專利名稱：氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)置有III-V族氮化物半導(dǎo)體層以及設(shè)置有形成在其腔的端面上的端面涂覆膜的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
近年，由于對光盤不斷增加的高密度存儲能力的需要，人們已經(jīng)擬定了使用藍(lán)色半導(dǎo)體激光的藍(lán)光盤(BD)和高密度DVD(HD-DVD)的標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)有了用于它們的商用解碼器等。這些新近開發(fā)的盤提供了更高的密度(通過更易于形成雙層盤)以及允許快速的寫入。然而，為了獲益于這些優(yōu)點(diǎn)，需要使用高度可靠、高輸出的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器。
通常，從CD和DVD重放和對其的寫入通過使用AlGaAs基或InGaAlP基半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)，其中為了防止腔端面的退化和防止對腔端面的光學(xué)損傷，對腔端面涂敷了比如SiO2、Si3N4、氧化鋁等的電介質(zhì)膜。但是，不利的是，已經(jīng)確認(rèn)在藍(lán)色半導(dǎo)體激光器中使用該技術(shù)將導(dǎo)致驅(qū)動電流的快速增加。這就必需涂敷技術(shù)的改進(jìn)。
JP-A-2002-335053認(rèn)為導(dǎo)致端面退化的一個原因就是端面涂敷膜較差的粘附，并提出了使用置于之間的金屬粘附層在腔端面上形成端面涂敷膜。
然而，不利的是，使用金屬膜作為粘附層導(dǎo)致腔端面上pn結(jié)處的短路，還導(dǎo)致光吸收的增加。由于氮化物半導(dǎo)體激光器以短激發(fā)波長工作，并且其發(fā)射的光具有高的能量，因此即使是略微的光吸收也使得發(fā)射端面退化，使得不能實(shí)現(xiàn)光輸出高于100mW的高輸出器件。另一方面，從避免pn結(jié)處的短路和減小光吸收的觀點(diǎn)來看，需要膜厚度為10nm以下，更優(yōu)選的為5nm以下，特別優(yōu)選的為2nm以下。這涉及膜厚度控制困難，導(dǎo)致產(chǎn)率下降。
其他的不利之處在于，當(dāng)氧化物形成的端面涂敷膜直接形成在腔端面上，或者在之間具有形成為粘附層的金屬層，包含在端面涂敷膜中的氧會氧化了腔端面或粘附層，由此降低了激光的激發(fā)效率。這不但增加了工作電壓和功耗，而且導(dǎo)致低的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件通過提供將腔端面與包含在氧化鋁形成的端面涂覆膜中的氧分隔開的隔離層而具有高的可靠性和高的制造效率，該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件因此不需要形成金屬粘附層時所要求的膜厚度的精確控制，盡管該金屬粘附層在腔端面和端面涂覆膜之間提供了足夠的粘附。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其包括III-V族氮化物半導(dǎo)體層；設(shè)置在III-V族氮化物半導(dǎo)體層中的腔；以及在腔的端面上形成的端面涂覆膜。這里，端面涂敷膜具有在其面對腔的端面的一側(cè)上的氧化鋁層。而且，在端面涂覆膜和腔的端面之間設(shè)置由氮化鋁形成的隔離層；以及隔離層具有1nm以上且20nm以下的厚度。
通過該結(jié)構(gòu)，在由氮化鋁形成的隔離層和具有與隔離層接觸的氧化鋁(也含有鋁)的端面涂覆膜之間的界面上發(fā)生氮原子和氧原子的互擴(kuò)散。這在隔離層和端面涂覆膜之間得到了好的粘附性，由此允許端面涂覆膜經(jīng)隔離層牢固地結(jié)合到腔端面上。形成隔離層的氮化鋁的至少部分是非晶態(tài)的。這使得比涉及完全結(jié)晶時易于制造。而且，在隔離層中使用不含氧的氮化鋁有助于將端面從含在端面涂覆膜之間的氧分隔開，由此有助于防止端面氧化。
當(dāng)假設(shè)20nm以下的層厚時，可以形成很好狀況的隔離層而沒有產(chǎn)生裂紋。當(dāng)將氮化鋁膜形成在分裂氮化物半導(dǎo)體所形成的腔端面上時，膜緊密地堆積，但是含有較高的內(nèi)應(yīng)力，該高的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致細(xì)微的裂紋和剝離。但是，該不利之處可以通過形成厚度非常薄的為20nm以下的隔離層來克服，并且其厚度優(yōu)選為10nm以下。如果隔離層的膜厚度小于1nm，則不能充分地形成隔離層，并且不能提供足夠的粘附。而且，由于半導(dǎo)體激光器是連續(xù)驅(qū)動的，所以熱使得包含在涂覆膜中的氧從其內(nèi)側(cè)擴(kuò)散到達(dá)端面，這可能損傷端面。因此，優(yōu)選隔離層具有1nm以上且20nm以下的厚度。
隔離層通常通過磁控濺射工藝、等離子體化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝或電子回旋加速諧振(ECR)濺射工藝制備。通常，氮化鋁通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝在400℃以上的高溫下生長；比較而言，氮化鋁可以通過磁控管濺射工藝或ECR濺射工藝在室溫下生長，以及通過等離子CVD工藝在200℃以下的溫度生長，因此這些工藝允許形成隔離層而不使有源層退化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種制備氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其包括形成III-V族氮化物半導(dǎo)體層；通過分裂III-V族氮化物半導(dǎo)體層將III-V族氮化物半導(dǎo)體層形成為腔的步驟；使用惰性氣體清洗通過分裂所形成的腔的端面的步驟；在腔清洗后的端面上形成氮化鋁層的步驟；以及在氮化鋁層的表面上形成氧化鋁層的步驟。
由于隔離層非常薄，使用惰性氣體清洗該隔離層，由此盡可能多地除去腔端面上將形成隔離層的位置處的濕氣和氧化膜，這有助于增加對端面的粘附，并由此有助于增加粘附的效果。優(yōu)選首先通過ECR濺射使用惰性氣體的等離子體清洗腔端面，然后形成隔離層。只要使用了惰性氣體的等離子體，則可以通過進(jìn)行使用比如He、Ne、Ar或Xe的稀有氣體或氮?dú)獾腅CR濺射就可以獲得希望的效果。


圖1是沿垂直于腔的長度方向截取的氮化物半導(dǎo)體晶片條的剖面圖。
圖2是從腔長度側(cè)面查看的氮化物半導(dǎo)體激光器條的側(cè)視圖。
圖3是使用實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器件進(jìn)行的壽命測試結(jié)果。
圖4是從腔長度側(cè)面查看的第一實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體激光器條的另一側(cè)視圖。
圖5是示出了設(shè)置有隔離層和未設(shè)置隔離層的器件中的COD級的時間變化的圖。
圖6示出了涂覆有氮化鋁膜并進(jìn)行老煉的器件的端面部分的AES分析的結(jié)果。
圖7是示出了提供有分隔層并進(jìn)行200小時的老煉的器件的COD級與涂覆膜厚度之間的關(guān)系的圖。
圖8A是示出了提供有6nm厚的隔離層的器件的老煉特性的圖。
圖8B是示出了提供有50nm厚的隔離層的器件的老煉特性的圖。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施方式使用金剛石尖通過刻線和分裂，將其上形成有激光器結(jié)構(gòu)和電極的氮化物半導(dǎo)體晶片劈裂為條。圖1是沿垂直于腔的長度的方向截取的氮化物半導(dǎo)體晶片條的剖面圖。該氮化物半導(dǎo)體條100具有形成在n型GaN襯底101上的下列層，其名稱依次為n-AlGaInN緩沖層102，n-AlGaInN覆層103、n-AlGaInN引導(dǎo)層104、AlGaInN多量子阱有源層105、p-AlGaInN引導(dǎo)層106、p-AlGaInN覆層107、p-AlGaInN接觸層108。這些氮化物半導(dǎo)體層可以由III-V族氮化物半導(dǎo)體形成。
有源層105可以含有大約0.01％至10％的比如As或P的V族材料。在p-AlGaInN引導(dǎo)層106、p-AlGaInN覆層107、p-AlGaInN接觸層108的至少部分中，提供了沿著腔延伸的條狀脊111。該條具有大約1.2微米至2.4微米的寬度，典型地為1.8微米。
p電極110提供來與p-AlGaInN接觸層108接觸。在p電極110之下，在除設(shè)置了脊111之外的其他位置提供了絕緣膜109。因此，氮化物半導(dǎo)體條100具有所謂的脊條結(jié)構(gòu)。而且，在氮化物半導(dǎo)體條100的底面上，形成了n電極112。
圖2是從腔長度側(cè)面查看的氮化物半導(dǎo)體激光器條的側(cè)視圖。在一個腔端面113上，設(shè)置了由不含氧的六方晶體形成的隔離層115，而且在隔離層115之上，設(shè)置了端面涂敷膜116。在另一個腔端面114上，設(shè)置了端面涂敷膜117。隔離層115由選自GaN、AlGaN、InGaN等的材料形成。
氮化物半導(dǎo)體條100的劈裂面形成腔端面113和114。制造過程如下。將氮化物半導(dǎo)體條100固定在夾具上，送入ECR濺射機(jī)器。然后，通過Ar的ECR濺射，將前側(cè)腔端面113的表面處理由此將其清潔，從而在表面吸附的濕氣和以天然氧化物膜形式存在的氧化物被去除。這有助于增加腔端面113和隔離層115之間的粘附。這里所使用的氣體可以是任何的惰性氣體，例如除Ar之外的稀有氣體，即He、Ne或Xe，或氮?dú)?、或氮?dú)夂虯r的混合氣體、或稀有氣體和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。
隨后，通過ECR濺射，在腔端面113的表面上，設(shè)置了厚度為10nm的氮化鋁(隔離層115)，然后，還在其上設(shè)置了單層的氧化物鋁(端面涂敷膜116)。賦予單層的氧化鋁大約3λ/4n或λ/4n(其中λ表示激光波長，n表示折射系數(shù))的厚度以給與5％的反射率。
接下來，通過Ar的ECR濺射，將后側(cè)腔端面114的表面進(jìn)行處理，從而在表面吸附的濕氣和存在的氧化物被去除。隨后，通過ECR濺射，在腔端面114的表面上，形成端面涂敷膜117。端面涂敷膜117由總共8層構(gòu)成的多層膜形成，該8層由氧化鋁/TiO2的四個周期即“對”構(gòu)成，每層具有λ/4n的厚度，從而總的反射率為95％。該多層膜具有作為其第一層(腔端面114側(cè)層)的氧化鋁。
然后將氮化物半導(dǎo)體條100分為氮化物半導(dǎo)體激光器的多個單獨(dú)的芯片，之后將它們進(jìn)行封裝。使用這樣制造的氮化物半導(dǎo)體激光器的樣品，進(jìn)行壽命的測試，在圖3中示出了該測試的結(jié)果。該測試是在60℃的封裝溫度下進(jìn)行，同時以脈沖電流驅(qū)動這些激光器，從而它們以120mW的固定峰值輸出發(fā)射光。以七個樣品分別取得這些結(jié)果。如圖3所示，在整個通電周期內(nèi)的驅(qū)動電流的增加要比以前小，并且平均失效時間(MTTF)大約為5000小時(以500和1000小時的驅(qū)動電流的增加估計而得)。而且，產(chǎn)率沒有因為端面電流泄漏而降低，而且在整個加電周期中驅(qū)動電流沒有表現(xiàn)出急劇的增加。
另一方面，對于設(shè)置有傳統(tǒng)的金屬粘附層的激光器，MTTF大約為3000小時，并且在十分之五即50％的激光器中，觀察到由于端面電流泄漏所導(dǎo)致的產(chǎn)率降低。在遭受端面電流泄漏的激光器中，不管它們是否進(jìn)行老煉，在它們的起始特性中工作電流已經(jīng)過很大。另一方面，使MTTF退化的原因之一是驅(qū)動期間驅(qū)動電流的急劇增加這一現(xiàn)象。這伴隨著在端面的光吸收、膜脫落或膜惡化所導(dǎo)致的腔端面的破壞性退化。當(dāng)如傳統(tǒng)操作中使用金屬層作為粘附層時，雖然該金屬層很薄，但是它吸收光由此導(dǎo)致上述退化。比較而言，根據(jù)本發(fā)明，隔離層115不會吸收光；而且，隔離層115具有低的導(dǎo)電率，因此不可能導(dǎo)致端面電流泄漏；另外，隔離層115在其上于腔端面113和端面涂敷膜116之間提供了優(yōu)良的粘附；而且，隔離層115防止端面涂敷膜中的氧的擴(kuò)散到端面，由此防止端面的氧化。這些好處結(jié)合起來防止了上述現(xiàn)象。
圖4是從腔長度側(cè)面查看的第一實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體激光器條的另一側(cè)視圖。在一個腔端面113上，設(shè)置了由六方晶體形成的隔離層115，而且在隔離層115的表面上，設(shè)置了端面涂敷膜116。在另一個腔端面114上，設(shè)置了由六方晶體形成的隔離層118，而且在隔離層118的表面上，設(shè)置了端面涂敷膜117。
制造過程如下。將氮化物半導(dǎo)體條100固定在夾具上，送入ECR濺射機(jī)器。然后，通過Ar的ECR濺射，將前側(cè)腔端面113的表面處理，從而將在表面吸附的濕氣和存在的氧化物去除。隨后，通過ECR濺射，在腔端面113的表面上，設(shè)置了20nm厚的InN(隔離層115)，然后，還在其上設(shè)置了單層的氧化鋁(端面涂敷膜116)。賦予單層的氧化鋁大約3λ/4n(其中λ表示激光波長，n表示折射系數(shù))的厚度以給與5％的反射率。
接下來，通過Ar的ECR濺射，將后側(cè)腔端面114的表面進(jìn)行處理，從而將表面吸附的濕氣和存在的氧化物被去除。隨后，通過ECR濺射，在腔端面114的表面上，設(shè)置了20nm厚的由AlxGa1-xN(其中X＝0.2或在0≤X≤1中的任何值)形成的隔離層118，然后，還在其上設(shè)置了端面涂敷膜117。端面涂敷膜117是由總共8層構(gòu)成的多層膜，該8層由氧化鋁/TiO2的四個周期即“對”構(gòu)成，每層具有λ/4n的厚度，從而總的反射率為95％。
然后將氮化物半導(dǎo)體條100分為氮化物半導(dǎo)體激光器的多個單獨(dú)的芯片，之后將它們封裝。使用這樣制造的氮化物半導(dǎo)體激光器的樣品，在與前面所述的那些相同條件下進(jìn)行壽命的測試(省略了結(jié)果)。同樣在這些壽命測試中，在整個加電周期中驅(qū)動電流沒有表現(xiàn)出急劇的增加。
在第一實(shí)施方式中，隔離層115和118可以每個由可以形成六方晶體的材料形成，例如，GaN、AlGaN或InGaN。傳統(tǒng)上，粘結(jié)層形成為金屬層，其中端面涂敷膜通過分子間力結(jié)合到其上，分子間力是一種較弱的結(jié)合力。比較而言，當(dāng)在隔離層115和118中使用上述一種材料時，由于這些材料具有和形成氮化物半導(dǎo)體層的AlGaInN半導(dǎo)體相同的晶體結(jié)構(gòu)，所以隔離層115和118比之前更加牢固地結(jié)合到端面涂敷膜116和117以及結(jié)合到腔端面113和114。如此，可以保持端面涂敷膜116和117與腔端面113和114通過隔離層115和118的牢固而緊密的接觸，同時抑制當(dāng)使用金屬層作為粘附層時所發(fā)生的電流泄漏和光吸收。
在產(chǎn)生短波長激光的氮化物半導(dǎo)體激光器中，用于形成在腔端面113和114上的端面涂敷膜116和117的優(yōu)選的材料為氧化鋁，因為氧化鋁在大約400nm的短波長區(qū)域內(nèi)是透明的，因為它產(chǎn)生相對低的應(yīng)力(雖然這依賴于膜形成條件)，以及因為它是熱穩(wěn)定的。因此，使用氧化鋁形成端面涂敷膜116和117可以制造適于高光輸出的氮化物半導(dǎo)體激光器。這樣，優(yōu)選隔離層115和118由含有與設(shè)置在其上的端面涂敷膜116和117的材料共同的組成元素的化合物形成。因此，用于隔離層115和118的優(yōu)選的材料是含有對于氧化鋁共同的元素鋁的化合物，比如氮化鋁。
當(dāng)直接在腔端面113和114上設(shè)置作為端面涂敷膜116和117的氧化鋁時，產(chǎn)生了差的粘附，并且另外在氧化鋁中的氧將腔端面113和114氧化。如此氧化的腔端面113和114已經(jīng)被確認(rèn)導(dǎo)致數(shù)量增加的非發(fā)光中心，并且因此在界面產(chǎn)生數(shù)量增加的熱量，導(dǎo)致氮化物半導(dǎo)體激光器的較差的長期可靠性及降低了突變光學(xué)損傷(COD)極。比較而言，使用不含有氧作為組成元素的氮化鋁來形成隔離層115和118有助于保持形成端面涂敷膜116和117的氧化鋁遠(yuǎn)離腔端面113和114，因此有助于防止腔端面113和114的氧化，且由此增加了氮化物半導(dǎo)體激光器的長期可靠性。
通常，氧化物材料(例如，氧化鋁、SiO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5或ZrO2)產(chǎn)生了低的內(nèi)部應(yīng)力，因此在氮化物半導(dǎo)體上設(shè)置它們的厚膜對其影響很小。比較而言，氮化物材料趨向于產(chǎn)生高的內(nèi)應(yīng)力，并且因此在氮化物半導(dǎo)體上設(shè)置它們的厚膜強(qiáng)烈地影響了氮化物半導(dǎo)體，以至使其老煉特性退化。為此，將氧化物材料設(shè)置為直接在腔端面上的端面涂敷膜從影響內(nèi)應(yīng)力的觀點(diǎn)來看是優(yōu)選的，但是實(shí)際上是不可行的，因為這樣將導(dǎo)致腔端面的氧化。
端面涂敷膜116和117可以有含有與設(shè)置在其上的隔離層115和118的材料共同的組成元素。端面涂敷膜116和117可以具有上述任意的氧化物和氮化物的多層結(jié)構(gòu)。
在隔離層115和118中，設(shè)置在腔的光出射側(cè)端面和端面涂敷膜116和117之間的至少一個不是必要的。給定20nm以下的厚度，可以在較好的條件下設(shè)置隔離層115和118而不會產(chǎn)生裂紋。隔離層115和118可以通過上述的ECR濺射工藝形成，或者可以通過等離子CVD工藝或磁控管濺射工藝形成。通常，氮化鋁、GaN、AlGaN、InGaN等通過MOCVD工藝在400℃以上的高溫下生長；比較而言，它們可以通過磁控管濺射工藝或ECR濺射工藝在室溫下生長，以及通過等離子CVD工藝在200℃以下的溫度生長，因此這些工藝允許形成隔離層115和118而不使有源層105退化。
第二實(shí)施方案接下來，將說明本發(fā)明的第二實(shí)施方案。除第二實(shí)施方案中隔離層僅由氮化鋁形成之外，第二實(shí)施方案與第一實(shí)施方案相同。
第二實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體激光器條具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)，但是隔離層115僅由氮化鋁形成。氮化物半導(dǎo)體層具有和第一實(shí)施方案中相同的結(jié)構(gòu)。該端面涂敷膜116由氧化鋁形成，并且端面涂敷膜117由氧化鋁/TiO2的多層膜形成。
氧化鋁是用于形成在氮化物半導(dǎo)體激光器條100的腔端面113上的低反射端面涂敷膜116的適當(dāng)材料，因為它在大約400nm的短波長范圍內(nèi)是透明的，因為它產(chǎn)生相對較低的應(yīng)力(雖然這依賴于膜形成條件)，并且因為它是熱穩(wěn)定的，這些性質(zhì)使得氧化鋁適于形成產(chǎn)生短波長激光的氮化物半導(dǎo)體激光器中的涂敷膜。使用氧化鋁形成端面涂敷膜116使得制造的氮化物半導(dǎo)體激光器件適于在高光輸出下驅(qū)動。
而且，在第二實(shí)施方案中，由氧化鋁形成的端面涂敷膜116和其上形成有端面涂敷膜116且由氮化鋁形成的隔離層115都含有Al作為它們共同的組成元素，并且這在端面涂敷膜116和隔離層115之間幾個原子厚的界面層導(dǎo)致了N和O的互擴(kuò)散，產(chǎn)生AlNxOy(x＜1，y＜1，和x+y＝1)。因此，即使當(dāng)形成隔離層115的氮化鋁不是完全結(jié)晶的時，它也表現(xiàn)出對形成端面涂敷膜116的增加的粘附。這有助于穩(wěn)定氮化物半導(dǎo)體激光器件的COD級、壽命以及其它性質(zhì)。因此，氮化鋁可以被完全結(jié)晶；或者其部分可以保持為非晶態(tài)，這種情形下隔離層115可以比進(jìn)行完全結(jié)晶時要容易形成。而且，如此形成的界面不會吸收光，使得這樣的隔離層115和端面涂敷膜116的組合是一種優(yōu)良的選擇。
當(dāng)直接在腔端面113上設(shè)置氧化鋁作為端面涂敷膜116時，得到了較差的粘附，另外在氧化鋁中的氧將腔端面113氧化。這樣氧化的腔端面113產(chǎn)生了數(shù)目增加的非發(fā)光中心，并且因此在腔端面113和端面涂敷膜116之間產(chǎn)生了數(shù)量增加的熱，這導(dǎo)致較差的長期可靠性。比較而言，使用氮化鋁形成隔離層115有助于將形成端面涂敷膜116的氧化鋁中的氧遠(yuǎn)離腔端面113，因此有助于防止腔端面113的氧化，從而增加了由氮化物半導(dǎo)體激光器條100獲得的氮化物半導(dǎo)體激光器件的長期可靠性。
而且，在設(shè)置為氮化鋁膜的隔離層115上形成作為端面涂敷膜116的氧化鋁膜使得Al為它們共同的元素。在該情形，通過將ECR反應(yīng)濺射機(jī)器等與Al金屬靶組合使用，在濺射期間可以通過選擇是否將氮?dú)饣蜓鯕馀cAr混合來改變形成的膜的類型。因此，可以無需將氮化物半導(dǎo)體激光器條100從ECR濺射機(jī)器中取出而連續(xù)地進(jìn)行膜形成，因此不會將隔離層115和端面涂敷膜116暴露于大氣。這抑制了在形成端面涂敷膜116之前在隔離層115的表面上天然形成的氧化物的形成，以及抑制了空氣中的雜質(zhì)附著到隔離層115的表面上，因此有助于通過隔離層115增加腔端面113和端面涂敷膜116之間的粘附。
接下來，將說明第二實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體激光器條100的制備方法。
預(yù)處理將氮化物半導(dǎo)體激光器條100固定在夾具上，引入到ECR濺射機(jī)器中。然后，通過Ar的ECR濺射，處理前側(cè)腔端面113的表面從而去除吸附在表面上的濕氣和存在的氧化物。這有助于增加腔端面113和隔離層115之間的粘附。這里所使用的氣體可以是任何惰性氣體，例如除Ar之外的稀有氣體，即He、Ne或Xe，或氮?dú)?，或Ar和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，或稀有氣體和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。
膜形成(低反射側(cè))接下來，將說明隔離層115和端面涂敷膜116如何在ECR濺射機(jī)器中形成。在第二實(shí)施方案中，設(shè)置來與腔端面113接觸的形成隔離層115的氮化鋁膜具有20nm的厚度，形成腔端面膜116的氧化鋁膜具有70nm的厚度。這里，由于形成隔離層115的氮化鋁膜薄至20nm，所以它對端面涂敷膜116的反射性影響很小。
首先，氬氣(以20ccm的流速)和氮?dú)?以5至6ccm的流速)被引入到ECR濺射機(jī)器中，并且被轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體狀態(tài)。在ECR濺射機(jī)器中的氣壓為大約5×10-2Pa，微波功率是500W，并且連接到Al靶的RF功率源的輸出為500W。在該狀態(tài)，當(dāng)直接在夾具的之下設(shè)置的將Al靶與ECR濺射機(jī)器分隔開的快門被打開時，開始形成作為隔離層115的氮化鋁膜。這里，氮化鋁膜的厚度被控制為20nm以下，例如在該實(shí)施方案中為20nm。之后，關(guān)閉快門，并且使用Ar等離子體濺射Al靶的氮化物表面從而露出金屬表面。
之后，氬氣(以40ccm的流速)和氧氣(以6至7ccm的流速)被引入到處理腔中，并且被轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體狀態(tài)。在ECR濺射機(jī)器中的氣壓為大約1×10-1Pa，微波功率是500W，并且連接到Al靶的RF功率源的輸出為500W。在該狀態(tài)，直接在夾具之下設(shè)置的快門被打開，氧化鋁膜待形成作為端面涂敷膜116。在入氮化物激光器件中以大約400nm的波長產(chǎn)生激光的情形中，由于激發(fā)波長λ＝400nm和折射系數(shù)＝1.6，因此λ/4n＝62.5nm，則氧化鋁膜的厚度為約70nm使得它可以提供5％的反射率。這里，以如下的方式控制膜厚度預(yù)先在偽條等上臨時進(jìn)行膜的形成，測量反射率來研究膜形成速率；然后，基于這樣研究的膜形成速率，控制將快門保持打開的延續(xù)時間。因此具有形成在其上的低反射率端面涂敷膜116的腔端面113為前側(cè)端面，而相對的腔端面114則為后側(cè)端面。
這里，隔離層115可以通過除ECR濺射工藝之外的方法形成；例如，它可以通過濺射或等離子CVD工藝形成。然而，MOCVD工藝需要400℃以上的高溫，通過ECR濺射工藝在室溫以及通過等離子CVD工藝在200℃以下的溫度下可以形成緊密堆積的膜。因此，在氮化物半導(dǎo)體層的激發(fā)波長(大約300nm到600nm的波長)附近，沒有任何的光吸收發(fā)生，而且在氮化物半導(dǎo)體層和隔離層115之間的界面也不會吸收光。而且，由于不需要加熱，所以在氮化物半導(dǎo)體層內(nèi)不會發(fā)生退化。因此，優(yōu)選通過濺射、等離子CVD工藝或通過ECR濺射工藝形成隔離層115。端面涂敷膜116可以形成為除單層氧化鋁膜之外的形式；它可以形成不同組分的多層，只要設(shè)置來與隔離層115接觸的層是氧化鋁層即可。
膜形成(高反射側(cè))接下來，即完成端面涂敷膜116的形成之后，將夾具取出，并且這樣改變設(shè)置使得現(xiàn)在可以在后側(cè)腔端面114上形成膜。然后，通過基本上與前側(cè)相同的過程形成反射率高達(dá)95％的端面涂敷膜117。具體而言，在后側(cè)腔端面114上，就如在相反側(cè)，形成氮化鋁膜作為隔離層118。隨后，在隔離層118上，形成端面涂敷膜117，這里該端面涂敷膜117由4個周期(即，對)的氧化鋁/TiO2總共8層構(gòu)成多層膜形成。這些層的每個具有λ/4n的厚度，從而總的反射率為95％。形成隔離層118的氮化鋁膜具有大約6nm的厚度。由于隔離層118較薄，所以它對端面涂敷膜117的反射率影響很小。這里，使用與前側(cè)上相同的隔離層涂敷(雖然膜的厚度不同，但是預(yù)處理、膜形成條件等是相同的)有助于賦予后側(cè)腔端面114足夠的壽命。
但是，通常在后側(cè)的高反射端面涂敷膜117附近的光密度要小于前側(cè)的低反射端面涂敷膜116附近的光密度。因此，在后側(cè)上比在前側(cè)上產(chǎn)生更少的熱量，使得在后側(cè)的毀壞不太可能。因此，雖然后側(cè)隔離層118在第二實(shí)施方案中以與前側(cè)隔離層115相同的條件形成，但是后側(cè)隔離層118可以在不同的條件下形成，或者可以是不同種類的膜(即，比如TiO2、Ta2O5、ZrO2、Nb2O5或Y2O5的不同的材料)。端面涂敷膜117可以由氧化鋁/TiO2之外的材料形成，只要它可以提供大約95％的反射率即可；例如，它可以由SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2構(gòu)成的九層涂層形成。
分離為芯片和安裝在完成形成前側(cè)和后側(cè)端面涂敷膜116和117之后，然后通過使用刻劃和分裂機(jī)器將氮化物半導(dǎo)體激光器條100分為單個芯片形式的單獨(dú)的氮化物半導(dǎo)體激光器件。之后，分離的氮化物半導(dǎo)體激光器件單獨(dú)地安裝在氮化鋁、SiC等的基板上，這些基板每個然后隨同已經(jīng)安裝其上的部件單獨(dú)地安裝在主干(stem)上。之后，將氮化物半導(dǎo)體激光器件進(jìn)行引線鍵合從而可以連接到設(shè)置在主干上的管腳上，然后在大氣中通過蓋進(jìn)行密封從而得到最終產(chǎn)品。
具有隔離層的激光器件與不具有隔離層的激光器件之間的比較使用如下的每個測量在最初狀態(tài)下觀察的COD級和在200小時的老煉之后觀察的COD級(a)如上所述制造的第二實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體激光器件，即，該氮化物半導(dǎo)體激光器件具有在其前側(cè)腔端面113上形成且由氮化鋁形成的隔離層115，以及還具有在該隔離層115上由氧化鋁形成的端面涂敷膜116；以及(b)比較示例，具體而言一種氮化物半導(dǎo)體激光器件，其具有僅在其前側(cè)腔端面113上形成且由氧化鋁形成的端面涂敷膜，在之間沒有隔離層。老煉是在如下的條件下進(jìn)行的通過自動(即固定)功率控制(APC)驅(qū)動，70℃的器件溫度以及60mW的輸出。COD級在如下的條件下測量使用脈沖寬度為50nm以及50％的占空比的脈沖，以及在室溫下進(jìn)行。圖5示出了COD級的時間變化。結(jié)果如表1所示表1

這些結(jié)果表明，在老煉之前和之后，提供隔離層115有助于實(shí)現(xiàn)比沒有提供隔離層時高大約三倍的COD級。
提供隔離層115有助于顯著地增加COD級被認(rèn)為是因為如下的原因。當(dāng)劈裂氮化物半導(dǎo)體時，因此包括腔端面的所得的面具有由于氮逃逸所導(dǎo)致的空穴等。因此，在氮化物半導(dǎo)體是GaN的情形中，氮的數(shù)量小于Ga的配位，這意味著，與其他位置相比，在端面處該氮化物半導(dǎo)體是富Ga的。如果比如氧化鋁膜的氧化物膜直接形成在該富Ga面上，氮逃逸后留下的過多的Ga與氧結(jié)合形成了非發(fā)光中心等。比較而言，當(dāng)?shù)X的隔離層115形成在該面上時，其補(bǔ)償已經(jīng)逃逸的氮，由此變回到氮化物半導(dǎo)體的正常端面；而且，其防止Ga的氧化，由此允許形成具有很少非發(fā)光中心的穩(wěn)定界面。而且，氮化鋁膜具有四倍于氧化鋁膜的熱導(dǎo)率，因此散熱性優(yōu)異，減小了端面涂敷膜116的溫度的上升，由此增強(qiáng)了COD級。圖6示出了對已經(jīng)進(jìn)行了200小時老煉的根據(jù)本發(fā)明的激光器件的端面部分所進(jìn)行的成分分析的結(jié)果，該分析通過從表面向內(nèi)進(jìn)行的俄歇電子光譜(AES)觀察進(jìn)行。這里，氮化鋁具有20nm的厚度。在圖6中，縱軸表示不同元素的組成，橫軸表示濺射時間。由于在端面涂敷膜116的最外表面開始進(jìn)行濺射，在濺射時間為0分鐘處的圖表部分對應(yīng)于端面涂敷膜116的最外表面；隨著濺射時間的流逝，圖表的不同部分首先對應(yīng)于端面涂敷膜的內(nèi)部，然后對應(yīng)于隔離層115，然后對應(yīng)于氮化物半導(dǎo)體層。圖6示出了下面的情形即使在老煉測試之后，在形成端面涂敷膜116的氧化鋁中的氧由于氮化鋁的隔離層而不能達(dá)到GaN的氮化物半導(dǎo)體層的表面；因此，氮化鋁的隔離層115確實(shí)將氧與腔端面113分隔開。
具有不同隔離層厚度的激光器件之間的比較接下來，對每個具有形成為不同膜厚度的隔離層115的氮化物半導(dǎo)體激光器在200小時的老煉之前和之后的COD級進(jìn)行評估。在所使用的氮化物半導(dǎo)體器中，隔離層115的厚度在1nm到50nm之間變化。在下面的條件下進(jìn)行老煉通過APC驅(qū)動，70℃的器件溫度以及60mW的輸出。在如下的條件下測量COD級使用脈沖寬度為50nm且占空比為50％的脈沖并且在室溫。確定形成端面涂覆膜116的氧化鋁膜的厚度，使得它與形成隔離層115的氮化鋁結(jié)合表現(xiàn)出對405nm的波長的光的5％到10％的反射率。
圖7是示出了評估結(jié)果的圖，其中橫軸表示氮化鋁膜的厚度，而縱軸表示COD級。圖7示出了是氮化鋁膜的厚度大于20nm導(dǎo)致減小的COD級。如果使氮化鋁薄于1nm(在圖7中示出了其厚0.5nm的情形)，則形成端面涂覆膜116的氧化鋁膜不能從腔端面分離，其結(jié)果是，氧化鋁中的氧不利地與氮化物半導(dǎo)體中的Ga在腔端面113反應(yīng)，由此產(chǎn)生Ga的氧化物，增加了界面上的非發(fā)光中心并且因此增加了所產(chǎn)生的熱量。圖8A和8B是示出了同樣的評估的結(jié)果的圖，橫軸表示老煉的延遲時間，縱軸表示驅(qū)動電流。圖8A示出了氮化鋁具有6nm的厚度的10個樣品的結(jié)果，圖8B示出了氮化鋁具有50nm的厚度的15個樣品的結(jié)果。圖8A和8B給出了如下的結(jié)果在6nm厚的氮化鋁膜的情形，老煉期間的驅(qū)動電流(Iop)上升非常緩慢，并且在壽命中沒有觀察到退化；在50nm厚的氮化鋁膜的情形，除了兩個樣品之外，驅(qū)動電流(Iop)上升非?？焖?，并且在壽命中觀察到了顯著的退化。這被認(rèn)為是由于氮化鋁膜中的應(yīng)力的作用的結(jié)果。隨便提及，在圖8A示出了兩個樣品中，驅(qū)動電流從老煉開始保持為0mA；這是由于測量設(shè)備的問題，而基本上與本發(fā)明無關(guān)。因此，這些結(jié)果整體上顯示出形成隔離層115的氮化鋁優(yōu)選具有1nm以上且20nm以下的厚度。
當(dāng)將氮化鋁設(shè)置在由于劈裂氮化物半導(dǎo)體所形成的腔端面上時，它形成了緊密堆積的膜，但是含有高的內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致細(xì)微的裂紋和剝離。但是，該不利之處可以通過形成厚為20nm以下的隔離層115來克服，并且其厚度優(yōu)選為10nm以下。如果隔離層的膜厚度小于1nm，則不能充分地形成隔離層，并且不能提供足夠的粘附。因此，還出于這些考慮，優(yōu)選形成隔離層115的氮化鋁具有1nm以上且20nm以下的厚度。
第一和第二實(shí)施方案涉及氮化物半導(dǎo)體的端面通過劈裂而形成的情形。但是，應(yīng)該理解本分發(fā)明可以同樣地用于其中這樣的端面為通過比如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的氣相蝕刻或使用例如氫氧化鉀(KOH)的溶液的濕法蝕刻所形成為蝕刻面(蝕刻鏡)的情形，而不會產(chǎn)生其它問題。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件可以應(yīng)用到氮化物半導(dǎo)體激光器件中，例如獨(dú)立使用的半導(dǎo)體激光器件、提供有全息器件的全息激光器件、封裝來與用于驅(qū)動或比如信號檢測的處理的IC相集成的光電IC器件、封裝來與波導(dǎo)或微光學(xué)器件集成的復(fù)合光學(xué)器件。而且，本發(fā)明可以應(yīng)用在結(jié)合了這樣的氮化物半導(dǎo)體激光器件的光學(xué)記錄系統(tǒng)、光盤系統(tǒng)、在紫外到綠光區(qū)域工作的光源系統(tǒng)等中。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括III-V族氮化物半導(dǎo)體層；設(shè)置在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層中的腔；以及在所述腔的端面上形成的端面涂覆膜；其中，所述端面涂敷膜具有在其面對所述腔的端面的一側(cè)上的氧化鋁層，設(shè)置在所述端面涂覆膜和所述腔的端面之間的由氮化鋁形成的隔離層；以及所述隔離層具有1nm以上且20nm以下的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中形成所述隔離層的氮化鋁的至少部分是非晶態(tài)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述隔離層是通過磁控濺射工藝、等離子體CVD工藝或ECR濺射工藝制備。
4.一種制備氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，包括形成III-V族氮化物半導(dǎo)體層；通過分裂所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層將所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層形成為腔的步驟；使用惰性氣體清洗通過分裂所形成的腔的端面的步驟；在所述腔清洗后的端面上形成氮化鋁層的步驟；以及在所述氮化鋁層的表面上形成氧化鋁層的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的制備氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述惰性氣體是稀有氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的制備氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述惰性氣體是Ar氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的制備氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述惰性氣體是氮?dú)狻?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求4的制備氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述惰性氣體是氮?dú)夂虯r氣的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括III－V族氮化物半導(dǎo)體層；設(shè)置在III－V族氮化物半導(dǎo)體層中的腔；以及在腔的端面上形成的端面涂覆膜；其中，端面涂敷膜具有在其面對腔的端面的一側(cè)上的氧化鋁層，設(shè)置在端面涂覆膜和腔的端面之間的由氮化鋁形成的隔離層；以及隔離層具有1nm以上且20nm以下的厚度。
文檔編號H01S5/343GK1945909SQ20061014200
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者神川剛, 川口佳伸 申請人:夏普株式會社