CN101369714A - 制造半导体激光器的方法 - Google Patents

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Abstract

含有光子晶体构造的半导体激光器的制造方法，上述光子晶体构造具有空孔的排列，在该方法中，将基板(W2)设置在生长炉(13)中，使载气(氮)流动的同时，将生长炉(13)的温度上升到生长温度TG。在升温过程中，形成了图案的InGaN层(17a)的开口(17b)受到影响，开口(17b)中的AlX2Ga1－X2N生长及迁移和AlX2Ga1－X2N的表面相比被抑制。将氮化镓系半导体层(23)(例如GaN层)形成在InGaN层(17a)上。氮化镓系半导体层(AlX2Ga1－X2N)(23)以形成和开口(17b)对应的空孔(25)的方式生长。由此形成二维光子晶体的二维衍射光栅(26)。

Description

制造半导体激光器的方法
技术领域
本发明涉及到一种制造半导体激光器的方法。
背景技术
专利文献1(国际公开2006/062084号公报)中记载了一种半导体激光元件。该半导体激光元件含有夹在p型包层和n型包层之间的活性层，并且p型包层上设有光子晶体层。光子晶体层包括：GaN晶膜层、由折射率比GaN的折射率低的材料构成的部分。在光子晶体层上形成GaN层。
发明内容
专利文献1所述的半导体激光元件的光子晶体层由以下构成：GaN晶膜层；由折射率比GaN的折射率低的材料构成的多个部分的排列。另一方面，如果不使用折射率比GaN的折射率低的材料，而通过氮化镓系半导体区域上设置的空孔(空隙：void)的排列制造出光子晶体构造，则可扩大光子晶体构造中的折射率差。在光子晶体构造中，在GaN层上形成图案而制造孔的排列。在成图的GaN层上生长氮化镓系半导体时，孔内也生长堆积物，若干空孔会变形。因此，进行了对该GaN层上的晶体生长后，空孔的排列的一致性被破坏。
本发明鉴于以上情况而产生，其目的在于提供一种含有光子晶体构造的半导体激光器的制造方法，上述光子晶体构造具有空孔的排列。
本发明的一个侧面是制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法。该方法具有以下工序：(a)在氮化镓系半导体区域上，通过生长炉生长InX1Ga1-X1N(0<X1<1＝层的工序；(b)将含有上述InX1Ga1-X1N层的基板生产物从上述生成炉取出后，将用于二维光子晶体的二维衍射光栅的多个开口形成在上述InX1Ga1-X1N层上，以形成成图的InX1Ga1-X1N层的工序；(c)将AlX2Ga1-X2N(0≤X2≤1)层形成在上述成图的InX1Ga1-X1N层上以形成和上述开口对应的空孔的工序。
根据本发明的方法，为了形成图案，加工InX1Ga1-X1N层，在InX1Ga1-X1N层上形成开口。在成图的InX1Ga1-X1N层开口的表面残留有加工造成的损伤。使第2基板的温度向生长温度上升后，形成AlX2Ga1-X2N层。在该AlX2Ga1-X2N层的形成中，受到加工形成的开口的表面上残留的损伤的影响，AlX2Ga1-X2N生成及迁移在空孔内受到抑制，另一方面AlX2Ga1-X2N堆积在InX1Ga1-X1N的表面上。为了抑制这一点，将与InX1Ga1-X1N层的开口对应的空孔不被堆积物充满地覆盖开口并生长的AlX2Ga1-X2N层作为手段，形成空孔。通过AlX2Ga1-X2N层及InX1Ga1-X1N层的空孔的组合，提供了用于二维光子晶体的构造。
在本发明涉及的方法中，上述开口的侧面及底面可由InGaN构成。根据该方法，成图的InX1Ga1-X1N层的开口的侧面及底面在上述升温过程中受到影响，在生长AlX2Ga1-X2N层时，侧面及底面的AlX2Ga1-X2N生长及迁移受到抑制。另一方面，InX1Ga1-X1N层上产生AlX2Ga1-X2N生长。AlX2Ga1-X2N以InX1Ga1-X1N层上为基点产生横向生长，从而能够以不填埋开口地覆盖开口，在其上部生长。因此，与InX1Ga1-X1N层的开口对应的空孔在AlX2Ga1-X2N层生长时形成。
在本发明涉及的方法中，可进一步具有如下工序：形成上述InX1Ga1-X1N层后，在将用于上述二维衍射光栅的多个开口形成在上述InX1Ga1-X1N层前，在上述InX1Ga1-X1N层上形成GaN层。上述基板生产物包括上述GaN层，上述多个开口形成在上述InX1Ga1-X1N层及上述GaN层。
根据该方法，在AlX2Ga1-X2N层生长时，InX1Ga1-X1N层的上表面被GaN层覆盖。但是，InX1Ga1-X1N层的开口的侧面及底面露出，不会被GaN层覆盖。因此，在AlX2Ga1-X2N层生长中，提高了选择性。
在本发明涉及的方法中，可进一步具有：在形成上述AlX2Ga1-X2N层前，形成覆盖上述开口的底面的电介质层的工序。上述基板生产物包括上述电介质层。
根据该方法，在电介质层的底面及AlX2Ga1-X2N侧面，更阻碍了开口内的生长，因此可从InX1Ga1-X1N层的开口形成良好形状的空孔。
在本发明涉及的方法中，上述电介质层可含有硅氧化物、硅氮化氧化物、硅氮化物、锆氧化物、钛氧化物、铪氧化物中的至少任意一种。
在本发明涉及的方法中，可进一步具有：形成上述AlX2Ga1-X2N层后，形成活性层的工序。根据该方法，二维衍射光栅由InX1Ga1-X1N层及AlX2Ga1-X2N层的组合形成的空孔的排列构成，并且与AlX2Ga1-X2N层形成后形成的活性层光学耦合。或者，在本发明涉及的方法中，进一步具有：形成上述InX1Ga1-X1N层前形成活性层的工序。根据该方法，二维衍射光栅由InX1Ga1-X1N层及AlX2Ga1-X2N层的组合形成的空孔的排列构成，并且与在InX1Ga1-X1N层前形成的活性层光学耦合。在本发明涉及的方法中，优选上述InX1Ga1-X1N层的上表面与上述AlX2Ga1-X2N层接触。并且，在本发明涉及的方法中，优选上述AlX2Ga1-X2N层形成在上述InX1Ga1-X1N层上，以使上述AlX2Ga1-X2N层关闭上述开口并形成上述空孔。进一步，在本发明涉及的方法中，优选上述InX1Ga1-X1N层通过上述AlX2Ga1-X2N层不充满上述开口地覆盖上述开口而形成空孔。
本发明的上述目的及其他目的、特征、优点可参照附图进行的本发明的优选实施方式的下述详细记载可得以明确。
附图说明
图1是表示本实施方式涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
图2是表示本实施方式涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
图3(a)是表示拍摄了实施例中的空孔的排列的SEM图像的图。
图3(b)是表示拍摄了参考例中的空孔的排列的SEM图像的图。
图4是表示本实施方式的变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
图5是表示本实施方式的变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
图6是表示本实施方式的其他变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
图7是表示本实施方式的其他变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
图8是表示本实施方式的其他变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
图9是表示本实施方式的其他变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。
具体实施方式
参照作为示例的附图并考虑以下详细记述，可易于理解本发明的观点。以下参照附图说明制造本发明的半导体激光器的方法所涉及的实施方式。在可能的情况下，对同一部分给予相同的标记。
图1及图2是表示本实施方式涉及的制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。在本实施方式中，用于半导体激光器的若干个氮化镓系半导体层例如通过有机金属气相生长法形成。
如图1(a)所示，将GaN基板这样的基板11放置到生长炉13。在下述示例说明中，对具有n导电性的基板11实施用于半导体激光器的工序。在进行了基板11的主面11a的光敏清洁后，生长n型包层15。n型包层15例如可由称为AlGaN的氮化镓系半导体构成。n型包层15上生长InX1Ga1-X1N(0<X1<1)层(以下记作InGaN层)17。InGaN层17例如具有n型掺杂物，具有比n型包层15大的折射率。InGaN层17生长后，将生长炉的温度下降到室温附近的温度，将基板W1从生长炉13取出。
接着说明在基板W1的InGaN层17中进行用于二维光子晶体的二维衍射光栅的多个开口的成图、并形成成图的InGaN层的工序。如图1(b)所示，在基板W1的InGaN层17上形成用于二维衍射光栅的掩膜19。掩膜19具有用于二维衍射光栅的开口的排列，这些开口例如排列为三角光栅、正方光栅等光栅。掩膜19例如可由抗蚀剂构成，扫描电子束，将用于二维衍射光栅的开口的图案描绘到光致抗蚀剂膜上，对其显影，可形成掩膜19。
使用掩膜19在InGaN层17上形成用于二维衍射光栅的开口。该形成通过蚀刻加工来进行。如图1(c)所示，例如在干蚀刻装置21中，使用掩膜19蚀刻InGaN层17，形成具有周期性折射率分布的InGaN层17a。InGaN层17a中，形成孔这样的开口17b的排列，该排列对应于掩膜19的二维衍射光栅。各开口17b的侧面17c及底面17d由InGaN构成。蚀刻后去除掩膜19，提供基板W2。基板W2含有成图的InGaN层17a。在一个实施方式中，开口17b的深度例如优选20nm以上，开口过浅时，光子晶体和活性层的光学性耦合变小，无法获得充分的反馈效果。开口17b的排列周期由二维衍射光栅相关的氮化镓系半导体的折射率、及发光波长决定。
将基板W2放置在生长炉13，使生长炉13的温度上升到生长温度TG。之后如图2(a)所示，将氮化镓系半导体层23形成在InGaN层17a上。氮化镓系半导体层23例如是n型GaN层。氮化镓系半导体层23以InGaN层17a上为基点横向进行生长，从而能够以不会填埋开口地覆盖开口的方式在其上部生长而形成空孔。因此，形成与开口17b对应的空孔25地进行生长。并且，也可替代GaN层而生长AlGaN层。
在该方法中，在基板W2放置在生长炉13后，基板W2的温度在生长炉内上升到生长温度TG。通过该升温，成图的InGaN层17a的开口17b受到影响，开口17b中的AlX2Ga1-X2N生成及迁移和InX1Ga1-X1N的表面相比被抑制。因此，InGaN层17a上，AlX2Ga1-X2N横向生长，从而以不填埋开口地覆盖开口的方式在其上部生长。其结果是，通过AlX2Ga1-X2N的生长及InX1Ga1-X1N层17a的开口17b的组合，形成空孔25。通过上述工序，形成二维光子晶体的二维衍射光栅26。
接着使用生长炉13进行若干个氮化镓系半导体层的生长。如图2(b)所示，在氮化镓系半导体层23上生长活性层27。该活性层27与二维衍射光栅26光学耦合。在一个实施例中，活性层27具有量子阱构造29，活性层27的构造不限于此。该量子阱构造29含有交互排列的阱层29a及垒(barrier？)层29b。阱层29a例如可由InGaN、AlGaN、GaN、InAlGaN等构成，并且垒层29b由比阱层29a带隙大的材料、例如InGaN、GaN、AlGaN、InAlGaN等构成。
接着，在活性层27上生长氮化镓系半导体层31。氮化镓系半导体层31例如可以是GaN层，为了避免掺杂物对光的吸收优选由非掺杂层构成。
氮化镓系半导体层31上依次生长电子块层33、p型包层35、及p型连接层37。电子块层33例如可由比氮化镓系半导体层31带隙大的AlGaN层构成，优选含有p型掺杂物。p型包层35向活性层25提供正孔，并且为了关闭入光线而由折射率比活性层25小的氮化镓系半导体构成。p型包层35例如可由AlGaN层构成。p型连接层37为了提供良好的电连接，优选含有高浓度的掺杂物。p型连接层37例如可由p型GaN层或p型AlGaN层构成。通过它们的生长提供基板W3。
必要时进行基板11的研磨。如图2(c)所示，p型连接层37上形成p电极41a，并且在基板11的背面11b形成n电极41b。
(实施例1)
使用有机金属气相生长法制造蓝紫色二维光子晶体(n侧)激光器。作为原料使用三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)、氨(NH3)、甲硅烷(SiH4)、二茂基镁(Cp2Mg)。将(0001)面n型氮化镓基板配置到衬托器上后，向生长炉提供NH3和H2，在炉内压力30kPa下，用摄氏1100度的基板温度进行10分钟的热敏清洁。使炉内压力为大气压后，按照以下顺序进行成膜。首先，提供TMG、TMA、NH3、SiH4，在摄氏1100度的基板温度下使厚2μm的n型Al0.03Ga0.97N生长，并且提供TMG、TMI、TMA、NH3、SiH4，以摄氏880度的基板温度使用于衍射光栅的厚100nm的n型In0.02Ga0.98N生长。通过上述生长形成外延片。使基板降温后，从生长炉取出外延片，如下所述形成用于光子晶体的掩膜。将电子束曝光用光致抗蚀剂用匀胶机涂敷到外延片上，以形成平均的抗蚀剂膜。使用电子束曝光装置，在抗蚀剂膜的300μm见方的区域内，描绘用于光子晶体的正方形光栅图案(直径70nm，间距166nm)。进行抗蚀剂膜的显影形成掩膜后，将晶圆配置在反应性离子蚀刻装置上。使用抗蚀剂掩膜，通过蚀刻气体Cl2部分性地去除、转印n型InGaN层，形成具有和图案对应的开口的排列的InGaN层。之后，为了晶体生长，从晶圆去除抗蚀剂掩膜。
将晶圆配置到衬托器后，使基板温度上升到生长温度。在摄氏1100度的基板温度、炉内压力30kPa下，在生长炉中提供TMG、NH3、SiH4，生长200nm的n型GaN层，形成和InGaN层的凹部对应的空孔的排列。降低生长炉的温度，形成具有3个周期的量子阱构造的活性层。在摄氏880度的基板温度下，提供TMG、TMI、NH3，生长厚15nm的非掺杂In0.01Ga0.99N垒层。在摄氏800度的基板温度下，提供TMG、TMI、NH3，生长厚3nm的非掺杂In0.07Ga0.93N阱层。提高生长炉的温度，在摄氏1100度的生长温度下提供TMG、NH3，生长厚50nm的非掺杂GaN层。提供TMG、TMA、NH3、Cp2Mg，生长厚20nm的p型Al0.12Ga0.88N电子块层。提供TMG、TMA、NH3、Cp2Mg，生长厚600nm的p型Al0.07Ga0.93N包层。提供TMG、NH3、Cp2Mg，生长厚50nm的p型GaN连接层。这些生长完成后，将外延片E1从生长中取出，使由Ni/Au构成的阳极电极形成在p型GaN层上。将GaN基板研磨到厚100μm后，在基板背面形成阴极电极。
切断该外延片，形成1mm见方的芯片，使其含有300μm见方的光子晶体图案。向该蓝紫色二维光子晶体激光元件在室温下施加脉冲电流(频率1kHz、脉宽500nsec)时，以振荡波长405nm产生激光振荡。
作为参考例，可替代用于衍射光栅的厚100nm的n型In0.02Ga0.98N层，生长厚100nm的n型GaN层，形成外延片R1。
用扫描型电子显微镜(SEM)观察外延片E1、R1的截面形状。图3(a)是表示实施例中的空孔的排列的SEM图像的图。参照图3(a)，获得了良好的空孔形状。图3(b)是表示参考例中的空孔的排列的SEM图像的图。参照图3(b)，因空孔内部的横向生长，空孔形状变形。
图4及图5是表示本实施方式的变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。在该实施方式中，生长活性层后，形成用于二维光子晶体的构造。用于半导体激光器的若干个氮化镓系半导体层和上述实施方式一样，例如通过有机金属气相生长法形成。
将GaN基板这样的基板11放置在生长炉13中，并且进行基板11的主面11a的热敏清洁，如图4(a)所示，生长n型包层15。n型包层15例如由AlGaN层15构成。n型包层15上接着使用生长炉13进行若干个氮化镓系半导体层的生长。在该实施例中，在n型包层15上生长活性层27。也可替代活性层27，生长其他构造的活性层。活性层27上生长氮化镓系半导体层31。氮化镓系半导体层23例如是GaN层，为了避免掺杂物对光的吸收优选由非掺杂层构成。在氮化镓系半导体层31上生长电子块层33。接着，在电子块层33上生长n型氮化镓系半导体层43。InX1Ga1-X1N(0<X1<1)层(以下记作InGaN层)43例如具有n型掺杂物，具有比包层大的折射率。生长了InGaN层43后，使生长炉的温度下降到室温附近，将基板W4从生长炉13取出。
接着说明在基板W4的InGaN层43上进行用于二维光子晶体的二维衍射光栅的多个开口的成图，以形成成图的InGaN层的工序。如图4(b)所示，在基板W4的InGaN层43上，和前一实施方式一样，形成用于二维衍射光栅的掩膜19。
使用掩膜19在InGaN层43上形成用于二维衍射光栅的开口。该形成通过蚀刻加工来进行。如图4(c)所示，例如在干蚀刻装置21中，使用掩膜19蚀刻InGaN层43，形成成图的InGaN层43a。InGaN层43a形成和掩膜19的二维衍射光栅对应的开口43b的排列。各开口43b的侧面43c及底面43d由InGaN构成。蚀刻后去除掩膜19，提供基板W5。基板W5含有成图的InGaN层43a。在一个实施例中，开口43b的深度例如优选为20nm以上，开口过浅时，光子晶体和活性层的光学性耦合变小，无法获得充分的反馈效果。开口43b的排列周期如上所述，根据二维衍射光栅相关的氮化镓系半导体的折射率和发光波长两者来决定。
将基板W5放置在生长炉13中，使生长炉13的温度上升到生长温度TG。之后如图5(a)所示，将氮化镓系半导体层47形成在InGaN层43a上。氮化镓系半导体层47例如是p型GaN层。氮化镓系半导体层47以InGaN层43a上为基点横向进行生长，从而能够以不会填埋开口地覆盖开口的方式在其上部上生长延长部。因此，进行生长以形成与开口43b相关的空孔45。或者，也可替代GaN层而生长AlGaN层。因此，氮化镓系半导体层47表现为AlX2Ga1-X2N(0≤X2≤1)层。
在该方法中，基板W5的温度在生长炉内上升到生长温度TG。在该升温中，成图的InGaN层43a的开口43b受到影响，开口43b中的AlX2Ga1-X2N生成及迁移和InGaN层43a的上表面相比被抑制。因此，根据AlX2Ga1-X2N生成的结果，空孔45由开口43b、及堵塞该开口43b的AlX2Ga1-X2N层形成。这样一来，形成二维光子晶体的二维衍射光栅46。该二维衍射光栅46与活性层27光学耦合。
接着使用生长炉13在氮化镓系半导体层47上进行p型包层35的生长，接着进行p型连接层37的生长。p型连接层37为了提供良好的电接触，优选含有高浓度的掺杂物。p型连接层37例如可由p型GaN层构成。通过它们的生长，可提供基板W6。
如图5(c)所示，必要时，进行基板11的背面研磨。在p型连接层37上形成p电极41a，并且在基板11的背面11b上形成n电极41b。
(实施例2)
使用和实施例1一样的有机金属气相生长法，制造出蓝紫色二维光子晶体(p侧)激光。将(0001)面n型氮化镓基板配置到衬托器上后，和实施例1一样进行热敏清洁。使炉内压力为大气压后，按照以下顺序进行成膜。首先，提供TMG、TMA、NH3、SiH4，使厚2μm的n型Al0.03Ga0.97N生长。降低生长炉的温度，形成具有三个周期的量子阱构造的活性层。在摄氏880度的基板温度下，提供TMG、TMI、NH3，生长厚15nm的非掺杂In0.01Ga0.99N垒层。在摄氏800度的基板温度下，提供TMG、TMI、NH3，生长厚3nm的非掺杂In0.07Ga0.93N阱层。提高生长炉的温度，在摄氏1100度的生长温度下提供TMG、NH3，生长厚50nm的非掺杂GaN层。提供TMG、TMA、NH3、Cp2Mg，生长厚20nm的p型Al0.12Ga0.88N电子块层。接着提供TMG、TMI、TMA、NH3、Cp2Mg，在摄氏880度的基板温度下生长用于衍射光栅的厚100nm的p型In0.02Ga0.98N。通过以上工序，获得外延片。
将该外延片从生长炉取出，如下所示形成用于光子晶体的掩膜。将电子束曝光用光致抗蚀剂用匀胶机涂敷到晶圆上，以形成均匀的抗蚀剂膜。使用电子束曝光装置，在抗蚀剂膜的300μm见方的区域内，描绘用于光子晶体的正方形光栅图案(直径70nm，间距166nm)。进行抗蚀剂膜的显影形成掩膜后，将晶圆配置在反应性离子蚀刻装置上。使用抗蚀剂掩膜，为了进行转印，通过蚀刻气体Cl2部分性地去除n型InGaN层，形成具有和图案对应的开口排列的InGaN层。之后，为了晶体生长，从晶圆去除抗蚀剂掩膜。
将晶圆配置到衬托器后，使基板温度上升到生长温度。在摄氏1100度的基板温度、炉内压力30kPa下，提供TMG、NH3、Cp2Mg，生长200nm的p型GaN层，形成和InGaN层的凹部对应的空孔的排列。提供TMG、TMA、NH3、Cp2Mg，生长厚600nm的p型Al0.07Ga0.93N包层。提供TMG、NH3、Cp2Mg，生长厚50nm的p型GaN连接层。这些生长完成后，将外延片E1从生长中取出，使由Ni/Au构成的阳极电极形成在p型GaN层上。将GaN基板研磨到厚100μm后，在基板背面形成阴极电极。
切断该外延片，形成1mm见方的芯片，使其含有300μm见方的光子晶体图案。向该蓝紫色二维光子晶体激光元件在室温下施加脉冲电流(频率1kHz、脉宽500nsec)时，以振荡波长405nm产生激光振荡。
图6及图7是表示本实施方式的其它变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。在该实施方式中，在InGaN层上形成开口后，在开口的底部形成电介质的堆积物。该形成之后，构成了用于二维光子晶体的构造。半导体激光器的若干个氮化镓系半导体层和上述实施方式一样，例如通过有机金属气相生长法形成。
如图6(a)所示，将GaN基板这样的基板11放置在生长炉13中。在以下说明中，作为示例，在具有n导电板的基板11上进行用于半导体激光器的工序。进行了基板11的主面11a的光敏清洁后，生长n型包层15及InX1Ga1-X1N层18。InGaN层18的形成和InGaN层17一样生长后，将生长炉的温度下降到室温附近的温度，从生长炉13取出基板W7。
接着如图6(b)所示，在基板W7的InGaN层18上形成用于二维衍射光栅的掩膜19。使用掩膜19在InGaN层18上形成用于二维衍射光栅的开口。例如通过干蚀刻装置21用掩膜19对InGaN层18进行蚀刻，形成成图的InGaN层18a。开口18b的排列包含在转印了掩膜19的二维衍射光栅的InGaN层18a中。各开口18b的侧面18c由InGaN构成。
接着，不去除掩膜19，如图6(c)所示，在形成AlX2Ga1-X2N层前，形成电介质层51。该形成例如通过蒸镀等进行。电介质层51的第1部分51a覆盖开口18b的底面18d。电介质层51的第2部分51b覆盖掩膜19。之后，通过去除掩膜19，如图7(a)所示，去除掩膜19上的第2部分51b而生成基板W8。电介质层51的厚度小于开口18b的深度。基板W8在开口18b的底面18d上设置电介质层51a，并且侧面18c中由InGaN构成。在一个实施例中，开口18b的深度例如优选20nm以上，当开口过浅时，光子晶体和活性层的光学耦合变小，无法获得充分的反馈效果。并且，电介质层51a的厚度过厚时，开口内的平均折射率变大，即使形成光子晶体，效果也降低。
将基板W8放置在生长炉13中，使生长炉13的温度上升到生长温度TG。之后如图7(b)所示，在InGaN层18a上形成氮化镓系半导体层23。氮化镓系半导体层23例如是n型GaN层或AlGaN层。氮化镓系半导体层23以InGaN层18a上为基点横向生长，从而能够以不填埋开口地覆盖开口的方式在其上部生长。因此，进行生长以形成与开口18b对应的空孔55。
根据该方法，通过电介质层51a及AlX2Ga1-X2N侧面18c阻止开口18b内的生长，从而使与InX1Ga1-X1N层的开口对应的空孔55的形状变得良好。
作为电介质层的材料，可以由以下至少任意一种构成：SiO2这样的硅氧化物，SiON这样的硅氮化氧化物，SiN这样的硅氮化物，ZrO2这样的锆氧化物，TiO2这样的钛氧化物，HfO2这样的铪氧化物。
从上述说明可知，继续生长活性层及其他层等。并且，在形成活性层后形成光子晶体构造的制造方法(例如实施例2)中，可采用使用电介质的堆积物的方法。
(实施例3)
制造出蓝紫色二维光子晶体(n侧)激光器。在(0001)面n型氮化镓基板上生长厚2μm的n型Al0.03Ga0.97N及厚100nm的n型In0.02Ga0.98N。将外延片从生长炉取出，如下所示形成用于光子晶体的掩膜。使用抗蚀剂掩膜，通过蚀刻气体Cl2部分性地去除n型InGaN层，形成具有和图案对应的开口排列的InGaN层，制造出基板生产物。接着，在为了剥离而去除抗蚀剂掩膜前，将该基板生产物配置在电子束蒸镀装置内，蒸镀厚10nm的SiO2膜。与抗蚀剂掩膜同时去除抗蚀剂掩膜上的SiO2膜，在空孔的底部残留ZrO2膜，制造出晶圆生产物。
将该晶圆生产物配置在衬托器上。使基板温度上升到生长温度后，在摄氏1100度的基板温度及炉内压力30kPa下，提供TMG、NH3、SiH4，生长200nm的n型GaN层，形成和InGaN层的凹部对应的空孔的排列。进一步接着进行晶体生长，并形成电极，制造出基板生产物。之后切断基板生产物，切出1mm见方的芯片，使其含有300μm见方的光子晶体图案。向该蓝紫色二维光子晶体激光元件在室温下施加脉冲电流(频率1kHz、脉宽500nsec)时，以振荡波长405nm产生激光振荡。在实施例3中，可以如实施例1及2一样使用电介质膜。
图8及图9是表示本实施方式的其他变形例涉及的、制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法的主要工序的图。在该实施方式中，在InGaN层上形成开口前，形成追加的氮化镓系半导体层。该形成之后，形成用于二维光子晶体的构造。用于半导体激光器的若干个氮化镓系半导体层和上述实施方式一样，例如通过有机金属气相生长法形成。
如图8(a)所示，将GaN基板这样的基板11放置在生长炉13中。在下述说明中，作为示例，在具有n导电性的基板11上实施用于半导体激光器的工序。进行了基板11的主面11a的光敏清洁后，生长n型包层15及InX1Ga1-X1N(以下称为InGaN层)16。InGaN层16的形成和InGaN层17一样生长后，生长由氮化镓系半导体构成的间隙层20。间隙层20的厚度比InGaN层16薄。作为间隙层20，例如可使用n型GaN层、n型AlGaN层。在其生长后，将生长炉的温度下降到室温附近，将生长炉13从基板W9取出。
接着如图8(b)所示，在基板W9的间隙层20上形成用于二维衍射光栅的掩膜19。如图9(a)所示，使用掩膜19，在InGaN层16及间隙层20上形成用于二维衍射光栅的开口。例如在干蚀刻装置21中，使用掩膜19蚀刻InGaN层16及间隙层20，形成成图的InGaN层16a及间隙层20a。InGaN层16a及间隙层20a具有与掩膜19的二维衍射光栅对应的开口16b的排列。各开口16b的侧面16c及主要由InGaN构成。形成开口16b。蚀刻后去除掩膜19，提供基板W10。基板W10含有成图的InGaN层16a及间隙层20a。在实施例中，开口16b的深度例如优选为20nm以上，开口过浅时，光子晶体和活性层的光学性耦合变小，无法获得充分的反馈效果。在实施例中，当间隙层20的厚度过厚时，露出在开口侧面的InGaN的面积减小，其效果降低。
将基板W10放置在生长炉13中，使生长炉13的温度上升到生长温度TG。之后如图9(b)所示，在InGaN层16a及间隙层20a上形成氮化镓系半导体层23。氮化镓系半导体层23例如是n型GaN层。氮化镓系半导体层23以InGaN层20a的表面为基点横向生长，从而能够以不填埋开口地覆盖开口、且关闭开口上部的方式进行生长。因此，空孔25通过上述层和开口16b的组合形成。并且，也可替代GaN层而生长AlGaN层。因此，氮化镓系半导体层23表现为AlX2Ga1-X2N层。
在该方法中，基板W10放置到生长炉13后，基板W10的温度在生长炉内向生长温度TG上升。在升温过程中，成图的半导体层16a、20a的开口16b受到影响，与InGaN层16a及间隙层20a的再生长表面相比，开口16b中的AlX2Ga1-X2N生长及迁移受到抑制。因此，通过AlX2Ga1-X2N的生长，进行InGaN层20a上的横向生长，从而能够以不填埋开口地覆盖开口的方式形成空孔的顶，以此形成空孔25。这样一来，形成二维光子晶体的二维衍射光栅24。
从上述说明可知，接着生长活性层等。并且，在形成活性层后形成光子晶体构造的制造方法中，可采用利用追加的GaN层的方法。进一步，也可在开口16b的底面上生长电介质层51a。
(实施例4)
制造出蓝紫色二维光子晶体(n侧)激光器。在(0001)面n型氮化镓基板上生长厚2μm的n型Al0.03Ga0.97N及厚100nm的n型In0.02Ga0.98N及厚10nm的n型GaN。将外延片从生长炉取出，如下所示形成用于光子晶体的掩膜。使用抗蚀剂掩膜，通过蚀刻气体Cl2部分性地去除n型InGaN层及n型GaN层，形成具有和图案对应的凹部排列的InGaN层及n型GaN层，制造出基板。接着，去除抗蚀剂掩膜后，将该晶圆配置在衬托器上。使基板温度上升到生长温度后，在摄氏1100度的基板温度及炉内压力30kPa下，提供TMG、NH3、SiH4，生长200nm的n型GaN层，形成和InGaN层的凹部对应的空孔的排列。进一步，进行后续晶体生长并形成电极，制造出基板生产物。切断基板生产物形成多个半导体裸片(die)，各半导体裸片是1mm见方的芯片，其含有300μm见方的光子晶体图案。向该蓝紫色二维光子晶体激光元件在室温下施加脉冲电流(频率1kHz、脉宽500nsec)时，以振荡波长405nm产生激光振荡。在实施例1～3中也同样可使用实施例4中使用的间隙膜。
在本实施方式的衍射光栅的形成中，InGaN的生长温度和其他氮化镓系半导体、例如GaN、AlGaN的生长温度相比较低，因此由于本实施方式中使用的加工等，易留下损伤。通过蚀刻等加工，对开口的侧面及底面造成损伤。因此，在加工之后，InGaN的上表面的结晶品质与开口的侧面及底面的结晶品质不同。可利用这种不同提高晶体生长的选择性。因此，在制造半导体激光器的方法中，形成用于光子晶体构造的空孔排列。
在GaN间隙层的采用及氢环境中的升温中，最外表面由InGaN构成时，在氢环境下的升温中，蚀刻效果变大，进一步导入损伤。因此不使用GaN间隙层时，整个面上导入损伤。与之相对，当使用GaN间隙层时，即使在氢环境中的升温下，对GaN也基本不会导入损伤。因此，可进一步扩大对侧壁、底面的选择性。
如上所述，在InX1Ga1-X1N层上形成开口和再生长表面时，由于用于形成开口的加工所造成的影响残留在开口表面，因此表面迁移减小，同时，开口内的再生长受到抑制。并且，如果使后续再生长的晶体生长在促进横向生长的条件例如高温、高速、低生长压力下进行，则InX1Ga1-X1N再生长表面上促进了横向生长，形成与InX1Ga1-X1N层的开口对应的空孔。
在优选实施方式中图示并说明了本发明的原理，本发明在不脱离这种原理的情况下可变更配置及详情，这一点为本领域技术人员所知。本发明不限定于本实施方式中公开的特定的构成。因此，要求保护源自权利要求书及其主旨范围的所有修正及变更的权利。

Claims (10)

1.一种制造含有二维光子晶体的半导体激光器的方法，具有以下工序：
在氮化镓系半导体区域上，通过生长炉生长InX1Ga1-X1N(0<X1<1)层的工序；
将含有上述InX1Ga1-X1N层的基板生产物从上述生成炉取出后，将用于二维光子晶体的二维衍射光栅的多个开口形成在上述InX1Ga1-X1N层上，以形成成图的InX1Ga1-X1N层的工序；
将AlX2Ga1-X2N(0≤X2≤1)层形成在上述成图的InX1Ga1-X1N层上以形成和上述开口对应的空孔的工序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述开口的侧面及底面由InGaN构成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
还具有如下工序：形成上述InX1Ga1-X1N层后，在将用于上述二维衍射光栅的多个开口形成在上述InX1Ga1-X1N层前，在上述InX1Ga1-X1N层上形成GaN层，
上述基板生产物包括上述GaN层，
上述多个开口形成在上述InX1Ga1-X1N层及上述GaN层上。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的方法，其特征在于，
还具有如下工序：在形成上述AlX2Ga1-X2N层前，形成覆盖上述开口的底面的电介质层，
上述基板生产物包括上述电介质层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，上述电介质层包括硅氧化物、硅氮化氧化物、硅氮化物、锆氧化物、钛氧化物、铪氧化物中的至少任意一种。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的方法，其特征在于，还具有形成上述AlX2Ga1-X2N层后形成活性层的工序。
7.根据权利要求1至5的任意一项所述的方法，其特征在于，还具有在形成上述InX1Ga1-X1N层前形成活性层的工序。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的方法，其特征在于，上述InX1Ga1-x1N层的上表面与上述AlX2Ga1-X2N层接触。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的方法，其特征在于，上述AlX2Ga1-X2N层形成在上述InX1Ga1-X1N层上，以使上述AlX2Ga1-X2N层关闭上述开口并形成上述空孔。
10.根据权利要求1至8的任意一项所述的方法，其特征在于，上述InX1Ga1-X1N层通过上述AlX2Ga1-X2N层不充满上述开口地覆盖上述开口而形成上述空孔。
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