JP2010068007A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の密着層のようにｐｎ接合のショートおよび光の吸収を抑制するための膜厚制御性を必要とせず、かつ共振器端面と端面コート膜の密着性を向上させる密着層により、信頼性、生産効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することである。
【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を有した窒化物半導体レーザバー１００の前面側の共振器端面１１３に、六方晶の結晶からなる密着層１１５を積層し、密着層１１５に端面コート膜１１６を積層し、同様に背面側の共振器端面１１４にも六方晶半導体層からなる密着層１１８を積層し、密着層１１８に端面コート膜１１７を積層した構成とする。
【選択図】図４

Description

ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と共振器の端面に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子に関する。

近年、光ディスクの記憶容量の更なる高密度化が要求されており、青色半導体レーザを使用したＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）やＨＤ−ＤＶＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＤＶＤ）の規格化およびデコーダ等の製品化が行われている。これらの新規のディスクは更なる高密度化（二層ディスク対応）および高速書込みを可能とするために、信頼性の高い高出力青色半導体レーザが必要とされている。

従来のＣＤまたはＤＶＤの再生および書込みを行うＡｌＧａＡｓ系またはＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザでは、共振器端面の劣化および共振器端面の光学的な損傷を防ぐためにＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃等の誘電体膜を共振器端面にコーティングしている。この手法を青色半導体レーザに用いると、駆動電流の急速な増加が観察された。そこで、コーティング技術の改善が必要となっている。

特許文献１には、端面劣化の原因の一つが共振器端面と端面コート膜の密着性が良好でないことにあり、共振器端面に金属の密着層を介して端面コート膜を形成する方法が提案されている。

特開２００２−３３５０５３号公報

しかしながら、密着層に金属膜を用いると、共振器端面上におけるｐｎ接合がショートし、さらに光の吸収も大きくなる。窒化物半導体レーザにおいては、発振波長が短く光のエネルギーが大きいので、わずかな光吸収により出射端面が劣化するため、光出力が１００ｍＷを越えるような高出力のデバイスを実現することが困難である。一方、ｐｎ接合のショートおよび光の吸収を抑制する観点からは膜厚が１０ｎｍ以下、より好適には５ｎｍ以下、さらに好適には２ｎｍ以下に制御する必要がある。この場合、膜厚制御の困難さが歩留り低下の原因になる。

本発明は、金属の密着層のようにｐｎ接合のショートおよび光の吸収を抑制するための膜厚制御性を必要とせず、かつ共振器端面と端面コート膜の密着性を向上させる密着層により、信頼性、生産効率の高い窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された電極と、該窒化物半導体層に形成された共振器と、該共振器の端面に形成された密着層と、該密着層上に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
前記密着層と前記窒化物半導体層は六方晶の結晶からなり、
前記端面コート膜は、前記密着層と共通の組成元素を含むことを特徴としている。

この構成によると、密着層として六方晶の結晶を用いることにより、同じく六方晶の単結晶からなる窒化物半導体層との相性がよいため、密着層が共振器の端面に、強固に接合される。

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記密着層がＡｌＮであることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記端面コート膜が酸化物を含んでなることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記端面コート膜がＳｉの窒化物の単層、またはＳｉの窒化物と酸化物の多層構造であることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記密着層を室温以上２００℃以下の温度で成膜することを特徴としている。この構成によると、活性層を劣化させることなく密着層を形成することができる。

本発明によると、密着層として六方晶の結晶を用いることにより、電流のリーク及び光吸収を抑え、且つ端面コート膜を強固に共振器の端面に密着させることができる。その結果、信頼性、生産効率が向上する。

は、窒化物半導体レーザバーの共振器長に垂直な方向の断面図である。 は、共振器長の横方向から見た窒化物半導体レーザバーの側面図である。 は、窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。 は、共振器長の横方向から見た他の窒化物半導体レーザバーの側面図である。 は、密着層をＡｌＮとした窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。 は、従来の窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。

レーザ構造及び電極が形成された窒化物半導体ウエハをダイヤモンドポイントによるスクライブ及びブレークの手法にてバーに劈開する。図１は、窒化物半導体レーザバーの共振器長に垂直な方向の断面図である。窒化物半導体レーザバー１００は、ｎ型ＧａＮ基板１０１側から順に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮバッファ層１０２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０３、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮガイド層１０４、ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層１０５、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮガイド層１０６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層１０８が積層されている。なお、これら窒化物半導体層にはIII−Ｖ族窒化物半導体を用いることができる。

なお、活性層１０５にはＡｓ、Ｐ等のＶ族材料が０．０１〜１０％程度含まれていても良い。ｐ−ＡｌＧａＩｎＮガイド層１０６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１０７及びｐ−ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層１０８の少なくとも一部には、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジ１１１が設けられる。ストライプの幅は、１．２〜２．４μｍ程度、代表的には１．８μｍ程度である。

ｐ−ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層１０８に接してｐ電極１１０が設けられ、ｐ電極１１０下部には、リッジ１１１部分を除いて絶縁膜１０９が設けられている。このように、窒化物半導体レーザバー１００は、いわゆるリッジストライプ構造を有している。さらに、窒化物半導体レーザバー１００の裏面側には、ｎ電極１１２が形成されている。

図２は、共振器長の横方向から見た窒化物半導体レーザバーの側面図である。共振器端面１１３に六方晶の結晶からなる密着層１１５、密着層１１５の表面に端面コート膜１１６、共振器端面１１４に端面コート膜１１７が積層される。密着層１１５としてはＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ等から選定できる。

窒化物半導体レーザバー１００の劈開面が共振器端面１１３、１１４となる。製造方法としては、窒化物半導体レーザバー１００をホルダーに固定してＥＣＲスパッタリング装置に導入する。ＡｒのＥＣＲスパッタにて前面の共振器端面１１３の表面処理を行い、表面の吸着水分および自然酸化膜などの酸化物の除去を行う。この表面処理は、Ａｒ以外にも不活性ガスであるＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅや窒素ガスで行ってもよい。続いて共振器端面１１３の表面にＥＣＲスパッタにて厚さ１０ｎｍのＺｎＯ（密着層１１５）、単層のＡｌ₂Ｏ₃（端面コート膜１１６）を順次成膜する。単層のＡｌ₂Ｏ₃の厚さは反射率が５％になるように３λ／４ｎまたはλ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）付近に設定されている。

次に、ＡｒのＥＣＲスパッタにて背面の共振器端面１１４の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。続いて共振器端面１１４の表面にＥＣＲスパッタにて端面コート膜１１７を成膜する。端面コート膜１１７はＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂を１周期とする４周期分、合計８層の多層膜からなり、反射率が９５％になるように各層の厚さがλ／４ｎに設定されている。多層膜は、一層目（共振器端面１１４側）がＡｌ₂Ｏ₃である。

この窒化物半導体レーザバー１００を窒化物半導体レーザ素子のチップに分割し、パッケージングを行い寿命試験を行った。図３は、窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。試験の条件は、６０℃のパッケージ温度下で、１２０ｍＷの一定ピーク光出力となるパルス電流駆動とした。７個のサンプルについて測定した結果をそれぞれ示している。図３に示すように、通電中の駆動電流の増加は減少し、ＭＴＴＦ（Ｍｅａｎ Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｆａｉｌｕｒｅ；平均故障時間）は約５０００時間（５００、１０００時間の駆動電流増加より予想）であった。そして、端面リーク電流による歩留り悪化は皆無であった。また、通電中の駆動電流の急激な増加は皆無であった。

一方、従来の金属密着層を設けたレーザ素子のＭＴＴＦは約３０００時間、端面リーク電流による歩留り悪化は投入素子：１０個中５個の５０％であった。端面リーク電流が発生したレーザ素子は、エージングの有無に関わらず、初期特性として既に動作電流が大きくなっているものである。また、ＭＴＴＦが悪化している原因として、駆動中に突如、駆動電流値が急激に増加する現象があり、これは、共振器端面での光吸収や、膜の剥がれ、変質により引き起こされた端面の破壊的な劣化に伴うものである。従来の金属層を密着層に用いた場合、密着層がごく薄いとはいえ、光の吸収があるために、このような劣化が引き起こされるが、本発明によれば、密着層１１５の光吸収がなく、また、密着層１１５を介した共振器端面１１３と端面コート膜１１６との間の密着性にも優れ、さらに、密着層１１５自体の品質にも優れるので、このような現象が防止される。

図４は、共振器長の横方向から見た他の窒化物半導体レーザバーの側面図である。共振器端面１１３に六方晶の結晶からなる密着層１１５、密着層１１５の表面に端面コート膜１１６、共振器端面１１４に六方晶の結晶からなる密着層１１８、密着層１１８の表面に端面コート膜１１７が積層されている。

製造方法としては、窒化物半導体レーザバー１００をホルダーに固定してＥＣＲスパッタリング装置に導入する。ＡｒのＥＣＲスパッタにて前面の共振器端面１１３の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。続いて共振器端面１１３の表面にＥＣＲスパッタにて厚さ２０ｎｍのＧａＮ（密着層１１５）、単層のＳｉＯ₂（端面コート
膜１１６）を順次成膜する。単層のＳｉＯ₂の厚さは反射率が５％になるように３λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）付近に設定されている。

次に、ＡｒのＥＣＲスパッタにて背面の共振器端面１１４の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。続いて共振器端面１１４の表面にＥＣＲスパッタにて厚さ２０ｎｍのＧａＮ（密着層１１８）、端面コート膜１１７を成膜する。端面コート膜１１７はＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂を１周期とする４周期分、合計８層の多層膜からなり、反射率が９５％になるように各層の厚さがλ／４ｎに設定されている。

この窒化物半導体レーザバー１００を窒化物半導体レーザ素子のチップに分割し、パッケージングを行い、前述した条件と同様の条件で寿命試験を行った（測定データは省略）。この場合も、通電中の駆動電流の急激な増加は皆無であった。

なお、本実施形態において、密着層１１５、１１８は、透明な半導体であるＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ等の六方晶の結晶であればよい。従来の密着層は金属層であり、この場合、端面コート膜は弱い結合力である分子間力で密着層に接合していたが、窒化物半導体層を形成するＡｌＧａＩｎＮ半導体と同じ結晶系である六方晶の結晶を密着層１１５、１１８に用いることにより、密着層１１５、１１８が、端面コート膜１１６、１１７および共振器端面１１３、１１４により強固に接合する。従って、金属層を密着層に用いた場合に生じていた電流のリーク及び光吸収を抑えつつ、端面コート膜１１６、１１７を、密着層１１５、１１８を介して共振器端面１１３、１１４に強固に密着させることができる。

密着層１１５、１１８が六方晶の結晶であることは、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；透過型電子顕微鏡）での観察により確認が可能である。本発明の密着層１１５、１１８は、観察像のディフラクションパターンを見ると、六方晶の回折パターンが検出される。密着層１１５、１１８が六方晶でない場合、例えば密着層１１５、１１８の共振器端面１１３、１１４に接する部分の一部がアモルファス状であると、共振器端面１１３、１１４との接合が十分に得られないため、膜剥がれの不良が起こり得る。

本発明においては、密着層１１５、１１８が六方晶であることが重要であるが、ただ単に共振器端面１１３、１１４にＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ等を成膜するだけでは、２０ｎｍ以下という薄い膜厚において、六方晶を得ることは困難である。六方晶を得るためには、密着層１１５、１１８の成膜直前に、前述したように共振器端面１１３、１１４へのプラズマ照射により、自然酸化膜や水分といった不純物を除去し、六方晶である窒化物半導体層を完全に露出させることが有効である。他にも、成膜後に熱処理を施すことも六方晶を得るのに有効である。

また、端面コート膜１１６、１１７は、積層する密着層１１５、１１８と共通の組成元素を含む化合物を用いることができる。例えば、ＺｎＯ等の酸素を含む密着層１１５、１１８にはＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ等を含む酸化物を、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ等の窒素を含む密着層１１５、１１８にはＳｉ等を含む窒化物を用いることができる。ＺｎＯとＡｌ₂Ｏ₃のように酸素が共通である場合、界面数原子層にてＺｎ、Ａｌの相互拡散が発生し、Ｚｎ_xＡｌ_yＯ（ｘ＜１、ｙ＜１、ｘ＋ｙ＝１）が生成し、密着層１１５、１１８と端面コート膜１１６、１１７とがより強固に密着する。

また、端面コート膜１１６、１１７は、上記の酸化物や窒化物の多層構造としてもよい。また端面コート膜１１６、１１７はＳｉの窒化物と酸化物の多層構造としてもよい。

また密着層１１５、１１８は、少なくとも共振器の光出射端面と端面コート膜１１６、１１７との間に設けてあればよい。また、密着層１１５、１１８の層厚は２０ｎｍ以下であればクラックが生じずに良好な膜を作製できる。また、密着層１１５、１１８は上記のようにＥＣＲスパッタリング法を用いるほかに、プラズマＣＶＤ法やマグネトロンスパッタリング法を用いてもよい。一般にＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ等の六方晶の結晶はＭＯＣＶＤ法を用いて４００℃以上の高温で成長させられるが、マグネトロンスパッタリング法又はＥＣＲスパッタリング法では室温、プラズマＣＶＤ法では２００℃以下で成長可能である。従って、活性層１０５を劣化させることなく密着層１１５、１１８を形成することができる。

次に、本実施形態において密着層１１５が六方晶のＡｌＮである場合について、より詳細に説明する。

図１の構造を有する窒化物半導体レーザバー１００において、密着層１１５として６ｎｍの六方晶のＡｌの窒化物（ＡｌＮ）が前面の共振器端面１１３および背面の共振器端面１１４に形成されており、前面の端面コート膜１１６として７６ｎｍのＡｌの酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）が形成されている。

密着層１１５と端面コート膜１１６が共通の組成元素としてＡｌを有するため、端面コート膜１１６と密着層１１５との界面数原子層においてＮとＯの相互拡散が発生し、ＡｌＮ_xＯ_y（ｘ＜１、ｙ＜１、ｘ＋ｙ＝１）が生成する。このＡｌＮ_xＯ_yが生成することによって、密着層１１５と端面コート膜１１６の密着性がより良好となる。密着層１１５および端面コート膜１１６の成膜方法としては、Ａｌをターゲットとした反応性スパッタ、例えばＥＣＲスパッタリング法を用いれば、ガスを窒素から酸素に切り替えることができるため、窒化物半導体レーザバー１００をＥＣＲスパッタリング装置から取り出すことなく、密着層１１５と端面コート膜１１６を大気暴露せずに連続して成膜することができる。このため、端面コート膜１１６を形成する前の密着層１１５の表面に、自然酸化膜が生成したり、空気中の不純物が付着したりすることが抑えられるため、密着層１１５を介した共振器端面１１３と端面コート膜１１６との密着性も向上する。

密着層１１５のＡｌＮの層厚は１ｎｍ以下であると厚さが不十分であり、端面コート膜１１６と共振器端面１１３の密着性を向上させる機能を果たさなくなる怖れがある。また、２０ｎｍ以上であると応力によるクラックや膜剥がれが生じてしまう。よって、密着層１１５のＡｌＮの層厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。前面の端面コート膜１１６であるＡｌ₂Ｏ₃の膜厚は、反射率が５％となるように設定されている。この場合、窒化物系半導体レーザ素子であり、レーザ光の発振波長λ＝４００ｎｍ付近である。また、酸化アルミニウムの屈折率ｎ＝１．６であるため、λ／４ｎ＝６２．５ｎｍであるので、７０ｎｍ程度とすることにより、５％の低反射率を実現することができる。なお、背面の端面コート膜１１７は、上述の場合と同じくＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂を１周期とする４周期分、合計８層の多層膜からなり、反射率が９５％になるように各層の厚さがλ／４ｎに設定されている。

この密着層１１５を六方晶のＡｌＮとした窒化物半導体レーザバー１００を分割して窒化物半導体レーザ素子を作製した。これらのうち、４個の窒化物半導体レーザ素子について、７０℃、１００ｍＷ（ＣＷ；Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）の寿命試験を行った。その結果を図５に示す。４素子とも共振器端面の破壊的な劣化による寿命試験中の駆動電流の急激な上昇（頓死）発生は皆無であり、初期駆動電流値の１．４倍となるのに要する予想時間(３００時間と４００時間の増加率より算出)は、４素子平均で１９８４時間(各素子：１００７時間、２８４０時間、１４７０時間、２６２０時間)と良好な特性が得られた。

一方、従来の金属層を密着層に用いた、３個の窒化物半導体レーザ素子（密着層：３ｎｍのＡｌ、端面コート膜：８０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃）の、７０℃、１００ｍＷ（ＣＷ）の寿命試験結果を図６に示す。３個の素子の内、３００時間以内に２個の素子でリークによると考えられる頓死が発生している。頓死していない１個の素子についても、駆動電流の増加は、本実施の形態の窒化物半導体レーザに比べて大きく、初期駆動電流値の１．４倍となるのに要する予想時間（３００時間と４００時間の増加率より算出）は、４２３時間と短くなっている。

以上のように、密着層１１５としてＡｌＮ、端面コート膜１１６としてＡｌ₂Ｏ₃を用いた窒化物半導体レーザ素子は、従来の金属層を密着層として用いた場合に比べて寿命試験結果に大きな改善が見られた。

なお、本実施形態では、劈開によって形成した窒化物半導体端面に関して詳細に記述したが、端面がＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）ＩＣＰなどの気相エッチング、ＫＯＨ（水酸化カリウム）などの溶液によるウエットエッチングによって、形成されたもの（エッチドミラー）であっても、本発明はなんら問題なく適用できる。

本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体レーザ装置、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。

１００ 窒化物半導体レーザバー
１１３、１１４ 共振器端面
１１５、１１８ 密着層
１１６、１１７ 端面コート膜

Claims (5)

1. 窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された電極と、該窒化物半導体層に形成された共振器と、該共振器の端面に形成された密着層と、該密着層上に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
   前記密着層と前記窒化物半導体層は六方晶の結晶からなり、
   前記端面コート膜は、前記密着層と共通の組成元素を含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記密着層がＡｌＮであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記端面コート膜が酸化物を含んでなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記端面コート膜がＳｉの窒化物の単層、またはＳｉの窒化物と酸化物の多層構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記密着層を室温以上２００℃以下の温度で成膜することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。

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