CN104364983B - 氮化物半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

氮化物半导体激光元件
技术领域
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
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。
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。
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。
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。
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n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(Al2O3)。
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。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-318088号公报
专利文献2：日本特开2012-044230号公报
发明内容
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。
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。
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。
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。
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。
根据该优选构成，由于氧化硅膜被***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元件。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
图1A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。
图1B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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
图11A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。
图11B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。
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。
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。
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。
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。
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。
图15是表示了本实施例所涉及的AlON膜的氧流量和折射率的关系的图。
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。
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。
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
以下，参照附图来说明本发明的实施例。
(第1实施例)
参照附图来说明本发明的第1实施例。
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。
首先，使用图1A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，由此来构成氮化物半导体激光元件的层叠构造。
具体而言，在以面方位的c面(＝(0001)面)为主面的n型GaN即n型基板11的主面上依次生长：例如厚度约1μm且作为n型掺杂剂的Si的浓度为1×1018cm-3的n型GaN即n型半导体层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型导光层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型导光层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。
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In0.02Ga0.98N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。
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。
此外，p型包覆层18也可以具有由分别为Mg的浓度是1×1019cm-3且厚度约2nm的p型Al0.1Ga0.9N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。
下面，使用图1B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1A所示，在图1A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n型基板11的结晶轴而在<1-100>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p型接触层19以及p型包覆层18进行干蚀刻，从而在p型接触层19以及p型包覆层18上形成沿着结晶轴的<1-100>方向延伸的条状的脊形波导50a。
在此，p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。
下面，使用图2来说明本实施例的氮化物半导体激光元件1的构成以及制造方法。首先，如图2所示，去除图1B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)和铂(Pt)的层叠膜构成的P侧电极21。接下来，使n型基板11薄膜化(背面研磨)以使裂开变得容易。然后，在n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。
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n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。
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。
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。
[数学式1]
另外，关于方向也同样，例如<1-100>由以下的数学式2来表示。
[数学式2]
然后，在氮化物半导体激光元件的各端面，分别形成有即便在高光输出时也能够防止半导体层叠体50的端面的劣化并且调整端面的反射率的多层保护膜。具体而言，如图2所示，在激光出射的前端面28形成前端面的多层保护膜30，前端面的多层保护膜30构成为层叠有端面保护层31以及氧扩散抑制层32。在此，端面保护层31由结晶性的氮化铝膜(AlN)构成的保护膜33来构成，在该保护膜33之上层叠氧化硅膜34以及氧化硅膜36、和被氧化硅膜34以及氧化硅膜36夹持的金属氧化物膜35来构成氧扩散抑制层32。在此，金属氧化物膜35具体使用的是氧化铝(Al2O3)。
另一方面，在与前端面28对置的后端面29，形成层叠了多对氧化铝(Al2O3)/氧化锆(ZrO2)而成的多层保护膜25。其中，后端面只要是可获得所期望的反射率的构成即可，也可采用层叠多对SiO2/ZrO2、AlON/SiO2、Al2O3/SiO2或者AlN/SiO2等而成的构成。在此，在后端面29，尤其在与后端面29相接的第1保护膜，也期望与前端面28同样地使用AlN膜。由于AlN膜牢固且导热性也优异，因此根据该构成，即便在无光出射的后端面也能作为优异的保护膜来发挥功能。
如上述，关于形成在前端面28和后端面29上的多层保护膜的反射率，前端面侧的反射率以约1～15％来设计，后端面的反射率以约90～100％来设计。上述反射率是通过适当设计前端面以及后端面的各保护膜的膜厚来获得的。
此外，上述的构成多层保护膜的由AlN构成的保护膜33、氧化硅膜34、氧化硅膜36以及由Al2O3构成的金属氧化物膜35，使用电子回旋共振(ECR)溅射法来形成。ECR溅射法能够不向通过裂开而形成的前端面以及后端面直接地照射溅射离子来形成多层保护膜。因而，能够抑制因离子照射给半导体表面带来损伤从而结晶缺陷增加。为此，优选设为半导体激光元件中的端面涂层的成膜法。另外，在上述损伤的影响足够小的情况下，除了ECR溅射法之外还可以使用高频(RF)溅射法或者磁控管溅射法来形成。
以下，使用图3A～图3D来说明氮化物半导体激光元件的制造方法、尤其是前端面的多层保护膜30和后端面的多层保护膜25的具体制造方法。在本实施例中，作为前端面的多层保护膜30和后端面的多层保护膜25的形成方法的一例，说明使用了ECR溅射法的情况。
首先，如图3A所示，使形成有P侧电极21和N侧电极22的n型基板11上的半导体层叠体50裂开，制作形成了半导体激光元件的发光端面的激光器条样品40。在此，激光器条样品是指多个半导体激光元件共有同一端面的状态，通过分割激光器条样品可获得半导体激光元件。接下来，在ECR溅射装置43内配置激光器条样品40。图3B示意性地表示了ECR溅射装置43内的激光器条样品40的设置。在ECR溅射的成膜区域内，将发光面作为成膜面来成膜电介质膜。具体而言，按如下方式成膜。首先，在ECR溅射装置43中，在台44之上使用夹具45来配置多个激光器条样品40，使激光器条样品40的前端面朝向溅射的靶材41侧，使用在等离子产生室42内产生的等离子流，如图3C所示那样在该前端面28成膜AlN膜等来形成前端面的多层保护膜30。下面，如图3D所示，使激光器条样品40的后端面29朝向溅射的靶材41侧，在该后端面成膜AlN膜等来形成后端面的多层保护膜25。在此，从保护发光面的观点出发，期望先成膜前端面的多层保护膜。
接下来，说明前端面以及后端面的多层保护膜的具体实施例。构成端面保护层的AlN膜，作为溅射的靶材41而通过基于由AlN构成的靶材和氮(N2)气的组合、或者由Al构成的靶材和氮气的组合的反应性溅射，可以进行成膜。在本实施例中，对于能够通过金属精炼而容易地提高纯度的Al所构成的金属靶材，按照作为基准气体而使用氩(Ar)和作为反应性气体而使用氮气的方式来组合。通过使用Al金属靶，从而若将反应性气体从氮置换为氧，则能够无需靶更换地连续成膜Al2O3。
在本实施例中，保护膜33(AlN膜)的膜厚设定为约30nm。AlN膜的膜应力大，如果使AlN膜在激光器条样品40的裂开端面上以50nm以上的厚膜成膜，则会发生膜剥落。因此，期望端面保护层31的保护膜33(AlN膜)的膜厚为50nm以下。此外，为了抑制光吸收所引起的发热，期望缩短AlN膜中的光的光路长度，鉴于此也期望端面保护层31的保护膜33(AlN膜)的膜厚为50nm以下。另一方面，在将AlN膜形成为小于5nm的薄膜的情况下，由于氧等易于透过AlN膜，因此成为激光器条样品40的端面被氧化的主要原因。此外，如果使AlN膜的膜厚小于5nm，则成膜时的膜厚控制较为困难，膜厚会发生偏差。因此，构成端面保护层31的保护膜33(AlN膜)的膜厚期望为5nm以上且50nm以下，如本实施例所示那样更优选将膜厚设定为约30nm。
关于本实施例的保护膜33即AlN膜，作为成膜条件而将各气体的流量条件分别设为：在室温下氩(Ar)气为30ml/min，氮(N2)气为4.7ml/min，由此进行成膜。根据本构成，能够成膜牢固的AlN膜。
在构成本实施例的氧扩散抑制层32的氧化硅膜(SiO2膜)以及金属氧化物膜(Al2O3膜)中，也通过ECR溅射法来成膜。SiO2以及Al2O3，能够作为ECR溅射的靶材而使用Si靶以及Al金属靶，并组合使用Ar和作为反应气体的氧。因此，根据本实施例的构成，能够容易地形成氧扩散抑制层32。
在本实施例中，关于与AlN膜相接的氧化硅膜34(SiO2膜)以及最外层的氧化硅膜36(SiO2膜)，作为成膜条件而将各气体的流量条件设为：Ar气为30ml/min，氧(O2)气为7.9ml/min，由此进行成膜。此外，关于被氧化硅膜(SiO2膜)34以及36夹持的金属氧化物膜35(Al2O3膜)，作为成膜流量条件而将Ar气设为20ml/min，将氧(O2)气设为4.9ml/min，由此进行成膜。
本实施例的前端面的多层保护膜30的各层的膜厚被调整为使光出射面的反射率为约7％。关于具体的各膜厚，氧化硅膜(SiO2膜)34、36分别设为100nm、70nm，金属氧化物膜35(Al2O3膜)设为80nm。在图4中示出本实施例的光出射面中的前端面的多层保护膜30的端面反射率谱。在此，前端面的多层保护膜30的反射谱被设计为在作为氮化物半导体激光元件的振荡波长的约405nm处成为极大值。这样，通过使前端面的多层保护膜的振荡波长处的反射率与反射率谱的极值相匹配，从而可以将相对于成膜工艺上的膜厚变动、折射率变动的反射率的变动抑制得较小。
进而，本实施例的后端面的多层保护膜25的各层的膜厚被设计为反射率约成为95％。
上述具体说明过的前端面的多层保护膜30，如图3C所示那样在激光器条样品40的前端面28侧通过ECR溅射法来形成。然后同样在后端面29侧通过ECR溅射法来形成后端面的多层保护膜25。然后，通过裂开而将激光器条样品40分割为单个的氮化物半导体激光元件，从而如图3D所示那样制作出氮化物半导体激光元件1。
接下来，使用图5来说明通过封装氮化物半导体激光元件1而构成的氮化物半导体激光装置51。如图5所示，在氮化物半导体激光装置51中，例如在由金属构成的杆52的一个面上形成有多个电极端子52a，在另一个面上形成有激光保持部52b。氮化物半导体激光元件1隔着子座56而被接合固定在金属杆52的激光保持部52b之上。在杆52接合固定有盖罩53，该盖罩53覆盖氮化物半导体激光元件1以及激光保持部52b，并且在与该氮化物半导体激光元件1的前端面的多层保护膜30对置的位置处具有窗部53a，并且由金属构成。在该窗部53a，从内侧被接合固定玻璃板54，由杆52、盖罩53和玻璃板54构成的空间被密闭。配置有氮化物半导体激光元件1的被密闭的空间，被填充由不含水分的干燥空气或者氩等稀有气体组成的密封气体55。
根据上述构成，因为保护膜33(AlN膜)和金属氧化物膜35(Al2O3膜)被氧化硅膜34(SiO2膜)隔离，所以金属氧化物膜35(Al2O3膜)通过从发光端面出射的激光而被结晶化，从而由于金属氧化物膜35(Al2O3膜)的结晶化所引起的密度的增大而氧的扩散被阻碍，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。
另外，关于本实施例所涉及的本发明的效果和机理，与以下所示的第2实施例一起来详细说明。
(第2实施例)
接下来，使用图6至图13B来说明本发明所涉及的氮化物半导体激光元件的第2实施例。另外，对于与第1实施例相同构成的部分，赋予相同的符号，并省略其说明。
在图6中示出本发明所涉及的第2实施例的氮化物半导体激光元件201的剖面概要图。与第1实施例同样，在半导体层叠体50的前端面28，形成有通过层叠端面保护层261和氧扩散抑制层232而构成的前端面的多层保护膜230。端面保护层261具有3层构造，作为与前端面28相接的第1保护膜263而成膜AlN膜。在其上成膜作为Al2O3膜的金属氧化物膜，来作为第2保护膜264。作为被覆第2保护膜264的第3保护膜265而成膜AlN膜。氧扩散抑制层232是与第1实施例相同的构成，是金属氧化物膜(Al2O3膜)235被氧化硅膜(SiO2膜)234、236夹持的构成。氧化硅膜、构成金属氧化物膜的AlN膜及Al2O3膜、以及SiO2膜，以与第1实施例同样的方法来成膜。构成前端面的多层保护膜230的各层的膜厚被设计为使前端面的多层保护膜230的反射率成为6％，具体而言例如各膜厚被设定为：从前端面侧起分别是第1保护膜(AlN膜)263为20nm、第2保护膜(Al2O3膜)264为10nm、第3保护膜(AlN膜)265为15nm、氧化硅膜(SiO2膜)234为89nm、金属氧化物膜(Al2O3膜)235为89nm、氧化硅膜(SiO2膜)236为235nm。进而，关于氮化物半导体激光元件201的封装，通过与第1实施例1所记载的方法同样的方法被安装在杆52上。
在此，第1保护膜(AlN膜)263是主要具有m轴取向的单晶性高的膜，相对于此，第3保护膜(AlN膜)265是以c轴取向为主体的多晶膜。
根据上述构成，因为第3保护膜(AlN膜)265和金属氧化物膜(Al2O3膜)235被氧化硅膜(SiO2膜)234隔离，所以金属氧化物膜(Al2O3膜)235通过从发光端面出射的激光而被结晶化，从而由于金属氧化物膜(Al2O3膜)235的密度的增大而氧的扩散被阻碍，能够抑制保护膜内部的劣化，能实现高输出且长寿命的氮化物半导体激光元件。
此外，因为第1保护膜(AlN膜)263为m轴取向，第3保护膜(AlN膜)265为c轴取向，所以金属氧化物膜(Al2O3膜)264根据m轴取向的第1保护膜(AlN膜)263的基板效应从而能够形成高密度的结晶膜。进而，因第3保护膜(AlN膜)265进行c轴取向，从而能够使得前端面的多层保护膜内的应力得以缓和。因而，在前端面的多层保护膜中，能够阻碍氧的透过，并且能够防止伴随结晶化的膜剥落。
在上述构成中，前端面的反射率与第1实施例的氮化物半导体激光元件同样设计为振荡波长处的反射率成为反射率谱的极大值。图7表示了第2实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的前端面的反射率谱。按照在振荡波长为410nm时反射率取极大值的方式决定了膜厚。通过设为这种构成，从而将制造上的膜厚偏差所引起的反射率的偏差抑制得较小，所以能够减小半导体激光的特性偏差。
进而，通过使氮化物半导体激光元件长期工作，从而前端面的多层保护膜的金属氧化物膜因光结晶化而使得膜密度高密度化，即便在金属氧化物膜的折射率从0.05变大为0.1左右的情况下，也能够减小氮化物半导体激光元件的特性变动。也就是说，通过使前端面的多层保护膜的反射谱在振荡波长处成为反射率的极大值，从而针对上述折射率变化也能够抑制半导体激光特性的变动。因此，即便在高输出工作中也能确保稳定的激光特性，能够提供高输出且高可靠性的氮化物半导体激光元件。
接下来，以下使用实验数据来详细说明本实施例所涉及的本发明的效果和机理。
另外，无论是本发明所涉及的第1实施例还是第2实施例均能以同一机理来说明。
(1)关于比较例
首先，说明基于现有构造的比较例1的氮化物半导体激光元件。该比较例1的氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜的结构是：与端面相接地形成作为AlN的结晶膜的第1端面保护膜，与该第1端面保护膜相接地形成由Al2O3构成的第2端面保护膜，与该第2端面保护膜相接地形成第3端面保护膜。
图8表示了使光输出设为瓦特级，对比较例1的氮化物半导体激光元件进行了1000小时的老化试验之后的前端面部附近的剖面TEM图像。在此，说明前端面的多层保护膜的详细构成。前端面的多层保护膜为3层构造，与前端面271相接的第1端面保护膜272为30nm的由AlN构成的结晶膜。第2端面保护膜273为45nm的Al2O3，第3端面保护膜274为65nm的SiO2。通过该构成，将前端面的多层保护膜的反射率设为约6％。3层的端面保护膜通过ECR溅射而进行连续成膜。另外，各膜的成膜时的气体的流量条件在与第1实施例相同的条件下进行。此外，在老化试验中，设为通电条件为电流恒定的老化试验，将容器温度设为60℃，将工作电流设为1.3A。此时的初始光输出约2W。
如图8所示，能够确认第1端面保护膜(AlN膜)272和第2端面保护膜(Al2O3膜)273激烈地发生固相反应。此外，也能看到与这些固相反应相伴的膜剥落275。如果发生这种固相反应、膜剥落，则在氮化物半导体激光元件的激光出射部，将产生激光的光吸收、光散射，在端面将产生较大的光学损失。尤其是光吸收所引起的端面的局部性发热会使端面的带隙缩小化，使GaN结晶内部的光吸收增大。被认为由于该温度上升和光吸收的正反馈而使得端面的温度加速上升，从而引起局部性的端面附近的劣化。具体而言，在活性层76的前端面附近，能看到活性层的构造的紊乱。该活性层的紊乱是由于InGaN量子阱的In发生扩散的缘故，被认为会引起前文所述的端面保护膜的劣化所导致的端面的温度上升。
在图9A以及图9B中示出图8所示的端面区域的铝(Al)和氧(O)的组成分布。如图9A中所示，AlN和Al2O3虽然能够根据Al的密度差来区分，但是在光出射区域中AlN和Al2O3的边界变得不清楚，可知进行了固相反应。根据图9B所示的氧的分布明显可知，仅在光出射区域内氧向AlN侧进行了较大程度扩散。根据该结果可得到下述结论：通过老化试验而产生的端面保护膜的劣化现象是伴随氧的扩散(氧化反应)的AlN膜的氧化反应。如此，氧的扩散和氧化反应是端面劣化的机理的主要原因。该结果示出：即便是将现有的AlN膜设为端面保护膜的构成，在瓦特级高的光输出的情况下也会发生端面劣化。
(2)关于本发明的氮化物半导体激光元件的优点
在光输出为瓦特级等高光输出工作中，为了抑制端面劣化，与现有技术相比需要抑制氧扩散和固相反应。对此，在本发明的实施例所涉及的构成中，氧扩散抑制层的Al2O3膜通过光结晶化而可抑制氧扩散。
图10是比较了本实施例的氮化物半导体激光元件和比较例2的氮化物半导体激光元件的通过老化试验而得到的光输出与时间的关系的图表。图中所示的劣化曲线291是具有本发明的第2实施例所示的端面保护膜构成的氮化物半导体激光元件的光输出的劣化曲线。在图11A中示出本发明的第2实施例所示的氮化物半导体激光元件的端面附近的剖面照片。在图11A中示出了下述结构，即，在前端面271上从半导体层叠体50侧起依次成膜有：相当于第1保护膜263的AlN膜311、相当于金属氧化物膜264的Al2O3膜312、相当于第3保护膜265的AlN膜313、相当于氧化硅膜234的SiO2膜314、相当于金属氧化物膜235的Al2O3膜315、以及相当于氧化硅膜236的SiO2膜316。
另一方面，劣化曲线292表示比较例2的氮化物半导体激光元件的光输出的劣化曲线。比较例2的氮化物半导体激光元件的构成在图6所示的实施例2的氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜构成之中，具有去除了与第3保护膜(AlN膜)265相接的氧化硅膜(SiO2膜)234后的构成的端面保护膜。具体而言，在图11B中示出比较例2的氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜的构成。在图11B中，在前端面271上从半导体层叠体50侧起依次成膜有：相当于第1保护膜263的AlN膜301、相当于第2保护膜264的Al2O3膜302、相当于第3保护膜265的AlN膜303、相当于金属氧化物膜235的Al2O3膜304、以及相当于氧化硅膜236的SiO2膜305。
如上述，在老化试验的比较中，将容器温度设为60℃，将工作电流设为1.3A进行了试验。此时，本实施例以及比较例2的氮化物半导体激光元件的光输出在通电初期均为约2.0W。
在图10中，劣化曲线291所示的本实施例的氮化物半导体激光元件直到1000小时也几乎没有劣化地工作，相对于此，在比较例2的氮化物半导体激光元件(前端面的多层保护膜在AlN膜303与Al2O3膜304之间不存在SiO2膜而直接相接的构成)的劣化曲线292中，在820小时左右发生了突然毁坏。
在上述情形中，关于劣化曲线291所示的本实施例的氮化物半导体激光元件，将1000小时老化试验后的前端面附近的剖面TEM像示出在图11A中。此外，为了比较，将劣化曲线292所示的比较例2的氮化物半导体激光元件的820小时后的前端面附近的剖面TEM像示出在图11B中。
如图11A所示，在具有本发明的实施例所涉及的前端面的多层保护膜的构成的氮化物半导体激光元件中，尽管在Al2O3膜315的光通过区域内能看到变性区域317，但是在1000小时的老化试验后在端面保护膜中也未发生膜剥落。
另一方面，在图11B所示的比较例2的氮化物半导体激光元件中，可知在AlN膜303与氧扩散抑制层的Al2O3膜304之间发生了膜剥落306。因而，认为在老化时间820小时发生了突然毁坏。进而可知，在AlN膜303中进行了伴随氧化的固相反应。
根据上述结果可知，本实施例的构成的氮化物半导体激光元件可抑制端面保护膜中的膜剥落的发生，能显著地抑制与氧扩散抑制层相接的AlN膜的固相反应所引起的劣化。
另外，该变性区域317为Al2O3的结晶层。图12A以及图12B分别表示了在图11A的Al2O3膜315中已变性的区域317和除此之外的未变性的区域318的透过电子束衍射图案。如图12A所示，在变性区域317的区域内获得了清楚的电子束的衍射图案，因此能够推测出成为了结晶性的膜。另一方面，Al2O3膜未变性的区域318的电子束衍射图案如图12B所示，是具有非晶质的特征的不存在衍射峰值的光晕图案。此外，变性区域317与半导体激光元件的激光的近视场像的区域大体一致。
由此可以认为：Al2O3膜315在成膜时被作为非晶质的Al2O3膜来形成，但是由于长时间的出射光的照射而变性为结晶性高的Al2O3膜。进而，该结果表示：通过使用Al2O3膜被SiO2膜夹持的氧扩散抑制层，能够显著地抑制膜剥落、AlN膜的固相反应这类的端面保护膜的劣化。
机理并未完全明确，但可认为是由于通过使用本发明所涉及的氧扩散抑制层，(i)抑制了伴随与氮化物的氧化的固相反应的同时，(ii)也抑制了氧的扩散。在固相反应的抑制中，可认为是由于：当与AlN膜相接的保护膜为Al2O3的情况下，容易进行AlN的氧化反应，相对于此，当为SiO2的情况下，反应速度变慢。此外，关于氧阻隔性能，可认为随着Al2O3膜结晶化而增大。
进而，关于本实施例的氮化物半导体激光元件的效果，使用以下所示的比较例3以及比较例4的氮化物半导体激光元件的老化试验后的前端面附近的TEM照片，与推定机理一起进行说明。
图13A以及图13B是比较例3以及比较例4的氮化物半导体激光元件的老化试验后的前端面区域的剖面TEM图像。比较例3以及比较例4是均具有AlN/Al2O3/SiO2的3层构造的前端面的多层保护膜但各层厚不同的构成。在上述构成的氮化物半导体激光元件中，在工作光输出为2W、容器温度为60℃下进行老化试验，并做了比较。图13A使用300小时老化试验后的样品而调查了前端面附近，图13B使用900小时老化试验后的样品而调查了前端面附近。图13A所示的比较例3的氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜的各膜厚中，AlN膜321为30nm，Al2O3膜322为45nm，最表面的SiO2膜323为60nm。另一方面，图13B所示的比较例4的氮化物半导体激光元件的前端面的多层保护膜的各膜厚中，AlN膜326为10nm，Al2O3膜327与比较例3相比设定得较厚，为110nm。最表面的SiO2膜328为15nm。如图13A所示，在比较例3中，虽然是仅为300小时的老化试验，但是却在AlN膜321和Al2O3膜322的界面处形成了反应层324。进行了该区域的组成分析的结果，认为形成了AlON，AlN膜被氧化。认为该AlN膜的氧化是由于外部氧在Al2O3膜322以及SiO2膜323中发生扩散而产生的。此外，由于比较例3的端面保护膜构成是与比较例1相同的构成，因此认为是伴随如图8所示的膜剥落的劣化的前期阶段。另一方面，在图13B所示的比较例4的氮化物半导体激光元件中，尽管施加了图13A所示的比较例3的3倍的通电时间，但是却几乎不会发生AlN膜326和Al2O3膜327的界面处的反应层的形成、膜剥落。该结果可以认为是通过使Al2O3膜327厚膜化从而氧的扩散距离变长，AlN膜的氧化被抑制。但是，图13A所示的比较例3的Al2O3膜322的膜厚为45nm，相对于此，图13B所示的比较例4的Al2O3膜327为110nm，膜厚约为2.4倍。
另一方面，由于基于老化试验时间的保护膜的劣化程度有3倍以上的差，因此仅利用氧的扩散距离的增加来说明从比较例3向比较例4变更时的固相反应的抑制较为困难。
另一方面可知在图13A、13B中进行了Al2O3膜内部的区域325、330、331的结晶化。尤其是，如图13B所示在比较例4中明确了：在Al2O3膜中在AlN膜侧的区域330内结晶化相对于图13A所示的比较例3而进一步发展。根据该结果能够认为：通过使Al2O3膜厚膜化，从而外部氧到达AlN膜和Al2O3膜的界面为止的时间变迟，先引起了Al2O3膜的光结晶化。也就是说可以认为：在激光器工作时，Al2O3膜的光结晶化和AlN膜的光氧化反应有竞争地存在，氧的存在对于AlN膜的氧化而言是不可或缺的，因此认为在氧未到达的状态下先引起光结晶。由于该结晶化层(区域330)的存在而使得氧的扩散被大幅抑制，因此认为在比较例4中尽管老化试验时间相对于比较例3为3倍，但是AlN膜的固相反应被抑制。已知一般而言通过溅射而成膜的Al2O3膜的密度低，由于伴随氧供应的结晶化而使得膜密度增大，因此伴随Al2O3膜的结晶化的高密度化是氧阻隔性的增大的主要原因。但是，如图13B的比较例4所示那样，也确认出少许反应层，在瓦特级高的光输出工作的情况下，仅通过Al2O3膜的结晶化来进行氧扩散的抑制是不足够的，通过组合SiO2所带来的AlN膜的固相反应抑制效果，端面保护膜变得更为牢固。由此，通过将本发明所涉及的氧扩散抑制层成膜在AlN膜上，可获得SiO2对AlN膜的氧化反应的抑制效果、和结晶化Al2O3的氧阻隔性的两种效果，因此可以提供即便在瓦特级高的光输出工作下也不会发生端面保护膜的劣化的牢固的端面保护膜，可以实现具有较高可靠性的半导体器件。
下面，说明抑制氧扩散的金属氧化物层的材料。抑制氧扩散的效果起因于被SiO2夹持的金属氧化物层，特别要求是通过激光器工作而发生光结晶化从而膜密度增大的材料。此外，对于激光的振荡波长而言是透明的，也是作为端面保护膜必需的条件。从这些观点出发，在本发明所涉及的实施方式中，作为金属氧化物而使用了Al2O3膜，但无需限于此，只要是包含锆、铪、钛、钽、锌的任一种的氧化膜即可。这些金属元素使用ECR溅射、磁控管的反应性溅射的固体靶可以容易地制作，结晶化也容易进行。尤其是氧化锆、氧化钛，因为光结晶化的进展快，所以作为构成氧扩散抑制层的金属氧化物层是合适的。基于同样的理由，第2实施例的氮化物半导体激光元件所涉及的端面保护层中的金属氧化物也无需限定于Al2O3膜，也可以为包含锆、铪、钛、钽、锌的任一种的氧化膜。
另外，关于被SiO2夹持的金属氧化物层而言，因为波长400nm附近的SiO2的折射率接近于1.4和空气的折射率(约1.0)，所以作为金属氧化物层而使用在波长400nm附近大于SiO2的折射率的情形能将反射率取得较大，能够减少构成氧扩散抑制层的各层的层数，能够使得氮化物半导体激光元件的成品率提高，所以优选。经常采用的金属氧化物层的折射率如下所示。
[表1]
材料名 组成 折射率
氧化锆 ZrO2 2.2
氧化铝 Al2O3 1.65
氧化钛 TiO2 2.1
氧化锌 ZnO2 2.0
氧化钽 Ta2O5 2.2
下面，说明本发明的第1实施例所涉及的氮化物半导体激光元件和第2实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的差异。
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构成从光出射端面侧起由AlN/SiO2/Al2O3/SiO2的4层构造来表示。另一方面，第2实施例所涉及的氮化物半导体激光元件由AlN/Al2O3/AlN/SiO2/Al2O3/SiO2的6层构造来表示。第1实施例和第2实施例的差异在于，使端面保护层从AlN膜1层的构造变更为AlN/金属氧化物膜/AlN的3层构造。为了防止氧到达GaN端面，通过使AlN膜2层化，从而能够期待更稳固地阻挡氧扩散。进而，根据图11A也可知，在AlN膜311和AlN膜313中结晶性不同。这是由于，AlN膜311被成膜在作为晶体的GaN的端面(m面)，因此是以m轴取向作为主成分的单晶性高的膜，相对于此，由于AlN膜313被成膜在非晶质的金属氧化物膜之上，因此是以c轴取向作为主成分的多晶膜。此外，AlN膜311的结晶的粒度也大，由于与GaN的m面的晶格不匹配而使得AlN膜内部的残余应变、应力大，相对于此，由于AlN膜313是多晶膜，因此膜应力小。鉴于此，通过使端面保护层3层化，从而可以抑制因Al2O3膜的结晶化所引起的膜剥落。进而，端面保护层内部的金属氧化物膜中，AlN膜311为单晶性，光氧化所引起的结晶化也基于基板效应而形成细密的晶体。进而，由于AlN膜313抑制氧的扩散，因此前端面的多层保护膜内部的Al2O3膜的结晶化被进一步促进。其结果，通过端面保护层以及氧扩散抑制层两层而氧阻隔性增大，因此即便在高输出工作下也可实现高可靠性的半导体激光器。在此，从防止膜剥落的观点出发，优选端面保护层内部的金属氧化物膜的膜厚较薄。本第2实施例所涉及的氮化物半导体激光元件的端面保护层内部的金属氧化物膜(Al2O3膜)的膜厚被设为10nm。
另外，关于上述实施例所涉及的本发明的氮化物半导体激光元件，氮化物半导体的组成、所用的基板并不限定于上述情形，为了获得所期望的振荡波长，可以适当选择氮化物半导体的组成、所用的基板。
具体而言，例如既可以使出射光的中心波长短波长化而短于390nm，也可以长波长化而长于430nm。
此外，在上述的实施例中，将p型包覆层18中的脊形波导50a的侧方部分的厚度(保留膜厚)设为约0.1μm，将脊形波导50a的下部的宽度设为约10μm，将脊形波导50a的上部的宽度设为约8μm，但是并不限于此。例如，可以在用作蓝光光盘装置的光源的情况下，将脊形波导的宽度设为1～2μm，作为单模激光器来使用。进而，在用作加工用光源、投影仪或激光电视机等的光源、照明装置用的激励光源的情况下，可以根据所使用的光输出而在2～100μm之间设定脊形波导的宽度。
此外，在上述的实施例中，作为构成端面保护层31或者端面保护层261的膜，也可以使用添加了杂质的AlN膜。例如也可以为添加了少量氧的Al(O)N。
此外，在上述的实施例中，作为构成端面保护层31或者端面保护层261的膜，也可以使用氮氧化铝膜(AlON)。
在此，作为氮氧化铝膜而结晶性的膜为好，例如相对于发光端面而以m轴取向作为主成分来构成的膜为好。
此外，在作为构成端面保护层31或者端面保护层261的膜而使用氮氧化铝膜的情况下，作为与构成半导体激光元件的氮化物半导体层相接的氮氧化铝膜，也可使用以m轴取向为主成分而构成的结晶性的膜，作为经由金属氧化物膜而与该以m轴取向为主成分而构成的结晶性的膜相接的氮氧化铝膜，使用以c轴取向为主成分而构成的膜为好。
下面，关于作为构成端面保护层31或者端面保护层261的膜而使用的氮氧化铝膜(AlON膜)来叙述。
在使用ECR溅射来成膜AlON的情况下，将O2和N2的混合气体作为反应性气体来使用。另外，为了控制成膜速度，将氩(Ar)气体同时导入至ECR室内。在本实施例中，在AlON的成膜中，为了对该AlON的氮的组成比进行控制，将Ar的流量设为20ml/min，将N2的流量设为5.5ml/min，进一步使O2的流量发生变化。在此，各气体的流量设为标准状态(0℃，1个大气压)(以下相同)。在本实施例中，制作了使O2的流量从0ml/min变化至1.0ml/min时的AlON。其中，各气体的流量只是一例，并不限于此。
在图14中示出AlON膜的成膜时的O2的流量和AlON的各元素组成的关系。在此，N的原子组成按照下式方式定义。
N的原子组成(％)＝(N的原子数/Al及N及O的原子数之和)×100
此时的气体流量中，Ar为20ml/min，N2为5.5ml/min。从图14可知，随着O2的流量增大而N的组成减少且O的组成增加。此外，由于作为溅射的氛围气气体而使用了Ar，因此从膜中检测出了少许Ar。伴随着该组成的变化而AlON的物性也发生变化。
图15示出相对于波长λ为405nm的光的折射率和O2的流量的关系。不含氧的AlN膜的折射率约2.1，不含氮的Al2O3膜的折射率为1.65。从图15可知，伴随着O2的流量增大而AlON膜的折射率从接近AlN的折射率朝向接近Al2O3的折射率逐渐减少。
在图16中示出本实施例中制作出的AlON膜当中的N的原子组成和折射率(相对于波长λ为405nm的光)的关系。图16的横轴以原子％来表示AlON膜所含的氮原子的原子组成，纵轴表示折射率。N的原子组成为0原子％的情况即是指Al2O3，N的原子组成为50原子％的情况即是指AlN。本申请发明者们发现：如图16所示，对于N的原子组成，被划分为折射率不同的3个组。在此，将N的原子组成为0原子％～23原子％的组称为组A，将N的原子组成为24原子％～40原子％的组称为组B，将N的原子组成为40原子％以上的组称为组C。在此可知，在相当于组C的N的原子组成为40原子％以上的情况下，折射率为2.0左右，表示与AlN大致相同的折射率。
下面，在图17中示出N的原子组成为40％以上的组C的AlON的X射线衍射光谱。组A以及组B的AlON为非晶质膜，相对于此，组C的AlON为结晶膜，由于与AlN膜的X射线衍射光谱一致，因此发现是具有与AlN膜同样的结晶构造的结晶膜。鉴于这些结果，能推定出组C的AlON膜具有与AlN膜同等的物性，所以构成端面保护层31或者端面保护层261的膜可以是N的原子组成为40％以上的AlON膜。
另外，在上述构成中，将在AlN膜与Al2O3膜之间***的氧化膜设为氧化硅膜，但只要是不因激光而变性的氧化膜，则可以用其他氧化膜来置换。此外，同样关于在Al2O3的表面所形成的氧化硅膜，也可以利用其他氧化膜来置换。
产业上的可利用性
本发明所涉及的氮化物半导体激光元件，作为活性层的端面保护膜而能够获得即便在激光振荡中也不会引起膜剥落且不会引起光学破坏的保护膜，尤其是在具有对包含露出的活性层在内的端面进行保护的保护膜的半导体激光元件中是有用的。
符号说明
1，201氮化物半导体激光元件
11n型基板
12n型半导体层
13n型包覆层
14n型导光层
15多重量子阱活性层
16p型导光层
17p型电子阻挡层
18p型包覆层
19p型接触层
20掩模层
21P侧电极
22N侧电极
25后端面的多层保护膜
28前端面(发光端面)
29后端面(后部端面)
30，230前端面的多层保护膜
31，261端面保护层
32，232氧扩散抑制层
33保护膜(AlN膜)
34，234氧化硅膜(SiO2膜)
35，235金属氧化物膜(Al2O3膜)
36，236氧化硅膜(SiO2膜)
40激光器条样品
41靶材
42等离子产生室
50半导体层叠体
51半导体激光装置
50a脊形波导
52杆
52a电极端子
52b激光保持部
53盖罩
53a窗部
54玻璃板
55密封气体
263第1保护膜(AlN膜)
264第2保护膜(Al2O3膜)
265第3保护膜(AlN膜)
271前端面
272第1端面保护膜(AlN膜)
273第2端面保护膜(Al2O3膜)
274第3端面保护膜(SiO2膜)
275膜剥落
291劣化曲线
292劣化曲线
301AlN膜
302金属氧化物膜(Al2O3膜)
303AlN膜
304Al2O3膜
305SiO2膜
306膜剥落
311AlN膜
312金属氧化物膜(Al2O3膜)
313AlN膜
314氧化硅膜(SiO2膜)
315金属氧化物膜(Al2O3膜)
316氧化硅膜(SiO2膜)
317变性区域
318未变性的区域
321AlN膜
322Al2O3膜
323SiO2膜
324AlN膜的反应层
325区域
326AlN膜
327Al2O3膜
328SiO2膜
330区域
331区域
400氮化物半导体激光元件
410氮化物半导体层
413前端面
414后端面
415第1端面覆膜
416第2端面覆膜
417端面覆膜

Claims (12)

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，并具有一组对置的发光端面和后方端面；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化铝膜的层，
所述氧扩散抑制层具备至少一层氧化铝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、氧化铝膜的顺序被配置，
所述氧化铝膜通过从所述发光端面出射的激光而被结晶化。
2.一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，并具有一组对置的发光端面和后方端面；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化铝膜的层，
所述氧扩散抑制层具备至少一层氧化铝膜和至少两层氧化硅膜，并且所述氧化铝膜被所述两层氧化硅膜夹持，
所述氧化铝膜通过从所述发光端面出射的激光而被结晶化。
3.根据权利要求1或2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。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求3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。
6.根据权利要求1或2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。
7.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体激光元件，其中，
所述氧化铝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。
8.一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，并具有一组对置的发光端面和后方端面；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，
所述氧扩散抑制层具备至少一层氧化铝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、氧化铝膜的顺序被配置，
所述氧化铝膜通过从所述发光端面出射的激光而被结晶化。
9.一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，并具有一组对置的发光端面和后方端面；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，
所述氧扩散抑制层具备至少一层氧化铝膜和至少两层氧化硅膜，并且所述氧化铝膜被所述两层氧化硅膜夹持，
所述氧化铝膜通过从所述发光端面出射的激光而被结晶化。
10.根据权利要求8或9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。
11.根据权利要求10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。
12.根据权利要求10所述的氮化物半导体激光元件，其中，
所述第一氮氧化铝膜和所述第二氮氧化铝膜中的氮的原子组成在40％以上。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10217897B1 (en) * 2017-10-06 2019-02-26 Wisconsin Alumni Research Foundation Aluminum nitride-aluminum oxide layers for enhancing the efficiency of group III-nitride light-emitting devices
JP6812333B2 (ja) * 2017-12-08 2021-01-13 エア・ウォーター株式会社 化合物半導体基板
JP7296934B2 (ja) * 2018-02-14 2023-06-23 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 窒化物半導体レーザ素子及び照明光源モジュール
WO2021200328A1 (ja) * 2020-03-30 2021-10-07 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 窒化物半導体レーザ素子

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101043063A (zh) * 2006-03-06 2007-09-26 夏普株式会社 氮化物半导体器件及其制备方法
CN101540475A (zh) * 2008-03-21 2009-09-23 松下电器产业株式会社 氮化物半导体发光元件和氮化物半导体发光元件的制造方法
US7869482B2 (en) * 2008-04-03 2011-01-11 Rohm Co., Ltd. Semiconductor laser device
CN102714393A (zh) * 2010-11-19 2012-10-03 索尼公司 半导体激光器件和半导体激光器件制造方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007103814A (ja) * 2005-10-07 2007-04-19 Sharp Corp 窒化物半導体発光素子およびその製造方法
JP5191650B2 (ja) 2005-12-16 2013-05-08 シャープ株式会社 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法
JP5004597B2 (ja) * 2006-03-06 2012-08-22 シャープ株式会社 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法
JP4444304B2 (ja) 2006-04-24 2010-03-31 シャープ株式会社 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法
JP4514760B2 (ja) 2007-01-26 2010-07-28 シャープ株式会社 半導体レーザ素子
JP4978454B2 (ja) * 2006-12-28 2012-07-18 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体レーザ素子
US7646798B2 (en) * 2006-12-28 2010-01-12 Nichia Corporation Nitride semiconductor laser element
JP5193718B2 (ja) * 2008-07-18 2013-05-08 パナソニック株式会社 窒化物半導体レーザ装置
JP2010135516A (ja) * 2008-12-03 2010-06-17 Panasonic Corp 窒化物半導体発光装置
JP5383313B2 (ja) * 2009-05-20 2014-01-08 パナソニック株式会社 窒化物半導体発光装置
JP4621791B2 (ja) * 2009-06-11 2011-01-26 シャープ株式会社 窒化物半導体レーザ素子
JP2011009374A (ja) * 2009-06-24 2011-01-13 Panasonic Corp 窒化物半導体レーザ
JP5431441B2 (ja) 2011-11-30 2014-03-05 シャープ株式会社 窒化物半導体発光素子

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101043063A (zh) * 2006-03-06 2007-09-26 夏普株式会社 氮化物半导体器件及其制备方法
CN101540475A (zh) * 2008-03-21 2009-09-23 松下电器产业株式会社 氮化物半导体发光元件和氮化物半导体发光元件的制造方法
US7869482B2 (en) * 2008-04-03 2011-01-11 Rohm Co., Ltd. Semiconductor laser device
CN102714393A (zh) * 2010-11-19 2012-10-03 索尼公司 半导体激光器件和半导体激光器件制造方法

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Publication number Publication date
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