JP5100407B2 - 半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に半導体発光素子に関するものであり、より特定的には、動作電圧の上昇による不良を抑制することができるように改良された半導体発光素子に関する。この発明はまたそのような半導体発光素子を搭載した半導体発光装置に関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子は紫外から可視光にかけて広い発振波長を有しており、高密度光記録媒体に対応した短波長光源として注目されている。また、光記録媒体のみならず、照明やバックライトなどの可視光源としても期待されている。さらに使用用途を拡大すべく、窒化物半導体レーザ素子の発光出力を向上させつつ、動作を安定させるための技術開発が検討されている。

図１１は、従来の半導体レーザ光源の断面図である（例えば特許文献１参照）。従来の半導体レーザ光源は、レーザ光を出射する半導体レーザチップ９１を備える。半導体レーザチップ４１はヒートシンク９２に取り付けられている。ステム９３の底面にヒートシンク９２が接合されている。光検出素子９４は、半導体レーザチップ９１から出射したレーザ光強度をモニタするためにステム９３の裏面に配置されている。ステム９３の反対側の面にはＧＮＤ用、半導体レーザ駆動用、光検出素子用の電極リード線９５が取り付けられている。ＧＮＤ用電極はステム９３に、半導体レーザ駆動用と光検出素子用電極は、図示しないワイヤーボンディングによって各々半導体レーザチップ９１と光検出素子９４に接合され導通している。

図１１に示した半導体レーザ光源では、半導体レーザチップ９１、ヒートシンク９２、光検出素子９４が、ステム９３とキャップ９６により封止された構造となっている。キャップ９６の内部雰囲気９７を、不活性ガス雰囲気とする態様も記載されており、これにより、半導体レーザ装置を、真空環境下、あるいは高圧環境下に設置することができるようにしている。

発明者らは、特許文献２において、不活性ガスではなく、水素の拡散を抑制する成分、代表的には酸素を含んだ雰囲気でキャップ内部を封止することにより、半導体レーザチップが駆動中に生じる電圧上昇を抑制でき、動作を安定化させることが可能であることを示した。詳細なモデルはいまだ明らかではないが、キャップ封止雰囲気に酸素が含まれていると、半導体レーザチップを構成する部材からチップの半導体層内部への水素の拡散が抑制される。これにより、半導体レーザチップを構成するｐ型半導体層の高抵抗化が抑制され、動作中の動作電圧の上昇が抑制できるのである。
特開平１０−３１３１４７号公報 特願２００６−３４６５２０号

しかしながら、窒化物半導体レーザの高出力化に伴って、キャップ封止雰囲気に多量の酸素が含まれていると、半導体レーザチップの構成によっては、チップが局所的に酸化してしまい、特性に悪影響を及ぼしてしまうことがあることが分かってきた。

たとえば、電極に用いられている金属が酸化してしまうと、長期通電中に徐々に半導体レーザ装置の動作電圧が上昇してしまうことになる。また、２００ｍＷ級以上の高出力半導体レーザ装置では、光出射端面の一部が酸化すると、その部分でレーザ光が吸収されて発熱し、ＣＯＤが生じてレーザ発振が停止するといった不具合につながる。

このため、特に２００ｍＷを超えるような高出力レーザ装置に対応するレーザパッケージでは、キャップ封止雰囲気内の酸素濃度をあまり高くできない、という制限が出てきた。具体的には、酸素濃度を３０％程度以下に抑えなければ上記の局所酸化の問題を回避できないことが、経験的に分かってきた。

しかし、キャップ封止雰囲気内の酸素濃度を下げると、酸素の本来の効果である半導体レーザチップの半導体層内部への水素の拡散抑止効果も低下してしまい、動作電圧の異常を示す素子が発生するようになってしまった。更にこの問題に拍車を懸けることには、高出力レーザの場合は必然的に駆動電流値が大きくなり、これに伴って素子が動作中に発生する熱量も大きくなるので、水素の拡散抑止はより困難になる。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、長時間駆動時に素子の動作電圧が上昇しないように改良された半導体発光素子を提供することを目的とする。

この発明の他の目的は、キャップ封止雰囲気に含まれる酸素の濃度が低い場合であっても、長時間駆動時に素子の動作電圧が上昇しないように改良された半導体発光装置を提供することにある。

この発明に係る半導体発光素子は、活性層を介在させて接合された、リッジストライプ構造を有するｐ型半導体層とｎ型半導体層を備える。前記リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように、前記リッジストライプ構造の凸部頂上と略同形状に形成された第１ｐ型電極が設けられている。前記リッジストライプ構造の凸部を両側から挟み被覆するように、前記ｐ型半導体層の上に設けられ、かつ電流狭窄構造を形成するために、前記第１ｐ型電極の表面上に電流経路となる開口部を有する絶縁層が設けられている。前記第１ｐ型電極と前記絶縁層との上に第２ｐ型電極が設けられている。前記開口部の外側の領域で、前記第２ｐ型電極と前記ｐ型半導体層の間に位置して、水素を吸着する金属を含む水素吸着層が設けられている。本発明によれば、水素吸着層が、その水素を吸い寄せる力により、絶縁層内に存在する水素の、活性層への拡散を抑制するのである。したがって、例えば、Ｍｇをｐ型ドーパントとするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の場合には、Ｍｇと水素が複合体を作ることが抑制され、正孔濃度の低下とそれに伴うｐ型半導体層の抵抗の増大が回避でき、素子の動作電圧を上昇させることなく安定に保つことができるのである。

上記半導体発光素子には、半導体レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオードが含まれる。

上記水素吸着層は、上記絶縁層と上記ｐ型半導体層の間に設けられていてもよいし、上記水素吸着層は、上記絶縁層の中に挟まれるように設けられていてもよいし、上記絶縁層の表面に接触するように設けられていてもよい。

上記水素吸着層と上記絶縁層は一体化された１つの層で構成されてもよく、この場合、該一体化された層内において、上記水素を吸着する金属の濃度は、上記ｐ型電極側よりも、上記ｐ型半導体層側においてより高くされているのが好ましい。また、この場合、上記水素を吸着する金属の濃度は、上記ｐ型半導体層に近づくにつれて、グラデーション状に高くされているのが特に好ましい。このように構成することにより、絶縁層から半導体層方向に拡散し始めた水素が水素吸着層に到達すると、水素吸着層に含まれる上記金属元素に強く引き付けられ、拡散現象がその場で停止するのである。

上記水素を吸着する金属は、Ｍｇの水素化物の生成熱よりも、より小さな水素化物の生成熱を有する金属が好ましい。このように構成することにより、絶縁層から半導体層方向に拡散し始めた水素が水素吸着層に到達すると、水素吸着層に含まれる上記金属元素に強く引き付けられる。
水素吸着層が、絶縁層の表面に接触するように設けられている構造の場合、絶縁層中に存在し、活性層へ向かおうとする水素は水素吸着層を通過しない構造であるけれども、水素は水素吸着層に吸い寄せられるため、水素の拡散が抑制される。

上記水素吸着層の膜厚は、１ｎｍ以上、好ましくは、連続的な膜が形成される５ｎｍ以上である。但し、不連続膜でも水素吸着の効果はある。

上記絶縁層は、１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の濃度の水素を含有する。

この発明の好ましい実施態様によれば、当該半導体発光素子は、表面側にリッジストライプ構造が設けられ、該リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように一方の電極を形成してなる電流狭窄構造を有し、上記リッジストライプ構造の凸部外側に、上記水素吸着層と、１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ/ｃｍ³以上の濃度の水素を含有する絶縁層が、上記リッジストライプ構造の凸部を挟むように設けられている。

この発明の別の好ましい実施態様に係る半導体発光素子は、活性層を介在させて接合された、リッジストライプ構造を有するｐ型半導体層とｎ型半導体層と、前記リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように、前記リッジストライプ構造の凸部頂上と略同形状に形成された第１ｐ型電極と、前記リッジストライプ構造の凸部を両側から挟み被覆するように、前記ｐ型半導体層の上に設けられ、かつ電流狭窄構造を形成するために、前記第１ｐ型電極の表面上に電流経路となる開口部を有する、前記ｐ型半導体層と同じ組成でかつ極性が異なる異極性半導体層と、前記第１ｐ型電極と前記異極性半導体層との上に設けられた第２ｐ型電極と、前記開口部の外側の領域で、前記第２ｐ型電極と前記ｐ型半導体層の間に位置して設けられた、水素を吸着する金属を含む水素吸着層と、を備える。

上記水素を吸着する金属は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＥｒからなる群より選ばれた金属であり、上記水素吸着層は該金属、又はその酸化物、又はその窒化物、又はそのフッ化物からなる。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆが含まれる場合には、プロセス上の問題、屈折率、絶縁性、他との密着性において、特に優れる。

上記絶縁層は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＣｅＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₅、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅及びＺｎＯからなる群より選ばれた誘電体を含む。
ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂を用いる場合には、プロセス上の問題、屈折率、絶縁性、他との密着性において、特に優れる。

当該半導体発光素子の半導体層構造内に水素が含有されている場合に、本発明は有効である。

上記半導体発光素子は、ＢＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＮ，ＴｌＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である場合に本発明は有効である。これらは、主として３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長で発振するものである。３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長はエネルギーが高く、このような光が出力されると、水素が活性化されて拡散しやすく、光劣化し易い。このような場合に本発明は特に有効である。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である場合は、ｐ型半導体層のドーパントはＭｇであり、本発明は特に有効である。

上記半導体発光素子が、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子である場合にも、本発明は有効である。これらは、主として５５０ｎｍ以上の波長で発振するものである。

本発明の他の局面に従う半導体発光装置は、ステムと、前記ステムに設置されたヒートシンクと、前記ヒートシンクに設けられ、少なくとも１個の半導体発光素子と、前記ステムに設置され、前記半導体発光素子からの光を検出するための光検出素子と、前記ステムに設けられ、前記ヒートシンク、前記半導体発光素子および前記光検出素子をその内部に密封するためのキャップとを備えた半導体発光装置において、前記半導体発光素子は、活性層を介在させて接合された、リッジストライプ構造を有するｐ型半導体層とｎ型半導体層と、前記リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように、前記リッジストライプ構造の凸部頂上と略同形状に形成された第１ｐ型電極と、前記リッジストライプ構造の凸部を両側から挟み被覆するように、前記ｐ型半導体層の上に設けられ、かつ電流狭窄構造を形成するために、前記第１ｐ型電極の表面上に電流経路となる開口部を有する、前記ｐ型半導体層と同じ組成でかつ極性が異なる異極性半導体層と、前記第１ｐ型電極と前記異極性半導体層との上に設けられた第２ｐ型電極と、前記開口部の外側の領域で、前記第２ｐ型電極と前記ｐ型半導体層の間に位置して設けられた、水素を吸着する金属を含む水素吸着層とを備え、前記キャップ内部の雰囲気には、前記半導体発光素子中に含まれる前記水素の拡散を抑制する成分が含まれていることを特徴とする。

上記の水素の拡散を抑制する成分は酸素であるのが好ましい。上記水素吸着層の作用に加えて、キャップ封止雰囲気に酸素が含有されていると、この酸素の方に引き付けられように半導体層中の水素が動く。この水素の動く向きと、水素の拡散方向とは互いに逆方向で均衡し、その結果、水素吸着層の作用効果と相乗して、水素の拡散が著しく抑制される。

上記雰囲気に含まれる酸素の濃度が３０％以下であるのが好ましい。局所酸化が防止されるからである。

上記雰囲気に含まれる水分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であるのが好ましい。より好ましくは５００ｐｐｍ以下である。

上記雰囲気の圧力が０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下であるのが好ましい。

上記雰囲気中に、二酸化炭素が含有されているのが好ましい。

上記雰囲気中に、アルゴンが含有されているのが好ましい。

本発明に係る半導体発光装置を作成すると、上記ｐ型電極と上記ｐ型半導体層の間に位置して、水素を吸着する金属を含む水素吸着層が配置されているので、キャップ封止雰囲気に含まれる水素の拡散を抑制する成分、代表的には酸素の濃度が低い場合であっても、素子の通電動作中に絶縁層中の水素が半導体層側へ拡散しようとしても水素吸着素に阻まれ、半導体層に到達しない。したがって、例えばＩＩＩ族窒化物発光素子に適用した場合、半導体層のｐ型不純物であるＭｇが水素により補償されず、アクセプタ濃度ひいては正孔濃度の減少が引き起こされない。結果として結晶が高抵抗化せず、高い密度で電流を注入して長時間駆動しても動作電圧が上昇しない。その結果、電流通電時の素子動作電圧上昇による不良発生を抑制することができる。

キャップ封止雰囲気に含まれる酸素の濃度が低い場合であっても、長時間駆動しても動作電圧が上昇しないように改良された半導体発光装置を得るという目的を、上記ｐ型電極と上記ｐ型半導体層の間に位置して設けられた、水素を吸着する金属を含む水素吸着層を備える半導体発光素子を搭載することによって実現した。以下本発明の実施例を、図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る窒化物半導体素子を搭載した窒化物半導体レーザ装置の模式図である。本発明に係る窒化物半導体装置は、ステム４０を備える。ステム４０にヒートシンク２０が設置されている。ヒートシンク２０に、少なくとも１個の、レーザ光を出射する窒化物半導体レーザチップ１０が接合されている。窒化物半導体レーザチップ１０には、後述する水素を吸着する金属を含む水素吸着層２２１が含まれている。ステム４０に、窒化物半導体レーザチップ１０からの光の強度を観察するための光検出素子３０が設置されている。ステム４０に、ヒートシンク２０、窒化物半導体レーザチップ１０および光検出素子３０をその内部に密封するためのキャップ５０が接合されている。

ステム４０には電極リード線７０が配線されており、キャップ５０には、窒化物半導体レーザチップ１０から出射された光を取り出すための窓６０が設けられている。キャップ５０内部の空間には、封入雰囲気８０が封止されている。封入雰囲気８０には、窒化物半導体レーザチップ１０中に含まれる水素の拡散を抑制する成分、代表的には酸素が含有されている。酸素以外のガス成分としては、窒素などの不活性ガス、アルゴンをはじめとする希ガスのほか、二酸化炭素が混合されている。キャップ５０の径は、例えば３〜６ｍｍである。窒化物半導体レーザチップ１０は、例えばその長さは０．４〜０．８ｍｍ、幅０．１〜０．３ｍｍ、厚み０．１〜０．２ｍｍである。このような窒化物半導体レーザ装置は、例えば大容量光ディスクのピックアップ装置に使用される。

酸素の濃度の上限については、窒化物半導体レーザチップ１０の局所酸化を抑制するために３０％以下とする。本実施例の場合、水素吸着層２２１を含む窒化物半導体レーザチップ１０を搭載しているため、水素吸着層２２１が、その水素を吸い寄せる力により、水素の活性層への拡散を抑制するため、酸素の濃度が例えば０％であっても相当の効果を奏する。

また、上記封入雰囲気の圧力は、０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下の範囲にあればよい。
また、上記封入雰囲気に含有される水分濃度は、１０００ｐｐｍ未満に抑制されており、より好ましくは５００ｐｐｍ以下に抑制することで本発明の効果が発揮され易くなる。

本実施例において用いられるＩＩＩ族窒化物半導体レーザは、Ｂ_vＡｌ_wＧａ_xＩｎ_yＴｌ_zＮ（０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｖ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる。ここで、Ｂはホウ素を、Ａｌはアルミニウムを、Ｇａはガリウムを、Ｉｎはインジウムを、Ｔｌはタリウムを、Ｎは窒素を示す。また、ｖはホウ素の含有比率を、ｗはアルミニウムの含有比率を、ｘはガリウムの含有比率を、ｙはインジウムの含有比率を、ｚはタリウムの含有比率を示す。本明細書では、以後、例えばＡｌ_wＧａ_xＮ（０＜ｗ＜１、０＜ｘ＜１、ｗ＋ｘ＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる窒化物半導体層をＡｌＧａＮ層と略記する。

窒化物半導体層を構成する窒化物半導体結晶が六方晶である場合には、窒化物半導体層中の窒素元素のうち、１０％以下の窒素元素がヒ素、リンおよびアンチモンのうち少なくとも１種の元素に置換されていてもよい。また、窒化物半導体層には例えばケイ素、酸素、塩素、硫黄、セレン、炭素、ゲルマニウム、亜鉛、カドミウム、マグネシウムおよびベリリウムのうち少なくとも１種がドーピングされ、窒化物半導体層はｐ型、ｎ型、ｉ型のいずれかの導電型を有している。

また、上記の窒化物半導体結晶は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により製造される。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスやＶ族原料ガスに水素が含まれるため、窒化物半導体結晶内にも水素が取り込まれる。窒化物半導体結晶の成長方法としては分子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ法）が用いられることもあるが、この場合もＶ族原料としてアンモニアなどが使用されると、やはり窒化物半導体結晶内に水素が取り込まれる。

なお、ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子１０の発振波長は、主として３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲にある。また、上記では発光素子としてＩＩＩ族窒化物半導体レーザを用いて説明したが、窒化物半導体スーパールミネッセントダイオードや窒化物半導体発光ダイオードに置き換えても本発明の効果は同じようにもたらされる。

以下、本実施例に搭載されるＩＩＩ族窒化物半導体レーザ素子１０の構造を、さらに詳細に説明する。

図２（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ装置に用いられる半導体レーザチップの概略断面図である。図２（Ｂ）は、その斜視図である。

この半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＮ基板２００上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＮ層２０１、厚さ２μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ下部クラッド層２０２、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層２０３、厚さ２０ｎｍのＧａＮ下部隣接層２０４、活性層２０５（詳細は後述する）、厚さ５０ｎｍのＧａＮ上部隣接層２０６、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層２０７、厚さ０．６μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ上部クラッド層２０８、０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２０９が順次形成されている。基板裏面には、負電極２２０、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９に接して正電極２３０（詳細は後述する）が形成されている。また、上部クラッド層２０８とコンタクト層２０９は、凸構造が共振器方向に延伸されたストライプ状に形成されており、リッジストライプ型導波路を構成している。

リッジストライプ構造の凸部の外側には、水素の拡散を抑止する水素吸着層２２１、および絶縁膜２２２が埋め込まれ、該凸部の頂上にのみ電気的接触するように一方の電極を形成して、電流の通る部分を制限した電流狭窄を実現している。電流狭窄構造によって、出力される光のスポットの形状が概ね制御できる。正電極２３０と負電極２２０との間で電流を流すことによって、図のように、光が出力される。

なお、上記水素吸着層２２１は、ＨｆＯ₂からなる誘電体層により形成した。
また、上記絶縁層２２２は、１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ/ｃｍ³以上の濃度の水素を含有するＳｉＯ₂からなる誘電体層により形成した。

リッジストライプの凸部の幅は約１．６μｍとし、共振器長６００μｍとした。素子の前面にはＡＲ(anti-reflective)コーティングを、後面にはＨＲ(high reflection)コーティングを施した。

上記のｐ型の導電型を示す層には、ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０¹⁹〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ/ｃｍ³濃度でドーピングされている。上部クラッド層２０８およびコンタクト層２０９において、代表的には、４×１０¹⁹ａｔｏｍｓ/ｃｍ³でドーピングされている。本実施例において、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９を省略して、上部クラッド層２０８がコンタクト層を兼ねるようにしてもよい。

活性層２０５は、アンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層（厚さ：４ｎｍ）とアンドープのＧａＮ障壁層（厚さ：８ｎｍ）とが、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層の順で形成された多重量子井戸構造（井戸数３）である。井戸層および障壁層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）、Ｉｎ_xＧａ_1-x-yＡｌ_yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）、ＧａＮ_1-xＡｓ_x（０＜ｘ＜１）、ＧａＮ_1-xＰ_x（０＜ｘ＜１）、またはこれらの化合物などの窒化物半導体で形成できる。障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成とする。素子の発振閾値を引き下げる目的から、活性層を井戸数が２〜４の多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）とすることが好ましいが、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）とすることを排除するものではない。この場合、本明細書でいうところの井戸層に挟まれる障壁層は存在しない。

正電極２３０は、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９に接する側から、第１層２３１（Ｐｄ層／Ｍｏ層）、第２層２３２（バリア層）、第３層２３３（パッド）からなる。ここで、バリア層から上の層は、絶縁膜２２２上にも形成されている。このためバリア層は、絶縁膜に対して密着性がよく、密着改善のための機能も有することが良い。Ｐｄ層は、ｐ型窒化物半導体にオーミック接触するための層である。

上記構成の半導体レーザチップは、公知の窒化物半導体の結晶成長方法で作製できる。各半導体層は、ＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥ法により積層され、ドライエッチングを用いたエッチング処理によりリッジストライプ構造が形成される。正負電極を構成する各層の積層には、電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法のほか、高周波スパッタリング法など一般的な真空成膜法が用いられる。

上述のようにして作製された実施例１の半導体レーザチップを半導体レーザ装置（レーザパッケージ）内に実装して通電試験を行なった。
キャップにより封入したガス雰囲気は、酸素２０％と窒素８０％の混合ガスとした。その際、混合ガスに含まれる水分濃度は１００ｐｐｍ（露点約−４０℃）に抑制した。試験条件は、８０℃の高温下で、パルス２１０ｍＷの一定光出力駆動とし、動作電圧をモニタした。

その結果、本実施例の半導体レーザ装置は、２００時間経過しても、一定の動作電圧（約４．６Ｖ）で安定して走行し続けた。図３に結果のグラフを示す。図３は、３個の半導体レーザ装置サンプルを駆動させた結果のそれぞれを、記号を変えて記入したものである。このように、本実施例の半導体レーザ装置は約１７ｋＡ／ｃｍ²という高電流密度の駆動条件においても、いずれの半導体レーザ装置も安定した電圧特性を示した。
（比較例）

本実施例に対する比較として、水素吸着層を省略した以外は本実施例と構成を同じくする半導体レーザチップを用いて半導体レーザ装置を製作し、上記と同じ通電試験を行った。
図４は、５個の半導体レーザ装置サンプルを駆動させた結果のそれぞれを、記号を変えて記入したものである。８０℃でのパルス２１０ｍＷ一定光出力駆動の結果、図４に示すように動作電圧が上昇してしまう例が多発した。

（検討）

比較例においてみられるような動作電圧の上昇が、実施例１において抑制されるモデルは次のように考えられる。

発明者らが特許文献２に示したように、図５を参照して、動作電圧の上昇の原因は、半導体レーザチップ内部への、矢印で示す水素の拡散が原因と考えられる。拡散した水素は、半導体レーザチップのｐ型半導体層のドーパントであるＭｇと複合体を形成し、活性化率を低下させる。その結果、正孔濃度が低下し、ｐ型半導体層の抵抗が増大する。これが素子の動作電圧の上昇のメカニズムであると推定される。

この水素の主な起源は、素子構造の一部を構成する絶縁層２２２であると推測される。絶縁層２２２としてよく用いられ、実施例１でも使用したＳｉＯ₂膜について発明者らが行ったＳＩＭＳ解析の結果、含有される水素濃度は場合によっては１０²¹ａｔｏｍｓ/ｃｍ³オーダの高いレベルに達することが分かった。測定した膜は半導体レーザの製造プロセスでよく用いられる電子ビーム式真空蒸着装置を用いて成膜したものであるが、スパッタリング装置など他の成膜方法を用いても、成膜条件によっては１０¹⁹〜１０²¹ａｔｏｍｓ/ｃｍ³オーダで膜中に水素が含まれることは十分あり得る。

このように、高い濃度で水素が含まれる絶縁層が設けられたレーザチップに電流が通電されると、絶縁層２２２に含まれる水素が半導体層２０８，２０７，２０６側に拡散しようとする。しかし、キャップ封止雰囲気に含有される酸素成分が、半導体層中の水素の拡散を止め、水素を固定する。そのメカニズムは、明らかでないが、図２と図５を再び参照して、キャップ封止雰囲気８０に酸素が含有されていると、即ち、窒化物半導体レーザ素子１０を取り巻く雰囲気ガスに酸素を含むことにより、この酸素の方に引き付けられように半導体層中の水素が動く。この水素の動く向きと、図中、矢印１で代表的に示す水素の拡散方向とは互いに逆方向で均衡し、その結果、水素の拡散が見かけ上停止するものと考えている。

このように、キャップ封止雰囲気に水素の拡散を抑制する成分、代表的には酸素が含有されることにより、水素の半導体層側への拡散が抑制される。実施例１においてキャップ封止雰囲気に酸素が含まれるので、これによって、水素の半導体層側への拡散が抑制される。しかし、上記で課題として掲げたように、半導体レーザの高出力化に伴い局所酸化の問題が顕著化するため、水素の拡散を抑制する役割である酸素の濃度を、あまり高くすることができない。

そこで、実施例１では、キャップ封止雰囲気に含まれる酸素の効果だけではなく、新たに、絶縁層から半導体層への水素の拡散を抑制する手段として、水素吸着層２２１を半導体レーザチップに設けた。実施例１では、この水素吸着層２２１として、ＨｆＯ₂を用いたが、発明者らが種々の材料について検討したところ、ＴｉＯ₂やＺｒＯ₂でも実施例１と同様の効果が得られることが分かった。さらに検討範囲を広げたところ、水素の拡散を抑制する効果を得るには、ＨｆやＴｉ、Ｚｒばかりではなく、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｌａ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒなどの元素が水素吸着層に含まれていればよいことが分かった。水素吸着層は、これらの元素、これらの元素の酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物からなる膜であればよい。

これらの金属元素の共通の特徴として、水素化物の生成熱が極めて小さいということが挙げられる。拡散した水素が複合体を作ると予想される半導体レーザチップの、ｐ型ドーパントＭｇの水素化物生成熱よりも小さな値である。このため、絶縁層から半導体層方向に拡散し始めた水素が水素吸着層に到達すると、水素吸着層に含まれる上記金属元素に強く引き付けられ、拡散現象が停止するものと推定される。したがって、Ｍｇと水素が複合体を作ることが抑制され、正孔濃度の低下とそれに伴うｐ型半導体層の抵抗の増大が回避でき、素子の動作電圧を上昇させることなく安定に保つことができるのである。

なお、水素吸着層２２１の膜厚は、連続的な膜を作るためには、５ｎｍ以上必要である。しかし、含有される元素、キャップ封止雰囲気に含まれる酸素濃度などの組み合わせにより、１ｎｍ以上で水素の拡散を抑制する効果が現れる。上限は特にないが、厚すぎると半導体レーザ素子の光学特性の設計に及ぼす影響が大きくなるため、１０ｎｍ以上、常識的には厚くとも５０ｎｍ程度とするのがよい。

また、キャップ封止雰囲気に含まれる水分濃度は、１０００ｐｐｍ未満が好ましい。より望ましくは、水分濃度は５００ｐｐｍ以下に抑制されるべきである。

また、封止雰囲気の圧力についても、０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下にするとよい。

また、酸素と同時に混合ガスとして封入されるガス種としては、窒素などの不活性ガス、アルゴンなどの希ガスに限らず、二酸化炭素を選択しても本発明の効果は現われる。あるいは、これらの混合ガスであってもよいことは言うまでもない。

また、絶縁層内部の水素濃度と素子動作電圧上昇との関係については、絶縁層内部の水素濃度が１０¹⁷ａｔｏｍｓ/ｃｍ³より多い場合に、素子動作電圧の上昇現象がたびたび発生し、そしてその現象は、実施例１のようにキャップ封止雰囲気に酸素を含み、かつ水素吸着層を絶縁層と半導体層の間に設けることにより、十分に抑止されることが分かった。

なお、図１で、窒化物半導体レーザチップ１０とヒートシンク２０が直接接合される模式図を示したが、窒化物半導体レーザチップ１０とヒートシンク２０との間にサブマウントを介して接合されても構わない。

また、同じく最良の実施例１で、発光素子としてＩＩＩ族窒化物半導体レーザを用いているが、すでにモデルを説明したように動作電圧上昇の原因が素子内部の水素にあると考えられることから、アルミニウム・インジウム・ガリウム・砒素・燐系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる素子を代替としても本発明は効果を示す。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合も、ｐ型不純物としてＭｇをドーピングする際に水素が同時に結晶内部に取り込まれたり、素子構造の一部として形成されている絶縁膜に含まれる水素が半導体側へ拡散する現象が生じるため、素子構造内部に水素が含まれるケースは存在する。キャップ封止雰囲気への酸素を導入し、水素吸着層を絶縁層と半導体層の間に設けることにより、この水素がｐ型不純物のＭｇを補償することを抑制することができる。

また、実施例１では絶縁膜２２２の例としてＳｉＯ₂膜を挙げて説明したが、この他にＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＣｅＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₅、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｎＯ、あるいはこれらの混合物に関しても、本発明の効果が得られることを確認した。

また、実施例１では、リッジストライプの凸部を挟むように水素吸着層２２１および絶縁層２２２を形成した電流狭窄構造を有する半導体発光装置を例示したが、この発明は、これに限られるものでなく、上記絶縁層に代えて、上記リッジストライプの凸部と概略同じ組成で極性が異なり、かつ１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ/ｃｍ³以上の濃度の水素を含有する半導体層が、上記リッジストライプの凸部の外側に設けられている、電流狭窄構造を有する半導体発光装置であっても同様の効果を奏する。

本発明は、窒化物半導体レーザ、特に２００ｍＷ以上の高い光出力を発する半導体レーザに応用できる。このようなデバイスは、１５ｋＡ／ｃｍ²を超えるような、高電流密度での駆動を必要とすることが一般的である。また、窒化物半導体を用いた、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。

なお、上記では水素の拡散を抑制する成分として酸素を例示したが、本発明はこれに限られるものでなく、水素の拡散を停止させるものならば、いずれの気体も使用することができる。

図６は、実施例２に係る半導体発光素子の断面図である。図２に示す半導体発光素子と同一部分には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。実施例１と異なる点は、水素吸着層２２１が、絶縁層２２２の中に挟まれるように設けられている点である。このような構造であっても、水素は水素吸着層２２１に吸い寄せられ、水素の拡散が抑制される。また、本実施例は、水素吸着層２２１が絶縁性に劣る場合に、有効である。水素を吸着する金属を、酸化物、窒化物、フッ化物の状態ではなく、金属元素の状態で入れることもできる。

図７は、実施例３に係る半導体発光素子の断面図である。図２に示す半導体発光素子と同一部分には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。実施例１と異なる点は、水素吸着層２２１が、絶縁層２２２の表面に接触するように設けられている点である。このような構造の場合、絶縁層２２２中に存在し、活性層へ向かおうとする水素は水素吸着層２２１を通過しない構造であるけれども、水素は水素吸着層２２１に吸い寄せられるため、水素の拡散が抑制される。

図８は、実施例４に係る半導体発光素子の断面図である。図２に示す半導体発光素子と同一部分には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。実施例１と異なる点は、上記水素吸着層と絶縁層は一体化された１つの層で構成されており、該一体化された層２２２ａ内において、水素を吸着する金属２２１ａの濃度は、ｐ型電極２３０側よりも、ｐ型半導体層側、すなわち活性層側においてより高くされている。より好ましくは、水素を吸着する金属２２１ａの濃度は、ｐ型半導体層に近づくにつれて濃度が徐々に高くなるように、グラデーション状に勾配が付けられている。このような構造は蒸着源を２つ持つ電子ビーム真空蒸着法によって、一回の工程で作ることができるというメリットがある。水素を吸着する金属２２１ａの濃度の濃い部分で、水素が吸着され、その拡散が停止される。本実施例では、グラデーション状に濃度を変化させる場合を例示したが、ステップ状に濃度を変化させてもよい。

図９は、実施例４に係る半導体発光素子の断面図である。図２に示す半導体発光素子と同一部分には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。実施例１と異なる点は、リッジ構造の代わりに、電極ストライプ構造とした点である。このような構造であっても、活性層２０５へ向かう絶縁層２２２中の水素は水素吸着層２２１に吸い寄せられ、固定される。そのため、水素の活性層２０５への拡散が抑制される。

図１に示す窒化物半導体レーザ装置の製造方法と組立装置について説明する。

図１０を参照して、組立装置は、前室１０１と作業室１０２を有している。前室１０１は、作業室１０２を大気開放せずとも組み立てに必要な部材を作業室１０２内に導入できるようにするものである。このために、前室１０１はパージ用ガスを導入する機構１０３を有している。また作業室１０２は、窒化物半導体レーザ装置を組み立てることができる組立機構１０４を内部に有しており、外部とは遮断された密閉した空間で、組立作業が行えるようになっている。前室１０１と作業室１０２の間は、組み立てに必要な部材を搬送する搬送手段が設けられており（図示せず）、またドア１０９で遮断されている。

また作業室１０２は、その内部が所望の圧力、所望の雰囲気ガスの種類、所望の酸素濃度および所望の露点温度に到達できるように、作業室１０２の内部を真空にひくための真空機構１０５、所望の雰囲気ガスに作業室内部を充填するためのガス導入機構１０６、更にはガスを装置内部から外部に排気するためのガス排出機構１０７を備えるとともに、作業室１０２の内部の酸素濃度および露点温度を検出するための計測機構１０８を備えている。

次に、動作について説明する。まず、前室１０１に、外部から、水素を吸着する金属を含む水素吸着層を備える半導体レーザ素子、その他、組み立てに必要な部材を搬入する。ドア１０９を閉じて、前室１０１内をパージ用ガスで置換する。ドア１０９を開いて、前室１０１から作業室１０２に、図示しない搬送手段を用いて、組み立てに必要な部材を移動させる。これによって、作業室１０２を大気開放せずに、組み立てに必要な部材が、作業室１０２内に導入される。次にドア１０９を閉じ、作業室１０２内を密閉する。作業室１０２の内部の圧力、雰囲気ガスの種類、酸素濃度または露点温度を、上記で述べられた窒化物半導体レーザ装置の封入圧力、封入雰囲気ガスの種類、酸素濃度または露点温度と同一にする。作業室１０１内で、かつ上記雰囲気下で、組立機構１０４を用いて半導体発光装置を組み立てる。このことによって、作業室１０２の内部で、窒化物半導体レーザ装置を組み立てるだけで、上述したキャップ内の雰囲気を達成することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、半導体レーザ装置、ホログラムレーザ装置、オプトエレクトロニクスＩＣ装置、複合光学装置などに応用可能であり、電流通電時の素子動作電圧上昇による不良発生を抑制することができる。

実施例１に係る窒化物半導体レーザ装置を示す概念図である。 実施例１に用いた窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。 図２で示された窒化物半導体レーザ素子の通電試験の結果を示すグラフである。 水素吸着層を含まない比較素子の通電試験の結果を示すグラフである。 比較素子における水素の拡散の様子を模式化した図である。 実施例２に係る窒化物半導体レーザ素子を示す概念図である。 実施例３に係る窒化物半導体レーザ素子を示す概念図である。 実施例４に係る窒化物半導体レーザ素子を示す概念図である。 実施例５に係る窒化物半導体レーザ素子を示す概念図である。 実施例６における窒化物半導体レーザ装置の組立装置の概念図である。 従来の半導体レーザ発光装置の断面図である。

符号の説明

１０ 窒化物半導体レーザチップ
２０ ヒートシンク
３０ 光検出素子
３９ 内部雰囲気
４０ ステム
９１ 半導体レーザチップ
９２ ヒートシンク
９３ ステム
９４ 光検出素子
９５ 電極リード線
９６ キャップ
９７ 内部雰囲気
５０ キャップ
６０ 窓
７０ 電極リード線
８０ 封入雰囲気
２００ 基板
２０１ ｎ型ＧａＮ層
２０２ 下部クラッド層
２０３ ｎ型ＧａＮガイド層
２０４ 下部隣接層
２０５ 活性層
２０６ 上部隣接層
２０７ ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層
２０８ ｐ型上部クラッド層
２０９ ｐ型コンタクト層
２２０ 負電極
２２１ 水素吸着層
２２２ 絶縁膜
２２１ａ 水素を吸着する金属
２２２ａ 水素吸着層と絶縁層は一体化された層
２３０ 正電極
２３１ 第１層
２３２ 第２層
２３３ 第３層

Claims (23)

1. 活性層を介在させて接合された、リッジストライプ構造を有するｐ型半導体層とｎ型半導体層と、
   前記リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように、前記リッジストライプ構造の凸部頂上と略同形状に形成された第１ｐ型電極と、
   前記リッジストライプ構造の凸部を両側から挟み被覆するように、前記ｐ型半導体層の上に設けられ、かつ電流狭窄構造を形成するために、前記第１ｐ型電極の表面上に電流経路となる開口部を有する絶縁層と、
   前記第１ｐ型電極と前記絶縁層との上に設けられた第２ｐ型電極と、
   前記開口部の外側の領域で、前記第２ｐ型電極と前記ｐ型半導体層の間に位置して設けられた、水素を吸着する金属を含む水素吸着層と、を備えた半導体発光素子。
2. 前記水素吸着層は、前記リッジストライプ構造を有する前記ｐ型半導体層を両側から挟むように、該ｐ型半導体層に接して設けられている請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記水素吸着層は、前記絶縁層の中に挟まれるように設けられている請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記水素吸着層は、前記絶縁層の表面に接触するように設けられている請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記水素吸着層と前記絶縁層は一体化された１つの層で構成されており、該一体化された層内において、前記水素を吸着する金属の濃度は、前記ｐ型電極側よりも、前記ｐ型半導体層側においてより高くされている、請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 前記水素を吸着する金属の濃度は、前記ｐ型半導体層に近づくにつれて、グラデーション状に高くされている、請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記水素を吸着する金属は、Ｍｇの水素化物の生成熱よりも、より小さな水素化物の生成熱を有する金属を含む請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記水素吸着層の膜厚は１ｎｍ以上である、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記水素吸着層の膜厚は５ｎｍ以上である、請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記第１ｐ型電極はＰｄを含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
11. 活性層を介在させて接合された、リッジストライプ構造を有するｐ型半導体層とｎ型半導体層と、
    前記リッジストライプ構造の凸部頂上にのみ電気的接触するように、前記リッジストライプ構造の凸部頂上と略同形状に形成された第１ｐ型電極と、
    前記リッジストライプ構造の凸部を両側から挟み被覆するように、前記ｐ型半導体層の上に設けられ、かつ電流狭窄構造を形成するために、前記第１ｐ型電極の表面上に電流経路となる開口部を有する、前記ｐ型半導体層と同じ組成でかつ極性が異なる異極性半導体層と、
    前記第１ｐ型電極と前記異極性半導体層との上に設けられた第２ｐ型電極と、
    前記開口部の外側の領域で、前記第２ｐ型電極と前記ｐ型半導体層の間に位置して設けられた、水素を吸着する金属を含む水素吸着層と、を備えた半導体発光素子。
12. 前記水素を吸着する金属は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＥｒからなる群より選ばれた金属であり、前記水素吸着層は該金属、又はその酸化物、又はその窒化物、又はそのフッ化物からなることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
13. 前記水素を吸着する金属は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＥｒからなる群より選ばれた金属であり、前記水素吸着層は該金属、又はその酸化物、又はその窒化物、又はそのフッ化物からなることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体発光素子。
14. 前記絶縁層は、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＣｅＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_５、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５及びＺｎＯからなる群より選ばれた誘電体を含む請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
15. 当該半導体発光素子の半導体層構造内に水素が含有されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
16. 当該半導体発光素子が、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
17. ステムと、
    前記ステムに設置されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクに設けられ、少なくとも１個の半導体発光素子と、
    前記ステムに設置され、前記半導体発光素子からの光を検出するための光検出素子と、
    前記ステムに設けられ、前記ヒートシンク、前記半導体発光素子および前記光検出素子をその内部に密封するためのキャップとを備え、
    前記キャップ内部の雰囲気には、前記半導体発光素子中に含まれる水素の拡散を抑制する成分が含まれており、さらに
    前記半導体発光素子は、請求項１〜１６に記載の半導体発光素子を含む半導体発光装置。
18. 前記の水素の拡散を抑制する成分は酸素を含む、請求項１７に記載の半導体発光装置。
19. 前記雰囲気に含まれる酸素の濃度が３０％以下であることを特徴とする、請求項１８に記載の半導体発光装置。
20. 前記雰囲気に含まれる水分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であることを特徴とする、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
21. 前記雰囲気の圧力が０．１Ｐａ以上２００ｋＰａ以下であることを特徴とする、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
22. 前記雰囲気中に、二酸化炭素が含有されていることを特徴とする、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
23. 前記雰囲気中に、アルゴンが含有されていることを特徴とする、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の半導体発光装置。