CN102569550A - 半导体激光元件 - Google Patents

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田中岳利
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Abstract

本发明提供一种半导体激光元件，包括由III族氮化物半导体构成的半导体层叠构造。半导体层叠构造包括：包含In的发光层；配置于该发光层的一侧的p型引导层；配置于上述发光层的另一侧的n型引导层；配置于上述p型引导层的与上述发光层相反一侧的p型包层；和配置于上述n型引导层的与上述发光层相反一侧的n型包层。半导体层叠构造包括：与c轴在上述晶体生长面上的投影矢量平行地形成的直线状的波导；和由与上述投影矢量垂直的解理面构成的一对激光谐振面。半导体层叠构造也可以由将半极性面作为晶体生长面的III族氮化物半导体构成。

Description

半导体激光元件
技术领域
本发明涉及一种由III族氮化物半导体构成的半导体激光元件。
背景技术
III族氮化物半导体是在III-V族半导体中使用氮作为V族元素的半导体。氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)是代表例子。一般情况下，能够表示为AlXInYGa1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)。
蓝色和绿色这样的短波长的激光光源能够应用在以DVD为代表的光盘中的高密度储存、图像处理、医疗器械、测量器械等领域中。这种短波长激光光源例如由使用了GaN半导体的激光二极管构成。
在United States Patent Application Publication No.2009/0238227A1(美国专利申请公开第2009/0238227A1)中，公开了一种通过将m面作为晶体生长面而提高了振荡效率的半导体激光元件。该半导体激光元件具有半导体层叠构造，所述半导体层叠构造包括：包含In的发光层；以夹着发光层的方式配置的p型引导层和n型引导层；和以夹着它们的方式配置的p型包层和n型包层。
半导体层叠构造在脊形部(ridge)的两端具有与该脊形部正交的一对端面。该一对端面是通过解理而形成的镜面，形成反射在波导中传播的光的激光谐振面。
半导体激光元件是从将多个单独元件区域成行列状排列的原基板中切出而制成的。在原基板上，多条脊形部形成为条状。当切断原基板时，如United States Patent Application Publication No.2009/0101927A1(美国专利申请公开第2009/0101927A1)所述，首先，在相当于半导体激光元件的表面(脊形部一侧的表面)的表面，通过激光加工形成分割导向槽。然后，通过从原基板的背面一侧贴上刀片施加外力，来分割原基板。沿着与成条状地形成的多条脊形部交叉的方向分割(解理)原基板，由此形成激光谐振面。为了不损伤脊形部(波导)附近的激光谐振面，分割导向槽在脊形部的附近部分形成不连续的穿孔状的不连续图案。
发明内容
通过增大发光层的In组成，能够使发光波长长波长化。但是，如果在以m面作为生长主面的III族氮化物半导体中使发光层生长，则不能过多地增大发光层的In组成。根据本发明人的最新研究，在使用以m面作为生长主面的III族氮化物半导体制造的激光二极管中，500nm附近是发光上限波长。因此，难以实现绿色的波长区域(510nm～540nm)的半导体激光元件。
因此，本发明的第1目的在于，提供一种半导体激光元件，它使用由III族氮化物半导体构成的半导体层叠构造来实现长波长化。
此外，不连续图案的分割导向槽对沿着解理性良好的结晶面的分割有效，但是在实施沿着解理性未必充分的结晶面的基板分割的情况下，未必能获得良好的解理面。因此，以United States Patent ApplicationPublication No.2009/0101927A1(美国专利申请公开第2009/0101927A1)的现有技术的应用作为前提时，激光谐振面的选择自由度变小。因此，即使根据所需规格来选择半导体的晶体生长面和脊形部方向，也无法利用良好的解理面形成激光谐振面，因此结果是难以实现所需规格的半导体激光元件。
因此，本发明的第2目的在于，提供一种半导体激光元件和其制造方法，该半导体激光元件能够增大激光谐振面的选择自由度，由此能够增大设计自由度，并且能够有利于提高特性。
根据以下参照附图所阐述的实施方式的说明，能明确本发明中的上述的或者其他的目的、特征和效果。
附图说明
图1是用来说明本发明的一个实施方式中的半导体激光元件的构造的立体图。
图2是沿着图1的II-II线的纵截面图。
图3是沿着图1的III-III线的横截面图。
图4是表示III族氮化物半导体的结晶构造的晶胞的图解图。
图5表示在以{20-21}面作为主面的GaN单结晶基板上共格生长的AlxGa1-xN层(0≤x≤1)的应变量(％)。
图6表示使{20-21}面作为晶体生长面生长的III族氮化物半导体(试样)的PL(光致发光)偏振光特性的测定结果。
图7是表示作为用来制造半导体激光二极管的原基板的晶片的图解的立体图。
图8A是用来说明将晶片分割成单个元件(半导体激光元件)的大致顺序的图解的立体图。
图8B是用来说明将晶片分割成单个元件(半导体激光元件)的大致顺序的立体图。
图8C是用来说明将晶片分割成单个元件(半导体激光元件)的大致顺序的立体图。
图9是用来说明晶片表面的p侧电极和支承部的配置的部分放大平面图。
图10A是表示n侧电极的第1形成图案例子的仰视图。
图10B是表示n侧电极的第2形成图案例子的仰视图。
图10C是表示n侧电极的第3形成图案例子的仰视图。
图11A和图11B是用来说明一次解理的具体例子的说明图。
图12A和图12B是用来说明二次解理的具体例子的说明图。
图13A和图13B是用来说明二次解理的其他具体例子的说明图。
图14是用来说明本发明的其他实施方式的半导体激光元件的构造的立体图。
图15是沿着图14的XV-XV线的纵截面图。
图16是沿着图14的XVI-XVI线的横截面图。
图17A是表示对于在从晶片的表面一侧的划片工序和从背面一侧的分割工序中进行一次解理的比较例中的多个试样(半导体激光元件)测定了临界值电流的结果的柱状图。图17B是表示对于在从晶片的背面一侧的划片工序和从表面一侧的分割工序中进行一次解理的实施例中的多个试样(半导体激光元件)测定了其临界值电流的结果的柱状图。
图18A是表示对于上述比较例中的多个试样测定了斜度(slope)效率的结果的柱状图，图18B是表示对于上述实施例中的多个试样测定了斜度效率的结果的柱状图。
图19A是表示对于上述比较例的多个试样测定了工作电流的结果的柱状图，图19B是表示对于上述实施例的多个试样测定了工作电流的结果的柱状图。
具体实施方式
本发明的第一方面的一个实施方式，提供一种半导体激光元件，其包括由以半极性面作为晶体生长面的III族(IIIA族)氮化物半导体构成的半导体层叠构造，该半导体层叠构造具有：包含In的发光层；配置于该发光层的一侧的p型引导层(导光层)；配置于上述发光层的另一侧的n型引导层；配置于上述p型引导层的与上述发光层相反一侧的p型包层；和配置于上述n型引导层的与上述发光层相反一侧的n型包层，上述半导体层叠构造包括：与c轴在上述晶体生长面的投影矢量平行地形成的直线状的波导；和由与上述投影矢量垂直的解理面构成的一对激光谐振面。
根据本发明人的最新研究可知：通过使用使半极性面作为生长主面生长的III族氮化物半导体，不仅能够形成In组成大的发光层，并且能够实现绿色波长区域的半导体激光元件。因此，在本发明中，根据以半极性面作为晶体生长面的III族氮化物半导体，形成构成激光二极管构造的半导体层叠构造。在以半极性面作为晶体生长面的III族氮化物半导体中，由于内部电场的影响小，所以与以m面等非极性面作为晶体生长面的III族氮化物半导体的情况同样，能够实现振荡效率好的半导体激光元件。
另一方面，根据本发明人的最新研究可知：如果以半极性面作为主面的III族氮化物半导体结晶不恰当地选择解理面(激光谐振面)，则不能获得足够光滑的解理面来作为激光谐振面。因此，在本发明中，能得到与c轴在半导体层叠构造的晶体生长面(半极性面)上的投影矢量平行的直线状的波导。而且，以与该波导垂直的解理面形成激光谐振面。这样，通过选择激光谐振面，激光谐振面由平坦性良好的解理面构成。其结果是，能够实现优良特性的半导体激光元件。
更具体地进行说明，作为典型的衬底基板材料的GaN的c轴方向和a轴方向的晶格常数分别是
Figure BDA0000117042700000051
与此相对，AlN的c轴方向和a轴方向的晶格常数分别是
Figure BDA0000117042700000052
因此，c轴方向的晶格常数之差比a轴方向的晶格常数之差大。因此，如果在GaN基板上使AlXGa1-XN(0＜X≤1)生长，那么与a轴方向的应变量相比c轴方向的应变量更大。
因此，在本发明中，在与c轴的投影矢量平行的方向上设置直线状的波导，以与该波导垂直的解理面形成激光谐振面。由此，通过结晶的解理形成激光谐振面时，由于能够利用积蓄在c轴方向的大的内部应力(变形)，所以能够得到平坦性良好的解理面。由此能实现振荡效率优良的半导体激光元件。
而且，本发明人测定了使半极性面作为生长主面而生长的III族氮化物半导体的PL(光致发光)偏振光特性。其测定结果表示a轴投影方向偏振(电场成分是沿着a轴投影方向的偏振光成分)的强度最高。因此，通过在c轴投影方向上设置谐振器长度方向(波导的长度方向)，能有效地利用TE模式的光，因此能够进一步提高振荡效率。
这样，根据本发明，使用III族氮化物半导体，能够提供能长波长化而且振荡效率优良的半导体激光元件。
半极性面的具体例子是{20-21}面，在此情况下，最好在{-1014}面设置激光谐振面。与{20-21}面正交的结晶面是{-1014}面和{11-20}面。{-1014}面是与c轴在{20-21}面上的投影矢量垂直的结晶面，{11-20}面是在{20-21}面上的a轴的投影矢量垂直的结晶面。其中，通过将{-1014}面作为激光谐振面，能以平坦性良好的解理面形成激光谐振面。
而且，作为其他的半极性面，可以举例表示{11-22}面和{01-12}面。
在本发明的一个实施方式中，上述半导体层叠构造包括：沿着上述波导在上述一对激光谐振面之间延伸的脊形部，上述半导体激光元件还包括：在上述半导体层叠构造的配置有上述脊形部的一侧的表面形成的表面电极；和支承部，其配置于上述半导体层叠构造的上述表面中向与上述脊形部的长度方向正交的宽度方向离开的位置，具有与上述脊形部相等或者上述脊形部以上的高度，所述支承部的上述宽度方向的长度比上述脊形部的宽度大，且所述支承部与上述表面电极空出间隔。
根据该构造，从半导体层叠构造的背面(与脊形部相反一侧的表面)进行加工形成分割导向槽，从半导体层叠构造的表面一侧贴上刀片施加外力，由此分割(解理)原基板，能够形成激光谐振面。由于从半导体层叠构造的背面的加工能够在不弄伤脊形部(波导)的情况下来进行，所以能够按照在与波导垂直的方向上延伸的连续线状图案来进行。因此，在施加外力时，能够进行稳定的分割(解理)。而且，能够使来自刀片的外力作用在支承部上。由此，边保护脊形部边分割(解理)原基板，能够形成由良好的解理面构成的激光谐振面。而且，由于半导体层叠构造的宽度方向(与解理面和晶体生长面平行的方向。谐振器宽度方向)的长度比脊形部的宽度大，所以支承部能够切实地承受外力。此外，由于支承部与表面电极空出间隔地形成，所以当承受外力时，不会弄伤表面电极。因此，能够避免漏电等故障。
在本发明的一个实施方式中，还包括背面电极，其形成于上述半导体层叠构造的与上述表面相反一侧的背面，且在周边具有从上述一对激光谐振面向内侧后退的端面后退部。根据该构造，由于背面电极的周边具有从激光谐振面向内侧后退的端面后退部，所以能够以该端面后退部作为标记来实施从半导体层叠构造的背面一侧的加工。
本发明的第2方面的一个实施方式提供一种半导体激光元件，其包括半导体层叠构造，该半导体层叠构造具有：发光层；配置于该发光层的一侧的p型引导层；配置于上述发光层的另一侧的n型引导层；配置于上述p型引导层的与上述发光层相反一侧的p型包层；配置于上述n型引导层的与上述发光层相反一侧的n型包层，上述半导体层叠构造包括：形成于表面一侧的直线状的脊形部；在该脊形部的长度方向两端按照与上述脊形部正交的方式形成的一对激光谐振面；形成于该一对激光谐振面中与上述半导体层叠构造的背面相连的下边缘区域的端面加工痕迹。
根据该构造，激光谐振面在与半导体层叠构造的背面(与脊形部相反的面)相连的下边缘区域具有端面加工痕迹。即，该半导体激光元件从半导体层叠构造的背面一侧实施加工形成端面加工痕迹，从半导体层叠构造的表面一侧(形成有脊形部的一侧)贴上刀片然后施加外力来解理原基板，利用该解理面能够形成激光谐振面。由于端面加工痕迹形成于未形成脊形部的背面一侧，所以不必形成为在脊形部附近具有不连续部的不连续图案，因此能够形成为连续图案。因此，由于利用从表面一侧施加的外力能够稳定地进行解理，所以能够得到良好的解理面。更具体而言，与脊形部垂直的结晶面即使是解理性不充分的结晶面，也能沿着这样的结晶面很好地解理半导体层叠构造。由此，由于用于形成半导体层叠构造的晶体生长面和脊形部方向的选择自由度增大，所以半导体激光元件的设计自由度增大。因此，容易实现所需规格的半导体激光元件。另外，能够以良好的解理面形成激光谐振面，因此能够提高半导体激光元件的特性。更具体而言，能够实现临界值电流的降低、斜度效率的增大、工作电流的降低等。
在本发明的一个实施方式中，上述端面加工痕迹遍及上述半导体层叠构造的宽度方向的整个区域地连续。“宽度方向”是指与脊形部的长度方向(谐振器长度方向)正交，且与半导体层叠构造的晶体生长面平行的方向(谐振器宽度方向)。根据该构造，遍及半导体层叠构造的宽度方向的整个区域从其背面一侧进行加工，之后，通过从半导体层叠构造的表面一侧贴上刀片然后施加外力，能分割(解理)原基板。由此，与脊形部垂直的结晶面即使是解理性不好的结晶面，也能提供由良好的解理面构成的激光谐振面。
在本发明的一个实施方式中，上述端面加工痕迹的厚度是上述半导体层叠构造的厚度的10％以上。根据该构造，由于端面加工痕迹具有足够的厚度，所以激光谐振面能够以更好的解理面形成。由此能提高半导体激光元件的特性。“端面加工痕迹的厚度”是沿着半导体层叠构造的层叠方向(与晶体生长面垂直的方向)的长度。
在本发明的一个实施方式中，上述半导体层叠构造由以m面作为晶体生长面的III族氮化物半导体构成，上述激光谐振面是c面。在该构造中，半导体层叠构造由以m面作为晶体生长面的III族氮化物半导体构成。在此情况下，通过在c轴方向上设置脊形部的长度方向(波导的方向。谐振器长度方向)，能高效率地产生TE模式的激光振荡。由于脊形部的长度方向是c轴方向，所以激光谐振面是c面。通过从半导体层叠构造的背面一侧形成连续图案的端面加工痕迹，能稳定地进行沿着c面的III族氮化物半导体结晶(半导体层叠构造)的解理。由此，能提供由良好的解理面构成的激光谐振面。
III族氮化物半导体是在III-V族半导体中使用了氮作为V族的半导体。氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)是代表例子。一般情况下，可以表示为AlXInYGa1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)。
在本发明的一个实施方式中，上述半导体层叠构造由以半极性面为晶体生长面的III族氮化物半导体构成，上述脊形部与c轴在上述晶体生长面上的射影矢量平行地形成，上述激光谐振面由与上述射影矢量垂直的解理面构成。
半极性面的具体例子是{20-21}面，在此情况下，激光谐振面优选为{-1014}面。与{20-21}面正交的结晶面是{-1014}面和{11-20}面。{-1014}面是与c轴在{20-21}面上的投影矢量垂直的结晶面，{11-20}面是与在{20-21}面上的a轴的投影矢量垂直的结晶面。它们之中，通过使{-1014}面为激光谐振面，能够以平坦性良好的解理面形成激光谐振面。
而且，作为其他的半极性面，能够举例表示{11-22}面及{01-12}面。
本发明的一个实施方式的半导体激光元件，它还包括：形成于上述半导体层叠构造的表面的表面电极；和支承部，其配置于上述半导体层叠构造的上述表面中向与上述脊形部的长度方向正交的宽度方向离开的位置，具有与上述脊形部相等或者其以上的高度，该支承部的上述宽度方向的长度比上述脊形部的宽度大，且该支承部与上述表面电极空出间隔。
根据该构造，在半导体层叠构造的表面一侧贴上刀片然后施加外力时，能够使该外力作用于支承部。由此，边保护脊形部边分割(解理)原基板，能够形成由良好的解理面构成的激光谐振面。而且，由于半导体层叠构造的宽度方向(与解理面和晶体生长面平行的方向。谐振器宽度方向)的长度比脊形部的宽度大，因此支承部能够切实地承受外力。此外，由于支承部与表面电极空出间隔地形成，所以承受外力时不会弄伤表面电极。因此，能够避免漏电等故障。
本发明的一个实施方式的半导体激光元件，它还包括背面电极，所述背面电极形成于上述半导体层叠构造的背面，且在周边具有从上述一对激光谐振面向内侧后退的端面后退部。根据该构造，背面电极的周边具有从激光谐振面向内侧后退的端面后退部，因此能够以该端面后退部作为标记，进行从半导体层叠构造的背面一侧的加工。
在本发明的一个实施方式中，上述半导体层叠构造还包括：与上述脊形部的长度方向平行的一对侧面；和在上述一对侧面中在上述半导体层叠构造的与背面相连的下边缘区域形成的侧面加工痕迹。根据该构造，沿着与脊形部平行的侧面的分割，能够从半导体层叠构造的背面一侧进行原基板的加工，之后从半导体层叠构造的表面一侧贴上刀片然后对原基板施加外力来进行。从背面一侧的加工能够按照连续的图案实施，另外，不会弄伤波导，因此能够根据需要实施深加工。由此能沿着半导体层叠构造的侧面稳定地进行原基板的分割。
在本发明的一个实施方式中，形成于上述半导体层叠构造的背面的背面电极在周边具有从上述一对侧面向内侧后退的侧面后退部。根据该构造，由于背面电极具有从侧面向内侧后退的侧面后退部，所以能够以该侧面后退部作为标记，进行从半导体层叠构造的背面一侧的加工。
在本发明的一个实施方式中，上述半导体层叠构造还包括：与上述脊形部的长度方向平行的一对侧面；和在上述一对侧面中在上述半导体层叠构造的与表面相连的上边缘区域形成的侧面加工痕迹。根据该构造，沿着与脊形部平行的侧面的分割，能够从半导体层叠构造的表面一侧进行原基板的加工，之后从半导体层叠构造的背面一侧在原基板贴上刀片然后施加外力来进行。关于侧面，由于无需避开脊形部，所以即使从表面一侧也能实施连续图案的加工，另外，由于不会弄伤波导，所以可以根据需要实施深加工。由此能沿着半导体层叠构造的侧面稳定地进行原基板的分割。
在本发明的一个实施方式中，上述侧面加工痕迹遍及上述半导体层叠构造的长度方向的整个区域地连续。根据该构造，实施遍及半导体层叠构造的长度方向(与脊形部的长度方向平行的方向)的整个区域的加工后，能够沿着与脊形部平行的方向分割原基板。由此，能更加稳定地进行沿着半导体层叠构造的侧面的分割。
在本发明的一个实施方式中，上述侧面加工痕迹的厚度是上述半导体层叠构造的80％以上。根据该结构，由于侧面加工痕迹的厚度足够厚，所以能够切实地沿着侧面加工痕迹分割原基板。由此能够更加稳定地进行沿着半导体层叠构造的侧面的分割。“侧面加工痕迹的厚度”是与半导体层叠构造的晶体生长面垂直的方向的长度。
本发明还提供一种半导体激光元件的制造方法，包括：准备原基板的工序，在上述原基板多个半导体激光元件区域成行列状排列，上述原基板具有按照分别通过在一个方向上排列的多个半导体激光元件区域的方式成条状地形成的多个脊形部；划片(scribe：划线)工序，从形成有上述脊形部的表面的相反一侧的背面，沿着切断线对上述原基板实施划片加工，所述切断线是沿着上述多个半导体激光元件区域的边界线而设定的；和分割工序，从上述原基板的表面沿着上述切断线，将刀片贴在上述原基板上，沿着上述切断线分割上述原基板。
根据该方法，通过从原基板的背面一侧进行划片加工，之后从原基板的表面贴上刀片施加与原基板的表面交叉的方向(更具体而言是垂直方向)的外力，而能分割原基板(解理)。如果沿着与脊形部正交的切断线进行这种划片加工和分割(解理)，那么能得到由与脊形部垂直的解理面构成的激光谐振面。划片加工，由于从未形成脊形部的背面一侧进行，所以不需要形成为在脊形部附近具有不连续部的不连续图案，而能够实施连续图案的划片加工。因此，由于能够稳定地进行从表面一侧贴上刀片而实施的解理，所以能够得到良好的解理面。更具体而言，即使与脊形部垂直的结晶面是解理性不充分的结晶面，也能沿着这样的结晶面很好地解理原基板。由此，用来形成构成半导体激光二极管构造的半导体层叠构造的晶体生长面和脊形部方向的选择自由度增大，因此半导体激光元件的设计自由度增大。因此，容易实现所需规格的半导体激光元件。此外，能够提供由良好的解理面构成的激光谐振面，因此能够有利于半导体激光元件的特性的提高。
在本发明的一个实施方式中，上述划片加工包括：按照沿着上述切断线地连续的方式对上述原基板实施划片加工的工序。在该方法中，由于进行连续图案的划片加工，所以能够稳定地分割(解理)原基板，与此相应，能够形成由良好的解理面构成的激光谐振面。
在本发明的一个实施方式中，上述切断线包括沿着与上述脊形部正交的方向而设定的端面切断线，通过沿着上述端面切断线进行上述分割工序，形成由与上述脊形部正交的解理面构成的激光谐振面。
根据该方法，在与脊形部正交的端面切断线，实施从背面一侧的划片加工和利用从表面一侧施加的外力分割原基板。由此，能形成由稳定的解理面构成的激光谐振面。沿着上述端面切断线的划片加工的深度优选为原基板厚度的10％以上。
在本发明的一个实施方式中，上述切断线包括沿着与上述脊形部的长度方向而设定的侧面切断线，通过沿着上述侧面切断线进行上述分割工序，形成与上述脊形部平行的侧面。
根据该方法，沿着与脊形部平行的侧面切断线，实施从背面一侧的划片加工和利用从表面一侧施加的外力分割原基板。由此，能稳定地进行沿着半导体激光元件的侧面的原基板的分割。为了更加稳定地进行该分割，优选将侧面切断线上的划片加工的深度为原基板的厚度的80％以上。
在本发明的一个实施方式中，上述方法还包括：从上述原基板的表面对上述原基板实施沿着侧面切断线的侧面划片加工的工序，所述侧面切断线是沿着上述多个半导体激光元件的边界与上述脊形部的长度方向平行地设定的；和从上述原基板的背面，沿着上述侧面切断线将刀片贴在上述原基板上，并沿着上述侧面切断线分割上述原基板的工序。
在该方法中，在与脊形部正交的端面切断线上，进行从背面一侧的划片加工和利用从表面一侧施加的外力分割原基板。由此，能形成由稳定的解理面构成的激光谐振面。在另一方面，在与脊形部平行的侧面切断线上，进行从表面一侧的划片加工和利用从背面一侧施加的外力分割原基板。在侧面切断线上，因为不需要避开脊形部，所以即使从表面一侧也能进行连续图案的加工。因此，能够稳定地进行半导体激光元件的侧面上的原基板的分割。
在本发明的一个实施方式中，上述侧面划片工序包括：按照沿着上述侧面切断线连续的方式对上述原基板实施划片的工序。根据该方法，能够更加稳定地进行沿着侧面切断线的原基板的分割。为了更加稳定地进行该分割，优选将侧面切断线的划片加工的深度为原基板的厚度的80％以上。
下面，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。
图1是用来说明本发明的一个实施方式的半导体激光元件的结构的立体图，图2是沿着图1的II-II线的纵截面图，图3是沿着图1的III-III线的横截面图。
该半导体激光元件70是法布里-珀罗型，包括：基板1；在基板1上通过晶体生长所形成的III族氮化物半导体层叠构造2；作为按照与基板1的背面(与III族氮化物半导体层叠构造2相反一侧的表面)接触的方式所形成的背面电极的n侧电极3；作为按照与III族氮化物半导体层叠构造2的表面接触的方式所形成的表面电极的p侧电极4。p侧电极4包括p侧欧姆电极4A和p侧垫电极(焊盘电极)4B。在本实施方式中，由基板1和III族氮化物半导体层叠构造2形成构成半导体激光二极管的半导体层叠构造。
在本实施方式中，基板1由GaN单结晶基板构成。在本实施方式中，该基板1以一个半极性面{20-21}面作为主面，通过在该主面上的晶体生长，形成III族氮化物半导体层叠构造2。因此，III族氮化物半导体层叠构造2由以{20-21}面作为晶体生长面(主面)的III族氮化物半导体构成。
形成III族氮化物半导体层叠构造2的各层相对于基板1共格生长。共格生长是指在保持从底层开始的晶格的连续性的状态下的晶体生长。与底层的晶格不匹配被晶体生长的层的晶格的变形吸收，在与底层的界面处的晶格的连续性能被保持。
GaN的a轴晶格常数是
Figure BDA0000117042700000121
c轴晶格常数是
Figure BDA0000117042700000122
另一方面，无应变(strain-free)状态下的AlN的a轴晶格常数是
Figure BDA0000117042700000123
c轴晶格常数是
Figure BDA0000117042700000124
因此，Al组成越大，AlGaN的a轴晶格常数和c轴晶格常数越小。此外，对于Al组成的增加的增加率，c轴晶格常数比a轴晶格常数大。因此，如果在GaN基板上使AlGaN结晶共格生长，那么在AlGaN结晶中产生向c轴方向和a轴方向的拉伸应变(内部应力)，其大小是c轴方向的大。
III族氮化物半导体层叠构造2具备发光层10、n型半导体层11、和p型半导体层12。n型半导体层11相对于发光层10配置于基板1一侧，p型半导体层12相对于发光层10配置于p侧欧姆电极4A一侧。这样，发光层10被n型半导体层11和p型半导体层12夹持，形成双异质(double hetero)接合。在发光层10上，从n型半导体层11注入电子，从p型半导体层12注入空穴。通过它们在发光层10中复合，而产生光。
n型半导体层11从基板1一侧依次层叠n型GaN接触层13(例如2μm厚)、n型AlInGaN包层14(1.5μm厚以下。例如1.0μm厚)和n型InGaN引导层15(例如0.1μm厚)而构成。另一方面，p型半导体层12在发光层10上依次层叠p型AlGaN电子阻挡层(electron blockinglayer)16(例如20nm厚)、p型InGaN引导层17(例如0.1μm厚)、p型AlInGaN包层18(1.5μm厚以下。例如0.4μm厚)和p型GaN接触层19(例如0.3μm厚)而构成。
n型GaN接触层13和p型GaN接触层19是低电阻层。p型GaN接触层19与p侧欧姆电极4A欧姆接触。n型GaN接触层13是通过在GaN中高浓度地渗杂例如作为n型掺杂剂的Si(掺杂浓度例如是3×1018cm-3)而被形成为n型半导体。p型GaN接触层19是通过高浓度地渗杂作为p型掺杂剂的Mg(掺杂浓度例如是3×1019cm-3)而被形成为p型半导体。
n型AlInGaN包层14和p型AlInGaN包层18产生将来自发光层10的光限制在它们之间的光限制效果。n型AlInGaN包层14是通过在AlInGaN中渗杂例如作为n型掺杂剂的Si(掺杂浓度例如是1×1018cm-3)而被形成为n型半导体。此外，p型AlInGaN包层18是通过渗杂作为p型掺杂剂的Mg(掺杂浓度例如是1×1019cm-3)而被形成为p型半导体。n型AlInGaN包层14的带隙比n型InGaN引导层15宽，p型AlInGaN包层18的带隙比p型InGaN引导层17宽。由此，能进行良好的限制，并且能够实现低临界值和高效的半导体激光二极管。
n型InGaN引导层15和p型InGaN引导层17是产生用来在发光层10中限制载波(电子和空穴)的载波限制效果的半导体层，且与包层14、18一同形成对发光层10的光限制构造。由此，发光层10中的电子和空穴的复合的效率得到提高。n型InGaN引导层15是通过在InGaN中渗杂例如作为n型掺杂剂的Si(掺杂浓度例如是1×1018cm-3)而被形成为n型半导体，p型InGaN引导层17是通过在InGaN中渗杂例如作为p型掺杂剂的Mg(掺杂浓度例如是5×1018cm-3)而被形成为p型半导体。
p型AlGaN电子阻挡层16是通过在AlGaN中渗杂作为p型掺杂剂的例如Mg(掺杂浓度例如是5×1018cm-3)所形成的p型半导体，防止来自发光层10的电子的流出，提高电子和空穴的复合效率。
发光层10例如具有包括InGaN的MQW(多重量子阱：multiple-quantumwell)构造，是通过电子和空穴复合而发光、并且用来使所产生的光放大的层。
发光层10也可以具有例如将由InGaN层构成的量子阱层(例如3nm厚)和由AlGaN层构成的阻挡层(阻隔(barrier)层：例如9nm厚)交替地反复层叠多个周期而构成的多重量子阱(MQW：Multiple-Quantum Well)构造。在此情况下，由InGaN构成的量子阱层通过使In的组成比为5％以上，带隙变得较小，由AlGaN构成的阻挡层的带隙变得较大。例如，量子阱层和阻挡层交互地反复层叠2～7个周期，由此构成多重量子阱构造的发光层。发光波长与量子阱的带隙对应，带隙的调整能够通过调整铟(In)的组成比来进行。铟的组成比越增大，带隙越变小，发光波长越增大。在本实施方式中，通过调整量子阱层(InGaN层)中的In的组成，发光波长能为例如450nm～550nm(蓝色～绿色)。上述多重量子阱构造，包含In的量子阱层的数量优选3个以下。
如图1等所示，p型半导体层12通过除去其一部分形成直线状的脊形部20。更具体而言，蚀刻除去p型接触层19、p型AlInGaN包层18和p型InGaN引导层17的一部分，形成横断面略呈梯形(台面形)的脊形部20。该脊形部20沿着与c轴在III族氮化物半导体层叠构造2的晶体生长面上投影的投影矢量方向(以下称作“c轴投影方向”)平行的方向形成。
而且，在III族氮化物半导体层叠构造2的表面(形成脊形部20一侧的主面)上在脊形部20的两侧，在与脊形部20的长度方向正交的方向上离开的位置形成四个支承部30。更具体而言，在脊形部20的一端的两侧配置一对支承部30，在脊形部20的另一端的两侧配置另一对支承部30。各支承部30包括：由p型半导体层12构成的基座部31；和形成于该基座部31上的薄膜部32。基座部31与脊形部20同样，通过除去p型半导体层12的一部分而形成。即，蚀刻除去p型接触层19、p型AlInGaN包层18和p型InGaN引导层17的一部分，形成横断面略呈梯形(台面形)的基座部31。薄膜部32包括形成于基座部31的表面的绝缘膜33、34(后述的绝缘层6)。
在本实施方式中，各个支承部30形成为俯视呈矩形的形状。各支承部30在与脊形部20的长度方向(谐振器长度方向。在本实施方式中为<-1014>方向)正交的宽度方向(谐振器宽度方向。在本实施方式中为a轴方向)上的长度形成得比脊形部20的宽度大。例如，脊形部20的宽度是2.5μm左右，与此相对，支承部30的上述宽度方向的长度也可以是数十μm～数百μm。此外，各支承部30的与脊形部20平行的方向的长度与脊形部20的长度(谐振器长度)相比充分短。例如，脊形部20的长度是600μm左右，与此相对支承部30的谐振器长度方向的长度可以是数十μm左右。而且，各个支承部30按照从脊形部20沿着上述宽度方向空出预先设定的距离配置。脊形部20的宽度方向中心和支承部30的脊形部20一侧的端缘之间的距离可以是数μm～数十μm左右。
III族氮化物半导体层叠构造2具有由通过在脊形部20的长度方向两端的解理所形成的镜面构成的一对端面21、22(解理面)。该一对端面21、22相互平行，在本实施方式中，均与c轴在{20-21}面的投影矢量垂直(即，{-1014}面)。这样，由n型InGaN引导层15、发光层10和p型InGaN引导层17形成将端面21、22作为激光谐振面的法布里-珀罗谐振器。即，在发光层10产生的光在激光谐振面21、22之间往复，并且通过受激发射被放大。然后，被放大的光的一部分作为激光从激光谐振面21、22被取出到元件外。
在激光谐振面21、22中，在背面一侧的下边缘区域遍及宽度方向的整个区域地形成端面加工痕迹8，所述端面加工痕迹8以通过解理形成激光谐振面21、22时的划片加工为起因。下边缘区域是与包括基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的半导体层叠构造的背面相连的区域。此外，宽度方向是与III族氮化物半导体层叠构造2的晶体生长面平行且与脊形部20的长度方向正交的方向(谐振器宽度方向)。
此外，包括基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的半导体层叠构造具有与脊形部20平行的一对侧面25。在这一对侧面25上遍及长度方向的整个区域地形成侧面加工痕迹28，所述侧面加工痕迹28以从作为原基板的晶片解理分割半导体层叠构造时的划片加工为起因。长度方向是与脊形部20的长度方向平行的方向(谐振器长度方向)。在从背面一侧进行划片加工的情况下，如图1所示，在侧面25的下边缘区域形成侧面加工痕迹28。此外，在从表面一侧进行划片加工的情况下，如图13B所示，在侧面25的上边缘区域形成侧面加工痕迹38。上边缘区域是与半导体层叠构造的表面(脊形部20一侧的面)相连的区域。
n侧电极3例如由Al构成，与基板1欧姆连接。此外，p侧欧姆电极4A例如由Pt构成，与p型接触层19欧姆连接。按照p侧欧姆电极4A仅与脊形部20的顶面(带状的接触区域)的p型GaN接触层19连接的方式，设置覆盖p型InGaN引导层17和p型AlInGaN包层18的露出面的绝缘层6。由此，由于能够使电流集中于脊形部20，所以能够有效地进行激光振荡。此外，脊形部20的表面，由于除了与p侧欧姆电极4A的接触部的区域被绝缘层6覆盖受到保护，所以能够容易地控制使横向的光限制缓和，并且能够防止从侧面的漏电。绝缘层6能够由折射率大于1的绝缘材料例如SiO2和ZrO2构成。p侧垫电极4B例如由Ti/Au形成。
绝缘层6覆盖支承部30的表面和侧面，其一部分成为构成薄膜部32的绝缘膜34。另一方面，p侧欧姆电极4A按照使支承部30露出的图案形成。更具体而言，在支承部30和p侧欧姆电极4A的周边之间空出预先设定的间隔。该间隔例如是10μm左右。
p侧欧姆电极4A与脊形部20的顶面接触，另一方面，支承部30采用在与脊形部20大致相同高度的基座部31上配置层叠了绝缘膜33、34的薄膜部32的构造。薄膜部32的厚度与p侧欧姆电极4A的厚度相等或者比其厚。因此，支承部30的表面的高度(与III族氮化物半导体层叠构造2的表面的距离)与脊形部20上的p侧欧姆电极4A的表面相等或者比其更高。由此，在后述的分割工序(断开(break)工序)中，由于脊形部20不会从解理用的刀片承受大的外部应力，所以能够保护脊形部20。
激光谐振面21、22分别被绝缘膜23、24(在图1中省略图示)覆盖。激光谐振面21、22的结晶面是与上述c轴投影方向垂直的面，在本实施方式中是{-1014}面。按照覆盖其中一个激光谐振面21的方式所形成的绝缘膜23例如由ZrO2的单膜构成。与此相对，形成于另一个激光谐振面22上的绝缘膜24例如由交替地多次反复层叠SiO2膜和ZrO2膜而成的多重反射膜构成。构成绝缘膜23的ZrO2单膜的膜厚，其厚度是λ/2n1(但是，λ是发光层10的发光波长。n1是ZrO2的折射率)。另一方面，构成绝缘膜24的多重反射膜例如采用交替地层叠膜厚λ/4n2(但是，n2是SiO2的折射率)的SiO2膜和膜厚λ/4n1的ZrO2膜的构造。
根据这种构造，激光谐振面21中的反射率小，激光谐振面22中的反射率大。更具体而言，例如，激光谐振面21的反射率为20％左右，激光谐振面22中的反射率为99.5％左右(大致为100％)。因此，从激光谐振面21能射出更大的激光输出。即，在该半导体激光元件70中，激光谐振面21是激光射出端面。
根据这种构造，将n侧电极3和p侧电极4电源连接，从n型半导体层11和p型半导体层12向发光层10注入电子和空穴，由此在该发光层10内产生电子和空穴的复合，能够产生450nm～550nm的光。该光在激光谐振面21、22之间沿着引导层15、16往复，并且通过受激发射被放大。而且，更多的激光输出从作为激光射出端面的激光谐振面21被取出到外部。
图4是表示III族氮化物半导体的结晶构造的晶胞的图解图。III族氮化物半导体的结晶构造能够接近六方晶系，对于一个III族原子键合四个氮原子。四个氮原子位于将III族原子配置于中央的正四面体的四个顶点。这四个氮原子中的一个氮原子相对III族原子位于+c轴方向，其他的三个氮原子相对III族原子位于-c轴一侧。因为采用这种构造，所以在III族氮化物半导体中，极化方向沿着c轴。
c轴沿着六棱柱的轴方向，以该c轴作为法线的面(六棱柱的顶面)是c面{0001}。如果以与c面平行的两个面解理III族氮化物半导体的结晶，则+c轴一侧的面(+c面)变成III族原子并列的结晶面，-c轴一侧的面(-c面)变成氮原子并列的结晶面。因此，c面由于表示在+c轴一侧和-c轴一侧不同的性质，所以称作极性面(Polar Plane)。
另一方面，六棱柱的侧面分别是m面{1-100}，通过不相邻的一对棱线的面是a面{11-20}。它们是相对c面成直角的结晶面，因为相对极化方向正交，因此是没有极性的平面，即非极性面(Nonpolar Plane)。
而且，相对c面倾斜(既不平行也不成直角)的结晶面相对极化方向斜着交叉，因此是具有若干极性的平面，即半极性面(SemipolarPlane)。半极性面的具体例子有：{20-21}面、{11-22}面、{01-12}面、{10-1-1}面、{10-1-3}面、{11-24}面、{10-12}面等。图4表示其中的{20-21}和{11-22}面。
例如，以{20-21}面作为主面的GaN单结晶基板能通过从以c面作为主面的GaN单结晶切出地进行制作。被切出的基板的{20-21}面，例如通过化学机械研磨处理进行研磨，关于作为c轴投影方向的<-1014>方向和与其正交的<11-20>方向的两个方向上的方位误差在±1°(优选±0.3°以内)以内。这样，能获得以{20-21}面为主面且没有错位和层叠缺陷这样的结晶缺陷的GaN单结晶基板。
根据有机金属气相生长法，构成半导体激光二极管构造的III族氮化物半导体层叠构造2在采用上述方式获得的GaN单结晶基板上生长。
在以{20-21}面作为主面的GaN单结晶基板上使晶体生长的III族氮化物半导体以{20-21}面作为晶体生长面而进行生长。在以c面作为主面晶体生长的情况下，因c轴方向的极化影响，在发光层10的发光效率有可能变差。与此相对，如果以作为半极性面的{20-21}面作为晶体生长主面，则在量子阱层的极化被抑制，发光效率增加。由此能实现临界值的下降和斜度效率的增加。此外，由于极化少，因此发光波长的电流依赖性受到抑制，能够实现稳定的振荡波长。进而，与以m面作为生长主面的情况相比，能够增大发光层10的In组成，因此能够实现长波长化。
图5表示在以{20-21}面作为主面的GaN单结晶基板上共格生长的AlxGa1-xN层(0≤x≤1)的应变量(％)。在图5中表示相对铝组成x的应变量的变化。向作为c轴投影方向的<-1014>方向的应变量ε||[-1014]和向与其正交的<11-20>方向的应变量ε||[11-20]均为正值。因此，在AlxGa1-xN层产生拉伸应力。而且，该拉伸应力随着铝组成x的增加而增大。如图5明确所示，ε||[-1014]＞ε||[11-20]。即，向作为c轴投影方向的<-1014>方向的应变量ε||[-1014]比向与其正交的<11-20>方向的应变量ε||[11-20]大。这说明在与<-1014>方向正交的结晶面的解理比在与<11-20>方向正交的结晶面的解理容易。
因此，在本实施方式中，将激光谐振面21、22用作与作为c轴投影方向的<-1014>方向正交的{-1014}面。因此，用{-1014}面解理在基板1上使III族氮化物半导体层叠构造2生长的原基板，由此能得到由平坦性良好的解理面构成的激光谐振面21、22。
图6表示使{20-21}面作为晶体生长面生长的III族氮化物半导体(试样)的PL(光致发光)偏振光特性的测定结果。具体而言，从激励光源在试样上照射激光使光致发光生成，通过偏振板在CCD分光器中检测出所产生的光。图6的横轴表示在与{20-21}面平行的面内发生变化的偏振板的角度(polarizer angle)。偏振板角度是0度或180度时，偏振板使<-1014>方向的偏振光成分(电场E与<-1014>方向平行的偏振光成分)通过。偏振板角度是90度时，偏振板使<11-20>方向的偏振光成分(电场E与<11-20>方向平行的偏振光成分)通过。纵坐标表示光致发光强度(PL intensity(任意单位))。
由图6可知，作为a轴投影方向的<11-20>方向的偏振光成分的强度最强。因此，在作为c轴投影方向的<-1014>方向设置谐振器方向(脊形部20的长度方向)，由此强度最强的偏振光成分与其正交。结果是，由于能够有效地利用TE模式的光，所以能够提高振荡效率。
接着，对该半导体激光元件70的制造方法进行说明。
在制造半导体激光元件70中，首先，如图7的图解所示，在晶片5上分别构成半导体激光元件70的多个单独元件80(半导体激光元件区域)成行列状排列形成，所述晶片5是构成由GaN单结晶基板所构成的III族氮化物半导体基板1的原基板。
更具体而言，在晶片5(GaN单结晶基板的状态)上，通过使n型半导体层11、发光层10和p型半导体层12进行外延(epitaxial)生长，而形成III族氮化物半导体层叠构造2。
在形成III族氮化物半导体层叠构造2后，例如通过干蚀刻形成脊形部20和基座部31(支承部30的一部分)。在该干蚀刻之前，在脊形部条20和基座部31的形成区域，有选择地形成绝缘膜33(例如，氧化硅膜)作为用于干蚀刻的硬掩膜。该绝缘膜33在干蚀刻后被选择性地除去。具体而言，在基座部31上残留绝缘膜33，脊形部20的顶面上的绝缘膜33被除去。这样，在基座部31上形成构成薄膜部32的第一层绝缘膜33，另一方面使脊形部20的顶面露出。
接着，在整个表面形成例如由氧化硅构成的绝缘层6后，脊形部20的顶面上的绝缘层6通过蚀刻被除去。由此，在基座部31上，在绝缘膜33上形成第二层绝缘膜34(绝缘层6)。
然后，形成p侧欧姆电极4A、p侧垫电极4B和n侧电极3。p侧欧姆电极4A和p侧垫电极4B根据图案形成于除了支承部30和其周边的区域以外的区域。由此，p侧欧姆电极4A和p侧垫电极4B并未完全覆盖支承部30，P侧电极4的周边与支承部30空出间隔。P侧电极4的形成例如能够通过电阻加热或者电子射线束的金属蒸镀装置来进行。
这样，能得到形成了多个单独元件80的状态的晶片5。根据需要，在形成n侧电极3之前，为了使晶片5薄型化，能实施从其背面一侧的磨削、研磨处理(例如，化学机械研磨)。
各个单独元件80形成于被在晶片5上假想的棋盘格状的切断线7(假想线)区分的各个矩形区域。切断线7具有：沿着谐振器宽度方向(作为a轴投影方向的<11-20>方向)的端面切断线7a；和沿着谐振器长度方向(作为c轴投影方向的<-1014>方向)的侧面切断线7b。
沿着这样的切断线7，晶片5被分割成各个单独元件80。即，沿着切断线7解理晶片5，单独元件80被切出。
接着，对将晶片5分割成单独元件80的方法进行具体的说明。
图8A、图8B和图8C是用来概略说明将晶片5分割成单独元件80的顺序的图解立体图。首先沿着与谐振器长度方向(c轴投影方向)正交的(即，与{-1014}面平行的)端面切断线7a解理晶片5。以下将其称作“一次解理”。根据该一次解理，得到多条图8B所示的棒状体90。各棒状体90的两个侧面91是成为激光谐振面21、22的结晶面。在该棒状体90的侧面91形成上述的绝缘膜23、24(反射率调整用的端面涂层膜。参照图2)。
接着，各棒状体90沿着与谐振器长度方向(c轴投影方向)平行的侧面切断线7b被切断。以下将其称作“二次解理”。根据该二次解理，如图8C所示，棒状体90被分割成各个单独元件80，得到多个基片。
图9是用来说明晶片5表面的P侧电极4和支承部30的配置情况的部分放大平面图。在晶片5上，条状地形成多条脊形部20。即，多条脊形部20隔开一定间隔地相互平行地形成。各脊形部20按照通过在一个方向上排列的多个单独元件80的方式形成。沿着与各脊形部20正交的方向设定端面切断线7a。端面切断线7a沿着与脊形部20平行的方向(谐振器长度方向)以与谐振器长度相等的间隔被设定。
在各脊形条20的两侧，在端面切断线7a的附近区域，按照遍及端面切断线7a的方式形成俯视大致呈矩形的支承部30。另一方面，侧面切断线7b在与相邻的脊形部20大致等距离的中间位置，与脊形部20平行地设定。支承部30形成为遍及跨越侧面切断线7b的区域。即，在切断前的晶片5的表面上，分别属于共用端面切断线7a和侧面切断线7b的交叉点的四个单独元件80的四个支承部30形成为一体。
p侧欧姆电极4A形成为遍及脊形部20的顶面的整个区域。在脊形部20的顶面以外的区域，P侧电极4按照带状图案形成，所述带状图案在从侧面切断线7b仅仅后退预先设定的距离的位置配置宽度方向周边。而且，P侧电极4在脊形部20的长度方向与支承部30对应的区域中形成窄的带状图案，以避开支承部30。更具体而言，在该区域中，p侧欧姆电极4A仅形成于脊形部20的顶面附近，并不形成p侧垫电极4B。
图10A是表示n侧电极3的第1形成图案例子的仰视图。在该例子中，n侧电极3分别按照矩形图案形成于被切断线7a、7b区分的多个矩形区域内。各个n侧电极3具有从端面切断线7a和侧面切断线7b中的一个仅后退预先设定的距离的周边。更具体而言，各个n侧电极3在该周边具有：从与半导体激光元件70的激光谐振面21、22对应的端面切断线7a后退的端面后退部3a；和与对应半导体激光元件70的侧面25的侧面切断线7b相对的侧面后退部3b。端面后退部3a形成为与端面切断线7a平行的直线状，侧面后退部3b形成为与侧面切断线7b平行的直线状。因此，未形成多个n侧电极3的部分构成与切断线7a、7b匹配的细线状区域。由此，以该线状区域为标记，能进行在切断晶片5时所需的加工。
图10B是表示n侧电极3的第2形成图案例子的仰视图。在本例子中，n侧电极3分别按照带状图案形成于被端面切断线7a区分的多个带状区域内。该例子的n侧电极3在侧面切断线7b处未被分离。各个n侧电极3在周边具有：从与半导体激光元件70的激光谐振面21、22对应的端面切断线7a仅后退预先设定的距离的端面后退部3c。端面后退部3c形成为与端面切断线7a平行的直线状。因此，未形成多个n侧电极3的部分构成与端面切断线7a匹配的细线状区域。由此，以该线状区域为标记，能进行在切断晶片5时所需的加工。
图10C是表示n侧电极3的第3形成图案例子的仰视图。在本例子中，n侧电极3在各个端面切断线7a的两端具有一对凹口37。凹口37具有朝着n侧电极3的内侧后退的形状。本例的n侧电极3在切断线7a、7b处未被分离。通过沿着与脊形部20正交的方向相对的一对凹口37的直线与端面切断线7a匹配。因此，以凹口37作为标记，能进行在切断晶片5时所需的加工。
图11A及图11B是用来说明一次解理的具体例子的说明图。一次解理包括图11A所示的背面划片工序和图11B所示的表面分割工序。
背面划片工序，如图11A所示，是从晶片5的背面沿着端面切断线7a实施划片加工的工序。晶片5的表面是形成有脊形部20的主面，其相反的主面是晶片5的背面。划片加工既可以使用激光加工器(激光划片针)来进行，也可以使用金刚石划片针来进行。根据划片加工，在晶片5的背面一侧，沿着端面切断线7a形成连续的端面加工痕迹8。该端面加工痕迹8在各个单独元件80(半导体激光元件70)中，遍及激光谐振面21、22的宽度方向整个区域地连续。端面加工痕迹8也可以是槽形状(分割导向槽)。划片加工的深度优选为端面切断线7a中的晶片5的厚度(更准确而言，为包括基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的半导体层叠构造的厚度)的10％以上。因此。端面加工痕迹8形成于从晶片5(基板1和III族氮化物半导体层叠构造2)的背面至其厚度的10％以上的深度范围的下边缘区域。
表面分割工序，如图11B所示，是从晶片5的表面一侧沿着端面切断线7a贴上刀片9(例如陶瓷刀片)，在晶片5上施加外力的工序。由此，晶片5沿着端面加工痕迹8在与晶片5的主面垂直的结晶面被解理。这样，得到由与脊形部20垂直的解理面构成的激光谐振面21、22。这些激光谐振面21、22在背面一侧的下边缘区域分别具有端面加工痕迹8。端面加工痕迹8也可以具有例如沿着长度方向将线状的槽一分为二的形状(部分槽形状)。
在将刀片9贴在晶片5上时，刀片9的边部抵接支承部30，支承部30承受来自刀片9的外力的大部分。这时因为支承部30的高度是脊形部20的高度(更准确而言，形成于其顶面的p侧欧姆电极4A的高度)以上，并且支承部30的沿着刀片9的方向的长度比脊形部20的宽度大。因此，在通过刀片9在晶片5上施加外力时，支承部30承受该外力的大部分(或者全部)，几乎(或者完全)不会作用在脊形部20上。因此，能够保护脊形部20不受外力的影响，并且能够进行使用刀片9的分割工序。因此，由于不划伤波导且能进行一次解理，所以成品率改善。
图12A及图12B是用来说明二次解理的具体例子的说明图。该具体例子中的二次解理包括图12A所示的背面划片工序和图12B所示的表面分割工序。
背面划片工序如图12A所示，是从晶片5的背面沿着侧面切断线7b实施划片加工的工序。该划片加工优选在一次解理的分割工序之前进行，但是也可以在一次解理的划片加工(沿着端面切断线7a的划片加工)之前或者之后。划片加工既可以由激光加工器(激光划片针)来进行，也可以由金刚石划片针来进行，但是优选与一次解理的划片加工相同的加工方法。根据划片加工，在晶片5的背面一侧，沿着侧面切断线7b，形成侧面加工痕迹28。侧面加工痕迹28也可以是槽形状(分割导向槽)。划片加工的深度优选为侧面切断线7b中的晶片5的厚度(更准确而言，脊形部20和支承部30以外的部分中的基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的总厚度)的80％以上。因此，侧面加工痕迹28形成于从晶片5(包括基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的半导体层叠构造)的背面至其厚度的80％以上的深度范围的下边缘区域。
表面分割工序，如图12B所示，是在一次解理中的分割工序后进行。因此，二次解理中的表面分割工序是从通过一次解理而得到的棒状体80的表面一侧，沿着侧面切断线7b贴上刀片29(例如陶瓷刀片)，在晶片5(棒状体80)上施加外力的工序。由此，晶片5(棒状体80)沿着侧面加工痕迹28在与晶片5的主面垂直的结晶面中被解理。这样，形成与脊形部20平行的侧面25。这些侧面25在背面一侧的下边缘区域分别具有侧面加工痕迹28。侧面加工痕迹28也可以具有例如沿着长度方向将线状的槽一分为二的形状(部分槽形状)。
当将刀片29贴在晶片5(棒状体80)时，刀片29的边缘抵接支承部30。这是因为，支承部30的高度比p侧欧姆电极4A的高度高。因此，当通过刀片29在晶片5(棒状体80)上施加外力时，该外力首先由支承部30承受。因此，从支承部30开始解理，解理范围扩大至棒状体80的谐振器长度方向的整个区域。由此，也能稳定地进行与脊形部20平行的侧面的解理。
如图13A和图13B是用来说明二次解理的其他具体例子的说明图。该具体例子中的二次解理包括图13A所示的表面划片工序和图13B所示的背面分割工序。
表面划片工序，如图13A所示，是从晶片5的表面沿着侧面切断线7b实施划片加工的工序。该划片加工优选在一次解理的分割工序之前进行，但是也可以在一次解理的划片加工(沿着端面切断线7a的划片加工)之前或者之后。划片加工既可以由激光加工器(激光划片针)来进行，也可以由金刚石划片针来进行。根据划片加工，在晶片5的表面一侧，沿着侧面切断线7b，形成侧面加工痕迹38。侧面加工痕迹38也可以是槽形状(分割导向槽)。划片加工的深度优选为侧面切断线7b中的晶片5的厚度(更准确而言，脊形部20和支承部30以外的部分中的基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的总厚度)的80％以上。因此，侧面加工痕迹38形成于从晶片5(包括基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的半导体层叠构造)的表面至其厚度的80％以上的深度范围的上边缘区域。
背面分割工序，如图13B所示，在一次解理中的分割工序之后进行。因此，二次解理中的背面分割工序是，从通过一次解理所得到的棒状体80的背面一侧，沿着侧面切断线7b贴上刀片39(例如陶瓷刀片)，在晶片5(棒状体80)上施加外力的工序。由此，晶片5(棒状体80)沿着侧面加工痕迹38在与晶片5的主面垂直的结晶面被解理。这样，形成与脊形部20平行的侧面25。这些侧面25如图13B所示，在背面一侧的上边缘区域分别具有侧面加工痕迹38。侧面加工痕迹38也可以具有例如沿着长度方向将线状的槽一分为二的形状(部分槽形状)。
如以上，在本实施方式的半导体激光元件70中，构成半导体激光二极管构造的III族氮化物半导体层叠构造2，使作为半极性面的{20-21}面作为晶体生长面在基板1上生长。因此，由于能够形成In组成大的发光层10，所以能够实现绿色波长区域的半导体激光元件70。在以半极性面为晶体生长主面的III族氮化物半导体中，由于内部电场的影响小，所以与将作为非极性面的m面作为晶体生长面的III族氮化物半导体的情况相同，能够实现振荡效率好的半导体激光元件。而且，脊形部20，与作为c轴投影方向的<-1014>方向平行，与c轴投影方向垂直的{-1014}面成为激光谐振面21、22。由于{-1014}面是能够利用III族氮化物半导体层叠构造2的内部应力进行解理的结晶面，因此能够得到由平坦性好的解理面构成的激光谐振面21、22。由此，能实现优良的振荡效率。而且，以{20-21}面作为生长主面而形成的半导体激光二极管构造(III族氮化物半导体层叠构造2)产生与<-1014>方向正交的<11-20>方向的偏振光。因此，通过在与<11-20>方向正交的<-1014>方向设置谐振器长度，能有效地利用TE模式的光，并且能够进一步提高振荡效率。
此外，在本实施方式中，包括基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的半导体层叠构造具有形成于激光谐振面21、22的下边缘区域的端面加工痕迹8。即，在该半导体激光元件70中，从半导体层叠构造的背面一侧实施加工形成端面加工痕迹8，从半导体层叠构造的表面一侧贴上刀片9然后施加外力，由此解理原基板，根据该解理面能够形成激光谐振面21、22。由于端面加工痕迹8形成于未形成脊形部20的背面一侧，所以无需形成为在脊形部20的附近具有不连续部的不连续图案，因此能够形成为连续图案。因此，由于能够稳定地进行利用从表面一侧施加的外力的解理，所以能够获得良好的解理面。由此，能提供特性好的半导体激光元件70。具体而言，能够达成临界值电流的减少、斜度效率的增大和工作电流的降低。
此外，在半导体激光元件70中，在III族氮化物半导体层叠构造2的表面，在向与脊形部20的长度方向正交的宽度方向离开的位置配置支承部30，该支承部30具有脊形部20以上的高度，该支承部的上述宽度方向的长度比脊形部20的宽度大，且从p侧欧姆电极4A空出间隔。由此，当将刀片9贴在晶片5的表面一侧然后施加外力时，能够使该外力的大部分或者全部作用于支承部30。由此，能保护脊形部20，并且分割作为原基板的晶片5(解理)，能够形成由良好的解理面构成的激光谐振面21、22。而且，支承部30由于宽度方向的长度比脊形部20的宽度大，所以能够切实承受外力。另外，由于支承部30从p侧欧姆电极4A空出间隔地形成，所以当承受外力时不会弄伤p侧欧姆电极4A。由此，也不会成为漏电等故障的原因。
图14是用来说明本发明的其他实施方式的半导体激光元件的构造的立体图，图15是沿着图14的XV-XV线的纵截面图，图16是沿着图14的XVI-XVI线的横截面图。在图14～图16中，在与上述的图1～图3所示的各部分对应的部分标注相同的参考符号。
在本实施方式的半导体激光元件170中，基板1由GaN单结晶基板构成且将作为非极性面中的一个的m面作为主面。根据在该主面上的晶体生长，形成III族氮化物半导体层叠构造2。因此，III族氮化物半导体层叠构造2由将m面作为晶体生长面(主面)的III族氮化物半导体构成。
此外，脊形部20沿着c轴方向形成，因此，根据脊形部20的长度方向所定义的谐振器方向是c轴方向。与谐振器方向正交的谐振器宽度方向是a轴方向。谐振器端面21、22均是与c轴垂直的结晶面，即c面。在本实施方式中，作为激光射出端面的激光谐振面21是+c轴侧端面(即+c面)，其相反一侧的激光谐振面22是-c轴侧端面(即-c面)。
其他的构造与图1等附图所示的实施方式同样，因此引用图1等所示的实施方式的说明来代替说明。但是，在图7的晶片5中，端面切断线7a沿着a轴(与c面平行)，侧面切断线7b沿着c轴(与a面平行)。
图17A是表示对于在从晶片5的表面一侧的划片工序和从背面一侧的分割工序中进行一次解理的比较例子中的多个试样(半导体激光元件)，测定了临界值电流Ith的结果的柱状图。在此情况下，划片工序按照沿着端面切断线7a在脊形部20的部分被分割的穿孔(perforation)状的不连续图案来进行，从而不弄伤脊形部20。另一方面，图17B是表示对于在从晶片5的背面一侧的划片工序和从表面一侧的分割工序中进行一次解理的实施例中的多个试样(半导体激光元件)，测定了临界值电流Ith的结果的柱状图。如上述，划片工序沿着端面切断线7a成连续线状地进行。由图17A和图17B的比较可知，实施例与比较例相比，临界值电流Ith大约减少四成。
图18A是表示对于上述的比较例中的多个试样测定了斜度效率SE的结果的柱状图，图18B是表示对于上述实施例中的多个试样测定了斜度效率SE的结果的柱状图。通过比较它们可知，实施例与比较例相比，斜度效率SE大约增加四成。
图19A是表示对于上述的比较例中的多个试样测定了工作电流Iop的结果的柱状图，图19B是表示对于上述的实施例中的多个试样测定了工作电流Iop的结果的柱状图。通过比较它们可知，实施例与比较例相比，工作电流Iop大约减少四成。
如以上，在该实施方式的半导体激光元件170中，包括基板1和III族氮化物半导体层叠构造2的半导体层叠构造具有：形成于激光谐振面21、22的下边缘区域的端面加工痕迹8。即，在该半导体激光元件170中，从半导体层叠构造的背面一侧实施加工形成端面加工痕迹8，从半导体层叠构造的表面一侧贴上刀片9然后施加外力，由此解理原基板，利用该解理面能够形成激光谐振面21、22。由于端面加工痕迹8形成于未形成脊形部20的背面一侧，所以不需要形成为在脊形部20的附近具有不连续部的不连续图案，因此能够形成为连续图案。因此，能够稳定地进行利用从表面一侧施加的外力的解理，所以能够获得良好的解理面。由此，能提供特性好的半导体激光元件170。具体而言，能够达成临界值电流的降低、斜度效率的增大和工作电流的降低。
此外，在半导体激光元件170中，在III族氮化物半导体层叠构造2的表面，在向与脊形部20的长度方向正交的宽度方向离开的位置配置支承部30，该支承部30具有脊形部20以上的高度，并且上述宽度方向的长度比脊形部20的宽度大，且与p侧欧姆电极4A空出间隔。由此，当将刀片9贴在晶片5的表面一侧然后施加外力时，能够使该外力的大部分或者全部作用于支承部30。由此，能边保护脊形部20边分割(解理)作为原基板的晶片5，能够形成由良好的解理面构成的激光谐振面21、22。而且，由于支承部30的宽度方向的长度比脊形部20的宽度大，所以能够切实承受外力。另外，因为支承部30与p侧欧姆电极4A空出间隔地形成，所以承受外力时不会弄伤p侧欧姆电极4A。由此，也不会成为漏电等故障的原因。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明也能够采用其他的实施方式。
例如，在上述的实施方式中，在脊形部20的两侧设置支承部30，沿着端面切断线7a分割晶片5时，刀片9几乎不会在脊形部20上施加外力。但是，脊形部20的高度不太高，在脊形部20受到损伤的可能性小的情况下，也可以省略支承部30。
此外，构成III族氮化物半导体层叠构造2的各层的组成仅是一个例子，也可以根据需要的规格进行更改。
而且，在图1等所示的实施方式中，具体地说明了使用以{20-21}面作为生长主面的III族氮化物半导体层叠构造2的例子，但是也可以通过将作为其他的半极性面的{11-22}面、{01-12}面、{10-1-1}面、{10-1-3}面、{11-24}面、{10-12}面等作为主面(晶体生长面)的III族氮化物半导体层叠构造，来构成半导体激光二极管构造。
而且，在图14等所示的实施方式中，表示了使用以m面作为生长主面的III族氮化物半导体层叠构造2的例子，但是也可以通过以作为其他的非极性面的a面、作为极性面的c面、或者半极性面作为主面(晶体生长面)的III族氮化物半导体层叠构造，来构成半导体激光二极管构造。根据本发明，即使在将任意的结晶面作为晶体生长面的情况下，也能提供具有由良好的解理面构成的激光谐振面的半导体激光元件。
对本发明的实施方式进行了详细的说明，但是它们仅是为了阐明本发明的技术内容而使用的具体例子，本发明并非局限于这些具体例子，本发明的范畴仅由所附的权利要求来限定。
本申请均与2010年12月7日向日本国特许厅(日本专利局)提交的特愿2010-272761号和特愿2010-272762号对应，通过引用这些申请的完全公开而编入此处。

Claims (23)

1.一种半导体激光元件，其特征在于：
包括由以半极性面作为晶体生长面的III族氮化物半导体构成的半导体层叠构造，该半导体层叠构造包括：包含In的发光层；配置于该发光层的一侧的p型引导层；配置于所述发光层的另一侧的n型引导层；配置于所述p型引导层的与所述发光层相反一侧的p型包层；配置于所述n型引导层的与所述发光层相反一侧的n型包层，
所述半导体层叠构造包括：与c轴在所述晶体生长面的投影矢量平行地形成的直线状的波导；和由与所述投影矢量垂直的解理面构成的一对激光谐振面。
2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述半极性面是{20-21}面，所述激光谐振面是{-1014}面。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述半导体层叠构造包括沿着所述波导在所述一对激光谐振面之间延伸的脊形部，
所述半导体激光元件还包括：
在所述半导体层叠构造的配置有所述脊形部的一侧的表面形成的表面电极；
支承部，其配置于所述半导体层叠构造的所述表面中向与所述脊形部的长度方向正交的宽度方向离开的位置，具有与所述脊形部相等或者比所述脊形部高的高度，所述支承部的所述宽度方向的长度比所述脊形部的宽度大，且所述支承部与所述表面电极空出间隔。
4.如权利要求3所述的半导体激光元件，其特征在于：
还包括背面电极，该背面电极形成于所述半导体层叠构造的与所述表面相反一侧的背面，且在周边具有从所述一对激光谐振面向内侧后退的端面后退部。
5.一种半导体激光元件，其特征在于：
包括半导体层叠构造，该半导体层叠构造包括：发光层；配置于该发光层的一侧的p型引导层；配置于所述发光层的另一侧的n型引导层；配置于所述p型引导层的与所述发光层相反一侧的p型包层；配置于所述n型引导层的与所述发光层相反一侧的n型包层，
所述半导体层叠构造包括：形成于表面一侧的直线状的脊形部；在该脊形部的长度方向两端按照与所述脊形部正交的方式形成的一对激光谐振面；和在该一对激光谐振面中在与所述半导体层叠构造的背面相连的下边缘区域形成的端面加工痕迹。
6.如权利要求5所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述端面加工痕迹遍及所述半导体层叠构造的宽度方向的整个区域地连续。
7.如权利要求5或6所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述端面加工痕迹的厚度是所述半导体层叠构造的厚度的10％以上。
8.如权利要求5～7中任意一项所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述半导体层叠构造由以m面为晶体生长面的III族氮化物半导体构成，
所述激光谐振面是c面。
9.如权利要求5～7中任意一项所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述半导体层叠构造由以半极性面为晶体生长面的III族氮化物半导体构成，
所述脊形部与c轴在所述晶体生长面的投影矢量平行地形成，所述激光谐振面由与所述投影矢量垂直的解理面构成。
10.如权利要求9所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述半极性面是{20-21}面，所述激光谐振面是{-1014}面。
11.如权利要求5～10中任意一项所述的半导体激光元件，其特征在于，还包括：
形成于所述半导体层叠构造的表面的表面电极；
支承部，其配置于所述半导体层叠构造的所述表面中向与所述脊形部的长度方向正交的宽度方向离开的位置，具有与所述脊形部相等或者比所述脊形部高的高度，所述支承部的所述宽度方向的长度比所述脊形部的宽度大，且所述支承部与所述表面电极空出间隔。
12.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于：
还包括形成于所述半导体层叠构造的背面，且在周边具有从所述一对激光谐振面向内侧后退的端面后退部的背面电极。
13.如权利要求5～12中任意一项所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述半导体层叠构造还包括：
与所述脊形部的长度方向平行的一对侧面；和
在所述一对侧面中在与所述半导体层叠构造的背面相连的下边缘区域形成的侧面加工痕迹。
14.如权利要求13所述的半导体激光元件，其特征在于：
形成于所述半导体层叠构造的背面的背面电极，在周边具有从所述一对侧面向内侧后退的侧面后退部。
15.如权利要求5～12中任意一项所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述半导体层叠构造还包括：与所述脊形部的长度方向平行的一对侧面；和在所述一对侧面中在与所述半导体层叠构造的表面相连的上边缘区域形成的侧面加工痕迹。
16.如权利要求13～15中任意一项所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述侧面加工痕迹遍及所述半导体层叠构造的长度方向的整个区域地连续。
17.如权利要求13～16中任意一项所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述侧面加工痕迹的厚度是所述半导体层叠构造的80％以上。
18.一种半导体激光元件的制造方法，其特征在于，包括：
准备原基板的工序，在所述原基板多个半导体激光元件区域成行列状排列，所述原基板具有按照分别通过在一个方向上排列的多个半导体激光元件区域的方式成条状地形成的多个脊形部；
划片工序，从形成有所述脊形部的表面的相反一侧的背面，沿着切断线对所述原基板实施划片加工，所述切断线是沿着所述多个半导体激光元件区域的边界线而设定的；和
分割工序，从所述原基板的表面沿着所述切断线将刀片贴在所述原基板上，沿着所述切断线分割所述原基板。
19.如权利要求18所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于：
所述划片加工包括按照沿着所述切断线连续的方式对所述原基板实施划片加工的工序。
20.如权利要求18或19所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于：
所述切断线包括沿着与所述脊形部正交的方向而设定的端面切断线，
通过沿着所述端面切断线进行所述分割工序，形成由与所述脊形部正交的解理面构成的激光谐振面。
21.权利要求18～20中任意一项所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于：
所述切断线包括沿着所述脊形部的长度方向设定的侧面切断线，
通过沿着所述侧面切断线进行所述分割工序，形成与所述脊形部平行的侧面。
22.如权利要求20所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于，还包括：
从所述原基板的表面沿着侧面切断线对所述原基板实施侧面划片加工的工序，所述侧面切断线是沿着所述多个半导体激光元件的边界与所述脊形部的长度方向平行地设定的切断线；和
从所述原基板的背面，沿着所述侧面切断线将刀片贴在所述原基板上，沿着所述侧面切断线分割所述原基板的工序。
23.如权利要求22所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于：
所述侧面划片工序包括：按照沿着所述侧面切断线连续的方式对所述原基板实施划片加工的工序。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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