JP7296934B2 - 窒化物半導体レーザ素子及び照明光源モジュール - Google Patents

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Description

本開示は窒化物半導体レーザ素子に関し、特に共振器端面に保護膜を設けた窒化物半導体レーザ素子等に関する。
従来、半導体レーザ素子は主に光ディスクの読み出し、書き込み用として広く使われて来ており、その光出力は０．０１Ｗ以上０．４Ｗ以下程度が一般的であった。
これに対して、昨今、プロジェクタの光源に高圧水銀ランプではなく、高輝度、高精彩、低消費電力、長寿命などの特長を持つ半導体素子であるＬＥＤ及び半導体レーザ素子が用いられ始めている。特に、デジタルサイネージ、映画館用プロジェクタなどの大画面高画質用途では、光源にワット級の高出力半導体レーザ素子を採用したレーザプロジェクタの普及が始まっている。さらに、上記ワット級高出力半導体レーザ素子は車載ヘッドライト用光源やレーザ加工用光源への展開も始まっており、レーザ光源は様々な分野への広がりを見せている。
上記プロジェクタ用光源に好適な半導体発光素子は、窒化物系材料を用いた半導体レーザ（窒化物半導体レーザ）素子である。例えば、窒化物半導体レーザ素子で波長４０５ｎｍ帯の青紫色光や波長４５０ｎｍ帯の青色光の光源を形成し、蛍光体を励起することで、青色、緑色、赤色光を発光させれば、高輝度で低消費電力のレーザプロジェクタを実現することができる。
しかしながら、半導体レーザ素子は、一般に、高光出力動作において、動作電流が徐々に増大する劣化現象、及び、光学破壊（ＣＯＤ）と呼ばれる半導体レーザ素子が発振しなくなる現象が生じることが知られている。
従って、半導体レーザ素子の高出力化を実現するために、このような半導体レーザ素子の劣化を抑制又は防止する研究及び開発が活発に行われている。
特に、ＣＯＤを伴う頓死は、半導体レーザ素子を構成する共振器の光出射面である出射側端面で生じるため、該共振器の端面を覆う保護膜の堅牢化及び安定化を図る等の取り組みが行われている。
一般に、半導体レーザ素子の共振器端面は保護膜により覆われており、該保護膜は、共振器端面における反射率の制御、異物の付着防止及び酸化防止の役割を果たしている。ＣＯＤのメカニズムは、半導体レーザ素子の光出射面、特にレーザ発光点近傍における非共有電子（ダングリングボンド）に由来した表面準位による光吸収、及び、保護膜において拡散する酸素による共振器端面の酸化に起因した光吸収が原因と考えられている。共振器端面での光吸収によって発熱が生じ、共振器端面近傍のバンドギャップが熱的に縮小することで共振器端面の光吸収が加速されＣＯＤに至る。また、保護膜においても、ＣＯＤの原因となり得る現象が発生することがある。例えば、保護膜を形成する誘電体膜が、強い光又は熱に起因して変質又は体積変化することで、保護膜の膜剥れなどが発生し、ＣＯＤを引き起こすこともある。そのため、共振器端面の保護膜（端面保護膜）として、酸素の拡散に対してバリア性を有し、強い光又は熱によって変質しない堅牢な膜が求められている。
ここで、従来の半導体レーザ素子の共振器端面に設けられる保護膜について図１５を用いて説明する。図１５は、従来の窒化物半導体レーザ素子１０００の共振器端面の保護膜の構造を示す平面図である。
図１５において、発光層を含む積層構造体１０１０の出射側端面には、出射側端面側から順に出射面第１保護膜１０１１、出射面反射率調整層１０１５が形成されており、反射側端面には、反射側端面から順に反射面第１保護膜１０２１、反射面反射率調整層１０２５が形成されている。
従来の窒化物半導体レーザ素子１０００では、出射面第１保護膜１０１１及び反射面第１保護膜１０２１には結晶性のＡｌＮ膜が用いられている。
ＡｌＮの結晶構造は六方晶のウルツ鉱型構造であり、その配向性と膜の耐久性については以下の先行技術文献に開示されている。
例えば、特許文献１には、ＧａＮのｍ面端面上にｍ軸配向の結晶性ＡｌＮを成膜する方法が開示されている。
また、特許文献２には、ＧａＮ基板上にｃ軸配向の結晶性ＡｌＮ膜を成膜する方法が開示されている。
上記先行技術文献に示されているように、共振器端面の保護膜の耐久性を向上させるためには、ＡｌＮ膜の結晶の配向性の精密な制御が必要不可欠であると考えられている。
特許第５６７０００９号公報 特許第５１８４９２７号公報 特開２０１０－２８７７１７号公報
以上に説明したように、従来の窒化物半導体レーザ素子の共振器端面に接する保護膜には酸素バリア性が高く堅牢な結晶性のＡｌＮが用いられている。
しかし、従来技術である結晶性のＡｌＮ膜において、結晶粒界、結晶の配向などに依存した微量の酸素拡散が生じることが知られており、光出力が高出力の窒化物半導体レーザ素子に適用した場合、以下のような問題が発生することを発明者らは見出した。
保護膜においてｍ軸配向の結晶性ＡｌＮを用いる場合、結晶を構成する原子間のボンド長が長く、粗い結晶構造であるため、元素がｍ面を透過しやすく酸素も同様にｍ面を透過しやすいことから、共振器端面の劣化、及び光学的損傷を引き起こしやすい。
また、ｃ軸配向の結晶性ＡｌＮ膜を用いる場合、ｃ軸配向膜は緻密な構造を有し、外部からの不純物拡散に対してバリア性が高いが、ｃ軸配向膜には結晶粒界が存在し、粒界での拡散を避けることができない。
上記結晶粒界の問題はｍ軸配向膜においても同様に存在するため、結晶の配向性制御だけでは上記問題は解決することができず、新たな技術の開発が必要とされる。
本開示は、このような課題を解決するものであり、光出力が高出力動作においても共振器端面の劣化を抑制することができる窒化物半導体レーザ素子等を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様は、発光層を含む複数の半導体層からなり、互いに対向する一対の共振器端面を有する積層構造体と、前記一対の共振器端面の少なくとも一方に配置された誘電体からなる保護膜とを備え、前記保護膜は、前記積層構造体側から順に配置された第１保護膜、第２保護膜及び第３保護膜を有し、前記第１保護膜は非晶質であり、前記第２保護膜は結晶性であり、前記第３保護膜は非晶質である。
この構成によれば、例えば結晶性窒化膜、結晶性酸窒化膜などからなる第２保護膜の結晶粒界を介して拡散する酸素を粒界のない非晶質の第１保護膜でブロックできる。さらに、非晶質の第１保護膜によって共振器端面のダングリングボンドを効率よく終端することができるため、共振器端面の分解を抑制できる。これにより、高出力動作においても共振器端面の劣化を抑制することができる窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
また、前記第２保護膜は、前記一対の共振器端面のうち、前記第２保護膜が配置された共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向の六方晶多結晶膜を含むアルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜であってもよい。
このように、第２保護膜として、アルミニウムの窒化物又は酸窒化物を用いることで、酸素バリア性が高く熱伝導性に優れた保護膜を実現できる。さらに、第２保護膜として、緻密な構造を有するｃ軸配向の多結晶膜を用いることにより、結晶粒サイズの大きな結晶性膜を形成することができるため、結晶粒界の酸素拡散及び光吸収を小さくできる。したがって、共振器端面の劣化をより一層抑制できる。
ここで、本開示で定義されるｃ軸配向の多結晶膜とは、ｃ軸配向の結晶だけで構成される多結晶膜に限定されない。ｃ軸配向の多結晶膜は、その大半の領域が共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向の結晶である多結晶膜であればよく、共振器端面の法線方向に対してｍ軸配向の結晶などの他の配向の結晶が一部の領域に混在している多結晶膜であってもよい。例えば、第２保護膜を構成する前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜は、前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜中に混在する前記ｃ軸配向と異なる配向の結晶を含んでもよい。
加えて、本開示で定義するｃ軸配向の多結晶膜は、その大半の領域が共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向の結晶であって、一部の領域に非晶質が混在している多結晶膜であってもよい。例えば、第２保護膜を構成する前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜は、前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜中に混在する非晶質を含んでもよい。
また、前記第１保護膜と前記第２保護膜との合計膜厚が５０ｎｍ未満であってもよい。
この構成によれば、第１保護膜及び第２保護膜に含まれる欠陥に起因した光吸収量及び結晶粒界に起因した光吸収量を、光路長に相当する膜厚を薄くすることにより減少させることができる。これにより共振器端面の発熱を抑制し劣化を抑制することができることから、共振器端面の劣化をより一層抑制できる。
また、前記第１保護膜の膜厚は、１．０ｎｍ未満であってもよい。
この構成によれば、第２保護膜の結晶性の向上、又は、第２保護膜の高密度化を実現できるため、第２保護膜における酸素拡散を抑制でき、共振器端面の劣化をより一層抑制できる。したがって、窒化物半導体レーザ素子の信頼性を大幅に改善できる。
また、前記第１保護膜は、シリコンの窒化物又は酸窒化物を含む非晶質膜であってもよい。
この構成によれば、シリコンの窒化物又は酸窒化物は、光による結晶化などの変質が発生しにくく、酸素バリア性が高い緻密な非晶質膜を形成できることから、共振器端面終端及び酸素バリア性が一層向上し共振器端面の劣化をさらに抑制することができる。
また、前記第３保護膜は、金属酸化物又は金属酸窒化物を含む非晶質膜であってもよい。
このように、第２保護膜として金属酸化物又は金属酸窒化物を含む膜を設けることで、結晶性の第２保護膜の表面ダングリングボンドを終端することができることから、共振器端面の劣化をさらに抑制することができる。
また、前記第３保護膜は、アルミニウムの酸化物又は酸窒化物を含む非晶質膜であってもよい。
この構成によれば、酸素との結合エネルギーの大きなアルミニウムの酸化物又は酸窒化物を用いることで、第３保護膜中の酸素の拡散を抑制し、かつ外気に含まれる酸素との酸化反応による屈折率変動を抑制できることから、共振器端面の劣化をより一層抑制することができる。
また、前記第１保護膜及び前記第２保護膜の希ガス濃度は、１原子％未満であり、前記第３保護膜の希ガス濃度は、１原子％以上３原子％未満であってもよい。
この構成によれば、端面終端層としての第１保護膜におけるＡｒなどの希ガス濃度を１％以下に低密度化することによって第１保護膜を高密度化できるため、効率の良い端面終端と酸素拡散抑制とを実現できる。また、酸素拡散抑制層としての第２保護膜におけるＡｒなどの希ガス濃度を１％以下に低密度化することによって結晶内部で生成する欠陥密度を抑制できるため、光吸収の抑制と酸素バリア性向上とを実現できる。また、酸化保護層としての第３保護膜におけるＡｒなどの希ガス濃度を１％以上に高密度化することによって膜中の原子移動及び再配列を阻害できるため、誘電体膜の相変化及び変質を抑制することができる。したがって、共振器端面の劣化を抑制できる高光出力の半導体レーザを提供できる。また、第３保護膜におけるＡｒなどの希ガス濃度を３％未満に抑えることによって、第３保護膜に含まれる希ガスの光及び熱に起因する膜内部での凝集、又は、希ガスの膜からの脱離によって、膜厚及び膜密度の変化が大きくなることを抑制できる。したがって、共振器端面における反射率の変動及び膜剥れを抑制し、共振器端面の劣化を抑制することができる。
また、前記第２保護膜は、酸素拡散抑制層であってもよい。
このように、結晶性の第２保護膜によって酸素の拡散を抑制することで、共振器端面に酸素が到達することを抑制できるため、共振器端面の劣化をさらに抑制できる。
また、前記第２保護膜の希ガス濃度は、第１保護膜の希ガス濃度より少なくてもよい。
この構成によれば、第２保護膜の結晶内部で生成する欠陥密度を抑制できるため、光吸収の抑制と酸素バリア性向上と実現できる。
また、前記第１保護膜の希ガス濃度は、第３保護膜の希ガス濃度より少なくてもよい。
この構成によれば、第１保護膜を高密度化できるため、効率の良い端面終端と酸素拡散抑制とを実現できる。また、第３保護膜中の原子移動及び再配列を阻害できるため、誘電体膜の相変化及び変質を抑制することができる。
また、前記第２保護膜の希ガス濃度は、第３保護膜の希ガス濃度より少なくてもよい。
この構成によれば、第２保護膜の結晶内部で生成する欠陥密度を抑制できるため、光吸収の抑制と酸素バリア性向上と実現できる。また、第３保護膜中の原子移動及び再配列を阻害できるため、誘電体膜の相変化及び変質を抑制することができる。
また、前記保護膜は、前記第３保護膜の上方に配置された少なくとも１層の誘電体膜からなる反射率調整層をさらに備えてもよい。
この構成によれば、各共振器端面における反射率を調整でき、かつ、第３保護膜を保護することができる。
また、前記保護膜は、前記第３保護膜と前記反射率調整層との間に配置された窒化物又は酸窒化物からなる第４保護膜をさらに備えてもよい。
このように、窒化物又は酸窒化物からなる第４保護膜を追加することによって、酸素拡散抑制機能を強化し、かつ、共振器端面に近い誘電体膜からの脱ガスを抑制できるため、端面反射率の変動及び膜剥れを抑制することができる。
また、前記第４保護膜は、アルミニウムの窒化物又は酸窒化物を含む六方晶の多結晶膜であり、前記第４保護膜の結晶配向は、前記一対の共振器端面のうち、前記第４保護膜が配置された共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向であってもよい。
このように、第４保護膜として、酸素バリア性が高く熱伝導性に優れたアルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜を用い、かつ、第４保護膜をｃ軸配向六方晶とすることで、結晶粒サイズの大きな結晶性膜を形成することができる。このため、結晶粒界の酸素拡散及び光吸収を小さくできることから、高出力動作においても共振器端面の劣化を抑制できる。
また、前記第４保護膜の希ガス濃度は１原子％未満であり、かつ、前記第４保護膜の膜厚は５０ｎｍ未満であってもよい。
この構成によれば、第４保護膜の内部に含まれる欠陥に起因した光吸収量、及び、結晶粒界に起因した光吸収量を、光路長に相当する膜厚を薄くすることにより減少させることができるため、共振器端面の発熱を抑制し劣化を抑制することができることから、共振器端面の劣化を抑制できる。
また、前記反射率調整層に含まれる前記少なくとも１層の誘電体膜のうち、前記第４保護膜に接する誘電体膜は、希ガス濃度が２原子％未満の非晶質酸化膜であってもよい。
この構成によれば、第４保護膜で生じる光吸収に起因する発熱によって、誘電体膜から希ガスが凝集、又は脱離を防ぐことができることから、共振器端面における反射率の変動及び膜剥れを抑制し、共振器端面の劣化を抑制できる。
また、前記反射率調整層に含まれる前記少なくとも１層の誘電体膜の希ガス濃度は、３原子％未満であってもよい。
この構成によれば、誘電体膜に含まれる希ガスが、光又は熱による影響で膜内部で凝集したり、膜から脱離したりすることによる誘電体膜厚及び膜密度の変化を抑制できることから、共振器端面における反射率の変動及び膜剥れを抑制し、共振器端面の劣化を抑制できる。
また、前記保護膜の最表面が酸化物からなってもよい。
この構成によれば、外気に含まれる酸素との表面反応による保護膜の反射率変動を抑制できるため、共振器端面の劣化をより一層抑制できる。
また、前記一対の共振器端面の少なくとも一方における反射率は、前記窒化物半導体レーザ素子より出射されるレーザの波長に対する反射率スペクトルの極大値又は極小値であってもよい。
この構成によれば、誘電体膜の一部が変質した場合においても、反射率の変動を最小にとどめることができることから、窒化物半導体レーザ素子の特性変動を抑制できる。
また、本開示に係る照明光源モジュールの一態様は、上記窒化物半導体レーザ素子を備える。
このように、高出力動作においても共振器端面の劣化を抑制することができる窒化物半導体レーザ素子を備えることから、信頼性及び耐久性が高い照明光源モジュールを実現できる。
本開示によれば、高出力動作においても共振器端面の劣化を抑制することができる窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
図１Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す共振器方向に平行な方向の模式的な断面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す共振器方向に垂直な方向の模式的な断面図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る第１保護膜及び第２保護膜の断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 図２Ｂは、第１の比較例の保護膜の断面ＴＥＭ写真である。 図３Ａは、第１保護膜におけるＡｒ濃度が多い窒化物半導体レーザ素子を連続駆動した後の積層構造体と保護膜との界面付近を示す断面ＴＥＭ写真である。 図３Ｂは、第１保護膜におけるＡｒ濃度が少ない窒化物半導体レーザ素子を連続駆動した後の積層構造体と保護膜との界面付近を示す断面ＴＥＭ写真である。 図４は、Ｓｉターゲットを用いてＳｉＮ膜を成膜する際の、Ｎ２／Ａｒ分流比と膜中のＡｒ濃度との関係を示すグラフである。 図５は、Ｓｉターゲットを用いてＳｉＮ膜を成膜する際の、成膜中Ｎ２流量と膜原子密度との関係を示すグラフである。 図６は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の、駆動電流に対する光出力の特性を示すグラフである。 図７は、第１保護膜にＳｉＮを採用した場合のＡｒ濃度とエージング試験におけるＣＯＤ発生率との関係を示すグラフである。 図８は、光結晶化した保護膜の断面ＴＥＭ写真である。 図９Ａは、実施の形態１に係る出射面側の保護膜の反射率スペクトルを示すグラフである。 図９Ｂは、実施の形態１に係る反射面側の保護膜の反射率スペクトルを示すグラフである。 図１０は、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を示す共振器方向に平行な方向の模式的な断面図である。 図１１Ａは、実施の形態２に係る保護膜のエージング後の劣化状況を示す断面ＴＥＭ写真である。 図１１Ｂは、第２の比較例の保護膜のエージング後の劣化状況を示す断面ＴＥＭ写真である。 図１２は、劣化現象が発生した出射面反射率調整層を示す図である。 図１３は、実施の形態４に係る出射側の保護膜の断面ＴＥＭ写真である。 図１４は、実施の形態５に係る照明光源モジュールの構成を示す概略断面図である。 図１５は、従来の半導体レーザ素子の共振器端面の保護膜の構造を示す共振器方向に平行な方向の断面図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子について図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の構成を示す共振器方向に平行及び垂直な方向の模式的な断面図である。
図１Ａに示されるように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００は、互いに対向する一対の共振器端面１０ｆ及び１０ｒを有する積層構造体１０と、一対の共振器端面１０ｆ及び１０ｒの少なくとも一方に配置された誘電体からなる保護膜とを備える。本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１００は、一対の共振器端面１０ｆ及び１０ｒにそれぞれ配置された保護膜１１０及び１２０を備える。
図１Ａに示されるように、保護膜１１０は、積層構造体１０のレーザ光が出射する側（つまり、フロント側）の端面である共振器端面１０ｆを覆う誘電体多層膜である。保護膜１１０は、積層構造体１０側から順に配置された出射面第１保護膜１１、出射面第２保護膜１２、出射面第３保護膜１３及び出射面反射率調整層１５を有する。保護膜１２０は、積層構造体１０のレーザ光が反射する側（つまり、リア側）の端面である共振器端面１０ｒを覆う誘電体多層膜である。保護膜１２０は、積層構造体１０側から順に反射面第１保護膜２１、反射面第２保護膜２２、反射面第３保護膜２３及び反射面反射率調整層２５を有する。
先ず、積層構造体１０の積層構造について説明する。
図１Ｂに示されるように、積層構造体１０は、発光層５０を含む複数の半導体層からなる。より詳しくは、積層構造体１０は、基板５１と、ｎ型クラッド層５２と、発光層５０と、電子障壁層５６と、ｐ型クラッド層５７と、ｐ型コンタクト層５８と、電流ブロック層５９と、ｐ側オーミック電極６０と、ｐ側電極６１と、ｎ側電極６２とを備える。
基板５１は、積層構造体１０の基台となる部材である。本実施の形態では、基板５１はＧａＮ基板である。
ｎ型クラッド層５２は、基板５１の上方に配置され、発光層５０を覆うｎ型半導体層である。本実施の形態では、ｎ型クラッド層５２は、ｎ型のＡｌＧａＮからなる。
発光層５０は、ｎ型クラッド層５２の上方に配置され、光を発生する層である。本実施の形態では、発光層５０は、ｎ型ガイド層５３と、量子井戸活性層５４と、ｐ側ガイド層５５とを有する。
ｎ型ガイド層５３は、ｎ型クラッド層５２の上方に配置される層であり、例えば、ｎ型のＧａＮからなる。量子井戸活性層５４は、ｎ型ガイド層５３の上方に配置される活性層であり、例えば、アンドープのＩｎＧａＮからなる。ｐ側ガイド層５５は、量子井戸活性層５４の上方に配置される層であり、例えば、アンドープのＩｎＧａＮからなる。
電子障壁層５６は、ｐ側ガイド層５５の上方に配置され、ｐ側ガイド層５５からｐ型クラッド層５７への電子のオーバーフローを抑制する層であり、例えば、ＡｌＧａＮからなる。
ｐ型クラッド層５７は、電子障壁層５６の上方に配置される層であり、例えば、ｐ型のＡｌＧａＮからなる。
ｐ型コンタクト層５８は、ｐ型クラッド層５７の上方に配置される層であり、例えば、ｐ型のＧａＮからなる。
ｐ型クラッド層５７及びｐ型コンタクト層５８の一部には、リッジ状の導波路７０が形成されている。なお、図１Ｂでは、導波路７０が一つだけ示されているが、積層構造体１０は、複数の導波路７０を備えてもよい。
電流ブロック層５９は、リッジ状の導波路７０上の一部を除く領域に配置される誘電体層であり、例えば、ＳｉＯ２からなる。つまり、電流ブロック層５９がｐ型クラッド層５７を覆う。
ｐ側オーミック電極６０は、電流ブロック層５９の開口部であって、ｐ型コンタクト層５８の上方に配置される電極であり、例えば、Ｐｄ及びＰｔからなる。
ｐ側電極６１は、ｐ側オーミック電極６０の上方に配置される電極であり、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなる。
ｎ側電極６２は、基板５１の下方にｐ側電極６１と対向して配置される電極であり、例えば、Ｔｉ及びＰｔ及びＡｕからなる。
次に、共振器端面１０ｆ及び１０ｒにそれぞれ配置された保護膜１１０及び１２０の積層構造に関して説明する。
半導体レーザ積層構造体には出射側及び反射側の共振器端面１０ｆ及び１０ｒがあり、それぞれ複数の誘電体膜が積層された積層構造を有する保護膜１１０及び１２０が配置されている。
図１Ａに示すとおり、出射側の共振器端面１０ｆには、出射面第１保護膜１１、出射面第２保護膜１２、出射面第３保護膜１３及び出射面反射率調整層１５が、積層構造体１０側から順に配置されている。また反射側の共振器端面１０ｒには、反射面第１保護膜２１、反射面第２保護膜２２、反射面第３保護膜２３及び反射面反射率調整層２５が、積層構造体１０側から順に配置されている。
次に、図１Ａ及び図１Ｂに示される窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
まず、ｎ型のＧａＮからなる基板５１のｃ面上に、複数の窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長させる。
具体的には、Ｇｅがドープされたｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層５２、ｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層５３を順次成長させ、次に、ＩｎＧａＮからなる量子井戸活性層５４を形成する。量子井戸活性層５４は、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＩｎＧａＮからなる障壁層とを有する。
続いて、量子井戸活性層５４上に、アンドープＩｎＧａＮからなるｐ側ガイド層５５と、ｐ型の電子障壁層５６とを順次成長させる。この後、Ｍｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５７、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５８を形成する。
続いて、リッジ状の導波路７０を形成する。具体的には、レジスト膜及びＳｉＯ２膜をマスクとし、フォトリソグラフィ技術を用いて、約７μｍの幅の長尺状の開口を形成した後に、エッチング技術を用いて、ｐ型コンタクト層５８及びｐ型クラッド層５７の上面から所定の深さの領域をエッチングすることにより、リッジ状の導波路７０が形成される。導波路７０は、電流注入領域及び光導波路としての機能を有する。
続いて、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、約３００ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる電流ブロック層５９を形成する。
続いて、ｐ側オーミック電極６０を形成する。具体的には、レジスト膜をマスクとしたエッチング技術を用いて、リッジ状の導波路７０の上の電流ブロック層５９をエッチングし、長尺状の開口部を形成する。次に、真空蒸着法及びエッチング技術を用いて、リッジ状の導波路７０上にＰｔ膜及びＰｄ膜を順に積層することにより、ｐ側オーミック電極６０を形成する。
続いて、ｐ側電極６１を形成する。具体的には、非注入領域を形成した後に、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、ｐ側オーミック電極６０及び電流ブロック層５９上の所定の領域に、Ｔｉ膜及びＡｕ膜を順に積層することにより、ｐ側電極６１を形成する。
その後、ｐ側電極６１と対向する基板５１の下面（半導体層が積層されていない主面）側から、基板５１からｐ側電極６１までの合計の厚みが約８５μｍになるまで研磨する。
最後に、真空蒸着法を用いて、基板５１の研磨された面に、基板５１側から順にＴｉ膜、Ｐｔ膜及びＡｕ膜を積層することにより、ｎ側電極６２を形成する。
以上のようにして、複数の窒化物半導体レーザ素子１００の母材となる窒化物半導体レーザ積層基板を製造することができる。
次に、窒化物半導体レーザ積層基板から窒化物半導体レーザ素子１００を形成するまでの製造方法を説明する。
まず、窒化物半導体レーザ積層基板をｍ面に沿ってへき開してバー状基板に加工するために、へき開の起点となるへき開溝をレーザスクライブ法によって形成する。
続いて、へき開溝を形成した窒化物半導体レーザ積層基板をへき開し、ｍ面の端面を有するバー状基板を形成する。
続いて、へき開で得たバー状基板のへき開面に、保護膜１１０及び１２０に対応する誘電体多層膜を形成する。へき開で得られた出射側端面には、出射面第１保護膜１１、出射面第２保護膜１２、出射面第３保護膜１３及び出射面反射率調整層１５にそれぞれ対応する第１保護膜、第２保護膜、第３保護膜及び反射率調整層をこの順に形成する。これに対向する反射側端面にも、出射側端面と同様に、反射面第１保護膜２１、反射面第２保護膜２２、反射面第３保護膜２３及び反射面反射率調整層２５にそれぞれ対応する第１保護膜、第２保護膜、第３保護膜及び反射率調整層をこの順に形成する。なお、保護膜１１０及び１２０の形成方法の詳細については、後述する。
続いて、保護膜を形成したバー状基板を分割するために、レーザスクライブ法によって分割溝を形成する。
最後に、分割溝を形成したバー状基板を個片に分割することで、窒化物半導体レーザ素子１００が形成される。
ここまで、窒化物半導体レーザ素子１００が形成されるまでの製造方法を説明してきたが、以下に窒化物半導体レーザ素子１００の特徴的な構成である高い耐久性を有する保護膜１１０及び１２０の形成方法について詳細に説明する。
以下に、本実施の形態に係る保護膜１１０及び１２０の形成方法として、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタ法を用いた成膜方法について説明する。ここではＥＣＲスパッタ法を用いた方法について説明するが、例えばＲＦスパッタ法、マグネトロンスパッタ法など他のスパッタ法を用いても同様の効果を得ることができる。
本実施の形態で用いられるＥＣＲスパッタリング装置では、スパッタリング用のガスとして主にＡｒなどの希ガスが用いられ、また酸化物を成膜する際にはＯ２が、窒化膜を成膜する際にはＮ２が、それぞれ反応性ガスとして添加される、所謂反応性スパッタリングという方法が用いられている。
例えば、酸化物を成膜する際には、高真空排気した成膜室内にＡｒガスとＯ２ガスを導入し、磁場とマイクロ波電力とを印加してＥＣＲプラズマを生成し、さらにＡｌ又はＳｉなどのターゲットに高周波電磁界を印加してＡｒイオンによりターゲット材料をたたき出し、そのたたき出されたターゲット材料を気相中又は被成膜基板表面で酸化させることで酸化物膜を成膜するという方法である。
窒化物を成膜する際には、Ｏ２ガスの代わりにＮ２ガスを導入すればよい。
また、酸窒化膜を成膜する際には、Ｏ２ガスとＮ２ガスの混合ガス、あるいはＮＯガス、Ｎ２Ｏガスなど窒素と酸素とを含んだガスを同時に導入すればよい。
また、シリコンの酸化物、窒化物又は酸窒化物を成膜する際にはシリコンのターゲットを、アルミニウムの酸化物、窒化物又は酸窒化物を成膜する際にはアルミニウムのターゲットを、それぞれ用いればよい。
ここで、各添加ガスの役割を整理すると以下のとおりである。
Ａｒなどの希ガスの役割は、Ａｒイオンとなってターゲットに衝突しターゲットの原子をたたき出すことである。また、反応性ガスの役割は、たたき出された原子と反応して酸化物又は窒化物を形成することである。
スパッタリングガスであるＡｒは不活性であり本来膜の形成には寄与しないはずであるが、実際に形成された膜の組成を分析すると、膜中に数原子％（以下ａｔ％と示す場合もある）含有されていることが判明している。
以下に、本実施の形態に係る保護膜１１０及び１２０の積層構造とその役割について詳細に説明する。
本実施の形態に係る保護膜１１０は、共振器端面１０ｆ側から順に配置された出射面第１保護膜１１、出射面第２保護膜１２及び出射面第３保護膜１３を有し、保護膜１２０は、共振器端面１０ｒ側から順に配置された反射面第１保護膜２１、反射面第２保護膜２２及び反射面第３保護膜２３を有する。
出射面第１保護膜１１及び反射面第１保護膜２１は、非晶質の第１保護膜であり、本実施の形態では、非晶質の窒化物又は酸窒化物である誘電体膜である。
出射面第２保護膜１２及び反射面第２保護膜２２は、結晶性の第２保護膜であり、本実施の形態では、ｃ軸配向の結晶性の窒化物又は酸窒化物である誘電体膜である。
出射面第３保護膜１３及び反射面第３保護膜２３は、非晶質の第３保護膜であり、本実施の形態では、非晶質の金属酸化物又は金属酸窒化物である誘電体膜である。
出射面反射率調整層１５及び反射面反射率調整層２５は、それぞれ出射面第３保護膜１３及び反射面第３保護膜２３の上方に配置された少なくとも１層の誘電体膜からなる反射率調整層である。これらの層により、各共振器端面における反射率を調整でき、かつ、出射面第３保護膜１３及び反射面第３保護膜２３を保護できる。
第１保護膜の役割は、共振器端面１０ｆ及び１０ｒの終端機能、及び、結晶粒界を拡散した酸素のバリア機能である。即ち、積層構造体１０の端面のＧａＮからなる領域のダングリングボンドを化学結合によって効率良く終端することで共振器端面１０ｆ及び１０ｒにおけるＧａＮの分解を抑制し、かつ、結晶粒界が存在しない非晶質窒化膜を用いることで第２保護膜の結晶粒界を拡散し共振器端面１０ｆ及び１０ｒの近傍に到達した酸素を最終的にブロックするという役割を担っている。第１保護膜として、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどのシリコンの窒化物又は酸窒化物を含む非晶質膜を用いることができる。第１保護膜の材料としてＳｉＮ又はＳｉＯＮを用いることで、結晶化などの変質がなく、酸素バリア性が高く緻密な非晶質膜をＧａＮ端面上に成膜できる。
第１保護膜の材料としては、上記材料に限定されず、例えば、非晶質であれば他の材料でも適用することが可能である。
第２保護膜の役割は、酸素拡散抑制機能である。つまり、第２保護膜は、酸素拡散抑制層である。第２保護膜は、結晶性の窒化膜又は酸窒化膜とすることで、バルクの酸素拡散を抑制する。第２保護膜の材料としては、ＡｌＮ、ＡｌＯＮなどのアルミニウムの窒化物又は酸窒化物を含む多結晶膜を用いることができる。特にＡｌＮは酸素バリア性が高く熱伝導性に優れているため、第２保護膜として、ＡｌＮを用いることで放熱性及び酸素バリア性の高い保護膜を形成できる。第２保護膜の材料としてＡｌＮを用いた場合、その結晶構造は六方晶のウルツ鉱型構造であり、結晶の配向性としては、ｍ軸が共振器端面１０ｆ及び１０ｒの法線方向に配向した所謂ｍ軸配向と、ｃ軸が共振器端面の法線方向に配向した所謂ｃ軸配向という２つの配向状態をとり得ることが分かっている。
ｍ軸配向の場合、結晶を構成する原子間のボンド長が長く、粗い結晶構造であるため、酸素等の不純物元素が透過しやすく、共振器端面１０ｆ及び１０ｒの劣化及び光学的損傷を引き起こしやすい。
一方、ｃ軸配向は緻密な構造であり、外部からの不純物拡散に対して高いバリア性を有しているため、ｍ軸配向と比較して酸素拡散の抑制効果は高いと考えられる。また、ｃ軸配向のＡｌＮ膜は、結晶粒サイズの大きな結晶性膜を形成することができるため、この点においてもｍ軸配向膜よりも有利である。
但し、配向性を制御してｍ軸配向又はｃ軸配向の膜を成膜しても、出来上がる膜は多結晶である。多結晶には必ず結晶粒界が存在し、酸素などの不純物はその結晶粒界をバルクよりも速いスピードで拡散する。
そのため、結晶性膜を単層で酸素拡散抑制層とした場合、大半の窒化物半導体レーザ素子１００は充分な信頼性を示すものの、結晶粒界がたまたまレーザの発光点に存在する素子では、劣化速度が著しく速くなるという不具合が発生する。
本実施の形態に係る共振器端面１０ｆ及び１０ｒの保護膜１１０及び１２０は、第２保護膜の結晶粒界を拡散した酸素が共振器端面に到達するのを防ぐために、結晶粒界を有さない非晶質膜である第１保護膜を第２保護膜と共振器端面１０ｆ及び１０ｒとの間に挿入した構造を有する。
ここで、本実施の形態に係る第１保護膜及び第２保護膜の配向性について図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、本実施の形態に係る第１保護膜及び第２保護膜の断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図２Ｂは、第１の比較例の保護膜の断面ＴＥＭ写真である。図２Ａには、第１保護膜及び第２保護膜の例として、積層構造体１０に形成された出射面第１保護膜１１、出射面第２保護膜１２及び出射面第３保護膜１３の断面の一例が示されている。図２Ｂには、第１の比較例として、積層構造体１０１０の共振器端面に、積層構造体１０１０側から順にｍ軸配向のＡｌＮ膜１１１１及びＡｌ２Ｏ３膜１１１２を形成した素子の断面が示されている。
図２Ｂに示される素子において、図示しない電子線回折像から、ＡｌＮ膜１１１１の配向は共振器端面と同じｍ軸配向であることが確認された。ＡｌＮ膜１１１１を成膜する場合、成膜面に垂直な方向にｃ軸が配向する方がエネルギー的に安定であるが、図２Ｂに示されるように、ＧａＮのｍ面にＡｌＮ膜１１１１を成膜する場合、下地基板の影響を受けてＡｌＮ膜もｍ軸配向しやすく、ｃ軸配向膜を成膜するのは困難である。
図２Ａに示されるように、積層構造体１０に近い側から順に、第１保護膜としての非晶質ＳｉＮ膜からなる出射面第１保護膜１１、第２保護膜としてのｃ軸配向の結晶性ＡｌＮ膜からなる出射面第２保護膜１２、第３保護膜としての非晶質Ａｌ２Ｏ３膜からなる出射面第３保護膜１３が配置されている。
図２Ａに示される素子において、出射面第２保護膜１２の断面ＴＥＭ写真と、図示しない電子線回折像から、第２保護膜としてのＡｌＮ膜は、ｃ軸配向した多結晶のＡｌＮと非晶質のＡｌＮとが混在する膜であることが確認された。また、出射面第２保護膜１２の断面ＴＥＭ写真のほぼ全体に渡って、ＡｌＮ結晶のｃ軸の格子定数の半分の約０．２５ｎｍに相当する間隔で配列した格子面が観察されたことにより、第２保護膜がｃ軸配向を示す多結晶を含んでいることが観察された。本実施の形態では共振器端面１０ｆに第１保護膜として非晶質膜を成膜した上に第２保護膜として結晶性ＡｌＮ膜を成膜するため、下地結晶の影響を受けず、エネルギー的に安定なｃ軸配向膜を容易に得ることができ、酸素拡散抑制効果の高い保護膜を安定的に成膜することができる。
第２保護膜の材料としては、上記材料に限定されず、例えば、結晶性であれば他の材料でも適用することが可能である。第２保護膜は、一対の共振器端面１０ｆ及び１０ｒのうち、第２保護膜が配置された共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向の六方晶多結晶膜を含むアルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜であればよい。
なお、ここでｃ軸配向の多結晶膜とは、ｃ軸配向の結晶だけで構成される多結晶膜に限定されない。ｃ軸配向の多結晶膜は、その大半の領域が共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向の結晶である多結晶膜であればよく、共振器端面の法線方向に対してｍ軸配向の結晶などの他の配向の結晶が一部の領域に混在している多結晶膜であってもよい。例えば、第２保護膜を構成するアルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜は、アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜中に混在するｃ軸配向と異なる配向の結晶を含んでもよい。
加えて、ｃ軸配向の多結晶膜は、その大半の領域が共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向の結晶であって、一部の領域に非晶質が混在している多結晶膜であってもよい。例えば、第２保護膜を構成するアルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜は、アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜中に混在する非晶質を含んでもよい。
第３保護膜の役割は第２保護膜の酸化保護である。
第３保護膜は、第２保護膜表面のダングリングボンドを酸素で終端し、酸化反応による屈折率変動に起因した特性変動を抑制する。第３保護膜としては、金属酸化物又は金属酸窒化物を含む非晶質膜を適用することができる。具体的には、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮなどのアルミニウムの酸化物又は酸窒化物を含む非晶質膜を用いることができる。特に、酸素との結合エネルギーの大きなアルミニウムの酸化物を用いることで、外気に含まれる酸素との酸化反応による屈折率変動などが生じず、安定した保護膜構造を得ることができる。
第３保護膜の材料としては、上記材料に限定されず、例えば、非晶質であれば他の材料でも適用することが可能である。
以上のような構成を有する保護膜１１０及び１２０によれば、各共振器端面に酸素が拡散することをブロックでき、かつ、各共振器端面のダングリングボンドを効率よく終端できるため、光出力が１Ｗ以上の高出力動作においても、共振器端面の劣化を抑制できる。
第１保護膜の膜厚は、粒界拡散した酸素のバリア効果を発揮し、かつ膜吸収を増大させない範囲の膜厚が選ばれる。例えば、本実施の形態で用いられるＳｉＮ膜の消衰係数は３×１０－３程度であり、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物と比較して高い値であることから、厚膜化すると光吸収により発熱し、窒化物半導体レーザ素子１００の劣化に繋がる。例えば、膜厚を５０ｎｍ未満とすることで窒化物半導体レーザ素子１００の劣化を抑制できる。
第２保護膜の膜厚は、バルクの酸素拡散バリア効果を発揮し、膜吸収を増大させず、かつ膜剥れのない範囲の膜厚が選ばれる。ＡｌＮ膜の消衰係数はＳｉＮ膜とほぼ同じく３×１０－３程度であり、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物と比較して高い値であることから、厚膜化すると光吸収により発熱し、窒化物半導体レーザ素子１００の劣化に繋がる。例えば、膜厚は５０ｎｍ未満とすることで、窒化物半導体レーザ素子１００の劣化を抑制できる。
また、本実施の形態で用いられたＡｌＮ膜は膜応力が大きく、厚膜化すると膜剥れのリスクが増大する。例えば、膜厚を５０ｎｍ未満とすることで、膜剥れのリスクを低減できる。
また、第１保護膜の消衰係数と第２保護膜の消衰係数がほぼ同等の値であることから、各々単独の膜厚の上限を５０ｎｍとするのではなく、第１保護膜と第２保護膜の合計膜厚を５０ｎｍ未満としてもよい。
第３保護膜に用いられるＡｌ２Ｏ３膜は消衰係数が５×１０－４程度の値であり、ＡｌＮ膜及びＳｉＮ膜の消衰係数より一桁低いことから、光吸収による発熱という観点から膜厚に制限を設ける必要はない。また、Ａｌ２Ｏ３膜は応力も小さいことから、この観点からも膜厚に制限を設ける必要はない。
以上より、第３保護膜の膜厚は反射率調整などの目的で任意に選ぶことができる。第３保護膜としてＡｌＯＮ膜を用いる場合は、消衰係数及び膜応力はＡｌ２Ｏ３膜より高くなる傾向にあるため注意が必要であるが、使用する膜の消衰係数及び膜応力を見極めたうえで、膜厚を設定すればよい。
次に、上記保護膜の第１保護膜として用いる非晶質膜のＡｒ濃度について以下に説明する。先行技術文献（特許文献３）に示されているとおり、従来技術では結晶性膜中に取り込まれるＡｒ量は少なく、一方非晶質膜は密度が低く空隙が多いため膜中に取り込まれるＡｒ量は多いと考えられていた。非晶質膜中に取り込まれたＡｒは、以下のようなメカニズムで共振器端面の劣化に影響すると考えられている。
先ず、原子半径の大きなＡｒが共振器端面に形成された保護膜中に取り込まれることにより、保護膜中に空隙や欠陥が生成される。空隙が生じた場合、当該空隙が酸素拡散の経路となり、外部から拡散してきた酸素が当該経路を経由して共振器端面と保護膜との界面まで到達する。これにより、共振器端面が酸化され、共振器端面における光の吸収が増加することで共振器端面の温度が急激に上昇して加速度的に劣化が進行し、破壊に至るという不具合が生じる。
また、保護膜中に欠陥が生成された場合、保護膜自体の光吸収が増加するため、空隙の場合と同じく光吸収が増加することで共振器端面の温度が急激に上昇して加速度的に劣化が進行し、破壊に至るという不具合が生じる。
さらに、保護膜中に化学的に結合していないＡｒが存在することにより、高光学密度及び高温となるレーザ動作環境下でＡｒ原子が移動及び凝集し、結果として保護膜が膨らみ変形するという不具合が発生する。
以上の様に、従来用いられている非晶質膜を端面保護膜に用いた場合、結晶性膜と比較して共振器端面の劣化が早く、実使用に耐えうるものではない。
しかし、本発明者らが鋭意検討した結果、非晶質でありながら高密度であり、かつ、Ａｒ濃度の少ない膜を成膜する条件があることが判明した。そして、上記条件を用いて成膜した低Ａｒ非晶質膜を用いて本実施の形態に係る保護膜の積層構造を作成し、高出力窒化物半導体レーザ素子の耐久性を確認したところ、明らかな耐久性の向上が見られた。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の耐久性の実験結果について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。
図３Ａ及び図３Ｂは、第１保護膜におけるＡｒ濃度が互いに異なる窒化物半導体レーザ素子を連続駆動した後の積層構造体と保護膜との界面付近を示す断面ＴＥＭ写真である。図３Ａ及び図３Ｂには、窒化物半導体レーザ素子を温度２５℃の環境下で、連続発振、出力１．４Ｗで１０００時間連続駆動した後の積層構造体と保護膜との界面付近であって、量子井戸活性層近傍の断面ＴＥＭ写真が示されている。
本実験は、非晶質の第１保護膜にＳｉＮ膜、結晶性の第２保護膜にｃ軸配向ＡｌＮ膜を用いて実施した。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおける第２保護膜の断面ＴＥＭ写真は、図２Ａの出射面第２保護膜１２と類似の断面ＴＥＭ写真が得られたので、図３Ａ及び図３Ｂにおける第２保護膜は、図２Ａの出射面第２保護膜１２と類似の膜質を有する。
図３Ａに示される保護膜では、第１保護膜としてＡｒ濃度の多い非晶質ＳｉＮ膜１１ａが用いられており、図３Ｂに示される本実施の形態の保護膜では、第１保護膜としてＡｒ濃度の少ない非晶質ＳｉＮ膜１１ｂが用いられている。
具体的には、図３ＡのＳｉＮ膜のＡｒ濃度は３．５ａｔ％であり、図３ＢのＳｉＮ膜のＡｒ濃度は０．５ａｔ％であった。保護膜中のＡｒ濃度は、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法を用いて測定した。
図３Ａに示されるとおり、図３Ａの中心部分の比較的白っぽいコントラスト（階調）で表示されている非晶質ＳｉＮ膜１１ａ中に、劣化部分であることを示す丸く黒っぽい部分があり（図３Ａ中の破線円内部参照）、Ａｒ濃度が多い保護膜では明らかな共振器端面の劣化が見られる。一方、図３ＢのＡｒ濃度が少ない非晶質ＳｉＮ膜１１ｂでは劣化は見られず、より耐久性の高い端面保護膜となっていることが分かる。
以上の様に、保護膜の構造を、第１保護膜を低Ａｒ濃度非晶質膜、第２保護膜をｃ軸配向結晶性膜とすることで、より耐久性の高い保護膜を実現できることが明らかとなった。
次に、非晶質でありながら高密度であり、かつ、Ａｒ濃度の少ない膜を成膜する方法について図４及び図５を用いて説明する。
図４は、Ｓｉターゲットを用いてＳｉＮ膜を成膜する際の、Ｎ２／Ａｒ分流比と膜中のＡｒ濃度との関係を示すグラフである。図４の横軸のＮ２／Ａｒ分流比とは、成膜中のＮ２流量とＡｒ流量との比である。また、図４の縦軸の膜中Ａｒ濃度は、ＲＢＳ法を用いて測定した値であり、単位はａｔ％である。
図４を見ると明らかなように、Ｎ２／Ａｒ分流比を増やすと膜中Ａｒ濃度は低下し、分流比が６を超える条件では結晶性ＡｌＮ膜とほぼ同等の０．５ａｔ％というＡｒ濃度の膜を得ることができた。
図５は、Ｓｉターゲットを用いてＳｉＮ膜を成膜する際の、成膜中Ｎ２流量と膜原子密度との関係を示すグラフである。図５の縦軸の膜原子密度は、ＲＢＳ法を用いて測定した値であり、単位はａｔｏｍ／ｃｃである。
図５を見ると明らかなように、成膜中Ｎ２流量が多いほど膜原子密度が増加することが分かった。
以上の結果より、Ｎ２／Ａｒ分流比の大きい条件で成膜することにより、本実施の形態に係る保護膜における第１保護膜に好適な、低Ａｒ濃度かつ高密度を両立した非晶質膜を成膜できることが判明した。
次に、保護膜の各膜のＡｒ濃度の範囲について説明する。
第１保護膜は前述したとおり非晶質膜であり、その膜中Ａｒ濃度は図４に示したとおり成膜条件によって０．４ａｔ％～３．５ａｔ％の間で変化する。ここで、第１保護膜のＡｒ濃度と窒化物半導体レーザ素子の光出力特性との関係について図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の、駆動電流に対する光出力の特性を示すグラフである。図６では、第１保護膜にＳｉＮ膜を採用し、膜中のＡｒ濃度が０．５ａｔ％の素子と３．５ａｔ％の素子とを比較している。
図６から明らかなように、Ａｒ濃度が０．５ａｔ％の素子では光出力４Ｗまで問題なく発振しているが、Ａｒ濃度が３．５ａｔ％の素子では、光出力２．５Ｗで出力が急激に低下する、所謂ＣＯＤが発生した。
図７は、第１保護膜にＳｉＮを採用した場合のＡｒ濃度とエージング試験におけるＣＯＤ発生率との関係を示すグラフである。エージング条件は、図３Ａ及び図３Ｂに示した素子の駆動条件と同じであり、連続発振、出力１．４Ｗ、温度２５℃という条件である。
図７から明らかなように、第１保護膜中のＡｒ濃度を減少させるほど保護膜の耐久性が向上し、Ａｒ濃度を１ａｔ％以下とすることで１０００時間連続駆動してもＣＯＤが発生しない保護膜を得ることができた。
以上に示したとおり、第１保護膜中のＡｒ濃度を低減させることで、初期特性及び信頼性の何れにおいても改善されることが明らかとなった。
次に第２保護膜のＡｒ濃度について説明する。
第２保護膜の材料は、前述したとおり結晶性のＡｌＮ又はＡｌＯＮである。これらの結晶性膜のＡｒ濃度をＲＢＳ法を用いて測定したところ０．５ａｔ％前後の値が得られ、異なる条件で成膜した膜においても、その膜が結晶性の膜であればＡｒ濃度が１ａｔ％を超えることはなかった。
また、本実施の形態に係る第２保護膜に適用可能な結晶性ＡｌＯＮ膜の酸素濃度についてもＲＢＳ法を用いて測定したところ、１０％未満の値が得られた。ＡｌＯＮ膜を成膜するには、ＥＣＲスパッタ装置でＡｌターゲットを用い、ＡｒガスとＮ２ガスをベースにＯ２ガスを微量に添加して成膜を行う。Ｏ２ガスの添加量を増加させることで膜中の酸素濃度が増加して屈折率も徐々に低下するが、酸素濃度が１０％未満、屈折率が１．９５以上の膜では結晶性が維持され、それより酸素濃度が多いと非晶質となることが分かっている。本実施の形態に係る第２保護膜に適用可能なＡｌＯＮ膜は結晶性のＡｌＯＮ膜であるため、その膜中の酸素濃度は１０％以下である必要がある。
次に第３保護膜及び反射率調整層のＡｒ濃度について説明する。
第３保護膜は前述したとおりＡｌの酸化物又は酸窒化物である。また、反射率調整層はＡｌ又はＳｉの酸化物又は酸窒化物である。Ａｌ又はＳｉの酸化物膜は通常非晶質膜（つまり、非晶質酸化膜）であり、ＲＢＳ法を用いてＡｒ濃度を測定すると３．５ａｔ％前後の値が得られる。
しかしながら、酸化膜中のＡｒ濃度が多すぎると、高温かつ高光学密度となるレーザ発光点では膜中のＡｒの脱ガスによる膜厚又は膜密度の変化が大きくなり、端面反射率の変動、膜剥れ等の不具合が発生する。
また、膜剥れに至らなくても、レーザ出射点近傍での膜膨張という不具合が発生する。そのため、第３保護膜についても、そのＡｒ濃度は精密に制御する必要がある。
第３保護膜のＡｒ濃度は、成膜中のＡｒ流量により制御することができる。例えば、Ａｒ流量３０ｓｃｃｍという成膜条件でＡｌ２Ｏ３膜を成膜した場合の膜中Ａｒ濃度は３．５ａｔ％であるのに対し、Ａｒ流量を１０ｓｃｃｍまで減らすことで膜中Ａｒ濃度を１．０ａｔ％まで減少させることができる。膜膨張は、第３保護膜及び反射率調整層のＡｒ濃度が３ａｔ％以上の場合に顕著に発生するため、第３保護膜のＡｒ濃度は３ａｔ％未満とすることで膜膨張を抑制でき、反射率調整層のＡｒ濃度についても、３ａｔ％未満とすることで、膜膨張を抑制できる。
一方、一定量以上のＡｒを含有する膜においては、膜中のＡｒが原子の配列を阻害し、膜の変質及び相変化、並びに、非晶質の結晶化を抑制するという効果が認められる。そのため、Ａｒ濃度が少ないＡｌ２Ｏ３膜では、非晶質Ａｌ２Ｏ３膜がレーザ発振中に徐々に結晶へと相変化する、所謂光結晶化現象により膜質が変化しやすくなる。ここで、光結晶化現象について図８を用いて説明する。
図８は、光結晶化した保護膜の断面ＴＥＭ写真である。図８の左端に位置する積層構造体に近い側から順に、第１保護膜としての非晶質ＳｉＮ膜、第２保護膜としてのＡｌＮ膜、第３保護膜としての非晶質Ａｌ２Ｏ３膜が配置されている。第２保護膜の断面ＴＥＭ写真において、図２Ａの出射面第２保護膜１２と類似の断面ＴＥＭ写真が得られたので、第２保護膜は、図２Ａの出射面第２保護膜１２と類似の膜質を有する。
図８は本実施の形態に係る積層構造の保護膜を過負荷条件でエージングした後の状態を示す写真であり、図中の矢印で示した層が第３保護膜である。
第３保護膜は非晶質Ａｌ２Ｏ３膜であり、本来は結晶粒がないことから、断面ＴＥＭ写真において均一なコントラストとなるはずである。しかしながら、図８に示すように断面ＴＥＭ写真に濃淡のコントラストが見えているということは、非晶質膜が結晶化したことを示唆している。このような光結晶化現象は、Ａｌ２Ｏ３膜中のＡｒ濃度が１ａｔ％未満の場合、顕著に発生しやすくなる。そのため、第３保護膜中のＡｒ濃度は１ａｔ％以上とすることで上記光結晶化による膜の変質を抑制できる。また言い換えると、本実施の形態では、第１保護膜のＡｒ濃度は第３保護膜のＡｒ濃度よりも少なく、また、第２保護膜のＡｒ濃度は第３保護膜のＡｒ濃度よりも少ないという関係にある。
以上のような保護膜設計思想の下に、本実施の形態では以下の表に示される成膜条件を用いて端面保護膜の成膜を行った。
Figure 0007296934000001
上記条件で成膜した保護膜の各層におけるＡｒ濃度は、それぞれ第１保護膜で１．０ａｔ％、第２保護膜で０．５ａｔ％、第３保護膜で２．４ａｔ％という値であった。
続いて、上記第３保護膜の上に、反射率調整層を成膜して出射側、及び反射側の反射率の調整を行った。
具体的には、出射面反射率調整層１５の反射率は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の発振波長である４０５ｎｍの波長において共振器端面１０ｆにおける反射率が５．５％であり、かつ、当該波長での反射率が反射率スペクトルの極大値となるように膜種（屈折率）、膜厚及び積層数の設計を行った。また、反射面反射率調整層２５の反射率は、発振波長である４０５ｎｍの波長において共振器端面１０ｒにおける反射率が９７％であり、かつ、当該波長で反射率が極大値を持つように膜種、膜厚及び積層数の設計を行った。これにより、保護膜を構成する誘電体膜の一部が変質した場合においても、反射率の変動を最小にとどめることができることから、窒化物半導体レーザ素子１００の特性変動を抑制できる。
本実施の形態では発振波長において反射率が極大値となる設計例について開示したが、反射率は発振波長近傍で極小値であってもよく、また、出射側の反射率が極小値であり、反射側の反射率が極大値となっても構わない。発振波長のバラツキの範囲内（例えば中心波長±５ｎｍの範囲）において、窒化物半導体レーザ素子に要求される特性が実現可能な反射率の範囲（例えば中心反射率±３％）を満たしていれば、任意の反射率設計を行うことができる。
上記設計方針に基づいて実際に作製した保護膜の反射率スペクトルについて図９Ａ及び図９Ｂを用いて説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る出射面側の保護膜１１０及び反射面側の保護膜１２０の反射率スペクトルを示すグラフである。
図９Ａ及び図９Ｂに示されるとおり、各保護膜が設計どおりの反射率を有することが確認された。
上記成膜条件を用いて、バー状基板の出射側及び反射側端面に保護膜を形成した。その後、レーザスクライブ装置を用いて分割溝を形成し、次にブレーキング装置を用いて素子を個片化した。
次に、個片化した窒化物半導体レーザ素子１００を５．６φのＣＡＮパッケージに実装し、特性が評価できる状態とした。
以上のような手順で作製した窒化物半導体レーザ素子１００の電流－光出力特性を測定した所、設計どおりの特性が得られることが確認された。また、上記素子を連続発振、出力１．４Ｗ、温度２５℃という加速エージング条件にてエージングを実施したが、窒化物半導体レーザ素子１００の頓死及び著しい劣化は見られなかった。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。
本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、保護膜の耐久性をさらに向上させるため、実施の形態１に係る第１保護膜、第２保護膜及び第３保護膜の積層構造の上に酸素拡散抑制強化を目的とした第４保護膜を追加し、さらにその上に反射率調整層を積層した構造とした。本実施の形態では上記構造を有する保護膜を、より高い耐久性が要求される出射側端面に適用した。以下、本実施の形態に係る保護膜について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子２００の構成を示す共振器方向に平行な方向の模式的な断面図である。
具体的には、図１０に示されるとおり、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子２００は、一対の共振器端面１０ｆ及び１０ｒにそれぞれ配置された誘電体からなる保護膜２１０及び２２０を備える。出射側の共振器端面１０ｆには出射面第１保護膜２１１、出射面第２保護膜２１２、出射面第３保護膜２１３、出射面第４保護膜２１４及び出射面反射率調整層２１５が、積層構造体１０側から順に形成されている。
また反射側の共振器端面１０ｒには反射面第１保護膜２２１、反射面第２保護膜２２２、反射面第３保護膜２２３及び反射面反射率調整層２２５が、積層構造体１０側から順に形成されている。
出射側においては、出射面第１保護膜２１１は非晶質の窒化物又は酸窒化物からなる第１保護膜であり、出射面第２保護膜２１２はアルミニウムの窒化物又は酸窒化物を含む結晶性膜からなる第２保護膜であり、出射面第３保護膜２１３は非晶質の金属酸化物又は金属酸窒化物からなる第３保護膜である。出射面第４保護膜２１４は、第３保護膜と反射率調整層との間に配置された窒化物又は酸窒化物からなる第４保護膜であり、本実施の形態では、アルミニウムの窒化物又は酸窒化物を含む結晶性膜からなる。また、出射面反射率調整層２１５は、最表面は酸化物からなる反射率調整層である。このように、保護膜２１０の最表面を酸化物とすることで、外気に含まれる酸素との表面反応による保護膜の反射率変動を抑制できるため、共振器端面の劣化をより一層抑制できる。
また反射側においては、反射面第１保護膜２２１は非晶質の窒化物又は酸窒化物からなる第１保護膜であり、反射面第２保護膜２２２はアルミニウムの窒化物又は酸窒化物を含む結晶性膜からなる第２保護膜であり、反射面第３保護膜２２３は非晶質の金属酸化物又は金属酸窒化物からなる第３保護膜である。また、反射面反射率調整層２２５は、最表面は酸化物からなる反射率調整層である。このように、保護膜２２０の最表面を酸化物とすることで、外気に含まれる酸素との表面反応による保護膜の反射率変動を抑制できるため、共振器端面の劣化をより一層抑制できる。
結晶性膜である出射面第２保護膜２１２、出射面第４保護膜２１４及び反射面第２保護膜２２２は六方晶の多結晶膜であり、共振器端面１０ｆ及び１０ｒの法線方向にｃ軸が配向した結晶構造である。
出射側においては、例えば、出射面第１保護膜が含有するＡｒ濃度（以下、「出射面第１保護膜のＡｒ濃度」などともいう）が１％未満であり、出射面第２保護膜及び出射面第４保護膜が含有するＡｒ濃度は１％未満であり、出射面第３保護膜が含有するＡｒ濃度は１％以上３％未満である。
また反射側においては、例えば、反射面第１保護膜のＡｒ濃度は１％未満であり、反射面第２保護膜のＡｒ濃度は１％未満であり、反射面第３保護膜のＡｒ濃度は１％以上３％未満である。
本実施の形態では、出射側においては、出射面第１保護膜２１１と出射面第２保護膜２１２との合計膜厚及び出射面第４保護膜２１４の膜厚は、例えば５０ｎｍ未満である。また、反射側においては、反射面第１保護膜２２１と反射面第２保護膜２２２との合計膜厚は、例えば５０ｎｍ未満である。
以上に説明した構造では、実施の形態１の構造と比較して外部からの酸素の拡散をさらに低減することができ、結果として保護膜の耐久性を向上させることができるという効果が得られる。
また、第４保護膜を追加することで、第４保護膜より共振器端面に近い第１～第３保護膜からの脱ガス反応を抑制して共振器端面における反射率の変動及び膜剥れを抑制し、結果として保護膜の耐久性を向上させることができる。
本実施例では以下の表に示される成膜条件を用いて端面保護膜の成膜を行った。
Figure 0007296934000002
さらに、上記第４保護膜の上に、反射率調整層を成膜して出射側、及び反射側の反射率の調整を行った。
具体的には、出射側の共振器端面１０ｆにおける反射率は窒化物半導体レーザ素子２００の発振波長である４５０ｎｍの波長において１５．０％であり、かつ、当該波長で反射率が極大値を持つように膜種（屈折率）、膜厚及び積層数の設計を行った。また反射側では発振波長である４５０ｎｍの波長において反射率が９７％であり、かつ、当該波長で反射率が極大値を持つように膜種（屈折率）、膜厚及び積層数の設計を行った。
上記成膜条件を用いて、バー状基板の出射側及び反射側端面に保護膜を形成した。その後、レーザスクライブ装置を用いて分割溝を形成し、次にブレーキング装置を用いて素子を個片化した。
次に、個片化した窒化物半導体レーザ素子２００を９φのＣＡＮパッケージに実装し、特性が評価できる状態とした。
以上のような手順で作製した窒化物半導体レーザ素子２００の電流－光出力特性を測定したところ、設計どおりの特性が得られることが確認された。
また、上記素子を連続発振、出力２．０Ｗ、温度２５℃という加速エージング条件にてエージングを実施したが、窒化物半導体レーザ素子の頓死及び著しい劣化は見られなかった。
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子２００のエージング後の劣化状況について図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ実施の形態２及び第２の比較例の保護膜のエージング後の劣化状況を示す断面ＴＥＭ写真である。
図１１Ａには、本実施の形態に係る出射側の共振器端面１０ｆに形成された保護膜２１０が示されている。保護膜２１０は、共振器端面１０ｆ側から順にＳｉＮからなる出射面第１保護膜２１１、結晶性ＡｌＮからなる出射面第２保護膜２１２、Ａｌ２Ｏ３からなる出射面第３保護膜２１３、結晶性ＡｌＮからなる出射面第４保護膜２１４、及び、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２からなる出射面反射率調整層２１５を有する。
また、図１１Ｂには、第２の比較例の出射側の共振器端面の保護膜が示されている。保護膜の積層構造は本実施の形態に係る保護膜２１０から出射面第１保護膜２１１を抜いた構造である。つまり、当該保護膜は、出射側の共振器端面１０ｆ側から順に結晶性ＡｌＮからなる出射面第２保護膜２１２、Ａｌ２Ｏ３からなる出射面第３保護膜２１３、結晶性ＡｌＮからなる出射面第４保護膜２１４、及び、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２からなる出射面反射率調整層２１５を有する。
なお、図１１Ａ及び図１１Ｂにおける第２保護膜および第４保護膜の断面ＴＥＭ写真は、図２Ａの第２保護膜と類似の断面ＴＥＭ写真が得られたので、図１１Ａ及び図１１Ｂにおける第２保護膜および第４保護膜は、図２Ａの第２保護膜と類似の膜質を有する。
第２の比較例の保護膜を示す図１１Ｂでは、出射面第２保護膜２１２及び出射面反射率調整層２１５のＡｌ２Ｏ３膜のコントラストが部分的に変化しており、これはＡｌ２Ｏ３層が結晶化したことを示唆している。
一方、本実施の形態に係る保護膜２１０を示す図１１Ａでは、出射面第３保護膜２１３及び出射面反射率調整層２１５のＡｌ２Ｏ３膜のコントラストは均一であり、結晶化は起こっていないと考えられる。
Ａｌ２Ｏ３膜が光結晶化すると、膜厚及び屈折率が僅かに変化するため、反射率も僅かに変化し、それがレーザの光出力に影響を与えることが懸念される。
Ａｌ２Ｏ３膜の光結晶化の効果は、膜全体が結晶化した場合には酸素透過抑制機能が強く働くが、図１１Ｂに示すとおり部分的に結晶化する場合は、その酸素透過抑制機能は不十分であり、むしろ上記反射率変化に伴うデメリットの方が大きいと考えられる。
本実施の形態に係る保護膜２１０では、上記エージング条件（連続発振、出力２．０Ｗ、温度２５℃）では出射面反射率調整層２１５の劣化は図１１Ａに示すとおり見られなかったが、さらに過負荷なエージングを行うと、出射面反射率調整層２１５の劣化現象が現れることが明らかになった。このような劣化現象について図１２を用いて説明する。図１２は、劣化現象が発生した出射面反射率調整層２１５を示す図である。
図１２の断面ＴＥＭ写真（ａ）には、出射面反射率調整層２１５の膜膨張が発生した保護膜２１０が示されている。図１２に示される窒化物半導体レーザ素子に対するエージング条件は連続発振、出力２．０Ｗ、温度８５℃という条件である。
また、図１２のマッピング図（ｂ）は膜膨張に伴い発生した気泡状の変質領域（図１２の断面ＴＥＭ写真（ａ）の破線枠内の領域）のエネルギー分散型Ｘ線スペクトロスコピー（ＥＤＸ）法によるＡｒ元素マッピングの結果を示す図である。マッピング図（ｂ）の白い部分はＡｒ濃度が高く、黒い部分はＡｒ濃度が低いことを示す。
図１２から明らかなように、気泡状の膜膨張領域２１５Ａにおいて、Ａｒ元素の濃度が高くなっている。
この結果から、膜膨張の発生メカニズムは、高温及び高光学密度の環境下での、保護膜中のＡｒの移動及び凝集が原因であると考えることができる。そのため、反射率調整層において、そのＡｒ濃度を精密に制御することで、膜膨張を制御し得ると考えられる。
反射率調整層のＡｒ濃度は、成膜中のＡｒ流量により制御することができる。例えば、Ａｒ流量３０ｓｃｃｍという成膜条件でＡｌ２Ｏ３膜を成膜した場合の膜中Ａｒ濃度は３．５ａｔ％であるのに対し、Ａｒ流量を１０ｓｃｃｍまで減らすことで膜中Ａｒ濃度を１．０ａｔ％まで減少させることができる。
図１２に示した保護膜における出射面反射率調整層２１５のＡｒ濃度は３．５ａｔ％であり、この条件で膜膨張が発生し得ることから、Ａｒ濃度は３．５ａｔ％より下げることで、膜膨張を抑制し得る。さらに、Ａｒ濃度を３ａｔ％未満としてもよい。
また、反射率調整層の積層膜のうち第４保護膜に接している膜は、第４保護膜の光吸収発熱の影響で高温となるため、膜膨張がより発生しやすい。そのため、反射率調整層の積層膜のうち第４保護膜に接している膜のＡｒ濃度を２ａｔ％未満とすることで、膜膨張をより一層抑制できる。
本実施の形態の構成は上述した構成に限定されない。例えば、本実施の形態の変形例に係る保護膜において、出射面第１保護膜を膜厚が２ｎｍのＳｉＯＮとし、出射面第２保護膜を膜厚が６ｎｍのＡｌＯＮとし、出射面第３保護膜を膜厚が６ｎｍのＡｌ２Ｏ３とし、出射面第４保護膜を膜厚が６ｎｍのＡｌＯＮとし、出射面反射率調整層を膜厚が１１６ｎｍのＡｌ２Ｏ３及び膜厚が１６ｎｍのＳｉＯ２が順に積層された積層構造とした場合も信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができた。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る保護膜について説明する。本実施の形態では、第１保護膜の成膜においてＡｒガスを用いずＮ２ガスのみを用いて作製した保護膜について説明する。
本実施の形態に係る保護膜の積層構造は、図１０に示した積層構造を採用した。また、第１保護膜として非晶質ＳｉＮ膜を採用し、その成膜条件は以下の表のとおりとした。
Figure 0007296934000003
出射側の第２、第３及び第４保護膜の成膜条件は、実施の形態２と同一の条件とした。また、反射側の保護膜の構造及び成膜条件は、実施の形態１の保護膜１２０と同一の条件とした。本実施の形態では、反射率調整層についてもＡｒ濃度の少ない成膜条件を採用し、膜中Ａｒ濃度を２．０ａｔ％とした。
上記成膜条件を用いて、バー状基板の出射側及び反射側端面に保護膜を形成した。その後、レーザスクライブ装置を用いて分割溝を形成し、次にブレーキング装置を用いて素子を個片化した。
次に、個片化した窒化物半導体レーザ素子を９φのＣＡＮパッケージに実装し、特性が評価できる状態とした。
以上のような手順で作製した窒化物半導体レーザ素子の電流－光出力特性を測定したところ、設計どおりの特性が得られることが確認された。
また、上記素子を連続発振、出力２．０Ｗ、温度８５℃という加速エージング条件にてエージングを実施したが、窒化物半導体レーザ素子の頓死や著しい劣化は見られなかった。
（実施の形態４）
実施の形態４に係る保護膜について説明する。本実施の形態に係る保護膜では、耐久性をさらに向上させるため、実施の形態２に係る保護膜２１０及び２２０より、出射面第１保護膜２１１及び反射面第１保護膜２２１の膜厚を小さくした。以下、本実施の形態に係る保護膜について、実施の形態２に係る保護膜との相違点を中心に説明する。
本実施の形態に係る保護膜の構造として、実施の形態２に係る保護膜２１０及び２２０と同様に図１０に示した積層構造を採用した。また、第１保護膜としては非晶質ＳｉＮ膜を採用した。本実施の形態に係る保護膜の第１保護膜から第４保護膜までの成膜条件の一例は以下の表のとおりである。
Figure 0007296934000004
上記表に示す例の成膜条件は、第１保護膜の膜厚が０．５ｎｍであり、この膜厚だけが、実施の形態２に係る保護膜２１０及び２２０の成膜条件と異なる。
以上のように成膜された第４保護膜の上に、反射率調整層を成膜して出射側、及び反射側の反射率の調整を行った。具体的には、出射側の共振器端面１０ｆにおける反射率は窒化物半導体レーザ素子の発振波長である４０５ｎｍの波長において反射率が５．０％であり、かつ、当該波長で反射率が極大値を持つように膜種（屈折率）、膜厚及び積層数の設計を行った。また反射側では発振波長である４０５ｎｍの波長において反射率が９７％であり、かつ、当該波長で反射率が極大値を持つように膜種（屈折率）、膜厚及び積層数の設計を行った。
上記成膜条件を用いて、バー状基板の出射側及び反射側端面に保護膜を形成した。この保護膜の構造について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態に係る出射側の保護膜４１０の断面ＴＥＭ写真である。図１３に示す断面ＴＥＭ写真は、バー状基板の出射側の共振器端面に積層した保護膜４１０の断面を２００万倍で観察したＴＥＭの明視野像である。図１３に示すように、保護膜４１０は、出射面第１保護膜４１１、出射面第２保護膜４１２、出射面第３保護膜４１３、出射面第４保護膜４１４及び出射面反射率調整層４１５を有する。
出射面第１保護膜４１１は、本実施の形態に係る第１保護膜の一例であり、膜厚が０．５ｎｍの非晶質ＳｉＮ膜である。出射面第２保護膜４１２は、本実施の形態に係る第２保護膜の一例であり、結晶性ＡｌＮ膜である。出射面第３保護膜４１３は、本実施の形態に係る第３保護膜の一例であり、非晶質Ａｌ２Ｏ３膜である。出射面第４保護膜４１４は、本実施の形態に係る第４保護膜の一例であり、結晶性ＡｌＮ膜である。出射面反射率調整層４１５は本実施の形態に係る反射率調整層の一例である。
なお、図１３における出射面第４保護膜４１４の断面ＴＥＭ写真は、図２Ａの出射面第２保護膜１２の断面ＴＥＭ写真と類似しているので、図１３における出射面第４保護膜４１４は、図２Ａの出射面第２保護膜１２と類似の膜質を有する。
また、図１３において、出射面第２保護膜４１２の配向性は、一部ｍ軸配向などの他の配向の領域も混在している部分もあるが、大半が共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向である。
加えて、図１３に示すように、出射面第２保護膜４１２のＡｌＮ膜と、出射面第４保護膜４１４のＡｌＮ膜とでは、ＴＥＭの明視野像においてコントラストが異なり、出射面第２保護膜４１２のＡｌＮ膜の方が出射面第４保護膜４１４のＡｌＮ膜よりも暗い。ＴＥＭにおけるコントラストの差異は透過電子線の強度の差異に対応しており、出射面第２保護膜４１２のＡｌＮ膜の結晶性や密度が出射面第４保護膜４１４のＡｌＮ膜よりも高いことを示している。
上述したような保護膜が形成されたバー状基板に、レーザスクライブ装置を用いて分割溝を形成し、次にブレーキング装置を用いて当該バー状基板を個片化し、窒化物半導体レーザ素子を形成した。
次に、個片化した窒化物半導体レーザ素子を９φのＣＡＮパッケージに実装し、特性が評価できる状態とした。
以上のような手順で作製した窒化物半導体レーザ素子の電流－光出力特性を測定したところ、設計どおりの特性が得られることが確認された。
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子のエージング試験を実施した。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の効果を確認するため、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子１００にも同様の加速エージング試験を実施し、本実施の形態及び実施の形態１の結果を比較した。
エージング条件は、実施の形態１で用いた条件より更に厳しく、連続発振、出力２．０Ｗ、温度２５℃という加速エージング条件にてエージングを実施した。その結果、実施の形態１で作成した窒化物半導体レーザ素子１００では１００時間前後で頓死する素子が見られたが、本実施の形態で作成した窒化物半導体レーザ素子では頓死や著しい劣化は見られなかった。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子のこのような信頼性の改善は、第２保護膜の結晶性の向上、又は、第２保護膜の高密度化に伴って、第２保護膜における酸素拡散が抑制され、共振器端面の劣化がより一層抑制されたことに起因すると考えられる。
以上のような実験と同様の実験及び検討を重ねた結果、第１保護膜の膜厚を０ｎｍより大きく、１ｎｍ未満にすることで、窒化物半導体レーザ素子の信頼性が大幅に改善することが判明した。また、窒化物半導体レーザ素子の信頼性をさらに改善するために、第１保護膜の膜厚を０．２ｎｍ以上０．８ｎｍ未満としてもよい。
また、反射率調整層についても、種々の膜構成について同様の検討を行った。その結果、反射率調整層として、ＳｉＯ２単層構造、Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２の２層構造、並びに、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＯＮ／ＳｉＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＮ／ＳｉＯ２、ＳｉＯ２／ＳｉＮ／ＳｉＯ２及びＳｉＯ２／ＳｉＯＮ／ＳｉＯ２の３層構造のいずれを用いた場合も、良好な信頼性が得られることを確認した。
本実施の形態の構成は上述した構成に限定されない。例えば、本実施の形態の変形例に係る保護膜において、出射面第１保護膜を膜厚が０．５ｎｍのＳｉＮとし、出射面第２保護膜を膜厚が２０．５ｎｍのＡｌＯＮとし、出射面第３保護膜を膜厚が１３ｎｍのＡｌ２Ｏ３とし、出射面第４保護膜を膜厚が１１ｎｍのＡｌＯＮとし、出射面反射率調整層を膜厚が７９ｎｍのＳｉＯ２、膜厚が８４ｎｍのＡｌ２Ｏ３及び膜厚が７９ｎｍのＳｉＯ２が順に積層された積層構造とした場合も信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができた。
（実施の形態５）
実施の形態５に係る照明光源モジュールについて図１４を用いて説明する。本実施の形態に係る照明光源モジュールは、窒化物半導体レーザ素子を備える照明光源モジュールである。図１４は、本実施の形態に係る照明光源モジュール３００の構成を示す概略断面図である。
図１４に示すように、照明光源モジュール３００は、例えば実施の形態３に係る窒化物半導体レーザ素子２００ａが実装された半導体発光装置３１０と、半導体発光装置３１０に外部から電力を供給するための外部接続部材３６６と、受光素子３４２などで構成される状態検出回路３０１と、半導体発光装置３１０に接続されたトランジスタ３３０とを備える。
半導体発光装置３１０は、リードピン３１６ａ、３１６ｂを有するＴＯ－ＣＡＮ型のパッケージ３１４に窒化物半導体レーザ素子２００ａが実装され、さらに窒化物半導体レーザ素子２００ａが実装された部分が、ガラスなどの透光部材３１８を備える金属缶で覆われることにより構成される。そして窒化物半導体レーザ素子２００ａは、図示しない金属ワイヤーなどでリードピン３１６ａ及び３１６ｂに電気的に接続される。
状態検出回路３０１は、照明光源モジュール３００の動作状態を検出し、動作状態信号を出力する動作状態検出回路である。本実施の形態では、状態検出回路３０１は、受光素子３４２と抵抗などで構成され、半導体発光装置３１０から出射された出射光のスペクトル又は光量に関係する物理量を照明光源モジュール３００の動作状態として検出する。
トランジスタ３３０は半導体発光装置３１０に接続され、状態検出回路３０１からの動作状態信号により、半導体発光装置３１０に印加される電流量を調整する。
本実施の形態に係る照明光源モジュール３００は、さらに実装基板３６０を備える。実装基板３６０は、ガラスエポキシ、セラミックスなどの絶縁基板に、例えば銅箔からなるプリント配線が形成されてなるプリント基板である。そして実装基板３６０には、半導体発光装置３１０と、外部接続部材３６６と、状態検出回路３０１と、トランジスタ３３０とが実装される。
さらに、本実施の形態の照明光源モジュール３００は、例えばアルミ合金で構成される基台３５０を備える。そして、実装基板３６０及び半導体発光装置３１０は基台３５０に固定される。本実施の形態に係る照明光源モジュール３００の基台３５０は、本実施の形態に係る照明光源モジュール３００を用いて投光装置を構成するときに、図示しないヒートシンクなどの外部放熱器、投光装置の筐体などの外部装置に固定するための固定面である第１面３５０ｔを備える。本実施の形態において実装基板３６０は、基台３５０の第１面３５０ｔより、内側に一段窪んだ部分の固定面に配置される。そして本実施の形態においては、実装基板３６０は第１面３５０ｔと平行に配置される。
本実施の形態において照明光源モジュール３００は、さらに、半導体発光装置３１０からの光の一部を吸収し、スペクトルや光量に応じて変化させた光を放射する波長変換素子３０２を備える。波長変換素子３０２は、例えば高熱伝導性基板上に反射膜が形成された支持部材３０６上に、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）型蛍光体などの蛍光体を含む波長変換部材３０４が形成されることにより構成される。
本実施形態の照明光源モジュール３００は、さらに、半導体発光装置３１０から放射される出射光を波長変換部材３０４の局所領域である発光部３０４ａに集光する集光光学部材３２０を備える。本実施の形態においては、集光光学部材３２０は、例えばコリメータレンズであるレンズ３２０ａと、例えば表面に凹レンズと反射膜が形成されたガラス基板である反射光学素子３２０ｂとで構成される。集光光学部材３２０と波長変換素子３０２は、基台３５０上に配置される。このとき集光光学部材３２０と波長変換素子３０２は、第１面３５０ｔが形成された面と反対側の基台３５０の面に固定される。そして、集光光学部材３２０及び波長変換素子３０２は、透光部材３６１と保持部材３５２とを備えるカバーユニット３５５により覆われる。カバーユニット３５５は、本実施の形態においては、ネジ３２２、３２４により基台３５０に固定される。
以上が、本実施の形態に係る照明光源モジュールの構成である。
ここで本実施の形態においては、実施の形態３の窒化物半導体レーザ素子２００ａを搭載した半導体発光装置３１０とし、図１５に示した従来例の構造の窒化物半導体レーザ素子１０００を搭載した場合と、信頼性に関して比較を行った。以下、本実施の形態の照明光源モジュール３００の信頼性試験を実施した結果を説明する。
信頼性試験は、初期光束５００ｌｍ、モジュール温度８５℃という条件で実施した。信頼性試験の結果、２５００時間稼動後の光束劣化率は、従来例の構造の窒化物半導体レーザ素子１０００を搭載した照明光源モジュールでは２０％であったのに対し、実施の形態３で作製した窒化物半導体レーザ素子２００ａを搭載した照明光源モジュール３００では１５％であった。このように、照明光源モジュール３００によれば、光出力が１Ｗ以上の高出力動作においても共振器端面の劣化を抑制することができる窒化物半導体レーザ素子を備えることから、高い信頼性及び耐久性を実現できる。
本実施の形態の照明光源モジュール３００には、実施の形態３の窒化物半導体レーザ素子２００ａを用いたが、第１又は実施の形態２に係る窒化物半導体レーザ素子を用いても構わない。
（変形例など）
以上、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記各実施の形態では、保護膜は、一対の共振器端面１０ｆ及び１０ｒの両方に配置されたが、保護膜は、一対の共振器端面のうち少なくとも一方に配置されればよい。
また、上記実施の形態２では、第４保護膜は、出射側の保護膜２１０だけに設けられたが、反射側の保護膜２２０にも設けられてもよい。
また、上記各実施の形態では、保護膜が希ガスとしてＡｒを含む例を示したが、保護膜が含む希ガスは、Ａｒに限定されず、他の希ガスでもよい。
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
本開示に係る窒化物半導体レーザ素子は、高出力動作時においても劣化の少ない端面保護膜を有しており、長寿命でかつ高信頼性の窒化物半導体レーザ素子等に有用である。
１０、１０１０ 積層構造体
１０ｆ、１０ｒ 共振器端面
１１、２１１、４１１、１０１１ 出射面第１保護膜
１１ａ，１１ｂ 非晶質ＳｉＮ膜
１２、２１２、４１２ 出射面第２保護膜
１３、２１３、４１３ 出射面第３保護膜
１５、２１５、４１５、１０１５ 出射面反射率調整層
２１、２２１、１０２１ 反射面第１保護膜
２２、２２２ 反射面第２保護膜
２３、２２３ 反射面第３保護膜
２５、２２５、１０２５ 反射面反射率調整層
５０ 発光層
５１ 基板
５２ ｎ型クラッド層
５３ ｎ型ガイド層
５４ 量子井戸活性層
５５ ｐ側ガイド層
５６ 電子障壁層
５７ ｐ型クラッド層
５８ ｐ型コンタクト層
５９ 電流ブロック層
６０ ｐ側オーミック電極
６１ ｐ側電極
６２ ｎ側電極
７０ 導波路
１００、２００、２００ａ、１０００ 窒化物半導体レーザ素子
１１０、１２０、２１０、２２０、４１０ 保護膜
２１４、４１４ 出射面第４保護膜
２１５Ａ 膜膨張領域
３００ 照明光源モジュール
３０１ 状態検出回路
３０２ 波長変換素子
３０４ 波長変換部材
３０４ａ 発光部
３０６ 支持部材
３１０ 半導体発光装置
３１４ パッケージ
３１６ａ、３１６ｂ リードピン
３１８ 透光部材
３２０ 集光光学部材
３２０ａ レンズ
３２０ｂ 反射光学素子
３２２、３２４ ネジ
３３０ トランジスタ
３４２ 受光素子
３５０ 基台
３５０ｔ 第１面
３５２ 保持部材
３５５ カバーユニット
３６０ 実装基板
３６１ 透光部材
３６６ 外部接続部材
１１１１ ＡｌＮ膜
１１１２ Ａｌ２Ｏ３膜

Claims (22)

  1. 発光層を含む複数の半導体層からなり、互いに対向する一対の共振器端面を有する積層構造体と、
    前記一対の共振器端面の少なくとも一方に配置された誘電体からなる保護膜とを備え、
    前記保護膜は、前記積層構造体側から順に配置された第１保護膜、第２保護膜及び第３保護膜を有し、
    前記第１保護膜は、シリコンの窒化物又は酸窒化物を含む非晶質であり、
    前記第２保護膜は、六方晶多結晶膜を含むアルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜であり、
    前記第３保護膜は非晶質である
    窒化物半導体レーザ素子。
  2. 前記六方晶多結晶膜は、前記一対の共振器端面のうち、前記第２保護膜が配置された共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向である
    請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  3. 前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜は、前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜中に混在する前記ｃ軸配向と異なる配向の結晶を含む
    請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜は、前記アルミニウムの窒化膜又は酸窒化膜中に混在する非晶質を含む
    請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  5. 前記第１保護膜と前記第２保護膜との合計膜厚が５０ｎｍ未満である
    請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  6. 前記第１保護膜の膜厚は、１．０ｎｍ未満である
    請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  7. 前記第３保護膜は、金属酸化物又は金属酸窒化物を含む非晶質膜である
    請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  8. 前記第３保護膜は、アルミニウムの酸化物又は酸窒化物を含む非晶質膜である
    請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  9. 前記第１保護膜及び前記第２保護膜の希ガス濃度は、１原子％未満であり、
    前記第３保護膜の希ガス濃度は、１原子％以上３原子％未満である
    請求項１～８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  10. 前記第２保護膜は、酸素拡散抑制層である
    請求項１～９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  11. 前記第２保護膜の希ガス濃度は、第１保護膜の希ガス濃度より少ない
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  12. 前記第１保護膜の希ガス濃度は、第３保護膜の希ガス濃度より少ない
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  13. 前記第２保護膜の希ガス濃度は、第３保護膜の希ガス濃度より少ない
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  14. 前記保護膜は、前記第３保護膜の上方に配置された少なくとも１層の誘電体膜からなる反射率調整層をさらに備える
    請求項１～１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  15. 前記保護膜は、前記第３保護膜と前記反射率調整層との間に配置された窒化物又は酸窒化物からなる第４保護膜をさらに備える
    請求項１４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  16. 前記第４保護膜は、アルミニウムの窒化物又は酸窒化物を含む六方晶の多結晶膜であり、
    前記第４保護膜の結晶配向は、前記一対の共振器端面のうち、前記第４保護膜が配置された共振器端面の法線方向に対してｃ軸配向である
    請求項１５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  17. 前記第４保護膜の希ガス濃度は１原子％未満であり、かつ、前記第４保護膜の膜厚は５０ｎｍ未満である
    請求項１５又は１６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  18. 前記反射率調整層に含まれる前記少なくとも１層の誘電体膜のうち、前記第４保護膜に接する誘電体膜は、希ガス濃度が２原子％未満の非晶質酸化膜である
    請求項１５～１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  19. 前記反射率調整層に含まれる前記少なくとも１層の誘電体膜の希ガス濃度は、３原子％未満である
    請求項１４～１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  20. 前記保護膜の最表面が酸化物からなる
    請求項１～１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  21. 前記一対の共振器端面の少なくとも一方における反射率は、
    前記窒化物半導体レーザ素子より出射されるレーザの波長に対する反射率スペクトルの極大値又は極小値である
    請求項１～２０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  22. 請求項１～２１のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子を備える
    照明光源モジュール。
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