JPH09194204A - 窒化アルミニウムの製造方法および半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温で高純度の窒化アルミニウム膜を製造す
る方法を提供する。 【解決手段】 ＥＣＲ装置に、５Ｎの金属Ａｌ１０４を
セットし、窒素ガス１０９を導入しながら、ＥＣＲプラ
ズマを起こす。このときの温度は２００℃である。ＥＣ
Ｒプラズマにより、ＡｌとＮがＧａＡｓ基板に成長して
いき、ＡｌＮ膜１０７を製造できる。このようにＥＣＲ
プラズマを用いたＡｌＮ膜の製造方法により、高純度の
金属Ａｌを用いているので、当然高純度のＡｌＮ膜を成
長でき、ＭＯＶＰＥ法のように高温での成長を必要とせ
ずに、膜の製造が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
の製造方法および半導体発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮと記
す）は、絶縁膜として広く使われている。また、バルク
のＡｌＮは熱伝導性の良さから、放熱性を有する半導体
素子をマウントする基板にも用いられている。

【０００３】従来のＡｌＮ膜は、ターゲットにＡｌＮを
用い、アルゴンイオンによるスパッタ法により基板上に
堆積していた。このときの温度は、室温から４００℃程
度である。このようにＡｌＮ膜は、スパッタ法により比
較的低温でＡｌＮ膜を堆積できるものの、ターゲットの
ＡｌＮの純度が高くないので、必然的に堆積したＡｌＮ
膜も高純度のものが得られなかった。

【０００４】また、ＡｌＮ膜をＭＯＶＰＥ法により、サ
ファイア基板上に成長させる方法もある（特開平２−２
２９４７６号公報、特開平４−２９７０２３号公報参
照）。この方法では、トリメチルアルミニウムガスおよ
びアンモニアガスを反応炉に導入し、１０８０℃に加熱
して熱分解により、サファイア基板上にＡｌＮ膜を成長
させている。成長したＡｌＮ膜は、スパッタ法のような
不純物の混入はないものの、成長には１０００℃以上の
高温が必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のＡｌ
Ｎ膜の成長には、スパッタ法によれば、高純度のものが
得られない、成長膜にダメージが入る、ということがあ
る。また、ＭＯＶＰＥ法によれば高温での成長が必要に
なる、ということであった。

【０００６】そこで本発明は、比較的低温で成長が可能
で、しかも純度の高いＡｌＮ膜の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のＡｌＮ膜の製造方法は、ＥＣＲプラズマを用
いるものである。その原料には、高純度の金属Ａｌと窒
素ガスを用いている。

【０００８】またこのＡｌＮ膜の製造方法を、半導体レ
ーザ等の半導体発光素子の共振器端面のコーティングに
応用するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
説明する。

【００１０】（実施の形態１）ＡｌＮ膜の成長に、ＥＣ
Ｒ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマを用い
る。反応式は、Ａｌ（金属）＋Ｎ2 → ＡｌＮ、であ
る。

【００１１】Ａｌの原料には、金属アルミニウムを用い
る。これの理由は高純度のもの（ファイブナイン（５
Ｎ））が簡単に手に入るからであり、かつ、高純度のＡ
ｌＮ膜を成長できるからである。

【００１２】図１に示すＥＣＲ装置を示す。装置の構成
は、電磁石コイル１０３が設置されたプラズマ生成室１
０２に、窒素ガス１０９およびアルゴンガス１１０が接
続されている。またプラズマ生成室１０３にプラズマを
生成するためのマグネトロン１０１が接続されている。
さらにプラズマ生成室に薄膜堆積室１０８が接続され、
その接続部分にＡｌターゲット１０４が設置されてい
る。薄膜堆積室１０８は真空ポンプに接続されている。

【００１３】この装置に、５Ｎの金属Ａｌ１０４をセッ
トし、窒素ガス（流量：５０００ｃｃｍ）を導入しなが
ら、プラズマ生成室１０２でプラズマを起こす。このと
きの温度は２００℃である。ＥＣＲプラズマにより、Ａ
ｌとＮがＧａＡｓ基板１０７に成長していき、ＡｌＮ膜
を製造できる。成長したＡｌＮ膜の平坦性を調べると、
図２に示すようにきわめて平坦であった。ＥＣＲを用い
た場合は、平坦性（凹凸）が約４ｎｍ以内であり、スパ
ッタ法ではこの凹凸が約２５ｎｍとなっている（図２
（ａ）参照）。この理由は、明確ではないが、ＥＣＲの
場合、指向性が強く、基板に対して、斜め方向ではな
く、きれいに揃って垂直方向からＡｌとＮが飛んでくる
ので成長した膜も平坦になると考えられる。

【００１４】このようにＥＣＲプラズマを用いたＡｌＮ
膜の製造は、高純度の金属Ａｌを用いているので、当然
高純度のＡｌＮ膜を成長できるだけでなく、ＭＯＶＰＥ
法のように高温での成長を必要としないので、高温の装
置が必要でなく、また、反応ガス（ＴＭＡなど）を使わ
ないので、Ａｌ化合物のような中間生成物もない。図３
のように、成長温度は０℃〜６００℃の範囲で、十分な
純度、平坦性をもつ高膜質のものが得られる。５５０〜
６００℃の範囲では若干、基板との密着性が落ちるが、
０℃〜５５０℃の範囲では、基板との密着性もよく、基
板にかかる応力も小さかった。またＥＣＲなので、低ダ
メージであり、窒素プラズマの活性化率が高いので、成
長レートも小さくなく、効率よくＡｌＮ膜を成長でき
る。

【００１５】これらの特性をまとめたものを図２（ｂ）
に示す。ＥＣＲの場合は、堆積する膜の純度も６Ｎ程度
のものが得られる。堆積時のエネルギーも１０〜２０ｅ
Ｖで小さく堆積する膜に与えるダメージも小さい。チャ
ージアップによる薄膜のダメージもなく、表面のラフネ
スも小さく平坦性に優れている。

【００１６】（実施の形態２）実施の形態１で説明した
ＡｌＮ膜を半導体レーザの端面のコーティングに応用し
た実施の形態について説明する。

【００１７】図４は図１と同様のＥＣＲの装置である。
ここでは試料として半導体レーザのバー（各レーザチッ
プに切り出す前の状態）としている。この装置内に、ウ
エハからバーの状態に切り出した半導体レーザを設置す
る。レーザの端面に実施の形態１で述べた条件でＡｌＮ
膜を７７、５ｎｍ成長する。

【００１８】半導体レーザのフロント側（レーザ出射面
側）端面にＡｌＮ膜を成長したレーザの断面図を図５に
示す。ＡｌＮ膜上には、ＳｉＯＮ膜を１０１、６ｎｍ堆
積している。これはＳｉＯＮ膜によりフロント側の反射
率を調整するためである。ここではＳｉＯＮ膜を堆積す
ることにより、反射率を１０パーセントとしている。

【００１９】このように端面をＡｌＮ膜で覆うと、レー
ザ端面の酸化がなくレーザの動作電流の上昇を防止する
ことができる。またＡｌＮ膜は熱伝導度が高く、放熱性
に優れているので、動作電流の防止することができる。
また成長においても、レーザ端面にダメージを及ぼすこ
とが少なく、ダメージによる光出力の劣化もない。した
がって、高信頼性を有する半導体レーザとすることがで
きる。

【００２０】さらに成長したＡｌＮ膜は平坦であり、レ
ーザの端面での反射率を正確に制御することができる。
図６にＡｌＮの膜厚に対するレーザの反射率を示してい
る。これによれば、ＡｌＮ膜により反射率が大きく変動
することがわかるが、ＡｌＮ膜は平坦であり、膜厚の制
御にすぐれるので反射率の調整も容易である。

【００２１】ＡｌＮ膜の成長には、金属Ａｌと窒素ガス
を用いたが、酸素ガスをさらに加えることでさらに端面
のコーティングに最適なＡｌＮ膜を製造できる。加えた
酸素ガスは、窒素ガス（５０００ｃｃｍ）に対して、１
／１００の５０ｃｃｍである。この反応式は、金属Ａｌ
＋窒素ガス＋酸素ガス→ＡｌＮＯ膜である。このように
成長したＡｌＮ膜には酸素が含まれている。この膜は、
ＧａＡｓ基板に対しての「反り」が小さくなる。つま
り、図７のように、酸素がないときは反りが大きく、そ
のために基板におよぼす応力が大きかったが、酸素を添
加することで、反りが小さくなり、基板に与える応力を
かなり緩和することができる。

【００２２】最後に半導体レーザの端面に、マグネトロ
ンスパッタによりＡｌＮ膜を堆積した場合と、本実施例
のようにＥＣＲによりＡｌＮ膜を堆積した場合との半導
体レ−ザの動作電流の比較をしている。本実施例のよう
にＥＣＲ法による方が、時間による動作電流の増加が少
なく、信頼性も高いことがわかる。

【００２３】（実施の形態３）実施の形態１で述べたＡ
ｌＮの製造方法により形成したＡｌＮ膜の応用として、
半導体レーザと受光素子とを一体に構成したホログラム
ユニットについて説明する。

【００２４】このホログラムユニットの構成斜視図を図
９に示す。レーザチップ９０２をシリコン基板９０１上
に配置して、レーザチップ９０２、光信号検出用のフォ
トダイオード９０３ａ、９０３ｂ、それにレーザチップ
からのレーザ光を反射させるマイクロミラー９０４、レ
ーザの出力をモニターするフォトダイオード９０５を一
体に構成している。これにより、小型化・薄型化を図っ
ている。このように、レーザユニットは、シリコン基板
９０１上に凹部を形成し、この凹部に半導体レーザチッ
プ９０２を配置する。レーザ９０２から出射する光は、
シリコン基板９０１に形成され、かつ、シリコン基板の
表面に対して４５度の角度を持つマイクロミラー９０４
により、上方へ出射する。マイクロミラー９０４は、シ
リコンの（１１１）面を利用して形成される。（１１
１）面は、異方性エッチングにより簡単に得られ、ま
た、化学的に安定な面であるので、光学的に平坦な面が
得られやすいからである。

【００２５】しかし、シリコン（１００）面を用いる
と、（１１１）面は、（１００）面と５４度の角度とな
るので、（１００）面の面方位から＜１１０＞方向へ９
度傾斜した基板を用いることで、４５度の角度が得られ
る。マイクロミラーと対向する面の角度は６３度となる
が、この面には、レーザチップからの光出力をモニター
するモニター用フォトダイオード９０５が形成されてい
る。

【００２６】マイクロミラー９０４の表面は平坦なシリ
コンであるが、レーザ光の吸収がなく、光の利用効率を
高めるために、金など、反射効率が高く、レーザ光を吸
収しない金属を蒸着して光の損失を少なくするのが好ま
しい。

【００２７】以上のように、レーザユニットを用いるこ
とにより、光ディスクの小型化、薄型が可能となるとと
もに、製造上も、フォトダイオード、マイクロミラーが
形成されているシリコン基板表面の凹部に、レーザチッ
プを配置するだけでよいので、工程も簡略化でき、歩留
まりも高くなる。

【００２８】このレーザユニットのａーｂ断面図を図１
０に示している。図９では、図示していないが、図１０
のように、レーザチップ（半導体レーザ１００２）の下
には、実施の形態１の方法により、ＡｌＮ膜が形成され
ている。ＡｌＮ膜は、図１０（ｂ）のように、シリコン
基板１００１の上に形成されている。また図（ｃ）のよ
うに、シリコン基板上にＡｌＮ膜だけを形成するのでは
なく、ＡｌＮ膜１００３とＡｌ膜とが交互に積層されて
いるものでもよい。半導体レーザの下にＡｌＮ膜を形成
し、このＡｌＮ膜を放熱体として用いることにより、以
下の効果が得られる。

【００２９】ＡｌＮ膜またはＡｌＮ／Ａｌ積層膜を放熱
体を用いない場合、つまり、シリコン基板上に半導体レ
ーザを直接実装した場合、熱抵抗は70℃/Wであり、これ
では、熱抵抗が大きすぎ、ＡｌＧａＩｎＰ系の波長６３
０〜６８０ｎｍ帯の赤色レーザを実装することはできな
い。実装しても、熱抵抗のため、すぐにレーザチップが
発振しなくなるからである。

【００３０】一方、シリコン基板上にＡｌＮ膜を形成
し、この膜の上に、レーザチップを実装した場合、つま
り、AlN膜を放熱体を用いた場合の熱抵抗は、35℃/Wで
あり、シリコン基板上に直接実装した場合の半分になっ
た。その結果、ＡｌＧａＩｎＰ系の６３０〜６８０ｎｍ
帯、特に６５０ｎｍ帯赤色レーザで、80℃、5ｍＷでの
信頼性も確保できた。

【００３１】AlNは放熱性に優れ、200Ｗ／ｍ・Ｋ程度の
熱伝導率を有する。ところが、高い熱伝導率を保つため
には、不純物の混入をさけなければならない。特に酸素
が混入すると熱伝導率が著しく低下する。実施の形態１
のＥＣＲ成膜装置は高純度（５〜６N）の金属Alを原料
とすることできるので、ホログラムユニットでの放熱体
として用いた場合のメリットは大きい。また、ECR成膜
装置によって緻密な膜が形成できる点では、通常のマグ
ネトロンスパッタと大きく異なる。それは、膜の緻密さ
も熱伝導率に大きく影響するからである。

【００３２】（実施の形態４）実施の形態３では、シリ
コン基板の上にＡｌＮ膜を形成して放熱体とし、レーザ
の放熱性を高めるようにしている。さらに冷却性をあげ
るために、ユニットの中を絶縁性の液体で満たして冷却
する、いわゆる液体冷却法を用いたユニットの実施の形
態を図１１を用いて説明する。

【００３３】ホログラムユニットを、プラスチック等で
作られたパッケージ１１００上にマウントし、レーザ１
１０２の出射面側にホログラム素子１１０５を乗せる。
ホログラム素子１１０５とプラスチックパッケージ１１
００の間の空間に、フルオロカーボン系の液体１１０４
を充填する。ここでは、Ｃ4Ｆ10を用いた。フルオロカ
ーボン系の液体は、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザの波
長帯の光の吸収が小さく、しかも、不活性、不燃性、絶
縁性であり、冷却用の液体としては好適である。

【００３４】この方法によって、半導体レーザの駆動に
よって発生する熱を効率良く放熱することができ、半導
体レーザの特性悪化、特に信頼性の低下を防ぐことがで
きる。

【００３５】このように、AlN放熱体と液体冷却とを同
時に使用すれば、半導体レーザの放熱の効果はさらに高
まり、レーザの高出力化等に非常に効果がある。

【００３６】最後に参考数値として、材料の熱伝導率を
記載しておく。Si・・・120Ｗ／ｍ・Ｋ、ＡｌＮ・・・2
00(文献によっては270)、Al2O3・・・25、GaAs・・・5
4、SiO2・・・1、SiC・・・270。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、比較的低
温、高純度、かつ平坦性の高いＡｌＮ膜を容易に成長す
ることができる。

【００３８】また、このＡｌＮ膜を半導体レーザの端面
に用いると、端面の酸化を防止し、かつ放熱特性がよい
ので、動作電流の小さい信頼性の高い半導体レーザを実
現することができる。

【００３９】また、ＡｌＮ膜を放熱体としてシリコン基
板上に用い、放熱特性の良くないレーザの放熱性を高め
ることで、レーザのしきい値電流の上昇を抑制し、高光
出力化を実現するものである。さらに、液体冷却によ
り、この効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＥＣＲ装置の構造断面図

【図２】ＥＣＲ法により、ＧａＡｓ基板上にＡｌＮ膜を
成長した断面図

【図３】ＥＣＲ法の堆積温度と、屈折率との関係を示し
た特性図

【図４】ＥＣＲ装置に半導体レーザを設置したときのＥ
ＣＲ装置の説明図

【図５】ＡｌＮ膜を端面に成長した半導体レーザの共振
器方向の構造斜視図

【図６】端面に成長したＡｌＮ膜の膜厚と、半導体レー
ザの反射率との関係を説明する特性図

【図７】酸素の添加量と応力との関係を示した特性図

【図８】ＥＣＲを用いて端面コートした半導体レーザの
動作電流を示す特性図

【図９】実施の形態３のホログラムユニットの構成斜視
図

【図１０】実施の形態３のホログラムユニットの構成断
面図

【図１１】液体冷却によるホログラムユニットの構成断
面図

【符号の説明】

１００ 半導体レーザ １０１ マグネトロン １０２ プラズマ生成室 １０３ 電磁石コイル １０４ Ａｌターゲット １０５ ＲＦ電源 １０６ ＥＣＲプラズマ １０７ 試料 １０８ 薄膜堆積室 １０９ 窒素ガス １１０ アルゴンガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊渕 康仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属Ａｌと窒素ガスを用い、ＥＣＲプラ
   ズマによりＡｌＮ膜を製造する窒化アルミニウムの製造
   方法。
2. 【請求項２】 酸素を添加することを特徴とする請求項
   １に記載の窒化アルミニウムの製造方法。
3. 【請求項３】 反応温度を０℃〜６００℃としたことを
   特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウムの製造方
   法。
4. 【請求項４】 反応温度を０℃〜５００℃としたことを
   特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウムの製造方
   法。
5. 【請求項５】 ５Ｎ以上の純度のＡｌを用いたことを特
   徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウムの製造方
   法。
6. 【請求項６】 共振器端面に窒化アルミニウム膜を有す
   る半導体発光素子。
7. 【請求項７】 窒化アルミニウム膜をＥＣＲ法により成
   長させたことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光
   素子。
8. 【請求項８】 窒化アルミニウム膜に酸素を添加したこ
   とを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 【請求項９】 光の出射端面に窒化アルミニウム膜を形
   成したことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素
   子。
10. 【請求項１０】 ＡｌＮ膜上にシリコン酸化膜を形成し
    たことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
11. 【請求項１１】 ５Ｎ以上の純度のＡｌを用いたことを
    特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
12. 【請求項１２】 基板と、前記基板の凹部に設けられた
    半導体発光素子と、前記凹部の前記半導体発光素子の直
    下に形成したＡｌＮ膜とを備えた、半導体発光装置。
13. 【請求項１３】 前記半導体発光素子は半導体レーザで
    あり、その発光波長が、６３０〜６８０ｎｍ帯である請
    求項１２に記載の半導体発光装置。
14. 【請求項１４】 ＡｌＮ膜とＡｌ膜との積層構造の膜を
    用いる請求項１２に記載の半導体発光装置。
15. 【請求項１５】 請求項１２、１３または１４に記載の
    半導体発光装置と、前記発光装置を収容するパッケージ
    とを備え、前記パッケージ内は、冷却用液体で封入され
    ている半導体発光装置。