專利名稱：半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種半導(dǎo)體激光器，尤其涉及到活性層使用ni族氮 化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
以氮化鎵為代表的m族氮化物半導(dǎo)體可獲得高效的青紫色發(fā)光，
因此作為發(fā)光二極管(light emitting diode ; LED)、激光二極管(laser diode ; LD)等半導(dǎo)體激光器的材料而受到矚目。其中，LD作為大容量 光盤(pán)裝置的光源而受到追捧，近些年來(lái)，作為寫(xiě)入用光源，高輸出LD 的開(kāi)發(fā)投入了較大精力。
圖13表示現(xiàn)有例中的典型的氮化鎵系光半導(dǎo)體元件的構(gòu)造。該光 半導(dǎo)體元件如下制造在GaN基板101上依次層疊n型披覆層102、 光導(dǎo)層103、活性層104、光導(dǎo)層105、 p型披覆層106后，通過(guò)干式 蝕刻將p型披覆層106加工為脊?fàn)?。P型披覆層106除了脊部106a的 頂部外，被絕緣膜107覆蓋，至少在脊部106a上設(shè)置p型電極108。 在GaN基板101的背面設(shè)置n型電極109。狹窄電流在p型電極108 中形成，通過(guò)調(diào)整脊部106a的脊寬及脊高，進(jìn)行橫向模式的控制。在 脊部106a的長(zhǎng)軸方向(圖13的紙張的垂直方向)兩側(cè)的端面，從劈 開(kāi)形成的共振器反射鏡(未圖示)射出激光。在共振器反射鏡的表面 形成由電介質(zhì)構(gòu)成的端面保護(hù)膜(未圖示)。
端面保護(hù)膜的要素包括無(wú)激光的吸收、獲得所需的反射率、與 半導(dǎo)體的密著性良好等，從制造角度出發(fā)，可進(jìn)行控制性、生產(chǎn)性良 好的成膜是非常重要的。從這一角度出發(fā)，端面保護(hù)膜一般使用通過(guò) 濺射、CVD、蒸鍍等方法成膜的A1203、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Ta205、Nb205等氧化物，MgF2、 CaFz等氟化物，A1N、 Si3N4等氮化物。
作為端面保護(hù)膜，在激光射出側(cè)端面形成低反射(Anti-reflecting; AR)膜、在相反側(cè)的端面形成高反射(High-reflecting; HR)膜的半 導(dǎo)體激光可提高激光的射出效率，并提高到達(dá)端面光學(xué)損傷 (Catastrophic Optical Damage; COD)的臨界光輸出(以下稱為COD 等級(jí))。因此，可進(jìn)行較短時(shí)間內(nèi)的高輸出動(dòng)作，但長(zhǎng)時(shí)間的高輸出 動(dòng)作會(huì)損傷端面保護(hù)膜，半導(dǎo)體激光器的可靠性降低。因此，在半導(dǎo) 體激光器中，為了抑制端面保護(hù)膜的損傷，提高壽命，例如在專利文 獻(xiàn)1中，提出了降低涂膜(端面保護(hù)膜)的內(nèi)部應(yīng)力的方案。
并且，對(duì)于氮化物半導(dǎo)體激光器，長(zhǎng)時(shí)間高輸出驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生端面保 護(hù)膜和半導(dǎo)體之間的界面反應(yīng)，界面反應(yīng)降低可靠性。因此，為了抑 制端面保護(hù)膜和半導(dǎo)體的界面反應(yīng)，例如在專利文獻(xiàn)2中，提出了使 與半導(dǎo)體層連接的AR涂膜(端面保護(hù)膜)的膜密度為形成AR涂膜的 材料的理想密度的3/4以上。
并且，在專利文獻(xiàn)3中，在形成端面涂膜(端表面保護(hù)膜)前， 通過(guò)使共振器端面暴露在惰性氣體的等離子氣氛中，或在真空或惰性 氣氛中以30'C以上70(TC以下的溫度加熱，使共振器端面清潔化、平 坦化。并且，在專利文獻(xiàn)3中，在端面涂膜(端面保護(hù)膜)和共振器 端面之間使由A1等金屬、該金屬的氮氧化物等構(gòu)成的密著層較薄，可 增加端面涂膜對(duì)共振器端面的密著性，提高可靠性。
并且，在專利文獻(xiàn)4中，在共振器端面的至少一方具有添加了氫 的第一電介質(zhì)膜，在上述第一電介質(zhì)膜和上述共振器端面之間具有第 二電介質(zhì)膜，其防止氫的擴(kuò)散，厚度是不對(duì)端面反射率造成影響程度 的厚度，在上述共振器端面和上述第二電介質(zhì)膜之間，具有透過(guò)氫的 第三電介質(zhì)膜，從而在端面涂膜(端面保護(hù)膜)中具有氫添加膜，此 時(shí)即使半導(dǎo)體激光器暴露于高溫狀態(tài)下，也可防止端面涂膜剝離、端面涂膜變質(zhì)。
專利文獻(xiàn)l:日本特開(kāi) 專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi) 專利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi) 專利文獻(xiàn)4:日本特開(kāi)
2002-223026號(hào)公報(bào) 2007-165711號(hào)公報(bào) 2002-335053號(hào)公報(bào) 2005-333157號(hào)公報(bào)
根據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，使在輸出100mW下動(dòng)作時(shí)壽命為1000小時(shí) 以上的氮化物半導(dǎo)體激光元件提高輸出而在150mW下動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生以 下問(wèn)題在通電動(dòng)作中觀察到動(dòng)作電流的變動(dòng)，最后振蕩突然停止。
對(duì)其原因進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題是由于共振器端面中激光射 出側(cè)的端面的端面破壞引起的，該端面破壞如下產(chǎn)生。在高輸出驅(qū)動(dòng) 時(shí)的半導(dǎo)體激光器端面，因由表面態(tài)、保護(hù)膜形成時(shí)導(dǎo)入的點(diǎn)缺陷、 界面改性層等吸收激光，激光射出部分的溫度上升。因該溫度上升， 激光射出端面上形成的端面保護(hù)膜膨脹，因此由于與半導(dǎo)體的熱膨脹 系數(shù)差，施加到端面保護(hù)膜的壓縮應(yīng)力增大，造成局部性膜剝離。這 種情況下，因端面反射率改變，引起動(dòng)作電流的變動(dòng)。并且，半導(dǎo)體 端面變?yōu)楸┞队跉夥罩械臓顟B(tài)，端面附近的結(jié)晶劣化。該劣化的結(jié)晶 區(qū)域吸收激光，所以在端面附近具有更高的熱。該熱量進(jìn)一步促進(jìn)了 端面劣化，因這種惡性循環(huán)最終變?yōu)镃OD。
而在專利文獻(xiàn)1、 2、 3提案的半導(dǎo)體激光器中，無(wú)法完全抑制這 種端面保護(hù)膜的局軀剝離。
并且，在專利文獻(xiàn)4提案的半導(dǎo)體激光器中，當(dāng)端面保護(hù)膜中的 第三電介質(zhì)膜的氫濃度分布不均時(shí)，無(wú)法抑制膜膨脹。并且，防止氫 擴(kuò)散的第二電介質(zhì)膜需要具有較高的致密性，所以應(yīng)力變得相當(dāng)大。 因此，無(wú)法完全抑制端面涂膜的局部性膜剝離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要課題在于提供一種COD耐性強(qiáng)、高輸出且長(zhǎng)壽命的
氮化物半導(dǎo)體激光元件，能夠抑制高輸出長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)時(shí)共振器端面的 端面保護(hù)膜的膜剝離。
本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種半導(dǎo)體激光器，從活性層的端面射 出激光，其特征在于，具有保護(hù)膜，該保護(hù)膜設(shè)置在射出上述激光的 上述端面上，并且由單層或多層的電介質(zhì)膜構(gòu)成，上述保護(hù)膜中的氫 濃度分布大致均勻。
根據(jù)本發(fā)明，激光射出側(cè)上形成的保護(hù)膜中的氫濃度分布均勻， 因此使激光器以高輸出長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作時(shí)，能夠抑制因激光射出部的局部 發(fā)熱引起保護(hù)膜中的氫擴(kuò)散，從而能夠抑制保護(hù)膜中的應(yīng)力變化。


圖1是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的構(gòu)
成的(A)剖視圖及(B) X-X'之間的局部剖視圖。
圖2是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的制 造方法的第1步驟剖視圖。
圖3是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的制 造方法的第2步驟剖視圖。
圖4是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的制 造方法的第3步驟剖視圖。
圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的第一保護(hù)膜 和第二保護(hù)膜的厚度dl、 d2和AR反射率的關(guān)系的圖。
圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的AR膜中的 氫濃度分布的SIMS分析結(jié)果的一例的圖。
圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的AR膜中使 用的電介質(zhì)膜的膜應(yīng)力和成膜條件的關(guān)系的圖。
圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的AR膜中的氫濃度比和元件壽命的關(guān)系的圖。
圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的第二保護(hù)膜 (八1203膜)厚度和元件壽命的關(guān)系的圖。
圖IO是表示本發(fā)明的實(shí)施例l涉及的半導(dǎo)體激光器的第一保護(hù)膜
(TiOj莫)厚度和元件壽命的關(guān)系的圖。
圖ii是表示本發(fā)明的實(shí)施例r涉及的半導(dǎo)體激光器的第二保護(hù)膜
(八1203膜)的內(nèi)部應(yīng)力和元件壽命的關(guān)系的圖。
圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施例l涉及的半導(dǎo)體激光器的AR膜的總 應(yīng)力和元件壽命的關(guān)系的圖。
圖13是示意性地表示具有脊型波導(dǎo)構(gòu)造的現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器 的構(gòu)造的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的實(shí)施方式中， 一種半導(dǎo)體激光器，從活性層(圖1中 的5)的端面射出激光，其具有保護(hù)膜(圖1中的20)，該保護(hù)膜設(shè) 置在射出上述激光的上述端面上，并且由單層或多層的電介質(zhì)膜構(gòu)成， 上述保護(hù)膜(圖1中的20)中的氫濃度分布大致均勻。
(實(shí)施例1)
參照

本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器。圖1是示 意本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的構(gòu)成的(A)剖視圖及(B) X-X，間的局部剖視圖。此外，圖1 (A)是從與共振器端面垂直的剖面 觀察的圖，圖1 (B)是與共振器端面平行的剖面且激光射出端面附近 的圖。
參照?qǐng)Dl (A)，半導(dǎo)體激光器是從3周期多量子阱活性層5的端 面射出激光的脊條型的元件。半導(dǎo)體激光器在n型GaN基板1上依次 層疊摻Si的n型GaN層2、 n型披覆層3、 n型光限制層4、 3周期多 量子阱活性層5、蓋層6、 p型光限制層7，在p型光限制層7上依次 層疊形成為條狀的p型披覆層8、 p型連接層9、 p型電極14，在p型披覆層8的側(cè)壁面、p型連接層9的側(cè)壁面、p型光限制層7上形成Si02
膜12， p型電極14及Si02膜12上被覆覆蓋電極15，在n型GaN基板 1的背面(圖l (A)的下側(cè)的面)上形成n型電極16。
參照?qǐng)D1 (B)，半導(dǎo)體激光器中，p型披覆層8的長(zhǎng)軸方向的兩 端面成為通過(guò)劈開(kāi)形成的共振器端面，在共振器端面的表面形成由電 介質(zhì)形成的端面保護(hù)膜。共振器端面中，在激光射出側(cè)端面形成低反 射(Anti-reflecting; AR)膜20作為保護(hù)膜，在相反側(cè)的端面形成高反 射(High-reflecting; HR)膜(未圖示)作為保護(hù)膜。
n型GaN基板1例如可使用n型GaN (0001)基板。
摻Si的n型GaN層2可使用Si濃度4X 1017cm—3的摻Si的n型 GaN層，厚度為m。
n型披覆層3可使用Si濃度4 X 1017cm'3的摻Si的n型Al^Ga^N,
厚度為2// m。
n型光限制層4可使用Si濃度4X 1017cnT3的摻Si的n型GaN， 厚度為O.ly m。
3周期多量子阱活性層5是由作為構(gòu)成元素含有Ga的m族氮化物 半導(dǎo)體構(gòu)成的層。3周期多量子阱活性層5可使用從下層側(cè)開(kāi)始依次層 疊了由Iti(U5Gao.85N構(gòu)成的厚3nm的阱層、由Si濃度1X10"cm-3的摻 Si的In謹(jǐn)Gao.99N構(gòu)成的厚4nm的阻擋層的材料。
蓋層6可使用Mg濃度2X 1019cnT3的摻Mg的p型Alo.2Gaa8N， 厚度為10nm。
p型光限制層7可使用Mg濃度2 X 1019cm-3的摻Mg的p型GaN，厚度為0.1 m。
p型光披覆層8可使用Mg濃度lX1019cm'3的摻Mg的p型 AlalGaQ.9N，厚度為0.5wm。 p型光披覆層8在圖1中形成為條狀，但 也可通過(guò)干式蝕刻形成為脊?fàn)睢?br> p型連接層9可使用Mg濃度1 x 102Qcm'3的摻Mg的p型GaN， 厚度為0.2m m。 p型連接層9與p型Alo.,Gao.9N披覆層8對(duì)應(yīng)地形成 為條狀。
Si02膜12是由Si02構(gòu)成的絕緣膜，覆蓋p型披覆層8的側(cè)壁面、 p型連接層9的側(cè)壁面及p型光限制層7。
p型電極14可使用通過(guò)電子束沉積的Pd/Pt。
覆蓋電極15可使用通過(guò)濺射沉積的、依次層疊了 50nm的Ti、 100nm的Pt、 2/zm的Au的金屬層疊體。
n型電極16可使用從n型GaN基板1 一側(cè)開(kāi)始依次真空蒸鍍了 5nm的Ti、 20nm的Al、 10nm的Ti、 500nm的Au的金屬層疊體。
AR膜20由單層或多層的電介質(zhì)膜構(gòu)成。AR膜20優(yōu)選在和半導(dǎo) 體(1~7)的端面的界面附近區(qū)域配置含有Ti、 Zr、 Nb、 Ca、 Mg中的 任意一種的電介質(zhì)材料，尤其優(yōu)選含有Ti的電介質(zhì)膜。這些元素具有 易于與氫結(jié)合的性質(zhì)，因此可良好地抑制膜中的氫擴(kuò)散。尤其是，通 過(guò)含有Ti，可同時(shí)兼顧反射率的良好控制、保護(hù)膜的內(nèi)部應(yīng)力a乘以 膜厚d的總應(yīng)力S= C7 d (N/m)的降低，抑制保護(hù)膜和半導(dǎo)體的局 部性膜剝離，改善元件可靠性。AR膜20通過(guò)由濺射、蒸鍍形成的Al203、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Ta205、 1^205等氧化物，MgF2、 CaF2等氟化物， A1N、 Si3N4等氮化物適當(dāng)組合折射率、膜厚，可穩(wěn)定地形成，能夠提高激光的取出效率，進(jìn)行激光的高輸出動(dòng)作。
AR膜20是單層膜時(shí)，相對(duì)于激光振蕩波長(zhǎng)1的電介質(zhì)膜的折射
率n而言，其膜厚d優(yōu)選為l/2n以下，進(jìn)一步優(yōu)選為X/4n以下。
AR膜20是多層膜時(shí)，作為第一保護(hù)膜21，優(yōu)選使用電介質(zhì)材料
中激光振蕩波長(zhǎng)義的折射率高的材料、例如Ti02 (折射率2.6) 、 Nb205 (折射率2.5) 、 Zr02 (折射率2.2)等，作為第二保護(hù)膜22，優(yōu)選使
用上述電介質(zhì)材料中折射率低的材料、例如A1203 (折射率1.7) 、 Si02 (折射率1.4)。由這些材料形成雙層AR膜20時(shí)，使第一保護(hù)膜21 (折射率m)的厚度A、第二保護(hù)膜22 (折射率ri2)的厚度^為0<
dj《；i/4rM、 (Xd2《幾/2n2的范圍，可進(jìn)行良好的反射率控制，進(jìn)一步
優(yōu)選(Xd!《10nm、 0<d2《X/4n2。
為了降低壓縮方向的總應(yīng)力，優(yōu)選使構(gòu)成AR膜20的電介質(zhì)膜的 壓縮方向的內(nèi)部應(yīng)力盡量小。電介質(zhì)膜的內(nèi)部應(yīng)力可通過(guò)制膜方法、 制膜條件來(lái)控制。以單層膜評(píng)價(jià)時(shí)，優(yōu)選膜應(yīng)力o ( 、<r2)乘以AR
膜所采用的厚度d (d,、 d2)而得到的總應(yīng)力S = OXd ((^xdi + CJ2Xd2)
大于ON/m且為10N/m以下，進(jìn)一步優(yōu)選2N/m以下。
AR膜20優(yōu)選對(duì)激光的端面反射率為0.1~30%。 AR膜20在可獲 得良好的反射率的范圍內(nèi)，優(yōu)選盡量使其整體膜厚較薄。這樣一來(lái)， 可降低AR膜20的壓縮方向的總應(yīng)力，因此可抑制高輸出激光驅(qū)動(dòng)時(shí) 的AR膜20的局部性膜剝離。
AR膜20優(yōu)選膜厚方向的氫濃度分布基本平均。這樣一來(lái)，和高 輸出激光驅(qū)動(dòng)時(shí)相比可抑制AR膜20中的應(yīng)力分布局部變化，因此抑 制了膜剝離。AR膜20中的氫濃度分布可使用以下方法等平均化使 用濺射、蒸鍍等真空成膜技術(shù)，向成膜的氛圍添加氫而調(diào)整流量并進(jìn) 行成膜；成膜前通過(guò)加熱處理、等離子清潔等使半導(dǎo)體表面充分正?；?，減少膜中氫濃度。優(yōu)選使與半導(dǎo)體(1~7)的界面附近的氫濃度與
AR膜20中的表面附近的氫濃度之比為0.5以上且2以下。
HR膜(未圖示)由組合了低折射率的電介質(zhì)膜和高折射率的電介 質(zhì)膜的多層膜構(gòu)成，優(yōu)選對(duì)激光的反射率為70~99%。 HR膜通過(guò)由濺 射、蒸鍍形成的八1203、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Ta205、 ^13205等氧化物， MgF2、 CaF2等氟化物，A1N、 Si3N4等氮化物適當(dāng)組合折射率、膜厚， 可穩(wěn)定地形成，能夠提高激光的取出效率，進(jìn)行激光的高輸出動(dòng)作。
接著參照

本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光的制造方 法。圖2 圖4是示意本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光的制造方法 的步驟剖視圖。
前提是，在半導(dǎo)體激光器的制造中可使用300hPa的低壓MOVPE (Metalorganic vapor phase epixaxy: 金屬有機(jī)氣相夕卜延)裝置。載氣 (Carrier gas)使用氫和氮的混合氣體，作為Ga、 Al、 In源分別使用 三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)、三甲基銦(TMI) ， n型摻 雜劑可使用硅烷(SiH4) ， p型摻雜劑可使用二茂鎂(Cp2Mg)。
首先，將由n型GaN (0001)基板構(gòu)成的n型GaN基板1投入到 低壓MOVPE裝置后，提供NH3并使n型GaN基板升溫，在到達(dá)生長(zhǎng) 溫度的時(shí)候開(kāi)始生長(zhǎng)。在n型GaN基板l上，使Si濃度4xl017cnT3的 摻Si的n型GaN層2生長(zhǎng)到厚度lpm為止，在慘Si的n型GaN層2 上，使由Si濃度4xl017cm-3的摻Si的n型Al(uGao.9N構(gòu)成的n型披覆 層3生長(zhǎng)到厚度2pm為止，在n型披覆層3上，使由Si濃度4xl017CnT3 的摻Si的n型GaN構(gòu)成的n型光限制層4生長(zhǎng)到厚度O.lprn為止。接 著，在n型光限制層4上使由Intu5Ga。.85構(gòu)成的阱層生長(zhǎng)到厚度3nm 為止，在阱層上，使由Si濃度lxl018cirT3的摻Si的Ino.(nGa。.99N構(gòu)成 的阻擋層生長(zhǎng)到厚度4nm為止，從而形成3周期多量子阱活性層5。 接著，在3周期多量子阱活性層5上，使由Mg濃度2xl0^cm^的摻Mg的p型Al(uGao.sN構(gòu)成的蓋層6生長(zhǎng)到厚度為lOrnn為止，在蓋層 6上，使由Mg濃度2xl019cm—3的摻Mg的p型GaN構(gòu)成的p型光限制 層7生長(zhǎng)到厚度為0.1pm為止。接著，在p型光限制層7上，使由Mg 濃度lxl019cn^3的摻Mg的p型Al(uGao"N構(gòu)成的p型披覆層8生長(zhǎng)到 厚度為0.5pm為止，在p型披覆層8上，由Mg濃度lxl0^cm's的摻 Mg的p型GaN構(gòu)成的p型連接層9生長(zhǎng)到厚度為20nm為止(步驟 Al,參照?qǐng)D2 (A))。
此外，GaN層(摻Si的n型GaN層2、 n型光限制層4、 p型光 限制層7、 p型連接層9)的生長(zhǎng)可在基板溫度1080°C、 TMG供給量 58pmol/min、 NH3供給量0.36mol/min下進(jìn)行。并且，AlGaN層(n型 披覆層3、蓋層6、 p型披覆層8)的生長(zhǎng)可在基板溫度1080°C、 TMA 供給量36nmol/min、 TMG供給量58^miol/min、 NH3供給量0.36mol/min 下進(jìn)行。此外，在基板溫度80(TC、 TMG供給量8pmol/min、 NH3供給 量0.36mol/min時(shí)，InGaN層(3周多量阱活性層5)的生長(zhǎng)可在阱層 中的TMI供給量48pmol/min下進(jìn)行，在阻擋層中的TMI供給量 3|imol/min下進(jìn)行。
接著，在通過(guò)步驟Al制造的晶片的p型連接層9上形成Si02膜 10 (步驟A2，參照?qǐng)D2 (B))。
接著，通過(guò)光刻法形成寬1.3|Lim的Si02條10a (步驟A3，參照?qǐng)D 2 (C))。
接著，以Si02條10a為掩模，通過(guò)干式蝕刻，去除p型連接層9 及p型披覆層8，直到p型光限制層7出現(xiàn)為止(步驟A4，參照?qǐng)D3 (A))。這樣一來(lái)，在p型光限制層7上形成條狀的p型連接層9及 p型披覆層8。此外，也可去除p型披覆層8的一部分，使p型披覆層 8形成為脊構(gòu)造。
13接著，去除SiO2條10a，在包括p型連接層9及p型披覆層8在 內(nèi)的p型光限制層7上沉積SiOj莫12，之后在SiOj莫12上較厚地涂 布抗蝕劑13 (步驟A5，參照?qǐng)D3 (B))。
接著，在氧等離子中通過(guò)蝕刻去除抗蝕劑13的一部分，從而露出 SiOj莫12的脊頭部分(步驟A6，參照?qǐng)D3 (C))。
接著，用緩沖氫氟酸(Buffered Hydrofluoric Acid)去除Si02膜 12的脊頭部分，之后用電子束沉積Pd/Pt，通過(guò)掀去法(Liftoff)(去 除抗蝕劑13及其上的Pd/Pt)，在p型連接層9上形成p型電極14 (步 驟A7，參照?qǐng)D4 (A))。
接著，在氮?dú)夥罩幸?0(TC進(jìn)行30秒的RTA (Rapid Thermal Annealing:急速熱處理)，形成p歐姆電極，之后通過(guò)濺射沉積50nm 的Ti、 100nm的Pt、 2pm的Au，從而形成覆蓋電極15 (步驟A8，參 照?qǐng)D4 (B))。
接著進(jìn)行晶片背面(n型GaN基板1的背面)的研磨，使晶片厚 度減薄到lOOpm厚度，從n型GaN基板1 一側(cè)依次真空蒸鍍5nm的 Ti、 20nm的Al、 10nm的Ti、 500nm的Au，從而形成n型電極16(步 驟A9，參照?qǐng)D4 (C))。
接著，將形成了電極16后的晶片在與條狀的p型披覆層8的長(zhǎng)軸 垂直的方向上劈開(kāi)，形成共振器長(zhǎng)60(Him的激光器棒(Laser bar)(步 驟AIO)。
接著，在通過(guò)步驟A10制造的激光器棒的共振器端面上形成端面 保護(hù)膜(步驟All)。端面保護(hù)膜使用通過(guò)真空蒸鍍法、濺射法等方 法制造的電介質(zhì)膜。在端面保護(hù)膜的形成中，可使用RF磁控濺射裝置。在端面保護(hù)膜的形成中，首先在激光射出側(cè)端面形成反射率
0.1 22%的AR膜20 (參照?qǐng)D1 (B))，接著在其相反側(cè)的端面上形 成具有90y。以上的反射率的HR膜。具體如下。
將通過(guò)步驟A10制造的激光器棒投入到RF磁控濺射裝置的真空 進(jìn)樣室，在200。C下進(jìn)行0 60min的加熱處理。之后，傳送到濺射室， 當(dāng)濺射裝置內(nèi)的極限真空度達(dá)到6xlO-Spa時(shí)，將Ar導(dǎo)入到濺射裝置內(nèi)， 以0.4 3.3Pa的范圍設(shè)定Ar氣的壓力后，作為第一保護(hù)膜21成膜Ti02 后，作為第二保護(hù)膜22成膜A1203，從而作為AR膜20。濺射靶分別 使用高純度的Ti02、 A1203，投入電力可以是0.2 1.2kW。 Ti02、 A1203 各自的厚度d!、 d2分別設(shè)為(Xd,《X/4iM、 (Xd2《人/2ri2的范圍。其中， X是激光振蕩波長(zhǎng)405nm， n！是405nm下的Ti02的折射率2.6， 112是 405nm下的A1203的折射率1.7。 GaN的折射率為2.5時(shí)，使c^、 d2為 上述范圍，從而可在AR反射率(以下為Rf)為0.1 22%的范圍內(nèi)良 好地進(jìn)行控制(參照?qǐng)D5)。
形成了 AR膜20的激光器棒暫時(shí)從濺射裝置取出后，再次在濺射 裝置中在相反側(cè)的端面形成由Si02/ Ti02多層膜構(gòu)成的反射率卯％的 HR膜。
之后，進(jìn)行形成了端面保護(hù)膜的激光器棒的元件分離(步驟A12)。 在此，制造出元件寬30(Him的激光器芯片。
將通過(guò)以上步驟獲得的激光器芯片熔著到散熱器(步驟A13)。 從而獲得氮化物半導(dǎo)體激光器。
(氫濃度分布)
接著說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的AR膜20中的 氫濃度分布。AR膜20中的氫濃度分布通過(guò)SIMS分析(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry: 二次離子質(zhì)量分t斤)求出。作為分 析試料，使用在40(Hmi厚的GaN基板的劈開(kāi)面上成膜了如下多層膜的 材料和實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器上形成的AR膜20的構(gòu)成相同， 成膜條件相同的多層膜。
圖6表示結(jié)果的一例。不進(jìn)行加熱處理而成膜時(shí)(加熱處理0h)， Ti02中的氫濃度約為1.3xl021cm—3，八1203中的氫濃度約為2.1 x 102Qcm'3, 其比為6.2。另一方面，進(jìn)行l(wèi)h加熱處理時(shí)，Ti02中的氫濃度約為 2.5xlQ2Qcm-3， A1203中的氫濃度約為2.2x102Qcm-3，其比約為l.l。
(內(nèi)部應(yīng)力)
接著說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光的AR膜20的內(nèi)部 應(yīng)力。
首先，在和構(gòu)成上述第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光元件上形成的AR 膜的各電介質(zhì)膜相同的成膜條件下，形成lOOnm厚的單層膜的GaAs 基板，測(cè)定整體的翹曲量，根據(jù)以下數(shù)學(xué)式1求出各電介質(zhì)膜的內(nèi)部 應(yīng)力。<formula>formula see original document page 16</formula>
此外，數(shù)學(xué)式1中的E是GaAs基板的楊式模量，v是GaAs基板 的泊松比，l是GaAs基板的長(zhǎng)度，b是GaAs基板的厚度，d是單層的 保護(hù)膜的厚度，S表示位移。其中，E代入GaAs的楊式模量，v代入 GaAs的泊松比。艮卩，GaAs的楊氏模量為8.5><101() (Pa)，泊松比為 0.32。
此外，由上述數(shù)學(xué)式1得到的內(nèi)部應(yīng)力的符號(hào)為"-"時(shí)表示壓縮應(yīng)力，為"+ "時(shí)表示拉伸應(yīng)力。
AR膜20的總應(yīng)力S為通過(guò)上述公式得到的第一、第二保護(hù)膜的 膜應(yīng)力(o" cj2)乘以各膜厚(山、d2)而得到的結(jié)果的總和，通過(guò)以 下數(shù)學(xué)式2求出。
(數(shù)學(xué)式2)
通過(guò)濺射法成膜的電介質(zhì)膜的內(nèi)部應(yīng)力(t可通過(guò)成膜條件來(lái)控
制。作為一例，圖7表示Al203的內(nèi)部應(yīng)力的成膜條件依賴性。 一般情
況下，濺射壓力越高，并且靶投入電力越低，濺射粒子的能量越低。 因此，抑制了到達(dá)基板表面的濺射物的遷移，膜密度減少，并且離子 化效果降低，所以電介質(zhì)膜的壓縮應(yīng)力降低。進(jìn)一步，也受試料溫度、 試料-靶間距離、成膜時(shí)添加的氣體種類(氧、氮、氫等)左右。它們 緊密相關(guān)，優(yōu)選范圍較大，但本發(fā)明人研究的結(jié)果是，優(yōu)選投入電力
為(U 2.4kW， Ar氣壓力為(U 4Pa，試料-耙間距離為50 120mm，試 料溫度為25~300°C。在實(shí)施例1中，試料-靶間距離80mm、試料溫度 20(TC下成膜下表所示的AR膜20。表1
第一保護(hù)膜Ti02 (折射率ni二Z6)第二保護(hù)膜A1203 (折射率!12=1.7〉總應(yīng)力 (N/m)前表面反射率Rf (%)
投入電力 (kW)壓力 (Pa)膜厚山 (師)內(nèi)部應(yīng)力o, (MPa)投入電力 (kW)壓力 (Pa)膜厚d2 (腦)內(nèi)部應(yīng)力CJ2 (MPa)
0.21.438.5-280.61.425.0-68-2.815
0.21—438.5-280.61,412,0-68-1.920
0,21.438.5-280.61.443.0-68-4.05
0.21.438,5-280.61.496.0-68-7.615
0-21.43.8-280.61.425.0-68-1.813
0.21.49.6-280.61.425.0-68-2.014
0.21.419.2-280.61.425.0-68-2.215
0.21.49.6-280.33.325.0-54-1.614
0,21.49.6-281.20.425.0-93-2.614
(壽命試驗(yàn))
接著說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器的壽命。
圖8是表示AR膜中的氫濃度比和80°C、 150mWAPC試驗(yàn)中的元 件壽命的關(guān)系的圖。圖8中，元件壽命以1000h為上限，元件壽命小 于1000h的元件均描繪因激光射出端面的COD (端面光學(xué)損傷)的突 發(fā)性的劣化而停止驅(qū)動(dòng)的時(shí)間。其中，第一保護(hù)膜(Ti02)和第二保護(hù) 膜(A1203)的成膜條件和厚度(山、d2)分別固定為Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、 4 = 38.5歸、A1203: 0.6kW、 1.4Pa、 d2=25nm，通過(guò)使成膜前的加熱 處理時(shí)間在0、 20、 40、 60min上改變，從而改變氫濃度比。
此時(shí)，前表面反射率Rf=15%,各保護(hù)膜的內(nèi)部應(yīng)力是<j1 = -30MPa， o2 = -60MPa，總應(yīng)力S = -2.8N/m。并且，AR膜20中的氫濃 度比(Ti02中氫濃度/Ab03中氫濃度)分別為6.2、 3.8、 1.8、 1.1。
18從圖8可知，隨著氫濃度比接近l，即隨著AR膜20中的氫分布
變得平均，元件壽命迅速改善，在氫濃度比2以下，抑制了COD造成 的突發(fā)劣化。此外，在AR膜20中，即使轉(zhuǎn)換第一保護(hù)膜21和第二保 護(hù)膜22之間的氫濃度的大小關(guān)系(氫濃度比小于1;第一保護(hù)膜21的 氫濃度小于第二保護(hù)膜22的氫濃度時(shí))，也可獲得同樣的效果。
為了研究該改善效果的原因，使氫濃度比6.2的元件和氫濃度比 1.1的元件在80°C、 lOOmW下驅(qū)動(dòng)100小時(shí)，通過(guò)剖面TEM (Transmission Electron Microscope:透身寸電子顯微鏡)進(jìn)4亍AR膜20 的端面附近的分析。
其結(jié)果是，在氫濃度比6.2的元件中，在活性層附近AR膜膨脹， 在該區(qū)域中，Ti02和半導(dǎo)體的界面產(chǎn)生空隙，而在氫濃度比1.1的元件 中，未發(fā)現(xiàn)這種空隙(膜剝離)。
從這些結(jié)果可知，AR膜20中的氫濃度分布高時(shí)，AR膜20的局 部剝離造成COD等級(jí)降低，因此元件可靠性下降，通過(guò)成膜前的加熱 處理使AR膜20中的氫濃度分布平均化，從而可抑制端面劣化。
圖9是表示80°C、 200mW下驅(qū)動(dòng)100小時(shí)后的剖面TEM觀測(cè) (80°C、 200mWAPC試驗(yàn))中的元件壽命和A1203厚度的關(guān)系的圖。 其中，成膜前的加熱處理時(shí)間為lh， Ti02和八1203的成膜條件和厚度 (d。 d2)分別是Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、山-38.5nm， A1203: 0.6kW、 1.4Pa、d2-12、25、43、96nm。此時(shí)，各保護(hù)膜的內(nèi)部應(yīng)力是q-誦28MPa、 o2=-68MPa，總應(yīng)力S和Rf分別是S = -1.9、 -2.8、 -4、 -7.6N/m、 Rf =205、 5、 15%。 Rf越低的元件，端面光密度減小，因此初始COD等 級(jí)具有較高的值，但如圖9所示，可靠性不取決于Rf， Al203厚度越薄 的元件，越得到改善。進(jìn)一步，通過(guò)80。C、 200mW下驅(qū)動(dòng)100小時(shí)后 的剖面TEM觀測(cè)，確認(rèn)了對(duì)于d2 = 96nm(Rf = 15%，總應(yīng)力S = -7.6N/m) 的元件，AR膜20的膜剝離。圖10是表示80°C、 200mW下驅(qū)動(dòng)100小時(shí)后的剖面TEM觀測(cè) (80°C、 200mWAPC試驗(yàn))中的元件壽命和Ti02厚度的關(guān)系的圖。其 中，成膜前的加熱處理時(shí)間為lh， Ti02和Al203的成膜條件和厚度(d,、 d2)分別是Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、 ^ = 3.8、 9.6、 19.2、 38.5nm， A1203: 0.6kW、 1.4Pa、 d2 = 25nm。此時(shí)，各保護(hù)膜的內(nèi)部應(yīng)力是= -28MPa、 o2 = -68MPa，保持恒定，總應(yīng)力S和Rf分別是S = -1.8、 -2.0、 -2.2、 -2.8N/m， Rf=114、 15、 15%。如圖10所示，Ti02越薄的元件，可靠 性越改善，在d,《10nm的元件中，抑制了小于1000h的COD劣化。
圖11是表示80°C、 200mW下驅(qū)動(dòng)100小時(shí)后的剖面TEM觀測(cè) (80°C、 200mWAPC試驗(yàn))中的元件壽命和A1203膜應(yīng)力的關(guān)系的圖。 其中，成膜前的加熱處理時(shí)間為lh， Ti02和八1203的成膜條件和厚度
(d" d2)分別是Ti02: 0.2kW、 1.4Pa、 c^-9.6nm， A1203: 0.3kW、 3.3Pa、 0.6kW、 1.4Pa、 1,2kW、 0.4Pa、 d2 = 25nm。此時(shí)，Ti02的內(nèi)部 應(yīng)力是q二-28MPa， Rf是14W，保持恒定，A1203的內(nèi)部應(yīng)力cj2和總 應(yīng)力分別是o2 = -54、 68、 93MPa， S二-1.6、 -2.0、 -2.6N/m。從圖11
可知，八1203的內(nèi)部應(yīng)力CT2越降低，可靠性越得以改善。
圖12是表示根據(jù)圖9、圖10、圖11所示的結(jié)果得到的80。C、200mW 下驅(qū)動(dòng)100小時(shí)后的剖面TEM觀測(cè)(80°C、 200mWAPC試驗(yàn))中的 元件壽命和AR總應(yīng)力的關(guān)系的圖。從圖12可知，壓縮方向的總應(yīng)力 S越降低，可靠性越提高，通過(guò)使總應(yīng)力S的絕對(duì)值為2以下，可完全 抑制小于1000小時(shí)產(chǎn)生COD。
根據(jù)以上結(jié)果，對(duì)于端面破壞可提出如下模型。
在高輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)的半導(dǎo)體激光器的元件端面，因由表面態(tài)、保護(hù) 膜形成時(shí)導(dǎo)入的點(diǎn)缺陷、界面改性層等吸收激光，激光射出部分的溫 度上升。因該發(fā)熱而在激光射出端面上形成的端面保護(hù)膜膨脹，因此
20由于與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)差，保護(hù)膜的壓縮應(yīng)力增大，造成局部性 膜剝離。
并且，當(dāng)AR膜中的氫濃度不均勻時(shí)，在高輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)光部 附近的氫易于從高濃度區(qū)域擴(kuò)散到低濃度區(qū)域。其結(jié)果是，AR膜中的 應(yīng)力分布局部變化，所以膜易剝離。產(chǎn)生該氫濃度分布的原因是因?yàn)?附著到成膜前的端面的有機(jī)雜質(zhì)、水分等。
并且，氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層在氫氣氛中生長(zhǎng)，所以其有可能析出。 因此，在提高半導(dǎo)體激光器的可靠性方面，使膜中的氫濃度分布均勻 化、及降低膜的整體應(yīng)力是極其有效的。
對(duì)于AR膜的內(nèi)部應(yīng)力，因膜種類、成膜方法、條件不同而不同， 一般情況下，對(duì)濺射形成的電介質(zhì)膜施加數(shù)十 數(shù)百M(fèi)Pa左右的壓縮應(yīng) 力，難于使其為o。因此，在實(shí)施例1中，為了盡量以較薄的膜厚獲得 所需的反射率，在選擇高折射率材料和低折射率材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行成 膜條件的優(yōu)化，結(jié)果可獲得高輸出、高可靠性的半導(dǎo)體激光器。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器，從活性層的端面射出激光，其特征在于，具有保護(hù)膜，該保護(hù)膜設(shè)置在射出上述激光的上述端面上，并且由單層或多層的電介質(zhì)膜構(gòu)成，上述保護(hù)膜中的氫濃度分布大致均勻。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 上述活性層由含有Ga作為構(gòu)成元素的m族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 上述保護(hù)膜由至少與上述活性層的上述端面直接接觸的第一保護(hù)膜和與上述第一保護(hù)膜接觸的第二保護(hù)膜構(gòu)成，上述第一保護(hù)膜的氫濃度與上述第二保護(hù)膜的氫濃度之比為0.5 以上且2以下。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述保護(hù)膜中至少與上述活性層的上述端面直接接觸的電介質(zhì)膜 包含Ti、 Zr、 Nb、 Ca、 Mg中的任意一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述保護(hù)膜中至少與上述活性層的上述端面直接接觸的電介質(zhì)膜 由TK)2構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述保護(hù)膜由與上述活性層的上述端面直接接觸的第一保護(hù)膜和 與上述第一保護(hù)膜接觸的第二保護(hù)膜構(gòu)成，在激光振蕩波長(zhǎng)為義時(shí)，上述第一保護(hù)膜的折射率W和上述第二 保護(hù)膜的折射率ri2滿足n,〉ri2的關(guān)系，上述第一保護(hù)膜的厚度d！為A《X/4m， 上述第二保護(hù)膜的厚度d2為d2《l/2n2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 上述第一保護(hù)膜的厚度山為10nm以下。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，施加到上述保護(hù)膜上的壓縮方向的總應(yīng)力的大小大于0N/m且為 10N/m以下。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，具有第二個(gè)保護(hù)膜，該第二個(gè)保護(hù)膜設(shè)置在射出上述激光的上述 端面的相反側(cè)的端面上，并且反射率高于上述保護(hù)膜。
全文摘要
提供一種半導(dǎo)體激光器，可抑制高輸出長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)時(shí)共振器端面的端面保護(hù)膜的膜剝離，并且COD耐性強(qiáng)，輸出高且壽命長(zhǎng)。上述半導(dǎo)體激光器，從活性層(5)的端面射出激光，具有保護(hù)膜(20)，其設(shè)置在射出激光的端面上，并且由單層或多層的電介質(zhì)膜構(gòu)成。保護(hù)膜(20)中的氫濃度分布大致均勻。活性層(5)由包含Ga作為構(gòu)成元素的III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。保護(hù)膜(20)由至少與活性層(5)的端面直接接觸的第一保護(hù)膜(21)和與第一保護(hù)膜(21)接觸的第二保護(hù)膜(22)構(gòu)成。第一保護(hù)膜(21)的氫濃度與第二保護(hù)膜(22)的氫濃度之比為0.5以上且2以下。
文檔編號(hào)H01S5/343GK101645578SQ20091016413
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)明者五十嵐俊昭, 多田健太郎, 宮坂文人, 小松啟郎, 福田和久, 笹岡千秋 申請(qǐng)人:恩益禧電子股份有限公司