氮化物半導體發光器件的製作方法

2023-04-24 13:15:56

專利名稱：氮化物半導體發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種設置有III-V族氮化物半導體層以及設置有形成在其腔的端面 上的端面塗覆膜的氮化物半導體發光器件。
背景技術：
近年，由於對光碟不斷增加的高密度存儲能力的需要，人們已經擬定了使用藍色 半導體雷射的藍光碟(BD)和高密度DVD(HD-DVD)的標準，並且已經有了用於它們的商用解 碼器等。這些新近開發的盤提供了更高的密度(通過更易於形成雙層盤)以及允許快速的 寫入。然而，為了獲益於這些優點，需要使用高度可靠、高輸出的藍色半導體雷射器。通常，從⑶和DVD重放和對其的寫入通過使用AlGaAs基或InGaAlP基半導體激 光器實現，其中為了防止腔端面的退化和防止對腔端面的光學損傷，對腔端面塗敷了比如 Si02、Si3N4、氧化鋁等的電介質膜。但是，不利的是，已經確認在藍色半導體雷射器中使用該 技術將導致驅動電流的快速增加。這就必需塗敷技術的改進。JP-A-2002-335053認為導致端面退化的一個原因就是端面塗敷膜較差的粘附，並 提出了使用置於之間的金屬粘附層在腔端面上形成端面塗敷膜。然而，不利的是，使用金屬膜作為粘附層導致腔端面上pn結處的短路，還導致光 吸收的增加。由於氮化物半導體雷射器以短激發波長工作，並且其發射的光具有高的能量， 因此即使是略微的光吸收也使得發射端面退化，使得不能實現光輸出高於IOOmW的高輸出 器件。另一方面，從避免Pn結處的短路和減小光吸收的觀點來看，需要膜厚度為IOnm以下， 更優選的為5nm以下，特別優選的為2nm以下。這涉及膜厚度控制困難，導致產率下降。其他的不利之處在於，當氧化物形成的端面塗敷膜直接形成在腔端面上，或者在 之間具有形成為粘附層的金屬層，包含在端面塗敷膜中的氧會氧化了腔端面或粘附層，由 此降低了雷射的激發效率。這不但增加了工作電壓和功耗，而且導致低的壽命。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種氮化物半導體發光器件，該氮化物半導體發光器件 通過提供將腔端面與包含在氧化鋁形成的端面塗覆膜中的氧分隔開的隔離層而具有高的 可靠性和高的製造效率，該氮化物半導體發光器件因此不需要形成金屬粘附層時所要求的 膜厚度的精確控制，儘管該金屬粘附層在腔端面和端面塗覆膜之間提供了足夠的粘附。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種氮化物半導體發光器件， 其包括III-V族氮化物半導體層；設置在III-V族氮化物半導體層中的腔；以及在腔的端 面上形成的端面塗覆膜。這裡，端面塗敷膜具有在其面對腔的端面的一側上的氧化鋁層。而 且，在端面塗覆膜和腔的端面之間設置由氮化鋁形成的隔離層；以及隔離層具有Inrn以上且20nm以下的厚度。通過該結構，在由氮化鋁形成的隔離層和具有與隔離層接觸的氧化鋁(也含有 鋁)的端面塗覆膜之間的界面上發生氮原子和氧原子的互擴散。這在隔離層和端面塗覆膜 之間得到了好的粘附性，由此允許端面塗覆膜經隔離層牢固地結合到腔端面上。形成隔離 層的氮化鋁的至少部分是非晶態的。這使得比涉及完全結晶時易於製造。而且，在隔離層 中使用不含氧的氮化鋁有助於將端面從含在端面塗覆膜之間的氧分隔開，由此有助於防止 端面氧化。當假設20nm以下的層厚時，可以形成很好狀況的隔離層而沒有產生裂紋。當將氮 化鋁膜形成在分裂氮化物半導體所形成的腔端面上時，膜緊密地堆積，但是含有較高的內 應力，該高的內應力導致細微的裂紋和剝離。但是，該不利之處可以通過形成厚度非常薄 的為20nm以下的隔離層來克服，並且其厚度優選為IOnm以下。如果隔離層的膜厚度小於 lnm，則不能充分地形成隔離層，並且不能提供足夠的粘附。而且，由於半導體雷射器是連續 驅動的，所以熱使得包含在塗覆膜中的氧從其內側擴散到達端面，這可能損傷端面。因此， 優選隔離層具有Inm以上且20nm以下的厚度。隔離層通常通過磁控濺射工藝、等離子體化學氣相沉積(CVD)工藝或電子迴旋加 速諧振(ECR)濺射工藝製備。通常，氮化鋁通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝在 400°C以上的高溫下生長；比較而言，氮化鋁可以通過磁控管濺射工藝或ECR濺射工藝在室 溫下生長，以及通過等離子CVD工藝在200°C以下的溫度生長，因此這些工藝允許形成隔離 層而不使有源層退化。根據本發明的另一個方面，提供了一種製備氮化物半導體發光器件的方法，其包 括形成III-V族氮化物半導體層；通過分裂III-V族氮化物半導體層將III-V族氮化物半 導體層形成為腔的步驟；使用惰性氣體清洗通過分裂所形成的腔的端面的步驟；在腔清洗 後的端面上形成氮化鋁層的步驟；以及在氮化鋁層的表面上形成氧化鋁層的步驟。由於隔離層非常薄，使用惰性氣體清洗該隔離層，由此儘可能多地除去腔端面上 將形成隔離層的位置處的溼氣和氧化膜，這有助於增加對端面的粘附，並由此有助於增加 粘附的效果。優選首先通過ECR濺射使用惰性氣體的等離子體清洗腔端面，然後形成隔離 層。只要使用了惰性氣體的等離子體，則可以通過進行使用比如He、Ne、Ar或Xe的稀有氣 體或氮氣的ECR濺射就可以獲得希望的效果。


圖1是沿垂直於腔的長度方向截取的氮化物半導體晶片條的剖面圖。圖2是從腔長度側面查看的氮化物半導體雷射器條的側視圖。圖3是使用實現本發明的氮化物半導體雷射器件進行的壽命測試結果。圖4是從腔長度側面查看的第一實施方式的氮化物半導體雷射器條的另一側視 圖。圖5是示出了設置有隔離層和未設置隔離層的器件中的COD級的時間變化的圖。圖6示出了塗覆有氮化鋁膜並進行老煉的器件的端面部分的AES分析的結果。圖7是示出了提供有分隔層並進行200小時的老煉的器件的COD級與塗覆膜厚度 之間的關係的圖。
圖8A是示出了提供有6nm厚的隔離層的器件的老煉特性的圖。圖8B是示出了提供有50nm厚的隔離層的器件的老煉特性的圖。
具體實施例方式第一實施方式使用金剛石尖通過刻線和分裂，將其上形成有雷射器結構和電極的氮化物半導體 晶片劈裂為條。圖1是沿垂直於腔的長度的方向截取的氮化物半導體晶片條的剖面圖。該 氮化物半導體條100具有形成在η型GaN襯底101上的下列層，其名稱依次為m-AWalnN 緩衝層102，n-AWalnN覆層103、n-AWalnN引導層104、AlfeJnN多量子阱有源層105、 P-AlGaInN引導層106、p-AlGalnN覆層107、p-AlGalnN接觸層108。這些氮化物半導體層 可以由III-V族氮化物半導體形成。有源層105可以含有大約0. 01 %至10 %的比如As或P的V族材料。在p-AlGalnN 引導層106、ρ-ΑΚ^ΙηΝ覆層107、ρ-ΑΚ^ΙηΝ接觸層108的至少部分中，提供了沿著腔延伸 的條狀脊111。該條具有大約1. 2微米至2. 4微米的寬度，典型地為1. 8微米。ρ電極110提供來與p-AKkilnN接觸層108接觸。在ρ電極110之下，在除設置了 脊111之外的其他位置提供了絕緣膜109。因此，氮化物半導體條100具有所謂的脊條結 構。而且，在氮化物半導體條100的底面上，形成了 η電極112。圖2是從腔長度側面查看的氮化物半導體雷射器條的側視圖。在一個腔端面113 上，設置了由不含氧的六方晶體形成的隔離層115，而且在隔離層115之上，設置了端面塗 敷膜116。在另一個腔端面114上，設置了端面塗敷膜117。隔離層115由選自GaN、AKiaN、 InGaN等的材料形成。氮化物半導體條100的劈裂面形成腔端面113和114。製造過程如下。將氮化物 半導體條100固定在夾具上，送入ECR濺射機器。然後，通過Ar的ECR濺射，將前側腔端面 113的表面處理由此將其清潔，從而在表面吸附的溼氣和以天然氧化物膜形式存在的氧化 物被去除。這有助於增加腔端面113和隔離層115之間的粘附。這裡所使用的氣體可以是 任何的惰性氣體，例如除Ar之外的稀有氣體，即He、Ne或Xe，或氮氣、或氮氣和Ar的混合 氣體、或稀有氣體和氮氣的混合氣體。隨後，通過ECR濺射，在腔端面113的表面上，設置了厚度為IOnm的氮化鋁(隔離 層115)，然後，還在其上設置了單層的氧化物鋁(端面塗敷膜116)。賦予單層的氧化鋁大 約3入/如或λ/4η(其中λ表示雷射波長，η表示折射係數)的厚度以給與5%的反射率。接下來，通過Ar的ECR濺射，將後側腔端面114的表面進行處理，從而在表面吸附 的溼氣和存在的氧化物被去除。隨後，通過ECR濺射，在腔端面114的表面上，形成端面塗 敷膜117。端面塗敷膜117由總共8層構成的多層膜形成，該8層由氧化鋁/11 的四個周 期即「對」構成，每層具有λ/4η的厚度，從而總的反射率為95%。該多層膜具有作為其第 一層(腔端面114側層)的氧化鋁。然後將氮化物半導體條100分為氮化物半導體雷射器的多個單獨的晶片，之後將 它們進行封裝。使用這樣製造的氮化物半導體雷射器的樣品，進行壽命的測試，在圖3中示 出了該測試的結果。該測試是在60°C的封裝溫度下進行，同時以脈衝電流驅動這些雷射器， 從而它們以120mW的固定峰值輸出發射光。以七個樣品分別取得這些結果。如圖3所示，在整個通電周期內的驅動電流的增加要比以前小，並且平均失效時間(MTTF)大約為5000 小時(以500和1000小時的驅動電流的增加估計而得)。而且，產率沒有因為端面電流洩 漏而降低，而且在整個加電周期中驅動電流沒有表現出急劇的增加。另一方面，對於設置有傳統的金屬粘附層的雷射器，MTTF大約為3000小時，並且 在十分之五即50%的雷射器中，觀察到由於端面電流洩漏所導致的產率降低。在遭受端面 電流洩漏的雷射器中，不管它們是否進行老煉，在它們的起始特性中工作電流已經過很大。 另一方面，使MTTF退化的原因之一是驅動期間驅動電流的急劇增加這一現象。這伴隨著在 端面的光吸收、膜脫落或膜惡化所導致的腔端面的破壞性退化。當如傳統操作中使用金屬 層作為粘附層時，雖然該金屬層很薄，但是它吸收光由此導致上述退化。比較而言，根據本 發明，隔離層115不會吸收光；而且，隔離層115具有低的導電率，因此不可能導致端面電流 洩漏；另外，隔離層115在其上於腔端面113和端面塗敷膜116之間提供了優良的粘附；而 且，隔離層115防止端面塗敷膜中的氧的擴散到端面，由此防止端面的氧化。這些好處結合 起來防止了上述現象。圖4是從腔長度側面查看的第一實施方式的氮化物半導體雷射器條的另一側視 圖。在一個腔端面113上，設置了由六方晶體形成的隔離層115，而且在隔離層115的表面 上，設置了端面塗敷膜116。在另一個腔端面114上，設置了由六方晶體形成的隔離層118， 而且在隔離層118的表面上，設置了端面塗敷膜117。製造過程如下。將氮化物半導體條100固定在夾具上，送入ECR濺射機器。然後，通 過Ar的ECR濺射，將前側腔端面113的表面處理，從而將在表面吸附的溼氣和存在的氧化 物去除。隨後，通過ECR濺射，在腔端面113的表面上，設置了 20nm厚的隔離層115)， 然後，還在其上設置了單層的氧化鋁(端面塗敷膜116)。賦予單層的氧化鋁大約3 λ /4n (其 中λ表示雷射波長，η表示折射係數)的厚度以給與5%的反射率。接下來，通過Ar的ECR濺射，將後側腔端面114的表面進行處理，從而將表面吸附 的溼氣和存在的氧化物被去除。隨後，通過ECR濺射，在腔端面114的表面上，設置了 20nm 厚的由AlxGa1J (其中X = 0.2或在中的任何值)形成的隔離層118，然後，還 在其上設置了端面塗敷膜117。端面塗敷膜117是由總共8層構成的多層膜，該8層由氧化 鋁/T^2的四個周期即「對」構成，每層具有λ /4η的厚度，從而總的反射率為95%。然後將氮化物半導體條100分為氮化物半導體雷射器的多個單獨的晶片，之後將 它們封裝。使用這樣製造的氮化物半導體雷射器的樣品，在與前面所述的那些相同條件下 進行壽命的測試(省略了結果)。同樣在這些壽命測試中，在整個加電周期中驅動電流沒有 表現出急劇的增加。在第一實施方式中，隔離層115和118可以每個由可以形成六方晶體的材料形成， 例如，GaN、AWaN或hGaN。傳統上，粘結層形成為金屬層，其中端面塗敷膜通過分子間力結 合到其上，分子間力是一種較弱的結合力。比較而言，當在隔離層115和118中使用上述一 種材料時，由於這些材料具有和形成氮化物半導體層的AKialnN半導體相同的晶體結構， 所以隔離層115和118比之前更加牢固地結合到端面塗敷膜116和117以及結合到腔端面 113和114。如此，可以保持端面塗敷膜116和117與腔端面113和114通過隔離層115和 118的牢固而緊密的接觸，同時抑制當使用金屬層作為粘附層時所發生的電流洩漏和光吸 收。
在產生短波長雷射的氮化物半導體雷射器中，用於形成在腔端面113和114上的 端面塗敷膜116和117的優選的材料為氧化鋁，因為氧化鋁在大約400nm的短波長區域內 是透明的，因為它產生相對低的應力(雖然這依賴於膜形成條件)，以及因為它是熱穩定 的。因此，使用氧化鋁形成端面塗敷膜116和117可以製造適於高光輸出的氮化物半導體 雷射器。這樣，優選隔離層115和118由含有與設置在其上的端面塗敷膜116和117的材 料共同的組成元素的化合物形成。因此，用於隔離層115和118的優選的材料是含有對於 氧化鋁共同的元素鋁的化合物，比如氮化鋁。當直接在腔端面113和114上設置作為端面塗敷膜116和117的氧化鋁時，產生了 差的粘附，並且另外在氧化鋁中的氧將腔端面113和114氧化。如此氧化的腔端面113和 114已經被確認導致數量增加的非發光中心，並且因此在界面產生數量增加的熱量，導致氮 化物半導體雷射器的較差的長期可靠性及降低了突變光學損傷(COD)極。比較而言，使用 不含有氧作為組成元素的氮化鋁來形成隔離層115和118有助於保持形成端面塗敷膜116 和117的氧化鋁遠離腔端面113和114，因此有助於防止腔端面113和114的氧化，且由此 增加了氮化物半導體雷射器的長期可靠性。通常，氧化物材料(例如，氧化鋁、SiO2, TiO2, Ta2O5, Nb2O5或&02)產生了低的內 部應力，因此在氮化物半導體上設置它們的厚膜對其影響很小。比較而言，氮化物材料趨向 於產生高的內應力，並且因此在氮化物半導體上設置它們的厚膜強烈地影響了氮化物半導 體，以至使其老煉特性退化。為此，將氧化物材料設置為直接在腔端面上的端面塗敷膜從影 響內應力的觀點來看是優選的，但是實際上是不可行的，因為這樣將導致腔端面的氧化。端面塗敷膜116和117可以有含有與設置在其上的隔離層115和118的材料共同 的組成元素。端面塗敷膜116和117可以具有上述任意的氧化物和氮化物的多層結構。在隔離層115和118中，設置在腔的光出射側端面和端面塗敷膜116和117之間的 至少一個不是必要的。給定20nm以下的厚度，可以在較好的條件下設置隔離層115和118 而不會產生裂紋。隔離層115和118可以通過上述的ECR濺射工藝形成，或者可以通過等 離子CVD工藝或磁控管濺射工藝形成。通常，氮化鋁、GaN、AWaN、InGaN等通過MOCVD工藝 在400°C以上的高溫下生長；比較而言，它們可以通過磁控管濺射工藝或ECR濺射工藝在室 溫下生長，以及通過等離子CVD工藝在200°C以下的溫度生長，因此這些工藝允許形成隔離 層115和118而不使有源層105退化。第二實施方案接下來，將說明本發明的第二實施方案。除第二實施方案中隔離層僅由氮化鋁形 成之外，第二實施方案與第一實施方案相同。第二實施方案的氮化物半導體雷射器條具有如圖2所示的結構，但是隔離層115 僅由氮化鋁形成。氮化物半導體層具有和第一實施方案中相同的結構。該端面塗敷膜116 由氧化鋁形成，並且端面塗敷膜117由氧化鋁/TiO2的多層膜形成。氧化鋁是用於形成在氮化物半導體雷射器條100的腔端面113上的低反射端面塗 敷膜116的適當材料，因為它在大約400nm的短波長範圍內是透明的，因為它產生相對較低 的應力(雖然這依賴於膜形成條件)，並且因為它是熱穩定的，這些性質使得氧化鋁適於形 成產生短波長雷射的氮化物半導體雷射器中的塗敷膜。使用氧化鋁形成端面塗敷膜116使 得製造的氮化物半導體雷射器件適於在高光輸出下驅動。
而且，在第二實施方案中，由氧化鋁形成的端面塗敷膜116和其上形成有端面塗 敷膜116且由氮化鋁形成的隔離層115都含有Al作為它們共同的組成元素，並且這在端面 塗敷膜116和隔離層115之間幾個原子厚的界面層導致了 N和0的互擴散，產生AlNxOyU < 1，y < 1，和x+y = 1)。因此，即使當形成隔離層115的氮化鋁不是完全結晶的時，它也 表現出對形成端面塗敷膜116的增加的粘附。這有助於穩定氮化物半導體雷射器件的COD 級、壽命以及其它性質。因此，氮化鋁可以被完全結晶；或者其部分可以保持為非晶態，這種 情形下隔離層115可以比進行完全結晶時要容易形成。而且，如此形成的界面不會吸收光， 使得這樣的隔離層115和端面塗敷膜116的組合是一種優良的選擇。當直接在腔端面113上設置氧化鋁作為端面塗敷膜116時，得到了較差的粘附，另 外在氧化鋁中的氧將腔端面113氧化。這樣氧化的腔端面113產生了數目增加的非發光中 心，並且因此在腔端面113和端面塗敷膜116之間產生了數量增加的熱，這導致較差的長期 可靠性。比較而言，使用氮化鋁形成隔離層115有助於將形成端面塗敷膜116的氧化鋁中 的氧遠離腔端面113，因此有助於防止腔端面113的氧化，從而增加了由氮化物半導體雷射 器條100獲得的氮化物半導體雷射器件的長期可靠性。而且，在設置為氮化鋁膜的隔離層115上形成作為端面塗敷膜116的氧化鋁膜使 得Al為它們共同的元素。在該情形，通過將ECR反應濺射機器等與Al金屬靶組合使用，在 濺射期間可以通過選擇是否將氮氣或氧氣與Ar混合來改變形成的膜的類型。因此，可以無 需將氮化物半導體雷射器條100從ECR濺射機器中取出而連續地進行膜形成，因此不會將 隔離層115和端面塗敷膜116暴露於大氣。這抑制了在形成端面塗敷膜116之前在隔離層 115的表面上天然形成的氧化物的形成，以及抑制了空氣中的雜質附著到隔離層115的表 面上，因此有助於通過隔離層115增加腔端面113和端面塗敷膜116之間的粘附。接下來，將說明第二實施方案的氮化物半導體雷射器條100的製備方法。預處理將氮化物半導體雷射器條100固定在夾具上，引入到ECR濺射機器中。然後，通過 Ar的ECR濺射，處理前側腔端面113的表面從而去除吸附在表面上的溼氣和存在的氧化物。 這有助於增加腔端面113和隔離層115之間的粘附。這裡所使用的氣體可以是任何惰性氣 體，例如除Ar之外的稀有氣體，即He、Ne或Xe，或氮氣，或Ar和氮氣的混合氣體，或稀有氣 體和氮氣的混合氣體。膜形成(低反射側)接下來，將說明隔離層115和端面塗敷膜116如何在ECR濺射機器中形成。在第 二實施方案中，設置來與腔端面113接觸的形成隔離層115的氮化鋁膜具有20nm的厚度， 形成腔端面膜116的氧化鋁膜具有70nm的厚度。這裡，由於形成隔離層115的氮化鋁膜薄 至20nm，所以它對端面塗敷膜116的反射性影響很小。首先，氬氣(以20ccm的流速)和氮氣(以5至6ccm的流速)被引入到ECR濺射 機器中，並且被轉變為等離子體狀態。在ECR濺射機器中的氣壓為大約5X10_2Pa，微波功 率是500W，並且連接到Al靶的RF功率源的輸出為500W。在該狀態，當直接在夾具的之下 設置的將Al靶與ECR濺射機器分隔開的快門被打開時，開始形成作為隔離層115的氮化鋁 膜。這裡，氮化鋁膜的厚度被控制為20nm以下，例如在該實施方案中為20nm。之後，關閉快 門，並且使用Ar等離子體濺射Al靶的氮化物表面從而露出金屬表面。
之後，氬氣(以40ccm的流速)和氧氣(以6至7ccm的流速)被引入到處理腔中， 並且被轉變為等離子體狀態。在ECR濺射機器中的氣壓為大約1 X KT1Pa,微波功率是500W， 並且連接到Al靶的RF功率源的輸出為500W。在該狀態，直接在夾具之下設置的快門被打 開，氧化鋁膜待形成作為端面塗敷膜116。在入氮化物雷射器件中以大約400nm的波長產生 雷射的情形中，由於激發波長λ = 400nm和折射係數=1. 6，因此λ /4n = 62. 5nm，則氧化 鋁膜的厚度為約70nm使得它可以提供5%的反射率。這裡，以如下的方式控制膜厚度預 先在偽條等上臨時進行膜的形成，測量反射率來研究膜形成速率；然後，基於這樣研究的膜 形成速率，控制將快門保持打開的延續時間。因此具有形成在其上的低反射率端面塗敷膜 116的腔端面113為前側端面，而相對的腔端面114則為後側端面。這裡，隔離層115可以通過除ECR濺射工藝之外的方法形成；例如，它可以通過濺 射或等離子CVD工藝形成。然而，MOCVD工藝需要400°C以上的高溫，通過ECR濺射工藝在 室溫以及通過等離子CVD工藝在200°C以下的溫度下可以形成緊密堆積的膜。因此，在氮化 物半導體層的激發波長(大約300nm到600nm的波長)附近，沒有任何的光吸收發生，而且 在氮化物半導體層和隔離層115之間的界面也不會吸收光。而且，由於不需要加熱，所以在 氮化物半導體層內不會發生退化。因此，優選通過濺射、等離子CVD工藝或通過ECR濺射工 藝形成隔離層115。端面塗敷膜116可以形成為除單層氧化鋁膜之外的形式；它可以形成 不同組分的多層，只要設置來與隔離層115接觸的層是氧化鋁層即可。膜形成(高反射側)接下來，即完成端面塗敷膜116的形成之後，將夾具取出，並且這樣改變設置使得 現在可以在後側腔端面114上形成膜。然後，通過基本上與前側相同的過程形成反射率高 達95%的端面塗敷膜117。具體而言，在後側腔端面114上，就如在相反側，形成氮化鋁膜 作為隔離層118。隨後，在隔離層118上，形成端面塗敷膜117，這裡該端面塗敷膜117由4 個周期(即，對)的氧化鋁/TiO2總共8層構成多層膜形成。這些層的每個具有λ/4η的 厚度，從而總的反射率為95%。形成隔離層118的氮化鋁膜具有大約6nm的厚度。由於隔 離層118較薄，所以它對端面塗敷膜117的反射率影響很小。這裡，使用與前側上相同的隔 離層塗敷(雖然膜的厚度不同，但是預處理、膜形成條件等是相同的)有助於賦予後側腔端 面114足夠的壽命。但是，通常在後側的高反射端面塗敷膜117附近的光密度要小於前側的低反射端 面塗敷膜116附近的光密度。因此，在後側上比在前側上產生更少的熱量，使得在後側的毀 壞不太可能。因此，雖然後側隔離層118在第二實施方案中以與前側隔離層115相同的條 件形成，但是後側隔離層118可以在不同的條件下形成，或者可以是不同種類的膜(即，比 如TiO2,Ta205>Zr02,Nb2O5或Y2O5的不同的材料)。端面塗敷膜117可以由氧化鋁/Τ 02之 外的材料形成，只要它可以提供大約95%的反射率即可；例如，它可以由Si02/Ti02/Si02/ Ti02/Si02/Ti02/Si02/Ti02/Si0j^成的九層塗層形成。分離為晶片和安裝在完成形成前側和後側端面塗敷膜116和117之後，然後通過使用刻劃和分裂機 器將氮化物半導體雷射器條100分為單個晶片形式的單獨的氮化物半導體雷射器件。之 後，分離的氮化物半導體雷射器件單獨地安裝在氮化鋁、SiC等的基板上，這些基板每個然 後隨同已經安裝其上的部件單獨地安裝在主幹(Stem)上。之後，將氮化物半導體雷射器件進行引線鍵合從而可以連接到設置在主幹上的管腳上，然後在大氣中通過蓋進行密封從而 得到最終產品。具有隔離層的雷射器件與不具有隔離層的雷射器件之間的比較使用如下的每個測量在最初狀態下觀察的COD級和在200小時的老煉之後觀察 的COD級(a)如上所述製造的第二實施方案的氮化物半導體雷射器件，即，該氮化物半導 體雷射器件具有在其前側腔端面113上形成且由氮化鋁形成的隔離層115，以及還具有在 該隔離層115上由氧化鋁形成的端面塗敷膜116 ；以及(b)比較示例，具體而言一種氮化物 半導體雷射器件，其具有僅在其前側腔端面113上形成且由氧化鋁形成的端面塗敷膜，在 之間沒有隔離層。老煉是在如下的條件下進行的通過自動(即固定)功率控制(APC)驅 動，70°C的器件溫度以及60mW的輸出。COD級在如下的條件下測量使用脈衝寬度為50nm 以及50%的佔空比的脈衝，以及在室溫下進行。圖5示出了 COD級的時間變化。結果如表 1所示表 1
具有隔離層不具有隔離層初始值(mW)480180200小時之後(mW)400140這些結果表明，在老煉之前和之後，提供隔離層115有助於實現比沒有提供隔離 層時高大約三倍的COD級。提供隔離層115有助於顯著地增加COD級被認為是因為如下的原因。當劈裂氮化 物半導體時，因此包括腔端面的所得的面具有由於氮逃逸所導致的空穴等。因此，在氮化物 半導體是GaN的情形中，氮的數量小於( 的配位，這意味著，與其他位置相比，在端面處該 氮化物半導體是富( 的。如果比如氧化鋁膜的氧化物膜直接形成在該富( 面上，氮逃逸後 留下的過多的( 與氧結合形成了非發光中心等。比較而言，當氮化鋁的隔離層115形成在 該面上時，其補償已經逃逸的氮，由此變回到氮化物半導體的正常端面；而且，其防止( 的 氧化，由此允許形成具有很少非發光中心的穩定界面。而且，氮化鋁膜具有四倍於氧化鋁膜 的熱導率，因此散熱性優異，減小了端面塗敷膜116的溫度的上升，由此增強了 COD級。圖 6示出了對已經進行了 200小時老煉的根據本發明的雷射器件的端面部分所進行的成分分 析的結果，該分析通過從表面向內進行的俄歇電子光譜(AEQ觀察進行。這裡，氮化鋁具有 20nm的厚度。在圖6中，縱軸表示不同元素的組成，橫軸表示濺射時間。由於在端面塗敷 膜116的最外表面開始進行濺射，在濺射時間為0分鐘處的圖表部分對應於端面塗敷膜116 的最外表面；隨著濺射時間的流逝，圖表的不同部分首先對應於端面塗敷膜的內部，然後對 應於隔離層115，然後對應於氮化物半導體層。圖6示出了下面的情形即使在老煉測試之 後，在形成端面塗敷膜116的氧化鋁中的氧由於氮化鋁的隔離層而不能達到GaN的氮化物 半導體層的表面；因此，氮化鋁的隔離層115確實將氧與腔端面113分隔開。具有不同隔離層厚度的雷射器件之間的比較接下來，對每個具有形成為不同膜厚度的隔離層115的氮化物半導體雷射器在200小時的老煉之前和之後的COD級進行評估。在所使用的氮化物半導體器中，隔離層115 的厚度在Inm到50nm之間變化。在下面的條件下進行老煉通過APC驅動，70°C的器件溫 度以及60mW的輸出。在如下的條件下測量COD級使用脈衝寬度為50nm且佔空比為50% 的脈衝並且在室溫。確定形成端面塗覆膜116的氧化鋁膜的厚度，使得它與形成隔離層115 的氮化鋁結合表現出對405nm的波長的光的5%到10%的反射率。圖7是示出了評估結果的圖，其中橫軸表示氮化鋁膜的厚度，而縱軸表示COD級。 圖7示出了是氮化鋁膜的厚度大於20nm導致減小的COD級。如果使氮化鋁薄於Inm(在圖 7中示出了其厚0. 5nm的情形)，則形成端面塗覆膜116的氧化鋁膜不能從腔端面分離，其 結果是，氧化鋁中的氧不利地與氮化物半導體中的( 在腔端面113反應，由此產生( 的氧 化物，增加了界面上的非發光中心並且因此增加了所產生的熱量。圖8A和8B是示出了同 樣的評估的結果的圖，橫軸表示老煉的延遲時間，縱軸表示驅動電流。圖8A示出了氮化鋁 具有6nm的厚度的10個樣品的結果，圖8B示出了氮化鋁具有50nm的厚度的15個樣品的 結果。圖8A和8B給出了如下的結果在6nm厚的氮化鋁膜的情形，老煉期間的驅動電流 (Iop)上升非常緩慢，並且在壽命中沒有觀察到退化；在50nm厚的氮化鋁膜的情形，除了兩 個樣品之外，驅動電流(Iop)上升非常快速，並且在壽命中觀察到了顯著的退化。這被認為 是由於氮化鋁膜中的應力的作用的結果。隨便提及，在圖8A示出了兩個樣品中，驅動電流 從老煉開始保持為OmA ；這是由於測量設備的問題，而基本上與本發明無關。因此，這些結 果整體上顯示出形成隔離層115的氮化鋁優選具有Inm以上且20nm以下的厚度。當將氮化鋁設置在由於劈裂氮化物半導體所形成的腔端面上時，它形成了緊密堆 積的膜，但是含有高的內應力，該內應力可導致細微的裂紋和剝離。但是，該不利之處可以 通過形成厚為20nm以下的隔離層115來克服，並且其厚度優選為IOnm以下。如果隔離層 的膜厚度小於lnm，則不能充分地形成隔離層，並且不能提供足夠的粘附。因此，還出於這些 考慮，優選形成隔離層115的氮化鋁具有Inm以上且20nm以下的厚度。第一和第二實施方案涉及氮化物半導體的端面通過劈裂而形成的情形。但是，應 該理解本分發明可以同樣地用於其中這樣的端面為通過比如反應離子蝕刻(RIE)的氣相 蝕刻或使用例如氫氧化鉀(KOH)的溶液的溼法蝕刻所形成為蝕刻面(蝕刻鏡)的情形，而 不會產生其它問題。根據本發明的氮化物半導體發光器件可以應用到氮化物半導體雷射器件中，例如 獨立使用的半導體雷射器件、提供有全息器件的全息雷射器件、封裝來與用於驅動或比如 信號檢測的處理的IC相集成的光電IC器件、封裝來與波導或微光學器件集成的複合光學 器件。而且，本發明可以應用在結合了這樣的氮化物半導體雷射器件的光學記錄系統、光碟 系統、在紫外到綠光區域工作的光源系統等中。
權利要求
1.一種氮化物半導體發光器件，包括 氮化物半導體層；設置在所述氮化物半導體層中的腔； 與所述腔的端面接觸的氮化物隔離層；以及 與所述隔離層接觸的端面塗覆膜； 其中，所述端面塗敷膜是氧化物，在部分的所述隔離層中，形成有所述端面塗覆膜和所述隔離層互擴散的區域。
2.根據權利要求1的氮化物半導體發光器件，其中所述氮化物半導體層和隔離層均具有六方晶體。
3.根據權利要求1的氮化物半導體發光器件， 其中所述隔離層是氮化鋁。
4.根據權利要求1的氮化物半導體發光器件，其中在所述端面塗覆膜和所述隔離層互擴散的區域中，形成有AlNxOy，其中χ < 1，y < 1，且 x+y = 1。
5.根據權利要求1的氮化物半導體發光器件， 其中所述端面塗覆膜是氧化鋁。
全文摘要
本發明提供了一種氮化物半導體發光器件。該氮化物半導體發光器件，包括III-V族氮化物半導體層；設置在III-V族氮化物半導體層中的腔；以及在腔的端面上形成的端面塗覆膜；其中，端面塗敷膜具有在其面對腔的端面的一側上的氧化鋁層，設置在端面塗覆膜和腔的端面之間的由氮化鋁形成的隔離層；以及隔離層具有1nm以上且20nm以下的厚度。
文檔編號H01S5/20GK102136673SQ20111004110
公開日2011年7月27日 申請日期2006年10月8日 優先權日2005年10月7日
發明者川口佳伸, 神川剛 申請人:夏普株式會社