專利名稱：氮化物基半導體發(fā)光元件和封裝中安裝該元件的發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化物基半導體發(fā)光元件和封裝中安裝有該氮化物基發(fā)光元件的發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
由于從由氮化鎵代表的III族氮化物半導體可以獲得高效藍紫發(fā)光，所以這種半導體作為用于發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)的材料已引起了關(guān)注。其中，期望具有 405nm波長的LD作為具有大容量的光盤設(shè)備的光源，因為LD的光束可以比具有650nm波長的常規(guī)LD更窄。近年來，隨著大屏幕TV等的普及，為了重放高質(zhì)量移動圖像，增加了對藍紫光重放LD的需求。在圖7中示出典型的氮化物基半導體發(fā)光元件(半導體激光器)的結(jié)構(gòu)。氮化物基半導體發(fā)光元件具有層壓結(jié)構(gòu)，其中，η型包覆層102、光導層103、有源層104、光導層105 以及P型包覆層106按次序?qū)訅涸贕aN襯底101上。ρ型包覆層106被處理成脊形狀。脊的頂部用具有其中提供P型電極108的條帶形孔徑的絕緣膜107覆蓋。通過條帶形電極形成電流阻擋結(jié)構(gòu)，并且通過調(diào)節(jié)脊的寬度和高度來控制橫模。激光束從通過解理形成的諧振腔鏡(未示出)輻射出。在由解理形成的諧振腔鏡上，形成電介質(zhì)膜(未示出)，作為端表面保護膜。作為用于具有405nm波長的藍紫光半導體激光器的端表面保護膜，例如，由Al2O3單層構(gòu)成的抗反射(AR)膜被提供在輻射激光束側(cè)的表面上，并且由諸如Al203/Ti02的多層膜構(gòu)成的高反射(HR)膜被提供在與前述表面相反的表面上。利用這種構(gòu)造，保護半導體的表面，并且減小振蕩閾值電流，由此允許激光束從提供AR膜的表面有效率地輻射出。由此制造的半導體發(fā)光元件被包封在CAN封裝中，使得更容易地并入到光學拾取器件中。具體地，在半導體發(fā)光元件熔融結(jié)合到熱沉上、隨后將其熔融結(jié)合到管座(stem) 上之后，該管座利用具有玻璃窗口的蓋帽包封。利用這種封裝，可以防止半導體發(fā)光元件在裝配工作期間被損壞，并且能夠確保發(fā)光操作期間的熱輻射性質(zhì)以使半導體發(fā)光元件穩(wěn)定地操作。這里，藍紫光半導體發(fā)光元件的振蕩波長為405nm那么短，并且激光束的光子能量有3. OeV那么高。因此，會產(chǎn)生如下問題殘留在氣氛中的有機物質(zhì)通過半導體發(fā)光元件發(fā)射的光來化學地降解，并因此諸如碳、硅等的雜質(zhì)附著到輻射光側(cè)上的半導體發(fā)光元件的表面。從而，日本未審專利公布No. 2004489010描述了一種發(fā)光器件，其中通過限制 CAN封裝中硅有機化合物氣體的蒸氣壓力，可以抑制雜質(zhì)對半導體發(fā)光元件的附著。
此外，日本未審專利公布No. 2006-344727描述了一種制造激光器件的方法，其中，在已經(jīng)包封了半導體發(fā)光元件的CAN封裝被加熱到70°C或更高的同時，通過將具有 420nm或更少的波長的光輻射到CAN封裝中來降解和消滅CAN封裝中的有機氣體的情況下， 抑制發(fā)光操作期間雜質(zhì)對半導體發(fā)光元件的附著。此外，日本未審專利公布No. 2004-40051描述了一種技術(shù)，其中，通過將紫外光或等離子體輻射到半導體發(fā)光元件支撐構(gòu)件上來消除有機物質(zhì)之后，將半導體發(fā)光元件包封在CAN封裝中。此外，日本未審專利公布No. 2004-273908描述了一種技術(shù)，其中在臭氧氣氛下將半導體發(fā)光元件包封在CAN封裝之后，將紫外光輻射到CAN封裝中。此外，日本未審專利公布No. 2008-182208描述了一種關(guān)于氮化物基半導體發(fā)光元件的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
雖然CAN封裝在實現(xiàn)激光的穩(wěn)定操作方面是有效的，但是在外層方面具有缺點， 例如，必須具有玻璃窗的蓋帽。因此，在用于光盤應(yīng)用的紅光和紅外線光激光器中，便宜的框架封裝是主流。框架封裝具有半導體發(fā)光元件附著到扁平支撐構(gòu)件上的結(jié)構(gòu)，并且在沒有玻璃蓋帽和用于外殼焊接工藝的情況下，可以制造框架封裝。因此，框架封裝適合降低組件和工藝成本方面的花費。相信，通過將框架封裝應(yīng)用到藍紫光半導體發(fā)光器件，可以實現(xiàn)成本的急劇降低。即使當半導體發(fā)光元件要安裝在這樣的封裝中時，也需要解決殘留在氣氛中的有機物質(zhì)可以通過半導體發(fā)光元件發(fā)射的光來化學降解以附著到其上的問題。然而，上面提到的四個專利文獻的任何一個都公開了一種抑制雜質(zhì)附著到已經(jīng)包封在CAN封裝中的半導體發(fā)光元件的技術(shù)，并因此在應(yīng)用框架封裝時不能抑制雜質(zhì)附著到半導體發(fā)光元件。框架封裝與CAN封裝的極大不同在于半導體發(fā)光元件暴露于空氣。從而，由于空氣中的有機化合物氣體而發(fā)生雜質(zhì)對半導體發(fā)光元件的附著，并因此即使通過清洗和封裝組件，也不能抑制雜質(zhì)對半導體發(fā)光元件的附著。根據(jù)本發(fā)明的一方面，氮化物基半導體發(fā)光元件包括層壓體，所述層壓體包括第一包覆層、第一包覆層上方形成的有源層以及在該有源層上方形成的第二包覆層；以及電介質(zhì)膜，所述電介質(zhì)膜具有3 μ m或更大厚度，被形成在發(fā)射光側(cè)上的層壓體側(cè)表面上并且至少覆蓋有源層的第一側(cè)表面。因為藍紫光半導體發(fā)光元件的光子能量高，所以氣氛中的諸如硅氧烷的硅有機化合物，通過由半導體發(fā)光元件發(fā)射的光來光化學地降解，以成為諸如S^2的雜質(zhì)，使得雜質(zhì)附著到半導體發(fā)光元件，具體地，附著到其光輻射表面。在日本未審專利公布No. 2004489010中，描述了光化學降解成SiO2等的反應(yīng)速度與光強度(光密度)的平方大致成比例，并且描述了光化學降解反應(yīng)是包括兩個光子的雙光子過程。這里，因為從半導體發(fā)光元件的有源層輻射的光被輻射成具有特定角度，所以其光強度隨著遠離有源層的第一側(cè)表面而逐漸變得更弱。也就是說，上述光化學降解反應(yīng)最可能發(fā)生在半導體發(fā)光元件的光輻射表面上，即，在光輻射側(cè)上與氣氛氣體接觸的表面上。在本發(fā)明中，通過上面提到的構(gòu)造來減少光輻射表面上的光強度。
在根據(jù)本發(fā)明的氮化物基半導體發(fā)光元件的情況下，電介質(zhì)膜的暴露于氣氛的表面成為光輻射表面。因為穿過電介質(zhì)膜行進得越遠，從有源層輻射的光的光強度就變得越弱，所以電介質(zhì)層的暴露表面(光輻射表面)上的光強度在電介質(zhì)膜厚度制作得更厚時會急劇減小。在這種情況下，可以抑制氣氛中的諸如硅氧烷的硅有機化合物會通過從半導體發(fā)光元件輻射的光來光化學降解，并因此能夠抑制雜質(zhì)可以附著到半導體發(fā)光元件，具體地， 附著到其光輻射表面。根據(jù)本發(fā)明，其變得可以抑制雜質(zhì)附著到半導體發(fā)光元件。


圖1是示意性示出根據(jù)本實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件的實例的截面圖；圖2是示意性示出根據(jù)該實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件的一部分的實例的截面圖；圖3是示出在框架封裝中安裝的藍紫光激光器的APC測試中操作電流變化的曲線圖；圖4是示出電介質(zhì)膜厚度與電介質(zhì)膜的標準化光密度=ScZS1的關(guān)系曲線圖；圖5A至5F是示意性示出用于制造根據(jù)該實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件的工藝過程圖的實例的圖；圖6是示出氮化物基半導體發(fā)光元件的APC測試中AItjp的時間變化的曲線圖；以及圖7是示意性示出一般的氮化物基半導體發(fā)光元件的實例的截面圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。在所有圖中，相同的組成元件利用相同的附圖標記來表示，并且將不再重復(fù)一些描述。<實施例>圖1和2示出根據(jù)本實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件應(yīng)用于半導體激光器作為實例的情況。圖1是示意性示出根據(jù)本實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件的實例的截面圖。在圖1中，光在與平面相垂直的方向上在近側(cè)輻射。圖2是示意性示出在沿著圖1中的氮化物基半導體發(fā)光元件的χ-χ’線截取的部分截面的截面圖。在該圖中，光從右側(cè)輻射到左側(cè)。如圖1所示，根據(jù)本實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件具有層壓體，所述層壓體包括第一包覆層303、在第一包覆層303上方形成的有源層305以及在有源層305上方形成的第二包覆層308。在有源層305中，注入的電子和空穴復(fù)合以發(fā)光。第一包覆層303和第二包覆層 308具有增加有源層305的電子密度和空穴密度的功能。在本實施例中，第一包覆層303、有源層305和第二包覆層308的構(gòu)造沒有具體限制。例如，第一包覆層303可以是摻雜Si的八“力 小層(例如4X IO17CnT3的Si濃度、2 μ m的厚度)。有源層305可以是由Lx2Geiy2N(例如:3nm的厚度)阱層和摻雜Si的Inx3Gay3N(例如:1X IO18CnT3的Si濃度、4nm厚度)阻擋層構(gòu)成的三周期的多量子阱(MQW)有源層。第二包覆層308可以是ρ型Alx4feiY4N層(例如:0·8μπι的厚度)。如圖1所示，例如，包括第一包覆層303、有源層305和第二包覆層308的層壓體可以被形成在η型GaN襯底301上。該層壓體可以具有其中按順序?qū)訅簱诫sSi的η型GaN 層302、第一包覆層303、η型GaN光限制層304、有源層305、帽蓋層306、ρ型GaN光限制層 307、第二包覆層308、ρ型GaN接觸層309以及由Pd/Pt構(gòu)成的ρ接觸312的結(jié)構(gòu)。在第二包覆層308和ρ型GaN接觸層309中，通過利用干法蝕刻制成的脊結(jié)構(gòu)被形成為條帶形狀。分別地，P型電極313被提供在該脊結(jié)構(gòu)的頂部上的ρ性GaN接觸層309 上方，并且η型電極316被提供在η型GaN襯底301下方。如圖2所示，根據(jù)本實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件具有電介質(zhì)膜201，電介質(zhì)膜210被形成在包括第一包覆層303、有源層305和第二包覆層308的層壓體的側(cè)表面(圖 2中的左側(cè)表面)上，光從該側(cè)表面輻射出，并且電介質(zhì)膜至少覆蓋有源層305的第一側(cè)表面 305Α。電介質(zhì)膜201的厚度d大于或等于3 μ m。假設(shè)在大致垂直于有源層305的方向上從有源層305的第一側(cè)表面305A的上側(cè)(在與圖2平面相垂直的方向上延伸的邊)到電介質(zhì)膜201的側(cè)表面201A的頂部的距離是h，并且假設(shè)在大致垂直于有源層305的方向上從有源層305的第一側(cè)表面305A輻射的光的輻射角是θ ν，其厚度d的最大值可以小于或等于h · cot ( θ ν/2)。也就是說，電介質(zhì)膜201的厚度d可以是3 μ m < d < h · cot ( θ ν/2)。電介質(zhì)膜210可以由任意材料制成，只要其不吸收光并且不會被光所劣化，具體地，不會被半導體發(fā)光元件輻射的光劣化即可。并且，期望的是，在膜厚度制作得大時，材料不會剝落和破裂。例如，電介質(zhì)膜201可以是由每一種都是通過濺射、沉積、CVD(化學氣相沉積)等形成的 Al203、Si02、Ti02、Zr02、Ta205、Nb205、MgF2、CaF2、AlN 禾口 Si3N4 中的任意一種構(gòu)成的膜，或通過灌注(potting)或噴墨而附著的硅樹脂構(gòu)成的膜；或者由兩個或更多個前面的膜組合的多層膜。期望的是，該電介質(zhì)膜201具有1至30%的激光束端表面反射系數(shù)，并且通過適當組合由上面提到的材料構(gòu)成的膜，能夠穩(wěn)定地形成具有預(yù)定折射率的電介質(zhì)膜201。可替選地，HR膜(未示出)可以形成在與包括第一包覆層303、有源層305和第二包覆層308的層壓體的光被輻射側(cè)上的表面(圖2中左側(cè)上的表面)相反的表面上。該HR 膜可以是組合具有低折射率的電介質(zhì)膜和具有高折射率的電介質(zhì)膜的多層膜，并且期望的是，使HR膜具有70%至99%的激光束反射系數(shù)。HR膜可以由全部可以通過濺射、沉積、 CVD等形成的諸如Al203、Si02、Ti02、&02、T￡i205、Nb2O5等的氧化物，諸如MgF2、CaF2等的氟化物，諸如A1N、Si3N4等的氮化物；或諸如硅樹脂的有機膜等來構(gòu)成。制造根據(jù)本實施例的這樣的氮化物基半導體發(fā)光元件的方法沒有具體限制，但可以通過利用所有常規(guī)的技術(shù)來實現(xiàn)。例如，通過利用例如MOVPE (金屬有機氣相外延)系統(tǒng)等的生長系統(tǒng)，在襯底上形成包括第一包覆層303、在第一包覆層303上方形成的有源層305和在有源層305上方形成的第二包覆層的層壓體；其后通過利用例如真空沉積方法或濺射方法在輻射光側(cè)上的層壓體的表面上形成具有預(yù)定厚度的電介質(zhì)膜201，可以制造氮化物基半導體發(fā)光元件。其后，利用常規(guī)的技術(shù)，可以將氮化物基半導體發(fā)光元件安裝在諸如框架封裝和CAN封裝的所有封裝中。隨后，將描述根據(jù)本實施例的氮化物基半導體發(fā)光元件的操作效果。通過本發(fā)明人對氮化物基半導體發(fā)光元件(在下文中，有時簡稱為“半導體發(fā)光元件”)各種研究的結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使電介質(zhì)膜201變厚，可以抑制雜質(zhì)附著到半導體發(fā)光元件，具體地，抑制雜質(zhì)附著到輻射光側(cè)上的半導體發(fā)光元件的表面(在下文中，稱為 “光輻射表面”)。如上所述，因為藍紫光半導體發(fā)光元件的光子能量高，所以氣氛中的諸如硅氧烷的硅有機化合物，在長期發(fā)光中會被光而光化學降解成為諸如SiO2的雜質(zhì)，使得雜質(zhì)附著到半導體發(fā)光元件，具體地，附著到其光輻射表面。結(jié)果，隨著雜質(zhì)的附著，光輻射表面的反射系數(shù)變化，由此造成驅(qū)動電流變化的現(xiàn)象，如圖3所示。根據(jù)日本未審專利公布No. 2004-289010，描述了光化學降解成為SiO2等的反應(yīng)速度大致與光強度的平方(光密度)成比例，并且描述了光化學降解反應(yīng)是包含兩個光子的雙光子過程。這里，因為從半導體發(fā)光元件的有源層305輻射的光被輻射成具有特定角度， 所以其光強度隨著遠離有源層305的第一側(cè)表面305A而變?nèi)酢Ｒ簿褪钦f，上述光化學降解反應(yīng)最可能發(fā)生在半導體發(fā)光元件的光輻射表面上，即，在輻射光側(cè)上的與氣氛氣體接觸的表面上。在根據(jù)本實施例的半導體發(fā)光元件中，可以減小光輻射表面上的光強度。這里，應(yīng)該注意，暴露于氣氛的電介質(zhì)膜201的表面20IB(見圖幻，在本實施例中是光輻射表面。如上所述，因為從半導體發(fā)光元件的有源層305輻射的光被輻射成具有特定角度，所以其光強度隨著遠離有源層305的第一側(cè)表面305A而變?nèi)?。也就是說，當電介質(zhì)膜 210的厚度制作得越大時，暴露表面(光輻射表面)201B上的光強度會急劇減小。在這種情況下，可以抑制氣氛中的諸如硅氧烷的硅有機化合物通過半導體發(fā)光元件輻射的光來光化學降解，并因此可以抑制雜質(zhì)附著到半導體發(fā)光元件，具體地，可以抑制雜質(zhì)附著到其光輻射表面。在下文中，以藍紫光激光器作為示例，將詳細描述本實施例的操作效果。如圖1所示，從輻射光側(cè)上的層壓體的側(cè)表面上(圖2中示出的表面)的非常窄的橢圓形區(qū)域(橢圓A)輻射光，該層壓體包括第一包覆層303、有源層305和第二包覆層 308。橢圓A的長軸平行于有源層305，并且其尺寸幾乎等于電流阻擋結(jié)構(gòu)的寬度th。橢圓 A的短軸垂直于有源層305，并且其尺寸幾乎等于有源層305的厚度tv?？紤]到光學拾取器件中的收集效率等，用于光盤應(yīng)用的藍紫光激光器典型地具有 1 至 3 μ m 的 th 禾口 0. 1 至 0. 2 μ m 的 tv。從有源層305輻射的光被輻射成分別在與有源層305相垂直的方向上(圖2中的垂直方向)和與有源層305相平行的方向上(與圖2中的平面相垂直的方向)具有特定角度。也就是說，輻射的光被傳播，同時通過電介質(zhì)膜201散播。在藍紫光激光器的情況下， 在垂直方向上典型的輻射角在15°到25° (包括15°和25° )的范圍內(nèi)，并且在水平方向上的輻射角在7°到10° (包括7°和10° )的范圍內(nèi)。在這種情況下，半導體發(fā)光元件的暴露表面(光輻射表面)201B上的光強度(光密度)成為電介質(zhì)膜201厚度的函數(shù)。具體地，假設(shè)輻射光側(cè)上的層壓體的側(cè)表面上(圖 1中示出的表面)的激光光面積為&，該層壓體包括第一包覆層303、有源層305和第二包覆層308 ；電介質(zhì)膜201的暴露表面(光輻射表面)201B上的激光光面積為S1 ；S0ZS1等效于暴露表面(光輻射表面)20IB上的標準化光密度。假設(shè)這是具有th(ym)和tv(ym)的軸的橢圓，則激光光面積SO用下面的等式 (1)來表示，S0 = thXtvX π /4 …(1)另一方面，假設(shè)電介質(zhì)膜201的厚度為d(ym)并且垂直和水平輻射角分別是θν 和θ h，那么激光光面積Sl用下面的等式( 來表示，
權(quán)利要求
1.一種氮化物基半導體發(fā)光元件，包括層壓體，所述層壓體包括第一包覆層、在所述第一包覆層上方形成的有源層和在所述有源層上方形成的第二包覆層；以及具有3μπι或更大厚度的電介質(zhì)膜，所述電介質(zhì)膜被形成在所述層壓體的發(fā)射光的一側(cè)的側(cè)表面上，并且至少覆蓋所述有源層的第一側(cè)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物基半導體發(fā)光元件，其中，假設(shè)在大致垂直于所述有源層的方向上，從所述有源層的所述第一側(cè)表面的上側(cè)到所述電介質(zhì)膜的所述側(cè)表面的頂部的距離為h，以及在大致垂直于所述有源層的方向上，從所述有源層的所述第一側(cè)表面輻射的光的輻射角度為θ v，那么所述電介質(zhì)膜的厚度小于或等于h .Cot(QvA)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物基半導體發(fā)光元件，其中，所述電介質(zhì)膜是由 A1203、SiO2, TiO2, ZrO2, Ta2O5> Nb2O5, MgF2, CaF2、A1N、Si3N4 以及硅樹脂中的任何一種構(gòu)成的膜；或組合兩種或多種上述膜的多層膜。
4.一種發(fā)光器件，在所述發(fā)光器件中封裝了根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物基半導體發(fā)光元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光器件，其中，所述氮化物基半導體發(fā)光元件被安裝在框架封裝中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氮化物基半導體發(fā)光元件和封裝中安裝該元件的發(fā)光器件。為了抑制雜質(zhì)附著到半導體發(fā)光元件，提供一種氮化物基半導體發(fā)光元件，包括層壓體，所述層壓體具有第一包覆層、第一包覆層上方形成的有源層以及在該有源層上方形成的第二包覆層；以及電介質(zhì)膜，所述電介質(zhì)膜具有3μm或更大厚度，所述電介質(zhì)膜被形成在發(fā)射光側(cè)上的層壓體的側(cè)表面上，并且至少覆蓋有源層的第一側(cè)表面。
文檔編號H01S5/028GK102170089SQ20111003073
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者笹岡千秋 申請人:瑞薩電子株式會社