JP5431441B2

JP5431441B2 - 窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP5431441B2
Application number: JP2011262355A
Authority: JP
Inventors: 剛神川; 佳伸川口
Original assignee: Sharp Corp
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Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2025-10-07
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Description

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

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

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

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

特開２００２‐３３５０５３号公報

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

また、酸化物からなる端面コート膜を、共振器端面に直接または金属膜の密着層に形成すると、端面コート膜の酸素によって共振器端面または密着層が酸化され、レーザ光の発振効率が低下し、動作電圧および消費電力の増加のみならず耐久性の低下の原因となる。

そこで本発明は、金属の密着層のように形成時の微細な膜厚制御を必要とせず、かつ共振器端面と端面コート膜の密着性を維持しつつ、酸化アルミニウムからなる端面コート膜に含まれる酸素から共振器端面を分離する分離層を設けることによって、信頼性、生産効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、ＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層と、前記ＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層に設けられた共振器と、前記共振器の端面に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体発光素子において、前記端面コート膜と前記共振器の端面との間に、窒化アルミニウムからなる分離層を備え、前記分離層の前記端面コート膜側は酸窒化アルミニウムを含み、前記端面コート膜は酸化物とするものである。

窒化アルミニウムからなる分離層は端面コート膜側で酸窒化アルミニウムを含み、端面コート膜は酸化物であり、分離層と端面コート膜との密着性が良く、端面コート膜が分離層を介して共振器の端面により強固に接合される。また、分離層の窒化アルミニウムは少なくとも一部が非晶質であると、完全に結晶化させる場合よりも容易に製造することができる。更に分離層に酸素を含まない窒化アルミニウムを用いることで、端面を端面コート膜に含まれる酸素から分離することにより端面の酸化を防止する。

また、分離層の層厚は２０ｎｍ以下であればクラックが生じずに良好な膜を作製できる。窒化アルミニウムは、窒化物半導体の劈開してできた共振器の端面に成膜すると、緻密な膜が形成できるものの、内部応力が大きく、それが原因で微小なクラックが生じるとともに剥がれる怖れがある。しかし、分離層の層厚を２０ｎｍ以下、より好ましくは、１０ｎｍ以下と非常に薄くすることで、このような問題を解決できる。また、分離層の層厚が１ｎｍ未満であると、層としての形成が十分でなく、密着性の機能を果たさなくなる、更に半導体レーザを駆動しつづけると、発熱によりコート膜から酸素が拡散してきて端面に達するため、端面が破壊してしまう怖れがある。よって、分離層の層厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、分離層はマグネトロンスパッタリング法、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相成長）法、又はＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ；電子サイクロトロン共鳴型）スパッタリング法で作製される。一般に窒化アルミニウムはＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属気相成長）法を用いて４００℃以上の高温で成長させられるが、マグネトロンスパッタリング法又はＥＣＲスパッタリング法では室温、プラズマＣＶＤ法では２００℃以下で成長可能である。従って、活性層を加熱によって劣化させることなく分離層を形成することができる。

分離層は非常に薄いため、不活性ガスクリーニングによって分離層を形成する共振器の端面の水分や酸化膜をできる限り除去しておいた方が、端面との密着性が高まるため密着性の効果を高めることができる。不活性ガスによるプラズマを用いたＥＣＲスパッタによって、共振器の端面のクリーニングを行ってから、分離層を形成する方が好ましい。また、不活性ガスのプラズマであれば、希ガスであるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅや窒素ガスを用いてＥＣＲスパッタを行っても、同じ効果が得られる。

本発明によると、電気伝導率が低く、かつ透明な窒化アルミニウムからなる分離層を共振器端面と端面コート膜との間に設けることにより、電流のリーク及び光吸収を抑えることができる。また、酸化物を有する端面コート膜を分離層を介して共振器端面に強固に密着させることができ、かつ共振器端面をコート膜に含まれる酸素から分離することができる。その結果、得られた窒化物半導体光学素子の信頼性、耐久性が向上する。

は、窒化物半導体レーザバーの共振器長に垂直な方向の断面図である。は、共振器長の横方向から見た窒化物半導体レーザバーの側面図である。は、窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。は、共振器長の横方向から見た他の窒化物半導体レーザバーの側面図である。は、分離層を設けた素子と設けていない素子のＣＯＤレベルの時間変化である。は、窒化アルミニウム／酸化アルミニウム膜をコートした素子をエージングを行い、その端面部分のＡＥＳ分析結果である。は、分離層を設けた素子の２００時間のエージング後のＣＯＤレベルのコート膜厚依存性である。は、厚さ６ｎｍ（Ａ）および５０ｎｍ（Ｂ）の分離層を設けた素子のエージング特性である。

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

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

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

図２は、共振器長の横方向から見た窒化物半導体レーザバーの側面図である。共振器端面１１３に、酸素を含まない六方晶の結晶からなる分離層１１５、分離層１１５の表面に端面コート膜１１６、共振器端面１１４に端面コート膜１１７が積層される。分離層１１５としては窒化アルミニウム、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等から選定できる。

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

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

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

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

図４は、共振器長の横方向から見た、第１の実施形態にかかる他の窒化物半導体レーザバーの側面図である。共振器端面１１３に六方晶半導体層からなる分離層１１５、分離層１１５の表面に端面コート膜１１６、共振器端面１１４に六方晶半導体層からなる分離層１１８、分離層１１８の表面に端面コート膜１１７が積層されている。

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

次に、ＡｒのＥＣＲスパッタにて背面の共振器端面１１４の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。続いて共振器端面１１４の表面にＥＣＲスパッタにて厚さ２０ｎｍのＡｌ_xＧａ_x-1Ｎ（Ｘ＝０．２、ただし０≦Ｘ≦１の範囲で適用できる）からなる分離層１１８、端面コート膜１１７を成膜する。端面コート膜１１７はＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂を１周期とする構造を４周期分備えた合計８層の多層膜からなり、反射率が９５％になるように各層の厚さがλ／４ｎに設定されている。

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

なお、第１の実施形態において、分離層１１５、１１８は、窒化アルミニウム、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の六方晶の結晶を構成しうる材料であればよい。従来の密着層は金属層であり、この場合、端面コート膜は弱い結合力である分子間力で密着層に接合していたが、窒化物半導体層を形成するＡｌＧａＩｎＮ半導体と同じ結晶系であるこれらの材料を分離層１１５、１１８に用いることで、分離層１１５、１１８が、端面コート膜１１６、１１７および共振器端面１１３、１１４に、より強固に接合される。従って、金属層を密着層に用いた場合に生じていた電流のリーク及び光吸収を抑えつつ、端面コート膜１１６、１１７を、分離層１１５、１１８を介して共振器端面１１３、１１４に強固に密着させることができる。

短波長のレーザ光を発振する窒化物半導体レーザ素子の共振器端面１１３、１１４に形成する端面コート膜１１６、１１７として、酸化アルミニウムは、４００ｎｍ程度の短波長領域で透明であること、成膜条件にもよるが応力が比較的少ないこと、さらに熱的に安定であることから好ましい。よって、酸化アルミニウムを端面コート膜１１６、１１７とすることで、高光出力駆動に適した窒化物半導体レーザ素子の作製が可能になる。このとき、分離層１１５、１１８は、積層する端面コート膜１１６、１１７と共通の組成元素を含む化合物を用いることが好ましい。従って、分離層１１５、１１８としては、酸化アルミニウムと共通の元素としてアルミニウムを有する化合物、例えば窒化アルミニウムが好ましい。

また、端面コート膜１１６、１１７として酸化アルミニウムを窒化物半導体レーザ素子の共振器端面１１３、１１４に直接成膜した場合、密着性が落ちると同時に、酸化アルミニウムの酸素によって共振器端面１１３、１１４が酸化される。このように酸化された共振器端面１１３、１１４には非発光センターが増加し、それに伴い界面での発熱が増加し、長期信頼性を悪化させ、また、窒化物半導体レーザ素子のＣＯＤ（ＣａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌＤａｍａｇｅ）レベルを下げることが分かった。したがって、分離層１１５、１１８として酸素を構成元素として含まない窒化アルミニウムを用いて、端面コート膜１１６、１１７の酸化アルミニウムの酸素を共振器端面１１３、１１４から、遠ざけることにより、共振器端面１１３、１１４の酸化を防止することができるため、半導体レーザ素子を長期信頼性の高いものとすることができる。

一般的に酸化物系の材料（例えば酸化アルミニウム、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂等）は内部応力が少なく、これを用いて窒化物半導体の表面に厚膜を形成しても、あまり窒化物半導体側に影響を与えない。しかし、窒化物系の材料は内部応力が強い傾向があり、これを用いて窒化物半導体の表面に厚膜を形成すると内部応力により窒化物半導体側が影響を受けて、窒化物半導体レーザ素子のエージング特性が悪化する。このため、酸化物形の材料を端面コート膜として共振器端面の表面に直接形成するのは、内部応力の影響の面からは好ましいが、共振器端面を酸化させてしまうため、実用上不適当である。

また、端面コート膜１１６、１１７は、積層する分離層１１５、１１８と共通の組成元素を含む化合物を用いることができる。また、端面コート膜１１６、１１７は、上記の酸化物や窒化物の多層構造としてもよい。

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

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、分離層が窒化アルミニウムのみからなる点以外は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態にかかる窒化物半導体レーザバーは図２の構造を有し、分離層１１５は窒化アルミニウムのみからなるものである。また、窒化物半導体層は第１の実施形態と同様の構成であり、端面コート膜１１６は酸化アルミニウム、端面コート膜１１７は酸化アルミニウム／ＴｉＯ₂の多層膜からなる。

窒化物半導体レーザバー１００の共振器端面１１３に形成する低反射率の端面コート膜１１６として、酸化アルミニウムは、４００ｎｍ程度の短波長領域で透明であること、更に、成膜条件にもよるが応力が比較的少ない、さらに熱的に安定であるの理由から、短波長で発振する窒化物半導体レーザ素子のコート膜として好ましい。酸化アルミニウムを端面コート膜１１６とすることで、窒化物半導体レーザ素子を高光出力駆動に適したものとすることができる。

また、第２の実施形態において、酸化アルミニウムからなる端面コート膜１１６と、その上に積層する窒化アルミニウムからなる分離層１１５とは共通の組成元素としてＡｌを有するため、端面コート膜１１６と分離層１１５との界面数原子層においてＮとＯの相互拡散が発生し、ＡｌＮ_xＯ_y（ｘ＜１、ｙ＜１、ｘ＋ｙ＝１）が生成する。このＡｌＮ_xＯ_yが生成することによって、分離層１１５の窒化アルミニウムが完全には結晶化していなくても端面コート膜１１６の酸化アルミニウムとの密着性が向上し、窒化物半導体レーザ素子のＣＯＤレベル、寿命などの特性が安定する。したがって、窒化アルミニウムは全体が結晶化していてもよいが、一部に非晶質の部分があってもよく、その場合、全体を結晶化させる場合と比べて容易に分離層１１５を形成することができる。また、このような界面は、窒化物半導体層からの光の吸収を起こさないので、分離層１１５と端面コート膜１１６との組み合わせとして優れている。

更に、端面コート膜１１６として酸化アルミニウムを窒化物半導体の共振器端面１１３に直接成膜した場合、密着性が落ちると同時に、酸化アルミニウムの酸素によって共振器端面１１３が酸化される。共振器端面１１３は、酸化されると、非発光センターが増加するため、それに伴い共振器端面１１３と端面コート膜１１６との界面での発熱が増加し、窒化物半導体素子の長期信頼性を悪化させる。しかし、分離層１１５として窒化アルミニウムを用いて端面コート膜１１６の酸化アルミニウムの酸素を共振器端面１１３から遠ざけることにより、共振器端面１１３の酸化を防止することができ、窒化物半導体レーザバー１００から得られる窒化物半導体レーザ素子を長期信頼性の高いものとすることができる。

また、窒化アルミニウム膜からなる分離層１１５上に酸化アルミニウム膜を端面コート膜１１６として形成することにより、Ａｌが共通の元素となる。この場合、Ａｌのメタルターゲットを用いたＥＣＲの反応性スパッタ装置などを用いることにより、スパッタの際に、Ａｒに窒素を混ぜるか、酸素を混ぜるかによって、形成される膜種を変更できるため、窒化物半導体レーザバー１００をＥＣＲスパッタリング装置内から取り出すことなく、分離層１１５と端面コート膜１１６を大気暴露せずに連続して成膜できる。このため、端面コート膜１１６を形成する前の分離層１１５の表面に、自然酸化膜が生成したり、空気中の不純物が付着したりすることが抑えられるため、分離層１１５を介した共振器端面１１３と端面コート膜１１６との密着性も向上する。

次に、第２の実施形態にかかる窒化物半導体レーザバー１００の製造方法について説明する。

＜前処理＞
窒化物半導体レーザバー１００をホルダーに固定してＥＣＲスパッタリング装置に導入後、ＡｒのＥＣＲスパッタにて前面の共振器端面１１３の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。この表面処理に用いるガスは、Ａｒ以外の希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ）や窒素ガスなどの不活性ガスを用いてもよい。

＜成膜（低反射率側）＞
次に、ＥＣＲスパッタリング装置内で分離層１１５と低反射率の端面コート膜１１６を形成する方法について説明する。第２の実施形態では、共振器端面１１３に接する分離層１１５の窒化アルミニウム膜は厚さ２０ｎｍであり、端面コート膜１１６の酸化アルミニウム膜は厚さ７０ｎｍである。このとき分離層１１５の窒化アルミニウム膜は、２０ｎｍと薄いためにほとんど、端面コート膜１１６の反射率には影響を与えない。

まず、アルゴンガス（流量２０ｃｃｍ）および窒素ガス（流量５〜６ｃｃｍ）をＥＣＲスパッタリング装置に導入しプラズマ状態を形成する。このときＥＣＲスパッタリング装置内の内圧は５×１０^-2Ｐａ程度とし、マイクロ波パワーは５００Ｗ、Ａｌターゲットに接続されたＲＦ電源の出力値は５００Ｗとする。この状態で、ホルダーの直下にある、ＡｌターゲットとＥＣＲスパッタリング装置を仕切るシャッターを開けることで、窒化アルミニウム膜からなる分離層１１５の成膜が開始される。このとき窒化アルミニウム膜の膜厚を２０ｎｍ以下に制御する。本実施の形態に於いては２０ｎｍとした。その後、シャッターを閉じ、窒化されたＡｌターゲットの表面をＡｒプラズマによりスパッタして、メタル面を出す。

その後、アルゴンガス（流量４０ｃｃｍ）および酸素ガス（流量６〜７ｃｃｍ）を処理室に導入しプラズマ状態を形成する。このときＥＣＲスパッタリング装置内の内圧は１×１０^-1Ｐａ程度とし、マイクロ波パワーは５００Ｗ、Ａｌターゲットに接続されたＲＦ電源の出力値は５００Ｗとする。この状態で、ホルダーの直下のシャッターを開けることで、酸化アルミニウム膜からなる端面コート膜１１６の成膜が可能となる。窒化物系半導体レーザ素子のようにレーザ光が４００ｎｍ付近で発振する場合、酸化アルミニウム膜の膜厚は、発振波長λ＝４００ｎｍ、屈折率ｎ＝１．６より、λ／４ｎ＝６２．５ｎｍであるので、７０ｎｍ程度とすることにより、５％の反射率を実現することができる。この時の膜厚制御は、事前にダミーバーなどに成膜し、反射率を測定し成膜レートを調べておいて、この成膜レートに基づいてシャッターを開ける時間を制御することにより実現することができる。このように、低反射率の端面コート膜１１６が形成された側の共振器端面１１３を前面とし、もう一方の共振器端面１１４を後面とする。

ここで、分離層１１５の形成にＥＣＲスパッタリング法の他に、スパッタ又はプラズマＣＶＤ法を用いると、ＭＯＣＶＤ法のように４００℃以上に加熱しなくても、スパッタ又はＥＣＲスパッタリング法では室温、プラズマＣＶＤ法では２００℃以下で緻密な膜の製膜が可能である。そのため、窒化物半導体層の発光波長近傍（波長３００〜６００ｎｍ程度）において光の吸収が皆無であり、窒化物半導体層と分離層１１５との界面にも光吸収を発生させない。また、加熱しないため窒化物半導体層を劣化させることもない。よって界面状態を安定させるための分離層１１５の形成方法としてスパッタ、プラズマＣＶＤ法、又はＥＣＲスパッタリング法が好ましい。また、端面コート膜１１６は、酸化アルミニウム膜単層に限られず、分離層１１５と接する層が酸化アルミニウム層であれば、異なる組成の層を含む複数の層からなるものであってもよい。

＜成膜（高反射率側）＞
次に、前面側の端面コート膜１１６の形成終了後、ホルダーを取り出し、後面側の共振器端面１１４に成膜できるようにセッティングを行い、９５％程度の反射率を有する高反射率の端面コート膜１１７の成膜を行う。基本的には、前面側で行ったプロセスと同じプロセスを行う。このとき、後面側の共振器端面１１４にも窒化アルミニウム膜からなる分離層１１８を成膜する。続いて分離層１１８の上に、酸化アルミニウム／ＴｉＯ₂を１周期とする４周期分、合計８層の多層膜からなる端面コート膜１１７を形成する。各層の厚さは反射率が９５％になるようにλ／４ｎである。この分離層１１８の窒化アルミニウム膜は６ｎｍ程度とする。分離層１１８は薄いために、端面コート膜１１７の反射率にはほとんど影響しない。前面側と同じ分離層のコーティングを施すことで（膜厚は異なるがそれ以外の、前処理、成膜条件等は同じ）後面側の共振器端面１１４の耐久性を確保しようとするものである。

ただし、一般的に、後面側の高反射率の端面コート膜１１７付近の光密度は前面側の低反射率の端面コート膜１１６付近に比べ低いため、前面側に比べて後面側の方が発熱が少なく、破壊しにくい。このため、第２の実施形態においては、前面側の分離層１１５と同じ条件で後面側の分離層１１８を成膜するとしたが、これと異なる条件、異なる膜種（ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｙ₂Ｏ₅などの別材料）で形成しても構わない。また、端面コート膜１１７も９５％程度の反射率を有するものであれば酸化アルミニウム／ＴｉＯ₂以外からなるものであっても構わない。たとえばＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂・・・・ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂の９層コートからなるものを用いることができる。

＜チップ分割、マウント＞
前後面の端面コート膜１１６、１１７の形成が終わった窒化物半導体レーザバー１００は、スクライブ、ブレーク装置により、チップ状態の窒化物半導体レーザ素子に分割される。その後、分割された窒化物半導体レーザ素子は窒化アルミニウム、ＳｉＣなどのサブマウントに上にマウントされ、サブマウントごとステムにマウントされる。その後、ステムのピンとワイヤーボンドされ、大気封止でキャップされ、窒化物半導体レーザ装置が完成する。

＜比較例：分離層の有無＞
上記のように製作された、前面側の共振器端面１１３に窒化アルミニウム膜からなる分離層１１５と酸化アルミニウムからなる端面コート膜１１６が形成された、第２の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子と、その比較例として前面側の共振器端面に分離層がなく、酸化アルミニウムからなる端面コート膜だけが形成された窒化物半導体レーザ素子の、初期状態と２００時間のエージング後のＣＯＤレベルを測定した。エージング条件は、素子温度７０℃、出力６０ｍＷのＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ；定出力制御）駆動である。また、ＣＯＤレベルの測定条件は、５０ｎｓ、ｄｕｔｙ５０％、室温、ｐｕｌｓｅ測定である。）図５にＣＯＤレベルの時間変化を示している。また、その結果を表１に示す。

この結果から、分離層１１５を設けた場合、分離層がない場合に比べ、エージング前のみならずエージング後においても３倍近く高いＣＯＤレベルが実現できることが分かる。

分離層１１５を設けた場合に大幅にＣＯＤレベルが向上した原因に関して、以下のように考えられる。劈開してできた、共振器端面を含む窒化物半導体の表面は、窒素抜けにより空孔などが生じているため、窒化物半導体がＧａＮの場合であれば、Ｇａに対して窒素の量が減少しており、窒化物半導体の端面は内部に比べて、Ｇａリッチな状態になっている。このようなＧａリッチな面に、酸化アルミニウム膜などの酸化膜を直接成膜すると、窒素が抜けた後のＧａが酸素と結合し非発光センターなどになる。しかし、このような面に窒化アルミニウム膜からなる分離層１１５を形成することにより、抜けた窒素を補い、窒化物半導体の端面を正常化させ、さらに、Ｇａの酸化を防ぎ、非発光センターの少ない安定な界面を形成することができるためであると考えられる。また窒化アルミニウム膜は、酸化アルミニウム膜の４倍程度の熱伝導率を有しているため、放熱性に優れ、この放熱性により端面コート膜１１６の温度上昇が抑えられ、ＣＯＤレベルの向上が引き起こされたとも考えられる。図６に２００時間のエージングを終えた本発明の素子の端面部分において、ＡＥＳ（ＡｕｇｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；オージェ電子分光法）によって表面から内部に向かって組成分析した結果を示す。ここで窒化アルミニウムの厚さは２０ｎｍである。図６において、縦軸は各元素の組成、横軸はスパッタリング時間である。端面コート膜１１６の最表面からスパッタリングを行っているため、スパッタリング時間が０分である位置が端面コート膜１１６の最表面を示し、スパッタリング時間が経過するに従って端面コート膜の内部から、分離層１１５、窒化物半導体層を示す。である。図６から、エージング試験を行った後でも端面コート膜１１６の酸化アルミニウムの酸素が窒化アルミニウムからなる分離層１１５に阻まれて、窒化物半導体層のＧａＮの表面まで達しておらず、窒化アルミニウムの分離層１１５によって共振器端面１１３から酸素を分離できていることが分かる。

＜比較例：分離層の膜厚＞
次に、分離層１１５の窒化アルミニウム膜の膜厚を変化させた窒化物半導体レーザ素子の２００時間のエージング前後のＣＯＤレベルの評価を行った。ここでは、分離層１１５の厚さを１ｎｍから５０ｎｍまで変化させた窒化物半導体素子を用いた。エージング条件は、素子温度７０℃、出力６０ｍＷのＡＰＣ駆動であり、ＣＯＤレベルの測定条件は、５０ｎｓ、ｄｕｔｙ５０％、室温、ｐｕｌｓｅ測定である。なお、端面コート膜１１６の酸化アルミニウム膜は、分離層１１５の窒化アルミニウム膜と２層合わせて４０５ｎｍの波長の光に対して反射率が５〜１０％になるように膜厚を決定している。

図７は、横軸を窒化アルミニウム膜の膜厚、縦軸をＣＯＤレベルとした、この測定結果を示すグラフである。図７から、窒化アルミニウム膜が２０ｎｍより厚くなると、ＣＯＤレベルが低下することが分かる。窒化アルミニウムが１ｎｍより薄い領域（図７では０．５ｎｍの場合を示している）においては、端面コート膜１１６の酸化アルミニウム層と共振器端面１１３との分離ができなくなる。これによって、酸化アルミニウムの酸素が共振器端面１１３の窒化物半導体のＧａと反応してＧａの酸化物が生成し界面の非発光センターが増加し発熱量が増加するため好ましくない。また、図８は横軸をエージング時間、縦軸を駆動電流とした、この測定結果を示すグラフである。図８（Ａ）は窒化アルミニウムの膜厚が６ｎｍ、図８（Ｂ）は窒化アルミニウムの膜厚が５０ｎｍの場合である。膜厚６ｎｍの窒化アルミニウムについては１０個の試料、膜厚５０ｎｍの窒化アルミニウムについては１５個の試料について測定した。図８（Ａ）、（Ｂ）からわかるように、窒化アルミニウムの膜厚が６ｎｍの場合、エージング中のＩｏｐ（駆動電流）の上昇はなだらかであり寿命の劣化は見られないが、５０ｎｍの場合、２個を除いてエージング中のＩｏｐの上昇が大きくなり、寿命の著しい劣化が起こる。これは、窒化アルミニウム膜が有する応力が影響しているものと考えられる。なお、図８（Ａ）で、駆動電流がエージング初期から０ｍＡのものが２個あるが、これは測定装置の問題であり、本発明とは本質的に関係がない。したがって、これらの結果から、分離層１１５の窒化アルミニウムの膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、第１の実施形態および第２の実施形態では、劈開によって形成した窒化物半導体端面に関して詳細に記述したが、端面がＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）ＩＣＰなどの気相エッチング、ＫＯＨ（水酸化カリウム）などの溶液によるウエットエッチングによって、形成されたもの（エッチドミラー）であっても、本発明はなんら問題なく適用できる。

本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体レーザ装置、例えば、単体の半導体レーザ装置、ホログラム素子を備えたホログラムレーザ装置、駆動もしくは信号検出等の処理のためのＩＣチップと一体化してパッケージされたオプトエレクトロニクスＩＣ装置、導波路あるいは微小光学素子と一体化してパッケージされた複合光学装置などに応用可能である。また、本発明は、これらの装置を備えた光記録システム、光ディスクシステムや、紫外から緑色領域の光源システムなどに応用可能である。

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

Claims

ＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層と、
前記ＩＩＩ‐Ｖ族窒化物半導体層に設けられた共振器と、
前記共振器の端面に接して形成された窒化アルミニウムからなる分離層と、
前記分離層に接して形成された端面コート膜と
を備えた窒化物半導体発光素子において、
前記分離層の前記端面コート膜側は酸窒化アルミニウムを含み、
前記分離層の層厚は２０ｎｍ以下であり、
前記端面コート膜は酸化物である
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
前記分離層の窒化アルミニウムが六方晶であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記分離層の窒化アルミニウムの少なくとも一部が非晶質であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記分離層がマグネトロンスパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、又はＥＣＲスパッタリング法で作製されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。