氮化物基半导体发光元件和封装中安装该元件的发光器件的制作方法

专利名称：氮化物基半导体发光元件和封装中安装该元件的发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化物基半导体发光元件和封装中安装有该氮化物基发光元件的发光器件。
背景技术：
由于从由氮化镓代表的III族氮化物半导体可以获得高效蓝紫发光，所以这种半导体作为用于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的材料已引起了关注。其中，期望具有 405nm波长的LD作为具有大容量的光盘设备的光源，因为LD的光束可以比具有650nm波长的常规LD更窄。近年来，随着大屏幕TV等的普及，为了重放高质量移动图像，增加了对蓝紫光重放LD的需求。在图7中示出典型的氮化物基半导体发光元件(半导体激光器)的结构。氮化物基半导体发光元件具有层压结构，其中，η型包覆层102、光导层103、有源层104、光导层105 以及P型包覆层106按次序层压在GaN衬底101上。ρ型包覆层106被处理成脊形状。脊的顶部用具有其中提供P型电极108的条带形孔径的绝缘膜107覆盖。通过条带形电极形成电流阻挡结构，并且通过调节脊的宽度和高度来控制横模。激光束从通过解理形成的谐振腔镜(未示出)辐射出。在由解理形成的谐振腔镜上，形成电介质膜(未示出)，作为端表面保护膜。作为用于具有405nm波长的蓝紫光半导体激光器的端表面保护膜，例如，由Al2O3单层构成的抗反射(AR)膜被提供在辐射激光束侧的表面上，并且由诸如Al203/Ti02的多层膜构成的高反射(HR)膜被提供在与前述表面相反的表面上。利用这种构造，保护半导体的表面，并且减小振荡阈值电流，由此允许激光束从提供AR膜的表面有效率地辐射出。由此制造的半导体发光元件被包封在CAN封装中，使得更容易地并入到光学拾取器件中。具体地，在半导体发光元件熔融结合到热沉上、随后将其熔融结合到管座(stem) 上之后，该管座利用具有玻璃窗口的盖帽包封。利用这种封装，可以防止半导体发光元件在装配工作期间被损坏，并且能够确保发光操作期间的热辐射性质以使半导体发光元件稳定地操作。这里，蓝紫光半导体发光元件的振荡波长为405nm那么短，并且激光束的光子能量有3. OeV那么高。因此，会产生如下问题残留在气氛中的有机物质通过半导体发光元件发射的光来化学地降解，并因此诸如碳、硅等的杂质附着到辐射光侧上的半导体发光元件的表面。从而，日本未审专利公布No. 2004489010描述了一种发光器件，其中通过限制 CAN封装中硅有机化合物气体的蒸气压力，可以抑制杂质对半导体发光元件的附着。
此外，日本未审专利公布No. 2006-344727描述了一种制造激光器件的方法，其中，在已经包封了半导体发光元件的CAN封装被加热到70°C或更高的同时，通过将具有 420nm或更少的波长的光辐射到CAN封装中来降解和消灭CAN封装中的有机气体的情况下， 抑制发光操作期间杂质对半导体发光元件的附着。此外，日本未审专利公布No. 2004-40051描述了一种技术，其中，通过将紫外光或等离子体辐射到半导体发光元件支撑构件上来消除有机物质之后，将半导体发光元件包封在CAN封装中。此外，日本未审专利公布No. 2004-273908描述了一种技术，其中在臭氧气氛下将半导体发光元件包封在CAN封装之后，将紫外光辐射到CAN封装中。此外，日本未审专利公布No. 2008-182208描述了一种关于氮化物基半导体发光元件的技术。

发明内容
虽然CAN封装在实现激光的稳定操作方面是有效的，但是在外层方面具有缺点， 例如，必须具有玻璃窗的盖帽。因此，在用于光盘应用的红光和红外线光激光器中，便宜的框架封装是主流。框架封装具有半导体发光元件附着到扁平支撑构件上的结构，并且在没有玻璃盖帽和用于外壳焊接工艺的情况下，可以制造框架封装。因此，框架封装适合降低组件和工艺成本方面的花费。相信，通过将框架封装应用到蓝紫光半导体发光器件，可以实现成本的急剧降低。即使当半导体发光元件要安装在这样的封装中时，也需要解决残留在气氛中的有机物质可以通过半导体发光元件发射的光来化学降解以附着到其上的问题。然而，上面提到的四个专利文献的任何一个都公开了一种抑制杂质附着到已经包封在CAN封装中的半导体发光元件的技术，并因此在应用框架封装时不能抑制杂质附着到半导体发光元件。框架封装与CAN封装的极大不同在于半导体发光元件暴露于空气。从而，由于空气中的有机化合物气体而发生杂质对半导体发光元件的附着，并因此即使通过清洗和封装组件，也不能抑制杂质对半导体发光元件的附着。根据本发明的一方面，氮化物基半导体发光元件包括层压体，所述层压体包括第一包覆层、第一包覆层上方形成的有源层以及在该有源层上方形成的第二包覆层；以及电介质膜，所述电介质膜具有3 μ m或更大厚度，被形成在发射光侧上的层压体侧表面上并且至少覆盖有源层的第一侧表面。因为蓝紫光半导体发光元件的光子能量高，所以气氛中的诸如硅氧烷的硅有机化合物，通过由半导体发光元件发射的光来光化学地降解，以成为诸如S^2的杂质，使得杂质附着到半导体发光元件，具体地，附着到其光辐射表面。在日本未审专利公布No. 2004489010中，描述了光化学降解成SiO2等的反应速度与光强度(光密度)的平方大致成比例，并且描述了光化学降解反应是包括两个光子的双光子过程。这里，因为从半导体发光元件的有源层辐射的光被辐射成具有特定角度，所以其光强度随着远离有源层的第一侧表面而逐渐变得更弱。也就是说，上述光化学降解反应最可能发生在半导体发光元件的光辐射表面上，即，在光辐射侧上与气氛气体接触的表面上。在本发明中，通过上面提到的构造来减少光辐射表面上的光强度。
在根据本发明的氮化物基半导体发光元件的情况下，电介质膜的暴露于气氛的表面成为光辐射表面。因为穿过电介质膜行进得越远，从有源层辐射的光的光强度就变得越弱，所以电介质层的暴露表面(光辐射表面)上的光强度在电介质膜厚度制作得更厚时会急剧减小。在这种情况下，可以抑制气氛中的诸如硅氧烷的硅有机化合物会通过从半导体发光元件辐射的光来光化学降解，并因此能够抑制杂质可以附着到半导体发光元件，具体地， 附着到其光辐射表面。根据本发明，其变得可以抑制杂质附着到半导体发光元件。


图1是示意性示出根据本实施例的氮化物基半导体发光元件的实例的截面图；图2是示意性示出根据该实施例的氮化物基半导体发光元件的一部分的实例的截面图；图3是示出在框架封装中安装的蓝紫光激光器的APC测试中操作电流变化的曲线图；图4是示出电介质膜厚度与电介质膜的标准化光密度=ScZS1的关系曲线图；图5A至5F是示意性示出用于制造根据该实施例的氮化物基半导体发光元件的工艺过程图的实例的图；图6是示出氮化物基半导体发光元件的APC测试中AItjp的时间变化的曲线图；以及图7是示意性示出一般的氮化物基半导体发光元件的实例的截面图。
具体实施例方式现在将参考附图来描述本发明的实施例。在所有图中，相同的组成元件利用相同的附图标记来表示，并且将不再重复一些描述。<实施例>图1和2示出根据本实施例的氮化物基半导体发光元件应用于半导体激光器作为实例的情况。图1是示意性示出根据本实施例的氮化物基半导体发光元件的实例的截面图。在图1中，光在与平面相垂直的方向上在近侧辐射。图2是示意性示出在沿着图1中的氮化物基半导体发光元件的χ-χ’线截取的部分截面的截面图。在该图中，光从右侧辐射到左侧。如图1所示，根据本实施例的氮化物基半导体发光元件具有层压体，所述层压体包括第一包覆层303、在第一包覆层303上方形成的有源层305以及在有源层305上方形成的第二包覆层308。在有源层305中，注入的电子和空穴复合以发光。第一包覆层303和第二包覆层 308具有增加有源层305的电子密度和空穴密度的功能。在本实施例中，第一包覆层303、有源层305和第二包覆层308的构造没有具体限制。例如，第一包覆层303可以是掺杂Si的八“力 小层(例如4X IO17CnT3的Si浓度、2 μ m的厚度)。有源层305可以是由Lx2Geiy2N(例如:3nm的厚度)阱层和掺杂Si的Inx3Gay3N(例如:1X IO18CnT3的Si浓度、4nm厚度)阻挡层构成的三周期的多量子阱(MQW)有源层。第二包覆层308可以是ρ型Alx4feiY4N层(例如:0·8μπι的厚度)。如图1所示，例如，包括第一包覆层303、有源层305和第二包覆层308的层压体可以被形成在η型GaN衬底301上。该层压体可以具有其中按顺序层压掺杂Si的η型GaN 层302、第一包覆层303、η型GaN光限制层304、有源层305、帽盖层306、ρ型GaN光限制层 307、第二包覆层308、ρ型GaN接触层309以及由Pd/Pt构成的ρ接触312的结构。在第二包覆层308和ρ型GaN接触层309中，通过利用干法蚀刻制成的脊结构被形成为条带形状。分别地，P型电极313被提供在该脊结构的顶部上的ρ性GaN接触层309 上方，并且η型电极316被提供在η型GaN衬底301下方。如图2所示，根据本实施例的氮化物基半导体发光元件具有电介质膜201，电介质膜210被形成在包括第一包覆层303、有源层305和第二包覆层308的层压体的侧表面(图 2中的左侧表面)上，光从该侧表面辐射出，并且电介质膜至少覆盖有源层305的第一侧表面 305Α。电介质膜201的厚度d大于或等于3 μ m。假设在大致垂直于有源层305的方向上从有源层305的第一侧表面305A的上侧(在与图2平面相垂直的方向上延伸的边)到电介质膜201的侧表面201A的顶部的距离是h，并且假设在大致垂直于有源层305的方向上从有源层305的第一侧表面305A辐射的光的辐射角是θ ν，其厚度d的最大值可以小于或等于h · cot ( θ ν/2)。也就是说，电介质膜201的厚度d可以是3 μ m < d < h · cot ( θ ν/2)。电介质膜210可以由任意材料制成，只要其不吸收光并且不会被光所劣化，具体地，不会被半导体发光元件辐射的光劣化即可。并且，期望的是，在膜厚度制作得大时，材料不会剥落和破裂。例如，电介质膜201可以是由每一种都是通过溅射、沉积、CVD(化学气相沉积)等形成的 Al203、Si02、Ti02、Zr02、Ta205、Nb205、MgF2、CaF2、AlN 禾口 Si3N4 中的任意一种构成的膜，或通过灌注(potting)或喷墨而附着的硅树脂构成的膜；或者由两个或更多个前面的膜组合的多层膜。期望的是，该电介质膜201具有1至30%的激光束端表面反射系数，并且通过适当组合由上面提到的材料构成的膜，能够稳定地形成具有预定折射率的电介质膜201。可替选地，HR膜(未示出)可以形成在与包括第一包覆层303、有源层305和第二包覆层308的层压体的光被辐射侧上的表面(图2中左侧上的表面)相反的表面上。该HR 膜可以是组合具有低折射率的电介质膜和具有高折射率的电介质膜的多层膜，并且期望的是，使HR膜具有70%至99%的激光束反射系数。HR膜可以由全部可以通过溅射、沉积、 CVD等形成的诸如Al203、Si02、Ti02、&02、T￡i205、Nb2O5等的氧化物，诸如MgF2、CaF2等的氟化物，诸如A1N、Si3N4等的氮化物；或诸如硅树脂的有机膜等来构成。制造根据本实施例的这样的氮化物基半导体发光元件的方法没有具体限制，但可以通过利用所有常规的技术来实现。例如，通过利用例如MOVPE (金属有机气相外延)系统等的生长系统，在衬底上形成包括第一包覆层303、在第一包覆层303上方形成的有源层305和在有源层305上方形成的第二包覆层的层压体；其后通过利用例如真空沉积方法或溅射方法在辐射光侧上的层压体的表面上形成具有预定厚度的电介质膜201，可以制造氮化物基半导体发光元件。其后，利用常规的技术，可以将氮化物基半导体发光元件安装在诸如框架封装和CAN封装的所有封装中。随后，将描述根据本实施例的氮化物基半导体发光元件的操作效果。通过本发明人对氮化物基半导体发光元件(在下文中，有时简称为“半导体发光元件”)各种研究的结果，已经发现通过使电介质膜201变厚，可以抑制杂质附着到半导体发光元件，具体地，抑制杂质附着到辐射光侧上的半导体发光元件的表面(在下文中，称为 “光辐射表面”)。如上所述，因为蓝紫光半导体发光元件的光子能量高，所以气氛中的诸如硅氧烷的硅有机化合物，在长期发光中会被光而光化学降解成为诸如SiO2的杂质，使得杂质附着到半导体发光元件，具体地，附着到其光辐射表面。结果，随着杂质的附着，光辐射表面的反射系数变化，由此造成驱动电流变化的现象，如图3所示。根据日本未审专利公布No. 2004-289010，描述了光化学降解成为SiO2等的反应速度大致与光强度的平方(光密度)成比例，并且描述了光化学降解反应是包含两个光子的双光子过程。这里，因为从半导体发光元件的有源层305辐射的光被辐射成具有特定角度， 所以其光强度随着远离有源层305的第一侧表面305A而变弱。也就是说，上述光化学降解反应最可能发生在半导体发光元件的光辐射表面上，即，在辐射光侧上的与气氛气体接触的表面上。在根据本实施例的半导体发光元件中，可以减小光辐射表面上的光强度。这里，应该注意，暴露于气氛的电介质膜201的表面20IB(见图幻，在本实施例中是光辐射表面。如上所述，因为从半导体发光元件的有源层305辐射的光被辐射成具有特定角度，所以其光强度随着远离有源层305的第一侧表面305A而变弱。也就是说，当电介质膜 210的厚度制作得越大时，暴露表面(光辐射表面)201B上的光强度会急剧减小。在这种情况下，可以抑制气氛中的诸如硅氧烷的硅有机化合物通过半导体发光元件辐射的光来光化学降解，并因此可以抑制杂质附着到半导体发光元件，具体地，可以抑制杂质附着到其光辐射表面。在下文中，以蓝紫光激光器作为示例，将详细描述本实施例的操作效果。如图1所示，从辐射光侧上的层压体的侧表面上(图2中示出的表面)的非常窄的椭圆形区域(椭圆A)辐射光，该层压体包括第一包覆层303、有源层305和第二包覆层 308。椭圆A的长轴平行于有源层305，并且其尺寸几乎等于电流阻挡结构的宽度th。椭圆 A的短轴垂直于有源层305，并且其尺寸几乎等于有源层305的厚度tv。考虑到光学拾取器件中的收集效率等，用于光盘应用的蓝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。从有源层305辐射的光被辐射成分别在与有源层305相垂直的方向上(图2中的垂直方向)和与有源层305相平行的方向上(与图2中的平面相垂直的方向)具有特定角度。也就是说，辐射的光被传播，同时通过电介质膜201散播。在蓝紫光激光器的情况下， 在垂直方向上典型的辐射角在15°到25° (包括15°和25° )的范围内，并且在水平方向上的辐射角在7°到10° (包括7°和10° )的范围内。在这种情况下，半导体发光元件的暴露表面(光辐射表面)201B上的光强度(光密度)成为电介质膜201厚度的函数。具体地，假设辐射光侧上的层压体的侧表面上(图 1中示出的表面)的激光光面积为&，该层压体包括第一包覆层303、有源层305和第二包覆层308 ；电介质膜201的暴露表面(光辐射表面)201B上的激光光面积为S1 ；S0ZS1等效于暴露表面(光辐射表面)20IB上的标准化光密度。假设这是具有th(ym)和tv(ym)的轴的椭圆，则激光光面积SO用下面的等式 (1)来表示，S0 = thXtvX π /4 …(1)另一方面，假设电介质膜201的厚度为d(ym)并且垂直和水平辐射角分别是θν 和θ h，那么激光光面积Sl用下面的等式( 来表示，
权利要求
1.一种氮化物基半导体发光元件，包括层压体，所述层压体包括第一包覆层、在所述第一包覆层上方形成的有源层和在所述有源层上方形成的第二包覆层；以及具有3μπι或更大厚度的电介质膜，所述电介质膜被形成在所述层压体的发射光的一侧的侧表面上，并且至少覆盖所述有源层的第一侧表面。
2.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光元件，其中，假设在大致垂直于所述有源层的方向上，从所述有源层的所述第一侧表面的上侧到所述电介质膜的所述侧表面的顶部的距离为h，以及在大致垂直于所述有源层的方向上，从所述有源层的所述第一侧表面辐射的光的辐射角度为θ v，那么所述电介质膜的厚度小于或等于h .Cot(QvA)。
3.根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光元件，其中，所述电介质膜是由 A1203、SiO2, TiO2, ZrO2, Ta2O5> Nb2O5, MgF2, CaF2、A1N、Si3N4 以及硅树脂中的任何一种构成的膜；或组合两种或多种上述膜的多层膜。
4.一种发光器件，在所述发光器件中封装了根据权利要求1所述的氮化物基半导体发光元件。
5.根据权利要求4所述的发光器件，其中，所述氮化物基半导体发光元件被安装在框架封装中。
全文摘要
本发明提供一种氮化物基半导体发光元件和封装中安装该元件的发光器件。为了抑制杂质附着到半导体发光元件，提供一种氮化物基半导体发光元件，包括层压体，所述层压体具有第一包覆层、第一包覆层上方形成的有源层以及在该有源层上方形成的第二包覆层；以及电介质膜，所述电介质膜具有3μm或更大厚度，所述电介质膜被形成在发射光侧上的层压体的侧表面上，并且至少覆盖有源层的第一侧表面。
文档编号H01S5/028GK102170089SQ20111003073
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者笹冈千秋 申请人:瑞萨电子株式会社