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JP2009295871A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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JP2009295871A
JP2009295871A JP2008149505A JP2008149505A JP2009295871A JP 2009295871 A JP2009295871 A JP 2009295871A JP 2008149505 A JP2008149505 A JP 2008149505A JP 2008149505 A JP2008149505 A JP 2008149505A JP 2009295871 A JP2009295871 A JP 2009295871A
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JP
Japan
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protective film
semiconductor
face
film
metal oxide
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Pending
Application number
JP2008149505A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Orita
賢児 折田
Shinji Yoshida
真治 吉田
Yoshiteru Hasegawa
義晃 長谷川
Atsunori Mochida
篤範 持田
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.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability by preventing deterioration in an end face of a resonator in a semiconductor light-emitting element. <P>SOLUTION: The semiconductor light-emitting element is provided with a semiconductor laminating body 25 containing a resonator structure including a couple of end faces formed opposing each other and a front end face protecting film 23 formed of a metal oxide formed at least at one of the couple of end faces. The metal oxide contains aluminum and oxygen as principal elements and also contains at least one of lanthanum, yttrium, hafnium, and zirconium. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に端面に保護膜を有する半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device having a protective film on an end face.

ヒ化アルミニウムガリウム(AlGaAs)、リン化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInP)又は窒化アルミニウムインジウムガリウム(AlInGaN)等のIII-V族化合物半導体は、発光波長が紫外域から赤外域までの半導体レーザ素子又は発光ダイオード素子等の半導体発光素子に広く用いられている。   Group III-V compound semiconductors such as aluminum gallium arsenide (AlGaAs), aluminum gallium indium phosphide (AlGaInP), and aluminum indium gallium nitride (AlInGaN) are semiconductor laser elements or light emitting diodes having an emission wavelength from the ultraviolet to the infrared region Widely used in semiconductor light emitting devices such as devices.

図21は従来の半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図21に示すように、n型半導体基板101の上には、n型のIII-V族化合物半導体からなる第1半導体層102、III-V族化合物半導体からなる発光層103及びp型のIII-V族化合物半導体からなる第2半導体層103が順次エピタキシャル成長により形成されている。   FIG. 21 schematically shows a cross-sectional configuration of a conventional semiconductor laser element. As shown in FIG. 21, on the n-type semiconductor substrate 101, a first semiconductor layer 102 made of an n-type III-V compound semiconductor, a light emitting layer 103 made of a III-V group compound semiconductor, and a p-type III A second semiconductor layer 103 made of a -V group compound semiconductor is sequentially formed by epitaxial growth.

また、第2半導体層103の上にはp側電極105が形成され、n型半導体基板101の第1半導体層102と反対側の面上にはn側電極106が形成されている。   A p-side electrode 105 is formed on the second semiconductor layer 103, and an n-side electrode 106 is formed on the surface of the n-type semiconductor substrate 101 opposite to the first semiconductor layer 102.

n型半導体基板101、第1半導体層102、発光層103及び第2半導体層104には、互いに対向するように劈開されてなり、レーザ光を共振させる共振器ミラーとして機能する2つの端面が形成されている。2つの端面のうちの前端面(出射端面)には、酸化シリコン(SiO)又は酸化アルミニウム(Al)等の金属酸化物からなる前端面保護膜107が形成され、2つの端面のうちの後端面(反射端面)には、酸化シリコン(SiO)及び酸化ジルコニウム(ZrO)等の金属酸化物が複数層積層されてなる後端面保護膜108が形成されている。これらの保護膜107、108は、共振器端面における反射率の調整及び半導体発光素子の劣化を抑えるために設けられている。
特開平10−107362号公報 特開平09−194204号公報 特開平08−191171号公報
The n-type semiconductor substrate 101, the first semiconductor layer 102, the light emitting layer 103, and the second semiconductor layer 104 are cleaved so as to face each other, and two end faces that function as a resonator mirror that resonates laser light are formed. Has been. A front end face protective film 107 made of a metal oxide such as silicon oxide (SiO 2 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is formed on the front end face (outgoing end face) of the two end faces. A rear end face protective film 108 formed by laminating a plurality of metal oxides such as silicon oxide (SiO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed on the rear end face (reflection end face). These protective films 107 and 108 are provided to adjust the reflectance at the resonator end face and to suppress the deterioration of the semiconductor light emitting element.
JP-A-10-107362 JP 09-194204 A Japanese Patent Laid-Open No. 08-191171

しかしながら、前記従来の半導体発光素子は、前端面に設けられる前端面保護膜(以下、単に保護膜と呼ぶ。)を構成する酸化シリコンの生成エンタルピが小さいため、特許文献1に記載されているように、半導体発光素子の動作中の前端面における発熱と光吸収とによって、保護膜を構成する金属酸化物(酸化シリコン)と各半導体層等の固相反応が生じる。すなわち、各半導体層(特に発光層)の前端面が酸化され、さらには、各半導体層を構成する原子が保護膜へ拡散して、半導体発光素子の端面が劣化する。このようなIII-V族化合物半導体の酸化とその構成原子の外部拡散は、前端面の近傍において光吸収及び非発光再結合の原因となる深い準位をIII-V族化合物半導体中に形成することから、半導体発光素子を劣化させる。   However, since the conventional semiconductor light emitting device has a small generation enthalpy of silicon oxide forming a front end face protective film (hereinafter simply referred to as a protective film) provided on the front end face, it is described in Patent Document 1. In addition, due to heat generation and light absorption at the front end face during operation of the semiconductor light emitting device, a solid phase reaction between the metal oxide (silicon oxide) constituting the protective film and each semiconductor layer occurs. That is, the front end face of each semiconductor layer (particularly the light emitting layer) is oxidized, and further, atoms constituting each semiconductor layer diffuse into the protective film, and the end face of the semiconductor light emitting element is deteriorated. Such oxidation of the III-V compound semiconductor and external diffusion of its constituent atoms form deep levels in the III-V compound semiconductor that cause light absorption and non-radiative recombination in the vicinity of the front end face. As a result, the semiconductor light emitting device is deteriorated.

また、酸化シリコンは、酸素に対する内部拡散係数が大きいため、半導体発光素子を封止する封止ガスに含まれる微量の酸素が保護膜を通して各半導体の前端面にまで内部拡散する。その結果、各半導体層が容易に酸化して半導体発光素子が劣化する。   In addition, since silicon oxide has a large internal diffusion coefficient with respect to oxygen, a small amount of oxygen contained in the sealing gas for sealing the semiconductor light emitting element is internally diffused to the front end face of each semiconductor through the protective film. As a result, each semiconductor layer is easily oxidized and the semiconductor light emitting device is deteriorated.

そこで、本願出願人らは、金属酸化物とIII-V族化合物半導体との化学反応を抑制するために、特許文献1に記載されているように、生成エンタルピが高い金属酸化物である酸化ハフニウム(HfO)又は酸化イットリウム(Y)等を保護膜に用いることを検討した。その結果、半導体発光素子の動作中における金属酸化物とIII-V族化合物半導体との固相反応を抑制することは確認できた。しかしながら、半導体発光素子の外部からの酸素の拡散とそれによる半導体層の端面の酸化とが、半導体発光素子の寿命を制限するようになった。この原因は、生成エンタルピが高い金属酸化物は一般に酸素の欠損が生じやすく、この酸素の欠損を通して半導体発光素子の封止ガス中の酸素が半導体層の端面にまで内部拡散するからである。 Therefore, the applicants of the present application have disclosed that hafnium oxide, which is a metal oxide having a high generation enthalpy, as described in Patent Document 1, in order to suppress a chemical reaction between the metal oxide and the III-V compound semiconductor. The use of (HfO 2 ) or yttrium oxide (Y 2 O 3 ) for the protective film was studied. As a result, it was confirmed that the solid-state reaction between the metal oxide and the III-V group compound semiconductor during the operation of the semiconductor light emitting device was suppressed. However, the diffusion of oxygen from the outside of the semiconductor light emitting device and the resulting oxidation of the end face of the semiconductor layer have come to limit the lifetime of the semiconductor light emitting device. This is because a metal oxide having a high generation enthalpy is generally prone to oxygen deficiency, and oxygen in the sealing gas of the semiconductor light emitting element is internally diffused to the end face of the semiconductor layer through this oxygen deficiency.

また、生成エンタルピが高い金属酸化物の結晶化温度は500℃〜800℃と、酸化シリコンの約1600℃と比べて低いということも、半導体発光素子の劣化の要因となることが分かった。これは、成膜時に非晶質状態であった保護膜が半導体発光素子の動作時の発熱と発光とによって結晶化し、金属酸化物の結晶粒界を通じて酸素が各半導体層の端面から内部拡散するためである。また、保護膜が結晶化すると、その結晶粒によってレーザ光が散乱され、レーザ共振器の損失が大きくなるという問題も生じる。さらに、保護膜が結晶化する際には体積収縮が生じるため、各半導体層の端面に応力がかかる。この応力を解放しようとして半導体端面に結晶欠陥が生じ、半導体発光素子が劣化するという問題も生じる。   Further, it was found that the crystallization temperature of the metal oxide having a high enthalpy of formation is 500 ° C. to 800 ° C., which is lower than about 1600 ° C. of silicon oxide, which causes the deterioration of the semiconductor light emitting device. This is because the protective film, which was in an amorphous state at the time of film formation, crystallizes due to heat generation and light emission during operation of the semiconductor light emitting device, and oxygen internally diffuses from the end face of each semiconductor layer through the crystal grain boundary of the metal oxide. Because. Further, when the protective film is crystallized, the laser light is scattered by the crystal grains, resulting in a problem that the loss of the laser resonator is increased. Furthermore, since the volume shrinkage occurs when the protective film is crystallized, stress is applied to the end face of each semiconductor layer. In order to release this stress, a crystal defect occurs in the semiconductor end face, which causes a problem that the semiconductor light emitting element deteriorates.

一方、前端面の保護膜に酸化シリコンに代えて酸化アルミニウム(Al)を用いた従来の半導体発光素子においては、上記のような保護膜とIII-V族化合物半導体層との固相反応と、保護膜における酸素の内部拡散によるIII-V族化合物半導体の酸化とをある程度は抑制することができる。その結果、半導体発光素子の信頼性を酸化シリコンの場合よりも向上することができる。これは、酸化アルミニウムは生成エンタルピが高い一方、酸素欠損が生じにくく、また酸素の内部拡散係数も小さいためである。 On the other hand, in the conventional semiconductor light emitting device using aluminum oxide (Al 2 O 3 ) instead of silicon oxide as the protective film on the front end face, the solid phase of the protective film and the III-V compound semiconductor layer as described above Reaction and oxidation of the III-V compound semiconductor due to internal diffusion of oxygen in the protective film can be suppressed to some extent. As a result, the reliability of the semiconductor light emitting device can be improved as compared with the case of silicon oxide. This is because aluminum oxide has a high enthalpy of formation, but oxygen vacancies hardly occur, and the internal diffusion coefficient of oxygen is small.

さらに、本願出願人らは、金属酸化物からなる保護膜をIII-V族化合物半導体層の端面に成膜する際に、金属酸化物と半導体層の端面との界面に薄い半導体の酸化物層が形成されて、半導体発光素子の信頼性を低下させていることを見出した。III-V族化合物半導体に酸化物層が形成される原因は、金属酸化物の成膜に用いる酸素が半導体の端面に接触するためである。このように発生した半導体酸化物層は制御されて形成されていないため、非発光再結合中心となる結晶欠陥を含む。このような結晶化欠陥は上述したように、半導体発光素子の劣化の要因となる。しかしながら、この半導体酸化物層は保護膜として金属酸化物を成膜する限りは避けることが困難である。   Further, the applicants of the present application disclosed a thin semiconductor oxide layer at the interface between the metal oxide and the end face of the semiconductor layer when forming the protective film made of the metal oxide on the end face of the III-V group compound semiconductor layer. It was found that the reliability of the semiconductor light emitting device was lowered. The reason why the oxide layer is formed in the group III-V compound semiconductor is that oxygen used for forming the metal oxide is in contact with the end face of the semiconductor. Since the generated semiconductor oxide layer is not controlled and formed, the semiconductor oxide layer includes crystal defects serving as non-radiative recombination centers. Such crystallization defects cause deterioration of the semiconductor light emitting device as described above. However, this semiconductor oxide layer is difficult to avoid as long as a metal oxide is formed as a protective film.

各半導体層の端面に形成される半導体酸化物層は、保護膜を構成する金属酸化物中の配位数とIII-V族化合物半導体中の配位数との差によっても形成される。金属酸化物中における金属原子に結合する陰イオン(酸素原子)の配位数は、III-V族化合物半導体の配位数よりも大きい。III-V族化合物半導体上に成膜された金属酸化物が本来の配位数で結合構造を形成しようとするため、III-V族化合物半導体に応力が生じる。この応力もIII-V族化合物半導体の端面に結晶欠陥を発生させるため、成膜時の半導体酸化物層の形成が促進される。また、この応力を解放しようとして長時間の素子の動作中に結晶欠陥が増殖するため、半導体発光素子の劣化が加速する。   The semiconductor oxide layer formed on the end face of each semiconductor layer is also formed by the difference between the coordination number in the metal oxide constituting the protective film and the coordination number in the III-V compound semiconductor. The coordination number of the anion (oxygen atom) bonded to the metal atom in the metal oxide is larger than the coordination number of the III-V group compound semiconductor. Since the metal oxide formed on the III-V compound semiconductor attempts to form a bond structure with the original coordination number, stress is generated in the III-V compound semiconductor. This stress also generates crystal defects on the end face of the III-V group compound semiconductor, which promotes the formation of the semiconductor oxide layer during film formation. In addition, since crystal defects grow during the operation of the device for a long time in an attempt to release the stress, the deterioration of the semiconductor light emitting device is accelerated.

また、本願出願人らは、保護膜とIII-V族化合物半導体との化学反応を抑制するために、特許文献2に記載されている窒化アルミニウム(AlN)又は酸窒化アルミニウム(AlNO)を前端面の保護膜に用いる構成を検討した。その結果、金属酸化物と半導体との化学反応を抑制することはできたが、やはり、半導体発光素子の動作中に半導体層の端面の酸化が進行することが判明した。この酸化の原因は、熱分解により半導体中に結晶欠陥が生じないように低温で形成された窒化アルミニウムが窒素の欠損を多く含むことや、窒化アルミニウム又は窒素組成が高い酸窒化アルミニウムは成膜時から既に結晶性を有しているためである。このため、窒素の欠損及び金属酸化物の結晶粒界を通じて、酸素の内部拡散及び半導体の構成元素の外部拡散が容易となるためである。   Further, the applicants of the present application used aluminum nitride (AlN) or aluminum oxynitride (AlNO) described in Patent Document 2 in order to suppress a chemical reaction between the protective film and the III-V compound semiconductor. The structure used for the protective film was examined. As a result, it was found that the chemical reaction between the metal oxide and the semiconductor could be suppressed, but oxidation of the end face of the semiconductor layer proceeded during the operation of the semiconductor light emitting device. The cause of this oxidation is that aluminum nitride formed at a low temperature so as not to cause crystal defects in the semiconductor due to thermal decomposition contains many nitrogen defects, or aluminum nitride or aluminum oxynitride with a high nitrogen composition is used during film formation. This is because it already has crystallinity. For this reason, oxygen internal diffusion and external diffusion of constituent elements of the semiconductor are facilitated through nitrogen defects and metal oxide crystal grain boundaries.

さらに、III-V族窒化物半導体である窒化アルミニウムインジウムガリウム(AlInGaN)を用いた半導体発光素子の場合は、保護膜に酸化アルミニウムを用いた場合でも、酸化シリコンの場合と同様にIII-V族窒化物半導体の酸化や分解により、半導体発光素子の劣化が加速した。また、さらには酸化ハフニウムや酸化イットリウムの場合のように、酸化アルミニウムが結晶化することにより、半導体素子の劣化が加速した。   Furthermore, in the case of a semiconductor light emitting device using aluminum indium gallium nitride (AlInGaN), which is a group III-V nitride semiconductor, even when aluminum oxide is used for the protective film, the group III-V is the same as in the case of silicon oxide. Degradation of the semiconductor light emitting device has accelerated due to oxidation and decomposition of the nitride semiconductor. Further, as in the case of hafnium oxide or yttrium oxide, the deterioration of the semiconductor element is accelerated by the crystallization of aluminum oxide.

この劣化の要因の1つ目は、III-V族窒化物からなる半導体発光素子の発光波長が紫外域から緑色であり、従来よりも短波長であるため、1個当たりの光子エネルギーが高いことにある。そのため、酸化等の化学反応及び結晶化等の構造変化が促進される。従って、結晶化温度が約900℃と比較的に高い酸化アルミニウムであっても、半導体発光素子の動作中に結晶化してしまうと考えられる。   The first cause of this deterioration is that the light emission wavelength of a semiconductor light emitting device made of a III-V nitride is from the ultraviolet region to green, and is shorter than before, so the photon energy per one is high. It is in. For this reason, chemical reactions such as oxidation and structural changes such as crystallization are promoted. Accordingly, it is considered that even aluminum oxide having a relatively high crystallization temperature of about 900 ° C. is crystallized during the operation of the semiconductor light emitting device.

また、劣化が加速する要因の2つ目は、III-V族窒化物半導体を構成するV族原子が蒸気圧が高い窒素であるため、半導体発光素子の動作中にIII-V族窒化物半導体から窒素が保護膜側へ外部拡散しやすいことである。   The second factor that accelerates the deterioration is that the group V atom constituting the group III-V nitride semiconductor is nitrogen having a high vapor pressure, so that the group III-V nitride semiconductor is operated during the operation of the semiconductor light emitting device. Therefore, nitrogen is easily diffused outside to the protective film side.

以下、III-V族窒化物半導体からなる共振器の前端面に酸化ジルコニウム(ZrO)からなる保護膜を設けた従来の半導体レーザ素子(例えば、特許文献3を参照。)を作製して、該半導体レーザ素子の信頼性試験を行った結果を示す。 Hereinafter, a conventional semiconductor laser element (see, for example, Patent Document 3) in which a protective film made of zirconium oxide (ZrO 2 ) is provided on the front end face of a resonator made of a III-V nitride semiconductor is manufactured. The result of having performed the reliability test of this semiconductor laser element is shown.

ここでは、前端面の保護膜の反射率を18%とし、後端面の保護膜はSi0/ZrOからなる多層構造とし、その反射率は90%としている。また、共振器長はそれぞれ300μm、400μm及び600μmの3種類を用意した。作製した半導体レーザ素子は、温度が75℃の連続発振動作での光出力を10mW又は20mWとしている。 Here, the reflectance of the protective film of the front end surface is 18%, the protective film on the rear end face is a multilayer structure consisting of Si0 2 / ZrO 2, the reflectance is set to 90%. Three types of resonator lengths of 300 μm, 400 μm and 600 μm were prepared. The manufactured semiconductor laser device has an optical output of 10 mW or 20 mW in a continuous oscillation operation at a temperature of 75 ° C.

図22に劣化速度と発振電流密度Jthとの関係を示す。ここでは、劣化速度を動作電流が信頼性試験の開始前と比較して30%だけ増大した時間の逆数として定義している。図22から分かるように、劣化速度は光出力値に拘わらず主に発振電流密度によって決定されることが分かる。このように、劣化速度が主に発振電流密度によって決定される場合は、一般に劣化箇所は半導体層の端面であることが多い。 FIG. 22 shows the relationship between the deterioration rate and the oscillation current density Jth . Here, the deterioration rate is defined as the reciprocal of the time when the operating current has increased by 30% compared to before the start of the reliability test. As can be seen from FIG. 22, the deterioration rate is determined mainly by the oscillation current density regardless of the light output value. As described above, when the deterioration rate is mainly determined by the oscillation current density, in general, the deterioration portion is often the end face of the semiconductor layer.

実際に信頼性試験を行った半導体レーザ素子の前端面を断面電子顕微鏡により観察すると、前端面に設けたZrOからなる保護膜とGaNからなる半導体層とが反応して発生したと考えられる空洞が、保護膜と半導体層との界面にみられた。この空洞により半導体層には欠陥が増大し、また空洞が生じたことにより共振器特性が変化して、信頼性試験における動作電流が増大したと考えられる。 When the front end face of the semiconductor laser device actually subjected to the reliability test is observed with a cross-sectional electron microscope, a cavity that is considered to be generated by a reaction between the protective film made of ZrO 2 provided on the front end face and the semiconductor layer made of GaN Was observed at the interface between the protective film and the semiconductor layer. It is considered that the cavity increases defects in the semiconductor layer, and the cavity characteristics change due to the formation of the cavity, thereby increasing the operating current in the reliability test.

図23は信頼性試験の前後における、閾値電流Ithの増加率と、キャリア寿命τの変化率Δ(1/τ)との関係を表している。ここで、閾値電流Ithは、以下の式(1)により表される。 FIG. 23 shows the relationship between the increase rate of the threshold current I th and the rate of change Δ (1 / τ n ) of the carrier lifetime τ n before and after the reliability test. Here, the threshold current I th is expressed by the following equation (1).

th = qV/η・Nth/τ ……(1)
ここで、qは電荷であり、Vは活性層の合計体積であり、ηはキャリア注入効率であり、Nthは閾値キャリア密度である。
I th = qV / η i · N th / τ n (1)
Here, q is the charge, V is the total volume of the active layer, η i is the carrier injection efficiency, and N th is the threshold carrier density.

図23からは、ほとんどのサンプルにおいて、閾値電流Ithの増加は1/τの増加、すなわちτの減少に起因していることが分かる。τの減少は、半導体における欠陥密度の増大を意味するため、信頼性試験において欠陥が主に端面の近傍で増加したと考えられる。また、1/τの増加よりもさらに閾値電流Ithが大きく増大していサンプルがみられる。これは、閾値キャリア密度Nthが増大したためと考えられる。これらのサンプルの半導体端面においては、前述したように界面の近傍に空洞が発生していることを確認している。すなわち、この空洞によって半導体層の前端面の反射率が低下して、閾値キャリア密度Nthが増大したと考えられる。 From FIG. 23, in most samples, the increase in the threshold current increased I th is 1 / tau n, i.e. it can be seen that due to the decrease in tau n. Since the decrease in τ n means an increase in defect density in the semiconductor, it is considered that defects increased mainly in the vicinity of the end face in the reliability test. Further, the sample is observed not 1 / tau n further threshold current I th than the increase of greatly increased. This is probably because the threshold carrier density N th is increased. On the semiconductor end faces of these samples, it has been confirmed that cavities are generated in the vicinity of the interface as described above. That is, the reflectance of the front facet of the semiconductor layer is reduced by the cavity, it is considered the threshold carrier density N th is increased.

実際、発振波長λの差分Δλと発振電流密度Jthの差分ΔJthとの関係を表す図24に示すように、閾値キャリア密度Nthが増大したサンプルでは、発振波長が短波長化していることが分かる。これは、閾値キャリア密度Nthが増大することによってバンドフィリングが生じ、発振波長が短波長化したためと考えられる。 Actually, as shown in FIG. 24 showing the relationship between the difference Δλ of the oscillation wavelength λ and the difference ΔJ th of the oscillation current density J th , the oscillation wavelength is shortened in the sample in which the threshold carrier density N th is increased. I understand. This occurs band filling by the threshold carrier density N th is increased, presumably because the oscillation wavelength is shorter wavelength.

このように、従来技術においては、低光出力動作時においても、前端面の保護膜と半導体層とが反応して生じる劣化が容易に発生する。また、この保護膜と半導体層との反応は、サーモグラフィによる端面温度の測定結果においても観察される。   As described above, in the prior art, even during the low light output operation, the deterioration caused by the reaction between the protective film on the front end surface and the semiconductor layer easily occurs. The reaction between the protective film and the semiconductor layer is also observed in the measurement result of the end face temperature by thermography.

図25は信頼性試験の後に、半導体レーザ素子を封止且つ固着するパッケージの温度を62℃に保った状態で、260mAの電流値で半導体レーザ素子を駆動した際の、端面温度の変化を表している。図25からは、時間の経過と共に、端面温度が徐々に上昇していることが分かる。これは、半導体層の端面において化学反応が進行しているためと考えられる。   FIG. 25 shows changes in the end face temperature when the semiconductor laser device is driven at a current value of 260 mA with the temperature of the package for sealing and fixing the semiconductor laser device maintained at 62 ° C. after the reliability test. ing. From FIG. 25, it can be seen that the end face temperature gradually increases with time. This is probably because a chemical reaction proceeds on the end face of the semiconductor layer.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、半導体発光素子における端面の劣化を防止して、信頼性の向上を図ることを目的とする。   In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to prevent deterioration of an end face of a semiconductor light emitting device and improve reliability.

前記の目的を達成するため、本発明は、半導体発光素子を、該半導体発光素子の端面に設ける保護膜の組成に、アルミニウム及び酸素に加え、少なくともランタン、イットリウム、ハフニウム及びジルコニウムのうちの1つを含む構成とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor light-emitting element is formed by adding at least one of lanthanum, yttrium, hafnium and zirconium to the composition of a protective film provided on the end face of the semiconductor light-emitting element in addition to aluminum and oxygen. It is set as the structure containing.

具体的に、本発明に係る第1の半導体発光素子は、端面を有する半導体積層体と、端面に形成された金属酸化物からなる第1の保護膜とを備え、金属酸化物は、主成分にアルミニウム及び酸素を含み、且つランタン、イットリウム、ハフニウム及びジルコニウムのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする。   Specifically, a first semiconductor light emitting device according to the present invention includes a semiconductor stacked body having an end face and a first protective film made of a metal oxide formed on the end face. And aluminum and oxygen, and at least one of lanthanum, yttrium, hafnium and zirconium.

第1の半導体発光素子によると、第1の保護膜を構成する金属酸化物に、酸素欠損が生じにくいアルミニウムと酸素とを主成分とするため、酸素の内部拡散を抑制することができる。さらに、本発明の金属酸化物は、生成エンタルピが高いランタン(La)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)及びジルコニウム(Zr)を含むため、特に半導体積層体がIII-V族化合物半導体である場合には、保護膜との固相反応を抑制することができる。また、La等を含む金属酸化物は熱化学的に安定であり、紫外域から赤外域までの波長域において光吸収が小さいため、半導体発光素子の保護膜に適している。これは、3A族であるLa及びY、並びに4A族であるHf及びZrと酸素(O)との結合はイオン結合性が強い共有結合であるため、これらの金属酸化物は、酸化アルミニウム等の共有結合性が強い典型金属の酸化物よりも融点が高くなる。従って、本発明の金属酸化物は熱的な安定性が酸化アルミニウムと比べて向上する。一方、La等の金属酸化物は2A族の金属酸化物である酸化マグネシウム(MgO)、酸化ストロンチウム(SrO)及び酸化バリウム(BaO)等と比べてイオン結合性が弱いため、2A族の金属酸化物に見られる吸湿性及び爆発性等の酸素や水との高い反応性はなく、化学的には比較的に安定である。また、本発明の金属酸化物は、化学的に安定な酸化アルミニウムを含むため、La、Y、Hf及びZrの単体の酸化物の場合よりも化学的安定性が向上する。   According to the first semiconductor light emitting device, the metal oxide constituting the first protective film is mainly composed of aluminum and oxygen, which are less likely to cause oxygen vacancies, so that internal diffusion of oxygen can be suppressed. Furthermore, since the metal oxide of the present invention contains lanthanum (La), yttrium (Y), hafnium (Hf), and zirconium (Zr) having high enthalpy of formation, the semiconductor stacked body is a III-V group compound semiconductor. In some cases, solid phase reaction with the protective film can be suppressed. In addition, a metal oxide containing La or the like is thermochemically stable and has low light absorption in a wavelength region from an ultraviolet region to an infrared region, and thus is suitable for a protective film of a semiconductor light emitting element. This is because the bonds between 3A group La and Y, and 4A group Hf and Zr, and oxygen (O) are covalent bonds with strong ionic bonding properties, so these metal oxides include aluminum oxide and the like. The melting point is higher than that of a typical metal oxide having a strong covalent bond. Therefore, the metal oxide of the present invention has improved thermal stability compared to aluminum oxide. On the other hand, since metal oxides such as La have weaker ion binding properties than magnesium oxide (MgO), strontium oxide (SrO), barium oxide (BaO), etc., which are 2A group metal oxides, 2A group metal oxides There is no high reactivity with oxygen and water such as hygroscopicity and explosiveness found in things, and it is relatively stable chemically. Further, since the metal oxide of the present invention contains chemically stable aluminum oxide, the chemical stability is improved as compared with the case of simple oxides of La, Y, Hf, and Zr.

また、本発明の金属酸化物が、紫外域から赤外域までの波長域において光吸収が小さい理由は、金属酸化物を構成する酸化アルミニウムのバンドギャップが約7eVであり、La、Y、Hf及びZrの酸化物のバンドギャップは5eV以上であるためである。このようにバンドギャップが広い理由は、金属酸化物の電子構造に求めることができる。酸化アルミニウムの電子構造は単純化すれば、AlとOとの電気陰性度の差のためにAlの2s電子及び2p電子がOの2p軌道に電荷移動し、近接する原子の電子軌道の重なりによって、Alの非占有2s軌道が伝導帯を形成し、Oの占有2p軌道が価電子帯を形成すると考えられる。この電荷移動の際の静電ポテンシャル(マーデルングポテンシャル)の効果のために、Alの非占有s軌道のエネルギー準位が上がり、Oの占有2p軌道のエネルギー準位が下がるため、伝導帯と価電子帯とのエネルギー差であるバンドギャップが7eVと大きな値となる。   The reason why the metal oxide of the present invention has low light absorption in the wavelength region from the ultraviolet region to the infrared region is that the band gap of aluminum oxide constituting the metal oxide is about 7 eV, and La, Y, Hf, and This is because the band gap of the oxide of Zr is 5 eV or more. The reason why the band gap is so wide can be found in the electronic structure of the metal oxide. If the electronic structure of aluminum oxide is simplified, due to the difference in electronegativity between Al and O, Al 2s electrons and 2p electrons are transferred to the 2p orbit of O, and the electron orbits of adjacent atoms overlap. It is considered that the unoccupied 2s orbital of Al forms a conduction band, and the occupied 2p orbit of O forms a valence band. Because of the effect of the electrostatic potential (Madelang potential) during this charge transfer, the energy level of the unoccupied s orbital of Al increases and the energy level of the O occupied 2p orbit decreases, The band gap, which is the energy difference from the valence band, is a large value of 7 eV.

遷移金属の酸化物における伝導帯は、遷移金属の非占有d軌道により形成される。d軌道は金属原子に局在する傾向が強いため、フェルミ準位に近いエネルギー位置に価電子帯を形成する。このため、遷移金属の酸化物におけるエネルギーギャップは典型金属の酸化物のエネルギーギャップよりも小さくなる。また、タンタル(Ta)及びユウロピウム(Eu)等のように、d電子及びf電子を3個以上含む遷移金属原子の金属酸化物の場合は、d電子やf電子の一部が金属に残り、d電子やf電子の局在準位がバンドギャップ内に形成される。また、d電子やf電子の金属原子に残る割合も一定ではないため、イオン価数が複数となりやすい。その結果、異なるイオン価数の状態に相当する局在準位間での光吸収が可視域から赤外域に生じる。   The conduction band in transition metal oxides is formed by unoccupied d-orbitals of transition metals. Since d orbitals tend to be localized in metal atoms, a valence band is formed at an energy position close to the Fermi level. For this reason, the energy gap in the transition metal oxide is smaller than that of the typical metal oxide. In the case of a metal oxide of a transition metal atom containing three or more d electrons and f electrons, such as tantalum (Ta) and europium (Eu), a part of d electrons and f electrons remain in the metal, Localized levels of d electrons and f electrons are formed in the band gap. In addition, since the ratio of d electrons and f electrons remaining in the metal atoms is not constant, the ionic valence tends to be plural. As a result, light absorption between localized levels corresponding to different ionic valence states occurs from the visible region to the infrared region.

一方、La、Y、Hf及びZrはd電子を1個又は2個しか含まないため、全d電子がOに電荷移動し、そのイオン価数は1種類である。このため、d電子やf電子に由来する局在準位が形成されないため、上述のような光吸収が生じない。なお、チタン(Ti)及びスカンジウム(Sc)のd軌道は内殻電子による原子核の遮蔽が弱いため、原子核に束縛されて、エネルギー準位が低くなり、Oの2p軌道のエネルギー準位に接近する。その結果、TiやScの金属酸化物におけるバンドギャップは、La、Y、Hf及びZrの金属酸化物よりも小さく、3eV〜4eV程度となる。従って、発光波長が短いIII-V族窒化物半導体レーザ素子の保護膜には適していない。   On the other hand, since La, Y, Hf, and Zr contain only one or two d electrons, all the d electrons transfer to O and have one kind of ionic valence. For this reason, since the localized levels derived from d electrons and f electrons are not formed, light absorption as described above does not occur. Note that the d orbitals of titanium (Ti) and scandium (Sc) are weakly shielded by the inner shell electrons, so that they are constrained by the nuclei to lower the energy level and approach the energy level of the 2p orbit of O. . As a result, the band gap in the metal oxide of Ti or Sc is smaller than that of the metal oxides of La, Y, Hf, and Zr, and is about 3 eV to 4 eV. Therefore, it is not suitable for a protective film of a III-V nitride semiconductor laser device having a short emission wavelength.

なお、本発明の金属酸化物は、La、Y、Hf及びZrのうちのいずれかを含む組成として、AlLaO、AlYO、AlHfO及びAlZrOの3元酸化物だけではなく、AlLaYO又はAlHfZrO等の4元酸化物であってもよい。   Note that the metal oxide of the present invention has a composition containing any of La, Y, Hf, and Zr, not only ternary oxides of AlLaO, AlYO, AlHfO, and AlZrO, but also quaternary elements such as AlLaYO or AlHfZrO. It may be an oxide.

また、本発明の第1の半導体発光素子において、金属酸化物は窒素を含むことが好ましい。   In the first semiconductor light emitting device of the present invention, the metal oxide preferably contains nitrogen.

このようにすると、金属酸化物中の酸素欠損である金属原子のダングリングボンドを窒素(N)が終端化するため、酸素欠損を低減することができる。特に、酸化アルミニウムにLa、Y、Hf又はZrを含有した場合は、酸素欠損が生じやすくなる。従って、これらの金属と同時に窒素を含有することは、酸素欠損に由来する光吸収及び酸素の内部拡散を抑制することに効果的である。また、金属酸化物に窒素を添加すると、酸素の内部拡散が抑制されるため、金属酸化物の結晶化温度を上昇させることができる。これにより、半導体発光素子の動作中に金属酸化物の結晶化を抑制することができる。   In this case, since nitrogen (N) terminates dangling bonds of metal atoms that are oxygen vacancies in the metal oxide, oxygen vacancies can be reduced. In particular, when La, Y, Hf, or Zr is contained in aluminum oxide, oxygen deficiency is likely to occur. Therefore, containing nitrogen simultaneously with these metals is effective in suppressing light absorption and oxygen internal diffusion resulting from oxygen deficiency. In addition, when nitrogen is added to the metal oxide, internal diffusion of oxygen is suppressed, so that the crystallization temperature of the metal oxide can be increased. Thereby, crystallization of the metal oxide can be suppressed during the operation of the semiconductor light emitting device.

また、金属酸化物に窒素を添加すると、半導体発光素子の動作中に本発明の金属酸化物が相分離することを抑制することができる。この相分離は、均一に固溶していた酸化アルミニウムと添加したLa、Y、Hf又はZrの金属酸化物とが、素子の動作時の熱及び光エネルギーを吸収して分離する現象である。保護膜が相分離してしまうと、屈折率が異なる領域の界面で光が散乱されるため、レーザ共振器の光損失が増加して、半導体発光素子の動作が劣化する。相分離が生じるには、Al、La、Y、Hf又はZrの金属原子が拡散することが必要条件であるため、この拡散を防止すれば相分離を抑制することができる。ところで、相分離が生じる際の金属原子の拡散は、金属と酸素との原子の結合角を変化させながら移動するか、又は酸素欠損を経路として移動する。一方、共有結合性が強い窒素を添加することにより、原子の結合角が変化しにくくなる。さらに、窒素の添加により酸素欠損が終端化される。このような効果のため、窒素の添加によって金属原子の拡散、すなわち相分離を抑制することができる。また、金属酸化物に窒素を導入すると、金属原子と結合する陰イオンの配位数が低下して、半導体における配位数に近づくため、金属酸化物から半導体に加わる応力を低下することができる。   Further, when nitrogen is added to the metal oxide, phase separation of the metal oxide of the present invention during the operation of the semiconductor light emitting element can be suppressed. This phase separation is a phenomenon in which the aluminum oxide that has been uniformly dissolved and the added metal oxide of La, Y, Hf, or Zr absorb and separate heat and light energy during the operation of the device. If the protective film is phase-separated, light is scattered at the interface of regions having different refractive indexes, so that the optical loss of the laser resonator increases and the operation of the semiconductor light emitting device deteriorates. In order for phase separation to occur, it is a necessary condition for the metal atoms of Al, La, Y, Hf, or Zr to diffuse. Therefore, if this diffusion is prevented, phase separation can be suppressed. By the way, the diffusion of metal atoms when phase separation occurs moves while changing the bond angle between the metal and oxygen atoms or moves along oxygen deficiency as a path. On the other hand, the addition of nitrogen with strong covalent bonding makes it difficult for the atom bond angle to change. Furthermore, oxygen deficiency is terminated by the addition of nitrogen. Because of such effects, diffusion of metal atoms, that is, phase separation can be suppressed by adding nitrogen. In addition, when nitrogen is introduced into the metal oxide, the coordination number of the anion bonded to the metal atom decreases and approaches the coordination number in the semiconductor, so that the stress applied from the metal oxide to the semiconductor can be reduced. .

本発明に係る第2の半導体発光素子は、端面を有する半導体積層体と、端面に形成された金属酸化物からなる第1の保護膜とを備え、金属酸化物はアルミニウム、酸素及び窒素を含むことを特徴とする。   A second semiconductor light emitting device according to the present invention includes a semiconductor laminate having an end face and a first protective film made of a metal oxide formed on the end face, and the metal oxide includes aluminum, oxygen, and nitrogen. It is characterized by that.

第2の半導体発光素子によると、金属酸化物からなる第1の保護膜を構成する金属酸化物はアルミニウム、酸素及び窒素を含むため、Alと比べて結晶化温度が高くなり、また、酸素の拡散が抑制されると共にその応力がAlの場合と比べて低下する。さらには、界面準位が抑制され且つ窒素の外部拡散も抑制される。その結果、半導体発光素子の信頼性を向上することができる。 According to the second semiconductor light emitting device, the metal oxide constituting the first protective film made of metal oxide contains aluminum, oxygen, and nitrogen, and therefore has a higher crystallization temperature than Al 2 O 3. The diffusion of oxygen is suppressed and the stress is reduced as compared with the case of Al 2 O 3 . Furthermore, the interface state is suppressed and the external diffusion of nitrogen is also suppressed. As a result, the reliability of the semiconductor light emitting device can be improved.

第1の半導体発光素子において金属酸化物が窒素を含む場合、又は第2の半導体発光素子において、金属酸化膜は結晶質であることが好ましい。   In the first semiconductor light emitting device, when the metal oxide contains nitrogen, or in the second semiconductor light emitting device, the metal oxide film is preferably crystalline.

このようにすると、発光素子の動作中の半導体端面における温度上昇と光吸収とにより生じる金属酸化物の結晶化が起きず、半導体発光素子の特性が変動することがない。なぜなら、金属酸化物が熱的に準安定な非晶質ではなく、熱的に安定な結晶質であるためである。   In this case, crystallization of the metal oxide caused by temperature rise and light absorption at the semiconductor end face during operation of the light emitting element does not occur, and characteristics of the semiconductor light emitting element do not fluctuate. This is because the metal oxide is not thermally metastable amorphous but thermally stable crystalline.

第1の半導体発光素子において金属酸化物が窒素を含む場合、又は第2の半導体発光素子において、金属酸化物に含まれる窒素の組成は、第1の保護膜の内側から外側に向かう方向に変化していることが好ましい。   In the case where the metal oxide contains nitrogen in the first semiconductor light emitting device, or in the second semiconductor light emitting device, the composition of nitrogen contained in the metal oxide changes in the direction from the inside to the outside of the first protective film. It is preferable.

このようにすると、窒素の組成が保護膜の膜厚方向に徐々に変化するため、第1の保護膜から半導体積層体にかかる応力を緩和することができる。このため、応力により半導体層の端面に発生する結晶欠陥を抑制できるので、半導体発光素子の信頼性を向上することができる。   In this case, since the composition of nitrogen gradually changes in the film thickness direction of the protective film, the stress applied to the semiconductor stacked body from the first protective film can be relaxed. For this reason, since the crystal defect which generate | occur | produces in the end surface of a semiconductor layer by stress can be suppressed, the reliability of a semiconductor light-emitting device can be improved.

また、第1の半導体発光素子において、金属酸化物は非晶質であることが好ましい。   In the first semiconductor light emitting device, the metal oxide is preferably amorphous.

このようにすると、金属酸化物が結晶粒界を有しないため、半導体発光素子の劣化を促進する酸素の内部拡散及び半導体積層体を構成する原子の外部拡散を抑制することができる。さらに、本発明の金属酸化物を用いた保護膜は非晶質の場合、非晶質の酸化アルミニウムと比べてその結晶化温度を数百℃程度も向上することができる。なぜなら、結晶化温度を支配する共有結合性が強いAlの配位数を、La又はY等を添加することにより下げることができるからである。一般に、非晶質の金属酸化物の結晶化温度は、酸化シリコンにおけるシリコン(Si)と結合する酸素(O)の配位数である4に近いほど高い。金属酸化物中の配位数がこの値の4よりも大きい場合は、非晶質状態での金属原子と酸素との結合角の変化による歪エネルギーが増大し、非晶質状態での全エネルギーが増大する。その結果、準安定である非晶質状態から安定である結晶状態に変化する際の、結晶化の活性化エネルギーが小さくなる。その結果、金属酸化物の結晶化温度が低下してしまう。従って、結晶化温度を上昇させるには、配位数を減少する必要がある。非晶質の酸化アルミニウム中においては、Alと結合する配位数は4又は6であり、酸化シリコンの配位数よりも大きい。その結果、酸化アルミニウムの結晶化温度は900℃であり、酸化シリコンの結晶化温度の約1600℃よりも低い。酸化アルミニウムにLa又はY等を添加した場合、La又はY等のイオン半径はAlの2倍程度も大きいため、La又はY等は配位数が大きい結合を酸素と行う。これは配位数が大きい程、金属陽イオンと酸素イオンとの間のクーロンエネルギーが低下するからである。一方、La又はY等が結合する酸素の配位数が増大すると、Alと結合する酸素の配位数を減少することができる。イオン結合性が強いLa−O結合又はY−O結合の配位数の増大によっては、歪みエネルギーがそれほど増加しない。   In this case, since the metal oxide does not have a crystal grain boundary, it is possible to suppress the internal diffusion of oxygen that promotes the deterioration of the semiconductor light emitting element and the external diffusion of atoms constituting the semiconductor stacked body. Furthermore, when the protective film using the metal oxide of the present invention is amorphous, its crystallization temperature can be improved by several hundred degrees C. as compared with amorphous aluminum oxide. This is because the coordination number of Al having strong covalent bonding that governs the crystallization temperature can be lowered by adding La or Y. In general, the crystallization temperature of an amorphous metal oxide is higher as it is closer to 4, which is the coordination number of oxygen (O) bonded to silicon (Si) in silicon oxide. When the coordination number in the metal oxide is larger than 4, which is the value, the strain energy is increased due to the change in the bond angle between the metal atom and oxygen in the amorphous state, and the total energy in the amorphous state is increased. Will increase. As a result, the activation energy for crystallization when changing from a metastable amorphous state to a stable crystalline state is reduced. As a result, the crystallization temperature of the metal oxide is lowered. Therefore, to increase the crystallization temperature, it is necessary to reduce the coordination number. In amorphous aluminum oxide, the number of coordination with Al is 4 or 6, which is larger than the coordination number of silicon oxide. As a result, the crystallization temperature of aluminum oxide is 900 ° C., which is lower than the crystallization temperature of silicon oxide, which is about 1600 ° C. When La or Y or the like is added to aluminum oxide, the ion radius of La or Y or the like is about twice as large as that of Al, so that La or Y or the like forms a bond with a large coordination number with oxygen. This is because the larger the coordination number, the lower the Coulomb energy between the metal cation and the oxygen ion. On the other hand, when the coordination number of oxygen bonded to La or Y or the like is increased, the coordination number of oxygen bonded to Al can be decreased. The strain energy does not increase so much by increasing the coordination number of La—O bond or Y—O bond having strong ionic bondability.

一方、共有結合性が強いAl−O結合の配位数が減少すると、非晶質状態でのAl−O結合の歪みが緩和されて、歪みエネルギーが大きく低下する。なぜなら、共有結合は特定の方向に電子が分布する傾向であるため、結合角の変化による歪みエネルギーの増加率が大きく、これに対し、イオン結合は全方向に電子が分布する傾向であるため、歪みエネルギーの増加率が小さいからである。このように、La又はY等を酸化アルミニウムに添加した場合は、非晶質状態での全エネルギーが、酸化アルミニウムの場合よりも低下するため、非晶質状態が安定化する。その結果、本発明の金属酸化物膜は結晶化温度が上昇し、半導体素子の動作中における保護膜の結晶化を抑制することができるので、半導体発光素子の信頼性が向上する。   On the other hand, when the coordination number of the Al—O bond having a strong covalent bond is decreased, the strain of the Al—O bond in the amorphous state is relaxed, and the strain energy is greatly reduced. Because covalent bonds tend to distribute electrons in a specific direction, the rate of increase in strain energy due to changes in bond angles is large, whereas ionic bonds tend to distribute electrons in all directions, This is because the rate of increase in strain energy is small. Thus, when La or Y or the like is added to aluminum oxide, the total energy in the amorphous state is lower than in the case of aluminum oxide, so the amorphous state is stabilized. As a result, the metal oxide film of the present invention has an increased crystallization temperature and can suppress the crystallization of the protective film during the operation of the semiconductor element, thereby improving the reliability of the semiconductor light emitting element.

第1又は第2の半導体発光素子は、第1の保護膜の上に形成され、非晶質の金属酸化物からなる第2の保護膜をさらに備え、第1の保護膜は、その屈折率をnとし、発光波長をλとしたときの膜厚tがt<(λ/4n)であることが好ましい。   The first or second semiconductor light emitting element further includes a second protective film formed on the first protective film and made of an amorphous metal oxide, and the first protective film has a refractive index thereof. The thickness t is preferably t <(λ / 4n) where n is n and the emission wavelength is λ.

本発明の金属酸化物膜は2種類以上の金属元素を含むため、金属組成を安定的に製造するには、成膜条件及び成膜装置の精密な制御及び管理が必要である。例えば、金属酸化物に酸素と窒素とを導入する場合は、酸素の反応性が高いため、酸素の組成率はチャンバ内部に残留する酸素(O)又は水分(HO)等の影響を受けやすい。従って、金属酸化物中のO/N比を安定させて成膜する場合にも、装置管理を厳しく行う必要がある。組成が一定しないと、保護膜の屈折率n、ひいては共振器端面の反射率が変動するため、半導体発光素子の製造歩留まりが低下する。そこで、煩雑な成膜制御管理を避けるには、第1の保護膜の膜厚tが波長λよりも十分に小さければよい。具体的には、膜厚tは無反射現象が生じる膜厚であるλ/4n未満であることが望ましい。なぜなら、このように膜厚が小さい金属酸化物中を透過する際の光の位相変化はπ/4以下であるため、屈折率nの変動が共振器端面の反射率に与える影響は十分に小さくすることができるからである。一方、本発明の要点である、保護膜とIII-V族化合物半導体との固相反応の抑制及びIII-V族化合物半導体の界面の酸化防止等の現象は、波長λよりも小さい原子レベルでの現象である。従って、第1の保護膜の膜厚が小さくても、上述の効果を得ることができる。 Since the metal oxide film of the present invention contains two or more kinds of metal elements, precise control and management of film forming conditions and a film forming apparatus are necessary to stably manufacture the metal composition. For example, when oxygen and nitrogen are introduced into a metal oxide, since the reactivity of oxygen is high, the composition ratio of oxygen is influenced by oxygen (O 2 ) or moisture (H 2 O) remaining in the chamber. Easy to receive. Therefore, even when the film is formed with a stable O / N ratio in the metal oxide, it is necessary to strictly manage the apparatus. If the composition is not constant, the refractive index n of the protective film, and hence the reflectance of the resonator end face, will fluctuate, so that the manufacturing yield of the semiconductor light emitting device is lowered. Therefore, in order to avoid complicated film formation control management, the film thickness t of the first protective film only needs to be sufficiently smaller than the wavelength λ. Specifically, it is desirable that the film thickness t is less than λ / 4n, which is a film thickness at which an antireflection phenomenon occurs. Because the phase change of light when passing through the metal oxide having such a small thickness is π / 4 or less, the influence of the change of the refractive index n on the reflectance of the resonator end face is sufficiently small. Because it can be done. On the other hand, phenomena such as suppression of solid-phase reaction between the protective film and the III-V compound semiconductor and prevention of oxidation at the interface of the III-V compound semiconductor, which are the main points of the present invention, are at an atomic level smaller than the wavelength λ. It is a phenomenon. Therefore, the above-described effect can be obtained even when the thickness of the first protective film is small.

その上、第1の保護膜を構成する金属酸化物の膜厚を薄くすることにより、金属酸化物の成膜時に生じるIII-V族化合物半導体の端面の酸化を防止することができる。なぜなら、金属酸化物の成膜に用いる酸素がIII-V族化合物半導体の端面を照射することなく、本発明の金属酸化物を成膜することができるからである。すなわち、III-V族化合物半導体の端面に極薄い金属膜を成膜し、その後、その金属膜を酸化又は酸窒化することにより、本発明の金属酸化物を成膜することができるからである。このように、III-V族化合物半導体の端面の酸化を抑制しながら保護膜を成膜することにより、成膜時の端面酸化を原因とする半導体発光素子の劣化を抑制することができる。但し、第1の保護膜は極めて薄いため、該第1の保護膜だけでは半導体発光素子に必要な反射率を設定することができない。そこで、所望の反射率の設定のために、第1の保護膜の上に第2の保護膜を形成する。また、第2の保護膜が非晶質であれば、第1の保護膜を構成する金属化合物が結晶質であって結晶粒界を有していても、酸素の内部拡散を抑制することができる。その結果、半導体発光素子の信頼性が向上する。なお、第1の保護膜が、La、Y、Hf又はZrを含むことにより、酸素の内部拡散係数が増大したとしても、第2の保護膜にAlとOとを主成分とする金属酸化物を用いれば、半導体層の端面の酸化を防止することができる。なぜなら、酸素欠損が少なく、酸素の内部拡散係数が小さい酸化アルミニウムを用いた第2の保護膜により、封止ガス中の酸素の内部拡散を抑制することができるからである。   In addition, by reducing the thickness of the metal oxide forming the first protective film, it is possible to prevent oxidation of the end face of the III-V group compound semiconductor that occurs during the formation of the metal oxide. This is because the metal oxide of the present invention can be formed without the oxygen used for forming the metal oxide irradiating the end face of the III-V compound semiconductor. That is, the metal oxide of the present invention can be formed by forming an extremely thin metal film on the end face of the III-V compound semiconductor and then oxidizing or oxynitriding the metal film. . As described above, by forming the protective film while suppressing the oxidation of the end face of the III-V compound semiconductor, it is possible to suppress the deterioration of the semiconductor light emitting element due to the end face oxidation during the film formation. However, since the first protective film is extremely thin, the reflectance necessary for the semiconductor light emitting element cannot be set only with the first protective film. Therefore, a second protective film is formed on the first protective film in order to set a desired reflectance. Further, if the second protective film is amorphous, the internal diffusion of oxygen can be suppressed even if the metal compound constituting the first protective film is crystalline and has a crystal grain boundary. it can. As a result, the reliability of the semiconductor light emitting device is improved. Note that even if the first protective film contains La, Y, Hf, or Zr and the internal diffusion coefficient of oxygen is increased, the second protective film is a metal oxide mainly composed of Al and O. If used, oxidation of the end face of the semiconductor layer can be prevented. This is because the internal diffusion of oxygen in the sealing gas can be suppressed by the second protective film using aluminum oxide with few oxygen vacancies and a small internal diffusion coefficient of oxygen.

第1又は第2の半導体発光素子において、半導体積層体はIII族窒化物半導体により形成されていることが好ましい。   In the first or second semiconductor light emitting device, the semiconductor stacked body is preferably formed of a group III nitride semiconductor.

半導体発光素子の劣化の原因の1つは、半導体積層体の構成元素が保護膜側へ外部拡散することである。そこで、半導体積層体の構成元素に窒素(N)を含む場合は、該窒素が外部拡散することが劣化要因となる。窒素のように蒸気圧が高く外部拡散しやすい場合であっても、上述したように、本発明の保護膜は拡散を抑制することができる。また、窒素を含むGaN系化合物半導体から構成される半導体発光素子の波長は一般に短いため、放射される光子エネルギーが大きく、半導体発光素子の端面の劣化が従来の長波長の半導体発光素子よりも激しい。このような場合でも、本発明の保護膜は従来の保護膜よりも熱安定性に優れているため、半導体層と保護膜との固相反応を抑制することができる。このような効果により、半導体発光素子の信頼性を向上することができる。   One of the causes of the deterioration of the semiconductor light emitting element is that the constituent elements of the semiconductor stacked body are diffused outside to the protective film side. Therefore, when nitrogen (N) is included in the constituent elements of the semiconductor stacked body, the external diffusion of the nitrogen becomes a deterioration factor. Even when nitrogen has a high vapor pressure and is easily diffused externally, as described above, the protective film of the present invention can suppress diffusion. In addition, since the wavelength of a semiconductor light emitting device composed of a GaN-based compound semiconductor containing nitrogen is generally short, the emitted photon energy is large, and the degradation of the end face of the semiconductor light emitting device is more severe than that of a conventional long wavelength semiconductor light emitting device. . Even in such a case, since the protective film of the present invention is more excellent in thermal stability than the conventional protective film, the solid phase reaction between the semiconductor layer and the protective film can be suppressed. Such an effect can improve the reliability of the semiconductor light emitting device.

本発明に係る半導体発光素子によると、端面保護膜を有する半導体発光素子の信頼性を向上することができる。   According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the reliability of the semiconductor light emitting device having the end face protective film can be improved.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。   FIG. 1 is a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor.

図1に示すように、n型窒化ガリウム(GaN)からなる基板11の上には、厚さが1μmでn型ドーパントであるシリコン(Si)が1×1018cm−3の濃度で添加されたn型GaN層12、厚さが1.5μmでSiの濃度が5×1017cm−3のn型Al0.05Ga0.95Nからなるn型クラッド層13、厚さが0.1μmでSiの濃度が5×1017cm−3のn型GaNからなるn型光ガイド層14、厚さが3nmのアンドープのInGaNからなる井戸層と厚さが7nmのアンドープのIn0.02Ga0.98Nからなる障壁層とを3周期分含む多重量子井戸活性層15、厚さが0.1μmでp型ドーパントであるマグネシウム(Mg)が1×1019cm−3の濃度で添加されたp型GaNからなるp型光ガイド層16、厚さが10nmでMgの濃度が1×1019cm−3のp型Al0.2Ga0.8Nからなるp型電子ブロック層17、共にMgの濃度が1×1019cm−3で且つ厚さが2nmのp型Al0.1Ga0.9Nとp型GaNとが交互に0.5μmの厚さで積層されてなるp型超格子クラッド層18、及び厚さが20nmでMgの濃度が1×1020cm−3のp型GaNからなるp型コンタクト層19が順次エピタキシャル成長により形成され、これら複数のIII族窒化物半導体から半導体積層体25が構成されている。ここで、多重量子井戸活性層15の井戸層におけるInの組成は、発振波長が405nmとなるように設定されている。 As shown in FIG. 1, on a substrate 11 made of n-type gallium nitride (GaN), silicon (Si) having a thickness of 1 μm and an n-type dopant is added at a concentration of 1 × 10 18 cm −3. The n-type GaN layer 12, the n-type cladding layer 13 made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 1.5 μm and a Si concentration of 5 × 10 17 cm −3 , and a thickness of 0. An n-type optical guide layer 14 made of n-type GaN having a Si concentration of 5 × 10 17 cm −3 at 1 μm, a well layer made of undoped InGaN having a thickness of 3 nm, and an undoped In 0.02 having a thickness of 7 nm. Multiple quantum well active layer 15 including three periods of a barrier layer made of Ga 0.98 N, magnesium (Mg) as a p-type dopant with a thickness of 0.1 μm added at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 P-type light consisting of p-type GaN Id layer 16, p-type electron blocking layer 17 in which the concentration of Mg in the thickness 10nm consisting p-type Al 0.2 Ga 0.8 N of 1 × 10 19 cm -3, the concentration of Mg both 1 × 10 19 a p-type superlattice cladding layer 18 in which p-type Al 0.1 Ga 0.9 N and p-type GaN having a thickness of cm −3 and a thickness of 2 nm are alternately stacked with a thickness of 0.5 μm, and a thickness; A p-type contact layer 19 made of p-type GaN having a thickness of 20 nm and a Mg concentration of 1 × 10 20 cm −3 is sequentially formed by epitaxial growth, and a semiconductor stacked body 25 is configured from the plurality of group III nitride semiconductors. Yes. Here, the composition of In in the well layer of the multiple quantum well active layer 15 is set such that the oscillation wavelength is 405 nm.

後述するように、p型超格子クラッド層18の下部からp型コンタクト層19の上面に至る領域には、その両側部分が除去されることにより、図面の左右方向に延びるストライプ状のリッジ導波路が形成されている。このリッジ導波路の上面には、パラジウム(Pd)からなるp側電極21が形成されている。また、基板11のn型GaN層12と反対側の面上には、チタン(Ti)からなるn側電極22が形成されている。   As will be described later, a striped ridge waveguide extending in the left-right direction of the drawing is removed in the region extending from the lower part of the p-type superlattice cladding layer 18 to the upper surface of the p-type contact layer 19. Is formed. A p-side electrode 21 made of palladium (Pd) is formed on the upper surface of the ridge waveguide. An n-side electrode 22 made of titanium (Ti) is formed on the surface of the substrate 11 opposite to the n-type GaN layer 12.

半導体レーザ素子の前端面(出射端面)には、酸化アルミニウムランタン(AlLaO)からなる前端面保護膜(コート膜)23が形成され、その後端面(反射端面)には、酸化シリコン(SiO)と酸化ジルコニウム(ZrO)とが交互に積層されてなる後端面保護膜(コート膜)24が形成されている。ここで、前端面保護膜23の反射率は18%であり、後端面保護膜24の反射率は90%である。 A front end face protective film (coat film) 23 made of aluminum lanthanum oxide (AlLaO) is formed on the front end face (emission end face) of the semiconductor laser element, and silicon oxide (SiO 2 ) and the rear end face (reflection end face) are formed. A rear end face protective film (coat film) 24 is formed by alternately laminating zirconium oxide (ZrO 2 ). Here, the reflectance of the front end face protective film 23 is 18%, and the reflectance of the rear end face protective film 24 is 90%.

以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor laser device configured as described above will be described with reference to the drawings.

図2(a)、図2(b)及び図3は本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を模式的に示している。   2A, 2B, and 3 schematically show a cross-sectional configuration in the order of steps of the semiconductor laser device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.

まず、図2(a)に示すように、例えば有機金属気相堆積(MOCVD)法により、n型GaNからなる基板11の上に、n型GaN層12、n型Al0.05Ga0.95Nからなるn型クラッド層13、n型GaNからなるn型光ガイド層14、アンドープのInGaNからなる井戸層とアンドープのIn0.02Ga0.98Nからなる障壁層を3周期分含む多重量子井戸活性層15、p型GaNからなるp型光ガイド層16、p型Al0.2Ga0.8Nからなるp型電子ブロック層17、p型Al0.1Ga0.9Nとp型GaNとが交互に積層されてなるp型超格子クラッド層18、及びp型GaNからなるp型コンタクト層19を順次成長して半導体積層体25を形成する。ここで、III族源には、例えばトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)及びトリメチルインジウム(TMI)を用い、窒素源には、例えばアンモニア(NH)を用いる。また、n型ドーパントであるSi源には、シラン(SiH)を用い、p型ドーパントであるMg源には、シクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)を用いる。 First, as shown in FIG. 2A, an n-type GaN layer 12 and an n-type Al 0.05 Ga 0 ... Are formed on a substrate 11 made of n-type GaN, for example, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) . An n-type cladding layer 13 made of 95 N, an n-type light guide layer 14 made of n-type GaN, a well layer made of undoped InGaN, and a barrier layer made of undoped In 0.02 Ga 0.98 N are included for three periods. Multiple quantum well active layer 15, p-type light guide layer 16 made of p-type GaN, p-type electron block layer 17 made of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N, p-type Al 0.1 Ga 0.9 N A p-type superlattice clad layer 18 in which p-type GaN and p-type GaN are alternately stacked, and a p-type contact layer 19 made of p-type GaN are grown sequentially to form a semiconductor laminate 25. Here, for example, trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), and trimethylindium (TMI) are used as the group III source, and ammonia (NH 3 ) is used as the nitrogen source. Further, silane (SiH 4 ) is used for the Si source that is an n-type dopant, and cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) is used for the Mg source that is a p-type dopant.

次に、結晶成長の後、p型コンタクト層19の上に、リッジ導波路形成用の酸化シリコンからなるマスク形成膜を堆積する。続いて、図2(b)に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法により、マスク形成膜を基板11に対して結晶軸の方向が<1−100>方向(図面の前後方向)に延びるストライプ状にパターニングしてマスク膜20を形成する。続いて、パターニングされたマスク膜20を用い、塩素ガスを主成分とするドライエッチングにより、p型コンタクト層19及びp型超格子クラッド層18にリッジ導波路を形成する。ここで、p型超格子クラッド層18におけるリッジ導波路の側方部分の厚さ(残し膜厚)は0.1μmとしている。また、リッジ導波路の下部の幅は2μmとし、リッジ導波路の上部の幅は1.4μmとしている。   Next, after crystal growth, a mask forming film made of silicon oxide for forming a ridge waveguide is deposited on the p-type contact layer 19. Subsequently, as shown in FIG. 2B, the mask forming film is stripe-shaped with the crystal axis direction extending in the <1-100> direction (front-rear direction in the drawing) with respect to the substrate 11 by lithography and etching. The mask film 20 is formed by patterning. Subsequently, using the patterned mask film 20, a ridge waveguide is formed in the p-type contact layer 19 and the p-type superlattice clad layer 18 by dry etching mainly containing chlorine gas. Here, the thickness (remaining film thickness) of the side portion of the ridge waveguide in the p-type superlattice cladding layer 18 is 0.1 μm. The width of the lower part of the ridge waveguide is 2 μm, and the width of the upper part of the ridge waveguide is 1.4 μm.

次に、図3に示すように、マスク膜20を除去した後、ストライプ状のp型コンタクト層19の上に、p側電極21を形成する。続いて、基板11の裏面に対して該基板11を劈開しやすいように薄膜化した後、基板11の裏面にn側電極22を形成する。   Next, as shown in FIG. 3, after removing the mask film 20, a p-side electrode 21 is formed on the striped p-type contact layer 19. Subsequently, the substrate 11 is thinned so that the substrate 11 can be easily cleaved, and then the n-side electrode 22 is formed on the back surface of the substrate 11.

続いて、リッジ導波路に形成される共振器の長さが600μmとなるように、基板11及び半導体積層体25を劈開し、該半導体積層体25に劈開面の面方位が(1−100)面となる端面ミラーを形成する。ここで、結晶軸及び面方位の指数に付した負の符号”−”は該符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。   Subsequently, the substrate 11 and the semiconductor laminate 25 are cleaved so that the length of the resonator formed in the ridge waveguide becomes 600 μm, and the plane orientation of the cleaved surface of the semiconductor laminate 25 is (1-100). An end face mirror to be a surface is formed. Here, the negative sign “−” attached to the indices of crystal axes and plane orientations represents the inversion of one index following the signs for convenience.

その後は、図1に示すように、半導体積層体25の共振器端面の劣化の防止と反射率の調整とを行うために、半導体積層体25の前端面にはAlLaOからなる前端面保護膜23を形成し、半導体積層体25の後端面にはSiO/ZrOを複数周期で積層した後端面保護膜24を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 1, the front end face protective film 23 made of AlLaO is formed on the front end face of the semiconductor stacked body 25 in order to prevent deterioration of the resonator end face of the semiconductor stacked body 25 and adjust the reflectance. The rear end face protective film 24 is formed on the rear end face of the semiconductor laminate 25 by laminating SiO 2 / ZrO 2 at a plurality of periods.

なお、比較用として、前端面保護膜として従来技術である酸化アルミニウム(Al)又は酸化ランタン(La)を用いた半導体レーザ素子も作製している。 For comparison, a semiconductor laser element using aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or lanthanum oxide (La 2 O 3 ), which is a conventional technique, is also manufactured as a front end face protective film.

第1の実施形態に係る前端面保護膜23は、RF(高周波)スパッタ法、マグネトロンスパッタ法又はECR(電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法等に形成することができる。ここでは、ECRスパッタ法を用いており、該ECRスパッタ法は、スパッタイオンが劈開端面(共振器端面)に直接に照射されないため、イオン照射によって共振器端面に生じる結晶欠陥の密度を低くできるので、半導体レーザ素子の端面保護膜に適している。   The front end face protective film 23 according to the first embodiment can be formed by RF (radio frequency) sputtering, magnetron sputtering, ECR (electron cyclotron resonance) sputtering, or the like. Here, the ECR sputtering method is used, and since the sputter ions are not directly irradiated to the cleavage end face (resonator end face), the density of crystal defects generated on the end face of the resonator by ion irradiation can be reduced. It is suitable for an end face protective film of a semiconductor laser element.

前端面保護膜23に用いるAlLaOの成膜用のターゲット材には、AlLa合金ターゲット材又はAlLaO金属酸化物ターゲット材等を用いることができる。第1の実施形態においては、Al:La焼結ターゲット材を用いている。スパッタガスには、酸素(O)ガスとアルゴン(Ar)ガスとを用いた。ターゲット材に金属酸化物からなる焼結ターゲットを用いる理由は、以下の通りである。本実施形態のように、Laの組成が高いAlLaOを得るには、AlLa合金ターゲット材の場合は、Laの組成を高くする必要がある。しかしながら、AlLa合金においてLaの組成を高くすると、AlLa合金が脆くなって、ターゲット材としての加工が困難となるからである。 As an AlLaO film forming target material used for the front end face protective film 23, an AlLa alloy target material, an AlLaO metal oxide target material, or the like can be used. In the first embodiment, an Al 2 O 3 : La 2 O 3 sintered target material is used. As the sputtering gas, oxygen (O 2 ) gas and argon (Ar) gas were used. The reason for using a sintered target made of a metal oxide as the target material is as follows. In order to obtain AlLaO having a high La composition as in this embodiment, in the case of an AlLa alloy target material, it is necessary to increase the La composition. However, if the La composition in the AlLa alloy is increased, the AlLa alloy becomes brittle and it becomes difficult to process the target material.

AlLaOからなる前端面保護膜23におけるAlとLaとの組成比は、ターゲット材における組成比と成膜条件とによって制御することができる。本実施形態においては、AlとLaとの組成比は1:1となるようにターゲット材の組成と成膜条件とを設定している。例えば、AlとLaとの組成比が1:1であるAlLaOは、結晶状態では融点が2370℃であり、結晶状態のAl(サファイア)の融点よりも高く熱的に安定であり、また、紫外域まで透明な光学結晶である。なお、本実施形態においては、AlLaOは非晶質である。但し、非晶質のAlLaOはAlとLaとの組成比が約3:1から1:1の範囲であれば、結晶化温度がほとんど変化しないため、必ずしもAlとlaとの組成比が1:1でなくても、本実施形態の効果は期待できる。 The composition ratio between Al and La in the front end face protective film 23 made of AlLaO can be controlled by the composition ratio in the target material and the film formation conditions. In the present embodiment, the composition of the target material and the film forming conditions are set so that the composition ratio of Al and La is 1: 1. For example, AlLaO 3 having a composition ratio of Al and La of 1: 1 has a melting point of 2370 ° C. in the crystalline state, and is thermally stable higher than the melting point of Al 2 O 3 (sapphire) in the crystalline state. Moreover, it is an optical crystal that is transparent up to the ultraviolet region. In this embodiment, AlLaO is amorphous. However, since the amorphous AlLaO has a composition ratio between Al and La of about 3: 1 to 1: 1, the crystallization temperature hardly changes. Even if it is not 1, the effect of this embodiment can be expected.

なお、Al11LaOは熱的且つ化学的に安定度が高い結晶であることから、これに相当する非晶質で且つAlLaOにおけるAlとLaとの組成比が11:1又はこの組成比に近いAlLaO膜を用いてもよい。このように、AlLaO中のLaの組成が低い場合は、La組成が低いAlLa合金ターゲット材を用いても、AlLaOからなる前端面保護膜23を成膜することができる。 Since Al 11 LaO 3 is a crystal having high thermal and chemical stability, it is amorphous corresponding to this, and the composition ratio of Al to La in AlLaO is 11: 1 or this composition ratio. A close AlLaO film may be used. Thus, when the composition of La in AlLaO is low, the front end face protective film 23 made of AlLaO can be formed even if an AlLa alloy target material having a low La composition is used.

また、合金ターゲット材の場合は、金属精錬によりその純度を容易に高めることができるため、成膜されたAlLaOからなる前端面保護膜23に含まれる不純物の量を低減できる。その結果、不純物による光吸収を抑制できるので、さらに半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。   Moreover, in the case of an alloy target material, the purity can be easily increased by metal refining, so that the amount of impurities contained in the front end face protective film 23 made of AlLaO can be reduced. As a result, light absorption due to impurities can be suppressed, and the reliability of the semiconductor laser element can be further improved.

上記のように作製した第1の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性について、以下に説明する。70℃の温度で光出力が100mWとなるように連続発振する信頼性試験を1000時間行った場合、従来のAlからなる前端面保護膜を用いた半導体レーザ素子の場合は動作電流が平均で15%増大した。また、Laからなる前端面保護膜を設けた半導体レーザ素子の場合は、信頼性試験開始から100時間程度で、端面破壊(Catastrophic Optical Damage:COD)によりレーザ発振が停止した。 The reliability of the semiconductor laser device according to the first embodiment manufactured as described above will be described below. When a reliability test that continuously oscillates so that the optical output becomes 100 mW at a temperature of 70 ° C. is performed for 1000 hours, the operating current is in the case of a conventional semiconductor laser device using a front end face protective film made of Al 2 O 3. An average increase of 15%. In the case of a semiconductor laser element provided with a front end face protective film made of La 2 O 3, laser oscillation stopped due to end face destruction (Catastrophic Optical Damage: COD) in about 100 hours from the start of the reliability test.

これに対し、第1の実施形態に係るAlLaOからなる前端面保護膜23を用いた半導体レーザ素子の場合は、動作電流の増加率は平均で6%である。   On the other hand, in the case of the semiconductor laser device using the front end face protective film 23 made of AlLaO according to the first embodiment, the increase rate of the operating current is 6% on average.

このように、第1の実施形態において、半導体レーザ素子の信頼性が向上した理由は、以下のように考えることができる。まず、Alに生成エンタルピが高いLaを添加することによって、熱的安定性が向上したことが挙げられる。このため、前端面保護膜23と半導体積層体25との固相反応が抑制できるので、半導体レーザ素子の劣化が抑制される。 As described above, the reason why the reliability of the semiconductor laser device is improved in the first embodiment can be considered as follows. First, it is mentioned that thermal stability is improved by adding La 2 O 3 having a high generation enthalpy to Al 2 O 3 . For this reason, since the solid-phase reaction between the front end face protective film 23 and the semiconductor stacked body 25 can be suppressed, the deterioration of the semiconductor laser element is suppressed.

なお、Alに、さらに生成エンタルピが高い酸化イットリウム(Y)、酸化ハフニウム(HfO)又は酸化ジルコニウム(ZrO)を添加した場合にも、Laを添加したのと同様の効果を得られる。 Even when yttrium oxide (Y 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ) having a higher enthalpy of formation was added to Al 2 O 3 , La 2 O 3 was added. The same effect can be obtained.

半導体発光素子の信頼性が向上した理由の2つ目は、AlLaOの結晶化温度がAlよりも高いことが挙げられる。例えば、1時間のアニールによって、AlLaOは約1100℃〜1200℃以上でなければ結晶化しないが、Alは約900℃で結晶化する。また、AlYOにおいても、結晶化温度が1000℃と、Alよりも上昇した。このように、第1の実施形態においては、前端面保護膜23を構成する金属酸化物の結晶化温度が上昇したため、信頼性試験を行った後でも前端面保護膜23は結晶化しなかった。一方、従来のAlからなる前端面保護膜は、InGaNからなる多重量子井戸活性層を中心として結晶化していた。 同様の結晶化は、Laからなる前端面保護膜でも観測される。なお、AlZrO又はAlHfOの結晶化温度は、Alとほぼ同一であった。 The second reason why the reliability of the semiconductor light emitting device is improved is that the crystallization temperature of AlLaO is higher than that of Al 2 O 3 . For example, by annealing for 1 hour, AlLaO is not crystallized unless it is about 1100 ° C. to 1200 ° C. or higher, but Al 2 O 3 is crystallized at about 900 ° C. Also in AlYO, the crystallization temperature was 1000 ° C., which was higher than that of Al 2 O 3 . As described above, in the first embodiment, since the crystallization temperature of the metal oxide constituting the front end face protective film 23 is increased, the front end face protective film 23 was not crystallized even after the reliability test was performed. On the other hand, the conventional front end face protective film made of Al 2 O 3 has been crystallized around the multiple quantum well active layer made of InGaN. Similar crystallization is observed in the front end face protective film made of La 2 O 3 . Note that the crystallization temperature of AlZrO or AlHfO was almost the same as that of Al 2 O 3 .

AlLaO又はAlYOの結晶化温度がAlよりも上昇した要因の1つとして、AlLaO又はAlYOにおけるAlへのOの配位数がAlよりも低減することが挙げられる。Alよりもイオン半径が大きいLa又はYが、配位数が低い原子結合位置にAlを押し出すと考えられる。配位数が小さいほど結晶化温度が低下する傾向にあることは、よく知られている。 One factor for the increase in the crystallization temperature of AlLaO or AlYO over Al 2 O 3 is that the coordination number of O to Al in AlLaO or AlYO is lower than that of Al 2 O 3 . It is considered that La or Y having an ionic radius larger than that of Al pushes out Al to an atomic bond position having a low coordination number. It is well known that the crystallization temperature tends to decrease as the coordination number decreases.

また、AlとLa又はAlとYとは、原子価が共に3価であるため、格子位置を互いに交換しやすい。すなわち、結晶状態においては、AlはOとの原子結合が4配位数の配置、La及びYは12又は8の配位数の配置であるが、非晶質状態においてはAlが8の配位数を取り、La及びYが4の配位数を取る割合も生じる。本来であれば、このように配位数が高いAl−O結合は歪みエネルギーを高める結果、非晶質状態を不安定にするが、結晶化の際に必要なLa又はYの拡散が生じにくいために結晶化温度が高くなる可能性がある。なぜなら、結晶化にはAlとLa又はAlとYとがOとの結合位置を交換する必要があるが、イオン半径が大きいLa及びYの拡散には、結合位置に大きな変形が必要であるため、La又はYの拡散の活性化エネルギーが増大するからである。   Moreover, since Al and La or Al and Y are both trivalent, the lattice positions are easily exchanged with each other. That is, in the crystalline state, Al has an atomic bond with O in a tetracoordinate arrangement, and La and Y have an arrangement of 12 or 8 coordination numbers, but in the amorphous state, Al has an 8 arrangement. There is also a ratio where the order is taken and La and Y take the coordination number of 4. Originally, an Al—O bond having such a high coordination number increases the strain energy, resulting in the amorphous state becoming unstable, but the diffusion of La or Y necessary for crystallization hardly occurs. Therefore, the crystallization temperature may be increased. This is because, for crystallization, Al and La or Al and Y need to exchange the bonding position of O, but diffusion of La and Y having a large ionic radius requires a large deformation in the bonding position. This is because the activation energy of diffusion of La, Y increases.

以上説明したように、第1の実施形態においては、信頼性試験中に前端面保護膜23を構成する金属酸化物であるAlLaOが結晶化しなかったため、結晶化に起因する光損失の増大及び半導体積層体25における共振器端面の酸化等の劣化が防止されて、半導体レーザ素子の信頼性が向上する。   As described above, in the first embodiment, AlLaO, which is a metal oxide constituting the front end face protective film 23, was not crystallized during the reliability test. Degradation such as oxidation of the resonator end face in the stacked body 25 is prevented, and the reliability of the semiconductor laser element is improved.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図4は本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図4において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 4 is a semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 4, the same components as those shown in FIG.

図4に示すように、第2の実施形態に係る前端面保護膜23は、半導体積層体25の前端面に形成された、厚さが3nmの酸化アルミニウムジルコニウム(AlZrO)からなる第1の保護膜23aと、該第1の保護膜23aの上(第1の保護膜23aにおける半導体積層体25と反対側の面上)に形成されたAlからなる第2の保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23の反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。なお、第2の保護膜23bは、Alに限られず、例えば、SiO又はTa等の酸化物を用いることができる。これは、第3の実施形態以降の各実施形態においても同様である。 As shown in FIG. 4, the front end face protective film 23 according to the second embodiment is a first protection formed of aluminum zirconium oxide (AlZrO) having a thickness of 3 nm formed on the front end face of the semiconductor stacked body 25. A film 23a and a second protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the first protective film 23a (on the surface of the first protective film 23a opposite to the semiconductor laminate 25). It is configured. The reflectance of the front end face protective film 23 is 18% as in the first embodiment. The second protective film 23b is not limited to Al 2 O 3 , and for example, an oxide such as SiO 2 or Ta 2 O 3 can be used. The same applies to each of the third and subsequent embodiments.

第2の実施形態に係る前端面保護膜23は、以下のように形成する。   The front end face protective film 23 according to the second embodiment is formed as follows.

まず、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAl:ZrO焼結ターゲット材を用い、スパッタガスとしてOとArとの混合ガスを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが3nmのAlZrOからなる金属酸化物である第1の保護膜23aを成膜する。 First, by using an Al 2 O 3 : ZrO 2 sintered target material as a target material by an ECR sputtering method, and using a mixed gas of O 2 and Ar as a sputtering gas, A first protective film 23a, which is a metal oxide made of AlZrO having a thickness of 3 nm, is formed on the front end face.

AlZrOにおいて、AlとZrとの組成比は1:2から8:1の範囲では相分離を生じにくいことが知られている。さらに、AlZrOはZrの組成が高いと酸素欠損を生じやすいため、AlとZrとの組成比は1:2から8:1の範囲が望ましい。第2の実施形態においては、AlとZrとの組成比を2:1としている。なお、AlとZrとの所望の組成比を得るには、Al:ZrO焼結ターゲット材の組成又はOとArとの混合比等を調整すればよい。 In AlZrO, it is known that phase separation hardly occurs when the composition ratio of Al to Zr is in the range of 1: 2 to 8: 1. Furthermore, since AlZrO tends to cause oxygen vacancies when the composition of Zr is high, the composition ratio of Al to Zr is preferably in the range of 1: 2 to 8: 1. In the second embodiment, the composition ratio of Al and Zr is 2: 1. In order to obtain a desired composition ratio between Al and Zr, the composition of the Al 2 O 3 : ZrO 2 sintered target material or the mixing ratio of O 2 and Ar may be adjusted.

続いて、第1の保護膜23aを成膜したECRスパッタ装置におけるターゲット材をAlに変更し、第1の保護膜23aの上に、Alからなる第2の保護膜23bを成膜する。 Subsequently, the target material in the ECR sputtering apparatus in which the first protective film 23a is formed is changed to Al, and a second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23a. To do.

一般に、AlZrOの屈折率は、AlとZrとの組成比によって敏感に変動する。また、AlとZrとの組成比は、ターゲット材の表面の状態や成膜条件によっても変動する。なぜなら、スパッタ収率がターゲット材の酸化程度や金属種によって異なるからである。半導体レーザ素子における保護膜は、前述したように、半導体積層体25の劈開端面の保護だけではなく、共振器端面の反射率を制御するために設けられている。このため、保護膜の屈折率の変動は、共振器特性、すなわち半導体レーザ素子の動作特性の変動にも結びつき、製造歩留まりを低下させる。従って、AlとZrとの組成比が安定なAlZrOを成膜するには、成膜装置の状態や成膜条件を精密に管理する必要があり、製造工程を煩雑化させる。   In general, the refractive index of AlZrO varies sensitively depending on the composition ratio of Al and Zr. Further, the composition ratio of Al and Zr varies depending on the surface state of the target material and the film forming conditions. This is because the sputtering yield varies depending on the degree of oxidation of the target material and the metal type. As described above, the protective film in the semiconductor laser element is provided not only to protect the cleaved end face of the semiconductor stacked body 25 but also to control the reflectance of the cavity end face. For this reason, the change in the refractive index of the protective film is also related to the change in the resonator characteristics, that is, the operating characteristics of the semiconductor laser device, thereby reducing the manufacturing yield. Therefore, in order to form an AlZrO film having a stable composition ratio of Al and Zr, it is necessary to precisely manage the state of the film forming apparatus and the film forming conditions, which complicates the manufacturing process.

これに対し、第2の実施形態に係るAlZrOからなる第1の保護膜23aは、その膜厚が3nmであり、レーザ光のAlZrO中の波長である213nmと比べて十分に薄い。ここで、レーザの発振波長λは405nmで、AlZrOの屈折率nは1.9である。   On the other hand, the first protective film 23a made of AlZrO according to the second embodiment has a thickness of 3 nm, which is sufficiently thinner than 213 nm, which is the wavelength of laser light in AlZrO. Here, the oscillation wavelength λ of the laser is 405 nm, and the refractive index n of AlZrO is 1.9.

このため、AlZrOにおけるAlとZrとの組成比が多少変化しても、前端面保護膜23の反射率は18%からほとんど変化が見られなかった。すなわち、成膜装置の精密な管理をしなくても、半導体レーザ素子の歩留まりを安定化することができる。   For this reason, even if the composition ratio of Al and Zr in AlZrO slightly changed, the reflectance of the front end face protective film 23 hardly changed from 18%. In other words, the yield of the semiconductor laser element can be stabilized without precise management of the film forming apparatus.

さらに検討すると、AlZrOからなる第1の保護膜23aの膜厚が無反射現象が生じるλ/4n未満であれば、AlZrOにおける組成の変動は、前端面保護23における反射率の変動を招かないことが分かった。   Further examination shows that if the thickness of the first protective film 23a made of AlZrO is less than λ / 4n at which an antireflection phenomenon occurs, the change in the composition of AlZrO does not cause the change in the reflectance of the front end face protection 23. I understood.

上記のように作製した第2の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性について、以下に説明する。   The reliability of the semiconductor laser device according to the second embodiment manufactured as described above will be described below.

70℃の温度で光出力が100mWとなるように連続発振する信頼性試験を1000時間行った場合、第2の実施形態に係る半導体レーザ素子は動作電流が平均で8%増大し、従来のAlからなる前端面保護膜を用いた半導体レーザ素子よりも信頼性が向上する。すなわち、第1の実施形態に係るAlLaOからなる前端面保護膜23による信頼性の向上が、第2の実施形態のように膜厚が3nmのAlZrO膜であっても得られる。 When a reliability test that continuously oscillates so that the optical output becomes 100 mW at a temperature of 70 ° C. is performed for 1000 hours, the semiconductor laser device according to the second embodiment has an average increase in operating current of 8%. The reliability is improved as compared with the semiconductor laser device using the front end face protective film made of 2 O 3 . That is, the improvement in reliability by the front end face protective film 23 made of AlLaO according to the first embodiment can be obtained even with an AlZrO film having a film thickness of 3 nm as in the second embodiment.

前述したように、前端面保護膜23が半導体レーザ素子の信頼性を支配する現象は、半導体積層体25と前端面保護膜23との界面における固相反応、半導体の酸化及び半導体の構成元素の外部拡散である。これらの現象は半導体積層体25と前端面保護膜23との界面の近傍で生じているため、AlZrO膜の膜厚が数nmであっても固相反応が抑制される結果、半導体レーザ素子の信頼性が向上する。   As described above, the phenomenon in which the front end face protective film 23 dominates the reliability of the semiconductor laser element includes the solid-phase reaction, the semiconductor oxidation, and the constituent elements of the semiconductor at the interface between the semiconductor stacked body 25 and the front end face protective film 23. External diffusion. Since these phenomena occur in the vicinity of the interface between the semiconductor stacked body 25 and the front end face protective film 23, the solid-phase reaction is suppressed even when the thickness of the AlZrO film is several nm. Reliability is improved.

ところで、第2の実施形態に係る半導体レーザ素子における動作電流の増大は、第1の実施形態に係るAlLaOからなる前端面保護膜23の場合よりも大きい。これは、AlZrOの結晶化温度がAlの結晶化温度とほとんど同一であり、Al単層膜と同様に保護膜の結晶化が進行すること、また、AlZrO中の酸素の内部拡散係数がAlよりも大きいため、半導体積層体25の端面の酸化がAl単層膜よりも若干生じやすいことによる。実際に、比較のために成膜したAlZrO単層膜を前端面に形成した半導体レーザ素子の信頼性試験を行った結果、試験開始後、数百時間においてCODによりレーザ発振が停止した。 By the way, the increase in the operating current in the semiconductor laser device according to the second embodiment is larger than that in the case of the front end face protective film 23 made of AlLaO according to the first embodiment. This is because the crystallization temperature of AlZrO is almost the same as the crystallization temperature of Al 2 O 3 , and the crystallization of the protective film proceeds in the same manner as the Al 2 O 3 single layer film, and the oxygen in the AlZrO This is because the internal diffusion coefficient is larger than that of Al 2 O 3 , so that the oxidation of the end face of the semiconductor stacked body 25 is slightly more likely to occur than the Al 2 O 3 single layer film. Actually, as a result of performing a reliability test of a semiconductor laser device in which an AlZrO single layer film formed for comparison was formed on the front end face, laser oscillation was stopped by COD in several hundred hours after the start of the test.

これに対し、第2の実施形態においては、AlZrOからなる第1の保護膜23aが酸素の内部拡散係数が小さいAlからなる第2の保護膜23bにより覆われているため、半導体積層体25の端面の酸化が抑制される。 On the other hand, in the second embodiment, since the first protective film 23a made of AlZrO is covered with the second protective film 23b made of Al 2 O 3 having a small oxygen internal diffusion coefficient, Oxidation of the end face of the body 25 is suppressed.

なお、Alにおける酸素の内部拡散係数が小さい理由は、以下のように理解できる。酸素の内部拡散現象は、非金属元素の原子結合の角度を変形又は原子の結合を切断しながら酸素が移動することにより生じる。Al−O結合は結合角が変化しにくく、原子結合のエネルギーが大きい。Al−O結合における結合角が変化しにくいのは、Al−O結合は共有結合性が強く、電子分布が特定の方向に偏っているため、結合角が変化した際の歪みエネルギーの増加率が高いからである。 The reason why the internal diffusion coefficient of oxygen in Al 2 O 3 is small can be understood as follows. The internal diffusion phenomenon of oxygen is caused by the movement of oxygen while changing the angle of atomic bonds of nonmetallic elements or breaking the bonds of atoms. The Al—O bond is hard to change the bond angle and has a large atomic bond energy. The reason why the bond angle in the Al—O bond is difficult to change is that the Al—O bond has a strong covalent bond and the electron distribution is biased in a specific direction, so the rate of increase in strain energy when the bond angle changes is high. Because it is expensive.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図5は本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図5において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 5 is a semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 5, the same components as those shown in FIG.

図5に示すように、第3の実施形態に係る前端面保護膜23は、半導体積層体25の前端面に形成された、厚さが5nmの酸化アルミニウムイットリウム(AlYO)からなる第1の保護膜23dと、該第1の保護膜23dの上に形成されたAlからなる第2の保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23の反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。 As shown in FIG. 5, the front end face protective film 23 according to the third embodiment is a first protection made of aluminum yttrium oxide (AlYO) having a thickness of 5 nm and formed on the front end face of the semiconductor stacked body 25. The film 23d is composed of a second protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the first protective film 23d. The reflectance of the front end face protective film 23 is 18% as in the first embodiment.

第3の実施形態に係る前端面保護膜23の成膜方法を図6に基づいて説明する。   A method of forming the front end face protective film 23 according to the third embodiment will be described with reference to FIG.

まず、図6(a)に示すように、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAlY合金ターゲット材を用い、スパッタガスとしてArガスを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが5nmのAlYからなる合金膜23cを成膜する。ECRスパッタ法の特徴である、高エネルギーのAlイオンとYイオンとを成膜に用いるため、膜厚が薄い合金膜23cであっても端面の全体を均一に覆うことができる。   First, as shown in FIG. 6A, the front end face of the cleaved resonator in the semiconductor stacked body 25 is obtained by using an AlY alloy target material as a target material and Ar gas as a sputtering gas by ECR sputtering. An alloy film 23c made of AlY having a thickness of 5 nm is formed thereon. Since high-energy Al ions and Y ions, which are the characteristics of the ECR sputtering method, are used for film formation, the entire end face can be uniformly covered even if the alloy film 23c is thin.

次に、図6(b)に示すように、合金膜23cを成膜したECRスパッタ装置を用いて、合金膜23cに対して酸素(O)プラズマを照射する。これにより、合金膜23cを酸化して、AlYOからなる金属酸化物である第1の保護膜23dを形成する。   Next, as shown in FIG. 6B, the alloy film 23c is irradiated with oxygen (O) plasma using an ECR sputtering apparatus in which the alloy film 23c is formed. As a result, the alloy film 23c is oxidized to form the first protective film 23d, which is a metal oxide made of AlYO.

その後は、図5に示すように、合金膜23cを成膜し且つプラズマ酸化したECRスパッタ装置を用いて、Alからなる第2の保護膜23bを第1の保護膜23dの上に成膜する。このように、第1の保護膜23d及び第2の保護膜23bは同一のECRスパッタ装置で一貫して行う。 After that, as shown in FIG. 5, the second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23d by using an ECR sputtering apparatus in which the alloy film 23c is formed and plasma-oxidized. Form a film. Thus, the first protective film 23d and the second protective film 23b are consistently performed by the same ECR sputtering apparatus.

第1の保護膜23dを構成するAlYOのAlとYとの組成比は、結晶状態で且つ化学量論比が一定としての組成比として、5:3(Al12)、1:1(AlYO)及び1:2(Al)が知られており、この組成比の範囲であれば非晶質状態からの相分離が抑制されると期待できる。第3の実施形態においては、AlとYとの組成比を5:3としている。なお、Yの組成が高いAlY合金は脆く、ターゲット材への加工は困難であった。 The composition ratio of Al and Y of AlYO constituting the first protective film 23d is 5: 3 (Al 5 Y 3 O 12 ), 1: as the composition ratio in the crystalline state and the stoichiometric ratio is constant. 1 (AlYO 3 ) and 1: 2 (Al 2 Y 4 O 8 ) are known, and phase separation from the amorphous state can be expected to be suppressed within this composition ratio range. In the third embodiment, the composition ratio of Al and Y is 5: 3. Note that an AlY alloy having a high Y composition was brittle, and it was difficult to process the target material.

このように作製した前端面保護膜23を有する半導体レーザ素子に対して、前述と同様の信頼性試験を行なった。第3の実施形態に係る半導体レーザ素子における動作電流の増加率は平均で4%と、従来のAlからなる単層の保護膜を設けた従来の半導体レーザ素子よりも信頼性が向上している。これは、AlYOの結晶化温度がAlよりも高いことにより、半導体レーザ素子の劣化が抑制されたと考えられる。 A reliability test similar to that described above was performed on the semiconductor laser device having the front end face protective film 23 thus manufactured. The increase rate of the operating current in the semiconductor laser device according to the third embodiment is 4% on average, which is more reliable than the conventional semiconductor laser device provided with the single-layer protective film made of conventional Al 2 O 3. is doing. This is considered that the deterioration of the semiconductor laser element was suppressed by the fact that the crystallization temperature of AlYO was higher than that of Al 2 O 3 .

一方、比較例として、第2の実施形態と同様に第1の保護膜23dをAlY合金ターゲット材、Oガス及びArガスを用いたECRスパッタ法により成膜した半導体レーザ素子は、動作電流の増加率が平均で6%であり、第3の実施形態のように、あらかじめ成膜したAlYからなる合金膜23cを酸化してAlYOを形成する場合よりも劣化率が若干大きかった。 On the other hand, as a comparative example, a semiconductor laser device in which the first protective film 23d is formed by ECR sputtering using an AlY alloy target material, O 2 gas, and Ar gas, as in the second embodiment, has an operating current of The increase rate was 6% on average, and the deterioration rate was slightly larger than in the case of forming AlYO by oxidizing the AlY alloy film 23c formed in advance as in the third embodiment.

この劣化率の違いは、以下のように考えることができる。比較例のように、成膜時にOガスを用いてAlYOを成膜する場合は、Oプラズマが半導体積層体25の端面を直接に照射するため、成膜時に端面が酸化される。一方、第3の実施形態のように、最初にAlYからなる合金膜23cを形成した後、形成された合金膜23cに対してプラズマ酸化を行うと、半導体積層体25の端面をOプラズマが直接に照射しないため、成膜時に端面が酸化されることがない。 The difference in the deterioration rate can be considered as follows. As in the comparative example, in the case where AlYO is formed using O 2 gas at the time of film formation, since the O plasma directly irradiates the end face of the semiconductor stacked body 25, the end face is oxidized at the time of film formation. On the other hand, when the plasma oxidation is performed on the formed alloy film 23c after the alloy film 23c made of AlY is first formed as in the third embodiment, O plasma is directly applied to the end face of the semiconductor stacked body 25. In this case, the end face is not oxidized during film formation.

(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図7は本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図7において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 7 is a semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 7, the same components as those shown in FIG.

図7に示すように、第4の実施形態に係る前端面保護膜23は、半導体積層体25の前端面に形成された、厚さが3nmの酸窒化アルミニウムランタン(AlLaON)からなる第1の保護膜23fと、該第1の保護膜23fの上に形成されたAlからなる第2の保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23の反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。 As shown in FIG. 7, the front end face protective film 23 according to the fourth embodiment is a first end made of aluminum lanthanum oxynitride (AlLaON) having a thickness of 3 nm and formed on the front end face of the semiconductor stacked body 25. A protective film 23f and a second protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the first protective film 23f are configured. The reflectance of the front end face protective film 23 is 18% as in the first embodiment.

第4の実施形態に係る前端面保護膜23の成膜方法を図8に基づいて説明する。   A method of forming the front end face protective film 23 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.

まず、図8(a)に示すように、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAlLa合金ターゲット材を用い、スパッタガスとしてOガス及びArガスを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが3nmのAlLaOからなる金属酸化膜23eを成膜する。ここでは、AlLaOにおけるAlとLaとの組成比が3:1となるように、AlLa合金ターゲット材の組成と成膜条件とを調整している。 First, as shown in FIG. 8 (a), by using an ECL sputtering method, an AlLa alloy target material is used as a target material, and O 2 gas and Ar gas are used as sputtering gases, so that the cleaved resonator in the semiconductor stacked body 25 is obtained. A metal oxide film 23e made of AlLaO having a thickness of 3 nm is formed on the front end face. Here, the composition of the AlLa alloy target material and the film forming conditions are adjusted so that the composition ratio of Al to La in AlLaO is 3: 1.

次に、図8(b)に示すように、金属酸化膜23eを成膜したECRスパッタ装置を用いて、金属酸化膜23eに対して窒素(N)プラズマを照射する。これにより、金属酸化膜23eを窒化して、AlLaONからなる金属酸窒化物である第1の保護膜23fを形成する。   Next, as shown in FIG. 8B, the metal oxide film 23e is irradiated with nitrogen (N) plasma using an ECR sputtering apparatus in which the metal oxide film 23e is formed. As a result, the metal oxide film 23e is nitrided to form the first protective film 23f, which is a metal oxynitride made of AlLaON.

Nプラズマの照射量は、AlLaONにおけるNの組成が平均で3原子%となるように設定している。このNプラズマの照射により得られるAlLaONからなる第1の保護膜23fは、第2の保護膜23bとの界面に近いほどNの組成が高く約6原子%であり、半導体積層体25の端面に近いほど低く約2原子%である。このようにNの組成が第1の保護膜23f中において傾斜している理由は、金属酸化膜23eをその外側の面から窒化しているからである。   The irradiation amount of N plasma is set so that the average composition of N in AlLaON is 3 atomic%. The first protective film 23f made of AlLaON obtained by this N plasma irradiation has a higher N composition and a concentration of about 6 atomic% as it is closer to the interface with the second protective film 23b. The closer it is, the lower is about 2 atomic%. The reason why the composition of N is inclined in the first protective film 23f is that the metal oxide film 23e is nitrided from the outer surface.

その後は、図7に示すように、プラズマ窒化したECRスパッタ装置を用いて、Alからなる第2の保護膜23bを第1の保護膜23fの上に成膜する。 After that, as shown in FIG. 7, a second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23f by using an ECR sputtering apparatus subjected to plasma nitridation.

第4の実施形態に係る前端面保護膜23を有する半導体レーザ素子は、第1の保護膜23fに金属酸窒化物(AlLaON)を用いることにより、半導体レーザ素子の信頼性がさらに向上する。具体的には、第1の実施形態等と同様の信頼性試験において、動作電流の増加率が平均で2%と大きく抑制することができる。   In the semiconductor laser device having the front end face protective film 23 according to the fourth embodiment, the reliability of the semiconductor laser device is further improved by using metal oxynitride (AlLaON) for the first protective film 23f. Specifically, in the same reliability test as in the first embodiment, the increase rate of the operating current can be greatly suppressed to 2% on average.

一方、比較例として、第1の保護膜に金属酸化物(AlLaO(但し、AlとLaとの組成比は1:2である。))を用いて作製した半導体レーザ素子における動作電流の増加率は平均で6%であった。この理由は、AlLaONが窒化物半導体の熱分解及び光分解を抑制するからである。   On the other hand, as a comparative example, the rate of increase in operating current in a semiconductor laser device manufactured using a metal oxide (AlLaO (where the composition ratio of Al and La is 1: 2)) as the first protective film. The average was 6%. This is because AlLaON suppresses thermal decomposition and photodecomposition of the nitride semiconductor.

窒化物半導体は、熱安定性自体は高いものの、半導体レーザ素子においては、バンドギャップ程度の高密度の光を自ら発生しているため、端面における光吸収により発生する正孔電子対は、化学的には原子結合の切断を意味する。また、窒化物半導体は、それを構成するV族元素が蒸気圧が高い窒素であるために分解しやすい。その結果、熱安定性が高いにも拘わらず、ヒ化ガリウム(GaAs)等と比べてV族元素を端面から放出しやすい。   Nitride semiconductors have high thermal stability, but semiconductor laser elements generate high-density light of the order of a band gap. Therefore, hole electron pairs generated by light absorption at the end faces are chemically Means breaking of an atomic bond. A nitride semiconductor is easily decomposed because the group V element constituting the nitride semiconductor is nitrogen having a high vapor pressure. As a result, although the thermal stability is high, group V elements are easily released from the end face as compared with gallium arsenide (GaAs) or the like.

これに対し、第4の実施形態のように、前端面保護膜23に窒素を含む場合は、窒化物半導体からの窒素の放出を抑制できるため、半導体レーザ素子の劣化を抑制することができる。   On the other hand, when the front end face protective film 23 contains nitrogen as in the fourth embodiment, the release of nitrogen from the nitride semiconductor can be suppressed, so that the deterioration of the semiconductor laser element can be suppressed.

また、AlにLaを添加することにより生じる酸素の欠損と酸素の内部拡散係数の増大を導入された窒素が防止していることもレーザ素子の信頼性の向上に寄与している。 In addition, prevention of nitrogen deficiency caused by adding La to Al 2 O 3 and increase in internal diffusion coefficient of oxygen prevents the reliability of the laser element.

また、第1の保護膜23fにAlLaONを用いたことによりレーザ素子の信頼性が向上した理由として、半導体レーザ素子の動作中における前端面保護膜23、特に第1の保護膜23fの相分離、さらには結晶化が抑制される。Laの組成が高いAlLaOの場合は、動作中の熱及び光エネルギーにより、AlLaOがAlとLaとに相分離して結晶化しやすい。 The reason why the reliability of the laser element is improved by using AlLaON for the first protective film 23f is that phase separation of the front end face protective film 23, particularly the first protective film 23f during the operation of the semiconductor laser element, Furthermore, crystallization is suppressed. In the case of AlLaO having a high La composition, AlLaO is phase-separated into Al 2 O 3 and La 2 O 3 due to heat and light energy during operation, and is easily crystallized.

これに対し、第4の実施形態のように、窒素を添加したAlLaONは、相分離と結晶化とを抑制できるため、第1の保護膜23fの相分離に伴う半導体レーザ素子の劣化が防止できる。   On the other hand, as in the fourth embodiment, AlLaON to which nitrogen is added can suppress phase separation and crystallization, so that the semiconductor laser device can be prevented from being deteriorated due to the phase separation of the first protective film 23f. .

また、第4の実施形態においては、第1の保護膜23fを構成するAlLaONにおけるNの組成が徐々に変化しているため、前端面保護膜23により半導体積層体25の前端面にかかる応力が第1の保護膜23fにおいて緩和される。その結果、動作中に半導体積層体25の前端面に応力により生じる結晶欠陥が抑制されて、信頼性がさらに向上する。   In the fourth embodiment, since the composition of N in AlLaON constituting the first protective film 23f is gradually changed, the stress applied to the front end face of the semiconductor stacked body 25 by the front end face protective film 23 is increased. It is relaxed in the first protective film 23f. As a result, crystal defects caused by stress on the front end face of the semiconductor stacked body 25 during operation are suppressed, and reliability is further improved.

また、第4の実施形態のように、AlLaONにおけるNとOとの組成比N/Oの値を1よりも小さく設定している。これにより、共有結合性の傾向が強いAl−N結合の割合が小さくなるため、室温で成膜したとしても、結晶性の膜を形成しやすい金属窒化物の特徴を抑制できるので、非晶質の第1の保護膜23fを容易に形成することができる。   Further, as in the fourth embodiment, the value of the composition ratio N / O of N and O in AlLaON is set to be smaller than 1. As a result, the proportion of Al—N bonds having a strong tendency to covalent bond is reduced, and even if the film is formed at room temperature, the characteristics of the metal nitride that easily forms a crystalline film can be suppressed. The first protective film 23f can be easily formed.

また、N/Oの組成比の値を1よりも小さく設定することにより、窒素の添加に伴い金属酸化物のバンドギャップが狭くなることを防止し、紫外域から赤外域までの波長域で透明な前端面保護膜23を得ることができる。窒素の添加に伴ってバンドギャップが狭くなる原因は、LaN、YN、HfN及びZrNが金属性化合物だからである。LaN、YN、HfN及びZrNが金属性化合物である理由は、La、Y、Hf及びZr等のようにd軌道が完全に占有されていない遷移金属が窒化物を形成する場合は、金属原子がd電子を介して直接結合するバンドがフェルミ準位付近に位置するためである。従って、Nの組成が高いほど金属酸化物のバンドギャップが狭くなり、半導体レーザ素子の発振波長付近における光の吸収率が増大する。従って、半導体レーザ素子の前端面保護膜23には、光損失を小さくするために光吸収率が低い材料を用いることが望ましい。   Moreover, by setting the value of the N / O composition ratio to be smaller than 1, it is possible to prevent the band gap of the metal oxide from being narrowed with the addition of nitrogen, and to be transparent in the wavelength region from the ultraviolet region to the infrared region. A front end face protective film 23 can be obtained. The reason why the band gap narrows with the addition of nitrogen is that LaN, YN, HfN, and ZrN are metallic compounds. The reason why LaN, YN, HfN and ZrN are metallic compounds is that when a transition metal in which d orbitals are not completely occupied, such as La, Y, Hf and Zr, forms a nitride, This is because a band directly coupled via d electrons is located in the vicinity of the Fermi level. Therefore, the higher the composition of N, the narrower the band gap of the metal oxide, and the light absorption rate near the oscillation wavelength of the semiconductor laser element increases. Therefore, it is desirable to use a material having a low light absorption rate for the front end face protective film 23 of the semiconductor laser element in order to reduce the optical loss.

(第5の実施形態)
以下、本発明の第5の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図9は本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図9において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 9 is a semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 9, the same components as those shown in FIG.

図9に示すように、第5の実施形態に係る前端面保護膜23は、半導体積層体25の前端面に形成された、厚さが3nmの酸窒化アルミニウムイットリウムランタン(AlYLaON)からなる第1の保護膜23iと、該第1の保護膜23iの上に形成されたAlからなる第2の保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23の反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。 As shown in FIG. 9, the front end face protective film 23 according to the fifth embodiment is a first made of aluminum yttrium oxynitride (AlYLaON) having a thickness of 3 nm and formed on the front end face of the semiconductor stacked body 25. And a second protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the first protective film 23i. The reflectance of the front end face protective film 23 is 18% as in the first embodiment.

第5の実施形態に係る前端面保護膜23の成膜方法を図10に基づいて説明する。   A method of forming the front end face protective film 23 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.

まず、図10(a)に示すように、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAlYLa合金ターゲット材を用い、スパッタガスにArガスを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが3nmのAlYLaからなる合金膜23gを成膜する。   First, as shown in FIG. 10A, by using an ERY sputtering method, an AlYLa alloy target material is used as a target material, and Ar gas is used as a sputtering gas. An alloy film 23g made of AlYLa having a thickness of 3 nm is formed thereon.

次に、図10(b)に示すように、合金膜23gを成膜したECRスパッタ装置を用いて、合金膜23gに対して酸素(O)プラズマを照射する。これにより、合金膜23gを酸化して、AlYLaOからなる金属酸化膜23hを形成する。   Next, as shown in FIG. 10B, the alloy film 23g is irradiated with oxygen (O) plasma using an ECR sputtering apparatus in which the alloy film 23g is formed. As a result, the alloy film 23g is oxidized to form a metal oxide film 23h made of AlYLaO.

次に、図10(c)に示すように、金属酸化膜23hに対して窒素(N)プラズマを照射する。これにより、金属酸化膜23hを窒化して、AlYLaONからなる金属酸窒化物である第1の保護膜23iを形成する。ここで、AlYLaONにおけるAlとYとLaとの組成比は10:7:3とし、Nの組成は10原子%としている。   Next, as shown in FIG. 10C, the metal oxide film 23h is irradiated with nitrogen (N) plasma. As a result, the metal oxide film 23h is nitrided to form a first protective film 23i that is a metal oxynitride made of AlYLaON. Here, the composition ratio of Al, Y, and La in AlYLaON is 10: 7: 3, and the composition of N is 10 atomic%.

その後は、図9に示すように、Alからなる第2の保護膜23bを第1の保護膜23iの上に成膜して、反射率が18%の前端面保護膜23を得る。 Thereafter, as shown in FIG. 9, a second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23i to obtain a front end face protective film 23 having a reflectance of 18%. .

このように作製した前端面保護膜23を有する半導体レーザ素子に対して、前述と同様の信頼性試験を行なった。第5の実施形態に係る半導体レーザ素子における動作電流の増加率は平均で1%と、第4の実施形態に係るAlLaONからなる第1の保護膜23fを設けた半導体レーザ素子よりも信頼性がさらに向している。   A reliability test similar to that described above was performed on the semiconductor laser device having the front end face protective film 23 thus manufactured. The increase rate of the operating current in the semiconductor laser device according to the fifth embodiment is 1% on average, which is more reliable than the semiconductor laser device provided with the first protective film 23f made of AlLaON according to the fourth embodiment. It is more suitable.

これは、第1の保護膜23iにAlの結晶化温度を上昇させるLaとYとを同時に含むためと考えられる。さらに、第1の保護膜23iには窒素を導入していることから、導入された窒素によって、第1の保護膜23i中の酸素の内部拡散を抑制し、且つ相分離を防止する効果も、半導体レーザ素子の劣化を抑制している要因である。 This is presumably because La and Y that raise the crystallization temperature of Al 2 O 3 are included in the first protective film 23 i at the same time. Furthermore, since nitrogen is introduced into the first protective film 23i, the effect of suppressing the internal diffusion of oxygen in the first protective film 23i and preventing phase separation by the introduced nitrogen, This is a factor that suppresses the deterioration of the semiconductor laser element.

(第6の実施形態)
以下、本発明の第6の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Sixth embodiment)
Hereinafter, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図11は本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図11において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 11 is a semiconductor light-emitting device according to the sixth embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 11, the same components as those shown in FIG.

第6の実施形態に係る前端面保護膜23Aは、単層の酸窒化アルミニウム(AlON)により構成されている。ここでも、前端面保護膜23Aの反射率は18%としている。   The front end face protective film 23A according to the sixth embodiment is made of a single layer of aluminum oxynitride (AlON). Again, the reflectance of the front end face protective film 23A is 18%.

以下、第6の実施形態に係る前端面保護膜23Aの成膜方法を説明する。   Hereinafter, a film forming method of the front end face protective film 23A according to the sixth embodiment will be described.

ECRスパッタ法等により、ターゲット材にAl金属ターゲット材を用い、OガスとNガスとの混合ガスを反応性ガスに用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上にAlONからなる前端面保護膜23Aを成膜する。なお、成膜速度を制御するために、ArガスもECRチャンバに同時に導入している。 By using an Al metal target material as a target material by an ECR sputtering method or the like, and using a mixed gas of O 2 gas and N 2 gas as a reactive gas, Then, a front end face protective film 23A made of AlON is formed. Note that Ar gas is also introduced into the ECR chamber at the same time in order to control the deposition rate.

ここで、第6の実施形態のように、前端面保護膜23Aを構成するAlONを非晶質とするには、AlON中のN/O比の値を1未満とすればよい。また、AlONは、そのNの組成が10原子%以上且つ40原子%以下であれば、温度が2000℃まではAlとAlNとに相分離しない安定な固溶体であるため、半導体レーザ素子の端面保護膜として望ましい。第6の実施形態においては、AlON中のNの組成を30原子%としている。なお、Nの組成制御は、スパッタ時のOガスとNガスとの流量比の設定により行うことができる。 Here, as in the sixth embodiment, in order to make the AlON constituting the front end face protective film 23A amorphous, the value of the N / O ratio in AlON should be less than 1. Also, AlON is a stable solid solution that does not phase-separate into Al 2 O 3 and AlN up to a temperature of 2000 ° C. if the N composition is 10 atomic% or more and 40 atomic% or less. It is desirable as an end face protective film. In the sixth embodiment, the composition of N in AlON is 30 atomic%. Note that the composition control of N can be performed by setting a flow rate ratio between O 2 gas and N 2 gas during sputtering.

上記のように作製した第6の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性について、以下に説明する。   The reliability of the semiconductor laser device according to the sixth embodiment manufactured as described above will be described below.

70℃の温度で光出力が100mWとなるように連続発振する信頼性試験を1000時間行った場合、第6の実施形態に係る半導体レーザ素子は動作電流が平均で5%増大し、動作電流が平均で15%増大する従来のAlからなる前端面保護膜を用いた半導体レーザ素子よりも信頼性が向上する。また、従来技術であり比較例として作製したAlNからなる単層の前端面保護膜を設けた半導体レーザ素子は、試験の開始から20時間程度でCODは発生し、レーザ発振が停止した。 When a reliability test that continuously oscillates so that the optical output becomes 100 mW at a temperature of 70 ° C. is performed for 1000 hours, the operating current of the semiconductor laser device according to the sixth embodiment increases by 5% on average, and the operating current increases. The reliability is improved as compared with the conventional semiconductor laser element using the front end face protective film made of Al 2 O 3 which increases by 15% on average. Further, in the semiconductor laser device provided with a single-layer front end face protective film made of AlN, which is a prior art and produced as a comparative example, COD occurred in about 20 hours from the start of the test, and laser oscillation stopped.

このように、第6の実施形態に係る前端面保護膜23Aを有する半導体レーザ素子の信頼性が向上した理由は、以下のように考えることができる。   Thus, the reason why the reliability of the semiconductor laser device having the front end face protective film 23A according to the sixth embodiment is improved can be considered as follows.

まず、AlONはAlと比べて結晶化温度が高い。これは、Al−N結合の方がAl−O結合よりも共有結合性が強いためである。このことは、ポーリングによる電気陰性度を比較すると、Alが1.61であり、Oが3.44であり、Nが3.04であるため、電気陰性度の差が小さいAl−N結合の方が共有結合性の強いことにより理解できる。このように、Al−N結合は共有結合性が強いため、Al−O結合よりも結合角の変化時のエネルギー増加が大きくなり、結合角が変化しにくい。なぜなら、共有結合は特定の方向に電子密度が分布しているため、結合角が変化すると結合エネルギーが増加するからである。この結合角の変化のしにくさが、非晶質の金属酸化物の結晶化の容易さを決める。なぜなら、非晶質である金属酸化物が結晶化する現象は、微視的には金属酸化物を構成する酸素が自己拡散して秩序だった構造を形成することであり、このときの酸素の自己拡散の際に、金属原子と酸素原子との結合角を変化する必要があるからである。すなわち、結合角が変化しにくいほど、酸素が自己拡散しにくく、従って、結晶化が生じにくい。その結果、前端面保護膜23AにAlONを用いると、Alを用いる場合と比べて半導体レーザ素子の動作中の温度上昇による結晶化が抑制される。 First, AlON has a higher crystallization temperature than Al 2 O 3 . This is because the Al—N bond is stronger in covalent bond than the Al—O bond. This is because when comparing the electronegativity by Pauling, Al is 1.61, O is 3.44, and N is 3.04. Therefore, the difference in electronegativity is small. This can be understood by the stronger covalent bond. Thus, since the Al—N bond has a strong covalent bond, the energy increase when the bond angle changes is larger than that of the Al—O bond, and the bond angle hardly changes. This is because the covalent bond has an electron density distributed in a specific direction, so that the bond energy increases when the bond angle changes. The difficulty of changing the bond angle determines the ease of crystallization of the amorphous metal oxide. This is because the phenomenon in which an amorphous metal oxide crystallizes microscopically is that the oxygen constituting the metal oxide self-diffuses to form an ordered structure. This is because it is necessary to change the bond angle between the metal atom and the oxygen atom during self-diffusion. That is, as the bond angle is less likely to change, oxygen is less likely to self-diffusion, and thus crystallization is less likely to occur. As a result, when AlON is used for the front end face protective film 23A, crystallization due to temperature rise during the operation of the semiconductor laser element is suppressed as compared with the case where Al 2 O 3 is used.

一方、前端面保護膜23Aが結晶化すれば、結晶粒界によってレーザ光が散乱され、レーザ共振器の損失が大きくなる。このため、一定の光出力を得るための動作電流が増大してしまう。このような前端面保護膜の結晶化による動作電流の増大が、AlONを用いることにより抑制される。実際、シリコンからなる基板の上に成膜したAlからなる単層膜は、30秒間のアニールにより900℃で結晶化したが、AlONからなる単層膜の場合は、結晶化温度が1100℃まで向上した。 On the other hand, if the front end face protective film 23A is crystallized, the laser light is scattered by the crystal grain boundary, and the loss of the laser resonator increases. For this reason, the operating current for obtaining a constant light output increases. Such an increase in operating current due to the crystallization of the front end face protective film is suppressed by using AlON. Actually, a single layer film made of Al 2 O 3 formed on a substrate made of silicon was crystallized at 900 ° C. by annealing for 30 seconds, but in the case of a single layer film made of AlON, the crystallization temperature is It improved to 1100 degreeC.

また、上述したように、AlONはAlと比べて酸素の拡散を抑制するという特徴そのものが、信頼性の向上に寄与している。一般に、半導体レーザ素子はパッケージによってNとOとの混合ガス中に封止されている。この封止ガス中の酸素が、半導体レーザ素子の動作中の温度上昇により、前端面保護膜を通して半導体レーザ素子の端面にまで拡散し、熱又はレーザ光のエネルギーにより半導体端面を酸化させる。その結果、端面での非発光再結合が増加し、動作電流が増大する。前端面保護膜中の酸素の拡散は、非晶質のように結晶粒界がない場合は、金属酸化物を構成する酸素の自己拡散により生じる。前述のように、AlONはAlと比べて酸素の自己拡散の速度が小さいため、半導体積層体25の端面の酸化が効果的に防止できるので、動作電流の増大を抑制することができる。 In addition, as described above, the characteristic that AlON suppresses the diffusion of oxygen as compared with Al 2 O 3 contributes to the improvement of reliability. In general, a semiconductor laser element is sealed in a mixed gas of N 2 and O 2 by a package. Oxygen in the sealing gas diffuses to the end face of the semiconductor laser element through the front end face protective film due to a temperature rise during the operation of the semiconductor laser element, and oxidizes the semiconductor end face by heat or energy of laser light. As a result, non-radiative recombination at the end face increases and the operating current increases. The diffusion of oxygen in the front end face protective film is caused by the self-diffusion of oxygen constituting the metal oxide when there is no crystal grain boundary such as amorphous. As described above, since AlON has a lower rate of oxygen self-diffusion than Al 2 O 3 , oxidation of the end face of the semiconductor stacked body 25 can be effectively prevented, so that an increase in operating current can be suppressed. .

また、AlONからなる前端面保護膜23Aの応力が、従来のAlからなる前端面保護膜の場合と比べて低下することにより、信頼性が向上したことも考えられる。なぜなら、ヤング率はAlでは335GPaであり、AlNでは308GPaであるため、AlにAlNを添加したAlONの場合は、ヤング率がAlよりも低下する。前端面保護膜23Aの応力が低下すれば、応力により半導体積層体25の端面に発生する結晶欠陥が抑制されて、動作電流の増大を防止することができる。 Further, it is conceivable that the reliability of the front end face protective film 23A made of AlON is improved by reducing the stress compared to the case of the conventional front end face protective film made of Al 2 O 3 . Because the Young's modulus is 335GPa the Al 2 O 3, because it is 308GPa the AlN, in the case of AlON with the addition of AlN to Al 2 O 3, Young's modulus lower than Al 2 O 3. When the stress on the front end face protective film 23A is reduced, crystal defects generated on the end face of the semiconductor stacked body 25 due to the stress are suppressed, and an increase in operating current can be prevented.

さらには、従来技術であるAlと半導体との界面準位の発生がAlONにより抑制されたことも、信頼性向上の要因である。非晶質のAlにおいては、Alと結合している陰イオン(この場合はO)の配位数は4と6とが混在している。すなわち、III族原子と結合しているV族原子の配位数が4である窒化物半導体とAlの配位数とが異なる。その結果、窒化物半導体の端面にAlが成膜される際に、Al−O結合構造で且つ6の配位数を持とうとするため、窒化物半導体が応力を受けることから、窒化物半導体の端面に結晶欠陥が生じると考えられる。 Furthermore, the fact that the generation of the interface state between Al 2 O 3 and the semiconductor, which is the prior art, is suppressed by AlON is also a factor for improving the reliability. In amorphous Al 2 O 3 , the coordination number of anions (O in this case) bonded to Al is a mixture of 4 and 6. That is, the coordination number of the nitride semiconductor in which the coordination number of the group V atom bonded to the group III atom is 4 is different from that of Al 2 O 3 . As a result, when Al 2 O 3 is formed on the end surface of the nitride semiconductor, the Al—O bond structure and the coordination number of 6 tend to be obtained. It is considered that crystal defects occur on the end face of the physical semiconductor.

一方、第6の実施形態のように、AlにAlNを導入した場合は、Al−N結合におけるNの配位数は4であるため、AlON中におけるAlへの陰イオン(この場合は、OとN)の平均配位数が低下し、窒化物半導体の配位数に近づく。これにより、前端面保護膜23Aから窒化物半導体が受ける応力が低減して、窒化物半導体からなる半導体積層体25の端面に生じる結晶欠陥の密度が低下し、その結果、半導体レーザの信頼性が向上する。 On the other hand, when AlN is introduced into Al 2 O 3 as in the sixth embodiment, since the coordination number of N in the Al—N bond is 4, an anion to Al in AlON (in this case) Decreases the average coordination number of O and N) and approaches the coordination number of the nitride semiconductor. As a result, the stress applied to the nitride semiconductor from the front end face protective film 23A is reduced, and the density of crystal defects generated on the end face of the semiconductor stacked body 25 made of the nitride semiconductor is reduced. As a result, the reliability of the semiconductor laser is improved. improves.

また、AlONは、Alと比べて窒化物半導体からの窒素の外部拡散を抑制すると考えられる。その要因は2つある。1つ目は、上述の酸素の自己拡散の抑制と同様に、結合角が変化しにくいために窒素の自己拡散が抑制されることである。AlONが窒素の外部拡散を抑制する2つ目の要因は、AlON自体がNを含んでいることである。拡散は濃度差により生じる。AlON中にNが存在することにより、前端面保護膜23Aと窒化物半導体との窒素の濃度差がAlよりも小さいため、窒化物半導体からの窒素の外部拡散が抑制される。窒化物半導体からの窒素の外部拡散は、窒化物半導体中における窒素の欠陥が発生することを意味し、非発光再結合の増加により動作電流が増大する。この窒素の外部拡散がAlONにより抑制されるため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子の信頼性が向上する。 In addition, it is considered that AlON suppresses the external diffusion of nitrogen from the nitride semiconductor as compared with Al 2 O 3 . There are two factors. The first is that the self-diffusion of nitrogen is suppressed because the bond angle is difficult to change, similar to the suppression of self-diffusion of oxygen described above. The second factor that AlON suppresses the external diffusion of nitrogen is that AlON itself contains N. Diffusion occurs due to concentration differences. The presence of N in AlON suppresses the external diffusion of nitrogen from the nitride semiconductor because the difference in nitrogen concentration between the front end face protective film 23A and the nitride semiconductor is smaller than that of Al 2 O 3 . Nitrogen out-diffusion from the nitride semiconductor means that nitrogen defects occur in the nitride semiconductor, and the operating current increases due to an increase in non-radiative recombination. Since the external diffusion of nitrogen is suppressed by AlON, the reliability of the semiconductor laser element using a nitride semiconductor is improved.

ところで、従来のAlNを用いた前端面保護膜は、窒素の外部拡散を抑制するという観点からは効果的である。しかしながら、AlNは室温程度の低温の成膜によってもC軸配向性の膜が得られるほど、結晶性の傾向が強い。そのため、AlNを前端面保護膜に用いた場合は、封止ガス中の酸素が結晶粒界を通してAlN中を容易に拡散する。また、スパッタ法により得られるAlNは窒素の欠損を多く含む。この窒素の欠損を介しても、封止ガス中の酸素がAlN中を容易に拡散する。これらの要因のため、半導体端面への酸素の拡散が速く、半導体の酸化が容易に進行する。また、AlN中の窒素の欠損を補償しようとして、動作時に発生する熱と光のエネルギーを利用して、窒化物半導体からの窒素の外部拡散が発生する。これらの効果のため、従来技術であるAlNからなる前端面保護膜を用いた半導体レーザ素子は、信頼性が著しく低下すると考えられる。   By the way, the conventional front end face protective film using AlN is effective from the viewpoint of suppressing external diffusion of nitrogen. However, AlN has a tendency of crystallinity so that a C-axis oriented film is obtained even by film formation at a low temperature of about room temperature. Therefore, when AlN is used for the front end face protective film, oxygen in the sealing gas easily diffuses in AlN through the crystal grain boundary. In addition, AlN obtained by sputtering includes many nitrogen defects. Even through this nitrogen defect, oxygen in the sealing gas diffuses easily in AlN. Because of these factors, the diffusion of oxygen to the semiconductor end face is fast, and the semiconductor oxidation proceeds easily. Further, external diffusion of nitrogen from the nitride semiconductor occurs by utilizing heat and light energy generated during operation in an attempt to compensate for nitrogen deficiency in AlN. Due to these effects, it is considered that the reliability of the semiconductor laser element using the front end face protective film made of AlN, which is a conventional technique, is remarkably lowered.

(第7の実施形態)
以下、本発明の第7の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Seventh embodiment)
The seventh embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図12は本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図12において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 12 is a semiconductor light emitting device according to a seventh embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 12, the same components as those shown in FIG.

図12に示すように、第7の実施形態に係る前端面保護膜23Aは、半導体積層体25の前端面に形成された、厚さが5nmの酸窒化アルミニウム(AlON)からなる第1の保護膜23jと、該第1の保護膜23jの上に形成されたAlからなる第2の保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23Aの反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。 As shown in FIG. 12, the front end surface protective film 23 </ b> A according to the seventh embodiment is a first protection layer made of aluminum oxynitride (AlON) having a thickness of 5 nm formed on the front end surface of the semiconductor stacked body 25. The film 23j is composed of a second protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the first protective film 23j. The reflectance of the front end face protective film 23A is 18% as in the first embodiment.

第7の実施形態に係る前端面保護膜23Aは、以下のように形成する。   The front end face protective film 23A according to the seventh embodiment is formed as follows.

まず、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAl金属ターゲット材を用い、スパッタガスとしてNとOとArとの混合ガスを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが5nmのAlONからなる金属酸窒化物である第1の保護膜23jを成膜する。ここでは、非晶質のAlONを得るために、NとOとの混合比を調整して、AlONにおけるNの組成は約5原子%としている。 First, by using an ECR sputtering method, an Al metal target material is used as a target material, and a mixed gas of N 2 , O 2, and Ar is used as a sputtering gas. A first protective film 23j which is a metal oxynitride made of AlON having a thickness of 5 nm is formed. Here, in order to obtain amorphous AlON, the mixing ratio of N 2 and O 2 is adjusted so that the composition of N in AlON is about 5 atomic%.

続いて、第1の保護膜23jを成膜したECRスパッタ装置において、Al金属ターゲット材に対して反応性ガスをOのみとし、Arを導入しながら第1の保護膜23jの上に、Alからなる第2の保護膜23bを成膜する。なお、比較例として作製した、AlONからなる単層の前端面保護膜におけるNの組成も5原子%とした。 Subsequently, in the ECR sputtering apparatus in which the first protective film 23j is formed, the reactive gas is only O 2 with respect to the Al metal target material, and Al is introduced onto the first protective film 23j while introducing Ar. A second protective film 23b made of 2 O 3 is formed . Note that the composition of N in the single-layer front end face protective film made of AlON prepared as a comparative example was also 5 atomic%.

一般に、AlONの屈折率はその組成によって敏感に変動する。また、成膜装置内に残留するO又はHOによってもNの組成が変動する。これは、酸素は窒素よりもAlとの反応性が高いため、AlONの組成が僅かな残留酸素によっても大きく影響を受けるからである。前述したように、半導体レーザ素子における前端面保護膜は、半導体積層体25の端面の保護だけでなく、共振器端面の反射率を制御するために設けられている。実際、比較のために作製したAlONからなる単層の前端面保護膜における反射率は、AlONにおけるNの組成を3原子%から5原子%と変化させた場合に、その反射率が9%〜11%と変動した。Nの組成が安定なAlONを成膜するには、成膜装置内に残留するO又はHO等を精密に管理する必要があり、製造工程を煩雑化させる。 In general, the refractive index of AlON varies sensitively depending on its composition. Further, the composition of N varies depending on O 2 or H 2 O remaining in the film forming apparatus. This is because oxygen has a higher reactivity with Al than nitrogen, and the composition of AlON is greatly affected by a small amount of residual oxygen. As described above, the front end face protective film in the semiconductor laser element is provided not only for protecting the end face of the semiconductor stacked body 25 but also for controlling the reflectance of the resonator end face. Actually, the reflectance of the single-layer front end face protective film made of AlON produced for comparison is 9% to 5% when the N composition in AlON is changed from 3 atomic% to 5 atomic%. It fluctuated to 11%. In order to form an AlON film having a stable N composition, it is necessary to precisely manage O 2 or H 2 O remaining in the film forming apparatus, which complicates the manufacturing process.

これに対し、第7の実施形態に係るAlONからなる第1の保護膜23jは、その膜厚が5nmであり、レーザ光のAlON中の波長である213nmと比べて十分に薄い。ここで、レーザの発振波長λは405nmで、AlONの屈折率nは1.9である。   In contrast, the first protective film 23j made of AlON according to the seventh embodiment has a film thickness of 5 nm, which is sufficiently thinner than 213 nm, which is the wavelength in the laser beam AlON. Here, the oscillation wavelength λ of the laser is 405 nm, and the refractive index n of AlON is 1.9.

このため、AlONにおけるNの組成が3原子%から5原子%と多少変化しても、前端面保護膜23の反射率は18%からほとんど変化が見られなかった。すなわち、成膜装置中の残留酸素又は残留水分の精密な管理をしなくても、半導体レーザ素子の歩留まりを安定化することができる。   For this reason, even if the composition of N in AlON slightly changed from 3 atomic% to 5 atomic%, the reflectance of the front end face protective film 23 hardly changed from 18%. That is, the yield of the semiconductor laser element can be stabilized without precise management of residual oxygen or residual moisture in the film forming apparatus.

さらに検討した結果、AlONからなる第1の保護膜23jの膜厚が無反射現象が生じるλ/4n未満であれば、AlONにおける組成の変動は、前端面保護23における反射率の変動を招かないことが分かった。   As a result of further investigation, if the thickness of the first protective film 23j made of AlON is less than λ / 4n where the antireflection phenomenon occurs, the variation in the composition in AlON does not cause the variation in the reflectance in the front end face protection 23. I understood that.

上記のように作製した第7の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性について、以下に説明する。   The reliability of the semiconductor laser device according to the seventh embodiment manufactured as described above will be described below.

70℃の温度で光出力が100mWとなるように連続発振する信頼性試験を1000時間行った場合、第7の実施形態に係る半導体レーザ素子における動作電流の増加率は平均で6%と、第6の実施形態と同様の安定性を得られる。すなわち、第6の実施形態に係るAlONからなる前端面保護膜23Aによる信頼性の向上が、第7の実施形態のように、AlONからなる第1の保護膜23jの厚さを5nmと薄くしても得られている。   When a reliability test that continuously oscillates so that the optical output becomes 100 mW at a temperature of 70 ° C. is performed for 1000 hours, the increase rate of the operating current in the semiconductor laser device according to the seventh embodiment is 6% on average, The same stability as that of the sixth embodiment can be obtained. That is, the improvement in reliability by the front end face protective film 23A made of AlON according to the sixth embodiment reduces the thickness of the first protective film 23j made of AlON to 5 nm as in the seventh embodiment. Even has been obtained.

この理由は以下のように理解できる。上述したように、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の信頼性を支配する現象は、窒化物半導体と前端面保護膜との界面に生じる窒化物半導体への酸素の拡散や窒化物半導体からの窒素の外部拡散である。これらの現象は界面の近傍で生じているため、第1の保護膜23jの膜厚が数nmであっても抑制されると考えられる。   The reason can be understood as follows. As described above, the phenomenon governing the reliability of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor is caused by diffusion of oxygen into the nitride semiconductor generated at the interface between the nitride semiconductor and the front end surface protective film or from the nitride semiconductor. Is the external diffusion of nitrogen. Since these phenomena occur in the vicinity of the interface, it is considered that even if the thickness of the first protective film 23j is several nm, it is suppressed.

さらには、上述したように、従来技術にみられる、Alからなる前端面保護膜と半導体との界面に生じる界面準位が、本発明に係るAlONからなる第1の保護膜23jによって抑制される。この現象も第1の保護膜23jと半導体積層体25との界面で生じるため、AlONからなる第1の保護膜23jの膜厚が極めて薄くても効果を発揮すると考えられる。 Furthermore, as described above, the interface state generated at the interface between the front end face protective film made of Al 2 O 3 and the semiconductor, as seen in the prior art, is caused by the first protective film 23j made of AlON according to the present invention. It is suppressed. Since this phenomenon also occurs at the interface between the first protective film 23j and the semiconductor stacked body 25, it is considered that the effect is exhibited even if the thickness of the first protective film 23j made of AlON is very thin.

(製造方法の一変形例)
第7の実施形態の一変形例に係る第1の保護膜23lの形成方法を図13に示す。
(One variation of manufacturing method)
FIG. 13 shows a method for forming the first protective film 231 according to a modification of the seventh embodiment.

まず、図13(a)に示すように、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAl金属ターゲット材を用い、スパッタガスにOガスとArガスとを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが5nmのAlからなる金属酸化膜23kを成膜する。 First, as shown in FIG. 13 (a), by using an ECR sputtering method, an Al metal target material is used as a target material, and an O 2 gas and an Ar gas are used as a sputtering gas. A metal oxide film 23k made of Al 2 O 3 having a thickness of 5 nm is formed on the front end face of the vessel.

次に、図13(b)に示すように、金属酸化膜23kに対して窒素(N)プラズマを照射する。これにより、金属酸化膜23kを窒化して、Nの組成が約5原子%のAlONからなる金属酸窒化物である第1の保護膜23lを形成する。ここで、Nプラズマは、ECRスパッタ装置に設けられたAl金属ターゲット材をシャッタ機構により遮蔽して行う。   Next, as shown in FIG. 13B, the metal oxide film 23k is irradiated with nitrogen (N) plasma. As a result, the metal oxide film 23k is nitrided to form the first protective film 231 which is a metal oxynitride made of AlON having an N composition of about 5 atomic%. Here, the N plasma is performed by shielding an Al metal target material provided in an ECR sputtering apparatus with a shutter mechanism.

但し、このNプラズマの照射により得られるAlONからなる第1の保護膜23lは、第2の保護膜23bとの界面に近いほどNの組成が高く約6原子%であり、半導体積層体25の端面に近いほど低く約2原子%である。このようにNの組成が第1の保護膜23l中において傾斜している理由は、金属酸化膜23kをその外側の面から窒化しているからである。   However, the first protective film 23l made of AlON obtained by this N plasma irradiation has a higher N composition and a concentration of about 6 atomic% as it is closer to the interface with the second protective film 23b. The closer it is to the end face, the lower is about 2 atomic%. The reason why the composition of N is inclined in the first protective film 231 is because the metal oxide film 23k is nitrided from the outer surface.

次に、13(c)に示すように、プラズマ窒化を行ったECRスパッタ装置を用いて、Alからなる第2の保護膜23bを第1の保護膜23lの上に成膜する。このように、第1の保護膜23l及び第2の保護膜23bは同一のECRスパッタ装置で一貫して行う。 Next, as shown in FIG. 13C, a second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23l using an ECR sputtering apparatus that has been subjected to plasma nitridation. As described above, the first protective film 23l and the second protective film 23b are consistently performed by the same ECR sputtering apparatus.

このように成膜した前端面保護膜23Aを有する半導体レーザ素子に対して、前述と同様の信頼性試験を行ったところ、本変形例に係る半導体レーザ素子における動作電流は平均で4%の増大に過ぎず、第1の保護膜23jのようにAlNOのNの組成が一定である場合よりも信頼性が向上する。   A reliability test similar to that described above was performed on the semiconductor laser element having the front end face protective film 23A formed in this manner. As a result, the operating current in the semiconductor laser element according to this modification increased by 4% on average. However, the reliability is improved as compared with the case where the N composition of AlNO is constant as in the first protective film 23j.

このように、AlNOにおけるNの組成が徐々に変化している場合は、前端面保護膜23により半導体積層体25の端面にかかる応力がAlNOからなる第1の保護膜23lにおいて緩和される。このため、レーザ素子の動作中に半導体積層体25の端面に応力によって発生する結晶欠陥が抑制されるので、信頼性がさらに向上する。   Thus, when the composition of N in AlNO is gradually changed, the stress applied to the end face of the semiconductor stacked body 25 is relaxed by the front end face protective film 23 in the first protective film 231 made of AlNO. For this reason, crystal defects generated by stress on the end face of the semiconductor stacked body 25 during the operation of the laser element are suppressed, so that the reliability is further improved.

なお、本変形例により成膜した第1の保護膜23lにおけるNの組成は、数原子%にとどまる。なぜなら、結合エンタルピの値が、Al−O結合では511kJ/molであり、Al−N結合では298kJ/molであるため、Alを窒化するには、高エネルギーを必要とするためである。
(第8の実施形態)
以下、本発明の第8の実施形態について図面を参照しながら説明する。
Note that the composition of N in the first protective film 231 formed according to this modification is only a few atomic percent. This is because the bond enthalpy value is 511 kJ / mol for the Al—O bond and 298 kJ / mol for the Al—N bond, so that high energy is required to nitride Al 2 O 3. .
(Eighth embodiment)
Hereinafter, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図14は本発明の第8の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図14において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 14 is a semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 14, the same components as those shown in FIG.

図14に示すように、第8の実施形態に係る前端面保護膜23Aは、半導体積層体25の前端面に形成された、厚さが3nmの酸窒化アルミニウム(AlON)からなる第1の保護膜23mと、該第1の保護膜23mの上に形成されたAlからなる第2の保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23Aの反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。 As shown in FIG. 14, the front end face protective film 23 </ b> A according to the eighth embodiment is a first protection made of aluminum oxynitride (AlON) having a thickness of 3 nm formed on the front end face of the semiconductor stacked body 25. The film 23m is composed of a second protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the first protective film 23m. The reflectance of the front end face protective film 23A is 18% as in the first embodiment.

第8の実施形態に係るAlONからなる第1の保護膜23mは、第7の実施形態と同様の成膜方法とし、且つNの組成を95原子%と高くしている。これにより、室温で成膜したにも拘わらず、AlNOにはC軸に配向した結晶性の膜を得ることができる。   The first protective film 23m made of AlON according to the eighth embodiment is formed by the same film forming method as in the seventh embodiment, and the N composition is as high as 95 atomic%. As a result, although the film is formed at room temperature, a crystalline film oriented in the C axis can be obtained for AlNO.

また、比較例として作製した従来の構成である、Nの組成が95原子%のAlNOからなる単層の前端面保護膜においても、第8の実施形態と同様に結晶性の膜であった。   Further, the single-layer front end face protective film made of AlNO having a composition of N of 95 atomic%, which is a conventional configuration manufactured as a comparative example, was a crystalline film as in the eighth embodiment.

上記のように作製した第8の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性について、以下に説明する。   The reliability of the semiconductor laser device according to the eighth embodiment manufactured as described above will be described below.

70℃の温度で光出力が100mWとなるように連続発振する信頼性試験を1000時間行った場合、第8の実施形態に係る半導体レーザ素子における動作電流の増加率は平均で7%であった。一方、従来のAlNO単層保護膜を有する半導体レーザ素子の場合は、試験の開始から100時間程度でCODによりレーザ発振が停止した。   When a reliability test that continuously oscillates so that the light output becomes 100 mW at a temperature of 70 ° C. was performed for 1000 hours, the increase rate of the operating current in the semiconductor laser device according to the eighth embodiment was 7% on average. . On the other hand, in the case of a semiconductor laser element having a conventional AlNO single layer protective film, laser oscillation was stopped by COD in about 100 hours from the start of the test.

第8の実施形態に係る前端面保護膜23Aにより、半導体レーザ素子の信頼性が向上した理由は、以下のように考えることができる。   The reason why the reliability of the semiconductor laser element is improved by the front end face protective film 23A according to the eighth embodiment can be considered as follows.

Nの組成が高い金属酸窒化物は一般に結晶性であることが知られているが、従来例に係るAlNO膜もC軸に配向した結晶性を持つ。従って、結晶性を有するAlNOには、結晶粒界が高密度に存在する。結晶粒界は拡散が生じやすい経路であるため、従来例においては、AlNOからなる単層の保護膜であるため、例えばパッケージ内の封止ガスである酸素が半導体積層体の端面にまで容易に拡散しやすい。このため、半導体積層体の端面の酸化速度が速く、半導体レーザ素子が急速に劣化したと考えられる。   Metal oxynitrides having a high N composition are generally known to be crystalline, but the AlNO film according to the conventional example also has crystallinity oriented in the C axis. Therefore, crystal grain boundaries exist at high density in AlNO having crystallinity. Since the crystal grain boundary is a path where diffusion easily occurs, in the conventional example, since it is a single-layer protective film made of AlNO, for example, oxygen as a sealing gas in the package can be easily reached to the end face of the semiconductor stacked body. Easy to diffuse. For this reason, it is considered that the oxidation rate of the end face of the semiconductor stacked body is high, and the semiconductor laser element is rapidly deteriorated.

これに対し、第8の実施形態においては、結晶性のAlNOからなる第1の保護膜23mの上に、非晶質のAlからなる第2の保護膜23bを形成している。AlはAl−O結合が強いため、金属酸化物中では酸素の自己拡散係数が最も小さい材料の一つであり、さらに非晶質の場合には、結晶粒界のような拡散経路がないため、封止ガスから半導体積層体25への酸素の内部拡散係数が小さい。 On the other hand, in the eighth embodiment, the second protective film 23b made of amorphous Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23m made of crystalline AlNO. Since Al 2 O 3 has a strong Al—O bond, it is one of the materials having the smallest oxygen self-diffusion coefficient among metal oxides. Therefore, the internal diffusion coefficient of oxygen from the sealing gas to the semiconductor stacked body 25 is small.

また、第1の保護膜23mを構成するAlNOが成膜時より結晶性を有するため、レーザ素子の動作中における半導体積層体25の端面での発熱及び光吸収により、非晶質の保護膜のように結晶化することがない。なぜなら、非晶質は熱的に準安定な状態であり、熱エネルギーを長時間与えられれば、熱的に安定な結晶化に向かう構造変化を起こす。   Further, since AlNO constituting the first protective film 23m has crystallinity from the time of film formation, the amorphous protective film is formed by heat generation and light absorption at the end face of the semiconductor stacked body 25 during the operation of the laser element. Does not crystallize. This is because amorphous is a thermally metastable state, and when heat energy is applied for a long time, a structural change toward thermally stable crystallization occurs.

しかしながら、第8の実施形態に係る第1の保護膜23mのように、最初から結晶質である保護膜の場合は、構造が熱的に安定であるため、結晶化への構造変化が生じない。このため、結晶化による光散乱の増加等の共振器特性の変化が抑制されるので、半導体レーザ素子の動作電流の変化が防止される。   However, in the case of a protective film that is crystalline from the beginning like the first protective film 23m according to the eighth embodiment, the structure is thermally stable, so that the structural change to crystallization does not occur. . For this reason, since changes in the resonator characteristics such as an increase in light scattering due to crystallization are suppressed, changes in the operating current of the semiconductor laser element are prevented.

このように、半導体積層体25の酸化と第1の保護膜23mの構造変化とが抑制されたため、信頼性が向上したと考えられる。   As described above, the oxidation of the semiconductor stacked body 25 and the structural change of the first protective film 23m are suppressed, so that the reliability is considered to be improved.

(製造方法の一変形例)
第8の実施形態の一変形例に係る第1の保護膜23oの形成方法を図15に示す。
(One variation of manufacturing method)
FIG. 15 shows a method of forming the first protective film 23o according to a modification of the eighth embodiment.

まず、図15(a)に示すように、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAl金属ターゲット材を用い、スパッタガスにNガスとArガスとを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが3nmのAlNからなる金属窒化膜23nを成膜する。 First, as shown in FIG. 15 (a), by using an ECR sputtering method, an Al metal target material is used as a target material, and N 2 gas and Ar gas are used as a sputtering gas. A metal nitride film 23n made of AlN having a thickness of 3 nm is formed on the front end face of the vessel.

次に、図15(b)に示すように、金属窒化膜23nに対して酸素(O)プラズマを照射する。これにより、金属窒化膜23nを酸化して、AlONからなる金属酸窒化物である第1の保護膜23oを形成する。ここで、Oプラズマは、ECRスパッタ装置に設けられたAl金属ターゲット材をシャッタ機構により遮蔽して行う。ここで、第1の保護膜23oにおけるNの組成は平均で70原子%であり、且つAlON膜は結晶性を有している。また、第1の保護膜23oにおけるNの組成は、第2の保護膜23bとの界面に近いほどNの組成が低く約60原子%であり、半導体積層体25の端面に近いほど高く約80原子%である。このようにNの組成が第1の保護膜23l中において傾斜している理由は、金属窒化膜23nをその外側の面から酸化しているからである。   Next, as shown in FIG. 15B, the metal nitride film 23n is irradiated with oxygen (O) plasma. As a result, the metal nitride film 23n is oxidized to form a first protective film 23o, which is a metal oxynitride made of AlON. Here, the O plasma is performed by shielding an Al metal target material provided in an ECR sputtering apparatus with a shutter mechanism. Here, the average composition of N in the first protective film 23o is 70 atomic%, and the AlON film has crystallinity. Further, the composition of N in the first protective film 23o is as low as about 60 atomic% as the composition is closer to the interface with the second protective film 23b, and as high as about 80 at the end face of the semiconductor stacked body 25. Atomic%. The reason why the composition of N is inclined in the first protective film 23l is that the metal nitride film 23n is oxidized from the outer surface.

次に、15(c)に示すように、プラズマ酸化を行ったECRスパッタ装置を用いて、Alからなる第2の保護膜23bを第1の保護膜23oの上に成膜する。このように、第1の保護膜23o及び第2の保護膜23bは同一のECRスパッタ装置で一貫して行う。 Next, as shown in FIG. 15C, a second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23o using an ECR sputtering apparatus that has been subjected to plasma oxidation. As described above, the first protective film 23o and the second protective film 23b are consistently performed by the same ECR sputtering apparatus.

このように成膜した前端面保護膜23Aを有する半導体レーザ素子に対して、前述と同様の信頼性試験を行ったところ、本変形例に係る半導体レーザ素子における動作電流は平均で4%の増大に過ぎず、第1の保護膜23mのようにAlNOのNの組成が一定である場合よりも信頼性が向上する。   A reliability test similar to that described above was performed on the semiconductor laser element having the front end face protective film 23A formed in this manner. As a result, the operating current in the semiconductor laser element according to this modification increased by 4% on average. However, the reliability is improved as compared with the case where the composition of N of AlNO is constant as in the first protective film 23m.

これは、AlNからなる金属窒化膜23nをプラズマ酸化する際の酸素プラズマが半導体積層体25の端面を直接に照射しないためである。すなわち、半導体積層体25の劈開端面に金属窒化膜23nを成膜した後に、金属酸窒化膜(第1の保護膜23o)を形成する場合は、金属酸窒化膜を半導体積層体25の端面上に直接に成膜する場合と比べて、ECRスパッタに用いるOプラズマが半導体積層体25の端面を直接に照射しない。このため、Oプラズマによる半導体積層体25の端面の酸化を防止することができるので、半導体レーザ素子の劣化が抑制される。   This is because oxygen plasma at the time of plasma oxidation of the metal nitride film 23n made of AlN does not directly irradiate the end face of the semiconductor stacked body 25. That is, when the metal oxynitride film (first protective film 23 o) is formed after forming the metal nitride film 23 n on the cleaved end face of the semiconductor stacked body 25, the metal oxynitride film is placed on the end face of the semiconductor stacked body 25. Compared with the case where the film is formed directly, the O plasma used for ECR sputtering does not directly irradiate the end face of the semiconductor stacked body 25. For this reason, since the oxidation of the end surface of the semiconductor stacked body 25 by O plasma can be prevented, the deterioration of the semiconductor laser element is suppressed.

さらには、本変形例のように、第1の保護膜23oを構成するAlNOのNの組成が徐々に変化している場合は、前端面保護膜23Aにより半導体積層体25の端面にかかる応力がAlNOからなる第1の保護膜23oにおいて緩和される。このため、レーザ素子の動作中に半導体積層体25の端面に応力によって発生する結晶欠陥が抑制されるので、信頼性がさらに向上する。   Further, when the composition of N of AlNO constituting the first protective film 23o is gradually changed as in this modification, the stress applied to the end face of the semiconductor stacked body 25 by the front end face protective film 23A is increased. It is relaxed in the first protective film 23o made of AlNO. For this reason, crystal defects generated by stress on the end face of the semiconductor stacked body 25 during the operation of the laser element are suppressed, so that the reliability is further improved.

(第9の実施形態)
以下、本発明の第9の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Ninth embodiment)
The ninth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図16は本発明の第9の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図16において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 16 schematically shows a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to the ninth embodiment of the present invention, which is a group III nitride semiconductor. In FIG. 16, the same components as those shown in FIG.

図16に示すように、第9の実施形態に係る前端面保護膜23Aは、半導体積層体25の前端面に形成された、厚さが3nmの酸窒化アルミニウム(AlON)からなる第1の保護膜23rと、該第1の保護膜23rの上に形成されたAlからなる第2の保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23Aの反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。 As shown in FIG. 16, the front end face protective film 23 </ b> A according to the ninth embodiment is a first protection formed of aluminum oxynitride (AlON) having a thickness of 3 nm formed on the front end face of the semiconductor stacked body 25. The film 23r is composed of a second protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the first protective film 23r. The reflectance of the front end face protective film 23A is 18% as in the first embodiment.

以下、第9の実施形態に係る前端面保護膜23Aの成膜方法を図17に基づいて説明する。   Hereinafter, a method for forming the front end face protective film 23A according to the ninth embodiment will be described with reference to FIG.

まず、図17(a)に示すように、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAl金属ターゲット材を用い、スパッタガスにArガスを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが3nmのAlからなる金属膜23pを成膜する。ここでは、ECRスパッタ法の特徴である、高エネルギーのAlイオンを成膜に用いるため、膜厚が薄い金属膜23pであっても前端面の全面を均一に覆うことができる。   First, as shown in FIG. 17 (a), by using an ECR sputtering method, an Al metal target material is used as a target material, and Ar gas is used as a sputtering gas. A metal film 23p made of Al having a thickness of 3 nm is formed thereon. Here, since high-energy Al ions, which is a feature of the ECR sputtering method, are used for film formation, the entire front end face can be uniformly covered even with a thin metal film 23p.

次に、図17(b)に示すように、金属膜23pを成膜したECRスパッタ装置を用いて、金属膜23pに対して窒素(N)プラズマを照射することにより、金属膜23pを窒化して、AlNからなる金属窒化膜23qを形成する。   Next, as shown in FIG. 17B, the metal film 23p is nitrided by irradiating the metal film 23p with nitrogen (N) plasma using an ECR sputtering apparatus in which the metal film 23p is formed. Then, a metal nitride film 23q made of AlN is formed.

次に、図17(c)に示すように、金属窒化膜23qに対して酸素(O)プラズマを照射することにより、金属窒化膜23qを酸化して、AlNOからなる金属酸窒化物である第1の保護膜23rを形成する。ここで、AlNOにおけるNの組成は98原子%としている。   Next, as shown in FIG. 17C, the metal nitride film 23q is oxidized by irradiating the metal nitride film 23q with oxygen (O) plasma, thereby forming a metal oxynitride made of AlNO. 1 protective film 23r is formed. Here, the composition of N in AlNO is 98 atomic%.

その後は、図16に示すように、プラズマ窒化及びプラズマ酸化を行ったECRスパッタ装置を用いて、Alからなる第2の保護膜23bを第1の保護膜23rの上に成膜して、反射率が18%の前端面保護膜23Aを得る。 Thereafter, as shown in FIG. 16, a second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23r by using an ECR sputtering apparatus in which plasma nitridation and plasma oxidation are performed. Thus, the front end face protective film 23A having a reflectance of 18% is obtained.

上記のように作製した第9の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性について、以下に説明する。   The reliability of the semiconductor laser device according to the ninth embodiment manufactured as described above will be described below.

70℃の温度で光出力が100mWとなるように連続発振する信頼性試験を1000時間行った場合、第9の実施形態に係る半導体レーザ素子における動作電流の増加率は平均で2%であった。これは、同様の構成を持つ第8の実施形態と比べても信頼性が向上している。   When a reliability test that continuously oscillates so that the optical output becomes 100 mW at a temperature of 70 ° C. was performed for 1000 hours, the increase rate of the operating current in the semiconductor laser device according to the ninth embodiment was 2% on average. . This is more reliable than the eighth embodiment having the same configuration.

この理由は、以下のように考えることができる。   The reason for this can be considered as follows.

一般に、端面(劈開面)出射型の半導体レーザ素子を作製する場合には、複数の素子構造が形成された半導体ウェハを所定の大きさに劈開した後、劈開面に端面コートを施す。半導体ウェハの劈開は、通常空気中で行われるため、劈開により露出した半導体積層体25の端面には酸素が吸着し、さらには該端面が酸化される。このように、半導体積層体25の端面の酸化は劣化要因となり、界面準位を形成してレーザ素子の信頼性を低下させる。ところが、第9の実施形態のように、Alからなる金属膜23pを半導体積層体25の端面に成膜しているため、端面に存在する酸素が金属膜23pにゲッタリングされる。これにより、半導体積層体25の端面が還元されて、界面準位密度が低下する。しかし、このままでは、存在していた酸素により酸化されていた分だけ、窒化物半導体からなる半導体積層体25からは窒素が失われたままである。   In general, when an end face (cleavage face) emission type semiconductor laser device is manufactured, a semiconductor wafer on which a plurality of element structures are formed is cleaved to a predetermined size, and then an end face coat is applied to the cleave face. Since the cleaving of the semiconductor wafer is usually performed in the air, oxygen is adsorbed on the end face of the semiconductor stacked body 25 exposed by the cleaving, and further, the end face is oxidized. As described above, the oxidation of the end face of the semiconductor stacked body 25 becomes a deterioration factor, and an interface state is formed to reduce the reliability of the laser element. However, since the metal film 23p made of Al is formed on the end face of the semiconductor stacked body 25 as in the ninth embodiment, oxygen present on the end face is gettered to the metal film 23p. Thereby, the end surface of the semiconductor stacked body 25 is reduced, and the interface state density decreases. However, as it is, nitrogen is lost from the semiconductor stacked body 25 made of the nitride semiconductor by the amount oxidized by the existing oxygen.

そこで、Alからなる金属膜23pにNプラズマを照射することにより、金属膜23pを通して半導体積層体25の端面に窒素を供給して、界面準位密度をさらに低下している。ところが、このように形成された金属窒化膜23q自体が含む窒素の欠損が、半導体レーザ素子の劣化の要因となる。そこで、金属窒化膜23qにOプラズマを照射して、金属窒化膜23q中の窒素の欠損であるAlのダングリングボンドに酸素を結合させることにより、窒素の欠損が少ない金属酸窒化膜である第1の保護膜23rを得ることができる。その結果、第9の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性が向上する。   Therefore, by irradiating the metal film 23p made of Al with N plasma, nitrogen is supplied to the end face of the semiconductor stacked body 25 through the metal film 23p, thereby further reducing the interface state density. However, the deficiency of nitrogen contained in the metal nitride film 23q formed in this way becomes a cause of deterioration of the semiconductor laser device. Therefore, the metal nitride film 23q is irradiated with O plasma, and oxygen is bonded to Al dangling bonds, which are nitrogen deficiencies in the metal nitride film 23q. 1 protective film 23r can be obtained. As a result, the reliability of the semiconductor laser device according to the ninth embodiment is improved.

(製造方法の一変形例)
第9の実施形態の一変形例に係る第1の保護膜23sの形成方法を図18に示す。
(One variation of manufacturing method)
FIG. 18 shows a method for forming the first protective film 23s according to a modification of the ninth embodiment.

まず、図18(a)に示すように、ECRスパッタ法により、ターゲット材にAl金属ターゲット材を用い、スパッタガスにArガスを用いて、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面の上に厚さが5nmのAlからなる金属膜23pを成膜する。   First, as shown in FIG. 18A, by using an ECR sputtering method, an Al metal target material is used as a target material, and Ar gas is used as a sputtering gas. A metal film 23p made of Al having a thickness of 5 nm is formed thereon.

次に、図18(b)に示すように、金属膜23pを成膜したECRスパッタ装置を用いて、金属膜23pに対して酸素(O)プラズマ及び窒素(N)プラズマを同時に照射することにより、金属膜23pを酸化及び窒化して、AlNOからなる金属酸窒化膜である第1の保護膜23sを形成する。   Next, as shown in FIG. 18B, by using the ECR sputtering apparatus in which the metal film 23p is formed, the metal film 23p is simultaneously irradiated with oxygen (O) plasma and nitrogen (N) plasma. Then, the metal film 23p is oxidized and nitrided to form a first protective film 23s which is a metal oxynitride film made of AlNO.

第1の保護膜23sを構成するAlNOは、Nの組成が膜内で傾斜しており、平均のN組成は10原子%である。すなわち、AlNOにおけるNの組成は、半導体積層体25の端面近傍では低く約5原子%であり、第2の保護膜23bとの界面近傍では高く約15原子%である。これは、酸素の方が窒素よりもAlと結合しやすく、また拡散しやすいため、第1の保護膜23sにおける第2の保護膜23bとの界面から遠い領域(内側の領域)においては酸化の割合が大きいためと考えられる。   In AlNO constituting the first protective film 23s, the N composition is inclined in the film, and the average N composition is 10 atomic%. That is, the composition of N in AlNO is as low as about 5 atomic% in the vicinity of the end face of the semiconductor stacked body 25 and as high as about 15 atomic% in the vicinity of the interface with the second protective film 23b. This is because oxygen is easier to bond to Al and diffuse than oxygen than to nitrogen, and therefore, in the first protective film 23s, the region far from the interface with the second protective film 23b (inner region) is oxidized. This is probably because the ratio is large.

次に、図18(c)に示すように、プラズマ酸窒化を行ったECRスパッタ装置を用いて、Alからなる第2の保護膜23bを第1の保護膜23sの上に成膜する。 Next, as shown in FIG. 18C, a second protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the first protective film 23s by using an ECR sputtering apparatus in which plasma oxynitridation is performed. To do.

このように、本変形例に係る成膜方法により成膜された前端面保護膜23Aによっても、上述したのと同様に、Alからなる金属膜23pによる酸素のゲッタ効果と、金属膜23pを酸窒化してなるAlNOからなる第1の保護膜23sの効果と、Nの組成の傾斜効果とにより、上述と同様の信頼性試験における動作電流の増加率は平均で1%と、さらに信頼性を向上することができる。   As described above, the front end face protective film 23A formed by the film forming method according to the present modification also has the oxygen getter effect by the metal film 23p made of Al and the metal film 23p as an acid. Due to the effect of the first protective film 23s made of nitrided AlNO and the gradient effect of the composition of N, the increase rate of the operating current in the reliability test similar to the above is 1% on average, which further increases the reliability. Can be improved.

(第10の実施形態)
以下、本発明の第10の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Tenth embodiment)
Hereinafter, a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図19は本発明の第10の実施形態に係る半導体発光素子であって、III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子の断面構成を模式的に示している。図19において、図1に示す符号と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 19 is a semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device made of a group III nitride semiconductor. In FIG. 19, the same components as those shown in FIG.

図19に示すように、第10の実施形態に係る前端面保護膜23Bは、半導体積層体25の前端部に、基板11を含む半導体積層体25自体が酸窒化されてなる保護層25bと、該保護層25bの上に形成されたAlからなる保護膜23bとから構成されている。前端面保護膜23Bの反射率は、第1の実施形態と同様に18%である。 As shown in FIG. 19, the front end face protective film 23B according to the tenth embodiment includes a protective layer 25b formed by oxynitriding the semiconductor laminate 25 including the substrate 11 at the front end portion of the semiconductor laminate 25, and And a protective film 23b made of Al 2 O 3 formed on the protective layer 25b. The reflectance of the front end face protective film 23B is 18% as in the first embodiment.

以下、第10の実施形態に係る前端面保護膜23Bの成膜方法を図20に基づいて説明する。   Hereinafter, a method for forming the front end face protective film 23B according to the tenth embodiment will be described with reference to FIG.

まず、図20(a)に示すように、ECRスパッタ装置により、半導体積層体25における劈開された共振器の前端面に酸素(O)プラズマを照射する。これにより、半導体積層体25の前端部に酸化物層25aを形成する。   First, as shown in FIG. 20A, the front end face of the cleaved resonator in the semiconductor stacked body 25 is irradiated with oxygen (O) plasma by an ECR sputtering apparatus. Thereby, the oxide layer 25 a is formed at the front end portion of the semiconductor stacked body 25.

次に、図20(b)に示すように、プラズマ酸化に用いたECRスパッタ装置により、酸化物層25aに窒素(N)プラズマを照射して、酸化物層25aを窒化することにより、酸化物層25aから酸窒化物層である保護層25bを形成する。ここで、保護層25bにおけるNの組成は10原子%であり、その厚さは約1nmである。   Next, as shown in FIG. 20B, the oxide layer 25 a is irradiated with nitrogen (N) plasma by an ECR sputtering apparatus used for plasma oxidation, and the oxide layer 25 a is nitrided, thereby producing an oxide. A protective layer 25b which is an oxynitride layer is formed from the layer 25a. Here, the composition of N in the protective layer 25b is 10 atomic%, and its thickness is about 1 nm.

基板11及び半導体積層体25自体が酸窒化されてなる保護層25bは、例えば、GaNからなる基板11の前端部にはGaONが形成され、n型AlGaNからなるn型クラッド層13の前端部にはAlGaONが形成され、InGaNからなる多重量子井戸活性層15の前端部にはInGaONが形成される。   The protective layer 25b formed by oxynitriding the substrate 11 and the semiconductor stacked body 25 itself is formed, for example, by forming GaON at the front end portion of the substrate 11 made of GaN and at the front end portion of the n-type cladding layer 13 made of n-type AlGaN. AlGaON is formed, and InGaON is formed at the front end portion of the multiple quantum well active layer 15 made of InGaN.

その後は、図19に示すように、Alからなる保護膜23bを保護層25bの上に成膜して、反射率が18%の前端面保護膜23Bを得る。 After that, as shown in FIG. 19, a protective film 23b made of Al 2 O 3 is formed on the protective layer 25b to obtain a front end face protective film 23B having a reflectance of 18%.

上記のように作製した第10の実施形態に係る半導体レーザ素子の信頼性について、以下に説明する。   The reliability of the semiconductor laser device according to the tenth embodiment manufactured as described above will be described below.

70℃の温度で光出力が100mWとなるように連続発振する信頼性試験を1000時間行った場合、第10の実施形態に係る半導体レーザ素子における動作電流の増加率は平均で5%である。この値は、従来技術であるAlからなる単層の前端面保護膜を用いた半導体レーザ素子の場合よりも小さい。 When a reliability test that continuously oscillates so that the optical output becomes 100 mW at a temperature of 70 ° C. is performed for 1000 hours, the increase rate of the operating current in the semiconductor laser device according to the tenth embodiment is 5% on average. This value is smaller than that in the case of a semiconductor laser device using a single-layer front end face protective film made of Al 2 O 3 , which is a conventional technique.

第10の実施形態において信頼性が向上した理由は、以下のように考えることができる。まず、従来例の場合は、Alの線膨張係数は約7×10−6/Kであり、一方、GaNの線膨張係数は、C軸方向で約3×10−6/Kであるため、信頼性試験時の温度の上昇により、窒化物半導体からなる半導体積層体25に熱応力が発生する。このため、発生した応力を緩和するように、半導体積層体25におけるAlとの界面に欠陥が形成されて非発光再結合が増加し、半導体レーザ素子の動作電流が急速に増大する。 The reason why the reliability is improved in the tenth embodiment can be considered as follows. First, in the case of the conventional example, the linear expansion coefficient of Al 2 O 3 is about 7 × 10 −6 / K, while the linear expansion coefficient of GaN is about 3 × 10 −6 / K in the C-axis direction. Therefore, a thermal stress is generated in the semiconductor stacked body 25 made of a nitride semiconductor due to an increase in temperature during the reliability test. For this reason, in order to relieve the generated stress, defects are formed at the interface with the Al 2 O 3 in the semiconductor stacked body 25, non-radiative recombination increases, and the operating current of the semiconductor laser element increases rapidly.

これに対し、第10の実施形態に係る前端面保護膜23Bを構成する保護層25bは、窒化物半導体とAlとの中間の組成を有するため、線膨張係数が両者の中間となる。このため、Alからなる保護膜23bが半導体積層体25に与える熱応力が、保護膜23bと半導体積層体25との間に形成された保護層25bによって緩和される。その結果、信頼性試験中に生じる半導体界面での欠陥の形成が抑制されて、信頼性が向上したと考えられる。 On the other hand, since the protective layer 25b constituting the front end face protective film 23B according to the tenth embodiment has an intermediate composition between the nitride semiconductor and Al 2 O 3 , the linear expansion coefficient is between the two. . For this reason, the thermal stress that the protective film 23 b made of Al 2 O 3 gives to the semiconductor stacked body 25 is relaxed by the protective layer 25 b formed between the protective film 23 b and the semiconductor stacked body 25. As a result, it is considered that the formation of defects at the semiconductor interface that occurs during the reliability test is suppressed and the reliability is improved.

以上説明したように、第1〜第10のいずれの実施形態においても、III族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子を用いて本願発明の趣旨を説明したが、本願発明はIII族窒化物半導体を用いた発光ダイオード素子の信頼性の向上にも有効である。なぜなら、発光ダイオード素子においても、素子の端面での窒化物半導体の酸化と窒素の外部拡散が動作中に生じるため、端面での電流リークが増大して、発光効率の低下を招くからである。この発光効率の低下を防止するには、上述したように本願発明が有効である。   As described above, in any of the first to tenth embodiments, the gist of the present invention has been described using the semiconductor laser element using the group III nitride semiconductor. However, the present invention is based on the group III nitride semiconductor. It is also effective in improving the reliability of a light emitting diode device using the above. This is because even in a light emitting diode element, since oxidation of nitride semiconductor and external diffusion of nitrogen occur at the end face of the element during operation, current leakage at the end face increases, resulting in a decrease in light emission efficiency. In order to prevent this decrease in luminous efficiency, the present invention is effective as described above.

また、本願発明は、III族窒化物半導体に限られず、GaAs又はInPを用いた半導体発光素子に対しても有効である。なぜなら、やはりこれらの半導体発光素子においても、動作中における素子端面での半導体の酸化及び半導体構成原子の外部拡散が端面劣化の要因であるからである。   The present invention is not limited to a group III nitride semiconductor, but is effective for a semiconductor light emitting device using GaAs or InP. This is because, also in these semiconductor light emitting devices, the oxidation of the semiconductor at the device end face during operation and the external diffusion of the atoms constituting the semiconductor are factors of end face deterioration.

本発明に係る半導体発光素子は、長期信頼性を向上でき、端面に保護膜(コート膜)を有する半導体発光素子等に有用である。   The semiconductor light-emitting device according to the present invention can improve long-term reliability, and is useful for a semiconductor light-emitting device having a protective film (coat film) on its end face.

本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。1 is a structural cross-sectional view showing a semiconductor light emitting element according to a first embodiment of the present invention. (a)及び(b)は本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A) And (b) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device based on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す一工程の構成断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a single process showing a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 3rd embodiment of the present invention. (a)及び(b)は本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A) And (b) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device based on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 4th embodiment of the present invention. (a)及び(b)は本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A) And (b) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device based on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 5th embodiment of the present invention. (a)〜(c)は本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(c) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 6th embodiment of the present invention. 本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 7th embodiment of the present invention. (a)〜(c)は本発明の第7の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(c) is a structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning the modification of the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning an 8th embodiment of the present invention. (a)〜(c)は本発明の第8の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(c) is a structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning the modification of the 8th Embodiment of this invention. 本発明の第9の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 9th embodiment of the present invention. (a)〜(c)は本発明の第9の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(c) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device based on the 9th Embodiment of this invention. (a)〜(c)は本発明の第9の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(c) is a structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning the modification of the 9th Embodiment of this invention. 本発明の第10の実施形態に係る半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor light emitting element concerning a 10th embodiment of the present invention. (a)及び(b)は本発明の第10の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A) And (b) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device based on the 10th Embodiment of this invention. 従来の半導体発光素子を示す構成断面図である。It is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor light emitting device. 従来の半導体発光素子における劣化速度と発振電流密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the deterioration rate and the oscillation current density in the conventional semiconductor light-emitting device. 従来の半導体発光素子の信頼性試験の前後における閾値電流の増加率とキャリア寿命の変化率との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the increase rate of the threshold current before and behind the reliability test of the conventional semiconductor light-emitting device, and the change rate of carrier lifetime. 従来の半導体発光素子における発振波長の差分と発振電流密度の差分との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the difference of the oscillation wavelength in the conventional semiconductor light-emitting device, and the difference of oscillation current density. 従来の半導体発光素子における所定の電流値で半導体レーザ素子を駆動した際の端面温度の変化を表すグラフである。It is a graph showing the change of the end surface temperature at the time of driving a semiconductor laser element with the predetermined electric current value in the conventional semiconductor light-emitting device.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 n型GaN層
13 n型クラッド層
14 n型光ガイド層
15 3重量子井戸活性層
16 p型光ガイド層
17 p型電子ブロック層
18 p型超格子クラッド層
19 p型コンタクト層
20 マスク膜
21 p側電極
22 n側電極
23 前端面保護膜
23A 前端面保護膜
23B 前端面保護膜
23a 第1の保護膜
23b 第2の保護膜
23c 合金膜
23d 第1の保護膜
23e 金属酸化膜
23f 第1の保護膜
23g 合金膜
23h 金属酸化膜
23i 第1の保護膜
23j 第1の保護膜
23k 金属酸化膜
23l 第1の保護膜
23m 第1の保護膜
23n 金属窒化膜
23o 第1の保護膜
23p 金属膜
23q 金属窒化膜
23r 第1の保護膜
23s 第1の保護膜
24 後端面保護膜
25 半導体積層体
25a 酸化物層
25b 保護層
11 substrate 12 n-type GaN layer 13 n-type clad layer 14 n-type light guide layer 15 triplet well active layer 16 p-type light guide layer 17 p-type electron block layer 18 p-type superlattice clad layer 19 p-type contact layer 20 Mask film 21 P-side electrode 22 n-side electrode 23 Front end face protective film 23A Front end face protective film 23B Front end face protective film 23a First protective film 23b Second protective film 23c Alloy film 23d First protective film 23e Metal oxide film 23f First protective film 23g Alloy film 23h Metal oxide film 23i First protective film 23j First protective film 23k Metal oxide film 23l First protective film 23m First protective film 23n Metal nitride film 23o First protective film Film 23p Metal film 23q Metal nitride film 23r First protective film 23s First protective film 24 Rear end face protective film 25 Semiconductor stacked body 25a Oxide layer 25b Protective layer

Claims (8)

端面を有する半導体積層体と、
前記端面に形成された金属酸化物からなる第1の保護膜とを備え、
前記金属酸化物は、主成分にアルミニウム及び酸素を含み、且つランタン、イットリウム、ハフニウム及びジルコニウムのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする半導体発光素子。
A semiconductor laminate having an end face;
A first protective film made of a metal oxide formed on the end face,
The metal oxide includes aluminum and oxygen as main components, and includes at least one of lanthanum, yttrium, hafnium, and zirconium.
前記金属酸化物は、窒素を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the metal oxide contains nitrogen. 端面を有する半導体積層体と、
前記端面に形成された金属酸化物からなる第1の保護膜とを備え、
前記金属酸化物は、アルミニウム、酸素及び窒素を含むことを特徴とする半導体発光素子。
A semiconductor laminate having an end face;
A first protective film made of a metal oxide formed on the end face,
The semiconductor light emitting element, wherein the metal oxide contains aluminum, oxygen, and nitrogen.
前記金属酸化膜は、結晶質であることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光素子。   4. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the metal oxide film is crystalline. 前記金属酸化物に含まれる窒素の組成は、前記第1の保護膜の内側から外側に向かう方向に変化していることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光素子。   4. The semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the composition of nitrogen contained in the metal oxide changes in a direction from the inside to the outside of the first protective film. 5. 前記金属酸化物は、非晶質であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the metal oxide is amorphous. 前記第1の保護膜の上に形成され、非晶質の金属酸化物からなる第2の保護膜をさらに備え、
前記第1の保護膜は、その屈折率をnとし、発光波長をλとしたときの膜厚tがt<(λ/4n)であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
A second protective film formed on the first protective film and made of an amorphous metal oxide;
The first protective film according to any one of claims 1 to 4, wherein the film thickness t when the refractive index is n and the emission wavelength is λ is t <(λ / 4n). The semiconductor light emitting device according to item.
前記半導体積層体は、III族窒化物半導体により形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor stacked body is formed of a group III nitride semiconductor.
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