TW201310827A - 第ｉｉｉ族氮化物半導體雷射元件 - Google Patents

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Takamichi Sumitomo
Masaki Ueno
Yusuke Yoshizumi
Takahisa Yoshida
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Sumitomo Electric Industries
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Abstract

本發明係於具有在包含開口之電流侷限層上再成長有p型包覆層之構成之第III族氮化物半導體雷射元件中，減小因存在於半極性之再成長界面之n型雜質所造成之影響。半導體雷射元件10包括n型半導體區域14、活性層16、第1p型半導體區域18、電流侷限層20、及第2p型半導體區域22。第2p型半導體區域22係於形成電流侷限層20之開口20a之後再成長於第1p型半導體區域18上及電流侷限層20上之區域。第1p型半導體區域18之與第2p型半導體區域22之界面具有第III族氮化物半導體之半極性面。第1p型半導體區域18包括構成第1p型半導體區域18與第2p型半導體區域22之界面且具有1×1020cm-3以上之p型雜質濃度的高濃度p型半導體層18c。

Description

第III族氮化物半導體雷射元件
本發明係關於一種第III族氮化物半導體雷射元件。
於專利文獻1~3中記載有第III族氮化物半導體雷射元件。該等文獻中記載之第III族氮化物半導體雷射元件均包括：基板，其包含第III族氮化物半導體；n型包覆層，其設置於基板上，且包含n型第III族氮化物半導體；活性層，其設置於n型包覆層上，且包含第III族氮化物半導體；及p型包覆層，其設置於活性層上，且包含p型第III族氮化物半導體。而且，於p型包覆層與活性層之間設置有光導引層(light guide layer)，進而，於光導引層與p型包覆層之間設置有具有用於電流侷限之開口之電流侷限層。具有上述構造之第III族氮化物半導體雷射元件係藉由於在電流侷限層上形成開口之後以填埋該開口之方式再成長p型包覆層而製作。再者，於專利文獻1~3中記載有包含多晶或非晶狀之AlN之電流侷限層。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2006-121107號公報
專利文獻2：日本專利特開2007-067432號公報
專利文獻3：日本專利特開2008-294053號公報
於製作具有上述構成之第III族氮化物半導體雷射元件時，電流侷限層之開口係例如藉由對電流侷限層實施蝕刻而形成。根據發明者等人之見解，此時，於自電流侷限層之開口露出之半導體之表面(即與p型包覆層之再成長界面)產生成為n型摻雜劑之氧或矽等雜質之附著(堆積)。通常，於藉由使用有機金屬原料之CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)使半導體層成長之情形時，對成長界面實施使用H2或NH3等之1000℃以上之表面清洗。而且，藉由該清洗，而較佳地除去如上所述之雜質。然而，於具有電流侷限層之構成中，若以此種高溫進行清洗，則會引起電流侷限層之改質(例如結晶化)，從而再成長層(p型包覆層)之結晶品質會降低。因此，不易於p型包覆層之再成長步驟前以此種高溫進行清洗。因此，於殘留有n型雜質之再成長界面上使p型包覆層成長，故而於該界面產生因n型雜質所引起之非發光再結合，從而產生電流之損耗。藉此，半導體雷射元件之閾值電流密度上升。又，於在再成長界面之活性層側亦存在p型半導體層之情形時，由於形成有局部性之pnp構造，故而半導體雷射元件之動作電壓上升。
上述現象於p型包覆層之再成長界面為半極性面之情形時尤為明顯。例如於產生藍色光之第III族氮化物半導體雷射元件中，多使用以第III族氮化物半導體之c面為主面之基板。於該情形時，p型包覆層之再成長界面亦成為c面。然而，於產生綠色光之第III族氮化物半導體雷射元件中， 為減小活性層中之壓電電場(piezoelectric field)，有時使用以第III族氮化物半導體之半極性面為主面之基板。於該情形時，p型包覆層之再成長界面亦成為半極性面。而且，根據本發明者之知識見解，由於在半極性面上露出多個懸鍵(dangling bond)(原子中之未鍵結鍵)，故而與c面、a面、或m面等低平面指數(plane indices)面相比，n型雜質之取入較多。其結果，上述之閾值電流密度之上升、及動作電壓之上升變得明顯。
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於：於具有在包含開口之電流侷限層上再成長有p型包覆層之構成之第III族氮化物半導體雷射元件中，減小由存在於半極性之再成長界面之n型雜質所造成之影響。
為解決上述課題，本發明之第III族氮化物半導體雷射元件包括：(a)n型半導體區域，其包含n型之第III族氮化物半導體；活性層，其包含第III族氮化物半導體，且設置於n型半導體區域上；(b)第1 p型半導體區域，其包含p型之第III族氮化物半導體，且設置於活性層上；(c)電流侷限層，其設置於第1 p型半導體區域上，且具有沿特定之雷射共振方向延伸之開口；及(d)第2 p型半導體區域，其包含p型之第III族氮化物半導體，且於形成電流侷限層之開口之後，再成長於第1 p型半導體區域上及電流侷限層上；且第1 p型半導體區域與第2 p型半導體區域之界面包含該第III族氮化物半導體之半極性面，第1及第2 p型半導 體區域中之至少一者包括構成第1 p型半導體區域與第2 p型半導體區域之界面且具有1×1020 cm-3以上之p型雜質濃度之高濃度p型半導體層。
於該第III族氮化物半導體雷射元件中，第1 p型半導體區域與第2 p型半導體區域之界面包含該第III族氮化物半導體之半極性面。此種構成主要係於活性層成長於第III族氮化物半導體之半極性面上之元件中實現，故而可較佳地實現活性層之In組成較高之綠色發光半導體雷射元件。又，於該第III族氮化物半導體雷射元件中，第1及第2 p型半導體區域中之至少一者包括構成第1 p型半導體區域與第2 p型半導體區域之界面之高濃度p型半導體層。即，第1 p型半導體區域之高濃度p型半導體層與第2 p型半導體區域接觸，第2 p型半導體區域之高濃度p型半導體層與第1 p型半導體區域接觸。進而，該高濃度p型半導體層具有1×1020 cm-3以上之p型雜質濃度。
如上所述，於在第1 p型半導體區域上使第2 p型半導體區域再成長時，於第1 p型半導體區域之表面產生成為供體(donor)之氧或矽等雜質之附著(堆積)。然而，於該第III族氮化物半導體雷射元件中，由於高濃度p型半導體層之p型(摻雜劑)雜質擴散而補償n型雜質，故而可抑制由n型雜質所造成之影響(閾值電流密度上升或動作電壓上升)。根據該第III族氮化物半導體雷射元件，可減小因存在於半極性之再成長界面之n型雜質所造成之影響。
又，第III族氮化物半導體雷射元件亦可設為高濃度p型 半導體層之厚度為10 nm以下。根據本發明者之見解，存在於再成長界面之n型雜質之厚度方向分佈之半寬值為10 nm左右，藉由高濃度p型半導體層之厚度不超過該值，可保持第III族氮化物半導體雷射元件之良好之動作特性。
又，第III族氮化物半導體雷射元件亦可為高濃度p型半導體層僅設置於第1 p型半導體區域。根據此種構成，可提供較佳地發揮上述效果之第III族氮化物半導體雷射元件。
又，第III族氮化物半導體雷射元件亦可為活性層之第1 p型半導體區域側之界面、與高濃度p型半導體層之活性層側之界面之距離為200 nm以上。藉由如上述般使活性層與高濃度p型半導體層之間隔變寬，可抑制因高濃度p型半導體層之p型雜質而產生之光吸收作用，從而可抑制雷射振盪效率之降低。又，由於p型雜質之光吸收特性於500 nm以上之波段較為明顯，故而較佳為雷射振盪之共振波長為500 nm以上。
根據本發明，於具有在包含開口之電流侷限層上再成長有p型包覆層之構成之第III族氮化物半導體雷射元件中，可減小因存在於半極性之再成長界面之n型雜質所造成之影響。
以下，一面參照隨附圖式一面對本發明之第III族氮化物半導體雷射元件之實施形態詳細地進行說明。再者，於圖 式之說明中，於可能之情形時，對同一要素標註同一符號。
圖1係表示本發明之一實施形態之半導體雷射元件10之構成之圖式，該圖式表示沿與雷射共振方向垂直之線所取之面之剖面及端面。該半導體雷射元件10可為輸出500 nm以上且540 nm以下之振盪波長之綠色雷射光的第III族氮化物半導體雷射元件。半導體雷射元件10包括作為支撐基板之半導體基板12、n型半導體區域14、活性層16、第1 p型半導體區域18、電流侷限層20、第2 p型半導體區域22、陽極電極24、及陰極電極26。半導體雷射元件10具有邊緣發光型之構造。半導體雷射元件10之雷射共振器沿與支撐基板之主面平行之平面之方向延伸。用於雷射共振器之一對端面與該平行平面交叉。於半導體雷射元件10中，用於雷射共振器之各端面可具有與垂直於雷射共振方向之剖面相同之構造，將其示於圖1中。
半導體基板12包含第III族氮化物半導體，於一實施例中包含n型GaN。半導體基板12具有包含第III族氮化物半導體結晶之半極性面之主面12a及背面12b。半導體基板12之第III族氮化物之c軸相對於主面12a之法線軸傾斜。半導體基板12之主面12a之傾斜角由主面12a之法線向量與c軸所成之角度規定。該角度可處於10度以上且80度以下之範圍內，或可處於100度以上且170度以下之範圍內。於半導體基板12例如為GaN之情形時，根據該角度範圍，可對主面12a提供GaN之半極性之性質。又，構成半導體基板12之 第III族氮化物之c軸較佳為朝半導體基板12之第III族氮化物半導體之m軸方向傾斜。進而，傾斜角較佳為處於63度以上且80度以下之範圍內，或較佳為處於100度以上且117度以下之範圍內。根據該角度範圍，可提供對用於500 nm以上之發光之活性層16(於下文敍述)較佳之In組成之InGaN層。進而，構成半導體基板12之第III族氮化物之c軸更佳為以相對於主面12a為大致75度之傾斜角朝m軸方向傾斜。典型之主面12a之面方位例如為{20-21}面。
n型半導體區域14包含n型之第III族氮化物半導體。n型半導體區域14設置於半導體基板12之主面12a上，且包含沿主面12a之法線方向積層之一層或複數層半導體層。本實施形態之n型半導體區域14包括依序積層於主面12a上之n型包覆層14a、第1下部光導引層14b、及第2下部光導引層14c。
n型包覆層14a包含n型之第III族氮化物半導體，例如可包含氮化鎵系半導體。第1下部光導引層14b包含第III族氮化物半導體，例如可包含氮化鎵系半導體。第2下部光導引層14c包含第III族氮化物半導體，例如可包含氮化鎵系半導體。於一實施例中，n型包覆層14a例如可包含n型AlGaN、n型InAlGaN等，第1下部光導引層14b例如可包含n型GaN，第2下部光導引層14c例如可包含n型InGaN。第2下部光導引層14c之In組成例如為0.025。該等n型包覆層14a、第1下部光導引層14b、及第2下部光導引層14c之厚度分別為例如1200 nm、250 nm、150 nm。又，該等n型包 覆層14a、第1下部光導引層14b、及第2下部光導引層14c之n型雜質(摻雜劑)例如為Si，其濃度例如為2×1018 cm-3。
活性層16可包含單一層，或可具有量子井構造(單一量子井構造或多重量子井構造)。再者，圖1中表示有用於單一量子井構造之井層16a及阻障層16b。井層16a可包含InGaN等，阻障層16b可包含GaN或InGaN等。於一實施例中，井層16a之厚度例如為2.5 nm，阻障層16b之厚度例如為10 nm。活性層16之發光波長藉由井層16a之帶隙或In組成、其厚度等控制。於一實施例中，井層16a之In組成為0.20，此種In組成可使井層16a產生波長510 nm之綠色之發光。
第1 p型半導體區域18包含p型之第III族氮化物半導體。第1 p型半導體區域18設置於活性層16上，且包含沿主面12a之法線方向積層之一層或複數層半導體層。本實施形態之第1 p型半導體區域18包含依序積層於活性層16上之第2上部光導引層18b及第1上部光導引層18a。亦可於第2上部光導引層18b與活性層16之間設置有非摻雜之第三上部光導引層19。
如上所述，半導體基板12之主面12a具有第III族氮化物半導體之半極性面。沿該半極性面之法線軸之方向使n型半導體區域14、活性層16、及第1 p型半導體區域18依序成長。因此，n型半導體區域14之表面具有第III族氮化物半導體之半極性之性質。活性層16之表面繼承此特點而具有第III族氮化物半導體之半極性之性質。第1 p型半導體 區域18之表面(形成第1 p型半導體區域18與下述之第2 p型半導體區域22之界面)繼承此特點而具有第III族氮化物半導體之半極性面。
第2上部光導引層18b包含第III族氮化物半導體，例如可包含氮化鎵系半導體。第1上部光導引層18a包含第III族氮化物半導體，例如可包含氮化鎵系半導體。於一實施例中，第1上部光導引層18a例如可包含p型GaN，第2上部光導引層18b例如可包含p型InGaN。第2上部光導引層18b之In組成例如為0.025。該等第2上部光導引層18b及第1上部光導引層18a之厚度分別例如為40 nm、200 nm。又，該等第2上部光導引層18b及第1上部光導引層18a之p型雜質(摻雜劑)例如為Mg。第1上部光導引層18a之p型雜質(摻雜劑)濃度例如在5×1017 cm-3以上3×1018 cm-3以下之範圍內，較佳為1×1018 cm-3。第1上部光導引層18a之厚度例如在40 nm以上且200 nm以下之範圍內。又，第2上部光導引層18b之p型摻雜劑濃度例如在1×1017 cm-3以上且1×1019 cm-3以下之範圍內，較佳為1×1018 cm-3。第2上部光導引層18b之厚度例如在100 nm以上且300 nm以下之範圍內。第2上部光導引層18b之銦組成例如可為0.2以上且0.4以下。進而，第三上部光導引層19包含非摻雜之第III族氮化物半導體，例如可包含非摻雜之氮化鎵系半導體。第三上部光導引層19於一實施例中可包含InGaN。第三上部光導引層19之In組成例如為0.025。第三上部光導引層19之厚度例如為80 nm。
電流侷限層20具有包含沈積於第1 p型半導體區域18上之多晶或非晶狀之第III族氮化物半導體(例如AlN)的層。此種電流侷限層20可藉由使第III族氮化物半導體於低溫(例如500℃)下成長而較佳地獲得。電流侷限層20具有沿特定之雷射共振方向延伸之開口20a，藉由使供給至第III族氮化物半導體雷射元件10之電流通過該開口20a而侷限電流。再者，與特定之雷射共振方向正交之方向上的開口20a之寬度W1可為1 μm以上且10 μm以下，例如為2 μm。特定之雷射共振方向上之開口20a之長度可自一對共振器端面之一者延伸至另一者，而與共振器長一致，例如為600 μm。或特定之雷射共振方向上之開口20a例如為劃線形狀，開口20a之長度例如可為400 μm以上且1000 μm以下。又，電流侷限層20之厚度可為5 nm以上且20 nm以下，例如為10 nm。
第2 p型半導體區域22包含p型之第III族氮化物半導體。第2 p型半導體區域22係以填埋電流侷限層20之開口20a之方式設置於電流侷限層20上及第1 p型半導體區域18上。第2 p型半導體區域22係於形成電流侷限層20開口20a之後再成長於第1 p型半導體區域18上及電流侷限層20上之區域。第2 p型半導體區域22包含沿主面12a之法線方向積層之一層或複數層半導體層。本實施形態之第2 p型半導體區域22包含依序積層於電流侷限層20上及第1 p型半導體區域18上之p型包覆層22a、下部接觸層22b、及上部接觸層22c。第1 p型半導體區域18、電流侷限層20及第2 p型半 導體區域22構成設置於活性層16上之第III族氮化物區域。
p型包覆層22a包含p型之第III族氮化物半導體。下部接觸層22b包含p型之第III族氮化物半導體。上部接觸層22c包含p型之第III族氮化物半導體。於一實施例中，p型包覆層22a可包含p型AlGaN、p型InAlGaN等，下部接觸層22b可包含p型GaN，上部接觸層22c可包含高濃度p型GaN，且具有較下部接觸層22b之p型摻雜劑濃度大之p型摻雜劑濃度。p型包覆層22a具有較下部接觸層22b之p型摻雜劑濃度小之p型摻雜劑濃度。該等p型包覆層22a、下部接觸層22b、及上部接觸層22c之厚度分別例如為400 nm、40 nm、10 nm。又，該等p型包覆層22a、下部接觸層22b、及上部接觸層22c之p型雜質(摻雜劑)例如為Mg。p型包覆層22a中之p型雜質(摻雜劑)濃度例如在5×1018 cm-3以上且2×1019 cm-3以下之範圍內，較佳為1×1019 cm-3。再者，如上所述，由於電流侷限層20包含多晶及/或非晶狀之第III族氮化物半導體(例如AlN)，故而成長於電流侷限層20上之p型包覆層22a之結晶性良好，又，p型包覆層22a內部之裂痕之產生減少。於電流侷限層必需使用絕緣性良好且帶隙較寬之AlN或高Al組成AlGaN等，但若該等為單晶，則因晶格常數差而產生之錯配位錯(misfit dislocation)增大。
陽極電極24設置於第2 p型半導體區域22之上部接觸層22c上，且與上部接觸層22c形成歐姆接觸(ohmic contact)。陽極電極24例如係於上部接觸層22c上蒸鍍Pd而成，其厚度例如為100 nm。陰極電極26設置於半導體基板 12之背面12b上，且與半導體基板12形成歐姆接觸。陰極電極26係例如於背面12b蒸鍍Ti/Al而成。
此處，本實施形態之第1 p型半導體區域18更包含高濃度p型半導體層18c。高濃度p型半導體層18c處於第1 p型半導體區域18之最上層，因此，第1 p型半導體區域18構成與第2 p型半導體區域22之界面。高濃度p型半導體層18c設置於第1上部光導引層18a上，且夾於p型包覆層22a及電流侷限層20與第1上部光導引層18a之間。第1及第2 p型半導體區域18、22中之至少一者包含構成第1 p型半導體區域18與第2 p型半導體區域22之界面且具有1×1020 cm-3以上之p型雜質濃度的高濃度p型半導體層18c。
高濃度p型半導體層18c包含p型之第III族氮化物半導體，例如包含氮化鎵系半導體。於一實施例中，高濃度p型半導體層18c例如可包含p型GaN等。高濃度p型半導體層18c例如具有1×1020 cm-3以上且3×1020 cm-3以下之相對較高之p型雜質(摻雜劑)濃度。上述p型雜質(摻雜劑)濃度為明顯大於與高濃度p型半導體層18c相鄰之第1上部光導引層18a或p型包覆層22a之p型雜質(摻雜劑)濃度的數值，且為較該等層之p型雜質(摻雜劑)濃度大例如一位或兩位左右的數值。高濃度p型半導體層18c之p型雜質(摻雜劑)例如為Mg。高濃度p型半導體層18c之厚度較佳為10 nm以下。又，高濃度p型半導體層18c之厚度較佳為5 nm以上。高濃度p型半導體層18c之p型摻雜劑濃度大於再成長界面上之供體性雜質之峰值濃度。
具有以上構成之半導體雷射元件10例如以如下方式製作。圖2~圖5係表示半導體雷射元件10之製作方法之一例之各步驟之剖面圖，且表示沿與雷射共振方向垂直之線所取之剖面。再者，於以下之說明中，於半導體之成長中使用NH3、TMG、TMA、TMI等有機金屬原料。又，分別使用矽烷氣體作為n型摻雜劑(例如Si)之原料，使用Cp2Mg作為p型摻雜劑(例如Mg)之原料。
首先，準備於主面12a包含GaN之{20-21}面之半導體基板12(例如n型GaN)。其次，對該半導體基板12之主面12a，於NH3氣體環境下且以1100℃之高溫進行熱處理。繼而，如圖2之(a)部分所示，於半導體基板12之主面12a上使n型半導體區域14、活性層16、第三上部光導引層19(圖1所示者)、及第1 p型半導體區域18依序磊晶成長。作為該磊晶成長而使用有機金屬氣相沈積法，又，結晶成長係於成長爐中進行。此時，將n型半導體區域14之n型包覆層14a(例如n型InAlGaN)及第1下部光導引層14b(例如n型GaN)之成長溫度設為例如900℃，將第2下部光導引層14c(例如n型InGaN)之成長溫度設為例如870℃。又，將活性層16之井層16a(例如非摻雜InGaN)之成長溫度設為例如700℃，將阻障層16b(例如非摻雜GaN)之成長溫度設為例如800℃。又，將第1 p型半導體區域18之第2上部光導引層18b(例如p型InGaN)之成長溫度設為例如800℃，將第1上部光導引層18a(例如p型GaN)之成長溫度設為例如900℃，將高濃度p型半導體層18c(例如高濃度p型GaN)之 成長溫度設為例如900℃。其後，使用於電流侷限層20之AlN層30於第1 p型半導體區域18上成長(堆積)。此時，電流侷限層20之成長溫度低於此前之半導體層之成長溫度，AlN層30之成長(堆積)溫度例如為500℃。由此，製作包含n型半導體區域14、活性層16、第1 p型半導體區域18、及AlN層30之基板產物32。
繼而，自成長爐取出基板產物32，如圖2之(b)部分所示，於基板產物32上形成對準標記(alignment mark)。為形成對準標記，例如於AlN層30上塗佈光阻膜。而且，如圖2之(c)部分所示，利用光微影技術，自光阻膜形成如具有開口34a之光阻34般之遮罩。藉由利用如該光阻34般之遮罩進行AlN層30之蝕刻，而形成用於對準標記之開口30a。繼而，如圖3之(a)部分所示，藉由於基板產物32上之整個面對成為對準標記之材料的鋯氧化物(例如ZrO2)進行離子束蒸鍍，而於光阻34上、及開口30a內之第1 p型半導體區域18上，使用利用真空電子束蒸鍍法之成膜爐形成如ZrO2膜36般之絕緣膜。其後，如圖3之(b)部分所示，將蒸鍍於光阻34上之ZrO2膜36與光阻34一併除去(剝離)，而形成包含ZrO2之對準標記38。
繼而，如圖3之(c)部分所示，於AlN層30上及對準標記38上塗佈光阻40。而且，如圖4之(a)部分所示，利用光微影技術形成如具有開口40a之光阻49般之遮罩。開口40a設置於與對準標記38不同之位置。藉由利用該光阻40且利用蝕刻裝置進行AlN層30之蝕刻(較佳為使用KOH溶液之濕式 蝕刻)，而於AlN層30中形成開口，從而製作具有用於電流侷限之開口20a之電流侷限層20。其後，如圖4之(b)部分所示，除去光阻40。由此，製作包含電流侷限層20之基板產物42。第1 p型半導體區域18之表面於蝕刻而得之AlN層30之開口露出。
繼而，將基板產物42再次投入至成長爐內，如圖4之(c)部分所示，於電流侷限層20上、及開口20a內之第1 p型半導體區域18上使第2 p型半導體區域22磊晶成長。此時，第2 p型半導體區域22之p型包覆層22a(例如p型InAlGaN)之成長溫度例如為800℃，下部接觸層22b(例如p型GaN)及上部接觸層22c(例如高濃度p型GaN)之成長溫度例如為900℃。由此，製作包含第2 p型半導體區域22之基板產物44。
繼而，如圖5所示，於基板產物44之第2 p型半導體區域22上蒸鍍陽極電極24(例如Pd)。其後，利用對準標記38，藉由蝕刻除去位於進行下述之劃線之區域上之陽極電極24之部分。於半導體基板12之背面12b上蒸鍍陰極電極26(Ti/Al)。而且，藉由基板產物44之劈裂形成沿與雷射共振方向交叉之面之方向延伸之共振端面。其後，藉由於沿雷射共振方向之切斷面進行切斷(劃線)，而進行芯片(chip)化。藉由上述步驟，而完成具有圖1所示之構造之半導體雷射元件10。再者，利用本實施形態之製作方法實際地製作半導體雷射元件10時，閾值電流為58 mA，閾值電壓為5.9 V，振盪波長為510 nm。
對藉由具有以上構成之本實施形態之半導體雷射元件10而獲得之效果、與先前之半導體雷射元件存在之課題一併進行說明。此處，圖6係作為一例而表示第III族氮化物半導體雷射元件100之構成之剖面圖，且表示沿與雷射共振方向垂直之線所取之剖面。該半導體雷射元件100包含作為支撐基板之半導體基板112、n型包覆層113、第1下部光導引層114、第2下部光導引層115、活性層116、第三上部光導引層117、第2上部光導引層118、第1上部光導引層119、電流侷限層120、p型包覆層122、p型接觸層123、陽極電極124、及陰極電極126。
半導體基板112例如包含n型GaN之第III族氮化物半導體。半導體基板112包含具有第III族氮化物半導體結晶之例如c面({0001}面)的主面112a及背面112b。於本實施例中，構成半導體基板112之第III族氮化物之c軸與主面112a之法線軸大致一致。根據此種主面112a，而提供適合用以實現未達500 nm之發光之活性層116(於下文敍述)的In組成之InGaN層。
n型包覆層113及第1下部光導引層114依序設置於半導體基板112之主面112a上。n型包覆層113包含n型之第III族氮化物半導體。第1下部光導引層114包含n型之第III族氮化物半導體。n型包覆層113例如包含n型Al0.04Ga0.96N，第1下部光導引層114例如包含n型GaN。n型包覆層113及第1下部光導引層114之厚度分別例如為2300 nm、50 nm。又，該等n型包覆層113及第1下部光導引層114之n型雜質 (摻雜劑)例如為Si，該摻雜劑濃度例如為2×1018 cm-3。
第2下部光導引層115設置於第1下部光導引層114上。第2下部光導引層115包含非摻雜第III族氮化物半導體，例如包含氮化鎵系半導體。第2下部光導引層115例如包含In0.04Ga0.96N，其厚度例如為50 nm。
活性層116具有交替地積層有複數層井層116a及阻障層116b之多重量子井構造。再者，圖6中表示有包含3層井層116a之活性層116。井層116a包含InGaN等，阻障層116b包含GaN或InGaN等。井層116a之厚度例如為3 nm，阻障層116b之厚度例如為15 nm。
第三上部光導引層117設置於活性層116上。第三上部光導引層117包含非摻雜第III族氮化物半導體。第三上部光導引層117例如包含In0.04Ga0.96N，其厚度例如為50 nm。又，第2上部光導引層118設置於第三上部光導引層117上。第2上部光導引層118包含p型第III族氮化物半導體。第2上部光導引層118例如包含p型GaN，其厚度例如為50 nm。又，第1上部光導引層119設置於第2上部光導引層118上。第1上部光導引層119包含p型之第III族氮化物半導體。第1上部光導引層119例如包含p型Al0.18Ga0.82N，其厚度例如為20 nm。再者，該等第1至第三上部光導引層117~119之p型雜質(摻雜劑)例如為Mg。第1上部光導引層119之p型雜質(摻雜劑)濃度例如為1×1018 cm-3。
如上所述，半導體基板112之主面112a具有第III族氮化物半導體之c面。因此，沿第III族氮化物半導體之結晶軸 方向成長之第1上部光導引層119之表面(與下述p型包覆層122之界面)亦具有第III族氮化物半導體之極性面之性質。
電流侷限層120為包含堆積於第1上部光導引層119上之多晶或非晶狀之第III族氮化物半導體(例如AlN)的層。再者，該電流侷限層120、包含開口120a之形狀具有與上述電流侷限層20(參照圖1)相同或類似之構成。
p型包覆層122及p型接觸層123包含p型之第III族氮化物半導體。p型包覆層122係以填埋電流侷限層120之開口120a之方式成長於電流侷限層120上及第1上部光導引層119上，且係於形成電流侷限層120之開口120a之後再成長於電流侷限層120上及第1上部光導引層119上之層。p型包覆層122例如包含p型Al0.06Ga0.94N，p型接觸層123例如包含高濃度p型GaN。p型包覆層122及p型接觸層123之厚度分別例如為500 nm、50 nm。又，p型包覆層122及p型接觸層123之p型雜質(摻雜劑)例如為Mg，p型包覆層122中之雜質(摻雜劑)濃度例如為1×1018 cm-3。
陽極電極124設置於p型接觸層123上，且與p型接觸層123形成歐姆接觸。陰極電極126設置於半導體基板112之背面112b上，且與半導體基板112形成歐姆接觸。
圖7係表示具有以上構成之半導體雷射元件100之厚度方向上的二次離子質量分析之結果之曲線圖。再者，於圖7中，橫軸表示半導體雷射元件100之厚度方向位置(原點處於p型接觸層123之表面位置)，縱軸表示二次離子強度(即原子濃度)。於圖7中，曲線G11表示Al(鋁)之分佈概況 (distribution profile)，曲線G12表示In(銦)之分佈概況。又，曲線G13表示作為p型雜質(摻雜劑)之Mg(鎂)之分佈概況，曲線G14表示於活性層之成長以後之成長中並非故意添加之作為n型之雜質的Si之分佈概況。
參照圖7之曲線G14，可知於表示為一例之半導體雷射元件100中，於深度位置0.55 μm附近(其對應於p型半導體區域內部之第1上部光導引層119與p型包覆層22a之界面附近)，並非故意添加之作為供體性雜質之Si之濃度升高。上述界面位置與活性層相隔某程度之距離，另一方面，該位置之電流侷限層可對活性層提供適當之電流擴散。供體性雜質之濃度與於n型包覆層113或第1下部光導引層114之成長時故意添加之Si之濃度大致同等或大於其。
根據發明者等人之研究，可認為上述Si濃度成為峰值之原因在於如下所述。於製作具有上述構成之半導體雷射元件100時，電流侷限層120之開口120a係藉由對電流侷限層120進行蝕刻而形成。此時，於自電流侷限層120之開口120a露出之第1上部光導引層119之表面(即第1上部光導引層119與p型包覆層122之再成長界面)，產生作為供體而發揮作用之氧或矽等並非故意添加之供體性雜質之附著(堆積)。於藉由使用有機金屬原料之CVD使半導體層成長之前，可進行使用H2或NH3等之1000℃以上之溫度之熱處理(熱清洗，thermal cleaning)，而實施用於成長之表面之清洗。藉由該清洗，可較佳地除去如上所述之並非故意添加之雜質之作用。然而，若對包含電流侷限層120之構造之 元件進行此種高溫之清洗，則會產生為非晶狀之電流侷限層120之結晶化，從而再成長層(p型包覆層122)之結晶品質降低。於電流侷限層使用帶隙(bandgap)較寬且絕緣性良好之晶格間隔較寬之第III族氮化物半導體，但若使其結晶化，則會產生與p型包覆層之錯配位錯，從而結晶品質降低。因此，不易於p型包覆層122之再成長步驟之前進行此種高溫下之清洗。
因此，於殘留有供體性雜質之再成長界面上使p型包覆層122成長。此處，圖8之(a)部分及圖8之(b)部分係表示半導體雷射元件100之帶構造之圖。再者，於圖8之(a)部分及圖8之(b)部分，參照符號BG1表示井層116a中之帶隙，單點劃線A表示第1上部光導引層119與p型包覆層122之再成長界面。如圖8之(a)部分所示，若n型雜質殘留於第1上部光導引層119與p型包覆層122之再成長界面，則於再成長界面A之附近形成因殘留之n型雜質而產生之能階EL。該能階EL導致傳導帶之電子e與價帶(valence band)之電洞h產生非發光再結合。由此，產生供給至活性層之電流之損耗(圖中之箭頭L)。由於該再結合之產生，而引起半導體雷射元件100之閾值電流密度之上升。又，因於再成長界面A與活性層116之間亦設置有p型半導體區域(第1上部光導引層119)，故而如圖8之(b)部分所示，形成局部性之pnp構造(圖中之B部分)，該構造使半導體雷射元件100之動作電壓上升。
於圖1所示之本實施形態之半導體雷射元件10中，電流 侷限層20之開口20a亦係藉由對電流侷限層20實施蝕刻而形成(參照圖4之(a)部分及圖4之(b)部分)。因此，於自開口20a露出之第1 p型半導體區域18之表面，產生作為供體而發揮作用之氧或矽等供體性雜質之附著(堆積)。又，此種堆積於如本實施形態般再成長界面為半極性面之情形時尤其明顯。即，於產生綠色光之半導體雷射元件10中，為減小活性層16中之壓電電場，而使用以第III族氮化物半導體之半極性面為主面12a之半導體基板12。於此種情形時，再成長界面亦為半極性面。而且，由於在半極性面中懸鍵(原子中之未鍵結鍵)較多，故而與c面、a面、或m面等低平面指數面相比，供體性雜質之取入較多。
針對上述問題，於本實施形態之半導體雷射元件10中，第1 p型半導體區域18包含構成具有第1 p型半導體區域18與第2 p型半導體區域22之界面之區域的高濃度p型半導體層18c。於本實施例中，第1 p型半導體區域18之高濃度p型半導體層18c與第2 p型半導體區域22接觸。進而，該高濃度p型半導體層18c具有1×1020 cm-3以上之極高之p型雜質(摻雜劑)濃度。又，高濃度p型半導體層18c之(摻雜劑)濃度可為4×1021 cm-3以下。
如上所述，於在第1 p型半導體區域18上使第2 p型半導體區域22再成長時，於第1 p型半導體區域18之表面產生成為供體性雜質之氧或矽等雜質之附著(堆積)。然而，於該半導體雷射元件10中，由於高濃度p型半導體層18c之p型(摻雜劑)雜質擴散而補償供體性雜質，故而因供體性雜 質所造成之影響(閾值電流密度上升或動作電壓上升)減小。即，根據該半導體雷射元件10，可減小由存在於半極性之再成長界面之供體性雜質造成的影響。
又，如本實施形態般，高濃度p型半導體層18c之厚度較佳為10 nm以下。根據本發明者之見解，存在於再成長界面之供體性雜質之厚度方向分佈之半寬值為10 nm左右，藉由高濃度p型半導體層18c之厚度超過該值，可防止過剩之具有p型雜質濃度之區域明顯大於供體性雜質之堆積區域，而可保持半導體雷射元件10之良好之動作特性。
又，如本實施形態般，高濃度p型半導體層18c亦可僅設置於第1 p型半導體區域18。根據此種構成，可提供較佳地發揮上述效果之半導體雷射元件10。再者，並不限於本實施形態，高濃度p型半導體層亦可設置於第2 p型半導體區域22。具體而言，高濃度p型半導體層亦可於在第1 p型半導體區域18上使第2 p型半導體區域22再成長時於p型包覆層22a之前成長。或高濃度p型半導體層亦可設置於第1及第2 p型半導體區域18、22之兩者上。藉由該等高濃度p型半導體之配置，亦可提供較佳地發揮上述效果之半導體雷射元件10。
又，如本實施形態般，活性層16之第1 p型半導體區域18側之界面、與高濃度p型半導體層18c之活性層16側之界面的距離較佳為200 nm以上。藉由如上述般使活性層16與高濃度p型半導體層18c之間隔變寬，可抑制因高濃度p型半導體層18c之p型(摻雜劑)雜質而產生之光吸收作用，從 而可抑制雷射振盪效率之降低。又，活性層16與高濃度p型半導體層18c之間隔較佳為200 nm以上且500 nm以下。再者，於本實施形態中，上述距離相當於第三上部光導引層19、第2上部光導引層18b、及第1上部光導引層18a之合計厚度，於一實施例中為320 nm。
又，p型(摻雜劑)雜質之光吸收特性於500 nm以上之波段中尤其明顯。因此，於雷射振盪之共振波長為500 nm以上時，本實施形態中之p側半導體區域之構造可較佳地用以抑制因高濃度p型半導體層18c之p型(摻雜劑)雜質而產生之光吸收作用、進而抑制雷射振盪效率之降低。
本實施形態中，於在具有開口之電流侷限層上包含p型包覆層、並且該p型包覆層與基底之半極性面形成接合界面之第III族氮化物半導體雷射元件中，可減小該接合界面中之供體性雜質之影響。
半導體雷射元件10包含n型半導體區域、活性層、及設置於上述活性層上之第III族氮化物區域。活性層設置於n型半導體區域與第III族氮化物區域之間。第III族氮化物區域包含第1 p型半導體區域、電流侷限層、及第2 p型半導體區域。電流侷限層包含第III族氮化物。第1 p型半導體區域之主面具有半極性面。第1 p型半導體區域包含p型之第III族氮化物半導體。電流侷限層具有設置於第1 p型半導體區域之主面上之開口。第2 p型半導體區域包含p型之第III族氮化物半導體，且設置於上述第1 p型半導體區域上及電流侷限層上。又，第2 p型半導體區域經由電流侷 限層之開口而與第1 p型半導體區域之主面連接、且形成接觸。活性層之雷射振盪之振盪波長為500 nm以上，且較佳為高濃度p型半導體層與活性層相隔200 nm以上之距離而隔置。
第III族氮化物區域包含第1 p型半導體部分、第2 p型半導體部分及第3 p型半導體部分。第1 p型半導體部分設置於第1 p型半導體區域內。第2 p型半導體部分設置於第2 p型半導體區域內。第3 p型半導體部分包含第1 p型半導體區域與第2 p型半導體區域之接觸界面。第3 p型半導體部分與第1 p型半導體部分形成接觸，第3 p型半導體部分與第2 p型半導體部分形成接觸。第1 p型半導體部分包含供體性雜質。第III族氮化物區域於第1 p型半導體部分、第2 p型半導體部分及第3 p型半導體部分具有沿自第1 p型半導體部分朝第2 p型半導體部分之方向增加後減少的p型摻雜劑分佈。例如第1 p型半導體部分之p型摻雜劑濃度可為1×1020 cm-3以上。第3 p型半導體部分之p型摻雜劑濃度大於第3 p型半導體部分之矽濃度等供體性雜質之濃度。電流侷限層可包含非晶之第II族氮化物。電流侷限層可包含多晶之第III族氮化物。電流侷限層包含氮化鋁(AlN)。
設置與第2 p型半導體區域形成接觸之電極。第2 p型半導體區域包含p型包覆層及p型接觸層，該p型包覆層包含低於p型接觸層之p型摻雜劑濃度、並且低於第3 p型半導體部分之p型摻雜劑濃度之區域。
第1 p型半導體區域之主面包含第1區域及第2區域，第2 區域形成為條紋形狀，第1區域處於第2區域之兩側。電流侷限層與第1區域形成接觸，第2 p型半導體區域與第2區域形成接觸。第III族氮化物半導體雷射元件包含用於光共振器之一對端面，第2區域自一對端面之一者延伸至另一者。電極之寬度大於開口之寬度。又，電極之寬度大於第2區域之寬度。進而，電極之寬度大於第2區域之條紋寬度。電極之寬度、開口之寬度、第2區域之寬度及條紋寬度係由與共振器方向正交之方向規定。
n型半導體區域、上述活性層及上述第III族氮化物區域搭載於基板之半極性主面上。基板之半極性主面包含第III族氮化物。又，基板可包含GaN等第III族氮化物。基板之第III族氮化物之c軸與主面之法線軸形成角度。該角度處於10度以上且80度以下之範圍內、或100度以上且170度以下之範圍內。進而，上述角度於由c軸與m軸規定之平面內處於63度以上且80度以下之範圍內、或100度以上且117度以下之範圍內。
於較佳之實施形態中圖示並說明了本發明之原理，但本領域技術人員應理解本發明可於不脫離上述原理之範圍內對配置及詳細內容進行變更。本發明並不限定於本實施形態所揭示之特定之構成。因此，對出自申請專利範圍及其精神範圍之全部修正及變更主張權利。
產業上之可利用性
本實施形態可提供一種具有於包含開口之電流侷限層上再成長有p型包覆層之構成、且可減小再成長半極性面之 界面上之供體性雜質之影響之第III族氮化物半導體雷射元件。
10‧‧‧第III族氮化物半導體雷射元件
12‧‧‧半導體基板
14‧‧‧n型半導體區域
14a‧‧‧n型包覆層
14b‧‧‧第1下部光導引層
14c‧‧‧第2下部光導引層
16‧‧‧活性層
16a‧‧‧井層
16b‧‧‧阻障層
18‧‧‧第1 p型半導體區域
18a‧‧‧第1上部光導引層
18b‧‧‧第2上部光導引層
18c‧‧‧高濃度p型半導體層
19‧‧‧第三上部光導引層
20‧‧‧電流侷限層
22‧‧‧第2 p型半導體區域
22a‧‧‧p型包覆層
22b‧‧‧下部接觸層
22c‧‧‧上部接觸層
24‧‧‧陽極電極
26‧‧‧陰極電極
A‧‧‧再成長界面
e‧‧‧電子
h‧‧‧電洞
圖1係表示本發明之一實施形態之半導體雷射元件之構成之剖面圖。
圖2之(a)部分~(c)部分係表示半導體雷射元件之製作方法之一例之各步驟之剖面圖。
圖3之(a)部分~(c)部分係表示半導體雷射元件之製作方法之一例之各步驟之剖面圖。
圖4之(a)部分~(c)部分係表示半導體雷射元件之製作方法之一例之各步驟之剖面圖。
圖5係表示半導體雷射元件之製作方法之一例之一步驟之剖面圖。
圖6係表示作為一例而表示之第III族氮化物半導體雷射元件之構成之剖面圖。
圖7係表示作為一例而表示之半導體雷射元件之厚度方向上的二次離子質量分析之結果之曲線圖。
圖8之(a)部分~(b)部分係表示半導體雷射元件之帶構造之圖。
10‧‧‧第III族氮化物半導體雷射元件
12‧‧‧半導體基板
12a‧‧‧主面
12b‧‧‧背面
14‧‧‧n型半導體區域
14a‧‧‧n型包覆層
14b‧‧‧第1下部光導引層
14c‧‧‧第2下部光導引層
16‧‧‧活性層
16a‧‧‧井層
16b‧‧‧阻障層
18‧‧‧第1 p型半導體區域
18a‧‧‧第1上部光導引層
18b‧‧‧第2上部光導引層
18c‧‧‧高濃度p型半導體層
19‧‧‧第三上部光導引層
20‧‧‧電流侷限層
20a‧‧‧開口
22‧‧‧第2 p型半導體區域
22a‧‧‧p型包覆層
22b‧‧‧下部接觸層
22c‧‧‧上部接觸層
24‧‧‧陽極電極
26‧‧‧陰極電極
W1‧‧‧寬度

Claims (20)

  1. 一種第III族氮化物半導體雷射元件，其特徵在於包括：n型半導體區域，其包含n型之第III族氮化物半導體；活性層，其包含第III族氮化物半導體，且設置於上述n型半導體區域上；第1 p型半導體區域，其包含p型之第III族氮化物半導體，且設置於上述活性層上；電流侷限層，其設置於上述第1 p型半導體區域上，且具有沿特定之雷射共振方向延伸之開口；及第2 p型半導體區域，其包含p型之第III族氮化物半導體，且於形成上述電流侷限層之上述開口之後，再成長於上述第1 p型半導體區域上及電流侷限層上；且上述第1 p型半導體區域之與上述第2 p型半導體區域之界面具有該第III族氮化物半導體之半極性面，上述第1及第2 p型半導體區域中之至少一者包含構成上述第1 p型半導體區域與上述第2 p型半導體區域之界面且具有1×1020 cm-3以上之p型雜質濃度之高濃度p型半導體層。
  2. 如請求項1之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述高濃度p型半導體層之厚度為10 nm以下。
  3. 如請求項1或2之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述高濃度p型半導體層僅設置於上述第1 p型半導體區域。
  4. 如請求項1至3中任一項之第III族氮化物半導體雷射元 件，其中上述活性層之上述第1 p型半導體區域側之界面、與上述高濃度p型半導體層之上述活性層側之界面之距離為200 nm以上。
  5. 如請求項1至4中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中該第III族氮化物半導體雷射元件之雷射振盪之共振波長為500 nm以上。
  6. 如請求項1至5中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述活性層之振盪波長為500 nm以上，且上述高濃度p型半導體層與上述活性層相隔200 nm以上之距離而配置。
  7. 一種第III族氮化物半導體雷射元件，其包含：n型半導體區域，其包含n型之第III族氮化物半導體；活性層，其包含第III族氮化物半導體，且設置於上述n型半導體區域上；及第III族氮化物區域，其設置於上述活性層上；且上述第III族氮化物區域包含：第1 p型半導體區域，其包含p型之第III族氮化物半導體；電流侷限層，其設置於上述第1 p型半導體區域之主面上，且具有開口；及第2 p型半導體區域，其包含p型之第III族氮化物半導體，經由上述電流侷限層之上述開口而與上述第1 p型半導體區域之上述主面連接，且設置於上述第1 p型半導體區域上及電流侷限層上；且 上述電流侷限層包含第III族氮化物，上述第1 p型半導體區域之上述主面具有半極性面，上述第III族氮化物區域包含設置於上述第1 p型半導體區域內之第1 p型半導體部分、設置於上述第2 p型半導體區域內之第2 p型半導體部分、及包含上述第1 p型半導體區域與上述第2 p型半導體區域之接觸界面之第3 p型半導體部分，上述第3 p型半導體部分與上述第1 p型半導體部分形成接觸，上述第3 p型半導體部分與上述第2 p型半導體部分形成接觸，上述第3 p型半導體部分包含供體性雜質，且第III族氮化物區域於上述第1 p型半導體部分、上述第2 p型半導體部分及上述第3 p型半導體部分具有沿自上述第1 p型半導體部分朝上述第2 p型半導體部分之方向增加後減少之p型摻雜劑分佈。
  8. 如請求項7之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述第3 p型半導體部分之p型摻雜劑濃度為1×1020 cm-3以上。
  9. 如請求項7或8之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述第3 p型半導體部分之p型摻雜劑濃度大於上述第3 p型半導體部分之矽濃度。
  10. 如請求項7至9中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述電流侷限層包含氮化鋁。
  11. 如請求項7至10中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述電流侷限層包含非晶之第III族氮化物。
  12. 如請求項7至11中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述電流侷限層為多晶之第III族氮化物。
  13. 如請求項7至12中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述第2 p型半導體區域包含p型包覆層及p型接觸層，且上述p型包覆層包含低於上述p型接觸層之p型摻雜劑濃度、並且低於上述第3 p型半導體部分之p型摻雜劑濃度之區域。
  14. 如請求項7至13中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述第1 p型半導體區域之主面包含第1區域及第2區域，上述電流侷限層與上述第1 p型半導體區域之上述主面之上述第1區域形成接觸，上述第2 p型半導體區域與上述第1 p型半導體區域之上述主面之上述第2區域形成接觸，且上述第2區域形成為條紋形狀。
  15. 如請求項14之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述第III族氮化物半導體雷射元件包含用於光共振器之一對端面，且上述第2區域自上述一對端面之一者延伸至另一者。
  16. 如請求項15之第III族氮化物半導體雷射元件，其中更包含與上述第2 p型半導體區域形成接觸之電極，且 上述電極之寬度大於第2區域之條紋寬度。
  17. 如請求項7至16中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中更包含基板，該基板具有搭載上述n型半導體區域、上述活性層及上述第III族氮化物區域之半極性之主面，且上述主面包含第III族氮化物。
  18. 如請求項17之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述基板包含第III族氮化物，上述基板之上述第III族氮化物之c軸與上述主面之法線軸形成角度，且上述角度處於10度以上且80度以下之範圍內、或100度以上且170度以下之範圍內。
  19. 如請求項17或18之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述角度處於63度以上且80度以下之範圍內、或100度以上且117度以下之範圍內。
  20. 如請求項7至19中任一項之第III族氮化物半導體雷射元件，其中上述供體性雜質包含氧及矽中之至少任一者。
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