CN101188344A - 半导体激光器和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器，在基板(11)上顺序层叠n型半导体层(13)、活性层(101)和p型半导体层(24)，所述活性层(101)包含由InGaN所构成的阱层，在活性层(101)和p型半导体层(24)之间，形成实质上不掺杂杂质的由氮化镓系列化合物半导体所构成的中间层(21)。利用该半导体激光器，可实现高的光输出动作下的长寿命。

Description

半导体激光器和其制造方法
本申请是申请日为2003年3月6日、申请号为03805468.X(PCT/JP03/02617)、发明名称为“半导体激光器和其制造方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器和其制造方法。
背景技术
近些年来，作为下一代的高密度光盘用光源，对于发出蓝紫光的激光二极管的希望变高，特别是，对在从蓝紫光到紫外光的短波长区域能动作的氮化镓(GaN)系列的III-V族化合物半导体发光元件的研究开发逐渐盛行。此外，这种光盘装置作为刻录部件，希望高密度、高速记录用，所以需要高光输出的高可靠性的GaN系列半导体激光器。
最近，为了GaN系列激光器的长寿命化，采用这种方法，在蓝宝石基板上成长的GaN系列半导体膜上部分堆积二氧化硅(SiO2)等绝缘膜，在该绝缘膜上选择生长GaN系列半导体降低位错密度(dislocation density)。关于这种选择成长，具有第一文献“IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.4(1998)483-489”。如按第一文献，表示了在GaN的<1-100>方向周期地形成直线间隔状的SiO2膜，将在SiO2上横向(ELO：Epitaxial Lateral Overgrowth)成长的GaN膜变平坦，一边能够用为低位错基板。
作为将该ELO选择成长技术用于激光器的文献，具有第二文献“Applied Physics Letters，Vol.77(2000)1931-1933”和第三文献“IEICETransuction Electron，Vol.E83-C(2000)529-535”。如按照第二文献，表示了通过选择成长能够将激光器构造的活性层部分的位错密度从1E10cm-2左右降低到1E7cm-2左右。此外，如按第四文献“JapaneseJournal of Applied Physics Vol.40(2001)3206-3210”，表示了降低GaN系列激光器的动作电流和动作电压，降低消耗电力(动作电流和动作电压的积)，对于抑制激光器的发热有关的长寿命化是有效的。
不仅GaN系列激光器，一般的半导体激光器的活性层具有用于载流子注入的由p-n结所夹持的构造。为此，在活性层附近的p型掺杂物和n型掺杂物的控制即所谓的界面陡峭性(interface abruptness)，对于激光器的特性提高是重要的。原因是，如果上述掺杂物扩散到活性层，作为非发光再结合中心而作用，降低了活性层的发光效率。下面，关于GaN系列半导体的p型掺杂物，来说明已有的控制方法。
对于GaN的p型掺杂物，通常使用二茂镁(Biscyclopentadienylmagnesium)(Cp2Mg)。但是，如按第五文献“Journal ofCrystal Growth，Vol.189/190(1998)551-555”，表示了在使用有机金属气相成长(MOVPE)的结晶成长中，具有作为p型掺杂物的Mg扩散到规定的结晶以外的问题。此外，也表示了在位错密度大的情况下，这种扩散明显。另外，在第六文献“Journal of Crystal Growth，Vol.145(1994)214-218”中，记载了Mg吸附到作为MOVPE装置的反应炉的石英制的反应堆的存储器效果。如按该文献，表示了由于Mg具有存储器效果，所以产生掺杂延迟，Mg浓度分布的界面陡峭性恶化。
另外，关于已有的Mg的扩散控制方法，记载在特开平6-283825号公报和特开平11-251687号公报中。
我们为了实现GaN系列激光器的长寿命化，与上述文献1、2同样，尝试通过ELO选择成长法来降低GaN膜的位错密度，但长寿命化的效果不明显。即，可理解，仅降低位错密度，不能实现GaN系列激光器的长寿命。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在高光输出动作中能够长寿命的半导体激光器和其制造方法。
本发明的所述目的通过下面的半导体激光器来实现，其在基板上，顺序层叠n型半导体层、活性层和p型半导体层，所述活性层包含由InGaN所构成的阱层，在所述活性层和所述p型半导体层之间，形成实质上不掺杂杂质的由氮化镓系列化合物半导体所构成的中间层。
该半导体激光器通过下面的半导体激光器的制造方法来制造，该方法例如具有：在基板上形成掺杂n型杂质的n型半导体层的步骤；在所述n型半导体层上，形成包括由InGaN构成的阱层的活性层的步骤；在所述活性层上，形成由氮化镓系列化合物构成的中间层的步骤；和在所述中间层上，形成掺杂p型杂质的p型半导体层的步骤，所述中间层不掺杂杂质来形成。
另外，本发明的所述目的通过半导体激光器来实现，该半导体激光器是这样的半导体激光器，在其基板上，顺序层叠n型半导体层、活性层和p型半导体层，在所述活性层和所述p型半导体层之间，形成由氮化镓系列化合物半导体所构成的中间层，所述中间层通过层叠实质上不掺杂杂质的非掺杂层和掺杂n型杂质的扩散抑制层来构成，在与所述p型半导体层相邻侧，配置所述扩散抑制层。
该半导体激光器通过半导体激光器的制造方法来制造，该方法例如包括：在基板上形成掺杂n型杂质的n型半导体层的步骤；在所述n型半导体层上形成包含由InGaN构成的阱层的活性层的步骤；在所述活性层上形成由氮化镓系列化合物构成的中间层的步骤；和在所述中间层上形成掺杂p型杂质的p型半导体层的步骤，其中，形成所述中间层的步骤包括：通过不掺杂杂质地成长氮化镓系列化合物半导体层，形成实质不掺杂杂质的非掺杂层的步骤；在所述氮化镓系列化合物半导体层的成长过程中，开始掺杂n型杂质来形成扩散抑制层的步骤。
优选，在所述基板上形成n型半导体层的步骤，在所述基板上沿横方向使氮化物系列化合物半导体层选择成长之后来进行。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的构成半导体激光器的激光器晶片的截面图。
图2是图1的部分截面图。
图3是表示本发明的实施方式1的半导体激光器的截面图。
图4是表示本发明的实施方式1的半导体激光器元件的光输出相对电流的变化的图。
图5是表示本发明的实施方式1的半导体激光器元件的动作电流相对动作时间的变化的图。
图6是表示比较例的激光器晶片中Mg向活性层的扩散状态的图。
图7是表示光致发光(PL)相对波长的变化的图。
图8是表示比较例的半导体激光器元件的动作电流相对动作时间的变化的图。
图9是表示本发明的实施方式1的激光器晶片中Mg向活性层的扩散状态的图。
图10是表示本发明的实施方式1的其它激光器晶片中Mg向活性层的扩散状态的图。
图11是表示本发明的实施方式1的上述其它激光器晶片，在寿命试验后Mg向活性层的扩散状态的图。
图12是表示本发明实施方式1的中间层和厚度和寿命时间的关系的图。
图13是表示本发明实施方式2的构成半导体激光器的激光器晶片的截面图。
图14是表示本发明的实施方式2的激光器晶片中Mg向活性层的扩散状态的图。
图15是表示本发明的实施方式2的半导体激光器元件的动作电流相对动作时间的变化的图。
图16是表示本发明的实施方式2的其它激光器晶片中Mg向活性层的扩散状态的图。
图17是本发明实施方式3的构成半导体激光器的激光器晶片的截面图。
图18是表示本发明实施方式3的半导体激光器的制造方法的工序图。
图19是表示本发明实施方式3的半导体激光器元件的动作电流相对动作时间的变化的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图1和图2是本发明实施方式1的构成半导体激光器的激光器晶片的截面图。如图1所示那样，激光器晶片为这样的构成，在蓝宝石基板11上，顺序层叠n型接触层12、n型覆层13、第一光引导层14、多重量子阱活性层101、中间层21、盖层22、第二光引导层23、p型覆层24和p型接触层25，在掺杂有n型杂质的n型半导体层和掺杂有p型杂质的p型半导体层之间，夹持活性层。P型杂质优选的是电活性率高，在本实施方式中是Mg。另外，n型杂质优选的电传导控制性好，在本实施方式中是Si。
如图2所示那样，多重量子阱活性层101构成为，从接近光引导层14开始顺序地层叠第一GaN屏蔽层15、第一In0.1Ga0.9N量子阱16、第二GaN屏蔽层17、第二In0.1Ga0.9N量子阱18、第三GaN屏蔽层19、和第三In0.1Ga0.9N量子阱20
该激光器晶片能够通过下面的方法来制造。首先，对将(0001)面作为主面的蓝宝石基板11，使用酸溶液来进行清洗。之后，将清洗过的基板11保持在MOVPE装置(未图示)的反应炉内的基座上，将反应炉进行真空排气。接着，将反应炉内设置压力为300Torr(1Torr＝133.322Pa)的氢环境，将温度升温到约1100℃，加热基板11，进行约10分钟的表面热清洁处理。
接着，将反应炉降温到约500℃，之后，对基板11的主面上，同时供给供给量7sccm的三甲基镓(trimethylgallium：TMG)和供给量7.5slm的氨气(NH3)和作为载气的氢气，由此成长由厚度20nm的GaN构成的低温屏蔽层(未图示)。接着，将反应炉升温到约1000℃，还供给作为n型掺杂物的硅烷(SiH4)气体，以约4μm厚度成长由Si杂质浓度约1E18cm-3的n型GaN构成的n型接触层12。接着，还一边供给三甲基铝(trimethylaluminum：TMA)，一边以约0.7μm的厚度成长由Si杂质浓度约5E17cm-3的n型Al0.07Ga0.93N构成的n型覆层13。接着，以约120nm的厚度成长由Si杂质浓度约1E18cm-3的n型GaN构成的第一光引导层14。
之后，将温度降低到约800℃，将载气从氢气变换为氮气，供给三甲基铟(trimethylindium：TMI)和TMG，如图2所示，成长多重量子阱活性层101，其由下面的各层所构成：由厚度约3nm的In0.1Ga0.9N所构成的各个量子阱16、18、20(3层)；由厚度约9nm的GaN所构成的各个屏蔽层15、17、19(3层)。此时，为了提高活性层101的发光效率，在屏蔽层的成长时也供给SiH4气体，仅对屏蔽层掺杂Si杂质浓度为2E18cm-3的Si。
接着，成长由厚度约15nm(0.015μm)的GaN所构成的中间层21。在本实施方式中，该中间层21意思是不添加杂质的实质非掺杂层。
之后，再次将反应炉内的温度升温到约1000℃，将载气从氮气恢复到氢气，一边供给作为p型掺杂物的Cp2Mg气体，一边以约20nm的厚度成长由Mg杂质浓度约1E19cm-3的p型Al0.18Ga0.82N所构成的盖层22。接着，以约120nm的厚度成长由Mg杂质浓度约1E19cm-3的p型GaN所构成的第二光引导层23。接着，以约0.5μm的厚度成长由Mg杂质浓度约1E19cm-3的p型Al0.07Ga0.93N所构成的p型覆层24。最后，以约0.05μm的厚度成长由Mg杂质浓度约1E19cm-3的p型GaN所构成的p型接触层25。这样，完成在p型半导体层和n型半导体层之间夹持中间层21和活性层101的激光器晶片。
下面，说明使用图1和图2所示的激光器晶片来制造图3所示的半导体激光器的方法。
首先，对激光器晶片进行p型半导体层的活性加热处理。之后，在晶片表面上堆积由二氧化硅(SiO2)所构成的绝缘膜。接着，在该绝缘膜上堆积抗蚀膜，通过光刻法，仅在p型接触层25的脊形成位置(ridge-forming portion)(脊宽度：约2μm)残留抗蚀膜。之后，将抗蚀膜作为蚀刻掩膜，利用氟酸溶液除去抗蚀除去部的绝缘膜，露出p型接触层25。接着，将脊形成位置以外的p型接触层25和p型覆层24的一部分利用干蚀刻装置来蚀刻，将p型半导体层的残留膜厚形成为0.1μm左右。之后，通过丙酮等有机溶液，除去脊上的抗蚀膜。
接着，通过由SiO2构成的绝缘膜来覆盖n型电极的形成位置之外，通过干蚀刻露出n型接触层12。之后，为了进行p侧和n侧的电分离，在表面上形成由SiO2构成的绝缘膜26后，通过氟酸溶液除去脊位置的p型接触层25上的绝缘膜。之后，在露出的n型接触层12上，通过钛(Ti)和铝(Al)蒸发来形成n型电极27，在露出的p型接触层25上，通过镍(Ni)、铂(Pt)和金(Au)蒸发来形成p型电极28。这样，得到如图3所示的半导体激光器。
接着，进行激光器共振器端面的解理工序。首先，从蓝宝石基板11的背面侧开始研磨，进行薄膜化，使得总膜厚为100μm左右。之后，利用解理装置(未图示)将基板11解理开为条状，使得共振器端面为蓝宝石基板的<1-100>方向。而且，在本实施方式中，激光器共振器长度是750μm。而且，在激光器共振器的后端面上，堆积由3对SiO2和二氧化钛(TiO2)的层叠体所构成的电介质多层膜，为高反射膜涂层。
最后，对解理开的条进行2次解理，分离为激光器片，由p侧向下安装到罐形激光器封装(CAN-type laser package)。在该安装时，通过钎焊将激光器片固定到由炭化硅(SiC)构成的子支座上。这样，能够制造半导体激光器元件。
本实施方式的半导体激光器元件，通过注入电流实现室温下连续振动。此时，如图4所示，阈值电流和斜率效率(Slope efficiency)分别是60mA、0.8W/A。
另外，挑选光输出30mW中消耗电力(动作电流和动作电压的积)是0.6W左右的激光器元件，在室温下进行30mW的高光输出下的基于恒定光输出(APC：自动功率控制)的寿命试验，图5表示了该结果。激光器元件的老化率(动作电流的增加率)是每小时0.9mA左右，确认约100小时的寿命时间(到动作电流是初期电流的2倍时的时间)。
在本实施方式中，由2元混晶GaN构成中间层，但也能够是AlGaN或者InGaN等3元混晶，或者AlInGaN等4元混晶等其它氮化镓系列化合物半导体。另外，在本实施方式中，关于III-V族氮化物半导体激光器进行了说明，但GaAs、InP等III-V族半导体激光器，或ZnSe等II-VI族半导体激光器等情况下，也能够形成与本实施方式相同的构成。
比较例
作为实施方式1的半导体激光器的比较例，比较讨论在中间层21中掺杂Si而成为n型GaN层，其它通过与实施方式1相同的方法来制造半导体激光器，Mg向活性层内的扩散状态。n型GaN层所构成的中间层的Si杂质浓度，为与屏蔽层相同程度的大约2E18cm-3。
对于比较例中的结晶成长后的激光器晶片，使用2次离子质谱测定法(SIMS)，评价作为p型掺杂物的Mg向活性层的扩散状态，图6表示了其结果。
从图6可知道Mg向活性层内(从第三量子阱20向第一量子阱16)广阔扩散的情形。具体地说，扩散后的Mg浓度，在第一量子阱16约为4E17cm-3，在第二量子阱18约为2E18cm-3，在第三量子阱20约为1E19cm-3。象后述那样，如果与实施方式1的激光器晶片的测量结果进行比较，可明白，在第二量子阱18约10倍，在第三量子阱20约4倍的Mg扩散到活性层内。即，在实施方式1中未掺杂的GaN中间层21，掺杂作为n型杂质的Si(即，成为n型GaN中间层)，由此促进了Mg的扩散。
这种现象能够参考已有的文献“Journal of Applied Physics，Vol.66(1989)605-610”象下面这样解释。扩散的Mg原子，由于存在于格子间位置，所以容易扩散，如果碰上由于扩散存在于置换型位置的Si，通过给-受体相互作用(库仑相互作用)，形成由MgSi构成的电中性的稳定的复合体。为此，认为Mg在掺杂Si的区域容易扩散。由于活性层是在屏蔽层中掺杂Si的层，所以可推测，象比较例那样，通过在中间层中掺杂Si，Mg广阔地扩散到活性层中央附近。
比较例的半导体激光器元件，通过电流注入可实现室温下连续振动。此时的阈值电流和斜率效率分别是75mA、0.5W/A。如果与上述实施方式1的半导体激光器元件的测量结果进行比较，阈值电流和斜率效率同时恶化。考虑到这是因为激光器元件的活性层的发光效率由于Mg扩散而降低导致的。为了确认这一点，本发明者进行了下面的试验。
在本试验中，在实施方式1的激光器晶片的制造工序中，制造在活性层成长时特意掺杂过Mg的半导体激光器元件(试样A)，和没有掺杂的半导体激光器元件(试样B)。此外，在激光器晶片的制造工序中，除在利用掺杂Si的GaN层来形成活性层且在活性层成长时特意掺杂Mg外，其它与实施方式1一样，通过这样的方法，来制造半导体激光器元件(试样C)。试样A和试样C的Mg杂质浓度为约1E19cm-3。
然后，测量上述试样A～试样C的光致发光(PL)。PL测量是选择地光激励活性层，在室温下进行的。图7表示了该结果。但是，关于试样A和试样C，将PL强度放大到250倍来表示。
如图7所示那样，没有掺杂Mg的试样B，其PL峰值波长约是400nm，但掺杂有Mg的试样A，分离为约435nm和约550nm的两个峰值，其半值宽也变宽。这种现象可考虑到，通过将Mg掺杂到活性层中，在InGaN量子阱内形成深的能级(deep level)，其成为非发光再结合中心。另外，也能够促进InGaN的相分离，降低量子阱的界面陡峭性。
来自深的能级的发光(550nm)的各个PL强度利用峰值强度标准化后的值(标准化强度)是，没有掺杂Mg的试样B是13600(550nm)/1300000(400nm)＝1.1E-2，与此相对，掺杂了Mg的试样A是1045000(550nm)/433200(430nm)＝2.4。即，可理解，试样A，通过掺杂Mg，来自深的能级的发光效率变高，活性层的发光效率降低。
另一方面，关于对由掺杂Si的GaN层构成的活性层掺杂Mg的试样C，上述标准化强度是12(550nm)/16200(360nm)＝7.4E-4，与没有掺杂Mg的试样B相比是较低的值。这样，通过掺杂Mg，深的能级的标准化强度变高而发光效率降低这样的问题，就是在活性层中包含InGaN量子阱的激光器元件所特有的问题。一直以来，作为GaN系列发光元件的长寿命化对策，将降低位错密度和降低消耗电力认为是唯一方法，但是这次初次认识到控制活性层内的杂质浓度也是重要的因素，其意义非常大。
但是，试样C与特开平6-283825号公报中所公开的对氮化镓系列化合物半导体激光器二极管的活性层添加过Mg的半导体激光器二极管相同。在特开平6-283825号公报中，提到了关于Mg的扩散的问题，在活性层中使用掺杂有Si的GaN。我们从上述试验可明白，在特开平6-283825号公报中，既使在向由掺杂Si的GaN所构成的活性层扩散Mg，如图7所示那样，从约400nm的波长看，为短波长侧的约360nm的波长其PL强度是峰值。
另一方面，我们注意到这样的问题，在向由InGaN所构成的活性层扩散Mg的情况下，象试样A那样，PL强度的峰值向长波长侧的550nm附近移动，结果发光色是黄色。在特开平6-283825号公报中，从约400nm的波长看，PL强度的峰值向长波长侧移动，没有看见发光色为黄色。因此，刚一看本发明与特开平6-283825号公报看起来类似，但解决的问题完全不同。而且，在特开平6-283825号公报中，没有提示在活性层中包含In。
另外，关于比较例的半导体激光器元件，挑选光输出30mW的消耗电力为0.6W左右的，在室温下进行30mW的高光输出的一定光输出(APC)寿命试验，将其结果在图8中表示。
如果将图8所示的测量结果与消耗电力相同的情况下的实施方式1的半导体激光器元件的测量结果(参照图5)来进行比较，可理解，比较例的激光器元件的老化率，与实施方式1的激光器元件相比，是10倍左右(每一个小时9mA左右)，急速地老化。即，可明确，比较例的激光器元件，其位错密度是与实施方式1相同的程度(约1E10cm-2)，但由于活性层内的Mg扩散状态不同，所以在寿命时间上产生差异。
而且，在比较测量结果时，消耗电力相同，由于GaN系列激光器的寿命时间非常大地依赖于消耗电力，所以，如果不以相同程度的消耗电力来比较激光器元件，就不能明确活性层内的Mg扩散状态和寿命时间的相互关系。
研究中间层的厚度
下面研究本实施方式的半导体激光器中的中间层21的优选厚度。在本实施方式中，在p型半导体层和活性层之间设置作为非掺杂层的中间层21，所以在中间层21的厚度过大的情况下，就不能从p型半导体层向活性层有效地注入空穴。这里，在蓝宝石基板上，与上述一样，通过层叠n型GaN层和p型GaN层来制造p-n结器件，来评价n型GaN层中的空穴的扩散长度。然后，解理开该器件，露出pn结部分后，通过使用扫描电子显微镜(SEM)的电子束感应电流法(EBIC)，来观察解理开的器件截面的p-n结部分。结果，n型GaN层中的空穴的扩散长度是0.2μm左右。在III-V族氮化物半导体的情况下，与其它化合物半导体相比，作用于电传导的空穴的有效质量大，所以其扩散长度是0.2μm左右以下，是非常小的值。
从这样的试验结果可知，为了向活性层有效地电注入空穴，应该使中间层21的厚度比空穴的扩散长度(本实施方式中是0.2μm)小。
另一方面，在中间层21的厚度过小的情况下，p型掺杂物通过中间层21向活性层扩散。作为一个例子，在中间层21的厚度是15nm的情况下，使用SIMS法，评价作为p型掺杂物的Mg向活性层的扩散状态，图9表示了其结果。可明白Mg向活性层内(从第三量子阱20向第一量子阱16)扩散的情形。具体地说，扩散后的Mg浓度，在第一量子阱16约为1E17cm-3，在第二量子阱18约为2E17cm-3，在第三量子阱20约为3E18cm-3
为了更详细地进行讨论，制造中间层21为各种厚度的激光器元件，进行下面的试验。作为一个例子，关于中间层21的厚度是60nm的激光器晶片，使用SIMS法，评价Mg向活性层的扩散状态，图10表示了该结果。
如果将图10所示的结果(中间层厚度：60nm)与图9所示的结果(中间层厚度：15nm)进行比较，可明白，通过加大中间层21的厚度，可抑制Mg向活性层内(从第三量子阱20向第一量子阱16)的扩散。具体地说，扩散后的Mg浓度，从第一向第三量子阱约为1E17cm-3(检测临界左右)。
这样，通过增加中间层21的厚度，由于增加了p型Al0.18Ga0.82N盖层和活性层的距离，所以可抑制Mg向活性层内的扩散。
由该中间层厚度是60nm的激光器晶片制造的半导体激光器元件，通过电流注入在室温下连续振动。另外，阈值电流和斜率效率是50mA、1.0W/A，与中间层厚度是15nm的情况相比，哪一方面都良好。而且，关于中间层厚度是30nm的激光器元件也进行了同样的测量，阈值电流和斜率效率是55mA、0.9W/A，与中间层厚度是15nm的情况相比，哪一方面都良好。结果，考虑到通过增加中间层的厚度，可降低Mg的扩散，提高活性层的发光效率。
在消耗电力是0.6W左右的各个激光器元件的光输出30mW的APC寿命试验中，中间层厚度是30nm的激光器元件是110小时的寿命时间，中间层厚度是60nm的激光器元件是125小时左右的寿命时间。中间层厚度是15nm的激光器元件，象上述那样，寿命时间是100小时，所以，与中间层厚度增加的同时，寿命时间也增加，实现了显著的寿命改善。为了弄清楚该原因，关于中间层厚度是60nm的激光器元件，对APC寿命试验后的激光器元件进行SIMS分析。将该结果在图11中表示。
从图11可知，与APC寿命试验前的SIMS结果(图10)进行比较，通过寿命试验，Mg显著扩散到活性层中。这种现象考虑到是由于以下造成的：因为位错密度大(约1E10cm-2)，所以通过寿命试验中pn结的发热和内部电场的作用，作为p型掺杂物的Mg通过位错扩散到活性层内所引起的。
但是可理解，如果进一步增加中间层21的厚度，可急剧地改善寿命时间。对中间层21为各种厚度的激光器元件进行APC寿命试验的结果在图12中表示。直到中间层的厚度是约100nm，在中间层厚度增加的同时也改善了寿命时间，但如果中间层的厚度超过约100nm，寿命时间就慢慢降低。虽然也制造中间层厚度为200nm(0.2μm)的激光器元件，但在室温下没有实现连续振动。这可推测出是由于以下原因：因为中间层厚度是空穴的扩散长度(0.2μm)左右，所以向活性层注入空穴的效率大幅降低的原因。
根据该结果，中间层21的厚度优选的是15nm以上180nm以下，更优选的是60nm以上160nm以下，进一步优选是80nm以上130nm以下。
下面，为了观察各个激光器元件的发光状态，通过注入电流，利用电荷耦合元件(CCD)摄像器从蓝宝石基板的背面观察沿着脊带发光的电致发光(EL)的光。可确认，在中间层厚度为15nm的激光器元件中，EL光强度弱的区域(发光不均匀)产生很多，但在中间层厚度是30nm、60nm的激光器元件中，确认EL光均匀地改善。作为关于这种发光不均匀的以前的报告例子，具有第七文献“第48次应用物理学关系联合讲演会讲演论文集No.128p-E-12p.369”，但如按照该文献那样，报告这种发光不均匀是由于在活性层上存在的p型AlGaN盖层在活性层上产生大的变形导致的。但是，在我们的研究中，初次发现Mg向活性层内的扩散是发光不均匀的主要原因。由于发光不均匀的降低对于晶片面内的激光器元件的成品率提高、进而降低成本有大的贡献，所以在制造中发现这种现象意义非常大。
另外，关于中间层厚度是60nm的激光器元件，比较APC寿命试验前后的EL发光图像，看到这种倾向：在寿命试验前观察多个认为起因于穿透位错(threading dislocation)的暗点，在寿命试验后该暗点更加暗(扩大)。这种现象可推测到，象前述那样，由于寿命试验中Mg通过穿透位错扩散到活性层中，所以在位错周边的区域活性层的发光效率降低。
(实施方式2)
图13是本发明的实施方式2的构成半导体激光器的激光器晶片的截面图。实施方式2的激光器晶片是这样的构成，在图1所示的实施方式1的激光器晶片中，将由非掺杂层构成的中间层21变为由两层构造构成的新的中间层31，其它相同。因此，对于同实施方式1的半导体激光器元件相同的构成部分赋予相同的符号，省略了其详细说明。
本实施方式的激光器晶片中的中间层31是在活性层101和盖层22之间形成的厚度60nm的GaN层，为层叠厚度15nm的非掺杂层31a和厚度45nm的扩散抑制层31b这样的构成。扩散抑制层31b是例如Si杂质浓度是3E19cm-3左右的层，与盖层22邻接。
该激光器晶片能够利用基本与实施方式1相同的方法来制造，但在中间层31的形成时，改变GaN层的成长中SiH4气体的供给量，使得在中间层31的膜厚内，Si杂质浓度在厚度方向不均匀。具体地说，在中间层31的成长开始后，使得这样成长，厚度约15nm是非掺杂，剩余的厚度约45nm，供给SiH4气体，形成n型GaN层。
对于结晶成长结束后的激光器晶片，使用SIMS法，将评价作为p型掺杂物的Mg向活性层的扩散状态之结果表示在图14中。开始Mg的掺杂后的p型Al0.18Ga0.82N盖层22的下面存在本实施方式的中间层31，由此，能够大幅度抑制Mg向活性层内的扩散。具体地说，扩散后的Mg浓度，在第一量子阱26、第二量子阱28和第三量子阱30，都是约1E17cm-3(检测临界左右)。
将该测量结果，与实施方式1中非掺杂中间层21的厚度与本实施方式的中间层31整体的厚度相同程度(约60nm)的情况(参照图10)进行比较，可理解，不管在中间层内的Mg浓度在本实施方式中多，在活性层内的Mg浓度是相同的。这种现象，能够象下面这样进行考察。
扩散的Mg原子，由于存在于格子间位置，所以容易扩散，如果碰上由于扩散存在于置换型位置的Si，通过给-受体相互作用(库仑相互作用)，形成由MgSi构成的电中性的稳定的复合体。为此，考虑到Mg向掺杂有Si的区域扩散，在该位置稳定化。本实施方式的情况下，在作为中间层31的成长后半的厚度是约45nm的区域，是以3E19cm-3左右的浓度掺杂有Si的扩散抑制层31b，所以在与p型Al0.18Ga0.82N盖层22的界面产生Mg的积累(堆积)。为此，扩散的Mg汇集到上述界面上，由此显著地抑制Mg向活性层内扩散。此外，在作为中间层31的成长前半的厚度约15nm的区域是非掺杂层31a，所以，在中间层31成长后半程所掺杂的Si，被抑制扩散到第三量子阱20。
本实施方式的半导体激光器元件，通过电流注入在室温下连续振动。此时的阈值电流和斜率效率分别是45mA、1.2W/A，得到良好的效果。考虑到这是由于利用Mg的扩散抑制提高了激光器元件的活性层的发光效率而导致的。
另外，与上述实施方式1同样，挑选光输出30mW下消耗电力是0.6W左右的激光器元件，在室温下进行30mW的APC寿命试验，图15表示了该结果。激光器元件的老化率是每个小时0.3mA左右，确认其寿命时间为250小时。
将该结果与实施方式1中未掺杂中间层21的厚度与本实施方式的中间层31整体厚度相同程度(约60nm)的情况来进行比较，上述实施方式1的激光器元件的寿命时间是125小时左右，可确认，本实施方式的激光器元件能够实现更长的寿命。
在本实施方式中，由2元混晶GaN构成中间层，但也能够是AlGaN或者InGaN等3元混晶，或者AlInGaN等4元混晶等其它氮化镓系列化合物半导体。另外，在本实施方式中，关于III-V族氮化物半导体激光器进行了说明，但GaAs、InP等III-V族半导体激光器，或ZnSe等II-VI族半导体激光器等情况下，也能够形成与本实施方式相同的构成。
对中间层的Si浓度的研究
下面，讨论中间层31的扩散抑制层31b的优选的Si浓度。在本实施方式中，制造中间层31的Si浓度分别不同的三种激光器晶片(试样D～试样F)。各个激光器晶片的扩散抑制层31b的Si浓度，试样D是约5E17cm-3，试样E是约2E18cm-3，试样F是约1E19cm-3(试样F)。而且，约2E18cm-3的Si浓度为与活性层的屏蔽层的Si浓度相同程度，约1E19cm-3的Si浓度为与p型Al0.18Ga0.82N盖层的Mg浓度相同程度。
对于试样D～试样F，使用SIMS法，将对Mg向活性层的扩散状态的评价的结果在图16中表示。在全部激光器晶片中，Mg向活性层内(从第三量子阱20向第一量子阱16)扩散。但是，可知，Mg的扩散程度，以试样E最显著，其次是以试样D、试样F的顺序扩散受到抑制。特别是，试样F产生Mg的集成(堆积)，能够有效地防止Mg扩散。
从上面的结果可明白，将中间层31的扩散抑制层31b的Si浓度设为与p型Al0.18Ga0.82N盖层22的Mg浓度(即本实施方式的情况下约1E19cm-3)相同程度以上，可显著抑制Mg的扩散。在氮化物系列III-V族化合物半导体的情况下，通常既使掺杂p型杂质，其电活化率是几％左右，所以具有p型半导体层的电传导率降低的倾向。在提高p型半导体层的电传导率中，有助于电传导的空穴浓度需要是1E18cm-3左右，所以，考虑电活化率，需要大量掺杂p型杂质到1E19cm-3以上。这种情况下，将扩散抑制层31b的n型杂质浓度控制到至少1E19cm-3以上，能够有效地控制来自p型半导体层的p型杂质的扩散。而且，关于扩散抑制层31b的Si浓度的上限，可由实用的范围来定义，例如是6E19cm-3左右。
研究构成中间层的各个层厚度
在本实施方式中，将中间层31(总厚度：60nm)中非掺杂层31a的厚度设为15nm，将扩散抑制层31b的厚度设为45nm，但可适当改变扩散抑制层31b对非掺杂层31a的厚度比，关于各种激光器晶片，象上述那样评价Mg向活性层的扩散。而且，扩散抑制层31b的Si浓度为约1E19cm-3。
结果，在非掺杂层31a的厚度是1时，扩散抑制层31b的厚度是1/11以上11以下的范围，能够有效地抑制Mg的扩散，在1/3以上3以下的范围，能够得到更显著的抑制效果。但是，中间层31的总厚度优选的是空穴的扩散长度以下，具体地说，优选与实施方式1一样是15nm以上180nm以下。
(实施方式3)
图17是本发明的实施方式3的构成半导体激光器的激光器晶片的截面图。实施方式3的半导体激光器是在图13所示的实施方式2的半导体激光器中，在基板11上形成第一GaN层41，在该第一GaN层41上形成条状的绝缘图案42，在第一GaN层41上通过ELO(横向外延生长(Epitaxial Lateral Overgrowth))法来形成第二GaN层43，使得盖住该绝缘图案42。然后，在第二GaN层43上形成n型接触层12。其它构成与实施方式2的半导体激光器元件相同，所以对于相同的构成部分赋予相同的符号，省略了其详细说明。而且，在本实施方式中，将n型接触层12的厚度设为约2μm。
本实施方式的半导体激光器能够利用基本上与实施方式2相同的方法来制造，但主要参照图18在下面说明通过ELO法形成第二GaN层43的方法。
首先，在基板11上成长低温缓冲层(未图示)后，将反应炉升温到约1000℃，成长厚度约1μm的第一GaN层41(图18(a))。之后，从反应炉中取出基板11，在第一GaN层41上形成选择成长用的绝缘膜I(图18(b))。绝缘膜I是二氧化硅(SiO2)，利用等离子CVD装置堆积100nm左右。
接着，在绝缘膜I上涂覆抗蚀膜，通过光刻法，形成直线-间隔状的抗蚀图案R(图18(c))。这里，抗蚀图案宽度(Ws)∶抗蚀除去宽度(W1)＝15μm∶3μm。但是，该条的方向是第一GaN层41的<1-100>的方向。之后，将抗蚀图案R作为蚀刻掩膜，利用氟酸溶液来除去抗蚀除去部的绝缘膜I，露出第一GaN层41。接着，通过丙酮等有机溶液来除去抗蚀图案R。这样，在第一GaN层41上形成绝缘图案42(图18(d))。
之后，将基板11再次保持到MOVPE装置的反应炉内的基座上，对反应炉进行真空排气。接着，将反应炉内形成压力200Torr的氢环境气氛，将温度升温到约1000℃，同时提供供给量7sccm的三甲基镓(TMG)，和供给量7.5slm的氨(NH3)气和作为载气的氢气，来ELO选择成长第二GaN层43。第二GaN层43在选择成长初期在绝缘图案42间成长(图18(e))，一旦进行成长，就在绝缘图案42的上方横方向成长(图18(f))，最终进行表面的平坦化(图18(g))。
利用平面透射电子显微镜(TEM)来评价第二GaN层43的穿透位错密度，相邻的绝缘图案42间是约1E10cm-2，与此相对，绝缘图案42上方的ELO部分约为5E8cm-2，可理解，通过ELO选择成长能够将位错密度降低到1/20左右。
在激光器结构的结晶成长中，在厚度约5μm的第二GaN层43上，也提供作为n型掺杂物的硅烷(SiH4)，以厚度约2μm成长由Si杂质浓度约1E18cm-3的n型GaN所构成n型接触层12。之后，通过与实施方式2相同的方法，能够制造图17所示的激光器晶片。
另外，由该激光器晶片来制造半导体激光器元件的激光器加工工序，与实施方式1相同。但是，p型接触层25的脊在绝缘图案42之上的低位错密度部分处形成。
本实施方式的激光器元件，通过电流注入达到室温连续振动。此时的阈值电流和斜率效率分别是35mA、1.4W/A，得到良好的结果。通过Mg的扩散抑制提高了激光器元件的活性层的发光效率，此外，认为是由活性层区域的位错密度的降低导致的。即，通过降低活性层内的位错密度，减小非发光再结合中心，所以提高发光效率。
另外，与上述实施方式1同样，挑选光输出30mW中消耗电力为0.6W左右的激光器元件，在室温下进行30mW的APC寿命试验，图19表示该结果。激光器元件的老化率是每个小时0.03mA左右，确认寿命时间是1000小时以上的稳定动作，能够大幅度抑制老化的进行。即，作为GaN系列发光元件的长寿命的对策，降低位错密度是重要的，这样的长寿命化的效果，通过与实施方式1、2的激光器元件那样的能够控制活性层内的杂质浓度的构成组合，效果更显著。
在本实施方式中，由2元混晶GaN构成中间层，但也能够是AlGaN或者InGaN等3元混晶，或者AlInGaN等4元混晶等其它氮化镓系列化合物半导体。另外，在本实施方式中，针对III-V族氮化物半导体激光器进行了说明，但是在GaAs、InP等III-V族半导体激光器或ZnSe等II-VI族半导体激光器等的情况下，也能够形成与本实施方式相同的构成。
产业上的可利用性：象上面那样，如按照本发明，能够提供高光输出动作中可长寿命的半导体激光器和其制造方法。

Claims (5)

1.一种半导体激光器，其特征为，
在基板上顺序层叠n型半导体层、活性层和p型半导体层，
所述活性层包含由InGaN所构成的阱层，
在所述活性层和所述p型半导体层之间，形成有实质上不掺杂杂质的由氮化镓系列化合物半导体所构成的中间层，
所述中间层由GaN或InGaN形成，
在所述活性层和中间层之间没有间隔其它的p型半导体层，
在所述基板和n型半导体层之间，形成有包括穿透位错密度为5E8cm-2以下的低位错区域的半导体层。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，
所述中间层的厚度是15nm以上180nm以下。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，
所述半导体激光器是III-V族氮化物半导体激光器，
所述n型半导体层是包含Si作为n型杂质，
所述p型半导体层是包含Mg作为p型杂质。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，
所述活性层中的p型杂质的浓度是约1E17cm-3以下。
5.一种半导体激光器的制造方法，其特征在于，包括：
在基板上形成有包括穿透位错密度为5E8cm-2以下的低位错区域的半导体层的步骤；
在所述半导体层上形成掺杂有n型杂质的n型半导体层的步骤；
在所述n型半导体层上形成包括由InGaN构成的阱层的活性层的步骤；
在所述活性层上形成由氮化镓系列化合物构成的中间层的步骤；和
在所述中间层上形成掺杂有p型杂质的p型半导体层的步骤，
其中，所述中间层由GaN或InGaN形成，不掺杂杂质来形成，并且按照在与所述活性层之间没有间隔其它p型半导体层的方式来形成。
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