KR20070064387A - 질화물반도체 발광 소자 및 질화물반도체 레이저 소자의제조 방법 - Google Patents

질화물반도체 발광 소자 및 질화물반도체 레이저 소자의제조 방법 Download PDF

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Abstract

광출사부에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 발광 소자로서, 광출사부는 질화물반도체로 이루어지고, 광출사부에 접하는 코팅막이 산질화물로 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자이다. 또한, 공진기 단면에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 레이저 소자를 제조하는 방법으로, 벽개에 의해 공진기 단면을 형성하는 공정과, 공진기 단면에 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하는 공정을 포함하는, 질화물 반도체 레이저 소자의 제조 방법이다.
광출사부, 코팅막, 질화물반도체, 발광 소자, 산질화물, 발광 소자, 공진기

Description

질화물반도체 발광 소자 및 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법{Nitride Semiconductor Light Emitting Device and Method of Fabricating Nitride Semiconductor Laser Device}
도1은, 본 발명의 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자의 바람직한 일례의 모식적인 단면도면이다.
도2는, 도1에 나타낸 본 발명의 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자의 공진기 길이 방향의 모식적인 측면도이다.
도3은, ECR 스퍼터 성막장치의 모식적인 구성도이다.
도4는, 본 발명의 실시 형태 1과 동일한 조건으로 별도 제작한 알루미늄의 산질화물을 AES에 의해 두께 방향으로 조성의 분석을 행한 결과를 나타내는 도면이다.
도5는, 본 발명의 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자의 에이징 전과 에이징 후의 COD 레벨에 대해 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도6은, 본 발명의 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자의 에이징 후의 광출력-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도7은, 종래의 질화물반도체 레이저 소자의 에이징 후의 광출력-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도8은, 본 발명의 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서의 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막 중의 산소의 함유량의 COD 레벨 의존성을 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도9는, 본 발명의 실시 형태 2의 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 조성을 AES에 의해 두께 방향으로 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도10은, 본 발명의 실시 형태 3의 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 조성을 AES에 의해 두께 방향으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도11은, 종래의 질화물반도체 레이저 소자의 에이징 전과 에이징 후의 COD 레벨을 비교한 도면이다.
본 발명은 질화물반도체 발광 소자 및 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저 소자에 있어서는, 공진기 단면의 열화를 원인으로 하는 신뢰성 불량이 알려져 있다. 공진기 단면의 열화는, 비발광 재결합 준위의 존재에 의해 공진기 단면이 과도하게 발열함으로써 일어나는 것으로 되어 있다. 비발광 재결합 준위가 발생하는 주요인으로서, 공진기 단면의 산화를 들 수 있다.
이에 따라, 일본국 공개특허공보 특개평09-162496호(특허문헌 1)에 있어서는, 산소를 함유하지 않는 질화물로 이루어지는 코팅막을 공진기 단면에 형성함으로써, 공진기 단면의 산화를 방지하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본국 공개특허공보 특개2002-237648호(특허문헌 2)에 있어서는, 질화물 반도체 레이저 소자의 공진기 단면에, 코팅막으로서 공진기 단면과 동일한 질화물의 유전체막을 공진기 단면에 형성함으로써 비발광 재결합 준위를 저감하는 방법이 개시되어 있다.
이와 같이 질화물로 이루어지는 코팅막을 공진기 단면에 형성하는 수법은 종래부터 알려져 있다. 질화물 중에서도, 특히 질화알루미늄(AlN)은, 화학적 및 열적으로 안정되고, 양질의 절연체이고, 또한 열전도율이 높아 방열 효과도 크기 때문에, 반도체 레이저의 공진기 단면에 형성하는 코팅막으로서 우수한 특징을 갖고 있다(예를 들면, 일본국 공개특허공보 특개평03-209895호(특허문헌 3) 참조). 그러나, 산소를 함유하지 않는 코팅막은 일반적으로 응력이 높아, 예를 들면 다크 라인의 발생과 같은 열화로 결부된다.
본 발명자들은, 고출력 구동시에도 공진기 단면의 열화를 원인으로 한 신뢰성 불량을 일으키지 않도록 하는 질화물반도체 레이저 소자의 실현을 지향하여, 상기 AlN으로 이루어지는 코팅막을 공진기 단면에 형성하는 기술 개발에 매진하여 왔다.
우선, 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면에, ECR 스퍼터링법을 사용하여, 성막 온도를 100℃로 한 조건으로, 알루미늄(Al)과 질소 가스를 사 용하여, 두께 50nm의 AlN으로 이루어지는 코팅막을 형성했다. 또한, 질화물반도체 레이저 소자의 광반사측의 공진기 단면에는 산화 실리콘막과 산화 티타늄막의 페어로 이루어지는 고반사막을 형성하여, 95% 이상의 고반사율이 얻어지도록 설정했다.
이와 같이 하여 제작한 질화물반도체 레이저 소자의 에이징 전과 에이징 후(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동)의 COD(catastrophic Optical Damage) 레벨을 조사했다. COD 레벨이란, 소자에 흘리는 전류를 서서히 증가시키고, 단면의 파괴에 의해 발진이 멈추었을 때의 최대의 광출력값을 의미한다. 또한, 본 명세서에서는, COD 레벨은 CW 구동으로 광출력-전류 특성을 측정한 때의 최대의 광출력값으로 평가하고 있다. 여기에서는, COD 레벨은, 상기 질화물반도체 레이저 소자의 5개의 COD 레벨의 평균치로 평가했다.
그 결과, 에이징 전에는 400mW의 광출력에서 열포화했으나, 에이징 후에는 COD에 의한 공진기 단면의 파괴를 일으키고, 그 COD 레벨은 230mW 정도였다. 그 결과를 도11에 나타낸다.
상기 에이징 후에 있어서의 COD 레벨의 저하는, 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면을 구성하는 질화물반도체와 코팅막을 구성하는 AlN과의 밀착성의 저하로부터, 그 계면 부분에서 강한 발열을 일으키고, 이 발열에 의해 공진기 단면이 열화하는 것으로 생각된다. 상기 밀착성의 저하는, 코팅막이 갖는 내부 응력과, 공진기 단면과 코팅막과의 열팽창 계수가 다르고, 또한 레이저 광의 발진시의 발열에 의해 촉진된 것으로 생각된다.
또한, 질화물반도체 발광 다이오드 소자의 광출사부인 광취출면에 AlN으로 이루어지는 코팅막을 형성한 경우에도, 질화물반도체로 이루어지는 광취출면과 AlN으로 이루어지는 코팅막과의 밀착성이 저하하면, 이러한 계면에 형성된 비발광 센터 등에 의해 광이 흡수되어 광취출 효율이 저하하는 경우가 있다.
이에 따라, 본 발명의 목적은, 에이징 후의 COD 레벨을 향상시킬 수 있는, 질화물반도체 발광 소자와 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 광출사부에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 발광 소자에 있어서, 광출사부는 질화물반도체로 이루어지고, 광출사부에 접하는 코팅막이 산질화물로 이루어지는 질화물반도체 발광 소자이다.
여기에서, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자는 질화물반도체 레이저 소자이어도 좋고, 광출사부는 공진기 단면이라도 좋다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서, 산질화물로서는, 알루미늄의 산질화물 또는 실리콘의 산질화물을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서, 산질화물 중의 산소의 함유량은 2원자% 이상 35원자% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서, 상기 산질화물 중의 산소의 함유량은 2원자% 이상 15원자% 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서는, 코팅막 상에 산화물 또는 질화물로 이루어지는 막을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서는, 질화물로 이루어지는 막을 실리콘 및 알루미늄의 적어도 하나의 질화물로 이루어지는 막으로 할 수 있다. 여기에서, 질화물로 이루어지는 막이 실리콘의 질화물로 이루어지는 막인 경우에는, 그 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 두께는 5nm 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서는, 산화물로 이루어지는 막을 산화 알루미늄, 산화 실리콘, 산화 티타늄, 산화 하프늄, 산화 지르코늄, 산화 니오븀, 산화 탄탈륨 및 산화 이트륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 막으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서는, 코팅막 상에 산질화물로 이루어지는 막을 형성할 수 있다. 여기에서, 산질화물로 이루어지는 막으로서는 실리콘 또는 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 막을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자에 있어서는 코팅막 상에 불화마그네슘으로 이루어지는 막을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은, 공진기 단면에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 레이저 소자를 제조하는 방법으로, 벽개에 의해 공진기 단면을 형성하는 공정과, 공진기 단면에 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하는 공정을 포함하는, 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법이다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법에 있어서, 산질화물은, 타켓으로 산화 알루미늄을 사용하여 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법에 있어서, 산질화물은, 타겟으로 알루미늄의 산질화물을 사용하여 제작할 수 있다.
본 발명에 의하면, 에이징 후의 COD 레벨을 향상시킬 수 있는, 질화물 반도체 발광 소자와 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 장점은, 첨부 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 본 발명의 도면에 있어서, 동일한 참조 부호는, 동일 부분 또는 대응 부분을 나타내는 것으로 한다.
본 발명은, 광출사부에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 발광 소자에 있어서, 광출사부는 질화물반도체로 이루어지고, 광출사부에 접하는 코팅막이 산질화물로 이루어지는 질화물반도체 발광 소자인 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 본 발명에 있어서는, 광출사부에 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하는 것에 의해, 질화물반도체로 이루어지는 광출사부와 산질화물로 이루어지는 코팅막과의 밀착성이 향상되기 때문에, 에이징 후의 질화물반도체 발광 소자의 COD 레벨을 향상시킬 수 있다.
여기에서, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자로서는, 예를 들면, 질화물반도체 레이저 소자 또는 질화물반도체 발광 다이오드 소자 등이 있다. 또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자가 질화물반도체 레이저 소자인 경우에는, 광출사부는 공진기 단면에 상당하고, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자가 질화물반도체 발광 다이오드 소자인 경우에는 광출사부는 광취출면에 상당한다. 또한, 본 발명에 있어 서의 질화물반도체 레이저 소자는, 적어도 활성층과 클래드층이 AlxInyGa2N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z≠0)(알루미늄, 인듐 및 갈륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 3족 원소와 5족 원소인 질소와의 화합물)을 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 반도체 레이저 소자를 의미한다. 또한, 본 발명에 있어서 공진기 단면이란, 반도체 기판상에 적어도 활성층과 클래드층이 적층된 적층체를 적어도 벽개함으로써 형성된 경면을 의미한다.
또한, 본 발명에 사용되는 산질화물로서는, 예를 들면, 알루미늄의 산질화물 또는 실리콘의 산질화물이 사용된다. 여기에서, 산질화물을 구성하는 산소의 함유량은 2원자% 이상 35원자% 이하인 것이 바람직하다. 산질화물에 있어서의 산소의 함유량이 2원자% 미만인 경우에는, 질화물반도체로 이루어지는 광출사부와 산질화물로 이루어지는 코팅막과의 밀착성이 저하하여 발열에 의해 광출사부가 열화하는 경향이 있다. 또한, 산질화물에 있어서의 산소의 함유량이 35원자%보다 많은 경우에는, 코팅막 중에 포함되는 산소로 인해 질화물반도체로 이루어지는 광출사부가 산화되고, 비발광 재결합 준위가 생성되기 때문에, COD 레벨이 저하하는 경향이 있다. 보다 바람직한 것은, 산질화물을 구성하는 산소의 함유량이 2원자% 이상 15원자% 이하이다.
또한, 본 발명에 사용되는 산질화물로 이루어지는 코팅막의 두께는 1nm 이상인 것이 바람직하다. 코팅막의 두께가 1nm 미만인 경우에는, 코팅막의 두께의 제어가 곤란하고, 광출사부에 부분적으로 코팅막이 형성되지 않을 우려가 있다. 한편, 코팅막의 두께가 지나치게 두꺼운 경우에는 응력이 문제로 될 가능성이 있지만, 코팅막의 두께가 지나치게 두꺼워도 본 발명의 효과가 손상되는 것은 아닌 것으로 생각된다.
또한, 본 발명에 사용되는 산질화물로 이루어지는 코팅막 상에는, 반사율을 제어하기 위한 산화물(예를 들면, 산화 알루미늄, 산화 실리콘, 산화 티타늄, 산화하프늄, 산화 지르코늄, 산화 니오븀, 산화 탄탈륨 및 산화 이트륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 산화물 등)이나 질화물(예컨대, 질화알루미늄 및 질화실리콘의 적어도 하나의 질화물 등)로 이루어지는 막이 형성되어 있어도 좋다. 또한, 본 발명에 있어서의 산질화물로 이루어지는 코팅막 상에는, 불화마그네슘(MgF) 등의 불화물로 이루어지는 막을 형성하여도 좋다. 또한, 본 발명에 있어서의 산질화물로 이루어지는 코팅막 상에는, 하지의 코팅막의 산질화물과 산소의 조성이 다른 산질화물로 이루어지는 막으로서 산질화실리콘 또는 산질화알루미늄 등으로 이루어지는 막을 형성해도 좋다.
예를 들면, 표1에 나타낸 바와 같이, 반사율을 제어하기 위해 각종의 층을 조합시키는 것도 가능하다. 또한, 표1에서는, 질화물반도체의 표면에 접하는 제1층으로서 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막을 사용하고 있으나, 실리콘의 산질화물로 이루어지는 코팅막으로 치환해도 된다.
질화물반도체에 접하는 제1층 제1층 위에 형성되는 제2층 제2층 위에 형성되는 제2층
재질 두께 재질 두께 재질 두께
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:2%) 20nm 산화알루미늄(Al2O3) 140nm _ -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:5%) 10nm 알루미늄의 산질화물 (산소함유량:10%) 5nm 산화알루미늄(Al2O3) 140nm
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:11%) 50nm 산화실리콘(SiO2) 120nm - -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:15%) 6nm 산화티타늄(TiO2) 50nm - -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:5%) 10nm 산화탄탈륨(Ta2O5) 100nm - -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:5%) 10nm 산화이트륨(Y2O5) 230nm - -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:5%) 80nm 산화지르코늄(ZrO2) 100nm - -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:2%) 20nm 질화실리콘(Si3N4) 20nm 산화실리콘(SiO2) 140nm
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:4%) 20nm 질화실리콘(Si3N4) 20nm 산화알루미늄(Al2O3) 120nm
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:3%) 25nm 질화실리콘(Si3N4) 150nm - -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:4%) 20nm 질화실리콘(Si3N4) 150nm 산화알루미늄(Al2O3) 120nm
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:7%) 20nm 실리콘의 산질화물 (산소함유량:5%) 150nm - -
알루미늄의 산질화물 (산소함유량:7%) 20nm 질화실리콘(Si3N4) 20nm 실리콘의 산질화물 (산소함유량:5%) 150nm
또한, 본 발명의 질화물반도체 발광 소자가 질화물반도체 레이저 소자인 경우에는, 벽개에 의해 공진기 단면을 형성하는 공정과, 공진기 단면에 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하는 공정을 포함하는 방법에 의해 본 발명의 질화물반도체 레이저 소자를 제작할 수 있다.
여기에서, 코팅막이 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 경우에는, 코팅막은,예를 들면, 성막실 내에 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 설치하고, 이 성막실 내에 질소 가스만을 도입하여, 반응성 스퍼터링법에 의해 형성할 수 있다.
이와 같이 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 사용한 경우에는, 성막실 내에 의도적으로 산소 가스를 도입하지 않아도 산질화물의 형성이 가능하다.
또한, 반응성 스퍼터링 장치를 사용하는 경우, 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 사용하지 않아도, 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 성막실 내에 설치한 후에 성막실 내에 산소 가스를 도입하고, 마이크로파를 인가하여 산소 플라즈마를 생성하여 알루미늄으로 이루어지는 타겟의 표면을 산화시키는 것에 의해, 그 표면에 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 제작할 수 있다.
예를 들면, 이하와 같은 스텝에 의해 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 사용하여 알루미늄의 산질화물을 생성하는 것이 가능하다.
스텝 1
알루미늄으로 이루어지는 타겟이 설치되어 있는 반응성 스퍼터링 장치의 성막실 내에 산소 가스를 도입하고, 마이크로파를 인가하여, 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 산소 플라즈마로 조사함으로써, 알루미늄으로 이루어지는 타겟의 표면으로부터 수nm 정도 산화시켜, 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 형성한다.
스텝 2
그 후, 성막실 내에 질소 가스와 아르곤 가스를 도입하고, 마이크로파를 인가하여 플라즈마 상태로 하여, 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 스퍼터링함으로써 알루미늄의 산질화물을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 스텝 1과 스텝 2 사이에, 질화물반도체의 표면을 클리닝하기 위해, 아르곤 플라즈마, 질소 플라즈마, 또는 아르곤과 질소의 혼합가스 플라즈마로 질화물반도체의 표면을 조사하는 공정을 넣어도 된다.
또한, 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하는 경우에는, 알루미늄의 산화성이 높기 때문에, 성막실 내에 산소 가스를 도입한 경우에 있어서 산소의 함유량이 적은 산질화물의 조성의 제어 및 재현성이 곤란하게 되는 경향이 있으나, AlxOy(단, 0<x<1, 0<y<0.6, x+y=1)의 조성식으로 표현되는 산화 상태가 낮은 산화 알루미늄을 타겟으로 사용하고, 성막실 내에 산소 가스를 도입하지 않고 질소 가스만을 도입함으로써, 산소의 함유량이 적은 알루미늄의 산질화물을 비교적 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 AlxOy(단, 0<x<1, 0<y<0.6, x+y=1)의 조성식으로 표현되는 산화 상태가 낮은 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 사용하는 대신, 산소의 함유량이 적은 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 타겟을 사용한 경우에도 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 성막실 내의 진공도 및/또는 성막 온도 등의 성막 조건을 변화시키는 것에 의해서도 산질화물에 있어서의 산소의 함유량을 변화시킬 수 있기 때문에 산질화물의 조성을 변화시킬 수 있다. 또한, 성막실 내의 진공도는 낮은 쪽이 산질화물에 산소가 취입되기 쉽고, 성막 온도가 높은 쪽이 산질화물에 산소가 취입되기 어려운 경향이 있다.
또한, 성막실의 내벽을 산화시키거나, 또는, 성막실의 내벽에 산화 알루미늄을 형성한 후, 성막실 내에 아르곤 가스와 질소 가스를 도입하고, Al로 이루어지는타겟(Al 타겟)을 사용하여 스퍼터링법 등에 의해 성막하면, 성막실의 내벽의 산소가 플라즈마에 의해 이탈하기 때문에, 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 상기에 있어서는, 리지 스트라이프형의 질화물반도체 레이저 소자를 예로 들어 설명했지만, 본 발명의 본래의 취지는 질화물반도체의 내부에서 발생한 광을 질화물반도체로부터 외부로 취출시의 광취출면에 실시하는 코팅막에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은, 리지 스트라이프형의 질화물반도체 레이저 소자에 한정되지 않고 예컨대, 면발광 레이저의 광취출면의 코팅막 및 질화물반도체 발광 다이오드 소자의 광취출면(질화물반도체 표면 또는 칩으로의 분할시의 벽개면 또는 분할된 측면)의 코팅막 등에도 유효하게 적용할 수 있다.
(실시 형태 1)
도1에, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 바람직한 일례의 모식적인 단면도를 나타낸다. 여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자(100)는, n형 GaN기판(101) 상에, n형 AlGaInN버퍼층(102), n형 AlGAInN클래드층(103), n형 AlGaInN가이드층(104), AlGaInN 다중양자 웰 활성층(105), p형 AlGaInN가이드층(106), p형AlGaInN클래드층(107) 및 p형 AlGaInN콘택트층(108)이 n형 GaN기판(101) 측으로부터 이 순서로 적층된 구성을 갖고 있다. 또한, 상기 각층의 혼정비(混晶比)는 적당히 조절되는 것으로, 본 발명의 본질과는 관계가 없다. 또, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자로부터 발진되는 레이저 광의 파장은 AlGaInN 다중양자 웰 활성층(105)의 혼정비에 의해, 예를 들면 370nm∼470nm의 범위에서 적당히 조절될 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 405nm의 파장의 레이저광이 발진하도록 조절되었다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 기판의 재료로 GaN을 사용하고 있으나, 본 발명에 있어서는, 기판의 재료로 예를 들면 AlGaN 또는 AlN을 사용해도 된다.
또한, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자(100)는, p형 AlGaInN클래드층(107) 및 p형 AlGaInN콘택트층(108)의 일부가 제거되어, 스트라이프 형태의 리지 스트라이프부(111)가 공진기 길이 방향으로 연장되도록 형성되어 있다. 여기에서, 리지 스트라이프부(111)의 스트라이프의 폭은, 예컨대 1.2∼2.4μm 정도이고, 대표적으로는 1.5μm 정도이다. 또한, 본 명세서에서는, 리지 스트라이프부(111)의 스트라이프의 폭을 1.2∼2.4μm 정도로 예시하고 있으나, 본 발명은, 조명 용도 등으로 사용되는 브로드 에어리어(리지 스트라이프부 111의 스트라이프의 폭이 2∼100μm 정도) 형의 질화물 반도체 레이저 소자에 대해서도 적합하게 적용할 수 있다.
또한, p형 AlGaInN콘택트층(108)의 표면에는 p전극(110)이 설치되고, p전극(110)의 하부에는 리지 스트라이프부(111)의 형성 개소를 제외하고 절연막(109)이 제공되어 있다. 또, n형 GaN기판(101)의 상기 층의 적층측과 반대쪽의 표면에는 n전극(112)이 형성되어 있다.
도2에, 도1에 나타낸 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 공진기 길이 방향의 모식적인 측면도를 나타낸다. 여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자(100)의 광출사부인 광출사측의 공진기 단면(113)에는 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막(114)이 두께 50nm로 형성되어 있고, 광반사측의 공진기 단면(115)에는 두께 6nm의 알루미늄의 산질화물막(116), 두께 80nm의 산화알루미늄막(117) 및, 두께 71nm의 산화 실리콘막과 두께 46nm의 산화 티타늄막을 1 페어로하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시) 한 후에 최표면에 두께 142nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막(118)이 이 순서로 형성되어 있다.
또한, 상기 코팅막(114), 알루미늄의 산질화물막(116), 산화 알루미늄막(117) 및 고반사막(118)은, n형 GaN기판상에 n형 AlGaInN버퍼층 등의 상기 반도체층을 순차적으로 적층하고, 리지 스트라이프부를 형성한 후에, 절연막, p전극 및 n전극을 각각 형성한 웨이퍼를 벽개함으로써 벽개면인 공진기 단면(113) 및 공진기 단면(115)이 각각 노출된 시료를 제작하고, 그 시료의 공진기 단면(113) 및 공진기 단면(115) 상에 각각 형성된다.
상기 코팅막(114)을 형성하기 전에 성막 장치 내에 있어서 공진기 단면(113)을 예를 들면 100℃ 이상 500℃ 이하의 온도로 가열함으로써, 공진기 단면(113)에 부착되어 있는 산화막이나 불순물 등을 제거하여 클리닝하는 것이 바람직하나, 본 발명에 있어서는 특별히 행하지 않아도 좋다. 또한, 공진기 단면(113)에 예를 들면 아르곤 또는 질소의 플라즈마를 조사함으로써 공진기 단면(113)의 클리닝을 행해도 되지만, 본 발명에 있어서는 특별히 행하지 않아도 좋다.
또한, 공진기 단면(113)을 가열하면서 플라즈마를 조사하는 것도 가능하다. 또한, 상기 플라즈마의 조사에 관해서는, 예를 들면, 아르곤의 플라즈마를 조사한 후에 계속하여 질소의 플라즈마를 조사하는 것도 가능하고, 그 반대의 순번으로 플라즈마를 조사해도 된다. 아르곤과 질소 이외에도, 예를 들면, 헬륨, 네온, 크세논 또는 크립톤 등의 희가스를 사용할 수도 있다. 또한, 공진기 단면(113)에 형성되는 상기 코팅막(114)의 형성에 대해서도 예를 들면 100℃ 이상 500℃ 이하의 온도로 가열한 상태로 행하는 것이 바람직하지만, 본 발명에 있어서는 특별히 가열을 하지 않는 상태에서 상기 코팅막(114)을 형성해도 된다.
또한, 상기 코팅막(114)은, 예를 들면 이하에 설명하는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 스퍼터링법에 의해 형성할 수 있지만, 다른 각종 스퍼터링법, 또는 CVD(chemical Vapor Deposition)법 혹은 EB(Electron Beam) 증착법 등에 의해 형성할 수 있다.
도3에, ECR 스퍼터 성막 장치의 모식적인 구성도를 나타낸다. 여기에서, ECR 스퍼터링 성막 장치는, 성막실(200)과, 자기 코일(203)과, 마이크로파 도입창(202)을 구비하고 있다. 성막실(200)에는 가스 도입구(201) 및 가스 배기구(209)가 설치되어 있고, 성막실(200) 내에는 RF 전원(208)에 접속된 Al 타켓(204)과 히터(205)가 설치되어 있다. 또, 성막실(200) 내에는 시료대(207)가 설치되어 있고, 시료대(207) 위에는 시료(206)가 설치되어 있다. 또한, 자기 코일(203)은 플라즈마를 생성하는데에 필요한 자장을 발생시키기 위해 설치되어 있고, RF전원(208)은 Al 타겟(204)을 스퍼터링하기 위해 사용된다. 또, 마이크로파 도입창(202)으로부터 마이크로파(210)가 성막실(200) 내로 도입된다.
그리고, 가스 도입구(201)로부터 성막실(200) 내에 질소 가스를 5.5sccm의 유량으로 도입하고, 산소 가스를 1.Osccm의 유량으로 도입하고, 또한, 플라즈마를 효율적으로 발생시켜 성막 속도를 크게 하기 위해 아르곤 가스를 20.Osccm의 유량으로 도입한다. 또한, 성막실(200) 내에 있어서의 질소 가스와 산소 가스의 비율을 변경함으로써 상기 코팅막(114) 중의 산소의 함유량을 변경하는 것이 가능하다. 또한, Al타겟(204)을 스퍼터링하기 위해 Al타겟(204)에 RF 파워를 500W 인가하고, 플라즈마의 생성에 필요한 마이크로파 파워를 500W 인가한바, 성막 레이트가 1.7Å/초로, 파장 633nm의 광의 굴절률이 2.0인 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막(114)을 형성할 수 있다. 코팅막(114)을 구성하는 알루미늄, 질소 및 산소의 함유량(원자%)은 예를 들면 AES(Auger Electron Spectroscopy)에 의해 측정할 수 있다. 또한, 코팅막(114)을 구성하는 산소의 함유량은, TEM-EDX(Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)에 의해서도 측정할 수 있다.
도4에, 상기와 동일한 조건으로 별도 제작한 알루미늄의 산질화물을 AES에
의해 두께 방향으로 조성의 분석을 행한 결과를 나타낸다. 여기에서, AES에 의한 알루미늄의 함유량, 산소의 함유량 및 질소의 함유량은 각각, AES 신호 강도에 기초하여, 각 원소의 피크의 감도를 고려하여 구했다. 여기에서는, 알루미늄의 원자%와 산소의 원자%와 질소의 원자%의 합계가 100원자%로 되도록 하고, 알루미늄, 산소 및 질소 이외의 아르곤 등 다른 미량으로 포함되는 원소는 제외하고 있다.
도4에 나타낸 바와 같이, 이 알루미늄의 산질화물을 구성하는 알루미늄의 함유량은 34.8원자%, 산소의 함유량은 3.8원자% 및 질소의 함유량은 61.4원자%로 두께 방향으로 거의 균일한 조성인 것을 알 수 있다. 또한, 도4에는 도시되지 않았으나, 극미량의 아르곤이 검출되었다.
또한, 광반사측의 공진기 단면(115)의 알루미늄의 산질화물막(116), 산화 알루미늄막(117) 및 고반사막(118)도 상기 코팅막(114)과 같이 ECR 스퍼터링법 등에 의해 형성할 수 있다. 또한, 이러한 막의 형성 전에도 가열에 의한 클리닝 및/또는 플라즈마 조사에 의한 클리닝을 행하는 것이 바람직하다. 단, 공진기 단면의 열화가 문제로 되는 것은 광밀도가 큰 광출사측이고, 광반사측의 공진기 단면은 광출사측에 비해 광밀도가 적기 때문에, 열화가 문제로 되지 않는 경우가 많다. 따라서,본 발명에 있어서는 광출사측의 공진기 단면에 산질화물로 이루어지는 코팅막이 형성되어 있으면 좋고, 광반사측의 공진기 단면에는 알루미늄의 산질화물막 등의 막은 제공되지 않아도 좋다.
본 실시 형태에 있어서는, 광반사측의 공진기 단면(115)에는 두께 6nm의 알루미늄의 산질화물(116)이 형성되어 있으나, 알루미늄의 산질화물(116)의 두께는 예를 들면 50nm로 두껍게 해도 문제는 없다.
또한, 공진기 단면에 상기 막을 형성한 후에는 가열 처리를 행해도 좋다. 이에 의해 상기 막에 포함되는 수분의 제거나 가열처리에 의한 막질의 향상을 기대할 수 있다.
이상과 같이 하여, 상기 시료의 광출사측의 공진기 단면(113)에 코팅막(114)을 형성하고, 광반사측의 공진기 단면(115)에 알루미늄의 산질화물막(116), 산화알루미늄막(117) 및 고반사막(118)을 이 순서로 형성한 후에 칩 형태로 분할함으로써, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자가 얻어진다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 에이징 전과 에이징(300 시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 COD 레벨에 대해 조사했다. 그 결과를 도5에 나타낸다. 도5에 나타낸 바와 같이, 에이징 전의 COD 레벨은 400mw 정도이고, 에이징 후에도 350mW 정도로 거의 열화하지 않은 것을 알 수 있다.
또한, 도6에, 상기 에이징 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 광출력-전류 특성의 그래프를 나타낸다. 도6에 나타낸 바와 같이, 300시간의 에이징 후에 있어서도 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는 열포화하고 있고, 광출사측의 공진기 단면(113)의 파괴는 볼 수 없었다. 물론, 에이징 전의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 광출력이 400mW 시에도 열포화하고, 광출사측의 공진기 단면(113)의 파괴는 볼 수 없었다.
한편, 도7에, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저 소자의 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 광출력-전류 특성의 그래프를 나타낸다. 도7에 나타낸 바와 같이, 종래의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는 광출력이 250mW 정도로 COD에 의한 공진 기 단면의 파괴가 일어나고 있었다. 따라서, 상기 결과로부터 명백한 바와 같이, 광출사측의 공진기 단면에 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막이 형성된 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저 소자에 비해, 에이징 후의 COD 레벨이 향상되어 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이 광출사측의 공진기 단면에 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성한 경우에, 에이징 후의 COD 레벨의 저하가 보이지 않은 것은, 공진기 단면과 코팅막의 밀착성이 향상하였기 때문인 것으로 생각된다. 질화물반도체와 AlN 등의 질화물로 이루어지는 코팅막과의 밀착성보다도, 질화물반도체와 산질화물로 이루어지는 코팅막과의 밀착성 쪽이 높은 것은, 알루미늄이나 갈륨 등의 3족 원소와 산소와의 강한 결합 에너지가 작용하고 있는 것으로 생각된다. 즉, 산질화물에 포함되는 산소가, 질화물반도체에 포함되는 알루미늄이나 갈륨과 같은 3족 원소와 강한 결합을 갖기 때문에 밀착성을 향상시키는 것으로 생각된다. 굳이 예를 들면, 산소가 접착제와 같은 역할을 하고 있는 것으로 생각된다. 즉, 이는, 질화물 반도체와 산질화물로 이루어지는 코팅막과의 밀착성을 향상시키는 수법으로 여겨진다.
다음에, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서의 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막 중의 산소의 함유량의 COD 레벨 의존성을 조사했다.그 결과를 도8에 나타낸다. 여기에서는, 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막중의 산소의 함유량을 0원자%로부터 50원자%까지 변화시키고, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 COD 레벨을 측정했다. 코팅막 중의 산소의 함유량을 변화시킨 경우, 기본적으로 산소도 질소도 알루미늄과 결합하기 때문에, 코팅막 중의 알루미늄의 함유량(원자%)은 거의 변화하지 않고 산소의 함유량(원자%)이 증가한 분만큼, 질소의 함유량(원자%)이 감소하게 된다.
또한, 도8에 있어서, ○는 질화물반도체 레이저 소자가 COD없이 열포화한 때의 광출력-전류 특성에 있어서의 광출력 피크 위치를 가리키고 있고, COD 레벨은 그 값보다도 높은 값으로 된다. 또한, 도8에 있어서, ×는 질화물반도체 레이저 소자가 실제로 COD를 일으키고 있는 것을 나타내고 있고, 그 값이 COD 레벨로 된다.
도8에 나타낸 바와 같이, 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막의 산소의 함유량이 2원자% 이상 35원자% 이하인 경우에는, 광출력이 300mW 이상에서 열포화하고 있고, 대단히 양호한 특성을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 광출사측의 공진기 단면에 형성되는 코팅막에 있어서의 산소의 함유량은 2원자% 이상 35원자% 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에는 에이징 후의 COD 레벨이 향상하는 경향이 있다. 그 이유로서는, 질화물반도체로 이루어지는 공진기 단면과 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막과의 밀착성이 향상하고, 공진기 단면의 산화에 의한 비발광 재결합 준위의 생성이 COD 레벨에 영향을 주지 않기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 산소의 함유량이 2원자% 미만인 경우에는, 질화물반도체로 이루어지는 공진기 단면과 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막과의 밀착성의 저하로부터, 발열에 의해 공진기 단면이 열화한 것으로 생각된다. 또한, 산소의 함유량이 35원자%보다도 많은 경우에는, 코팅막 중에 포함되는 산소로 인해 질화물반도체로 이루어지는 공진기 단면의 부분이 산화되고, 비발광 재결합 준위가 생성되기 때문에, COD 레벨의 저하가 일어난 것으로 생각된다.
(실시 형태 2)
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 구성 및 광반사측의 공진기 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 공진기 단면에 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 두께 6nm의 코팅막이 형성되어 있다. 또한, 광반사측의 공진기 단면에는 광출사측의 공진기 단면의 코팅막과 동일한 조건으로 두께 12nm의 알루미늄의 산질화물막이 형성되고, 그 알루미늄의 산질화물막 위에, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께 54nm의 산화 티탄막을 1 페어로 하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 조성을 AES에 의해 두께 방향으로 측정한 결과를 도9에 나타낸다. 도9에 나타낸 바와 같이, 이 코팅막은, 알루미늄의 함유량이 33.6원자%, 산소의 함유량이 35.2원자% 및 질소의 함유량이 31.2원자%로 두께 방향으로 거의 균일한 조성이었다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 COD 레벨을 조사했다.그 결과, 에이징 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 COD 레벨은 광출력이 330mW에서 열포화하고 있고, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저 소자의 300시간 에이징 후의 COD 레벨과 비교하여 향상하고 있는 것이 확인되었다.
(실시 형태 3)
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 구성 및 광반사측의 공진기 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 공진기 단면에 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 두께 100nm의 코팅막이 형성되어 있다. 또한, 광반사측의 공진기 단면에는 광출사측의 공진기 단면의 코팅막과 동일한 조건으로 두께 20nm의 알루미늄의 산질화물막이 형성되고, 그 알루미늄의 산질화물막 위에, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께 54nm의 산화티타늄막을 1 페어로 하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께162nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 조성을 AES에 의해 두께 방향으로 측정한 결과를 도10에 나타낸다. 도10에 나타낸 바와 같이, 이 코팅막은, 알루미늄의 함유량이 34원자%, 산소의 함유량이 12원자% 및 질소의 함유량이 54원자%로 두께 방향으로 거의 균일한 조성이었다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 COD 레벨을 조사했다.그 결과, 에이징 후의 본 실시 형태의 질화물반도체레이저 소자의 COD 레벨은 광출력이 333mW에서 열포화하고 있고, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저소자의 300시간 에이징 후의 COD 레벨과 비교하여 향상하고 있는 것이 확인되었다.
(실시 형태 4)
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 구성 및 광반사측의 공진기 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 공진기 단면에 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 두께 12nm의 코팅막(산소의 함유량:35원자%)을 형성한 후에 그 코팅막 상에 두께 60nm의 산화 알루미늄막이 형성되어 있다. 또한, 광반사측의 공진기 단면에는 광출사측의 공진기 단면의 코팅막과 동일한 조건으로 두께 6nm의 알루미늄의 산질화물막이 형성되고, 그 알루미늄의 산질화물막 위에는, 두께 80nm의 산화 알루미늄막, 다시, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께 54nm의 산화 티탄막을 1 페어로 하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막이 이 순서로 형성되어 있다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 COD 레벨을 조사했다.그 결과, 에이징 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 COD 레벨은 광출력이 336mW에서 열포화하고 있고, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저 소자의 300시간 에이징 후의 COD 레벨과 비교하여 향상하고 있는 것이 확인되었다.
(실시 형태 5)
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 460nm의 파장의 레이저광이 발
진하도록 조절된 것과, 광출사측의 공진기 단면에 형성되는 코팅막의 구성 및 광반사측의 공진기 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다. 또한, 발진되는 레이저 광의 파장은, AlGaInN 다중 양자 웰 활성층의 AlGaInN의 혼정비를 변경하는 것으로 조절하고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 공진기 단면에 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 두께 50nm의 코팅막을 형성하여 반사 비율을 10% 정도로 조절하고 있다. 또, 광반사측의 공진기 단면에는 광출사측의 공진기 단면의 코팅막과 동일한 조건으로 두께 6nm의 알루미늄의 산질화물막이 형성되고, 그 알루미늄의 산질화물막 위에는, 두께 80nm의 산화 알루미늄막,또한, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께54nm의 산화 티타늄막를 1 페어로 하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막이 이 순서로 형성되어 있다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 COD 레벨을 조사했다.그 결과, 에이징 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 COD 레벨은 광출력이 343mW에서 열포화하고 있고, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저소자의 300 시간 에이징 후의 COD 레벨과 비교하여 향상하고 있는 것이 확인되었다.
460nm의 파장의 레이저광이 발진하는 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 조명 디바이스의 여기 광원으로서 사용할 수 있다.
(실시 형태 6)
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 구성 및 광반사측의 공진기 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 갖고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 공진기 단면에 실리콘의 산질화물로 이루어지는 두께 12nm의 코팅막이 형성되어 있다. 또, 광반사측의 공진기 단면에는 광출사측의 공진기 단면의 코팅막과 동일한 조건으로 두께 20nm의 실리콘의 산질화물막이 형성되고, 그 실리콘의 산질화물막 위에는, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께 54nm의 산화 티탄막을 1 페어로 하여 4페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 조성을 AES에 의해 두께 방향으로 측정한바, 이 코팅막은, 알루미늄의 함유량이 34원자%, 산소의 함유량이 3원자% 및 질소의 함유량이 63원자%로 두께 방향으로 거의 균일한 조성이었다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 COD 레벨을 조사했다.그 결과, 에이징 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 COD 레벨은 광출력이 302mW에서 열포화하고 있고, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저 소자의 300시간 에이징 후의 COD 레벨과 비교하여 향상하고 있는 것이 확인되었다.
또한, 본 실시 형태에 있어서도, 실시 형태 1과 같이 하여, 코팅막중의 산소의 함유량의 COD 레벨 의존성을 조사했다. 즉, 실리콘의 산질화물로 이루어지는 코팅막 중의 산소의 함유량을 0원자%로부터 50원자%까지 변화시키고, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 COD 레벨을 측정했다. 여기에서도, 코팅막 중의 산소의 함유량을 변화시킨 경우, 기본적으로 산소도 질소도 실리콘과 결합하기 때문에, 코팅막 중의 실리콘의 함유량(원자%)은 거의 변화하지 않고, 산소의 함유량(원자%)이 증가한분 만큼, 질소의 함유량(원자%)이 감소하는 것으로 된다.
그 결과, 코팅막 중의 산소의 함유량의 COD 레벨 의존성에 대해서도, 도8에 나타낸 알루미늄의 산질화물의 경우와 거의 같은 경향을 나타냈다. 즉, 광출사측의 공진기 단면에 형성되는 코팅막에 있어서의 산소의 함유량은 2원자% 이상 35원자% 이하인 경우에는 에이징 후의 COD 레벨이 향상하는 경향이 있었다.
(실시 형태 7)
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 공진기 단면에 형성된 코팅막의 구성 및 광반사측의 공진기 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 갖고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 공진기 단면에 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 두께 25nm의 코팅막이 형성되어 있고, 또한 그 코팅막 상에 실리콘의 질화물로 이루어지는 두께 150nm의 막이 형성되어 있다. 또, 광반사측의 공진기 단면에는 광출사측의 공진기 단면의 코팅막과 동일한 조건으로 두께 25nm의 알루미늄의 산질화물막과 그 위에 두께 50nm의 실리콘의 질화물막이 형성되고, 그 실리콘의 질화물막 위에는, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께 54nm의 산화 티타늄막을 1 페어로 하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화실리콘막이 적층된 고반사막이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 광출사측의 공진기 단면에 형성된 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막의 조성을 AES에 의해 두께 방향으로 측정한바, 이 코팅막은, 알루미늄의 함유량이 34원자%, 산소의 함유량이 3원자% 및 질소의 함유량이 63원자%로 두께 방향으로 거의 균일한 조성이었다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 300시간 에이징(300시간, 70℃, 100mW, CW 구동) 후의 COD 레벨을 조사했다.그 결과, 에이징 후의 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 COD 레벨은 광출력이 350mW에서 열포화하고 있고, 광출사측의 공진기 단면에 AlN으로 이루어지는 코팅막이 형성된 종래의 질화물반도체 레이저 소자의 300시간 에이징 후의 COD 레벨과 비교하여 향상하고 있는 것이 확인되었다.
또한, 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 두께이 5nm 이하인 경우에는, 균일한 막을 제작하는 것이 곤란하기 때문에, 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 두께는 5nm 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자를 장기간 에이징시킨 경우
에는, 질화물반도체 레이저 소자가 놓인 분위기 중에 존재하는 수분 등에 의해 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막이 산화되고, 막의 굴절률이 변화하는 등의 우려가 있다. 그 때문에, 코팅막의 방습성을 고려하면, 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 두께는 40nm 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 성막 시간 등을 고려하면, 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 두께는 300nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막상에 실리콘의 산질화물로 이루어지는 막을 형성했지만, 본 발명에 있어서는, 실리콘의 질화물로 이루어지는 막 대신 실리콘의 산질화물로 이루어지는 막을 형성해도 좋다. 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막 상에 실리콘의 산질화물로 이루어지는 막을 형성하는 경우에는, 코팅막의 방습성을 고려하면, 실리콘의 산질화물로 이루어지는 막 중의 산소의 함유량은 40원자% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 실리콘의 산질화물로 이루어지는 막의 두께는, 상기 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 경우와 같은 이유로, 5nm 이상인 것이 바람직하고, 40nm 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 실리콘의 산질화물로 이루어지는 막의 두께는, 상기 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 경우와 같은 이유로 300nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 광출사측의 공진기 단면에 두께 25nm의 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하고, 그 코팅막 상에 두께 150nm의 실리콘의 질화물로 이루어지는 막을 형성하고, 다시 실리콘의 질화물로 이루어지는 막 위에 두께 30nm의 알루미늄의 산화물로 이루어지는 막을 형성한 질화물반도체 레이저 소자(제1 질화물반도체 레이저 소자)를 제작했다.
또한, 광출사측의 공진기 단면에 두께 25nm의 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하고, 그 코팅막 상에 두께 150nm의 실리콘의 질화물로 이루어지는 막을 형성하고, 다시 실리콘의 질화물로 이루어지는 막 위에 두께 150nm의 알루미늄의 산화물로 이루어지는 막을 형성한 질화물반도체 레이저 소자(제2 질화물반도체 레이저 소자)를 제작했다.
또한, 광출사측의 공진기 단면에 두께 25nm의 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하고, 그 코팅막 상에 두께 150nm의 실리콘의 질화물로 이루어지는 막을 형성하고, 다시 실리콘의 질화물로 이루어지는 막 위에 두께 30nm의 실리콘의 산화물로 이루어지는 막을 형성한 질화물반도체 레이저 소자(제3 질화물반도체 레이저 소자)를 제작했다.
또한, 광출사측의 공진기 단면에 두께 25nm의 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하고, 그 코팅막 상에 두께 150nm의 실리콘의 질화물로 이루어지는 막을 형성하고, 다시 실리콘의 질화물로 이루어지는 막 위에 두께 150nm의 실리콘의 산화물로 이루어지는 막을 형성한 질화물반도체 레이저 소자(제4 질화물반도체 레이저 소자)를 제작했다.
이상과 같이 하여 제작된 제1 질화물반도체 레이저 소자, 제2 질화물반도체 레이저 소자, 제3 질화물반도체 레이저 소자 및 제4 질화물반도체 레이저 소자에 있어서도 상기와 같은 결과가 얻어졌다.
또한, 상기 제1 질화물반도체 레이저 소자, 제2 질화물반도체 레이저 소자, 제3 질화물반도체 레이저 소자 및 제4 질화물반도체 레이저 소자의 광반사측의 공진기 단면 위의 막 구조는, 상기 실시 형태 7의 질화물반도체 레이저 소자의 광반사측의 공진기 단면 상의 막구조와 동일하다.
또한, 본 발명에 있어서 거론되는 알루미늄의 산질화물은, AlN 중에 산화알루미늄이 혼재하고 있는 경우, AlN 중에 알루미늄의 산질화물의 결정으로서 존재하는 경우, 또는, AlN 중에 산화 알루미늄 및 알루미늄의 산질화물이 존재하는 경우가 있지만, 본 발명에 있어서는 어떠한 형태를 취하고 있어도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 코팅막의 산소의 함유량이 두께 방향으로 거의 일정한 경우에 대해 설명했지만, 두께 방향으로 보아 산소의 함유량이 점차적으로 변화하거나 또는 산소의 함유량이 다른 다층구조로 형성되어 있어도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 실리콘의 산질화물 또는 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 막을 코팅막으로 사용하는 경우에 대해 주로 설명했지만, 실리콘과 알루미늄의 혼합물을 타겟으로 사용하여 스퍼터링함으로써 알루미늄과 실리콘을 포함하는 알루미늄-실리콘의 산질화물로 이루어지는 막을 코팅막으로 사용해도 된다.
이때, 타겟인 실리콘과 알루미늄의 혼합물에 있어서의 실리콘과 알루미늄의 조성을 제어함으로써, 코팅막의 조성을 제어할 수 있다. 또한, 상기에 있어서는, 실리콘과 알루미늄의 혼합물을 타겟으로 사용하는 경우에 대해 설명했지만 스퍼터링에 의한 성막법 등에서는, 실리콘과 알루미늄의 혼합물을 타겟으로 하여 사용하지 않아도 실리콘으로 이루어지는 타겟과 알루미늄으로 이루어지는 타겟을 허니콤 형태나 번갈아 나란히 하는 등으로 하여 그것을 동시에 스퍼터링함으로써, 알루미늄과 실리콘을 포함하는 알루미늄―실리콘의 산질화물로 이루어지는 막을 코팅막으로서 형성할 수 있다.
본 발명은, 예를 들면, 자외 영역으로부터 녹색 영역의 파장의 광을 발진하는 질화물반도체 레이저 소자, 고출력 용도로 사용되는 스트라이프폭이 수십 μm 정도의 브로드 에어리어 형의 질화물반도체 레이저 소자, 또는 자외 영역으로부터 적색 영역의 파장의 광을 발진하는 질화물반도체 발광 다이오드 소자 등에 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 질화물반도체 레이저 소자에 있어서, 단면에 창구조(예컨대, GaAs계의 반도체 레이저 소자에 사용되고 있는 활성층의 단면 부근의 조성을 평균화함으로써 그 부근의 밴드갭을 크게하여 COD 레벨을 향상시키는 구조)를 형성한 경우에도, 그 단면에 본 발명에 있어서의 코팅막을 형성하는 것이 유효한 것으로 생각된다.
본 발명을 상세히 설명했지만, 이는 예시를 위한 것으로, 한정되는 것은 아니며, 발명의 정신과 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정되는 것이 명백히 이해될 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 에이징 후의 COD 레벨을 향상시킬 수 있는 질화물반도체 발광 소자와 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법을 제공한 다.

Claims (15)

  1. 광출사부에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 발광 소자에 있어서,
    상기 광출사부는 질화물반도체로 이루어지고, 상기 광출사부에 접하는 코팅막이 산질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질화물반도체 발광 소자는 질화물반도체 레이저 소자이고, 상기 광출사부는 공진기 단면인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산질화물은, 알루미늄의 산질화물 또는 실리콘의 산질화물인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산질화물 중의 산소의 함유량이 2원자% 이상 35원자% 이하인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산질화물 중의 산소의 함유량이 2원자% 이상 15원자% 이하인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코팅막 상에 산화물 또는 질화물로 이루어지는 막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 질화물로 이루어지는 막이 실리콘 및 알루미늄의 적어도 일방의 질화물로 이루어지는 막인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 질화물로 이루어지는 막이 실리콘의 질화물로 이루어지는 막이고, 상기 실리콘의 질화물로 이루어지는 막의 두께가 5nm 이상인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  9. 제6항에 있어서, 상기 산화물로 이루어지는 막이 산화 알루미늄, 산화 실리콘, 산화 티타늄, 산화 하프늄, 산화 지르코늄, 산화 니오븀, 산화 탄탈륨 및 산화 이트륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 막인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 코팅막 상에 산질화물로 이루어지는 막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 산질화물로 이루어지는 막이 실리콘 또는 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 막인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 코팅막 상에 불화 마그네슘으로 이루어지는 막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  13. 공진기 단면에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 레이저 소자를 제조하는 방법에 있어서, 벽개에 의해 상기 공진기 단면을 형성하는 공정과, 상기 공진기 단면에 산질화물로 이루어지는 코팅막을 형성하는 공정을 포함하는, 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 산질화물은, 타겟으로 산화 알루미늄을 사용하여 제작된 것을 특징으로 하는 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 산질화물은, 타겟으로 알루미늄의 산질화물을 사용하여 제작된 것을 특징으로 하는 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법.
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