TW200845524A - Semiconductor laser - Google Patents

Description

200845524 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於包含ΠΙ族氮化物半導體構成之半導體積層 構造之半導體雷射。 【先前技術】 在III-V族半導體中，使用氮作為V族元素之半導體稱為 「III族氮化物半導體」，其代表例為氮化鋁（A1N)、氮化鎵 (GaN)、氮化銦（InN)。一般，可表示為 AlxIiiyGa^x-yN (Ogxg 1，S 1，〇Sx + y $ 1) 〇 藍色及綠色等短波長之雷射光源已逐漸被活用於對DVD 所代表之光碟之高密度記錄、圖像處理、醫療機器、計測 機器等領域。此種短波長雷射光源例如係以使用GaN半導 體之雷射二極體所構成。

GaN半導體雷射二極體係利用有機金屬氣相生長法 (MOVPE : Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)使 III族氮化 物半導體生長於以c面為主面之氮化鎵（GaN)基板上而製 成。更具體言之，係在GaN基板上，利用有機金屬氣相生 長法使η型GaN接觸層、η型AlGaN包層、η型GaN導光層、 活性層（發光層）、ρ型GaN導光層、p型AlGaN包層、p型 GaN接觸層依序生長，形成由此等半導體層構成之半導體 積層構造。在活性層中，透過由II型層注入之電子與由ρ型 層注入之電洞之再耦合而發出光。該光被截留於η型 AlGaN包層與ρ型AlGaN包層之間，向與半導體積層構造之 積層方向垂直之方向傳播。在其傳播方向之兩端形成有諧 128743.doc 200845524 振器端面’在此一對諧振器端面間，光一面重複受激發 射’一面被諧振放大，其一部分由諧振器端面被出射作為 雷射光。 【發明内容】 (發明所欲解決之問題) 但’在以往之氮化物半導體雷射二極體中，有難以確保雷 射出射端面之可靠性之問題。迄今，雖已實現38〇 nm

程度之波長域之半導體雷射二極體，但此波長域屬於短 波’故光能較大’會促進在端面之反應，引起端面劣化。 又，以c面為生長主面之氮化物半導體結晶所構成之半 導體雷射經解理而得之平行之端面呈現互相等效之面方位 之晶面。因此，對於取出大的雷射輸出之出射側端面，有 必要施行劣化耐性較強之多層端面塗膜等特別之處理。 因此，本發明之目的在於提供可提高對雷射出射端面之 劣化之耐久性之半導體雷射。 (解決問題之技術手段） 本發明之半導體雷射係包含以c面以外之晶面作為結晶 生長主面之六方晶構造之ΠΙ族氮化物半導體之法布立一柏 右型半導體雷射。本半導體雷射係包含平行於與〇軸交叉 之平面之+c軸側端面及-C軸側端面，使來|+c軸侧端面之 雷射輸出大於來自-C軸側端面之雷射輸出，而以前述竹軸 側端面作為雷射出射端面。 m族氮化物半導體具有六方晶之結晶構造，對i個職 原子，結合4個氮原子。4個氮原子位於中央配置卬族原子 128743.doc 200845524 之正四面體之4個頂點。此4個氮原子中，^個氮原子係對 為原子，位於+c軸方向，其他3個氮原子係對in族原 子、位於-c軸侧。在平行於c面之2個面，解理爪族氮化物 ^導體之結晶時，侧之面（+_)呈現職原子排列之 c軸側之面（-c面）呈現氮原子排列之晶面。因此， 面/、C面為相異之晶面，顯示相異之物性。具體而言， 0 +C面對耐驗性等化學反應性之耐久性較高；反

之C面之化學性較弱，例如，會溶解於鹼中。 口此，在本發明中，以C面以外之晶面作為結晶生長主 面日守，可構成以平行於與c軸交叉之平面之+c軸側端面及 -軸側端面作為諧振器端面之半導體雷射，以+。軸側端面 作為雷射出射端面。 精此，可利用+c軸側端面之化學的耐久性，實現耐劣化 之半導體雷射。藉此，可增進高輸出之半導體雷射、及短 波長之半導體雷射之耐久性。 C面以外之晶面之具體例為非極性面及半極性面。所謂 非極性面，係指a面及111面。半極性面之具體例為（10_卜〇 面、（10-1-3)面、（u_22)面等。 為了以軸側端面作為雷射出射端面，具體言之，只要 使對在-e軸側端面之元件内部之反射率（在發光波長之反射 率）兩於在-e軸側端面之元件内部之反射率即可。更具體言 之’較佳係：至少對_。軸側端面，施以比+c軸側端面更高 之對元件内部之反射率（在發光波長之反射率）用之加工。 此加工例如也可為至少在_。軸側端面形成反射膜。 128743.doc 200845524 較佳係：與C軸之對前述結晶生長主面之投影向量平行 地形成波導路。依據此構成，由於波導路平行於對結晶生 長主面之投影向量，故可使+c轴側端面具有更高之耐久 性。 較佳係··前述結晶生長主面係111面。依據此構成，由於 以結晶生長主面作為m面，故可製作以+c軸側端面及·〇軸 側端面作為諧振器端面之半導體雷射。 φ 較佳係：前述切軸側端面係+C面，前述-C轴側端面係_c 面。依據此構成，由於以+c面及面作為譜振器端面，故 可利用+C面作為雷射出射側端面，故可實現耐久性優異之 半導體雷射。 較佳係：前述+C軸侧端面及前述-C軸侧端面係解理面。 依據此構成，由於諧振器端面係解理面，故可成為良好之 端面。 較佳係：進一步包含包覆前述雷射出射端面之絕緣膜。 • 依據此構成，可藉以絕緣膜包覆雷射出射端面之構成，進 一步提高雷射出射端面之耐用性。 較佳係：前述半導體雷射係由以m面為結晶生長主面之 - 111族氮化物半導體所構成，具備有在m軸方向積層有 、 包層、含In之量子井構造構成之發光層、及p型包層之爪 族氮化物半導體積層構造。 由以e面為生長主面之m族氮化物半導體形成之發光層 取出之光呈現無規偏光（無偏光）狀態。對此，以c面以外， Pa面m面等非極性（N〇np〇lar)面、或半極性（s⑽如㈣ 128743.doc 200845524 面為生長主面之III族氮化物半導體形成之發光層可施行強 的偏光狀態之發光。 因此’ III族氮化物半導體積層構造之結晶生長主面使用 m面時，發光層可產生含有較多平行於m面之偏光成分（更 具體而言，為a軸方向之偏光成分）之光。藉此，發光層所 產生之光中，可使較多比率對雷射振盪提供助益，故可改 善雷射振盪之效率，降低臨限值電流。

另外，使用異於c面III族氮化物半導體之材料之㈣面（非 極性面）ΙΠ族氮化物半導體時，可抑制在量子井之自發壓 電極化引起之載流子之分離，故可增加發光效率。藉此， 也可降低臨限值電流，且增加斜度效率。而，由於無自發 壓電極化引起之載流子之分離，可抑制發光波長之電流依 存性，故可實現穩定之振盪波長。 再者，以m面為結晶生長主面時，在c軸方向與&轴方向 會發生各向異性。另外，含1η之發光層（活性層）會產生晶 格應變之2軸性應力，使量子井之晶帶構造變成異於以。面 為結晶生長主面之半導體雷射之情形。藉此，可獲得異於 以c面為結晶生長主面之半導體雷射之情形之增益，可提 高雷射特性。 X以m面為結晶生長主面時，可極穩定地進行結晶生 長’與以C面或其他晶面為結晶生長主面之情形相比，可 提高結晶性。其結果，可製作高性能之雷射二極體。 ^佳係：前述m族氮化物半導體係結晶生長於以m面為 曰曰生長用之生長面之GaN單晶基板上。使用位錯密度極 128743.doc 200845524 低（最好全無）之GaN單晶基板時，m族氮化物半導體積層 構造會變成缺陷少之高品質之結晶。藉此，可製作高性能 之雷射二極體。 尤其，可使III族氮化物半導體積層構造成為不含GaN基 板之生長面所發生之積層缺陷或貫通位錯之結晶。藉此， 可抑制缺陷引起之發光效率降低等之特性劣化之要因。

較佳係··前述GaN單晶基板之主面係由m面之面方位之 偏離角在±1。以内之面。藉此，彳更確實地生長出無位錯 而平坦之氮化鎵半導體結晶。 較佳係：前述m族氮化物半導體積層構造具備有含前述 P型包層之P型半導體層，除去此？型半導體層而形成沿著 特定方向之條片，形成垂直於此條片方向之—對譜振哭端 面。在此構成中’由於除去p型半導體層之一部分而形成 條片’故可提供量產性良好之半導體雷射，且可實現特性 之重現性優異之半導體雷射。

總$ Μ丄 4尺切岘一對諧振器 鈿面成為+C面及-C面。在此構成 田於在e軸方向形成 仏片，苑行沿著e面之解理時， 面。 了形成良好之諧振器端 較佳係：構成前述量子井構 平坦性在心以下。依據此構成里子井之向。轴方向之 巾τ依據此構成，可降低發光光譜之半振 、脈衝見。又’沿著。軸方向形成條 波導路傳播之光子之吸收損耗。 較佳係：前述III族氮化物半 、體積層構造係在前述η型 128743.doc 200845524 包層與載持該III族氮化物半導體積層構造之基板之間，具 備含具有2軸性應力之In之層。依據此構成，設置含具有2 軸性應力之In之層時，可在m族氮化物半導體積層構造抑 制與C面平行之裂痕（結晶之龜裂）之發生。 較佳係：前述III族氮化物半導體積層構造係具備有 半‘體層，其係以對πι族原料之氮原料之比率之v/iii比為 1000以上（例如3000以上）之條件至少生長一部份（例如藉有 機金屬氣相生長法生長），且含前述11型包層。藉此構成， 可使η型半導體層以良好之結晶性生長，故可提高積層於 此π型半導體層而形成之發光層之結晶性。其結果，可提 南發光特性。 較佳係：前述包層係包含八丨，層厚為15 以下。依據 此構成，使包層之層厚為適切之厚度以下時，可抑制與C 面平行地發生之裂痕。 較佳係·前述發光層係由含In 5%以上之InGaAlN所構 成，由此發光層產生之光子之波長為4〇〇 nm〜55〇 nm。欲 以由含In 5%以上之GaA1InN構成發光層而產生4〇〇 nm〜55〇 之發光之情形，以c面為生長主面時，在量子井之分極會 變知相當顯著。對此，使用以c面以外（例如㈤面）為結晶生 長主面之III族氮化物半導體積層構造時，可抑制在量子井 之極化，可增加發光效率。即，在4〇〇 nm〜55〇 nm之波長 域中，抑制極化而產生之發光效率提高之效果會變得相當 顯著。 田 較佳係·釗述發光層係以7〇〇 t〇rr#上之生長壓力生長結 128743.doc -12- 200845524 晶。生長壓力愈高時，欲可提高含In之發光層之生長溫 度，故可形成耐熱性優異之發光層。 較佳係··前述III族氮化物半導體積層構造係含有以 1000 c以下之平均生長溫度生長結晶之p型半導體層。依 據此構成’可藉降低積層發光層後之p型半導體層之生長 溫度’抑制對發光層之熱傷害。 以m面為結晶生長主面之情形，前述半導體雷射也可具 有垂直於m面之方向之半振幅脈衝寬大於與m面成水平之 方向之半振幅脈衝寬之遠場圖案，且振盪模式也可為垂直 於m面之TM模式。藉此構成，可形成向橢圓形光束形狀之 長半徑方向偏光之雷射光。 本發明之上述或其他目的、特徵及效果可由參照附圖之 後述之實施型態之說明獲得更明確之瞭解。 【實施方式】 圖1係說明本發明之一實施型態之半導體雷射二極體之 構成之立體圖，圖2係沿著圖線之縱剖面圖，圖3 係沿著圖1之線之橫剖面圖。 半導體雷射二極體70係包含基板i、藉結晶生長形成於 基板1上之III族氮化物半導體積層構造2、以接觸於基板1 之背面（與III族氮化物半導體積層構造2相反側之表面）方 式形成之η側電極3、及以接觸於m族氮化物半導體積層構 造2之表面方式形成之Ρ側電極4之法布立一柏若型半導體 雷射。 _ 在本實施型態中，基板丨係由GaN單晶基板所構成。此 128743.doc 200845524 基板1係以m面為主面，藉在此主面上之結晶生長而形成 III族氮化物半導體積層構造2。因此，III族氮化物半導體 積層構造2係由以m面為結晶生長主面之m族氮化物半導 體所構成。 III族氮化物半導體積層構造2係包含發光層1〇、n型半導 體層11、及ρ型半導體層12。η型半導體層u係對發光層1〇 被配置於基板1側，ρ型半導體層12係對發光層1〇被配置於 Ρ侧電極4侧。如此，發光層1〇係被^型半導體層型半 導體層12所夾持而形成雙異質結。在發光層1〇，電子由^ 型半導體層11被注入，電洞由ρ型半導體層12被注入。此 等在發光層10再耦合而產生光。 η型半導體層11係由基板1側依序積層有η型GaN接觸層 13(例如2 μπι厚）、n型AiGaN包層14(1·5 μιη厚以下。例如 1·〇 μπι厚）導光層15(例如〇_ι |11111厚）所構成。另一 方面’ ρ型半導體層12係在發光層10上依序積層有ρ型 AlGaN電子區塊層16(例如2〇 nm厚）、ρ型GaN導光層17(例 如〇·1 μπι厚）、j^A1GaN包層18(1·5叫厚以下。例如〇 4 _ 厚）及Ρ型GaN接觸層19(例如0.3 μπι厚）所構成。 η型GaN接觸層π及ρ型GaN接觸層19分別係取得η侧電極 3及Ρ側電極4之歐姆接觸用之低電阻層。η型GaN接觸層13 係透過對GaN高濃度（摻雜濃度例如為3 X 1018Cm·3)地摻雜例 如作為n型摻雜劑之Si而成為η型半導體。又，ρ型GaN接觸 層19係透過高濃度（摻雜濃度例如為3xl019cnT3)地摻雜例 如作為p型摻雜劑之Mg而成為ρ型半導體層。 128743.doc -14- 200845524 η型AlGaN包層14及？型A1GaN包層18係用於產生將來自 發光層10之光截留於該等之間之光截留效果之層。η型 AlGaN包層14係透過對Α丨GaN摻雜（摻雜濃度例如為 lxl018crn_3)例如作為！!型摻雜劑之Si而成為n型半導體。 又，^型^lGaN包層18係透過摻雜（摻雜濃度例如為 lxl019cm_3)例如作為p型摻雜劑之Mg而成為p型半導體 層。 η型GaN導光層15及1>型（^1^導光層17係用於產生將載流 子（電子及電洞）截留於發光層1〇之載流子截留效果之半導 體層。藉此，可提高在發光層1〇之電子及電洞之再耦合之 效率。η型GaN導光層15係透過對GaN掺雜（摻雜濃度例如 為1 X 1018cnT3)例如作為n型摻雜劑之Si而成為n型半導體， Ρ型GaN導光層π係透過摻雜（摻雜濃度例如為5Xl〇ucm-3) 例如作為p型摻雜劑之Mg而成為p型半導體。 P型AlGaN電子區塊層16係透過對A1GaN摻雜（摻雜濃度 例如為5 X 10 8cm 3)作為p型摻雜劑之例如Mg而成為p型半 導體’可防止電子由發光層1〇之流出，提高電子及電洞之 再輕合之效率。 舍光層10例如具有含InGaN之MQW(multiple-quantum well :多重量子井）構造，係用於使電子及電洞再耦合而產 生光’並將其產生之光放大之層。發光層10在具體上，係 乂互以複數週期重複積層InGaN層（例如3 nm厚）與GaN層 (例如9 nm厚）所構成。此情形，In(}aN層將Ilx之組成比設 疋於5%以上時，可使帶隙變得較小，構成量子井層。另 128743.doc -15- 200845524 一方面’ GaN層具有作為帶隙較大之阻擋層（障壁層）之功 月匕例如，父互以2〜7個週期重複積層inGaN層與GaN層而 構成MQW構造之發光層10。發光波長係藉由調整在量子 井層（InGaN層）之In之組成而設定為4〇〇 nm〜55〇 。 P型半導體層12係藉由除去其一部分而形成脊形條片 2〇。更具體而言，係蝕刻除去卩型GaN接觸層l9、p型 AlGaN包層18及p型GaN導光層17之一部分而形成橫剖面看

呈現大致梯形形狀之脊形條片2〇。此脊形條片2〇係沿著c 轴方向形成。 III族氮化物半導體積層構造2具有藉由在脊形條片2〇之 長側方向兩端之解理而形成之一對端面21、22。此一對端 面21、22互相平行，均垂直於0軸。如此，藉n型〇副導光 層15、發光層1〇及ρ型GaN導光層I?，形成以端面21、22 作為讀振器端面之法布立一柏若諧振器。即，發光層丨〇所 產生之光一面往返於譜振器端面21、22之間，一面受激發 射而被放大。而，被放大之光之一部份由諧振器端面21、 22被取出至元件外作為雷射光。 η側電極3及p側電極4例如係由A1金屬所形成，分別被歐 姆連接於ρ型GaN接觸層19及基板1。以使ρ侧電極4僅接觸 於脊形條片20之頂面之p型GaN接觸層19之方式，設有覆 蓋η型GaN導光層17及ρ型AlGaN包層18之露出面之絕緣膜 6。藉此，可使電流集中於脊形條片2〇，故可施行有效之 雷射振盪。 在諧振器端面21、22分別形成絕緣膜23、24(在圖1中， 128743.doc -16- 200845524 省略圖示)。諧振器端面21為竹軸側端面，諧振器端面22 為·，侧端面。即’諧振器端面21之晶面為㈣，譜振器 端面22之晶面為·c面。 如圖4之圖解所示，以覆蓋+c面之諧振器端面21之方式 形成之絕緣膜23例如係由Ζκ>2之單膜所構成。對此，形成 於 <面之諧振器端面22之絕緣膜24例如係由交互重複積層 複數人（在圖4之例中，為5次）si〇2膜與Zr〇2膜之多重反射

膜所構成。構成絕緣膜23之Zr〇2之單膜之厚度為 λ/21^(但，λ為發光層1〇之發光波長。以為ho〗之折射率）。 另方面，構成絕緣膜24之多重反射膜係呈現交互積層膜 厚λ/4η2(但，〜為以。2之折射率）之以…膜與膜厚人/如丨之 Zr02膜之構造。 由於此種構造，使在+e軸侧端面21之反射率變小，並使 在-c軸侧端面22之反射率變大。更具體言之，例如，使在 +c軸側端面21之反射率為2〇%程度，並使在< 軸側端面以 之反射率為99.5%程度（大約1〇〇%)。因此，可由+c軸侧端 面21出射更大之雷射輸出。即，在此半導體雷射二極體7〇 中，+c軸側端面21為雷射出射端面。 藉由此種構成，將n側電極3及p側電極4連接至電源，由 η型半導體層11及p型半導體層12，將電子及電洞注入於發 光層10時，在此發光層1〇内可發生電子及電洞之再耦合而 產生波長400 rnn〜550 nm之發光。此光一面在諧振器端面 21、22之間沿著導光層15、17往返，一面受激發射而被放 大。而，可由雷射出射端面之諧振器端面21將更多之雷射 128743.doc •17- 200845524 輸出取出至外部。 圖5係表示III族氮化物半導體之結晶構造之單元胞之圖 解圖。ΙΠ族氮化物半導體之結晶構造可近似於六方晶系， 對1個III族原子，結合4個氮原子^ 4個氮原子位於中央配 置III族原子之正四面體之4個頂點。此等4個氮原子中，丄 個氮原子錢職原子，位於+e軸方向，其他3個氮原子 係對III族原+，位於·c軸側。由於呈現此種構造，故在出 族氮化物半導體中，極化方向沿著C軸。 c軸沿著六角柱之軸方向，以此e軸為法線之面（六角柱 之頂面）為C軸（0001)。在平行於〇面之2個面，解理m族氮 化物半導體之結晶時，竹軸側之面（+c面）呈現m族原子排 列之晶面，-C軸側之面（_c面）呈現氮原子排列之晶面。因 此，C面呈現因+C面侧與_c面侧而異之性質，故稱為極性 面(Polar Plane)。 + C面與-c面為相異之晶面，對應於此而顯示相異之物 性。具體而言，可知：+c面對耐鹼性等化學反應性之耐久 性較高；反之’ _c面之化學性較弱，例如，會溶解於鹼 中。 另一方面，六角柱之侧面分別為出面（10_10卜通過不相 祕之對稜線之面為a面（11-20)。此等係對(；面成直角之晶 面，由於對極化方向正交’故為無極性之平面，即，非: 性面（N〇npolar Plane)e另外，對c面傾斜（既非平行，亦非 直角）之晶面，由於對極化方向傾斜交又，故為具有若干 極！·生之平面，即，為半極性面（Semip〇lar plane)。半極性 128743.doc -18- 200845524 面之具體例為（UM-U面、面、（11_22)面等之面。 在 T. Takeuchi et ai.，jap· J Appl phys 39，413 416, 2000中，W揭不對c面之晶面之偏角與該晶面之法線方向 之極化之關係。依據此文獻，（u_24)面、（1〇_12)面等也是 極化較少之晶面，可以說是有可能被採用作為取出大的偏 光狀態之光之有力之晶面。 例如，以m面為主面之GaN單晶基板可由以0面為主面之

GaN單晶切出而製成。被切出之基板之瓜面例如被化學的 機械的研磨處理成為在（0001)方向及（u_2〇)方向之雙方之 方位誤差在±1。以内（最好在±〇3。以内）。如此，可獲得以茁 面為主面，且無位錯及積層缺陷等結晶缺陷之仏以單晶基 板。在此種GaN單晶基板之表面只不過會產生原子層級之 階差。 在如此所得之GaN單晶基板上，利用有機金屬氣相生長 法，生產構成半導體雷射二極體構造之Ιπ族氮化物半導體 積層構造2。 在以m面為主面之GaN單晶基板i上生長以m面為生長主 面之III族氮化物半導體積層構造2而以電子顯微鏡 (STEM :掃描穿透型電子顯微鏡）觀察沿著&面之剖面時， 在III族氮化物半導體積層構造2看不到顯示位錯之存在之 線條。而，以光學顯微鏡觀察表面狀態時，可知向e軸方 向之平坦性（最後部與最低部之高度差）在1〇A以下。此意 味著發光層10，特別是量子井層之向（)軸方向之平坦性^ ιοΑ以下，故可降低發光光譜之半振幅脈衝寬。 128743.doc -19- 200845524 如此，可生長無位錯且積層界面平坦之瓜面m族氮化物 半導體。❻，較佳係：GaN單晶基w之主面之偏離角在 /以内（取好在±〇.3。以内），例如，在偏離角2。之瓜面 早曰曰基板上生長GaN半導體層時，GaN結晶會生長成梯形 狀有不此形成如偏離角在±1〇以内之情形般之平坦之表 面狀態之虞。 在以Π1面為主面之GaN單晶基板上結晶生長之出族氮化

物半導=係以m面為生長主面所生長。以。面為主面而結晶 生長之情形，受到c軸方向之極化之影響，有在發光層10 突光效率交差之虞。對此，以非極性面之m面為結晶生 長主面時’可抑制在量子井層之極化，增加發光效率。藉 此’可實現臨限值之降低及斜度效率之增加。〖，由於極 化少’故可抑制發光波長之電流依存性，實現穩定之振盈 波長。 再者’以m面為主面時’可在。軸方向及&軸方向產生物 性之各向異性。加之’在含In之發光層1〇(活性層），產生 晶格應變之2軸性應力。其結果，使量子晶帶構造變成異 :心面為主面而結晶生長之活性層之情形。因此，可獲 於以c面為生長主面之活性層之情形之增益古 雷射特性。 』徒回 又以m面為結晶生長主面時’可極釋宗从、仓， 化物半導體社曰…盥Λ: 進行πι族氣 广體、、，之生長，與以c面或a面為結晶生長主面之 月’目比’可提高結晶性。藉此’可製作高性 _ 極體。 〜田耵一 128743.doc 200845524 發光層ίο係由以m面為έ士曰 故由此產生之光會向a軸方向，即平 於m面之方向偏光，右 在TE杈式之h形，其行進方向為〇軸 方向。因& ’半導體雷射二極體7〇係將結晶生長主面設定 為平行於偏光方向，且將條片方向，即波導路之方向設定 為平灯於光之行進方向。藉此，可容易發生TE模式之振 盪’可降低發生雷射_之臨限值電流。

又，在本實施型態巾，使輪N單晶基板作為基板卜 故111奴見化物半導體積層構造2可具有缺陷少之高結晶品 質。其結果’可實現高性能之雷射二極體。 >另外’藉由在實質上無位錯之GaN單晶基板上生長ιπ族 氣化物半導體積層構造’可形成此III族氮化物半導體積層 構U可成為未叙生來自基板丨之生長面（⑺面）之積層缺陷 及貝通位錯之良好之結晶。藉此’可抑制起因於缺陷之發 光效率降低等之特性劣化。 圖6係說明使構成III族氮化物半導體積層構造2之各層生 長用之處理裝置之構成之圖解圖。在處理室30内，配置内 藏加熱器31之承受器32。承受器32結合於旋轉軸33，此旋 轉軸33係藉配置於處理室3〇外之旋轉驅動機構“而旋轉。 藉此，將處理對象之晶圓35保持於承受器32時，可在處理 室30内將晶圓35升溫至特定溫度，且可使其旋轉。晶圓35 係構成前述GaN單晶基板1之GaN單晶晶圓。 在處理室30，連接排氣配管36。排氣配管36連接於旋轉 果等之排氣設備。藉此，使處理室3〇内之壓力成為1/1〇氣 128743.doc -21 - 200845524 壓〜常壓，處理室30内之環境氣體一直處於被排氣中。 另一方面，在處理室30，導入用來向保持於承受器μ之 晶圓35之表面供應原料器體用之原料氣體導入路4〇。在此 ^ 原料氣體導入路40，連接供應作為氮原料氣體之氨之氮原 料配管41、供應作為鎵原料氣體之三甲鎵鎵原料 配管42、供應作為鋁原料氣體之三甲鋁（TMA1)之鋁原料配 管43、供應作為銦原料氣體之三曱銦（τΜΙη)之錮原料配管 _ 44、供應作為鎂原料氣體之乙基環戊二烯鎂（EtCp2Mg)之 鎂原料配管45、供應作為矽原料氣體之矽烷（SiH4)之矽原 料配管46。在此等原料配管41〜46分別介裝著閥51〜56。各 原料氣體均與氫或氮或此等雙方組成之載氣同時被供應。 例如將以m面為主面之GaN早晶晶圓保持於承受器32 作為晶圓35。在此狀態下，預先關閉閥52〜56，打開氮原 料閥51，將載氣及氨氣（氮原料氣體）供應至處理室内。 進一步施行對加熱器3 1之通電，使晶圓溫度升溫至 • 1000 C〜1100艺（例如l〇5〇°C)。藉此，可生長GaN半導體而 不發生表面龜裂。 待機至晶圓溫達到i〇0(rc〜110(rc為止後，打開氮原料 閥5 1、鎵原料閥52及矽原料閥56。藉此，由原料氣體導入 、 路40，與載氣同時供應氨、三甲鎵及矽烷。其結果，使摻 雜矽之GaN層構成insGaN接觸層13生長於晶圓乃之表 面。 接著，在氮原料閥51、鎵原料閥52及矽原料閥56以外， 再打開鋁原料閥53。藉此，由原料氣體導入路4〇，與載氣 128743.doc -22- 200845524 同時供應氨、三甲鎵、矽烷及三曱鋁。其結果，使η型 AlGaN包層14磊晶生長於^型接觸層13上。 接著，關閉铭原料閥53，打開氮原料閥5 1、鎵原料閥52 及矽原料閥56。藉此，由原料氣體導入路40，與載氣同時 供應氣、二甲鍊及石夕燒。其結果，使η型導光層蠢晶生長 於η型AlGaN包層14上。 其次，關閉矽原料閥56，施行多重量子井構造之發光層 10(活性層）之生長。發光層1 〇之生長可藉由交互施行打開 氮原料閥51、鎵原料閥52及銦原料閥54而對晶圓35供應 氨、三甲鎵及三甲銦，而使InGa]v^ (量子井層）生長之步 驟、與關閉銦原料閥54而打開氮原料閥5 1及鎵原料閥52而 對晶圓35供應氨及三甲鎵，而使無添加之GaN層（阻擋層） 生長之步驟所施行。例如，首先形成GaN層，再於其上形 成InGaN層。例如，重複施行此動作5次。發光層1〇之形成 時，晶圓35之溫度例如最好設定於700°C〜800°C(例如 73 0°C)。此時，生長壓力最好在7〇〇 torr以上。藉此，可提 高耐熱性。 接著’形成p型電子區塊層16。即，打開氮原料閥5 1、 鎵原料閥52、鋁原料閥53及鎂原料閥55，關閉其他之閥 54、56。藉此，向晶圓35供應氨、三甲鎵、三甲鋁及乙基 環戊二烯鎂，以形成摻雜鎂之AlGaN層構成之p型電子區 塊層16。此p型電子區塊層16之形成時，晶圓35之溫度例 如最好設定於1000艺〜1100。(：：（例如1000它）。 其次’關閉鋁原料閥53，打開氮原料閥5 1、鎵原料閥52 128743.doc •23- 200845524 及鎂原料閥55。藉此，向晶圓35供應氨、三曱鎵及乙基環 戊二烯鎂，以形成摻雜鎂之p型GaN導光層17。此pSGaN 導光層17之形成時，晶圓35之溫度例如最好設定於 900°C 〜1100°C (例如 1〇〇〇。〇。 接著，再打開鋁原料閥53。即，打開氮原料閥51、鎵原 料閥52、鋁原料閥53及鎂原料閥55，關閉其他之閥54、 %。藉此，向晶圓35供應氨、三甲鎵、三甲鋁及乙基環戊 一烯鎂，以形成摻雜鎂而成p型之AlGaN層構成之包層 1 8。此p型AlGaN包層1 8之形成時，晶圓3 5之溫度例如最 好設定於900°C〜11〇〇。〇(例如1〇〇〇。〇。 其次，形成p型接觸層19。即，打開氮原料閥51、鎵原 料閥52及鎂原料閥55，關閉其他之閥53、54、56。藉此， 向as圓3 5供應氨、三甲鎵及乙基環戊二烯鎂，以形成摻雜 鎂之GaN層構成之P型GaN接觸層19。p型GaN接觸層19之 形成時’晶圓35之溫度例如最好設定於9〇〇°c〜11〇〇。(：（例如 1000°〇 〇 構成p型半導體層12之各層最好以1〇〇〇。(3以下之平均生 長溫度結晶生長。藉此，可減少對發光層1〇之熱傷害。 在晶圓35(GaN單晶基板1)上成長in族氮化物半導體積層 構造2之構造層1〇、13〜19之際，在任何層之成長之時，供 應至處理室30内之晶圓35之對鎵原料（三甲鎵）之摩爾分率 之氮原料（氨）之摩爾分率之比之V/III比均維持於1000以上 (最好為3000以上）之高值。 在本實施型態中，利用此種高的V/In比，且在GaN單晶 128743.doc -24- 200845524 基板1與in族氮化物半導體積層構造2之間不必隔著緩衝 層，即可以無位錯之狀態且平坦地生長以m面等為主面之 ΠΙ族氮化物半導體積層構造2。此m族氮化物半導體積層 構造2並未具有由單晶基板1之主面產生之積層缺陷及 貫通位錯。 如此’在晶圓3 5上生長III族氮化物半導體積層構造2 時，此晶圓35被移至蝕刻裝置，例如藉由電漿蝕刻等乾式 蝕刻，除去p型半導體層12之一部分而形成脊形條片2〇。 此脊形條片20係被形成與^軸方向平行。 脊形條片20之形成後，形成絕緣膜6。絕緣膜6之形成例 如係利用剝離步驟進行。即，在形成條狀之遮罩後，以覆 蓋P型AlGaN包層18及p型GaN接觸層19之全體方式形成絕 緣體薄職，剝離此絕緣體薄膜而露丨？型_接觸層 19，以形成絕緣膜6。 接著，形成歐姆接觸於P型GaN接觸層19之卩侧電極4、 及馱姆接觸於n型GaN接觸層13之η侧電極3。此等電極3、 4之形成例如彳利用、經由電阻加㉟或電子線束之金屬蒗鍍 裝置進行。 …Χ 其次之步驟係分割成個別元件。即，在與脊形條片2〇平 行之方向及與此垂直之方向解理晶圓35而切下取出構成半 導體雷射二極體之各個元件。有關平行之方向好形條片 之解理係沿著a面進行。又，有關垂直之方向於脊形條片 20之解理係沿著。面進行。如此，即可形成由+c面構成之 諧振器端面21、及由_c面構成之諧振器端面22。 128743.doc -25- 200845524 其次，在諧振器端面21、22分別形成前述之絕緣膜23、 24。此絕緣膜23、24之形成例如可利用電子迴旋加速器共 振（ECR:Electron Cyclotron Resonance)成膜法進行。 圖7係說明本發明之第2實施型態之半導體雷射二極體之 構成之立體圖。在本圖7中，於相當於前述之圖1所示之各 部之部份附上同一參照符號予以表示。 在本實施型態之半導體雷射二極體90中，m族氮化物半 導體積層構造2係在基板1與η型GaN接觸層13之間，介有 含有含2軸性應力之In之層，即η型InGaN層26(例如0· 1 μπι 厚。η型摻雜濃度為lxl018cnT3)。藉由設置此η型InGaN層 26，可藉其2軸性應力而抑制在III族氮化物半導體積層構 造2發生與c面平行之裂痕。 基板1使用以m面為主面之GaN單晶基板1，在此上形成 III族氮化物半導體積層構造2時，其生長主面為m面，當 然，η型InGaN層26也以m面為生長主面而生長。藉此，η 型InGaN層26就會具有2軸性應力。 以上，已說明本發明之2個實施型態，但另外，本發明 也可以其他之型態實施。例如，構成ΙΠ族氮化物半導體積 層構造2之各層之層厚及雜質濃度等僅係一例，可適宜地 選擇適切之值使用。包層14、18並無必要為AlGaN之單 層，也可利用AlGaN感層與GaN層構成之超晶格構成包 層。 又，也可在形成III族氮化物半導體積層構造2後，以雷 射剝離等除去基板1，成為無基板1之半導體雷射二極體。 128743.doc -26- 200845524 另外，在前述之實施型態中，雖說明有關包含以m面為 結晶生長主面之III族氮化物半導體積層構造2之半導體雷 射二極體70、90之構成，但除面以外，也可以&面或前 述之半極性面為結晶生長主面之六方晶構造之m族氮化物 半導體形成III族氮化物半導體積層構造。此情形，只要以 平灯於與c轴交叉之平面之一對端面作為諧振器端面，使 其中來自+c軸側端面之雷射輸出大於來自_c軸側端面之雷 射輸出即可。另外，較佳係··波導路之方向，即脊形條片 20之方向係與e軸之對結晶生長主面之投影向量平行。藉 此可使成為雷射出射端面之+c軸側端面變成化學上穩定 而耐久性高之端面。 以上，雖已就本發明之實施型態予以詳細說明，但此等 僅不過係用於說明本發明之技術的内容之具體例，本發明 不應被限定於此等具體例而作解釋，本發明之精神及範圍 僅受到後附之申請專利範圍所限定。 本申請案對應於2007年1月30日向日本國特許廳提出之 特願2007-19915號，該申請案之所有揭示可經由引用而納 入於本案。 【圖式簡單說明】 圖1係說明本發明之第1實施型態之半導體雷射二極體之 構成之立體圖。 圖2係沿著圖1之ΙΙ-Π線之縱剖面圖。 圖3係沿著圖1之ιπ-πΐ線之橫剖面圖。 圖4係說明形成於諧振器端面之絕緣膜（反射膜）之構成 128743.doc -27· 200845524 之圖解圖。 圖5係表示III族氮化物半導體之結晶構造之單元胞之圖 解圖。 圖6係說明使構成III族氮化物半導體積層構造之各層生 長用之處理裝置之構成之圖解圖。 • 圖7係說明本發明之第2實施型態之半導體雷射二極體之 構成之立體圖。 【主要元件符號說明】 1 基板（G aN早晶基板） 2 III族氮化物半導體積層構造 3 η側電極 4 Ρ側電極 6 絕緣層 10 發光層 11 η型半導體層 12 Ρ型半導體層 13 η型GaN接觸層 14 η型AlGaN包層 15 η型GaN導光層 16 P型AlGaN電子區塊層 17 P型GaN導光層 18 P型AlGaN包層 19 P型GaN接觸層 20 脊形條片 128743.doc •28· 200845524 21、 22 端面 23、 24 絕緣膜 26 η型InGaN層 30 處理室 31 加熱器 32 承受器 33 旋轉軸 34 旋轉驅動機構 35 晶圓 36 排氣配管 40 原料氣體導入路 41 氮原料配管 42 鎵原料配管 43 鋁原料配管 44 銦原料配管 45 鎂原料配管 46 矽原料配管 51 氣原料閥 52 鎵原料閥 53 銘原料闊 54 姻原料闕 55 鎂原料閥 56 矽原料閥 70、 90 半導體雷射二極 128743.doc -29-

Claims (1)

1. 200845524 十、申請專利範圍： L 一種半導體雷射，其係包含以C面以外之晶面作為結晶 生長主面之六方晶構造见族氮化物半導體之法布立—柏 若（Fabry-per0t)型半導體雷射； 包含平行於與c軸交叉之平面之+c軸側端面及_c軸側端 面，使來自軸侧端面之雷射輸出大於來自 <軸側端面 之雷射輸出，而以前述+0軸側端面作為雷射出射端面。 ^如請求項1之半導體雷射，其中與e軸之對前述結晶生長 主面之投影向量平行地形成波導路。 如請求項1之半導體雷射， 其中前述結晶生長主面係 一涵夕半導體雷射，其中

   如请求項1至3中4壬一：夕j 端面係+c面， 如清求項4之_ 軸側端面係解理面。

   如靖求項1之半導體雷射 出射端面之絕緣膜。 128743.doc