JP2009016798A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor laser element with which there is minimized stress load on the active layer, which prevents the degradation that would result in the laser element during drive, and with which good adhesion of the protective film to the surface of a resonator is ensured owing to the reduction in stress, and the performance of the laser element itself can be enhanced. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor laser element includes: a nitride semiconductor layer that includes a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer; and a protective film that is in contact with the surface of a resonator formed on nitride semiconductor layers. In the protective film, the crystallinity at a portion adjacent to the active layer is different from that at portions adjacent to the first and second nitride semiconductor layers. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、より詳細には、窒化物半導体層に形成された共振器面に保護膜を有する窒化物半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor laser device, and more particularly to a nitride semiconductor laser device having a protective film on a resonator surface formed in a nitride semiconductor layer.

窒化物半導体レーザ素子では、RIE(反応性イオンエッチング)又はへき開によって形成された共振器面はバンドギャップエネルギーが小さくなるため、出射光の吸収が端面で起こり、この吸収により端面に熱が発生し、高出力半導体レーザを実現するには寿命特性等に問題があった。このため、例えば、Siの酸化膜や窒化膜を、共振器端面の保護膜として形成する高出力半導体レーザの製造方法が提案されている(例えば、特許文献1)。   In a nitride semiconductor laser device, the resonator surface formed by RIE (reactive ion etching) or cleavage has a small band gap energy, so that absorption of emitted light occurs at the end surface, and heat is generated at the end surface due to this absorption. In order to realize a high output semiconductor laser, there was a problem in life characteristics. For this reason, for example, a method of manufacturing a high-power semiconductor laser in which an Si oxide film or a nitride film is formed as a protective film for the resonator end face has been proposed (for example, Patent Document 1).

一方、従来から、窒化物半導体レーザ素子では、チップ間のデバイス特性のばらつきを抑制するために共振器面に形成する保護膜の厚みを、出射される光密度に応じて変化させる方法(例えば、特許文献2)、共振器内部にストライプ構造を採用し、FFPの単峰性を実現するために、その保護膜としてSiO膜を用い、ストライプごとに保護膜の厚みを変動させる方法(例えば、特許文献3)等が採用されている。
また、端面劣化を抑制するために、共振器端面に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(例えば、特許文献4)。
特開平9−283843号公報 特開2006−228892号公報 特開2002−329926号公報 特開2002−335053号公報
On the other hand, conventionally, in a nitride semiconductor laser element, a method of changing the thickness of a protective film formed on the resonator surface in accordance with the emitted light density in order to suppress variations in device characteristics between chips (for example, Patent Document 2), adopting a stripe structure inside the resonator and using a SiO 2 film as the protective film in order to realize FFP monomodality, and changing the thickness of the protective film for each stripe (for example, Patent document 3) etc. are adopted.
In order to suppress end face deterioration, a method of forming an end face coat film on a resonator end face via an adhesion layer has been proposed (for example, Patent Document 4).
JP-A-9-283443 JP 2006-228892 A JP 2002-329926 A JP 2002-335053 A

しかし、さらに高出力の半導体レーザの実現に伴って、共振器面での光出射に関連する構造を、さらに改良することが求められている。つまり、その性能等に応じて、例えば、活性層に応力を与えず、保護膜の密着性を最大限に確保しながら、レーザ素子の駆動時の保護膜の劣化等を防止し得る構造が必要である。
また、次世代光ディスクの再生に用いるような小型で低出力の窒化物半導体レーザ素子の需要が高まっている。窒化物半導体レーザ素子の共振器面の反射率を高くすると、低出力であっても共振器面への負荷が大きい。そのため、高出力の半導体レーザと同様に、共振器面の光出射に関連する構造を改良する必要がある。
However, with the realization of a semiconductor laser with higher output, it is required to further improve the structure related to light emission at the resonator surface. In other words, depending on its performance, for example, it is necessary to have a structure that can prevent degradation of the protective film during driving of the laser element while ensuring maximum adhesion of the protective film without applying stress to the active layer. It is.
In addition, there is an increasing demand for a small-sized and low-power nitride semiconductor laser device used for reproducing next-generation optical disks. When the reflectance of the resonator surface of the nitride semiconductor laser element is increased, the load on the resonator surface is large even at a low output. Therefore, it is necessary to improve the structure related to the light emission of the resonator surface as in the case of a high-power semiconductor laser.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、活性層への応力の負荷を軽減し、これによってレーザ素子の駆動時の劣化を防止するとともに、応力の緩和に起因して、保護膜の共振器面への密着性を確保するとともに、レーザ素子自体の性能を向上させることができる窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and reduces the load of stress on the active layer, thereby preventing deterioration during driving of the laser element, and also due to stress relaxation, An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device capable of ensuring adhesion to the resonator surface and improving the performance of the laser device itself.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層を含み、端面を備えた共振器を有する窒化物半導体層と、少なくとも一方の端面に接触する第1保護膜とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、第1保護膜は、活性層に接する領域と第1及び第2窒化物半導体層に接する領域とで、走査透過電子顕微鏡によって明暗が観察される膜構造を有することを特徴とする。   The nitride semiconductor laser device of the present invention includes a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer, and is in contact with at least one end surface of the nitride semiconductor layer having a resonator having an end surface. A nitride semiconductor laser element having a first protective film, wherein the first protective film has a brightness and darkness determined by a scanning transmission electron microscope in a region in contact with the active layer and a region in contact with the first and second nitride semiconductor layers. It is characterized by having an observed film structure.

また、本発明の別の窒化物半導体レーザ素子は、第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層を含み、端面を備えた共振器を有する窒化物半導体層と、少なくとも一方の端面に接触する第1保護膜とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
第1保護膜は、活性層に隣接する部位と第1及び第2窒化物半導体層に隣接する部位とで、結晶性が異なる膜構造を有することを特徴とする。
Another nitride semiconductor laser device of the present invention includes a nitride semiconductor layer including a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer, and having a resonator having an end face, and at least one of the nitride semiconductor laser elements. A nitride semiconductor laser device having a first protective film in contact with an end face,
The first protective film has a film structure in which crystallinity is different between a part adjacent to the active layer and a part adjacent to the first and second nitride semiconductor layers.

このような窒化物半導体レーザ素子では、活性層に接する領域の明部又は暗部は、第1保護膜の膜厚方向に連続して配置されるか、共振器面側よりも素子外側において幅広であることが好ましい。
また、第1保護膜は、3nm〜1000nmの膜厚であるか、六方晶系の結晶構造を有する材料で形成されてなるか、第1及び第2窒化物半導体層に接する領域において、共振器面と同軸配向の結晶構造を有するか、第2保護膜によって被覆されてなることが好ましい。
さらに、第2保護膜と、前記活性層に接する領域と、前記第1及び第2窒化物半導体層に接する領域とは、この順に、走査透過電子顕微鏡によって明度が高く又は低く観察されることが好ましい。
また、第2保護膜は、10nm〜1500nmの膜厚であることが好ましい。
In such a nitride semiconductor laser device, the bright part or dark part of the region in contact with the active layer is continuously arranged in the film thickness direction of the first protective film, or is wider on the outside of the element than the resonator surface side. Preferably there is.
The first protective film has a thickness of 3 nm to 1000 nm, is formed of a material having a hexagonal crystal structure, or is in a region in contact with the first and second nitride semiconductor layers. It is preferable to have a crystal structure coaxial with the surface or to be covered with a second protective film.
Further, the second protective film, the region in contact with the active layer, and the region in contact with the first and second nitride semiconductor layers may be observed with high or low brightness by a scanning transmission electron microscope in this order. preferable.
The second protective film preferably has a thickness of 10 nm to 1500 nm.

さらに、前記活性層に隣接する部位は、第1保護膜の膜厚方向にわたって実質的に同じ結晶性を有するか、実質的に同じ結晶性を有する前記活性層に隣接する部位は、共振器面側よりも素子外側において幅広であることが好ましい。
前記第1及び第2窒化物半導体層に隣接する部位と、前記活性層に隣接する部位と、前記第2保護膜とは、この順に、結晶性が良いことが好ましい。
Further, the portion adjacent to the active layer has substantially the same crystallinity over the thickness direction of the first protective film, or the portion adjacent to the active layer having substantially the same crystallinity is the resonator surface. It is preferable that the width is wider outside the element than at the side.
The site adjacent to the first and second nitride semiconductor layers, the site adjacent to the active layer, and the second protective film preferably have good crystallinity in this order.

本発明によれば、第1保護膜は、走査透過電子顕微鏡による観察で、活性層に接する領域と第1及び第2窒化物半導体層に接する領域とで明暗が観察される、すなわち、第1保護膜の活性層に接する領域と、第1保護膜の第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層に接する領域とで結晶性が異なる膜構造を有すると考えられる。このように、第1の保護膜において、明暗が観察されるように、すなわち、上述した領域ごとに結晶性を異ならせることによって、共振面において活性層周辺での第1保護膜による応力を緩和させることができる。これにより、第1保護膜の共振器面への密着性を確保するとともに、駆動時におけるレーザ素子の劣化を防止することができる。その結果、安定な動作を確保することができ、信頼性が高く、CODレベルを向上させた窒化物半導体レーザ素子を提供することが可能となる。   According to the present invention, the first protective film is observed by the scanning transmission electron microscope, and brightness and darkness are observed in the region in contact with the active layer and the region in contact with the first and second nitride semiconductor layers. It is considered that the crystallinity of the region of the protective film in contact with the active layer and the region of the first protective film in contact with the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are different. As described above, the light and darkness is observed in the first protective film, that is, the crystallinity is varied for each of the above-described regions, thereby relieving the stress caused by the first protective film around the active layer on the resonance surface. Can be made. As a result, it is possible to secure the adhesion of the first protective film to the resonator surface and to prevent the laser element from deteriorating during driving. As a result, it is possible to provide a nitride semiconductor laser device that can ensure a stable operation, has high reliability, and has an improved COD level.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、典型的には図1及び図2A、図2Bに示すように、主として、第1窒化物半導体層11、活性層12及び第2窒化物半導体層13からなる窒化物半導体層を含み、窒化物半導体層の対向する端面に共振器面が設けられて、共振器が形成されている。   The nitride semiconductor laser device of the present invention is mainly composed of a first nitride semiconductor layer 11, an active layer 12, and a second nitride semiconductor layer 13, as typically shown in FIGS. 1, 2A, and 2B, for example. And a resonator surface is provided on the opposing end face of the nitride semiconductor layer to form a resonator.

このような窒化物半導体レーザ素子は、通常、窒化物半導体層が基板10上に形成されており、第2窒化物半導体層13の表面にリッジ14が形成され、共振器面の全面に共振器面に接触する第1保護膜25及び第1保護膜25上に第2保護膜26が形成された構造をしている。また、埋込膜15、p電極16、第3保護膜17、pパッド電極18、n電極19等が適宜形成されている。なお、この明細書では、第1保護膜及び第2保護膜のように共振器面に形成された保護膜の総称として「保護膜」と記載することがある。   In such a nitride semiconductor laser element, a nitride semiconductor layer is usually formed on the substrate 10, a ridge 14 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 13, and the resonator is formed on the entire surface of the resonator. The first protective film 25 is in contact with the surface, and the second protective film 26 is formed on the first protective film 25. In addition, a buried film 15, a p electrode 16, a third protective film 17, a p pad electrode 18, an n electrode 19 and the like are appropriately formed. In this specification, the protective film formed on the resonator surface, such as the first protective film and the second protective film, may be described as a “protective film”.

第1保護膜は、例えば、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti等の酸化物(特に、Al、SiO、Nb、TiO、ZrO等)、窒化物(特に、AlN、AlGaN、BN等)又はフッ化物、及びこれらの2種以上の組み合わせ等によって形成することができる。なかでも、酸化物であることが好ましい。また、別の観点から、レーザ素子の発振波長に対して吸収のない材料により形成されることが好ましい。 The first protective film is made of, for example, an oxide such as Si, Mg, Al, Hf, Nb, Zr, Sc, Ta, Ga, Zn, Y, B, or Ti (in particular, Al 2 O 3 , SiO 2 , Nb 2 O 5, TiO 2, ZrO 2, etc.), nitrides (in particular, AlN, AlGaN, BN and the like) or fluoride, and may be formed by a combination of two or more thereof. Among these, an oxide is preferable. From another point of view, it is preferably formed of a material that does not absorb the oscillation wavelength of the laser element.

第1保護膜の膜厚は、特に限定されるものではなく、例えば、3nm〜nm程度、さらに、5nm〜700nm、10nm〜400nm程度であることが適している。
第1保護膜は、窒化物半導体層に形成された共振器面を被覆するものであるが、必ずしも共振器面の全面を被覆する必要はなく、少なくとも、共振器面の光導波路領域(活性層及びその上下層の一部に及ぶ)を被覆するものであればよい。また、第1保護膜は、共振器面以外の面を、部分的に被覆していてもよい。
The film thickness of the first protective film is not particularly limited, and for example, it is suitable that it is about 3 nm to nm, and further about 5 nm to 700 nm, 10 nm to 400 nm.
The first protective film covers the resonator surface formed on the nitride semiconductor layer, but does not necessarily cover the entire surface of the resonator surface, and at least the optical waveguide region (active layer) on the resonator surface. And covering a part of the upper and lower layers thereof). The first protective film may partially cover the surface other than the resonator surface.

本発明の第1保護膜は、単結晶、多結晶等により構成される結晶状態であることが好ましい。第1保護膜の結晶構造としては、例えば、六方晶系、立方晶系、斜方晶系等が挙げられる。第1保護膜の材料、結晶性、配向性は、第1保護膜を形成する共振器端面の材料、結晶性、配向性等に応じて選択することができる。第1保護膜が、六方晶系の結晶構造である場合には、M軸〈1−100〉、A軸〈11−20〉、C軸〈0001〉及びR軸〈1−102〉配向等であって、この共振器端面と同軸で配向された膜であることが好ましい。その理由としては、共振器端面と同軸配向の結晶構造を有する第1保護膜を形成することによって、共振器端面のバンドギャップエネルギーを広げ、ウィンドウ構造を形成することにより、共振器端面の劣化を防止することができると考えられるためである。   The first protective film of the present invention is preferably in a crystalline state composed of single crystal, polycrystal, or the like. Examples of the crystal structure of the first protective film include a hexagonal system, a cubic system, and an orthorhombic system. The material, crystallinity, and orientation of the first protective film can be selected according to the material, crystallinity, orientation, and the like of the resonator end face that forms the first protective film. When the first protective film has a hexagonal crystal structure, the M-axis <1-100>, the A-axis <11-20>, the C-axis <0001>, the R-axis <1-102> orientation, etc. It is preferable that the film be oriented coaxially with the end face of the resonator. The reason is that by forming a first protective film having a crystal structure coaxial with the resonator end face, the band gap energy of the resonator end face is widened and a window structure is formed, so that the resonator end face is deteriorated. It is because it is thought that it can prevent.

なお、本発明での結晶構造は、必ずしも厳密に単結晶又は多結晶となっていなくてもよく、これらに近い結晶構造又はこれらの結晶構造の特性を示す程度の結晶構造を有しているものであってもよい。また、窒化物半導体と格子定数が近い(例えば、窒化物半導体との格子定数の差が15%以下)ものであれば、結晶性の良好な第1保護膜を形成することができる。これにより、第1保護膜の膜質がより良好となり、半導体レーザ素子の駆動時においても、窒化物半導体層へのクラックを防止すべく、応力を緩和させることができ、確実にCODレベルを向上させることができる。言い換えると、多結晶状態であるか、多結晶を含む場合には、共振器面との格子定数の差異が厳格に表れず、その差異を緩和することができる。   Note that the crystal structure in the present invention does not necessarily have to be strictly single crystal or polycrystal, and has a crystal structure close to these or a crystal structure exhibiting characteristics of these crystal structures. It may be. In addition, if the lattice constant is close to that of the nitride semiconductor (for example, the difference in lattice constant from the nitride semiconductor is 15% or less), the first protective film with good crystallinity can be formed. As a result, the film quality of the first protective film becomes better, and even when the semiconductor laser device is driven, stress can be relaxed to prevent cracks in the nitride semiconductor layer, and the COD level is reliably improved. be able to. In other words, when it is in a polycrystalline state or contains a polycrystal, the difference in the lattice constant from the resonator surface does not appear strictly, and the difference can be mitigated.

なかでも、六方晶系の結晶構造を有する材料による膜であることが好ましい。また、六方晶系の結晶構造を有しており、M軸配向であることがより好ましい。ここで、M軸配向であるとは、単結晶で、厳密にM軸に配向した状態(単結晶)のみならず、多結晶が混在するが、M軸に配向する部位を均一に含む状態、均一に分布して含む状態であってもよい。   Among these, a film made of a material having a hexagonal crystal structure is preferable. Further, it has a hexagonal crystal structure and is more preferably M-axis oriented. Here, the M-axis orientation is a single crystal and not only a state strictly aligned with the M axis (single crystal) but also a mixture of polycrystals, but a state uniformly including a portion aligned with the M axis, It may be in a state of being distributed uniformly.

一般に、膜の状態は、その膜を構成する材料の結晶度合いによって、単結晶、多結晶、アモルファスに分類される。単結晶は、材料中で格子定数の変動がほとんどなく、格子面傾斜がほとんどない。言い換えると、材料中で原子配列が規則的に並び、長距離的な秩序が保たれている。多結晶とは、多数の微小な単結晶、すなわち微結晶から構成されている。アモルファスは、結晶におけるような周期的構造をもたないもの、つまり原子配列が不規則、長距離秩序がないものを意味する。   In general, the state of a film is classified into single crystal, polycrystalline, and amorphous depending on the degree of crystal of the material constituting the film. A single crystal has almost no change in lattice constant in the material, and has almost no lattice plane inclination. In other words, the atomic arrangement is regularly arranged in the material, and the long-range order is maintained. The polycrystal is composed of a large number of minute single crystals, that is, microcrystals. Amorphous means one that does not have a periodic structure as in crystals, that is, one that has an irregular atomic arrangement and no long-range order.

このような膜の状態(結晶質である場合は、その結晶性又は結晶状態)は、電子線による回折像によって容易に判定することができる。つまり、膜に電子線を入射することによって、格子定数の大きさ及び面方向に対応して、電子線回折像が表れる。例えば、単結晶の場合は、結晶面が略そろっているため、規則正しく回折点が並んで観察される。多結晶の場合は、微結晶から構成されるため、それぞれの格子面の向きがそろっておらず、回折点が複雑に合わさった状態で見られたり、デバイリングが見られたりする。一方、アモルファスの場合、原子配列が長距離に周期的な構造をもたないため、電子線回折が起こらない。したがって、回折像に回折点がない状態で観察される。
なお、電子線回折像の観察は、保護膜が形成されている端面に対して保護膜の断面が露出するように切断し、電子線を当てて行うことができる。電子線回折像の観察は、例えば、日本電子株式会社製:JEM-2010F型を用いて行うことができる。
The state of such a film (in the case of being crystalline, its crystallinity or crystal state) can be easily determined from a diffraction image by an electron beam. That is, when an electron beam is incident on the film, an electron beam diffraction image appears corresponding to the size of the lattice constant and the surface direction. For example, in the case of a single crystal, since the crystal planes are substantially aligned, diffraction points are regularly observed side by side. In the case of a polycrystal, since it is composed of microcrystals, the directions of the respective lattice planes are not aligned, and the diffraction points can be seen in a complicated state or Debye ring can be seen. On the other hand, in the case of amorphous, the atomic arrangement does not have a periodic structure over a long distance, so that electron beam diffraction does not occur. Therefore, the diffraction image is observed in a state where there is no diffraction point.
Note that the observation of the electron beam diffraction image can be performed by cutting the end surface on which the protective film is formed so that a cross section of the protective film is exposed and applying an electron beam. Observation of an electron beam diffraction image can be performed using, for example, JEM-2010F type manufactured by JEOL Ltd.

このような第1保護膜25は、実質的に活性層12(任意にその近傍領域)に接する領域25aと、それ以外の層、つまり、実質的に第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層13に接する領域との間で、走査透過電子顕微鏡によって明暗が観察される。ここで「実質的に接する」とは、第1保護膜が窒化物半導体の共振器面に直接接触しているのみならず、本発明の効果を有する程度に、共振器面に薄膜が形成された上に第1保護膜が形成されていてもよい。例えば、共振器面へ前処理や、製膜開始時の雰囲気などにより形成された薄膜が存在してもよい。   Such a first protective film 25 includes a region 25a substantially in contact with the active layer 12 (arbitrarily in the vicinity thereof) and other layers, that is, the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride. Brightness and darkness are observed with a scanning transmission electron microscope between the region in contact with the physical semiconductor layer 13. Here, “substantially contact” means that the first protective film is not directly in contact with the resonator surface of the nitride semiconductor, but a thin film is formed on the resonator surface to the extent that the effect of the present invention is obtained. In addition, a first protective film may be formed. For example, a thin film formed by pretreatment or an atmosphere at the start of film formation may exist on the resonator surface.

なお、本明細書では、第1保護膜の活性層に接する領域を含む全膜厚方向に渡る部位を、活性層に隣接する部位と称することがある。
また、活性層12(任意にその近傍領域)に接する領域25aと、第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層13に接する領域とは実質的に同一材料で形成されている。なお、その製造方法等によって、両者の組成に若干の差異が生じることがあってもよい。
In the present specification, a portion extending in the entire film thickness direction including a region in contact with the active layer of the first protective film may be referred to as a portion adjacent to the active layer.
Further, the region 25a in contact with the active layer 12 (arbitrarily in the vicinity thereof) and the region in contact with the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 13 are formed of substantially the same material. A slight difference may occur between the compositions of the two depending on the manufacturing method and the like.

この同一材料で形成された第1保護膜内で観察される明暗は、第1保護膜25における結晶状態の違いに基づいて現れると考えられる。この結晶状態の違いは、走査透過型電子顕微鏡による明暗の観察のみならず、後述するような電子線回折などの方法でも確認できる。つまり、「結晶性が異なる」とは、走査透過型電子顕微鏡による観察及び電子線回折等によって、観察に差異が現れることを意味する。   The light and darkness observed in the first protective film formed of the same material is considered to appear based on the difference in crystal state in the first protective film 25. This difference in crystal state can be confirmed not only by observation of light and darkness with a scanning transmission electron microscope but also by a method such as electron beam diffraction as described later. That is, “difference in crystallinity” means that a difference appears in observation by observation with a scanning transmission electron microscope, electron beam diffraction, or the like.

従って、活性層12に接する領域25aと、第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層13に接する領域との間で、さらには、活性層12に隣接する第1保護膜の膜厚方向にわたる部位と、第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層13に隣接する第1保護膜の膜厚方向にわたる部位との間で、結晶性が異なっているとも言い換えることができる。ただし、活性層に接触する領域の上下において又は活性層に接触する領域内において、その結晶性がなだらかに変化する領域が存在することがある。また、活性層に接する領域25a内で、結晶性の異なる領域(明部又は暗部)が不連続であったり、結晶性の異なる領域が分断されていてもよい。   Therefore, the thickness of the first protective film adjacent to the active layer 12 between the region 25a in contact with the active layer 12 and the region in contact with the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 13 is further increased. In other words, the crystallinity is different between the region extending in the direction and the region extending in the film thickness direction of the first protective film adjacent to the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 13. However, there may be a region where the crystallinity changes gently above and below the region in contact with the active layer or in the region in contact with the active layer. In the region 25a in contact with the active layer, regions having different crystallinity (bright or dark portions) may be discontinuous, or regions having different crystallinity may be divided.

このように第1保護膜が、走査透過電子顕微鏡によって明暗が観察される、あるいは活性層付近において異なる結晶性を有していることにより、窒化物半導体層の共振器面のほぼ全面に接触して形成された第1保護膜において、共振器面との格子定数、熱膨張係数等の差異によって第1保護膜内部に生じる応力を有効に緩和させることができるとともに、活性層に接する第1保護膜の共振器面への密着性を向上させることができると推察される。   As described above, the first protective film is observed to be bright and dark by a scanning transmission electron microscope or has different crystallinity in the vicinity of the active layer, so that the first protective film is in contact with almost the entire resonator surface of the nitride semiconductor layer. In the first protective film formed in this manner, the stress generated inside the first protective film due to the difference in the lattice constant, thermal expansion coefficient, etc. from the resonator surface can be effectively relaxed, and the first protective film in contact with the active layer It is presumed that the adhesion of the film to the resonator surface can be improved.

活性層に接する領域の明部又は暗部は、第1保護膜の膜厚方向に連続して形成されることが好ましい。これにより、第1保護膜とこの上に形成する膜(例えば、後述する第2保護膜等)との密着性が向上し、保護膜同士の剥がれを抑制することができる。   The bright part or dark part of the region in contact with the active layer is preferably formed continuously in the film thickness direction of the first protective film. Thereby, the adhesiveness between the first protective film and a film (for example, a second protective film described later) formed on the first protective film is improved, and the peeling between the protective films can be suppressed.

また、活性層に接する領域(図3において明度の高い領域)は、第1保護膜の膜厚方向において、その幅が変化してもよい。例えば、図2A及び図3に示すように、共振面側よりも素子外側が幅広に形成されていてもよい。このように形成されることによって、活性層に接する領域(結晶性の異なっている領域)が、後述する第2保護膜とより大面積で接触する。これによって、第1保護膜と第2保護膜との密着性が向上し、保護膜同士の剥がれを抑制することができる。ひいては、共振器面と第1保護膜、第1保護膜と第2保護膜のそれぞれの界面において密着性を向上させることができる。図5Aに示すように、活性層の膜厚と略平行に形成されていてもよいし、図5Bに示すように、共振面側よりも素子外側において、幅が狭く形成されていてもよい。共振器面に形成された第1保護膜は、活性層に接する領域を挟むようにして、第1窒化物半導体層に接する領域と、第2窒化物半導体層に接する領域とが配置されている。そのため、第1保護膜の活性層に接する領域の幅に対応して、第1窒化物半導体層に接触する領域の幅も変化する。また、第2窒化物半導体層に接触する領域も同様である。   Further, the width of the region in contact with the active layer (the region with high brightness in FIG. 3) may change in the thickness direction of the first protective film. For example, as shown in FIGS. 2A and 3, the element outer side may be formed wider than the resonance surface side. By forming in this way, a region in contact with the active layer (region having different crystallinity) comes into contact with a second protective film described later in a larger area. Thereby, the adhesion between the first protective film and the second protective film is improved, and peeling between the protective films can be suppressed. As a result, adhesion can be improved at the interface between the resonator surface and the first protective film, and between the first protective film and the second protective film. As shown in FIG. 5A, it may be formed substantially parallel to the film thickness of the active layer, or as shown in FIG. 5B, the width may be narrower outside the element than on the resonance surface side. The first protective film formed on the resonator surface has a region in contact with the first nitride semiconductor layer and a region in contact with the second nitride semiconductor layer so as to sandwich the region in contact with the active layer. Therefore, the width of the region in contact with the first nitride semiconductor layer also changes in accordance with the width of the region in contact with the active layer of the first protective film. The same applies to the region in contact with the second nitride semiconductor layer.

活性層に接する領域と、それ以外の層に接する領域とでは、いずれの結晶性がよくても、悪くてもよいが、活性層と、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層とを構成する半導体層の組成等から、通常、活性層に接する領域において結晶性が悪いことが適している。これにより、活性層と第1保護膜の活性層に接する領域との密着性を向上させることができるとともに、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層の共振器面における応力を緩和させることができる。また、通常、第1保護膜に用いられる材料と活性層に用いられる材料の格子定数差が、第1保護膜に用いられる材料と第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層に用いられる材料の格子定数差よりも大きくなる。そのため、活性層に接する領域の第1保護膜の結晶状態が変化し、結晶性が異なる領域が形成されやすくなると考えられる。   In the region in contact with the active layer and the region in contact with the other layers, any crystallinity may be good or bad. The active layer, the first nitride semiconductor layer, and the second nitride semiconductor layer, In general, it is suitable that the crystallinity is poor in a region in contact with the active layer, for example, from the composition of the semiconductor layer constituting the. As a result, the adhesion between the active layer and the region of the first protective film in contact with the active layer can be improved, and stress on the resonator surface of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer can be relieved. be able to. Also, the difference in lattice constant between the material used for the first protective film and the material used for the active layer is usually used for the material used for the first protective film, the first nitride semiconductor layer, and the second nitride semiconductor layer. It becomes larger than the lattice constant difference of the material. For this reason, it is considered that the crystalline state of the first protective film in the region in contact with the active layer changes, and a region having different crystallinity is likely to be formed.

ここで、「結晶性がよい」とは、単結晶に近い状態、つまり、材料中で格子定数の変動がほとんどなく、格子面傾斜がほとんどないものを指す。「結晶性が悪い」とは、比較対象となる膜よりも多結晶、アモルファスに近い状態を指し、より微結晶から構成されているもの、さらには結晶におけるような周期的構造をもたないものを指す。   Here, “good crystallinity” refers to a state close to a single crystal, that is, a material in which there is almost no change in lattice constant in the material and there is almost no lattice plane inclination. “Poor crystallinity” refers to a state that is closer to polycrystalline or amorphous than the film to be compared, and is composed of microcrystals, and also has no periodic structure as in crystals. Point to.

結晶性が異なる程度は、特に限定されるものではなく、例えば、第1保護膜において、第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層13に接触する領域の結晶構造が略単結晶又は単結晶に近い結晶構造を有しているのに対し、活性層に接する領域における結晶構造が、多結晶もしくはアモルファスを部分的に含む結晶構造、多結晶に近い結晶構造又はアモルファス構造により近い結晶構造であることを意味する。あるいは、活性層と、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層の結晶性が逆であってもよい。   The degree of difference in crystallinity is not particularly limited. For example, in the first protective film, the crystal structure of the region in contact with the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 13 is substantially single crystal or While it has a crystal structure close to a single crystal, the crystal structure in the region in contact with the active layer is a crystal structure partially including polycrystal or amorphous, a crystal structure close to polycrystal, or a crystal structure closer to an amorphous structure It means that. Alternatively, the crystallinity of the active layer, the first nitride semiconductor layer, and the second nitride semiconductor layer may be reversed.

結晶性が異なることは、例えば、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)、走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope:STEM)、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)等による断面観察で認められるのみならず、上述したような電子線回折、さらにエッチングレートの差異からも確認することができる。
つまり、顕微鏡における第1保護膜の観察において、結晶性の違いに起因して、活性層に接する領域と、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層に接触する領域とで、両者に視覚的に差異が認められる。
特に、STEM、TEM等による観察では、その膜の状態の違い(結晶質である場合は、その結晶性又は結晶状態)により明暗(コントラスト)が観察される。
The difference in crystallinity is, for example, in cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM), a scanning transmission electron microscope (STEM), a scanning electron microscope (SEM), or the like. Not only is it recognized, but it can also be confirmed from the difference in electron beam diffraction and the etching rate as described above.
That is, in the observation of the first protective film with a microscope, due to the difference in crystallinity, both the region in contact with the active layer and the region in contact with the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer Visual differences are observed.
In particular, in observation with STEM, TEM, etc., light and darkness (contrast) is observed due to the difference in the state of the film (in the case of being crystalline, its crystallinity or crystal state).

例えば、図3に示すようなSTEM観察によると、単結晶、多結晶、アモルファスの順に明度が高く(明るく)観察される。なお、これらの顕微鏡における観察でも、単結晶、多結晶、アモルファスは、明確に明暗として区別されないかもしれない。例えば、単結晶と多結晶とが混ざり合った膜を観察した場合、その明度は単結晶と多結晶との間の明度で観察される。また、その明度が徐々に変化するような場合もある。本発明では、マンセルシステムの明度で、両者の明度に1段階以上の差があれば結晶性又は結晶状態が異なるとし、1段階以内の差であれば結晶性又は結晶状態が実質的に同じであるとすることができ、より好ましくは、2段階以上の差、さらに3段階以上の差があるものを、結晶性又は結晶状態が異なるとする。   For example, according to STEM observation as shown in FIG. 3, the lightness is observed in the order of single crystal, polycrystal, and amorphous (brighter). It should be noted that single crystal, polycrystal, and amorphous may not be clearly distinguished as bright and dark even by observation with these microscopes. For example, when a film in which a single crystal and a polycrystal are mixed is observed, the lightness is observed between the single crystal and the polycrystal. In addition, the brightness may change gradually. In the present invention, if the brightness of the Munsell system has a difference of one or more steps, the crystallinity or the crystal state is different. If the difference is within one step, the crystallinity or the crystal state is substantially the same. More preferably, it is assumed that the crystallinity or crystal state is different when there is a difference of two or more steps, and further a difference of three or more steps.

また、同じ膜を観察した場合でも、観察条件(STEM像、TEM像の表示設定)を変えることで、明暗が逆転して観察されることがある。
具体的には、図3に示すように、第1保護膜の第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層13に接触する領域と活性層に接する領域とで明暗(明部及び暗部)が観察される。第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層13に接触する領域が暗く(明度が低く)、活性層に接する領域では明るく(明度が高く)観察される。
Even when the same film is observed, the light and darkness may be reversed and observed by changing the observation conditions (display setting of STEM image and TEM image).
Specifically, as shown in FIG. 3, light and dark (light portions and dark portions) in a region of the first protective film in contact with the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 13 and a region in contact with the active layer. ) Is observed. A region in contact with the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 13 is dark (low brightness), and a region in contact with the active layer is observed bright (high brightness).

STEM観察は、例えば、日本電子株式会社製:JEM-2010F型を用いて行うことができる。観察の手順としては、まず、収束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)加工装置(例えば、セイコーインスツルメンツ株式会社製:SMI3050MS2)を用いて、マイクロプロービングによる試料の切り出しを行い、その試料を50nm程度以下に薄膜加工し、FIB加工を行う。次に、加速電圧200kV、暗視野でSTEM観察を行うことにより、図3に示すようなSTEM像を得ることができる。   STEM observation can be performed using, for example, JEM-2010F type manufactured by JEOL Ltd. As an observation procedure, first, a sample is cut out by microprobing using a focused ion beam (FIB) processing apparatus (for example, SMI3050MS2 manufactured by Seiko Instruments Inc.), and the sample is about 50 nm or less. The thin film is processed into FIB. Next, STEM observation as shown in FIG. 3 can be obtained by performing STEM observation in an acceleration voltage of 200 kV and a dark field.

例えば、電子線回折像は、図6に示すように、窒化物半導体レーザ素子にGaN(11−20)面方向から電子線を入射することにより測定できる。得られた電子線回折像から保護膜の結晶を構成する元素の配列の様子を視覚的に捉えることができる。また、共振器面に接触する膜及び/又は共振器面近傍の膜を観察する場合は、窒化物半導体層を構成するGaNの回折点が観察されることもある。この場合、GaNの回折点を分離して解析することもある。   For example, as shown in FIG. 6, an electron beam diffraction image can be measured by making an electron beam incident on a nitride semiconductor laser element from the GaN (11-20) plane direction. The state of arrangement of elements constituting the crystal of the protective film can be visually grasped from the obtained electron beam diffraction image. In addition, when observing a film in contact with the resonator surface and / or a film near the resonator surface, a diffraction point of GaN constituting the nitride semiconductor layer may be observed. In this case, the GaN diffraction points may be separated and analyzed.

さらに、得られた保護膜を適当なエッチャント、例えば、酸(例えば、バッファードフッ酸等)又はアルカリ(例えば、KOH等)溶液に浸漬することにより、それらの溶解性の違い(エッチングレートの差)から、結晶性の差異が認められる。このエッチングでは、結晶性の悪いものは速やかに溶解又は除去され、結晶性の良好のものが残る又は維持される。
これらの方法に限られず、公知の方法を用いて保護膜の結晶性を評価することが可能である。
Further, by immersing the obtained protective film in an appropriate etchant, for example, an acid (for example, buffered hydrofluoric acid) or an alkali (for example, KOH) solution, the difference in solubility (difference in etching rate). ) Shows a difference in crystallinity. In this etching, those with poor crystallinity are quickly dissolved or removed, and those with good crystallinity remain or are maintained.
Without being limited to these methods, the crystallinity of the protective film can be evaluated using a known method.

上述したように、窒化物半導体レーザ素子は、共振器面に共振器面と同軸配向の第1保護膜を形成することによって、端面の劣化を抑制することができる。しかし、通常、窒化物半導体レーザ素子は、共振器面と同軸配向の第1保護膜を結晶性良く形成することが困難である。また、結晶性の良い第1保護膜を形成した場合でも、第1保護膜と窒化物半導体層との格子定数の差から、第1保護膜にクラックが生じやすい。もしくは、その応力によって第1保護膜の浮きや剥がれが発生しやすい。さらに、窒化物半導体を用いたレーザ素子では、他の材料を用いたレーザ素子よりも共振器面での光密度が大きくなる。そのため、クラック等の問題が生じない程度の薄膜状の第1保護膜では、共振器面に十分に密着して放熱することができない。一方、上述したように、第1保護膜内で、第1保護膜の結晶性が異なることにより、さらには、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層に接する領域の第1保護膜の結晶性が活性層に接する領域の第1保護膜の結晶性よりも良好であることにより、レーザ素子の駆動時においても、その熱に起因する応力を緩和することができる。これにより、第1保護膜へのクラックの発生を抑制することができるとともに、共振器面での第1保護膜の密着性を確保することができ、CODレベルを高く維持したまま、放熱性を向上させることができる。   As described above, the nitride semiconductor laser element can suppress deterioration of the end face by forming the first protective film coaxially aligned with the resonator face on the resonator face. However, in general, in a nitride semiconductor laser element, it is difficult to form the first protective film coaxially with the resonator surface with good crystallinity. Even when the first protective film with good crystallinity is formed, cracks are likely to occur in the first protective film due to the difference in lattice constant between the first protective film and the nitride semiconductor layer. Alternatively, the first protective film tends to float or peel off due to the stress. Furthermore, in a laser element using a nitride semiconductor, the light density on the resonator surface is higher than in a laser element using another material. Therefore, a thin first protective film that does not cause problems such as cracks cannot sufficiently dissipate heat by being in close contact with the resonator surface. On the other hand, as described above, the first protective film in the region in contact with the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is further increased due to the different crystallinity of the first protective film in the first protective film. Since the crystallinity of this is better than the crystallinity of the first protective film in the region in contact with the active layer, the stress due to the heat can be relaxed even when the laser element is driven. As a result, the occurrence of cracks in the first protective film can be suppressed, and the adhesion of the first protective film on the resonator surface can be ensured, and heat dissipation can be achieved while maintaining the COD level high. Can be improved.

なお、密着性の良好な膜(例えば、アモルファスの膜)を共振器端面に形成した場合、上記したような問題は回避できるが、第1保護膜と共振器端面の界面において、第1保護膜が共振器端面と反応し、共振器端面で光吸収が起こり、CODレベルが低下するという問題がある。しかし、本発明のように、第1保護膜内でその結晶性が異なることにより、CODレベルの低下を防止することができる。また、駆動時に、その熱に起因する応力を緩和することができる場合には、第1保護膜へのクラックの発生を抑制することができるとともに、共振器面での第1保護膜の密着性を確保することができ、CODレベルを高く維持したまま、放熱性を向上させることができる。   When a film having good adhesion (for example, an amorphous film) is formed on the resonator end face, the above-described problems can be avoided, but the first protective film is formed at the interface between the first protective film and the resonator end face. Reacts with the end face of the resonator, light absorption occurs at the end face of the resonator, and the COD level decreases. However, since the crystallinity is different in the first protective film as in the present invention, it is possible to prevent the COD level from being lowered. In addition, when the stress caused by the heat can be relaxed during driving, the generation of cracks in the first protective film can be suppressed, and the adhesion of the first protective film on the resonator surface can be suppressed. The heat dissipation can be improved while maintaining the COD level high.

第1保護膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、ECRプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、CVD法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法の2種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と、全体又は部分的な前処理、不活性ガス(Ar、He、Xe等)又はプラズマの照射、酸素もしくはオゾンガス又はプラズマの照射、酸化処理(熱処理)、露光処理のいずれか1種以上とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。なお、組み合わせの方法では、必ずしも同時又は連続的に成膜及び/又は処理しなくてもよく、成膜した後に処理等を行ってもよいし、その逆でもよい。
なかでも、前処理及びECRプラズマスパッタ法の組み合わせが好ましい。
特に、第1保護膜として酸化膜を形成する場合には、前処理は酸素又はオゾン、窒化膜を形成する場合には、前処理は窒素を用いることが好ましい。
The first protective film can be formed by a method known in the art. For example, evaporation method, sputtering method, reactive sputtering method, ECR plasma sputtering method, magnetron sputtering method, ion beam assisted evaporation method, ion plating method, laser ablation method, CVD method, spray method, spin coating method, dip method or A method combining two or more of these methods, or these methods and whole or partial pretreatment, inert gas (Ar, He, Xe, etc.) or plasma irradiation, oxygen or ozone gas or plasma irradiation, oxidation Various methods such as a method of combining one or more of treatment (heat treatment) and exposure treatment can be used. Note that in the combination method, the film formation and / or treatment may not necessarily be performed simultaneously or continuously, and the treatment may be performed after the film formation, or vice versa.
Of these, a combination of pretreatment and ECR plasma sputtering is preferable.
In particular, when an oxide film is formed as the first protective film, it is preferable to use oxygen or ozone for the pretreatment, and when forming a nitride film, nitrogen is used for the pretreatment.

特に、第1保護膜として、上述したように、共振器面と同軸配向の膜を得るためには、その成膜方法にもよるが、成膜前に、共振器面の表面を酸素プラズマで処理する、成膜速度を比較的遅いレートに調整する、成膜時の雰囲気を、例えば、酸素雰囲気に制御する、成膜圧力を比較的低く調整するなどのいずれか1つ又は2以上を組み合わせて成膜を制御することが好ましい。   In particular, as described above, in order to obtain a film having a coaxial orientation with the resonator surface as the first protective film, depending on the film forming method, the surface of the resonator surface is oxygen plasma before the film formation. Process, adjust the film formation rate to a relatively slow rate, control the atmosphere during film formation to, for example, an oxygen atmosphere, or adjust the film formation pressure relatively low, or a combination of two or more It is preferable to control the film formation.

また、各方法での成膜時に酸素分圧、成膜圧力等の条件を変動させてもよい。
活性層に接する領域において、密着性を向上させるためには、前処理時又は成膜時に各種の条件を調整することによって、結晶性を異ならせることができる。例えば、前処理の時間を短くする、前処理時のガスの圧力を低くする、マイクロ波/RF電力を低くする等の方法により実現できる。成膜時の条件としては、成膜時のガスの圧力、マイクロ波/RF電力を調整することにより実現できる。
In addition, conditions such as oxygen partial pressure and film formation pressure may be varied during film formation by each method.
In order to improve the adhesion in the region in contact with the active layer, the crystallinity can be varied by adjusting various conditions during pretreatment or film formation. For example, it can be realized by methods such as shortening the pretreatment time, lowering the gas pressure during pretreatment, and reducing the microwave / RF power. The conditions for film formation can be realized by adjusting the gas pressure and microwave / RF power during film formation.

走査透過電子顕微鏡で、活性層に接する領域において明暗が観察されるように、結晶性を異ならせるには、以下のような方法を用いることもできる。
共振器面の活性層部分のみ前処理を行う。共振器面の活性層部分と、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層部分とで前処理方法及び/又は前処理条件を変える。活性層部分にマスクを設けて第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層部分に第1保護膜を形成し、その後に活性層部分に第1保護膜を形成する。あるいはその逆の順番で第1保護膜を形成する等の方法が挙げられる。
In order to vary the crystallinity so that light and darkness can be observed in a region in contact with the active layer with a scanning transmission electron microscope, the following method can also be used.
Only the active layer portion on the resonator surface is pretreated. The pretreatment method and / or pretreatment conditions are changed between the active layer portion of the resonator surface and the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer portion. A mask is provided on the active layer portion, a first protective film is formed on the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer portion, and then a first protective film is formed on the active layer portion. Or the method of forming a 1st protective film in the reverse order is mentioned.

酸化物膜を第1保護膜として形成する場合には、酸化物のターゲットを用いる場合のみに限られない。非酸化物のターゲットを用いて酸素ガス又はプラズマ等を照射しながら又は酸素雰囲気中でスパッタする方法を利用してもよい。また、窒化物膜を形成する場合には、非窒化物のターゲットとともに窒素ガス又は窒素プラズマ等を照射しながら又は窒素雰囲気中でスパッタするなどの方法を利用してもよい。   The formation of the oxide film as the first protective film is not limited to the case where an oxide target is used. A sputtering method may be used while irradiating oxygen gas or plasma using a non-oxide target or in an oxygen atmosphere. In the case of forming a nitride film, a method of sputtering with a non-nitride target while irradiating nitrogen gas or nitrogen plasma or the like in a nitrogen atmosphere may be used.

本発明におけるレーザ素子を構成する窒化物半導体層としては、一般式InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)のものを用いることができる。これに加えて、III族元素としてBが一部に置換されたものを用いてもよいし、V族元素としてNの一部をP、Asで置換されたものを用いてもよい。n側半導体層は、n型不純物として、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、CdなどのIV族元素又はVI族元素等のいずれか1つ以上を含有していてもよい。p側半導体層は、p型不純物として、Mg、Zn、Be、Mn、Ca、Sr等を含有していてもよい。不純物は、例えば、5×1016/cm3〜1×1021/cm3程度の濃度範囲で含有されていることが好ましい。 As the nitride semiconductor layers constituting the laser element of the present invention, the use of those of the general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) Can do. In addition to this, an element in which B is partially substituted as a group III element may be used, or an element in which a part of N is substituted with P or As may be used as a group V element. The n-side semiconductor layer may contain any one or more of IV group elements or VI group elements such as Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, and Cd as n-type impurities. The p-side semiconductor layer may contain Mg, Zn, Be, Mn, Ca, Sr, etc. as p-type impurities. The impurities are preferably contained in a concentration range of, for example, about 5 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 .

なお、窒化物半導体層は、限定されないが、例えば、n側半導体層とp側半導体層に光の光導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造とすることが好ましい。   The nitride semiconductor layer is not limited. For example, the nitride semiconductor layer has a light guide layer that constitutes an optical waveguide of light in the n-side semiconductor layer and the p-side semiconductor layer, thereby having a separated light confinement structure with an active layer interposed therebetween. A certain SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure is preferable.

活性層は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。活性層は、第1保護膜よりバンドギャップエネルギーが小さいものであることが好ましい。本発明において、第1保護膜のバンドギャップエネルギーを活性層より大きいもので形成することにより、端面のバンドギャップエネルギーを広げ、言い換えると、共振器面付近の不純物準位を広げ、ウィンドウ構造を形成することにより、CODレベルをより向上させることができる。   The active layer may have either a multiple quantum well structure or a single quantum well structure. The active layer preferably has a smaller band gap energy than the first protective film. In the present invention, the band gap energy of the first protective film is made larger than that of the active layer, so that the band gap energy of the end face is widened, in other words, the impurity level near the resonator surface is widened to form the window structure. By doing so, the COD level can be further improved.

井戸層と障壁層は、一般式InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)のものを用いることができる。好ましくは、少なくとも井戸層にInを含むものであり、さらに好ましくは、井戸層、障壁層の両方にInを含むものである。これにより、上述した結晶性の異なる領域を形成することが容易になる傾向にある。さらに、本発明の第1保護膜との密着性を向上させ、CODレベルを高く維持することができ、好ましい。
活性層がInを含有する層を含む多重量子井戸構造により形成される場合、その組成比、In混晶比の違いにより、結晶性の異なる領域が不連続であったり、分断されていたりすることがある。
本発明では、特に発振波長が220nm〜580nmのものにおいて、第1保護膜の剥がれを有効に防止し、CODレベルを向上させることができる。
Well layer and the barrier layer can be used of the general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1). Preferably, at least the well layer contains In, and more preferably, both the well layer and the barrier layer contain In. This tends to facilitate the formation of the above-described regions having different crystallinity. Furthermore, the adhesiveness with the first protective film of the present invention can be improved, and the COD level can be kept high, which is preferable.
When the active layer is formed with a multiple quantum well structure including a layer containing In, regions having different crystallinity may be discontinuous or divided due to the difference in composition ratio or In mixed crystal ratio. There is.
In the present invention, particularly when the oscillation wavelength is 220 nm to 580 nm, peeling of the first protective film can be effectively prevented, and the COD level can be improved.

窒化物半導体層の成長方法は、特に限定されないが、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、MOCVDは結晶性良く成長させることができるので好ましい。   The method for growing the nitride semiconductor layer is not particularly limited, but as a method for growing a nitride semiconductor such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), etc. All known methods can be suitably used. In particular, MOCVD is preferable because it can be grown with good crystallinity.

窒化物半導体層においては、例えば、後述するリッジが延びる方向に共振器が形成されており、その方向に直交して、一対の共振器面が形成されている。共振器面は、例えば、M軸、A軸、C軸及びR軸配向が挙げられ、つまり、M面(1−100)、A面(11−20)、C面(0001)又はR面(1−102)からなる群から選ばれる面、特にM軸配向であることが好ましい。ここでの共振器面とは、通常、光導波路領域又はNFPに対応する領域を含む領域を意味するが、光導波路領域又はNFPに対応する以外の領域を含んでいてもよいし、また、このような光導波路領域又はNFPに対応する領域が上述した配向を示していなくてもよい。   In the nitride semiconductor layer, for example, a resonator is formed in a direction in which a ridge described later extends, and a pair of resonator surfaces are formed orthogonal to the direction. Examples of the resonator surface include M-axis, A-axis, C-axis, and R-axis orientation, that is, M-plane (1-100), A-plane (11-20), C-plane (0001), or R-plane ( It is preferable that the surface is selected from the group consisting of 1-102), particularly M-axis orientation. The resonator surface here usually means a region including an optical waveguide region or a region corresponding to NFP, but may include a region other than the optical waveguide region or NFP. Such an optical waveguide region or a region corresponding to NFP may not exhibit the above-described orientation.

窒化物半導体層、つまり、p側半導体層の表面には、リッジが形成されている。リッジは、光導波路領域として機能するものであり、その幅は1.0μm〜30.0μm程度である。さらに、レーザ光を横モードがシングルの光源として使用する場合には、1.0μm〜3.0μm程度が好ましい。その高さ(エッチングの深さ)は、例えば、0.1〜2μmが挙げられる。p側半導体層を構成する層の膜厚、材料等を調整することにより、光閉じ込めの程度を適宜調整することができる。リッジは、共振器方向の長さが200μm〜5000μm程度になるように設定することが好ましい。共振器方向においてすべて同じ幅でなくてもよいし、その側面が垂直であっても、テーパー状であってもよい。この場合のテーパー角は45°〜90°程度が適当である。
本発明のレーザ素子では、リッジが形成されていることは必ずしも必要ではなく、例えば、窒化物半導体層に電流狭窄層を形成した半導体レーザ素子であってもよい。
A ridge is formed on the surface of the nitride semiconductor layer, that is, the p-side semiconductor layer. The ridge functions as an optical waveguide region and has a width of about 1.0 μm to 30.0 μm. Furthermore, when the laser beam is used as a light source having a single transverse mode, it is preferably about 1.0 μm to 3.0 μm. The height (etching depth) is, for example, 0.1 to 2 μm. The degree of light confinement can be appropriately adjusted by adjusting the film thickness, material, and the like of the layers constituting the p-side semiconductor layer. The ridge is preferably set so that the length in the resonator direction is about 200 μm to 5000 μm. The widths may not all be the same in the direction of the resonator, and the side surfaces may be vertical or tapered. The taper angle in this case is suitably about 45 ° to 90 °.
In the laser device of the present invention, it is not always necessary to form a ridge. For example, a semiconductor laser device in which a current confinement layer is formed in a nitride semiconductor layer may be used.

窒化物半導体層は、通常、基板上に形成されている。このような基板は、絶縁性基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。基板としては、例えば、第1主面及び/又は第2主面に0°以上10°以下のオフ角を有する窒化物半導体基板であることが好ましい。その膜厚は、例えば、50μm〜10mm程度が挙げられる。
窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。また、例えば、特開2006−24703号公報に例示されている種々の基板等の公知の基板、市販の基板等を用いてもよい。
The nitride semiconductor layer is usually formed on a substrate. Such a substrate may be an insulating substrate or a conductive substrate. The substrate is preferably a nitride semiconductor substrate having an off angle of 0 ° to 10 ° on the first main surface and / or the second main surface, for example. The film thickness is, for example, about 50 μm to 10 mm.
The nitride semiconductor substrate can be formed by vapor phase growth methods such as MOCVD method, HVPE method, MBE method, hydrothermal synthesis method for crystal growth in a supercritical fluid, high pressure method, flux method, melting method and the like. Further, for example, known substrates such as various substrates exemplified in JP-A-2006-24703, commercially available substrates, and the like may be used.

本発明の窒化物半導体レーザ素子では、第1保護膜の上に、さらに膜質、材料又は組成の異なる第2保護膜(例えば、図2中、26参照)が積層されていることが好ましい。第2保護膜は、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti等の酸化物が挙げられ、なかでもAl又はSiO膜が好ましい。さらに好ましくは、第1保護膜と同一材料であることが好ましい。これにより、第1保護膜及び第2保護膜の熱膨張係数が一致するため第1保護膜及び第2保護膜にクラックが発生することを抑制することができる。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, it is preferable that a second protective film (for example, refer to 26 in FIG. 2) having a different film quality, material or composition is further laminated on the first protective film. Examples of the second protective film include oxides such as Si, Mg, Al, Hf, Nb, Zr, Sc, Ta, Ga, Zn, Y, B, and Ti. Among them, an Al 2 O 3 or SiO 2 film is used. preferable. More preferably, it is the same material as the first protective film. Thereby, since the thermal expansion coefficient of a 1st protective film and a 2nd protective film corresponds, it can suppress that a crack generate | occur | produces in a 1st protective film and a 2nd protective film.

第2保護膜は、単層構造及び積層構造のいずれでもよい。例えば、Siの酸化物の単層、Alの酸化物の単層、Siの酸化物とAlの酸化物の積層構造等が挙げられる。このような膜が形成されていることにより、第1保護膜をより強固に共振器面に密着させることができる。その結果、安定な動作を確保することができ、CODレベルを向上させることができる。   The second protective film may have either a single layer structure or a laminated structure. For example, a single layer of Si oxide, a single layer of Al oxide, a stacked structure of Si oxide and Al oxide, or the like can be given. By forming such a film, the first protective film can be more firmly adhered to the resonator surface. As a result, stable operation can be ensured and the COD level can be improved.

第2保護膜は、アモルファスの膜として形成することが好ましい。このような膜が形成されていることにより、第1保護膜の組成の変化を防止することができるとともに、第1保護膜をより強固に共振器面に密着させることができる。膜内において状態の異なるもので形成された第1保護膜の上から、第2保護膜を形成することにより、上記の応力緩和状態を補強し、第1保護膜の密着性を良好なものとすることができる。これにより全体としての第1保護膜の剥がれを防止することができる。   The second protective film is preferably formed as an amorphous film. By forming such a film, a change in the composition of the first protective film can be prevented, and the first protective film can be more firmly adhered to the resonator surface. By forming the second protective film on the first protective film formed in a different state in the film, the stress relaxation state is reinforced, and the first protective film has good adhesion. can do. Thereby, peeling of the first protective film as a whole can be prevented.

第1保護膜及び第2保護膜を加速電圧200kV、暗視野でSTEM観察すると、図3に示すようなSTEM像が得られた。これによると、第2保護膜26、活性層に接する領域25a、第1及び第2窒化物半導体層に接する領域25の順に、明度が高く(明るく)観察された。
また、GaN(11−20)面方向から電子線を入射し、第2保護膜の電子線回折像を観察すると、図6Cに示すように、回折像に回折点がない状態で観察された。これらの観察により、第2保護膜は、アモルファス状であることが確認された。
When the first protective film and the second protective film were observed with an acceleration voltage of 200 kV and a dark field, a STEM image as shown in FIG. 3 was obtained. According to this, the brightness was observed to be higher (brighter) in the order of the second protective film 26, the region 25a in contact with the active layer, and the region 25 in contact with the first and second nitride semiconductor layers.
Further, when an electron beam was incident from the GaN (11-20) plane direction and an electron beam diffraction image of the second protective film was observed, as shown in FIG. 6C, the diffraction image was observed without a diffraction point. From these observations, it was confirmed that the second protective film was amorphous.

第2保護膜の膜厚は、特に限定されることなく、保護膜として機能し得る膜厚とすることが適している。その膜厚は、10nm〜1500nm程度であることが好ましい。また、第1保護膜と第2保護膜との総膜厚は、2μm程度以下となるものが好ましい。   The film thickness of the second protective film is not particularly limited, and is suitably a film thickness that can function as a protective film. The film thickness is preferably about 10 nm to 1500 nm. The total thickness of the first protective film and the second protective film is preferably about 2 μm or less.

第2保護膜は、上述した第1保護膜と同様、例示した公知の方法等を利用して形成することができる。特に、第2保護膜は、アモルファスの膜として形成することが好ましく、そのために、その成膜方法にもよるが、成膜速度をより早いレートに調整する、成膜時の雰囲気を、例えば、酸素雰囲気に制御する、成膜圧力をより高く調整するなどのいずれか1つ又は2以上を組み合わせて成膜を制御することが好ましい。酸素雰囲気に制御する場合、吸収をもたない程度に酸素を導入することが好ましい。   The second protective film can be formed by using the known method illustrated as in the case of the first protective film described above. In particular, the second protective film is preferably formed as an amorphous film. Therefore, depending on the film formation method, the film formation atmosphere is adjusted to a higher film formation rate, for example, It is preferable to control the film formation by any one or a combination of two or more of controlling the oxygen atmosphere and adjusting the film formation pressure higher. When controlling to an oxygen atmosphere, it is preferable to introduce oxygen to such an extent that it does not absorb.

第1保護膜及び第2保護膜はいずれも、共振器面の出射側のみならず、反射側に形成していてもよく、両者において、材料、膜厚等を異ならせてもよい。反射側の第2保護膜としては、Siの酸化物とZrの酸化物との積層構造、Alの酸化物とZrの酸化物との積層構造、Siの酸化物とTiの酸化物との積層構造、Alの酸化物とSiの酸化物とZrの酸化物との積層構造、Siの酸化物とTaの酸化物とAlの酸化物の積層構造等が挙げられる。所望の反射率に合わせて適宜その積層周期等を調整することができる。   Both the first protective film and the second protective film may be formed not only on the emission side of the resonator surface but also on the reflection side, and the materials, film thicknesses, and the like may be different between the two. As the second protective film on the reflection side, a stacked structure of Si oxide and Zr oxide, a stacked structure of Al oxide and Zr oxide, a stacked structure of Si oxide and Ti oxide Examples thereof include a structure, a laminated structure of Al oxide, Si oxide, and Zr oxide, and a laminated structure of Si oxide, Ta oxide, and Al oxide. The stacking period and the like can be adjusted as appropriate according to the desired reflectance.

共振器端面に形成された第1保護膜、第2保護膜などの端面保護膜の最外層として、レーザ素子の発振波長に対して透過性を有する膜を形成することが好ましい。このような最外層を形成することによって、水分や外気に対しての保護効果をもたせることができ、第1保護膜及び第2保護膜の剥がれ、特に、外側の膜の剥がれを抑制することができる。レーザ素子の発振波長に対して透過性を有するとは、レーザ素子の発振波長に対して吸収のない材料によって、λ/2n(λ:発振波長、n:屈折率)またはその整数倍の膜厚の膜が形成されることを意味する。   It is preferable to form a film having transparency with respect to the oscillation wavelength of the laser element as the outermost layer of the end surface protective film such as the first protective film and the second protective film formed on the resonator end surface. By forming such an outermost layer, it is possible to provide a protection effect against moisture and the outside air, and it is possible to suppress peeling of the first protective film and the second protective film, in particular, peeling of the outer film. it can. The term “transmitting to the oscillation wavelength of the laser element” means that the film thickness is λ / 2n (λ: oscillation wavelength, n: refractive index) or an integral multiple thereof, depending on the material that does not absorb the oscillation wavelength of the laser element. This means that a film is formed.

最外層を形成する具体的な材料としては、Al又はSiの酸化物が挙げられる。酸化物を最表面に用いることで、表面の酸化を抑制することができる。例えば、第2保護膜として、Alの酸化物とZrの酸化物との積層構造で保護膜を設けた場合、最外層に高反射率のZrの酸化物を形成すると、Zr酸化物膜が剥がれやすくなる傾向がある。しかし、最外層を上述したような膜厚のAl又はSiの酸化物膜からなる透過膜で形成すると、保護膜の剥がれを抑制することができる。   Specific examples of the material for forming the outermost layer include an oxide of Al or Si. By using an oxide on the outermost surface, surface oxidation can be suppressed. For example, when a protective film is provided as a second protective film with a laminated structure of an oxide of Al and an oxide of Zr, if a highly reflective Zr oxide is formed on the outermost layer, the Zr oxide film is peeled off. It tends to be easier. However, when the outermost layer is formed of a permeable film made of an Al or Si oxide film having the thickness as described above, peeling of the protective film can be suppressed.

なお、第2の保護膜は、第1保護膜と同様に、共振器面以外の面を部分的に被覆していてもよい。例えば、第2保護膜は、任意に第1保護膜とともに、共振器面から半導体層表面にかけて形成される場合、その角部において、共振器面及び半導体層表面と異なる結晶面を有するように形成することが好ましい。これにより、保護膜の剥がれが起こりやすい角部において、局所的に応力がかかるのを抑制し、共振器面と保護膜の間の応力が緩和されることで保護膜の剥がれを防止することができる。第2保護膜は、任意に第1保護膜とともに、共振器面から基板の裏面(窒化物半導体層が形成される面と逆の面)にわたるように形成されていてもよい。その場合にも、上述した場合と同様に、共振器面と基板裏面との間に異なる結晶面を有していてもよい。   The second protective film may partially cover a surface other than the resonator surface, similarly to the first protective film. For example, when the second protective film is arbitrarily formed from the resonator surface to the semiconductor layer surface together with the first protective film, the second protective film is formed to have a crystal plane different from the resonator surface and the semiconductor layer surface at the corners. It is preferable to do. As a result, it is possible to suppress the local application of stress at corners where the protective film easily peels off and to prevent the protective film from peeling off by relaxing the stress between the resonator surface and the protective film. it can. The second protective film may optionally be formed together with the first protective film so as to extend from the resonator surface to the back surface of the substrate (the surface opposite to the surface on which the nitride semiconductor layer is formed). In this case, similarly to the case described above, a different crystal plane may be provided between the resonator surface and the back surface of the substrate.

本発明の半導体レーザ素子では、通常、窒化物半導体層の表面及びリッジの側面にわたって、埋込膜が形成されている。つまり、埋め込み膜は、窒化物半導体層上であって、窒化物半導体層と、後述する電極とが直接接触して、電気的な接続をとる領域以外の領域に形成されている。なお、窒化物半導体層と電極との接続領域としては、特にその位置、大きさ、形状等は限定されず、窒化物半導体層の表面の一部、例えば、窒化物半導体層の表面に形成されるストライプ状のリッジ上面のほぼ全面が例示される。   In the semiconductor laser device of the present invention, a buried film is usually formed over the surface of the nitride semiconductor layer and the side surface of the ridge. That is, the buried film is formed on the nitride semiconductor layer in a region other than the region in which the nitride semiconductor layer and an electrode described later are in direct contact and electrically connected. The connection region between the nitride semiconductor layer and the electrode is not particularly limited in position, size, shape, etc., and is formed on a part of the surface of the nitride semiconductor layer, for example, on the surface of the nitride semiconductor layer. A substantially entire upper surface of the striped ridge is illustrated.

埋込膜は、一般に、窒化物半導体層よりも屈折率が小さな絶縁材料によって形成されている。屈折率は、エリプソメトリーを利用した分光エリプソメータ、具体的には、J.A.WOOLLAM社製のHS−190等を用いて測定することができる。例えば、埋込膜は、Zr、Si、V、Nb、Hf、Ta、Al、Ce、In、Sb、Zn等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の絶縁膜又は誘電体膜の単層又は積層構造が挙げられる。また、埋込膜は、単結晶であってもよいし、多結晶又はアモルファスであってもよい。このように、リッジの側面から、リッジの両側の窒化物半導体表面にわたって埋込膜が形成されていることにより、窒化物半導体層、特にp側半導体層に対する屈折率差を確保して、活性層からの光の漏れを制御することができ、リッジ内に効率的に光閉じ込めができるとともに、リッジ基底部近傍における絶縁性をより確保することができ、リーク電流の発生を回避することができる。   The buried film is generally formed of an insulating material having a refractive index smaller than that of the nitride semiconductor layer. The refractive index is a spectroscopic ellipsometer using ellipsometry. A. It can be measured using HS-190 manufactured by WOOLLAM. For example, the buried film is a single layer of an insulating film or a dielectric film such as an oxide such as Zr, Si, V, Nb, Hf, Ta, Al, Ce, In, Sb, Zn, nitride, oxynitride, etc. Or a laminated structure is mentioned. Further, the embedded film may be single crystal, polycrystalline or amorphous. As described above, since the buried film is formed from the side surface of the ridge to the nitride semiconductor surface on both sides of the ridge, the refractive index difference with respect to the nitride semiconductor layer, particularly the p-side semiconductor layer, is secured, and the active layer The light leakage from the ridge can be controlled, the light can be efficiently confined in the ridge, the insulation in the vicinity of the ridge base portion can be further secured, and the occurrence of a leakage current can be avoided.

埋め込み膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、ECRプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、CVD法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法の2種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理(熱処理)とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。   The buried film can be formed by a method known in the art. For example, evaporation method, sputtering method, reactive sputtering method, ECR plasma sputtering method, magnetron sputtering method, ion beam assisted evaporation method, ion plating method, laser ablation method, CVD method, spray method, spin coating method, dip method or Various methods such as a method of combining two or more of these methods or a method of combining these methods and oxidation treatment (heat treatment) can be used.

本発明では、一対の電極がp側及びn側の窒化物半導体層に電気的に接続されている。特に、p電極は、窒化物半導体層及び埋込膜上に形成されることが好ましい。p電極が最上層の窒化物半導体層及び埋込膜上に連続して形成されていることにより、埋込膜の剥がれを防止することができる。特に、リッジ側面までp電極を形成することにより、リッジ側面に形成された埋込膜について有効に剥がれを防止することができる。   In the present invention, the pair of electrodes are electrically connected to the p-side and n-side nitride semiconductor layers. In particular, the p-electrode is preferably formed on the nitride semiconductor layer and the buried film. Since the p-electrode is continuously formed on the uppermost nitride semiconductor layer and the buried film, peeling of the buried film can be prevented. In particular, by forming the p-electrode up to the ridge side surface, the embedded film formed on the ridge side surface can be effectively prevented from peeling off.

p電極及びn電極は、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム、ITO等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、50nm〜500nm程度が適当である。電極は、少なくとも第1及び第2半導体層又は基板上にそれぞれ形成していればよく、さらにこの電極上にパッド電極等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。
なお、p電極及びn電極は、基板に対して同じ面側に形成されていてもよい。
The p electrode and the n electrode are, for example, a single layer film or a multilayer film of a metal or an alloy such as palladium, platinum, nickel, gold, titanium, tungsten, copper, silver, zinc, tin, indium, aluminum, iridium, rhodium, ITO, etc. Can be formed. The film thickness of the electrode can be appropriately adjusted depending on the material used, and for example, about 50 nm to 500 nm is appropriate. The electrodes only need to be formed on at least the first and second semiconductor layers or the substrate, respectively, and one or more conductive layers such as pad electrodes may be formed on the electrodes.
The p electrode and the n electrode may be formed on the same surface side with respect to the substrate.

埋込膜上には、第3保護膜17が形成されていることが好ましい。このような第3保護膜は、少なくとも窒化物半導体層表面において埋込膜上に配置していればよく、埋込膜を介して又は介さないで、窒化物半導体層の側面及び/又は基板の側面又は表面等をさらに被覆していることが好ましい。第3保護膜は、埋込膜で例示したものと同様の材料で形成することができる。これにより、絶縁性のみならず、露出した窒化物半導体層の側面又は表面等を確実に保護することができる。
なお、窒化物半導体層の側面から、埋込膜15、p電極16及び第3保護膜17の上面には、pパッド電極18が形成されていることが好ましい。
A third protective film 17 is preferably formed on the buried film. The third protective film may be disposed on the buried film at least on the surface of the nitride semiconductor layer, and may be disposed on the side surface of the nitride semiconductor layer and / or on the substrate without or through the buried film. It is preferable that the side surface or the surface is further coated. The third protective film can be formed of the same material as that exemplified for the buried film. Thereby, not only the insulating property but also the exposed side surface or surface of the nitride semiconductor layer can be reliably protected.
A p-pad electrode 18 is preferably formed on the top surface of the buried film 15, the p-electrode 16 and the third protective film 17 from the side surface of the nitride semiconductor layer.

第1保護膜及び第2保護膜は、共振器面から第2窒化物半導体層表面にかけて連続して形成されていてもよい。窒化物半導体層表面に形成された第1保護膜及び/又は第2保護膜とp電極、埋込膜及びp側パッド電極とは離間していてもよいし、接していてもよいし、被覆していてもよい。好ましくは、第1保護膜及び/又は第2保護膜が埋込膜及びp電極を被覆するものである。これにより、埋込膜やp電極の剥がれを防止することができる。   The first protective film and the second protective film may be formed continuously from the resonator surface to the second nitride semiconductor layer surface. The first protective film and / or the second protective film formed on the surface of the nitride semiconductor layer may be separated from, in contact with, or in contact with the p-electrode, the buried film, and the p-side pad electrode. You may do it. Preferably, the first protective film and / or the second protective film covers the buried film and the p-electrode. Thereby, peeling of the buried film and the p-electrode can be prevented.

第2窒化物半導体層表面に形成された保護膜の膜厚は、共振器面に形成された第1保護膜及び第2保護膜の膜厚よりも薄いものが好ましい。これにより、保護膜にクラックが発生することを防止することができる。
第2窒化物半導体層表面に形成された保護膜は、窒化物半導体層の結晶面と同軸配向であることが好ましく、特にC軸配向であることが好ましい。これにより半導体層表面と保護膜との密着性を良好なものとすることができる。
The thickness of the protective film formed on the surface of the second nitride semiconductor layer is preferably thinner than the thickness of the first protective film and the second protective film formed on the resonator surface. Thereby, it can prevent that a crack generate | occur | produces in a protective film.
The protective film formed on the surface of the second nitride semiconductor layer is preferably coaxial with the crystal plane of the nitride semiconductor layer, and particularly preferably C-axis oriented. Thereby, the adhesiveness between the semiconductor layer surface and the protective film can be improved.

以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
実施例1
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図1及び図2A、図2Bに示すように、C面を成長面とするGaN基板10上に、第1窒化物半導体層(例えば、n側)11、活性層12及び表面にリッジ14が形成された第2窒化物半導体層(例えば、p側)13をこの順に積層しており、M面を共振器面とする共振器が形成されて構成されている。
このような窒化物半導体レーザ素子は、共振器面に第1保護膜25及び第2保護膜26、さらに、埋込膜15、p電極16、n電極19、第3保護膜17、pパッド電極18等が形成されている。
共振器面は、主としてM軸配向を有する窒化物半導体層により形成されており、第1保護膜25は、図2A及び図2Bに示すように、少なくとも一方の共振器面において、その共振器面と同軸、つまり、M軸配向しており、さらにその上に、第2保護膜26が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the nitride semiconductor laser device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Example 1
As shown in FIGS. 1, 2A, and 2B, the nitride semiconductor laser device of this embodiment has a first nitride semiconductor layer (for example, n-side) 11 on a GaN substrate 10 having a C plane as a growth surface. The active layer 12 and a second nitride semiconductor layer (for example, p side) 13 having a ridge 14 formed on the surface are stacked in this order, and a resonator having the M plane as a resonator plane is formed. ing.
Such a nitride semiconductor laser device has a first protective film 25 and a second protective film 26 on the resonator surface, a buried film 15, a p-electrode 16, an n-electrode 19, a third protective film 17, and a p-pad electrode. 18 etc. are formed.
The resonator surface is mainly formed of a nitride semiconductor layer having M-axis orientation. As shown in FIGS. 2A and 2B, the first protective film 25 is formed on at least one of the resonator surfaces. The second protective film 26 is formed thereon.

第1保護膜25は、Alからなり、膜厚が20nm程度である。第1保護膜25は、活性層12と、その上下の第1窒化物半導体層11及び第2窒化物半導体層14にわたる領域において、活性層に接する領域25aが形成されている。
この第1保護膜25を、加速電圧200kV、暗視野でSTEM観察を行ったところ、図3に示すような断面STEM像が得られた。活性層に接する領域25aにおいて、それ以外の領域に比較して、明るく(明度が高く)観察され、視覚的にその結晶性が異なることが認められた。
The first protective film 25 is made of Al 2 O 3 and has a thickness of about 20 nm. In the first protective film 25, a region 25 a in contact with the active layer is formed in a region extending from the active layer 12 and the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 14 above and below the active layer 12.
When this first protective film 25 was observed with an accelerating voltage of 200 kV and a dark field, a cross-sectional STEM image as shown in FIG. 3 was obtained. In the region 25a in contact with the active layer, it was observed brighter (higher brightness) than in the other regions, and it was recognized that the crystallinity was visually different.

この第1保護膜25を、カメラ長50cm、GaN(11−20)面方向から電子線を入射することにより測定し、電子線回折によって保護膜表面側から分析したところ、図6に示すような電子線回折像が得られた。活性層に接する領域25aでは、図6Bに示すように、原子の存在を示す点が不明瞭であった。一方、第1保護膜25の他の領域を分析したところ、図6Aに示すように、原子の存在を示す点が明瞭に表されており、その配列は、活性層に接する領域25aよりも整然としていることが分かった。   The first protective film 25 was measured by entering an electron beam from the direction of the GaN (11-20) plane with a camera length of 50 cm, and analyzed from the protective film surface side by electron beam diffraction. As shown in FIG. An electron diffraction image was obtained. In the region 25a in contact with the active layer, as shown in FIG. 6B, the point indicating the presence of atoms was unclear. On the other hand, when the other region of the first protective film 25 is analyzed, as shown in FIG. 6A, the points indicating the presence of atoms are clearly represented, and the arrangement is more orderly than the region 25a in contact with the active layer. I found out that

第2保護膜26はAlからなり、膜厚が100nm程度である。この第2保護膜26を、電子線回折によって第2保護膜表面側から分析したところ、図6Cに示すように、原子の存在を示す点がほとんど不明瞭で認められなかった。 The second protective layer 26 is made of Al 2 O 3, thickness of about 100 nm. When the second protective film 26 was analyzed from the surface side of the second protective film by electron beam diffraction, as shown in FIG. 6C, the point indicating the presence of atoms was almost unclear and not recognized.

この窒化物半導体レーザ素子は、以下のように製造される。
まず、窒化ガリウム基板を準備する。反応器中で、この窒化ガリウム基板上に、1160℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニア、シランガスを用い、Siを4×1018/cm3ドープしたAl0.03Ga0.97Nよりなる層を膜厚2μmで成長させる。なお、このn側クラッド層は超格子構造とすることもできる。
続いて、シランガスを止め、1000℃でアンドープGaNよりなるn側光ガイド層を0.175μmの膜厚で成長させる。このn側光ガイド層にn型不純物をドープしてもよい。
This nitride semiconductor laser device is manufactured as follows.
First, a gallium nitride substrate is prepared. In a reactor, Al 0.03 Ga 0 doped with Si at 4 × 10 18 / cm 3 on this gallium nitride substrate at 1160 ° C. using TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), ammonia, and silane gas. A layer made of .97 N is grown to a thickness of 2 μm. Note that the n-side cladding layer may have a superlattice structure.
Subsequently, the silane gas is stopped, and an n-side light guide layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.175 μm at 1000 ° C. The n-side light guide layer may be doped with n-type impurities.

次に、温度を900℃にして、SiドープIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を14nmの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープIn0.07Ga0.93Nよりなる井戸層を7nmの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを2回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚56nmの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。 Next, the temperature is set to 900 ° C., a barrier layer made of Si-doped In 0.02 Ga 0.98 N is grown to a thickness of 14 nm, and then at the same temperature, undoped In 0.07 Ga 0.93 N A well layer made of this is grown to a thickness of 7 nm. A barrier layer and a well layer are alternately stacked twice, and finally an active layer having a multi-quantum well structure (MQW) having a total thickness of 56 nm is grown by ending with the barrier layer.

温度を1000℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.25Ga0.75Nよりなるp側キャップ層を10nmの膜厚で成長させる。
続いて、Cp2Mg、TMAを止め、1000℃で、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層10よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層を0.145μmの膜厚で成長させる。
The temperature was raised to 1000 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) was used, and the band gap energy was larger than that of the p-side light guide layer, and Mg was doped at 1 × 10 20 / cm 3 . A p-side cap layer made of p-type Al 0.25 Ga 0.75 N is grown to a thickness of 10 nm.
Subsequently, Cp 2 Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer made of undoped GaN having a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer 10 is grown to a thickness of 0.145 μm at 1000 ° C.

次に、1000℃でアンドープAl0.10Ga0.90Nよりなる層を2.5nmの膜厚で成長させ、続いて、TMAを止め、CpMgを用いてp型GaNよりなる層を2.5nmの膜厚で成長させ、総膜厚0.45μmの超格子層よりなるp側クラッド層を成長させる。
最後に、1000℃で、p側クラッド層の上に、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層を15nmの膜厚で成長させる。
Next, a layer made of undoped Al 0.10 Ga 0.90 N is grown at a film thickness of 2.5 nm at 1000 ° C., and then the TMA is stopped and a layer made of p-type GaN using Cp 2 Mg. A p-side cladding layer made of a superlattice layer with a total film thickness of 0.45 μm is grown with a film thickness of 2.5 nm.
Finally, a p-side contact layer made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer at 1000 ° C. to a thickness of 15 nm.

このようにして窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成して、共振器面に平行な方向における幅が800μmのストライプ状の構造を形成する。この部分がレーザ素子の共振器本体となる。共振器長は、200μm〜5000μm程度の範囲であることが好ましい。 The wafer on which the nitride semiconductor is grown in this way is taken out of the reaction vessel, a protective film made of SiO 2 is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer, and the width in the direction parallel to the resonator surface is 800 μm. A stripe structure is formed. This part becomes the resonator body of the laser element. The resonator length is preferably in the range of about 200 μm to 5000 μm.

次に、p側コンタクト層の表面にストライプ状のSiOよりなる保護膜を形成して、RIE(反応性イオンエッチング)を用いてSiClガスによりエッチングし、ストライプ状の光導波路領域であるリッジ部を形成する。
このリッジ部の側面をZrOからなる埋込膜で保護する。
Next, a protective film made of striped SiO 2 is formed on the surface of the p-side contact layer, and etched with SiCl 4 gas using RIE (reactive ion etching) to form a ridge which is a striped optical waveguide region. Forming part.
The side surface of the ridge portion is protected with a buried film made of ZrO 2 .

次いで、p側コンタクト層及び埋込膜の上の表面にNi(10nm)/Au(100nm)/Pt(100nm)よりなるp電極を形成する。p電極を形成した後、600℃でオーミックアニールを行う。オーミックアニールをした後、Si酸化膜(SiO2)からなる第3保護膜をp電極の上及び埋込膜の上及び半導体層の側面に0.5μmの膜厚で、スパッタリングにより成膜する。
次に、第3保護膜で覆われていない露出しているp電極上に連続して、Ni(8nm)/Pd(200nm)/Au(800nm)で、pパッド電極を形成する。
その後、基板厚みが80μmになるように窒化物半導体層の成長面と反対側の面から研磨を行う。
Next, a p-electrode made of Ni (10 nm) / Au (100 nm) / Pt (100 nm) is formed on the surface above the p-side contact layer and the buried film. After forming the p-electrode, ohmic annealing is performed at 600 ° C. After ohmic annealing, a third protective film made of a Si oxide film (SiO 2 ) is formed on the p electrode, the buried film, and the side surface of the semiconductor layer by sputtering to a thickness of 0.5 μm.
Next, a p-pad electrode is formed continuously with Ni (8 nm) / Pd (200 nm) / Au (800 nm) on the exposed p-electrode not covered with the third protective film.
Thereafter, polishing is performed from the surface opposite to the growth surface of the nitride semiconductor layer so that the substrate thickness becomes 80 μm.

研磨した面に、Ti(15nm)又はV(10nm)/Pt(200nm)/Au(300nm)よりなるn電極を形成する。
n電極とp電極及びpパッド電極とを形成したウェハ状の窒化物半導体基板の第1の主面側に凹部溝をけがきによって形成する。この凹部溝は、例えば、深さを10μmとする。また、共振器面と平行方向に、側面から50μm、垂直方向に15μmの幅とする。次に、この凹部溝を劈開補助線として窒化物半導体基板のn電極の形成面側からバー状に劈開し、劈開面((1−100)面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)を共振器面とする。共振器長は800μmとし、その後、p電極に平行な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子とする。
An n electrode made of Ti (15 nm) or V (10 nm) / Pt (200 nm) / Au (300 nm) is formed on the polished surface.
A concave groove is formed by scribing on the first main surface side of the wafer-like nitride semiconductor substrate on which the n electrode, the p electrode, and the p pad electrode are formed. For example, the recess groove has a depth of 10 μm. Also, the width is 50 μm from the side surface in the direction parallel to the resonator surface and 15 μm in the vertical direction. Next, this concave groove is used as a cleavage assist line to cleave in a bar shape from the n-electrode formation surface side of the nitride semiconductor substrate, and the cleavage plane ((1-100) plane, the plane corresponding to the hexagonal columnar crystal surface = M plane) is the resonator plane. The cavity length is set to 800 μm, and then a bar is formed into chips in a direction parallel to the p-electrode to obtain a semiconductor laser element.

続いて、得られた素子の共振器面を、プラズマ処理装置を用いて、酸素プラズマに晒して表面処理を行う。この際、例えば、Oの流量が20sccm、マイクロ波/RF電力500Wにて、10分間処理する。その後、素子をECRスパッタ装置に移し、Alターゲットを用い、Arの流量が30sccm、酸素の流量が10sccm、マイクロ波/RF電力500Wで、Alからなる第1保護膜(20nm)を形成する。
出射側の端面のAlからなる第1保護膜の上に、ECRスパッタ装置にて、Alターゲットを用い、Arの流量が30sccm、酸素の流量が4sccm、マイクロ波/RF電力500WでAlからなる第2保護膜を100nm成膜する。
反射側には、出射側と同様の成膜条件で、Alからなる第1保護膜(20nm)を形成した後、Alからなる第2保護膜(40nm)を形成する。その上に(SiO/ZrO)を(67nm/44nm)で6周期成膜してもよい。
Subsequently, surface treatment is performed by exposing the resonator surface of the obtained element to oxygen plasma using a plasma processing apparatus. At this time, for example, the treatment is performed at a flow rate of O 2 of 20 sccm and a microwave / RF power of 500 W for 10 minutes. Then transferred element ECR sputtering apparatus, using Al target, the flow rate of Ar is 30 sccm, the flow rate of oxygen is 10 sccm, a microwave / RF power 500 W, forming a first protective film composed of Al 2 O 3 (20nm) To do.
On the first protective film made of Al 2 O 3 on the emission side end surface, an Al target is used with an ECR sputtering apparatus, the flow rate of Ar is 30 sccm, the flow rate of oxygen is 4 sccm, and the microwave / RF power is 500 W. A second protective film made of 2 O 3 is formed to a thickness of 100 nm.
The reflective side, the same film forming conditions and the exit side, after forming a first protective film composed of Al 2 O 3 (20nm), to form a second protective film made of Al 2 O 3 (40nm). On top of that, (SiO 2 / ZrO 2 ) may be formed at (67 nm / 44 nm) for 6 cycles.

比較のために、Alからなる単層の保護膜を、酸素プラズマによる表面処理を行わず、他の条件を変更せずに120nmの膜厚で形成する以外は、実質的に上述した半導体レーザ素子と同様の製造方法でレーザ素子を形成した。 For comparison, a single-layer protective film made of Al 2 O 3 is substantially the same as described above except that the surface treatment with oxygen plasma is not performed and the film thickness is 120 nm without changing other conditions. A laser element was formed by the same manufacturing method as the semiconductor laser element.

Figure 2009016798
Figure 2009016798

得られた半導体レーザ素子について、連続発振後の電流−光出力特性を測定し、CODレベルを評価した。
それらの測定結果を図4に示す。
実線で示したデータが、結晶性が面内で異なる第1保護膜を有する本発明のレーザ素子の電流−光出力特性を示し、点線で示したデータが、比較例である結晶性が面内で同一の厚膜の保護膜を有するレーザ素子の電流−光出力特性を示す。電流−光出力特性曲線では、注入電流の増加と共に光出力が増加し、光出力がCODレベルに達すると端面が破壊されレーザ発振が停止する。
図4によれば、本発明の保護膜を備えるレーザ素子において、CODレベルが、比較例に対して著しく高いことが分かった。
With respect to the obtained semiconductor laser element, the current-light output characteristics after continuous oscillation were measured, and the COD level was evaluated.
The measurement results are shown in FIG.
The data indicated by the solid line indicates the current-light output characteristics of the laser element of the present invention having the first protective film having different crystallinity in the plane, and the data indicated by the dotted line indicates that the crystallinity as a comparative example is in the plane. The current-light output characteristics of a laser element having the same thick protective film are shown. In the current-light output characteristic curve, the light output increases as the injection current increases. When the light output reaches the COD level, the end face is destroyed and laser oscillation stops.
According to FIG. 4, in the laser element provided with the protective film of the present invention, it was found that the COD level was significantly higher than that of the comparative example.

このように、活性層に接する領域の結晶性を他の領域と異なる保護膜を形成することにより、共振器面を構成する窒化物半導体層の発光部分に対して、応力を生じさせることなく、窒化物半導体にクラックが生じず、共振器面との密着性が良好で、剥がれを防止し、ひいては、CODレベルを向上させることができる。   In this way, by forming a protective film having a different crystallinity from the other regions in contact with the active layer, without causing stress on the light emitting portion of the nitride semiconductor layer constituting the resonator surface, Cracks do not occur in the nitride semiconductor, the adhesion to the resonator surface is good, peeling is prevented, and as a result, the COD level can be improved.

得られた窒化物半導体レーザ素子の保護膜を検証するために、上記と同様の方法で保護膜を形成したチップを、フッ化アンモニウムとフッ酸15.7%とからなるバッファードフッ酸に浸漬し、保護膜の溶解を観察した。その結果、浸漬後、5分で活性層に接する領域の保護膜は、略膜厚方向に全て溶解したのに対し、第1及び第2窒化物半導体層に接する領域の保護膜は、表面において若干溶解又は膨潤を示したが、除去されなかった。   In order to verify the protective film of the obtained nitride semiconductor laser device, the chip on which the protective film was formed by the same method as described above was immersed in buffered hydrofluoric acid composed of ammonium fluoride and 15.7% hydrofluoric acid. Then, dissolution of the protective film was observed. As a result, the protective film in the region in contact with the active layer 5 minutes after immersion was completely dissolved in the film thickness direction, whereas the protective film in the region in contact with the first and second nitride semiconductor layers was on the surface. Some dissolution or swelling was noted but not removed.

実施例2〜9
この実施例では、第1保護膜と第2保護膜とを材料及び膜厚を変更し、第1保護膜が酸化膜の場合には酸素プラズマを、窒化膜の場合には窒素プラズマを用いた表面処理を行う以外、実施例1と同様にレーザ素子を作製する。
第1保護膜及び第2保護膜は、表2に示す組成及び膜厚とする。なお、実施例2〜5では、Ni系のp電極及びTi系のn電極を用い、実施例6〜9では、Ni系のp電極及びV系のn電極を用いた。
Examples 2-9
In this embodiment, the materials and thicknesses of the first protective film and the second protective film are changed, and oxygen plasma is used when the first protective film is an oxide film, and nitrogen plasma is used when the first protective film is a nitride film. A laser element is manufactured in the same manner as in Example 1 except that the surface treatment is performed.
The first protective film and the second protective film have the compositions and film thicknesses shown in Table 2. In Examples 2 to 5, Ni-based p electrodes and Ti-based n electrodes were used, and in Examples 6 to 9, Ni-based p electrodes and V-based n electrodes were used.

Figure 2009016798
Figure 2009016798

これらのレーザ素子において、実施例1と同様の評価を行うと、実施例1と同様にCODレベルが向上し、寿命特性が良好となる。 In these laser elements, when the same evaluation as in Example 1 is performed, the COD level is improved as in Example 1, and the life characteristics are improved.

実施例10
この実施例では、出射側の端面のAlからなる第1保護膜(20nm)の上に、第2保護膜としてAl(40nm)を成膜し、その上に、Al/ZrO(60nm/43nm)を2周期成膜し、最後にAl(120nm)を形成する。
また、反射側には、Al/ZrO(60nm/43nm)を6周期成膜する。
これらの条件以外は、実施例1と同様にレーザ素子を作製する。
このようなレーザ素子では、出射側に形成された高反射率のZrOは剥がれやすい傾向があるが、その上に最外層としてAlを形成することによって、ZrOが剥れにくくなり、安定した素子動作のレーザ素子を得ることができ、実施例1と同様にCODレベルが向上し、寿命特性が良好となる。
Example 10
In this embodiment, on the first protective film made of Al 2 O 3 of the end face on the exit side (20 nm), a for Al 2 O 3 second protective layer (40 nm) was deposited, thereon, Al 2 Two cycles of O 3 / ZrO 2 (60 nm / 43 nm) are formed, and finally Al 2 O 3 (120 nm) is formed.
On the reflection side, six periods of Al 2 O 3 / ZrO 2 (60 nm / 43 nm) are formed.
Except for these conditions, a laser element is fabricated in the same manner as in Example 1.
In such a laser device, but ZrO 2 of a high reflectivity formed on the exit side is likely to peel off tendency, by forming an Al 2 O 3 as an outermost layer thereon, ZrO 2 is less likely to peel Thus, a laser element with stable element operation can be obtained, and the COD level is improved and the life characteristics are improved as in the first embodiment.

本発明は、レーザダイオード素子(LD)のみならず、発光ダイオード素子(LED)、スーパーフォトルミネセンスダイオード等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられるような、保護膜と半導体層との密着性を確保する必要がある窒化物半導体素子に広く適用することができる。特に、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定、バイオ関連の励起用光源等における窒化物半導体レーザ素子に利用することができる。   The present invention provides not only a laser diode element (LD) but also a light emitting diode element (LED), a light emitting element such as a super photoluminescence diode, a light receiving element such as a solar cell or a photosensor, or an electronic device such as a transistor or a power device. It can be widely applied to nitride semiconductor elements that need to ensure the adhesion between the protective film and the semiconductor layer as used in the above. In particular, it can be used for nitride semiconductor laser elements in optical disc applications, optical communication systems, printing presses, exposure applications, measurements, bio-related excitation light sources, and the like.

本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための要部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the principal part for demonstrating the structure of the nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の保護膜を説明するための共振器方向での断面図である。It is sectional drawing in the resonator direction for demonstrating the protective film of the nitride semiconductor laser element of this invention. 図2Aの窒化物半導体レーザ素子の概略斜視図である。FIG. 2B is a schematic perspective view of the nitride semiconductor laser element in FIG. 2A. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の保護膜のSTEM像である。It is a STEM image of the protective film of the nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子と比較例の窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-light output characteristic of the nitride semiconductor laser element of this invention, and the nitride semiconductor laser element of a comparative example. 本発明の別の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための共振器方向での断面図である。It is sectional drawing in the resonator direction for demonstrating the structure of another nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明のさらに別の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための共振器方向での断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view in the cavity direction for explaining the structure of still another nitride semiconductor laser element of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層に接する保護膜の電子線回折像である。2 is an electron diffraction image of a protective film in contact with a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の活性層に接する保護膜の電子線回折像である。3 is an electron beam diffraction image of a protective film in contact with an active layer of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の第2保護膜の電子線回折像である。It is an electron beam diffraction image of the 2nd protective film of the nitride semiconductor laser element of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 基板
11 第1窒化物半導体層
12 活性層
13 第2窒化物半導体層
14 リッジ
15 埋込膜
16 p電極
17 第3保護膜
18 p側パッド電極
19 n電極
25 保護膜
25a 活性層に接する領域
26 第2保護膜
10 substrate 11 first nitride semiconductor layer 12 active layer 13 second nitride semiconductor layer 14 ridge 15 buried film 16 p electrode 17 third protective film 18 p-side pad electrode 19 n electrode 25 protective film 25a region in contact with the active layer 26 Second protective film

Claims (18)

第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層を含み、端面を備えた共振器を有する窒化物半導体層と、少なくとも一方の端面に接触する第1保護膜とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
第1保護膜は、活性層に接する領域と第1及び第2窒化物半導体層に接する領域とで、走査透過電子顕微鏡によって明暗が観察される膜構造を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
A nitride semiconductor including a nitride semiconductor layer including a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer and having a resonator having an end face, and a first protective film in contact with at least one end face A laser element,
The first protective film has a film structure in which brightness and darkness are observed by a scanning transmission electron microscope in a region in contact with the active layer and a region in contact with the first and second nitride semiconductor layers. element.
前記活性層に接する領域の明部又は暗部は、第1保護膜の膜厚方向に連続して配置される請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。   2. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein a bright part or a dark part of a region in contact with the active layer is continuously arranged in a film thickness direction of the first protective film. 前記活性層に接する領域の明部又は暗部は、共振器面側よりも素子外側において幅広である請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。   3. The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein a bright part or a dark part of a region in contact with the active layer is wider outside the element than on the resonator surface side. 前記第1保護膜は、3nm〜1000nmの膜厚である請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the first protective film has a thickness of 3 nm to 1000 nm. 前記第1保護膜は、六方晶系の結晶構造を有する材料で形成されてなる請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the first protective film is formed of a material having a hexagonal crystal structure. 前記第1保護膜は、第1及び第2窒化物半導体層に接する領域において、共振器面と同軸配向の結晶構造を有する請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。   6. The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the first protective film has a crystal structure coaxial with a resonator surface in a region in contact with the first and second nitride semiconductor layers. . 前記第1保護膜は、第2保護膜によって被覆されてなる請求項1〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the first protective film is covered with a second protective film. 前記第2保護膜と、前記活性層に接する領域と、前記第1及び第2窒化物半導体層に接する領域とは、この順に、走査透過電子顕微鏡によって明度が高く又は低く観察される請求項7に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The brightness of the second protective film, the region in contact with the active layer, and the region in contact with the first and second nitride semiconductor layers are observed in this order by a scanning transmission electron microscope with high or low brightness. The nitride semiconductor laser device described in 1. 前記第2保護膜は、10nm〜1500nmの膜厚である請求項7又は8に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 7 or 8, wherein the second protective film has a thickness of 10 nm to 1500 nm. 第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層を含み、端面を備えた共振器を有する窒化物半導体層と、少なくとも一方の端面に接触する第1保護膜とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
第1保護膜は、活性層に隣接する部位と第1及び第2窒化物半導体層に隣接する部位とで、結晶性が異なる膜構造を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
A nitride semiconductor including a nitride semiconductor layer including a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer and having a resonator having an end face, and a first protective film in contact with at least one end face A laser element,
The nitride semiconductor laser device, wherein the first protective film has a film structure in which crystallinity is different between a portion adjacent to the active layer and a portion adjacent to the first and second nitride semiconductor layers.
第1及び第2窒化物半導体層に隣接する部位は、活性層に隣接する部位よりも結晶性が良い請求項10に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser device according to claim 10, wherein a portion adjacent to the first and second nitride semiconductor layers has better crystallinity than a portion adjacent to the active layer. 前記活性層に隣接する部位は、第1保護膜の膜厚方向にわたって実質的に同じ結晶性を有する請求項10又は11に記載の窒化物半導体レーザ素子。   12. The nitride semiconductor laser element according to claim 10, wherein a portion adjacent to the active layer has substantially the same crystallinity over the thickness direction of the first protective film. 実質的に同じ結晶性を有する前記活性層に隣接する部位は、共振器面側よりも素子外側において幅広である請求項12に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser device according to claim 12, wherein a portion adjacent to the active layer having substantially the same crystallinity is wider on the outside of the device than on the resonator surface side. 前記第1保護膜は、3nm〜1000nmの膜厚である請求項10〜13のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 10, wherein the first protective film has a thickness of 3 nm to 1000 nm. 前記第1保護膜は、六方晶系の結晶構造を有する材料で形成されてなる請求項10〜14のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 10, wherein the first protective film is formed of a material having a hexagonal crystal structure. 前記第1保護膜は、第2保護膜によって被覆されてなる請求項10〜15のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser device according to claim 10, wherein the first protective film is covered with a second protective film. 前記第1及び第2窒化物半導体層に隣接する部位と、前記活性層に隣接する部位と、前記第2保護膜とは、この順に、結晶性が良い請求項16に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser according to claim 16, wherein a portion adjacent to the first and second nitride semiconductor layers, a portion adjacent to the active layer, and the second protective film have good crystallinity in this order. element. 前記第2保護膜は、10nm〜1500nmの膜厚である請求項16又は17に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 16 or 17, wherein the second protective film has a thickness of 10 nm to 1500 nm.
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