CN102484354B - 氮化物半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化物半导体发光装置，具备：半导体层叠体(50)，其由III族氮化物半导体构成，且具有发光端面；和第一涂膜(23)，其形成为覆盖该半导体层叠体(50)中的发光端面。第一涂膜(23)是由含有铝的氮化物构成的结晶性膜。该结晶性膜是由结晶取向面处的倾斜角度和旋转角度彼此相同的多个晶畴的集合体构成的，每单位面积的各晶畴的边界长度为7μm-1以下。

Description

氮化物半导体发光装置
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光装置，特别涉及在发光端面设置了保护膜的氮化物半导体发光装置。 
背景技术
半导体发光装置中的半导体激光装置作为激光唱片(CD)、数字多功能光盘(DVD)及蓝光光盘(Blu-ray Disc)(注册商标)等所代表的光盘媒体的再生及记录用的光源而被广泛应用。特别是，在要求高速度的信息记录动作的情况下，为了在短时间内记录大量信息，半导体激光装置的高输出化是不可或缺的。 
然而，一般公知如下的现象，即：当半导体激光装置的光输出增大时出现工作电流徐徐增加的劣化现象、因被称为光学破坏的现象而导致半导体激光装置不振荡的现象。因而，为了实现高输出化，正在积极地进行抑制或防止这种半导体激光装置的劣化的研究与开发。特别是，伴有光学破坏的突然不动作(頓死)是在激光谐振器的光射出面即前端面产生的，因而需要致力于覆盖谐振器端面的保护膜的坚固化及稳定化等。一般，半导体激光装置的谐振器端面被保护膜覆盖，且起到控制该谐振器端面上的反射率、防止异物附着以及防止谐振器端面氧化的效果。 
图16示出专利文献1记载的现有氮化物半导体激光装置的示意性剖面结构。如图16所示，现有的氮化物半导体激光装置具有激光构造体100，该激光构造体100由活性层(发光层)102和夹持该活性层102的n型半导体层101及p型半导体层103构成。在p型半导体层103形成有p侧电极104，在n型半导体层101形成有n侧电极105。 
在激光构造体100中的谐振器的作为反射镜发挥功能的后端面，设有由氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)等金属氧化物构成的保护膜106。另外，在谐振器的前端面，作为第一保护膜107而使用了氮化铝(AlN)， 在第一保护膜107的外侧，作为第二保护膜108而使用了氧化铝(Al2O3)。 
这里，在高输出化中导致半导体激光装置劣化的原因之一，认为因激光构造体100的发热和光吸收而产生的第一保护膜107等和半导体的端面之间的固相反应、或各保护膜中的残留氧气或容器中的氧气随着激光振荡而在保护膜中相互扩散使得谐振器端面氧化等、谐振器端面的界面反应是其原因。 
另外，因激光振荡时的发热产生各保护膜从激光构造体100剥落或者在激光构造体100产生裂缝等的物理性破坏。图16所示的现有的第一保护膜107即AlN由于是结晶性薄膜，因而是坚固的、导热性良好的、作为端面涂膜(coating film)而言非常好的材料。而且，由于AlN与氮化物半导体同样地是碳化物，因而也抑制了与激光构造体100的固相反应。 
可是，AlN膜的膜应力大，故激光振荡动作容易导致裂缝的产生等。另外，对于AlN而言公知在波长为400nm附近存在因缺陷等引起的光吸收带，且认为由于激光振荡时的光吸收会引起发热和氧气扩散。 
因而，在专利文献2中记载了使膜应力变小的AlN膜的结构和成膜方法。在专利文献2中，通过层叠具有互不相同的结晶取向性的AlN膜，来缓和膜应力，抑制因发热引起的裂缝和膜剥落。 
此外，在专利文献3中记载了为了抑制氧气扩散而将添加了稀土类元素的AlN用作保护膜的结构。通过将稀土类添加到AlN中，从而可使得稀土类元素与氧气结合，来抑制氧气扩散。通过使用这种添加了稀土类元素的AlN膜，较之使用通常的AlN膜的情况，可防止谐振器端面的氧化和膜剥落，抑制光学破坏或端面的劣化，故可实现长时间的激光动作。 
现有技术文献 
专利文献 
专利文献1：JP特开2007-318088号公报 
专利文献2：JP特开2008-182208号公告 
专利文献3：JP特开2008-147363号公报 
然而，虽然专利文献2记载的AlN膜能够抑制膜剥落和裂缝的产生，但是却存在着由端面的发热或光吸收所产生的端面的氧化等引起产生光学破坏的问题。在专利文献2中，由于层叠了结晶取向性互不相同的AlN膜，因而在具有不同结晶取向性的AlN膜彼此之间产生界面，成为光吸收的根源。而且，专利文献1的AlN膜为多晶体，在晶粒彼此之间的界面产生光吸收。这样的AlN膜的光吸收会引起谐振器端面的发热和AlN膜中的氧气扩散进而达到光学破坏，因而这样的AlN膜的光吸收成为使半导体激光装置可靠性降低的原因。
另外，即便在专利文献3中公开的添加了钇(Y)等稀土类元素的AlN膜中，也存在着产生谐振器端面的劣化或光学破坏的问题。认为这是因为由于Y的添加导致AlN膜的晶粒微小化使得晶粒界面的面积增大，进而导致AlN膜的光吸收的增大。这样，虽然由于AlN膜为结晶膜而因热和光引起的劣化小，但是由于因光吸收引起的发热和氧气扩撒会引起谐振器端面的劣化，因而成为使半导体激光装置的寿命及其可靠性下降的原因。 
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，即便在高输出动作时也能得到光吸收少、未引起光学破坏的端面保护膜。 
为了达成上述目的，本发明的氮化物半导体发光装置采用的构成为：端面保护膜使用由含有铝的氮化物构成的结晶性膜，并由规定大小且结晶取向面处的倾斜角度恒定且旋转角度恒定的晶畴(domain)的集合体形成该结晶性膜。此外，“晶畴”的定义见后述。 
具体而言，本发明涉及的第一氮化物半导体发光装置，具备：半导体层叠体，其由III族氮化物半导体构成，且具有发光端面；和第一保护膜，其形成为覆盖半导体层叠体中的发光端面，第一保护膜是由包含铝的氮化物构成的结晶性膜，结晶性膜由多个晶畴构成，对于多个晶畴中的相邻的晶畴而言，结晶取向面处的倾斜角度和旋转角度中至少任一方不同，每单位面积的各晶畴的边界长度为7μm-1以下。 
根据第一氮化物半导体发光装置，具有由含有铝的氮化物构成的结晶性的第一保护膜，由于每单位面积的各晶畴的边界长度为7μm-1以下，因而单一晶畴的面积大。由此，每单位面积的晶畴彼此之间的界面面积变小、光吸收变小，所以能够抑制动作中的发热及氧气扩撒。其结果，能够 实现高输出且长寿命的氮化物半导体发光装置。 
本发明涉及的第二碳化物半导体发光装置，具备：半导体层叠体，其由III族氮化物半导体构成，且具有发光端面；和第一保护膜，其形成为覆盖半导体层叠体中的发光端面，第一保护膜是由含有铝的氮化物构成的结晶性膜，结晶性膜由多个晶畴构成，对于多个晶畴中的相邻的晶畴而言，结晶取向面处的倾斜角度和旋转角度中至少任一方不同，多个晶畴中的与发光端面的光透过区域相对置的晶畴的面积比光透过区域的面积大。 
根据第二氮化物半导体发光装置，具有由含有铝的氮化物构成的结晶性的第一保护膜，由多个晶畴构成，且对于多个晶畴中的相邻的晶畴而言，结晶取向面处的倾斜角度和旋转角度至少任一方不同，多个晶畴中的与发光端面的光透过区域相对置的晶畴的面积比光透过区域的面积大。由此，从发光端面射出的发出光不会被晶畴彼此之间的界面吸收或散射。因而，能够更可靠地抑制动作中的发热、氧气扩撒和散射导致的光损耗，因而能够实现高输出且长寿命的氮化物半导体发光装置。 
在第一或第二氮化物半导体发光装置中，优选，第一保护膜具有结晶取向面处的倾斜角度及旋转角度都在2°以内的单一晶畴。 
这样，能够使得第一保护膜中的单一晶畴变大，界面面积变小。 
在第一或第二氮化物半导体发光装置中，优选，第一保护膜具有与半导体层叠体的结晶轴取向相同的结晶轴取向的结晶构造。 
这样，由于能够减少第一保护膜给予半导体层叠体的膜应力，因而可防止第一保护膜的膜剥落及裂缝的发生。 
另外，在第一或第二氮化物半导体发光装置中，优选，第一保护膜包括具有与半导体层叠体的结晶轴取向不同的结晶轴取向的结晶构造。 
这样，能够使得第一保护膜的光吸收系数更小。 
在第一或第二氮化物半导体发光装置中，优选，半导体层叠体的结晶构造为六方晶，发光端面为m面，第一保护膜为c轴取向。 
这样，第一保护膜的光吸收系数变小。 
第一或第二氮化物半导体发光装置也可还具备第二保护膜，所述第二保护膜形成为覆盖第一保护膜，第二保护膜是含有氧的非晶质膜。 
这样，通过非晶质的第二保护膜缓和了发光端面的应力，因而能够抑 制第一保护膜的膜剥落及裂缝的产生。 
发明效果 
本发明涉及的氮化物半导体发光装置，由于即便在高输出动作时也能够得到光吸收少且未引起光学破坏的端面保护膜，因而能够实现长寿命且高可靠性。 
附图说明
图1(a)及图1(b)是表示本发明的第一实施方式涉及的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的示意性剖视图。 
图2是表示本发明的第一实施方式涉及的氮化物半导体发光装置的示意性剖视图。 
图3是表示将本发明的第一实施方式涉及的氮化物半导体发光装置进行封装后的状态的示意性剖视图。 
图4是表示本发明涉及的晶畴边界长度的测量方法的示意性剖视图。 
图5(a)及图5(b)是本发明的第一实施方式涉及的由AlN构成的第一涂膜(AlN膜)的电子背散射衍射像，图5(a)是为c轴取向的AlN膜的衍射像，图5(b)是为m轴取向的AlN膜的衍射像。 
图6是表示对本发明的第一实施方式涉及的第一涂膜中的晶畴边界长度进行测量的区域的示意性立体图。 
图7(a)～图7(d)是本发明的第一实施方式涉及的AlN膜分别在不同条件下成膜的情况下的二维EBSP图的图。 
图8是表示本发明的第一实施方式涉及的AlN膜成膜时的氮气流量和晶畴边界长度之间关系的曲线图。 
图9是表示本发明的第一实施方式涉及的AlN膜进一步优选的二维EBSP图的图。 
图10是表示本发明的第一实施方式涉及的AlN膜中的用不同的氮气流量成膜后的消光系数光谱的曲线图。 
图11是表示本发明的第一实施方式涉及的AlN中的用不同的氮气流量成膜后的消光系数光谱的波长为405nm的情况的曲线图。 
图12是表示本发明的第一实施方式涉及的AlN膜的波长为405nm情 况下的消光系数和晶畴边界长度之间关系的曲线图。 
图13是表示将本发明的第一实施方式涉及的AlN膜用作保护膜的氮化物半导体发光装置的光学破坏光输出和晶畴边界长度之间关系的曲线图。 
图14是表示本发明的第一实施方式涉及的氮化物半导体发光装置的射出端面处的光强度分布的图。 
图15是表示本发明涉及的AlN膜给GaN系半导体造成的变形和距谐振器端面的距离之间关系的曲线图。 
图16是表示现有的氮化物半导体激光装置的示意性剖视图。 
具体实施方式
第一实施方式 
参照附图，说明本发明的第一实施方式。 
将第一实施方式涉及的氮化物半导体发光装置作为氮化镓(GaN)系蓝紫色激光装置，与其制造方法一起进行说明。 
首先，如图1(a)所示，例如根据金属有机化学气相淀积法(MOCVD)法，在由n型GaN构成的n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。 
具体而言，在以面方位c面(＝(0001)面)为主面的n型基板11的主面上，依次生长：厚度约1μm且作为n型掺杂剂的Si的浓度为1×1018cm-3的n型GaN层12、厚度约1.5μm且Si的浓度为5×1017cm-3的由n型Al0.05Ga0.95N构成的n型包覆层13、厚度约0.1μm且Si的浓度为5×1017cm-3的由n型GaN构成的n型光导层14、由InGaN构成的多重量子阱活性层15、厚度约0.1μm且作为p型掺杂剂的Mg的浓度为1×1019cm-3的由p型GaN构成的p型光导层16、厚度约10nm且Mg的浓度为1×1019cm-3的由p型Al0.2Ga0.8N构成的p型电子阻挡层17、由p型AlGaN构成的p型超晶格包覆层18、以及厚度约20nm且Mg的浓度为1×1020cm-3的由p型GaN构成的p型接触层19。 
这里，多重量子阱活性层15具有三重量子阱构造，该三重量子阱构造通过厚度约3nm的无掺杂的由InGaN构成的阱层、和厚度为7nm的无 掺杂的由In0.02Ga0.98N构成的阻挡层而构成。阱层的In组成被调整成振荡波长为405nm。另外，p型超晶格包覆层18分别具有Mg的浓度为1×1019cm-3且厚度约2nm的、由p型Al0.1Ga0.9N和p型GaN构成的超晶格构造，且合计的膜厚为0.5μm。 
其次，如图1(b)所示，在p型接触层19上形成由SiO2构成的掩模层20。接着，通过光刻法和蚀刻法，将掩模层20图案形成为相对于n型基板11的结晶轴沿着<1-100>方向延伸的条纹状。接着，利用图案形成为条纹状的掩模层20，对p型接触层19及p型超晶格包覆层18进行干蚀刻，由此，在p型接触层19及p型超晶格包覆层18形成了沿着结晶轴的<1-100>方向延伸的条纹状的脊波导50a。这里，p型超晶格包覆层18中的脊波导50a的侧方部分的厚度(剩余膜厚)约0.1μm。另外，脊波导50a的下部的宽度约2μm，脊波导50a的上部的宽度约1.4μm。 
其次，如图2所示，去除掩模层20，然后通过光刻法和真空蒸镀法等在构成脊波导50a的p型接触层19上形成由钯(Pd)构成的P侧电极21。接着，为易于劈开(cleave)，对n型基板11进行薄膜化(背面研磨)。然后，在n型基板11的背面形成由钛(Ti)构成的N侧电极22。 
接着，劈开n型基板11和半导体层叠体50，使得在半导体层叠体50中的脊波导50a下方形成的谐振器的长度约600μm或约800μm。由于该劈开，在半导体层叠体50形成了由面方位为(1-100)的面构成的端面反射镜。另外，在本申请的说明书中，为了方便起见，结晶轴和面方位的指数所附带的负的符号“-”表示该符号后续的-的指数的逆转。然后，在谐振器的各端面分别形成用于防止半导体层叠体50的端面劣化以及调整端面的反射率的涂膜。 
具体而言，如图2所示，在射出激光的前端面形成由氮化铝(AlN)构成的第一涂膜23作为第一保护膜，在该第一涂膜23上形成由氧化铝(Al2O3)构成的非晶质第二涂膜24作为第二保护膜。另外，在与前端面对置的后端面形成层叠了数对氧化铝(Al2O3)/氧化锆(ZrO2)的多层涂膜25。但是，如果后端面采用获得期望反射率的结构的话，则也可采用层叠了数对AlON/SiO2、Al2O3/SiO2或AlN/Al2O3的结构。这里，即便是后端面，特别是与后端面相接的第一保护膜也与前端面同样地优选采用 AlN膜。AlN膜在坚固性、导热性方面比较优良，因而即便在没有射出光的后端面也适用保护膜。在本实施方式中，将前端面的反射率设为约10％，将后端面的反射率设为约90％。此外，前端面及后端面的各涂膜的膜厚适当设计为可获得期望的反射率。 
第一实施方式涉及的由AlN构成的第一涂膜23是利用电子回旋共振(ECR)溅射法形成的。但是，除了ECR溅射法之外，还能利用高频(RF)溅射法或磁控管溅射法。 
ECR溅射法，由于溅射离子没有直接照射到半导体层叠体50的劈开端面，因而能够降低离子照射引起的半导体表面的结晶缺陷的密度。为此，适用于半导体激光装置中的端面涂膜的成膜法。此外，构成第一涂膜23的AlN，作为溅射的靶材，通过由AlN构成的靶材和氮气(N2)的组合、或者由Al构成的靶材和氮气的组合引起的反应性溅射，可进行成膜。在本实施方式中，在通过金属精炼能容易提高纯度的由Al构成的金属靶材中，组合使用了作为基准气体的氩气(Ar)和作为反应性气体的氮气。 
第一涂膜23的膜厚被设定为约6nm。由于AlN膜的膜应力大，因而如果在半导体层叠体50的劈开端面以50nm以上的厚膜成膜AlN膜的话则产生膜剥落。另外，为了抑制光吸收引起的发热，优选缩短第一涂膜23中的光的光路长，故第一涂膜23的膜厚必须在50nm以下。另一方面，由于在将AlN膜形成为3nm以下的薄膜的情况下氧气等容易透过AlN膜，因而成为半导体层叠体50的端面被氧化的主要原因。另外，难以控制薄膜工艺，因而膜厚会产生偏差。以上，优选由AlN构成的第一涂膜23的膜厚在3nm以上且50nm以下。 
图3示出形成了各涂膜23、24、25之后的被封装起来的状态的半导体激光装置51。如图3所示，半导体激光装置51例如被固定粘合到金属制的管芯(stem)52的激光保持部52b上，该管芯52在一面形成有多个电极端子52a、在另一面形成有激光保持部52b的。管芯52上固定粘合着金属制的管帽(cap)53，该管帽53覆盖半导体激光装置51及激光保持部52b，并且在与该半导体激光装置51的前端面对置的位置处具有窗部53a。该窗部53a从内侧固定粘合着玻璃板54，密闭由管芯52和管帽53构成的空间。被密闭的管帽53的内部，填充了由不含水分的干燥空气 或氩气等稀有气体组成的气体55。 
如上述，第一实施方式涉及的由AlN构成的第一涂膜23是通过使用了由Al构成的金属靶材的ECR溅射法成膜的，其成膜条件中的各气体的流量在室温下，分别将氩气(Ar)设为30ml/min，将氮气(N2)设为5.2ml/min。在该成膜条件下得到的第一涂膜23，由于由同一取向构成的晶畴尺寸变得相对大，因而物质的光吸收的指数即消光系数(光吸收系数)小。因此，激光动作中的光吸收引起的发热、氧气扩撒及端面氧化得到了抑制，结果能够防止谐振器端面的劣化。 
下面，详细叙述构成第一涂膜23的AlN膜的结晶晶畴。这里，“晶畴”是指具有同一结晶构造和同一取向(结晶轴取向)且其取向面和取向角相同的晶粒的集合体。本申请的发明者们，查明ECR溅射的成膜条件给AlN的晶畴尺寸带来较大影响。本实施方式涉及的成膜条件，虽然得到了晶畴尺寸大的AlN膜，但是晶畴尺寸大的AlN膜的成膜条件并不限定于此，本实施方式只是一个例子。 
本申请发明者们发现，端面保护膜中的晶畴尺寸和光学破坏输出的关系存在相关性。这里，作为晶畴尺寸的指标的参数，定义晶畴边界长度。“晶畴边界长度”是指每单位面积存在的晶畴边界的总距离的参数。这里，“单一晶畴”定义为在具有同一取向的结晶体中取向面的倾斜角度恒定且旋转角度恒定的连续的区域。如果取向面的倾斜角度及旋转角度中无论哪一个不同，都作为不同的晶畴，因此存在边界。晶畴彼此之间的边界的每单位面积(μm-2)的总距离(μm)相当于晶畴边界长度。晶畴边界长度的值大意味着晶畴面积小，换言之意味着薄膜为多晶体，取向的偏差大。另一方面，晶畴边界长度的值小意味着晶畴尺寸大，是指单结晶性高的薄膜。这里，单一晶畴与单一晶粒不是完全相同的意义。但是，由于晶畴边界长度的值大相应存在大量的晶畴，因而相当于成膜中的结晶的不均匀性大。即、晶畴边界长度长意味着晶畴尺寸小、晶粒尺寸也小。 
晶畴不同的条件、即用于区别晶畴边界的边界条件是必须的。在本实施方式中，将取向面的旋转角度及倾斜角度在2°以内的情况定义为同一取向晶畴。用于区别晶畴边界的边界条件的设定角度越小，则单一晶畴和单一晶粒就越变得相等。然而，当设定角度过小时，即便实际上是连续的 
此外，在第一实施方式中，虽然将区别晶畴边界的设定角度设为2°，但是如上述所述，并不限定于此，0.5°以上且不足5°左右即可。 
下面，说明本实施方式涉及的构成第一涂膜23的AlN膜中的晶畴边界长度的测量方法的详细内容。AlN膜中的结晶取向性，能够通过电子背散射衍射法(Electron Back Scattering Diffraction Pattern：EBSD或EBSP)测量。EBSP法是指通过在试料表面收集、照射电子射线束并拍摄被试料表面散射的衍射电子射线像来评价试料(薄膜)的结晶取向性的方法。 
图4示出基于EBSP法的测量方法的概略。如图4所示，在为使谐振器端面露出而将形成有激光构造的晶片(wafer)进行1次劈开的状态下的、所谓的激光棒61的前端面，成膜由AlN构成的第一涂膜23。这里，将第一涂膜23的膜厚设为20nm。用于测量而入射的电子射线被结晶的晶格面散射，被散射的电子射线相互干扰，作为衍射线62被强烈检测出。 
图5(a)及图5(b)示出表示互不相同的取向轴的第一涂膜(AlN)23的EBSP衍射像。图5(a)表示与为c轴取向的AlN对应的测量结果，图5(b)表示与为m轴取向的AlN对应的测量结果。这样，由于即便是同一结晶构造，由于取向性的不同导致衍射图案也不同，因而能够评价结晶的取向性。这里，电子射线被加速成10keV～30keV左右进行照射，电子射线的收集为20nm～50nm左右。在期望的面积内扫描所收集的电子射线，而得到二维结晶取向图。散射电子射线(衍射线62)的衍射像被CCD摄像机拍摄到。 
在本实施方式涉及的EBSP测量法中，将电子射线的扫描范围设为1μm×1μm，将电子射线的扫描间隔设为10nm。另外，电子射线的加速能被设为20keV。在图4中，入射电子射线的入射角度是相对于作为试料的激光棒61倾斜70°测量的。 
图6示意性表示在第一实施方式涉及的半导体激光装置中成膜第一 涂膜23的状态。本实施方式涉及的EBSP的测量区域是第一涂膜23中的脊波导50a下侧的光射出区域23a。在与第一涂膜23接触的半导体层叠体50中，引起端面劣化和端面光学破坏的区域限于光射出区域23a及其周边部分。因此，关于第一涂膜23的结晶取向性的评价，也以光射出区域23a为中心进行即可。但是，如果仅仅评价第一涂膜23的结晶取向性，则不需要限于光射出区域23a，只要在半导体层叠体50的端面上，无论在何处均可。 
图7(a)～图7(d)示出在4个不同成膜条件下成膜的由AlN构成的第一涂膜23的二维EBSP图。这里，用实线表示结晶取向面的倾斜角度或旋转角度为2°以上的不同的晶畴边界。如前述，测量区域是一边为1μm的正方形区域，在各图下方表示各自的晶畴边界长度。 
作为ECR溅射的成膜条件，基准气体都使用氩气(Ar)，Ar气体的流量为20ml/min(标准状态)。另一方面，作为反应性气体的氮气(N2)的流量，在图7(a)中设为3.5ml/min(标准状态)，在图7(b)中设为5.5ml/min(标准状态)，在图7(c)中设为10ml/min(标准状态)，在图7(d)中设为15ml/min(标准状态)。此外，这里，ml/min(标准状态)是指气体流量的单位，1ml/min(标准状态)是指将某一气体用0℃、1气压的气体(标准状态的气体)进行换算后每1分钟流动1ml。 
图7(a)所示的二维EBSP图是氮气的分压最低的成膜条件，相对于每单位面积(1μm2)的晶畴边界长度为小值即6.99μm/μm2(＝μm-1)的情况，表示在图7(d)所示的氮气的分压最高的成膜条件下成膜的AlN膜，其晶粒极小、其晶畴边界长度较大为138.6μm-1的值。这样，具有随着氮气流量的增加而晶畴边界长度增加的倾向。即、可知具有随着氮气流量的增加而晶畴尺寸变小的倾向。 
图8表示将Ar气体的流量设为20ml/min(标准状态)的情况下的氮气的流量和晶畴边界长度的关系。如上述，随着氮气流量的增加而晶畴边界长度增大。 
本申请发明人们研究各种晶畴边界长度更小一层的成膜条件，其结果可发现：如果将Ar气体的流量设为30ml/min(标准状态)、将氮气的流量设为5.2ml(标准状态)，则得到晶畴边界长度为1μm-1以下的单结晶 性非常高的AlN膜。 
图9是在将Ar气体的流量设为30ml/min(标准状态)、将氮气的流量设为5.2ml(标准状态)的情况下所得到的AlN膜的二维EBSP图。可知，此时的晶畴边界长度非常小为75nm，是单结晶性非常高的膜。可是，得到这种单结晶性高的AlN膜的条件并不限定于此。 
其次，示出调查了图7(a)～图7(d)示出的AlN膜的消光系数(光吸收系数)的结果。图10是由AlN膜的透过分光光谱得到的消光系数光谱。另外，图11表示蓝光(注册商标)用到的波长为405nm的光中的消光系数和氮气流量的关系。 
如图10所示，可知随着氮气流量的增大而消光系数增大。另外，如图11所示，可知波长为405nm的光中的消光系数也随着氮气流量增加而增大。即、比较图8、图10及图11可知，具有若晶畴边界长度的值增大则消光系数也增大的倾向。 
图12示出晶畴边界长度和波长为405nm的光中的消光系数的关系。可知，若晶畴边界长度比7μm-1大，则消光系数急剧增大。即、可知晶粒边界长度越长，则微小晶畴越多，光吸收越大。一般，认为AlN膜的可见光区域中的光吸收的根源是因结晶内部的缺陷、粒界与晶畴彼此之间的界面引起的中间能级。特别，认为在粒界与晶畴彼此之间的界面存在多个缺陷和不饱和键，成为可见光区域中的光吸收的主要原因。因此，如图12所示，认为出现若晶畴边界长度的值增大则光吸收变大的倾向。 
其次，说明晶畴边界长度和半导体激光装置的可靠性的关系。 
图13表示在光输出为16mW的一定的连续动作可靠性试验中，在70℃的温度下工作600小时之后的光学破坏光输出(COD)水平和晶畴边界长度的关系。由图13可知，随着晶畴边界长度变短而光学破坏光输出的值变大，表示高可靠性。这样一来，可知晶畴边界长度变短、即晶畴尺寸越大可靠性越高。特别是，可知在晶畴边界长度从46μm-1到7μm-1的区域中，光学破坏光输出的值急剧上升。 
如上述，若晶畴边界长度变长，则晶畴尺寸变小，光吸收增大。认为这是因存在于晶畴边界的缺陷或不饱和键引起的中间能级的影响。另一方面，若从电极注入的载流子也存在这种中间能级，则非辐射复合 (non-radiative recombination)增加，发光效率减少。由于中间能级引起的光吸收和经由中间能级的非辐射复合都是伴有发热的过程，因而认为关系到谐振器端面的温度上升、引起端面破坏。 
因此，由图12所示的关系可知，如果晶畴边界长度为46μm-1以下，则消光系数非常小为0.01以下。即、作为端面保护膜求出的AlN膜的晶畴边界长度需要在46μm-1以下。 
进而，由图13所示的关系可知，由于如果晶畴边界长度为7μm-1以下，则光学破坏光输出被维持在高的水平，因而优选晶畴边界长度为7μm -1以下。虽然晶畴边界长度是AlN膜中的晶畴尺寸的平均指标，但是实际的端面破坏是在射出光的光透过区域中引起的。因此，如果在光透过区域中存在晶畴边界，则会引起光吸收。认为在晶畴边界长度为7μm-1以下能维持高的可靠性是因为晶畴彼此之间的界面的密度减少、在激光的透过区域中存在的晶畴边界变少。 
在此，如图14所示，测量出第一实施方式涉及的半导体激光装置的第一涂膜中的光的透过区域的面积为0.4μm2左右。在面积为1μm2的单位面积中存在2.5个0.4μm2的晶畴的情况下，如下计算该晶畴边界长度为什么样的值。 
由图14可知，激光的水平方向的半最大值全宽度(Full Width at Half Maximum)为1.0μm左右，垂直方向的半最大值全宽度为0.4μm。因而，在面积为1μm2的单位面积中存在2.5个长边为1.0μm、短边为0.4μm的长方形。此时的晶畴边界长度最大值为5.0μm-1。为使晶畴尺寸变得比激光的光束尺寸大，晶畴边界长度必须在5μm-1以下。如上述，如果晶畴尺寸为7μm-1以下，则得到具有高可靠性的激光装置，进而在高输出的激光装置中要求晶畴尺寸进一步大也就是单结晶性高的AlN膜。此时，晶畴尺寸变得比激光的光束尺寸大即可，在本实施方式涉及的氮化物半导体激光装置中，优选晶畴边界长度为5.0μm-1。换言之，优选晶畴尺寸比0.4μm2大的AlN膜。 
另外，第一实施方式涉及的AlN膜的晶畴边界长度如图9所示为75nm，若如图12所示那样其消光系数也在0.002以下，则是透明且单结晶性高的膜。由此，如图13所示，连续工作的光输出以160mW工作600 个小时后的光学破坏光输出，维持着1200mW这样非常高的水平。 
第二实施方式 
下面，参照附图说明本发明的第二实施方式。 
GaN系半导体激光装置，一般是在主面为面方位c面的六方晶的结晶生长用基板上进行外延生成而制成的。这种情况下，激光构造的谐振器端面通过劈开形成，因而劈开面的面方位为m面。 
在具有m面的谐振器端面上成膜AlN膜的情况根据成膜条件可选择：与谐振器端面的结晶构造相同取向的m轴生长、和与谐振器端面的结晶构造不同取向的c轴生长。 
氮化铝(AlN)是六方晶最稳定的构造，由于c轴生长的生长速度最快，因而公知在非晶状态的基底层或由硅(Si)构成的基板上进行c轴生长。可是，本申请发明者们查明，在基底层为六方晶且为m面的情况下，若增大成膜时的离子能量则可进行m轴生长。 
在由AlN构成的保护膜中，可选择将结晶取向轴设为c轴还是m轴。因而，在第二实施方式中，说明进行了晶畴边界长度的值小的c轴生长或者m轴生长后的AlN膜的成膜例。 
在第一实施方式中，已经说明了氮化物半导体激光装置中的可靠性与构成保护膜的结晶的晶畴边界长度存在相关性。此时，无论保护膜(第一涂膜23)的取向性是m轴还是c轴，都有晶畴边界长度的值越大消光系数也越大，光学破坏光输出随着工作时间变小的特性。可是，由以下所示的变形解析结果可知，m轴取向较之c轴取向，给予半导体层叠体50的应力有变小的倾向。 
图15示出基于EBSP法对m轴取向的AlN膜和c轴取向的AlN膜进行的变形解析的解析结果。图15表示将在GaN结晶的m面上进行了m轴取向的AlN膜和进行了c轴取向的AlN膜根据ECR溅射法分别成膜情况下变形对该GaN结晶波及的m轴方向带来的影响。这里，实线所示的曲线图表示m轴取向的AlN膜，虚线所示的曲线图表示c轴取向的AlN膜。这里，m轴取向的AlN膜成膜时的Ar气体流量为8ml/min(标准状态)，N2气体流量为5.5ml/min(标准状态)。该条件是本申请者发明者们 发现的m轴取向的AlN膜成膜条件的一例，但是m轴取向的AlN膜成膜条件并不限定于此。另外，在c轴取向的AlN膜成膜时的Ar气体流量为20ml/min(标准状态)，N2气体流量为5.5ml/min(标准状态)。 
由图15可知，进行了m轴取向的AlN膜比进行了c轴取向的AlN膜的变形小。推测出其原因在于，进行了m轴取向的AlN膜发生了贯通转移，应力比进行了c轴取向的AlN膜有所缓和。正因为此，可以说进行了m轴取向的AlN膜较之进行了c轴取向的AlN膜，应力给GaN结晶带来的影响小。可是，由于当AlN膜发生贯通转移时晶畴边界长度的值变大，因而作为端面保护膜而适用进行了c轴取向的AlN膜。 
除此之外，由于当膜厚变大时易于发生贯通转移，因而也可以作为下层膜而成膜m轴取向且膜厚薄的第一AlN膜，其次在第一AlN膜上作为上层膜而成膜进行了c轴取向的第二AlN膜，来形成由2层构成的AlN膜(第一涂膜)。 
其次，对m轴取向或c轴取向的AlN膜的成膜方法进行说明。 
如前述，由于AlN膜的c轴方向的生长速度快，因而在不依赖于基底的情况下自发地进行c轴取向。在以m面为主面的基板上生长AlN膜的情况下，由于如外延生长那样沿袭基底的结晶构造，因而需要一定能量。因此，在ECR溅射法的情况下，增大辅助AlN膜成膜的Ar离子的离子能量的方法是有效的。为了增大Ar离子的离子能量，只要增大用于产生等离子体的RF功率及微波输出即可。 
在第一实施方式中，将RF功率及微波输出设为500W进行成膜，得到c轴取向的AlN膜。因而，通过将RF功率设定为600W，从而能够得到m轴取向的AlN膜。 
另外，为了得到m轴取向的AlN膜，降低成膜中的腔内的压力也是有效的。本申请发明者们，如上述那样，可知离子的加速能量大能促使AlN膜的m轴生长。例如，在第一实施方式中，使Ar气体流量在20ml/min(标准状态)或30ml/min(标准状态)下进行成膜。因而，在第二实施方式中，通过将Ar气体流量降低为8～10ml/min(标准状态)，来降低腔内整体的压力，进而产生离子能量更大的Ar离子。通过该Ar离子的辅助，能够得到进行了m轴取向的AlN膜。 
这样，可根据成膜条件控制AlN膜的取向性，得到单结晶性更高的AlN膜，因而能够实现具有高可靠性的氮化物半导体激光装置。 
此外，在第一及第二各实施方式中，利用使用了III族氮化物即GaN系半导体的半导体激光装置进行了说明，但是本发明在使用了III族氮化物半导体的发光二极管元件的可靠性提高方面也是有效的。由于在发光二极管元件中在其工作过程中也产生元件的发光端面处的氮化物半导体的氧化和氮气的外部扩散，因而会导致发光端面处的电流泄露增大、发光效率降低。 
另外，本申请的发明并不限定于III族氮化物半导体，对于使用了GaAs或InP的半导体发光装置也是有效的。在这些半导体发光装置中，动作过程中发光端面处的半导体的氧化及半导体构成原子的外部扩散也是端面劣化的主要原因。 
产业上的可利用性 
本发明涉及的氮化物半导体发光装置，即便在高输出动作时也在具有光吸收少且未引起光学破坏的端面保护膜，并且长寿命且高可靠性的氮化物半导体发光装置等中是有用的。 
符号说明 
11-n型基板，12-n型GaN层，13-n型包覆层，14-n型光导层，15-多量子阱活性层，16-p型光导层，17-p型电子阻挡层，18-p型超晶格包覆层，19-p型接触层，20-掩模层，21-P侧电极，22-N侧电极，23-第一涂膜，23a-光射出区域，24-第二涂膜，25-多层涂膜，50-半导体层叠体，51-半导体激光装置，50a-脊波导，52-管芯，52a-电极端子，52b-激光保持部，53-管帽，53a-窗部，54-玻璃板，55-气体，61-激光棒，62-衍射线。 

Claims (14)

1.一种氮化物半导体发光装置，具备：
半导体层叠体，其由III族氮化物半导体构成，并具有2个端面且包括形成于2个所述端面上的谐振器面；和
第一保护膜，其形成为覆盖所述半导体层叠体中的所述端面的1个，
所述第一保护膜是由含有铝的氮化物构成的结晶性膜，
所述结晶性膜由多个晶畴构成，
对于所述多个晶畴之中相邻的晶畴而言，结晶取向面处的倾斜角度和旋转角度中的至少任一方不同，
每单位面积的各所述晶畴的边界长度为7μm-1以下。
2.一种氮化物半导体发光装置，具备：
半导体层叠体，其由III族氮化物半导体构成，且具有发光端面；和
第一保护膜，其形成为覆盖所述半导体层叠体中的所述发光端面，
所述第一保护膜是由含有铝的氮化物构成的结晶性膜，
所述结晶性膜由多个晶畴构成，
对于所述多个晶畴之中相邻的晶畴而言，结晶取向面处的倾斜角度和旋转角度中的至少任一方不同，
所述多个晶畴的与所述发光端面的光透过区域相对置的晶畴的面积比所述光透过区域的面积大。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第一保护膜具有所述结晶取向面处的倾斜角度及旋转角度都在2°以内的单一晶畴。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第一保护膜具有与所述半导体层叠体的结晶轴取向不同的结晶轴取向的结晶构造。
5.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述半导体层叠体的结晶构造为六方晶，
所述发光端面为m面，
所述第一保护膜为c轴取向。
6.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光装置，其中，
还具备第二保护膜，所述第二保护膜形成为覆盖所述第一保护膜，
所述第二保护膜是含有氧的非晶质膜。
7.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第一保护膜具有与所述半导体层叠体的结晶轴取向相同的结晶轴取向的结晶构造。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体发光装置，其中，
还具备第二保护膜，所述第二保护膜形成为覆盖所述第一保护膜，
所述第二保护膜是含有氧的非晶质膜。
9.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第一保护膜具有与所述半导体层叠体的结晶轴取向不同的结晶轴取向的结晶构造。
10.根据权利要求9所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述半导体层叠体的结晶构造为六方晶，
所述发光端面为m面，
所述第一保护膜为c轴取向。
11.根据权利要求9所述的氮化物半导体发光装置，其中，
还具备第二保护膜，所述第二保护膜形成为覆盖所述第一保护膜，
所述第二保护膜是含有氧的非晶质膜。
12.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述半导体层叠体的结晶构造为六方晶，
所述发光端面为m面，
所述第一保护膜为c轴取向。
13.根据权利要求12所述的氮化物半导体发光装置，其中，
还具备第二保护膜，所述第二保护膜形成为覆盖所述第一保护膜，
所述第二保护膜是含有氧的非晶质膜。
14.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中，
还具备第二保护膜，所述第二保护膜形成为覆盖所述第一保护膜，
所述第二保护膜是含有氧的非晶质膜。
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