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JP2010068007A - Nitride semiconductor laser device - Google Patents

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JP2010068007A
JP2010068007A JP2009292178A JP2009292178A JP2010068007A JP 2010068007 A JP2010068007 A JP 2010068007A JP 2009292178 A JP2009292178 A JP 2009292178A JP 2009292178 A JP2009292178 A JP 2009292178A JP 2010068007 A JP2010068007 A JP 2010068007A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nitride semiconductor
face
layer
adhesion layer
semiconductor laser
Prior art date
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Pending
Application number
JP2009292178A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinobu Kawaguchi
佳伸 川口
Masafumi Kondo
雅文 近藤
Takeshi Kamikawa
剛 神川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2009292178A priority Critical patent/JP2010068007A/en
Publication of JP2010068007A publication Critical patent/JP2010068007A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light-emitting device having high reliability and high production efficiency owing to an adhesion layer which improves adhesion between an end face of a resonator and an end face coating film, without requiring control for the thickness of the coating for inhibiting a short circuit of pn junction and light absorption, unlike metal adhesion layers. <P>SOLUTION: An adhesion layer 115 made of a hexagonal crystal is laid on the end face 113 of the resonator on the frontal side of a nitride semiconductor laser bar 100 having a group III-V nitride semiconductor layer, the end face coating film 116 is laid on the adhesion layer 115, and similarly, an adhesion layer 118 made of a hexagonal crystal semiconductor layer is laid on the end face 114 of the resonator on the back side, and the end face coating film 117 is laid on the adhesion layer 118. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

III−V族窒化物半導体層と共振器の端面に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser device including a group III-V nitride semiconductor layer and an end face coating film formed on an end face of a resonator.

近年、光ディスクの記憶容量の更なる高密度化が要求されており、青色半導体レーザを使用したBD(Blu−ray Disc)やHD−DVD(High Definition DVD)の規格化およびデコーダ等の製品化が行われている。これらの新規のディスクは更なる高密度化(二層ディスク対応)および高速書込みを可能とするために、信頼性の高い高出力青色半導体レーザが必要とされている。 In recent years, there has been a demand for higher density storage capacity of optical disks, and standardization of BD (Blu-ray Disc) and HD-DVD (High Definition DVD) using a blue semiconductor laser, and commercialization of decoders, etc. Has been done. These new discs require highly reliable high-power blue semiconductor lasers in order to enable higher density (corresponding to double-layer discs) and high-speed writing.

従来のCDまたはDVDの再生および書込みを行うAlGaAs系またはInGaAlP系半導体レーザでは、共振器端面の劣化および共振器端面の光学的な損傷を防ぐためにSiO2、Si34、Al23等の誘電体膜を共振器端面にコーティングしている。この手法を青色半導体レーザに用いると、駆動電流の急速な増加が観察された。そこで、コーティング技術の改善が必要となっている。 The AlGaAs-based or InGaAlP-based semiconductor laser for reproducing and writing conventional CD or DVD, SiO 2, Si 3 N 4, Al 2 O 3 or the like in order to prevent optical damage to the degradation and the resonator end face of the cavity end face The dielectric film is coated on the end face of the resonator. When this method was used for a blue semiconductor laser, a rapid increase in drive current was observed. Therefore, it is necessary to improve the coating technology.

特許文献1には、端面劣化の原因の一つが共振器端面と端面コート膜の密着性が良好でないことにあり、共振器端面に金属の密着層を介して端面コート膜を形成する方法が提案されている。   Patent Document 1 proposes a method of forming an end face coat film on the end face of the resonator via a metal adhesion layer because one of the causes of end face deterioration is poor adhesion between the end face of the resonator and the end face coat film. Has been.

特開2002−335053号公報JP 2002-335053 A

しかしながら、密着層に金属膜を用いると、共振器端面上におけるpn接合がショートし、さらに光の吸収も大きくなる。窒化物半導体レーザにおいては、発振波長が短く光のエネルギーが大きいので、わずかな光吸収により出射端面が劣化するため、光出力が100mWを越えるような高出力のデバイスを実現することが困難である。一方、pn接合のショートおよび光の吸収を抑制する観点からは膜厚が10nm以下、より好適には5nm以下、さらに好適には2nm以下に制御する必要がある。この場合、膜厚制御の困難さが歩留り低下の原因になる。 However, when a metal film is used for the adhesion layer, the pn junction on the resonator end face is short-circuited, and the light absorption is also increased. In a nitride semiconductor laser, since the oscillation wavelength is short and the energy of light is large, the emission end face is deteriorated by slight light absorption, so that it is difficult to realize a high output device having an optical output exceeding 100 mW. . On the other hand, it is necessary to control the film thickness to 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and even more preferably 2 nm or less from the viewpoint of suppressing pn junction short circuit and light absorption. In this case, the difficulty in controlling the film thickness causes a decrease in yield.

本発明は、金属の密着層のようにpn接合のショートおよび光の吸収を抑制するための膜厚制御性を必要とせず、かつ共振器端面と端面コート膜の密着性を向上させる密着層により、信頼性、生産効率の高い窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。   The present invention does not require a film thickness controllability for suppressing pn junction short-circuit and light absorption unlike a metal adhesion layer, and provides an adhesion layer that improves the adhesion between the resonator end face and the end face coat film. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device having high reliability and high production efficiency.

上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された電極と、該窒化物半導体層に形成された共振器と、該共振器の端面に形成された密着層と、該密着層上に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
前記密着層と前記窒化物半導体層は六方晶の結晶からなり、
前記端面コート膜は、前記密着層と共通の組成元素を含むことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a nitride semiconductor laser device of the present invention includes:
Nitride semiconductor layer, electrode formed on nitride semiconductor layer, resonator formed on nitride semiconductor layer, adhesion layer formed on end face of resonator, and formed on adhesion layer In the nitride semiconductor laser device provided with the end face coating film formed,
The adhesion layer and the nitride semiconductor layer are composed of hexagonal crystals,
The end face coat film includes a composition element common to the adhesion layer.

この構成によると、密着層として六方晶の結晶を用いることにより、同じく六方晶の単結晶からなる窒化物半導体層との相性がよいため、密着層が共振器の端面に、強固に接合される。 According to this configuration, since the hexagonal crystal is used as the adhesion layer, the compatibility with the nitride semiconductor layer made of the same hexagonal single crystal is good, so that the adhesion layer is firmly bonded to the end face of the resonator. .

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記密着層がAlNであることを特徴としている。   According to the present invention, in the nitride semiconductor laser element configured as described above, the adhesion layer is AlN.

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記端面コート膜が酸化物を含んでなることを特徴としている。   According to the present invention, in the nitride semiconductor laser element configured as described above, the end face coat film includes an oxide.

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記端面コート膜がSiの窒化物の単層、またはSiの窒化物と酸化物の多層構造であることを特徴としている。   According to the present invention, in the nitride semiconductor laser device configured as described above, the end face coating film has a single layer of Si nitride or a multilayer structure of Si nitride and oxide.

また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記密着層を室温以上200℃以下の温度で成膜することを特徴としている。この構成によると、活性層を劣化させることなく密着層を形成することができる。   According to the present invention, in the nitride semiconductor laser element configured as described above, the adhesion layer is formed at a temperature of room temperature to 200 ° C. According to this configuration, the adhesion layer can be formed without degrading the active layer.

本発明によると、密着層として六方晶の結晶を用いることにより、電流のリーク及び光吸収を抑え、且つ端面コート膜を強固に共振器の端面に密着させることができる。その結果、信頼性、生産効率が向上する。 According to the present invention, by using a hexagonal crystal as the adhesion layer, current leakage and light absorption can be suppressed, and the end face coat film can be firmly adhered to the end face of the resonator. As a result, reliability and production efficiency are improved.

は、窒化物半導体レーザバーの共振器長に垂直な方向の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in the direction perpendicular to the cavity length of the nitride semiconductor laser bar. は、共振器長の横方向から見た窒化物半導体レーザバーの側面図である。FIG. 3 is a side view of a nitride semiconductor laser bar as seen from the lateral direction of the cavity length. は、窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。These are data of a life test of the nitride semiconductor laser device. は、共振器長の横方向から見た他の窒化物半導体レーザバーの側面図である。FIG. 5 is a side view of another nitride semiconductor laser bar as viewed from the lateral direction of the cavity length. は、密着層をAlNとした窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。These are the data of the lifetime test of the nitride semiconductor laser element which made the adhesion layer AlN. は、従来の窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。These are the data of the lifetime test of the conventional nitride semiconductor laser element.

レーザ構造及び電極が形成された窒化物半導体ウエハをダイヤモンドポイントによるスクライブ及びブレークの手法にてバーに劈開する。図1は、窒化物半導体レーザバーの共振器長に垂直な方向の断面図である。窒化物半導体レーザバー100は、n型GaN基板101側から順に、n−AlGaInNバッファ層102、n−AlGaInNクラッド層103、n−AlGaInNガイド層104、AlGaInN多重量子井戸活性層105、p−AlGaInNガイド層106、p−AlGaInNクラッド層107、p−AlGaInNコンタクト層108が積層されている。なお、これら窒化物半導体層にはIII−V族窒化物半導体を用いることができる。 The nitride semiconductor wafer on which the laser structure and the electrode are formed is cleaved into bars by a scribe and break technique using diamond points. FIG. 1 is a sectional view of a nitride semiconductor laser bar in a direction perpendicular to the cavity length. The nitride semiconductor laser bar 100 includes an n-AlGaInN buffer layer 102, an n-AlGaInN cladding layer 103, an n-AlGaInN guide layer 104, an AlGaInN multiple quantum well active layer 105, and a p-AlGaInN guide layer in order from the n-type GaN substrate 101 side. 106, a p-AlGaInN cladding layer 107, and a p-AlGaInN contact layer 108 are stacked. Note that a III-V nitride semiconductor can be used for these nitride semiconductor layers.

なお、活性層105にはAs、P等のV族材料が0.01〜10%程度含まれていても良い。p−AlGaInNガイド層106、p−AlGaInNクラッド層107及びp−AlGaInNコンタクト層108の少なくとも一部には、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジ111が設けられる。ストライプの幅は、1.2〜2.4μm程度、代表的には1.8μm程度である。 The active layer 105 may contain about 0.01 to 10% of a V group material such as As or P. At least a part of the p-AlGaInN guide layer 106, the p-AlGaInN cladding layer 107, and the p-AlGaInN contact layer 108 is provided with a striped ridge 111 extending in the resonator direction. The width of the stripe is about 1.2 to 2.4 μm, typically about 1.8 μm.

p−AlGaInNコンタクト層108に接してp電極110が設けられ、p電極110下部には、リッジ111部分を除いて絶縁膜109が設けられている。このように、窒化物半導体レーザバー100は、いわゆるリッジストライプ構造を有している。さらに、窒化物半導体レーザバー100の裏面側には、n電極112が形成されている。   A p-electrode 110 is provided in contact with the p-AlGaInN contact layer 108, and an insulating film 109 is provided below the p-electrode 110 except for the ridge 111 portion. Thus, the nitride semiconductor laser bar 100 has a so-called ridge stripe structure. Furthermore, an n-electrode 112 is formed on the back side of the nitride semiconductor laser bar 100.

図2は、共振器長の横方向から見た窒化物半導体レーザバーの側面図である。共振器端面113に六方晶の結晶からなる密着層115、密着層115の表面に端面コート膜116、共振器端面114に端面コート膜117が積層される。密着層115としてはZnO、AlN、GaN、BN等から選定できる。   FIG. 2 is a side view of the nitride semiconductor laser bar as seen from the lateral direction of the cavity length. Adhesion layer 115 made of hexagonal crystals is formed on resonator end face 113, end face coat film 116 is laminated on the surface of adhesion layer 115, and end face coat film 117 is laminated on resonator end face 114. The adhesion layer 115 can be selected from ZnO, AlN, GaN, BN, and the like.

窒化物半導体レーザバー100の劈開面が共振器端面113、114となる。製造方法としては、窒化物半導体レーザバー100をホルダーに固定してECRスパッタリング装置に導入する。ArのECRスパッタにて前面の共振器端面113の表面処理を行い、表面の吸着水分および自然酸化膜などの酸化物の除去を行う。この表面処理は、Ar以外にも不活性ガスであるHe、Ne、Kr、Xeや窒素ガスで行ってもよい。続いて共振器端面113の表面にECRスパッタにて厚さ10nmのZnO(密着層115)、単層のAl23(端面コート膜116)を順次成膜する。単層のAl23の厚さは反射率が5%になるように3λ/4nまたはλ/4n(λ:発振波長、n:屈折率)付近に設定されている。 The cleaved surface of the nitride semiconductor laser bar 100 becomes the resonator end surfaces 113 and 114. As a manufacturing method, the nitride semiconductor laser bar 100 is fixed to a holder and introduced into an ECR sputtering apparatus. Surface treatment of the front end face 113 of the resonator is performed by ECR sputtering of Ar to remove surface adsorbed moisture and oxides such as a natural oxide film. This surface treatment may be performed with an inert gas such as He, Ne, Kr, Xe or nitrogen gas in addition to Ar. Subsequently, ZnO (adhesion layer 115) having a thickness of 10 nm and single-layer Al 2 O 3 (end surface coating film 116) are sequentially formed on the surface of the cavity end face 113 by ECR sputtering. The thickness of the single layer Al 2 O 3 is set in the vicinity of 3λ / 4n or λ / 4n (λ: oscillation wavelength, n: refractive index) so that the reflectance is 5%.

次に、ArのECRスパッタにて背面の共振器端面114の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。続いて共振器端面114の表面にECRスパッタにて端面コート膜117を成膜する。端面コート膜117はAl23/TiO2を1周期とする4周期分、合計8層の多層膜からなり、反射率が95%になるように各層の厚さがλ/4nに設定されている。多層膜は、一層目(共振器端面114側)がAl23である。 Next, surface treatment of the resonator end surface 114 on the back surface is performed by Ar ECR sputtering to remove adsorbed moisture and oxide on the surface. Subsequently, an end face coating film 117 is formed on the surface of the resonator end face 114 by ECR sputtering. The end face coating film 117 is composed of a total of eight layers of four periods of Al 2 O 3 / TiO 2 as one period, and the thickness of each layer is set to λ / 4n so that the reflectance is 95%. ing. In the multilayer film, the first layer (resonator end face 114 side) is Al 2 O 3 .

この窒化物半導体レーザバー100を窒化物半導体レーザ素子のチップに分割し、パッケージングを行い寿命試験を行った。図3は、窒化物半導体レーザ素子の寿命試験のデータである。試験の条件は、60℃のパッケージ温度下で、120mWの一定ピーク光出力となるパルス電流駆動とした。7個のサンプルについて測定した結果をそれぞれ示している。図3に示すように、通電中の駆動電流の増加は減少し、MTTF(Mean Time To Failure;平均故障時間)は約5000時間(500、1000時間の駆動電流増加より予想)であった。そして、端面リーク電流による歩留り悪化は皆無であった。また、通電中の駆動電流の急激な増加は皆無であった。   The nitride semiconductor laser bar 100 was divided into nitride semiconductor laser element chips, packaged, and subjected to a life test. FIG. 3 shows data of a life test of the nitride semiconductor laser device. The test conditions were a pulse current drive with a constant peak light output of 120 mW under a package temperature of 60 ° C. The measurement results for 7 samples are shown. As shown in FIG. 3, the increase in drive current during energization decreased and the MTTF (Mean Time To Failure) was about 5000 hours (500, predicted from an increase in drive current of 1000 hours). And there was no yield deterioration due to end face leakage current. In addition, there was no sudden increase in drive current during energization.

一方、従来の金属密着層を設けたレーザ素子のMTTFは約3000時間、端面リーク電流による歩留り悪化は投入素子:10個中5個の50%であった。端面リーク電流が発生したレーザ素子は、エージングの有無に関わらず、初期特性として既に動作電流が大きくなっているものである。また、MTTFが悪化している原因として、駆動中に突如、駆動電流値が急激に増加する現象があり、これは、共振器端面での光吸収や、膜の剥がれ、変質により引き起こされた端面の破壊的な劣化に伴うものである。従来の金属層を密着層に用いた場合、密着層がごく薄いとはいえ、光の吸収があるために、このような劣化が引き起こされるが、本発明によれば、密着層115の光吸収がなく、また、密着層115を介した共振器端面113と端面コート膜116との間の密着性にも優れ、さらに、密着層115自体の品質にも優れるので、このような現象が防止される。   On the other hand, the MTTF of the laser element provided with the conventional metal adhesion layer was about 3000 hours, and the yield deterioration due to the end face leakage current was 50% of 5 out of 10 input elements. The laser element in which the end face leakage current is generated has an operating current already large as an initial characteristic regardless of the presence or absence of aging. Also, the cause of the deterioration of MTTF is a phenomenon in which the drive current value suddenly increases suddenly during driving. This is due to light absorption at the resonator end face, peeling of the film, and end face caused by alteration. This is accompanied by destructive deterioration of When a conventional metal layer is used for the adhesion layer, although the adhesion layer is very thin, the light absorption causes such deterioration. However, according to the present invention, the light absorption of the adhesion layer 115 is caused. In addition, since the adhesion between the resonator end face 113 and the end face coating film 116 through the adhesion layer 115 is excellent, and the quality of the adhesion layer 115 itself is excellent, such a phenomenon is prevented. The

図4は、共振器長の横方向から見た他の窒化物半導体レーザバーの側面図である。共振器端面113に六方晶の結晶からなる密着層115、密着層115の表面に端面コート膜116、共振器端面114に六方晶の結晶からなる密着層118、密着層118の表面に端面コート膜117が積層されている。   FIG. 4 is a side view of another nitride semiconductor laser bar as seen from the lateral direction of the cavity length. An adhesion layer 115 made of hexagonal crystals on the resonator end face 113, an end face coating film 116 on the surface of the adhesion layer 115, an adhesion layer 118 made of hexagonal crystals on the cavity end face 114, and an end face coating film on the surface of the adhesion layer 118. 117 is laminated.

製造方法としては、窒化物半導体レーザバー100をホルダーに固定してECRスパッタリング装置に導入する。ArのECRスパッタにて前面の共振器端面113の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。続いて共振器端面113の表面にECRスパッタにて厚さ20nmのGaN(密着層115)、単層のSiO2(端面コート
膜116)を順次成膜する。単層のSiO2の厚さは反射率が5%になるように3λ/4n(λ:発振波長、n:屈折率)付近に設定されている。
As a manufacturing method, the nitride semiconductor laser bar 100 is fixed to a holder and introduced into an ECR sputtering apparatus. Surface treatment of the front end face 113 of the resonator is performed by ECR sputtering of Ar, and adsorbed moisture and oxide on the surface are removed. Subsequently, GaN (adhesion layer 115) having a thickness of 20 nm and single-layer SiO 2 (end face coating film 116) are sequentially formed on the surface of the resonator end face 113 by ECR sputtering. The thickness of the single layer SiO 2 is set in the vicinity of 3λ / 4n (λ: oscillation wavelength, n: refractive index) so that the reflectance is 5%.

次に、ArのECRスパッタにて背面の共振器端面114の表面処理を行い、表面の吸着水分および酸化物の除去を行う。続いて共振器端面114の表面にECRスパッタにて厚さ20nmのGaN(密着層118)、端面コート膜117を成膜する。端面コート膜117はSiO2/TiO2を1周期とする4周期分、合計8層の多層膜からなり、反射率が95%になるように各層の厚さがλ/4nに設定されている。 Next, surface treatment of the resonator end surface 114 on the back surface is performed by Ar ECR sputtering to remove adsorbed moisture and oxide on the surface. Subsequently, GaN (adhesion layer 118) having a thickness of 20 nm and an end face coat film 117 are formed on the surface of the resonator end face 114 by ECR sputtering. Facet coating film 117 is 4 cycles of the SiO 2 / TiO 2 as one cycle, a multilayer film of a total of 8 layers, thickness of each layer so that the reflectance is 95% is set to lambda / 4n .

この窒化物半導体レーザバー100を窒化物半導体レーザ素子のチップに分割し、パッケージングを行い、前述した条件と同様の条件で寿命試験を行った(測定データは省略)。この場合も、通電中の駆動電流の急激な増加は皆無であった。   The nitride semiconductor laser bar 100 was divided into nitride semiconductor laser element chips, packaged, and subjected to a life test under the same conditions as described above (measurement data omitted). Also in this case, there was no sudden increase in drive current during energization.

なお、本実施形態において、密着層115、118は、透明な半導体であるZnO、AlN、GaN、BN等の六方晶の結晶であればよい。従来の密着層は金属層であり、この場合、端面コート膜は弱い結合力である分子間力で密着層に接合していたが、窒化物半導体層を形成するAlGaInN半導体と同じ結晶系である六方晶の結晶を密着層115、118に用いることにより、密着層115、118が、端面コート膜116、117および共振器端面113、114により強固に接合する。従って、金属層を密着層に用いた場合に生じていた電流のリーク及び光吸収を抑えつつ、端面コート膜116、117を、密着層115、118を介して共振器端面113、114に強固に密着させることができる。   In the present embodiment, the adhesion layers 115 and 118 may be hexagonal crystals such as ZnO, AlN, GaN, and BN, which are transparent semiconductors. The conventional adhesion layer is a metal layer. In this case, the end face coat film is bonded to the adhesion layer by an intermolecular force which is a weak bonding force, but is the same crystal system as the AlGaInN semiconductor forming the nitride semiconductor layer. By using hexagonal crystals for the adhesion layers 115 and 118, the adhesion layers 115 and 118 are firmly bonded to the end face coat films 116 and 117 and the resonator end faces 113 and 114. Therefore, the end face coat films 116 and 117 are firmly attached to the resonator end faces 113 and 114 via the adhesion layers 115 and 118 while suppressing current leakage and light absorption that are generated when the metal layer is used for the adhesion layer. It can be adhered.

密着層115、118が六方晶の結晶であることは、TEM(Transmission Electron Microscope;透過型電子顕微鏡)での観察により確認が可能である。本発明の密着層115、118は、観察像のディフラクションパターンを見ると、六方晶の回折パターンが検出される。密着層115、118が六方晶でない場合、例えば密着層115、118の共振器端面113、114に接する部分の一部がアモルファス状であると、共振器端面113、114との接合が十分に得られないため、膜剥がれの不良が起こり得る。   It can be confirmed by observation with a TEM (Transmission Electron Microscope) that the adhesion layers 115 and 118 are hexagonal crystals. In the adhesion layers 115 and 118 of the present invention, a hexagonal diffraction pattern is detected when the diffraction pattern of the observed image is viewed. When the adhesion layers 115 and 118 are not hexagonal, for example, if the part of the adhesion layers 115 and 118 that are in contact with the resonator end faces 113 and 114 is amorphous, sufficient bonding with the resonator end faces 113 and 114 can be obtained. Therefore, film peeling failure may occur.

本発明においては、密着層115、118が六方晶であることが重要であるが、ただ単に共振器端面113、114にZnO、AlN、GaN、BN等を成膜するだけでは、20nm以下という薄い膜厚において、六方晶を得ることは困難である。六方晶を得るためには、密着層115、118の成膜直前に、前述したように共振器端面113、114へのプラズマ照射により、自然酸化膜や水分といった不純物を除去し、六方晶である窒化物半導体層を完全に露出させることが有効である。他にも、成膜後に熱処理を施すことも六方晶を得るのに有効である。   In the present invention, it is important that the adhesion layers 115 and 118 are hexagonal crystals. However, simply depositing ZnO, AlN, GaN, BN, or the like on the resonator end faces 113 and 114 is as thin as 20 nm or less. In terms of film thickness, it is difficult to obtain hexagonal crystals. In order to obtain a hexagonal crystal, impurities such as a natural oxide film and moisture are removed by plasma irradiation to the resonator end faces 113 and 114 as described above immediately before the formation of the adhesion layers 115 and 118, thereby forming a hexagonal crystal. It is effective to completely expose the nitride semiconductor layer. In addition, heat treatment after film formation is effective for obtaining hexagonal crystals.

また、端面コート膜116、117は、積層する密着層115、118と共通の組成元素を含む化合物を用いることができる。例えば、ZnO等の酸素を含む密着層115、118にはAl、Si、Ti、Hf、Nb、Ta、Zr等を含む酸化物を、AlN、GaN、BN等の窒素を含む密着層115、118にはSi等を含む窒化物を用いることができる。ZnOとAl23のように酸素が共通である場合、界面数原子層にてZn、Alの相互拡散が発生し、ZnxAlyO(x<1、y<1、x+y=1)が生成し、密着層115、118と端面コート膜116、117とがより強固に密着する。 Further, for the end face coat films 116 and 117, a compound containing a composition element common to the stacked adhesion layers 115 and 118 can be used. For example, the adhesion layers 115 and 118 containing oxygen such as ZnO are made of an oxide containing Al, Si, Ti, Hf, Nb, Ta, Zr or the like, and the adhesion layers 115 and 118 containing nitrogen such as AlN, GaN, or BN. A nitride containing Si or the like can be used. When oxygen is common like ZnO and Al 2 O 3 , mutual diffusion of Zn and Al occurs in the interface number atomic layer, and Zn x Al y O (x <1, y <1, x + y = 1) Is generated, and the adhesion layers 115 and 118 and the end face coating films 116 and 117 are more firmly adhered to each other.

また、端面コート膜116、117は、上記の酸化物や窒化物の多層構造としてもよい。また端面コート膜116、117はSiの窒化物と酸化物の多層構造としてもよい。   Further, the end face coat films 116 and 117 may have a multilayer structure of the above oxides or nitrides. The end face coating films 116 and 117 may have a multilayer structure of Si nitride and oxide.

また密着層115、118は、少なくとも共振器の光出射端面と端面コート膜116、117との間に設けてあればよい。また、密着層115、118の層厚は20nm以下であればクラックが生じずに良好な膜を作製できる。また、密着層115、118は上記のようにECRスパッタリング法を用いるほかに、プラズマCVD法やマグネトロンスパッタリング法を用いてもよい。一般にZnO、AlN、GaN、BN等の六方晶の結晶はMOCVD法を用いて400℃以上の高温で成長させられるが、マグネトロンスパッタリング法又はECRスパッタリング法では室温、プラズマCVD法では200℃以下で成長可能である。従って、活性層105を劣化させることなく密着層115、118を形成することができる。   The adhesion layers 115 and 118 may be provided at least between the light emitting end face of the resonator and the end face coat films 116 and 117. Further, if the thickness of the adhesion layers 115 and 118 is 20 nm or less, a good film can be produced without causing cracks. In addition to the ECR sputtering method as described above, the adhesion layers 115 and 118 may use a plasma CVD method or a magnetron sputtering method. In general, hexagonal crystals such as ZnO, AlN, GaN, and BN are grown at a high temperature of 400 ° C. or higher using the MOCVD method, but they are grown at room temperature by the magnetron sputtering method or the ECR sputtering method, and at 200 ° C. or lower by the plasma CVD method. Is possible. Therefore, the adhesion layers 115 and 118 can be formed without degrading the active layer 105.

次に、本実施形態において密着層115が六方晶のAlNである場合について、より詳細に説明する。   Next, the case where the adhesion layer 115 is hexagonal AlN in the present embodiment will be described in more detail.

図1の構造を有する窒化物半導体レーザバー100において、密着層115として6nmの六方晶のAlの窒化物(AlN)が前面の共振器端面113および背面の共振器端面114に形成されており、前面の端面コート膜116として76nmのAlの酸化物(Al23)が形成されている。 In the nitride semiconductor laser bar 100 having the structure of FIG. 1, 6 nm hexagonal Al nitride (AlN) is formed as the adhesion layer 115 on the front resonator end surface 113 and the rear resonator end surface 114. A 76 nm Al oxide (Al 2 O 3 ) is formed as the end face coating film 116.

密着層115と端面コート膜116が共通の組成元素としてAlを有するため、端面コート膜116と密着層115との界面数原子層においてNとOの相互拡散が発生し、AlNxy(x<1、y<1、x+y=1)が生成する。このAlNxyが生成することによって、密着層115と端面コート膜116の密着性がより良好となる。密着層115および端面コート膜116の成膜方法としては、Alをターゲットとした反応性スパッタ、例えばECRスパッタリング法を用いれば、ガスを窒素から酸素に切り替えることができるため、窒化物半導体レーザバー100をECRスパッタリング装置から取り出すことなく、密着層115と端面コート膜116を大気暴露せずに連続して成膜することができる。このため、端面コート膜116を形成する前の密着層115の表面に、自然酸化膜が生成したり、空気中の不純物が付着したりすることが抑えられるため、密着層115を介した共振器端面113と端面コート膜116との密着性も向上する。 Since the adhesion layer 115 and the end face coat film 116 have Al as a common composition element, interdiffusion of N and O occurs in the atomic layer of the interface between the end face coat film 116 and the adhesion layer 115, and AlN x O y (x <1, y <1, x + y = 1). By forming this AlN x O y , the adhesion between the adhesion layer 115 and the end face coating film 116 becomes better. As a method of forming the adhesion layer 115 and the end face coating film 116, if reactive sputtering using Al as a target, for example, ECR sputtering, is used, the gas can be switched from nitrogen to oxygen. Without taking out from the ECR sputtering apparatus, the adhesion layer 115 and the end face coating film 116 can be continuously formed without being exposed to the atmosphere. Therefore, it is possible to suppress the formation of a natural oxide film or the adhesion of impurities in the air on the surface of the adhesion layer 115 before the end face coating film 116 is formed. The adhesion between the end face 113 and the end face coat film 116 is also improved.

密着層115のAlNの層厚は1nm以下であると厚さが不十分であり、端面コート膜116と共振器端面113の密着性を向上させる機能を果たさなくなる怖れがある。また、20nm以上であると応力によるクラックや膜剥がれが生じてしまう。よって、密着層115のAlNの層厚は1nm以上20nm以下であることが好ましい。前面の端面コート膜116であるAl23の膜厚は、反射率が5%となるように設定されている。この場合、窒化物系半導体レーザ素子であり、レーザ光の発振波長λ=400nm付近である。また、酸化アルミニウムの屈折率n=1.6であるため、λ/4n=62.5nmであるので、70nm程度とすることにより、5%の低反射率を実現することができる。なお、背面の端面コート膜117は、上述の場合と同じくAl23/TiO2を1周期とする4周期分、合計8層の多層膜からなり、反射率が95%になるように各層の厚さがλ/4nに設定されている。 If the AlN layer thickness of the adhesion layer 115 is 1 nm or less, the thickness is insufficient, and the function of improving the adhesion between the end face coat film 116 and the resonator end face 113 may not be achieved. On the other hand, if it is 20 nm or more, cracks and film peeling due to stress occur. Therefore, the AlN layer thickness of the adhesion layer 115 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less. The film thickness of Al 2 O 3 which is the front end coat film 116 is set so that the reflectance is 5%. In this case, it is a nitride-based semiconductor laser element, and the oscillation wavelength of the laser light is around λ = 400 nm. In addition, since the refractive index n of aluminum oxide is 1.6, λ / 4n = 62.5 nm. Therefore, by setting the thickness to about 70 nm, a low reflectance of 5% can be realized. The back end coat film 117 is composed of a total of 8 multilayer films corresponding to four periods of Al 2 O 3 / TiO 2 as in the above case, and each layer has a reflectance of 95%. Is set to λ / 4n.

この密着層115を六方晶のAlNとした窒化物半導体レーザバー100を分割して窒化物半導体レーザ素子を作製した。これらのうち、4個の窒化物半導体レーザ素子について、70℃、100mW(CW;Continuous Wave)の寿命試験を行った。その結果を図5に示す。4素子とも共振器端面の破壊的な劣化による寿命試験中の駆動電流の急激な上昇(頓死)発生は皆無であり、初期駆動電流値の1.4倍となるのに要する予想時間(300時間と400時間の増加率より算出)は、4素子平均で1984時間(各素子:1007時間、2840時間、1470時間、2620時間)と良好な特性が得られた。   The nitride semiconductor laser bar 100 in which the adhesion layer 115 is hexagonal AlN was divided to produce a nitride semiconductor laser element. Of these, four nitride semiconductor laser elements were subjected to a life test at 70 ° C. and 100 mW (CW; Continuous Wave). The result is shown in FIG. In all four elements, there is no sudden increase in drive current during the life test due to destructive deterioration of the resonator end face, and the expected time required to be 1.4 times the initial drive current value (300 hours) 4 elements averaged 1984 hours (each element: 1007 hours, 2840 hours, 1470 hours, 2620 hours), and good characteristics were obtained.

一方、従来の金属層を密着層に用いた、3個の窒化物半導体レーザ素子(密着層:3nmのAl、端面コート膜:80nmのAl23)の、70℃、100mW(CW)の寿命試験結果を図6に示す。3個の素子の内、300時間以内に2個の素子でリークによると考えられる頓死が発生している。頓死していない1個の素子についても、駆動電流の増加は、本実施の形態の窒化物半導体レーザに比べて大きく、初期駆動電流値の1.4倍となるのに要する予想時間(300時間と400時間の増加率より算出)は、423時間と短くなっている。 On the other hand, three nitride semiconductor laser elements (adhesion layer: 3 nm of Al, end face coating film: 80 nm of Al 2 O 3 ) using a conventional metal layer as an adhesion layer of 70 ° C. and 100 mW (CW). The life test results are shown in FIG. Of the three elements, a sudden death occurred in two of the elements within 300 hours. Even for one element that is not dead, the increase in drive current is larger than that of the nitride semiconductor laser of the present embodiment, and the expected time (300 hours) required to be 1.4 times the initial drive current value. And calculated from an increase rate of 400 hours) is as short as 423 hours.

以上のように、密着層115としてAlN、端面コート膜116としてAl23を用いた窒化物半導体レーザ素子は、従来の金属層を密着層として用いた場合に比べて寿命試験結果に大きな改善が見られた。 As described above, the nitride semiconductor laser device using AlN as the adhesion layer 115 and Al 2 O 3 as the end face coating film 116 is greatly improved in the life test result as compared with the case where the conventional metal layer is used as the adhesion layer. It was observed.

なお、本実施形態では、劈開によって形成した窒化物半導体端面に関して詳細に記述したが、端面がRIE(Reactive Ion Etching)ICPなどの気相エッチング、KOH(水酸化カリウム)などの溶液によるウエットエッチングによって、形成されたもの(エッチドミラー)であっても、本発明はなんら問題なく適用できる。   In this embodiment, the nitride semiconductor end face formed by cleavage is described in detail. However, the end face is formed by vapor etching such as RIE (Reactive Ion Etching) ICP or wet etching using a solution such as KOH (potassium hydroxide). Even if it is formed (etched mirror), the present invention can be applied without any problem.

本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体レーザ装置、例えば、単体の半導体レーザ装置、ホログラム素子を備えたホログラムレーザ装置、駆動もしくは信号検出等の処理のためのICチップと一体化してパッケージされたオプトエレクトロニクスIC装置、導波路あるいは微小光学素子と一体化してパッケージされた複合光学装置などに応用可能である。また、本発明は、これらの装置を備えた光記録システム、光ディスクシステムや、紫外から緑色領域の光源システムなどに応用可能である。   The nitride semiconductor light emitting device of the present invention is integrated with a nitride semiconductor laser device such as a single semiconductor laser device, a hologram laser device having a hologram element, and an IC chip for processing such as driving or signal detection. The present invention can be applied to an optoelectronic IC device, a waveguide, or a composite optical device packaged integrally with a micro optical element. Further, the present invention can be applied to an optical recording system, an optical disc system, a light source system in the ultraviolet to green region, etc. provided with these devices.

100 窒化物半導体レーザバー
113、114 共振器端面
115、118 密着層
116、117 端面コート膜
100 Nitride semiconductor laser bar 113, 114 Cavity end face 115, 118 Adhesion layer 116, 117 End face coating film

Claims (5)

窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された電極と、該窒化物半導体層に形成された共振器と、該共振器の端面に形成された密着層と、該密着層上に形成された端面コート膜とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
前記密着層と前記窒化物半導体層は六方晶の結晶からなり、
前記端面コート膜は、前記密着層と共通の組成元素を含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
Nitride semiconductor layer, electrode formed on nitride semiconductor layer, resonator formed on nitride semiconductor layer, adhesion layer formed on end face of resonator, and formed on adhesion layer In the nitride semiconductor laser device provided with the end face coating film formed,
The adhesion layer and the nitride semiconductor layer are composed of hexagonal crystals,
The nitride semiconductor laser device, wherein the end face coat film contains a composition element common to the adhesion layer.
前記密着層がAlNであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the adhesion layer is AlN. 前記端面コート膜が酸化物を含んでなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the end face coat film contains an oxide. 前記端面コート膜がSiの窒化物の単層、またはSiの窒化物と酸化物の多層構造であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子。   3. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the end face coating film is a single layer of Si nitride or a multilayer structure of Si nitride and oxide. 前記密着層を室温以上200℃以下の温度で成膜することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。   5. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the adhesion layer is formed at a temperature of room temperature to 200 ° C. 5.
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