JP5383313B2 - 窒化物半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光装置に関し、特に発光端面に保護膜を設けた窒化物半導体発光装置に関する。

半導体発光装置のうち、半導体レーザ装置は、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）及びブルーレイディスク（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）（登録商標）等に代表される光ディスクメディアの再生及び記録用の光源として広く使用されている。特に、高速度の情報記録動作が求められており、短時間で多くの情報を記録するために半導体レーザ装置の高出力化が必要不可欠となっている。

しかしながら、一般に、半導体レーザ装置は、光出力が増大すると、動作電流が徐々に増加する劣化現象や、光学破壊と呼ばれる現象により半導体レーザ装置が発振しなくなる現象が知られている。従って、高出力化を実現するために、このような半導体レーザ装置の劣化を抑制又は防止する研究開発が活発になされている。特に光学破壊を伴う頓死は、レーザ共振器の光出射面であるフロント端面で生じるため、共振器端面を覆う保護膜の堅牢化及び安定化等の取り組みが行われている。一般に、半導体レーザ装置の共振器端面は保護膜により覆われており、該共振器端面における反射率の制御、異物の付着防止及び共振器端面の酸化防止を果たしている。

図１６に、特許文献１に記載された従来の窒化物半導体レーザ装置の模式的な断面構成を示す。図１６に示すように、従来の窒化物半導体レーザ装置は、活性層（発光層）１０２と、該活性層１０２を挟むｎ型半導体層１０１及びｐ型半導体層１０３とからなるレーザ構造体１００を有している。ｐ型半導体層１０３にはｐ側電極１０４が形成され、ｎ型半導体層１０１にはｎ側電極１０５が形成されている。

レーザ構造体１００における共振器のミラーとして機能するリア端面には、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の金属酸化物からなる保護膜１０６が設けられている。また、共振器のフロント端面には、第１の保護膜１０７として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられ、第１の保護膜１０７の外側には第２の保護膜１０８として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられている。

ここで、高出力化における半導体レーザ装置の劣化原因の１つは、レーザ構造体１００の発熱と光吸収とによって生じる第１の保護膜１０７等と半導体の端面との固相反応や、各保護膜中の残留酸素又はパッケージ中の酸素がレーザ発振に伴って保護膜中を拡散して共振器端面を酸化する等の、共振器端面の界面反応が原因であると考えられている。

また、レーザ発振時の発熱によって、レーザ構造体１００から各保護膜が剥がれたり、レーザ構造体１００にクラック等が生じたりして物理的な破壊が生じる。図１６に示す従来の第１の保護膜１０７であるＡｌＮは結晶性薄膜であるため、堅牢であり熱伝導性も良く、端面コート膜として非常に優れた材料である。その上、ＡｌＮは窒化物半導体と同様に窒化物であるため、レーザ構造体１００との固相反応も抑制される。

しかしながら、ＡｌＮ膜は膜応力が大きく、レーザ発振動作によってクラックの発生等が生じやすい。また、ＡｌＮには波長が４００ｎｍの近辺に欠陥等に起因する光吸収帯が存在することが知られており、レーザ発振時の光吸収により、発熱及び酸素の拡散を引き起こすと考えられている。

そこで、特許文献２には、膜応力を小さくするＡｌＮ膜の構成と成膜方法とが記載されている。特許文献２においては、互いに異なる結晶配向性を持つＡｌＮ膜を積層することによって膜応力を緩和し、発熱によるクラック及び膜剥がれを抑制している。

また、特許文献３には、酸素の拡散を抑制するために、希土類元素を添加したＡｌＮを保護膜として用いる構成が記載されている。希土類をＡｌＮに添加することにより、希土類元素が酸素と結合して、酸素の拡散を抑制することが可能となる。このような希土類元素を添加したＡｌＮ膜を用いることにより、通常のＡｌＮ膜を用いる場合と比べて共振器端面の酸化及び膜剥がれを防ぎ、光学破壊や端面の劣化を抑制して、長時間のレーザ動作が可能となる。

特開２００７−３１８０８８号公報 特開２００８−１８２２０８号公報 特開２００８−１４７３６３号公報

しかしながら、特許文献２に記載されたＡｌＮ膜は、膜剥がれやクラックの発生を抑制できるものの、端面の発熱や光吸収によって生じる端面の酸化等による光学破壊が発生するという問題がある。特許文献２においては、互いに結晶配向性が異なるＡｌＮ膜を積層しているため、異なる結晶配向性を持つＡｌＮ膜同士の間に界面が生じ、光吸収の起源となる。その上、特許文献１のＡｌＮ膜は多結晶質であり、グレイン同士の界面において光吸収が生じる。このようなＡｌＮ膜による光吸収は、共振器端面の発熱及びＡｌＮ膜中の酸素の拡散を引き起こして光学破壊につながるため、半導体レーザ装置の信頼性を低下させる原因となる。

また、特許文献３に開示されている、イットリウム（Ｙ）等の希土類元素を添加したＡｌＮ膜においても、共振器端面の劣化や光学破壊が生じるという問題がある。これは、Ｙの添加によってＡｌＮ膜のグレインが微小化してグレイン界面の面積が増大することにより、ＡｌＮ膜の光吸収が増大するためと考えられる。このように、ＡｌＮ膜は結晶性膜であることから、熱及び光による劣化は小さいものの、光吸収による発熱及び酸素の拡散が共振器端面の劣化を引き起こすことから、半導体レーザ装置の寿命及びその信頼性を低下させる原因となる。

本発明は、前記従来の問題を解決し、高出力動作時においても光吸収が少なく、光学破壊を起こさない端面保護膜を得られるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体発光装置を、端面保護膜にアルミニウムを含む窒化物からなる結晶性膜を用い、該結晶性膜を所定の大きさで且つ結晶配向面における傾斜角度と回転角度とが互いに同一であるドメインの集合体により形成する構成とする。なお、ドメインの定義は後述する。

具体的に、本発明に係る第１の窒化物半導体発光装置は、III族窒化物半導体からなり
、発光端面を有する半導体積層体と、半導体積層体における発光端面を覆うように形成された第１の保護膜とを備え、第１の保護膜は、アルミニウムを含む窒化物からなる結晶性膜であり、結晶性膜は、複数のドメインの集合体からなり、且つ互いに隣接するドメインは結晶配向面における傾斜角度又は回転角度が異なり、単位面積当たりの各ドメインの境界の長さは、７μｍ^−１以下であることを特徴とする。

第１の窒化物半導体発光装置によると、アルミニウムを含む窒化物からなる結晶性を有する第１の保護膜は、単位面積当たりの各ドメインの境界の長さが７μｍ^−１以下であることから、すなわち単一ドメインの面積が大きい。これにより、単位面積当たりのドメイン同士の間の界面の面積が小さくなって、光吸収が小さくなるので、動作中の発熱及び酸素の拡散を抑制することができる。その結果、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体発光装置を実現できる。

本発明に係る第２の窒化物半導体発光装置は、III族窒化物半導体からなり、発光端面を有する半導体積層体と、半導体積層体における発光端面を覆うように形成された第１の保護膜とを備え、第１の保護膜は、アルミニウムを含む窒化物からなる結晶性膜であり、結晶性膜は、複数のドメインの集合体からなり、且つ互いに隣接するドメインは結晶配向面における傾斜角度又は回転角度が異なり、複数のドメインのうち発光端面の光出射領域と対向するドメインの面積は、前記光出射領域の面積よりも大きいことを特徴とする。

第２の窒化物半導体発光装置によると、アルミニウムを含む窒化物からなる結晶性を有する第１の保護膜は、結晶配向面における傾斜角度と回転角度とが互いに同一である複数のドメインの集合体からなり、複数のドメインのうち発光端面の光透過領域と対向するドメインの面積は光透過領域の面積よりも大きい。これにより、発光端面から出射される発光光がドメイン同士の界面によって光吸収又は散乱されることがない。従って、動作中の発熱、酸素の拡散及び散乱による光損失をより確実に抑制できるため、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体発光装置を実現できる。

第１又は第２の窒化物半導体発光装置において、第１の保護膜は、結晶配向面における傾斜角度及び回転角度が共に２°以内である単一のドメインを有していることが好ましい。

このようにすると、第１の保護膜における単一のドメインが大きくなって、界面の面積が小さくすることができる。

第１又は第２の窒化物半導体発光装置において、第１の保護膜は、半導体積層体の結晶軸配向と同一の結晶軸配向を持つ結晶構造を有していてもよい。

このようにすると、第１の保護膜が半導体積層体に与える膜応力を低減することができるため、第１の保護膜の膜剥がれ及びクラックの発生を防止することが可能となる。

また、第１又は第２の窒化物半導体発光装置において、第１の保護膜は、半導体積層体の結晶軸配向と異なる結晶軸配向を持つ結晶構造を有していてもよい。

このようにすると、第１の保護膜の光吸収係数をより小さくすることができる。

第１又は第２の窒化物半導体発光装置において、半導体積層体の結晶構造は六方晶であり、発光端面はＭ面であり、第１の保護膜はＣ軸配向していてもよい。

このようにすると、第１の保護膜による光吸収係数が小さくなる。

第１又は第２の窒化物半導体発光装置は、第１の保護膜を覆うように形成された第２の保護膜をさらに備え、第２の保護膜は、酸素を含む非晶質膜であってもよい。

このようにすると、非晶質の第２の保護膜によって、発光端面の応力が緩和されるため、第１の保護膜の膜剥がれ及びクラックの発生を抑制できる。

本発明に係る窒化物半導体発光装置は、高出力動作時においても光吸収が少なく、光学破壊を起こさない端面保護膜を得られるため、長寿命で且つ高信頼性を実現することができる。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置をパッケージした状態を示す模式的な断面図である。 本発明に係るドメイン境界長の測定方法を示す模式的な斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮからなる第１のコート膜（ＡｌＮ膜）の電子線後方散乱回折像であり、（ａ）はｃ軸配向したＡｌＮ膜の回折像であり、（ｂ）はｍ軸配向したＡｌＮ膜の回折像である。 本発明の第１の実施形態に係る第１のコート膜におけるドメイン境界長を測定する領域を示す模式的な斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮ膜をそれぞれ異なる条件で成膜した場合の２次元ＥＢＳＰマップを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮ膜の成膜時の窒素流量とドメイン境界長との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮ膜のさらに好ましい２次元ＥＢＳＰマップを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮ膜における異なる窒素流量で成膜した消衰係数スペクトルを示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮ膜における異なる窒素流量で成膜した消衰係数スペクトルの波長が４０５ｎｍの場合を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮ膜の波長が４０５ｎｍの場合の消衰係数とドメイン境界長との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るＡｌＮ膜を保護膜に用いた窒化物半導体発光装置の光学破壊光出力とドメイン境界長との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置の出射端面における光強度分布を示す図である。 本発明に係るＡｌＮ膜のＧａＮ系半導体に与える歪みと共振器端面からの距離との関係を示すグラフである。 従来の窒化物半導体レーザ装置を示す模式的な断面図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置を、窒化ガリウム（ＧａＮ）系青紫色レーザ装置として、その製造方法と共に説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、例えば有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＮからなるｎ型基板１１の上に、複数のIII族窒化物半導体からなる半導体積層体５０をエピタキシャル成長する。

具体的には、面方位のｃ面（＝（０００１）面）を主面とするｎ型基板１１の主面上に、厚さが約１μｍでｎ型ドーパントであるＳｉの濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＧａＮ層１２、厚さが約１．５μｍでＳｉの濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層１３、厚さが約０．１μｍでＳｉの濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１４、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１５、厚さが約０．１μｍでｐ型ドーパントであるＭｇの濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１６、厚さが約１０ｎｍでＭｇの濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるｐ型電子ブロック層１７、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型超格子クラッド層１８及び厚さが約２０ｎｍでＭｇの濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３のｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１９を順次成長する。

ここで、多重量子井戸活性層１５は、厚さが約３ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層と、厚さが７ｎｍのアンドープのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなる障壁層とにより構成された三重量子井戸構造を有する。井戸層のＩｎ組成は、発振波長が４０５ｎｍとなるように調整されている。また、ｐ型超格子クラッド層１８は、それぞれＭｇの濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３で且つ厚さが約２ｎｍの、ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとｐ型ＧａＮとからなる超格子構造を有し、合計の膜厚は０．５μｍである。

次に、図１（ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層１９の上に、ＳｉＯ_２からなるマスク層２０を形成する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、マスク層２０をｎ型基板１１の結晶軸に対して＜１−１００＞方向に延びるストライプ状にパターニングする。続いて、ストライプ状にパターニングされたマスク層２０を用いて、ｐ型コンタクト層１９及びｐ型超格子クラッド層１８に対してドライエッチングを行うことにより、ｐ型コンタクト層１９及びｐ型超格子クラッド層１８に、結晶軸の＜１−１００＞方向に延びるストライプ状のリッジ導波路５０ａを形成する。ここで、ｐ型超格子クラッド層１８におけるリッジ導波路５０ａの側方部分の厚さ（残し膜厚）は約０．１μｍとしている。また、リッジ導波路５０ａの下部の幅は約２μｍとし、リッジ導波路５０ａの上部の幅は約１．４μｍとしている。

次に、図２に示すように、マスク層２０を除去し、その後、リソグラフィ法及び真空蒸着法等により、リッジ導波路５０ａを構成するｐ型コンタクト層１９の上に、パラジウム（Ｐｄ）からなるＰ側電極２１を形成する。続いて、ｎ型基板１１をへき開が容易となるように薄膜化（裏面研磨）する。その後、ｎ型基板１１の裏面に、チタン（Ｔｉ）からなるＮ側電極２２を形成する。

続いて、半導体積層体５０におけるリッジ導波路５０ａの下方に形成される共振器の長さが約６００μｍ又は約８００μｍとなるように、ｎ型基板１１及び半導体積層体５０をへき開する。このへき開により、半導体積層体５０には、面方位が（１−１００）面からなる端面ミラーが形成される。なお、本願明細書において、結晶軸及び面方位の指数に付した負の符号”−”は該符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。その後、共振器の各端面には、半導体積層体５０の端面の劣化を防止すると共に端面の反射率を調整するためのコート膜をそれぞれ形成する。

具体的には、図２に示すように、レーザ光が出射するフロント端面には、第１の保護膜として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１コート膜２３を形成し、該第１コート膜２３の上には、第２の保護膜として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなり、非晶質の第２コート膜２４を形成する。また、フロント端面と対向するリア端面には、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）／酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）とを複数対で積層した多層コート膜２５を形成する。但し、リア端面は、所望の反射率を得られる構成であれば、ＡｌＯＮ／ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２又はＡｌＮ／Ａｌ_２Ｏ_３を複数対で積層した構成としてもよい。ここで、リア端面においても、特にリア端面と接する第１の保護膜にはフロント端面と同様に、ＡｌＮ膜を用いることが望ましい。ＡｌＮ膜は堅牢で熱伝導性にも優れており、光出射がないリア端面においても、保護膜として適している。本実施形態においては、フロント端面の反射率を約１０％とし、リア端面の反射率は約９０％としている。なお、フロント端面及びリア端面の各コート膜の膜厚は、所望の反射率を得られるように適宜設計される。

第１の実施形態に係るＡｌＮからなる第１コート膜２３は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて形成している。ＥＣＲスパッタ法の他に、高周波（ＲＦ）スパッタ法又はマグネトロンスパッタ法を用いることができる。

ＥＣＲスパッタ法は、スパッタイオンが半導体積層体５０のへき開端面に直接に照射されないため、イオン照射が引き起こす半導体表面の結晶欠陥の密度を低減できる。このため、半導体レーザ装置における端面コートの成膜法として適している。なお、第１コート膜２３を構成するＡｌＮは、スパッタのターゲット材として、ＡｌＮからなるターゲット材と窒素（Ｎ_２）ガスとの組み合わせ、又はＡｌからなるターゲット材と窒素ガスとの組み合わせによる反応性スパッタにより成膜が可能である。本実施形態においては、金属精錬により純度を容易に高めることができるＡｌからなる金属ターゲット材に、基準ガスとしてアルゴン（Ａｒ）と、反応性ガスとして窒素ガスとを組み合わせて用いている。

第１コート膜２３の膜厚は、約６ｎｍに設定している。ＡｌＮ膜は膜応力が大きいことから、ＡｌＮ膜を半導体積層体５０のへき開端面に５０ｎｍ以上の厚膜で成膜すると膜剥がれが生じる。また、光吸収による発熱を抑えるには、第１コート膜２３中の光の光路長を短くすることが望ましく、このことからも第１コート膜２３の膜厚は５０ｎｍ以下でなければならない。一方、ＡｌＮ膜を３ｎｍ以下の薄膜として形成した場合には、ＡｌＮ膜を酸素等が透過しやすくなるため、半導体積層体５０の端面が酸化される要因となる。また、薄膜はプロセスの制御が困難であり、膜厚にばらつきが生じてしまう。以上から、ＡｌＮからなる第１コート膜２３の膜厚は３ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下が望ましい。

図３に各コート膜２３、２４、２５を形成した後の、パッケージされた状態の半導体レーザ装置５１を示す。図３に示すように、半導体レーザ装置５１は、例えば、一の面に複数の電極端子５２ａが形成され、他の面にレーザ保持部５２ｂが形成された金属からなるステム５２のレーザ保持部５２ｂの上に固着されている。ステム５２には、半導体レーザ装置５１及びレーザ保持部５２ｂを覆うと共に、該半導体レーザ装置５１のフロント端面と対向する位置に窓部５３ａを有する金属からなるキャップ５３が固着されている。該窓部５３ａには、内側からガラス板５４が固着されて、ステム５２とキャップ５３とから構成される空間は密閉される。密閉されたキャップ５３の内部は、水分を含まない乾燥空気又はアルゴン等の希ガスからなる気体５５が充填されている。

上述したように、第１の実施形態に係るＡｌＮからなる第１コート膜２３は、Ａｌからなる金属ターゲット材を用いたＥＣＲスパッタ法により成膜されており、その成膜条件における各ガスの流量は、それぞれ室温で、アルゴン（Ａｒ）ガスを３０ｍｌ／ｍｉｎとし、窒素（Ｎ_２）ガスを５．２ｍｌ／ｍｉｎとしている。この成膜条件で得られる第１コート膜２３は、同一配向で構成されるドメインのサイズが相対的に大きくなるため、物質の光吸収の指数である消衰係数（光吸収係数）が小さい。従って、レーザ動作中の光吸収による発熱、酸素の拡散及び端面の酸化が抑制され、その結果、共振器端面の劣化を防ぐことができる。

以下、第１コート膜２３を構成するＡｌＮ膜の結晶ドメインについて詳細に述べる。ここで、ドメインとは、同一の結晶構造及び同一の配向（結晶軸配向）を有し、その配向面及び配向角が同一であるグレインの集合体と定義する。本願発明者らは、ＥＣＲスパッタの成膜条件によってＡｌＮのドメインサイズが大きく影響を受けることを突き止めている。本実施形態に係る成膜条件は、ドメインサイズが大きいＡｌＮ膜を得られるものの、ドメインサイズが大きいＡｌＮ膜の成膜条件はこれに限られず、本実施形態は一例である。

本願発明者らは、端面保護膜におけるドメインサイズと光学破壊出力との関係に相関があることを見出した。ここで、ドメインサイズの指標となるパラメータとして、ドメイン境界長を定義する。ドメイン境界長とは、単位面積当たりに存在するドメイン界面の総距離を表すパラメータである。ここで、単一ドメインとは、同一配向を有する結晶体において、配向面の傾斜角度及び回転角度が同一である連続した領域であると定義する。配向面の傾斜角度及び回転角度のうち、いずれか一方でも同一でなければ異なるドメインとし、従って、境界が存在することになる。このドメイン同士の間の境界の単位面積（μｍ^−２）当たりの総距離（μｍ）がドメイン境界長に相当する。ドメイン境界長の値が大きいということは、ドメイン面積が小さいことを意味しており、言い換えると薄膜が多結晶であり、配向のばらつきが大きいということになる。一方、ドメイン境界長の値が小さいということは、ドメインサイズが大きいことを意味しており、単結晶性が高い薄膜であるといえる。ここで、単一ドメインは、単一グレインとは完全に同義ではない。しかし、ドメイン境界長の値が大きいということはそれだけ多くのドメインが存在することから、成膜における結晶の不均一性が大きいことに相当する。すなわち、ドメイン境界長が長いということは、ドメインサイズが小さく、グレインサイズも小さいことを意味している。

ここで、ドメインが同一でないことの条件、すなわちドメイン境界を区別するための境界条件が必要となる。本実施形態においては、配向面の回転角度及び傾斜角度が２°以内の場合を同一配向ドメインと定義している。ドメイン境界を区別するための境界条件の設定角度が小さければ小さいほど、単一ドメインと単一グレインとは等しくなる。しかしながら、設定角度が小さ過ぎると、実際には連続な単結晶膜であったとしても、少しの歪みやラフネス等によって、異なるドメインと評価されてしまうため、測定誤差の原因となる。従って、設定角度は、ドメインの結晶配向を測定する手法の測定誤差よりも大きくなるような条件が望ましい。逆に、設定角度が大き過ぎると、類似するドメインの区別ができず、ドメイン境界長の指標の正確性が損なわれる。よって、設定角度は、配向性の測定における空間分解能及びばらつきに応じた値とする必要がある。

なお、第１の実施形態においては、ドメイン境界を区別する設定角度を２°としたが、上述した通りこれには限られず、０．５°以上且つ５°未満程度であればよい。

以下に、本実施形態に係る第１コート膜２３を構成するＡｌＮ膜におけるドメイン境界長の測定方法の詳細を説明する。ＡｌＮ膜における結晶配向性は、後方電子線散乱回折法（Electron Back Scattering Diffraction Pattern：ＥＢＳＤ又はＥＢＳＰ）によって測定できる。ＥＢＳＰ法とは、電子線ビームを試料表面に収束して照射し、試料表面により散乱される回折電子線像を撮像することにより、試料（薄膜）の結晶配向性を評価する手法である。

図４にＥＢＳＰ法による測定方法の概略を示す。図４に示すように、レーザ構造が形成されたウェハを共振器端面が露出するように１次へき開した状態の、いわゆるレーザバー６１のフロント端面に、ＡｌＮからなる第１コート膜２３が成膜されている。ここでは、第１コート膜２３の膜厚を２０ｎｍとしている。測定用に入射された電子線は結晶の格子面で散乱され、散乱された電子線が互いに干渉して回折線６２として強く検出される。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に、互いに異なる配向軸を示す第１コート（ＡｌＮ）膜２３のＥＢＳＰ回折像を示す。図５（ａ）はｃ軸配向したＡｌＮと対応しており、図５（ｂ）はｍ軸配向したＡｌＮと対応する測定結果をそれぞれ表している。このように、同一の結晶構造であっても配向性の相違から回折パターンが異なるため、結晶の配向性を評価することができる。ここで、電子線は１０ｋｅＶ〜３０ｋｅＶ程度に加速して照射しており、電子線の収束は２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。この収束された電子線を所望の面積内で走査して、２次元の結晶配向マップを得る。散乱電子線（回折線６２）の回折像はＣＣＤカメラによって撮像される。

本実施形態に係るＥＢＳＰ測定法では、電子線の走査範囲を１μｍ×１μｍとし、電子線の走査間隔を１０ｎｍとしている。また、電子線の加速エネルギーは２０ｋｅＶとしている。図４において、入射電子線の入射角度は、試料であるレーザバー６１に対して７０°傾斜させて測定している。

図６に第１の実施形態に係る半導体レーザ装置に、第１のコート膜２３を成膜した状態を模式的に示す。本実施形態に係るＥＢＳＰの測定領域は、第１のコート膜２３におけるリッジ導波路５０ａの下側の光出射領域２３ａである。第１のコート膜２３と接触する半導体積層体５０において、端面劣化及び端面の光学破壊が起こる領域は光出射領域２３ａとその周辺部分に限られている。このため、第１のコート膜２３の結晶配向性の評価についても、光出射領域２３ａを中心に行えばよい。但し、第１のコート膜２３の結晶配向性の評価のみであれば、光出射領域２３ａに限る必要はなく、半導体積層体５０の端面上であればどこでも構わない。

図７（ａ）〜図７（ｄ）に、４通りの異なる成膜条件で成膜したＡｌＮからなる第１コート膜２３の２次元ＥＢＳＰマップを示す。ここでは、結晶配向面の傾斜角度又は回転角度が２°以上異なるドメイン境界を実線で示している。前述したように、測定領域は１辺が１μｍの正方形領域であり、各マップの下にはそれぞれのドメイン境界長を示している。

ＥＣＲスパッタの成膜条件として、基準ガスにはいずれもアルゴン（Ａｒ）を用いており、Ａｒガスの流量は２０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）としている。一方、反応性ガスとしての窒素（Ｎ_２）ガスの流量は、図７（ａ）においては、３．５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）とし、図７（ｂ）においては、５．５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）とし、図７（ｃ）においては、１０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）とし、図７（ｄ）においては、１５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）としている。なお、ここでｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）とは、気体の流量を表す単位であり、１ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）は、ある気体について０℃、１気圧の気体（標準状態の気体）換算で１分間当たり１ｍｌ流れることを表す。

図７（ａ）に示す２次元ＥＢＳＰマップは、窒素の分圧が最も低い成膜条件であり、単位面積（１μｍ^２）当たりのドメイン境界長は６．９９μｍ／μｍ^２（＝μｍ^−１）と小さい値であるのに対して、図７（ｄ）に示す窒素の分圧が最も高い成膜条件で成膜したＡｌＮ膜はグレインが極めて小さく、そのドメイン境界長は１３８．６μｍ^−１と大きな値を示す。このように、窒素の流量が増加するのに伴ってドメイン境界長が増大する傾向がある。すなわち、窒素流量の増加に伴って、グレインサイズが小さくなる傾向があることが分かる。

図８にＡｒガスの流量を２０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）とした場合の窒素の流量とドメイン境界長との関係を示す。上述したように、窒素流量の増加に伴ってドメイン境界長が増大している。

本願出願人は、ドメイン境界長がより一層小さくなるような成膜条件を種々検討し、その結果、Ａｒガスの流量を３０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）とし、窒素ガスの流量を５．２ｍｌ（標準状態）とすれば、ドメイン境界長が１μｍ^−１以下の、非常に単結晶性が高いＡｌＮ膜を得られることを見出した。

図９はＡｒガスの流量を３０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）とし、窒素ガスの流量を５．２ｍｌ（標準状態）とした場合に得られたＡｌＮ膜の２次元ＥＢＳＰマップである。この場合のドメイン境界長は７５ｎｍと非常に小さく、極めて単結晶性が高い膜であることが分かる。しかしながら、このような単結晶性が高いＡｌＮ膜を得られる条件は上記に限られない。

次に、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示したＡｌＮ膜の消衰係数（光吸収係数）を調べた結果を示す。図１０は、ＡｌＮ膜の透過分光スペクトルから得られた消衰係数スペクトルである。また、図１１はブルーレイ（登録商標）で用いられる波長が４０５ｎｍの光における消衰係数と窒素流量との関係を示している。

図１０に示すように、窒素の流量が増加するに従って消衰係数が増大することが分かる。また、図１１に示すように、波長が４０５ｎｍの光における消衰係数も窒素流量が増加するに従って大きくなることが分かる。すなわち、図８と、図１０及び図１１とを比較すると、ドメイン境界長の値が大きくなると消衰係数も大きくなる傾向があることが分かる。

図１２にドメイン境界長と波長が４０５ｎｍの光における消衰係数との関係を示す。ドメイン境界長が７μｍ^−１よりも大きくなると、消衰係数が急激に増大することが分かる。すなわち、グレイン境界長が長く、従って微小ドメインが多くなるほど、光吸収が大きくなることが分かる。一般に、ＡｌＮ膜の可視光領域における光吸収の起源は、結晶内部の欠陥、粒界及びドメイン同士の界面由来の中間準位であると考えられている。特に粒界及びドメイン同士の界面には、多数の欠陥及びダングリングボンドが存在し、可視光領域における光吸収の主要因になっていると考えられている。このため、図１２に示すように、ドメイン境界長の値が大きくなると、光吸収が大きくなる傾向が現れると考えられる。

次に、ドメイン境界長と半導体レーザ装置の信頼性との関係について説明する。

図１３は光出力が１６０ｍＷで一定の連続動作信頼性試験において、７０℃の温度下で６００時間動作させた後の光学破壊光出力（ＣＯＤ）レベルとドメイン境界長との関係を表している。図１３からは、ドメイン境界長が短くなるのに従って光学破壊光出力の値が大きくなり、高い信頼性を示すことが分かる。このようにドメイン境界長が短く、すなわちドメインサイズが大きいほど信頼性が高くなることが分かる。特にドメイン境界長が４６μｍ^−１から７μｍ^−１の領域にかけて、光学破壊光出力の値が急激に上昇しているのが分かる。

上述したように、ドメイン境界長が長くなるとドメインサイズが小さくなり、光吸収が増大する。これはドメイン境界に存在する欠陥又はダングリングボンドに由来する中間準位の影響であると考えられる。一方、電極から注入されたキャリアもこのような中間準位が存在すると、非発光再結合が増加して発光効率が減少する。中間準位による光吸収も中間準位を介した非発光再結合も共に発熱を伴った過程であることから、共振器端面の温度上昇につながって端面破壊を引き起こすと考えられる。

従って、図１２に示す関係から、ドメイン境界長が４６μｍ^−１以下であれば、消衰係数は０．０１以下と非常に小さくなる。すなわち、端面保護膜として求められるＡｌＮ膜のドメイン境界長は４６μｍ^−１以下である必要がある。

さらに、図１３に示す関係から、光学破壊光出力はドメイン境界長が７μｍ^−１以下であれば高いレベルが維持されるため、ドメイン境界長は７μｍ^−１以下が望ましい。ドメイン境界長はＡｌＮ膜におけるドメインサイズの平均的な指標ではあるものの、実際の端面破壊は光が出射する光透過領域において起こる。このため、光透過領域にドメイン境界が存在すれば光吸収が起こることになる。ドメイン境界長が７μｍ^−１以下で高い信頼性を維持できるのは、ドメイン同士の界面の密度が減少してレーザ光の透過領域に存在するドメイン界面が少なくなるためであると考えられる。

ここで、図１４に示すように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の第１のコート膜における光の透過領域の面積を測定すると０．４μｍ^２程度である。面積が１μｍ^２の単位面積に０．４μｍ^２のドメインが２．５個存在する場合、そのドメイン境界長はどのような値になるかを以下に計算する。

図１４から、レーザ光は水平方向の半値全幅が１．０μｍ程度であり、垂直方向の半値全幅が０．４μｍである。従って、面積が１μｍ^２の単位面積中に長辺が１．０μｍで、短辺が０．４μｍの長方形が２．５個入ることになる。このときのドメイン境界長の最大値は５．０μｍ^−１となる。ドメインサイズがレーザ光のビームサイズよりも大きくなるためには、ドメイン境界長が５μｍ^−１以下でなければならない。先述のように、ドメインサイズは７μｍ^−１以下であれば、高い信頼性を持つレーザ装置を得られるが、さらに高出力なレーザ装置においては、ドメインサイズはさらに大きい、すなわち単結晶性が高いＡｌＮ膜が求められる。このとき、ドメインサイズはレーザ光のビームサイズよりも大きくなればよく、本実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置においては、ドメイン境界長は５．０μｍ^−１が望ましい。言い換えると、ドメインサイズは０．４μｍ^２よりも大きいＡｌＮ膜が望ましい。

なお、第１の実施形態に係るＡｌＮ膜のドメイン境界長は、図９に示すように７５ｎｍであり、図１２に示すようにその消衰係数も０．００２以下と透明で単結晶性が高い膜である。これにより、図１３に示すように、連続動作光出力が１６０ｍＷで６００時間動作させた後の光学破壊光出力は１２００ｍＷと非常に高いレベルを維持している。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

ＧａＮ系半導体レーザ装置は、一般に、主面が面方位のｃ面である六方晶の結晶成長用基板にエピタキシャル成長して作製される。この場合、レーザ構造の共振器端面はへき開によって形成されるため、そのへき開面の面方位はｍ面となる。

ｍ面を持つ共振器端面の上にＡｌＮ膜を成膜する場合は、成膜条件によって共振器端面の結晶構造と同一配向であるｍ軸成長と、共振器端面の結晶構造とは異なる配向であるｃ軸成長とを選択することが可能である。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は六方晶が最安定構造であり、ｃ軸成長による成長速度が最も大きいことから、アモルファス状態の下地層又はシリコン（Ｓｉ）からなる基板上には、ｃ軸成長することが知られている。しかしながら、本願発明者らは、下地層が六方晶であり且つｍ面の場合に、成膜時のイオンエネルギーを増大すると、ｍ軸成長させることが可能であることを突き止めた。

ＡｌＮからなる保護膜において、結晶配向軸をｃ軸とするかｍ軸とするかは選択可能である。従って、第２の実施形態においては、ドメイン境界長の値が小さいｃ軸成長又はｍ軸成長したＡｌＮ膜の成膜例を説明する。

窒化物半導体レーザ装置における信頼性は、保護膜を構成する結晶のドメイン境界長と関係があることは第１の実施形態で説明した。このとき、保護膜（第１コート膜２３）の配向性がｍ軸であるかｃ軸であるかに拘わらず、ドメイン境界長の値が大きいほど消衰係数も大きくなり、光学破壊光出力は動作時間と共に小さくなる。しかしながら、ｍ軸配向の方がｃ軸配向の場合と比べて半導体積層体５０に与えるストレスが小さくなる傾向があることを、以下に示す歪み解析の結果から得ている。

図１５にＥＢＳＰ法によりｍ軸配向のＡｌＮ膜とｃ軸配向のＡｌＮ膜とに対して行った歪み解析の解析結果を示す。図１５は、ＧａＮ結晶のｍ面上にｍ軸配向したＡｌＮ膜とｃ軸配向したＡｌＮ膜とをＥＣＲスパッタ法によりそれぞれ成膜した場合の該ＧａＮ結晶に及ぼすｍ軸方向への歪みの影響を表している。ここで、実線で示すグラフがｍ軸配向のＡｌＮ膜を表し、破線で示すグラフがｃ軸配向のＡｌＮ膜を表している。ここで、ｍ軸配向のＡｌＮ膜を成膜する際のＡｒガスの流量は８ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）であり、Ｎ_２ガスの流量は５．５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）である。この条件は本願発明者が見出したｍ軸配向のＡｌＮ膜の成膜条件の一例であって、ｍ軸配向のＡｌＮ膜の成膜条件はこれに限られない。また、ｃ軸配向のＡｌＮ膜を成膜する際のＡｒガスの流量は２０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）であり、Ｎ_２ガスの流量は５．５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）である。

図１５からは、ｍ軸配向したＡｌＮ膜の方がｃ軸配向したＡｌＮ膜よりも歪みが小さいことが分かる。これは、ｍ軸配向したＡｌＮ膜には貫通転移が発生し、ストレスがｃ軸配向したＡｌＮ膜と比べて緩和しているためであると推測される。このことから、ｍ軸配向したＡｌＮ膜の方がｃ軸配向したＡｌＮ膜よりもＧａＮ結晶に与える応力の影響が小さいといえる。しかしながら、ＡｌＮ膜に貫通転移が発生するとドメイン境界長の値が大きくなるため、端面保護膜としてはｃ軸配向したＡｌＮ膜が適している。

その上、貫通転移は膜厚が大きくなると発生しやすくなるため、下層膜としてｍ軸配向で膜厚が薄い第１のＡｌＮ膜を成膜し、次いで第１のＡｌＮ膜の上に上層膜としてｃ軸配向した第２のＡｌＮ膜を成膜して、２層からなるＡｌＮ膜（第１のコート膜）を形成してもよい。

次に、ｍ軸配向又はｃ軸配向のＡｌＮ膜の成膜方法について説明する。

前述したように、ＡｌＮ膜はｃ軸方向の成長速度が速いため、下地に依存しない場合は自発的にｃ軸配向する。ｍ面を主面とする基板上にＡｌＮ膜を成長させる場合は、エピタキシャル成長のように下地の結晶構造を踏襲するため、一定のエネルギーが必要となる。そこで、ＥＣＲスパッタ法の場合、ＡｌＮ膜の成膜をアシストするＡｒイオンのイオンエネルギーを増大する方法が有効である。Ａｒイオンのイオンエネルギーを増大するには、プラズマを発生させるためのＲＦパワー及びマイクロ波の出力を増大させればよい。

第１の実施形態においては、ＲＦパワー及びマイクロ波出力を５００Ｗとして成膜し、ｃ軸配向のＡｌＮ膜を得ている。そこで、ＲＦパワーを６００Ｗに設定することにより、ｍ軸配向のＡｌＮ膜を得ることがきる。

また、ｍ軸配向のＡｌＮ膜を得るには、成膜中のチャンバ内の圧力を下げることも有効である。本願発明者らは、上記のように、イオンの加速エネルギーが大きい方がＡｌＮ膜のｍ軸成長を促すことを明らかにした。例えば、第１の実施形態においては、Ａｒガスの流量を２０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）又は３０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）で成膜している。そこで、第２の実施形態においては、Ａｒガスの流量を８〜１０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）に流量を下げることによりチャンバ内全体の圧力を低下し、よりイオンエネルギーが大きいＡｒイオンを生成する。このＡｒイオンのアシストにより、ｍ軸配向したＡｌＮ膜を得ることができる。

このように、成膜条件によってＡｌＮ膜の配向性を制御することが可能となり、より単結晶性が高いＡｌＮ膜を得られることから、高い信頼性を有する窒化物半導体レーザ装置を実現できる。

なお、第１及び第２の各実施形態においては、III族窒化物、すなわちＧａＮ系半導体を用いた半導体レーザ装置を用いて説明したが、本発明はIII族窒化物半導体を用いた発光ダイオード素子の信頼性の向上にも有効である。発光ダイオード素子においても、素子の発光端面での窒化物半導体の酸化と窒素の外部拡散が動作中に生じるため、発光端面での電流リークが増大して、発光効率の低下を招くからである。

また、本願発明は、III族窒化物半導体に限られず、ＧａＡｓ又はＩｎＰを用いた半導体発光装置に対しても有効である。これらの半導体発光装置においても、動作中における発光端面での半導体の酸化及び半導体構成原子の外部拡散が端面劣化の要因であるからである。

本発明に係る窒化物半導体発光装置は、高出力動作時においても光吸収が少なく、光学破壊を起こさない端面保護膜を有しており、長寿命で且つ高信頼性の窒化物半導体発光装置等に有用である。

１１ ｎ型基板
１２ ｎ型ＧａＮ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ ｎ型光ガイド層
１５ 多重量子井戸活性層
１６ ｐ型光ガイド層
１７ ｐ型電子ブロック層
１８ ｐ型超格子クラッド層
１９ ｐ型コンタクト層
２０ マスク層
２１ Ｐ側電極
２２ Ｎ側電極
２３ 第１コート膜
２３ａ 光出射領域
２４ 第２コート膜
２５ 多層コート膜
５０ 半導体積層体
５１ 半導体レーザ装置
５０ａ リッジ導波路
５２ ステム
５２ａ 電極端子
５２ｂ レーザ保持部
５３ キャップ
５３ａ 窓部
５４ ガラス板
５５ 気体
６１ レーザバー
６２ 回折線

Claims (7)

1. III族窒化物半導体からなり、発光端面を有する半導体積層体と、
   前記半導体積層体における前記発光端面を覆うように形成された第１の保護膜とを備え、
   前記第１の保護膜は、アルミニウムを含む窒化物からなる結晶性膜であり、
   前記結晶性膜は、複数のドメインの集合体からなり、且つ互いに隣接するドメインは結晶配向面における傾斜角度又は回転角度が異なり、
   単位面積当たりの前記ドメインの境界の長さは、７μｍ^−１以下であることを特徴とする窒化物半導体発光装置。
2. III族窒化物半導体からなり、発光端面を有する半導体積層体と、
   前記半導体積層体における前記発光端面を覆うように形成された第１の保護膜とを備え、
   前記第１の保護膜は、アルミニウムを含む窒化物からなる結晶性膜であり、
   前記結晶性膜は、複数のドメインの集合体からなり、且つ互いに隣接するドメインは結晶配向面における傾斜角度又は回転角度が異なり、
   前記複数のドメインのうち前記発光端面の光出射領域と対向するドメインの面積は、前記光出射領域の面積よりも大きいことを特徴とする窒化物半導体発光装置。
3. 前記第１の保護膜は、前記結晶配向面における傾斜角度及び回転角度が共に２°以内である単一のドメインを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光装置。
4. 前記第１の保護膜は、前記半導体積層体の結晶軸配向と同一の結晶軸配向を持つ結晶構造を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光装置。
5. 前記第１の保護膜は、前記半導体積層体の結晶軸配向と異なる結晶軸配向を持つ結晶構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
6. 前記半導体積層体の結晶構造は六方晶であり、
   前記発光端面はｍ面であり、
   前記第１の保護膜はｃ軸配向していることを特徴とする請求項１〜３及び５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
7. 前記第１の保護膜を覆うように形成された第２の保護膜をさらに備え、
   前記第２の保護膜は、酸素を含む非晶質膜であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。