JPWO2014002339A1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
窒化物半導体発光素子は、III族窒化物半導体からなり、発光端面を有する半導体積層体(50)と、半導体積層体(50)における発光端面を覆うように形成され、複数の絶縁性膜を有する多層保護膜(30)とを備えている。多層保護膜(30)は、第1の保護膜(31)と該第1の保護膜(31)を被覆する第2の保護膜(32)とを有している。第1の保護膜(31)は、アルミニウムを含む窒化物からなり、少なくともその一部に結晶化領域を含む結晶性膜である。第2の保護膜(32)は、アルミニウムを含む酸化物からなり、少なくともその一部に結晶化領域を含む結晶性膜である。
Description
本開示は、窒化物半導体発光素子に関し、特に発光端面に保護膜を設けた窒化物半導体発光素子に関する。
半導体発光装置のうち、半導体レーザ装置は、コンパクトディスク(CD)、デジタル汎用ディスク(DVD)及びブルーレイディスク(Blu−ray Disc)(登録商標)等に代表される光ディスクメディアの再生及び記録用の光源として広く使用されている。特に、半導体レーザ装置には、高速度の情報記録動作が求められており、短時間で多くの情報を記録するために半導体レーザ装置の高出力化が必要不可欠となっている。近年、プロジェクタ等のディスプレイ用光源又はレーザアニール等の加工用光源としても安価で安定した固体光源として高出力な半導体レーザ装置が求められている。
しかしながら、半導体レーザ装置は、一般に、光出力が増大すると、動作電流が徐々に増大する劣化現象や、さらには光学破壊と呼ばれる半導体レーザ装置が発振しなくなるという現象が生じることが知られている。従って、半導体レーザ装置の高出力化を実現するために、このような半導体レーザ装置の劣化を抑制又は防止する研究及び開発が活発に行われている。特に、光学破壊を伴う頓死は、半導体レーザ素子を構成する共振器の光出射面であるフロント端面で生じるため、該共振器の端面を覆う保護膜の堅牢化及び安定化を図る等の取り組みが行われている。一般に、半導体レーザ素子の共振器端面は保護膜により覆われており、該保護膜は、共振器端面における反射率の制御、異物の付着防止及び酸化防止の役割を果たしている。図13に、以下に挙げる特許文献1に記載された従来の窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面構成を示す。図13に示すように、従来の窒化物半導体レーザ素子は、活性層(発光層)と、該活性層を挟むn型半導体層及びp型半導体層とからなるレーザ構造体400を有している。図示はしていないが、p型半導体層にはp側電極が形成され、n型半導体層にはn側電極が形成される。
レーザ構造体400における共振器のミラーとして機能するリア端面には、酸化ケイ素(SiO2)又は酸化アルミニウム(Al2O3)等の金属酸化物の多層膜である保護膜406が設けられている。共振器のフロント端面には、第1の保護膜407として、窒化アルミニウム(AlN)又は酸窒化アルミニウム(AlON)が用いられ、第1の保護膜407の外側には、第2の保護膜408として、酸化アルミニウム(Al2O3)が用いられている。
ここで、高出力化における半導体レーザ素子の劣化原因の1つは、レーザ構造体400の発熱と光吸収とによって生じる第1の保護膜407等と半導体層の端面との固相反応と、各保護膜中の残留酸素又はパッケージ中の酸素がレーザ発振に伴って保護膜中を拡散して共振器端面を酸化する等の、共振器端面の界面反応とが原因であると考えられている。
また、レーザ発振時の発熱によって、レーザ構造体400から各保護膜が剥がれたり、レーザ構造体400にクラック等が生じたりして物理的な破壊が生じる。図13に示す従来の第1の保護膜407であるAlN、又は酸素の組成比が0.2以下のAlONは、結晶性薄膜であるため、堅牢であり熱伝導性も良く、端面保護膜として非常に優れた材料である。特に、AlNは窒化物半導体と同様に窒化物であるため、レーザ構造体400との固相反応も抑制される。しかしながら、これらの材料には波長が400nmの近辺に欠陥等に起因する光吸収帯が存在することが知られており、レーザ発振時の光吸収によって、発熱及び酸素の拡散や酸化反応を引き起こすと考えられている。
そこで、以下に挙げる特許文献2には、酸素の拡散を抑制するために、希土類元素を添加したAlNを保護膜として用いる構成が記載されている。希土類元素をAlN又はAlONに添加することにより、希土類元素が酸素と結合して、酸素の拡散を抑制することが可能となる。このような希土類元素を添加したAlN膜を用いることにより、通常のAlN膜を用いる場合と比べて共振器端面の酸化及び膜剥がれが防止されて、端面の劣化及び光学破壊が抑制されて、長時間のレーザ動作が可能となる。
特許文献2に記載されている、イットリウム(Y)等の希土類元素を添加したAlN膜又はAlON膜は、希土類元素の効果によって酸化が促進されるため、半導体のレーザ発振端面に酸素が到達することを阻害する。しかしながら、AlN膜は酸化反応によってアルミニウム酸窒化(AlON)膜を形成し、形成されたAlON膜は、酸化反応によって酸素の組成比が増大する。その結果、膜応力の変化及び体積の膨張によって、AlN膜又はAlON膜とAl2O3膜との間で膜剥がれが生じる。このような端面保護膜の内部の劣化が新たな半導体レーザ素子の頓死の原因となっている。
本開示は、前記の問題を解決し、高出力動作時においても保護膜の内部の劣化が抑制され、膜剥がれを伴うような光学破壊を起こさない端面保護膜を得られるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本開示は、窒化物半導体発光素子における発光端面の保護膜に、アルミニウムを含む窒化物からなる結晶性膜と、アルミニウムを含む酸化物からな結晶性膜を用いる構成とする。
本開示に係る窒化物半導体発光素子の一態様は、III族窒化物半導体からなり、発光端面を有する半導体積層体と、半導体積層体における発光端面を覆うように形成され、複数の絶縁性膜を有する多層保護膜とを備え、多層保護膜は、第1の保護膜と該第1の保護膜を被覆する第2の保護膜とを有し、第1の保護膜は、アルミニウムを含む窒化物からなり、少なくともその一部に結晶化領域を含む結晶性膜であり、第2の保護膜は、アルミニウムを含む酸化物からなり、少なくともその一部に結晶化領域を含む結晶性膜である。
本開示の一態様によると、第2の保護膜として、アルミニウムを含む酸化物からなり、少なくともその一部に結晶化領域を含む結晶性膜を用いることにより、第1の保護膜における酸化反応が抑制される。その結果、多層保護膜に生じる膜剥がれを抑制することができるので、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
本開示の一態様において、多層保護膜は、第2の保護膜を被覆する第3の保護膜を有し、第3の保護膜は、非晶質のアルミニウム酸化物又は非晶質のアルミニウム酸窒化物であってもよい。
このようにすると、第2の保護膜である結晶性のアルミニウム酸化膜の薄膜化が可能となるため、第2の保護膜における膜応力の低減とその膜中のクラックの発生を防止することができるので、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
この場合に、第3の保護膜は、非晶質のアルミニウム酸化物であり、多層保護膜は、第3の保護膜を被覆する第4の保護膜を有し、第4の保護膜は、アルミニウム酸窒化物であってもよい。
また、この場合に、アルミニウム酸窒化物における窒素の組成比は、23原子%以下であってもよい。
このようにすると、アルミニウム酸窒化物は、その酸化に伴う屈折率の変化が小さく、アルミニウム酸化物と比べて高い結晶化温度を有することから、保護膜の外部からの酸素の拡散を阻害して、該保護膜の内部の劣化を抑制することができる。これにより、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
本開示の一態様において、多層保護膜は、その最外層が前記第1の保護膜と前記第2の保護膜とからなる積層膜であってもよい。
このようにすると、最外層に設けられた結晶性のアルミニウム酸化物が酸素の透過を阻害して、保護膜の内部への酸素の侵入を防ぐことができる。これにより、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
本開示の一態様において、第1の保護膜は、発光端面を直接に被覆してもよい。
本開示に係る窒化物半導体発光素子によると、高出力動作時においても保護膜の酸化反応が抑制されて、光学破壊を起こさない堅牢な端面保護膜を得られるため、長寿命で且つ高信頼性を有する窒化物半導体発光素子を実現することができる。
(第1の実施形態)
第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子を窒化ガリウム(GaN)系半導体青紫色レーザ素子として、その製造方法と共に説明する。
まず、図1(a)に示すように、例えば有機金属気相堆積(MOCVD)法により、n型GaNからなるn型基板11の上に、複数のIII族窒化物半導体からなる半導体積層体50をエピタキシャル成長により形成する。
具体的には、面方位のc面(すなわち(0001)面)を主面とするn型基板11の主面上に、厚さが約1μmでn型ドーパントであるシリコン(Si)の濃度が1×1018cm−3のn型GaN層12、厚さが約1.5μmでSiの濃度が5×1017cm−3のn型Al0.05Ga0.95Nからなるn型クラッド層13、厚さが約0.1μmでSiの濃度が5×1017cm−3のn型GaNからなるn型光ガイド層14、InGaNからなる多重量子井戸活性層15、厚さが約0.1μmでp型ドーパントであるマグネシウム(Mg)の濃度が1×1019cm−3のp型GaNからなるp型光ガイド層16、厚さが約10nmでMgの濃度が1×1019cm−3のp型Al0.2Ga0.8Nからなるp型電子ブロック層17、p型AlGaNからなるp型超格子クラッド層18、及び厚さが約20nmでMgの濃度が1×1020cm−3のp型GaNからなるp型コンタクト層19を順次成長する。
ここで、多重量子井戸活性層15は、厚さが約7nmのアンドープのInGaNからなる井戸層と、厚さが20nmのアンドープのIn0.02Ga0.98Nからなる障壁層とにより構成された二重量子井戸構造を有する。井戸層のIn組成は、発振波長が405nmとなるように調整されている。また、p型超格子クラッド層18は、それぞれMgの濃度が1×1019cm−3で且つ厚さが約2nmの、p型Al0.1Ga0.9Nとp型GaNとからなる超格子構造を有し、該超格子構造の総膜厚は0.5μmである。
次に、図1(b)に示すように、p型コンタクト層19の上に、酸化シリコン(SiO2)からなるマスク層20を形成する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、マスク層20をn型基板11の結晶軸に対して<1−100>方向に延びるストライプ状にパターニングする。続いて、ストライプ状にパターニングされたマスク層20を用いて、p型コンタクト層19及びp型超格子クラッド層18に対してドライエッチングを行うことにより、p型コンタクト層19及びp型超格子クラッド層18に、結晶軸の<1−100>方向に延びるストライプ状のリッジ導波路50aを形成する。ここで、p型超格子クラッド層18におけるリッジ導波路50aの側方部分の厚さ(残し膜厚)は約0.1μmとしている。また、リッジ導波路50aの下部の幅は約10μmとし、リッジ導波路50aの上部の幅は約8μmとしている。
次に、図2に示すように、マスク層20を除去し、その後、リソグラフィ法及び真空蒸着法等により、リッジ導波路50aを構成するp型コンタクト層19の上に、パラジウム(Pd)からなるp側電極21を形成する。続いて、n型基板11をへき開が容易となるように薄膜化(裏面研磨)する。その後、n型基板11の裏面に、チタン(Ti)からなるn側電極22を形成する。
続いて、半導体積層体50におけるリッジ導波路50aの下方に形成される共振器の長さが約800μm又は約1000μmとなるように、n型基板11及び半導体積層体50をへき開する。このへき開により、半導体積層体50には、面方位がm面(すなわち、(1−100)面)からなるフロント端面(発光端面)及びリア端面(反射端面)であって、互いに対向する2つの端面ミラーが形成される。なお、本明細書において、結晶軸及び面方位の指数に付した符号“−”は該符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。その後、共振器の各端面には、該端面を覆うように、絶縁性多層膜から構成される多層保護膜25及び30が形成される。多層保護膜25及び30は、半導体積層体50の端面の劣化を防止すると共に、該端面の反射率を調整するために設けられる。
具体的には、図2に示すように、レーザ光が出射するフロント端面(発光端面)には、該フロント端面を直接に被覆する第1の保護膜31として、結晶性を有する窒化アルミニウム(AlN)からなるコート膜を形成し、続いて、該第1の保護膜を被覆する第2の保護膜32として、酸化アルミニウム(Al2O3)からなり且つ結晶性のコート膜を形成する。本開示において、結晶性の膜とは、単結晶のみならず多結晶状態又は部分的に結晶化した状態をも意味する。続いて、第2の保護膜32を被覆する第3の保護膜33として、非晶質の酸化アルミニウムからなるコート膜を形成する。本開示において、非晶質の膜とは、結晶化領域を含まない膜である。なお、AlN及びAl2O3の組成は、厳密にこれらの通りである必要はなく、イットリウム(Y)又はランタン(La)等の希土類元素を添加してもよい。例えば、第1の保護膜31は、YAlN又はLaAlN等であってもよく、第2の保護膜32は、YAlO又はLaAlO等であってもよい。すなわち、アルミニウム(Al)を含む窒化物と、アルミニウムを含む酸化物とであればよい。
フロント端面と対向するリア端面には、酸化アルミニウム(Al2O3)/酸化ジルコニウム(ZrO2)とを複数対で積層した多層保護膜25を形成する。但し、リア端面は、所望の反射率を得られる構成であれば、これらAl2O3/ZrO2に代えて、AlON/SiO2、Al2O3/SiO2、又はAlN/Al2O3を複数対で積層した構成としてもよい。ここで、リア端面においても、特にリア端面と接する第1の保護膜には、フロント端面と同様に、AlN膜を用いてもよい。AlN膜は、堅牢で熱伝導性にも優れており、光を出射しないリア端面においても、保護膜として適している。本実施形態においては、一例として、フロント端面の反射率を約6%とし、リア端面の反射率は約95%としている。なお、フロント端面及びリア端面の各保護膜の膜厚は、所望の反射率を得られるように適宜設計される。
第1の実施形態においては、結晶性のAlNからなる第1の保護膜31及び結晶性のAl2O3からなる第2の保護膜32は、電子サイクロトロン共鳴(ECR)スパッタ法を用いて形成される。ECRスパッタ法に代えて、高周波(RF)スパッタ法又はマグネトロンスパッタ法を用いることができる。
図3(a)〜図3(d)に、ECRスパッタを用いた端面保護膜の製造方法を示す。
まず、図3(a)に示すように、複数の半導体レーザ素子をそれぞれチップ形成領域として含むウェハから(図示せず)、互いに並行して延びる複数のリッジ導波路の延伸方向に対してそれぞれ交差する方向にへき開して、複数のレーザバーを得る。
次に、図3(b)に示すように、ECRスパッタ装置により、複数のレーザバー40のフロント(発光)端面に、それぞれ複数の誘電体層を含む多層保護膜30を成膜する。フロント端面を保護するという観点からも、該フロント端面をリア端面よりも先に成膜することが望ましい。従って、図3(c)に示すように、多層保護膜30を成膜した後、図3(d)に示すように、フロント端面と反対側のリア端面をECRスパッタ装置の成膜面として、多層保護膜25を成膜する。
ところで、図3(b)に示すECRスパッタ法は、一般には、スパッタイオン(Ar+イオン)がレーザバー40のへき開端面に直接には照射されないため、イオン照射が引き起こす半導体表面の結晶欠陥の密度を低減することができる。このため、半導体レーザ素子における端面コートの成膜法として適している。なお、第1の保護膜31を構成するAlNは、スパッタに用いるターゲット材41と反応性ガスとの組み合わせとして、AlNからなるターゲット材と窒素(N2)ガス、又はAlからなるターゲット材と窒素ガスとの組み合わせによる反応性スパッタにより成膜することが可能である。本実施形態においては、金属精錬により純度を容易に高めることができる、Alからなる金属ターゲット材に、基準ガスとしてアルゴン(Ar)と、反応性ガスとして窒素ガスとを組み合わせて用いている。Al金属ターゲット材を用いることにより、反応性ガスを窒素から酸素に置換すれば、ターゲット材を交換することなく、連続してAl2O3を成膜することができる。
ここで、第1の保護膜31の膜厚は、約6nmに設定している。AlN膜は、前述したように、結晶性の膜であり、その膜応力が大きいことから、AlN膜をレーザバー40のへき開端面に50nm以上の厚膜で成膜すると膜剥がれが生じる。また、光吸収による発熱を抑えるには、第1の保護膜31中の光の光路長を短くすることが望ましく、このことから第1の保護膜31の膜厚は50nm以下であってもよい。これに対し、AlN膜を5nm未満の薄膜として形成した場合には、AlN膜を酸素等が透過しやすくなるため、レーザバー40の端面が酸化される要因となる。また、薄膜はプロセスの制御が困難であり、膜厚にばらつきが生じてしまう。このことから、第1の保護膜31の膜厚は5nm以上であってもよい。以上から、AlNからなる第1の保護膜31の膜厚は、5nm以上且つ50nm以下であってもよい。第1の保護膜31の成膜における各ガスの流量条件は、それぞれ室温で、アルゴン(Ar)ガスを30ml/minとし、窒素(N2)ガスを5.2ml/minとしている。
本実施形態において、第2の保護膜32を構成するAl2O3は結晶性を有している。結晶性のAl2O3の製造方法について、以下に説明する。
一般に、非晶質のAl2O3は、ECRスパッタ法におけるターゲット材として、Al金属ターゲット材を用い、基準ガスのArと反応ガスとして酸素ガスとを組み合わせて用いることにより、容易に形成することが可能である。一方、Al2O3の結晶化温度は850℃以上と高温であるため、結晶性のAl2O3を得るには、成膜サンプルを加熱するか、又はそれに相当するエネルギーを与えることが必要となる。レーザデバイスにおいては、高温スパッタを行うと、電極等が熱的に損傷し、レーザデバイスにおける物理的特性の劣化を引き起こすことが分かっている。そこで、本実施形態においては、ECRスパッタ法において、イオン照射によるエネルギーの供与を大きくすることにより、レーザバー40に対する加熱を最小限にして結晶性のAl2O3を成膜している。
イオン照射のイオン種は、プラズマ源となるAr+イオンである。図3(b)に示すプラズマ生成チャンバ42において、強磁場下でのマイクロ波照射によって、Arガス分子はAr+イオンと電子とに分離して、プラズマ状態を形成する。サイクロトロン運動をするイオンと電子とのうち、電子は質量が小さいため、プラズマ生成チャンバ42から成膜領域へと先に流れ出てしまい、該プラズマ生成チャンバ42の内部では、Ar+イオンの濃度が電子と比べて相対的に高くなる。その結果、プラズマ生成チャンバ42と成膜領域との間に電位勾配が生じることが知られている。これを自己バイアスと呼ぶ。この自己バイアスによって、Ar+イオンは加速されて、成膜中のレーザバー40にそれぞれ照射される。このイオン照射のエネルギーを増大させるには、大きく分けて2つの方法がある。1つはイオンが持つ運動エネルギーを大きくする方法であり、それには自己バイアスの値を大きくすればよい。他の1つは、イオン流の密度を大きくする方法であり、プラズマ生成チャンバ42内のArガスの圧力を高くして、イオン流の密度を高くすることにより、成膜時に供与するエネルギーの総量を増大させることができる。なお、圧力を高くし過ぎると、電子とAr+イオンとが再結合する確率が増えることから、自己バイアスが減少する。その上、加速されたAr+イオンが、各レーザバー40に到達する前に分子衝突によってエネルギーを失うことにより、運動エネルギーがさらに減少する。一方、圧力を低くすると、自己バイアスが大きくなり、Ar+イオンの単位イオン当たりの運動エネルギーは大きくなるものの、イオン密度は小さくなる。このため、両者は相反する関係にある。そこで、本実施形態では、図3(b)に示すように、金属ターゲット材と各レーザバー40との間に電圧源43を接続して、該金属ターゲット材と各レーザバー40とに所定の電圧を印加する。これにより、自己バイアスに加えて印加電圧分の加速を行うことができ、イオン照射エネルギーを増大させることができる。通常の自己バイアスによる電圧は10V〜50V程度であり、本実施形態では、さらに50Vの電圧を印加している。なお、100V以上の電圧を印加すると、Ar+イオンの加速エネルギーが大きくなり、各レーザバー40にダメージを与えてしまい、レーザ特性を劣化させる。従って、各レーザバー40に引加する印加電圧は100V以下であることが好ましい。また、本実施形態においては、各レーザバー40を加熱しない、いわゆる非加熱成膜としている。但し、各レーザバー40を加熱することにより、Al2O3の結晶化を促進させることができることから、加熱成膜を適宜行ってもよい。この場合、レーザデバイスが熱的な劣化を起こさない温度範囲での成膜が必要であり、電極の酸化を防止するという観点から、加熱温度は400℃以下としてよい。
第1の実施形態に係る結晶性のAl2O3からなる第2の保護膜32の成膜における各ガスの流量は、それぞれ室温で、アルゴン(Ar)ガスを30ml/minとし、酸素(O2)ガスを1.0ml/minとしている。ここで、結晶性のAl2O3膜は、結晶性のAlN膜上であれば、良質な結晶性Al2O3膜を形成することができる。これは基板効果と呼ばれ、熱力学的には基板によって結晶化温度又は結晶化の活性化エネルギーが低下する現象である。結晶性のAlN膜上に成膜されるAl2O3膜も下地膜であるAlNの影響を受けて、ある一定の周期性及び方向性により成膜が進行する。従って、Al2O3膜の下地膜が非晶質であった場合は、自己バイアス電位を大きくしても結晶性のAl2O3は得ることができない。また、結晶性のAl2O3は、AlNの基板効果によって結晶化しており、厚膜化すると非晶質での成膜成長モードへと遷移する。本実施形態における条件下では、室温における結晶性のAl2O3の最大膜厚は30nmであった。従って、本実施形態においては、結晶性のAl2O3膜の膜厚を30nmとしている。但し、加熱成膜を行うことにより、結晶性のAl2O3膜の最大膜厚は50nm程度にまで厚くすることができる。このため、図4に示す本実施形態に係る一変形例のように、フロント端面側の多層保護膜120として、最外層に非晶質のAl2O3膜を設けない、すなわち最外層が第1の保護膜121と第2の保護膜122との積層膜からなる2層コート構造としてもよい。この場合、第1の保護膜121として結晶性のAlN膜を成膜し、第2の保護膜122として結晶性のAl2O3を成膜する。このとき、基板温度を400℃に加熱して成膜することにより、Al2O3の結晶化が促進されて、最大膜厚を増大することができる。
しかし、一変形例に示した結晶性のAlNと結晶性のAl2O3とからなる2層コート膜では、多層保護膜120の全体としてその膜厚に制限が生じる。このため、多層保護膜120からは、任意の端面反射率を得ることができない。そこで、図2に示すように、結晶性のAl2O3膜の外側を被覆する第3の保護膜として非晶質のAl2O3膜を成膜して、低屈折率であるAl2O3膜の膜厚を制御すれば、任意の反射率を実現することができる。ここで、非晶質のAl2O3膜における成膜条件は、結晶性のAl2O3膜の成膜条件に対し、金属ターゲット材とレーザバー40との引加電圧の値を0Vとしている。これにより、Al2O3膜の結晶化に十分なエネルギーが供与されなくなるので、非晶質のAl2O3膜を成膜することができる。
図5(a)に、III族窒化物半導体からなる半導体積層体60における、面方位がm面である発光端面61の上に、第1の保護膜として結晶性のAlN膜62を形成し、さらに、上述の方法により、第2の保護膜として結晶性のAl2O3膜63と、第3の保護膜として非晶質のAl2O3膜64とを、それぞれ30nm及び60nmの膜厚で成膜した状態の透過電子顕微鏡像を示す。図5(a)に示す透過電子顕微鏡像からは、結晶性のAl2O3膜63が多結晶化していることが分かる。
図5(b)及び図5(c)に、結晶性のAl2O3膜63及び非晶質のAl2O3膜64のそれぞれの透過電子線回折パターンを示す。図5(b)に示すように、結晶性のAl2O3膜63は、電子線回折パターンにおいて回折線が得られていることから多結晶化していることを確認できる。一方、非晶質のAl2O3膜64は、透過電子顕微鏡像においても、多結晶様の原子像は得られておらず、図5(c)に示す電子線回折パターンにおいても、回折パターンが得られていないことから、非晶質であると断定できる。
本実施形態においては、第3の保護膜に相当する低屈折率の非晶質層としてAl2O3を用いたが、出射端面の反射率を制御するという観点からは、屈折率の制御にSiO2を用いてもよい。但し、結晶性のAl2O3膜上にSiO2膜を成膜するには、ターゲット材の交換が必要となるため、製造時間を短縮するという観点からは、Al2O3膜の方が望ましい。
図6に、多層保護膜30を構成する複数の保護膜を形成した後の、パッケージされた状態の半導体レーザ装置51を示す。図6に示すように、半導体レーザ装置51は、例えば、一の面に複数の電極端子52aが形成され、他の面にレーザ保持部52bが形成された金属からなるステム52のレーザ保持部52bの上に固着されている。ステム52には、半導体レーザ素子及びレーザ保持部52bを覆うと共に、該半導体レーザ素子のフロント端面と対向する位置に窓部53aを有する金属からなるキャップ53が固着されている。該窓部53aには、内側からガラス板54が固着されて、ステム52とキャップ53とガラス板54とから構成される空間は密閉される。密閉されたキャップ53の内部は、水分を含まない乾燥空気又はアルゴン等の希ガスからなる気体55が充填されている。
図7(a)及び図7(b)は、III族窒化物半導体からなる半導体積層体70の発光端面上に形成された保護膜における、結晶性のAl2O3膜の有無による加速試験後の各保護膜の状態を示した透過電子顕微鏡像である。図7(a)は、結晶性Al2O3膜を用いていない従来のレーザ素子における、通電による加速試験後の端面の状態である。保護膜は2層コート膜であり、第1の保護膜71は結晶性のAlN膜であり、その膜厚は30nmである。その上に設けた第3の保護膜72には、非晶質のAl2O3膜を用いている。第1の保護膜71と第2の保護膜72との間には、白い層73が存在するが、これは、通電前には存在せず、レーザ素子の発振によって形成された層である。エネルギー分散型X線分光法による組成分析及び電子線回折により、この白い層73はアルミニウムの酸窒化物層(AlON層)であることが同定できた。これは、前述した通り、レーザ発振によって保護膜中を酸素が拡散し、第1の保護膜71である結晶性のAlN膜が酸化されることによって生成された層であると考えられる。この白い層73の生成によって膜剥がれと光吸収とが発生し、これらが頓死の原因となっている。
これに対し、図7(b)は、本実施形態に係る構成であって、第1の保護膜71と第3の保護膜72との間に、第2の保護膜74である結晶性のAl2O3膜を設けた構成である。図7(a)に示す試料と同一条件での通電試験後にも拘わらず、第1の保護膜71であるAlN膜の酸化は見られない。このことから、第2の保護膜74である結晶性のAl2O3膜は、酸素(O)の拡散に対してバリア性を有しており、酸素の透過を阻害することにより、AlN膜の酸化反応を抑制していると考えられる。この効果により、高出力動作においても、高い信頼性を有する半導体レーザ素子を実現することができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
以下、第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図8に、第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であるGaN系青紫色半導体レーザ素子の模式的な断面構成を示す。
図8において、半導体レーザ素子を構成する半導体積層体50の各構成部材及び各電極21、22には同一の符号を付しており、ここでは、フロント端面に設けられる多層保護膜220について説明する。多層保護膜220は、まず、第1の実施形態に係るレーザ素子と同様に、多層保護膜220を構成する第1の保護膜221として結晶性のAlN膜が成膜され、第1の保護膜221の上に、第2の保護膜222として結晶性のAl2O3膜222が成膜されている。さらに、第2の保護膜222の上に、第3の保護膜223として非晶質のAl2O3膜又は非晶質のSiO2膜が成膜されている。続いて、第4の保護膜224として非晶質のAlON膜が成膜され、その上に第5の保護膜225として非晶質のAl2O3膜又は非晶質のSiO2膜が成膜されている。
ここで、第2の保護膜222である結晶性のAl2O3膜は、第1の実施形態と同様の方法により成膜することができる。なお、第4の保護膜224であるAlON膜は、第2の保護膜222である結晶性のAl2O3膜を直接に被覆する膜としてもよく、すなわち第3の保護膜223を省略してもよい。
第1の実施形態においては、第2の保護膜である結晶性のAl2O3膜によって外部から拡散してくる酸素の透過を阻害し、第1の保護膜221であるAlN膜の酸化を抑制することにより高い信頼性を実現している。しかしながら、結晶性のAl2O3膜における酸素バリア性は高いものの、その酸素バリア性は完全ではない。従って、半導体発光素子のさらなる高温動作及び高出力動作を行う上では、より徹底した酸素拡散の防止が求められる。
そこで、第2の実施形態においては、酸素トラップ層としてアルミニウム酸窒化物であるAlON膜を、第3の保護膜223である結晶性のAl2O3膜よりも外側に配置することにより、拡散酸素に対するバリア性をより高めることが可能となる。このとき、第4の保護膜224であるAlON膜における窒素原子(N)の組成比が23原子%以下となるように成膜する。ここで、窒素の原子組成とは、以下の(式1)のように定義する。
(式1)
Nの原子組成={Nの原子数/(Alの原子数+Nの原子数+Oの原子数)}×100
第4の保護膜224を構成するAlONは、ターゲット材と反応性ガスとの組合せとして、1)AlNターゲット材と酸素(O2)ガスとの組合せ、2)Al2Oターゲット材と窒素(N2)ガスとの組合せ、3)AlONターゲット材と酸素(O2)ガス又は窒素(N2)ガス又は酸素(O2)及び窒素(N2)の混合ガスとの組合せ、4)Alターゲット材と酸素(O2)及び窒素(N2)の混合ガスとの組合せの何れかを用いることができる。
Nの原子組成={Nの原子数/(Alの原子数+Nの原子数+Oの原子数)}×100
第4の保護膜224を構成するAlONは、ターゲット材と反応性ガスとの組合せとして、1)AlNターゲット材と酸素(O2)ガスとの組合せ、2)Al2Oターゲット材と窒素(N2)ガスとの組合せ、3)AlONターゲット材と酸素(O2)ガス又は窒素(N2)ガス又は酸素(O2)及び窒素(N2)の混合ガスとの組合せ、4)Alターゲット材と酸素(O2)及び窒素(N2)の混合ガスとの組合せの何れかを用いることができる。
第2の実施形態においては、AlON膜を成膜する場合は、O2とN2との混合ガスを反応性ガスとして用いている。なお、成膜速度を制御するために、アルゴン(Ar)ガスをECRチャンバに同時に導入している。本実施形態では、AlON膜の成膜には、該AlON膜における窒素の組成比を制御するため、Arの流量を20ml/min、N2の流量を5.5ml/minとし、さらに、O2の流量を変化させている。ここで、各ガスの流量は、標準状態(25℃、1気圧)としている(以下、同じ。)。また、第2の実施形態においては、O2の流量を0ml/minから1.0ml/minまで変化させて、AlON膜を成膜している。但し、各ガスの流量は一例であって、これに限られない。
図9に、AlON膜の成膜時におけるO2の流量とAlONの各元素組成との関係を示す。このときのガス流量は、Arが20ml/minで、N2が5.5ml/minである。図9からは、O2の流量が増大するのに伴って、Nの組成が減少し且つOの組成が増大することが分かる。また、スパッタの雰囲気ガスとしてArを用いているため、膜中から若干のArが検出されている。この組成の変化に伴って、AlONの物性も変化する。
図10は、波長λが405nmの光に対するAlONの屈折率とO2の流量との関係を示している。酸素を含まないAlN膜の屈折率は約2.1であり、窒素を含まないAl2O3膜の屈折率は1.65である。図10から、AlON膜の屈折率は、O2の流量が増大するのに伴って、AlNに近い屈折率からAl2O3に近い屈折率に向かって徐々に減少することが分かる。
図11に、第2の実施形態で作製したAlON膜におけるNの原子組成と波長λが405nmの光に対する屈折率との関係を示す。図11の横軸はAlON膜に含まれる窒素原子の原子組成を原子%で表しており、縦軸がAlON膜の屈折率を表している。Nの原子組成が0原子%の場合は、すなわちAl2O3であり、Nの原子組成が50原子%の場合は、すなわちAlNである。図11に示すように、Nの原子組成に対して、屈折率が互いに異なる3つのグループに分けられる。ここで、Nの原子組成が0原子%〜23原子%のグループをグループAと呼び、Nの原子組成が24原子%〜40原子%のグループをグループBと呼び、Nの原子組成が40原子%以上のグループをグループCと呼ぶ。本発明者らは、Nの原子組成が23原子%から24原子%の1原子%の変化によって、屈折率が1.75から1.87へと大きく変化することを見出した。また、グループCに相当するNの原子組成が40原子%以上の場合は、屈折率が2.0前後とほぼAlNと同様の屈折率を示すことが分かった。
半導体レーザ素子のレーザ発振中において、図8に示す第4の保護膜224を構成する AlON膜は、酸化によって該AlON膜を構成するNの組成比が相対的に減少する。図11から分かるように、AlON膜のNの原子組成が23%以下であれば、AlONの酸化によるNの組成比の変化に対して、屈折率の減少は軽微である。従って、レーザ発振に伴うAlON膜の酸化によって酸素が捕獲されたとしても、該AlON膜の屈折率を変化させることはない。このため、該AlON膜は、その光学特性を変化させることなく酸素の拡散を阻害することが可能となるので、レーザ素子が高出力動作を行っても、高い信頼性を有する半導体レーザ素子を実現することができる。一方、Nの原子組成が24%以上であればレーザ発振による酸化反応によってNの原子組成が減少し24%から23%へ変化する際に屈折率が大きく減少する。この屈折率の変化は、端面反射率の変化を意味しており、レーザ発振中にレーザ特性が変化し、動作特性のばらつきの原因となる。
以上から、第4の保護膜224として設けるAlON膜は、Nの原子組成が23%以下であってよい。
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
以下、第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図12に、第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であるGaN系半導体青紫色レーザ素子の模式的な断面構成を示す。
図12において、半導体レーザ素子を構成する半導体積層体50の各構成部材及び各電極21、22には同一の符号を付しており、第3の実施形態においても、フロント端面に設けられる多層保護膜320について説明する。本実施形態に係る多層保護膜320は4層構造であり、第1の保護膜321として結晶性のAlN膜を用いており、第2の保護膜322として非晶質のAl2O3膜を用いている。第2の保護膜322を被覆する第3の保護膜323及び第4の保護膜324として、それぞれ結晶性のAlN膜及び結晶性のAl2O3膜を用いている。
前述した第1の実施形態及び第2の実施形態においては、第2の保護膜として結晶性のAl2O3膜を用いている。前述したように、結晶性のAl2O3膜を成膜する際に、高い値のバイアスを印加することによって結晶性のAl2O3膜を成膜するため、高い運動エネルギーを有するAr+イオンが該Al2O3膜の下地膜であるAlN膜に照射される。AlN膜は、前述のように、膜応力と光吸収とを低減しようとすると、その厚膜化は困難である。このため、スパッタ中の高速イオンがAlN膜を透過して、GaN系半導体層の端面にダメージを与えてしまい、信頼性を低下させるという現象が生じる。
そこで、図12に示すように、本実施形態においては、多層保護膜320における最外層に、第4の保護膜324として結晶性のAl2O3膜を配置している。このように、結晶性のAl2O3膜をGaN系半導体層の端面から離すことによって、GaN系半導体層の端面に生じるイオンダメージを低減させることができる。
前述のように、結晶性のAl2O3膜を成膜する際には、結晶性のAlN膜の上に成膜することが好ましいため、結晶性のAl2O3膜の下地膜である第3の保護膜323には結晶性のAlN膜を配している。すなわち、本実施形態では、多層保護膜320の最外層のうちの2層が結晶性のAlN膜と結晶性Al2O3膜とからなる積層膜によって構成される。また、本実施形態に係る第2の保護膜322には、非晶質のAl2O3膜を用いたが、これに限る必要はなく、SiO2膜又は第2の実施形態で示したAlON膜でも構わない。
本実施形態によると、結晶性のAl2O3膜を生成する際の高エネルギーのイオンによるGaN系半導体層の端面に対するダメージが抑制され、酸素バリア性が高い結晶性のAl2O3膜を配置できることから、高出力動作においても高い信頼性を有するGaN系半導体レーザ素子、すなわち、窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、活性層の端面保護膜としてレーザ発振中においても変質せず且つ光学破壊を起こさない保護膜を得ることができる。特に、露出した活性層を含む端面を保護する保護膜を有する窒化物半導体発光素子等に有用である。
11 n型基板
12 n型GaN層
13 n型クラッド層
14 n型光ガイド層
15 多重量子井戸活性層
16 p型光ガイド層
17 p型電子ブロック層
18 p型超格子クラッド層
19 p型コンタクト層
20 マスク層
21 p側電極
22 n側電極
25 多層保護膜(リア端面)
30 多層保護膜(フロント端面)
31 第1の保護膜
32 第2の保護膜
33 第3の保護膜
40 レーザバー
41 ターゲット
42 プラズマ生成チャンバ
43 電圧源
50 半導体積層体
50a リッジ導波路
51 半導体レーザ装置
52 ステム
52a 電極端子
52b レーザ保持部
53 キャップ
53a 窓部
54 ガラス板
55 気体
60 半導体積層体
61 発光端面
62 結晶性のAlN膜(第1の保護膜)
63 結晶性のAl2O3膜(第2の保護膜)
64 非晶質のAl2O3膜(第3の保護膜)
70 半導体積層体
71 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
72 第3の保護膜(非晶質のAl2O3膜)
73 白い層(AlON層)
74 結晶性のAl2O3膜
120 フロント端面の多層保護膜
121 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
122 第2の保護膜(結晶性のAl2O3膜)
220 多層保護膜(フロント端面)
221 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
222 第2の保護膜(結晶性のAl2O3膜)
223 第3の保護膜
224 第4の保護膜(非晶質のAlON膜)
225 第5の保護膜
320 多層保護膜(フロント端面)
321 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
322 第2の保護膜(非晶質のAl2O3膜)
323 第3の保護膜(結晶性のAlN膜)
324 第4の保護膜(結晶性のAl2O3膜)
12 n型GaN層
13 n型クラッド層
14 n型光ガイド層
15 多重量子井戸活性層
16 p型光ガイド層
17 p型電子ブロック層
18 p型超格子クラッド層
19 p型コンタクト層
20 マスク層
21 p側電極
22 n側電極
25 多層保護膜(リア端面)
30 多層保護膜(フロント端面)
31 第1の保護膜
32 第2の保護膜
33 第3の保護膜
40 レーザバー
41 ターゲット
42 プラズマ生成チャンバ
43 電圧源
50 半導体積層体
50a リッジ導波路
51 半導体レーザ装置
52 ステム
52a 電極端子
52b レーザ保持部
53 キャップ
53a 窓部
54 ガラス板
55 気体
60 半導体積層体
61 発光端面
62 結晶性のAlN膜(第1の保護膜)
63 結晶性のAl2O3膜(第2の保護膜)
64 非晶質のAl2O3膜(第3の保護膜)
70 半導体積層体
71 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
72 第3の保護膜(非晶質のAl2O3膜)
73 白い層(AlON層)
74 結晶性のAl2O3膜
120 フロント端面の多層保護膜
121 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
122 第2の保護膜(結晶性のAl2O3膜)
220 多層保護膜(フロント端面)
221 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
222 第2の保護膜(結晶性のAl2O3膜)
223 第3の保護膜
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225 第5の保護膜
320 多層保護膜(フロント端面)
321 第1の保護膜(結晶性のAlN膜)
322 第2の保護膜(非晶質のAl2O3膜)
323 第3の保護膜(結晶性のAlN膜)
324 第4の保護膜(結晶性のAl2O3膜)
本開示に係る窒化物半導体発光素子の一態様は、III族窒化物半導体からなり、発光端面を有する半導体積層体と、半導体積層体における発光端面を覆うように形成され、複数の絶縁性膜を有する多層保護膜とを備え、多層保護膜は、第1の保護膜と該第1の保護膜を被覆する第2の保護膜とを有し、第1の保護膜は、アルミニウムを含む結晶性の窒化物からなる膜であり、第2の保護膜は、アルミニウムを含む結晶性の酸化物からなると共に第1の保護膜と接する膜である。
Claims (6)
- III族窒化物半導体からなり、発光端面を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体における前記発光端面を覆うように形成され、複数の絶縁性膜を有する多層保護膜とを備え、
前記多層保護膜は、第1の保護膜と該第1の保護膜を被覆する第2の保護膜とを有し、
前記第1の保護膜は、アルミニウムを含む窒化物からなり、少なくともその一部に結晶化領域を含む結晶性膜であり、
前記第2の保護膜は、アルミニウムを含む酸化物からなり、少なくともその一部に結晶化領域を含む結晶性膜である窒化物半導体発光素子。 - 請求項1において、
前記多層保護膜は、前記第2の保護膜を被覆する第3の保護膜を有し、
前記第3の保護膜は、非晶質のアルミニウム酸化物又は非晶質のアルミニウム酸窒化物である窒化物半導体発光素子。 - 請求項2において、
前記第3の保護膜は、非晶質のアルミニウム酸化物であり、
前記多層保護膜は、前記第3の保護膜を被覆する第4の保護膜を有し、
前記第4の保護膜は、アルミニウム酸窒化物である窒化物半導体発光素子。 - 請求項2又は3において、
前記アルミニウム酸窒化物における窒素の組成比は、23原子%以下である窒化物半導体発光素子。 - 請求項1において、
前記多層保護膜は、その最外層が前記第1の保護膜と前記第2の保護膜とからなる積層膜である窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から5の何れか1項において、
前記第1の保護膜は、前記発光端面を直接に被覆する窒化物半導体発光素子。
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