半導体素子
【課題】窒化物膜の酸化の進行を抑制し信頼性が高く、優れた光学特性を有する誘電体多層膜を備える半導体素子を提供する。
【解決手段】本発明の半導体素子(100)は、発光又は受光素子構造を含む半導体の積層体(20)と、該積層体(20)の外面を被覆する誘電体多層膜(40)と、を備え、前記誘電体多層膜(40)は、窒化物の第１膜(41)と、該第１膜(41)に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜(42)と、を有することを特徴とする。
【解決手段】本発明の半導体素子(100)は、発光又は受光素子構造を含む半導体の積層体(20)と、該積層体(20)の外面を被覆する誘電体多層膜(40)と、を備え、前記誘電体多層膜(40)は、窒化物の第１膜(41)と、該第１膜(41)に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜(42)と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に関し、より詳細には誘電体多層膜を備える発光素子又は受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の外面に形成される誘電体多層膜として、例えば窒化アルミニウム膜と酸化アルミニウム膜が積層されたものが利用されている。だが、このような誘電体多層膜において、半導体素子の駆動に伴い、窒化物膜が酸化物膜との界面から酸化して、その光学特性が変化する問題がある。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１には、基板上に設けられた窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層と、化合物半導体層の側面上に設けられた窒化物からなる第１保護層と、第１保護層上に設けられ第１保護層と屈折率の異なる窒化物からなる第２保護層と、を備える半導体素子が提案されており、この第２保護層は、第１保護層よりも耐酸化性の高い材料からなることが記載されている。
【０００４】
また、例えば特許文献２には、光出射端面である第１端面と、第１端面とは反対側の第２端面とを有し、第１端面と第２端面のうち少なくとも一方の端面に、窒化膜と、酸素及び窒素を含有しない半導体又は絶縁体からなる分離膜と、酸化膜と、が端面側から順に形成された半導体レーザ装置が提案されており、この分離膜により、酸化膜の形成過程における窒化膜の酸化を防止できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０２７２６０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている半導体素子のように、第１保護層と第２保護層が窒化物同士である場合には、両保護層の屈折率差が小さく、所望の光学特性を持つ誘電体多層膜を設計できない場合がある。また、特許文献２に記載の半導体レーザ装置のように、分離膜をフッ化物により形成する場合には、フッ素と水分の反応によりフッ酸が生成され、電極や保護膜に悪影響を及ぼす虞がある。さらに、特許文献１に記載されているように第２保護層を窒化珪素により形成する場合や、特許文献２に記載されているように分離膜をシリコンにより形成する場合には、窒化珪素やシリコンは可視波長域においても光を吸収しやすいため、光の利用効率が低下したり、光密度の高い領域では発熱しやすく膜が変質しやすくなったりする虞がある。
【０００７】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、窒化物膜の酸化の進行を抑制し信頼性が高く、優れた光学特性を有する誘電体多層膜を備える半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体素子は、発光又は受光素子構造を含む半導体の積層体と、該積層体の外面を被覆する誘電体多層膜と、を備え、前記誘電体多層膜は、窒化物の第１膜と、該第１膜に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、窒化物の第１膜に接して酸化ホウ素の第２膜が設けられることにより、所望の光学特性が得られやすく、第１膜の酸化の進行を抑制して信頼性の高い誘電体多層膜とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体素子の概略上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面における概略断面図（ｂ）と、そのＢ−Ｂ断面における概略断面図（ｃ）である。
【図２】誘電体多層膜に含まれる窒化物膜の酸化の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体素子の誘電体多層膜の別の一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る半導体素子の概略上面図（ａ）と、そのＣ−Ｃ断面における概略断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する半導体素子は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに限定しない。特に、以下に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１（ａ）は、実施の形態１に係る半導体素子の概略上面図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面を拡大して示す概略断面図である。図１に示す例の半導体素子１００は、スーパールミネッセントダイオード素子であって、主として、基板１０と、基板１０上に設けられる、発光素子構造を含む半導体の積層体２０と、積層体２０に電気的に接続される正負一対の電極３０，３５と、積層体２０の外面を被覆する誘電体多層膜４０，４５と、により構成されている。
【００１３】
以下、半導体素子１００において、主として利用される光が出射される方向を「前方」とし、その逆方向を「後方」とする。また、半導体の積層体２０の外面のうち、前方及び後方に面する２つの外面を「端面」とし、この端面に連続し側方に面する外面を「側面」として説明する。
【００１４】
半導体素子１００の構成をより詳細に説明すると、基板１０は、第１導電型の導電性を有し、その下面に第１電極３０が設けられている。半導体の積層体２０は、基板１０の上面に、第１導電型半導体層２１、活性層２２、第２導電型半導体層２３が順に積層されてなり、第２導電型半導体層２３には、素子の前方から後方に延在するストライプ状のリッジ２４が設けられている。リッジ２４の両側面及びリッジ２４の両側の第２導電型半導体層の上面には絶縁性の埋込膜２８が設けられ、リッジ２４の上面と埋込膜２８の一部を覆って第２電極３５が設けられている。また、半導体の積層体２０の２つの側面には、保護膜として絶縁膜２９が設けられている。
【００１５】
そして、半導体の積層体２０の前方の端面には反射防止膜の誘電体多層膜４０が、後方の端面には反射膜の誘電体多層膜４５が、各々設けられている。この誘電体多層膜４０，４５はそれぞれ、窒化物の第１膜４１と、この第１膜４１に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜４２と、を有している。なお以下、前方及び後方の誘電体多層膜をそれぞれ、第１及び第２の誘電体多層膜と呼称することがある。また、窒化物の第１膜４１の「窒化物」とは、「酸窒化物」を含む意味で用いる。
【００１６】
ここで、図２は、誘電体多層膜に含まれる窒化物膜の酸化の一例を示す概略断面図である。図２に示すように、窒化物の第１膜４１に接して、酸化ホウ素以外の酸化物の第３膜４３が設けられている場合、素子の駆動に伴って、第１膜４１が第３膜４３との界面側から酸化し、第１膜４１の内部側へと酸化領域４１ａが徐々に拡大していく。特に、第１膜４１の酸化反応は光密度や発熱の高い部位で進行しやすい。本例では、第１膜４１の活性層２２を被覆する部位において酸化が最も進行しやすく、より詳細には発光点となる活性層２２のリッジ２４直下の領域を被覆する部位において酸化が最も進行しやすい。このように、第１膜４１に酸化領域４１ａが形成されると、第１膜４１の屈折率や光学膜厚が変化し、誘電体多層膜の反射又は反射防止性能が低下して、素子特性が悪化する。
【００１７】
しかしながら、酸化ホウ素は、ガリウム砒素などの化合物半導体の結晶育成において砒素の蒸発を抑制するための封止剤として用いられるように安定でその膜は気密性を有し、酸素の遮断に適している。ゆえに、窒化物の第１膜４１に接して酸化ホウ素の第２膜４２が形成されることにより、第１膜４１の第２膜４２側からの酸化を抑制することができる。また、酸化ホウ素は、光学ガラスに用いられるホウケイ酸ガラスの主成分であり、可視光を吸収しにくく、光の散乱の原因となる結晶粒界が殆どないため、光を有効に利用できる。加えて、酸化ホウ素の屈折率は１．４６程度であり、窒化物の屈折率（例えば窒化アルミニウムは２．０５〜２．１７程度、窒化珪素は２．０６程度）と大きく相違しており、所望の光学特性を有する誘電体多層膜を設計しやすい。さらに、酸化ホウ素膜は、通常、非晶質で形成され、熱応力が発生しにくい。第２膜４２の膜厚は、所望の光学特性の誘電体多層膜とするため適宜設計されるが、放熱性を考慮すれば５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１８】
特に、この半導体素子１００では、第１の誘電体多層膜４０は、半導体の積層体２０の端面側から窒化物の第１膜４１、酸化ホウ素の第２膜４２、ホウ素を含まない酸化物の第３膜４３がこの順に積層されて成っている。なお、窒化物の第１膜４１は、窒素を共通の構成元素として含む窒化物半導体の積層体の外面を被覆する誘電体膜として好適であり、このため、半導体の積層体２０は、特に窒化物半導体により構成されていることが好ましい。
【００１９】
第１膜４１は、半導体の積層体２０の外面から離間して設けられてもよいが、このように積層体２０の外面に接して設けられていることが好ましい。言い換えれば、半導体の積層体２０の外面上に第１膜４１、第２膜４２がこの順に積層されていることが好ましい。これにより、第１膜４１が半導体の積層体２０と第２膜４２に挟まれる構造となるため、第１膜４１の酸化を両面から抑制することができる。また、半導体の積層体２０の外面が窒化物の第１膜４１に被覆されるため、積層体２０の酸化を抑制することができる。このとき、第１膜４１の膜厚は、０．２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることで、反射率を極小まで低下させ、光取り出し効率（受光素子においては光取り込み効率）を向上することができ、好ましい。
【００２０】
また、酸化ホウ素の第２膜４２は、吸湿性を有しているため、外気に晒されないように被覆され、誘電体多層膜４０の内部に設けられていることが好ましい。これにより、第２膜４２の水分による変質を抑制することができる。特に、その被膜は酸化物が好ましく、誘電体多層膜４０は、最も外側に、ホウ素を含まない酸化物の第３膜４３を有することが好ましい。
【００２１】
さらに、反射防止膜として設けられる誘電体多層膜は、多くの場合、反射膜に比べて積層数が少ないため、窒化物膜の酸化によるその光学特性の変化が、素子特性に影響しやすい。したがって、本発明の誘電体多層膜は、反射防止膜において特に効果を奏する。特に、外部共振器型半導体レーザ装置では、素子外部に設けられる反射鏡からの反射光を、反射防止膜を介して素子端面に帰還させ光導波路に精度良く結合させる必要があり、本例のようなスーパールミネッセントダイオード素子の反射防止膜において、更に好適である。なお、反射防止膜は、半導体素子の発光又は受光波長に対する反射率が１％以下、好ましくは０．５％以下のものとする。
【００２２】
図３は、実施の形態１に係る半導体素子の誘電体多層膜の別の一例を示す概略断面図である。半導体素子１００において、第２の誘電体多層膜４５は、図３に示すように、半導体の積層体２０の端面側から、窒化物の第１膜４１、酸化ホウ素の第２膜４２、及び高屈折率膜４６ａと低屈折率膜４６ｂが交互に積層された高反射膜４６、がこの順に積層されて成っている。このように、第２膜４２の第１膜４１と反対側の面には、単層、多層を問わず任意の誘電体膜が設けられてよい。単層の誘電体膜とする場合の一例としては、ホウ素を含まない酸化物膜とするとよい。これにより、前述のように、第２膜４２の水分による変質を抑制できる。加えて、半導体の積層体２０の外面側から第１膜４１、第２膜４２、第３膜４３がこの順に積層されてなる、簡素ながら信頼性の高い３層構造の誘電体多層膜を形成できる。また、第２膜４２が半導体の積層体２０の外面に接して設けられてもよい。これにより、半導体の積層体２０の外面にホウ素を含まない酸化物膜が接して設けられる場合に比して、積層体２０の酸化を抑制しやすくすることができる。さらに、高屈折率膜４６ａを第１膜４１、低屈折率膜４６ｂを第２膜４２により形成することもできる。その場合には、前述のように第２膜４２の水分による変質を抑制するため、高反射膜４６が第２膜４２で終端し、これを覆ってホウ素を含まない酸化物の第３膜４３が最も外側に形成されることが好ましい。窒化物の第１膜４１を酸化ホウ素の第２膜４２により挟むことで、第１膜４１の酸化を両面から抑制する構成としてもよい。このほか、第１及び第２の誘電体多層膜４０，４５の両方を反射防止膜としてもよい。
【００２３】
＜実施の形態２＞
図４（ａ）は、実施の形態２に係る半導体素子の概略上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面を示す概略断面図である。図４に示す例の半導体素子２００は、ＰＩＮフォトダイオード素子であって、主として、基板１５と、基板１５上に設けられる、受光素子構造を含む半導体の積層体２５と、積層体２５に電気的に接続される正負一対の電極３０，３５と、積層体２５の外面を被覆する誘電体多層膜４０と、により構成されている。
【００２４】
より詳細には、基板１５は絶縁性基板であって、半導体の積層体２５は、基板１５の上面に、第１導電型半導体層２１、受光層２６、第２導電型半導体層２３が順に積層されて成っている。半導体の積層体２５の一部は、第２導電型半導体層２３側から第１導電型半導体層２１に達する深さで除去され、第１電極３０及び第２電極３５は、積層体２５の同一面側に各々設けられている。そして、誘電体多層膜４０は、反射防止膜であって、第１電極３０及び第２電極３５から露出される積層体２５の上面、及び積層体２５の側面を被覆するように設けられている。この誘電体多層膜４０は、実施の形態１の第１の誘電体多層膜４０と同様の構成を有しており、絶縁保護膜として機能すると共に、光を効率良く透過させ、受光効率を高めることができる。特に、レンズ等による集束光を受光させる場合には、受光面における光密度が高くなり第１膜４１の酸化が進行しやすくなるが、第２膜４２の存在により第１膜４１の酸化を抑制できるので、受光面を小さくでき、小型で信頼性の高い受光素子が得られる。
【００２５】
このように、本発明の誘電体多層膜は、半導体の積層体の外面であれば、端面に限られず、半導体の積層体の上面や下面に設けられてもよい。このほか、半導体の積層体の積層方向に共振する面発光レーザ素子の反射鏡を構成する誘電体多層膜としても好適に用いることができる。
【００２６】
以下、本発明の半導体素子の各構成要素について詳述する。
（基板１０，１５）
基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体基板のほか、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）、ダイヤモンド等の基板を用いることができる。基板の厚さは、例えば５０μｍ以上２ｍｍ以下程度が挙げられる。基板は、下記半導体の成長方法のほか、例えば超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法などで作製できる。なお、基板が半導体により形成される場合、半導体の積層体に基板を含めて考えてよいものとする。また、基板は、半導体の積層体が形成された後、除去されてもよい。
【００２７】
（半導体の積層体２０，２５）
半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることができる。これに加えて、III族元素として一部がホウ素（Ｂ）に置換されたものでもよいし、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）の一部が燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）に置換されたものでもよい。また、ｎ型不純物としてはシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、カドミウム（Ｃｄ）等、ｐ型不純物としてはマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マンガン（Ｍｎ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等の不純物を適宜ドープできる。これら不純物の濃度は、例えば５×１０１６／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下程度が好ましい。このほか、ガリウム砒素系半導体、ガリウム燐系半導体、セレン化亜鉛系半導体でもよい。半導体の結晶成長方法は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等の方法を用いることができる。
【００２８】
半導体素子構造は、少なくとも第１及び第２導電型半導体層からなり、好ましくはその間に活性層や受光層（ｉ層）を有する構造とする。第１及び第２導電型半導体層は各々、単層、多層又は超格子構造のクラッド層、光ガイド層、キャップ層、コンタクト層、クラック防止層等の各機能を有する層で構成することができる。上述の実施の形態では、第１導電型半導体層をｎ型半導体層、第２導電型半導体層をｐ型半導体層とするが、その積層順序は変更可能であり、この逆であってもよい。活性層は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のいずれかの量子井戸構造で形成されることにより、発光効率を向上させることができる。特に、スーパールミネッセントダイオード素子や半導体レーザ素子の場合、活性層が光ガイド層により挟まれた分離光閉じ込め型構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Hetero-structure）とすることが好ましい。また、分布屈折率 (ＧＲＩＮ：Graded Index)構造を採用してもよい。なお、半導体素子の実装形態については、フェイスアップ実装及びフェイスダウン実装のいずれでもよく、基板の下面（裏面）に誘電体多層膜が設けられてもよい。
【００２９】
スーパールミネッセントダイオード素子や半導体レーザ素子において、光導波路は、発光素子構造内で光を閉じ込めながら伝搬させる領域であり、例えば第２導電型半導体層にストライプ状のリッジが設けられることにより形成される。その幅は、０．５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、単一横モードを得るためには１．０μｍ以上３．０μｍ以下であることがより好ましい。リッジの高さ（エッチングの深さ）は、例えば０．１μｍ以上２μｍ以下程度である。光導波路は、上述のような埋め込みリッジ構造等の屈折率導波型（インデックスガイド型）のほか、埋め込みヘテロ構造等の利得導波型（ゲインガイド型）の構造により形成されてもよく、その場合の幅や高さ（厚さ）の好ましい態様も上記と同様でよい。
【００３０】
（埋込膜２８、絶縁膜２９）
スーパールミネッセントダイオード素子や半導体レーザ素子において、埋込膜は、リッジの側面を被覆する絶縁性の保護膜であり、半導体層より屈折率の小さい材料によって形成できる。具体的には、埋込膜は、ジルコニウム（Ｚｒ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）等の酸化物、窒化物等の単層又は多層膜で形成できる。絶縁膜は、少なくとも半導体の積層体の側面を被覆し、各半導体層の短絡や損傷を抑制する絶縁性保護膜であり、埋込膜と同様の材料により形成することができる。なお、埋込膜や絶縁膜を多層膜とする場合には、窒化物膜と、これに接する酸化ホウ素膜と、を有する構成にしてもよい。埋込膜及び絶縁膜、並びに後述の電極、誘電体多層膜は、スパッタ法（電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ；Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）、蒸着法などにより形成でき、特にスパッタ法が好ましい。
【００３１】
（電極３０，３５）
第１電極及び第２電極は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）から成る群より選ばれる少なくとも１つの金属又はこれらの合金、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２等の導電性酸化物、の単層膜又は多層膜より形成することができる。なお、このような導電性酸化物上に窒化物膜が設けられる場合においても、その間に酸化ホウ素膜を介することで窒化物膜の酸化を抑制できる。電極の膜厚は、使用する材料により適宜調整することができ、例えば５ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、第１電極上にもメタライズ電極（パッド電極）を別途設けてもよい。
【００３２】
（誘電体多層膜４０，４５）
誘電体多層膜は、熱安定性に優れ、半導体素子の発光又は受光波長域において光吸収が殆どない材料を用いることが好ましい。誘電体多層膜を構成する酸化物膜としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、イットリウム（Ｙ）のいずれかの酸化物が挙げられる。より詳細には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等である。窒化物膜としては、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、シリコン（Ｓｉ）のいずれかの窒化物が挙げられる。より詳細には、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＮ等である。そして、これらの材料から低屈折率材料と高屈折率材料を選択し、２層に積層又はこれらの膜を交互に積層すればよい。なお特に、半導体の積層体の外面に接して設けられる誘電体膜は、半導体との界面に非発光準位を形成して熱を発生させたり、ｐｎ接合をショートさせたりしないことが、高出力動作や長期信頼性確保のために要求される。このような条件を満たす材料として、窒化アルミニウムを挙げることができる。また、誘電体多層膜が高反射膜を含む場合、その低屈折率膜／高屈折率膜の組み合わせとして、例えばＳｉＯ２／ＺｒＯ２又はＳｉＯ２／ＴｉＯ２が好ましい。
【実施例】
【００３３】
＜実施例１＞
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００３４】
実施例１の半導体素子は、図１に示す例の構造を有する、発光中心波長４０５ｎｍのスーパールミネッセントダイオード素子であり、Ｃ面（０００１）を成長面とするｎ型ＧａＮ基板１０上に、以下のような窒化物半導体の積層体２０が形成されている。ｎ型半導体層２１は、ＳｉドープＡｌＧａＮのｎ型クラッド層と、アンドープＧａＮのｎ側光ガイド層と、が順に積層されている。活性層２２は、ＳｉドープＩｎＧａＮの障壁層及びアンドープＩｎＧａＮの井戸層が２回交互に積層され、更にその上にアンドープＩｎＧａＮの障壁層が積層された多重量子井戸構造を有する。ｐ型半導体層２３は、ＭｇドープＡｌＧａＮのｐ型キャップ層、アンドープＧａＮのｐ側光ガイド層、アンドープＡｌＧａＮとＭｇドープＧａＮの超格子構造のｐ型クラッド層、ＭｇドープＧａＮのｐ型コンタクト層、が順に積層されている。ｐ型半導体層２３には、前方端面から後方端面まで延在するストライプ状のリッジ２４が形成され、リッジ２４の両側面とその両側に連続して設けられるｐ側光ガイド層の上面は、ＺｒＯ２の埋込膜２８により被覆されている。ｐ側オーミック電極３６は、リッジ２４の上面と埋込膜２８の一部を覆って、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔが順に積層されて成っている。また、ＳｉＯ２の絶縁膜２９が埋込膜２８の端部から積層体２０の側面を被覆するように形成されている。そして、更にｐ側オーミック電極３６上には、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕが順に積層されてなるｐ側パッド電極３７が形成されている。一方、ｎ側電極３０は、基板１０の下面に、Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕが順に積層されて成っている。
【００３５】
この半導体素子の前方端面と後方端面は、劈開により形成されており、前方端面には反射防止膜となる誘電体多層膜４０が設けられ、後方端面には高反射膜４６を含む誘電体多層膜４５が設けられている。前方端面の誘電体多層膜４０は、波長４０５ｎｍの光に対する設計膜厚２７．１ｎｍのＡｌＮの第１膜４１と、同設計膜厚１３６．６ｎｍのＳｉＯ２の第３膜４３と、の間に、同設計膜厚５８．１ｎｍのＢ２Ｏ３の第２膜４２が設けられた構成であり、波長４０５ｎｍの光に対し０．１％未満の反射率とすることができる。なお、同設計膜厚２７．３ｎｍのＡｌＮの第１膜４１と、同設計膜厚５９．５ｎｍのＢ２Ｏ３の第２膜４２と、の２層により反射防止膜を構成することもできるが、Ｂ２Ｏ３の水分による変質を抑制するため、上記３層構造の反射防止膜とすることが好ましい。
【００３６】
他方、後方端面の誘電体多層膜４５は、同設計膜厚１２ｎｍのＡｌＮの第１膜４１と、同設計膜厚６９．４ｎｍのＢ２Ｏ３の第２膜と、が設けられた後、更に高反射膜４６として、同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜４６ａと、同設計膜厚６７．６ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜４６ｂと、が５ペア積層され、最後に同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜４６ａが設けられて構成されている。このような誘電体多層膜４５の反射率は、９８％以上となる。なお、同設計膜厚４７．６ｎｍのＡｌＮの高屈折率膜４６ａと、同設計膜厚６９．４ｎｍのＢ２Ｏ３の低屈折率膜４６ｂと、が５ペア積層され、最後に同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の第３膜４３が設けられることで、反射率９７％以上の誘電体多層膜４５とすることもできる。
【００３７】
＜比較例１＞
比較例１の半導体素子は、誘電体多層膜を除き、他の構成は実施例１の半導体素子と同様である。比較例１の半導体素子の前方端面の誘電体多層膜は、波長４０５ｎｍの光に対する設計膜厚２３ｎｍのＡｌＮ膜と、同設計膜厚５８．５ｎｍのＳｉＯ２膜と、の２層からなる反射防止膜である。また、後方端面の誘電体多層膜は、同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２膜が設けられた後、同設計膜厚６７．６ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜と、同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜と、が５ペア積層されて構成される反射膜である。
【００３８】
比較例１の半導体素子では、素子の駆動に伴って、第１膜４１の酸化の進行が顕著に見られ、前方端面の反射率が上昇し、定電流駆動の場合は光出力が上昇し発光スペクトルが狭くなり、定光出力駆動の場合は駆動電流が低下し発光スペクトルが狭くなる。これに対して、実施例１の半導体素子は、第２膜４２の存在により、第１膜４１の酸化の進行が抑えられ、比較例１の半導体素子に比べ安定して駆動させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の半導体素子は、半導体レーザ，スーパールミネッセントダイオード，発光ダイオード等の発光素子、及びフォトダイオード，フォトトランジスタ等の受光素子、さらにこれらの素子を備えた光ピックアップ装置、光源モジュール、画像センサ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０，１５…基板
２０，２５…半導体の積層体、２１…第１導電型半導体層、２２…活性層、２３…第２導電型半導体層、２４…リッジ、２６…受光層、２８…埋込膜、２９…絶縁膜
３０…第１電極、３５…第２電極、３６…オーミック電極、３７…パッド電極
４０…誘電体多層膜（第１）、４１…第１膜、４１ａ…酸化領域、４２…第２膜、４３…第３膜、４５…誘電体多層膜（第２）、４６…高反射膜（４６ａ…高屈折率膜、４６ｂ…低屈折率膜）
１００，２００…半導体素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に関し、より詳細には誘電体多層膜を備える発光素子又は受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の外面に形成される誘電体多層膜として、例えば窒化アルミニウム膜と酸化アルミニウム膜が積層されたものが利用されている。だが、このような誘電体多層膜において、半導体素子の駆動に伴い、窒化物膜が酸化物膜との界面から酸化して、その光学特性が変化する問題がある。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１には、基板上に設けられた窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層と、化合物半導体層の側面上に設けられた窒化物からなる第１保護層と、第１保護層上に設けられ第１保護層と屈折率の異なる窒化物からなる第２保護層と、を備える半導体素子が提案されており、この第２保護層は、第１保護層よりも耐酸化性の高い材料からなることが記載されている。
【０００４】
また、例えば特許文献２には、光出射端面である第１端面と、第１端面とは反対側の第２端面とを有し、第１端面と第２端面のうち少なくとも一方の端面に、窒化膜と、酸素及び窒素を含有しない半導体又は絶縁体からなる分離膜と、酸化膜と、が端面側から順に形成された半導体レーザ装置が提案されており、この分離膜により、酸化膜の形成過程における窒化膜の酸化を防止できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０２７２６０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている半導体素子のように、第１保護層と第２保護層が窒化物同士である場合には、両保護層の屈折率差が小さく、所望の光学特性を持つ誘電体多層膜を設計できない場合がある。また、特許文献２に記載の半導体レーザ装置のように、分離膜をフッ化物により形成する場合には、フッ素と水分の反応によりフッ酸が生成され、電極や保護膜に悪影響を及ぼす虞がある。さらに、特許文献１に記載されているように第２保護層を窒化珪素により形成する場合や、特許文献２に記載されているように分離膜をシリコンにより形成する場合には、窒化珪素やシリコンは可視波長域においても光を吸収しやすいため、光の利用効率が低下したり、光密度の高い領域では発熱しやすく膜が変質しやすくなったりする虞がある。
【０００７】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、窒化物膜の酸化の進行を抑制し信頼性が高く、優れた光学特性を有する誘電体多層膜を備える半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体素子は、発光又は受光素子構造を含む半導体の積層体と、該積層体の外面を被覆する誘電体多層膜と、を備え、前記誘電体多層膜は、窒化物の第１膜と、該第１膜に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、窒化物の第１膜に接して酸化ホウ素の第２膜が設けられることにより、所望の光学特性が得られやすく、第１膜の酸化の進行を抑制して信頼性の高い誘電体多層膜とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体素子の概略上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面における概略断面図（ｂ）と、そのＢ−Ｂ断面における概略断面図（ｃ）である。
【図２】誘電体多層膜に含まれる窒化物膜の酸化の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体素子の誘電体多層膜の別の一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る半導体素子の概略上面図（ａ）と、そのＣ−Ｃ断面における概略断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する半導体素子は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに限定しない。特に、以下に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１（ａ）は、実施の形態１に係る半導体素子の概略上面図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面を拡大して示す概略断面図である。図１に示す例の半導体素子１００は、スーパールミネッセントダイオード素子であって、主として、基板１０と、基板１０上に設けられる、発光素子構造を含む半導体の積層体２０と、積層体２０に電気的に接続される正負一対の電極３０，３５と、積層体２０の外面を被覆する誘電体多層膜４０，４５と、により構成されている。
【００１３】
以下、半導体素子１００において、主として利用される光が出射される方向を「前方」とし、その逆方向を「後方」とする。また、半導体の積層体２０の外面のうち、前方及び後方に面する２つの外面を「端面」とし、この端面に連続し側方に面する外面を「側面」として説明する。
【００１４】
半導体素子１００の構成をより詳細に説明すると、基板１０は、第１導電型の導電性を有し、その下面に第１電極３０が設けられている。半導体の積層体２０は、基板１０の上面に、第１導電型半導体層２１、活性層２２、第２導電型半導体層２３が順に積層されてなり、第２導電型半導体層２３には、素子の前方から後方に延在するストライプ状のリッジ２４が設けられている。リッジ２４の両側面及びリッジ２４の両側の第２導電型半導体層の上面には絶縁性の埋込膜２８が設けられ、リッジ２４の上面と埋込膜２８の一部を覆って第２電極３５が設けられている。また、半導体の積層体２０の２つの側面には、保護膜として絶縁膜２９が設けられている。
【００１５】
そして、半導体の積層体２０の前方の端面には反射防止膜の誘電体多層膜４０が、後方の端面には反射膜の誘電体多層膜４５が、各々設けられている。この誘電体多層膜４０，４５はそれぞれ、窒化物の第１膜４１と、この第１膜４１に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜４２と、を有している。なお以下、前方及び後方の誘電体多層膜をそれぞれ、第１及び第２の誘電体多層膜と呼称することがある。また、窒化物の第１膜４１の「窒化物」とは、「酸窒化物」を含む意味で用いる。
【００１６】
ここで、図２は、誘電体多層膜に含まれる窒化物膜の酸化の一例を示す概略断面図である。図２に示すように、窒化物の第１膜４１に接して、酸化ホウ素以外の酸化物の第３膜４３が設けられている場合、素子の駆動に伴って、第１膜４１が第３膜４３との界面側から酸化し、第１膜４１の内部側へと酸化領域４１ａが徐々に拡大していく。特に、第１膜４１の酸化反応は光密度や発熱の高い部位で進行しやすい。本例では、第１膜４１の活性層２２を被覆する部位において酸化が最も進行しやすく、より詳細には発光点となる活性層２２のリッジ２４直下の領域を被覆する部位において酸化が最も進行しやすい。このように、第１膜４１に酸化領域４１ａが形成されると、第１膜４１の屈折率や光学膜厚が変化し、誘電体多層膜の反射又は反射防止性能が低下して、素子特性が悪化する。
【００１７】
しかしながら、酸化ホウ素は、ガリウム砒素などの化合物半導体の結晶育成において砒素の蒸発を抑制するための封止剤として用いられるように安定でその膜は気密性を有し、酸素の遮断に適している。ゆえに、窒化物の第１膜４１に接して酸化ホウ素の第２膜４２が形成されることにより、第１膜４１の第２膜４２側からの酸化を抑制することができる。また、酸化ホウ素は、光学ガラスに用いられるホウケイ酸ガラスの主成分であり、可視光を吸収しにくく、光の散乱の原因となる結晶粒界が殆どないため、光を有効に利用できる。加えて、酸化ホウ素の屈折率は１．４６程度であり、窒化物の屈折率（例えば窒化アルミニウムは２．０５〜２．１７程度、窒化珪素は２．０６程度）と大きく相違しており、所望の光学特性を有する誘電体多層膜を設計しやすい。さらに、酸化ホウ素膜は、通常、非晶質で形成され、熱応力が発生しにくい。第２膜４２の膜厚は、所望の光学特性の誘電体多層膜とするため適宜設計されるが、放熱性を考慮すれば５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１８】
特に、この半導体素子１００では、第１の誘電体多層膜４０は、半導体の積層体２０の端面側から窒化物の第１膜４１、酸化ホウ素の第２膜４２、ホウ素を含まない酸化物の第３膜４３がこの順に積層されて成っている。なお、窒化物の第１膜４１は、窒素を共通の構成元素として含む窒化物半導体の積層体の外面を被覆する誘電体膜として好適であり、このため、半導体の積層体２０は、特に窒化物半導体により構成されていることが好ましい。
【００１９】
第１膜４１は、半導体の積層体２０の外面から離間して設けられてもよいが、このように積層体２０の外面に接して設けられていることが好ましい。言い換えれば、半導体の積層体２０の外面上に第１膜４１、第２膜４２がこの順に積層されていることが好ましい。これにより、第１膜４１が半導体の積層体２０と第２膜４２に挟まれる構造となるため、第１膜４１の酸化を両面から抑制することができる。また、半導体の積層体２０の外面が窒化物の第１膜４１に被覆されるため、積層体２０の酸化を抑制することができる。このとき、第１膜４１の膜厚は、０．２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることで、反射率を極小まで低下させ、光取り出し効率（受光素子においては光取り込み効率）を向上することができ、好ましい。
【００２０】
また、酸化ホウ素の第２膜４２は、吸湿性を有しているため、外気に晒されないように被覆され、誘電体多層膜４０の内部に設けられていることが好ましい。これにより、第２膜４２の水分による変質を抑制することができる。特に、その被膜は酸化物が好ましく、誘電体多層膜４０は、最も外側に、ホウ素を含まない酸化物の第３膜４３を有することが好ましい。
【００２１】
さらに、反射防止膜として設けられる誘電体多層膜は、多くの場合、反射膜に比べて積層数が少ないため、窒化物膜の酸化によるその光学特性の変化が、素子特性に影響しやすい。したがって、本発明の誘電体多層膜は、反射防止膜において特に効果を奏する。特に、外部共振器型半導体レーザ装置では、素子外部に設けられる反射鏡からの反射光を、反射防止膜を介して素子端面に帰還させ光導波路に精度良く結合させる必要があり、本例のようなスーパールミネッセントダイオード素子の反射防止膜において、更に好適である。なお、反射防止膜は、半導体素子の発光又は受光波長に対する反射率が１％以下、好ましくは０．５％以下のものとする。
【００２２】
図３は、実施の形態１に係る半導体素子の誘電体多層膜の別の一例を示す概略断面図である。半導体素子１００において、第２の誘電体多層膜４５は、図３に示すように、半導体の積層体２０の端面側から、窒化物の第１膜４１、酸化ホウ素の第２膜４２、及び高屈折率膜４６ａと低屈折率膜４６ｂが交互に積層された高反射膜４６、がこの順に積層されて成っている。このように、第２膜４２の第１膜４１と反対側の面には、単層、多層を問わず任意の誘電体膜が設けられてよい。単層の誘電体膜とする場合の一例としては、ホウ素を含まない酸化物膜とするとよい。これにより、前述のように、第２膜４２の水分による変質を抑制できる。加えて、半導体の積層体２０の外面側から第１膜４１、第２膜４２、第３膜４３がこの順に積層されてなる、簡素ながら信頼性の高い３層構造の誘電体多層膜を形成できる。また、第２膜４２が半導体の積層体２０の外面に接して設けられてもよい。これにより、半導体の積層体２０の外面にホウ素を含まない酸化物膜が接して設けられる場合に比して、積層体２０の酸化を抑制しやすくすることができる。さらに、高屈折率膜４６ａを第１膜４１、低屈折率膜４６ｂを第２膜４２により形成することもできる。その場合には、前述のように第２膜４２の水分による変質を抑制するため、高反射膜４６が第２膜４２で終端し、これを覆ってホウ素を含まない酸化物の第３膜４３が最も外側に形成されることが好ましい。窒化物の第１膜４１を酸化ホウ素の第２膜４２により挟むことで、第１膜４１の酸化を両面から抑制する構成としてもよい。このほか、第１及び第２の誘電体多層膜４０，４５の両方を反射防止膜としてもよい。
【００２３】
＜実施の形態２＞
図４（ａ）は、実施の形態２に係る半導体素子の概略上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面を示す概略断面図である。図４に示す例の半導体素子２００は、ＰＩＮフォトダイオード素子であって、主として、基板１５と、基板１５上に設けられる、受光素子構造を含む半導体の積層体２５と、積層体２５に電気的に接続される正負一対の電極３０，３５と、積層体２５の外面を被覆する誘電体多層膜４０と、により構成されている。
【００２４】
より詳細には、基板１５は絶縁性基板であって、半導体の積層体２５は、基板１５の上面に、第１導電型半導体層２１、受光層２６、第２導電型半導体層２３が順に積層されて成っている。半導体の積層体２５の一部は、第２導電型半導体層２３側から第１導電型半導体層２１に達する深さで除去され、第１電極３０及び第２電極３５は、積層体２５の同一面側に各々設けられている。そして、誘電体多層膜４０は、反射防止膜であって、第１電極３０及び第２電極３５から露出される積層体２５の上面、及び積層体２５の側面を被覆するように設けられている。この誘電体多層膜４０は、実施の形態１の第１の誘電体多層膜４０と同様の構成を有しており、絶縁保護膜として機能すると共に、光を効率良く透過させ、受光効率を高めることができる。特に、レンズ等による集束光を受光させる場合には、受光面における光密度が高くなり第１膜４１の酸化が進行しやすくなるが、第２膜４２の存在により第１膜４１の酸化を抑制できるので、受光面を小さくでき、小型で信頼性の高い受光素子が得られる。
【００２５】
このように、本発明の誘電体多層膜は、半導体の積層体の外面であれば、端面に限られず、半導体の積層体の上面や下面に設けられてもよい。このほか、半導体の積層体の積層方向に共振する面発光レーザ素子の反射鏡を構成する誘電体多層膜としても好適に用いることができる。
【００２６】
以下、本発明の半導体素子の各構成要素について詳述する。
（基板１０，１５）
基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体基板のほか、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）、ダイヤモンド等の基板を用いることができる。基板の厚さは、例えば５０μｍ以上２ｍｍ以下程度が挙げられる。基板は、下記半導体の成長方法のほか、例えば超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法などで作製できる。なお、基板が半導体により形成される場合、半導体の積層体に基板を含めて考えてよいものとする。また、基板は、半導体の積層体が形成された後、除去されてもよい。
【００２７】
（半導体の積層体２０，２５）
半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることができる。これに加えて、III族元素として一部がホウ素（Ｂ）に置換されたものでもよいし、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）の一部が燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）に置換されたものでもよい。また、ｎ型不純物としてはシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、カドミウム（Ｃｄ）等、ｐ型不純物としてはマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マンガン（Ｍｎ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等の不純物を適宜ドープできる。これら不純物の濃度は、例えば５×１０１６／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下程度が好ましい。このほか、ガリウム砒素系半導体、ガリウム燐系半導体、セレン化亜鉛系半導体でもよい。半導体の結晶成長方法は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等の方法を用いることができる。
【００２８】
半導体素子構造は、少なくとも第１及び第２導電型半導体層からなり、好ましくはその間に活性層や受光層（ｉ層）を有する構造とする。第１及び第２導電型半導体層は各々、単層、多層又は超格子構造のクラッド層、光ガイド層、キャップ層、コンタクト層、クラック防止層等の各機能を有する層で構成することができる。上述の実施の形態では、第１導電型半導体層をｎ型半導体層、第２導電型半導体層をｐ型半導体層とするが、その積層順序は変更可能であり、この逆であってもよい。活性層は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のいずれかの量子井戸構造で形成されることにより、発光効率を向上させることができる。特に、スーパールミネッセントダイオード素子や半導体レーザ素子の場合、活性層が光ガイド層により挟まれた分離光閉じ込め型構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Hetero-structure）とすることが好ましい。また、分布屈折率 (ＧＲＩＮ：Graded Index)構造を採用してもよい。なお、半導体素子の実装形態については、フェイスアップ実装及びフェイスダウン実装のいずれでもよく、基板の下面（裏面）に誘電体多層膜が設けられてもよい。
【００２９】
スーパールミネッセントダイオード素子や半導体レーザ素子において、光導波路は、発光素子構造内で光を閉じ込めながら伝搬させる領域であり、例えば第２導電型半導体層にストライプ状のリッジが設けられることにより形成される。その幅は、０．５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、単一横モードを得るためには１．０μｍ以上３．０μｍ以下であることがより好ましい。リッジの高さ（エッチングの深さ）は、例えば０．１μｍ以上２μｍ以下程度である。光導波路は、上述のような埋め込みリッジ構造等の屈折率導波型（インデックスガイド型）のほか、埋め込みヘテロ構造等の利得導波型（ゲインガイド型）の構造により形成されてもよく、その場合の幅や高さ（厚さ）の好ましい態様も上記と同様でよい。
【００３０】
（埋込膜２８、絶縁膜２９）
スーパールミネッセントダイオード素子や半導体レーザ素子において、埋込膜は、リッジの側面を被覆する絶縁性の保護膜であり、半導体層より屈折率の小さい材料によって形成できる。具体的には、埋込膜は、ジルコニウム（Ｚｒ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）等の酸化物、窒化物等の単層又は多層膜で形成できる。絶縁膜は、少なくとも半導体の積層体の側面を被覆し、各半導体層の短絡や損傷を抑制する絶縁性保護膜であり、埋込膜と同様の材料により形成することができる。なお、埋込膜や絶縁膜を多層膜とする場合には、窒化物膜と、これに接する酸化ホウ素膜と、を有する構成にしてもよい。埋込膜及び絶縁膜、並びに後述の電極、誘電体多層膜は、スパッタ法（電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ；Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）、蒸着法などにより形成でき、特にスパッタ法が好ましい。
【００３１】
（電極３０，３５）
第１電極及び第２電極は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）から成る群より選ばれる少なくとも１つの金属又はこれらの合金、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２等の導電性酸化物、の単層膜又は多層膜より形成することができる。なお、このような導電性酸化物上に窒化物膜が設けられる場合においても、その間に酸化ホウ素膜を介することで窒化物膜の酸化を抑制できる。電極の膜厚は、使用する材料により適宜調整することができ、例えば５ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、第１電極上にもメタライズ電極（パッド電極）を別途設けてもよい。
【００３２】
（誘電体多層膜４０，４５）
誘電体多層膜は、熱安定性に優れ、半導体素子の発光又は受光波長域において光吸収が殆どない材料を用いることが好ましい。誘電体多層膜を構成する酸化物膜としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、イットリウム（Ｙ）のいずれかの酸化物が挙げられる。より詳細には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等である。窒化物膜としては、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、シリコン（Ｓｉ）のいずれかの窒化物が挙げられる。より詳細には、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＮ等である。そして、これらの材料から低屈折率材料と高屈折率材料を選択し、２層に積層又はこれらの膜を交互に積層すればよい。なお特に、半導体の積層体の外面に接して設けられる誘電体膜は、半導体との界面に非発光準位を形成して熱を発生させたり、ｐｎ接合をショートさせたりしないことが、高出力動作や長期信頼性確保のために要求される。このような条件を満たす材料として、窒化アルミニウムを挙げることができる。また、誘電体多層膜が高反射膜を含む場合、その低屈折率膜／高屈折率膜の組み合わせとして、例えばＳｉＯ２／ＺｒＯ２又はＳｉＯ２／ＴｉＯ２が好ましい。
【実施例】
【００３３】
＜実施例１＞
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００３４】
実施例１の半導体素子は、図１に示す例の構造を有する、発光中心波長４０５ｎｍのスーパールミネッセントダイオード素子であり、Ｃ面（０００１）を成長面とするｎ型ＧａＮ基板１０上に、以下のような窒化物半導体の積層体２０が形成されている。ｎ型半導体層２１は、ＳｉドープＡｌＧａＮのｎ型クラッド層と、アンドープＧａＮのｎ側光ガイド層と、が順に積層されている。活性層２２は、ＳｉドープＩｎＧａＮの障壁層及びアンドープＩｎＧａＮの井戸層が２回交互に積層され、更にその上にアンドープＩｎＧａＮの障壁層が積層された多重量子井戸構造を有する。ｐ型半導体層２３は、ＭｇドープＡｌＧａＮのｐ型キャップ層、アンドープＧａＮのｐ側光ガイド層、アンドープＡｌＧａＮとＭｇドープＧａＮの超格子構造のｐ型クラッド層、ＭｇドープＧａＮのｐ型コンタクト層、が順に積層されている。ｐ型半導体層２３には、前方端面から後方端面まで延在するストライプ状のリッジ２４が形成され、リッジ２４の両側面とその両側に連続して設けられるｐ側光ガイド層の上面は、ＺｒＯ２の埋込膜２８により被覆されている。ｐ側オーミック電極３６は、リッジ２４の上面と埋込膜２８の一部を覆って、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔが順に積層されて成っている。また、ＳｉＯ２の絶縁膜２９が埋込膜２８の端部から積層体２０の側面を被覆するように形成されている。そして、更にｐ側オーミック電極３６上には、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕが順に積層されてなるｐ側パッド電極３７が形成されている。一方、ｎ側電極３０は、基板１０の下面に、Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕが順に積層されて成っている。
【００３５】
この半導体素子の前方端面と後方端面は、劈開により形成されており、前方端面には反射防止膜となる誘電体多層膜４０が設けられ、後方端面には高反射膜４６を含む誘電体多層膜４５が設けられている。前方端面の誘電体多層膜４０は、波長４０５ｎｍの光に対する設計膜厚２７．１ｎｍのＡｌＮの第１膜４１と、同設計膜厚１３６．６ｎｍのＳｉＯ２の第３膜４３と、の間に、同設計膜厚５８．１ｎｍのＢ２Ｏ３の第２膜４２が設けられた構成であり、波長４０５ｎｍの光に対し０．１％未満の反射率とすることができる。なお、同設計膜厚２７．３ｎｍのＡｌＮの第１膜４１と、同設計膜厚５９．５ｎｍのＢ２Ｏ３の第２膜４２と、の２層により反射防止膜を構成することもできるが、Ｂ２Ｏ３の水分による変質を抑制するため、上記３層構造の反射防止膜とすることが好ましい。
【００３６】
他方、後方端面の誘電体多層膜４５は、同設計膜厚１２ｎｍのＡｌＮの第１膜４１と、同設計膜厚６９．４ｎｍのＢ２Ｏ３の第２膜と、が設けられた後、更に高反射膜４６として、同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜４６ａと、同設計膜厚６７．６ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜４６ｂと、が５ペア積層され、最後に同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜４６ａが設けられて構成されている。このような誘電体多層膜４５の反射率は、９８％以上となる。なお、同設計膜厚４７．６ｎｍのＡｌＮの高屈折率膜４６ａと、同設計膜厚６９．４ｎｍのＢ２Ｏ３の低屈折率膜４６ｂと、が５ペア積層され、最後に同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の第３膜４３が設けられることで、反射率９７％以上の誘電体多層膜４５とすることもできる。
【００３７】
＜比較例１＞
比較例１の半導体素子は、誘電体多層膜を除き、他の構成は実施例１の半導体素子と同様である。比較例１の半導体素子の前方端面の誘電体多層膜は、波長４０５ｎｍの光に対する設計膜厚２３ｎｍのＡｌＮ膜と、同設計膜厚５８．５ｎｍのＳｉＯ２膜と、の２層からなる反射防止膜である。また、後方端面の誘電体多層膜は、同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２膜が設けられた後、同設計膜厚６７．６ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜と、同設計膜厚４５．１ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜と、が５ペア積層されて構成される反射膜である。
【００３８】
比較例１の半導体素子では、素子の駆動に伴って、第１膜４１の酸化の進行が顕著に見られ、前方端面の反射率が上昇し、定電流駆動の場合は光出力が上昇し発光スペクトルが狭くなり、定光出力駆動の場合は駆動電流が低下し発光スペクトルが狭くなる。これに対して、実施例１の半導体素子は、第２膜４２の存在により、第１膜４１の酸化の進行が抑えられ、比較例１の半導体素子に比べ安定して駆動させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の半導体素子は、半導体レーザ，スーパールミネッセントダイオード，発光ダイオード等の発光素子、及びフォトダイオード，フォトトランジスタ等の受光素子、さらにこれらの素子を備えた光ピックアップ装置、光源モジュール、画像センサ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０，１５…基板
２０，２５…半導体の積層体、２１…第１導電型半導体層、２２…活性層、２３…第２導電型半導体層、２４…リッジ、２６…受光層、２８…埋込膜、２９…絶縁膜
３０…第１電極、３５…第２電極、３６…オーミック電極、３７…パッド電極
４０…誘電体多層膜（第１）、４１…第１膜、４１ａ…酸化領域、４２…第２膜、４３…第３膜、４５…誘電体多層膜（第２）、４６…高反射膜（４６ａ…高屈折率膜、４６ｂ…低屈折率膜）
１００，２００…半導体素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光又は受光素子構造を含む半導体の積層体と、該積層体の外面を被覆する誘電体多層膜と、を備え、
前記誘電体多層膜は、窒化物の第１膜と、該第１膜に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜と、を有する半導体素子。
【請求項２】
前記第１膜は、前記積層体の外面に接して設けられている請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記誘電体多層膜は、最も外側に、ホウ素を含まない酸化物の第３膜を有する請求項１又は２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記誘電体多層膜は、反射防止膜である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１】
発光又は受光素子構造を含む半導体の積層体と、該積層体の外面を被覆する誘電体多層膜と、を備え、
前記誘電体多層膜は、窒化物の第１膜と、該第１膜に接して設けられた酸化ホウ素の第２膜と、を有する半導体素子。
【請求項２】
前記第１膜は、前記積層体の外面に接して設けられている請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記誘電体多層膜は、最も外側に、ホウ素を含まない酸化物の第３膜を有する請求項１又は２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記誘電体多層膜は、反射防止膜である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４２３３９（Ｐ２０１２−１４２３３９Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２２０３（Ｐ２０１０−２９２２０３）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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