JP4310352B2 - 発光デバイスおよび発光デバイスの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発光デバイスおよび発光デバイスの製造方法に関し、特に、特性悪化を抑制して信頼性を向上することができる発光デバイスおよび発光デバイスの製造方法に関する。
発光型半導体チップを実装した発光デバイスは、発光型半導体チップが支持体上に実装されてパッケージにより気密封止されることが多い。しかしながら、パッケージで発光型半導体チップを気密封止することは発光デバイスの小型化の妨げになるため、パッケージによる気密封止を必要としない発光デバイスが要望されることがある。
また、発光デバイスの製造コストを低減する観点からもパッケージによる気密封止工程を削減することはメリットがある。たとえば、CD(Compact Disk)に用いられる発光波長780nmの半導体レーザデバイス、またはDVD(Digital Versatile Disk)に用いられる発光波長650nmの半導体レーザデバイスは、小型化が要求される際には、フレームパッケージと称される気密封止を行なわない形態で実装される。
また、用途によっては、発光型半導体チップを光学素子とともにパッケージにより気密封止することがある。この場合には、たとえば光学素子のパッケージ内での接着等に有機物を含む接着剤が用いられる。
しかしながら、近年登場した発光波長が405nm程度の半導体レーザデバイスにおいては、有機物を含む接着剤と半導体レーザチップとをパッケージ内に気密封止した場合には半導体レーザチップの端面にシリコン(Si)と酸素(O)からなる堆積物が形成されて著しい特性悪化が起こることが知られている(たとえば特許文献1参照)。
実際に有機物を含む接着剤と発光波長が405nm程度の半導体レーザチップとをパッケージ内に気密封止した半導体レーザデバイスの連続駆動試験を行なった結果を図14に示す。ここで、連続駆動試験は、半導体レーザデバイスの連続駆動試験専用の装置を用いて、温度75℃で光出力が15mWで一定になるように駆動電流値を制御するようなモード(APCモード)で行なった。図14に示すように、半導体レーザチップ端面への堆積物の形成が原因と考えられる駆動電流値の大きな変動が見られる。
このような半導体レーザチップの端面への堆積物の形成は、有機物を含む接着剤だけでなく、半導体レーザチップの製造工程で付着した有機物によっても、発光波長550nm以下の半導体レーザデバイスで発生し、半導体レーザデバイスの特性悪化を引き起こす(たとえば特許文献2参照)。
以上のような現象は、発光波長が650nm以上の発光デバイスでは見られない現象である。
特開2004−289010号公報 特開2004−40051号公報
たとえば特許文献1には、パッケージ内のSi有機化合物ガスの蒸気圧を低くすることによって、半導体レーザチップの端面への堆積物の形成を防止する技術が開示されている。しかしながら、特許文献1に開示された技術においては、光学素子とともに半導体レーザチップを気密封止する必要がある等のために光学素子のパッケージ内での接着に有機物を含む接着剤を使用せざるを得ない場合には、パッケージ内のSi有機化合物ガスの蒸気圧を低くすることは極めて難しく、可能であっても複雑な製造工程を必要とする。
また、特許文献2には、半導体レーザチップの発光波長よりも短い波長の光を半導体レーザチップが実装された支持体に照射することによって、半導体レーザチップの端面への堆積物の形成を防止する技術が開示されている。しかしながら、特許文献2に開示された技術においても製造工程が煩雑になる。
さらに、発光波長が400nm〜437nmの半導体レーザチップにおいては、パッケージで半導体レーザチップを覆うことなく大気に曝した状態で使用した場合でも、半導体レーザチップの光出射部上の保護膜の表面に堆積物が形成することも見出された。このような現象は、発光波長が780nmや650nmの半導体レーザチップでは見られない現象である。この現象は、上述したCDやDVDの小型用途に用いられるフレームパッケージが発光波長が短い半導体レーザチップには用いることができないことを意味する。堆積物の形成は、出射光の形状の乱れ、高出力駆動時の光出射部の劣化、閾値電流値や微分効率等の諸特性の悪化をもたらし、半導体レーザチップが実装された半導体レーザデバイスの信頼性の低下を引き起こすためである。
上記の堆積物の形成は、出射光の光密度の高い半導体レーザチップにおいて顕著に見られるが、発光ダイオード等の他の発光型半導体チップにおいても発光波長が短い場合には当然に起こるものと考えられるため、発光波長の短い発光型半導体チップを実装した発光デバイス全体の問題と考えられる。
そこで、本発明の目的は、特性悪化を抑制して信頼性を向上することができる発光デバイスおよび発光デバイスの製造方法を提供することにある。
本発明は、光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップが実装された発光デバイスであって、発光型半導体レーザチップは気密封止されておらず、保護膜は、酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜と、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜と、酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜と、を含み、第1の誘電体膜は第2の誘電体膜よりも光出射部側に位置し、第2の誘電体膜は第3の誘電体膜よりも光出射部側に位置しており発光型半導体レーザチップは、第1の誘電体膜が発光型半導体レーザチップの共振器端面と接する発光デバイスである。
ここで、本発明の発光デバイスにおいては、発光型半導体レーザチップをフレームパッケージの形態で実装することができる。
また、本発明は、光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップが実装された発光デバイスであって、発光型半導体レーザチップは有機物を含む接着剤とともに気密封止されており、保護膜は、酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜と、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜と、酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜と、を含み、第1の誘電体膜は第2の誘電体膜よりも光出射部側に位置し、第2の誘電体膜は第3の誘電体膜よりも光出射部側に位置しており発光型半導体レーザチップは、第1の誘電体膜が発光型半導体レーザチップの共振器端面と接する発光デバイスである。
また、本発明の発光デバイスにおいては、第3の誘電体膜が酸化物からなり、第3の誘電体膜はアルミニウム、シリコン、ハフニウム、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、チタンおよびイットリウムからなる群から選択された少なくとも1種の酸化物からなることが好ましい。
また、本発明の発光デバイスにおいては、第3の誘電体膜がフッ化物からなり、第3の誘電体膜がマグネシウムおよびカルシウムからなる群から選択された少なくとも1種のフッ化物からなることからなることが好ましい。
また、本発明は、光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップを実装した発光デバイスを製造する方法であって、保護膜に含まれる酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜を発光型半導体チップの共振器端面と接して形成する工程と、保護膜に含まれる窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜を形成する工程と、保護膜に含まれる酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜を形成する工程と、発光型半導体レーザチップを気密封止することなく実装する工程と、を含む、発光デバイスの製造方法である。
さらに、本発明は、光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップを実装した発光デバイスを製造する方法であって、保護膜に含まれる酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜を発光型半導体レーザチップの共振器端面と接して形成する工程と、保護膜に含まれる窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜を形成する工程と、保護膜に含まれる酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜を形成する工程と、発光型半導体レーザチップを有機物を含む接着剤とともに気密封止して実装する工程と、を含む、発光デバイスの製造方法である。
本発明によれば、特性悪化を抑制して信頼性を向上することができる発光デバイスおよび発光デバイスの製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
本発明者は、上記の課題を解決するために、発光型半導体チップの光出射部上に形成される保護膜に着目した。従来の堆積物の形成への対策は、特許文献1や特許文献2のようなものであって、光出射部に形成される保護膜に関する検討はこれまでほとんど行なわれていない。
具体的には、本発明者は、発光波長(発光する光の波長)が400nm〜410nmである半導体レーザチップ(窒化物III−V族化合物半導体を用いて形成)の光出射部が含まれる共振器端面に種々の材料を用いて種々の構成で保護膜を形成し、実装した半導体レーザデバイスについて連続駆動試験を行なった。
ここで、半導体レーザチップの実装は、保護膜の形成後の半導体レーザチップをサブマウントをはんだで接着し、半導体レーザチップが接着されたサブマウントを支持台にはんだで接着することにより行なった。また、連続駆動試験は、半導体レーザチップをパッケージで気密封止(パッケージの外側の気体がパッケージの内側に入り込まないようにパッケージで封止すること)することなく行なった。
まず、共振器端面に酸化アルミニウム(Al23)からなる保護膜を形成した半導体レーザチップ(従来例1)を実装した半導体レーザデバイスの連続駆動試験を行なった。その結果を図8に示す。ここで、連続駆動試験は、半導体レーザデバイスの連続駆動試験専用の装置を用いて、温度75℃で光出力が15mWで一定になるように駆動電流値を制御するようなモード(APCモード)で行なった。
図8に示すように、従来例1の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスの連続駆動試験においては、駆動電流値は大きく変動していた。これは、特許文献1および特許文献2で示されている結果と同様の結果となっている。
次に、共振器端面に直接接する酸窒化アルミニウム膜およびその直上に形成した酸化アルミニウム膜からなる保護膜を共振器端面に形成した半導体レーザチップ(従来例2)を作製した。この従来例2の半導体レーザチップでは、連続駆動試験前に行なった評価において、従来例1よりも高いCOD(Catastrophic Optical Damage)レベルが得られた。したがって、従来例2の半導体レーザチップは、従来例1の半導体レーザチップよりも出力特性が向上したといえる。これは、共振器端面を構成する半導体に接するように酸窒化アルミニウム膜を形成することにより、半導体と酸窒化アルミニウム膜との界面の酸化が従来例1と比べて抑制されて、非発光再結合準位が減少したことで光吸収が減少したためと考えられる。また、酸窒化アルミニウム膜は、優れた熱伝導性を有しているため、光出射部で発生した熱を効率良く逃がせることも高出力特性の向上の一因であると考えられる。さらに、酸窒化アルミニウム膜中の酸素は半導体と酸窒化アルミニウム膜との密着性および酸窒化アルミニウム膜とその直上の酸化アルミニウム膜との密着性の向上に役立っているものと考えられる。
続いて、従来例2の半導体レーザチップを従来例1と同様に実装した半導体レーザデバイスの連続駆動試験を行なった。その結果を図9に示す。ここで、連続駆動試験は、従来例1と同様に半導体レーザデバイスの連続駆動試験専用の装置を用いて、温度75℃で光出力が15mWで一定になるように駆動電流値を制御するようなモード(APCモード)で行なった。
しかしながら、図9に示すように、従来例2の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスにおいても従来例1の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスと同様に駆動電流値の大きな変動が見られることから、半導体レーザチップをより高出力でより安定に駆動させることと、本発明の課題である発光デバイスの特性悪化を簡便に抑制して信頼性を向上することとは全く別問題であるといえる。
また、発光波長が437nmで保護膜が従来例2と同様に共振器端面に直接接する酸窒化アルミニウム膜およびその直上の酸化アルミニウム(Al23)膜からなるなる構成とした半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスについても従来例2と同様に連続駆動試験を行なった。その結果を図10に示す。
図10に示すように、この半導体レーザデバイスについても従来例2と同様に駆動電流値の大きな変動が見られることから、堆積物の形成が原因と思われる駆動電流値の変動は、発光波長が405nmよりも長い波長帯においても発生することがわかる。
さらに、共振器端面に直接接する酸窒化アルミニウム膜およびその直上に形成した窒化シリコン膜からなる保護膜を共振器端面に形成した半導体レーザチップ(従来例3)を作製し、従来例3の半導体レーザチップを従来例1および従来例2と同様に実装した半導体レーザデバイスの連続駆動試験を上記と同様にして行なった。その結果を図11に示す。
図11に示すように従来例3の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスについても従来例1および従来例2と同様に駆動電流値の周期的変動が見られた。しかしながら、詳細に調査を行なったところ、上記の他の保護膜を形成した場合とは様子が異なっていることが判明した。
まず、特許文献1によると、堆積物の形成により、半導体レーザデバイスのファーフィールドパターン(FFP:Far Field Pattern)に乱れが生じるとされている。本発明者の実験においても、従来例1および従来例2では、特許文献1と同様に連続駆動試験前には見られなかったFFPの乱れが観測された。ところが、従来例3の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスにおいては、連続駆動試験前後でFFPに変化がないことが判明した。この点に注目し、さらに詳細に調査を行なった。
図12に、連続駆動試験後の従来例3の半導体レーザチップの窒化シリコン膜の表面近傍の透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察結果を示す。図12に示すように、従来例3の半導体レーザチップの窒化シリコン膜の表面上には変質層が形成されている。この変質層をエネルギー分散X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy)により元素分析を行なった結果、シリコン(Si)と酸素(O)が検出された。この点では、従来見られた堆積物の形成と同様である。
しかしながら、特許文献1で掲載されているTEM観察結果のような保護膜上に堆積物が無秩序に付着しているのとは様子が異なり、比較的綺麗な層状を維持したまま変質層が形成されていることがわかった。そのため、連続駆動試験後であっても従来例3の半導体レーザチップにおいてはFFPに乱れが生じていないものと考えられる。また、1つの可能性として、堆積物が形成されたのではなく、窒化シリコン膜の表面から窒素(N)と酸素(O)の入れ替わりが起こり、このような変質層が形成されたということも考えられるようなTEM観察結果となっている。
以上のような結果から、従来例3の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスにおいては、これまで報告されているような現象とは異なることが起こっていると考えられる。しかしながら、従来例3の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスにおいても駆動電流値の変動が起こっているのは事実であり、この点を改善しなければ本発明の課題を解決することができない。
本発明者は、従来例3において駆動電流値が変動する原因がTEM観察結果で見られた窒化シリコン膜上の変質層にあると考えた。変質層が堆積物の形成によるものか、窒素と酸素の入れ替わりによるものかはわからないが、窒化シリコンと酸化シリコン(SiOx)とでは屈折率が異なる。そのため、いずれの場合でも、変質層の形成とともに光が感じる反射率は異なっていく。反射率が異なる場合には半導体レーザデバイスの特性は変動するし、特に、図8〜図11に見られるような、駆動電流値が時には低下するような現象は反射率の変動に起因するものと考えられる。光出射部上の窒化シリコン膜の反射率を測定することが可能であれば検証することもできるのであるが、半導体レーザチップの光出射部の径は一般的にわずか2μm程度であり、窒化シリコン膜の2μm程度の径の領域のみの反射率を測定することは極めて難しいと考えられる。
そこで、本発明者は、引き続き、窒化シリコン膜の表面上に変質層が形成されないような手法がないかどうか検討した。
まず、最初に、最表面となる窒化シリコン膜の表面から窒素が離脱しにくくするような表面処理法を検討した。これは、窒化シリコン膜から窒素が離脱しなければ酸素との入れ替わりも生じないのではないかと考えたことによるものである。そのため、窒化シリコン膜を形成した後に、通常は行なわない窒素プラズマによる照射を行なった。これは、窒化シリコン膜の表面での窒素の不足を解消する目的である。
しかしながら、窒素プラズマが照射された半導体レーザチップを気密封止することなく実装した半導体レーザデバイスの連続駆動試験を行なったところ、従来例3の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスと同様の結果となって、効果が見られなかった。
次に、半導体に直接接する酸窒化アルミニウム膜を形成し、その直上に窒化シリコン膜を形成し、窒化シリコン膜の表面上に酸化アルミニウム(Al23)膜を備えた保護膜を形成した半導体レーザチップを作製した。そして、この半導体レーザチップを従来例1〜3と同様に実装した半導体レーザデバイスについて従来例1〜3と同様に連続駆動試験を行なった。その結果を図13に示す。
図13に示すように、この半導体レーザデバイスにおいては従来例1〜3で見られたような駆動電流値の大きな変動は見られず、外部からの不純物の混入を防止するために半導体レーザチップをパッケージ内に気密封止して実装された半導体レーザデバイスと同様の結果が得られている。
また、この半導体レーザデバイスを300時間連続駆動させた後に、光学顕微鏡で保護膜の表面を観察してみたが、変質層の存在は確認することができなかった。窒化シリコン膜は一般的に防湿性や耐酸化性が高い窒化物膜であると言われているが、なぜ、酸窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜および酸化アルミニウム膜から構成される保護膜の構造が従来において問題視されていた堆積物の形成に効果があるかは現時点ではわかっていない。おそらく、堆積物の形成には、波長が短い光と、雰囲気中に含まれていて堆積物の元になる物質以外にも何かしらの要因が影響していて、窒化シリコン膜にはその何かしらの要因を排除する効果があるものと推測される。
そして、窒化シリコン膜上の酸化アルミニウム膜は、一般的には耐酸化性が高いとされている窒化シリコン膜であっても気密封止しない場合に生じるシリコンと酸素からなる変質層の形成に対して効果があると考えられる。これは、半導体レーザデバイスのように極めて高い光密度の下では、窒化物膜の中では耐酸化性が高いと言われている窒化シリコン膜であっても酸化が起こるところをより強い耐酸化性を有する酸化アルミニウム膜で防止しているのではないかと推測される。また、耐酸化性の強い材料としては、酸化アルミニウム膜以外にも各種の酸化物膜またはフッ化物膜を用いることができると考えられる。さらに、酸窒化シリコン膜についても窒化シリコン膜と同様の効果が発現するものと考えられる。以上の実験結果により、本発明者は、本発明を想到するに至った。
(実施の形態1)
図1に、本発明の発光デバイスの一例である半導体レーザデバイスの一例の模式的な斜視図を示す。図1に示す半導体レーザデバイスは、フレームパッケージと称されるパッケージによる気密封止を行なわない形態で半導体レーザチップ10が実装された構成となっている。ここで、半導体レーザチップ10はサブマウント121上に設置されており、サブマウント121はリードピン124を備えた放熱フィン123上に設置されている。また、放熱フィン123上には樹脂モールドされたフレームパッケージ122が半導体レーザチップ10の周囲において半導体レーザチップ10からの出射光が外部に取り出される箇所以外の箇所を取り囲むようにして形成されている。
図2に、図1に示す半導体レーザチップ10の一例の共振器長方向に沿った構成を模式的に示す。ここで、半導体レーザチップ10は、基板上に窒化物III−V族化合物半導体からなる窒化物半導体結晶層が積層された構造を含む窒化物半導体層積層構造体30を有しており、窒化物半導体層積層構造体30は窒化物III−V族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を有する活性層24を有しており、活性層24の光出射側の共振器端面に光が出射する光出射部37が配置されている。
窒化物半導体層積層構造体30の光出射側の共振器端面16上には、共振器端面16に接する酸窒化アルミニウム膜からなる第1の誘電体膜29、窒化シリコン膜からなる第2の誘電体膜31および酸化アルミニウム膜からなる第3の誘電体膜32が順次積層されることによって保護膜36が形成されている。
また、窒化物半導体層積層構造体30の光反射側の共振器端面17上には酸窒化アルミニウム膜33が共振器端面17に接して形成され、その直上には酸化アルミニウム膜34が形成され、さらにその上には窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とのペアが6ペア形成された高反射膜35が形成されている。なお、光反射側の共振器端面17上の膜構成については、光出射部側の膜構成と同様の構成としてもよい。
そして、窒化物半導体層積層構造体30の光反射側の共振器端面17上のこれらの膜によって活性層24から出射される光の反射率が95%となるように設定されている。
ここで、第1の誘電体膜29の厚さは、3nm以上であることが好ましく、6nm以上であることがより好ましい。第1の誘電体膜29の厚さが3nm以上である場合、特に6nm以上である場合には、半導体レーザチップ10を気密封止せずに実装したときでも良好な高出力特性が得られる傾向にある。
また、第1の誘電体膜29の厚さは、500nm以下であることが好ましく、300nm以下であることがより好ましい。第1の誘電体膜29の厚さが500nm以下である場合、特に300nm以下である場合には、第1の誘電体膜29が均一に形成されて、半導体レーザチップ10を気密封止せずに実装したときでも良好な高出力特性の半導体レーザデバイスが歩留まり良く得られる傾向にある。
なお、本実施の形態においては、第1の誘電体膜29の厚さは20nmとされている。
また、第2の誘電体膜31の厚さは20nm以上であることが好ましく、50nm以上であることがより好ましい。第2の誘電体膜31の厚さが20nm以上である場合、特に50nm以上である場合には、半導体レーザデバイスの特性悪化の抑制効果が大きくなる傾向にある。
また、第2の誘電体膜31の厚さは1000nm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましい。第2の誘電体膜31の厚さが1000nm以下である場合、特に500nm以下である場合には、第2の誘電体膜31が均一に形成されて、所望の特性を有する半導体レーザチップ10が歩留まり良く得られる傾向が大きくなる。
また、本実施の形態においては、第2の誘電体膜31は窒化シリコン膜から形成されているが、本発明においては、第2の誘電体膜31は酸窒化シリコン膜から形成されていてもよい。
ここで、第2の誘電体膜31が酸窒化シリコン膜から形成されている場合には、酸窒化シリコン膜中のシリコン、酸素および窒素の総原子数に対する窒素の原子数の割合(%)は5%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましい。酸窒化シリコン膜から形成される第2の誘電体膜31中のシリコン、酸素および窒素の総原子数に対する窒素の原子数の割合(%)が5%以上である場合、特に20%以上である場合には、発光デバイスの特性悪化の抑制効果が大きくなる傾向にある。
なお、本実施の形態においては、第2の誘電体膜31の厚さは300nmとされている。
また、第3の誘電体膜32の厚さは、5nm以上であることが好ましく、10nm以上であることがより好ましい。第3の誘電体膜32の厚さが5nm以上である場合、特に10nm以上である場合には、半導体レーザデバイスの特性悪化の抑制効果が大きくなる傾向にある。
また、第3の誘電体膜32の厚さは1000nm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましい。第3の誘電体膜32の厚さが1000nm以下である場合、特に500nm以下である場合には、第3の誘電体膜32が均一に形成されて、所望の特性を有する半導体レーザチップ10が歩留まり良く得られる傾向が大きくなる。
また、本実施の形態においては、第3の誘電体膜32は酸化アルミニウム膜から形成されているが、本発明においては、第3の誘電体膜32はアルミニウム、シリコン、ハフニウム、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、チタンおよびイットリウムからなる群から選択された少なくとも1種の金属の酸化物からなっていることが好ましい。第3の誘電体膜32が上記の金属の酸化物から構成されている場合には、これらの金属酸化物は波長550nm以下の短波長の光に対して透明であるため、第3の誘電体膜32による出射光の吸収等による半導体レーザデバイスの特性の低下を抑制することができる傾向にある。
ここで、酸化物からなる第3の誘電体膜32の好ましい態様としては、たとえば、上記の金属の1種の酸化物からなる膜の単層、これらの金属の酸化物からなる膜が複数積層された複数層、上記の金属の2種以上を含む酸化物からなる膜の単層、上記の金属の2種以上を含む酸化物からなる膜が複数積層された複数層、または上記の金属の1種の酸化物からなる膜と上記の金属の2種以上を含む酸化物からなる膜とからなる複数層等の態様がある。
また、第3の誘電体膜32は、マグネシウムおよびカルシウムからなる群から選択された少なくとも1種のフッ化物からなることが好ましい。第3の誘電体膜32がこれらの金属のフッ化物から構成されている場合には、これらのフッ化物は波長550nm以下の短波長の光に対して透明であるため、第3の誘電体膜32による出射光の吸収等による発光デバイスの特性の低下を抑制することができる傾向にある。
ここで、フッ化物からなる第3の誘電体膜32の好ましい態様としては、たとえば、マグネシウムまたはカルシウムのいずれか一方のフッ化物からなる膜の単層、マグネシウムおよびカルシウムの双方を含むフッ化物の単層、マグネシウムのフッ化物からなる膜とカルシウムのフッ化物からなる膜とからなる複数層等がある。
さらに、第3の誘電体膜32の構成に用いられる酸化物およびフッ化物にはそれぞれ微量のアルゴンや窒素等が含まれていてもよい。ただし、第3の誘電体膜32の耐酸化性を確保するためには、第3の誘電体膜32中の酸素量は、第3の誘電体膜32を構成する全元素に対して50原子%以上であることが好ましい。
なお、本実施の形態においては、第3の誘電体膜32の厚さは150nmとされている。
また、本発明においては、第1の誘電体膜29と第2の誘電体膜31との間および/または第2の誘電体膜31と第3の誘電体膜32との間には他の誘電体膜が形成されていてもよい。この場合に、他の誘電体膜は1種類の膜から構成されていてもよく、複数の誘電体膜の積層体から構成されていてもよい。
図3は、図2に示す窒化物半導体層積層構造体30の一例の共振器長方向に直交する方向に沿った断面を模式的に示す図である。
ここで、窒化物半導体層積層構造体30は、n型GaN基板11上に、厚さ0.2μmのn型GaNからなるn型バッファ層21、厚さ2.3μmのn型Al0.06Ga0.94Nからなるn型クラッド層22、厚さ0.02μmのn型GaNからなるn型ガイド層23、厚さ4nmのInGaNと厚さ8nmのGaNからなる多重量子井戸層と厚さ70nmのGaNからなる保護層とからなる多重量子井戸構造の活性層24、厚さ20nmのp型Al0.3Ga0.7Nからなるp型電流ブロック層25、厚さ0.5μmのp型Al0.05Ga0.95Nからなるp型クラッド層26および厚さ0.1μmのp型GaNからなるp型コンタクト層27がn型GaN基板11側からこの順序でエピタキシャル成長することにより積層された構成を有している。
なお、上記の各層の混晶比は適宜調節されるものであり、本発明の本質とは関係がない。また、半導体レーザチップから発振されるレーザ光の波長は活性層24の混晶比によって、たとえば、370nm以上470nm以下の範囲で適宜調節することができる。本実施の形態においては、405nmの波長のレーザ光が発振するように調節されている。
また、窒化物半導体層積層構造体30においては、p型クラッド層26およびp型コンタクト層27の一部が除去されて、ストライプ状のリッジストライプ部13が共振器長方向に延伸するように形成されている。ここで、リッジストライプ部13のストライプの幅は、たとえば1.2〜2.4μm程度であり、代表的には1.5μm程度である。
また、p型コンタクト層27の表面にはp電極14が設けられ、p電極14の下部にはリッジストライプ部13を除いて絶縁膜12が設けられている。また、n型GaN基板11の上記の層の積層側と反対側の表面にはn電極15が形成されている。
また、窒化物半導体層積層構造体30を構成する各窒化物半導体層については、上記以外にも窒化物III−V族化合物半導体層を適宜用いることができる。窒化物III−V族化合物半導体層としては、たとえば、AlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z≠0)の組成式で表わされるアルミニウム、インジウムおよびガリウムからなる群から選択された少なくとも1種の3族元素と5族元素である窒素との化合物からなる層を用いることができる。なお、窒化物III−V族化合物半導体層には、n型ドーパントまたはp型ドーパントが適宜ドープされてもよい。
図2に示す構成の半導体レーザチップ10は、たとえば以下のようにして形成される。まず、図3に示すn型GaN基板11上にn型バッファ層21等の図3に示す各窒化物半導体層を順次積層し、リッジストライプ部を形成した後に、絶縁膜、p電極およびn電極をそれぞれ形成したウエハをダイヤモンドポイントによるスクライブおよびブレークの手法により劈開してレーザバーを形成する。この劈開による劈開面が図2に示す互いに平行な光出射側の共振器端面16および光反射側の共振器端面17となる。
次に、図2に示す第1の誘電体膜29、第2の誘電体膜31、第3の誘電体膜32、酸窒化アルミニウム膜33、酸化アルミニウム膜34および高反射膜35を形成する。これらの膜はそれぞれ、たとえば以下に説明するECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタリング法、ECRスパッタリング法以外の他の各種スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法または蒸着法等により形成することができる。
図4に、ECRスパッタリング装置の模式的な構成図を示す。ここで、ECRスパッタリング装置40は、大きく分けて、成膜炉50とプラズマ生成室60とから構成されている。成膜炉50にはガス導入口51およびガス排気口56が設置されており、成膜炉50内にはターゲット52、加熱用ヒータ53、試料台54およびシャッタ55が設置されている。また、試料台54上には上記劈開により形成されたレーザバー66が設置されており、レーザバー66は共振器端面16または共振器端面17に成膜を行なうことができる向きでホルダ(図示せず)に取り付けられている。また、ガス排気口56には真空ポンプ(図示せず)が取り付けられており、ここから成膜炉50内のガスを排気することができる。また、ターゲット52にはRF電源57が接続されている。
また、プラズマ生成室60にはガス導入口61およびマイクロ波導入口62が設置されており、プラズマ生成室60内にはマイクロ波導入窓63および磁気コイル64が設置されている。そして、マイクロ波導入口62から導入されたマイクロ波65がマイクロ波導入窓63を経て導入されることにより、ガス導入口61から導入されたガスからプラズマが生成される。
このような構成のECRスパッタリング装置40を用いて、まず、図2に示す光出射側の共振器端面16に酸窒化アルミニウム膜からなる第1の誘電体膜29を形成し、引き続き、第1の誘電体膜29上に窒化シリコン膜からなる第2の誘電体膜31を形成する。続いて、第2の誘電体膜31上に酸化アルミニウム膜からなる第3の誘電体膜32を形成する。
具体的には、まず、成膜炉50内に窒素ガスを5.5sccmの流量で導入し、酸素ガスを0.5sccmの流量で導入し、さらに、プラズマを効率よく発生させて成膜速度を大きくするためにアルゴンガスを20sccmの流量で導入する。次に、Alのターゲット52をスパッタリングするためにターゲット52にRFパワーを500W印加し、プラズマの生成に必要なマイクロ波パワーを500W印加したところ、成膜レートが1.1Å/秒で、波長405nmの光の屈折率が2.1である酸窒化アルミニウム膜からなる第1の誘電体膜29が形成される。
上記のようにして第1の誘電体膜29を形成した後には、成膜炉50内に導入するアルゴンガスの流量を40sccmに、窒素ガスの流量を5sccmに、ターゲット52の材質をSiにそれぞれ変更し、酸素ガスの導入を停止することにより、第1の誘電体膜29上に窒化シリコン膜からなる第2の誘電体膜31を形成する。ここで、上記のRFパワーは500Wとされ、マイクロ波パワーは500Wとされる。
上記のようにして第2の誘電体膜31を形成した後には、成膜炉50内に導入するアルゴンガスの流量を40sccmに、酸素ガスの流量を5.8sccmに、ターゲット52の材質をAlにそれぞれ変更し、窒素ガスの導入を停止することにより、第2の誘電体膜31上に酸化アルミニウム膜からなる第3の誘電体膜32を形成する。ここで、上記のRFパワーは500Wとされ、マイクロ波パワーは500Wとされる。
そして、上記の第1の誘電体膜29、第2の誘電体膜31および第3の誘電体膜32の形成後は、上記のECRスパッタリング法などにより光反射側の共振器端面17に酸窒化アルミニウム膜33、酸化アルミニウム膜34および高反射膜35をこの順序で形成する。
以上のようにして、上記のレーザバー66の光出射側の端面16に第3の保護膜29、第1の保護膜31および第2の保護膜32を順次形成し、酸窒化アルミニウム膜33、酸化アルミニウム膜34および高反射膜35を順次形成した後にレーザバー66共振器長方向に沿ってチップ状に分割することによって、本実施の形態の半導体レーザチップ10を得ることができる。
以上のようにして得られた半導体レーザチップ10が実装された図1に示す半導体レーザデバイスにおいては、半導体レーザチップ10がフレームパッケージ122により気密封止されていないが、光出射部37上に上記の第1の誘電体膜29、第2の誘電体膜31および第3の誘電体膜32からなる保護膜36が形成されていることによって、半導体レーザデバイスの駆動中に半導体レーザチップ10の保護膜36の表面上に堆積物が形成するのを抑止することができるため、信頼性の高い半導体レーザデバイスとすることができる。
なお、本実施の形態の半導体レーザデバイスにおいては、半導体レーザチップ10がパッケージによる気密封止を行なわないフレームタイプの実装とされているため、キャンタイプの実装と比べて薄型・軽量化できるとともに、組立工程を大幅に合理化することができ、低価格化が可能となる。また、本発明は、フレームタイプに限らず、気密封止をしない形態での実装に適用することができる。
また、本発明は、発光型半導体チップとして、たとえば面発光型の半導体レーザチップや発光ダイオードチップを実装した発光デバイスにも適用することができる。この場合、上記の保護膜36は、上記の保護膜36が形成されていない段階での面発光型の半導体レーザチップおよび発光ダイオードチップのそれぞれの光出射部となる発光面上に形成される。ただし、本発明においては、発光型半導体チップとしては半導体レーザチップを用いることが好ましい。半導体レーザチップの光出射時の光出射部における光密度は非常に高いため、特に出射光の波長が青紫色〜青色域の波長域に存在する場合には、発光デバイスの特性悪化に起因する信頼性の低下の問題は生じやすくなるが、本発明においてはこのような波長の光を出射する半導体レーザチップを用いた場合でもこのような問題の発生を低減することができる。
また、本発明の効果は、堆積物の形成が生じる波長の光を出射する発光型半導体チップに対して適用することができる。そのような光の波長帯は、大体紫外から緑色の波長域であると考えられる。
(実施の形態2)
本実施の形態の発光デバイスは、実施の形態1と同様の構成の半導体レーザチップ10がキャンタイプの形態で実装されていることに特徴がある。図5に、実施の形態2の発光デバイスとしての半導体レーザデバイスの模式的な側面透視図を示す。
ここで、半導体レーザチップ10をサブマウント132上に設置するとともに、サブマウント132がステム133の上方への突出部の側面上に設置されている。また、ステム133の平面部の表面上には光学素子として受光素子131が設置されるとともにパッケージとしてのキャップ134が半導体レーザチップ10を取り囲むようにして形成されている。
また、ステム133には3本のリードピン136が備えられており、これらのリードピン136はステム133、半導体レーザチップ10および受光素子131にそれぞれ接続されている。さらに、キャップ134の中央部には半導体レーザチップ10からの光を取り出すための光学ガラス窓135が設けられており、半導体レーザチップ10は光学ガラス窓135を備えたキャップ134からなるパッケージ内に気密封止されている。
ここで、半導体レーザチップ10とサブマウント132との接着にははんだが用いられており、サブマウント132とステム133との接着および受光素子131とステム133との接着にはAgペースト(Ag粒子を含む有機樹脂からなる接着剤)が用いられている。Agペーストは、有機物を含む導電性の接着剤であるため、半導体レーザチップ10に図2に示す保護膜36が形成されていない場合には、気密封止していても、このAgペーストから発生する有機化合物ガスにより保護膜36上に堆積物が形成され、半導体レーザデバイスの特性が損なわれる。
しかしながら、本実施の形態の半導体レーザデバイスにおいては、図2に示すように、光出射側の共振器端面16上に、第1の誘電体膜29、第2の誘電体膜31および第3の誘電体膜32からなる保護膜36が形成されている半導体レーザチップ10が実装されていることから、上記のAgペーストのような有機物を含む接着剤とともに半導体レーザチップ10を気密封止した場合でも、半導体レーザデバイスの駆動中における堆積物の形成が抑制され、信頼性の高い半導体レーザデバイスとすることができる。
また、本実施の形態においては、キャップ内の有機化合物ガスの蒸気圧を下げる必要がないため、半導体レーザデバイスの製造が簡単になる。
また、本実施の形態においては、Agペースト等の有機物を含む接着剤を用いずにはんだのみを用いて接着する場合と比べて、半導体レーザデバイスの製造工程も簡単にすることができる。
また、本実施の形態においてはAgペーストを用いて接着を行なっているが、本発明はAgペースト以外にもエポキシ系、シリコーン系等の各種の有機物を含む接着剤を用いる場合にも適用することができる。
また、本発明は、通常のキャンタイプだけでなく、ホログラムレーザデバイスのようにパッケージ内に半導体レーザチップと光学素子とを収納するようなタイプの発光デバイスにも適用することができる。
また、本発明において、Agペーストのような有機物を含む接着剤を用いて接着する場合には、少なくとも1箇所において接着が行なわれていればよく、たとえば、半導体レーザチップとサブマウントとの接着およびサブマウントとステムとの接着ははんだを用いて接着を行なうが、受光素子とステムとの接着のみにAgペーストのような有機物を含む接着剤を用いて接着することもできるし、これらのすべての接着箇所に有機物を含む接着剤を用いることもできる。
また、半導体レーザチップの気密封止は、通常、半導体レーザデバイスの信頼性を確保するために、露点温度を低く保った乾燥空気雰囲気で行なうことができるが、本発明を適用した場合には、露点温度が高い状態で気密封止を行なった場合でも半導体レーザデバイスの信頼性を向上することができる。
(実施の形態3)
本実施の形態の発光デバイスは、実施の形態1と同様の構成の半導体レーザチップ10が実施の形態2と同様にキャンタイプの形態で実装されているが、実施の形態2とは異なり、光学ガラス窓が備えられておらず、光学ガラス窓の設置箇所が開口部となっており、半導体レーザチップ10が気密封止されていないことに特徴がある。図6に、実施の形態3の発光デバイスとしての半導体レーザデバイスの模式的な側面透視図を示す。
上述したように、半導体レーザチップ10に図2に示す保護膜36が形成されていない場合には、気密封止していても、このAgペーストから発生する有機化合物ガスにより保護膜36上に堆積物が形成され、半導体レーザデバイスの特性が損なわれる。
しかしながら、本実施の形態の半導体レーザデバイスにおいては、図2に示すように、光出射側の共振器端面16上に、第1の誘電体膜29、第2の誘電体膜31および第3の誘電体膜32からなる保護膜36が形成されている半導体レーザチップ10が実装されていることから、上記のAgペーストのような有機物を含む接着剤とともに半導体レーザチップ10を気密封止した場合でも、半導体レーザデバイスの駆動中における堆積物の形成が抑制され、信頼性の高い半導体レーザデバイスとすることができる。
さらに、本実施の形態の半導体レーザデバイスにおいては、光学ガラス窓を用いる必要がないため、従来のパッケージのように光学ガラス窓がある場合と比べて、発光デバイスの製造コストを低下することができる。
(実施の形態4)
本実施の形態の発光デバイスは、実施の形態1と同様の構成の半導体レーザチップ10がHHL(High Heat Load)パッケージと呼ばれるタイプの形態で実装された構成となっている。HHLパッケージは、照明用途等に応用されるワットクラスの高出力の半導体レーザデバイスに用いられるものである。
図7(a)に本実施の形態の発光デバイスとしての半導体レーザデバイスの蓋部分の模式的な斜視図を示し、図7(b)に本実施の形態の半導体レーザデバイスにおいて半導体レーザチップが実装されたHHLパッケージ本体部の模式的な斜視図を示す。ここで、本実施の形態の半導体レーザデバイスは、図7(a)に示す蓋部分144を図7(b)に示す半導体レーザチップが実装された箱体状のHHLパッケージ本体部147の開口部に被せることによって構成される。
図7(a)に示すように蓋部分144は、実装された半導体レーザチップ10からの出射光を取り出すための光学ガラス窓145をその表面の中心部に備えている。そして、図7(b)に示すように、HHLパッケージ本体部147の内部においては、複数個(図7(b)では3個)の半導体レーザチップ10がサブマウント141上に設置されており、ヒートスプレッダー143上にサブマウント141が設置されている。また、ヒートスプレッダー143に隣接するようにして配線板142が設置されており、複数のリードピン146がHHLパッケージ本体部147の側面を貫通するようにして設置されている。
ここで、HHLパッケージ本体部147において、半導体レーザチップ10とサブマウント141、サブマウント141とヒートスプレッダー143、ヒートスプレッダー143とHHLパッケージ本体部147とは、それぞれはんだで接着されている。また、蓋部分144とHHLパッケージ本体部147とは溶接または低温はんだで接着されている。低温はんだ中には、フラックスと呼ばれる、金属表面を浄化する材料が含まれており、このフラックスはロジンという油分を主成分としており、有機物からなっている。また、配線板142に用いられる銅線はビニールで被服されている。また、HHLパッケージ本体部147には、ぺルチェ素子が設置されていてもよい。
本実施の形態の半導体レーザデバイスのように、HHLパッケージの形態で半導体レーザチップ10を実装した場合には、半導体レーザチップ10が複数個設置されている等の構成部品数が多く、接着箇所も多岐にわたるため、有機物の使用が多くなると考えられる。また、蓋部分144とHHLパッケージ本体部147との接着もキャンタイプに比べて難しく、気密性を保つことが困難となる。
しかしながら、本実施の形態の半導体レーザデバイスにおいては、図2に示すように、光出射側の共振器端面16上に、第1の誘電体膜29、第2の誘電体膜31および第3の誘電体膜32からなる保護膜36が形成されている半導体レーザチップ10が実装されていることから、半導体レーザデバイスの駆動中における堆積物の形成が抑制され、信頼性の高い半導体レーザデバイスとすることができる。
なお、本発明は、HHLパッケージに限らず、各種形態のパッケージに発光型半導体チップを実装する場合に適用できることは言うまでもない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、特性悪化を抑制して信頼性を向上することができる発光デバイスを得ることができるため、本発明の発光デバイスは、電子情報機器および照明装置等に好適に用いることができる。
本発明の実施の形態1の半導体レーザデバイスの模式的な斜視図である。 図1に示す半導体レーザチップの一例の共振器長方向に沿った構成を模式的に示す図である。 図2に示す窒化物半導体層積層構造体の一例の共振器長方向に直交する方向に沿った断面を模式的に示す図である。 ECRスパッタリング装置の模式的な構成図である。 本発明の実施の形態2の半導体レーザデバイスの模式的な側面透視図である。 本発明の実施の形態3の半導体レーザデバイスの模式的な側面透視図である。 (a)は実施の形態4の半導体レーザデバイスの蓋部分の模式的な斜視図であり、(b)は実施の形態4の半導体レーザデバイスのHHLパッケージ本体部の模式的な斜視図である。 従来例1の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスについて連続駆動試験を行なったときのエージング時間と駆動電流値との関係を示す図である。 従来例2の半導体レーザチップを従来例1と同様に実装した半導体レーザデバイスについて連続駆動試験を行なったときのエージング時間と駆動電流値との関係を示す図である。 発光波長が437nmで保護膜が従来例2と同様に共振器端面に直接接する酸窒化アルミニウム膜およびその直上の酸化アルミニウム膜からなるなる構成とした半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスについて連続駆動試験を行なったときのエージング時間と駆動電流値との関係を示す図である。 従来例3の半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスについて連続駆動試験を行なったときのエージング時間と駆動電流値との関係を示す図である。 連続駆動試験後の従来例3の半導体レーザチップの窒化シリコン膜の表面近傍の透過型電子顕微鏡による観察結果を示す図である。 半導体側から酸窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜および酸化アルミニウム膜を備えた保護膜を形成した半導体レーザチップを実装した半導体レーザデバイスについて連続駆動試験を行なったときのエージング時間と駆動電流値との関係を示す図である。 発光波長が405nm程度の半導体レーザチップを有機物を含む接着剤とパッケージ内に気密封止した半導体レーザデバイスの連続駆動試験を行なった結果である。
符号の説明
10 半導体レーザチップ、11 n型GaN基板、12 絶縁膜、13 リッジストライプ部、14 p電極、15 n電極、16,17 共振器端面、21 n型バッファ層、22 n型クラッド層、23 n型ガイド層、24 活性層、25 p型電流ブロック層、26 p型クラッド層、27 p型コンタクト層、29 第1の誘電体膜、30 窒化物半導体層積層構造体、31 第2の誘電体膜、32 第3の誘電体膜、33 酸窒化アルミニウム膜、34 酸化アルミニウム膜、35 高反射膜、36 保護膜、37 光出射部、40 ECRスパッタリング装置、50 成膜炉、51 ガス導入口、52 ターゲット、53 加熱用ヒータ、54 試料台、55 シャッタ、56 ガス排気口、57 RF電源、60 プラズマ生成室、61 ガス導入口、62 マイクロ波導入口、63 マイクロ波導入窓、64 磁気コイル、65 マイクロ波、66 レーザバー、121 サブマウント、122 フレームパッケージ、123 放熱フィン、124 リードピン、131 受光素子、132 サブマウント、133 ステム、134 キャップ、135 光学ガラス窓、136 リードピン、141 サブマウント、142 配線板、143 ヒートスプレッダー、144 蓋部分、145 光学ガラス窓、146 リードピン、147 HHLパッケージ本体部。

Claims (7)

  1. 光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップが実装された発光デバイスであって、前記発光型半導体レーザチップは気密封止されておらず、
    前記保護膜は、酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜と、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜と、酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜と、を含み、前記第1の誘電体膜は前記第2の誘電体膜よりも前記光出射部側に位置し、前記第2の誘電体膜は前記第3の誘電体膜よりも前記光出射部側に位置しており、
    前記発光型半導体レーザチップは、前記第1の誘電体膜が前記発光型半導体レーザチップの共振器端面と接することを特徴とする、発光デバイス。
  2. 前記発光型半導体レーザチップがフレームパッケージの形態で実装されていることを特徴とする、請求項1に記載の発光デバイス。
  3. 光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップが実装された発光デバイスであって、前記発光型半導体レーザチップは有機物を含む接着剤とともに気密封止されており、
    前記保護膜は、酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜と、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜と、酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜と、を含み、前記第1の誘電体膜は前記第2の誘電体膜よりも前記光出射部側に位置し、前記第2の誘電体膜は前記第3の誘電体膜よりも前記光出射部側に位置しており、
    前記発光型半導体レーザチップは、前記第1の誘電体膜が前記発光型半導体レーザチップの共振器端面と接することを特徴とする、発光デバイス。
  4. 前記第3の誘電体膜が酸化物からなり、前記第3の誘電体膜はアルミニウム、シリコン、ハフニウム、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、チタンおよびイットリウムからなる群から選択された少なくとも1種の酸化物からなることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の発光デバイス。
  5. 前記第3の誘電体膜がフッ化物からなり、前記第3の誘電体膜がマグネシウムおよびカルシウムからなる群から選択された少なくとも1種のフッ化物からなることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の発光デバイス。
  6. 光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップを実装した発光デバイスを製造する方法であって、
    前記保護膜に含まれる酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜を、前記発光型半導体レーザチップの共振器端面と接して形成する工程と、
    前記保護膜に含まれる窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜を形成する工程と、
    前記保護膜に含まれる酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜を形成する工程と、
    前記発光型半導体レーザチップを気密封止することなく実装する工程と、を含む、発光デバイスの製造方法。
  7. 光出射部に保護膜が形成された窒化物III−V族化合物半導体を含む発光型半導体レーザチップを実装した発光デバイスを製造する方法であって、
    前記保護膜に含まれる酸窒化アルミニウムからなる第1の誘電体膜を、前記発光型半導体レーザチップの共振器端面と接して形成する工程と、
    前記保護膜に含まれる窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる第2の誘電体膜を形成する工程と、
    前記保護膜に含まれる酸化物またはフッ化物からなる第3の誘電体膜を形成する工程と、
    前記発光型半導体レーザチップを有機物を含む接着剤とともに気密封止して実装する工程と、を含む、発光デバイスの製造方法。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102403652A (zh) 2010-09-14 2012-04-04 三洋电机株式会社 半导体激光元件、半导体激光装置及使用其的光装置
DE102013224420A1 (de) 2013-05-13 2014-11-13 Osram Gmbh Laserbauelement und Verfahren zur seiner Herstellung
JP6679258B2 (ja) * 2015-09-24 2020-04-15 キヤノン株式会社 光源装置、走査光学装置、及び画像形成装置
JP2017098549A (ja) * 2015-11-18 2017-06-01 日亜化学工業株式会社 発光装置
JP6484588B2 (ja) * 2016-05-19 2019-03-13 日亜化学工業株式会社 発光装置及び発光装置用パッケージ
US11081857B2 (en) * 2018-12-06 2021-08-03 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device and manufacturing method therefor

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3184031B2 (ja) * 1993-08-25 2001-07-09 富士通株式会社 光半導体素子装置及び光半導体装置の製造方法
JP3739107B2 (ja) * 1995-04-26 2006-01-25 シャープ株式会社 誘電体多層反射膜
JPH09162496A (ja) 1995-12-12 1997-06-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ及びその製造方法
US6486068B2 (en) * 1998-01-08 2002-11-26 Toyoda Gosei Co., Ltd. Method for manufacturing group III nitride compound semiconductor laser diodes
JP2971435B2 (ja) * 1998-03-30 1999-11-08 東芝電子エンジニアリング株式会社 半導体レーザおよびその製造方法
US6249534B1 (en) * 1998-04-06 2001-06-19 Matsushita Electronics Corporation Nitride semiconductor laser device
JP2000349389A (ja) 1999-06-02 2000-12-15 Fuji Photo Film Co Ltd 発光装置
US6693935B2 (en) * 2000-06-20 2004-02-17 Sony Corporation Semiconductor laser
JP3806586B2 (ja) 2000-07-26 2006-08-09 三洋電機株式会社 半導体レーザ装置
US6885076B2 (en) * 2000-07-17 2005-04-26 Sanyo Electric Co., Ltd. Semiconductor laser device
US7053413B2 (en) * 2000-10-23 2006-05-30 General Electric Company Homoepitaxial gallium-nitride-based light emitting device and method for producing
CA2449047C (en) * 2001-05-31 2012-01-31 Nichia Corporation Semiconductor laser element with shading layers and improved far field pattern
JP2003017745A (ja) * 2001-06-29 2003-01-17 Shiro Sakai 窒化ガリウム系発光素子
US7067849B2 (en) * 2001-07-17 2006-06-27 Lg Electronics Inc. Diode having high brightness and method thereof
US6812152B2 (en) * 2001-08-09 2004-11-02 Comlase Ab Method to obtain contamination free laser mirrors and passivation of these
JP4097601B2 (ja) * 2001-10-26 2008-06-11 アンモノ・スプウカ・ジ・オグラニチョノン・オドポヴィエドニアウノシツィオン 窒化物半導体レーザ素子、及びその製造方法
JP2003243764A (ja) * 2002-02-19 2003-08-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザおよびその製造方法
JP2003332688A (ja) * 2002-03-08 2003-11-21 Toyoda Gosei Co Ltd Iii族窒化物系化合物半導体レーザ
JP3856300B2 (ja) * 2002-03-11 2006-12-13 ソニー株式会社 半導体レーザ素子
US6744076B2 (en) * 2002-03-14 2004-06-01 The Circle For The Promotion Of Science And Engineering Single crystalline aluminum nitride film, method of forming the same, base substrate for group III element nitride film, light emitting device and surface acoustic wave device
JP2004040051A (ja) * 2002-07-08 2004-02-05 Sony Corp 半導体デバイスの製造方法
JP2004289010A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Sony Corp 発光装置
JP2005079406A (ja) * 2003-09-01 2005-03-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザの製造方法
JP2005175111A (ja) * 2003-12-10 2005-06-30 Hitachi Ltd 半導体レーザ及びその製造方法
US7356060B2 (en) * 2004-03-15 2008-04-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser device and method for fabricating the same
JP2005340625A (ja) 2004-05-28 2005-12-08 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体レーザ素子
JP2006186228A (ja) * 2004-12-28 2006-07-13 Toyoda Gosei Co Ltd 半導体レーザダイオード
JP5285835B2 (ja) 2005-07-13 2013-09-11 株式会社東芝 半導体素子およびその製造方法
JP5191650B2 (ja) 2005-12-16 2013-05-08 シャープ株式会社 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法
JP2007201373A (ja) * 2006-01-30 2007-08-09 Sharp Corp 半導体レーザ素子
US20070205410A1 (en) * 2006-03-03 2007-09-06 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Light-emitting element, light-emitting device, and electronic device
US20070290378A1 (en) * 2006-06-20 2007-12-20 International Business Machines Corporation Novel reworkable underfills for ceramic mcm c4 protection

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