JP2009194150A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】４３０ｎｍより長い波長領域で発光する窒化物半導体発光素子において、光出射端面をエッチングで形成してその端面に適切なコート膜を形成することによって、特性および寿命が改善された素子を提供し、また素子間の特性および寿命のばらつきを低減して素子の信頼性を高める。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体基板（１０１）上に形成された窒化物半導体積層構造（１０２−１０８）を含み、この窒化物半導体積層構造はインジウムを含む窒化物半導体からなる活性層（１０５）を含み、記窒化物半導体積層構造の光出射端面（１０３）がエッチングにより形成されており、光出射端面上に酸窒化物からなる端面コート膜が形成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特にインジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を含む窒化物半導体発光素子の改善に関する。

窒化物半導体レーザ素子は、一般的にＩｎ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ≦１）の活性層を含んで作製されることが多い。このような窒化物半導体レーザ素子は３８０ｎｍ（紫外光領域）から５５０ｎｍ（緑色光領域）程度までの非常に広い波長範囲内で発振し得ることが知られており、その発振波長は活性層のＩｎ含有量を調整することによって制御されている。具体的には、活性層のＩｎ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ≦１）組成においてＩｎの組成比を表すｓの値が大きいほど、より長い発振波長が得られる。

一般的に、窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、劈開を利用して形成される。劈開は、結晶構造内で原子間結合力の弱い結晶面で破断し易い性質を利用する結晶分割方法である。このような劈開では、原子レベルで平坦な分割面を得ることができる。現在、光ストレージに用いられる短波長（発振波長４００−４１５ｎｍ）の窒化物半導体レーザ素子の製造においては、窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）上に窒化物半導体積層構造（活性層を含む）が形成され、共振器端面の作製には劈開が利用されている。

ところで、半導体レーザ素子においては、共振器端面の光吸収によって素子の特性や寿命が低下することが知られている。そこで、窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体レーザ素子の特性と寿命を改善するために、劈開またはエッチングによって形成された光出射端面に窒化物半導体のコート膜を形成する技術が、特許文献１の国際公開第２００３／０３６７７１号パンフレットに開示されている。また、これに類似して、窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体レーザ素子の特性と寿命の改善するために、劈開によって形成された光出射端面に酸窒化物のコート膜を形成する技術が、特許文献２の特開２００７−１８９２０１号公報に開示されている。

しかし、これらの特許文献１や２においては、劈開またはエッチングで形成された光出射端面の状態とコート膜との関係について、詳細な検討はなされていない。
国際公開第２００３／０３６７７１号パンフレット 特開２００７−１８９２０１号公報

本発明者達の詳細な検討によれば、４３０ｎｍより長い波長領域で発振する窒化物半導体レーザ素子に関して、劈開方法で共振器端面を形成するときに、活性層部分で段差が生じる場合のあることが分かった。すなわち、この場合には、平坦な共振器端面を得ることができない。この状況が、図３の模式的な側面図において示されている。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さは誇張されて示されている傾向にある。

図３において、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層１０４、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層１０８、および正電極１１０が順次積層されている。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面には、負電極１１２が形成されている。

図３（ａ）に示されているように正常に劈開された共振器端面は平坦になるが、活性層１０５中のＩｎ濃度が増加するに伴って、図３（ｂ）に示されているように活性層１０５で劈開面にずれが生じて段差が形成されることがある。そして、活性層中のＩｎ濃度の増大に伴って劈開時において活性層に段差が生じる確率が増加するので、４３０ｎｍより長い波長領域で発振する窒化物半導体レーザ素子において問題が生じることが分かった。

より具体的には、４３０ｎｍより長い波長で発振する窒化物半導体レーザ素子の場合、その活性層中のＩｎ濃度は１０原子％以上になる。そして、活性層中のＩｎ濃度が１０原子％を越える場合には、劈開の際に非常に高い確率で活性層に段差を生じることが分かった。

窒化物半導体レーザ素子の光出射端面でこのような段差が生じた場合、端面の光吸収による破壊に関する強度が低下し、素子を高出力で駆動することができなくなる。すなわち、この段差によって共振器端面の劣化が加速すると考えられ、このような段差を発生させないことが、４３０ｎｍより長い波長領域で発振する窒化物半導体レーザ素子において重要となる。

また、この段差は基本的にはＭＱＷ活性層中の量子井戸層の部分で発生するが、素子ごとに段差の発生位置や高さが若干異なり、共振器端面の破壊強度に大きなばらつきを生じさせる。すなわち、共振器端面の段差のばらつきが均一な特性と寿命の素子の製造を困難にさせ、このこともまた大きな問題となる。

他方、エッチングによって共振器端面を形成した場合、エッチングによるダメージが共振器端面に残ることがあり、このダメージによって共振器端面の破壊強度が低下することがある。

以上のような本発明者達の検討に基づき、本発明は、４３０ｎｍより長い波長領域で発光する窒化物半導体発光素子において、光出射端面をエッチングで形成してその端面に適切なコート膜を形成することによって、特性および寿命が改善された素子を提供することを目的としている。本発明はまた、窒化物半導体発光素子間の特性および寿命のばらつきを低減して素子の信頼性を高めることをも目的としている。

本発明による窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体基板上に形成された窒化物半導体積層構造を含み、この窒化物半導体積層構造はインジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を含み、窒化物半導体積層構造の光出射端面がエッチングにより形成されており、光出射端面上に酸窒化物からなる端面コート膜が形成されていることを特徴としている。

なお、活性層は、４３０ｎｍより長いピーク波長を含む光を生じ得るようなＩｎ濃度を有し得る。より具体的には、活性層はＩｎ_sＧａ_1-sＮ（ｓ≧０．１）の組成を有し得る。そして、窒化物半導体発光素子は、半導体レーザであり得る。

端面コート膜は、Ａｌ_ｘＯ_yＮ_z（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ≦０．３５、０＜ｚ）の組成を有することが好ましい。端面コート膜は、Ａｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ≦０．３５、０＜ｚ、０≦ｗ＜０．２）の組成を有していてもよい。また、端面コート膜は、６ｎｍから２００ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。さらに、窒化物半導体発光素子は、端面コート膜上に形成された酸化物膜、窒化物膜、および酸窒化物膜のいずれかをさらに含んでいてもよい。

本発明によれば、４３０ｎｍより長い波長領域で発光する窒化物半導体発光素子に関して、光出射端面をエッチングで形成してその端面に酸窒化物のコート膜を形成することによって、特性および寿命が改善された素子が得られ、また素子間の特性および寿命のばらつきを低減して素子の信頼性を高めることができる。

本発明者達のさらなる検討によれば、上述の光出射端面における活性層部分の段差は劈開で端面を形成した場合に生じるが、気相エッチングで掘り込んで共振器端面を形成することによって段差の発生を回避し得ることが分かった。なお、窒化物半導体レーザ素子において、気相または液相のエッチングによって形成された共振器端面は、エッチドミラーと呼ばれる。また、共振器端面が劈開とエッチングのいずれによって形成されたかは、顕微鏡でその端面を観察することによって判別することができる。

さらに、本発明者達の検討では、長い発振波長を有する窒化物半導体レーザ素子の劈開の際に活性層部分に段差が発生するメカニズムとして、劈開の際にＧａＮ基板と活性層中のＩｎ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ≦１）井戸層との硬さの違いに起因する不均一な力の掛かり方から段差が発生すると考えられる。

一般的に、Ｉｎ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ≦１）はＧａＮに比べて軟質であって応力を吸収するので、クラック防止層などにも利用される。したがって、硬質のＧａＮ基板上に形成された窒化物系半導体積層構造内に応力緩和効果の大きな軟質のＩｎ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ≦１）層が存在すれば、そこで大きな応力緩和が起こり、劈開の際にこの応力の急変によって劈開面がずれる現象を引き起こすと考えられる。そして、この現象は、Ｉｎ濃度が高いほど顕著になる。より具体的には、活性層中の井戸層がＩｎ_sＧａ_1-sＮ（ｓ≧０．１）である場合、すなわちＩｎ濃度が１０原子％以上になれば、複数のレーザ素子構造を含むウエハを分割した後のレーザバーの９０％以上において活性層付近で段差を生じることが分かった。

この場合に、本発明におけるように、エッチングで共振器端面を形成することにより、端面における段差の発生を回避することが可能となる。また、エッチングで形成された共振器端面に酸窒化物の端面コート膜を形成することにより、共振器端面の破壊強度を高めることができる。なお、サファイア基板上に窒化物半導体積層構造が形成されている場合は、そもそもサファイア基板とその上の窒化物半導体積層構造との劈開面が異なるので、本発明におけるように窒化物半導体基板上に窒化物半導体積層構造が形成されている場合と本質的に異なっている。

図１は、本発明による窒化物半導体レーザ素子の一例における積層構造を模式的に示している。この窒化物半導体レーザ素子１００においては、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎガイド層１０４、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層１０８が順次積層されている。これらの窒化物半導体層の混晶比は適宜調節され得るものであり、本発明の本質には関係しない。発振波長は、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層１０５の混晶比を調整することによって、４３０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内に設定される。

ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０７およびｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層１０８には、共振器の長手方向に平行なストライプ状のリッジ１１１が設けられる。このリッジ１１１のストライプ幅は１．２〜２．４μｍ程度であり、典型的には１．５μｍ程度である。レーザ素子が照明用途に用いられる場合にはストライプ幅は５〜３０μｍ程度に設定されるが、本発明はストライプ幅に拘らず適用可能である。

図１において影付けされた領域１１３は、気相エッチングで掘り込まれた領域を示している。活性層近傍における段差発生防止の目的のために気相エッチングで掘り込むので、図１ではｎ型ＧａＮ基板１０１に到るまで掘り込まれているが、少なくともＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層１０５より下の部分まで掘り込めばよい。しかし、良好な光射出のためには、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０３またはｎ型ＧａＮ基板１０１に到るまで掘り込むことが好ましい。

図１の窒化物半導体レーザ素子の上面においては、リッジ部１１１のｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層１０８の頂面以外が絶縁膜１０９で覆われており、この絶縁膜上に形成された正電極１１０はそのコンタクト層１０８の頂面に接している。なお、図１の簡略化のために、正電極１１０はコンタクト層１０８の頂面上の領域のみにおいて示されている。他方、窒化物半導体レーザ素子１００のｎ型ＧａＮ基板１０１の下面上には、負電極１１２が形成されている。

なお、窒化物半導体基板１０１の主面の結晶学的方位としては、｛０００１｝面、｛１１−２０｝面、｛１−１０２｝面、｛１−１００｝面、または｛１−１０１｝面が好ましく用いられ得る。また、これらの結晶面方位から２°以内のオフ角度を有する基板主面であれば、その表面モホロジーが良好であり得る。

図４は、図１で示されているような窒化物半導体レーザ素子の複数が造り込まれたレーザウエハを模式的な上面図で示している。このレーザウエハ４０１において、ストライプ状リッジ部４０２が、図１中のリッジ部１１１に対応している。

ウエハ４０１の上面を覆うようにレジスト層が形成され、一般的なフォトリソグラフィーを利用したパターンニングによって領域４０３にレジスト層の開口が設けられる。そして、これらの開口領域４０３は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ）などの気相エッチングまたは加熱したＫＯＨ（水酸化カリウム）液などを用いる液相エッチングによって掘り込まれる。

図５（ａ）は図４のレーザウエハを複数のレーザバーに分割した状態を示しており、図５（ｂ）は図５（ａ）のレーザバーを複数のレーザチップに分割した状態を示している。これらの分割を考慮して、上述の領域４０３は、レーザ素子の共振器方向に例えば２０μｍで端面に平行な方向に例えば５０μｍの大きさでパターニングされる。

領域４０３の大きさは、共振器方向には３μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、図５（ａ）に示されているように、レーザウエハ４０１をレーザバー４０１ａに分割する際に掘り込み領域４０３内を通って分割する必要があり、３μｍ未満であればこの領域内を通って分割することができない場合が生じ得るからである。すなわち、ウエハにスクライブを行なってバー分割を行なう際に分割位置のばらつきが発生し、そのばらつきが３μｍ程度だからである。また、端面に平行な方向に関しては、掘り込み領域４０３はレーザ光の出射領域全体にわたるように、１０μｍ以上であることが好ましい。しかし、ストライプ幅が１０μｍ以上である場合には、少なくともストライプ幅の１．５倍程度の掘り込み領域が望まれる。

上述のような掘り込み領域４０３を通って劈開でバー分割を行なって分割面を観察したところ、掘り込み領域４０３内では図３（ａ）に示されているような活性層部分における段差は見られなかった。

窒化物半導体レーザ素子の端面コート膜は図４のウエハ状態の掘り込み領域４０３内に形成されてもよいし、図５（ａ）に示すようにレーザバー４０１ａに分割した状態で端面コートを行なってもよい。図４のウエハ状態で掘り込み領域４０３内に端面コート膜を形成する場合には、ウエハ上の正電極４０４をレジストで覆っていなくてはならないが、分割後のレーザバー４０１ａを整列させて端面コートする必要がないので、工程の簡略化が可能となる。

図２においては、本発明による窒化物半導体レーザ素子の端面コート膜がより具体的に模式的上面図で示されている。このレーザ素子１００の共振器の光出射側端面２１３には、酸窒化物のＡｌ_xＯ_yＮ_z（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ≦０．３５、０＜ｚ）膜２１４が厚さ２０ｎｍに形成されている。本発明における後述の一実施例において、Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜２１４をＡＥＳ（オージェ電子分光法）で深さ方向に分析した結果では、ｘ＝０．３５、ｙ＝０．０５、およびｚ＝０．６の値が得られた。なお、本発明においては、Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜の代わりに、Ａｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜を利用することもできる。Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜２１４上には、さらに酸化アルミニウム（アルミナ）膜２１５が厚さ１４０ｎｍに形成されている。

他方、共振器の光反射側端面２１６には、光出射側端面２１３上のＡｌ_xＯ_yＮ_z膜２１３と同じ組成のＡｌ_xＯ_yＮ_z膜２１７が厚さ２０ｎｍに形成されている。ここでも、Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜の代わりに、Ａｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜を利用することもできる。Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜２１７上には厚さ１２０ｎｍの酸化アルミニウム膜２１８が形成され、その上に、厚さ７１ｎｍの酸化シリコン層と厚さ４６ｎｍの酸化チタン層とを１ペアとする４ペア多重層およびその上の厚さ１４２ｎｍの酸化シリコン層を含む高反射膜２１９が形成されている。

なお、端面コート膜を形成する直前に、成膜装置内で１００℃以上の温度に加熱することによって、共振器端面２１３に付着している酸化膜や不純物などを除去（クリーニング）することが好ましい。しかし、このクリーニングを省略しても、本発明の効果は得られる。

また、図４中の領域４０３を気相エッチングで掘り込む際に、その掘り込み領域内面にエッチング除去した窒化物半導体が再付着する場合があり、この付着物を除去するためにアルゴンガス、窒素ガス、またはアルゴンと窒素の混合ガスのプラズマを照射することによって共振器端面２１３のクリーニングを行なってもよい。また、このクリーニングにおいて、加熱しながらプラズマ照射を行なうことも可能である。

このようなクリーニングに続けて行なう端面コート膜の形成も、１００℃以上の温度に加熱した状態で行なうことが好ましい。ただし、この加熱を省略しても、本発明の効果は得られる。プラズマ照射に関しては、ＡｒのみやＮ₂のみのプラズマ照射を行なう他にも、例えばＡｒプラズマ照射を行なった後に続けてＮ₂プラズマ照射を行なったり、その逆の順番で行なうことも可能である。さらに、プラズマ照射において、ＡｒとＮ₂以外に、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）などの希ガスを用いることもできる。

本発明におけるＡｌ_xＯ_yＮ_z膜またはＡｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜はＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法で好ましく形成され得るが、他の各種スパッタ法、ＣＶＤ（化学気相堆積）法、またはＥＢ（電子ビーム）蒸着法などで形成されてもよい。

図６は、ＥＣＲスパッタ成膜装置の一例を模式的断面図で示している。この成膜装置においては、成膜室２００に、ガス導入口２０１、ターゲット２０４、および試料台２０７が設けられており、マイクロ波導入窓２０２からマイクロ波が導入される。磁気コイル２０３はプラズマを生成するに必要な磁場を発生させるために設けられており、ＲＦ（高周波）電源２０８はターゲット２０４をスパッタするために必要とされる。

ＥＣＲスパッタ法は、半導体レーザバーの共振器端面へのコーティングに一般的に用いられる手法である。例えば、Ａｌターゲット２０４をスパッタし、窒素と酸素を含むプラズマ雰囲気中に試料２０６を配置することによってＡｌ_xＯ_yＮ_z膜がその試料上に形成される。なお、ＥＣＲはプラズマの生成法であり、高プラズマ密度が可能でありながら試料に及ぼすダメージは低く、高真空中でもプラズマを生成できる特徴がある。

本発明における一実施例では、Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜の形成時に５．２ｓｃｃｍの窒素（Ｎ₂）ガスと０．５ｓｃｃｍの酸素（Ｏ₂）ガスを供給し、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１０．０ｓｃｃｍのアルゴン（Ａｒ）ガスを供給した。Ｎ₂ガスとＯ₂ガスの比率を変えることによって、Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜中の酸素組成比ｙを変えることができる。Ａｌターゲット２０４をスパッタするために印加されるＲＦパワーは５００Ｗに設定し、プラズマの生成に必要なマイクロ波パワーも５００Ｗに設定した。成膜温度は２００℃以上であることが好ましく、このような加熱条件で成膜することによって良質のＡｌ_xＯ_yＮ_z膜を形成することができる。この場合、波長４０５ｎｍの光に関して２．１の屈折率を有するＡｌ_xＯ_yＮ_z膜が、０．１６ｎｍ／ｓｅｃの成膜レートで形成された。

Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜の組成比のｘ、ｙ、およびｚは、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）によって測定した。上述のようにターゲットをスパッタするためにアルゴンガスを導入しているので、得られたＡｌ_xＯ_yＮ_z膜には、極微量のＡｒが検出された。なお、本願明細書において、酸窒化物膜中の元素の組成比は、Ａｒを除外して、各元素の組成比の和が１となるように表されている。前述の図２に関する説明でも述べたように、光出射端面２１３上に形成されたＡｌ_xＯ_yＮ_z膜２１４における組成比は、ｘ＝０．３５、ｙ＝０．０５、およびｚ＝０．６０であった。酸素の含有量は、ＡＥＳ以外に、ＴＥＭ−ＥＤＸ（透過型電子顕微鏡法−エネルギ分散型Ｘ線分光法）などを用いて求めることもできる。

なお、光出射側端面のコート膜の形成に関して述べたのと同様の理由によって、光反射側端面のコート膜の形成においても成膜直前に加熱やプラズマ照射のクリーニングを行なうことが好ましい。光出射側端面と光反射側端面の両方にコート膜を形成した後、レーザバーをチップ化して実装を行なえば、窒化物半導体レーザ素子が完成する。本実施例において得られた窒化物半導体レーザ素子の発振波長は５２０ｎｍであった。

上述の実施例以外に、図４に関して前述したように、レーザウエハの状態で掘り込み領域４０３内に端面コート膜を形成することもできる。この場合の端面コート膜の形成には、周知のリフトオフ法を利用することができる。レーザウエハ状態で端面コート膜を形成した場合、その後にバー分割とチップ分割を続けて行なうことができる。また、ウエハ状態で端面コート膜を形成すれば、ウエハ状態のままで各レーザ素子を発振させて特性を測定することも可能である。したがって、量産を行なう際に早い段階で各素子の特性を知ることができ、不良と分かった素子に対して余分な工程を省略できて生産効率を高めることができる。

上述の実施例においてエッチングで形成された共振器端面を電子顕微鏡にて観察したところ、２０個の素子の端面において、図３（ｂ）に示されているような段差が生じていた素子は０個であった。これに対して、劈開により共振器端面を形成した場合には、２０個の素子中で１８個の素子において段差が確認された。

以上のような本発明者達の検討の結果、エッチングで形成された共振器端面のコート膜には、一般的に端面コートに用いられる酸化アルミニウムや酸化シリコンなどの酸化物に比べて、本発明において用いられる酸窒化物が望ましいことが分かった。より具体的には、窒素を含む酸窒化物コート膜を共振器端面に付与することによって、エッチングで形成された共振器端面の破壊レベルが向上することが分かった。これは、エッチングで形成された窒化物半導体の共振器端面２１３のダメージが酸窒化物コート膜２１４の付与によって低減し、端面部分での発熱が抑制されるからであると考えられる。

比較のために、上述の実施例に類似の作製方法で共振器端面２１３に厚さ１２０ｎｍの酸化アルミニウム膜を形成した窒化物半導体レーザ素子を作製したが、ＣＷ（連続波）駆動で２００ｍＷの光出力になったときにその端面が破壊した。対照的に、上述の実施例において酸窒化物のＡｌ_xＯ_yＮ_z膜２１４が端面２１３に付与された窒化物半導体レーザ素子の場合には、４００ｍＷ以上の光出力でその端面が破壊した。

また、酸窒化物のＡｌ_xＯ_yＮ_z膜２１４における酸素組成比ｙを変えて光出射端面の破壊強度を調べたところ０＜ｙ≦０．３５の範囲において、４００ｍＷを超える破壊レベルが得られた。この理由としては、酸窒化物Ａｌ_xＯ_yＮ_zに含まれる窒素が窒化物半導体の共振器端面の表面ダメージを回復させるからであると考えられる。

端面コート膜２１４としてＡｌ_xＯ_yＮ_z膜の代わりにＡｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ≦０．３５、０＜ｚ、０≦ｗ＜０．２）を使用した場合においても、４００ｍＷ以上の光出力まで耐え得る高い端面破壊強度を得ることができた。この理由としても、Ａｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ≦０．３５、０＜ｚ、０≦ｗ＜０．２）に含まれる窒素が窒化物半導体の共振器端面の表面ダメージを回復させるからであると考えられる。なお、端面コート膜２１４としてＳｉ含有の４元組成にすることにより、屈折率の設計の自由度が向上して素子歩留まりの改善を図ることができる。図６の成膜装置でＡｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜を形成する場合には、アルミニウム−シリコン合金ターゲットを用いればよい。

さらなる検討として、実際にそのようなアルミニウム−シリコン合金ターゲット中のシリコン含有量を変化させて、Ａｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜中のシリコン含有量ｗを変化させた。この場合に、０≦ｗ≦０．２の範囲内では上述のように４００ｍＷを超える光出力までの端面破壊強度が得られたが、ｗが０．２を超えれば端面破壊強度が低下した。ここで述べる端面破壊強度は、半導体レーザ素子の注入電流を徐々に増加させて光出力が増大するときに、ある光出力で共振器端面が破壊されてそれ以上光出力が得られなくなる現象を意味し、その破壊時の光出力で表される。ｗが０．２を超えた場合に端面破壊強度が低下する理由としては、その場合のＡｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜がアモルファス状態になって、膜質が低下するからである考えられる。

なお、本発明における酸窒化物コート膜は、窒化物半導体レーザ素子のみならず、窒化物半導体を用いた他の発光デバイス、例えば紫外から赤色の波長域で発光するＬＥＤ（発光ダイオード）素子のエッチングで形成された光出射面に適用することによって、その光出射面の劣化を抑制することも可能である。

また、Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ_xＯ_y）をターゲットに用いて、窒素を導入する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、意図的に酸素を含むガスを成膜室内に導入しなくても、Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜の形成が可能である。Ａｌは酸化性が高いので、酸素を導入して成膜する場合には酸素組成比ｙの小さなＡｌ_xＯ_yＮ_z膜の再現性が低くて組成制御が容易でない。しかし、このようにＡｌ_xＯ_y（予めｙを小さくしておく）をターゲットに用いて、成膜室に酸素を導入することなく窒素のみ導入して成膜すれば、比較的容易に低酸素含有量のＡｌ_xＯ_yＮ_z膜を形成することができる。また、Ａｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜を形成する場合に、Ａｌ_xＳｉ_wＯ_yをターゲットを用いても同様の結果が得られることが理解されよう。

成膜室の真空度および成膜温度によっても酸窒化膜中の酸素濃度が変化するので、成膜条件を変えることによっても酸窒化膜中の酸素組成比を変化させることができる。この場合に、真空度の低い方が酸窒化膜中に酸素が含有されやすく、成膜温度の高い方が酸窒化膜中に酸素が取り込まれ難いという傾向がある。

さらに、成膜室の内壁を酸化させるかまたはその内壁上にＡｌ₂Ｏ₃を形成した後に、その成膜室内にアルゴンと窒素ガスを導入してＡｌターゲットを用いる反応性スパッタ法で成膜すれば、内壁上の酸化物の酸素がプラズマにより離脱し、その酸素との反応を利用してＡｌ_xＯ_yＮ_z膜をすることも可能である。以上のように、酸窒化膜は様々な方法で形成することが可能である。すなわち、本発明において利用される酸窒化膜の形成方法自体は本発明の本質と関係なく、形成された酸窒化膜の組成比が重要である。

Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜またはＡｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z膜の厚さとしては、６ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましい。酸窒化膜の厚さが６ｎｍ未満の場合には、レーザ素子の駆動期間中において、酸窒化膜とその上に積層されている他の膜とが相互拡散してしまい、共振器端面の破壊強度を低下させる。他方、酸窒化膜の厚さが２００ｎｍより大きい場合には、その成膜のためにプロセス時間が増大する。

上述の説明では酸窒化物の端面コート膜上に反射率を制御するために酸化アルミニウム膜を付与する例が示されたが、この代わりに他の酸化物（酸化シリコン、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化イットリウム、Ａｌ_xＳｉ_yＯ_z）、窒化物（窒化アルミニウム、窒化シリコン）、および酸窒化物（酸窒化アルミニウム、酸窒化シリコン）のいずれの膜が形成されていてもよい。

以上のように、本発明によれば、４３０ｎｍより長い波長領域で発光する窒化物半導体発光素子に関して、光出射端面をエッチングで形成してその端面に酸窒化物のコート膜を形成することによって、特性および寿命が改善された素子を提供することができ、また素子間の特性および寿命のばらつきを低減して素子の信頼性を高めることができる。

本発明による窒化物半導体レーザ素子の共振器端面を模式的に示す正面図である。 本発明による窒化物半導体レーザ素子の模式的上面図である。 複数の窒化物半導体レーザ素子を含むウエハをバー状に劈開した状態を説明するための模式的側面図である。 本発明における複数の窒化物半導体レーザ素子を含むウエハを模式的に示す上面図である。 図４のウエハをバー状態に分割してさらにチップ状に分割する過程を示す模式的上面図である。 本発明による窒化物半導体レーザ素子の作製に利用し得るＥＣＲスパッタ成膜装置を示す模式的断面図である。

符号の説明

１００ 窒化物半導体レーザ素子、１０１ ｎ型ＧａＮ基板、１０２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＮバッファ層、１０３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層、１０４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層、１０５ ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層、１０６ ｐ型ＡｌＧａＩｎＮガイド層、１０７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層、１０８ ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層、１０９ 絶縁膜、１１０ 正電極、１１１ ストライプ状リッジ、１１２ 負電極、１１３ エッチングされた領域、２１３ 共振器の光出射側端面、２１４ Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜、２１５ 酸化アルミニウム、２１６ 共振器の光反射側端面、２１７ Ａｌ_xＯ_yＮ_z膜、２１８ 酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）膜、２１９ ＳｉＯ₂層とＴｉＯ₂層との交互積層を含む高反射膜、２００ 成膜室、２０１ ガス導入口、２０２ マイクロ波導入窓、２０３ 磁気コイル、２０４ ターゲット、２０５ ヒータ、２０６ 試料、２０７ 試料台、２０８ ＲＦ電源、４０１ ウエハ、４０２ リッジ、４０３ エッチング領域、４０４ 正電極。

Claims (8)

1. 窒化物半導体基板上に形成された窒化物半導体積層構造を含み、
   前記窒化物半導体積層構造はインジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を含み、
   前記窒化物半導体積層構造の光出射端面がエッチングにより形成されており、
   前記光出射端面上に酸窒化物からなる端面コート膜が形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記活性層は４３０ｎｍより長いピーク波長を含む光を生じ得ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記活性層はＩｎ_sＧａ_1-sＮ（ｓ≧０．１）の組成を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記窒化物発光素子が半導体レーザであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記端面コート膜がＡｌ_ｘＯ_yＮ_z（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ≦０．３５、０＜ｚ）の組成を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記端面コート膜がＡｌ_xＳｉ_wＯ_yＮ_z（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ≦０．３５、０＜ｚ、０≦ｗ＜０．２）の組成を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記端面コート膜が６ｎｍから２００ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記端面コート膜上に形成された酸化物膜、窒化物膜、および酸窒化物膜のいずれかをさらに含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。

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