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JP2008159806A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光装置およびその製造方法 Download PDF

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大介 花岡
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Abstract

【課題】 半導体発光装置において、動作電圧の上昇による不良を抑制し、良品率を高めて生産歩留まりを向上させることを主要な目的とする。
【解決手段】
窒化物半導体装置は、ステム４０を備える。ステム４０にヒートシンク２０が設置されている。ヒートシンク２０に、少なくとも１個の、レーザ光を出射する窒化物半導体レーザ素子１０が接合されている。ステム４０に、窒化物半導体レーザ素子１０からの光の強度を観察するための光検出素子３０が設置されている。ステム４０に、ヒートシンク２０、窒化物半導体レーザ素子１０および光検出素子３０をその内部に密封するためのキャップ５０が接合されている。キャップ５０内部の空間には、封入雰囲気８０が封止されている。封入雰囲気８０には、窒化物半導体レーザ素子１０中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含有されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に半導体発光装置に関するものであり、より特定的には、動作電圧の上昇による不良を抑制することができるように改良された半導体発光装置に関する。またこの発明は、そのような半導体発光装置の製造方法に関する。
ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子は紫外から可視光にかけて広い発振波長を有しており、高密度光記録媒体に対応した短波長光源として注目されている。また、光記録媒体のみならず、照明やバックライトなどの可視光源としても期待されている。さらに使用用途を拡大すべく、窒化物半導体レーザ素子の発光出力を向上させつつ、動作を安定させるための技術開発が検討されている。
図１１（Ａ）は、従来の半導体レーザ光源の断面図である（例えば特許文献１参照）。従来の半導体レーザ光源は、レーザ光を出射する半導体レーザチップ４１を備える。半導体レーザチップ４１はヒートシンク４２に取り付けられている。ステム４３の底面にヒートシンク４２が接合されている。光検出素子４４は、半導体レーザチップ４１から出射したレーザ光強度をモニタするためにステム４３の裏面に配置されている。ステム４３の反対側の面にはＧＮＤ用、半導体レーザ駆動用、光検出素子用の電極リード線４７が取り付けられている。ＧＮＤ用電極はステム４３に、半導体レーザ駆動用と光検出素子用電極は、図示しないワイヤーボンディングによって各々半導体レーザチップ４１と光検出素子４４に接合され導通している。
図１１（Ａ）に示した半導体レーザ光源では、半導体レーザチップ４１、ヒートシンク４２、光検出素子４４、および電極リード線４７を除くステム４３の全部が、合成樹脂等の光透過性可塑性物質４９でモールディングされた構造となっている。このようなパッケージング形態にすれば、キャップ、カバーガラス等の強度的に脆弱な部分が無いため、真空環境下、あるいは高圧環境下に設置することができるようになると記載されている。
特開平１０−３１３１４７号公報
また、特許文献１には、図１１（Ｂ）を参照して、上記光透過性可塑性物質でモールディングする代わりに、キャップ４８を設け、キャップ４８の内部雰囲気３９を、不活性ガス雰囲気で封止する態様も記載されており、これにより、半導体レーザ装置を、真空環境下、あるいは高圧環境下に設置することができるようにしている。
しかしながら、上記不活性ガス雰囲気で封止する態様を、電極および半導体層中に１０ｋＡ／ｃｍ2以上もの高い密度で電流が注入されて駆動を行う窒化物系半導体レーザに適用した場合、電圧が初期の状態を維持せず、寿命特性が安定しない、動作電圧が上昇するという問題が生じる。
この問題は、以下の原因によって生じると考えられる。すなわち、窒化物半導体中には、ｐ型不純物としてＭｇがドーピングされている。一方、結晶中には水素が含まれており、この水素がＭｇとの複合体を形成する。これにより、膜中のＭｇの活性化が阻害され、アクセプタ濃度の減少、正孔濃度の減少が引き起こされ、結果として結晶を高抵抗化させるものと考えられる。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、長時間駆動しても動作電圧が上昇しないように改良された半導体発光装置を提供することを目的とする。
この発明の他の目的は、リッジストライプ構造による電流狭窄構造を有する半導体発光装置において、長時間駆動しても動作電圧が上昇しないように改良することにある。
この発明の他の目的は、動作電圧の上昇による不良を抑制し、良品率を高めて生産歩留まりを向上させることができるように改良された半導体発光装置の製造方法を提供することにある。
この発明に係る半導体発光装置はステムを備える。上記ステムにヒートシンクが設置されている。上記ヒートシンクに、少なくとも１個の半導体発光素子が接合されている。上記ステムに、上記半導体発光素子からの光を検出するための光検出素子が設置されている。上記ステムに、上記ヒートシンク、上記半導体発光素子および上記光検出素子をその内部に密封するためのキャップが接合されている。上記キャップ内部の雰囲気には、上記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれている。
上記キャップ内部の雰囲気、すなわち半導体発光素子を取り巻く雰囲気に、上記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれているので、素子内部での水素の拡散が止められ、ひいてはｐ型不純物であるＭｇが補償されないために、正孔濃度が減少しない。
この発明は、上記半導体発光素子が、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する絶縁層を含む場合に効果を発揮する。
上記半導体発光素子には、半導体レーザ素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオードが含まれる。
この発明の好ましい実施態様によれば、上記半導体発光素子は、表面側に、リッジストライプ構造が設けられ、該リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように一方の電極を形成してなる電流狭窄構造を有し、上記リッジストライプ構造の凸部外側に、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する絶縁層が上記リッジストライプ構造の凸部を挟むように設けられている。このような構造を有する半導体発光素子において、本発明は特に効力を発揮する。
また、上記半導体発光素子は、表面側に、リッジストライプ構造が設けられ、該リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように一方の電極を形成してなる、電流狭窄構造を有し、上記リッジストライプ構造の凸部外側に、上記リッジストライプ構造の凸部と概略同じ組成で極性が異なり、かつ１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する半導体層が、上記リッジストライプ構造の凸部を挟むように設けられている場合でもよい。
上記の水素の拡散を抑制する成分は酸素を含むのが好ましい。
上記絶縁層は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体からなるのが好ましい。ＳｉＯ2、ＴｉＯ2を用いる場合には、プロセス上の問題、屈折率、絶縁性、他との密着性において、特に優れる。
前記雰囲気は、酸素を少なくとも１０ｐｐｍの濃度で含むのが好ましい。
上記雰囲気に含まれる水分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であるのが好ましい。より好ましくは５００ｐｐｍ以下である。
上記雰囲気の圧力は０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下であるのが好ましい。
上記半導体発光素子は、ＢＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＮ，ＴｌＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である場合に本発明は有効である。これらは、主として３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長で発振するものである。３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長はエネルギーが高く、このような光が出力されると、水素が活性化されて拡散しやすく、光劣化し易い。このような場合に本発明は特に有効である。
上記半導体発光素子が、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子である場合にも、本発明は有効である。これらは、主として５５０ｎｍ以上の波長で発振するものである。
上記半導体発光素子の半導体層構造内に水素が含有されている場合に本発明は、特に効果を発揮する。
上記雰囲気中に、二酸化炭素が含有されていてもよいし、またアルゴンが含有されていてもよい。
この発明の他の局面に従う方法は、上述のキャップ内部の雰囲気に、上記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれている、半導体発光装置の製造方法に係る。まず、上記半導体発光装置を組み立てることができる機構を内部に有し、かつ外部とは遮断された密閉した空間で組み立て作業が行えるようにされた作業室と、上記作業室に連結され、組み立てに必要な部材を一時保持する前室とを備えた製造装置を準備する。上記前室に上記組み立てに必要な部材を搬入する。上記作業室を大気開放せずに、上記組み立てに必要な部材を、上記前室から上記作業室に移動させる。上記作業室内の雰囲気を、上記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれている拡散抑制用雰囲気に置換する。上記作業室内で、かつ上記拡散抑制用雰囲気下で、上記半導体発光装置を組み立てる。
この発明によれば、上記作業室内部で上記半導体発光装置を組み立てることにより、上記キャップ内の雰囲気を達成することができる。
本発明によると、上記キャップ内部の雰囲気、すなわち半導体発光素子を取り巻く雰囲気に、上記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれているので、ｐ型不純物であるＭｇが水素により補償されず、アクセプタ濃度ひいては正孔濃度の減少が引き起こされない。結果として結晶が高抵抗化せず、高い密度で電流を注入して長時間駆動しても動作電圧が上昇しない。その結果、電流通電時の素子動作電圧上昇による不良発生を抑制することができる。
長時間駆動しても動作電圧が上昇しないように改良された半導体発光装置を得るという目的を、キャップ内部の雰囲気に、上記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分を含めるということによって実現した。
図１は、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置の模式図である。本発明に係る窒化物半導体装置は、ステム４０を備える。ステム４０にヒートシンク２０が設置されている。ヒートシンク２０に、少なくとも１個の、レーザ光を出射する窒化物半導体レーザ素子１０が接合されている。ステム４０に、窒化物半導体レーザ素子１０からの光の強度を観察するための光検出素子３０が設置されている。ステム４０に、ヒートシンク２０、窒化物半導体レーザ素子１０および光検出素子３０をその内部に密封するためのキャップ５０が接合されている。
ステム４０には電極リード線７０が配線されており、キャップ５０には、窒化物半導体レーザ素子１０から出射された光を取り出すための窓６０が設けられている。
キャップ５０内部の空間には、封入雰囲気８０が封止されている。封入雰囲気８０には、窒化物半導体レーザ素子１０中に含まれる水素の拡散を抑制する成分、例えば酸素が含有されている。酸素以外のガス成分としては、窒素などの不活性ガス、アルゴンをはじめとする希ガスのほか、二酸化炭素が混合されている。
酸素の濃度は、少なくとも１０ｐｐｍあればよく、より好ましくは１０００ｐｐｍ以上あればよい。
また、上記封入雰囲気の圧力は、０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下の範囲にあればよい。
また、上記封入雰囲気に含有される水分濃度は、１０００ｐｐｍ未満に抑制されており、より好ましくは５００ｐｐｍ以下に抑制することで本発明の効果が発揮され易くなる。
本発明において用いられるＩＩＩ族窒化物半導体レーザは、ＢvＡｌwＧａxＩｎyＴｌzＮ（０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｖ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる。ここで、Ｂはホウ素を、Ａｌはアルミニウムを、Ｇａはガリウムを、Ｉｎはインジウムを、Ｔｌはタリウムを、Ｎは窒素を示す。また、ｖはホウ素の含有比率を、ｗはアルミニウムの含有比率を、ｘはガリウムの含有比率を、ｙはインジウムの含有比率を、ｚはタリウムの含有比率を示す。本明細書では、以後、例えばＡｌwＧａxＮ（０＜ｗ＜１、０＜ｘ＜１、ｗ＋ｘ＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる窒化物半導体層をＡｌＧａＮ層と略記する。
窒化物半導体層を構成する窒化物半導体結晶が六方晶である場合には、窒化物半導体層中の窒素元素のうち、１０％以下の窒素元素がヒ素、リンおよびアンチモンのうち少なくとも１種の元素に置換されていてもよい。また、窒化物半導体層には例えばケイ素、酸素、塩素、硫黄、セレン、炭素、ゲルマニウム、亜鉛、カドミウム、マグネシウムおよびベリリウムのうち少なくとも１種がドーピングされ、窒化物半導体層はｐ型、ｎ型、ｉ型のいずれかの導電型を有している。
また、上記の窒化物半導体結晶は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により製造される。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスやＶ族原料ガスに水素が含まれるため、窒化物半導体結晶内にも水素が取り込まれる。窒化物半導体結晶の成長方法としては分子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ法）が用いられることもあるが、この場合もＶ族原料としてアンモニアなどが使用されると、やはり窒化物半導体結晶内に水素が取り込まれる。
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子１０の発振波長は、主として３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲にある。また、上記では発光素子としてＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子を用いて説明したが、窒化物半導体スーパールミネッセントダイオードや窒化物半導体発光ダイオードに置き換えられても本発明の効果は同じようにもたらされる。
以下、この発明の実施例を、さらに詳細に説明する。
図２（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ装置に用いられる半導体レーザ素子の概略断面図である。
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板２００上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＮ層２０１、厚さ２μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ下部クラッド層２０２、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層２０３、厚さ２０ｎｍのＧａＮ下部隣接層２０４、活性層２０５（詳細は後述する）、厚さ５０ｎｍのＧａＮ上部隣接層２０６、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２０７、厚さ０．６μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ上部クラッド層２０８、０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２０９が順次形成されている。基板裏面には、負電極２２０、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９に接して正電極２２１（詳細は後述する）が形成されている。また、上部クラッド層２０８とコンタクト層２０９は、凸構造が共振器方向に延伸されたストライプ状に形成されており、リッジストライプ型導波路を構成している。
リッジストライプ構造の凸部の外側には、絶縁膜２２２が埋め込まれ、該凸部の頂上にのみ電気的接触するように一方の電極を形成して、電流の通る部分を制限した電流狭窄を実現している。この電流狭窄によって、出力される光のスポットの形状が概ね制御できる。絶縁層２２２は、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する。リッジストライプの凸部の幅は約１．６μｍとし、共振器長６００μｍとした。素子の前面にはＡＲ(anti-reflective)コーティングを、後面にはＨＲ(high reflection)コーティングを施した。
上記のｐ型の導電型を示す層には、ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3濃度でドーピングされている。上部クラッド層２０８およびコンタクト層２０９において、代表的には、４×１０19／ｃｍ3でドーピングされている。本実施例において、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９を省略して、上部クラッド層２０８がコンタクト層を兼ねるようにしてもよい。
活性層２０５は、アンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層（厚さ：４ｎｍ）とアンドープのＧａＮ障壁層（厚さ：８ｎｍ）とが、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層の順で形成された多重量子井戸構造（井戸数３）である。井戸層および障壁層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）、ＩｎxＧａ1-x-yＡｌyＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）、ＧａＮ1-xＡｓx（０＜ｘ＜１）、ＧａＮ1-xＰx（０＜ｘ＜１）、またはこれらの化合物などの窒化物半導体で形成できるが、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成とする。素子の発振閾値を引き下げる目的から、活性層を井戸数が２〜４の多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）とすることが好ましいが、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）とすることを排除するものではない。この場合、本明細書でいうところの井戸層に挟まれる障壁層は存在しない。
正電極２２１は、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９に接する側から、第１層２３１（Ｐｄ層／Ｍｏ層）、第２層２３２（バリア層）、第３層２３３（パッド）からなる。ここで、バリア層から上の層は、絶縁膜２２２上にも形成されている。このためバリア層は、絶縁膜に対して密着性がよく、密着改善のための機能も有することが良い。Ｐｄ層は、ｐ型窒化物半導体にオーミック接触するための層である。
正電極２２１と負電極２２０の間で通電すると、図２（Ｂ）に示すように光出力する。
上記構成の半導体レーザ素子は、公知の窒化物半導体の結晶成長方法で作製できる。各半導体層は、ＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥ法により積層され、ドライエッチングを用いたエッチング処理によりリッジストライプ構造が形成される。正負電極を構成する各層の積層には、電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法のほか、高周波スパッタリング法など一般的な真空成膜法が用いられる。
上述のようにして作製された実施例１のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子を半導体レーザ装置（レーザパッケージ）内に実装して通電試験を行なった。キャップにより封入したガス雰囲気は、酸素１５％と窒素８５％の混合ガスとした。その際、混合ガスに含まれる水分濃度は１００ｐｐｍ（露点約−４０℃）に抑制した。試験条件は、７０℃の高温下で、ＤＣ１２０ｍＡの一定電流駆動とし、素子動作電圧をモニタした。
その結果、本実施例の素子では、６００時間以上経過しても、一定の素子電圧（約５．２Ｖ）で安定して走行し続けている。図３に結果のグラフを示す。このように、本実施例のデバイスは約１３ｋＡ／ｃｍ２という高電流密度の駆動条件においても安定した電圧特性を示した。
（比較例）
本実施例に対する比較として、本実施例で用いたＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子を用い、特許文献１にもあるような不活性ガスをキャップ封止したレーザパッケージについても、上記と同様の通電試験を行った。不活性ガスは濃度ほぼ１００％の窒素ガスとし、含有される水分濃度は１００ｐｐｍに抑制した。
７０℃でのＤＣ１２０ｍＡ一定電流駆動の結果、図４に示すように動作電圧が急速に上昇してしまう素子が多発した。
（検討）
比較例においてみられるような素子動作電圧の上昇が、実施例において防止されるモデルはいくつか考えられる。一つのモデルとして、特許文献１にもあるような不活性ガスをキャップ封止したレーザパッケージでは、図５に示すように、絶縁膜２２２中に含まれる水素が、図中矢印１で示すように拡散し、拡散先における各窒化物半導体（２０７，２０６，２０５）の中で、ｐ型不純物であるＭｇと複合体を形成する。この複合体の形成によりＭｇが補償され、アクセプタ濃度ひいては正孔濃度が減少し、結果として結晶を高抵抗化させるためであると考えられる。
一方、本実施例においては、キャップ封止雰囲気に含有される酸素成分が、ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子内部への水素の拡散を抑制し、これによりＭｇの補償が発生しない、というモデルが考えられる。
図２に示す半導体レーザ素子を用いて、図１に示す装置をキャップ内部の雰囲気を変えて組み立てて、駆動を行って、その駆動後のレーザ素子を取り出して、電極２２１，２２０を取り去って、ＳＩＭＳ(Secondary Ionization Mass Spectrometer)解析を実施し、素子内部の水素濃度を比較した。ＳＩＭＳ解析の実施は、図５における、一点鎖線の矢印２に沿って、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９の表面から、図中、下方向に行った。３種類のサンプルについて行った。
図６は、基準としての、パッケージング前のレーザ素子の解析結果である。図７は、実施例１のように酸素１５％と窒素８５％、水分濃度１００ｐｐｍの混合ガスによりキャップ封止後に７０℃でＤＣ１２０ｍＡの一定電流駆動を１００時間行ったレーザ素子の解析結果である。図８は、比較例としての、窒素ほぼ１００％、水分濃度１００ｐｐｍのガスによりキャップ封止後に７０℃でＤＣ１２０ｍＡの一定電流駆動を１００時間行ったレーザ素子の解析結果である。
図６、図７、図８中、Ａｌのビーム強度が急激に低下している所が活性層を表している。活性層を挟んで両側に、ｐ型半導体部分（浅い部分）とｎ型半導体部分（深い部分）が現われる。これらの図において、一点鎖線で示した基準線（１Ｅ+１９の値）は、説明をわかりやすくするために入れたものである。
さて、図７を参照して、本実施例の場合、即ち、酸素１５％と窒素８５％の混合ガスでキャップ封止した素子では、素子内部のｐ型半導体部分に含まれる水素の濃度は、パッケージング前のレーザ素子（図６）と同程度で変化していない（水素濃度が、ｐ型半導体部分で、基準線(１Ｅ+１９の値)以下）。これに対し、図８を参照して、窒素ガスでキャップ封止した素子では、素子内部のｐ型半導体層部分に含まれる水素濃度が、パッケージング前のレーザ素子と比べておよそ４倍程度に増大していることが分かった（水素濃度が、ｐ型半導体部分で、基準線（１Ｅ+１９）の値を大きく上回る）。
窒素ガスでキャップ封止した素子の例のように、ｐ型半導体部分で水素濃度が増大すると、ｐ型不純物であるＭｇを補償し、それによりｐ型半導体部分の正孔濃度が減少し、膜抵抗が増大し、素子動作電圧が増大する、という現象がもたらされるものと考えられる。
上記にみられる素子内部での水素濃度の増大に関しては、上述のように、半導体層外部からの水素原子の拡散が原因と考えられる。水素の主な起源としては、上述のように、素子構造の一部を構成する絶縁層（図２中の絶縁層２２２）が推測される。そこで、絶縁層としてよく用いられるＳｉＯ2膜についてもＳＩＭＳ解析により水素濃度を測定したところ、場合によっては１０21／ｃｍ3オーダの高いレベルで水素が膜中に含まれていることが分かった。測定した膜は半導体レーザ素子の製造プロセスでよく用いられる電子ビーム式真空蒸着装置を用いて成膜したものであるが、スパッタリング装置など他の成膜方法を用いても、成膜条件によっては１０19〜１０21／ｃｍ3オーダで膜中に水素が含まれることは十分あり得る。
このように、高い濃度で水素が含まれる絶縁層が装架されたレーザ素子に電流が通電されると、絶縁層に含まれる水素原子が半導体層側に拡散しようとする。しかし、本実施例のようにキャップ封止雰囲気に酸素が含有されている場合には、絶縁層内部の水素が固定され、従って半導体層側への拡散が抑止され、ｐ型不純物であるＭｇを補償する動きを示さなくなるのではないかと推測される。
このモデルに基づき、キャップ封止雰囲気に含有される酸素濃度と素子動作電圧上昇の抑制効果について詳細に調査した結果、酸素濃度は１０ｐｐｍ以上で、本発明の効果が現われた。さらに、１０００ｐｐｍ以上で、本発明の効果はより顕著になった。
なお、キャップ封止雰囲気に含有される酸素成分が、何故半導体層中の水素の拡散を抑制し、水素を固定するのかは、明らかでないが、図１と図５を再び参照して、キャップ封止雰囲気８０に酸素が含有されていると、即ち、窒化物半導体レーザ素子１０を取り巻く雰囲気ガスに酸素を含むことにより、この酸素の方に引き付けられように半導体層中の水素が動く。この水素の動く向きと、図中、矢印１で代表的に示す水素の拡散方向とは互いに逆方向で均衡し、その結果、水素の拡散が見かけ上停止したものと考えている。
また、キャップ封止雰囲気に含まれる水分濃度は、図９に示すように、１０００ｐｐｍ以上の場合にはキャップ封止雰囲気に酸素が含まれていても素子動作電圧が上昇するものがみられた。従って、本発明の効果をもたらす水分濃度としては１０００ｐｐｍ未満が好ましい。より望ましくは、水分濃度は５００ｐｐｍ以下に抑制されるべきである。
上記のように、本発明の効果はキャップ封止雰囲気に含有される酸素濃度および水分濃度に依存するところが大きいため、封止雰囲気の圧力に関しては詳細な規定はないが、後に述べる半導体レーザ装置の組立装置での作業性の観点から、圧力は０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下にするとよい。
また、酸素と同時に混合ガスとして封入されるガス種としては、窒素などの不活性ガス、アルゴンなどの希ガスに限らず、二酸化炭素を選択しても本発明の効果は現われる。あるいは、これらの混合ガスであってもよいことは言うまでもない。
また、絶縁層内部の水素濃度と素子動作電圧上昇との関係については、絶縁層内部の水素濃度が１０17／ｃｍ3より多い場合に、素子動作電圧の上昇現象がたびたび発生し、そしてその現象は、本実施例のようにキャップ封止雰囲気に酸素を含むことにより、十分に抑止されることが分かった。
なお、図１で、窒化物半導体レーザ素子１０とヒートシンク２０が直接接合される模式図を示したが、窒化物半導体レーザ素子１０とヒートシンク２０との間にサブマウントを介して接合されても構わない。
また、同じく最良の実施例１で、発光素子としてＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子を用いているが、すでにモデルを説明したように動作電圧上昇の原因が素子内部の水素にあると考えられることから、アルミニウム・インジウム・ガリウム・砒素・燐系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる素子を代替としても本発明は効果を示す。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合も、ｐ型不純物としてＭｇをドーピングする際に水素が同時に結晶内部に取り込まれたり、素子構造の一部として形成されている絶縁膜に含まれる水素が半導体側へ拡散する現象が生じるため、素子構造内部に水素が含まれるケースは存在する。キャップ封止雰囲気への酸素の導入により、この水素がｐ型不純物のＭｇを補償することを抑制することができる。
また、上記では絶縁膜の例としてＳｉＯ2膜を挙げて説明したが、この他にＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯ、あるいはこれらの混合物に関しても、本発明の効果が得られることを確認した。
また、実施例1では、リッジストライプの凸部を挟むように絶縁層２２２を形成した電流狭窄構造を有する半導体発光装置を例示したが、この発明は、これに限られるものでなく、上記絶縁層に代えて、上記リッジストライプの凸部と概略同じ組成で極性が異なり、かつ１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する半導体層が、上記リッジストライプの凸部の外側に設けられている、電流狭窄構造を有する半導体発光装置であっても同様の効果を奏する。
本発明における窒化物半導体レーザ装置の製造方法と組立装置について説明する。
図１０を参照して、組立装置は、前室１０１と作業室１０２を有している。前室１０１は、作業室１０２を大気開放せずとも組み立てに必要な部材を作業室１０２内に導入できるようにするものである。このために、前室１０１はパージ用ガスを導入する機構１０３を有している。また作業室１０２は、窒化物半導体レーザ装置を組み立てることができる組立機構１０４を内部に有しており、外部とは遮断された密閉した空間で、組立作業が行えるようになっている。前室１０１と作業室１０２の間は、組み立てに必要な部材を搬送する搬送手段が設けられており（図示せず）、またドア１０９で遮断されている。
また作業室１０２は、その内部が所望の圧力、所望の雰囲気ガスの種類、所望の酸素濃度および所望の露点温度に到達できるように、作業室１０２の内部を真空にひくための真空機構１０５、所望の雰囲気ガスに作業室内部を充填するためのガス導入機構１０６、更にはガスを装置内部から外部に排気するためのガス排出機構１０７を備えるとともに、作業室１０２の内部の酸素濃度および露点温度を検出するための計測機構１０８を備えている。
次に、動作について説明する。まず、前室１０１に、外部から、組み立てに必要な部材を搬入する。ドア１０９を閉じて、前室１０１内をパージ用ガスで置換する。ドア１０９を開いて、前室１０１から作業室１０２に、図示しない搬送手段を用いて、組み立てに必要な部材を移動させる。これによって、作業室１０２を大気開放せずに、組み立てに必要な部材が、作業室１０２内に導入される。次にドア１０９を閉じ、作業室１０２内を密閉する。作業室１０２の内部の圧力、雰囲気ガスの種類、酸素濃度または露点温度を、上記で述べられた窒化物半導体レーザ装置の封入圧力、封入雰囲気ガスの種類、酸素濃度または露点温度と同一にする。作業室１０１内で、かつ上記雰囲気下で、組立機構１０４を用いて半導体発光装置を組み立てる。このことによって、作業室１０２の内部で、窒化物半導体レーザ装置を組み立てるだけで、上述したキャップ内の雰囲気を達成することができる。
本発明は、窒化物半導体レーザ、特に、高出力を発するデバイス、例えば単一横モードタイプにおいて、１００ｍＷ以上の光出力が得られるデバイスに応用できる。このようなデバイスは、１３ｋＡ／ｃｍ2を超えるような、高電流密度での駆動を必要とすることが一般的である。また、窒化物半導体を用いた、半導体レーザ装置、例えば、単体の半導体レーザ装置、ホログラム素子を備えたホログラムレーザ装置、駆動もしくは信号検出等の処理のためのＩＣチップと一体化してパッケージされたオプトエレクトロニクスＩＣ装置、導波路あるいは微小光学素子と一体化してパッケージされた複合光学装置などに応用可能である。また、本発明は、これらの装置を備えた、光記録システム、光ディスクシステムや、紫外から緑色領域の光源システムなどに応用可能である。
なお、上記では水素の拡散を抑制する成分として酸素を例示したが、本発明はこれに限られるものでなく、図１と図５を再び参照して、半導体層中の水素が動く向きと、図５中矢印１で代表的に示す水素の拡散方向とを均衡させ、水素の拡散を停止させるものならば、いずれの気体も使用することができる。
今回開示された実施の形態および実施例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。
本発明は、半導体レーザ装置、ホログラムレーザ装置、オプトエレクトロニクスＩＣ装置、複合光学装置などに応用可能であり、電流通電時の素子動作電圧上昇による不良発生を抑制することができる。
本発明の窒化物半導体レーザ装置を示す概念図である。 （Ａ） 本発明の実施例１に用いた窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。 （Ｂ） 実施例１に用いた窒化物半導体レーザ素子の光出力の様子を示す斜視図である。 図２で示された窒化物半導体レーザ素子の通電試験の結果を示すグラフである。 比較素子の通電試験の結果を示すグラフである。 比較例においてみられるような素子動作電圧の上昇の理由を説明する図である。 キャップ封止前の半導体レーザ素子のＳＩＭＳ解析結果を示すグラフである。 酸素１５％と窒素８５％の混合ガスでキャップ封止した半導体レーザ素子のＳＩＭＳ解析結果を示すグラフである。 窒素ガスでキャップ封止した半導体レーザ素子のＳＩＭＳ解析結果を示すグラフである。 図２で示された窒化物半導体レーザ素子の、水分濃度を変化させた場合の通電試験の結果を示すグラフである。 実施例２に係る組立装置の概念図である。 （１）従来の、光透過性可塑性物質でモールディングされた半導体レーザ光源の断面図である。 （２）従来の、キャップで封止した半導体レーザ光源の断面図である。
符号の説明
１０ 窒化物半導体レーザ素子
２０ ヒートシンク
３０ 光検出素子
３９ 内部雰囲気
４０ ステム
４１ 半導体レーザチップ
４２ ヒートシンク
４３ ステム
４４ 光検出素子
４７ 電極リード線
４８ キャップ
４９ 光透過性可塑性物質
５０ キャップ
６０ 窓
７０ 電極リード線
８０ 封入雰囲気
１０１ 前室
１０２ 作業室
１０３ パージ用ガス導入機構
１０４ 組立機構
１０５ 真空機構
１０６ ガス導入機構
１０７ ガス排出機構
１０８ 計測機構
１０９ ドア
２００ 基板
２０１ ｎ型ＧａＮ層
２０２ 下部クラッド層
２０３ ｎ型ＧａＮガイド層
２０４ 下部隣接層
２０５ 活性層
２０６ 上部隣接層
２０７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層
２０８ ｐ型上部クラッド層
２０９ ｐ型コンタクト層
２２０ 負電極
２２１ 正電極
２２２ 絶縁膜
２３１ 第１層
２３２ 第２層
２３３ 第３層

Claims (15)

  1. ステムと、
    前記ステムに設置されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクに接合されたと、少なくとも１個の半導体発光素子と、
    前記ステムに設置され、前記半導体発光素子からの光を検出するための光検出素子と、
    前記ステムに接合され、前記ヒートシンク、前記半導体発光素子および前記光検出素子をその内部に密封するためのキャップとを備え、
    前記キャップ内部の雰囲気には、前記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれていることを特徴とする、半導体発光装置。
  2. 前記半導体発光素子が、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する絶縁層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記半導体発光素子は、表面側にリッジストライプ構造が設けられ、該リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように一方の電極を形成してなる電流狭窄構造を有し、
    前記リッジストライプ構造の凸部外側に、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する絶縁層が、前記リッジストライプ構造の凸部を挟むように設けられている、請求項１に記載の半導体発光装置。
  4. 前記半導体発光素子は、表面側にリッジストライプ構造が設けられ、該リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように一方の電極を形成してなる電流狭窄構造を有し、
    前記リッジストライプ構造の凸部外側に、前記リッジストライプ構造の凸部と概略同じ組成で極性が異なり、かつ１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含有する半導体層が、前記リッジストライプ構造の凸部を挟むように設けられている、請求項１に記載の半導体発光装置。
  5. 前記の水素の拡散を抑制する成分は酸素を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  6. 前記絶縁層が、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体からなることを特徴とする、請求項２、３又は５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  7. 前記雰囲気は、酸素を少なくとも１０ｐｐｍの濃度で含むことを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光装置。
  8. 前記雰囲気に含まれる水分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  9. 前記雰囲気の圧力が０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  10. 前記半導体発光素子が、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  11. 前記半導体発光素子が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  12. 前記半導体発光素子の半導体層構造内に水素が含有されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  13. 前記雰囲気中に、二酸化炭素が含有されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  14. 前記雰囲気中に、アルゴンが含有されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
    前記半導体発光装置を組み立てることができる機構を内部に有し、かつ外部とは遮断された密閉した空間で組み立て作業が行えるようにされた作業室と、前記作業室に連結され、組み立てに必要な部材を一時保持する前室とを備えた製造装置を準備する工程と、
    前記前室に前記組み立てに必要な部材を搬入する工程と、
    前記作業室を大気開放せずに、前記組み立てに必要な部材を、前記前室から前記作業室に移動させる工程と、
    前記作業室内の雰囲気を、前記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれている拡散抑制用雰囲気に置換する工程と、
    前記作業室内で、かつ前記拡散抑制用雰囲気下で、前記半導体発光装置を組み立てる工程とを備え、
    前記作業室内部で前記半導体発光装置を組み立てることにより、前記キャップ内の雰囲気を達成することができるようにした半導体発光装置の製造方法。
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