氮化物半导体激光元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种氮化物半导体激光元件，设有即便在激光器工作中也不会发生膜剥落的牢固的端面保护膜，具有较高的可靠性。氮化物半导体激光元件具备：半导体层叠体，其由III族氮化物半导体构成，并具有发光端面；和保护膜，其由按照覆盖半导体层叠体中的发光端面的方式形成的电介质多层膜构成，保护膜由端面保护层和氧扩散抑制层构成，从发光端面起按照端面保护层和氧扩散抑制层的顺序被配置，端面保护层是具有由含铝的氮化物构成的结晶性膜的层，氧扩散抑制层是氧化硅膜夹着金属氧化物膜的构造，金属氧化物膜通过激光而结晶化。
【专利说明】氮化物半导体激光元件
【技术领域】
[0001] 本发明涉及氮化物半导体激光元件，尤其涉及在发光端面设置了保护膜的氮化物 半导体激光元件。
【背景技术】
[0002] 半导体激光元件之中的氮化物半导体激光元件，作为蓝光光盘（Blu-ray (注册商 标）Disc)等所代表的光盘介质的再生以及记录用的光源而被使用。此外，也研究了对出射 光的波长进行调整，作为激光退火等的加工用光源、投影仪或激光电视机等的显示器用光 源来使用。进而，也研究了通过组合氮化物半导体激光元件和荧光体等，由此作为显示器、 照明装置的固体光源来使用。
[0003] 对于包含氮化物半导体激光元件的一般半导体激光器，已知若光输出增大则出现 在光输出恒定的条件下工作电流逐渐增加的劣化现象、因被称作光学破坏的现象而使得半 导体激光器变得不振荡的现象。因此，为了使氮化物半导体激光元件高光输出化，提出了用 于抑制或者防止氮化物半导体激光元件的劣化的各种方案。
[0004] 例如，在专利文献1、专利文献2中，通过对伴随光学破坏的突然毁坏进行抑制的 构造而使光输出提升到了几百mW。
[0005] 具体而言，关于半导体激光元件所具有的一组对置的端面之中激光出射的发光端 面（将发光端面设为前端面，将另一个端面设为后方端面或者后端面），提出了通过使覆盖 前端面以及后端面的保护膜牢固化以及稳定化来抑制光学破坏的方案。
[0006] 以下，使用图18来说明现有的氮化物半导体激光元件400。现有的氮化物半导体 激光元件400在η型GaN基板上具有包含活性层（发光层）的氮化物半导体层410。氮化 物半导体层410形成有前端面413和后面的后端面414。在前端面413形成有由第1端面 覆膜415和第2端面覆膜416构成的端面覆膜，在后端面414形成有端面覆膜417。此时， 记述了下述内容，即，作为第1端面覆膜415而使用氮化铝膜（AlN)，作为第2端面覆膜416 而使用氧化铝（Al 2O3)。
[0007] 在上述的现有构成中，作为第1端面覆膜而使用AlN膜的六方晶的结晶膜，与使用 通常的AlN膜的情况相比，可以防止氮化物半导体激光元件端面的氧化以及膜剥落，抑制 光学破坏、端面的劣化，使光输出高输出化至几百mW。
[0008] 在先技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1 :日本特开2007-318088号公报
[0011] 专利文献2 :日本特开2012-044230号公报
【发明内容】
[0012] 然而，若只是将现有构造所示的AlN的结晶膜用于覆膜，则在更高的光输出、尤其 是光输出超过了 1瓦特的情况下，氮化物半导体激光元件的特性下降的抑制是不充分的。
[0013] 本发明为了解决现有问题而实现，其目的在于提供一种即便在高光输出工作时也 可抑制发光端面或者/以及覆膜的劣化、可长时间驱动的氮化物半导体激光元件。
[0014] 为了解决上述课题，本发明的氮化物半导体激光元件具备：半导体层叠体，其由 III族氮化物半导体构成，并具有发光端面；和保护膜，其由按照覆盖半导体层叠体中的发 光端面的方式形成的电介质多层膜构成，保护膜由端面保护层和氧扩散抑制层构成，端面 保护层和氧扩散抑制层从发光端面侧起按照端面保护层和氧扩散抑制层的顺序被配置，端 面保护层是具有氮化铝膜的层，氧扩散抑制层是具备至少一层金属氧化物膜的构造，金属 氧化物膜通过从发光端面出射的激光而被结晶化。
[0015] 根据该构成，金属氧化物膜通过从发光端面出射的激光而被结晶化，因结晶化所 引起的膜密度的增大而氧的扩散被阻碍，因此能够抑制保护膜内部的劣化，可实现高输出 且长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0016] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：氧扩散抑制层具备至少一层金属氧 化物膜和至少一层氧化硅膜，并且从端面保护层侧起按照氧化硅膜、金属氧化物膜的顺序 被配置。
[0017] 根据该优选构成，由于氧化硅膜被插入在氮化铝膜与金属氧化物膜之间，因此能 够缓和因氧化反应的进展所引起的膜应力的增大，抑制保护膜中的膜剥落，所以能够实现 高输出且长寿命的氮化物半导体激光兀件。
[0018] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：氧扩散抑制层具备至少一层金属氧 化物膜和至少两层氧化硅膜，并且金属氧化物膜被两层氧化硅膜夹持。
[0019] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：金属氧化物膜是包含铝、锆、铪、钛、 钽、锌中的任一种的氧化膜。
[0020] 根据该优选构成，因波长400nm附近的光吸收而进行结晶化反应，金属氧化物的 结晶化膜阻碍氧的透过，能够防止氧向保护膜内部的侵入，因此能够实现高输出且长寿命 的氮化物半导体激光元件。
[0021] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：端面保护层由直接被覆了发光端面 的第一氮化铝膜、被配置为被覆第一氮化铝膜的第一金属氧化物膜、和被配置为被覆第一 金属氧化物膜的第二氮化铝膜构成。
[0022] 根据该优选构成，由两层氮化铝膜来保护端面，因此能阻碍氧向发光端面的扩散， 所以能够实现高输出且长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0023] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：第一金属氧化物膜为氧化铝膜，通 过从发光端面出射的激光来结晶化。
[0024] 根据该优选构成，由于金属氧化物膜为被氮化铝膜夹持的构成，并在扩散氧少的 状态下结晶化，因此可形成膜密度高的结晶化氧化铝膜，所以能够抑制氧向发光端面的扩 散，能够实现高输出且长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0025] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：第一氮化铝膜相对于发光端面以m 轴取向作为主成分而构成，第二氮化铝膜以c轴取向作为主成分而构成。
[0026] 根据该优选构成，被氮化铝膜夹持的金属氧化物膜由于m轴取向的氮化铝膜的基 板效应而形成高密度的结晶膜，第二氮化铝膜进行c轴取向而缓和应力，因此能够阻碍氧 的透过且防止伴随结晶化的膜剥落，能够实现高输出且长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0027] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：发光端面的反射率相对于从发光端 面出射的激光的波长而为反射率谱的极大值或者极小值。
[0028] 根据该优选构成，金属氧化物膜即便因光结晶化而发生折射率变化也可减少反射 率的变动，因此能够实现在高输出长时间工作下也可维持稳定的特性的氮化物半导体激光 元件。
[0029] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：金属氧化物膜通过激光而被结晶化 的区域为激光的近视场像的区域。
[0030] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：金属氧化物膜为氧化锆或者氧化 钛。
[0031] 根据该优选构成，由于氧化锆以及氧化钛的光结晶化的进展快，因此能够迅速地 形成膜密度高的结晶化膜，能够迅速地抑制氧向发光端面的扩散，从而能够实现高输出且 长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0032] 本发明的氮化物半导体激光元件具备：半导体层叠体，其由III族氮化物半导体 构成，并具有发光端面；和保护膜，其由按照覆盖所述半导体层叠体中的所述发光端面的方 式形成的电介质多层膜构成，保护膜由端面保护层和氧扩散抑制层构成，端面保护层和氧 扩散抑制层从发光端面侧起按照端面保护层和氧扩散抑制层的顺序被配置，端面保护层是 具有结晶性的氮氧化铝膜的层，氧扩散抑制层是具备至少一层金属氧化物膜的构造，金属 氧化物膜通过从发光端面出射的激光而被结晶化。
[0033] 根据该构成，金属氧化物膜通过从发光端面出射的激光而被结晶化，因结晶化所 引起的膜密度的增大而氧的扩散被阻碍，因此能够抑制保护膜内部的劣化，能够实现高输 出且长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0034] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：端面保护层由直接被覆了发光端面 的第一氮氧化铝膜、被配置为被覆第一氮氧化铝膜的第一金属氧化物膜、和被配置为被覆 第一金属氧化物膜的第二氮氧化铝膜构成。
[0035] 根据该优选构成，由两层氮化铝膜来保护端面，因此能阻碍氧向发光端面的扩散， 所以能够实现高输出且长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0036] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：第一氮氧化铝膜相对于发光端面以 m轴取向作为主成分而构成，第二氮氧化铝膜以c轴取向作为主成分而构成。
[0037] 根据该优选构成，被氮化铝膜夹持的金属氧化物膜因m轴取向的氮化铝膜的基板 效应而形成高密度的结晶膜，第二氮化铝膜进行c轴取向而缓和应力，因此能够阻碍氧的 透过且防止伴随结晶化的膜剥落，能够实现高输出且长寿命的氮化物半导体激光元件。
[0038] 本发明的氮化物半导体激光元件进一步优选：氮氧化铝膜中的氮的原子组成为 40%以上。
[0039] 本发明所涉及的氮化物半导体激光元件，即便在高输出工作时也不会发生保护膜 的氧化反应，可获得不会引起光学破坏的牢固的端面保护膜，因此能实现长寿命且高可靠 性。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 图IA是本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的制造工序所涉及 的剖视图。
[0041]图IB是本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的制造工序所涉及 的剖视图。
[0042]图2是本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的剖视图。
[0043] 图3A是表示本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的端面保护膜 形成工序的概要的剖视图。
[0044] 图3B是表示本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的端面保护膜 形成工序的概要的剖视图。
[0045] 图3C是表示本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的端面保护膜 形成工序的概要的剖视图。
[0046] 图3D是表示本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的端面保护膜 形成工序的概要的剖视图。
[0047] 图4是表示本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的前端面的多层 保护膜的反射率谱的图。
[0048] 图5是将本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件搭载于封装体的氮 化物半导体激光装置的剖视图。
[0049] 图6是本发明的第2实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的剖视图。
[0050] 图7是表示氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜的反射率谱的图。
[0051] 图8是比较例1所涉及的氮化物半导体激光元件的老化后的剖面透过电子束像的 图。
[0052] 图9A是比较例1所涉及的氮化物半导体激光元件的老化后的发光端面附近的铝 的组成分布图。
[0053] 图9B是比较例1所涉及的氮化物半导体激光元件的老化后的发光端面附近的氧 的组成分布图。
[0054] 图10是比较了本发明所涉及的氮化物半导体激光元件和比较例2所涉及的氮化 物半导体激光元件的老化试验所形成的劣化曲线的图。
[0055] 图IlA是表示本发明所涉及的氮化物半导体激光元件的老化后的发光端面附近 的剖面透过电子束像的图。
[0056] 图IlB是表示比较例2所涉及的氮化物半导体激光元件的老化后的发光端面附近 的剖面透过电子像的图。
[0057] 图12A是表示本发明所涉及的氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜的 Al2O3膜的已变性的区域的透过电子束衍射图案的图。
[0058] 图12B是表示本发明所涉及的氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜的 Al2O3膜的未变性的区域的透过电子束衍射图案的图。
[0059] 图13A是表示比较例3所涉及的氮化物半导体激光元件的老化后的剖面透过电子 束像的图。
[0060] 图13B是表示比较例4所涉及的氮化物半导体激光元件的老化后的剖面透过电子 束像的图。
[0061] 图14是表示了本实施例所涉及的AlON膜的氧流量和原子组成的关系的图。
[0062] 图15是表不了本实施例所涉及的AlONI旲的氧流量和折射率的关系的图。
[0063] 图16是表示了本实施例所涉及的AlON膜的N原子的原子组成和折射率的关系的 图。
[0064] 图17是表示了本实施例所涉及的组C的AlON膜的X射线衍射光谱的图。
[0065] 图18是现有的氮化物半导体激光元件的示意剖视图。
【具体实施方式】
[0066] 以下，参照附图来说明本发明的实施例。
[0067](第1实施例）
[0068] 参照附图来说明本发明的第1实施例。
[0069] 将第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件设为出射激光的中心波长为 390nm?430nm的氮化镓（GaN)系蓝紫色激光装置，将其构成与制造方法一起进行说明。
[0070] 首先，使用图IA来说明本实施例的氮化物半导体激光元件的层叠构造。例如通过 有机金属气相沉积（MOCVD)法在由η型GaN构成的η型基板11上外延生长由多个III族 氮化物半导体构成的半导体层叠体50,由此来构成氮化物半导体激光元件的层叠构造。
[0071] 具体而言，在以面方位的c面（=(0001)面）为主面的η型GaN即η型基板11的 主面上依次生长：例如厚度约1μm且作为η型掺杂剂的Si的浓度为IXIO18CnT3的η型GaN 艮Pη型半导体层12、厚度约1. 5μm且Si的浓度为5ΧIO17CnT3的由η型Alatl5Gaa95N构成的 η型包覆层13、厚度约0.Iym且Si的浓度为5ΧIO17CnT3的由η型GaN构成的η型导光层 14、由InGaN构成的多重量子阱活性层15、厚度约0.Iym且作为ρ型掺杂剂的Mg的浓度为 IXIO19CnT3的由p型GaN构成的p型导光层16、厚度约IOnm且Mg的浓度为IXIO19CnT3的 由p型Ala2Gaa8N构成的p型电子阻挡层17、由p型AlGaN构成的p型包覆层18、以及厚度 约20nm且Mg的浓度为IXIO2tlCnT3的由p型GaN构成的p型接触层19。
[0072] 在此，多重量子阱活性层15具有通过厚度约7nm的未掺杂的InGaN所构成的阱 层、和厚度为20nm的未掺杂的Inatl2Gaa98N所构成的势垒层而构成的双重量子阱构造。阱 层的In组成按照振荡波长成为例如405nm的方式被调整。
[0073] 另外，p型电子阻挡层17也可以配置在多重量子阱活性层15与p型导光层16之 间。
[0074] 此外，p型包覆层18也可以具有由分别为Mg的浓度是IXIO19CnT3且厚度约2nm 的P型AlaAaa9N和p型GaN构成的超晶格构造，作为合计的膜厚为0. 5μm的p型超晶格 包覆层。
[0075] 下面，使用图IB来说明本实施例的氮化物半导体激光元件的脊形波导的构成以 及制造方法。如图IA所示，在图IA的半导体层叠体50的p型接触层19上形成由SiO2构 成的掩模层20。接下来，通过光刻法以及蚀刻法，使掩模层20图案化为相对于η型基板11 的结晶轴而在〈1-1〇〇>方向上延伸的条状。接下来，使用被图案化为条状的掩模层20,对ρ 型接触层19以及ρ型包覆层18进行干蚀刻，从而在ρ型接触层19以及ρ型包覆层18上 形成沿着结晶轴的〈1-1〇〇>方向延伸的条状的脊形波导50a。
[0076] 在此，ρ型包覆层18中的脊形波导50a的侧方部分的厚度（保留膜厚）例如约 0. 1μm。此外，脊形波导50a的下部的宽度例如约10μm，脊形波导50a的上部的宽度例如 约 8μm。
[0077] 下面，使用图2来说明本实施例的氮化物半导体激光元件I的构成以及制造方法。 首先，如图2所示，去除图IB所示的掩模层20,然后通过光刻法以及真空蒸镀法等，在构成 脊形波导50a的p型接触层19上形成由例如钯（Pd)和钼（Pt)的层叠膜构成的P侧电极 21。接下来，使η型基板11薄膜化（背面研磨）以使裂开变得容易。然后，在η型基板11 的背面形成由例如钛（Ti)和金（Au)的层叠膜构成的N侧电极22。
[0078] 接下来，按照半导体层叠体50中的脊形波导50a的下方所形成的谐振器的长度例 如成为约600μm至约2000μm之间、优选约800μm或者约1200μm的方式，使η型基板11 以及半导体层叠体50裂开。通过该裂开，在半导体层叠体50形成面方位为（1-100)面所 构成的端面镜。
[0079] 端面镜通过使出射激光的前端面28和反射激光的后端面29对置形成而构成。
[0080] 另外，在本申请说明书中，对结晶轴以及面方位的指数赋予的负的符号方便地 表示了继该符号之后的指数的反转。例如（1-100)由以下的数学式1来表示。
[0081] [数学式1]
[0082]
【权利要求】
1. 一种氮化物半导体激光元件，具备： 半导体层叠体，其由III族氮化物半导体构成，并具有发光端面；和 保护膜，其由按照覆盖所述半导体层叠体中的所述发光端面的方式形成的电介质多层 膜构成， 所述保护膜由端面保护层和氧扩散抑制层构成，所述端面保护层和所述氧扩散抑制层 从所述发光端面侧起按照所述端面保护层和氧扩散抑制层的顺序被配置， 所述端面保护层是具有氮化铝膜的层， 所述氧扩散抑制层是具备至少一层金属氧化物膜的构造， 所述金属氧化物膜通过从所述发光端面出射的激光而被结晶化。
2. 根据权利要求1所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述氧扩散抑制层具备至少一层金属氧化物膜和至少一层氧化硅膜，并且从所述端面 保护层侧起按照氧化硅膜、金属氧化物膜的顺序被配置。
3. 根据权利要求1所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述氧扩散抑制层具备至少一层金属氧化物膜和至少两层氧化硅膜，并且所述金属氧 化物膜被所述两层氧化硅膜夹持。
4. 根据权利要求1?3中任一项所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述金属氧化物膜是包含铝、锆、铪、钛、钽、锌中的任一种的氧化膜。
5. 根据权利要求1所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述端面保护层由直接被覆了发光端面的第一氮化铝膜、被配置为被覆所述第一氮化 铝膜的第一金属氧化物膜、和被配置为被覆所述第一金属氧化物膜的第二氮化铝膜构成。
6. 根据权利要求5所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述第一金属氧化物膜为氧化铝膜。
7. 根据权利要求5或6所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述第一氮化铝膜相对于所述发光端面以m轴取向作为主成分而构成，所述第二氮化 铝膜以c轴取向作为主成分而构成。
8. 根据权利要求1?7中任一项所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述氮化物半导体激光元件的发光端面的反射率相对于从所述发光端面出射的激光 的波长而为反射率谱的极大值或者极小值。
9. 根据权利要求1?8中任一项所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述金属氧化物膜通过所述激光而被结晶化的区域是所述激光的近视场像的区域。
10. 根据权利要求1?9中任一项所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述金属氧化物膜为氧化锆或者氧化钛。
11. 一种氮化物半导体激光元件，具备： 半导体层叠体，其由III族氮化物半导体构成，并具有发光端面；和 保护膜，其由按照覆盖所述半导体层叠体中的所述发光端面的方式形成的电介质多层 膜构成， 所述保护膜由端面保护层和氧扩散抑制层构成，所述端面保护层和所述氧扩散抑制层 从所述发光端面侧起按照所述端面保护层和氧扩散抑制层的顺序被配置， 所述端面保护层是具有结晶性的氮氧化铝膜的层， 所述氧扩散抑制层是具备至少一层金属氧化物膜的构造， 所述金属氧化物膜通过从所述发光端面出射的激光而被结晶化。
12. 根据权利要求11所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述端面保护层由直接被覆了发光端面的第一氮氧化铝膜、被配置为被覆所述第一氮 氧化铝膜的第一金属氧化物膜、和被配置为被覆所述第一金属氧化物膜的第二氮氧化铝膜 构成。
13. 根据权利要求12所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述第一氮氧化铝膜相对于所述发光端面以m轴取向作为主成分而构成，所述第二氮 氧化铝膜以c轴取向作为主成分而构成。
14. 根据权利要求11所述的氮化物半导体激光元件，其中， 所述氮氧化铝膜中的氮的原子组成在40%以上。
【文档编号】H01S5/343GK104364983SQ201380031459
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2012年12月19日
【发明者】吉田真治, 持田笃范, 冈口贵大 申请人:松下知识产权经营株式会社