TW200906017A - Group III nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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semiconductor
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TW97105219A
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Hiroaki Ohta
Kuniyoshi Okamoto
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Rohm Co Ltd
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Description

200906017 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於包含第III族氮化物半導體構成之半導體積 層結構之半導體雷射二極體。 【先前技術】
在第III-V族半導體中，使用氮作為第V族元素之半導體 稱為r第III族氮化物半導體」，其代表例為氮化鋁（A】N)、 氮化鎵（GaN)、氮化銦（InN)。一般，可表示為A1 JnyGa^ yN(〇Sx^ 1, 1 9 0^x + 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㈣半導 體之雷射二極體所構成。 千导體雷射 中丨彳川.…见，机祁益晶珉長法
(MOVPE ： MetaI-〇rganic Vapor Phase Epitaxy)^ ^ ΙΠ^ ^ 化物半導體成長於以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1用有機金屬氣相蟲 晶成長法使η型GaN接觸層、蓋層、η型⑽導 引層、活性層（發光層）、P型⑽導引層、_A1GaN覆蓋 層、p型GaN接觸層依岸杰具 在活性層中，透過由n型層注入之 子與由Ρ型層注入之電洞之再轉合而發出& 於―覆蓋層及pMAmaN覆蓋層之間 = 積層結構之積層方向垂直之方向傳播。在其傳播;= 129135.doc 200906017 端形成有諧振器端面’在此一對譜振器端面間，光一面重 複受激發射，一面被諧振放大’其一部分由错振器端面被 出射作為雷射光。 [非專利文獻 1] T. Takeuchi et al.，jap_ J_ Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 【發明内容】 [發明所欲解決之問題] 半導體雷射二極體之重要特性之一係發生雷射振盪用之 臨限值電流（振盪臨限值）。此臨限值電流愈低時，愈能施 行能源效率良好之雷射振盪。 在此點上，使用非極性面或半極性面作為主面時，可實 現發光效率較高之發光元件。 然而，在以m面及a面等非極性面或半極性面為主面之半 導體雷射二極體中，尚未確立可形成構成雷射之出射部及 諧振端面之良好之端面之技術。以利用電漿等之乾式蝕刻 法轭仃端面蝕刻時，端面之平坦性總是相當差，會引起光 ^耗等’導致雷射特性降低。且在可靠性上也會造成影 =而有《為劣化之原因之問題。χ，在解理之端面形成 術上，在以m面及a面等非極性面或半極性 :體雷射二極體中，更不知道該由哪一面方位進行= 成光出 雷射。 射端 因，」本發明之目的在於提供可良好地形 面：提高雷射特性及對劣化之耐久性之半導體 [解決問題之技術手段] 129135.doc 200906017 為社曰成手t 射包含含有以非極性面或半極性面 為…曰成長主面之第则氮 層、發光層及p型層之半導於藉届# ^ 至少具有η型 半導體带射Pm 導體積層結構之半導體雷射。此 千等體田射之雷射出射端面 面。 糸由c面或a面所構成之解理 藉此，可形成良好之端面，抑制 不規則反射，故可改盖光出射— 凸引起之先之 又口尤出射之特性。而且， 面或半極性面日夺，可提高發 1性 古々二+ 九效率。又，在結晶之對稱性 间之面方位解理時，容易 更具體而言，最好，2面可提向量產性。 f w料導體雷射含㈣振II，前述 :=含，述雷射出射端面、及與此雷射出射端面對向 Γ:出射端面同一面方位之端面作為-對諧振号端 。利用此種端面構成错振器時，端面損耗變少，可提▲ 雷射特性。例如，可獲得臨限值小而斜率效果高之饮果- :面=端面係利用解理形成之非常平坦之面， 鳊面引起之劣化。 ★罕工 ^好：前述半導體雷射之基板係以非極性面或半極性面 為^之㈣單晶基板。使用GaN單晶時，可實現位錯較 >之良好之發光元件。又，GaN單晶之放熱性優里 二制雷射驅動時之發熱。再者，基板與發光元件結 為相同之面方位且為相同之第第m族氮化物半導體， 解理而露出之晶面也具有相同性質，故容易進行解理因 ，好：基板之厚度與前述半導體積層結構之成長方向之 厚度的總厚度為2。。，以下。解理之際’厚度愈薄時，命 129135.doc 200906017 容易解理，最好設定為200 μηι以下。既可一開始就使用薄 的基板’也可在結晶成長後，利用研磨等使基板薄化。 最好.刖述結晶成長主面係m面。以m面為結晶性面 時’可實現非極性之發光元件，獲得高的發光效率。又， 以對稱性強之m面為成長面時，在垂直於此之c面或a面解 理較為容易。 最好·前述發光層含有包含In之第III族氮化物半導 m. 含有In時’可提高發光效率’且可依照組成控制波長 發光光譜之峰值波長可以為4〇〇 nm〜550 nm。以非極性 面或半極性面為結晶之積層方向，且藉由含有比而具有 400 nm〜550 nm之波長區域之發光層，可實現高發光效率 之發光7G件。尤其，使用非極性面時，在綠色區域獲得比 以往之極性面更高之發光效率。 最好：在前述雷射出射端面形成由絕緣膜構成之保護 膜。藉此，可防止氧化及污染物之附著#，形成可靠性更 高之發光元件。尤其，纟高的光密度之雷射之情形，可獲 得高的可靠性。 士最好.W述保護臈在材料之折射率為n、發光波長為人 時’包含膜厚為心或心之單層膜、或含有折射率相異 之材料且以前述膜厚之層之組合所構成之多層膜。形成此 :厚時，可控制端面反射率使其增減。形成多層膜時，可 實現高的反射率。 本發明之半導體雷射 性面或半極性面為結晶 之製造方法包含以下步驟：以非極 成長主面’積層至少包含具有η型 129135.doc 200906017 層、發光層及p型層之第πι族氮化物半導體層 ..... 體積層結構丨及以0面_ ，成半導 解導體積層結構而形 成d出“面。最好：形成前述雷射出射端面之際勺 含在前述半導體積層結構之表面或料，至少局部:形: 刻劃線而施行解理之步驟"如此，可促進解理，故可提供 成功率高之量產性優異之製造方法。 ” 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。 〜，w 【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1之π-ll線之縱剖面圖，圖3 係沿著圖1之ΙΠ-ΙΙΙ線之橫剖面圊。 半導體雷射二極體70係包含基板i、藉結晶成長形成於 基板1上之第III族氮化物半導體積層結構2、以接觸於基板 1之背面（與第ΙΠ族氮化物半導體積層結構2相反側之表面） 方式形成之η側電極3、及以接觸於第m族氮化物半導體積 層結構2之表面方式形成之p側電極4之法布理珀羅型半導 體雷射。 在本實施型態中，基板！係由GaN單晶基板所構成。此 基板1係以非極性面為主面。所謂非極性面，係指&面或m 面。藉在此主面上之結晶成長而形成第ΠΙ族氮化物半導體 積層結構2。因此，第in族氮化物半導體積層結構2係由以 非極性面為結晶成長主面之第族氮化物半導體所構成。 第III族氮化物半導體積層結構2係包含發光層1〇、η型半 129135.doc -10- 200906017 導體層11、及p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，p型半導體層12係對發光層1〇被配置 於P側電極4側。如此’發光層1 〇係被n型半導體層丨丨及p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 n型半導體層11被注入，電洞由p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 μιη厚）、覆蓋層14(15 μιη厚以下。例 如1·〇 μηι厚）及11型<3_導引層15(例如〇」）^111厚）所構成。另 一方面，p型半導體層12係在發光層1〇上依序積層有p型 AlGaN電子阻擋層16(例如2〇 nm厚）、p型GaN導引層^(例 如0.1 pm厚）、p型AiGaN覆蓋層18〇 5 μηι厚以下。例如ο* )及ρ型GaN接觸層19(例如〇.3 μηι厚）所構成。 η型GaN接觸層丨3及ρ型GaN接觸層丨9分別係取得η側電極 3及ρ側電極4之歐姆接觸用之低電阻層。nsGaN接觸層υ 係透過對GaN高濃度(摻雜濃度例如為3χ1〇18 cm，地摻雜 例如作為η型摻雜劑之Si而成為〇型半導體。又，p型GaN接 觸層19係透過高濃度(摻雜濃度例如為3χΐ〇1、，地摻雜 例如作為p型摻雜劑之Mg而成為p型半導體。 " _Α1〜Ν覆蓋層14及P型Α1〜Ν覆蓋層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。打 型AlGaN覆蓋層14係透過對摻雜（摻雜濃度例 IxlO18 cm3)例如作型摻雜劑之&而成為n型半導體。 又ρ型AlGaN覆蓋層】8係透過摻雜(摻雜濃度例如為 129135.doc 200906017 cm )例如作為P型摻雜劑之Mg而成為p型半導體。 n型GaN導引層15及P型⑽導引層17係用於產生將載流 子(電子及电,同)截留於發光層1〇之载流子截留效果之半導 體層藉此’可提高在發光層1Q之電子及電洞之再搞合之 、率n^L GaN導引層！ 5係透過對GaN播雜（播雜濃度例如 為1Xl〇U Cm·3)例如作為n型摻雜劑之Si而成為n型半導體， Ρ型GaN導引層17係透過摻雜(摻雜濃度例如為5χΐ〇ΐ8⑽， 仓J如作為ρ型摻雜劑之Mg而成為ρ型半導體。
Pi AlGaN電子阻擋層16係透過對AiGaN摻雜（摻雜濃度 例如為5 X1 0 cm )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1G之流出，提高電子及電洞之 再1¾合之效率。 發光層1 〇例如具有含1nGaN之MQW(muhiple-quantum well .多重置子井）結構，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1〇在具體上，係 父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，InGaN層將化之組成比設 定於5%以上時，可使帶隙變得較小，構成量子井層❶另 一方面，GaN層具有作為帶隙較大之阻擋層（障壁層）之功 能。例如，交互以2〜7個週期重複積層InGaN層與層而 構成MQW結構之發光層1 〇。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~550 nm。 P型半導體層12係藉由除去其一部分而形成脊形條片 20。更具體而言，係蝕刻除去P型接觸層19、p型AlGaN覆 129135.doc -12· 200906017 蓋層18、及p型GaN導引層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。 第III族氮化物半導體積層結構2具有藉由在脊形條片20 之長側方向兩端之解理而形成之一對端面2丨、22。此一對 端面21、22互相平行，均垂直於c軸。如此，藉η型GaN導 引層15、發光層1〇及p型GaN導引層17，形成以端面21、 22作為譜振器端面之法布理珀羅諧振器。即，發光層丨〇所 產生之光一面往返於諧振器端面2丨、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側电極3及p側電極4例如係由μ金屬所形成，分別被歐 姆連接於ρ型接觸層19及基板丨。以使ρ側電極4僅接觸於脊 形條片20之頂面之卩型GaN接觸層19之方式，設有覆蓋ρ型
GaN導引層17及卩型八丨GaN覆蓋層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。 在谐振器端面21、22分別形成絕緣膜23、24(在圖1中， 省略圖不）。本實施型態之情形，諧振器端面21、22為e面 (+c面或-c面），諧振器端面21例如為化軸側端面，諧振器 端面22例如為-c軸側端面。此情形，諧振器端面21之晶面 為面，諧振器端面22之晶面為<面。 如圖4之圖解所示，以覆蓋处面之諧振器端面21之方式 形成之絕緣膜23例如係由Zr〇2之單層膜所構成之保護膜。 129135.doc 13 200906017 對此’形成於-C面之諧振器端面22之作為保護膜之絕緣膜 24例如係由交互重複積層複數次（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“211](但，人為發光層1〇之發光波 長。i^aZrO2之折射率）。另一方面，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⑺之折射率） 之Si〇2膜與膜厚W4niiZr〇2膜之結構。關於+c面之諧振器 端面21，也可使用作為折射率因必要之反射率而異之材料 (例如Zr〇2及Si〇2)構成且由前述膜厚之層之組合所構成之 多層膜作保護膜。 由於此種結構，使在+c軸側端面21之反射率變小，並使 在-c軸側端面22之反射率變大。更具體言之，例如，使在 + c轴側端面2!之反射率為20%程度，並使在< 軸側端面。 之反射率為99.5%程度（大約100%)β因此，可由+c軸側端 面21出射更大之雷射輸出，，在此半導體雷射二極體川 中，+c軸側端面2 1為雷射出射端面。 藉由此種構成，將η側電極3及p側電極4連接至電源，由 η型半導體層U及ρ型半導體層12，將電子及電洞：入於發 光層10時，在此發光層1G可發生電子及電洞之再搞合而產 生波長400 nm〜550 nm之發光。此氺 二士“ 尤此先一面在諧振器端面 21、22之間沿著導引層1$、17往 — 面文激發射而被放 大。而，可由措振器端面21將更多 尺夕之雷射輪出取出至外 部。 广 晶結構之單元胞之 圖5係表示第ΠΙ族氮化物半導體之妹 129135.doc -14- 200906017 圖解圖。弟III族氮化物半導辦> # θ u & 體之>.，σ日日結構可近似於六方晶 系’對1個第III族原子，έ士人d y . '，、"δ 4個氮原子。4個氮原子位於 t央配置第III族屌早夕τ 、 2 士 矢原子之正四面體之4個頂點。此等4個氮原 子中，1個氮原子係對第m族 ” 你于’位於+c轴方向，苴 個氮原子係對第ΙΠ族原子 ’、 、京子，位於π軸側。由於呈現此種結 構，故在第III族氮化物半導 丁守菔〒，極化方向沿著c軸。 c軸沿著六角柱之軸方向， 门 U此C軸為法線之面（六角柱 之頂面）為c軸（0001)。扁承#〜 , )在千仃於c面之2個面，解理第ΙΠ族 氮化物半導體之結晶時， 、 軸側之面（+C面）呈現第Π][族原 子排列之晶面’ -C軸側之面“面)呈現氮原子排列之晶 面因此，C面呈現因側與_e面側而異H _ 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：士體而言’可知：+c面對耐鹼性等化學反應性之耐久 性較尚，反之’ _c面之化學 f 1乂弱例如，會溶解於鹼 中。 另-方面’六角柱之側面分別為_(1(M〇)，通過不相 鄰之一對稜線之面為a面⑴，。此等係對c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，非極 性面（N〇nP〇larPlane)。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，故為且有若干 極性之平面1 ’為半極性面（Semip〇iar ρι叫。半極性 面之具體例為叫])面、（aw)面、⑴_22)面等之面。 在 T. Takeuchi et al Tan τ Λ , ai·，Jap_ J. Αρρ1· phys 39, 413 416, 129135.doc • 15· 200906017 2000中，曾揭示對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，（11_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。 作為非極性面之例，例如，以m面為主面之⑽單晶基 板可由以c面為主面之GaN單晶基板切出而製成。被切出 之基板之m面例如被化學的機械的研磨理 方向及⑴部向之雙方之方位誤差在±1 好在士0.3。以内）。如此，可獲得以爪面為主面，且無位錯 及積層缺陷等結晶缺陷之GaN單晶基板。在此種⑽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，制有機金屬氣相蟲晶 成長法，生產構成半導體雷射二極體結構之第m族氮化物 半導體積層結構2。 在以m面為主面之GaN單晶基心上成長以⑺面為成長主 面之第III族氮化物半導體積層結構2而以電子顯微鏡 (STEM:掃#穿透型電子顯微鏡）觀察沿著&面之剖面時， 在第III族氮化物半導體積層結構2看不到顯示位錯之存在 之線條。@，以光學顯微鏡觀察表面狀態日夺，可知向_ 方向之平坦性（最高部與最低部之高度差）在iqA以下。此 意味著發光層1G，特別是量子井層之向。軸方向之平坦性 在10A以下，故可降低發光光譜之半振幅脈衝寬。 如此，可成長無位錯且穑居I而口々 B且檟層界面千坦之瓜面第m族氮化 物半導體。但，最好：s k 1 + baN早日日基板！之主面之偏離角在 129135.doc -16- 200906017 士1以内（最好在±〇3〇Lv向、, ,aA. ^ .3以内），例如，在偏離角2。之爪面灿 早曰曰基板上成長GaN半導 妝，古：c处… uarv|、，Ό日日會成長成梯形 面狀態之虞。—角…内之情形般之平坦之表 在以m面為主面之GaN單晶基 化物半導俨H 皁日日基板上釔日日成長之第ΠΙ族氮 化初千—體係以m面為 曰出具夕降 ⑽長主面所成長。以。面為主面而結 日日成長之情形，受到▲ 又U軸方向之極化之影 10之發光效率變差之虚。斜+ 虿在毛光層 成县主而之虞對此，以非極性面之m面為結晶 成長主面打，可抑制在 ^ , 增之極化，增加發光效率。 猎此，可實現臨限值 丰 極化少，故可抑制發光波 田於 盪波長。 之電机依存性，實現穩定之振 再者，以m面為主面時，可. 性之, 在以由方向及a軸方向產生物 性之各向異性。加之，在含“之 心无層（活性層），產士曰 格應變之2軸性應力。其 生曰曰 以r而盔士二 使里子晶帶結構變成異於 以c面為主面而結晶成長之活 嘴之丨青形。因此，可瘅思 異於以C面為成長主面之活性 又 π旺層之情形之增益， 射特性。 J杈π田 發光層10係以m面為結晶成長主 物车遙駚张姓# 所成長之第III族氮化 物+導體所構成，故由此產生之 尤w向a軸方向，即平杆 於m面之方向偏光，在阳莫式十丁 , 旧々 具仃進方向為c細 方向。因此為軸 為平行於偏光方向，且將條片方Λ將、”曰成長主面設定 4方向’即料路之方向設定 為平行於光之行進方向。藉此， 门又疋 了谷易發生ΤΕ模式之振 129135.doc -17- 200906017 盡’可降低發生雷射振盪用之臨限值電流。 另一方面，以m面為結晶成長主面時，可極穩定地進行 第III族氮化物半導體結晶之成長，可提高第ΠΙ族氮化物半 導體積層結構之結晶性。藉此，可實現高性能之雷射二極 體。例如，在本實施型態之半導體雷射中，條寬1,5 μιη、 條長600 μιη之情形，諧振器端面2丨、22為c面時，在脈衝 振盪時，臨限值電流為28 mA，在連續振盪時，臨限值電 流為36 mA。又，諧振器端面21、22為3面時，在脈衝振盪 時’臨限值電流為6〇 mA。 又，在本實施型態中，使用GaN單晶基板作為基板置， 故第III族氮化物+導體積層結構2可具有缺陷少之結晶品 質。其結果，可實現高性能之雷射二極體。 f外，藉由在實質上無位錯之GaN單晶基板上成長第m 族化物半導體積層結構氮化物半導體積層結 構2可成為未發生來自基板丨之成長面（m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係說明使構成第m族氮化物半導體積層結構2之各層 成長用之處理裝置之構成之圖解圖。在處理室30内，配置 二藏加熱器Μ之承受器32。承受㈣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34而旋 轉藉此，將處理對象之晶圓35保持於承受器η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單晶基板丨之〇心單晶晶圓。 I29135.doc 200906017 等連接概配管36。排氣配管36連接於旋轉泵 /懕，二"備。藉此’使處理室30内之麼力成為1/10氣壓 ^ &理至30内之環境氣體一直處於被排氣中。 。另-方面，處理室3叫人有用來向保持於承受器Μ之晶 圓35之表面供應原料氣體之原料氣體供給路40。此原料氣 體供給路40連接有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基鎵(TMG)之鎵原料配管 42、 供應作為銘原料氣體之三甲基紹（tmai)之㈣料配管 43、 供應作為銦原料氣體之三甲基姻（TMIn)之鋼原料配管 44、 供應作為鎮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S 46。此等原料配管41〜46分別介裝有閥51〜56。各原 料氣體均與氫或氮或包含此等雙方之載氣同時被供應。 例如，使以m面為主面之GaN單晶晶圓保持於承受器％ 作為晶圓35。在此狀態下，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3〇内。進 步進行對加熱器3 1之通電，使晶圓溫度升溫至1 〇 〇 〇。^〜 n〇〇°c(例如105(rc)e藉此，可不發生表面龜裂而使⑽ 半導體成長。 待機至晶圓溫達到丨00(TC!丨00〇c為止後，打開氮原料 闊51、鎵原料閥52、及矽原料閥56。藉此，由原料氣體供 給路40 ’與載氣同時供應氨、三甲基鎵及矽烷。其結果， 使含摻雜有矽之GaN層之η型GaN接觸層13成長於晶圓35之 表面。 129135.doc -19- 200906017 其次’在氛原料閥51、鎵原料閥52、及矽原料閥“以 外，再打開鋁原料閥53。藉此，由原料氣體供給路4〇，與 載氣同時供應氨、三曱基鎵、矽烷及三曱基鋁。其結果了 使η型AlGaN覆盍層14磊晶成長於GaN接觸層η上。 接著，關閉鋁原料閥53，打開氮原料閥51、鎵原料閥 52、及矽原料閥56。藉此，由原料氣體供給路4〇，與載氣 同時供應義、三甲基鎵及石夕烧。其結果，使η型導^層遙 晶成長於η型AlGaN覆蓋層14上。 其次，關时原料閥56,施行多重量子井結構之發光層 1〇(活性層）之成長。發光層1()之成長可藉由交互施行打; 乳原料閱51、鎵原料閥52及銦原料間54而對晶圓”供庫 乳、4基鎵及三甲基銦，而使邮心層（量子井層）成長 之步驟、與關閉銦原料間54而打開氮原料… 拉層）成長之步驟所施行。例如，首先形成㈣層，再於直 开:::—層，，重複施行此動壯欠。發光層此 。心：35之溫度例如最好設定於7，c〜8〇(rc (例如 接著’形成P型電子JI且择爲 鎵原料心 阻拾層16。即，打開氮原料閥5】、 +間52、紹原料閥幻 54、56。藉此，… 镇原科閥55’關閉其他之間 乙基環戊^ 35供應風、三甲基鎵、三甲基銘及 電子以形成包含摻雜有鎂之仙⑽之口_ 拉層16。此P型電子阻播層16之形成時，晶圓35之 329135.doc -20- 200906017 溫度例如最好設定於！ 00(rc〜u 0(rc (例如1 〇〇(rc)。 其次，關閉銘原料閥53，打開氮原料閥51、鎵原料間 52、及鎂原料閥55。藉此，向晶圓35供應氨、三甲基鎵、 及乙基環戊二婦鎂，以形成包含摻雜有鎮之層之 導引層17。一型㈣導引層17之形成時，晶圓^之溫度 例如最好設定於900。〇〜丨丨〇(TC (例如丨〇〇〇〇c )。 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、 5!。藉此，向晶圓35供應氨、三甲基嫁、三甲基銘及乙基 核戊二烯鎂，以形成包含摻雜有鎂而成p型之AlGaN層之 覆蓋層18。此p型AlGaN覆蓋層18之形成時’晶圓35之溫 度例如最好設定於9〇〇。〇1100。(：（例如1〇〇〇。(：）。 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、兄。藉 此，向晶圓35供應氨、三甲基鎵及乙基環戊二烯鎂，以形 成包含摻雜有鎂之GaN層之p型GaN接觸層19。p型接 觸層19之形成時，晶圓35之溫度例如最好設定於 900 C 〜1100°c (例如 i〇00°c)。 構成P型半導體層12之各層最好以100(rc以下之平均成 長溫度結晶成長。藉此，可減少對發光層10之熱傷害。 在晶圓35(GaN單晶基板1)±成長第m族氮化物半導體積 層結構2之結構層1G、13〜19之際，在任何層之成長之時， :應至處理室3〇内之晶圓35之對鎵原料(三甲基鎵)之摩爾 分率之氮原料（氨）之摩爾分率之比之ν/ΙΠ比均維持於⑽❹ 129135.doc 200906017 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/III比，且在GaN單晶 基板1與第III族氮化物半導體積層結構2之間不必隔著緩衝 層，即可以無位錯之狀態且平坦地成長以m面等為主面之 第III族氮化物半導體積層結構2。此第m族氮化物半導體 積層結構2並未具有由GaN單晶基板丨之主面產生之積層缺 陷及貫通位錯。
如此，在晶圓35上成長第ΙΠ族氮化物半導體積層結構2 犄，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。 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 盍P型AlGaN覆蓋層18及p型GaN接觸層19之全體方式形成 絕緣體薄膜後，剝離此絕緣體薄膜而露出p型㈣接觸層 1 9 ’以形成絕緣膜6。 接者，形成歐姆接觸於p型GaN接觸層19之？側電極4、 及歐姆接觸於㈣GaN接觸層"之η側電極3。此等電極3、 :之开:成例如可利用經由電阻加熱或電子線束之金屬蒸鍍 "其次之步驟係分割成個別元件。即，在與脊形條片2〇平 導體.2及與此垂直之方向解理晶圓35而切下取出構成半 ，射二極體之各個元件。諧振器端面21、22為。面之 月7 ’有關平行於脊形條片2〇之解理係沿著&面進行。 129135.doc 22· 200906017 又’有關垂直於脊开;{放μΜ 會屯條片20之解理係沿著C面進行。如 此，，即I形成由+C面構成之譜振器端面21、及由-C面構成 之谐振器端面22。另一方；b 力 方面，諧振器端面21、22為3面之 情形’有關平行於脊形條片之方向之解理係沿著c面進 订。又，有關垂直於脊形條片2〇之方向之解理係沿著㈣ 進彳丁°如此’即可形成由a面構成之譜振器端面21、22。 其夂兒明解理之方法。 進仃解理之凊形’最好：基…之厚度與半導體積層結 構2之成長方向之厚度之總厚度為2〇〇 _以下。因此，有。 時也會預先對基板i施行機械的、化學的研磨。解理之呈 體的方法為：首先，在半導體積層結構2之表面藉金剛= 筆刀附加刻劃線’或藉雷射對焦於半導體積層結構2之内 4而在半^體内部加入刻劃線。此外，所謂刻劃線，係意 味著在沿著解理之方向在*傷及半導體而加人刻劃線。= 次’利用沿著該刻劃線而由外部施加應力等方式進行解 理。解理面為e面或a面，故可施行對稱性良好之解理。 其次，在諧振器端面21、22分別形成絕緣膜23、24。此 絕緣臈23、24之形成例如可利用電子迴旋加速器共振 (ECR :Electron CyCi〇tron 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，圖8係沿著圖7之切剖面以“又線之縱剖面 圖。在此等圊7及圖8中，於相當於前述之圖丨〜圖3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8〇中，結晶成長主面 I29135.doc -23- 200906017 為非極性面或半極性面，半極性面之具體例為 面、（HM-3)面等。X，脊形條片2〇平行地形成於&轴方 向。因此，諧振器端面21、22均為a面。 磊晶成長第in族氮化物半導體積層結構2之際所生之積 層缺陷會平行地發生於c面。因此，在前述之第丨實施型態 之構成中’制缺陷與波導路呈現交叉。對此，在本實施 型態中，使條方向平行於a軸，因此，波導路與&軸平行。
而，a軸係與c面平行，故與c面平行地發生之積層缺陷不 會與波導路父叉。藉此，可避免積層缺陷引起之光波導之 妨礙及漏電流之增加。 圖9係說明本發明之第3實施型態之半導體雷射二極體之 構成之立體圖。在此圖9中，於相當於前述之圖丨所示之各 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9〇中，第m族氮化物 半導體積層結構2係在基板1與n型GaN接觸層13之間，介 有含有含2軸性應力之In之層，即11型111仏1^層26(例如 μπι厚。η型雜質濃度為lxl〇u cm-3)。藉由設置此nShGaN 層26，可藉其2軸性應力而抑制在第m族氮化物半導體積 層結構2發生與〇面平行之裂痕。 例如’作為成長主面為非極性面之例，基板1使用以m 面為主面之GaN單晶基板1，在此上形成第III族氮化物半 豆積層結構2時’其成長主面為m面，當然，打型 層26也以m面為成長主面而成長。藉此，η型InGaN層26就 會具有2軸性應力。 129135.doc •24· 200906017 以上，已說明本發明之3個實施型態，但另外，本發明 也可以其他之型態實施。例如，構成第ΙΠ族氮化物半導體 積層結構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。又，覆蓋層14、18並無必要為
AlGaN之單層，也可利用A1GaN層與層構成之超晶格 構成覆蓋層。 又，也可在形成第III族氮化物半導體積層結構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。 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2月15日向日本國特許廳提出之 特願2007-03 5 549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ii_ii線之縱剖面圖。 圖3係沿著圖1之111-111線之橫剖面圖。 圖4係說明形成於諸振器端面之絕緣膜（反射膜）之構成 之圖解圖。 圖5係表示第ΠΙ族氮化物半導體之結晶結構之單元胞之 圖解圖。 129135.doc -25- 200906017 圖6係說明使構成第m族氮化物半導體積層結構之各層 成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。 圖8係沿著圖7之IX-IX線之縱剖面圖。 圖9係說明本發明之第3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】
基板（GaN單晶基板） 2 第III族氮化物半導體 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覆蓋層 15 η型GaN導引層 16 P型AlGaN電子阻擔層 17 P型GaN導引層 18 P型AlGaN覆蓋層 19 P型GaN接觸層 20 脊形條片 129135.doc -26- 200906017 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 旋轉轴 34 旋轉驅動機構 35 晶圓 36 排氣配管 40 原料氣體供給路 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 氮原料閥 52 鎵原料閥 53 鋁原料閥 54 钢原料闊 55 鎂原料閥 56 矽原料閥 70 > 80、90 半導體雷射二極體 129135.doc -27-

Claims (1)

  1. 200906017 1. 2. 、申請專利範圍： 一種半導體雷射，JL且供· s , 八八備至>、具有n型層、發光層及p型 層之半導體積層結構，姑、上 專該+ V體積層結構包含以非極性 面或半極面為結晶成長主面之第⑴族氮化物半導體；且 f射出射端面係由，或a面所構成之解理面。 如請求項1之半導體雷射，其中 前述半導體雷射含有諧振器； 如述谐振器包含前诚垂山6丄山 ^雷射出射知面、及與此雷射出射 端面對向並與該雷射屮糾 出射鳊面同一面方位之端面作為— 對諧振器端面。 ‘ 3. 4. 如清求項1之半導, 千导體雷射，其中進而包含以非極性面或 半極性面為主面之⑽單晶基板構成之基板。 如請求項1之半導體雷射，其中 進而包含基板； 5. 月'J述基板之厚度與前述半導體積層結構之成長方向 厚度的總厚度為200 μιη以下。 如請求項…中任一項之半導體雷射，其中前述結晶 長主面係m面。 之
    6. 如請求項1之半導體雷射， 第III族氮化物半導體。 7. 如請求項6之半導體雷射 彻 nm〜550 nm。 其中前述發光層含有包含化之 其中發光光譜之峰值波長為 8. '明求項1之半導體雷射’其中在前述雷射出射端面形 成有包含絕緣膜之保護膜。 129135.doc 200906017 9. 如請求項8之半導體雷射， 射率為n、發光波長為λ時， 層膜、或含有折射率相異之 合所構成之多層膜。 其中前述保護膜在材料之折 包含膜厚為λ/2η或λ/4η之單 材料且以前述膜厚之層之組 1 〇’ 一種半導體雷射之製造 、 展化方法’其包含以下步驟： 以非極性面或半極性面曰 与、'〇日日成長主面，積層至少具 有n型層、發光層及p型芦之笛τττ&& Ρ曰之第111族氮化物半導體層而形 成半導體積層結構；及 將前述半導體積層結構於 射端面。 c面或a面解理而形成雷射 出 如請求項狀半導體雷射之製造方法，其中前述形成雷 射出射端面之步驟包含在前述半導體積層結構之表面或 内部至少局部地形成刻劃線而將前述半導體積層結構解 理之步驟。 129135.doc
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