专利名称：半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种半导体激光器，尤其涉及到活性层使用ni族氮 化物半导体的半导体激光器。
背景技术：
以氮化镓为代表的m族氮化物半导体可获得高效的青紫色发光，
因此作为发光二极管(light emitting diode ; LED)、激光二极管(laser diode ; LD)等半导体激光器的材料而受到瞩目。其中，LD作为大容量 光盘装置的光源而受到追捧，近些年来，作为写入用光源，高输出LD 的开发投入了较大精力。
图13表示现有例中的典型的氮化镓系光半导体元件的构造。该光 半导体元件如下制造在GaN基板101上依次层叠n型披覆层102、 光导层103、活性层104、光导层105、 p型披覆层106后，通过干式 蚀刻将p型披覆层106加工为脊状。P型披覆层106除了脊部106a的 顶部外，被绝缘膜107覆盖，至少在脊部106a上设置p型电极108。 在GaN基板101的背面设置n型电极109。狭窄电流在p型电极108 中形成，通过调整脊部106a的脊宽及脊高，进行横向模式的控制。在 脊部106a的长轴方向(图13的纸张的垂直方向)两侧的端面，从劈 开形成的共振器反射镜(未图示)射出激光。在共振器反射镜的表面 形成由电介质构成的端面保护膜(未图示)。
端面保护膜的要素包括无激光的吸收、获得所需的反射率、与 半导体的密着性良好等，从制造角度出发，可进行控制性、生产性良 好的成膜是非常重要的。从这一角度出发，端面保护膜一般使用通过 溅射、CVD、蒸镀等方法成膜的A1203、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Ta205、Nb205等氧化物，MgF2、 CaFz等氟化物，A1N、 Si3N4等氮化物。
作为端面保护膜，在激光射出侧端面形成低反射(Anti-reflecting; AR)膜、在相反侧的端面形成高反射(High-reflecting; HR)膜的半 导体激光可提高激光的射出效率，并提高到达端面光学损伤 (Catastrophic Optical Damage; COD)的临界光输出(以下称为COD 等级)。因此，可进行较短时间内的高输出动作，但长时间的高输出 动作会损伤端面保护膜，半导体激光器的可靠性降低。因此，在半导 体激光器中，为了抑制端面保护膜的损伤，提高寿命，例如在专利文 献1中，提出了降低涂膜(端面保护膜)的内部应力的方案。
并且，对于氮化物半导体激光器，长时间高输出驱动产生端面保 护膜和半导体之间的界面反应，界面反应降低可靠性。因此，为了抑 制端面保护膜和半导体的界面反应，例如在专利文献2中，提出了使 与半导体层连接的AR涂膜(端面保护膜)的膜密度为形成AR涂膜的 材料的理想密度的3/4以上。
并且，在专利文献3中，在形成端面涂膜(端表面保护膜)前， 通过使共振器端面暴露在惰性气体的等离子气氛中，或在真空或惰性 气氛中以30'C以上70(TC以下的温度加热，使共振器端面清洁化、平 坦化。并且，在专利文献3中，在端面涂膜(端面保护膜)和共振器 端面之间使由A1等金属、该金属的氮氧化物等构成的密着层较薄，可 增加端面涂膜对共振器端面的密着性，提高可靠性。
并且，在专利文献4中，在共振器端面的至少一方具有添加了氢 的第一电介质膜，在上述第一电介质膜和上述共振器端面之间具有第 二电介质膜，其防止氢的扩散，厚度是不对端面反射率造成影响程度 的厚度，在上述共振器端面和上述第二电介质膜之间，具有透过氢的 第三电介质膜，从而在端面涂膜(端面保护膜)中具有氢添加膜，此 时即使半导体激光器暴露于高温状态下，也可防止端面涂膜剥离、端面涂膜变质。
专利文献l:日本特开 专利文献2:日本特开 专利文献3:日本特开 专利文献4:日本特开
2002-223026号公报 2007-165711号公报 2002-335053号公报 2005-333157号公报
根据发明人的实验，使在输出100mW下动作时寿命为1000小时 以上的氮化物半导体激光元件提高输出而在150mW下动作时，产生以 下问题在通电动作中观察到动作电流的变动，最后振荡突然停止。
对其原因进行调查后发现这一问题是由于共振器端面中激光射 出侧的端面的端面破坏引起的，该端面破坏如下产生。在高输出驱动 时的半导体激光器端面，因由表面态、保护膜形成时导入的点缺陷、 界面改性层等吸收激光，激光射出部分的温度上升。因该温度上升， 激光射出端面上形成的端面保护膜膨胀，因此由于与半导体的热膨胀 系数差，施加到端面保护膜的压縮应力增大，造成局部性膜剥离。这 种情况下，因端面反射率改变，引起动作电流的变动。并且，半导体 端面变为暴露于气氛中的状态，端面附近的结晶劣化。该劣化的结晶 区域吸收激光，所以在端面附近具有更高的热。该热量进一步促进了 端面劣化，因这种恶性循环最终变为COD。
而在专利文献1、 2、 3提案的半导体激光器中，无法完全抑制这 种端面保护膜的局躯剥离。
并且，在专利文献4提案的半导体激光器中，当端面保护膜中的 第三电介质膜的氢浓度分布不均时，无法抑制膜膨胀。并且，防止氢 扩散的第二电介质膜需要具有较高的致密性，所以应力变得相当大。 因此，无法完全抑制端面涂膜的局部性膜剥离。
发明内容
本发明的主要课题在于提供一种COD耐性强、高输出且长寿命的
氮化物半导体激光元件，能够抑制高输出长时间驱动时共振器端面的 端面保护膜的膜剥离。
本发明的一个方面，提供一种半导体激光器，从活性层的端面射 出激光，其特征在于，具有保护膜，该保护膜设置在射出上述激光的 上述端面上，并且由单层或多层的电介质膜构成，上述保护膜中的氢 浓度分布大致均匀。
根据本发明，激光射出侧上形成的保护膜中的氢浓度分布均匀， 因此使激光器以高输出长时间动作时，能够抑制因激光射出部的局部 发热引起保护膜中的氢扩散，从而能够抑制保护膜中的应力变化。
图1是示意性地表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的构
成的(A)剖视图及(B) X-X'之间的局部剖视图。
图2是示意性地表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的制 造方法的第1步骤剖视图。
图3是示意性地表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的制 造方法的第2步骤剖视图。
图4是示意性地表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的制 造方法的第3步骤剖视图。
图5是表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的第一保护膜 和第二保护膜的厚度dl、 d2和AR反射率的关系的图。
图6是表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的AR膜中的 氢浓度分布的SIMS分析结果的一例的图。
图7是表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的AR膜中使 用的电介质膜的膜应力和成膜条件的关系的图。
图8是表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的AR膜中的氢浓度比和元件寿命的关系的图。
图9是表示本发明的实施例1涉及的半导体激光器的第二保护膜 (八1203膜)厚度和元件寿命的关系的图。
图IO是表示本发明的实施例l涉及的半导体激光器的第一保护膜
(TiOj莫)厚度和元件寿命的关系的图。
图ii是表示本发明的实施例r涉及的半导体激光器的第二保护膜
(八1203膜)的内部应力和元件寿命的关系的图。
图12是表示本发明的实施例l涉及的半导体激光器的AR膜的总 应力和元件寿命的关系的图。
图13是示意性地表示具有脊型波导构造的现有的半导体激光器 的构造的剖视图。
具体实施例方式
在本发明的实施方式中， 一种半导体激光器，从活性层(图1中 的5)的端面射出激光，其具有保护膜(图1中的20)，该保护膜设 置在射出上述激光的上述端面上，并且由单层或多层的电介质膜构成， 上述保护膜(图1中的20)中的氢浓度分布大致均匀。
(实施例1)
参照
本发明的实施例1涉及的半导体激光器。图1是示 意本发明的实施例1涉及的半导体激光器的构成的(A)剖视图及(B) X-X，间的局部剖视图。此外，图1 (A)是从与共振器端面垂直的剖面 观察的图，图1 (B)是与共振器端面平行的剖面且激光射出端面附近 的图。
参照图l (A)，半导体激光器是从3周期多量子阱活性层5的端 面射出激光的脊条型的元件。半导体激光器在n型GaN基板1上依次 层叠掺Si的n型GaN层2、 n型披覆层3、 n型光限制层4、 3周期多 量子阱活性层5、盖层6、 p型光限制层7，在p型光限制层7上依次 层叠形成为条状的p型披覆层8、 p型连接层9、 p型电极14，在p型披覆层8的侧壁面、p型连接层9的侧壁面、p型光限制层7上形成Si02
膜12， p型电极14及Si02膜12上被覆覆盖电极15，在n型GaN基板 1的背面(图l (A)的下侧的面)上形成n型电极16。
参照图1 (B)，半导体激光器中，p型披覆层8的长轴方向的两 端面成为通过劈开形成的共振器端面，在共振器端面的表面形成由电 介质形成的端面保护膜。共振器端面中，在激光射出侧端面形成低反 射(Anti-reflecting; AR)膜20作为保护膜，在相反侧的端面形成高反 射(High-reflecting; HR)膜(未图示)作为保护膜。
n型GaN基板1例如可使用n型GaN (0001)基板。
掺Si的n型GaN层2可使用Si浓度4X 1017cm—3的掺Si的n型 GaN层，厚度为m。
n型披覆层3可使用Si浓度4 X 1017cm'3的掺Si的n型Al^Ga^N,
厚度为2// m。
n型光限制层4可使用Si浓度4X 1017cnT3的掺Si的n型GaN， 厚度为O.ly m。
3周期多量子阱活性层5是由作为构成元素含有Ga的m族氮化物 半导体构成的层。3周期多量子阱活性层5可使用从下层侧开始依次层 叠了由Iti(U5Gao.85N构成的厚3nm的阱层、由Si浓度1X10"cm-3的掺 Si的In謹Gao.99N构成的厚4nm的阻挡层的材料。
盖层6可使用Mg浓度2X 1019cnT3的掺Mg的p型Alo.2Gaa8N， 厚度为10nm。
p型光限制层7可使用Mg浓度2 X 1019cm-3的掺Mg的p型GaN，厚度为0.1 m。
p型光披覆层8可使用Mg浓度lX1019cm'3的掺Mg的p型 AlalGaQ.9N，厚度为0.5wm。 p型光披覆层8在图1中形成为条状，但 也可通过干式蚀刻形成为脊状。
p型连接层9可使用Mg浓度1 x 102Qcm'3的掺Mg的p型GaN， 厚度为0.2m m。 p型连接层9与p型Alo.,Gao.9N披覆层8对应地形成 为条状。
Si02膜12是由Si02构成的绝缘膜，覆盖p型披覆层8的侧壁面、 p型连接层9的侧壁面及p型光限制层7。
p型电极14可使用通过电子束沉积的Pd/Pt。
覆盖电极15可使用通过溅射沉积的、依次层叠了 50nm的Ti、 100nm的Pt、 2/zm的Au的金属层叠体。
n型电极16可使用从n型GaN基板1 一侧开始依次真空蒸镀了 5nm的Ti、 20nm的Al、 10nm的Ti、 500nm的Au的金属层叠体。
AR膜20由单层或多层的电介质膜构成。AR膜20优选在和半导 体(1~7)的端面的界面附近区域配置含有Ti、 Zr、 Nb、 Ca、 Mg中的 任意一种的电介质材料，尤其优选含有Ti的电介质膜。这些元素具有 易于与氢结合的性质，因此可良好地抑制膜中的氢扩散。尤其是，通 过含有Ti，可同时兼顾反射率的良好控制、保护膜的内部应力a乘以 膜厚d的总应力S= C7 d (N/m)的降低，抑制保护膜和半导体的局 部性膜剥离，改善元件可靠性。AR膜20通过由溅射、蒸镀形成的Al203、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Ta205、 1^205等氧化物，MgF2、 CaF2等氟化物， A1N、 Si3N4等氮化物适当组合折射率、膜厚，可稳定地形成，能够提高激光的取出效率，进行激光的高输出动作。
AR膜20是单层膜时，相对于激光振荡波长1的电介质膜的折射
率n而言，其膜厚d优选为l/2n以下，进一步优选为X/4n以下。
AR膜20是多层膜时，作为第一保护膜21，优选使用电介质材料
中激光振荡波长义的折射率高的材料、例如Ti02 (折射率2.6) 、 Nb205 (折射率2.5) 、 Zr02 (折射率2.2)等，作为第二保护膜22，优选使
用上述电介质材料中折射率低的材料、例如A1203 (折射率1.7) 、 Si02 (折射率1.4)。由这些材料形成双层AR膜20时，使第一保护膜21 (折射率m)的厚度A、第二保护膜22 (折射率ri2)的厚度^为0<
dj《；i/4rM、 (Xd2《几/2n2的范围，可进行良好的反射率控制，进一步
优选(Xd!《10nm、 0<d2《X/4n2。
为了降低压縮方向的总应力，优选使构成AR膜20的电介质膜的 压縮方向的内部应力尽量小。电介质膜的内部应力可通过制膜方法、 制膜条件来控制。以单层膜评价时，优选膜应力o ( 、<r2)乘以AR
膜所采用的厚度d (d,、 d2)而得到的总应力S = OXd ((^xdi + CJ2Xd2)
大于ON/m且为10N/m以下，进一步优选2N/m以下。
AR膜20优选对激光的端面反射率为0.1~30%。 AR膜20在可获 得良好的反射率的范围内，优选尽量使其整体膜厚较薄。这样一来， 可降低AR膜20的压縮方向的总应力，因此可抑制高输出激光驱动时 的AR膜20的局部性膜剥离。
AR膜20优选膜厚方向的氢浓度分布基本平均。这样一来，和高 输出激光驱动时相比可抑制AR膜20中的应力分布局部变化，因此抑 制了膜剥离。AR膜20中的氢浓度分布可使用以下方法等平均化使 用溅射、蒸镀等真空成膜技术，向成膜的氛围添加氢而调整流量并进 行成膜；成膜前通过加热处理、等离子清洁等使半导体表面充分正常化，减少膜中氢浓度。优选使与半导体(1~7)的界面附近的氢浓度与
AR膜20中的表面附近的氢浓度之比为0.5以上且2以下。
HR膜(未图示)由组合了低折射率的电介质膜和高折射率的电介 质膜的多层膜构成，优选对激光的反射率为70~99%。 HR膜通过由溅 射、蒸镀形成的八1203、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Ta205、 ^13205等氧化物， MgF2、 CaF2等氟化物，A1N、 Si3N4等氮化物适当组合折射率、膜厚， 可稳定地形成，能够提高激光的取出效率，进行激光的高输出动作。
接着参照
本发明的实施例1涉及的半导体激光的制造方 法。图2 图4是示意本发明的实施例1涉及的半导体激光的制造方法 的步骤剖视图。
前提是，在半导体激光器的制造中可使用300hPa的低压MOVPE (Metalorganic vapor phase epixaxy: 金属有机气相夕卜延)装置。载气 (Carrier gas)使用氢和氮的混合气体，作为Ga、 Al、 In源分别使用 三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI) ， n型掺 杂剂可使用硅烷(SiH4) ， p型掺杂剂可使用二茂镁(Cp2Mg)。
首先，将由n型GaN (0001)基板构成的n型GaN基板1投入到 低压MOVPE装置后，提供NH3并使n型GaN基板升温，在到达生长 温度的时候开始生长。在n型GaN基板l上，使Si浓度4xl017cnT3的 掺Si的n型GaN层2生长到厚度lpm为止，在惨Si的n型GaN层2 上，使由Si浓度4xl017cm-3的掺Si的n型Al(uGao.9N构成的n型披覆 层3生长到厚度2pm为止，在n型披覆层3上，使由Si浓度4xl017CnT3 的掺Si的n型GaN构成的n型光限制层4生长到厚度O.lprn为止。接 着，在n型光限制层4上使由Intu5Ga。.85构成的阱层生长到厚度3nm 为止，在阱层上，使由Si浓度lxl018cirT3的掺Si的Ino.(nGa。.99N构成 的阻挡层生长到厚度4nm为止，从而形成3周期多量子阱活性层5。 接着，在3周期多量子阱活性层5上，使由Mg浓度2xl0^cm^的掺Mg的p型Al(uGao.sN构成的盖层6生长到厚度为lOrnn为止，在盖层 6上，使由Mg浓度2xl019cm—3的掺Mg的p型GaN构成的p型光限制 层7生长到厚度为0.1pm为止。接着，在p型光限制层7上，使由Mg 浓度lxl019cn^3的掺Mg的p型Al(uGao"N构成的p型披覆层8生长到 厚度为0.5pm为止，在p型披覆层8上，由Mg浓度lxl0^cm's的掺 Mg的p型GaN构成的p型连接层9生长到厚度为20nm为止(步骤 Al,参照图2 (A))。
此外，GaN层(掺Si的n型GaN层2、 n型光限制层4、 p型光 限制层7、 p型连接层9)的生长可在基板温度1080°C、 TMG供给量 58pmol/min、 NH3供给量0.36mol/min下进行。并且，AlGaN层(n型 披覆层3、盖层6、 p型披覆层8)的生长可在基板温度1080°C、 TMA 供给量36nmol/min、 TMG供给量58^miol/min、 NH3供给量0.36mol/min 下进行。此外，在基板温度80(TC、 TMG供给量8pmol/min、 NH3供给 量0.36mol/min时，InGaN层(3周多量阱活性层5)的生长可在阱层 中的TMI供给量48pmol/min下进行，在阻挡层中的TMI供给量 3|imol/min下进行。
接着，在通过步骤Al制造的晶片的p型连接层9上形成Si02膜 10 (步骤A2，参照图2 (B))。
接着，通过光刻法形成宽1.3|Lim的Si02条10a (步骤A3，参照图 2 (C))。
接着，以Si02条10a为掩模，通过干式蚀刻，去除p型连接层9 及p型披覆层8，直到p型光限制层7出现为止(步骤A4，参照图3 (A))。这样一来，在p型光限制层7上形成条状的p型连接层9及 p型披覆层8。此外，也可去除p型披覆层8的一部分，使p型披覆层 8形成为脊构造。
13接着，去除SiO2条10a，在包括p型连接层9及p型披覆层8在 内的p型光限制层7上沉积SiOj莫12，之后在SiOj莫12上较厚地涂 布抗蚀剂13 (步骤A5，参照图3 (B))。
接着，在氧等离子中通过蚀刻去除抗蚀剂13的一部分，从而露出 SiOj莫12的脊头部分(步骤A6，参照图3 (C))。
接着，用缓冲氢氟酸(Buffered Hydrofluoric Acid)去除Si02膜 12的脊头部分，之后用电子束沉积Pd/Pt，通过掀去法(Liftoff)(去 除抗蚀剂13及其上的Pd/Pt)，在p型连接层9上形成p型电极14 (步 骤A7，参照图4 (A))。
接着，在氮气氛中以60(TC进行30秒的RTA (Rapid Thermal Annealing:急速热处理)，形成p欧姆电极，之后通过溅射沉积50nm 的Ti、 100nm的Pt、 2pm的Au，从而形成覆盖电极15 (步骤A8，参 照图4 (B))。
接着进行晶片背面(n型GaN基板1的背面)的研磨，使晶片厚 度减薄到lOOpm厚度，从n型GaN基板1 一侧依次真空蒸镀5nm的 Ti、 20nm的Al、 10nm的Ti、 500nm的Au，从而形成n型电极16(步 骤A9，参照图4 (C))。
接着，将形成了电极16后的晶片在与条状的p型披覆层8的长轴 垂直的方向上劈开，形成共振器长60(Him的激光器棒(Laser bar)(步 骤AIO)。
接着，在通过步骤A10制造的激光器棒的共振器端面上形成端面 保护膜(步骤All)。端面保护膜使用通过真空蒸镀法、溅射法等方 法制造的电介质膜。在端面保护膜的形成中，可使用RF磁控溅射装置。在端面保护膜的形成中，首先在激光射出侧端面形成反射率
0.1 22%的AR膜20 (参照图1 (B))，接着在其相反侧的端面上形 成具有90y。以上的反射率的HR膜。具体如下。
将通过步骤A10制造的激光器棒投入到RF磁控溅射装置的真空 进样室，在200。C下进行0 60min的加热处理。之后，传送到溅射室， 当溅射装置内的极限真空度达到6xlO-Spa时，将Ar导入到溅射装置内， 以0.4 3.3Pa的范围设定Ar气的压力后，作为第一保护膜21成膜Ti02 后，作为第二保护膜22成膜A1203，从而作为AR膜20。溅射靶分别 使用高纯度的Ti02、 A1203，投入电力可以是0.2 1.2kW。 Ti02、 A1203 各自的厚度d!、 d2分别设为(Xd,《X/4iM、 (Xd2《人/2ri2的范围。其中， X是激光振荡波长405nm， n！是405nm下的Ti02的折射率2.6， 112是 405nm下的A1203的折射率1.7。 GaN的折射率为2.5时，使c^、 d2为 上述范围，从而可在AR反射率(以下为Rf)为0.1 22%的范围内良 好地进行控制(参照图5)。
形成了 AR膜20的激光器棒暂时从溅射装置取出后，再次在溅射 装置中在相反侧的端面形成由Si02/ Ti02多层膜构成的反射率卯％的 HR膜。
之后，进行形成了端面保护膜的激光器棒的元件分离(步骤A12)。 在此，制造出元件宽30(Him的激光器芯片。
将通过以上步骤获得的激光器芯片熔着到散热器(步骤A13)。 从而获得氮化物半导体激光器。
(氢浓度分布)
接着说明本发明的实施例1涉及的半导体激光器的AR膜20中的 氢浓度分布。AR膜20中的氢浓度分布通过SIMS分析(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry: 二次离子质量分t斤)求出。作为分 析试料，使用在40(Hmi厚的GaN基板的劈开面上成膜了如下多层膜的 材料和实施例1涉及的半导体激光器上形成的AR膜20的构成相同， 成膜条件相同的多层膜。
图6表示结果的一例。不进行加热处理而成膜时(加热处理0h)， Ti02中的氢浓度约为1.3xl021cm—3，八1203中的氢浓度约为2.1 x 102Qcm'3, 其比为6.2。另一方面，进行lh加热处理时，Ti02中的氢浓度约为 2.5xlQ2Qcm-3， A1203中的氢浓度约为2.2x102Qcm-3，其比约为l.l。
(内部应力)
接着说明本发明的实施例1涉及的半导体激光的AR膜20的内部 应力。
首先，在和构成上述第1实施方式的半导体激光元件上形成的AR 膜的各电介质膜相同的成膜条件下，形成lOOnm厚的单层膜的GaAs 基板，测定整体的翘曲量，根据以下数学式1求出各电介质膜的内部 应力。<formula>formula see original document page 16</formula>
此外，数学式1中的E是GaAs基板的杨式模量，v是GaAs基板 的泊松比，l是GaAs基板的长度，b是GaAs基板的厚度，d是单层的 保护膜的厚度，S表示位移。其中，E代入GaAs的杨式模量，v代入 GaAs的泊松比。艮卩，GaAs的杨氏模量为8.5><101() (Pa)，泊松比为 0.32。
此外，由上述数学式1得到的内部应力的符号为"-"时表示压縮应力，为"+ "时表示拉伸应力。
AR膜20的总应力S为通过上述公式得到的第一、第二保护膜的 膜应力(o" cj2)乘以各膜厚(山、d2)而得到的结果的总和，通过以 下数学式2求出。
(数学式2)
通过溅射法成膜的电介质膜的内部应力(t可通过成膜条件来控
制。作为一例，图7表示Al203的内部应力的成膜条件依赖性。 一般情
况下，溅射压力越高，并且靶投入电力越低，溅射粒子的能量越低。 因此，抑制了到达基板表面的溅射物的迁移，膜密度减少，并且离子 化效果降低，所以电介质膜的压縮应力降低。进一步，也受试料温度、 试料-靶间距离、成膜时添加的气体种类(氧、氮、氢等)左右。它们 紧密相关，优选范围较大，但本发明人研究的结果是，优选投入电力
为(U 2.4kW， Ar气压力为(U 4Pa，试料-耙间距离为50 120mm，试 料温度为25~300°C。在实施例1中，试料-靶间距离80mm、试料温度 20(TC下成膜下表所示的AR膜20。表1
第一保护膜Ti02 (折射率ni二Z6)第二保护膜A1203 (折射率!12=1.7〉总应力 (N/m)前表面反射率Rf (%)
投入电力 (kW)压力 (Pa)膜厚山 (師)内部应力o, (MPa)投入电力 (kW)压力 (Pa)膜厚d2 (腦)内部应力CJ2 (MPa)
0.21.438.5-280.61.425.0-68-2.815
0.21—438.5-280.61,412,0-68-1.920
0,21.438.5-280.61.443.0-68-4.05
0.21.438,5-280.61.496.0-68-7.615
0-21.43.8-280.61.425.0-68-1.813
0.21.49.6-280.61.425.0-68-2.014
0.21.419.2-280.61.425.0-68-2.215
0.21.49.6-280.33.325.0-54-1.614
0,21.49.6-281.20.425.0-93-2.614
(寿命试验)
接着说明本发明的实施例1涉及的半导体激光器的寿命。
图8是表示AR膜中的氢浓度比和80°C、 150mWAPC试验中的元 件寿命的关系的图。图8中，元件寿命以1000h为上限，元件寿命小 于1000h的元件均描绘因激光射出端面的COD (端面光学损伤)的突 发性的劣化而停止驱动的时间。其中，第一保护膜(Ti02)和第二保护 膜(A1203)的成膜条件和厚度(山、d2)分别固定为Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、 4 = 38.5歸、A1203: 0.6kW、 1.4Pa、 d2=25nm，通过使成膜前的加热 处理时间在0、 20、 40、 60min上改变，从而改变氢浓度比。
此时，前表面反射率Rf=15%,各保护膜的内部应力是<j1 = -30MPa， o2 = -60MPa，总应力S = -2.8N/m。并且，AR膜20中的氢浓 度比(Ti02中氢浓度/Ab03中氢浓度)分别为6.2、 3.8、 1.8、 1.1。
18从图8可知，随着氢浓度比接近l，即随着AR膜20中的氢分布
变得平均，元件寿命迅速改善，在氢浓度比2以下，抑制了COD造成 的突发劣化。此外，在AR膜20中，即使转换第一保护膜21和第二保 护膜22之间的氢浓度的大小关系(氢浓度比小于1;第一保护膜21的 氢浓度小于第二保护膜22的氢浓度时)，也可获得同样的效果。
为了研究该改善效果的原因，使氢浓度比6.2的元件和氢浓度比 1.1的元件在80°C、 lOOmW下驱动100小时，通过剖面TEM (Transmission Electron Microscope:透身寸电子显微镜)进4亍AR膜20 的端面附近的分析。
其结果是，在氢浓度比6.2的元件中，在活性层附近AR膜膨胀， 在该区域中，Ti02和半导体的界面产生空隙，而在氢浓度比1.1的元件 中，未发现这种空隙(膜剥离)。
从这些结果可知，AR膜20中的氢浓度分布高时，AR膜20的局 部剥离造成COD等级降低，因此元件可靠性下降，通过成膜前的加热 处理使AR膜20中的氢浓度分布平均化，从而可抑制端面劣化。
图9是表示80°C、 200mW下驱动100小时后的剖面TEM观测 (80°C、 200mWAPC试验)中的元件寿命和A1203厚度的关系的图。 其中，成膜前的加热处理时间为lh， Ti02和八1203的成膜条件和厚度 (d。 d2)分别是Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、山-38.5nm， A1203: 0.6kW、 1.4Pa、d2-12、25、43、96nm。此时，各保护膜的内部应力是q-誦28MPa、 o2=-68MPa，总应力S和Rf分别是S = -1.9、 -2.8、 -4、 -7.6N/m、 Rf =205、 5、 15%。 Rf越低的元件，端面光密度减小，因此初始COD等 级具有较高的值，但如图9所示，可靠性不取决于Rf， Al203厚度越薄 的元件，越得到改善。进一步，通过80。C、 200mW下驱动100小时后 的剖面TEM观测，确认了对于d2 = 96nm(Rf = 15%，总应力S = -7.6N/m) 的元件，AR膜20的膜剥离。图10是表示80°C、 200mW下驱动100小时后的剖面TEM观测 (80°C、 200mWAPC试验)中的元件寿命和Ti02厚度的关系的图。其 中，成膜前的加热处理时间为lh， Ti02和Al203的成膜条件和厚度(d,、 d2)分别是Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、 ^ = 3.8、 9.6、 19.2、 38.5nm， A1203: 0.6kW、 1.4Pa、 d2 = 25nm。此时，各保护膜的内部应力是= -28MPa、 o2 = -68MPa，保持恒定，总应力S和Rf分别是S = -1.8、 -2.0、 -2.2、 -2.8N/m， Rf=114、 15、 15%。如图10所示，Ti02越薄的元件，可靠 性越改善，在d,《10nm的元件中，抑制了小于1000h的COD劣化。
图11是表示80°C、 200mW下驱动100小时后的剖面TEM观测 (80°C、 200mWAPC试验)中的元件寿命和A1203膜应力的关系的图。 其中，成膜前的加热处理时间为lh， Ti02和八1203的成膜条件和厚度
(d" d2)分别是Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、 c^-9.6nm， A1203: 0.3kW、 3.3Pa、 0.6kW、 1.4Pa、 1,2kW、 0.4Pa、 d2 = 25nm。此时，Ti02的内部 应力是q二-28MPa， Rf是14W，保持恒定，A1203的内部应力cj2和总 应力分别是o2 = -54、 68、 93MPa， S二-1.6、 -2.0、 -2.6N/m。从图11
可知，八1203的内部应力CT2越降低，可靠性越得以改善。
图12是表示根据图9、图10、图11所示的结果得到的80。C、200mW 下驱动100小时后的剖面TEM观测(80°C、 200mWAPC试验)中的 元件寿命和AR总应力的关系的图。从图12可知，压縮方向的总应力 S越降低，可靠性越提高，通过使总应力S的绝对值为2以下，可完全 抑制小于1000小时产生COD。
根据以上结果，对于端面破坏可提出如下模型。
在高输出驱动时的半导体激光器的元件端面，因由表面态、保护 膜形成时导入的点缺陷、界面改性层等吸收激光，激光射出部分的温 度上升。因该发热而在激光射出端面上形成的端面保护膜膨胀，因此
20由于与半导体的热膨胀系数差，保护膜的压縮应力增大，造成局部性 膜剥离。
并且，当AR膜中的氢浓度不均匀时，在高输出驱动时，发光部 附近的氢易于从高浓度区域扩散到低浓度区域。其结果是，AR膜中的 应力分布局部变化，所以膜易剥离。产生该氢浓度分布的原因是因为 附着到成膜前的端面的有机杂质、水分等。
并且，氮化物半导体生长层在氢气氛中生长，所以其有可能析出。 因此，在提高半导体激光器的可靠性方面，使膜中的氢浓度分布均匀 化、及降低膜的整体应力是极其有效的。
对于AR膜的内部应力，因膜种类、成膜方法、条件不同而不同， 一般情况下，对溅射形成的电介质膜施加数十 数百MPa左右的压縮应 力，难于使其为o。因此，在实施例1中，为了尽量以较薄的膜厚获得 所需的反射率，在选择高折射率材料和低折射率材料的基础上进行成 膜条件的优化，结果可获得高输出、高可靠性的半导体激光器。
权利要求
1.一种半导体激光器，从活性层的端面射出激光，其特征在于，具有保护膜，该保护膜设置在射出上述激光的上述端面上，并且由单层或多层的电介质膜构成，上述保护膜中的氢浓度分布大致均匀。
2. 根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于， 上述活性层由含有Ga作为构成元素的m族氮化物半导体构成。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于， 上述保护膜由至少与上述活性层的上述端面直接接触的第一保护膜和与上述第一保护膜接触的第二保护膜构成，上述第一保护膜的氢浓度与上述第二保护膜的氢浓度之比为0.5 以上且2以下。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，上述保护膜中至少与上述活性层的上述端面直接接触的电介质膜 包含Ti、 Zr、 Nb、 Ca、 Mg中的任意一种。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，上述保护膜中至少与上述活性层的上述端面直接接触的电介质膜 由TK)2构成。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，上述保护膜由与上述活性层的上述端面直接接触的第一保护膜和 与上述第一保护膜接触的第二保护膜构成，在激光振荡波长为义时，上述第一保护膜的折射率W和上述第二 保护膜的折射率ri2满足n,〉ri2的关系，上述第一保护膜的厚度d！为A《X/4m， 上述第二保护膜的厚度d2为d2《l/2n2。
7. 根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于， 上述第一保护膜的厚度山为10nm以下。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，施加到上述保护膜上的压縮方向的总应力的大小大于0N/m且为 10N/m以下。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，具有第二个保护膜，该第二个保护膜设置在射出上述激光的上述 端面的相反侧的端面上，并且反射率高于上述保护膜。
全文摘要
提供一种半导体激光器，可抑制高输出长时间驱动时共振器端面的端面保护膜的膜剥离，并且COD耐性强，输出高且寿命长。上述半导体激光器，从活性层(5)的端面射出激光，具有保护膜(20)，其设置在射出激光的端面上，并且由单层或多层的电介质膜构成。保护膜(20)中的氢浓度分布大致均匀。活性层(5)由包含Ga作为构成元素的III族氮化物半导体构成。保护膜(20)由至少与活性层(5)的端面直接接触的第一保护膜(21)和与第一保护膜(21)接触的第二保护膜(22)构成。第一保护膜(21)的氢浓度与第二保护膜(22)的氢浓度之比为0.5以上且2以下。
文档编号H01S5/343GK101645578SQ20091016413
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者五十岚俊昭, 多田健太郎, 宫坂文人, 小松启郎, 福田和久, 笹冈千秋 申请人:恩益禧电子股份有限公司