专利名称：半导体激光装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光装置及其制造方法，尤其是，涉及具有气密密封半导体激光元件的封装部的半导体激光装置及其制造方法。
背景技术：
在现有技术中，已知在封装部内气密密封有半导体激光元件的半导体激光装置。例如，在日本专利特开2005-209801号公报中，公开了在杆部(支撑部)上安装有氮化物系半导体激光元件的同时，由非导电性材料构成的盖部以覆盖氮化物系半导体激光元件的方式被接合的氮化物系半导体激光装置。
此外，在日本专利特开2005-209801号公报中记载的氮化物系半导体激光元件在其端面形成有用于调整反射率的涂覆膜。一般来说，在半导体激光元件的前端面(光出射面)和后端面上形成有用于反射率控制和端面保护的端面涂敷膜，作为该端面涂敷膜的材料使用SiO2或SiN等构成的电介质。
然而，在日本专利特开2005-209801号公报中记载的氮化物系半导体激光装置没有考虑有关封装部内的氛围气体、水分浓度、端面涂敷膜的材质。因此，产生了由封装部内的气氛、水分浓度、端面涂敷膜的材质引起的端面涂敷膜的变质、氮化物系半导体激光元件的输出特性降低的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题，本发明的一个目的在于提供能够抑制由在半导体激光元件的端面形成的由氮化物构成的电介质层的变质引起的输出降低和可靠性下降的半导体激光装置及其制造方法。
本发明的一个方案的半导体激光装置具备具有至少在光出射面上形成的由氮化物构成的电介质层的半导体激光元件，和气密密封半导体激光元件的封装部，封装部内的气氛是水分浓度在5000ppm以下的含氮气氛。
如上所述，通过在半导体激光元件的至少光出射面上形成由氮化物构成的电介质层，同时将半导体激光元件气密密封在封装部内，并使封装部内的气氛成为含氮气氛，能够抑制由封装部内的气氛中的氮浓度变得过低引起的氮从由氮化物构成的电介质层脱离的这样的不利情况的发生。因此，能够抑制由于这样的氮的脱离加速地产生电介质层的水分的吸收和吸附。此外，通过将封装部内的气氛的水分浓度保持在5000ppm以下，能够进一步有效地抑制电介质层的水分的吸收和吸附。其结果是，由于能够抑制氮从电介质层的脱离和电介质层的水分的吸收和吸附，在能够抑制半导体激光元件的特性劣化的同时，能够提高半导体激光装置的可靠性。
本发明的另一个方案的半导体激光装置具备具有在光出射面上不形成由氮化物构成的电介质层而仅在与光出射面相反侧的后端面上形成由氮化物构成的电介质层的半导体激光元件和气密密封半导体激光元件的封装部，封装部内的气氛是水分浓度在5000ppm以下的含氮气氛。
含氮气氛中的氮浓度优选在5％以上。另外，封装部包含用于支撑半导体激光元件的支撑部，和与支撑部接合、并用于气密密封半导体激光元件的盖部，在支撑部的表面和盖部的内侧表面上优选形成氧放出防止层。优选，封装部包括用于支撑半导体激光元件的支撑部，和与支撑部接合，并用于气密密封半导体激光元件的盖部，在盖部和支撑部的接合部上形成焊接接合的焊接部。优选半导体激光元件是氮化物系半导体激光元件。
本发明的另一个方案的半导体激光装置的制造方法具备至少在半导体激光元件的光出射面上形成由氮化物构成的电介质层的工序；在支撑部上安装半导体激光元件的工序；向安装有半导体激光元件的支撑部照射紫外光的工序；和在此之后，在水分浓度为5000ppm以下和氮浓度为5％以上的含氮气氛中，利用盖部气密密封半导体激光元件的工序。
如上所述，在该半导体激光装置的制造方法中，通过在半导体激光元件的至少光出射面上形成由氮化物构成的电介质层，并将半导体激光元件气密密封在封装部内并使封装部内的气氛成为含氮气氛，能够抑制由封装部内的气氛中的氮浓度变得过低引起的氮从由氮化物构成的电介质层脱离的这样的不利情况的发生。因此，能够抑制由于这样的氮的脱离加速地产生的电介质层的水分的吸收和吸附。另外，通过将封装部内的气氛的水分浓度保持在5000ppm以下，能够进一步有效地抑制电介质层引起的水分的吸收和吸附。再有，通过向安装有半导体激光元件的支撑部照射紫外光，即使是在半导体激光元件上附着有附着物的情况下，由紫外光的照射引起的光分解除去了在半导体激光元件的上面附着的附着物，因此能够抑制附着物中包含的水分及有机物在封装部内的气氛中的挥发。因此，能够抑制封装部内的水分浓度上升。其结果是，由于能够抑制氮从电介质层的脱离和电介质层的水分的吸收和吸附，因此能够抑制半导体激光元件的特性劣化，并能够提高半导体激光装置的可靠性。
在上述第三种方案的半导体激光装置的制造方法中，优选，还具备在形成由氧化物构成的电介质层的工序之前，利用等离子体至少对半导体激光元件的光出射面进行清洁的工序。
另外，本发明的另一个方案的半导体激光装置的制造方法具备在半导体激光元件的光出射面上不形成由氮化物构成的电介质层而仅在与光出射面相反侧的后端面上形成由氮化物构成的电介质层的工序；在支撑部安装半导体激光元件的工序；向安装有半导体激光元件的支撑部照射紫外光的工序；在此之后，在水分浓度为5000ppm以下和氮浓度为5％以上的含氮气氛中，利用盖部气密密封半导体激光元件的工序。
在上述半导体激光装置的制造方法中，优选还具备在形成由氧化物构成的电介质层的工序之前，利用等离子体至少对与半导体激光元件的与光出射面相反侧的后端面进行清洁的工序。
在由上述等离子体实施的清洁工序中，等离子体实施的清洁工序优选在不活泼气体的氛围中进行。另外，不活泼气体可以是稀有气体或氮气。
图1是表示本发明的一个实施方式的氮化物系半导体激光装置的结构的立体图。
图2是沿着图1的100-100线的截面图。
图3～图8是用于表示在图1中表示的一个实施方式的氮化物系半导体激光装置的制造方法的图。
图9是表示与在图1中表示的实施方式相对应的实施例1的氮化物系半导体激光装置的工作电流与经过时间的关系的相关图。
图10是表示与在图1中表示的实施方式相对应的实施例2的氮化物系半导体激光装置的工作电流与经过时间的关系的相关图。
图11是表示比较例1的氮化物系半导体激光装置的工作电流与经过时间的关系的相关图。
图12是表示比较例2的氮化物系半导体激光装置的工作电流与经过时间的关系的相关图。
图13是表示氮化物系半导体激光元件的水分浓度与电流上升率的关系的相关图。
图14是表示比较例3的氮化物系半导体激光装置的工作电流与经过时间的关系的相关图。
图15是表示光源使用射出蓝紫色激光的半导体激光元件的光盘装置的记录速度和半导体激光元件的光输出之间的关系的图形。
图16是表示封装部内的气氛的水分浓度为5000ppm的实施例3～5的氮化物系半导体激光装置中，通电时间与COD水平之间的关系的图形。
图17是表示封装部内的气氛的水分浓度为5000ppm的实施例3～5的氮化物系半导体激光装置中，氮化物系半导体激光元件的光输出与100小时通电后的电流上升率之间的关系的图。
图18是表示封装部内的气氛的水分浓度为5500ppm的比较例4～6的氮化物系半导体激光装置中，通电时间与COD水平之间的关系的图。
图19是表示封装部内的气氛的水分浓度为5500ppm的比较例4～6的氮化物系半导体激光装置中，氮化物系半导体激光元件的光输出与100小时通电后的电流上升率之间的关系的图。
具体实施例方式
以下，根据
本发明的实施方式。图1是表示本发明的一个实施方式的氮化物系半导体激光装置的结构的立体图。图2是沿着图1的100-100线的截面图。首先，参照图1和图2，对一实施方式的氮化物系半导体激光装置20的结构进行说明。其中，在本实施方式中，作为本发明的半导体激光装置的一个例子，对安装有射出振荡波长为405nm的蓝紫色激光的氮化物系半导体激光元件5的氮化物系半导体激光装置20进行说明。
在本实施方式的氮化物系半导体激光装置20中，如图1所示，在由铁制的杆部2和由科瓦铁镍钴合金(Fe-29％Ni-17％Co合金)形成的盖部3构成的封装部1内，安装有氮化物系半导体激光元件5。
如图1和图2所示，本实施方式的氮化物系半导体激光装置20的结构是在铁制的杆部2上一体地形成散热部件2a。于是，在散热部件2a上安装由AlN构成的散热器(heat sink)(子部件(submount))4。在散热器4上安装有氮化物系半导体激光元件5。该氮化物系半导体激光元件5被配置成光出射面5a与后述的盖玻璃(cap glass)6相对。此外，在杆部2上安装有两根引线7a和7b，这两根引线7a和7b中的1根引线7b通过绝缘环8与杆部2电绝缘。而且，利用导线12连接散热部件2a和散热器4上的电极(未图示)，由此引线7a以与氮化物系半导体激光元件5的一个电极电连接的方式被安装在杆部2上。并且，引线7b的一个端部从杆部2的上面在区域1a一侧突出。再者，以保持气密性的状态在杆部2上安装导线7a和7b。而且，引线7b通过导线9与氮化物系半导体激光元件5的另外一个电极电连接。此外，也可以设置用于接收从氮化物系半导体激光元件5的后端面射出的激光的光电二极管。
此外，在杆部2上接合有由科瓦铁镍钴合金(Fe-29％Ni-17％Co合金)构成、并且具有开口部3a的圆筒形状的盖部3。在与该盖部3的开口部3a对应的区域上熔接有盖玻璃6。并且，盖玻璃6具有将从氮化物系半导体激光元件5射出的激光取出至封装部1的外部的功能。于是，利用盖玻璃6和盖部3，气密密封封装部1内的安装有氮化物系半导体激光元件5的区域1a。其中，杆部2是本发明的“支撑部”的一个例子，氮化物系半导体激光元件5是本发明的“半导体激光元件”的一个例子。
这里，在本实施方式中，在杆部2的表面上，在形成作为氧放出防止层的Ni/Au镀层的同时，在盖部3的内侧表面和外侧表面上形成作为氧放出防止层的Ni镀层。并且，由于靠焊接完成盖部3与杆部2之间的接合，在盖部3与杆部2之间的接合部分上形成焊接部10。再者，在封装部1内的安装有氮化物系半导体激光元件5的区域1a中，填充有水分浓度是5000ppm以下，氮浓度为5％以上的含氮气氛(氮浓度为100％)的氮气氛进行气密密封。
此外，氮化物系半导体激光元件5在作为光出射面的5a的前端面上形成具有约67nm的厚度、并由AlN构成的反射率为约10％的电介质层5b。并且，在与作为氮化物系半导体激光元件5的光出射面5a相反侧的面的后端面上形成有从后端面起交替地层积具有约70nm的厚度的5层SiO2层和具有约43nm的厚度的5层TiO2层的反射率为大约98％的电介质层5c。
在本实施方式中，如上所述，在氮化物系半导体激光元件5的光出射面5a上形成由氮化物构成的电介质层5b，并将气密密封氮化物系半导体激光元件5的封装部1内的气氛设为氮浓度为5％以上的含氮气氛。根据这样的结构，本发明能够抑制由封装部1内的气氛中的氮浓度不到5％、过低而引起的氮从由氮化物(AlN)构成的电介质层5b脱离的这样的不利情况的发生。因此，能够抑制由于这样的氧的脱离加速地产生的电介质层5b的水分的吸收和吸附。另外，通过将封装部1内的气体介质中的水分浓度保持在5000ppm以下，能够进一步有效地抑制电介质层5b的水分的吸收和吸附。其结果是，由于通过抑制氮从电介质层5b的脱离和电介质层5b的水分的吸收和吸附，能够抑制氮化物系半导体激光元件5的特性劣化；通过抑制氮化物半导体激光元件5的特性劣化，能够提高氮化物半导体激光装置20的可靠性。其中，在本实施方式中，虽然是在氮化物系半导体激光元件5的谐振器的光出射面5a和后端面上分别形成电介质层5b和5c，但是，本发明并不局限于此，也可以仅在半导体激光元件的谐振器的后端面上形成电介质层。这样构成的半导体激光元件在能在低输出用中使用，并能够得到与上述的情况相同的效果。
此外，在本实施方式中，在杆部2的表面形成Ni/Au镀层、在盖部3的内侧表面形成Ni镀层。作为杆部2的材料的铁、作为盖部3的材料的科瓦铁镍钴合金中的任何一种都是容易氧化的材料，因此，氮化物系半导体激光装置20的表面被氧化，在杆部2的表面及盖部3的内侧表面上形成氧化膜。使用在表面上形成氧化膜的状态的杆部2及盖部3组装氮化物系半导体激光装置20，在氧浓度低的封装部1内的气氛中，氧从杆部2及盖部3的表面上形成的氧化膜放出至封装部1内的气氛中。于是，在封装部1内的气氛中被放出的氧在氮化物系半导体激光元件5等上存在附着的附着物的情况下，通过附着物之间的相互反应形成氧化物，由于这样的影响，半导体激光元件5的输出特性劣化。在本实施方式中，由于在杆部2的表面上形成的Ni/Au镀层及在盖部3的内侧表面上形成的Ni镀层用作防止氧从这些部件的表面上形成的氧化膜的放出的氧放出防止膜，能够抑制从上述氧化膜向封装部1内的气氛中的氧的放出。因此，即使是在氮化物系半导体激光元件5等上存在附着物的情况下，由于能够抑制由这样的附着物引起的氧化物的形成，因此能够抑制由上述氧化物引起的氮化物系半导体激光元件5的输出特性的降低。其结果是，能够提供可靠性进一步提高的氮化物系半导体激光装置20。另外，不仅是杆部2的表面及盖部3的内侧表面，通过在封装部1内露出的散热部件2a等的其它部件的表面上实施镀Ni/Au等的方法来形成氧放出防止膜，能够更有效地抑制向封装部1内的氧的放出。
另外，在本实施方式中，在盖部3和杆部2之间的接合部通过焊接形成焊接部10，由此能够容易地保持盖部3和杆部2之间的接合时的接合部分的气密性，因此能够容易地气密密封容纳氮化物系半导体激光元件5的封装部1。因此，由于能够更有效地抑制从外部向封装部1的水分的侵入，能够更有效地抑制电介质层5b的变质。
(半导体装置的制造方法)图3～图8是用于说明在图1中表示的一实施方式的氮化物系半导体激光装置的制造方法的图。以下，参照图1～图8来说明本实施方式的氮化物系半导体激光装置20的制造方法。
首先，通过使图3所示的晶片50沿着与带状(细长状)的隆起部(电流通路部)(未图示)的延伸方向(箭头B方向)的垂直的方向(箭头A方向)裂开，形成图4所示的多个棒状的晶片51。具体地，首先，如图3所示，在与晶片50的隆起部相反的一侧的表面上形成在箭头A方向延伸的裂开用槽部52。该裂开用槽部52既可以形成从晶片50的箭头A方向的一个端部的一侧到另一个端部一侧连续地延伸的线状，也可以形成从晶片50的箭头A方向的一个端部一侧到另一个端部一侧延伸的断续线状。此外，裂开用槽部52也可以只在晶片50的箭头A方向的一个端部和另一个端部附近形成。此外，裂开用槽部52也可以在晶片50的隆起部一侧的表面上形成。在这样的情况下，裂开用槽部52可以形成从不包含在晶片50的箭头B方向上延伸的隆起部附近的箭头A方向的一个端部一侧延伸到另一个端部一侧的断续线状，或者，也可以仅在晶片50的箭头A方向的一个端部和另一个端部附近形成。此外，该裂开用槽部52可以在箭头B方向上隔开规定的间隔形成多个。此外，裂开用槽部52用金刚石划针、激光和蚀刻等中的任一种形成。于是，通过使用辊或刀刃状的夹具等沿着晶片50的裂开用槽部52裂开，形成图4所示的多个棒状晶片51。该棒状晶片51的裂开面作为前端面(光出射面)51a和后端面51b使用。
此外，如图5所示，将多个棒状的晶片51以前端面(光出射面)51a位于上方的状态配置在等离子体发生装置60的支撑台61上。作为这样的等离子体发生装置60，例如，使用ECR(Electron CyclotronResonance电子回旋共振)等离子体成膜装置。于是，在等离子体发生装置60的内部导入氮气、氩气和氦气等的不活泼气体并产生ECR等离子体，对棒状的晶片51的前端面51a进行清洁。其中，在本实施方式中，在氮气气氛中的ECR等离子体中，在微波输出功率约500W、氮气压力约为5×10-2Pa的条件下，进行约5分钟的清洁。在此之后，通过在同一等离子体发生装置60中导入氩气和氮气，产生ECR等离子体，在棒状的晶片51的前端面51a上形成具有大约67nm的厚度的由AlN构成的电介质层。由此，在本实施方式中，棒状的晶片51的前端面51a的清洁与电介质层的形成用同一等离子体发生装置60连续实现。
然后，通过磁控溅射法或EB蒸镀法等在多个棒状的晶片51的后端面51b上交替地层积SiO2层和TiO2层来形成电介质层。并且，通过等离子体发生装置60，也可以在对多个棒状的晶片51的后端面51b进行清洁的同时形成电介质层。
下面，通过将在图6中所示的棒状的晶片51沿着隆起部的延伸方向(箭头B方向)分割来形成图7所示的多个氮化物系半导体激光元件5。具体地说，首先，如图6所示，在与棒状的晶片51的隆起部相反的一侧或隆起部一侧的表面上形成在箭头B方向延伸的分离用槽部53，夹住隆起部的形成区域。该分离用槽部53既可以形成从棒状的晶片51的箭头B方向的一个端部一侧到另一个端部一侧连续地延伸的线状，也可以形成从棒状的晶片51的箭头B方向的一个端部一侧到另一个端部一侧延伸的断续线状。并且，分离用槽部53也可以只在棒状的晶片51的箭头B方向的一个端部及另一个端部附近形成。此外，也可以在箭头A方向上隔开规定的间隔，对每个隆起部形成多个分离用槽部53。并且，分离用槽部53可以用金刚石划针、激光及蚀刻等中的任何一种形成。于是，通过使用辊或刀刃状的夹具等沿着棒状的晶片51的分离用槽部53进行分割，形成图7所示的氮化物系半导体激光元件5。
下面，如图8所示，在与引线7a上电连接的杆部2的散热部件2a上用AuSn焊锡安装散热器(子部件)4的同时，在散热器4上用AuSn焊锡安装氮化物系半导体激光元件5的一个电极，利用导线(未图示)连接散热器4上的电极(未图示)和散热部件2a，由此，氮化物系半导体激光元件5与引线7a电连接。这时，将氮化物系半导体激光元件5的光出射面5a配置在与杆部2相反的一侧的位置。然后，如图8所示，在氮化物系半导体激光元件5的另一个电极(未图示)上连接导线9的一端的同时，将导线9的另一端与引线7b连接。这样，氮化物系半导体激光元件5与引线7b电连接。此后，向安装有氮化物系半导体激光元件5的整个杆部2，照射大约30分钟的紫外(UV)光。由此，通过光分解来除去氮化物系半导体激光元件5的上面附着的包含Si等的附着物11。
然后，将安装有氮化物系半导体激光元件5的整个杆部2，装入到烘培炉(未图示)中，在大约200℃的温度下进行大约1小时的热处理。此时，将盖部3也装入同一烘培炉内，在大约200℃的温度下进行大约1小时的热处理。此后，在水分浓度为5000ppm以下的氮气氛(氮浓度100％)中，如图2所示，将盖部3焊接在杆部2上。由此，在水分浓度为5000ppm以下的氮气氛中，封装部1内的气氛被气密密封在封装部1内。由此，制作图1所示的本实施方式的氮化物系半导体激光装置20。
在本实施方式中，如上所述，在将盖部3焊接在杆部2上之前，由于通过将安装有氮化物系半导体激光元件5的杆部2在烘培炉中进行热处理来蒸发在氮化物系半导体激光元件5中包含的水分及在杆部2中包含的水分，在气密密封后，能够抑制由在氮化物系半导体激光元件5中包含的水分及在杆部2中包含的水分在封装部1内的气氛中蒸发而引起的封装部1内的气氛的水分浓度超过5000ppm的不利情况的发生。
此外，在本实施方式中，在将盖部3焊接在杆部2上之前，通过向安装有氮化物系半导体激光元件5的杆部2照射紫外光，即使是在在氮化物系半导体激光元件5上附着有附着物11的情况下，利用由紫外光的照射引起的光分解，能够除去氮化物系半导体激光元件5上面附着的附着物11，因此，能够抑制在附着物11中包含的水分在封装部1内的气氛中的蒸发。因此，能够抑制封装部1内的水分浓度上升。其结果是，能够抑制由水分浓度的上升引起的氮化物系半导体激光装置20的可靠性(寿命)的下降。
此外，在本实施方式中，通过利用紫外光的照射除去在氮化物系半导体激光元件5的上面附着的附着物11，能够抑制在附着物11上包含的Si等与激光发生化学反应并通过与水分中的氧结合在氮化物系半导体激光元件5的电介质层5b上形成Si氧化物等的膜。其结果是，由于能够抑制Si氧化物等的膜的形成引起的在形成有电介质层5b的光出射面5a的激光的吸收和端面反射率的变动，所以能够抑制在光出射面5a的激光的吸收和端面反射率的变动引起的半导体激光装置的可靠性降低和激光的输出降低的不利情况的产生。
此外，在本实施方式中，通过利用ECR等离子体对至少棒状的晶片51的前端面51a进行清洁，产生具有低能量的等离子体，能够在抑制棒状晶片51的前端面51a的损伤的同时进行清洁。由此，由于能够除去附着在棒状晶片51的前端面51a上的氧化物及污染物等，能够抑制在前端面51a的光的吸收。其结果是，由于能够抑制氮化物系半导体激光元件5的COD(Catastrophic Optical Damage光学损伤)水平的降低，能够提高氮化物系半导体激光装置20的输出。
此外，在本实施方式中，通过连续进行棒状晶片51的前端面51a的清洁和由AlN构成的电介质层的形成，能够抑制由于在棒状晶片51的前端面51a清洁之后暴露在大气中而引起的棒状晶片51的前端面51a的污染。
此外，在本实施方式中，通过导入氮气、氩气和氦气等的不活泼气体产生ECR等离子体，通过对棒状晶片51的前端面51a进行清洁，能够有效地除去附着在棒状晶片51的前端面51a上的氧化物及污染物等。其中，对于氮化物系半导体激光元件，等离子体清洁的气氛优选氮气。这是由于考虑到通过使用与构成半导体激光元件的元素相同的N(氮)来进行清洁，能够抑制在清洁中的N(氮)从前端面51a脱离。
下面，对为了确认上述实施方式的效果的实验进行说明。在该实验中，为了确认涉及包含由AlN构成的电介质层的氮化物系半导体激光装置20的封装部1内的气氛中的水分浓度的影响，变化各种水分浓度，测定工作电流随时间的变化。图9及图10分别是表示与图1所示的实施方式对应的实施例1和实施例2的氮化物系半导体激光装置的工作电流与经过的时间的关系的图。并且，图11和图12分别是表示比较例1和比较例2的氮化物系半导体激光装置的工作电流和经过时间之间的关系的图。图9～图12的相关图的横轴表示经过的时间(h)。此外，图9～图12的相关图的纵轴表示工作电流(mA)。即，图9～图12表示在使氮化物系半导体激光装置工作的情况下的工作电流随时间的变化。并且，水分浓度以外的条件在实施例1、实施例2、比较例1和比较例2的任何一个中为相同的条件。即，半导体激光元件的任一个使用包含由AlN构成的电介质层的氮化物系半导体激光元件，封装部内的气氛的任一种均为氮气氛(氮气浓度几乎为100％)。并且，在将盖部焊接在杆部上之前，氮化物系半导体激光装置的任何一个都用紫外光照射大约30分钟。再者，水分浓度在实施例1(参照图9)中是2500ppm，在实施例2中(参照图10)是5000ppm，在比较例1(参照图11)中是5500ppm，在比较例2(参照图12)中是10000ppm。并且，在实施例1和实施例2中，分别制作了5个氮化物系半导体激光装置，对各个氮化物系半导体激光装置进行测定，在比较例1及比较例2中，分别制作了3个氮化物系半导体激光元件并对各个氮化物系半导体激光装置进行测定。
其中，水分浓度的测定使用バルザ一ス公司(德国)制造的四极质量分析装置(型号QMG421C型)。在该四极质量分析装置中具备样品室和开孔装置等。于是，在将氮化物系半导体激光装置插入到样品室后，使样品室内为真空，通过开孔装置，在氮化物系半导体激光装置中开孔释放封装部内的气体。此后，向四极质量分析装置中导入被释放的气体，进行水分浓度的测定。
从图9～图12中所示的测定结果能够确认，存在伴随着水分浓度变高，在经过1000小时后的工作电流值变大的倾向。即，在实施例1的水分浓度为2500ppm的氮化物系半导体激光装置中，如图9所示，经过1000小时后的工作电流值的上升几乎看不见。此外，在实施例2的水分浓度为5000ppm的氮化物系半导体激光装置中，如图10所示，经过1000小时后的工作电流值仅上升了很少一点。与此相对，在比较例1的水分浓度为5500ppm的氮化物系半导体激光装置中，如图11所示，与实施例2(图10)的水分浓度为5000ppm的氮化物系半导体激光装置相比，经过1000小时后的工作电流值的上升幅度很大。再者，在水分浓度为10000ppm的比较例2的氮化物系半导体激光装置中，如图12所示，与比较例1(图11)相比，经过1000小时后的工作电流值的上升幅度更大。
图13是表示氮化物系半导体激光元件的水分浓度和电流上升率之间的关系的的相关图。具体来说，根据上述图9～图12的结果计算出电流上升率(％)，表示该计算出的电流上升率与水分浓度之间的关系。并且，图13中的电流上升率(％)以在图9～图12中的氮化物系半导体激光元件刚刚工作之后的工作电流与经过1000小时之后的工作电流之间的差为各个测定，均用百分率表示，以分别的水分浓度的各个测定的平均值来表示。此外，电流上升率(％)的容许范围在10％以下。
从图13所示的测定结果可知，在氮化物系半导体激光装置的封装部内的水分浓度在5000ppm以下的情况下，在电流上升率变为作为容许范围的10％以下的同时，在水分浓度变为从5000ppm到5500ppm的时候，电流上升率急速增加。发明人认为这是由于以下的理由。即，如果水分浓度超过5000ppm，在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成的由AlN构成的电介质层上产生水分的吸收和吸附，由此，在加速由AlN构成的电介质层的变质的同时，也加速了氮化物系半导体激光元件的劣化，因此电流上升率变高。从图13所示的测定结果能够确认，通过将封装部内的水分浓度控制在5000ppm以下，氮化物系半导体激光装置的寿命变长，其结果是，可靠性提高。
下面，针对为了确认氮从氮化物系半导体激光元件的由AlN构成的电介质层脱离而进行的实验进行说明。在该实验中，使用水分浓度及氮浓度进行各种变化的氮化物系半导体激光装置，进行对在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成的由AlN构成的电介质层的观察。其中，电介质层的观察是以50mW的输出在使氮化物系半导体激光装置工作大约100小时后，使用光学显微镜目视观察电介质层的颜色的变化。并且，氮浓度为0％、2％、5％、10％、20％和30％六个条件，水分浓度为2500ppm、5000ppm和10000ppm三个条件。此外，由于氮从在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成的由AlN构成的电介质层脱离会导致电介质层的颜色的变色，因此，有电介质层的变色就判断产生了氮的脱离。再者，本观察只进行氮化物系半导体激光元件的前端面(光出射面)的由AlN构成的电介质层有无变色的观察。并且，氮化物系半导体激光装置的封装部内的氮浓度的测定用与上述水分浓度的测定相同的方法进行。结果示于表1。
表1 ○不变色△不变色(有变质)×有变色上述表1中的○符号表示在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成的由AlN构成的电介质层没有变色，×符号表示由AlN构成的电介质层有变色。并且，△符号表示电介质层没有变色，另一方面，从上述图12的结果可以认为，由于电流上升率大，有电介质层的变质。
如上述表1所示，任一种的水分浓度中，根据光学显微镜的目测观察，在氮浓度为5％以上的情况下，不能确认由AlN构成的电介质层的变色。为此，通过将封装部内的气氛中的氮浓度控制在5％以上，确认能够抑制氮从由AlN构成的电介质层的脱离。而且，在水分浓度为10000ppm的氮化物系半导体激光装置中，一方面，在氮浓度为5％以上的情况下不能确认电介质层的变色，但电流上升是显著的，因此认为产生了电介质层的变质。因此，基于表1所示的结果，由于抑制了在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成的由AlN构成的电介质层的劣化，因此可以认为，在封装部内的气氛有必要是氮浓度为5％以上的含氮气氛，并且水分浓度也有必要在5000ppm以下。
下面，对为了确认氮从在氮化物系半导体激光元件上设置的由AlN构成的电介质层脱离所造成的影响而进行的实验进行说明。在该实验中，制作使封装部内的气氛成为水分浓度为5000ppm的不含氮的He(氦)气氛的氮化物系半导体激光装置，测定工作电流的随时间的变化。图14是表示比较例3的氮化物系半导体激光装置的工作电流与经过时间之间的关系的相关图。图14的相关图的横轴与图9～图12同样，表示经过时间(h)。并且，图14的相关图的纵轴与图9～图12同样，表示工作电流(mA)。在图14中，由于密封气氛是He(氮浓度为0％)，从上述表1的结果来看，可以认为产生了氮的从由AlN构成的电介质层的脱离。
从图14中表示的测定结果可以判定，在密封气氛为He的情况下，与图9～图12的密封气氛为氮气氛(氮浓度为约100％)的情况相比，伴随时间经过的工作电流的上升幅度变得非常大。由此可以确认在密封气氛为不含氮的He气氛的情况下，由于氮从由AlN构成的电介质层的脱离多，氮化物系半导体激光装置的可靠性明显降低。
以下，对为了确认在封装部内的气氛是不含氮的He气氛的情况下的振荡波长与光输出之间的关系而进行的实验进行说明。在该实验中，制作射出不同的振荡波长的激光的半导体激光装置，观察在封装部内的气氛是不含氮的He气氛的情况下的各种光输出情况下，氮从由AlN构成的电介质层的脱离。观察方法与上述表1相同。即，使半导体激光装置工作大约100小时之后，使用光学显微镜观察电介质层的有无变色。其结果示于表2。
表2密封气氛He ○不变色×有变色如上述表2所示，振荡波长为405nm、650nm和780nm三个条件，光输出为5mW、10mW、30mW和50mW四个条件。同时，封装部内的水分浓度在任何一种情况下都是5000ppm。并且，表2中的○符号表示没有由AlN构成的电介质层的变色，×符号表示有由AlN构成的电介质层的变色。如上述表2所示，在封装部内的气氛为不含氮的He气氛的情况下，在射出振荡波长为405nm的蓝紫色激光的氮化物系半导体激光装置中，无论是哪一种光输出(5mW、10mW、30mW和50mW)都能够确认电介质层的变色和氮的脱离的产生。此外，在封装部内的气体介质为不含氮的He气氛的情况下，在射出振荡波长为650nm的红色激光的半导体激光装置中，在光输出为5mW、10mW和30mW的情况下，不能确认电介质层的变色，不产生氮从电介质层的脱离，另一方面，在光输出为50mW的情况下，确认了电介质层的变色，产生了氮从电介质层的脱离。此外，在封装部内的气氛为不含氮的He气氛的情况下，在射出振荡波长为780nm的红外激光的半导体激光装置中，无论是哪一种光输出(5mW、10mW、30mW和50mW)都不能确认电介质层的变色，确认没有氮从电介质层脱离。
从以上的结果可以判明，作为半导体激光元件，在使用射出振荡波长为405nm的蓝紫色激光的氮化物系半导体激光元件的情况下，在封装部内的氮浓度为0％(He气氛)的时候，即使是光输出为5mW这样低的时候，也产生氮从由AlN构成的电介质层的脱离。由此，可以理解，射出振荡波长为405nm的蓝紫色激光的氮化物系半导体激光元件与射出振荡波长为650nm的红色激光的半导体激光装置和射出振荡波长为780nm的红外激光的半导体激光装置相比，容易产生氮的从AlN构成的电介质层的脱离。其理由可以认为是由于从氮化物系半导体激光元件射出的振荡波长为405nm的蓝紫色激光与振荡波长为650nm的红色激光及振荡波长为780nm的红外激光相比有大的光能。因此，如上述的实施方式，可以认为，通过使封装部内的气氛为5000ppm以下的水分浓度的5％以上的氮浓度的气氛，在氮化物系半导体激光装置中，对于抑制氮从由氮化物(AlN)构成的电介质层的脱离特别有效。
在此，对关于半导体激光元件的要求的特性进行说明。近年来，向光盘的数据的记录，要求记录速度及记录容量的提高。于是，为了提高记录速度，在有必要缩短向光盘的数据的记录时间的同时，为了提高记录容量，有必要实现光盘的多层化。在任何一种情况下都要求为光源的半导体激光元件的高输出化。图15是表示光源使用射出蓝紫色激光的半导体激光元件的光盘装置的记录速度与半导体元件的光输出之间的关系的图形。为了提高记录速度和记录容量，由于以2层4倍速来在光盘上记录数据，如图15所示，要求大约200mW的光输出。并且，为了从半导体激光元件得到大约200mW的光输出，要求大约250mW～大约300mW的COD(Catastrophic Optical Damage光学损伤)水平。
下面，对为了确认在形成由AlN构成的电介质层之前通过ECR等离子体对氮化物系半导体激光元件的前端面(光出射面)和后端面进行清洁的情况的效果而进行的实验进行说明。在该实验中，为了确认通过ECR等离子体的清洁的影响，制作了对氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面的两者都进行清洁的实施例3的氮化物系半导体激光装置、只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的实施例4的氮化物系半导体激光装置、和不对氮化物系半导体激光元件的前端面和后端面进行清洁的实施例5的氮化物系半导体激光装置。并且，封装部内的气氛的任何一种情况，都是水分浓度为5000ppm的氮。并且，在将盖部焊接在杆部上之前，在每一种情况下都照射大约30分的紫外光。
首先，在制作的实施例3～5的氮化物系半导体激光装置中，在光输出为60mW、封装部的温度为70℃和封装部内的气氛的水分浓度为5000ppm的条件下，进行350小时的通电，测定实施例3～5的COD水平。其测定结果示于图16。根据图16所示的测定结果，对氮化物系半导体激光元件的前端面和后端面的两者都进行清洁的实施例3的氮化物系半导体激光装置、和只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的实施例4的氮化物系半导体激光装置在350小时的通电后COD水平在300mW以上。此外，对氮化物系半导体激光元件的前端面和后端面的两者都进行清洁的实施例3的氮化物系半导体激光装置与只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的实施例4的氮化物系半导体激光装置相比是略高的COD水平。另一方面，不对氮化物系半导体激光元件的前端面和后端面进行清洁的实施例5的氮化物系半导体激光装置，在350小时的通电后COD水平在100mW以下。由此，通过实施利用ECR等离子体的清洁，通过除去氮化物系半导体激光元件的前端面或后端面的氧化物或污染物，能够抑制前端面或后端面的光的吸收，从而抑制了COD水平的降低。
下面，在制作的实施例3～5的氮化物系半导体激光装置中，在光输出为20mW～200mW、封装部内的温度为70℃和封装部内的气氛的水分浓度为5000ppm的条件下进行100小时的通电，测定针对氮化物系半导体激光元件的各个光输出的100小时通电后的电流上升率。其测定结果在图17中表示。根据在图17中表示的测定结果，对氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面的两者都进行清洁的实施例3的氮化物系半导体激光装置及只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的实施例4的氮化物系半导体激光装置，在光输出为200mW的状态下在100小时的通电后的电流上升率是10％以下。并且，对氮化物系半导体激光元件的前端面和后端面的两者都进行清洁的实施例3的氮化物系半导体激光装置与只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的实施例4的氮化物系半导体激光装置相比是略低的电流上升率。另一方面，不对氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面进行清洁的实施例5的氮化物系半导体激光装置在光输出为150mW的状态下在100小时的通电后，氮化物系半导体激光元件由于COD而损伤。由此，由于抑制了氮化物系半导体激光元件的COD水平的下降，可以认为能够实现氮化物系半导体激光装置的高输出化。于是，可以认为在封装部内的气氛的水分浓度为5000ppm的情况下，通过使用至少在氮化物系半导体激光元件的前端面用ECR等离子体进行清洁的实施例3和实施例4的氮化物系半导体激光装置，能够得到可以在要求大约200mW的光输出的2层4倍速的光盘上记录数据的光盘装置。
然后，对为了确认氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面的清洁及封装部内的气氛中的水分浓度的影响而进行的实验进行说明。在该实验中，与实施例3～5的氮化物系半导体激光装置不同，制作了封装部内的气氛的水分浓度为5500ppm的比较例4～6的氮化物系半导体激光装置。其中，在制作比较例4～6的氮化物系半导体激光装置时的水分浓度以外的条件分别与实施例3～5的氮化物系半导体激光装置相同。于是，在制作的比较例4～6的氮化物系半导体激光装置中，在光输出为60mW、封装部内的温度为70℃和封装部内的气氛的水分浓度为5500ppm的条件下进行350小时的通电，测定比较例4～6的COD级别。其测定结果示于图18。根据图18所示的测定结果，比较例4～6的氮化物系半导体激光装置的任何一个在100小时的通电后COD水平在200mW以下。此外，对氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面的两者都进行清洁的比较例4的氮化物系半导体激光装置与只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的比较例5的氮化物系半导体激光装置相比是略高的COD水平。并且，不对氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面进行清洁的比较例6的氮化物系半导体激光装置与只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的比较例5的氮化物系半导体激光装置相比是低的COD水平。由此可以认为，通过进行利用ECR等离子体的清洁，即使是在除去氮化物系半导体激光元件的前端面或后端面的氧化物及污染物等的情况下，产生由于封装部内的气氛中的水分浓度比5000ppm高而引起的由AlN构成的电介质层的水分的吸收和吸附，由于在前端面或后端面光被吸收，因此COD水平降低。
下面，在制作的比较例4～6的氮化物系半导体激光装置中，在光输出为20mW～200mW、封装部内的温度为70℃、封装部内的气氛的水分浓度为5500ppm的条件下，进行100小时的通电，测定针对氮化物系半导体激光元件的各个光输出的100小时通电后的电流上升率。其测定结果示于图19。根据图19所示的测定结果，对氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面的两者都进行清洁的比较例4的氮化物系半导体激光装置及只对氮化物系半导体激光元件的前端面进行清洁的比较例5的氮化物系半导体激光装置在光输出为200mW的状态下在100小时的通电后，氮化物系半导体激光元件由COD引起损伤。并且，不对氮化物系半导体激光元件的前端面及后端面进行清洁的比较例6的氮化物系半导体激光装置在光输出为100mW的状态下在100小时的通电后，氮化物系半导体激光元件由于COD而损伤。由此，在封装部内的水分浓度超过5000ppm的情况下，不管有无利用ECR等离子体的清洁处理，氮化物系半导体激光元件的COD水平降低，可以认为实现氮化物系半导体激光装置的高输出化是困难的。于是，可以认为，利用ECR等离子体的清洁处理在封装部内的水分浓度为5000ppm以下的条件下是有效地起作用的。
在本发明包含实施方式中记载之外的不脱离主旨其它的实施方式。本实施方式说明了本发明，但并不限定其范围。发明的范围是权利要求所述的范围，不受说明书记载的限制。因此，发明包含包括权利要求书的均等的范围中的意思和范围的总的实施方式。
例如，上述实施方式中，作为本发明的半导体激光元件的一个例子，表示了适用于氮化物系半导体激光元件的例子，但是，本发明不限于此，也适用于氮化物系半导体激光元件以外的半导体激光元件。
此外，在上述实施方式中，表示了在作为光出射面5a的前端面和作为与光出射面5a相反一侧的面的后端面上分别形成由氮化物构成的电介质层5b和5c的例子，但是，本发明不限于此，也可以只在作为光出射面的前端面和作为与光出射面相反的一侧的面的后端面的任何一个上形成由氮化物构成的电介质层。
此外，在上述实施方式中，表示了使用AlN作为散热器(子部件)的例子，但是，本发明不限于此，也可以用AlN以外的材料作为散热器(子部件)。作为AlN以外的材料，例如，可以考虑SiC、金刚石、Si、Cu、Al、CuW等。
此外，在上述实施方式中，表示了在铁制的杆部上接合由科瓦铁镍钴合金(Fe-29％Ni-17％Co合金)构成的盖部的例子，但是，本发明不限于此，杆部和盖部也可以用铁及科瓦铁镍钴合金(Fe-29％Ni-17％Co合金)以外的材料制成。
此外，在上述实施方式中，表示了在杆部的表面上形成Ni/Au镀层，并在盖部的内侧表面及外侧表面上形成Ni镀层的例子，但是，本发明不限于此，只要能抑制杆部及盖部的表面的氧化，在杆部的表面上形成Ni/Au镀层以外的Au镀层及Ni镀层等，并在盖部的内侧表面及外侧表面上形成Ni镀层以外的Au镀层及Ni/Au镀层也是可以的。
此外，在上述实施方式中，表示了使用AlN作为在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成的电介质层的例子，但是，本发明不限于此，只要是由氮化物构成的电介质层，也可以使用AlN以外的材料。作为AlN以外的材料，可以考虑SiN及BN等。
此外，在上述实施方式中，表示了在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成了1层的电介质层的例子，但是，本发明不限于此，也可以在氮化物系半导体激光元件的光出射面上形成含有其他材料的多层结构的电介质层。
此外，在上述实施方式中，表示了作为封装部内的气氛使用氮气氛(氮浓度100％)作为例子，但是，本发明不限于此，只要氮浓度为5％以上，也可以使用氮以外的不活泼气体和氮的混合气体。其中，作为混合气体，优选使用不含氧的气体。
权利要求
1.一种半导体激光装置，具备具有至少在光出射面上形成的由氮化物构成的电介质层的半导体激光元件；和气密密封所述半导体激光元件的封装部，其中，所述封装部内的气氛是水分浓度为5000ppm以下的含氮气氛。
2.一种半导体激光装置，具备具有在光出射面上不形成由氮化物构成的电介质层而仅在与所述光出射面相反一侧的后端面上形成由氧化物构成的电介质层的半导体激光元件；和气密密封所述半导体激光元件的封装部，其中，所述封装部内的气氛是水分浓度在5000ppm以下的含氮气氛。
3.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于所述含氮气氛中的氮浓度为5％以上。
4.如权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于所述含氮气氛中的氮浓度为5％以上。
5.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于所述封装部包含用于支撑所述半导体激光元件的支撑部；和与所述支撑部接合并用于气密密封所述半导体激光元件的盖部，在所述支撑部的表面和所述盖部的内侧表面上形成有氧放出防止层。
6.如权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于所述封装部包含用于支撑所述半导体激光元件的支撑部；和与所述支撑部接合并用于气密密封所述半导体激光元件的盖部，在所述支撑部的表面和所述盖部的内侧表面上形成有氧放出防止层。
7.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于所述封装部包含用于支撑所述半导体激光元件的支撑部；和与所述支撑部接合并用于气密密封所述半导体激光元件的盖部，在所述盖部和所述支撑部的接合部形成焊接接合的焊接部。
8.如权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于所述封装部包含用于支撑所述半导体激光元件的支撑部；和与所述支撑部接合并用于气密密封所述半导体激光元件的盖部，在所述盖部和所述支撑部的接合部形成焊接接合的焊接部。
9.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于所述半导体激光元件是氮化物系半导体激光元件。
10.如权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于所述半导体激光元件是氮化物系半导体激光元件。
11.一种半导体激光装置的制造方法，具备至少在半导体激光元件的光出射面上形成由氮化物构成的电介质层的工序；在支撑部上安装所述半导体激光元件的工序；向安装有所述半导体激光元件的所述支撑部照射紫外光的工序；和在此之后，在水分浓度为5000ppm以下的含氮气氛中，利用所述盖部气密密封所述半导体激光元件的工序。
12.如权利要求11所述的半导体激光装置的制造方法，其特征在于利用所述盖部气密密封所述半导体激光元件的工序，在氮浓度5％以上的含氮气氛下进行。
13.如权利要求11所述的半导体激光装置的制造方法，其特征在于，还包括在形成由所述氮化物构成的电介质层的工序之前，利用等离子体至少对所述半导体激光元件的光出射面进行清洁的工序。
14.一种半导体激光装置的制造方法，具备在半导体激光元件的光出射面上不形成由氮化物构成的电介质层而仅在与所述光出射面相反的一侧的后端面上形成由氮化物构成的电介质层的工序；在支撑部安装所述半导体激光元件的工序；向安装有所述半导体激光元件的所述支撑部照射紫外光的工序；和在此之后，在水分浓度为5000ppm以下的含氮气氛中，利用盖部气密密封所述半导体激光元件的工序。
15.如权利要求14所述的半导体激光装置的制造方法，其特征在于利用盖部气密密封所述半导体激光元件的工序，在氮浓度为5％以上的含氮气氛下进行。
16.如权利要求14所述的半导体激光装置的制造方法，其特征在于，还包括在形成由所述氮化物构成的电介质层的工序之前，利用等离子体对与所述半导体激光元件的光出射面相反的一侧的后端面进行清洁的工序。
17.如权利要求13所述的半导体激光装置的制造方法，其特征在于通过所述等离子体实施的清洁工序在不活泼气体气氛中进行。
18.如权利要求16所述的半导体激光装置的制造方法，其特征在于通过所述等离子体实施的清洁工序在不活泼气体气氛中进行。
全文摘要
本发明提供一种氮化物半导体激光装置元件(20)，具备在光出射面(5a)上形成具有由AlN构成的电介质层(5b)的氮化物系半导体激光元件(5)和气密密封氮化物系半导体激光元件(5)的封装部(1)。并且，封装部(1)内的气氛是水分浓度为5000ppm以下的含氮气氛。通过调整封装部(1)内的气氛，能够抑制由在半导体激光元件的端面形成的由氮化物构成的电介质层的变质引起的输出的降低和可靠性的下降。
文档编号H01S5/323GK1992457SQ20061017145
公开日2007年7月4日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者别所靖之, 野村康彦 申请人:三洋电机株式会社