专利名称：半导体激光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光元件，特别涉及振荡波长在600nm以下的高输出半导体激光元件。
背景技术：
现在，作为光盘或光磁盘的写入用途，要求高输出的半导体激光元件。对于这些半导体激光元件，要求长时间、稳定地以基本模式动作。
另外，为了实现对于光盘的高密度化所必需的短波长化，正在研究使用了氮化物半导体的半导体激光元件。使用了氮化物的半导体激光元件除了光盘用光源以外，还可以用于曝光用光源、印刷机用光源、医疗用光源、光通信系统用光源、测定等中。另外，由氮化物半导体构成的激光元件由于能够实现振荡波长在400nm以下的紫外区域中的使用，因此还被期待作为与生物有关的激发用光源等。
专利文献1中，显示了在半导体激光元件的反射镜面上形成厚度为λ/2的Al2O3膜的构成或交互地形成厚度为λ/4的Al2O3膜与厚度为λ/4的非晶质硅膜的构成。另外，专利文献2中，显示了在电介质膜中使用Al2O3的情况以及形成条件。
特开平9-162497[专利文献2]特开2002-335053但是，当将厚度为λ/2n的Al2O3膜用单一层来形成时，则对于非晶质的Al2O3膜在输出为30mW以上的高输出驱动时即作为半导体元件反应，引起端面老化。另外，对于单晶的Al2O3膜则应力大，从而有因驱动时的发热，该Al2O3膜与半导体元件剥离等问题。
另外，在使用了氮化物半导体的半导体激光元件中，当使之以高输出，例如30mW以上动作时，则在光射出侧的端面上以单一膜形成了电介质膜的情况下，容易引起端面破损，从而有寿命降低的问题。另外，当以高输出使之动作时，如果斜率效率低，则会有驱动电流变大的问题。
发明内容
本发明是鉴于如上所述的情况而完成的，其目的在于，提供可以适应高输出化或短波长化的具有端面保护膜的半导体激光元件。
本发明的半导体激光元件是在光谐振器端面的至少一方上具有电介质膜的半导体激光元件，其特征是，所述电介质膜是从半导体的端面侧开始依次形成由相同元素构成的第一电介质膜和第二电介质膜而成的，所述第一电介质膜含有由单晶构成的膜，所述第二电介质膜含有由非晶质构成的膜。另外，所述第一电介质膜和第二电介质膜的组成比大致相同。
如果是所述构成，则由于在与半导体激光元件的谐振器端面直接接触的第一电介质膜中含有由单晶构成的膜，因此就可以抑制端面的半导体层分解的情况。最好所述第一电介质膜由单晶膜构成。这样，分解抑制力就会进一步提高。另外，通过在该第一电介质膜上具有含有由非晶质构成的膜的第二电介质膜，就可以维持半导体层与电介质膜的密接力。最好所述第二电介质膜由非晶质膜构成。
本发明的半导体激光元件是在光谐振器端面的至少一方上具有电介质膜的半导体激光元件，其特征是，所述电介质膜是从半导体的端面侧开始依次形成由相同元素构成的第一电介质膜和第二电介质膜而成的，所述第一电介质膜是半导体和电介质膜的反应防止膜，所述第二电介质膜是激光的反射膜。
如果是所述构成，则利用与半导体激光元件的谐振器端面直接接触的第一电介质膜，可以抑制半导体层的端面与电介质膜反应而分解的情况，并且，通过在该第一电介质膜上具有由激光的反射膜构成的第二电介质膜，可以再现性良好地容易地进行光封入的调整。特别是在活性层中含有In的氮化物半导体中，由于谐振器端面的所述活性层容易分解，因此此种构成变得有效。
在所述半导体激光元件中，所述第一电介质膜含有由单晶构成的膜，并且所述第二电介质膜含有由非晶质构成的膜。
在所述半导体激光元件中，所述第一电介质膜与所述第二电介质膜相比折射率更低。这是因为，由于第二电介质膜含有由非晶质构成的膜，或者是由非晶质构成的膜，因此在第二电介质膜中产生氧缺陷。这样，就可以确保电介质膜的密接性。
在所述半导体激光元件中，最好所述第二电介质膜与所述第一电介质膜相比膜厚更大。这是因为，这样的话，第二电介质膜就成为抑制来自外部的氧进入的氧屏蔽层。
在所述半导体激光元件中，所述电介质膜的反射率在25％以下。通过将形成于作为半导体激光元件的光谐振器端面的光射出(前)侧端面上的电介质膜的反射率设为25％以下，就可以实现高输出激光。
在所述半导体激光元件中，所述电介质膜的反射率在半导体激光元件的振荡波长约为400nm时为20％以下。这样，即使在氮化物半导体激光元件中，也可以实现高输出激光。
在所述半导体激光元件中，所述第一电介质膜及第二电介质膜在构成元素中具有Al和O。如果是此种构成，则可以连续地形成单晶膜和非晶质膜。另外，可以容易地进行将单晶膜和非晶质膜交互地层叠的成对构造(pair-structure)。
在所述半导体激光元件中，所述第一电介质膜和所述第二电介质膜的热膨胀系数大致一致。由于所述第一电介质膜和所述第二电介质膜由相同材料构成，热膨胀系数一致，因此可以抑制在电介质膜内产生裂纹的情况。
在所述半导体激光元件中，所述电介质膜的最外层为氮化物。如果是此种构成，则可以防止外部的氧向第一电介质膜、第二电介质膜以至半导体内侵入。另外，在最外层以外的电介质膜中含有氧的情况下，可以防止从这些层中的氧脱离。这样，就能够维持半导体激光元件的连续驱动时的电介质膜的光反射率。
本发明的半导体激光元件是在光谐振器端面的至少一方上具有电介质膜的半导体激光元件，其特征是，所述电介质膜是从半导体的端面侧开始依次形成第一电介质膜、第二电介质膜和第三电介质膜而成的，所述第一电介质膜和第二电介质膜由相同元素构成，所述第三电介质膜具有与第一电介质膜及第二电介质膜不同的元素，所述第一电介质膜是半导体和电介质膜的反应防止膜，所述第二电介质膜是第一电介质膜和第三电介质膜的应力缓解膜。
如果是所述构造，则可以利用与半导体激光元件的谐振器端面直接接触的第一电介质膜来抑制半导体层的端面与电介质膜反应而分解的情况，并且，由于通过具有第二电介质膜，可以在其外侧作为所需的电介质膜容易地形成第三电介质膜，因此就能够进行光封入的强弱调整。
在所述半导体激光元件中，所述第一电介质膜及第二电介质膜含有氧。
在所述半导体激光元件中，所述第一电介质膜的氧含量多于所述第二电介质膜的氧含量。
在所述半导体激光元件中，所述电介质膜的最外层为氮化物。
本发明中，所谓组成比大致相同并不需要组成比完全一致，最好第一电介质膜和第二电介质膜所共同的含有物质的含有量在±7％的范围。
本发明中，在第一电介质膜含有由单晶构成的膜的情况下，该由单晶构成的膜的含有率在75％以上。优选80％以上。
本发明中，在所述第二电介质膜含有由非晶质构成的膜的情况下，该由非晶质构成的膜的含有率在75％以上。但是，在发光领域中，只要所述由非晶质构成的膜的含有率在60％以上即可。
如上说明所示，根据本发明，通过抑制光谐振器端面的老化或光学损伤(COD；catastrophic optical damage)，可以提供高输出的半导体激光元件。
图1是本发明的实施方式的氮化物半导体激光元件的示意性剖面图。
图2是本发明的实施方式的氮化物半导体激光元件的示意性剖面图。
图3是本发明的实施方式的氮化物半导体激光元件的示意性俯视图。
图4是本发明的实施方式的氮化物半导体激光元件的示意性俯视图。
图5是本发明的实施方式的电介质膜的示意性剖面图。
图6是本发明的实施方式的氮化物半导体激光元件的示意性立体图。
图7是本发明的实施方式的氮化物半导体激光元件的示意性立体图。
图8是本发明的实施方式的氮化物半导体激光元件的示意性立体图。
图9是表示本发明的氮化物半导体激光元件的COD水平的图。
图10是表示以往的氮化物半导体激光元件的COD水平的图。
其中，100…基板，110…电介质膜，200…n型氮化物半导体层，205…活性层，210…p型氮化物半导体层，220…第一绝缘膜，230…p电极，232…n电极，240…第二绝缘膜，250…平头电极具体实施方式
下面将在参照附图的同时对本发明的实施方式进行说明。图1、图2是示意性地表示本实施方式的使用了氮化物半导体的半导体激光元件的构造的剖面图。
本实施方式的半导体激光元件如图1所示，是在具有第一主面100a和第二主面100b的基板100的第一主面上作为氮化物半导体层将n型氮化物半导体层200、活性层205、p型氮化物半导体层210依次层叠，使所述基板100和氮化物半导体层的劈开端面大致一致的半导体激光元件，在光谐振器端面上，如图2所示，具有电介质膜110。该电介质膜110最好形成于氮化物半导体层及基板的劈开端面上。
另外，图5表示了电介质膜的示意性立体图。在所述光谐振器端面中有光射出(前)侧端面和光反射(后)侧端面，本实施方式中，虽然在光射出侧端面上具有所述电介质膜110，然而最好在光反射侧端面上也具有电介质膜。该电介质膜110从氮化物半导体层的端面侧开始依次具备由相同元素构成的第一电介质膜111和第二电介质膜112。最好第一电介质膜111由单晶膜构成，所述第二电介质膜112由非晶质膜构成。
是如下的对置电极构造的半导体激光元件，即，在所述p型氮化物半导体层210中具备条纹状的山脊部和其上的p电极230，在基板100的第二主面100b上具备n电极232。
所述电介质膜110中，含有选自Al、Si、Nb、Ti、Zr、Hf、Ta、Zn、Y、Ga、Mg中的至少一种。优选作为这些元素的氧化物的AlxOy(1＜x，1＜y)、SiOx(1＜x)、NbxOy(1＜x，1＜y)、TiOx(1＜x)、ZrOx(1＜x)等。作为一个例子，为Al2O3、SiO2、Nb2O5、TiO2、ZrO2等。
对于所述电介质膜，将利用超薄膜评价装置(日立制HD-2000)测定了电子射线衍射图像的结果为单点的称作非晶质膜。另外，将利用所述装置测定了电介质膜的结晶性的结果为在衍射图案中具有2个以上的多个点的称作单晶膜。
第一电介质膜优选半导体和电介质膜的反应防止膜。特别是在氮化物半导体激光元件中，在活性层中具备含有In的层，因而处于光谐振器端面的活性层的In有可能与电介质膜反应或分解，然而通过设置所述反应防止膜，就可以抑制此种问题。
另外，第二电介质膜优选激光的反射膜。这样，就可以调整光谐振器内的光封入。通过形成作为反应防止膜的第一电介质膜，就能够将该第二电介质膜设为反射膜。
第一电介质膜的膜厚在30以上500以下。优选50以上300以下。通过将第一电介质膜的膜厚设为所述范围，就可以不引起膜剥离地具有反应防止功能。
第二电介质膜的膜厚在500以上2000以下。优选700以上1750以下。更为理想的是，第一电介质膜和第二电介质膜的合计膜厚在1200以上1800以下。通过将第二电介质膜的膜厚设为所述范围，就可以容易地控制所需的反射率。
另外，在振荡波长λ约为400nm的情况下，使第一电介质膜的折射率在1.65以上，第二电介质膜的折射率高于1.65。这样，就可以提高COD水平。而且，本申请说明书中，所谓约为400nm是指390nm～415nm。
在电介质膜的形成中使用真空蒸镀法或溅射法等成膜法。作为溅射成膜装置，例如使用ECR溅射装置或磁控管溅射装置、高频溅射装置。
将所述电介质膜110的成膜方法的一个例子表示如下。将如下的半导体，即，将在基板上层叠了半导体层的晶片由晶片形状起制成棒形状而形成了光谐振器端面的半导体固定于成膜夹具上后，在成膜装置中进行电介质膜的成膜。这里，用ECR成膜装置进行电介质膜的成膜。在原料中使用稀有气体(Ar、He、Xe等)和氧气、金属靶。在该金属靶中使用3N(99.9％)以上的Al或Zr、Si、Nb、Hf、Ti等。如果是Al，则优选使用5N(99.9％)以上的材料来形成电介质膜。
第一电介质膜的成膜与形成第二电介质膜的情况相比，增加了氧量而进行成膜。第一电介质膜的成膜中，将微波设为300～800W以下，将Rf设为300～800W以下，将稀有气体的流量设为10～50sccm(standard cubiccentimeter per minute)以下，将氧气的流量设为5～20sccm。通过在该条件下成膜，第一电介质膜即单晶化。
第二电介质膜的成膜中，将微波设为300～800W以下，将Rf设为300～800W以下，将稀有气体的流量设为10～50sccm以下，将氧气的流量设为2～10sccm，与形成所述第一电介质膜时的氧气的流量相比设为更小的值。通过在该条件下成膜，第二电介质膜就可以形成含有由非晶质构成的膜的膜。另外，通过将氧气的流量设为小于5sccm，则第二电介质膜就可以形成非晶质膜。第二电介质膜与第一电介质膜相比，相对于同一金属的氧含量相等或更少。
作为其他的成膜条件，成膜气氛的压力设为0.01Pa以上1Pa以下。另外，所述第一电介质膜的堆积速度设为1nm/min以上。所述第二电介质膜的堆积速度设为5nm/min以上。这样就可以形成由单晶构成的膜和由非晶质构成的膜。
所述电介质膜既可以在光射出(前)侧端面和光反射(后)侧端面上同时成膜，另外也可以在各自的条件下成膜。
本实施方式的所述氮化物半导体层虽然是从基板100侧开始被以n型氮化物半导体层200、活性层205、p型氮化物半导体层210的顺序形成的，然而本发明并不限定于此，也可以是从基板侧开始被以p型氮化物半导体层、活性层、n型氮化物半导体层的顺序形成的。另外，活性层205设为多重量子阱构造或单一量子阱构造。所述氮化物半导体层优选设为用n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层夹持了活性层的作为分离光封入型构造的SCH(Separate Confinement Heterostructure)构造。这是为了通过在活性层的上下设置与活性层相比能带间隙更大的光导引层来构成光的导波路。
所述氮化物半导体层的通式设为InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)。此外，作为III族元素在局部还可以具有B。另外，作为V族元素，也可以将N的一部分用P、As取代。在n型氮化物半导体层中，作为n型杂质，含有Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、Cd等IV族元素或VI族元素等的任意一种以上。另外，在p型氮化物半导体层中，作为p型杂质，含有Mg、Zn、Be、Mn、Ca、Sr等。优选在杂质的浓度为5×1016/cm3以上1×1021/cm3以下的范围中掺杂。
作为所述氮化物半导体的生长方法，没有特别限定，然而可以恰当地使用MOVPE(有机金属气相生长法)、MOCVD(有机金属化学气相生长法)、HVPE(氢化物气相生长法)、MBE(分子射线准分子法)等被作为氮化物半导体的生长方法已知的全部方法。特别是，MOCVD由于可以使之结晶性良好地生长，因此优选。另外，氮化物半导体最好根据使用目的适当地选择各种氮化物半导体的生长方法来生长。
以下，作为本实施方式的半导体激光元件的制造方法，将使用氮化物半导体进行说明，然而本发明并不一定限定于以下的构成。
(第一工序)首先，准备具有第一主面和第二主面的基板100。在该基板100中，使用在第一主面及/或第二主面上具有0.05°～1.0°的斜角(off-angle)的基板100。该基板100的膜厚设为50μm以上1nm以下，然而优选设为100μm以上500μm以下。作为氮化物半导体的生长用基板，优选使用氮化物半导体基板100。在氮化物半导体基板100的制造方法中，有MOCVD法或HVPE法、MBE法等气相生长法、在超临界流体中进行晶体培养的水热合成法、高压法、熔流(flux)法、熔融法等。
氮化物半导体基板100的第一主面是C(0001)面、M(1-100面)、A(11-20)面。如果将所述氮化物半导体基板100的第一主面设为C(0001)面，则第二主面就变为(000-1)面。所述氮化物半导体基板100中的每单位面积的位错数以CL观察或TEM观察为5×106/cm2以下。另外，所述氮化物半导体基板100的利用双轴晶体法得到的(0002)衍射X射线摇摆曲线的半高宽(Full Width at Half Maximum)为2分以下，优选1分以下。所述氮化物半导体基板100的曲率半径为1m以上。
通过对所述氮化物半导体基板的第一主面及/或第二主面进行研磨或研削、激光照射，形成0.05°～1.0°，优选0.1°～0.7°的斜角。如果在该范围中形成斜角，则可以在激光元件的振荡波长从365nm以下的紫外区域直到500nm以上的长波长区域的范围中使元件特性稳定。具体来说，可以使芯片内的活性层的组成分布均一化。而且，本说明书中，表示面指数的括号内的横线(—)表示应当附加在后面的数字上的横线。
(第二工序)然后，在具有斜角的氮化物半导体基板的第一主面100a上生长氮化物半导体层。利用MOCVD法，在减压～大气压的条件下使以下的各层生长。所述氮化物半导体层是在所述氮化物半导体基板100的第一主面上，以n型氮化物半导体层200、活性层205、p型氮化物半导体层210的顺序层叠。层叠于氮化物半导体基板100的第一主面100a上的n型氮化物半导体层200为多层膜。作为第一n型氮化物半导体层201为AlxGa1-xN(0＜x≤0.5)，优选AlxGa1-xN(0＜x≤0.3)。作为具体的生长条件，将反应炉内的生长温度设为1000℃以上，将压力设为600Torr以下。另外，第一n型氮化物半导体层201也可以作为包覆层发挥作用。膜厚为0.5～5μm。然后，形成第二n型氮化物半导体层202。该第二n侧氮化物半导体层是作为光导引层发挥作用的AlxGa1-xN(0＜x≤0.3)。膜厚为0.5～5μm。
在所述n型氮化物半导体层中，还可以形成夹隔了由InxAlyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1，0＜x+y≤1)构成的中间层的构成。另外，该中间层为单一层构造，或为多层叠层构造。
此外，活性层205具有至少含有In的通式InxAlyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1，0＜x+y≤1)。通过提高Al含量，就能够实现紫外区域的发光。另外，还可以实现长波长侧的发光，从360nm～580nm都可以进行发光。另外，当以量子阱构造形成活性层时，则发光效率就会提高。这里，阱层的组成中，In的混晶为0＜x≤0.5。作为阱层的膜厚，为30～200埃，优选30～100埃。作为势垒层的膜厚，为20～300埃，优选70～200埃。所述活性层的多重量子阱构造无论是从势垒层开始以阱层结束，还是从势垒层开始以势垒层结束，或从阱层开始以势垒层结束，还是从阱层开始以阱层结束都可以。
然后，在活性层上层叠p型氮化物半导体层210。作为第一p型氮化物半导体层211为含有p型杂质的AlxGa1-xN(0≤x≤0.5)。第一p型氮化物半导体层作为p侧电子封入层发挥作用。此外，作为第二p型氮化物半导体层212为AlxGa1-xN(0≤x≤0.3)，作为第三p型氮化物半导体层213为含有p型杂质的AlxGa1-xN(0＜x≤0.5)。第三p型氮化物半导体层优选超晶格构造，作为包覆层发挥作用。具体来说，由AlxGa1-xN(0≤x＜1)层和AlyGa1-yN(0＜y≤1，x＜y)层构成。作为第四p型氮化物半导体层214，依次形成了含有p型杂质的AlxGa1-xN(0≤x≤1)。另外，也可以使这些半导体层中混有In。所述第一p型氮化物半导体层211可以省略。作为所述各层的膜厚，为30～5μm。
反应结束后，在反应容器中，在氮气气氛中，以700℃以上的温度对晶片进行退火，使p型氮化物半导体层低电阻化。
在所述n型氮化物半导体层、p型氮化物半导体层中，也可以是具有由组成比相互不同的2层构成的超晶格构造的构成。
(第三工序)将在氮化物半导体基板100上层叠了氮化物半导体层的晶片从反应容器中取出。然后，利用蚀刻使n型氮化物半导体层200露出。利用该蚀刻，谐振器的长度被制成200μm～1500μm，芯片宽度被制成150μm～500μm。n型氮化物半导体层的露出面虽然没有特别限定，然而本实施方式中，露出至第一n型氮化物半导体层201。这样就会有缓解应力的效果。该工序可以省略。也可以与该蚀刻同时地在光射出侧端面附近形成W型槽120。利用该W型槽来抑制从端面发出漫射光的情况。另外，也可以与所述蚀刻同时地在元件的四角形成劈开辅助槽。利用该劈开辅助槽，就更容易由晶片实现棒化，继而实现芯片化。在蚀刻中，使用RIE法，利用Cl2、CCl4、BCl3、SiCl4气体等进行蚀刻。
然后，在所述p型氮化物半导体层中形成条纹状的山脊部。作为导波路区域的山脊部的宽度设为1.0μm～30.0μm。采用单模的激光时的山脊部的宽度优选设为1.0μm～3.0μm。山脊部的高度(蚀刻的深度)只要是至少使第三p型氮化物半导体层213露出的范围即可，也可以露出至第一p型氮化物半导体层211。
其后，在所述p型氮化物半导体层的露出面上形成第一绝缘膜220。该第一绝缘膜220最好形成于山脊的侧面上。该第一绝缘膜220是从与氮化物半导体层相比折射率更小的绝缘性材料中选择的。作为具体例，为Zr、Si、V、Nb、Hf、Ta、Al等的氧化物或氮化物。
其后，在所述第四p型氮化物半导体层214的表面形成p电极230。最好仅在第四p型氮化物半导体层214上形成p电极230。作为p电极，采用多层构造。如果是例如由Ni和Au构成的2层构造，则首先在第四p型氮化物半导体层上以50～200的膜厚形成Ni，然后以500～3000的膜厚形成Au。另外，在将p电极设为3层构造的情况下，则以Ni/Au/Pt或Ni/Au/Pd的顺序形成。对于将p电极设为3层构造时的膜厚，Ni和Au设为与2层构造相同的膜厚，成为最终层的Pt或Pd为500～5000。另外，还可以在形成了p层230后，进行欧姆退火。作为退火条件，将退火温度设为300℃以上，优选设为500℃以上。另外，将进行退火的气氛设为含有氮及/或氧的条件。
p电极230的端面虽然最好与半导体层的光射出侧端面大致一致，然而如图3所示，p电极230的端面也可以与光射出端面分离10μm左右。
然后，在前面工序中露出的n型氮化物半导体层的侧面等上形成第二绝缘膜240。该第二绝缘膜由ZrO2、SiO2以及V、Nb、Hf、Ta、Al等的氧化物构成。
然后，在p电极230之上形成平头电极250(图3)。而且，图3中所示的氮化物半导体激光元件的俯视图中，将第一绝缘膜220、第二绝缘膜240省略。另外，所述平头电极优选设为由Ni、Ti、Au、Pt、Pd、W等金属构成的叠层体。例如，所述平头电极从p电极侧开始以W/Pd/Au或Pt/Ti/Au、Ni/Ti/Au的顺序形成。平头电极的膜厚虽然没有特别限定，然而将最终层的Au的膜厚设为1000以上。
(第四工序)其后，在所述氮化物半导体基板的第二主面100b上形成所述的n电极232。通过从基板的第二主面侧开始进行研磨，将基板的膜厚设为100μm以下。然后，利用溅射等以多层形成n电极。n电极232可以使用含有选自V、Mo、Ti、Cr、W、Al、Zr、Au、Pd、Rh、Nb、Hf、Ta、Re、Mn、Zn、Pt、Ru中的至少一个的合金或层构造。优选由V/Pt/Au、Ti/Pt/Au、Mo/Pt/Au、W/Pt/Au、Ti/Pd/Al、Ti/Al、Cr/Au、W/Al、Rh/Al构成的2层构造或者3层构造。另外，在n电极的表面上，出于屏蔽的目的，也可以层叠Ti、Mo、Si、W、Pt、Ni、Rh或它们的氧化物或氮化物。可以加强芯片的安装强度。
n电极的膜厚为，例如在第一层中使用V以膜厚100形成。在第二层中使用Pt以膜厚2000形成，在第三层中使用Au以膜厚3000形成。除了溅射以外，也可以利用CVD或蒸镀等来形成。另外，也可以在形成了n电极后，在500℃以上进行退火。
在形成了n电极232后，还可以再形成金属化电极。作为该金属化电极，使用Ti-Pt-Au-(Au/Sn)、Ti-Pt-Au-(Au/Si)、Ti-Pt-Au-(Au/Ge)、Ti-Pt-Au-In、Au/Sn、In、Au/Si、Au/Ge等。
在形成了n电极232后，在与条纹状的p电极230垂直的方向上，为了形成氮化物半导体的谐振器端面，将晶片以棒状分割。这里，谐振器端面设为M面(1-100面)或A面(11-20面)。作为将晶片以棒状分割的方法，有刮刀破碎法(blade-break)、辊式破碎法(roller-break)或压力机破碎法(press-break)。
另外，也可以将晶片的分割工序以2个阶段来进行。利用该方法，可以用优良的材料利用率形成谐振器端面。首先，从基板的第一主面侧或第二主面侧利用蚀刻等预先形成劈开辅助槽。该劈开辅助槽形成于要芯片化的元件的四个角上。这样，就可以抑制劈开方向弯曲的情况。然后，利用破碎机将晶片以棒状分割。
(第五工序)然后，在谐振器端面上形成所述的电介质膜110。将在光射出侧端面上形成了电介质膜110的氮化物半导体激光元件的俯视图表示于图4中。该电介质膜110还有如下的构成，即，在光射出侧端面上依次形成了第一电介质膜111、第二电介质膜112后，在光反射侧端面上也形成电介质膜110’。将在光射出侧端面上形成电介质膜110的氮化物半导体激光元件的立体图表示于图6中。此外，如图7所示，在氮化物半导体激光元件的侧面上，也围绕有所述电介质膜110。如果是此种构成，则不仅可以防止氮化物半导体的端面的老化，还可以防止侧面的老化。另外，如图8所示，有覆盖电极地围绕电介质膜的构成。如果是此种构成，则也可以有效地防止侧面的老化。
在半导体300的光射出侧端面上形成了由第一电介质膜111和第二电介质膜112构成的电介质膜110后，在光反射侧端面上形成反射镜310(图5a)。该反射镜310是具有85％以上的反射率的部件，是低折射率层和高折射率层的成对构造。反射侧端面的反射率优选90％以上，更优选95％以上。
作为其他的构成，有如下的构成，即，从半导体300的光反射测端面开始形成了依次由第一电介质膜111’和第二电介质膜112’构成的电介质膜110’后，形成反射镜310。利用此种构成，寿命特性将会提高(图5b)。
另外，作为其他的构成，也可以在半导体300的光射出侧端面上形成了电介质膜110后，在其表面形成反射镜310(图5c)。反射镜是低折射率层和高折射率层的成对构造，例如具有SiO2和ZrO2的成对构造。其对数为2～10，优选3～8，更优选设为6。作为其他的材料，可以使用Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B的氧化物、氮化物、氟化物等化合物。
(第六工序)在棒形状的半导体的谐振器端面上形成了电介质膜后，从棒形状起进行芯片化，形成氮化物半导体激光元件。氮化物半导体激光元件进行了芯片化后的形状为矩形，该矩形的谐振器长设为650μm以下。利用以上操作，所得的氮化物半导体激光元件的COD水平在1W以上，Kink功率达到500mW。另外进行了寿命试验(Tc＝70℃，在CW下输出为100mW)的结果为，可以得到5000小时以上的结果。
另外，本发明中，是减小了接触电阻的对置电极构造的氮化物半导体激光元件，接触电阻率在1.0E-3Ωcm2以下。
下面，作为实施例将对使用了氮化物半导体的半导体激光元件进行说明，然而本发明并不限定于下述的实施例，基于该发明的技术思想的各种变形当然都可以。
基板使用以C面为主面的晶片状的GaN基板100。作为基板并不特别限定于此，根据需要，可以使用以R面、A面为主面的GaN基板。
(n型包覆层201)然后，将所述GaN基板向MOCVD装置搬送。将炉内的气氛温度设为1050℃，在原料气体中使用TMA(三甲基铝)、TMG及氨，以膜厚2.0μm生长由未掺杂的Al0.04Ga0.96N构成的n型包覆层。该层也可以掺杂n型杂质。
(活性层205)然后，将温度设为800℃，在原料中使用TMI(三甲基铟)、TMG及氨，作为杂质气体使用硅烷气体，以140的膜厚生长由Si掺杂的In0.02Ga0.98N构成的势垒层。接下来，停止硅烷气体的使用，以80的膜厚生长由未掺杂的In0.1Ga0.9N构成的阱层。将该操作反复进行2次，最后以140的膜厚生长由Si掺杂的In0.02Ga0.98N构成的势垒层，长成总膜厚为580的多重量子阱构造(MQW)的活性层。
(p型电子封入层211)在同样的温度下，N2气氛中，以30的膜厚生长由Mg掺杂的Al0.25Ga0.75N构成的p型电子封入层。然后，在H2气氛中，以70的膜厚生长由Mg掺杂的Al0.25Ga0.75N构成的p型电子封入层。
(p型光导引层212)然后，将温度设为1050℃，在原料气体中使用TMG及氨，以0.13μm的膜厚生长由未掺杂的GaN构成的p型光导引层。
(p型包覆层)接下来，以80的膜厚生长由未掺杂的Al0.085Ga0.92N构成的A层，在其上以80的膜厚生长由Mg掺杂的GaN构成的B层。将其反复进行28次，将A层和B层交互地层叠，长成由总膜厚为0.45μm的多层膜(超晶格构造)构成的p型包覆层。
(p型接触层213)最后，在1050℃下，在p型包覆层之上以150的膜厚生长由Mg掺杂的GaN构成的p型接触层。p型接触层可以用p型的InxAlyGa1-x-yN(x≤0，y≤0，x+y≤1)来构成，理想的情况是，如果设为掺杂了Mg的GaN，则能够与p电极获得最为理想的欧姆接触。反应结束后，在反应容器内，在氮气气氛中将晶片以700℃退火，使p型层进一步低电阻化。
在如上所述地在GaN基板上生长氮化物半导体而形成了叠层构造体后，将晶片从反应容器中取出，在最上层的p型接触层的表面形成由SiO2构成的保护膜，使用RIE(反应性离子蚀刻)，利用Cl2气体进行蚀刻，使n型包覆层的表面露出。另外，此时，在光射出侧端面附近形成W型槽。
然后，为了形成条纹状的导波路区域，在最上层的p型接触层的大致全面上，利用CVD装置，以0.5μm的膜厚形成了由Si氧化物(主要是SiO2)构成的保护膜后，利用光刻技术在保护膜之上形成规定的形状的掩模，利用RIE装置，以使用了CHF3气体的蚀刻形成由条纹状的Si氧化物构成的保护膜。将该Si氧化物的保护膜作为掩模，使用Cl2气体和SiCl4气体蚀刻半导体层，在活性层之上形成山脊条纹。此时，使山脊的宽度达到1.4μm。
在形成了SiO2掩模的状态下，在p型半导体层表面以大约1000的膜厚形成由ZrO2构成的第一绝缘膜。在形成了第一绝缘膜后，将晶片在600℃下热处理。像这样，当将SiO2以外的材料作为第一绝缘膜形成时，在第一绝缘膜形成后，通过在300℃以上，优选400℃以上1200℃以下进行热处理，就可以使绝缘膜材料稳定化。热处理后，浸渍于缓冲液中，将形成于山脊条纹的上面的SiO2溶解除去，利用卸除法(lift-off)将位于p型接触层上的ZrO2与SiO2一起除去。这样，就形成如下的构造，即，山脊的上面被露出，山脊的侧面被ZrO2覆盖。
然后，在p型接触层上形成由Ni-Au构成的p电极230。Ni的膜厚设为100，Au的膜厚设为1500。其后，在600℃下进行热处理(可省略)。然后，作为第二绝缘膜在激光元件的侧面形成SiO2。继而，在所述p电极上作为p平头电极依Ni-Ti-Au的顺序形成。然后，研磨GaN基板调整为大约85μm的膜厚后，在基板背面形成依V-Pt-Au的顺序以100、2000、3000的膜厚层叠了的n电极。
然后，从氮化物半导体层侧开始破碎，通过进行劈开而形成棒形状。氮化物半导体层的劈开面成为氮化物半导体的M面(11-00面)，将该面作为谐振器面。
(电介质膜110)在如上所述地形成的棒形状的氮化物半导体的光射出侧端面上设置电介质膜。在光射出侧端面上，使用ECR溅射装置，利用氧等活性气体的等离子体，将谐振器端面清洁后，形成ZrO2、Nb2O5、Al2O3、TiO2等的第一电介质膜和第二电介质膜。本实施例中，将电介质膜设为AlxOy。在金属靶中使用5N的Al，在将Ar的流量设为15sccm；将O2的流量设为10sccm；微波功率为600W；RF为600W的条件下，20nm的膜厚形成第一电介质膜111。然后，在将Ar的流量设为10sccm；将O2的流量设为3sccm；微波功率为450W；RF为450W的条件下，以130nm的膜厚形成第二电介质膜112。这里，相对于405nm的光，所述第一电介质膜的折射率为1.63，所述第二电介质膜的折射率为1.67。
(电介质膜110’)然后，在光反射侧端面形成了由AlxOy构成的电介质膜110’后，形成由SiO2和ZrO2构成的反射镜310。
在使用ECR溅射装置，利用氧等活性气体的等离子体将反射侧端面清洁后，在以下的条件下形成电介质膜110’。在Al源中使用金属靶的Al。首先，在将Ar的流量设为15sccm；将O2的流量设为10sccm；微波功率为600W；RF为600W的条件下，以20nm形成了第一电介质膜111’后，在将Ar的流量设为10sccm；将O2的流量设为3sccm；微波功率为450W；RF为450W的条件下，以40nm形成了第二电介质膜112’，形成由Al2O3构成的保护膜。这里，相对于405nm的光，所述第一电介质膜的折射率为1.63，所述第二电介质膜的折射率为1.67。
其后，使用Si靶，利用将Ar的流量设为20sccm；将O2的流量设为7sccm；微波功率为500W；RF为500W的条件，以67nm的膜厚形成SiO2。然后，使用Zr靶，利用将Ar的流量设为20sccm；将O2的流量设为27.5sccm；微波功率为500W；RF为500W的条件，以44nm的膜厚形成ZrO2。在所述条件下，将SiO2和ZrO2交互地层叠6对，形成反射镜310。
其后，从棒形状的半导体中进行芯片化，形成矩形的氮化物半导体激光元件。谐振器长设为600μm，芯片宽度设为200μm。利用以上操作，所得的氮化物半导体激光元件如图9所示，COD水平在800mW以上。作为比较例，在图10中，表示了不具有本实施例的所述电介质膜的氮化物半导体激光元件的COD水平。另外Kink功率达到400mW。进行了寿命试验(Tc＝70℃，在CW下输出为100mW)的结果为，可以得到5000小时以上的结果。另外，本实施例的氮化物半导体激光元件在室温下3.5kA/cm2的阈值电流密度下，以CW驱动时150mW的高输出下，能够实现振荡波长405nm的连续振荡。
除了在实施例1中，将光射出侧端面的电介质膜110设为以下的构成以外，同样地形成了氮化物半导体激光元件。使用ECR溅射装置。利用氧等活性气体的等离子体清洁了光射出侧端面后，形成由AlxOy构成的第一电介质膜和第二电介质膜。首先，在金属靶中使用5N的Al，在将Ar的流量设为15sccm；将O2的流量设为10sccm；微波功率为600W；RF为600W的条件下，以20nm的膜厚形成了第一电介质膜。其后，在金属靶中使用5N的Al，在将Ar的流量设为10sccm；将O2的流量设为3sccm微波功率为450W；RF为450W的条件下，以100nm的膜厚形成了第二电介质膜。这里，相对于405nm的光，所述第一电介质膜的折射率为1.63，所述第二电介质膜的折射率为1.67。利用以上操作得到的氮化物半导体激光元件显示出与实施例1大致相同的特性。
除了在实施例1中，将电介质膜设为以下的构成以外，同样地形成了氮化物半导体激光元件。
对光射出侧端面，在使用ECR溅射装置，利用氧等活性气体的等离子体清洁了光射出侧端面后，在金属靶中使用5N的Al，在将Ar的流量设为15sccm；将O2的流量设为10sccm；微波功率为600W；RF为600W的条件下，以20nm的膜厚形成了第一电介质膜111后，在金属靶中使用5N的Al，在将Ar的流量设为10sccm；将O2的流量设为3sccm；微波功率为450W；RF为450W的条件下，以40nm的膜厚形成了第二电介质膜，从而形成电介质膜110。这里，相对于405nm的光，所述第一电介质膜的折射率为1.63，所述第二电介质膜的折射率为1.67。
然后，在金属靶中使用Al，在将Ar的流量设为10sccm将O2的流量设为3sccm；微波功率为450W；RF为450W的条件下，以60nm的膜厚形成Al2O3。其后，使用由Zr制成的靶，在将Ar的流量设为20sccm；将O2的流量设为27.5sccm；微波功率为500W；RF为500W的条件下，以44nm的膜厚形成ZrO2。在所述条件下，将Al2O3和ZrO2交互地层叠2对，形成反射镜310。
然后，对光反射侧端面，使用ECR溅射装置，利用氧等活性气体的等离子体清洁了谐振器端面后，在金属靶中使用Al，在将Ar的流量设为15sccm；将O2的流量设为10sccm；微波功率为600W；RF为600W的条件下，以20nm的膜厚形成了第一电介质膜111’后，在金属靶中使用Al，在将Ar的流量设为10sccm；将O2的流量设为3sccm；微波功率为450W；RF为450W的条件下，以40nm的膜厚形成了第二电介质膜112’，从而形成由Al2O3构成的电介质膜110’。
然后，在金属靶中使用Al，在将Ar的流量设为10sccm；将O2的流量设为3sccm；微波功率为450W；RF为450W的条件下，形成膜厚60nm的低折射率膜。其后，在金属靶中使用Zr，在将Ar的流量设为20sccm；将O2的流量设为27.5sccm；微波功率为500W；RF为500W的条件下，形成膜厚44nm的高折射率膜。在所述条件下，将Al2O3和ZrO2交互地层叠6对，形成反射镜310。
其后，从棒形状的半导体中进行芯片化，形成谐振器长为300μm、芯片宽度为200μm的矩形的氮化物半导体激光元件。利用以上操作，所得的氮化物半导体激光元件的COD水平在350mW以上，Kink功率达到100mW。另外，进行了寿命试验(Tc＝70℃，在CW下输出为20mW)的结果为，可以得到20000小时以上的结果。另外，本实施例的氮化物半导体激光元件在室温下4.2kA/cm2的阈值电流密度下，以CW驱动时50mW的高输出下，能够实现振荡波长405nm的连续振荡。
除了在实施例1中，将光反射侧端面的电介质膜设为以下的构成以外，同样地形成了氮化物半导体激光元件。
对光反射侧端面，在使用ECR溅射装置，利用氧等活性气体的等离子体清洁了光反射侧端面后，在将Ar的流量设为15sccm；将O2的流量设为10sccm；微波功率为600W；RF为600W的条件下，将Al2O3以20nm的膜厚制成了第一电介质膜后，在将Ar的流量设为10sccm；将O2的流量设为3sccm；微波功率为450W；RF为450W的条件下，以40nm的膜厚形成了第二电介质膜，从而形成由Al2O3构成的电介质膜。这里，相对于405nm的光，所述第一电介质膜的折射率约为1.63，所述第二电介质膜的折射率约为1.67。
然后，使用磁控管溅射装置，在将Ar的流量设为50sccm；将O2的流量设为5sccm；RF为500W的条件下，将SiO2制成膜厚为67nm的低折射率膜。其后，在将Ar的流量设为50sccm；将O2的流量设为10sccm；RF为500W的条件下，将ZrO2制成膜厚46nm的高折射率膜。在所述条件下，将SiO2和ZrO2交互地层叠6对，形成反射镜310。利用以上操作得到的氮化物半导体激光元件显示出与实施例1大致相同的特性。
除了在实施例1中，将光反射侧端面的电介质膜设为以下的构成以外，同样地形成了氮化物半导体激光元件。
将第一电介质膜以200的膜厚形成，将第二电介质膜以1000的膜厚形成，将ZrO2以440的膜厚形成，然后将(600的Al2O3、440的ZrO2)形成7对。最后，以1200的膜厚形成Al2O3。利用以上操作得到的氮化物半导体激光元件是寿命特性优良的元件。
除了在实施例1中，将光反射侧端面的电介质膜设为以下的构成以外，同样地形成了氮化物半导体激光元件。
将第一电介质膜以200的膜厚形成，将第二电介质膜以1000的膜厚形成，将ZrO2以440的膜厚形成，然后将(600的Al2O3、440的ZrO2)形成7对。最后，以1000的膜厚形成Al2O3，以200的膜厚形成AlN。利用以上操作得到的氮化物半导体激光元件是寿命特性优良的元件。
除了在实施例1中，将光反射侧端面的电介质膜设为以下的构成以外，同样地形成了氮化物半导体激光元件。
在前端面上将第一电介质膜以200的膜厚形成，将第二电介质膜以800的膜厚形成，另外在与第一电介质膜相同的条件下，依次形成膜厚为200的电介质膜。利用以上操作得到的氮化物半导体激光元件是寿命特性优良的元件。
产业上的利用可能性本发明的半导体激光元件可以用于光盘用途、光通信系统、印刷机、曝光用途、测定等中。另外，还可以用于如下的与生物有关的激发用光源等中，即，通过向在特定波长具有灵敏度的物质照射由半导体激光器得到的光，来检测该物质的有无或位置。
权利要求
1.一种半导体激光元件，是在光谐振器端面的至少一方上具有电介质膜的半导体激光元件，其特征是，所述电介质膜是从半导体的端面侧开始依次形成由相同元素构成的第一电介质膜和第二电介质膜而成的，所述第一电介质膜含有由单晶构成的膜，所述第二电介质膜含有由非晶质构成的膜，所述第一电介质膜和第二电介质膜的组成比大致相同。
2.一种半导体激光元件，是在光谐振器端面的至少一方上具有电介质膜的半导体激光元件，其特征是，所述电介质膜是从半导体的端面侧开始依次形成由相同元素构成的第一电介质膜和第二电介质膜而成的，所述第一电介质膜是半导体和电介质膜的反应防止膜，所述第二电介质膜是激光的反射膜。
3.根据权利要求2所述的半导体激光元件，其中，所述第一电介质膜含有由单晶构成的膜，并且所述第二电介质膜含有由非晶质构成的膜。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的半导体激光元件，其中，所述第一电介质膜与所述第二电介质膜相比折射率更低。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的半导体激光元件，其中，所述第二电介质膜与所述第一电介质膜相比膜厚更大。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的半导体激光元件，其中，所述电介质膜的反射率在25％以下。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的半导体激光元件，其中，所述电介质膜的反射率在半导体激光元件的振荡波长约为400nm时为20％以下。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的半导体激光元件，其中，所述第一电介质膜及第二电介质膜在构成元素中具有Al和O。
9.根据权利要求1～8中任意一项所述的半导体激光元件，其中，所述第一电介质膜和所述第二电介质膜的热膨胀系数大致一致。
10.根据权利要求1或2所述的半导体激光元件，其中，所述电介质膜的最外层为氮化物。
11.一种半导体激光元件，是在光谐振器端面的至少一方上具有电介质膜的半导体激光元件，其特征是，所述电介质膜是从半导体的端面侧开始依次形成第一电介质膜、第二电介质膜和第三电介质膜而成的，所述第一电介质膜和第二电介质膜由相同元素构成，所述第三电介质膜具有与第一电介质膜及第二电介质膜不同的元素，所述第一电介质膜是半导体和电介质膜的反应防止膜，所述第二电介质膜是第一电介质膜和第三电介质膜的应力缓解膜。
12.根据权利要求11所述的半导体激光元件，其中，所述第一电介质膜及第二电介质膜含有氧。
13.根据权利要求12所述的半导体激光元件，其中，所述第一电介质膜的氧含量多于所述第二电介质膜的氧含量。
14.根据权利要求11所述的半导体激光元件，其中，所述电介质膜的最外层为氮化物。
全文摘要
本发明提供一种可以适应高输出化或短波长化的具有端面保护膜的半导体激光元件。本发明是在光谐振器端面的至少一方上具有电介质膜的半导体激光元件，所述电介质膜是从所述半导体的端面侧开始依次形成由相同元素构成的第一电介质膜和第二电介质膜而成的，所述第一电介质膜含有由单晶构成的膜，所述第二电介质膜含有由非晶质构成的膜。
文档编号H01S5/10GK1929218SQ200610107798
公开日2007年3月14日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年7月29日
发明者落合真尚, 汤浅功治 申请人:日亚化学工业株式会社