发光元件及其制造方法转让专利
申请号 : CN200810178899.0
文献号 : CN101453098B
文献日 : 2010-09-22
发明人 : 川上俊之 , 川口佳伸 , 神川刚
申请人 : 夏普株式会社
摘要 :
本发明公开了一种发光元件及其制造方法。在使用具有六方晶体结构的氮化物半导体的激光芯片1中，-c面被用作第一谐振器端面A，其为通过其光被发射得激光芯片1侧。在第一谐振器端面A上，也就是在-c面上，形成端面保护膜14。这确保在第一谐振器端面A和端面保护膜14之间稳固地接合，并减轻第一谐振器端面A的退化。
权利要求 :
1.一种发光元件，包括：
基板；
由具有六方晶体结构的氮化物半导体构成的分层结构，该氮化物半导体在基本垂直于c轴的方向上堆叠在该基板上；
形成在其上出现构成该分层结构的氮化物半导体的N极表面的第一端面上的第一保护膜；
形成在与第一端面相对的第二端面上的第二保护膜，该第二保护膜具有比第一保护膜高的反射率。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中，该第一保护膜包括氮化物材料。
3.如权利要求2所述的发光元件，其中，该氮化物材料与第一端面相接触。
4.如权利要求3所述的发光元件，其中，该第一保护膜包括由氮化物材料构成的端面保护膜以及由氧化物材料构成的发光侧保护膜。
5.如权利要求4所述的发光元件，其中，该氧化物材料包含铝、钛、钽、铌、铪和钇的氧化物的至少之一。
6.如权利要求2所述的发光元件，其中，该氮化物材料为单晶或多晶。
7.如权利要求6所述的发光元件，其中，该氮化物材料为在预定方向取向的晶体。
8.如权利要求2所述的发光元件，其中，该氮化物材料包含铝、镓和硅的氮化物的至少之一。
9.如权利要求1所述的发光元件，其中，该分层结构在a轴或m轴方向上堆叠。
10.一种发光元件的制造方法，包括：第一步，在基板上在基本垂直于c轴的方向上堆叠具有六方晶体结构的氮化物半导体，并因此制造由氮化物半导体构成的分层结构；
第二步，在第一步之后，形成在其上出现氮化物半导体的N极表面的第一端面，以及与第一端面相对的第二端面；
第三步，在第二步之后，在第一端面上形成第一保护膜以及在第二端面上形成第二保护膜，第二保护膜具有比第一保护膜高的反射率。
11.如权利要求10所述的制造方法，其中，在第三步中，至少部分第一保护膜由电子回旋共振溅射方法或分子束外延方法形成。
12.如权利要求10所述的制造方法，其中，第二步通过切割或干蚀刻实施。
说明书 :
技术领域
本发明涉及发光元件及其制造方法。更具体地，本发明涉及以使用氮化物半导体的激光元件作为例子的发光元件及其制造方法。
背景技术
作为III族元素，例如Al、Ga或In，和N，一种V族元素之间的化合物，氮化物基半导体(例如AlN、GaN和InN，包含它们的固溶体，如AlGaN和InGaN—在本说明书中这些被统称为氮化物半导体)由于它们的能带结构和化学稳定性，被期望找到作为发光元件和功率器件的材料的应用。
另一方面，氮化物半导体元件被广泛地使用，采用了具有六方晶体结构的蓝宝石或GaN基板，并且具有形成在基板的c面((0001)面)上的氮化物半导体的分层结构。特别地，在作为激光元件和发光元件的应用中，例如在发光二极管中，一些氮化物半导体元件使用由GaN(阻挡层)/InGaN(阱层)构成的量子阱结构作为有源层。这里，增加InGaN的In的含量使得发光波长向长波侧变化。
然而，由于GaN和InGaN之间的晶格失配，增加In的含量会增加应变，因而扩大压电场。随着压电场的增大，在导带中的电子的波函数和价带中的空穴的波函数之间的交叠减少，因而成对的电子和空穴在空间上彼此分离。这造成了阈值电流的增加和发光效率的降低的问题。此外，由于具有纤锌矿结构、六方晶体结构的氮化物半导体相对于c轴方向没有对称的平面，极性出现在沿c轴方向生长上的氮化物半导体中，并因此发生自发极化，这是导致问题的另一个因素。
为了解决这些问题，非专利文件1提出了一种发光元件，其中氮化物半导体分层结构被形成在GaN基板的m面({1-100}面)上，该m面为非极性面，并且其中脊状条形成在a轴(<11-20>轴)方向或c轴方向上。而且，通过在GaN基板的也为非极性面的a面({11-20}面)上形成氮化物半导体分层结构，可以缩小压电场并因此降低自发极化。
非专利文件1：Japanese Journal of Applied Physics，Vol.46，No.9，2007，pp187-189。
然而，与形成在c面上相比，难于在基板的m或a面上形成氮化物半导体分层结构，造成低产率的问题。由于氮化物半导体激光元件发射短波长且高能量的光，它的谐振器端面易于被损伤，这也是导致低产率的另一个因素。为了增加产率，并确保防止除了上述之外的引发低发光强度和损伤的端面的COD(灾变光学损伤)变成主要问题。特别是在氮化物半导体中，端面(facet)的氧化对COD的发生有着很大的影响。
另一方面，氮化物半导体元件被广泛地使用，采用了具有六方晶体结构的蓝宝石或GaN基板，并且具有形成在基板的c面((0001)面)上的氮化物半导体的分层结构。特别地，在作为激光元件和发光元件的应用中，例如在发光二极管中，一些氮化物半导体元件使用由GaN(阻挡层)/InGaN(阱层)构成的量子阱结构作为有源层。这里，增加InGaN的In的含量使得发光波长向长波侧变化。
然而，由于GaN和InGaN之间的晶格失配，增加In的含量会增加应变，因而扩大压电场。随着压电场的增大，在导带中的电子的波函数和价带中的空穴的波函数之间的交叠减少，因而成对的电子和空穴在空间上彼此分离。这造成了阈值电流的增加和发光效率的降低的问题。此外，由于具有纤锌矿结构、六方晶体结构的氮化物半导体相对于c轴方向没有对称的平面，极性出现在沿c轴方向生长上的氮化物半导体中，并因此发生自发极化，这是导致问题的另一个因素。
为了解决这些问题，非专利文件1提出了一种发光元件，其中氮化物半导体分层结构被形成在GaN基板的m面({1-100}面)上，该m面为非极性面，并且其中脊状条形成在a轴(<11-20>轴)方向或c轴方向上。而且，通过在GaN基板的也为非极性面的a面({11-20}面)上形成氮化物半导体分层结构，可以缩小压电场并因此降低自发极化。
非专利文件1：Japanese Journal of Applied Physics，Vol.46，No.9，2007，pp187-189。
然而，与形成在c面上相比，难于在基板的m或a面上形成氮化物半导体分层结构，造成低产率的问题。由于氮化物半导体激光元件发射短波长且高能量的光，它的谐振器端面易于被损伤，这也是导致低产率的另一个因素。为了增加产率，并确保防止除了上述之外的引发低发光强度和损伤的端面的COD(灾变光学损伤)变成主要问题。特别是在氮化物半导体中，端面(facet)的氧化对COD的发生有着很大的影响。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个目的是提供一种氮化物半导体激光元件，其中以增加产率为目的，谐振器端面被保护。
为了实现上述目的，发光元件包括：基板；由具有六方晶体结构的氮化物半导体构成的分层结构，该氮化物半导体在基本垂直于c轴的方向上堆叠在基板上；形成在其上出现构成分层结构的氮化物半导体的N极表面的第一端面上的第一保护膜；以及形成在与第一端面相对的第二端面上的第二保护膜，该第二保护膜具有比第一保护膜高的反射率。
此外，根据本发明，发光元件的制造方法包括：第一步，在基板上在基本垂直于c轴的方向上堆叠具有六方晶体结构的氮化物半导体，并因此制造由氮化物半导体构成的分层结构；第二步，在第一步之后，形成在其上出现氮化物半导体的N极表面的第一端面，以及与第一端面相对的第二端面；以及第三步，在第二步之后，在第一端面上形成第一保护膜以及在第二端面上形成第二保护膜，该第二保护膜具有比第一保护膜高的反射率。
根据本发明，氮化物半导体的N极平面被用作第一端面，通过其光被发射。由于N极平面与其它平面相比在反应性上占优势，在该平面上形成第一保护膜使得在界面处反应从而提供稳固地接合。这使得可以降低在界面上氧的扩散，并确保第一和第二保护膜的宽工艺窗口。因此，有可能提高发光元件的产率。
为了实现上述目的，发光元件包括：基板；由具有六方晶体结构的氮化物半导体构成的分层结构，该氮化物半导体在基本垂直于c轴的方向上堆叠在基板上；形成在其上出现构成分层结构的氮化物半导体的N极表面的第一端面上的第一保护膜；以及形成在与第一端面相对的第二端面上的第二保护膜，该第二保护膜具有比第一保护膜高的反射率。
此外，根据本发明，发光元件的制造方法包括：第一步，在基板上在基本垂直于c轴的方向上堆叠具有六方晶体结构的氮化物半导体，并因此制造由氮化物半导体构成的分层结构；第二步，在第一步之后，形成在其上出现氮化物半导体的N极表面的第一端面，以及与第一端面相对的第二端面；以及第三步，在第二步之后，在第一端面上形成第一保护膜以及在第二端面上形成第二保护膜，该第二保护膜具有比第一保护膜高的反射率。
根据本发明，氮化物半导体的N极平面被用作第一端面，通过其光被发射。由于N极平面与其它平面相比在反应性上占优势，在该平面上形成第一保护膜使得在界面处反应从而提供稳固地接合。这使得可以降低在界面上氧的扩散，并确保第一和第二保护膜的宽工艺窗口。因此，有可能提高发光元件的产率。
附图说明
图1为GaN的晶体结构的示意图。
图2为示意性地示出采用本发明的激光芯片的透视图。
图3为通过例子示意性地示出采用本发明的激光元件的例子得透视图。
图4为示意性地示出采用本发明的激光芯片的透视图。
图2为示意性地示出采用本发明的激光芯片的透视图。
图3为通过例子示意性地示出采用本发明的激光元件的例子得透视图。
图4为示意性地示出采用本发明的激光芯片的透视图。
具体实施方式
GaN晶体结构
首先，参考图1，将结合作为例子给出的GaN来描述纤锌矿型晶体结构。图1为GaN的晶体结构的示意图，其中，黑点代表Ga原子，白点代表N原子。
如图1所示，Ga原子和N原子每一个均具有平行于c轴的一个键以及从这一个键延伸到相对侧且不与c轴平行的三个键。对于每个Ga原子，平行于c轴的这一个键延伸到[0001]侧，而不与c轴平行的三个键延伸到[000-1]侧。相反地，对于每个N原子，平行于c轴的该一个键延伸到[000-1]侧，而不与c轴平行的三个键延伸到[0001]侧。
如上所述，在GaN晶体结构中，在c轴方向上没有对称端面(symmetricalfacets)。因此，该晶体结构相对于c轴有正面和反面。更具体地，(0001)和(000-1)面不是等效面，且在化学性质方面是不同的。特别地，与在其中与c轴平行的Ga原子的键指向表面的Ga极面((0001)面，+c面)相比，在其中与c轴平行的N原子的键指向表面的N极面((000-1)面，-c面)在反应性上占优势。
需要注意的是c、a和m轴彼此之间为垂直关系。因此，±c、a和m面彼此之间也为垂直关系。
激光芯片构造
作为采用本发明的氮化物半导体发光元件的例子给出的激光元件，它的结构和制造方法的例子将在下文中描述。首先，参考图2，在该实施例中的激光芯片的结构将被描述。图2为本实施例中的激光芯片的示意性透视图。在下面的描述中，在其顶部上堆叠不同层的基板的主平面被称为生长表面，垂直于生长表面且这些不同层堆叠的方向被称为向上方向。基板2的生长表面被选为基本平行于a或m面，也就是说基本垂直于c面。
如图2所示，在本实施例中的氮化物半导体激光芯片1包括：由GaN形成的基板2；由n型GaN构成的n型缓冲层3；由n型Al0.06Ga0.94N构成的n型覆层4；由n型GaN构成的n型导层5；由InGaN和GaN构成的有源层6；由Al0.3Ga0.7N构成的p型电流阻挡层(current blocking layer)7；由Al0.05Ga0.95N构成的p型覆层8；以及由p型GaN构成的p型接触层9。
p型覆层8具有在预定方向上延伸且向上突出的形状。仅仅在该突出部分的顶部上形成p型接触层9。在下文中，p型覆层8的突出部分和形成在层8的上表面上的p型接触层9被统称为脊状条10，并且脊状条10延伸的预定方向被称为脊状条10的长度方向。
脊状条10在基本平行于±c轴的方向上延伸。因此，谐振器端面基本平行于±c平面。在基本平行于m面的表面被选为基板2的生长表面的情况下，在基本垂直于脊状条10的长度方向的方向上的侧面基本平行于a面。另一方面，在基本平行于a面的表面被选为基板2的生长表面的情况下，在基本垂直于脊状条10的长度方向的方向上的侧面基本平行于m面。
由SiO2或ZrO2构成的绝缘层11被设置p型覆层8的其上没有形成脊状条的部分的上表面上，并且也被设置在脊状条的侧面上。设置由Pd/Mo/Au构成的p电极12从而覆盖p型接触层9的上表面的整个区域以及接近p型接触层9的绝缘层11的上表面。由Hf/Al构成的n电极13被设置在与生长表面相对的基板2的反面(reverse surface)上。保护膜(未示出)被设置在激光芯片的谐振器的端面上，谐振器端面基本垂直于脊状条10的长度方向。保护膜的详细描述将在随后给出。
激光芯片制造方法
下面，上述激光芯片的制造方法的例子将参考图2被描述。在该例子中，多个激光芯片1通过分裂(splitting)其上形成有类似于上述分层结构的多个分层结构的晶片来获得。因此，首先制造晶片。这里，假设使用GaN基板2，并且a或m面被用作生长表面。
首先，在基板2的生长表面上，厚度为0.2μm的缓冲层3被形成，并且在其上进一步形成厚度为2.3μm的n型覆层4。继续在其上进一步形成厚度为0.02μm的n型导层5，依然在其上进一步形成有源层6。
有源层6通过在多量子阱层的顶部上形成70nm厚的GaN保护层来形成，该多量子阱层具有按照GaN/InGaN/GaN/InGaN/GaN/InGaN/GaN的顺序设置的作为阱层的4nm厚的InGaN层和作为阻挡层的8nm厚的GaN层。
此外，厚度为20nm的p型电流阻挡层7堆叠在有源层6上，并且厚度为0.5μm的p型覆层8堆叠在其上。此外，厚度为0.1μm的p型接触层9堆叠在p型覆层8上。当上述发生时，上述脊状条10还未形成，因此p型覆层8和p型接触层9覆盖晶片的整个顶部区域。
这样堆叠的氮化物半导体层每个都外延生长，并因此根据底层晶体的取向而取向。这样的生长可通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)或者HVPE(氢化物气相外延)的方法来实现。
在如上所述的氮化物半导体层被堆叠之后，脊状条10被形成。当脊状条10被形成时，比如抗蚀剂膜的蚀刻防止膜(etching prevention film)通过例如光刻法的方法在p型接触层9的其上形成有脊状条的部分上形成。此后，反应离子蚀刻通过例如SiCl4、Cl2或Ar的气体进行。从而，其上没有形成蚀刻防止膜的部分被蚀刻，并且在预定方向上延伸的多个脊状条10被制造在晶片上。同时，在防止膜没有被形成的部分中，部分p型接触层9和部分p型覆层8被蚀刻从而p型覆层8被暴露。
蚀刻防止膜的宽度决定脊状条10的宽度，而脊状条10的宽度决定从激光芯片1发射的光的性质。例如，设定为1到3μm的脊状条的宽度提供了将相对于水平方向发射单模式光的激光芯片，使得激光芯片可以用在光拾取器等中。另一个例子，这里大约3到10μm的宽度提供了将在大功率和多模式下发射激光的激光芯片，使得激光芯片可以用在照明装置等中。
在脊状条10被制造后，蚀刻防止膜留在脊状条10上，绝缘层11被形成在p型覆层8上和在其的上表面上形成有蚀刻防止膜的脊状条10上。绝缘层11可通过包括磁控溅射和ECR(电子回旋共振)溅射、CVD或类似的各种溅射方法形成。
此后，蚀刻防止膜和其上的绝缘层被同时移除，从而p型接触层9被暴露。p电极12被形成在p型接触层9和接近其的绝缘层11的上表面上。此外，n电极13被形成在与生长表面相对的基板2的反面上。p电极12和n电极13可通过包括EB(电子束)沉积和电阻器加热沉积的沉积方法以及上述各种溅射方法形成。在n电极13被形成之前，与生长表面相对的基板2的反面可被抛光来将基板的厚度降低到大约100μm。
这样获得的晶片在垂直于脊状条的长度方向的方向上被切割，或被干蚀刻并分裂，从而被形成为条(bars)。然后，保护膜被形成在条的分裂面上，其随后在基本平行于脊状条的长度方向的方向上被分裂，从而被形成为类似于如图2所示的激光芯片。保护膜如何形成的细节将连同保护膜的结构一起在下文中给出。
这样获得的激光芯片1被引入到例如如图3所示的激光元件20中，图3为示意性地示出激光元件的例子的透视图。如该图所示，通过利用焊料(solder)或类似物将n电极13固定到子座(submount)21以及通过将电源线22a和22b分别接合到p电极12和子座21来将激光芯片1安装在激光元件20中。
在如上所述结构的激光元件20中，接合到激光芯片1的p电极12和子座21的线22a和22b被分别连接到销24a和24b，每一个穿透管座(stem)23。销24a和24b分别用绝缘环25a和25b与管座23绝缘。子座21被固定到管座23上。此外，装有用于透射从激光芯片1发射的光的窗口26a的帽26贴装到管座23，从而芯片1被管座23和帽26封装。经由销24a和24b以及线22a和22b被提供电流的激光芯片1振荡，从而通过窗口26发光。
垫电极可附加地形成在p电极12上，从而可在垫电极上进行引线接合。采用这样的结构，引线接合变得更容易进行。基板2可为所谓的正基板(just-substrate)，其中生长表面与a或m面重合，或者为所谓的离基板(off-substrate)，其中生长表面从a或m面稍微偏离。需要注意的是，使用离基板改善了堆叠在基板上的氮化物半导体层的晶体。
尽管导电的GaN在该例子中被用作基板2的材料，但是比如蓝宝石的绝缘材料也可代替使用。例如，在使用蓝宝石的情况下，当r面((10-12)面)被选为基板2的生长表面时，氮化物半导体层在a轴方向上被堆叠。对于基板而言，任何材料，例如SiC或者ZnO可被使用；无论如何，均假设氮化物半导体层在基本垂直于c轴的a或m轴方向上被堆叠。
在将比如蓝宝石的绝缘材料用于基板2的情况下，n电极13不能被形成在与生长表面相对的基板2的反面上。由于这个原因，激光芯片可被这样构造，从而暴露n型缓冲层3的区域被设置在从激光结构分离的区域中，并且n电极13被形成在该区域中。在将比如蓝宝石的异质材料用于基板2的情况下，缓冲层和/或其它层出于需要可被添加。
激光芯片1的上述构造和制造方法仅通过举例的方式来介绍。也就是说，下文描述的保护膜也可适用于任何其它结构的发光元件。例如，下述的保护膜可形成在激光芯片内的谐振器端面上，该激光芯片具有绝缘层也覆盖有源层的侧面的结构。没有脊状条的结构可被采用。下述保护膜还可形成在激光芯片内的谐振器端面上，该激光芯片通过利用在电流注入区周围的高电阻来实现电流限制。
保护膜
下面，将参考图4描述在本实施例中形成在发光元件上的保护膜，图4为示意性地示出本实施例中的激光芯片的透视图。图4示出脊状条10的长度方向基本平行于c轴方向的情况。这里，在发光侧上的-c面上的侧面被称作第一谐振器端面A，在反射侧上的+c面上的侧面被称作第二谐振器端面B。需要注意的是，尽管图4示出不具有形成在脊状条侧面上的保护膜14到16的脊状条，但是保护膜14到16可被形成在其上。
如图4所示，保护膜14到16被形成在第一和第二谐振器端面A和B的表面上。在第一谐振器端面A上，AlN或类似物的端面保护膜14和Al2O3或类似物的发光侧保护膜15被形成。端面保护膜14被直接形成在第一谐振器端面A的表面上，而发光侧保护膜15被形成在端面保护膜14的表面上。
这里，-c面(N极面)被用作第一谐振器端面A，其在所有晶面中相对活泼。
当被结合时，保护膜14和15显示出特定的反射率。例如，形成厚度为20nm的AlN膜14和厚度为110nm的发光侧Al2O3膜15提供了大约18％的反射率。然后将具有大约100％的反射率的反射侧保护膜16设置到第二谐振器端面B，使得光通过第一谐振器端面A被有效地发射。
形成在第二谐振器端面B上的反射侧保护膜16可具有SiO2、TiO2等的多层。例如，足够的反射率可通过在四层中交替地堆叠SiO2和TiO2得到。
如上所述的使用-c面作为通过其发光并在其上形成端面保护膜14的第一谐振器端面A有助于在第一谐振器端面A和端面保护膜14之间的界面处得到稳固的接合。并且，形成该稳固的界面有可能降低端面的氧化及所造成的影响。因此，可以提供发光元件，其能够降低保护膜14到16的质量的改变的影响，如果有的话，(例如增加的COD发生的可能性)，并能够在稳定的状态下运行。换句话说，可以扩大保护膜14到16的工艺窗口并因此增加发光元件的产率。
端面保护膜14也可被形成在第二谐振器端面B的表面上。在这种情况下，应该注意的是第二谐振器端面B在+c面上，并因此具有相对于-c面更低的反应性。此外，由于它的更低的光密度，第二谐振器端面B不像第一谐振器端面A那样有问题，并对产率影响非常小。
此外，优选地，端面保护膜14为单晶。它可为多晶，但是在这种情况下，优选地为具有大晶粒或者被取向的多晶体。由于氧通过晶界很容易扩散，没有晶界的结构使得氧的扩散变得困难。即使是多晶，只要其具有大晶粒或者被取向，也可以使较少的通过晶界扩散的氧到达第一谐振器端面A并将氧扩散范围缩小到非常小的区域。因此，有可能阻止氧的随机扩散并提高产率。
此外，对于端面保护膜14使用具有上述好的晶体的材料改善了热传导性和化学稳定性，并因此减少了发射的光的吸收。这使进一步提高产率变得可能。
上述的端面保护膜14可通过比如ECR溅射或MBE的方法形成。这些方法允许准确地控制在保护膜14的形成过程中的原子能量。因此，使用这些方法使更容易地得到单晶膜或者被取向的多晶膜变得可能。
通过首先利用其它膜的形成方法形成非晶膜，然后对其热处理或电子束辐射来形成晶体膜也是可能的。
在端面保护膜14为被取向的多晶膜的情况下，其可以在任何方向上被取向。例如，它在基本垂直于第一谐振器端面A的方向上被取向，从而基本平行于第一谐振器端面A的晶粒的端面基本在相同的晶面上并具有旋转的关系。也可以在基本平行于第一谐振器端面A的方向上被取向，从而基本平行于第一谐振器端面A的晶粒的端面基本平行于晶体的取向方向。
当晶片被分裂为条从而得到第一和第二谐振器端面A和B时，干蚀刻可被使用，并且这些端面A和B可倾斜三度或更小的偏离角。这个结构使第一谐振器端面A与-c面偏离一个小角度，并因此改善形成在该表面上的端面保护膜14的均匀性和晶体。因此，有可能提高产率。需要注意的是即使以这种方法倾斜偏离角，端面A仍然具有N极并因此能稳固地接合端面保护膜14。
作为端面保护膜14的材料，可以使用比如氮化铝、氮化镓或者氮化硅的氮化物，或者多个由这些材料中的任何一个构成的膜的组合，或者这些材料的混合物。比如这些的氮化物材料是稳定的，并因此不易被发射的光和其它损坏。此外，它们提供了对于第一谐振器端面A的更牢固的结合。另外，氧进入到保护膜14中可被延迟，因此降低在第一谐振器端面A中的氧化的速度。特别地，除了刚提到的这些，由于宽带隙，AlN具有例如高热传导性、出众的热分散、以及发射的光的低吸收的特性。因此，包含AlN的材料优选地被使用。
形成端面保护膜14的氮化物材料可包含比如氧、碳或氩的元素。优选地在端面保护膜14中氧的含量非常低，因为这样进一步延迟氧进入到保护膜14中并因此降低进入膜的氧的吸收。
在发光侧保护膜15中的氧化物的使用有助于反射率的控制。这也可延迟氧进入到端面保护膜14中，并因此进一步延迟第一谐振器端面A中的氧化。特别地，优选使用具有宽到足以透射发射的光的带隙的材料。具体地，其为铝、钛、钽、铌、铪或钇的氧化物。这些氧化物的混合物也可被使用。
本发明涉及氮化物半导体发光元件及其制造方法。特别地，本发明涉及在有源层中使用GaN和InGaN的激光元件作为例子的发光元件及其制造方法。本发明适合应用到激光元件，它的发光波长向具有增加的In成分的长波侧移动。
首先，参考图1，将结合作为例子给出的GaN来描述纤锌矿型晶体结构。图1为GaN的晶体结构的示意图，其中，黑点代表Ga原子，白点代表N原子。
如图1所示，Ga原子和N原子每一个均具有平行于c轴的一个键以及从这一个键延伸到相对侧且不与c轴平行的三个键。对于每个Ga原子，平行于c轴的这一个键延伸到[0001]侧，而不与c轴平行的三个键延伸到[000-1]侧。相反地，对于每个N原子，平行于c轴的该一个键延伸到[000-1]侧，而不与c轴平行的三个键延伸到[0001]侧。
如上所述，在GaN晶体结构中，在c轴方向上没有对称端面(symmetricalfacets)。因此，该晶体结构相对于c轴有正面和反面。更具体地，(0001)和(000-1)面不是等效面，且在化学性质方面是不同的。特别地，与在其中与c轴平行的Ga原子的键指向表面的Ga极面((0001)面，+c面)相比，在其中与c轴平行的N原子的键指向表面的N极面((000-1)面，-c面)在反应性上占优势。
需要注意的是c、a和m轴彼此之间为垂直关系。因此，±c、a和m面彼此之间也为垂直关系。
激光芯片构造
作为采用本发明的氮化物半导体发光元件的例子给出的激光元件，它的结构和制造方法的例子将在下文中描述。首先，参考图2，在该实施例中的激光芯片的结构将被描述。图2为本实施例中的激光芯片的示意性透视图。在下面的描述中，在其顶部上堆叠不同层的基板的主平面被称为生长表面，垂直于生长表面且这些不同层堆叠的方向被称为向上方向。基板2的生长表面被选为基本平行于a或m面，也就是说基本垂直于c面。
如图2所示，在本实施例中的氮化物半导体激光芯片1包括：由GaN形成的基板2；由n型GaN构成的n型缓冲层3；由n型Al0.06Ga0.94N构成的n型覆层4；由n型GaN构成的n型导层5；由InGaN和GaN构成的有源层6；由Al0.3Ga0.7N构成的p型电流阻挡层(current blocking layer)7；由Al0.05Ga0.95N构成的p型覆层8；以及由p型GaN构成的p型接触层9。
p型覆层8具有在预定方向上延伸且向上突出的形状。仅仅在该突出部分的顶部上形成p型接触层9。在下文中，p型覆层8的突出部分和形成在层8的上表面上的p型接触层9被统称为脊状条10，并且脊状条10延伸的预定方向被称为脊状条10的长度方向。
脊状条10在基本平行于±c轴的方向上延伸。因此，谐振器端面基本平行于±c平面。在基本平行于m面的表面被选为基板2的生长表面的情况下，在基本垂直于脊状条10的长度方向的方向上的侧面基本平行于a面。另一方面，在基本平行于a面的表面被选为基板2的生长表面的情况下，在基本垂直于脊状条10的长度方向的方向上的侧面基本平行于m面。
由SiO2或ZrO2构成的绝缘层11被设置p型覆层8的其上没有形成脊状条的部分的上表面上，并且也被设置在脊状条的侧面上。设置由Pd/Mo/Au构成的p电极12从而覆盖p型接触层9的上表面的整个区域以及接近p型接触层9的绝缘层11的上表面。由Hf/Al构成的n电极13被设置在与生长表面相对的基板2的反面(reverse surface)上。保护膜(未示出)被设置在激光芯片的谐振器的端面上，谐振器端面基本垂直于脊状条10的长度方向。保护膜的详细描述将在随后给出。
激光芯片制造方法
下面，上述激光芯片的制造方法的例子将参考图2被描述。在该例子中，多个激光芯片1通过分裂(splitting)其上形成有类似于上述分层结构的多个分层结构的晶片来获得。因此，首先制造晶片。这里，假设使用GaN基板2，并且a或m面被用作生长表面。
首先，在基板2的生长表面上，厚度为0.2μm的缓冲层3被形成，并且在其上进一步形成厚度为2.3μm的n型覆层4。继续在其上进一步形成厚度为0.02μm的n型导层5，依然在其上进一步形成有源层6。
有源层6通过在多量子阱层的顶部上形成70nm厚的GaN保护层来形成，该多量子阱层具有按照GaN/InGaN/GaN/InGaN/GaN/InGaN/GaN的顺序设置的作为阱层的4nm厚的InGaN层和作为阻挡层的8nm厚的GaN层。
此外，厚度为20nm的p型电流阻挡层7堆叠在有源层6上，并且厚度为0.5μm的p型覆层8堆叠在其上。此外，厚度为0.1μm的p型接触层9堆叠在p型覆层8上。当上述发生时，上述脊状条10还未形成，因此p型覆层8和p型接触层9覆盖晶片的整个顶部区域。
这样堆叠的氮化物半导体层每个都外延生长，并因此根据底层晶体的取向而取向。这样的生长可通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)或者HVPE(氢化物气相外延)的方法来实现。
在如上所述的氮化物半导体层被堆叠之后，脊状条10被形成。当脊状条10被形成时，比如抗蚀剂膜的蚀刻防止膜(etching prevention film)通过例如光刻法的方法在p型接触层9的其上形成有脊状条的部分上形成。此后，反应离子蚀刻通过例如SiCl4、Cl2或Ar的气体进行。从而，其上没有形成蚀刻防止膜的部分被蚀刻，并且在预定方向上延伸的多个脊状条10被制造在晶片上。同时，在防止膜没有被形成的部分中，部分p型接触层9和部分p型覆层8被蚀刻从而p型覆层8被暴露。
蚀刻防止膜的宽度决定脊状条10的宽度，而脊状条10的宽度决定从激光芯片1发射的光的性质。例如，设定为1到3μm的脊状条的宽度提供了将相对于水平方向发射单模式光的激光芯片，使得激光芯片可以用在光拾取器等中。另一个例子，这里大约3到10μm的宽度提供了将在大功率和多模式下发射激光的激光芯片，使得激光芯片可以用在照明装置等中。
在脊状条10被制造后，蚀刻防止膜留在脊状条10上，绝缘层11被形成在p型覆层8上和在其的上表面上形成有蚀刻防止膜的脊状条10上。绝缘层11可通过包括磁控溅射和ECR(电子回旋共振)溅射、CVD或类似的各种溅射方法形成。
此后，蚀刻防止膜和其上的绝缘层被同时移除，从而p型接触层9被暴露。p电极12被形成在p型接触层9和接近其的绝缘层11的上表面上。此外，n电极13被形成在与生长表面相对的基板2的反面上。p电极12和n电极13可通过包括EB(电子束)沉积和电阻器加热沉积的沉积方法以及上述各种溅射方法形成。在n电极13被形成之前，与生长表面相对的基板2的反面可被抛光来将基板的厚度降低到大约100μm。
这样获得的晶片在垂直于脊状条的长度方向的方向上被切割，或被干蚀刻并分裂，从而被形成为条(bars)。然后，保护膜被形成在条的分裂面上，其随后在基本平行于脊状条的长度方向的方向上被分裂，从而被形成为类似于如图2所示的激光芯片。保护膜如何形成的细节将连同保护膜的结构一起在下文中给出。
这样获得的激光芯片1被引入到例如如图3所示的激光元件20中，图3为示意性地示出激光元件的例子的透视图。如该图所示，通过利用焊料(solder)或类似物将n电极13固定到子座(submount)21以及通过将电源线22a和22b分别接合到p电极12和子座21来将激光芯片1安装在激光元件20中。
在如上所述结构的激光元件20中，接合到激光芯片1的p电极12和子座21的线22a和22b被分别连接到销24a和24b，每一个穿透管座(stem)23。销24a和24b分别用绝缘环25a和25b与管座23绝缘。子座21被固定到管座23上。此外，装有用于透射从激光芯片1发射的光的窗口26a的帽26贴装到管座23，从而芯片1被管座23和帽26封装。经由销24a和24b以及线22a和22b被提供电流的激光芯片1振荡，从而通过窗口26发光。
垫电极可附加地形成在p电极12上，从而可在垫电极上进行引线接合。采用这样的结构，引线接合变得更容易进行。基板2可为所谓的正基板(just-substrate)，其中生长表面与a或m面重合，或者为所谓的离基板(off-substrate)，其中生长表面从a或m面稍微偏离。需要注意的是，使用离基板改善了堆叠在基板上的氮化物半导体层的晶体。
尽管导电的GaN在该例子中被用作基板2的材料，但是比如蓝宝石的绝缘材料也可代替使用。例如，在使用蓝宝石的情况下，当r面((10-12)面)被选为基板2的生长表面时，氮化物半导体层在a轴方向上被堆叠。对于基板而言，任何材料，例如SiC或者ZnO可被使用；无论如何，均假设氮化物半导体层在基本垂直于c轴的a或m轴方向上被堆叠。
在将比如蓝宝石的绝缘材料用于基板2的情况下，n电极13不能被形成在与生长表面相对的基板2的反面上。由于这个原因，激光芯片可被这样构造，从而暴露n型缓冲层3的区域被设置在从激光结构分离的区域中，并且n电极13被形成在该区域中。在将比如蓝宝石的异质材料用于基板2的情况下，缓冲层和/或其它层出于需要可被添加。
激光芯片1的上述构造和制造方法仅通过举例的方式来介绍。也就是说，下文描述的保护膜也可适用于任何其它结构的发光元件。例如，下述的保护膜可形成在激光芯片内的谐振器端面上，该激光芯片具有绝缘层也覆盖有源层的侧面的结构。没有脊状条的结构可被采用。下述保护膜还可形成在激光芯片内的谐振器端面上，该激光芯片通过利用在电流注入区周围的高电阻来实现电流限制。
保护膜
下面，将参考图4描述在本实施例中形成在发光元件上的保护膜，图4为示意性地示出本实施例中的激光芯片的透视图。图4示出脊状条10的长度方向基本平行于c轴方向的情况。这里，在发光侧上的-c面上的侧面被称作第一谐振器端面A，在反射侧上的+c面上的侧面被称作第二谐振器端面B。需要注意的是，尽管图4示出不具有形成在脊状条侧面上的保护膜14到16的脊状条，但是保护膜14到16可被形成在其上。
如图4所示，保护膜14到16被形成在第一和第二谐振器端面A和B的表面上。在第一谐振器端面A上，AlN或类似物的端面保护膜14和Al2O3或类似物的发光侧保护膜15被形成。端面保护膜14被直接形成在第一谐振器端面A的表面上，而发光侧保护膜15被形成在端面保护膜14的表面上。
这里，-c面(N极面)被用作第一谐振器端面A，其在所有晶面中相对活泼。
当被结合时，保护膜14和15显示出特定的反射率。例如，形成厚度为20nm的AlN膜14和厚度为110nm的发光侧Al2O3膜15提供了大约18％的反射率。然后将具有大约100％的反射率的反射侧保护膜16设置到第二谐振器端面B，使得光通过第一谐振器端面A被有效地发射。
形成在第二谐振器端面B上的反射侧保护膜16可具有SiO2、TiO2等的多层。例如，足够的反射率可通过在四层中交替地堆叠SiO2和TiO2得到。
如上所述的使用-c面作为通过其发光并在其上形成端面保护膜14的第一谐振器端面A有助于在第一谐振器端面A和端面保护膜14之间的界面处得到稳固的接合。并且，形成该稳固的界面有可能降低端面的氧化及所造成的影响。因此，可以提供发光元件，其能够降低保护膜14到16的质量的改变的影响，如果有的话，(例如增加的COD发生的可能性)，并能够在稳定的状态下运行。换句话说，可以扩大保护膜14到16的工艺窗口并因此增加发光元件的产率。
端面保护膜14也可被形成在第二谐振器端面B的表面上。在这种情况下，应该注意的是第二谐振器端面B在+c面上，并因此具有相对于-c面更低的反应性。此外，由于它的更低的光密度，第二谐振器端面B不像第一谐振器端面A那样有问题，并对产率影响非常小。
此外，优选地，端面保护膜14为单晶。它可为多晶，但是在这种情况下，优选地为具有大晶粒或者被取向的多晶体。由于氧通过晶界很容易扩散，没有晶界的结构使得氧的扩散变得困难。即使是多晶，只要其具有大晶粒或者被取向，也可以使较少的通过晶界扩散的氧到达第一谐振器端面A并将氧扩散范围缩小到非常小的区域。因此，有可能阻止氧的随机扩散并提高产率。
此外，对于端面保护膜14使用具有上述好的晶体的材料改善了热传导性和化学稳定性，并因此减少了发射的光的吸收。这使进一步提高产率变得可能。
上述的端面保护膜14可通过比如ECR溅射或MBE的方法形成。这些方法允许准确地控制在保护膜14的形成过程中的原子能量。因此，使用这些方法使更容易地得到单晶膜或者被取向的多晶膜变得可能。
通过首先利用其它膜的形成方法形成非晶膜，然后对其热处理或电子束辐射来形成晶体膜也是可能的。
在端面保护膜14为被取向的多晶膜的情况下，其可以在任何方向上被取向。例如，它在基本垂直于第一谐振器端面A的方向上被取向，从而基本平行于第一谐振器端面A的晶粒的端面基本在相同的晶面上并具有旋转的关系。也可以在基本平行于第一谐振器端面A的方向上被取向，从而基本平行于第一谐振器端面A的晶粒的端面基本平行于晶体的取向方向。
当晶片被分裂为条从而得到第一和第二谐振器端面A和B时，干蚀刻可被使用，并且这些端面A和B可倾斜三度或更小的偏离角。这个结构使第一谐振器端面A与-c面偏离一个小角度，并因此改善形成在该表面上的端面保护膜14的均匀性和晶体。因此，有可能提高产率。需要注意的是即使以这种方法倾斜偏离角，端面A仍然具有N极并因此能稳固地接合端面保护膜14。
作为端面保护膜14的材料，可以使用比如氮化铝、氮化镓或者氮化硅的氮化物，或者多个由这些材料中的任何一个构成的膜的组合，或者这些材料的混合物。比如这些的氮化物材料是稳定的，并因此不易被发射的光和其它损坏。此外，它们提供了对于第一谐振器端面A的更牢固的结合。另外，氧进入到保护膜14中可被延迟，因此降低在第一谐振器端面A中的氧化的速度。特别地，除了刚提到的这些，由于宽带隙，AlN具有例如高热传导性、出众的热分散、以及发射的光的低吸收的特性。因此，包含AlN的材料优选地被使用。
形成端面保护膜14的氮化物材料可包含比如氧、碳或氩的元素。优选地在端面保护膜14中氧的含量非常低，因为这样进一步延迟氧进入到保护膜14中并因此降低进入膜的氧的吸收。
在发光侧保护膜15中的氧化物的使用有助于反射率的控制。这也可延迟氧进入到端面保护膜14中，并因此进一步延迟第一谐振器端面A中的氧化。特别地，优选使用具有宽到足以透射发射的光的带隙的材料。具体地，其为铝、钛、钽、铌、铪或钇的氧化物。这些氧化物的混合物也可被使用。
本发明涉及氮化物半导体发光元件及其制造方法。特别地，本发明涉及在有源层中使用GaN和InGaN的激光元件作为例子的发光元件及其制造方法。本发明适合应用到激光元件，它的发光波长向具有增加的In成分的长波侧移动。