窒化物系半導体発光素子
【課題】半導体層に対するｎ側電極の密着性を向上させることが可能な窒化物系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】この青紫色半導体レーザ素子１００（窒化物系半導体発光素子）は、ｎ型ＧａＮ基板１と、オーミック電極層３０を含むｎ側電極２２とを備える。そして、ｎ側電極２２のオーミック電極層３０は、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａを部分的に覆うように形成された非晶質ＳｉからなるＳｉ層３１と、Ｓｉ層３１のｎ型ＧａＮ基板１とは反対側の表面と、Ｓｉ層３１により覆われていないｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａとに接触するように形成されたＴｉ層３２とを有する。
【解決手段】この青紫色半導体レーザ素子１００（窒化物系半導体発光素子）は、ｎ型ＧａＮ基板１と、オーミック電極層３０を含むｎ側電極２２とを備える。そして、ｎ側電極２２のオーミック電極層３０は、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａを部分的に覆うように形成された非晶質ＳｉからなるＳｉ層３１と、Ｓｉ層３１のｎ型ＧａＮ基板１とは反対側の表面と、Ｓｉ層３１により覆われていないｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａとに接触するように形成されたＴｉ層３２とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関し、特に、ｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成されたｎ側電極を備える窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成されたｎ側電極を備える窒化物系半導体発光素子などが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、ｎ型ＧａＮ基板と、ｎ型ＧａＮ基板の下面上に導通性を有する接続層を介して形成されたｎ側電極とを備えた窒化物系半導体装置が開示されている。この窒化物系半導体装置では、接続層は、Ｓｉを含む材料を用いて均一な厚みを有していると記載されていることから連続的な層状（膜状）に形成されていると考えられ、接続層の上面の全面とｎ型ＧａＮ基板の下面とは一様に接触している。また、ｎ側電極においては、Ｔｉ層がＳｉからなる接続層の下面に接触するように構成されている。このように、ｎ型ＧａＮ基板とｎ側電極との間に層状のＳｉからなる接続層が形成されることにより、電極形成後の加熱プロセスの際に、ｎ側電極を構成する金属多層膜とｎ型ＧａＮ基板との反応が抑制されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８８００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示された窒化物系半導体装置では、均一な厚みを有して層状に形成されたＳｉからなる接続層により、ｎ側電極を構成する金属膜とｎ型ＧａＮ基板との反応が抑制される一方、ｎ型ＧａＮ基板と、Ｓｉからなる接続層を介して形成されたｎ側電極との密着性について考慮されているか否かは不明である。ここで、Ｔｉがｎ側電極とｎ型ＧａＮ基板との間のオーミック接触を維持する電極材料である点に加えて、Ｔｉは、ＰｔやＡｕなどの他の貴金属類からなる電極材料よりもｎ型ＧａＮ基板（半導体層）に対する付着力が優位な性質を有している。Ｔｉ層が半導体層に対して付着力が優れる点を鑑みた場合、上記特許文献１に開示された窒化物系半導体装置では、層状に形成されたＳｉからなる接続層によってｎ側電極（Ｔｉ層）とｎ型ＧａＮ基板とが完全に分断されているため、ｎ型ＧａＮ基板に対する接続層の付着力（密着性）が不十分な場合には、Ｔｉ層を含めたｎ側電極全体が、ｎ型ＧａＮ基板の下面から剥離しやすいという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、半導体層に対するｎ側電極の密着性を向上させることが可能な窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体発光素子は、ｎ型窒化物系半導体層と、オーミック電極層を含むｎ側電極とを備え、ｎ側電極のオーミック電極層は、ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されたＳｉからなる第１金属層と、第１金属層のｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面と、第１金属層により覆われていないｎ型窒化物系半導体層の表面とに接触するように形成されたＴｉからなる第２金属層とを有する。
【０００８】
この発明の一の局面による窒化物系半導体発光素子では、上記のように、オーミック電極層は、ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されたＳｉからなる第１金属層と、第１金属層のｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面と、第１金属層により覆われていないｎ型窒化物系半導体層の表面とに接触するように形成されたＴｉからなる第２金属層とを有している。つまり、Ｔｉからなる第２金属層は、Ｓｉからなる第１金属層を覆うのみならず、ｎ型窒化物系半導体層の表面に直接接触した状態で形成されている。Ｔｉは、ｎ型窒化物系半導体層に対する付着力が優位な性質を有しているので、第２金属層を含むｎ側電極を、高い密着性を有した状態でｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成することができる。これにより、ｎ型窒化物系半導体層に対するｎ側電極の密着性を向上させることができる。また、ｎ型窒化物系半導体層の表面からｎ側電極が剥れにくくなるので、電極部材の部分的な剥れに起因してｎ側電極の抵抗値が上昇を来たすことが抑制される。その結果、動作電圧が上昇しにくい窒化物系半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ側電極の第１金属層をＳｉにより形成することによって、ｎ側電極自体の耐熱性を向上させながらｎ型窒化物系半導体層との良好なオーミック接触を得ることができる。
【０００９】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、第１金属層は、Ｓｉがｎ型窒化物系半導体層の表面上に島状に分布した状態で、ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されている。このように構成すれば、Ｔｉからなる第２金属層の一部を、島状となった第１金属層と第１金属層から露出するｎ型窒化物系半導体層との隙間に入り込ませてｎ型窒化物系半導体層の表面に容易に接触させることができる。この結果、ｎ型窒化物系半導体層に対するｎ側電極の密着性を容易に向上させることができる。
【００１０】
この場合、好ましくは、島状の第１金属層の厚みは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。このように構成すれば、Ｓｉからなる第１金属層を、容易に島状の状態でｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成することができる。
【００１１】
上記第１金属層におけるＳｉが島状に分布した状態で形成される構成において、好ましくは、Ｔｉからなる第２金属層の厚みは、島状の第１金属層の厚みよりも大きい。このように構成すれば、第２金属層に関して、金属膜が層状（膜状）を十分に維持した状態で、かつ、金属膜の一部がｎ型窒化物系半導体層の表面に接触するような第２金属層を容易に形成することができる。
【００１２】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、ｎ側電極は、オーミック電極層の第２金属層の第１金属層とは反対側に形成されたパッド電極層と、オーミック電極層とパッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、Ｐｔからなるバリア層の厚みは、オーミック電極層を構成するＳｉからなる第１金属層およびＴｉからなる第２金属層の合計厚みよりも大きい。このように構成すれば、ｎ側電極を融着層を介して基台（サブマウント）に接合する際、加熱プロセスにより溶融した融着層の成分（ＡｕやＳｎなど）がパッド電極層内に拡散したとしても、オーミック電極層とパッド電極層との間にＰｔからなるバリア層が形成されているので、溶融した融着層の成分がバリア層を越えてオーミック電極層に拡散することが抑制される。ここで、オーミック電極層の最大厚みよりもバリア層の厚みが大きいので、溶融した融着層の成分がオーミック電極層へ拡散することを確実に抑制することができる。この結果、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック電極層が有するオーミック性（電流と電圧とが比例関係を有する特性）が劣化するのを確実に抑制することができる。
【００１３】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、ｎ側電極は、オーミック電極層の第２金属層の第１金属層とは反対側に形成されたＡｕからなるパッド電極層と、オーミック電極層とパッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、オーミック電極層は、ｎ型窒化物系半導体層の表面に部分的に接触するＳｉからなる第１金属層と、第１金属層が接触しないｎ型窒化物系半導体層の表面と、第１金属層のｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面とに接触するＴｉからなる第２金属層とによって構成されており、Ｐｔからなるバリア層は、第２金属層の第１金属層とは反対側の表面に接触するように構成されており、Ａｕからなるパッド電極層は、Ｐｔからなるバリア層の第２金属層とは反対側の表面に接触してｎ側電極の最表面を形成するように構成されている。このように構成すれば、第１金属層と第２金属層とによって、ｎ側電極のｎ型窒化物系半導体層に対する密着性を向上させることができる。また、ｎ側電極の第１金属層をＳｉにより形成することによって、ｎ側電極自体の耐熱性を向上させながらｎ型窒化物系半導体層との良好なオーミック接触を得ることができる。また、オーミック電極層とパッド電極層との間にＰｔからなるバリア層が形成されているので、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック電極層が有するオーミック性が劣化するのを効果的に抑制することができる。さらには、ｎ側電極の最表面にＡｕからなるパッド電極層が形成されているので、オーミック性を劣化させることなくｎ側電極を融着層を介して基台に接合することができる。この結果、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック性が劣化することが効果的に抑制され、かつ、ｎ型窒化物系半導体層に対する密着性が向上されたｎ側電極を備えた窒化物系半導体発光素子を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子のｎ側電極の詳細な積層構造を示した断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子のｎ側電極の詳細な構造を示した平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子をサブマウントに接合した場合の構造を示した断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】本発明の効果を確認するために行った確認実験の結果（実施例）を示した図である。
【図７】本発明の効果を確認するために行った確認実験の結果（比較例１）を示した図である。
【図８】本発明の効果を確認するために行った確認実験の結果（比較例２）を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
まず、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子１００の構造について説明する。なお、青紫色半導体レーザ素子１００は、本発明の「窒化物系半導体発光素子」の一例である。
【００１７】
青紫色半導体レーザ素子１００は、図１に示すように、約１００μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ基板１と、ｎ型ＧａＮ基板１の上面（Ｃ２側）上に形成された活性層１２を含む半導体素子層１０とを備えている。半導体素子層１０は、発振波長が約４０５ｎｍ帯を有する窒化物系半導体からなる。また、青紫色半導体レーザ素子１００では、半導体素子層１０の上面（Ｃ２側）上にｐ側パッド電極２１が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ（Ｃ１側）上にｎ側電極２２が形成されている。なお、ｎ型ＧａＮ基板１は、本発明の「ｎ型窒化物系半導体層」の一例である。また、下面１ａは、本発明の「ｎ型窒化物系半導体層の表面」の一例である。
【００１８】
半導体素子層１０においては、ｎ型ＧａＮ基板１の主表面上に、約２μｍの厚みを有するｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１１が形成されている。ｎ型クラッド層１１の上面上には、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層１２が形成されている。この活性層１２は、各々が約３０ｎｍの厚みを有するとともにアンドープＧａＩｎＮからなる４つの障壁層（図示せず）と、各々が約７ｎｍの厚みを有するとともにアンドープＧａＩｎＮからなる３つの井戸層（図示せず）とが交互に積層されている。活性層１２の上面上には、約０．５μｍの厚みを有するＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１３が形成されている。ｐ型クラッド層１３は、共振器の延びる方向（Ａ方向）に沿ってストライプ状（細長状）に延びる約１．５μｍの幅を有する凸部１３ａと、凸部１３ａの幅方向（Ｂ方向）の両側（Ｂ１側およびＢ２側）の約８０ｎｍの厚みを有する平坦部１３ｂとを有している。
【００１９】
また、ｐ型クラッド層１３の凸部１３ａ上には、約３ｎｍの厚みを有するアンドープＧａＩｎＮからなるｐ側コンタクト層１４が形成されている。このｐ側コンタクト層１４とｐ型クラッド層１３の凸部１３ａとによって、約１．５μｍの幅を有してＡ方向にストライプ状に延びるリッジ部３が構成されている。また、リッジ部３により、青紫色半導体レーザ素子１００の光導波路が構成されている。
【００２０】
また、ｐ型クラッド層１３の凸部１３ａの両側面上、平坦部１３ｂの上面上およびｐ側コンタクト層１４の両側面上には、約０．２μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる電流ブロック層２０が形成されている。また、電流ブロック層２０は、リッジ部３の上面（ｐ側オーミック電極１８の上面）を露出するように形成されている。
【００２１】
また、ｐ側コンタクト層１４の上面上には、ｐ側コンタクト層１４に近い側から順に、Ｐｄ層、Ｐｔ層およびＡｕ層からなるｐ側オーミック電極１８が形成されている。ｐ側オーミック電極１８の上面上と電流ブロック層２０の上面上とには、ｐ側オーミック電極１８に近い側から順に、約０．１μｍの厚みを有するＴｉ層と、約０．１μｍの厚みを有するＰｄ層と、約３μｍの厚みを有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極２１が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上には、ｐ側パッド電極２１と略同じ形状を有するｎ側電極２２が形成されている。
【００２２】
ｎ側電極２２は、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１に近い側から順に、オーミック電極層３０とバリア層３５とパッド電極層４０とが積層された構造を有している。以下に、各金属層（電極層）の構成および役割について述べる。
【００２３】
オーミック電極層３０は、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに近い側から順に、約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みを有する非晶質（アモルファス）構造を有するＳｉ金属膜からなるＳｉ層３１と、約４ｎｍの厚みを有するＴｉからなるＴｉ層３２とが積層されている。なお、Ｓｉ層３１およびＴｉ層３２は、それぞれ、本発明の「第１金属層」および「第２金属層」の一例である。
【００２４】
Ｓｉ層３１は、ｎ側電極２２がｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触を得るために設けられており、Ｓｉ層３１は酸素を含んでいない。また、Ｓｉ層３１は、図４に示すように、ｎ側電極２２の下面２２ａをＡｕ−Ｓｎ半田などからなる融着層５１を介してサブマウント５０の上面５０ａの所定領域に接合する際の加熱プロセスに伴う熱影響から青紫色半導体レーザ素子１００を保護する役割（耐熱性）も有している。
【００２５】
ここで、本実施形態では、図３に示すように、約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みを有するＳｉ層３１は、平面的に見て、ｎ型ＧａＮ基板１（図２参照）の表面上に島状に分布した状態に形成されており完全な連続膜とはなっていない。また、Ｓｉの個々の島は、互いに不規則な形状を有している。なお、Ｓｉ層３１が上記した範囲の厚みを有する場合、Ｓｉ層３１には、複数のＳｉの島のうちの隣接する島同士が部分的に繋げられて網状となって形成されている部分も存在する。したがって、網状に形成されているＳｉ層３１の領域における網目（隙間）の大きさも不規則性を有している。そして、島状または網状の領域に関係なく、Ｓｉの島間に形成された不規則な形状の隙間（網目の部分）からｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａが露出している。なお、図３では、Ｓｉ層３１上（紙面手前側）に積層されているＴｉ層３２などについては、説明の都合上、図示を省略している。
【００２６】
Ｔｉ層３２（図２参照）は、Ｓｉ層３１と同様に、ｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触を得るために設けられている。また、図２に示すように、Ｔｉ層３２は、微視的に見て、島状（または網状）に形成されたＳｉ層３１の隙間（網目の部分）からｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに到達することにより、Ｔｉ層３２の一部がｎ型ＧａＮ基板１と直接接触するように形成されている。したがって、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１とオーミック電極層３０との界面では、島状（または網状）に分布したＳｉ層３１に加えてＳｉ層３１を覆うＴｉ層３２もｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに接触しているので、Ｔｉ層３２は、厚みの薄いＳｉ層３１とｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａとの接合状態を維持する役割を有している。なお、Ｓｉ層３１を覆うＴｉ層３２は、約２ｎｍ以上約５ｎｍ以下の範囲の厚みを有するように形成されるのが好ましい。さらには、オーミック接触を考慮して約１０ｎｍ以下であるのがより好ましく、この範囲において、成膜可能な程度に薄いのが好ましい。本実施形態では、Ｓｉ層３１を確実に覆いながらその一部がｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに接合しているＴｉ層３２を形成することにより、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに対するｎ側電極２２の付着力（密着性）が高められている。
【００２７】
また、バリア層３５はＰｔからなる金属層であり、約３０ｎｍの厚みを有している。バリア層３５は、オーミック電極層３０とパッド電極層４０とを層構造レベルで確実に分離するために設けられている。つまり、青紫色半導体レーザ素子１００をサブマウント５０（図４参照）の上面５０ａに接合する加熱プロセス時に、溶融した融着層５１（図４参照）に含まれる金属成分（ＡｕやＳｎなど）が、後述するパッド電極層４０を介してオーミック電極層３０側に拡散することが防止されるかまたは抑制されるように構成されている。本実施形態では、バリア層３５によって、オーミック電極層３０のオーミック性が維持されている。また、Ｐｔからなるバリア層３５は、オーミック電極層３０とパッド電極層４０とを接合する役割も有している。なお、バリア層３５の厚み（約３０ｎｍ）は、オーミック電極層３０が有する最大厚み（図２におけるＳｉ層３１とＴｉ層３２とが厚み方向（Ｃ方向）に重なった部分の合計厚み）よりも大きい状態で形成されている。
【００２８】
また、図２に示すように、バリア層３５の下面３５ａ上に、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極層４０が形成されている。なお、パッド電極層４０は、サブマウント５０への接合時に融着層５１（図４参照）に含まれる金属成分との共晶反応を図る目的で形成されており、約３００ｎｍ以上約１μｍ以下の範囲の厚みを有していてもよい。なお、下面３５ａは、本発明の「バリア層の表面」の一例である。なお、図２においてはｎ側電極２２を構成する各金属層の厚みをより忠実に図示しているが、図１および図４においては、図示の都合上、ｎ側電極２２の大まかな構成のみが把握できるように各金属電極層を図示している。
【００２９】
このように、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａからｎ側電極２２の下面２２ａに向かって、オーミック電極層３０としてのＳｉ層３１およびＴｉ層３２、Ｐｔからなるバリア層３５、および、Ａｕからなるパッド電極層４０がこの順に積層されるとともに、各々の金属電極層が互いに接触した状態でｎ側電極２２が構成されている。なお、下面２２ａは、本発明の「ｎ側電極の最表面」の一例である。
【００３０】
また、青紫色半導体レーザ素子１００は、図１に示すように、共振器の延びる方向（Ａ方向）の両端部に、ｎ型ＧａＮ基板１の主表面（上面）に対して略垂直な一対の共振器端面１００ａが形成されている。一対の共振器端面１００ａには、製造プロセスにおける端面コート処理により、ＡｌＮ膜やＡｌ２Ｏ３膜などからなる誘電体多層膜（図示せず）が形成されている。ここで、誘電体多層膜は、ＧａＮ，ＡｌＮ、ＢＮ，Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＡｌＯＮおよびＭｇＦ２や、これらの混成比の異なる材料であるＴｉ３Ｏ５やＮｂ２Ｏ３などからなる多層膜を用いることができる。このようにして、青紫色半導体レーザ素子１００が構成されている。
【００３１】
次に、図１〜図３および図５を参照して、本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子１００の製造プロセスについて説明する。
【００３２】
まず、図５に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の上面上に、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３、ｐ側コンタクト層１４およびｐ側オーミック電極１８を順次積層する。その後、フォトリソグラフィを用いてｐ側オーミック電極１８の上面上にマスク（図示せず）をパターニングした後、マスクから露出するｐ側オーミック電極１８と下部のｐ側コンタクト層１４およびｐ型クラッド層１３の一部の領域をエッチングすることによりリッジ部３を形成する。その後、リッジ部３上に残されたマスクを除去する。
【００３３】
その後、プラズマＣＶＤ法または真空蒸着法などを用いて、ｐ型クラッド層１３の凸部１３ａ以外の平坦部１３ｂの上面上、ｐ側オーミック電極１８の上面上、および、リッジ部３の両側面を連続的に覆うように電流ブロック層２０を形成する。その後、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、電流ブロック層２０上および電流ブロック層２０が形成されていないｐ側オーミック電極１８上に、ｐ側パッド電極２１を形成する。
【００３４】
この後、図５に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１が所定の厚みを有するようにｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ側を研磨し、研磨によるダメージ層をドライエッチングにより除去した後、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ（Ｃ１側）上にｎ型ＧａＮ基板１に接触するようにｎ側電極２２を形成する。
【００３５】
ここで、本実施形態の製造プロセスでは、まず、図２に示すように、約３０℃に保持された真空中において、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みを有するＳｉ層３１を蒸着する。Ｓｉ層３１は、真空蒸着法により形成されるので、非晶質（アモルファス）Ｓｉとして成膜される。この際、Ｓｉ層３１は、図３に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に島状（局所的には網状の場合も含む）に分布した状態で形成される。その後、島状に分布したＳｉ層３１を覆うように、約４ｎｍの厚みを有するＴｉ層３２（図２参照）を蒸着する。このようにしてオーミック電極層３０を形成する。
【００３６】
その後、真空蒸着法を用いて、オーミック電極層３０の下面上に、約３０ｎｍの厚みを有するＰｔからなるバリア層３５を形成する。その後、バリア層３５の下面３５ａ上に、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ層を蒸着してパッド電極層４０を形成する。これにより、オーミック電極層３０の下面上に、バリア層３５とパッド電極層４０とが積層されたｎ側電極２２が形成される。このようにして、図５に示したウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子１００が形成される。
【００３７】
その後、所定の共振器長を有するようにウェハをＢ方向に沿ってバー状に劈開する。さらに、図５に示すように、二点鎖線１９５で示した位置で共振器の延びる方向（Ａ方向（図１参照））に沿って素子分割（チップ化）を行う。このようにして、青紫色半導体レーザ素子１００のチップ（図１参照）が形成される。
【００３８】
本実施形態では、上記のように、オーミック電極層３０は、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａを部分的に覆うように形成された非晶質ＳｉからなるＳｉ層３１と、Ｓｉ層３１のｎ型ＧａＮ基板１とは反対側の表面と、Ｓｉ層３１により覆われていないｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａとに接触するように形成されたＴｉ層３２とを有している。つまり、Ｔｉ層３２は、Ｓｉ層３１を覆うのみならず、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに直接接触した状態で形成されている。Ｔｉは、ｎ型ＧａＮ基板１に対する付着力が優位な性質を有しているので、Ｔｉ層３２を含むｎ側電極２２を、高い密着性を有した状態でｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に形成することができる。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１に対するｎ側電極２２の密着性を向上させることができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａからｎ側電極２２が剥れにくくなるので、電極部材の部分的な剥れに起因してｎ側電極２２の抵抗値が上昇を来たすことが抑制される。その結果、動作電圧が上昇しにくい青紫色半導体レーザ素子１００を得ることができる。また、ｎ側電極２２における本発明の「第１金属層」をＳｉからなるＳｉ層３１により形成することによって、ｎ側電極２２自体の耐熱性を向上させながらｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触を得ることができる。
【００３９】
また、本実施形態では、Ｓｉ層３１は、Ｓｉがｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に島状に分布した状態で、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａを部分的に覆うように形成されている。これにより、下層のＴｉ層３２の一部を、島状となったＳｉ層３１とＳｉ層３１から露出するｎ型ＧａＮ基板１との隙間に入り込ませてｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに容易に接触させることができる。この結果、ｎ型ＧａＮ基板１に対するｎ側電極２２の密着性を容易に向上させることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、Ｓｉ層３１の厚みを約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下にして島状（または網状）のＳｉ層３１を形成している。これにより、非晶質ＳｉからなるＳｉ層３１を、容易に島状の状態でｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に形成することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、Ｔｉ層３２の厚み（約４ｎｍ）は、島状（または網状）のＳｉ層３１の厚み（約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下）よりも大きい。これにより、Ｔｉ層３２に関して、金属膜が層状（膜状）を十分に維持した状態で、かつ、金属膜の一部がｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに接触するようなＴｉ層３２を容易に形成することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、ｎ側電極２２は、オーミック電極層３０のＴｉ層３２のＳｉ層３１とは反対側に形成されたパッド電極層４０と、オーミック電極層３０とパッド電極層４０との間に形成されたＰｔからなるバリア層３５とを含んでいる。そして、バリア層３５の厚み（約３０ｎｍ）は、オーミック電極層３０を構成するＳｉ層３１およびＴｉ層３２の合計厚み（約５ｎｍ以上約７ｎｍ以下）よりも大きい。これにより、ｎ側電極２２を融着層５１を介してサブマウント５０に接合する際、加熱プロセスにより溶融した融着層５１の成分（ＡｕやＳｎなど）がＡｕからなるパッド電極層４０内に拡散したとしても、オーミック電極層３０とパッド電極層４０との間にＰｔからなるバリア層３５が形成されているので、溶融した融着層５１の成分がＰｔからなるバリア層３５を越えてオーミック電極層３０に拡散することが抑制される。ここで、オーミック電極層３０の最大厚み（約７ｎｍ）よりもバリア層３５の厚み（約３０ｎｍ）が大きいので、溶融した融着層５１の成分がオーミック電極層３０へ拡散することを確実に抑制することができる。この結果、サブマウント５０への接合時の加熱プロセスに起因して、オーミック電極層３０が有するオーミック性が劣化するのを確実に抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａからｎ側電極２２の下面２２ａ（最表面）に向かって、オーミック電極層３０としてのＳｉ層３１およびＴｉ層３２、Ｐｔからなるバリア層３５、および、Ａｕからなるパッド電極層４０をこの順に積層するとともに、各々の金属層を互いに接触させた状態でｎ側電極２２を構成している。つまり、Ｓｉ層３１とＴｉ層３２とによって、ｎ側電極２２のｎ型ＧａＮ基板１に対する密着性が向上され、バリア層３５により融着層５１の成分がパッド電極層４０側からオーミック電極層３０側に拡散するのが確実に抑制される。また、下面１ａに接触するようにＳｉ層３１を形成しているので、ｎ側電極２２自体の耐熱性を向上させながらｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触が得られる。さらには、Ａｕからなるパッド電極層４０によりオーミック性を劣化させることなくｎ側電極２２を融着層５１を介してサブマウント５０に接合することができる。以上から、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック性が劣化することが効果的に抑制され、かつ、ｎ型ＧａＮ基板１に対する密着性が向上されたｎ側電極２２を備えた青紫色半導体レーザ素子１００を確実に得ることができる。
【００４４】
次に、図１、図２、図６〜図８を参照して、上記した実施形態の効果を確認するために行った比較例１および２との対比による確認実験について説明する。この確認実験では、上記した実施形態に対応する実施例としてのｎ側電極２２（図１参照）を作製するとともに、実施例に対する比較例１および２としてのｎ側電極を作製して、それぞれのｎ側電極が有するオーミック性を調べた。なお、この確認実験については、ｎ側電極が本発明の「オーミック電極層」と「パッド電極層」との間に「バリア層」が設けられている構成を前提としており、その上で、本発明の「オーミック電極層」を複数の金属層を積層した多層構造（２層構造）で構成した場合に、加熱プロセスにおける熱処理温度が、多層構造を有する「オーミック電極層」のオーミック性にどの程度影響するのかを検証した。そして、得られた実験結果に基づいて、本発明のｎ側電極の評価を行った。以下に示す実施例、比較例１および２におけるｎ側電極では、共に「バリア層」を形成した状態で、「オーミック電極層」の層構造を異ならせた試料を作製した。
【００４５】
まず、上記した実施形態に対応する実施例としてのｎ側電極２２の形成については、まず、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の表面上に、アモルファスＳｉからなる島状のＳｉ層３１およびＳｉ層３１を覆うＴｉ層３２をこの順に積層して２層構造のオーミック電極層３０を形成した。各層の厚みは、ｎ型ＧａＮ基板の上面に近い側から順に、１ｎｍ（Ｓｉ層３１）／４ｎｍ（Ｔｉ層３２）とした。その後、オーミック電極層３０の上面上に、約３０ｎｍの厚みを有するＰｄからなるバリア層３５を形成した。そして、バリア層３５の上面上に、６００ｎｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極層４０を形成した（実施例におけるｎ側電極２２の層構造については、図２を参照のこと）。なお、この確認実験のために、合計５サンプルのｎ側電極２２を用意した。
【００４６】
また、上記実施例に対する比較例１としてのｎ側電極の形成については、ｎ型ＧａＮ基板の上面上に、Ａｌ層のみからなる単層のオーミック電極層、Ｐｄ層からなるバリア層およびＡｕ層のみからなる単層のパッド電極層をこの順に積層して３層構造を有するｎ側電極を形成した。ここで、各層の厚みは、ｎ型ＧａＮ基板に近い側から順に、６ｎｍ（Ａｌ層）／１０ｎｍ（Ｐｄ層）／６００ｎｍ（Ａｕ層）とした。ここで、オーミック電極層をＡｌの単層としているため、バリア層の厚みを、実施例（３０ｎｍ）よりも薄い１０ｎｍとして構成した。また、比較例１についても、合計５サンプルを用意した。
【００４７】
また、上記実施例に対する比較例２としてのｎ側電極の形成については、上記実施例で用いた酸素を含まないＳｉ層３１に代えて、Ｓｉおよび酸素を含んだ層をｎ型ＧａＮ基板１の表面上に形成し、この層上に、Ｔｉ層３２を積層して２層構造のオーミック電極層を形成した。また、バリア層３５およびパッド電極層４０については上記実施例と同様としており、合計５サンプルを用意した。
【００４８】
そして、上記実施例、比較例１および２として作製したｎ側電極を用いて、電極作製後に加えられた熱処理温度毎の電極の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を調べた。なお、電流−電圧特性は、半導体特性測定器の１つである半導体パラメータアナライザ（電気特性評価装置）を用いて測定した。
【００４９】
この結果、図７に示すように、比較例１では、電極形成後のｎ側電極に対して１００℃での熱処理（加熱処理）を１０分間行ったサンプルでは、オーミック性を有するＩ−Ｖ特性が得られた。一方、２００℃および２５０℃での熱処理を行ったサンプルでは、Ｉ−Ｖ特性は非オーミック性を有していた。また、３００℃および４００℃での熱処理を行ったサンプルでは、電圧を印加してもｎ側電極に電流が若干しか流れないことが確認された（３００℃でのＩ−Ｖ特性と４００℃でのＩ−Ｖ特性とは、グラフがほぼ重なっている）。この結果から、比較例１によるｎ側電極では、熱処理温度を上昇させることに伴って、ｎ側電極が有するオーミック性が劣化したり、ｎ側電極の抵抗値が顕著に増大したりすることが確認された。つまり、オーミック電極層を単層（Ａｌ層）により構成している場合には、ｎ側電極が加熱プロセスの影響（熱影響）を大きく受けることが判明した。したがって、比較例１におけるｎ側電極を用いて半導体レーザ素子を構成したとしても、バリア層の厚みを１０ｎｍに設定してパッド電極層（Ａｕ層）側から融着層の拡散を防止または抑制できる一方、加熱プロセスの熱影響に起因してオーミック電極層が劣化してしまうと考えられる。
【００５０】
また、図８に示すように、比較例２では、いずれの温度での熱処理を行ったサンプルについても、電圧を印加してもｎ側電極には電流は流れなかった（全てのサンプルにおいてＩ−Ｖ特性のグラフがほぼ重なっている）。つまり、順方向電圧の増加のみが計測された。
【００５１】
これに対して、上記実施例によるｎ側電極２２では、図６に示すように、電極形成後のｎ側電極に対して１００℃、２００℃および２５０℃での熱処理（加熱処理）を各々１０分間行ったサンプルでは、Ｉ−Ｖ特性は、極めて高い直線性（オーミック性）を有する傾向を示した。また、３００℃および４００℃の温度条件では、１００℃、２００℃および２５０℃の場合よりは直線性が劣るものの、オーミック性がある程度は得られていた。つまり、比較例１と比較した場合、オーミック電極層３０にＳｉ層３１とＴｉ層３２を用いて多層構造とした場合には、特に３００℃〜４００℃の高温度領域において、比較例１によるｎ側電極よりもオーミック性が劣化しにくい（加熱プロセスの熱影響を受けにくい）特徴を備えていることが判明した。
【００５２】
このような特徴を有する背景としては、加熱プロセスを経ても、まず、ｎ型ＧａＮ基板１の表面にＳｉ層３１が接触することによってオーミック電極層３０自体の耐熱性が向上されたことが考えられる。また、Ｓｉ層３１が有する耐熱性に加えて、島状のＳｉ層３１のみならずＴｉ層３２によっても、ｎ型ＧａＮ基板１の表面に接触してオーミック電極層３０の密着性が高められたからだと考えられる。密着性が高められることにより、オーミック性を有するＳｉ層３１とＴｉ層３２とが共にｎ型ＧａＮ基板１の表面から剥れることなく確実に導通されるので、オーミック電極層３０のオーミック性が著しく損われなかったと考えられる。さらには、オーミック電極層３０の厚み（最大厚み）よりも大きい厚みを有するＰｔからなるバリア層３５を設けたことにより、加熱プロセスに起因してパッド電極層４０のＡｕが、オーミック電極層３０側に拡散することが抑制または防止されたことも他の要因として考えられる。したがって、実施例におけるｎ側電極２２を用いて半導体レーザ素子を構成した場合、ｎ側電極２２の形成時の温度よりも高い温度条件下で半導体レーザ素子などに所定の製造プロセスを施した場合（たとえば、Ａｕ−Ｓｎ半田などを用いたダイボンド（熱圧着）や、フォトリソグラフィ技術におけるベーキング工程などの約２００℃〜約３００℃での加熱処理工程や、パッド電極層４０へのワイヤボンディング工程など）であっても、ｎ側電極２２のオーミック性がある程度維持された半導体レーザ素子を形成することが可能であると考えられる。
【００５３】
また、上記実施例によるｎ側電極２２では、Ｓｉ層３１に酸素が含まれないため、順方向電圧の増加を抑止することができると考えられる。これに対して、比較例２では、Ｓｉおよび酸素を含んだ層が有する酸素がＴｉ層３２のＴｉと容易に結び付いて酸化物を形成するため、順方向電圧が増加したものと考えられる。この結果から、オーミック電極層に酸素を含まないＳｉ層を用いることの有効性が確認された。
【００５４】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００５５】
たとえば、上記実施形態では、本発明の「窒化物系半導体発光素子」を青紫色半導体レーザ素子１００に適用した例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、本発明の「窒化物系半導体発光素子」をｎ側電極を備えたＬＥＤなどの半導体発光素子にも適用することが可能である。
【００５６】
また、上記実施形態では、Ｓｉ層３１を約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みに形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。成膜プロセスを工夫することにより、最大で約５ｎｍの厚みを有するＳｉ層３１をｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に島状に形成することも可能である。Ｓｉ層３１の厚みが増加する分、Ｓｉ層３１による青紫色半導体レーザ素子１００の耐熱性がより向上される。また、下面１ａに接触しないＳｉ層３１の表面積が増加する（下面１ａ上の島状のＳｉ層３１の起伏が大きくなる）ので、Ｔｉ層３２を、より確実に下面１ａおよびＳｉ層３１に密着させて形成することができる。
【００５７】
また、上記実施形態では、オーミック電極層３０としてのＳｉ層３１（第１金属層）およびＴｉ層３２（第２金属層）、Ｐｔからなるバリア層３５、および、Ａｕからなるパッド電極層４０をこの順に積層してｎ側電極２２を構成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、バリア層を構成する金属層として、Ｐｔ以外の金属としてたとえばＰｄなどからなる金属層を用いてバリア層を構成してもよい。バリア層にＰｄなどを用いてもＰｔ層（バリア層３５）と同様のバリア機能が得られる。また、Ａｕに加えてＡｕ以外のたとえばＴｉなどの金属層を用いて多層金属膜からなるパッド電極層を構成してもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上にｎ側電極２２を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ｎ型ＧａＮ基板１上に半導体素子層１０を形成して窒化物系半導体レーザ素子のウェハを形成した後、ウェハのｐ側パッド電極２１側を接合面としてＧｅなどからなる支持基板に接合してもよい。そして、ウェハからｎ型ＧａＮ基板１を除去して露出されたｎ型クラッド層１１の下面上に、本発明の「ｎ側電極」を形成して窒化物系半導体レーザ素子を構成してもよい。なお、ｎ型クラッド層１１は、本発明の「ｎ型窒化物系半導体層」の一例である。
【００５９】
また、上記実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上にｐ側パッド電極２１と略同じ形状を有するｎ側電極２２を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。下面１ａ上の一部の領域または略全面を覆うようにｎ側電極２２をパターニング形成してもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、半導体素子層１０に上方に突出するリッジ部３を形成して青紫色半導体レーザ素子１００を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。リッジ部をＳｉＯ２またはＡｌＧａＮなどからなる電流ブロック層で埋め込んだ屈折率分布導波型のリッジ導波構造を有する窒化物系半導体レーザ素子を形成してもよい。あるいは、平坦な上部クラッド層上にストライプ状の開口部を有する電流ブロック層を形成して電流通路部を設けた利得導波型の窒化物系半導体レーザ素子を形成してもよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、半導体素子層１０を、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの窒化物系半導体層により形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、半導体素子層１０を、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＴｌＮおよびこれらの混晶からなるウルツ鉱構造の窒化物系半導体層により形成してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、ＳｉＯ２を用いて電流ブロック層２０を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ＳｉＮなどの他の絶縁性材料や、ＡｌＩｎＰやＡｌＧａＮなどの半導体材料を用いて電流ブロック層を形成してもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、本発明の「窒化物系半導体発光素子」を青紫色半導体レーザ素子１００に適用した例について示したが、本発明はこれに限られない。ｎ型ＧａＮ基板１上に、青紫色半導体レーザ素子以外の、たとえば、青色半導体レーザ素子や緑色半導体レーザ素子を形成してもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１ ｎ型ＧａＮ基板（ｎ型窒化物系半導体層）
１ａ 下面（ｎ型窒化物系半導体層の表面）
１１ ｎ型クラッド層（ｎ型窒化物系半導体層）
２２ ｎ側電極
２２ａ 下面（ｎ側電極の最表面）
３０ オーミック電極層
３１ Ｓｉ層（第１金属層）
３２ Ｔｉ層（第２金属層）
３５ バリア層
３５ａ 下面（バリア層の表面）
４０ パッド電極層
１００ 青紫色半導体レーザ素子（窒化物系半導体発光素子）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関し、特に、ｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成されたｎ側電極を備える窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成されたｎ側電極を備える窒化物系半導体発光素子などが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、ｎ型ＧａＮ基板と、ｎ型ＧａＮ基板の下面上に導通性を有する接続層を介して形成されたｎ側電極とを備えた窒化物系半導体装置が開示されている。この窒化物系半導体装置では、接続層は、Ｓｉを含む材料を用いて均一な厚みを有していると記載されていることから連続的な層状（膜状）に形成されていると考えられ、接続層の上面の全面とｎ型ＧａＮ基板の下面とは一様に接触している。また、ｎ側電極においては、Ｔｉ層がＳｉからなる接続層の下面に接触するように構成されている。このように、ｎ型ＧａＮ基板とｎ側電極との間に層状のＳｉからなる接続層が形成されることにより、電極形成後の加熱プロセスの際に、ｎ側電極を構成する金属多層膜とｎ型ＧａＮ基板との反応が抑制されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８８００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示された窒化物系半導体装置では、均一な厚みを有して層状に形成されたＳｉからなる接続層により、ｎ側電極を構成する金属膜とｎ型ＧａＮ基板との反応が抑制される一方、ｎ型ＧａＮ基板と、Ｓｉからなる接続層を介して形成されたｎ側電極との密着性について考慮されているか否かは不明である。ここで、Ｔｉがｎ側電極とｎ型ＧａＮ基板との間のオーミック接触を維持する電極材料である点に加えて、Ｔｉは、ＰｔやＡｕなどの他の貴金属類からなる電極材料よりもｎ型ＧａＮ基板（半導体層）に対する付着力が優位な性質を有している。Ｔｉ層が半導体層に対して付着力が優れる点を鑑みた場合、上記特許文献１に開示された窒化物系半導体装置では、層状に形成されたＳｉからなる接続層によってｎ側電極（Ｔｉ層）とｎ型ＧａＮ基板とが完全に分断されているため、ｎ型ＧａＮ基板に対する接続層の付着力（密着性）が不十分な場合には、Ｔｉ層を含めたｎ側電極全体が、ｎ型ＧａＮ基板の下面から剥離しやすいという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、半導体層に対するｎ側電極の密着性を向上させることが可能な窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体発光素子は、ｎ型窒化物系半導体層と、オーミック電極層を含むｎ側電極とを備え、ｎ側電極のオーミック電極層は、ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されたＳｉからなる第１金属層と、第１金属層のｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面と、第１金属層により覆われていないｎ型窒化物系半導体層の表面とに接触するように形成されたＴｉからなる第２金属層とを有する。
【０００８】
この発明の一の局面による窒化物系半導体発光素子では、上記のように、オーミック電極層は、ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されたＳｉからなる第１金属層と、第１金属層のｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面と、第１金属層により覆われていないｎ型窒化物系半導体層の表面とに接触するように形成されたＴｉからなる第２金属層とを有している。つまり、Ｔｉからなる第２金属層は、Ｓｉからなる第１金属層を覆うのみならず、ｎ型窒化物系半導体層の表面に直接接触した状態で形成されている。Ｔｉは、ｎ型窒化物系半導体層に対する付着力が優位な性質を有しているので、第２金属層を含むｎ側電極を、高い密着性を有した状態でｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成することができる。これにより、ｎ型窒化物系半導体層に対するｎ側電極の密着性を向上させることができる。また、ｎ型窒化物系半導体層の表面からｎ側電極が剥れにくくなるので、電極部材の部分的な剥れに起因してｎ側電極の抵抗値が上昇を来たすことが抑制される。その結果、動作電圧が上昇しにくい窒化物系半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ側電極の第１金属層をＳｉにより形成することによって、ｎ側電極自体の耐熱性を向上させながらｎ型窒化物系半導体層との良好なオーミック接触を得ることができる。
【０００９】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、第１金属層は、Ｓｉがｎ型窒化物系半導体層の表面上に島状に分布した状態で、ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されている。このように構成すれば、Ｔｉからなる第２金属層の一部を、島状となった第１金属層と第１金属層から露出するｎ型窒化物系半導体層との隙間に入り込ませてｎ型窒化物系半導体層の表面に容易に接触させることができる。この結果、ｎ型窒化物系半導体層に対するｎ側電極の密着性を容易に向上させることができる。
【００１０】
この場合、好ましくは、島状の第１金属層の厚みは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。このように構成すれば、Ｓｉからなる第１金属層を、容易に島状の状態でｎ型窒化物系半導体層の表面上に形成することができる。
【００１１】
上記第１金属層におけるＳｉが島状に分布した状態で形成される構成において、好ましくは、Ｔｉからなる第２金属層の厚みは、島状の第１金属層の厚みよりも大きい。このように構成すれば、第２金属層に関して、金属膜が層状（膜状）を十分に維持した状態で、かつ、金属膜の一部がｎ型窒化物系半導体層の表面に接触するような第２金属層を容易に形成することができる。
【００１２】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、ｎ側電極は、オーミック電極層の第２金属層の第１金属層とは反対側に形成されたパッド電極層と、オーミック電極層とパッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、Ｐｔからなるバリア層の厚みは、オーミック電極層を構成するＳｉからなる第１金属層およびＴｉからなる第２金属層の合計厚みよりも大きい。このように構成すれば、ｎ側電極を融着層を介して基台（サブマウント）に接合する際、加熱プロセスにより溶融した融着層の成分（ＡｕやＳｎなど）がパッド電極層内に拡散したとしても、オーミック電極層とパッド電極層との間にＰｔからなるバリア層が形成されているので、溶融した融着層の成分がバリア層を越えてオーミック電極層に拡散することが抑制される。ここで、オーミック電極層の最大厚みよりもバリア層の厚みが大きいので、溶融した融着層の成分がオーミック電極層へ拡散することを確実に抑制することができる。この結果、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック電極層が有するオーミック性（電流と電圧とが比例関係を有する特性）が劣化するのを確実に抑制することができる。
【００１３】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、ｎ側電極は、オーミック電極層の第２金属層の第１金属層とは反対側に形成されたＡｕからなるパッド電極層と、オーミック電極層とパッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、オーミック電極層は、ｎ型窒化物系半導体層の表面に部分的に接触するＳｉからなる第１金属層と、第１金属層が接触しないｎ型窒化物系半導体層の表面と、第１金属層のｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面とに接触するＴｉからなる第２金属層とによって構成されており、Ｐｔからなるバリア層は、第２金属層の第１金属層とは反対側の表面に接触するように構成されており、Ａｕからなるパッド電極層は、Ｐｔからなるバリア層の第２金属層とは反対側の表面に接触してｎ側電極の最表面を形成するように構成されている。このように構成すれば、第１金属層と第２金属層とによって、ｎ側電極のｎ型窒化物系半導体層に対する密着性を向上させることができる。また、ｎ側電極の第１金属層をＳｉにより形成することによって、ｎ側電極自体の耐熱性を向上させながらｎ型窒化物系半導体層との良好なオーミック接触を得ることができる。また、オーミック電極層とパッド電極層との間にＰｔからなるバリア層が形成されているので、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック電極層が有するオーミック性が劣化するのを効果的に抑制することができる。さらには、ｎ側電極の最表面にＡｕからなるパッド電極層が形成されているので、オーミック性を劣化させることなくｎ側電極を融着層を介して基台に接合することができる。この結果、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック性が劣化することが効果的に抑制され、かつ、ｎ型窒化物系半導体層に対する密着性が向上されたｎ側電極を備えた窒化物系半導体発光素子を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子のｎ側電極の詳細な積層構造を示した断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子のｎ側電極の詳細な構造を示した平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子をサブマウントに接合した場合の構造を示した断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】本発明の効果を確認するために行った確認実験の結果（実施例）を示した図である。
【図７】本発明の効果を確認するために行った確認実験の結果（比較例１）を示した図である。
【図８】本発明の効果を確認するために行った確認実験の結果（比較例２）を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
まず、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子１００の構造について説明する。なお、青紫色半導体レーザ素子１００は、本発明の「窒化物系半導体発光素子」の一例である。
【００１７】
青紫色半導体レーザ素子１００は、図１に示すように、約１００μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ基板１と、ｎ型ＧａＮ基板１の上面（Ｃ２側）上に形成された活性層１２を含む半導体素子層１０とを備えている。半導体素子層１０は、発振波長が約４０５ｎｍ帯を有する窒化物系半導体からなる。また、青紫色半導体レーザ素子１００では、半導体素子層１０の上面（Ｃ２側）上にｐ側パッド電極２１が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ（Ｃ１側）上にｎ側電極２２が形成されている。なお、ｎ型ＧａＮ基板１は、本発明の「ｎ型窒化物系半導体層」の一例である。また、下面１ａは、本発明の「ｎ型窒化物系半導体層の表面」の一例である。
【００１８】
半導体素子層１０においては、ｎ型ＧａＮ基板１の主表面上に、約２μｍの厚みを有するｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１１が形成されている。ｎ型クラッド層１１の上面上には、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層１２が形成されている。この活性層１２は、各々が約３０ｎｍの厚みを有するとともにアンドープＧａＩｎＮからなる４つの障壁層（図示せず）と、各々が約７ｎｍの厚みを有するとともにアンドープＧａＩｎＮからなる３つの井戸層（図示せず）とが交互に積層されている。活性層１２の上面上には、約０．５μｍの厚みを有するＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１３が形成されている。ｐ型クラッド層１３は、共振器の延びる方向（Ａ方向）に沿ってストライプ状（細長状）に延びる約１．５μｍの幅を有する凸部１３ａと、凸部１３ａの幅方向（Ｂ方向）の両側（Ｂ１側およびＢ２側）の約８０ｎｍの厚みを有する平坦部１３ｂとを有している。
【００１９】
また、ｐ型クラッド層１３の凸部１３ａ上には、約３ｎｍの厚みを有するアンドープＧａＩｎＮからなるｐ側コンタクト層１４が形成されている。このｐ側コンタクト層１４とｐ型クラッド層１３の凸部１３ａとによって、約１．５μｍの幅を有してＡ方向にストライプ状に延びるリッジ部３が構成されている。また、リッジ部３により、青紫色半導体レーザ素子１００の光導波路が構成されている。
【００２０】
また、ｐ型クラッド層１３の凸部１３ａの両側面上、平坦部１３ｂの上面上およびｐ側コンタクト層１４の両側面上には、約０．２μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる電流ブロック層２０が形成されている。また、電流ブロック層２０は、リッジ部３の上面（ｐ側オーミック電極１８の上面）を露出するように形成されている。
【００２１】
また、ｐ側コンタクト層１４の上面上には、ｐ側コンタクト層１４に近い側から順に、Ｐｄ層、Ｐｔ層およびＡｕ層からなるｐ側オーミック電極１８が形成されている。ｐ側オーミック電極１８の上面上と電流ブロック層２０の上面上とには、ｐ側オーミック電極１８に近い側から順に、約０．１μｍの厚みを有するＴｉ層と、約０．１μｍの厚みを有するＰｄ層と、約３μｍの厚みを有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極２１が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上には、ｐ側パッド電極２１と略同じ形状を有するｎ側電極２２が形成されている。
【００２２】
ｎ側電極２２は、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１に近い側から順に、オーミック電極層３０とバリア層３５とパッド電極層４０とが積層された構造を有している。以下に、各金属層（電極層）の構成および役割について述べる。
【００２３】
オーミック電極層３０は、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに近い側から順に、約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みを有する非晶質（アモルファス）構造を有するＳｉ金属膜からなるＳｉ層３１と、約４ｎｍの厚みを有するＴｉからなるＴｉ層３２とが積層されている。なお、Ｓｉ層３１およびＴｉ層３２は、それぞれ、本発明の「第１金属層」および「第２金属層」の一例である。
【００２４】
Ｓｉ層３１は、ｎ側電極２２がｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触を得るために設けられており、Ｓｉ層３１は酸素を含んでいない。また、Ｓｉ層３１は、図４に示すように、ｎ側電極２２の下面２２ａをＡｕ−Ｓｎ半田などからなる融着層５１を介してサブマウント５０の上面５０ａの所定領域に接合する際の加熱プロセスに伴う熱影響から青紫色半導体レーザ素子１００を保護する役割（耐熱性）も有している。
【００２５】
ここで、本実施形態では、図３に示すように、約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みを有するＳｉ層３１は、平面的に見て、ｎ型ＧａＮ基板１（図２参照）の表面上に島状に分布した状態に形成されており完全な連続膜とはなっていない。また、Ｓｉの個々の島は、互いに不規則な形状を有している。なお、Ｓｉ層３１が上記した範囲の厚みを有する場合、Ｓｉ層３１には、複数のＳｉの島のうちの隣接する島同士が部分的に繋げられて網状となって形成されている部分も存在する。したがって、網状に形成されているＳｉ層３１の領域における網目（隙間）の大きさも不規則性を有している。そして、島状または網状の領域に関係なく、Ｓｉの島間に形成された不規則な形状の隙間（網目の部分）からｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａが露出している。なお、図３では、Ｓｉ層３１上（紙面手前側）に積層されているＴｉ層３２などについては、説明の都合上、図示を省略している。
【００２６】
Ｔｉ層３２（図２参照）は、Ｓｉ層３１と同様に、ｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触を得るために設けられている。また、図２に示すように、Ｔｉ層３２は、微視的に見て、島状（または網状）に形成されたＳｉ層３１の隙間（網目の部分）からｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに到達することにより、Ｔｉ層３２の一部がｎ型ＧａＮ基板１と直接接触するように形成されている。したがって、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１とオーミック電極層３０との界面では、島状（または網状）に分布したＳｉ層３１に加えてＳｉ層３１を覆うＴｉ層３２もｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに接触しているので、Ｔｉ層３２は、厚みの薄いＳｉ層３１とｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａとの接合状態を維持する役割を有している。なお、Ｓｉ層３１を覆うＴｉ層３２は、約２ｎｍ以上約５ｎｍ以下の範囲の厚みを有するように形成されるのが好ましい。さらには、オーミック接触を考慮して約１０ｎｍ以下であるのがより好ましく、この範囲において、成膜可能な程度に薄いのが好ましい。本実施形態では、Ｓｉ層３１を確実に覆いながらその一部がｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに接合しているＴｉ層３２を形成することにより、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに対するｎ側電極２２の付着力（密着性）が高められている。
【００２７】
また、バリア層３５はＰｔからなる金属層であり、約３０ｎｍの厚みを有している。バリア層３５は、オーミック電極層３０とパッド電極層４０とを層構造レベルで確実に分離するために設けられている。つまり、青紫色半導体レーザ素子１００をサブマウント５０（図４参照）の上面５０ａに接合する加熱プロセス時に、溶融した融着層５１（図４参照）に含まれる金属成分（ＡｕやＳｎなど）が、後述するパッド電極層４０を介してオーミック電極層３０側に拡散することが防止されるかまたは抑制されるように構成されている。本実施形態では、バリア層３５によって、オーミック電極層３０のオーミック性が維持されている。また、Ｐｔからなるバリア層３５は、オーミック電極層３０とパッド電極層４０とを接合する役割も有している。なお、バリア層３５の厚み（約３０ｎｍ）は、オーミック電極層３０が有する最大厚み（図２におけるＳｉ層３１とＴｉ層３２とが厚み方向（Ｃ方向）に重なった部分の合計厚み）よりも大きい状態で形成されている。
【００２８】
また、図２に示すように、バリア層３５の下面３５ａ上に、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極層４０が形成されている。なお、パッド電極層４０は、サブマウント５０への接合時に融着層５１（図４参照）に含まれる金属成分との共晶反応を図る目的で形成されており、約３００ｎｍ以上約１μｍ以下の範囲の厚みを有していてもよい。なお、下面３５ａは、本発明の「バリア層の表面」の一例である。なお、図２においてはｎ側電極２２を構成する各金属層の厚みをより忠実に図示しているが、図１および図４においては、図示の都合上、ｎ側電極２２の大まかな構成のみが把握できるように各金属電極層を図示している。
【００２９】
このように、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａからｎ側電極２２の下面２２ａに向かって、オーミック電極層３０としてのＳｉ層３１およびＴｉ層３２、Ｐｔからなるバリア層３５、および、Ａｕからなるパッド電極層４０がこの順に積層されるとともに、各々の金属電極層が互いに接触した状態でｎ側電極２２が構成されている。なお、下面２２ａは、本発明の「ｎ側電極の最表面」の一例である。
【００３０】
また、青紫色半導体レーザ素子１００は、図１に示すように、共振器の延びる方向（Ａ方向）の両端部に、ｎ型ＧａＮ基板１の主表面（上面）に対して略垂直な一対の共振器端面１００ａが形成されている。一対の共振器端面１００ａには、製造プロセスにおける端面コート処理により、ＡｌＮ膜やＡｌ２Ｏ３膜などからなる誘電体多層膜（図示せず）が形成されている。ここで、誘電体多層膜は、ＧａＮ，ＡｌＮ、ＢＮ，Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＡｌＯＮおよびＭｇＦ２や、これらの混成比の異なる材料であるＴｉ３Ｏ５やＮｂ２Ｏ３などからなる多層膜を用いることができる。このようにして、青紫色半導体レーザ素子１００が構成されている。
【００３１】
次に、図１〜図３および図５を参照して、本発明の一実施形態による青紫色半導体レーザ素子１００の製造プロセスについて説明する。
【００３２】
まず、図５に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の上面上に、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３、ｐ側コンタクト層１４およびｐ側オーミック電極１８を順次積層する。その後、フォトリソグラフィを用いてｐ側オーミック電極１８の上面上にマスク（図示せず）をパターニングした後、マスクから露出するｐ側オーミック電極１８と下部のｐ側コンタクト層１４およびｐ型クラッド層１３の一部の領域をエッチングすることによりリッジ部３を形成する。その後、リッジ部３上に残されたマスクを除去する。
【００３３】
その後、プラズマＣＶＤ法または真空蒸着法などを用いて、ｐ型クラッド層１３の凸部１３ａ以外の平坦部１３ｂの上面上、ｐ側オーミック電極１８の上面上、および、リッジ部３の両側面を連続的に覆うように電流ブロック層２０を形成する。その後、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、電流ブロック層２０上および電流ブロック層２０が形成されていないｐ側オーミック電極１８上に、ｐ側パッド電極２１を形成する。
【００３４】
この後、図５に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１が所定の厚みを有するようにｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ側を研磨し、研磨によるダメージ層をドライエッチングにより除去した後、真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ（Ｃ１側）上にｎ型ＧａＮ基板１に接触するようにｎ側電極２２を形成する。
【００３５】
ここで、本実施形態の製造プロセスでは、まず、図２に示すように、約３０℃に保持された真空中において、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みを有するＳｉ層３１を蒸着する。Ｓｉ層３１は、真空蒸着法により形成されるので、非晶質（アモルファス）Ｓｉとして成膜される。この際、Ｓｉ層３１は、図３に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に島状（局所的には網状の場合も含む）に分布した状態で形成される。その後、島状に分布したＳｉ層３１を覆うように、約４ｎｍの厚みを有するＴｉ層３２（図２参照）を蒸着する。このようにしてオーミック電極層３０を形成する。
【００３６】
その後、真空蒸着法を用いて、オーミック電極層３０の下面上に、約３０ｎｍの厚みを有するＰｔからなるバリア層３５を形成する。その後、バリア層３５の下面３５ａ上に、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ層を蒸着してパッド電極層４０を形成する。これにより、オーミック電極層３０の下面上に、バリア層３５とパッド電極層４０とが積層されたｎ側電極２２が形成される。このようにして、図５に示したウェハ状態の青紫色半導体レーザ素子１００が形成される。
【００３７】
その後、所定の共振器長を有するようにウェハをＢ方向に沿ってバー状に劈開する。さらに、図５に示すように、二点鎖線１９５で示した位置で共振器の延びる方向（Ａ方向（図１参照））に沿って素子分割（チップ化）を行う。このようにして、青紫色半導体レーザ素子１００のチップ（図１参照）が形成される。
【００３８】
本実施形態では、上記のように、オーミック電極層３０は、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａを部分的に覆うように形成された非晶質ＳｉからなるＳｉ層３１と、Ｓｉ層３１のｎ型ＧａＮ基板１とは反対側の表面と、Ｓｉ層３１により覆われていないｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａとに接触するように形成されたＴｉ層３２とを有している。つまり、Ｔｉ層３２は、Ｓｉ層３１を覆うのみならず、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに直接接触した状態で形成されている。Ｔｉは、ｎ型ＧａＮ基板１に対する付着力が優位な性質を有しているので、Ｔｉ層３２を含むｎ側電極２２を、高い密着性を有した状態でｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に形成することができる。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１に対するｎ側電極２２の密着性を向上させることができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａからｎ側電極２２が剥れにくくなるので、電極部材の部分的な剥れに起因してｎ側電極２２の抵抗値が上昇を来たすことが抑制される。その結果、動作電圧が上昇しにくい青紫色半導体レーザ素子１００を得ることができる。また、ｎ側電極２２における本発明の「第１金属層」をＳｉからなるＳｉ層３１により形成することによって、ｎ側電極２２自体の耐熱性を向上させながらｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触を得ることができる。
【００３９】
また、本実施形態では、Ｓｉ層３１は、Ｓｉがｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に島状に分布した状態で、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａを部分的に覆うように形成されている。これにより、下層のＴｉ層３２の一部を、島状となったＳｉ層３１とＳｉ層３１から露出するｎ型ＧａＮ基板１との隙間に入り込ませてｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに容易に接触させることができる。この結果、ｎ型ＧａＮ基板１に対するｎ側電極２２の密着性を容易に向上させることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、Ｓｉ層３１の厚みを約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下にして島状（または網状）のＳｉ層３１を形成している。これにより、非晶質ＳｉからなるＳｉ層３１を、容易に島状の状態でｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に形成することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、Ｔｉ層３２の厚み（約４ｎｍ）は、島状（または網状）のＳｉ層３１の厚み（約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下）よりも大きい。これにより、Ｔｉ層３２に関して、金属膜が層状（膜状）を十分に維持した状態で、かつ、金属膜の一部がｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａに接触するようなＴｉ層３２を容易に形成することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、ｎ側電極２２は、オーミック電極層３０のＴｉ層３２のＳｉ層３１とは反対側に形成されたパッド電極層４０と、オーミック電極層３０とパッド電極層４０との間に形成されたＰｔからなるバリア層３５とを含んでいる。そして、バリア層３５の厚み（約３０ｎｍ）は、オーミック電極層３０を構成するＳｉ層３１およびＴｉ層３２の合計厚み（約５ｎｍ以上約７ｎｍ以下）よりも大きい。これにより、ｎ側電極２２を融着層５１を介してサブマウント５０に接合する際、加熱プロセスにより溶融した融着層５１の成分（ＡｕやＳｎなど）がＡｕからなるパッド電極層４０内に拡散したとしても、オーミック電極層３０とパッド電極層４０との間にＰｔからなるバリア層３５が形成されているので、溶融した融着層５１の成分がＰｔからなるバリア層３５を越えてオーミック電極層３０に拡散することが抑制される。ここで、オーミック電極層３０の最大厚み（約７ｎｍ）よりもバリア層３５の厚み（約３０ｎｍ）が大きいので、溶融した融着層５１の成分がオーミック電極層３０へ拡散することを確実に抑制することができる。この結果、サブマウント５０への接合時の加熱プロセスに起因して、オーミック電極層３０が有するオーミック性が劣化するのを確実に抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａからｎ側電極２２の下面２２ａ（最表面）に向かって、オーミック電極層３０としてのＳｉ層３１およびＴｉ層３２、Ｐｔからなるバリア層３５、および、Ａｕからなるパッド電極層４０をこの順に積層するとともに、各々の金属層を互いに接触させた状態でｎ側電極２２を構成している。つまり、Ｓｉ層３１とＴｉ層３２とによって、ｎ側電極２２のｎ型ＧａＮ基板１に対する密着性が向上され、バリア層３５により融着層５１の成分がパッド電極層４０側からオーミック電極層３０側に拡散するのが確実に抑制される。また、下面１ａに接触するようにＳｉ層３１を形成しているので、ｎ側電極２２自体の耐熱性を向上させながらｎ型ＧａＮ基板１との良好なオーミック接触が得られる。さらには、Ａｕからなるパッド電極層４０によりオーミック性を劣化させることなくｎ側電極２２を融着層５１を介してサブマウント５０に接合することができる。以上から、接合時の加熱プロセスに起因してオーミック性が劣化することが効果的に抑制され、かつ、ｎ型ＧａＮ基板１に対する密着性が向上されたｎ側電極２２を備えた青紫色半導体レーザ素子１００を確実に得ることができる。
【００４４】
次に、図１、図２、図６〜図８を参照して、上記した実施形態の効果を確認するために行った比較例１および２との対比による確認実験について説明する。この確認実験では、上記した実施形態に対応する実施例としてのｎ側電極２２（図１参照）を作製するとともに、実施例に対する比較例１および２としてのｎ側電極を作製して、それぞれのｎ側電極が有するオーミック性を調べた。なお、この確認実験については、ｎ側電極が本発明の「オーミック電極層」と「パッド電極層」との間に「バリア層」が設けられている構成を前提としており、その上で、本発明の「オーミック電極層」を複数の金属層を積層した多層構造（２層構造）で構成した場合に、加熱プロセスにおける熱処理温度が、多層構造を有する「オーミック電極層」のオーミック性にどの程度影響するのかを検証した。そして、得られた実験結果に基づいて、本発明のｎ側電極の評価を行った。以下に示す実施例、比較例１および２におけるｎ側電極では、共に「バリア層」を形成した状態で、「オーミック電極層」の層構造を異ならせた試料を作製した。
【００４５】
まず、上記した実施形態に対応する実施例としてのｎ側電極２２の形成については、まず、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の表面上に、アモルファスＳｉからなる島状のＳｉ層３１およびＳｉ層３１を覆うＴｉ層３２をこの順に積層して２層構造のオーミック電極層３０を形成した。各層の厚みは、ｎ型ＧａＮ基板の上面に近い側から順に、１ｎｍ（Ｓｉ層３１）／４ｎｍ（Ｔｉ層３２）とした。その後、オーミック電極層３０の上面上に、約３０ｎｍの厚みを有するＰｄからなるバリア層３５を形成した。そして、バリア層３５の上面上に、６００ｎｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極層４０を形成した（実施例におけるｎ側電極２２の層構造については、図２を参照のこと）。なお、この確認実験のために、合計５サンプルのｎ側電極２２を用意した。
【００４６】
また、上記実施例に対する比較例１としてのｎ側電極の形成については、ｎ型ＧａＮ基板の上面上に、Ａｌ層のみからなる単層のオーミック電極層、Ｐｄ層からなるバリア層およびＡｕ層のみからなる単層のパッド電極層をこの順に積層して３層構造を有するｎ側電極を形成した。ここで、各層の厚みは、ｎ型ＧａＮ基板に近い側から順に、６ｎｍ（Ａｌ層）／１０ｎｍ（Ｐｄ層）／６００ｎｍ（Ａｕ層）とした。ここで、オーミック電極層をＡｌの単層としているため、バリア層の厚みを、実施例（３０ｎｍ）よりも薄い１０ｎｍとして構成した。また、比較例１についても、合計５サンプルを用意した。
【００４７】
また、上記実施例に対する比較例２としてのｎ側電極の形成については、上記実施例で用いた酸素を含まないＳｉ層３１に代えて、Ｓｉおよび酸素を含んだ層をｎ型ＧａＮ基板１の表面上に形成し、この層上に、Ｔｉ層３２を積層して２層構造のオーミック電極層を形成した。また、バリア層３５およびパッド電極層４０については上記実施例と同様としており、合計５サンプルを用意した。
【００４８】
そして、上記実施例、比較例１および２として作製したｎ側電極を用いて、電極作製後に加えられた熱処理温度毎の電極の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を調べた。なお、電流−電圧特性は、半導体特性測定器の１つである半導体パラメータアナライザ（電気特性評価装置）を用いて測定した。
【００４９】
この結果、図７に示すように、比較例１では、電極形成後のｎ側電極に対して１００℃での熱処理（加熱処理）を１０分間行ったサンプルでは、オーミック性を有するＩ−Ｖ特性が得られた。一方、２００℃および２５０℃での熱処理を行ったサンプルでは、Ｉ−Ｖ特性は非オーミック性を有していた。また、３００℃および４００℃での熱処理を行ったサンプルでは、電圧を印加してもｎ側電極に電流が若干しか流れないことが確認された（３００℃でのＩ−Ｖ特性と４００℃でのＩ−Ｖ特性とは、グラフがほぼ重なっている）。この結果から、比較例１によるｎ側電極では、熱処理温度を上昇させることに伴って、ｎ側電極が有するオーミック性が劣化したり、ｎ側電極の抵抗値が顕著に増大したりすることが確認された。つまり、オーミック電極層を単層（Ａｌ層）により構成している場合には、ｎ側電極が加熱プロセスの影響（熱影響）を大きく受けることが判明した。したがって、比較例１におけるｎ側電極を用いて半導体レーザ素子を構成したとしても、バリア層の厚みを１０ｎｍに設定してパッド電極層（Ａｕ層）側から融着層の拡散を防止または抑制できる一方、加熱プロセスの熱影響に起因してオーミック電極層が劣化してしまうと考えられる。
【００５０】
また、図８に示すように、比較例２では、いずれの温度での熱処理を行ったサンプルについても、電圧を印加してもｎ側電極には電流は流れなかった（全てのサンプルにおいてＩ−Ｖ特性のグラフがほぼ重なっている）。つまり、順方向電圧の増加のみが計測された。
【００５１】
これに対して、上記実施例によるｎ側電極２２では、図６に示すように、電極形成後のｎ側電極に対して１００℃、２００℃および２５０℃での熱処理（加熱処理）を各々１０分間行ったサンプルでは、Ｉ−Ｖ特性は、極めて高い直線性（オーミック性）を有する傾向を示した。また、３００℃および４００℃の温度条件では、１００℃、２００℃および２５０℃の場合よりは直線性が劣るものの、オーミック性がある程度は得られていた。つまり、比較例１と比較した場合、オーミック電極層３０にＳｉ層３１とＴｉ層３２を用いて多層構造とした場合には、特に３００℃〜４００℃の高温度領域において、比較例１によるｎ側電極よりもオーミック性が劣化しにくい（加熱プロセスの熱影響を受けにくい）特徴を備えていることが判明した。
【００５２】
このような特徴を有する背景としては、加熱プロセスを経ても、まず、ｎ型ＧａＮ基板１の表面にＳｉ層３１が接触することによってオーミック電極層３０自体の耐熱性が向上されたことが考えられる。また、Ｓｉ層３１が有する耐熱性に加えて、島状のＳｉ層３１のみならずＴｉ層３２によっても、ｎ型ＧａＮ基板１の表面に接触してオーミック電極層３０の密着性が高められたからだと考えられる。密着性が高められることにより、オーミック性を有するＳｉ層３１とＴｉ層３２とが共にｎ型ＧａＮ基板１の表面から剥れることなく確実に導通されるので、オーミック電極層３０のオーミック性が著しく損われなかったと考えられる。さらには、オーミック電極層３０の厚み（最大厚み）よりも大きい厚みを有するＰｔからなるバリア層３５を設けたことにより、加熱プロセスに起因してパッド電極層４０のＡｕが、オーミック電極層３０側に拡散することが抑制または防止されたことも他の要因として考えられる。したがって、実施例におけるｎ側電極２２を用いて半導体レーザ素子を構成した場合、ｎ側電極２２の形成時の温度よりも高い温度条件下で半導体レーザ素子などに所定の製造プロセスを施した場合（たとえば、Ａｕ−Ｓｎ半田などを用いたダイボンド（熱圧着）や、フォトリソグラフィ技術におけるベーキング工程などの約２００℃〜約３００℃での加熱処理工程や、パッド電極層４０へのワイヤボンディング工程など）であっても、ｎ側電極２２のオーミック性がある程度維持された半導体レーザ素子を形成することが可能であると考えられる。
【００５３】
また、上記実施例によるｎ側電極２２では、Ｓｉ層３１に酸素が含まれないため、順方向電圧の増加を抑止することができると考えられる。これに対して、比較例２では、Ｓｉおよび酸素を含んだ層が有する酸素がＴｉ層３２のＴｉと容易に結び付いて酸化物を形成するため、順方向電圧が増加したものと考えられる。この結果から、オーミック電極層に酸素を含まないＳｉ層を用いることの有効性が確認された。
【００５４】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００５５】
たとえば、上記実施形態では、本発明の「窒化物系半導体発光素子」を青紫色半導体レーザ素子１００に適用した例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、本発明の「窒化物系半導体発光素子」をｎ側電極を備えたＬＥＤなどの半導体発光素子にも適用することが可能である。
【００５６】
また、上記実施形態では、Ｓｉ層３１を約１ｎｍ以上約３ｎｍ以下の厚みに形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。成膜プロセスを工夫することにより、最大で約５ｎｍの厚みを有するＳｉ層３１をｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上に島状に形成することも可能である。Ｓｉ層３１の厚みが増加する分、Ｓｉ層３１による青紫色半導体レーザ素子１００の耐熱性がより向上される。また、下面１ａに接触しないＳｉ層３１の表面積が増加する（下面１ａ上の島状のＳｉ層３１の起伏が大きくなる）ので、Ｔｉ層３２を、より確実に下面１ａおよびＳｉ層３１に密着させて形成することができる。
【００５７】
また、上記実施形態では、オーミック電極層３０としてのＳｉ層３１（第１金属層）およびＴｉ層３２（第２金属層）、Ｐｔからなるバリア層３５、および、Ａｕからなるパッド電極層４０をこの順に積層してｎ側電極２２を構成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、バリア層を構成する金属層として、Ｐｔ以外の金属としてたとえばＰｄなどからなる金属層を用いてバリア層を構成してもよい。バリア層にＰｄなどを用いてもＰｔ層（バリア層３５）と同様のバリア機能が得られる。また、Ａｕに加えてＡｕ以外のたとえばＴｉなどの金属層を用いて多層金属膜からなるパッド電極層を構成してもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上にｎ側電極２２を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ｎ型ＧａＮ基板１上に半導体素子層１０を形成して窒化物系半導体レーザ素子のウェハを形成した後、ウェハのｐ側パッド電極２１側を接合面としてＧｅなどからなる支持基板に接合してもよい。そして、ウェハからｎ型ＧａＮ基板１を除去して露出されたｎ型クラッド層１１の下面上に、本発明の「ｎ側電極」を形成して窒化物系半導体レーザ素子を構成してもよい。なお、ｎ型クラッド層１１は、本発明の「ｎ型窒化物系半導体層」の一例である。
【００５９】
また、上記実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の下面１ａ上にｐ側パッド電極２１と略同じ形状を有するｎ側電極２２を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。下面１ａ上の一部の領域または略全面を覆うようにｎ側電極２２をパターニング形成してもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、半導体素子層１０に上方に突出するリッジ部３を形成して青紫色半導体レーザ素子１００を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。リッジ部をＳｉＯ２またはＡｌＧａＮなどからなる電流ブロック層で埋め込んだ屈折率分布導波型のリッジ導波構造を有する窒化物系半導体レーザ素子を形成してもよい。あるいは、平坦な上部クラッド層上にストライプ状の開口部を有する電流ブロック層を形成して電流通路部を設けた利得導波型の窒化物系半導体レーザ素子を形成してもよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、半導体素子層１０を、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの窒化物系半導体層により形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、半導体素子層１０を、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＴｌＮおよびこれらの混晶からなるウルツ鉱構造の窒化物系半導体層により形成してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、ＳｉＯ２を用いて電流ブロック層２０を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ＳｉＮなどの他の絶縁性材料や、ＡｌＩｎＰやＡｌＧａＮなどの半導体材料を用いて電流ブロック層を形成してもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、本発明の「窒化物系半導体発光素子」を青紫色半導体レーザ素子１００に適用した例について示したが、本発明はこれに限られない。ｎ型ＧａＮ基板１上に、青紫色半導体レーザ素子以外の、たとえば、青色半導体レーザ素子や緑色半導体レーザ素子を形成してもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１ ｎ型ＧａＮ基板（ｎ型窒化物系半導体層）
１ａ 下面（ｎ型窒化物系半導体層の表面）
１１ ｎ型クラッド層（ｎ型窒化物系半導体層）
２２ ｎ側電極
２２ａ 下面（ｎ側電極の最表面）
３０ オーミック電極層
３１ Ｓｉ層（第１金属層）
３２ Ｔｉ層（第２金属層）
３５ バリア層
３５ａ 下面（バリア層の表面）
４０ パッド電極層
１００ 青紫色半導体レーザ素子（窒化物系半導体発光素子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物系半導体層と、
オーミック電極層を含むｎ側電極とを備え、
前記ｎ側電極の前記オーミック電極層は、
前記ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されたＳｉからなる第１金属層と、
前記第１金属層の前記ｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面と、前記第１金属層により覆われていない前記ｎ型窒化物系半導体層の表面とに接触するように形成されたＴｉからなる第２金属層とを有する、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１金属層は、Ｓｉが前記ｎ型窒化物系半導体層の表面上に島状に分布した状態で、前記ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されている、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記島状の前記第１金属層の厚みは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である、請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記Ｔｉからなる第２金属層の厚みは、前記島状の前記第１金属層の厚みよりも大きい、請求項２または３に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ側電極は、前記オーミック電極層の前記第２金属層の前記第１金属層とは反対側に形成されたパッド電極層と、前記オーミック電極層と前記パッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、
前記Ｐｔからなる前記バリア層の厚みは、前記オーミック電極層を構成する前記Ｓｉからなる第１金属層および前記Ｔｉからなる第２金属層の合計厚みよりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ側電極は、前記オーミック電極層の前記第２金属層の前記第１金属層とは反対側に形成されたＡｕからなるパッド電極層と、前記オーミック電極層と前記パッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、
前記オーミック電極層は、前記ｎ型窒化物系半導体層の表面に部分的に接触する前記Ｓｉからなる第１金属層と、前記第１金属層が接触しない前記ｎ型窒化物系半導体層の表面と、前記第１金属層の前記ｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面とに接触する前記Ｔｉからなる第２金属層とによって構成されており、
前記Ｐｔからなるバリア層は、前記第２金属層の前記第１金属層とは反対側の表面に接触するように構成されており、
前記Ａｕからなるパッド電極層は、前記Ｐｔからなるバリア層の前記第２金属層とは反対側の表面に接触して前記ｎ側電極の最表面を形成するように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項１】
ｎ型窒化物系半導体層と、
オーミック電極層を含むｎ側電極とを備え、
前記ｎ側電極の前記オーミック電極層は、
前記ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されたＳｉからなる第１金属層と、
前記第１金属層の前記ｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面と、前記第１金属層により覆われていない前記ｎ型窒化物系半導体層の表面とに接触するように形成されたＴｉからなる第２金属層とを有する、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１金属層は、Ｓｉが前記ｎ型窒化物系半導体層の表面上に島状に分布した状態で、前記ｎ型窒化物系半導体層の表面を部分的に覆うように形成されている、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記島状の前記第１金属層の厚みは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である、請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記Ｔｉからなる第２金属層の厚みは、前記島状の前記第１金属層の厚みよりも大きい、請求項２または３に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ側電極は、前記オーミック電極層の前記第２金属層の前記第１金属層とは反対側に形成されたパッド電極層と、前記オーミック電極層と前記パッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、
前記Ｐｔからなる前記バリア層の厚みは、前記オーミック電極層を構成する前記Ｓｉからなる第１金属層および前記Ｔｉからなる第２金属層の合計厚みよりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ側電極は、前記オーミック電極層の前記第２金属層の前記第１金属層とは反対側に形成されたＡｕからなるパッド電極層と、前記オーミック電極層と前記パッド電極層との間に形成されたＰｔからなるバリア層とをさらに含み、
前記オーミック電極層は、前記ｎ型窒化物系半導体層の表面に部分的に接触する前記Ｓｉからなる第１金属層と、前記第１金属層が接触しない前記ｎ型窒化物系半導体層の表面と、前記第１金属層の前記ｎ型窒化物系半導体層とは反対側の表面とに接触する前記Ｔｉからなる第２金属層とによって構成されており、
前記Ｐｔからなるバリア層は、前記第２金属層の前記第１金属層とは反対側の表面に接触するように構成されており、
前記Ａｕからなるパッド電極層は、前記Ｐｔからなるバリア層の前記第２金属層とは反対側の表面に接触して前記ｎ側電極の最表面を形成するように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１６９３６８（Ｐ２０１２−１６９３６８Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７６６６（Ｐ２０１１−２７６６６）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５０４４６４０７０）三洋オプテックデザイン株式会社 (315)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５０４４６４０７０）三洋オプテックデザイン株式会社 (315)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]