以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
本発明者は、上記の問題を解決するために、低温かつ低出力の条件(30℃、CW駆動、光出力30mW)でのエージング後と高温かつ高出力の条件(70℃、CW駆動、光出力100mW)でのエージング後のそれぞれの上記構成の従来の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルの変化を調べた。
図8に従来の窒化物半導体レーザ素子のエージング時間とCODレベルとの関係を示す。なお、図8において、横軸はエージング時間を示し、縦軸はCODレベルを示している。ここで、CODレベルは、上記条件においてエージング時間をそれぞれ変化させてエージングした後のそれぞれの窒化物半導体レーザ素子について駆動電流(CW駆動)を徐々に増加させて光出力を増加させていったときに光出射部がCODしたときの光出力値のことをいう。
図8に示すように、低温かつ低出力の条件でエージングした後の窒化物半導体レーザ素子においては、エージング時間が50時間程度で光出射部のCODによる劣化が起こるが、エージング時間がそれよりも長くなっても、CODレベルはほとんど変化していない。
一方、高温かつ高出力の条件でエージングした後の窒化物半導体レーザ素子においてもエージング時間が50時間程度で光出射部のCODによる劣化が起こり、エージング時間が200時間程度まではCODレベルは大きく低下しない。しかしながら、エージング時間が400時間を超えるとCODレベルの大きな低下が見られる。
以上の結果から、本発明者は、高温かつ高出力の条件でのエージングにおいてはエージング時間が400時間以降のCODレベルの低下が窒化物半導体レーザ素子の信頼性の低下を引き起こしている原因であることがわかった。
本発明者は、大気中の酸素またはO−H基などが光出射側の端面に形成されたアルミナからなるコート膜中を透過して光出射側の端面を構成する窒化物半導体結晶の表面にまで到達し、窒化物半導体結晶を酸化したためにCODレベルの低下を引き起こしたと考えた。すなわち、大気中の酸素またはO−H基などがアルミナからなる80nmの厚さのコート膜中を透過するのに400時間程度かかったものと考えられる。
光出射側の端面に形成されるコート膜は、ほとんどの場合、EB(Electron Beam)蒸着法またはスパッタリング法などの方法を用いて成膜される。この場合は、コート膜はほぼアモルファスとなることが知られている。上記の試験を行なった後の窒化物半導体レーザ素子の端面についてTEM(Transmission Electron Microscopy)観察を行い、コート膜の電子線回折パターンを観察したところ、アモルファス特有のハローパターンが見られ、コート膜がアモルファスであることが確認された。
そこで、本発明者は、アモルファスのコート膜は、密度が低く欠陥を多く含んでいるため、大気中の酸素またはO−H基などを透過しやすいのではないかと考えた。そして、本発明者が鋭意検討した結果、窒化物半導体発光素子の光出射部にアルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶を含むコート膜を形成することによって、高温かつ高出力の駆動において十分な信頼性を得ることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。
さらに、本発明者が鋭意検討した結果、コート膜中のアルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が光出射部を構成している窒化物半導体結晶の結晶軸と揃っている場合には、高温かつ高出力の駆動においてさらに信頼性を向上することができることを見いだした。
また、本発明において、コート膜の厚さは6nm以上150nm以下であることが好ましい。コート膜の厚さが6nm未満の場合にはコート膜の厚さが薄すぎて酸素などがコート膜中を透過するのを十分に抑制することができないおそれがある。また、コート膜の厚さが150nmを超えている場合には結晶化しているコート膜はアモルファスの場合に比べて強い内部応力を有しているため、コート膜にひび割れなどの問題が発生するおそれがある。
また、本発明において、アルミニウムの酸窒化物結晶からなるコート膜の酸素の含有量がコート膜を構成する原子全体の35原子%よりも多い場合には、コート膜がアルミナの特性に近づき、アルミニウムの酸窒化物結晶の結晶性が崩れてしまい、酸素などがコート膜中を透過するのを十分に抑制することができていない傾向にある。したがって、本発明において、アルミニウムの酸窒化物結晶からなるコート膜中の酸素の含有量は35原子%以下であることが好ましく、更に好ましくは15原子%以下である。
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子としては、たとえば、窒化物半導体レーザ素子または窒化物半導体発光ダイオード素子などがある。また、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板上に形成された活性層とクラッド層とがアルミニウム、インジウムおよびガリウムからなる群から選択された少なくとも1種の3族元素と5族元素である窒素との化合物を50質量%以上含む材料から構成されている発光素子のことを意味する。
また、本発明の窒化物半導体トランジスタ素子としては、たとえば、窒化物半導体を用いたHFETなどがある。
(実施の形態1)
図1に、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子100は、n型GaNからなる半導体基板101上に、n型GaNからなる厚さ0.2μmのバッファ層102、n型Al0.06Ga0.94Nからなる厚さ2.3μmのn型クラッド層103、n型GaNからなる厚さ0.02μmのn型ガイド層104、厚さ4nmのInGaNと厚さ8nmのGaNからなる多重量子井戸活性層105、p型Al0.3Ga0.7Nからなる厚さ20nmのp型電流ブロック層106、p型Al0.05Ga0.95Nからなる厚さ0.5μmのp型クラッド層107およびp型GaNからなる厚さ0.1μmのp型コンタクト層108が半導体基板101側からこの順序でエピタキシャル成長により積層された構成を有している。なお、上記の各層の混晶比は適宜調節されるものであり、本発明の本質とは関係がない。また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子から発振されるレーザ光の波長は多重量子井戸活性層105の混晶比によって、たとえば370nm〜470nmの範囲で適宜調節することができる。なお、本実施の形態においては、レーザ光の波長は405nmとされた。
また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子100は、p型クラッド層107およびp型コンタクト層108の一部が除去されて、ストライプ状のリッジストライプ部111が共振器長方向に延伸するように形成されている。ここで、リッジストライプ部111のストライプの幅は、たとえば1.2〜2.4μm程度であり、代表的には1.5μm程度である。
また、p型コンタクト層108の表面にはPd層とMo層とAu層の積層体からなるp電極110が設けられ、p電極110の下部にはリッジストライプ部111の形成箇所を除いてSiO2層とTiO2層の積層体からなる絶縁膜109が設けられている。また、n型GaN基板101の上記の層の積層側と反対側の表面にはHf層とAl層の積層体からなるn電極112が形成されている。
図2に、図1に示す本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の共振器長方向の模式的な側面図を示す。ここで、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子100の光出射側の端面113にはAlaObNc(a+b+c=1、0<b≦0.35)の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなるコート膜114が厚さ6nmで形成されており、コート膜114上にはアルミニウムの酸化物膜115が80nmの厚さで形成されている。なお、上記の組成式において、Alはアルミニウムを示し、Oは酸素を示し、Nは窒素を示す。また、上記の組成式において、aはアルミニウムの組成比を示し、bは酸素の組成比を示し、cは窒素の組成比を示す。スパッタ法によりコート膜を形成した場合には、アルゴンなどが多少含まれることがあるが、ここでは、Al、OおよびN以外のアルゴンなどを除いた組成比で換算して表現している。つまり、Al、OおよびNの組成比の合計が1となるようにしている。
また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子100の光反射側の端面116には厚さ6nmのアルミニウムの酸窒化物膜117、厚さ80nmのアルミニウムの酸化物膜118、および、厚さ71nmの酸化シリコン膜と厚さ46nmの酸化チタン膜とを1ペアとして4ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ142nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜119がこの順序で形成されている。
なお、上記のコート膜114、アルミニウムの酸化物膜115、アルミニウムの酸窒化物膜117、アルミニウムの酸化物膜118および高反射膜119は、上記の半導体基板上にバッファ層などの上記の窒化物半導体層を順次積層し、リッジストライプ部を形成した後に、絶縁膜、p電極およびn電極をそれぞれ形成したウエハを劈開することによって劈開面である端面113および端面116がそれぞれ露出した試料を作製し、その試料の端面113および端面116上にそれぞれ形成される。
上記のコート膜114を形成する前に成膜装置内において端面113をたとえば100℃以上の温度で加熱することによって、端面113に付着している酸化膜や不純物などを除去してクリーニングすることが好ましいが、本発明においては特に行なわなくてもよい。また、端面113にたとえばアルゴンまたは窒素のプラズマを照射することで端面113のクリーニングを行なってもよいが、本発明においては特に行なわなくてもよい。また、端面113を加熱しながらプラズマ照射することも可能である。また、上記のプラズマの照射に関しては、たとえば、アルゴンのプラズマを照射した後に続けて窒素のプラズマを照射することも可能であり、その逆の順番でプラズマを照射してもよい。アルゴンと窒素以外にも、たとえば、ヘリウム、ネオン、キセノンまたはクリプトンなどの希ガスを用いることもできる。
また、上記のコート膜114は、たとえば以下に説明するECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ法により形成することができるが、他の各種スパッタ法、またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法あるいはEB(Electron Beam)蒸着法などにより形成することもできる。
図3に、ECRスパッタ成膜装置の一例の模式的な構成図を示す。ここで、ECRスパッタ成膜装置は、成膜室200と、磁気コイル203と、マイクロ波導入窓202とを備えている。成膜室200にはガス導入口201およびガス排気口209が設置されており、成膜室200内にはRF電源208に接続されたAlターゲット204とヒータ205とが設置されている。また、成膜室200内には試料台207が設置されており、試料台207上には上記の試料206が設置されている。なお、磁気コイル203はプラズマを生成するのに必要な磁場を発生させるために設けられており、RF電源208はAlターゲット204をスパッタするために用いられる。また、マイクロ波導入窓202よりマイクロ波210が成膜室200内に導入される。
そして、ガス導入口201から成膜室200内に窒素ガスを5.2sccmの流量で導入し、酸素ガスを1.0sccmの流量で導入し、さらに、プラズマを効率よく発生させて成膜速度を大きくするためにアルゴンガスを20.0sccmの流量で導入する。なお、成長室200内における窒素ガスと酸素ガスの比率を変更することによって上記のコート膜114中の酸素の含有量を変更することができる。また、Alターゲット204をスパッタするためにAlターゲット204にRFパワーを500W印加し、プラズマの生成に必要なマイクロ波パワーを500W印加した場合には、成膜レートが1.7Å/秒で、波長405nmの光の屈折率が2.1であるアルミニウムの酸窒化物からなるコート膜114を形成することができる。コート膜114を構成するアルミニウム、窒素および酸素の含有量(原子%)はたとえばAES(Auger Electron Spectroscopy)によって測定することができる。また、コート膜114を構成する酸素の含有量は、TEM−EDX(Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)によっても測定することができる。
上記と同一の条件で別途作製したアルミニウムの酸窒化物をAESにより厚さ方向に組成の分析をした結果、このアルミニウムの酸窒化物を構成するアルミニウムの含有量は34.8原子%、酸素の含有量は3.8原子%および窒素の含有量は61.4原子%で厚さ方向にほぼ均一な組成であることがわかった。なお、極微量のアルゴンも検出された。ここで、アルゴンは、Alターゲット204をスパッタするために成膜室200内に導入されたアルゴンガスの一部が取り込まれたものである。また、コート膜114中のアルミニウム、酸素、窒素およびアルゴンの総原子数を100原子%としたときのコート膜114中のアルゴンの含有量は0原子%よりも多く5原子%未満の範囲となり、通常は1原子%以上3原子%以下程度となるが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、光出射側のアルミニウムの酸化物膜115、光反射側のアルミニウムの酸窒化物膜117、アルミニウムの酸化物膜118および高反射膜119も上記のコート膜114と同様にECRスパッタ法などにより形成することができる。また、これらの膜の形成前にも加熱によるクリーニングおよび/またはプラズマ照射によるクリーニングを行なうことが好ましい。ただし、光出射部の劣化が問題となるのは光密度の大きい光出射側であり、光反射側は光出射側に比べて光密度が小さいため、劣化が問題とならない場合が多い。したがって、本発明においては、光反射側の端面116にはアルミニウムの酸窒化物膜などの膜は設けなくてもよい。また、本実施の形態においては、光反射側の端面116には厚さ6nmのアルミニウムの酸窒化物117が形成されているが、アルミニウムの酸窒化物117の厚さはたとえば50nmと厚くしても問題はない。
また、端面に上記の膜を形成した後には加熱処理を行なってもよい。これにより、上記の膜に含まれる水分の除去や加熱処理による膜質の向上を期待することができる。
以上のようにして、上記の試料の光出射側の端面113にコート膜114およびアルミニウムの酸化物膜115をこの順序で形成し、光反射側の端面116にアルミニウムの酸窒化物膜117、アルミニウムの酸化物膜118および高反射膜119をこの順序で形成した後にチップ状に分割することによって、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子が得られる。
図4に、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の光出射側の端面近傍のTEM写真を示す。また、図5に、図4に示す領域AのTEMによる電子線回折パターンを示し、図6に、図4に示す領域BのTEMによる電子線回折パターンを示す。図4に示す領域Bは光出射側の端面113とコート膜114の2つの領域にまたがっており、図6ではこの2つの領域からの回折像を分離するために、スポット径を絞っている。
図5に示すように、この電子線回折パターンは回折スポットが点在していることから、アルミニウムの酸窒化物からなるコート膜114の領域Aの部分は結晶化していることがわかる。
また、図6に示す矢印は領域Bにおけるコート膜114の回折スポットを示しているが、図6に示すように、コート膜114の回折スポットは光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶の回折スポットとほぼ一致している。したがって、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸は揃っていることが確認された。
ここで、図6は、厳密には、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の光出射部とコート膜114との回折スポットを比較しているわけではないが、光出射側の端面113は窒化物半導体層が順次エピタキシャル成長して形成されたウエハの端面であることから、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶の結晶軸はすべて揃っていると考えられる。したがって、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の光出射側の端面113の一部である光出射部を構成する窒化物半導体結晶の結晶軸とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸とは揃っていると考えられる。
なお、図6においては、コート膜114の回折スポットは光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶の回折スポットとほぼ一致しているが、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶とは格子定数が異なるために、これらの回折スポットの位置は多少ずれることがある。また、図6の中央部においては、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶の回折スポットが大きく出ており、コート膜114の回折スポットはそれに隠れて見えていない。
表1に、図5に示すコート膜114の回折スポットからコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の各方向の面間隔を求めた結果を示す。レファレンスとしてJCPDSカードに示されたアルミニウムの窒化物結晶の面間隔を一緒に記載している。ここで、本実施の形態で作製したコート膜114のC軸方向の面間隔は2.48オームストロング(Å)であった。
また、コート膜114上のアルミニウムの酸化物膜115の結晶系についてもTEMにより調べたところアモルファスであることが確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のエージング前とエージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルについて調査した。その結果を図7に示す。図7に示すように、エージング前のCODレベルは400mW程度であり、エージング時間が400時間を超えた場合でもCODレベルはほとんど低下していないことがわかる。
これは、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、コート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶は、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶上にエピタキシャル成長したと思われるような非常に結晶性の高い膜となっており、この結晶性の高さが、欠陥を多く含むと考えられるアモルファスのコート膜に比べて酸素の透過を抑制する膜として有効に機能しているためと考えられる。
なお、上記において、AlaObNc(a+b+c=1、0<b≦0.35)の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなるコート膜114の形成方法としては、図3に示すAlターゲット204の代わりに、ターゲットにAlxOy(0<x<1、0<y<0.6)の組成式で表されるアルミニウムの酸化物からなるターゲットを用いて、成膜室200内に窒素を導入し反応性スパッタ法によって形成することも可能である。この場合は、意図的に酸素などを成膜室200に導入しなくても、コート膜114の形成が可能である。アルミニウムは比較的酸化性が高いため、酸素を導入した場合、酸素含有量の少ないコート膜114の組成制御および再現性は難しい。しかしながら、ターゲットにAlxOy(0<x<1、0<y<0.6)の組成式で表されるアルミニウムの酸化物を用い、成膜室200に酸素を導入せず、窒素のみ導入する場合には、比較的容易に酸素含有量の低いコート膜114を形成することができる。なお、酸素含有量の低いアルミニウムの酸窒化物からなるターゲットを用いても同様の結果を得ることができる。
なお、反応性スパッタリング装置を用いる場合には、アルミニウムの酸化物からなるターゲットを用いなくても、アルミニウムからなるターゲットを成膜室に設置して酸素ガスを導入した状態でマイクロ波を印加して酸素プラズマを生成し、酸素プラズマによりアルミニウムからなるターゲットの表面を酸化させることによって、アルミニウムからなるターゲットの表面にアルミニウムの酸化物からなるターゲットを作製することができる。
また、たとえば、以下のようなステップ1およびステップ2により、アルミニウムからなるターゲットを用いて、アルミニウムの酸窒化物膜を形成することも可能である。
ステップ1
アルミニウムからなるターゲットが設置された反応性スパッタリング装置の成膜室に酸素ガスを導入し、マイクロ波を印加して、酸素プラズマを生成し、アルミニウムからなるターゲットをその酸素プラズマに曝すことにより、アルミニウムからなるターゲットの表面から数nm程度の深さだけアルミニウムを酸化させ、アルミニウムからなるターゲットの表面にアルミニウムの酸化物からなるターゲットを形成する。
ステップ2
その後、成膜室に窒素ガスとアルゴンガスとを導入し、マイクロ波を印加しプラズマ状態にして、ステップ1で作製したアルミニウムの酸化物からなるターゲットをスパッタすることによって、アルミニウムの酸窒化物膜を形成することが可能となる。
なお、上記においては、ステップ1とステップ2との間に、アルゴンガス、窒素ガス、若しくはアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスのプラズマに窒化物半導体の表面を曝してクリーニングする工程を追加してもよい。
(実施の形態2)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にアルミニウムの窒化物からなる厚さ20nmのコート膜114が形成されており、その上に厚さ200nmのアルミニウムの酸化物膜115が形成されている。
また、光反射側の端面116には厚さ12nmのアルミニウムの窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの窒化物膜上に厚さ80nmのアルミニウムの酸化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸化物膜上に厚さ81nmの酸化シリコン膜と厚さ54nmの酸化チタン膜とを1ペアとして4ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ162nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態3)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にAl0.33O0.11N0.56の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなる厚さ40nmのコート膜114が形成されており、その上に厚さ240nmのアルミニウムの酸化物膜115が形成されている。
また、光反射側の端面116には厚さ12nmのアルミニウムの窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの窒化物膜上に厚さ80nmのアルミニウムの酸化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸化物膜上に厚さ81nmの酸化シリコン膜と厚さ54nmの酸化チタン膜とを1ペアとして4ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ162nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの酸窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態4)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したことならびに発振されるレーザ光の波長を460nmとしたこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にアルミニウムの酸窒化物からなる厚さ50nmのコート膜114のみが形成されており、その反射率は10%程度とされている。
また、光反射側の端面116には厚さ6nmのアルミニウムの酸窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸窒化物膜上に厚さ80nmのアルミニウムの酸化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸化物膜上に厚さ81nmの酸化シリコン膜と厚さ54nmの酸化チタン膜とを1ペアとして4ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ162nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの酸窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態5)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にAl0.30O0.25N0.45の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなる厚さ50nmのコート膜114が形成されており、そのコート膜114上に厚さ110nmの窒化シリコン膜が形成されている。
また、光反射側の端面116には厚さ50nmのアルミニウムの酸窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸窒化物膜上に厚さ50nmの酸化シリコン膜が形成され、その酸化シリコン膜上に厚さ71nmの酸化シリコン膜と厚さ50nmの窒化シリコン膜とを1ペアとして6ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ142nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
窒化シリコン膜は酸化シリコン膜よりも防湿性が高く、酸素透過性が低い(すなわち、O−H基および酸素が酸化シリコン膜中よりも拡散しにくい)ため、コート膜114上に窒化シリコン膜を形成することによって酸素などの透過による光出射側の端面113の酸化を抑制することができる傾向が大きくなる。
ここで、コート膜114上の窒化シリコン膜の厚さは5nm以上であることが好ましく、80nm以上であることがより好ましい。コート膜114上の窒化シリコン膜の厚さが5nm未満である場合にはコート膜114の表面内において均一に成膜することが困難となる傾向にあり、80nm以上である場合には酸素の拡散の抑制効果がより高くなる傾向にあるためである。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの酸窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態6)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にAl0.31O0.03N0.66の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなる厚さ30nmのコート膜114が形成され、そのコート膜114上に厚さ140nmの窒化シリコン膜が形成されており、その窒化シリコン膜上に厚さ140nmの酸化シリコン膜が形成されている。ここで、コート膜114上の窒化シリコン膜およびその窒化シリコン膜上の酸化シリコン膜の厚さはそれぞれ5nm以上であることが好ましい。これらの膜の厚さが5nm未満である場合には面内に均一に成膜することが困難である傾向にあるためである。
また、光反射側の端面116には厚さ50nmのアルミニウムの酸窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸窒化物膜上に厚さ50nmの酸化シリコン膜が形成され、その酸化シリコン膜上に厚さ71nmの酸化シリコン膜と厚さ50nmの窒化シリコン膜とを1ペアとして6ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ142nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの酸窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の光出射側の端面113側の最表面層である酸化シリコン膜を厚さ140nmのアルミニウムの酸化物膜に代えて上記と同様にしてエージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査したところ、上記と同様に400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態7)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にAl0.32O0.08N0.60の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなる厚さ30nmのコート膜114が形成され、そのコート膜114上に厚さ140nmの窒化シリコン膜が形成されており、その窒化シリコン膜上に厚さ160nmのアルミニウムの酸化物膜が形成されている。
また、光反射側の端面116には厚さ50nmのアルミニウムの酸窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸窒化物膜上に厚さ50nmの酸化シリコン膜が形成され、その酸化シリコン膜上に厚さ71nmの酸化シリコン膜と厚さ50nmの窒化シリコン膜とを1ペアとして6ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ142nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの酸窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の光出射側の端面113側の最表面層であるアルミニウムの酸化物膜を厚さ140nmのシリコンの酸化物膜に代えて上記と同様にしてエージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査したところ、上記と同様に400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態8)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にAl0.32O0.08N0.60の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなる厚さ60nmのコート膜114が形成され、そのコート膜114上に厚さ230nmのシリコンの酸窒化物膜が形成されている。ここで、コート膜114上のシリコンの酸窒化物膜はSi0.348O0.04N0.612の組成式で表わされ、シリコンの含有量は34.8原子%、酸素の含有量は4.0原子%および窒素の含有量は61.2原子%であった。
また、光反射側の端面116には厚さ50nmのアルミニウムの酸窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸窒化物膜上に厚さ50nmの酸化シリコン膜が形成され、その酸化シリコン膜上に厚さ71nmの酸化シリコン膜と厚さ50nmの窒化シリコン膜とを1ペアとして6ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ142nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの酸窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態9)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にAl0.32O0.08N0.60の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなる厚さ40nmのコート膜114が形成され、そのコート膜114上に厚さ100nmの酸化ジルコニウム膜が形成されている。
また、光反射側の端面116には厚さ50nmのアルミニウムの酸窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの酸窒化物膜上に厚さ50nmの酸化シリコン膜が形成され、その酸化シリコン膜上に厚さ71nmの酸化シリコン膜と厚さ50nmの窒化シリコン膜とを1ペアとして6ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ142nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの酸窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
(実施の形態10)
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、光出射側の端面113に形成される膜の構成および光反射側の端面116に形成される膜の構成を変更したこと以外は、実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、光出射側の端面113にアルミニウムの窒化物からなる厚さ50nmのコート膜114が形成され、そのコート膜114上に厚さ140nmの窒化シリコン膜が形成されている。
また、光反射側の端面116には厚さ50nmのアルミニウムの窒化物膜が形成され、そのアルミニウムの窒化物膜上に厚さ50nmの酸化シリコン膜が形成され、その酸化シリコン膜上に厚さ71nmの酸化シリコン膜と厚さ50nmの窒化シリコン膜とを1ペアとして6ペア積層(酸化シリコン膜から積層開始)した後に最表面に厚さ142nmの酸化シリコン膜が積層された高反射膜が形成されている。
ここで、実施の形態1と同様にして、TEMの電子線回折パターンにより、コート膜114の結晶系を調査したところ、コート膜114はアルミニウムの窒化物結晶から構成されていることが確認された。また、TEMの電子線回折パターンにより、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶とコート膜114を構成するアルミニウムの窒化物結晶の結晶軸が揃っていることも確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子についても、実施の形態1と同様にして、エージング(70℃、CW駆動、光出力100mW)後のCODレベルを調査した。その結果、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のCODレベルは、400時間のエージング後においてもほとんど低下していないことが確認された。
本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子のように、窒化物半導体結晶からなる光出射側の端面113上に、光出射側の端面113を構成する窒化物半導体結晶と結晶軸が揃った状態で結晶化しているアルミニウムの窒化物結晶からなるコート膜114を形成した場合には、そのコート膜114上に形成される膜は酸化物からなる膜よりも、窒化シリコン膜、シリコンの酸窒化物膜、またはアルミニウムの酸窒化物膜であることが信頼性の向上の観点からは好ましい。
また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子の端面部分の外観検査(チップ状に分割した後の窒化物半導体レーザ素子の端面上に形成された膜の剥がれ状態を実体顕微鏡などによって観察する)を行なった。このとき、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、アルミニウムの窒化物からなるコート膜114上にアルミニウムの酸化物膜を形成した実施の形態2の窒化物半導体レーザ素子よりも光出射側の端面上に形成された膜の剥がれの発生が低減できていることが確認された。
ここで、アルミニウムの窒化物からなるコート膜114上に酸化物からなる膜を形成した場合に膜の剥がれが発生しなかった(以下、「膜の剥がれの歩留まり」という)のは全体の88%であり、アルミニウムの窒化物膜からなるコート膜114上に窒化物または酸窒化物からなる膜を形成した場合には膜の剥がれの歩留まりは全体の94%であった。
このような膜の剥がれは、チップ状に分割する際に、たとえば図10の模式的断面図に示す窒化物半導体レーザ素子のCで示される領域で数多く発生し、その後のマウント工程および/またはエージング試験において膜の剥がれがさらに進行して、不良品が生産される原因となる。なお、図10に示す窒化物半導体レーザ素子は、電流狭窄を行なうためのSiO2層とTiO2層の積層体からなる積層体からなる絶縁膜78を有しているとともに電流を注入するためのp側電極79を有している。
以上の観点からは、コート膜114がアルミニウムの窒化物からなる場合には、そのコート膜114上に形成する膜は、窒化物または酸窒化物であることがより好ましい。コート膜114がアルミニウムの酸窒化物からなる場合には上記のようなコート膜114上の膜の材質の相違に起因する膜の剥がれの歩留まりの差異は見られなかったため、コート膜114を構成するアルミニウムの酸窒化物が熱膨張係数差および内部応力を緩和しているとも考えられる。
また、電流狭窄を行なうための図1に示す絶縁膜109および図10に示す絶縁膜78を上記の実施の形態1〜10の工程で作製することによって、上述した窒化物半導体レーザ素子の端面における膜の剥がれの歩留まりを向上することができる。
窒化物半導体レーザ素子においてはリッジストライプ部付近の膜の剥がれが最も問題となるが、リッジストライプ部の脇に形成された絶縁膜と端面上に形成された膜とが接している場合には、リッジストライプ部付近の膜の剥がれの発生を有効に防止することができることがわかった。これは、絶縁膜と端面上に形成された膜とが接している部分で歪みが緩和されることによるものと考えられる。なお、絶縁膜と端面上に形成された膜とが接していない場合には膜の剥がれの歩留まりは全体の60%程度に低下した。
リッジストライプ部の脇に形成される絶縁膜としては、たとえば、酸化物(シリコン、ジルコニウム、タンタル、イットリウム、ハフニウム、アルミニウム、またはガリウムなどの酸化物)、窒化物(アルミニウムまたはシリコンなどの窒化物)、または酸窒化物(アルミニウムまたはシリコンなどの酸窒化物)からなる膜を用いることができる。
なお、上記の実施の形態1〜10においては、リッジストライプ部111のストライプの幅を1.2〜2.4μm程度と例示しているが、本発明は、照明用途などで使用されるブロードエリア(リッジストライプ部111のストライプの幅が2〜100μm程度)型の窒化物半導体レーザ素子についても好適に適用することができる。
また、上記の実施の形態1〜10において、コート膜114の形成温度は200℃以上であることが好ましい。この場合には、コート膜114を構成するアルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶の結晶性を向上することができる。
また、上記の実施の形態1〜10のように電極構造および電流狭窄構造を作製した後にコート膜114を形成する場合には、これらの構造の破壊を防止する観点からコート膜114の形成温度を500℃以下とすることが好ましい。
上記で説明したように、窒化物半導体レーザ素子の窒化物半導体結晶からなる光出射部に形成するコート膜114に、アルミニウムの窒化物だけでなく、アルミニウムの酸窒化物のように酸素を含有する材料を用いた場合であっても、これらの材料を結晶化して、光出射部の窒化物半導体結晶と結晶軸が揃ったアルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶とすることによって、窒化物半導体レーザ素子のCODレベルが向上し、光出射部の劣化を長期にわたり有効に抑制することができるようになる。
また、上記の実施の形態1〜10においては、半導体基板101としてn型GaN基板を用いているが、本発明は窒化物半導体結晶からなる光出射部に光出射部の窒化物半導体結晶と結晶軸が揃ったアルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶からなるコート膜114を形成することによって、窒化物半導体レーザ素子の信頼性を向上させることを特徴の1つとするものである。したがって、半導体基板101にAlSGatN(s+t=1、0≦s≦1、0≦t≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体からなる基板を用いることが好ましく、コート膜114との格子不整合を小さくし、欠陥や歪みを緩和する観点からは、半導体基板101としてはたとえばAlN基板またはAlGaN基板のようなアルミニウムを含む窒化物半導体基板を用いることが好ましい。
また、上記の実施の形態1〜10においては、窒化物半導体からなる半導体基板101上に窒化物半導体層を順次積層して窒化物半導体レーザ素子を作製しており、半導体基板101の窒化物半導体層の成長面に応じて、半導体基板101の成長面上に積層された窒化物半導体層の表面状態も変化し、窒化物半導体層の側面に形成されるコート膜114の結晶性も変化し得る。そのため、窒化物半導体レーザ素子の半導体基板101の成長面がコート膜114の結晶性に影響を与え得ることがわかった。ここで、窒化物半導体からなる半導体基板101の窒化物半導体層の成長面はC面{0001}、A面{11−20}、R面{1−102}またはM面{1−100}であることが好ましく、その成長面のオフ角はこれらの結晶面のうちいずれかの結晶面から2°以内であることが好ましい。
なお、結晶面および方向を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。
また、上記の実施の形態1〜3においては、反射率を制御するために、コート膜114上にアルミニウムの酸化物膜115を形成しているが、たとえば、アルミニウムの酸化物膜、酸化シリコン膜、酸化チタン膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ニオブ膜、酸化タンタル膜若しくは酸化イットリウム膜などの酸化物膜、アルミニウムの窒化物膜若しくは窒化シリコン膜などの窒化物膜およびコート膜114と組成の異なるアルミニウムの酸窒化物膜若しくはシリコンの酸窒化物膜などの酸窒化物膜からなる群から選択された少なくとも1種が形成されていてもよく、コート膜114上に膜を形成しなくてもよい。また、コート膜114上にはフッ化物からなる膜としてフッ化マグネシウム(MgF)膜が形成されてもよい。
たとえば、一例として、コート膜114に厚さが20nmで酸素の含有量が10原子%のアルミニウムの酸窒化物膜を用い、コート膜114上に厚さ150nmの窒化シリコン膜を形成する。上述したように、窒化シリコン膜は防湿性が高く、酸素透過性が低いため、アルミニウムの酸窒化物膜からなるコート膜114上に窒化シリコン膜を形成した場合には、酸素などの透過による光出射部の酸化を抑制することができると考えられる。
また、本発明において、窒化物半導体発光素子が窒化物半導体ダイオード素子である場合には、アルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶を含むコート膜は窒化物半導体ダイオード素子の発光面(光取り出し面)に形成される。ここで、発光面とは、窒化物半導体ダイオード素子から光が取り出される面を指し、窒化物半導体ダイオード素子の上面、下面または側面のいずれであってもよい。また、窒化物半導体ダイオード素子の発光波長(発光強度が最も大きい光の波長)には制限がなく、360nm程度の紫外域の波長または可視領域の波長においても問題なく適用することができる。また、上記と同様の理由で、コート膜のアルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶は発光面を構成する窒化物半導体結晶と結晶軸が揃っていることが好ましく、コート膜の厚さは6nm以上150nm以下であることが好ましい。本発明の窒化物半導体ダイオード素子においては、たとえば、アルミニウムの酸窒化物結晶を含むコート膜は6nmの厚さに形成され、その上に厚さ80nmのアルミニウムの酸化物膜を形成することなどもできる。
また、本発明において、コート膜がアルミニウムの酸窒化物結晶からなる場合には、酸素の含有量がグレーデッド(光出射部とコート膜との界面からコート膜の最表面に向かって酸素の含有量が次第に減少または増加すること)状に変化していてもよい。実際には、コート膜中で酸素の含有量は多少のばらつきを有する。また、コート膜中の酸素の含有量は35原子%以下の範囲内でばらつくことが好ましい。
(実施の形態11)
図9に、本発明の窒化物半導体トランジスタ素子の一例であるMIS型のHFET素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、MIS型のHFET素子は、半導体基板71上に、GaN層72およびAlGaN層73が順次積層された構成を有している。そして、AlGaN層73上にはソース電極74およびドレイン電極75が互いに所定の間隔を空けて設置されており、ソース電極74とドレイン電極75との間にはゲート絶縁膜77が形成されており、ゲート絶縁膜77上にはゲート電極76が形成されている。なお、GaN層72およびAlGaN層73はそれぞれ本発明における窒化物半導体の一例である。
ここで、本実施の形態のMIS型のHFET素子においては、ゲート絶縁膜77としてAlGaN層73を構成する窒化物半導体結晶と結晶軸が揃っているアルミニウムの窒化物結晶またはアルミニウムの酸窒化物結晶からなる膜を用いていることに特徴がある。これにより、リーク電流の発生を抑制することができるとともに信頼性を向上することができる。なお、ゲート絶縁膜77の厚さは、たとえば10nm程度とすることができ、2nm以上50nm以下の範囲とすることが好ましい。
このようなゲート絶縁膜77としては、たとえば、AldOeNf(d+e+f=1、0<e≦0.35)の組成式で表わされるアルミニウムの酸窒化物からなる膜を用いることができる。上記の組成式において、dはアルミニウム(Al)の組成比を示し、eは酸素(O)の組成比を示し、fは窒素(N)の組成比を示す。
また、ゲート絶縁膜77は、実施の形態1のコート膜114と同様の方法で形成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。