(57)【要約】【課題】動作中の端面劣化による経時的なＣＯＤ光出力の低下に伴なう電流の上昇を抑制して、長時間の高出力レーザ動作に耐えうる端面保護膜を得られるようにする。【解決手段】発光層を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する共振器端面３０を有する積層構造体４０と、共振器端面のうちの光出射端面に形成され、ＡｌＮからなる第１の保護膜３１と、その上に形成され、屈折率がｎ１であるＡｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜３２とを有している。第２の保護膜は、少なくとも共振器端面における光出射領域と対向する領域においてその表面が結晶化しており、第２の保護膜の厚さ(t)は、λ／２ｎ１＜ｔ＜３λ／４ｎ１（但し、λは出射光の波長）を満たし、共振器端面における光出射領域の第２の反射率Ｒ（ｎ２）（但し、ｎ２は結晶化したＡｌ２Ｏ３の屈折率である。）は、共振器端面における光出射領域を囲む領域の第１の反射率Ｒ（ｎ１）よりも低い。【選択図】図３
2011060932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する共振器端面を有する積層構造体と、
前記共振器端面のうちの光出射端面に形成され、窒化アルミニウムからなる第１の保護膜と、
前記第１の保護膜の上に形成され、屈折率がｎ１である酸化アルミニウムからなる第２の保護膜とを備え、
前記第２の保護膜は、少なくとも前記共振器端面における光出射領域と対向する領域においてその表面が結晶化しており、
前記第２の保護膜の厚さ（ｔ）は、λ／２ｎ１＜ｔ＜３λ／４ｎ１（但し、λは出射光の波長である。）を満たし、
前記共振器端面における光出射領域の第２の反射率Ｒ（ｎ２）（但し、ｎ２は結晶化した前記酸化アルミニウムの屈折率である。）は、前記共振器端面における光出射領域を囲む領域の第１の反射率Ｒ（ｎ１）よりも低いことを特徴とする窒化物半導体発光装置。
【請求項２】
前記第１の保護膜を構成する窒化アルミニウムは、前記光共振器端面に対して結晶軸が９０°異なる配向を有してい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装置。
【請求項３】
前記第１の保護膜は、４ｎｍ以上且つ２０ｎｍ以下の膜厚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。
【請求項４】
前記第１の保護膜の消衰係数は、前記発光層から出射される発振波長帯において０．００５以下であ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。
【請求項５】
前記第１の保護膜及び第２の保護膜により構成された端面コート膜の反射率は、８％以上且つ１３％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項６】
前記共振器端面における前記光出射端面と対向する光反射端面に形成され、前記第１の保護膜と同一の構成を持つ第３の保護膜と、
前記第３の保護膜の上に形成され、前記第２の保護膜と同一の構成を持つ第４の保護膜とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光装置に関し、特に端面保護膜を有する窒化物半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク装置用の光源として、各種の半導体レーザ素子が広範に利用されている。なかでも、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII-Ｖ族窒化物半導体を用いた青紫色半導体レーザ素子は、次世代高密度光ディスク（Blu-ray Disc（登録商標））への光源として、赤色域及び赤外域の光と比べて、光ディスク上での集光スポット径を小さくすることが可能な短波長域（４００ｎｍ帯）で発光する。このため、光ディスクの再生及び記録密度の向上に有効であり、世の中に広まりつつあり、必要不可欠となってきている。
【０００３】
青紫色半導体レーザ素子を利用する新規なディスクには、高密度化及び高速書き込みを可能とするために、高い信頼性を有する高出力青紫色半導体レーザ素子が必要とされている。従来のＣＤ（Compact Disc）及びＤＶＤ（Digital Versatile Disc）に用いられる砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）系半導体レーザ素子又は燐化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）系半導体レーザ素子においては、共振器端面の劣化及び光学的損傷を防ぐために、酸化物からなる誘電体膜を共振器端面に保護膜として形成している。
【０００４】
しかしながら、青紫色ＧａＮ系レーザ素子の場合は、酸化物からなる端面保護膜を共振器端面に形成すると、端面保護膜中の酸素及び大気中の酸素によって共振器端面が酸化して、半導体レーザ素子の端面劣化の原因となる。
【０００５】
このため、端面保護膜に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる層を設けることにより、共振器端面から酸素を分離し、該端面の酸化による劣化を改善する試みが、例えば特許文献１等に記載されている。
【０００６】
また、端面保護膜を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１膜と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる第２膜とから構成し、さらに第２膜の膜厚ｄをＲ（ｄ，ｎ）＞Ｒ（ｄ，ｎ＋１）及びｄ＞λ／ｎ（ここで、Ｒは反射率、ｎは屈折率、λは光の波長とする。）としたとき、レーザ駆動中の第２膜の変質によって、該第２膜の屈折率が上昇し且つ反射率が低減することを利用して、レーザ素子の駆動電流（Ｉop）の上昇を抑制する試みが、例えば特許文献２等に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０３８１４号公報
【特許文献２】特開２００８−１８６８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような構成にするだけでは、例えば、２層４倍速以上で記録可能なBlu-ray Discに適用される、光出力が１６０ｍＷ以上の高出力動作は安定的に実現できない。
【０００９】
一般に、端面劣化は、動作電流の増加と端面破壊となるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）光出力の低下とをもたらして高出力動作を阻害する。このため、高出力動作を継続すると徐々に動作電流が増加したり、急激に動作電流が増加して発光が停止したりすることが知られている。そこで、本願発明者らは、共振器端面と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との界面の酸化、及び該窒化アルミニウムの光吸収に着目して種々の検討を行った。その結果、薄膜で且つ共振器端面と結晶軸が９０°異なる配向を有する窒化アルミニウムを端面保護膜とすることが、該端面保護膜による光吸収の抑制及び共振器端面への酸化の抑制が可能となるため、端面劣化を抑制する上で有効であることを見出した。
【００１０】
さらに、共振器端面に窒化アルミニウムを介して酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を積層する構成の場合に、酸化アルミニウムの酸素透過性及びその応力が共振器端面と窒化アルミニウムとの界面に及ぼす影響についても考慮する必要があることが分かった。すなわち、応力の観点から、該応力が比較的に小さい酸化アルミニウムは端面コート膜として適している。しかしながら、酸化アルミニウムはアモルファス状態から結晶化する結晶化温度が低いため、エネルギーが高い青紫色レーザ光が長時間照射されると、半導体結晶との界面や表面に変質が生じやすい（以下、変質が生じた領域を結晶化領域と呼ぶ。）。従って、半導体レーザ素子においては、高出力動作を継続すると、端面コート膜である酸化アルミニウムは表面から変質して応力や屈折率が徐々に変化する。
【００１１】
例えば、酸化アルミニウムはアモルファス状態の屈折率が１．６６であり、結晶化領域の屈折率の詳細は不明ではあるものの、例えば結晶体であるサファイアの屈折率が１．７６であることから、０．１程度以下の範囲での変化が予想される。
【００１２】
本発明は、上記の問題を鑑み、その目的とするところは、動作中の端面劣化による経時的なＣＯＤ光出力の低下に伴なう電流の上昇を抑制して、長時間の高出力レーザ動作に耐えうる端面保護膜を得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するため、本発明に係る窒化物半導体発光装置は、発光層を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する共振器端面を有する積層構造体と、共振器端面のうちの光出射端面に形成され、窒化アルミニウムからなる第１の保護膜と、第１の保護膜の上に形成され、屈折率がｎ１である酸化アルミニウムからなる第２の保護膜とを備え、第２の保護膜は、少なくとも共振器端面における光出射領域と対向する領域においてその表面が結晶化しており、第２の保護膜の厚さ（ｔ）は、λ／２ｎ１＜ｔ＜３λ／４ｎ１（但し、λは出射光の波長である。）を満たし、共振器端面における光出射領域の第２の反射率Ｒ（ｎ２）（但し、ｎ２は結晶化した酸化アルミニウムの屈折率である。）は、共振器端面における光出射領域を囲む領域の第１の反射率Ｒ（ｎ１）よりも低いことを特徴とする。
【００１４】
本発明の窒化物半導体発光装置によると、第１の保護膜が窒化アルミニウムからなるため、共振器端面から酸素が分離されるので、レーザ動作中の酸素の透過が抑制されることにより、端面劣化を低減することが可能となる。また、第２の保護膜を酸化アルミニウムとし、膜厚をλ／２ｎ１＜ｔ＜３λ／４ｎ１とし、且つ端面反射率をＲ（ｎ２）＜Ｒ（ｎ１）とすることにより、第２の保護膜の結晶化による動作電流の増加を抑制することが可能となる。これにより、レーザ動作中の動作電流の増加に伴う端面劣化を抑制することができ、また、応力の増大に伴なう端面劣化を抑制することも可能となる。
【００１５】
本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の保護膜を構成する窒化アルミニウムは、光共振器端面に対して結晶軸が９０°異なる配向を有していてもよい。
【００１６】
このようにすると、第１の保護膜の膜質が緻密となるため、レーザ動作中の酸素の透過がより一層抑制されて、共振器端面における端面劣化をさらに低減することが可能となるので、１６０ｍＷ以上の高出力動作を安定的に実現できる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の保護膜は４ｎｍ以上且つ２０ｎｍ以下の膜厚を有していてもよい。
【００１８】
このように、第１の保護膜である窒化アルミニウムの膜厚を４ｎｍ以上とすることにより、窒化アルミニウムの膜厚のばらつきによる共振器端面の酸素透過性のばらつきを防止できる。また、窒化アルミニウムの膜厚を２０ｎｍ以下とすることにより、窒化アルミニウムが有する消衰係数によるレーザ光の吸収を低減できるので、レーザ動作中の端面劣化を抑制できる。その上、窒化アルミニウムの膜厚を４ｎｍ以上とすることにより、第２の保護膜における第１の保護膜側の結晶化を抑制することができる。
【００１９】
本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の保護膜の消衰係数は、発光層から出射される発振波長帯において０．００５以下であってもよい。
【００２０】
このようにすると、光出射領域と対向する第１の保護膜による光の吸収を低減することができるため、共振器端面における端面劣化をさらに低減することが可能となる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の保護膜及び第２の保護膜により構成された端面コート膜の反射率は８％以上且つ１３％以下であってもよい。
【００２２】
このように、端面コート膜の反射率を８％以上とすることにより、ノイズ特性の悪化を抑制することができる。また、端面コート膜の反射率を１３％以下とすることにより、光出射領域の端部の光密度を小さく設定することが可能となる。
【００２３】
本発明の窒化物半導体発光装置は、共振器端面における光出射端面と対向する光反射端面に形成され、第１の保護膜と同一の構成を持つ第３の保護膜と、第３の保護膜の上に形成され、第２の保護膜と同一の構成を持つ第４の保護膜とをさらに備えていてもよい。
【００２４】
このようにすると、光反射端面の酸化による端面劣化を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る窒化物半導体発光装置によると、酸化アルミニウムからなる保護膜の結晶化による動作電流の増加を抑制すること、並びに共振器端面と第１の保護膜の界面における酸化及び応力を抑制することができるため、長時間の高出力レーザ動作に耐えうる端面保護膜を得ることができる。その結果、例えば２層４倍速以上で記録可能なBlu-ray Discに適用できる１６０ｍＷ以上の高出力動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置を示す共振器の長手方向に垂直な方向の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置における保護膜が成膜可能なＥＣＲスパッタ装置を示す模式的な断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置を示す共振器の長手方向に平行な方向の出射端面側の部分断面図である。（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置を示す共振器の長手方向に平行な方向の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置における保護膜の成膜レートの窒素（Ｎ２）分圧依存性を示すグラフである。
【図５】相対雑音強度（ＲＩＮ）の前端面反射率依存性を示すグラフである。
【図６】ＣＯＤレベルの前端面反射率依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置における端面反射率の、Ａｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜の膜厚依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置におけるＡｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜であって、表面の５０ｎｍのみが結晶化した場合の端面反射率の、第２の保護膜の膜厚依存性を示すグラフである。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置における第２の保護膜の膜厚ごとの動作電流変化率のエージング時間依存性を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置におけるＡｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜の結晶化前と後との領域３における反射率の相関を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置におけるＡｌＮからなる第１の保護膜の膜厚が４ｎｍの場合の端面反射率のＡｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜の膜厚依存性を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置におけるＡｌＮからなる第１の保護膜の膜厚が２０ｎｍの場合の端面反射率のＡｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜の膜厚依存性を示すグラフである。
【図１３】本発明の一実施形態に係る、ＡｌＮからなる第１の保護膜の消衰係数とＣＯＤレベルの低下量との相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（一実施形態)
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光装置は、厚さが約８０μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型基板１０の主面上に順次形成された、厚さが１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１１、厚さが０．０１６μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１２、ウエル層が７ｎｍでバリア層が１３ｎｍのＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１３、厚さが０．０６μｍのＩｎＧａＮからなる光ガイド層１４、厚さが０．１μｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型光ガイド層１５、厚さが０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１６及び厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１７を有している。以下、これらのｎ型クラッド層１１からｐ型コンタクト層１７の各半導体層を積層構造体４０と呼ぶ。なお、上記の各半導体層における膜厚は一例に過ぎず、本実施形態はこれに限定されない。
【００２９】
積層構造体４０のうち、ｐ型クラッド層１６の一部及びｐ型コンタクト層１７は、共振器の長手方向に沿って伸びるリッジストライプ形状に加工されている。リッジストライプ部の幅は例えば１．４μｍ程度であり、共振器長は例えば８００μｍであり、チップ幅は例えば２００μｍである。
【００３０】
リッジストライプ部の上面には、ｐ型コンタクト層１７と接するようにパラジウム（Ｐｄ）／白金（Ｐｔ）からなるｐ側コンタクト電極１９が形成されている。また、リッジストライプ部の上面を除くｐ型クラッド層１６の露出部分には、誘電体膜１８が形成されており、リッジストライプ部のｐ側コンタクト電極１９の上及び誘電体膜１８の上には、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなるｐ側配線電極２０が形成されている。また、基板１０における積層構造体４０の反対側の面（裏面）上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側コンタクト電極２１が形成されている。
【００３１】
図示はしていないが、共振器の前端面である出射端面には、低反射膜である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）／酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる前端面コート膜が形成されている。また、共振器の後端面である反射端面には、高反射膜である、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とその上に６周期分が積層された二酸化珪素（ＳｉＯ２）／二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とからなる後端面コート膜が形成されている。
【００３２】
以下、前記のように構成された窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する。
【００３３】
まず、窒化物半導体発光装置を構成する積層構造体４０を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いてｎ型基板１０の主面上に結晶成長により形成する。
【００３４】
次に、例えばプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法等を用いて積層構造体４０の上面に、リッジストライプ構造を形成するためのマスクとして使用するＳｉＯ２等からなるマスク膜を形成し、リソグラフィ法により、マスク膜におけるリッジストライプ部を除く領域をフッ酸（ＨＦ）等を用いてエッチングする。リッジストライプ部に残ったマスク膜を用いて、例えばＩＳＭ（Inductively Super Magnetron）ドライエッチング装置等によっり、ｐ型クラッド層１６の途中までエッチングして、リッジストライプ部を形成する。その後、マスク膜を除去し、続いて、積層構造体４０の上の全面に例えばＳｉＯ２等からなる誘電体膜１８を形成する。その後、リッジストライプ部のみをリソグラフィ法により開口し、誘電体膜１８をフッ酸（ＨＦ）等を用いてエッチングする。これにより、誘電体膜１８が電流阻止層として形成される。続いて、金属蒸着法により、ｐ側コンタクト電極１９となるＰｄ／Ｐｔからなる金属膜を形成し、その後、リフトオフ法によりリッジストライプ部の上面を除く金属膜を除去することにより、ｐ側コンタクト電極１９を形成する。さらに、金属蒸着法により、ｐ側コンタクト電極１９を含む誘電体膜１８の上にｐ側配線電極２０を形成する。
【００３５】
次に、ｎ型基板１０の裏面を研磨して厚さが約８０μｍになるまで削った後、金属蒸着法により、研磨された裏面上にｎ側コンタクト電極２１を形成する。以上の工程により図１に示すような積層構造体４０を形成することができる。
【００３６】
次に、スクライブ装置及びブレーキング装置等により、ｎ型基板１０の面方位の（１０１−０）面に沿って一次劈開を行う。なお、本明細書においては、面方位のミラー指数に付した負符号”−”は該負符号の直前のミラー指数の反転を便宜的に表している。本実施形態においては、前述したように、長さが８００μｍの共振器を形成する。この際に、粘着シートの上に劈開前のウェハ状の複数の発光装置を保持し、また複数の発光装置の上面にも保護シートを貼付することにより、ウェハ状の発光装置を保護した状態で劈開を行う。従って、発光装置の共振器端面は一次劈開を実施する際に、粘着シート及び保護シートで挟まれた雰囲気にさらされており、さらに、一次劈開を実施した後には、粘着シート等に触れる可能性がある。このため、該粘着シート等に含まれる成分が共振器の端面に付着することが考えられる。粘着シート等に含まれる成分としてはシロキサン系の成分があり、シロキサンには珪素（Ｓｉ）が含まれているため、共振器端面に珪素が付着することにより、ＧａＮ系窒化物発光装置の長期信頼性に大きな影響を与えるおそれがある。よって本実施形態においては、珪素を含まない粘着シート及び保護シートを用いて、一次劈開を行う。
【００３７】
続いて、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置を用いて、一次劈開により得られた複数の発光装置を含むレーザバーの各共振器端面に、誘電体膜からなる保護膜を形成する端面コート工程について説明する。
【００３８】
図２にＥＣＲ装置の断面構造を示す。ＥＣＲ装置は、ＥＣＲプラズマを発生させるプラズマ室１０４、プラズマ室１０４と接続され、プラズマが導入される成膜室１０５、成膜室１０５に保持されたターゲット材１１０、及びプラズマ室１０４の周囲に設けられ、磁場を生成する複数の磁気コイル１１２を備えている。ターゲット材１１０は、高周波（Radio Frequency：ＲＦ）電源１１３と接続されており、スパッタ量がＲＦ電源１１３により制御される。本実施形態においては、ターゲット材１１０には高純度のアルミニウム（Ａｌ）を用いている。
【００３９】
プラズマ室１０４には、成膜室１０５と反対側に導入窓１０６が設けられており、マイクロ波導入口１０３から導入されたマイクロ波が導入窓１０６を通じてプラズマ室１０４に導入される。プラズマ室１０４において、導入されたマイクロ波と磁気コイル１１２により生成された磁場とによってＥＣＲプラズマが生成される。
【００４０】
成膜室１０５は、排気口１０２を通じて真空排気され、さらにガス導入口１０１を通じて、アルゴン（Ａｒ）ガス、酸素（Ｏ２）ガス及び窒素（Ｎ２）ガスが導入される。成膜室１０５の内部には、プラズマ室１０４と対向する位置に試料台１１１が配置されている。試料台１１１の上には、一次劈開されたレーザバーが共振器端面をＥＣＲプラズマに照射されるように成膜室１０５に搬入されて保持される。プラズマ室１０４の内側は、ＥＣＲプラズマからプラズマ室１０４が保護されるように、石英からなる部材で覆われている。すなわち、プラズマ室１０４の内側を覆う石英部材として、エンドプレート１０７、インナーチューブ１０８及び該インナーチューブ１０８の上下に窓プレート１０９がそれぞれ設けられている。
【００４１】
なお、端面コート膜を形成する前に、Ａｒガスからなるプラズマクリーニングを行うことにより、共振器端面の清浄化処理を実施することが好ましい。清浄化処理は、ＥＣＲ装置においてターゲット材１１０にバイアス電圧を印加しない状態で、プラズマ照射のみを行うと、ターゲット材１１０がスパッタされない状態となる。すなわち、無バイアス状態でプラズマを発生させることによって、清浄化処理を行うことができる。なお、清浄化処理は、Ａｒガスのみでなく、ＡｒガスとＮ２ガスとの混合ガスで行ってもよい。
【００４２】
まず、出射端面側の保護膜（前端面コート膜）について図３（ａ）を用いて説明する。図３（ａ）は共振器の長手方向に平行な方向の出射端面側の部分的な断面構成を示している。保護膜を形成する前に、前述した清浄化処理を行い、その後、ＡｒガスとＮ２ガスとを成膜室１０５に導入してプラズマを発生させ、ターゲット材１１０に所定のバイアス電圧を印加することにより、積層構造体４０の共振器端面３０に第１の保護膜３１として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を堆積する。
【００４３】
次に、第１の保護膜３１を成膜した後に、ＡｒガスとＯ２ガスとを、第１の保護膜３１を成膜した成膜室１０５に導入し、同様の方法で第２の保護膜３２として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を堆積する。なお、本実施形態においては、第１の保護膜３１及び第２の保護膜３２として、それぞれＡｌＮ膜及びＡｌ２Ｏ３膜を形成するためのターゲット材１１０はアルミニウム（Ａｌ）であり、従って、Ａｌターゲット室で成膜する。
【００４４】
第１の保護膜３１であるＡｌＮ膜を成膜する際に、図４に示すように窒素（Ｎ２）ガスの分圧が高い状態で成膜することにより、成膜レートを低減することができる。成膜レートを低減することにより、共振器端面の結晶軸の状態が反映されなくなって、ＡｌＮ膜が成長しやすい結晶軸での成長モードが支配的になる。これにより、窒化物半導体からなる積層構造体４０の共振器端面３０に対して結晶軸が９０°異なるｃ軸方向（＝［０００１］方向）に配向した結晶膜を得ることができ、より緻密な膜構成を実現することができる。このように、出射端面側の第１の保護膜３１をｃ軸配向したＡｌＮ結晶膜とすることにより、構成原子間のボンド長が短く、且つ膜質が緻密であることから、レーザ動作中の共振器端面３０と第１の保護膜３１との界面への酸素の透過を抑制することが可能となる。
【００４５】
その上、Ｎ２分圧が高い、すなわちＡｒ分圧が低い成膜条件であるため、プラズマ室１０４内のＡｒガスによるプラズマダメージが抑制され、石英部材（エンドプレート１０７、インナーチューブ１０８及び窓プレート１０９）のエッチングによる磨耗を抑制することができる。この摩耗は、Ａｒの分圧が高い場合には、Ａｒの質量が比較的に大きいため、各石英部材がプラズマにさらされてエッチングが進行することに生じる。従って、本実施形態においては、Ａｒの分圧を低く設定できるため、各石英部材の主成分である珪素（Ｓｉ及び酸素（Ｏ）の共振器端面３０と第１の保護膜３１との界面への付着を抑制できる。このことから、界面に酸化珪素（ＳｉＯｘ）が形成される等によるレーザ光の光吸収を抑制することができ、共振器端面３０の発熱及び劣化の誘発を抑制することが可能となる。
【００４６】
ここで、ＡｌＮからなる第１の保護膜３１の膜厚は、４ｎｍ以上且つ２０ｎｍ以下に設定することが望ましい。ＡｌＮ膜の膜厚を４ｎｍ以上とすることにより、ＡｌＮ膜の膜厚ばらつきによる共振器端面３０の酸素透過性ばらつきを抑制でき、特にＣＯＤレベルのばらつきを抑制することが可能となる。また、ＡｌＮ膜の膜厚を２０ｎｍ以下とすることにより、ＡｌＮ膜が有する消衰係数によるレーザ光の吸収を低減でき、レーザ動作中のＣＯＤレベルの低下を膜厚が厚い場合よりも小さくすることが可能となる。本実施形態においては、第１の保護膜３１の膜厚を１０ｎｍとしている。
【００４７】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる第２の保護膜３２の膜厚は、出射端面（前端面）における反射率が８％以上且つ１３％以下となるように設けることが望ましい。反射率を低くすると、本発光装置を光ピックアップに用いる際に大きな課題となる戻り光ノイズが発生する。光ピックアップの設計にもよるが、戻り光ノイズの観点からは、図５に示すように相対雑音強度（ＲＩＮ）は−１２５ｄＢ／Ｈｚ以下とする必要があるため、前端面の反射率は８％以上とすることが望ましい。また、前端面の反射率を高くすると、閾値電流値が低減する等の利点が多くなるものの、共振器における光出射部分の光密度が大きくなってしまう。このため、高出力動作を実現するために必須である、動作初期のＣＯＤレベルを十分に高い状態に設定する必要がある。すなわち、図６に示すように、例えばＣＯＤレベルとして１０００ｍＷを実現するには、端面反射率は１３％以下が望ましい。従って、本実施形態においては、動作初期の反射率が１２％となるように、第２の保護膜３２の膜厚は１４５ｎｍとしている。
【００４８】
ところで、青紫レーザ光は光エネルギーが強く、且つ、第２の保護膜３２を構成するＡｌ２Ｏ３の結晶化温度が低いことから、長時間のレーザ光の照射によって、特にエネルギーが高いと考えられる第２の保護膜３２の最表面の大気との界面に、Ａｌ２Ｏ３の結晶化による変質が生じるという問題がある。第２の保護膜３２の結晶化による変質は、特に青紫レーザ光の発振波長の範囲内で顕著であるものの、発振波長によらず発生するため、発光装置の発振波長は限定されない。なお、本実施形態においては、本発光装置の発振波長は４０５ｎｍとしている。
【００４９】
図７に、第１の保護膜３１を構成するＡｌＮと、第２の保護膜３２を構成するＡｌ２Ｏ３とにおける共振器端面の反射率のＡｌ２Ｏ３の膜厚依存性を示す。ここで、ＡｌＮの膜厚は１０ｎｍとしている。また、Ａｌ２Ｏ３が結晶化する前の屈折率（ｎ１：例えば１．６６）における第１の端面反射率をＲｆ（ｎ１）とし、長時間のレーザ動作によるＡｌ２Ｏ３が厚さ方向に完全に結晶化した後の屈折率（ｎ２：例えば１．７６）における第２の端面反射率をＲｆ（ｎ２）としている。
【００５０】
また、図８には、第２の保護膜３２を構成するＡｌ２Ｏ３が大気側（外側）から５０ｎｍの領域が結晶化した場合の共振器端面の反射率のＡｌ２Ｏ３の膜厚依存性を示す。他の条件は、図７と同様である。
【００５１】
図７及び図８に示すように、上記の屈折率差の範囲内であれば、Ａｌ２Ｏ３の結晶化が生じることにより反射率が増加する領域においては、微分効率（Ｓｅ）が低下し、閾値電流値（Ｉth）も低下する。逆に、反射率が低減する領域においては、微分効率（Ｓｅ）が増加し、且つ閾値電流値（Ｉth）も増加する。また、Ａｌ２Ｏ３の膜厚の値によっても、長時間のレーザ動作後の微分効率及び閾値電流値の増減が変化する。
【００５２】
本実施形態においては、温度が７０℃で光出力が１６０ｍＷの連続通電発光（ＣＷ）であって、１６０ｍＷという高光出力条件下においては、閾値電流値（Ｉth）の変化よりも微分効率（Ｓｅ）の変化の方が、より駆動電流（Ｉop）に与える影響が大きい。このため、連続通電発光の前後の動作電流変化率（ΔＩop）は、反射率が増加する領域では増大し、反射率が低減する領域では低下することになる。
【００５３】
また、各膜厚の領域１〜５において、Ａｌ２Ｏ３の結晶化は徐々に生じており、端面反射率は単調に変化していくため、連続通電発光時の動作電流変化率（ΔＩop）の変化を抑制するには、反射率が低減する領域にＡｌ２Ｏ３の膜厚を設定する必要がある。従って、本実施形態においては、図７に示す領域３に属する１４５ｎｍとしている。
【００５４】
ここで、図９（ａ）〜図９（ｅ）に、図７において初期の反射率が１２％となるように、ＡｌＮからなる第１の保護膜３１の膜厚を１０ｎｍとし、Ａｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜３２（Ａｌ２Ｏ３）の膜厚を、それぞれ２２ｎｍ（領域１）、９０ｎｍ（領域２）、１４５ｎｍ（領域３）、２１５ｎｍ（領域４）及び２６５ｎｍ（領域５）とした各領域１〜５のそれぞれの場合の、温度が７０℃で光出力が１６０ｍＷの連続通電発光条件での動作電流変化率（ΔＩop）のエージング時間依存性を示す。ここで、各領域１〜５は、Ａｌ２Ｏ３の結晶化前の初期のピークトゥピークの範囲とする。
【００５５】
図９（ａ）〜図９（ｅ）に示すように、領域１、２、４及び５においては、急激な動作電流の増加による発振停止（急速劣化）が発生しており、また、領域２、４においては、一部のデバイスで急速劣化が発生しており、動作電流変化率（ΔＩop）が大きい。これに対し、領域３においては、急速劣化は発生していないことが分かる。なお、急速劣化はいずれも共振器端面の破壊により生じている。
【００５６】
以下、図９（ａ）、（ｂ）、（ｄ）及び（ｅ）に示した、各領域１、２、４及び５で生じた急速劣化の原因について考察する。
【００５７】
まず、酸素の拡散に関して考察する。
【００５８】
酸素の拡散は、第１の保護膜３１として、ｃ軸配向したＡｌＮ膜を用いることにより大幅に低減はされるものの、大気から第２の保護膜３２及び第１の保護膜３１を通して共振器端面３０に進行するため、第１の保護膜３１及び第２の保護膜３２の各膜厚も大きく影響する。第２の保護膜３２は、領域１及び領域２においては、酸素の拡散を抑制するには膜厚が不足しており、共振器端面３０での急速劣化が発生していると考えられる。
【００５９】
続いて、応力に関して考察する。
【００６０】
第１の保護膜３１を構成するＡｌＮは窒化物であるため、極めて大きい応力（引張応力）を有しており、ＡｌＮの単体ではこの応力のために、共振器端面３０に対して短時間で急速劣化が発生することが分かっている。従って、第２の保護膜３２を設けることは必須である。ここで、応力として、ＡｌＮと同じ引張応力を有する、例えばＳｉＯ２等を用いた場合は、共振器端面３０への応力がさらに増すため、該共振器端面３０にはやはり急速劣化が発生する。また、領域４及び領域５のように、圧縮応力を有するＡｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜３２を比較的に厚く形成した場合は圧縮応力が強くなり、共振器端面３０への応力によって、図９（ａ）、（ｂ）、（ｄ）及び（ｅ）に示すような、急速劣化が発生すると考えられる。
【００６１】
以上から、このような現象は、Ａｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜３２が動作中に結晶化し、その過程で酸素の拡散が促進されたり、積層構造体４０の光出射領域に対して局所的に応力が加わることが原因であると推察される。このように、酸素の拡散及び応力の観点から、長期信頼性を確保するには、Ａｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜３２の膜厚には制限が必要なことが分かる。なお、図９（ｃ）に示した領域３においては、設定反射率が８％から１３％の範囲では、Ａｌ２Ｏ３の膜厚は１４５ｎｍに限られず、同様に良好な動作を示し、急速劣化が生じないことを確認している。
【００６２】
なお、図７及び図８から分かるように、領域２及び領域４においては、長時間の動作後の第２の反射率Ｒｆ（ｎ２）は初期設定の第１の反射率Ｒｆ（ｎ１）よりも高くなり、容易に１３％以上となる。このため、共振器端面３０の光密度が上昇して端面劣化が促進される。従って、動作電流の上昇率及び急速劣化が生じる確率が増すため、信頼性を保証する上で好ましくない。一方、領域３においては、長時間の動作後の第２の反射率Ｒｆ（ｎ２）は初期設定の第１の反射率Ｒｆ（ｎ１）よりも低くなる傾向を示す。
【００６３】
さらに、図１０に示すように、第１の反射率Ｒｆ（ｎ１）が１１．５％から１３．０％の範囲であれば、第２の反射率Ｒｆ（ｎ２）が８％よりも低くなることはない。従って、第１の保護膜３１を構成するＡｌＮ及び第２の保護膜３２を構成するＡｌ２Ｏ３の各膜厚を適当な値に設定することにより、長期にわたって８％から１３％の反射率を維持することが可能となる。すなわち、第２の保護膜３２の膜厚を領域３（λ／２ｎ１＜ｔ＜３λ／４ｎ１）（但し、λはレーザ光の発振波長である。）に設定することが、本実施形態に係る半導体発光装置における長期信頼性の確保に有効であり望ましい。
【００６４】
図１１に第１の保護膜３１を構成するＡｌＮの膜厚を４ｎｍとした場合の共振器端面の反射率のＡｌ２Ｏ３の膜厚依存性を示す。また、図１２に第１の保護膜３１を構成するＡｌＮの膜厚を２０ｍとした場合の共振器端面の反射率のＡｌ２Ｏ３の膜厚依存性を示す。いずれも他の条件は、図７と同様としている。
【００６５】
図１１及び図１２から分かるように、いずれの場合においても、端面反射率は８％以上且つ１３％以下を満たすことができ、また、領域３においてはＡｌ２Ｏ３が結晶化した場合に端面反射率は低下する。
【００６６】
図１１から分かるように、第１の保護膜３１を構成するＡｌＮの膜厚を４ｎｍ以上とすることにより、ＡｌＮが結晶であること、及び光密度が高い共振器端面３０から結晶化しやすいＡｌ２Ｏ３を遠ざけることができるため、第１の保護膜３１の結晶化を抑制することができる。さらに、本実施形態においては、第２の保護膜３２における大気側からの結晶化だけを考慮すればよく、第１の保護膜３１の膜厚は４ｎｍ以上且つ２０ｎｍ以下に設定することにより、図１及び図７に示した窒化物半導体発光装置と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
また、ＡｌＮからなる第１の保護膜３１の消衰係数は、０．００５以下であることが望ましい。第１の保護膜３１の消衰係数を０．００５以下に設定することにより、第１の保護膜３１における光透過部分の光の吸収を低減することができる。その結果、図１３に示すように、レーザ動作中のＣＯＤレベル低下を３００ｍＷ以下に抑制することが可能となる。ここで、レーザ動作条件は、温度が７０℃で、光出力が１６０ｍＷで３００時間の連続通電（ＣＷ）である。また、図１３における「試作１」と「試作２」との相違点は、第１の保護膜３１における消衰係数のみである。
【００６８】
次に、反射端面側の後端面コート膜（反射膜）について説明する。
【００６９】
出射端面側と同様に、共振器の反射端面に設ける反射膜を形成する前には、清浄化処理を行う。その後、図２に示すＥＣＲ装置における成膜室１０５にＡrガスとＯ２ガスとを導入して、第１の保護膜として、例えばＡｌ２Ｏ３膜を堆積する。続いて、成膜室１０５を変更し、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２を６周期分積層した多層膜からなる反射膜を形成し、最表面をＺｒＯ２膜で終端する。ここで、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の各膜厚を適当に調整することにより、レーザ光に対する反射率を９０％以上とする。なお、反射端面側の反射膜におけるＡｌ２Ｏ３が結晶化してその屈折率が変化したとしても、レーザ光の反射率にはほとんど影響はない。
【００７０】
また、図３（ｂ）に示すように、反射端面に設ける反射膜の構成として、前端面コート膜と同様に、共振器端面（反射端面）とＡｌ２Ｏ３膜との間に、第３の保護膜３１ＡとしてＡｌＮ膜を設けてもよい。すなわち、第３の保護膜３１ＡをＡｌＮとし、第４の保護膜３２ＡをＡｌ２Ｏ３とし、第５の保護膜３３としてＳｉＯ２及びＺｒＯ２を積層した多層膜とし、最表面をＳｉＯ２で終端した終端膜３４からなる反射膜としてもよい。
【００７１】
このように、反射端面に設ける反射膜においても、第３の保護膜３１ＡとしてＡｌＮを用いることにより、第４の保護膜３２ＡであるＡｌ２Ｏ３の共振器端面側の結晶化を抑制することができる。その上、共振器端面への酸素の透過を抑制することができるため、レーザ動作中に反射端面側で発生する共振器端面の劣化を防止することが可能となる。また、反射膜の最表面にＳｉＯ２からなる終端膜３４を設けることにより、以下の［表１］に示すような、結晶化温度が低いＺｒＯ２を終端膜とすることによる大気界面での結晶化を防ぐことができ、本発光装置は安定したレーザ動作を実現することができる。
【００７２】
【表１】
2011060932.tif 000003
【００７３】
続いて、複数の発光装置が含まれるレーザバーを二次劈開して個片とすることにより、レーザチップを得る。
【００７４】
次に、実装工程について説明する。前述したレーザチップを半田材が配された、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）からなるサブマウントの上に固着し、その後、ステムの上に実装する。続いて、電流供給用の金（Ａｕ）からなるワイヤをｐ側配線電極２０と、ｎ側コンタクト電極２１と接続されるサブマウントの配線電極とにそれぞれ接続する。その後、レーザチップを外気と遮断するために、レーザ光取出し窓が設けられたキャップを融着し、窒化物半導体発光装置を得ることができる。
【００７５】
本実施形態により得られた窒化物半導体発光装置を室温で動作させたところ、閾値電流が３０ｍＡ、スロープ効率が１．５Ｗ／Ａ、発振波長が４０５ｎｍであり、連続発振（ＣＷ）することを確認している。また、高温且つ高出力条件（７０℃、１６０ｍＷ）でＣＷ駆動による信頼性試験を実施したところ、１０００時間以上も安定した動作が可能であることも確認している。
【００７６】
なお、本実施形態に係る半導体発光装置における発振波長は、３９５ｎｍから４２０ｎｍまでの範囲がより好ましい。
【００７７】
以上、本実施形態に係る半導体発光装置は、共振器端面に設ける保護膜の構造をＡｌＮからなる第１の保護膜３１とＡｌ２Ｏ３からなる第２の保護膜３２との積層構造とし、第２の保護膜であるＡｌ２Ｏ３膜の膜厚ｔをλ／２ｎ１＜ｔ＜３λ／４ｎ１とし、且つ、出射端面における端面反射率をＲｆ（ｎ２）＜Ｒｆ（ｎ１）（ここで、ｎ１は初期の屈折率であり、ｎ２は結晶化後の屈折率である。）に設定している。これにより、共振器端面とＡｌＮからなる第１の保護膜３１との界面に生じる酸化及び応力が大きく抑制されて、レーザ動作中の端面劣化を抑制できる。このため、発光装置における信頼性及び耐久性を飛躍的に向上することができるので、例えば、２層４倍速以上で記録可能なBlu-ray Discに適用できる１６０ｍＷ以上の高出力動作が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る窒化物半導体発光装置は、共振器端面と第１の保護膜の界面における酸化及び応力を抑制でき端面劣化を制限できるので、長時間の高出力レーザ動作に耐えうる端面保護膜を得ることができ、光ピックアップ光源を中心とする窒化物半導体発光装置等に有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１０    ｎ型基板
１１    ｎ型クラッド層
１２    ｎ型光ガイド層
１３    多重量子井戸活性層（発光層）
１４    光ガイド層
１５    ｐ型光ガイド層
１６    ｐ型クラッド層
１７    ｐ型コンタクト層
１８    誘電体膜
１９    ｐ側コンタクト電極
２０    ｐ側配線電極
２１    ｎ側コンタクト電極
３０    共振器端面
３１    第１の保護膜
３２    第２の保護膜
３１Ａ  第３の保護膜
３２Ａ  第４の保護膜
３３    第５の保護膜
３４    終端膜
４０    積層構造体
１０１  ガス導入口
１０２  排気口
１０３  マイクロ波導入口
１０４  プラズマ室
１０５  成膜室
１０６  導入窓
１０７  エンドプレート
１０８  インナーチューブ
１０９  窓プレート
１１０  ターゲット材
１１１  試料台
１１２  磁気コイル
１１３  ＲＦ電源
【図１】
2011060932.tif 000004
【図２】
2011060932.tif 000005
【図３】
2011060932.tif 000006
【図４】
2011060932.tif 000007
【図５】
2011060932.tif 000008
【図６】
2011060932.tif 000009
【図７】
2011060932.tif 000010
【図８】
2011060932.tif 000011
【図９】
2011060932.tif 000012
【図１０】
2011060932.tif 000013
【図１１】
2011060932.tif 000014
【図１２】
2011060932.tif 000015
【図１３】
2011060932.tif 000016