseite des Substrats aus n-InGaP angeordnet. Daraufhin werden die Diffusi onsunterdrückungsschicht aus SiO2 oder einem ähnlichen Material auf der p-seitigen ohmschen Elektrode angeordnet, um die Verbindungsstelle zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode und der p-InGaAsP-Kontaktschicht abzudecken.
  • Nachdem die Anschlusselektroden auf der p-seitigen ohmschen Elektrode und der n-seitigen ohmschen Elektrode angeordnet sind, wird eine Verbindung mit der p-Seite nach unten mit dem Halterungssubstrat oder einem Zuleitungsrahmen hergestellt. Es wird eine weitere Verbindung bezüglich der n-seitigen Anschlusselektrode ausgeführt. Der Grund für die Verbindung der p-seitigen Elektrode mit der p-Seite nach unter besteht darin, dass die Wärmeleitfähigkeit von GaAs schlechter ist als diejenige von GaN, so dass es vorteilhaft ist, Wärme von der p-leitenden Schicht abzustrahlen, die näher bei der aktiven Schicht liegt.
  • Die Lebensdauer des Elements ist in der GaAs-Laserdiode mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion im Vergleich zu einer herkömmlichen Laserdiode, in der keine Diffusionsunterdrückungsschicht ausgebildet ist, höher.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Fällen beschrieben wurde, in denen die vorliegende Erfindung auf GaN- oder GaAs-Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdioden angewendet wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf die gleiche Weise wie in den Beispielen beschrieben wurde auch auf Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdioden angewendet werden. Derartige Halbleiter sind beispielsweise von GaN oder GaAs verschiedene III-V-Verbundhalbleiter und II-VI-Verbundhalbleiter, wie beispielsweise InP, ZnSe und ähnliche.
  • Die vorliegende Erfindung kann auf alle Arten von Vorrichtungen angewendet werden, in denen ein Laserdiodenelement verwendet wird, wie beispielsweise auf einen CD- Spieler, einen MD-Spieler, verschiedene Spielemaschinen, einen DVD-Spieler, ein Kommunikationssystem unter Verwendung optischer Übertragungsleitungen, wie beispielsweise Telefonleitungen und Unterseekabel, ein medizinisches Gerät, wie beispielsweise eine Laserchirurgievorrichtung, eine Lasertherapievorrichtung und eine Laser-Akupunkturvorrichtung, usw., einen Laserdrucker, ein Laserdisplay, einen Fotosensor, wie beispielsweise ein Messinstrument, ein Lasernivellierinstrument, ein Laser-Endmessgerät, eine Laser Speed Gun oder Laserradarpistole, ein Laserthermometer und eine elektrische Laser-Leistungstransportvorrichtung.

Claims (14)

  1. Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode mit: einer zwischen einer n-Halbleiterschicht (12) und einer p-Halbleiterschicht (14) angeordneten aktiven Schicht (13); einem in der p-Halbleiterschicht angeordneten Steg (14a) zum Ausbilden eines Wellenleiters; einer Schutzisolierschicht (17), die den Steg derart bedeckt, dass mindestens ein Teil der oberen Fläche des Stegs freiliegt; einer p-seitigen ohmschen Elektrode (15), die mit dem von der Schutzisolierschicht freiliegenden Stegabschnitt in ohmschem Kontakt steht; einer p-seitigen Anschlusselektrode (19), die derart angeordnet ist, dass sie mit der p-seitigen ohmschen Elektrode elektrisch verbunden ist; wobei eine Zwischenschicht (30) zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode (15) und der p-seitigen Anschlusselektrode (19) derart angeordnet ist, dass sie die von der Schutzisolierschicht (17) freiliegende obere Fläche des Stegs (14a) bedeckt; und wobei die Breite der Zwischenschicht derart begrenzt ist, dass die p-seitige ohmsche Elektrode mit der p-seitigen Anschlusselektrode in einem vom Steg beabstandeten Bereich in Kontakt kommt.
  2. Laserdiode nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht (30) eine Diffusionsunterdrückungsschicht ist, die dazu geeignet ist, Diffusion eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt zu verhindern.
  3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenschicht (30) eine Pufferschicht ist, die dazu geeignet ist, ein Haftvermögen einzustellen.
  4. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zwischenschicht (30) ferner die sich in Längsrichtung erstreckenden Seitenflächen des Steges (14a) bedeckt.
  5. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zwischenschicht (30) aus mindestens einem der folgenden Materialien besteht: einem Oxid, einem Nitrid und einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt.
  6. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zwischenschicht (30) aus einem elektrischen Isolator besteht.
  7. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zwischenschicht (30) aus mindestens einem der folgenden Materialien besteht: SiO2, TiO2, ZrO2, AlN, SiN, GaN, AlGaN, InGaN und Pt.
  8. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zwischenschicht (30) eine Einzelschicht oder eine Mehrfachschichtstruktur mit mehr als zwei Lagen ist.
  9. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einer auf der Schutzisolierschicht angeordneten zweiten Schutzisolierschicht (18), und wobei die Zwischen schicht (30) aus der gleichen Zusammensetzung besteht wie die zweite Schutzisolierschicht.
  10. Laserdiode nach Anspruch 9, wobei die Breite der Zwischenschicht (30) auf beiden Seiten des Stegs näherungsweise gleich ist.
  11. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Länge der Zwischenschicht (30) auf beiden Seiten des Stegs näherungsweise gleich ist.
  12. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner mit einem leitfähigen Verbindungsmaterial, das ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt enthält und in der Nähe des Stegs mit der p-seitigen Anschlusselektrode (19) verbunden ist.
  13. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Halbleiterschicht der Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode einen Nitrid-Halbleiter des Typs (InxAlyGa1-x-yN; 0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1) aufweist.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Stegwellenleiter-Halbleiterlaserdiode mit einer zwischen einer n-Halbleiterschicht (12) und einer p-Halbleiterschicht (14) angeordneten aktiven Schicht (13); wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ausbilden eines Stegs (14a) zum Ausbilden eines in der p-Halbleiterschicht angeordneten Wellenleiters; Ausbilden einer Schutzisolierschicht (17), die den Steg derart abdeckt, dass mindestens ein Teil der oberen Fläche des Stegs freiliegt; Ausbilden einer p-seitigen ohmschen Elektrode (15), die mit dem von der Schutzisolierschicht freiliegenden Stegabschnitt in ohmschem Kontakt steht; und Ausbilden einer p-seitigen Anschlusselektrode (19), die derart angeordnet ist, dass sie mit der p-seitigen ohmschen Elektrode verbunden ist; wobei eine Zwischenschicht (30) zwischen der p-seitigen ohmschen Elektrode (15) und der p-seitigen Anschlusselektrode (19) derart angeordnet ist, dass sie die von der Schutzisolierschicht (17) freiliegende obere Fläche des Stegs (14a) bedeckt; und wobei die Breite der Zwischenschicht derart begrenzt ist, dass die p-seitige ohmsche Elektrode mit der p-seitigen Anschlusselektrode in einem vom Steg beabstandeten Bereich in Kontakt kommt.
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