TWI445267B - Method of making semiconductor lasers - Google Patents

Description

製作半導體雷射之方法

本發明係關於一種製造半導體雷射之方法。

專利文獻1(國際公開2006/062084號公報)中揭示有一種半導體雷射元件。該半導體雷射元件含有夾持於p型包層與n型包層之間之活性層，且於p型包層上設有光子晶體層。光子晶體層包括：GaN磊晶層、以及由折射率低於GaN之折射率之材料所形成之部分。於光子晶體層上形成GaN層。

專利文獻1所揭示之半導體雷射元件之光子晶體層包含GaN磊晶層、以及由折射率低於GaN之折射率之材料所構成的複數個部分之排列。另一方面，若可不使用折射率低於GaN之折射率之材料，而是藉由設於氮化鎵系半導體區域上之空孔(空隙)之排列來製造光子晶體構造，則可增大光子晶體構造中之折射率差。於光子晶體構造中，於GaN層上形成圖案而製造孔之排列。若於已形成有圖案之GaN層上成長氮化鎵系半導體，則有時孔內亦成長有堆積物之若干個空孔會變形。因此，於該GaN層上成長晶體之後，空孔之排列之一致性受到破壞。

本發明係鑒於以上情形開發而產生者，其目的在於提供一種含有光子晶體構造之半導體雷射之製造方法，該光子晶體構造具有空孔之排列。

本發明之一個側面係製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法。該方法具有以下步驟：(a)於氮化鎵系半導體區域上，藉由成長爐而成長In_X1 Ga_1-X1 N(0<X1<1)層之步驟；(b)將含有上述In_X1 Ga_1-X1 N層之基板生產物自上述生成爐取出之後，於上述In_X1 Ga_1-X1 N層上形成用於二維光子晶體之二維繞射光柵之複數個開口，以形成已形成有圖案之In_X1 Ga_1-X1 N層的步驟；以及(c)以形成與上述開口相對應之空孔之方式，於上述已形成有圖案之In_X1 Ga_1-X1 N層上形成Al_X2 Ga_1-X2 N(0≦X2≦1)層的步驟。

根據本發明之方法，為了形成圖案，對In_X1 Ga_1-X1 N層進行加工，於In_X1 Ga_1-X1 N層上形成開口。於形成有圖案之In_X1 Ga_1-X1 N層開口之表面上，殘留有加工造成之損傷。使第2基板之溫度向成長溫度上升之後，形成Al_X2 Ga_1-X2 N層。於該Al_X2 Ga_1-X2 N層之形成過程中，受到藉由加工而形成之開口之表面上殘留之損傷的影響，Al_X2 Ga_1-X2 N生成及遷移於空孔內受到抑制，另一方面，Al_X2 Ga_1-X2 N堆積於In_X1 Ga_1-X1 N之表面上。為了抑制此點，將Al_X2 Ga_1-X2 N層作為手段而形成空孔，該Al_X2 Ga_1-X2 N層係以使與In_X1 Ga_1-X1 N層之開口相對應之空孔不被堆積物充滿地覆蓋開口，經成長而成者。藉由Al_X2 Ga_1-X2 N層及In_X1 Ga_1-X1 N層之空孔之組合，提供用於二維光子晶體之構造。

於本發明之方法中，上述開口之側面及底面可由InGaN構成。根據該方法，已形成有圖案之In_X1 Ga_1-X1 N層之開口之側面及底面於上述升溫過程中受到影響，於成長 Al_X2 Ga_1-X2 N層之過程中，側面及底面之Al_X2 Ga_1-X2 N成長及遷移受到抑制。另一方面，於In_X1 Ga_1-X1 N層上使Al_X2 Ga_1-X2 N成長。Al_X2 Ga_1-X2 N係以In_X1 Ga_1-X1 N層上為基點而產生橫向成長，藉此能夠以不填埋開口且覆蓋開口之方式而於其上部成長。因此，於Al_X2 Ga_1-X2 N層成長時，形成與In_X1 Ga_1-X1 N層之開口相對應之空孔。

於本發明之方法中，可進而具有如下步驟：形成上述In_X1 Ga_1-X1 N層之後，於在上述In_X1 Ga_1-X1 N層上形成用於上述二維繞射光柵之複數個開口之前，於上述In_X1 Ga_1-X1 N層上形成GaN層。上述基板生產物包括上述GaN層，上述複數個開口形成於上述In_X1 Ga_1-X1 N層及上述GaN層上。

根據該方法，於Al_X2 Ga_1-X2 N層成長時，In_X1 Ga_1-X1 N層之上表面由GaN層所覆蓋。然而，In_X1 Ga_1-X1 N層之開口之側面及底面露出，而不被GaN層覆蓋。因此，於Al_X2 Ga_1-X2 N層之成長過程中，提高了選擇性。

於本發明之方法中，可進而具有如下步驟：於形成上述Al_X2 Ga_1-X2 N層之前，形成覆蓋上述開口之底面之介電體層。上述基板生產物包括上述介電體層。

根據該方法，於介電體層之底面及Al_X2 Ga_1-X2 N側面，進一步阻礙開口內之成長，因此可由In_X1 Ga_1-X1 N層之開口形成良好形狀之空孔。

於本發明之方法中，上述介電體層可含有矽氧化物、矽氮化氧化物、矽氮化物、鋯氧化物、鈦氧化物、以及鉿氧化物中之至少任一個。

於本發明之方法中，可進而具有形成上述Al_X2 Ga_1-X2 N層之後形成活性層之步驟。根據該方法，二維繞射光柵由In_X1 Ga_1-X1 N層及Al_X2 Ga_1-X2 N層之組合所形成之空孔之排列而構成，並且與形成Al_X2 Ga_1-X2 N層之後所形成之活性層光學耦合。或者，於本發明之方法中，進而具有於形成上述In_X1 Ga_1-X1 N層之前形成活性層之步驟。根據該方法，二維繞射光柵由In_X1 Ga_1-X1 N層及Al_X2 Ga_1-X2 N層之組合所形成之空孔之排列而構成，並且與於In_X1 Ga_1-X1 N層之前所形成之活性層光學耦合。於本發明涉及之方法中，較好的是上述In_X1 Ga_1-X1 N層之上表面與上述Al_X2 Ga_1-X2 N層接觸。又，於本發明之方法中，較好的是，上述Al_X2 Ga_1-X2 N層形成於上述In_X1 Ga_1-X1 N層上，以使上述Al_X2 Ga_1-X2 N層關閉上述開口並形成上述空孔。進而，於本發明之方法中，較好的是，上述In_X1 Ga_1-X1 N層利用上述Al_X2 Ga_1-X2 N層，以不充滿上述開口且覆蓋上述開口之方式而形成上述空孔。

參照作為示例之附圖並考慮以下之詳細記述，可易於理解本發明之觀點。繼而，一面參照附圖，一面說明製造本發明之半導體雷射之方法所涉及之實施形態。於可能之情形時，對同一部分標記相同之符號。

圖1及圖2係表示本實施形態之製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法之主要步驟之圖。於本實施形態中，用於半導體雷射之若干個氮化鎵系半導體層例如係藉由有機金屬氣相成長法而形成。

如圖1(a)所示，將如GaN基板之基板11放置於成長爐13。於下述例示性之說明中，對具有n導電性之基板11實施用於半導體雷射之步驟。於對基板11之主面11a進行熱清洗之後，成長n型包層15。n型包層15例如可由稱為AlGaN之氮化鎵系半導體構成。n型包層15上成長In_X1 Ga_1-X1 N(0<X1<1)層(以下記作InGaN層)17。InGaN層17例如具有n型摻雜物，且具有大於n型包層15之折射率。InGaN層17成長之後，將成長爐之溫度下降至室溫附近之溫度為止，並將基板W1自成長爐13取出。

接著，說明如下步驟，即，於基板W1之InGaN層17上形成用於二維光子晶體之二維繞射光柵之複數個開口之圖案，形成已形成有圖案之InGaN層。如圖1(b)所示，於基板W1之InGaN層17上形成用於二維繞射光柵之遮罩19。遮罩19具有用於二維繞射光柵之開口之排列，該等開口例如排列為三角光柵、正方光柵等之光柵。遮罩19例如可由抗蝕劑構成，掃描電子束，將用於二維繞射光柵之開口之圖案描繪至光阻膜上，對其顯影而可形成遮罩19。

使用遮罩19於InGaN層17上形成用於二維繞射光柵之開口。該形成係藉由蝕刻加工而進行。如圖1(c)所示，例如於乾式蝕刻裝置21中，使用遮罩19而對InGaN層17進行蝕刻，形成具有週期性折射率分布之InGaN層17a。InGaN層17a中，形成有如孔之開口17b之排列，該排列對應於遮罩19之二維繞射光柵。各開口17b之側面17c及底面17d由InGaN構成。蝕刻之後去除遮罩19，提供基板W2。基板 W2含有已形成有圖案之InGaN層17a。於一個實施例中，開口17b之深度例如較好為20 nm以上，若開口過淺，則光子晶體與活性層之光學性耦合變小，無法獲得充分之反饋效果。開口17b之排列週期取決於與二維繞射光柵相關之氮化鎵系半導體之折射率及發光波長。

將基板W2放置於成長爐13，使成長爐13之溫度上升至成長溫度T_G 為止。之後如圖2(a)所示，將氮化鎵系半導體層23形成於InGaN層17a上。氮化鎵系半導體層23例如為n型GaN層。氮化鎵系半導體層23以InGaN層17a上為基點而橫向進行成長，從而能夠以不填埋開口而覆蓋開口之方式，於其上部成長而形成空孔。因此，以形成與開口17b對應之空孔25之方式進行成長。又，亦可替代GaN層而成長AlGaN層。

於該方法中，於將基板W2放置於成長爐13之後，基板W2之溫度於成長爐內上升至成長溫度T_G 。藉由該升溫，已形成有圖案之InGaN層17a之開口17b受到影響，開口17b中之Al_X2 Ga_1-X2 N成長及遷移與In_X1 Ga_1-X1 N之表面相比受到抑制。因此，於InGaN層17a上，Al_X2 Ga_1-X2 N橫向地成長，藉此，能夠以不填埋開口而覆蓋開口之方式於其上部成長。其結果，藉由Al_X2 Ga_1-X2 N之成長及In_X1 Ga_1-X1 N層17a之開口17b之組合而形成空孔25。藉由上述步驟，形成二維光子晶體之二維繞射光柵26。

接著，使用成長爐13進行若干個氮化鎵系半導體層之成長。如圖2(b)所示，於氮化鎵系半導體層23上成長活性層 27。該活性層27與二維繞射光柵26光學性地耦合。於一個實施例中，活性層27具有量子阱構造29，活性層27之構造不限於此。該量子阱構造29含有交替排列之阱層29a及障壁層29b。阱層29a例如可由InGaN、AlGaN、GaN、InAlGaN等構成，又，障壁層29b可由帶隙大於阱層29a之材料，例如由InGaN、GaN、AlGaN、InAlGaN等構成。

繼而，於活性層27上成長氮化鎵系半導體層31。氮化鎵系半導體層31例如可為GaN層，為了避免摻雜物對光之吸收，較好的是由非摻雜層構成。

氮化鎵系半導體層31上依序成長有電子塊層33、p型包層35、及p型接觸層37。電子塊層33例如可由帶隙大於氮化鎵系半導體層31之AlGaN層構成，較好的是含有p型摻雜物。p型包層35向活性層25提供電洞，並且為了封閉住光線而由折射率小於活性層25之氮化鎵系半導體構成。p型包層35例如可由AlGaN層構成。p型接觸層37為了提供良好之電接觸，較好的是含有高濃度之摻雜物。p型接觸層37例如可由p型GaN層或p型AlGaN層構成。藉由該等層之成長而提供基板W3。

於必要時對基板11進行研磨。如圖2(c)所示，於p型接觸層37上形成p電極41a，並且於基板11之背面11b上形成n電極41b。

(實施例1)

使用有機金屬氣相成長法來製造藍紫色二維光子晶體(n側)雷射。作為原料，使用三甲基鎵(TMG)、三甲基銦 (TMI)、三甲基鋁(TMA)、氨(NH₃ )、甲矽烷(SiH₄ )、以及二茂基鎂(Cp₂ Mg)。將(0001)面n型氮化鎵基板配置至晶座上之後，向成長爐中供給NH₃ 與H₂ ，於爐內壓力為30 kPa之條件下，以攝氏1100度之基板溫度進行10分鐘之熱清洗。使爐內壓力達到大氣壓之後，按照以下之順序進行成膜。首光，供給TMG、TMA、NH₃ 、及SiH₄ ，以攝氏1100度之基板溫度而使厚度為2 μm之n型Al_0.03 Ga_0.97 N成長，又，供給TMG、TMI、TMA、NH₃ 、及SiH₄ ，以攝氏880度之基板溫度而使用於繞射光柵之厚度為100 nm之n型In_0.02 Ga_0.98 N成長。藉由上述成長而形成磊晶晶圓。使基板降溫之後，自成長爐取出磊晶晶圓，如下所述，形成用於光子晶體之遮罩。使用旋轉塗佈機，將電子束曝光用光阻劑塗佈至磊晶晶圓上，形成均一之抗蝕劑膜。使用電子束曝光裝置，於抗蝕劑膜之300 μm見方之區域內，描繪用於光子晶體之正方形光柵圖案(直徑70 nm，間距166 nm)。進行抗蝕劑膜之顯影而形成遮罩之後，將晶圓配置於反應性離子蝕刻裝置上。使用抗蝕劑遮罩，藉由蝕刻氣體Cl₂ 而部分性地去除、轉印n型InGaN層，形成具有與圖案相對應之開口之排列的InGaN層。之後，為了晶體成長，自晶圓去除抗蝕劑遮罩。

將晶圓配置至晶座之後，使基板溫度上升至成長溫度。於攝氏1100度之基板溫度、爐內壓力30 kPa之條件下，於成長爐中供給TMG、NH₃ 、及SiH₄ ，成長200 nm之n型GaN層，形成與InGaN層之凹部相對應之空孔之排列。降低成 長爐之溫度，形成具有3個週期之量子阱構造之活性層。以攝氏880度之基板溫度，供給TMG、TMI、及NH₃ ，成長厚度為15 nm之非摻雜In_0.01 Ga_0.99 N障壁層。以攝氏800度之基板溫度，供給TMG、TMI、及NH₃ ，成長厚度為3 nm之非摻雜In_0.07 Ga_0.93 N阱層。提高成長爐之溫度，於攝氏1100度之成長溫度供給TMG、NH₃ ，成長厚度為50 nm之非摻雜GaN層。供給TMG、TMA、NH₃ 、及Cp₂ Mg，成長厚度為20 nm之p型Al_0.12 Ga_0.88 N電子塊層。供給TMG、TMA、NH₃ 、及Cp₂ Mg，成長厚度為600 nm之p型Al_0.07 Ga_0.93 N包層。供給TMG、NH₃ 、及Cp₂ Mg，成長厚度為50 nm之p型GaN接觸層。該等成長完成之後，將磊晶晶圓E1自成長爐中取出，於p型GaX層上形成由Ni/Au構成之陽極電極。將GaN基板研磨至100 μm之厚度之後後，於基板之背面形成陰極電極。

切斷該磊晶晶圓，以含有300 μm見方之光子晶體圖案之方式而形成1 mm見方之晶片。當於室溫下向該藍紫色二維光子晶體雷射元件施加脈衝電流(頻率1 kHz、脈寬500 nsec)時，以405 nm之振盪波長產生雷射振盪。

作為參考例，可代替用於繞射光柵之厚度為100 nm之n型In_0.02 Ga_0.98 N層，成長厚度為100 nm之n型GaN層，形成磊晶晶圓R1。

使用掃描型電子顯微鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)來觀察磊晶晶圓E1、R1之剖面形狀。圖3(a)係表示實施例中之空孔之排列之SEM圖像的圖。參照圖 3(a)，獲得了良好之空孔形狀。圖3(b)係表示參考例中之空孔之排列之SEM圖像的圖。參照圖3(b)，因空孔內部之橫向成長，空孔形狀已產生變形。

圖4及圖5係表示本實施形態之變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。於該實施形態中，成長活性層之後，形成用於二維光子晶體之構造。用於半導體雷射之若干個氮化鎵系半導體層係與上述實施形態同樣地，例如藉由有機金屬氣相成長法而形成。

將如GaN基板之基板11放置於成長爐13中，並且對基板11之主面11a進行熱清洗，如圖4(a)所示，成長n型包層15。n型包層15例如由AlGaN層15構成。繼而，使用成長爐13，於n型包層15上進行若干個氮化鎵系半導體層之成長。於該實施例中，於n型包層15上成長活性層27。亦可替代活性層27而成長其他構造之活性層。於活性層27上成長氮化鎵系半導體層31。氮化鎵系半導體層23例如可為GaN層，為了避免摻雜物對光之吸收，較好的是由非摻雜層構成。於氮化鎵系半導體層31上成長電子塊層33。接著，於電子塊層33上成長n型氮化鎵系半導體層43。In_X1 Ga_1-X1 N(0<X1<1)層(以下記作InGaN層)43例如具有n型摻雜物，且具有大於包層之折射率。成長了InGaN層43之後，使成長爐之溫度下降至室溫附近之溫度為止，將基板W4自成長爐13取出。

其次說明如下步驟，即，於基板W4之InGaN層43上形成用於二維光子晶體之二維繞射光柵之複數個開口的圖案， 以形成已形成有圖案之InGaN層。如圖4(b)所示，與前一實施形態同樣地，於基板W4之InGaN層43上形成用於二維繞射光柵之遮罩19。

使用遮罩19而於InGaN層43上形成用於二維繞射光柵之開口。該形成係藉由蝕刻加工而進行。如圖4(c)所示，例如於乾式蝕刻裝置21中，使用遮罩19對InGaN層43進行蝕刻，形成已形成有圖案之InGaN層43a。InGaN層43a形成有與遮罩19之二維繞射光柵相對應之開口43b的排列。各開口43b之側面43c及底面43d係由InGaN構成。於蝕刻之後去除遮罩19，提供基板W5。基板W5含有已形成有圖案之InGaN層43a。於一個實施例中，開口43b之深度例如較好為20 nm以上，若開口過淺，則光子晶體與活性層之光學性耦合會變小，從而無法獲得充分之反饋效果。開口43b之排列週期如上所述，係根據與二維繞射光柵相關之氮化鎵系半導體之折射率及發光波長此兩者來決定。

將基板W5放置於成長爐13中，使成長爐13之溫度上升至成長溫度T_G 為止。之後如圖5(a)所示，將氮化鎵系半導體層47形成於InGaN層43a上。氮化鎵系半導體層47例如為p型GaN層。氮化鎵系半導體層47以InGaN層43a上為基點而橫向地進行成長，從而能夠以不填埋開口且覆蓋開口之方式而於其上部上成長延長部。因此，進行成長以形成與開口43b相關之空孔45。或者，亦可替代GaN層而成長AlGaN層。因此，氮化鎵系半導體層47表示為Al_X2 Ga_1-X2 N(0≦X2≦1)層。

於該方法中，基板W5之溫度於成長爐內上升至成長溫度T_G 。於該升溫中，已形成有圖案之InGaN層43a之開口43b受到影響，開口43b中之Al_X2 Ga_1-X2 N成長及遷移與InGaN層43a之上表面相比受到抑制。因此，根據Al_X2 Ga_1-X2 N之成長結果，空孔45藉由開口43b、及堵塞該開口43b之Al_X2 Ga_1-X2 N層而形成。藉此，形成二維光子晶體之二維繞射光柵46。該二維繞射光柵46與活性層27光學耦合。

接著，使用成長爐13於氮化鎵系半導體層47上進行p型包層35之成長，繼而進行p型接觸層37之成長。為了提供良好之電接觸，p型接觸層37較好的是含有高濃度之摻雜物。p型接觸層37例如可由p型GaN層構成。藉由該等之成長而提供基板W6。

如圖5(c)所示，於必要時，對基板11之背面進行研磨。於p型接觸層37上形成p電極41a，並且於基板11之背面11b上形成n電極41b。

(實施例2)

與實施例1同樣地，使用有機金屬氣相成長法而製造出藍紫色二維光子晶體(p側)雷射。將(0001)面n型氮化鎵基板配置於晶座上之後，與實施例1同樣地進行熱清洗。使爐內壓力達到大氣壓之後，按照以下順序進行成膜。首先，供給TMG、TMA、NH₃ 、及SiH₄ ，使厚度為2 μm之n型Al_0.03 Ga_0.97 N成長。降低成長爐之溫度，形成具有三個週期之量子阱構造之活性層。以攝氏880度之基板溫度，供給TMG、TMI、及NH₃ ，成長厚度為15 nm之非摻雜 In_0.01 Ga_0.99 N障壁層。以攝氏800度之基板溫度，供給TMG、TMI、及NH₃ ，成長厚度為3 nm之非摻雜In_0.07 Ga_0.93 N阱層。提高成長爐之溫度，於攝氏1100度之成長溫度供給TMG、NH₃ ，成長厚度為50 nm之非摻雜GaN層。供給TMG、TMA、NH₃ 、及Cp₂ Mg，成長厚度為20 nm之p型Al_0.12 Ga_0.88 N電子塊層。接著，供給TMG、TMI、TMA、NH₃ 、及Cp₂ Mg，以攝氏880度之基板溫度，成長用於繞射光柵之厚度為100 nm之p型In_0.02 Ga_0.98 N。藉由以上之步驟，獲得磊晶晶圓。

將該磊晶晶圓自成長爐取出，如下所述，形成用於光子晶體之遮罩。使用旋轉塗佈機，將電子束曝光用光阻劑塗佈至晶圓上，形成均一之抗蝕劑膜。使用電子束曝光裝置，於抗蝕劑膜之300 μm見方之區域內，描繪用於光子晶體之正方形光柵圖案(直徑70 nm，間距166 nm)。進行抗蝕劑膜之顯影而形成遮罩之後，將晶圓配置於反應性離子蝕刻裝置上。使用抗蝕劑遮罩，為了進行轉印，使用蝕刻氣體Cl₂ 部分性地去除n型InGaN層，形成具有與圖案相對應之開口排列之InGaN層。之後，為了晶體成長，自晶圓去除抗蝕劑遮罩。

將晶圓配置於晶座之後，使基板溫度上升至成長溫度。於攝氏1100度之基板溫度、爐內壓力30 kPa之條件下，供給TMG、NH₃ 、及Cp₂ Mg，成長200 nm之p型GaN層，形成與InGaN層之凹部相對應之空孔之排列。供給TMG、TMA、NH₃ 、及Cp₂ Mg，成長厚度為600 nm之p型 Al_0.07 Ga_0.93 N包層。供給TMG、NH₃ 、及Cp₂ Mg，成長厚度為50 nm之p型GaN接觸層。該等成長完成之後，將磊晶晶圓E1自成長爐中取出，使由Ni/Au構成之陽極電極形成於p型GaN層上。將GaN基板研磨至厚度為100 μm之後，於基板之背面形成陰極電極。

切斷該磊晶晶圓，以含有300 μm見方之光子晶體圖案之方式而形成1 mm見方之晶片。當於室溫下，向該藍紫色二維光子晶體雷射元件施加脈衝電流(頻率1 kHz、脈寬500 nsec)時，以405 nm之振盪波長產生雷射振盪。

圖6及圖7係表示本實施形態之其它變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。於該實施形態中，於InGaN層上形成開口之後，於開口之底部形成介電體之堆積物。形成該堆積物之後，形成用於二維光子晶體之構造。用於半導體雷射之若干個氮化鎵系半導體層與上述實施形態同樣地，例如係藉由有機金屬氣相成長法而形成。

如圖6(a)所示，將如GaN基板之基板11放置於成長爐13中。於以下之說明中，作為示例，於具有n導電板之基板11上實施用於半導體雷射之步驟。對基板11之主面11a進行熱清洗之後，成長n型包層15及In_X1 Ga_1-X1 N層18。與InGaN層17同樣地形成InGaN層18之後，將成長爐之溫度下降至室溫附近之溫度為止，並自成長爐13取出基板W7。

繼而，如圖6(b)所示，於基板W7之InGaN層18上形成用 於二維繞射光柵之遮罩19。使用遮罩19而於InGaN層18上形成用於二維繞射光柵之開口。例如，利用乾式蝕刻裝置21，並使用遮罩19來對InGaN層18進行蝕刻，形成已形成有圖案之InGaN層18a。開口18b之排列包含於轉印有遮罩19之二維繞射光柵之InGaN層18a中。各開口18b之側面18c由InGaN構成。

接著，不去除遮罩19，如圖6(c)所示，於形成Al_X2 Ga_1-X2 N層之前形成介電體層51。該形成例如係藉由蒸鍍等而進行。介電體層51之第1部分51a覆蓋開口18b之底面18d。介電體層51之第2部分51b覆蓋遮罩19。之後，藉由去除遮罩19，如圖7(a)所示，去除遮罩19上之第2部分51b而生成基板W8。介電體層51之厚度小於開口18b之深度。基板W8於開口18b之底面18d上設置介電體層51a，又，側面18c由InGaN構成。於一個實施例中，開口18b之深度例如較好為20 nm以上，若開口過淺，則光子晶體與活性層之光學耦合會變小，從而無法獲得充分之反饋效果。又，若介電體層51a之厚度過厚，則開口內之平均折射率變大，即使形成光子晶體，效果亦會降低。

將基板W8放置於成長爐13中，使成長爐13之溫度上升至成長溫度T_G 為止。之後如圖7(b)所示，於InGaN層18a上形成氮化鎵系半導體層23。氮化鎵系半導體層23例如為n型GaN層或AlGaN層。氮化鎵系半導體層23以InGaN層18a上為基點而橫向地成長，從而能夠以不填埋開口且覆蓋開口之方式而於其上部成長。因此，進行成長以形成與開口 18b相對應之空孔55。

根據該方法，藉由介電體層51a及Al_X2 Ga_1-X2 N側面18c而阻止開口18b內之成長，藉此，使與In_X1 Ga_1-X1 N層之開口相對應之空孔55之形狀變得良好。

作為介電體層之材料，可由如SiO₂ 之矽氧化物、如SiON之矽氮化氧化物、如SiN之矽氮化物、如ZrO₂ 之鋯氧化物、如TiO₂ 之鈦氧化物、以及如HfO₂ 之鉿氧化物中之至少任意一個而構成。

根據上述說明可知，繼續成長活性層及其他層等。又，於形成活性層之後形成光子晶體構造之製造方法(例如實施例2)中，可採用使用介電體之堆積物之方法。

(實施例3)

製造藍紫色二維光子晶體(n側)雷射。於(0001)面n型氮化鎵基板上成長厚度為2 μm之n型Al_0.03 Ga_0.97 N及厚度為100 nm之n型In_0.02 Ga_0.98 N。將磊晶晶圓自成長爐取出，如下所述形成用於光子晶體之遮罩。使用抗蝕劑遮罩，並藉由蝕刻氣體Cl₂ 而部分性地去除n型InGaN層，形成具有與圖案相對應之開口排列之InGaN層，製造出基板生產物。繼而，於為了剝離而去除抗蝕劑遮罩之前，將該基板生產物配置於電子束蒸鍍裝置內，蒸鍍厚度為10 nm之SiO₂ 膜。將抗蝕劑遮罩與抗蝕劑遮罩上之SiO₂ 膜一併去除，於空孔之底部殘留ZrO₂ 膜，製造晶圓生產物。

將該晶圓生產物配置於晶座上。使基板溫度上升至成長溫度之後，於攝氏1100度之基板溫度及爐內壓力30 kPa之 條件下，供給TMG、NH₃ 、及SiH₄ ，成長200 nm之n型GaN層，形成與InGaN層之凹部相對應之空孔之排列。進而，進行下一晶體成長，並且形成電極，以製造基板生產物。之後，切斷基板生產物，以含有300 μm見方之光子晶體圖案之方式而切出1 mm見方之晶片。當於室溫下，向該藍紫色二維光子晶體雷射元件施加脈衝電流(頻率1 kHz、脈寬500 nsec)時，以405 nm之振盪波長產生雷射振盪。於實施例3中，能夠與實施例1及2同樣地使用介電體膜。

圖8及圖9係表示本實施形態之其他變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。於該實施形態中，於InGaN層上形成開口之前，形成追加之氮化鎵系半導體層。形成該氮化鎵系半導體層之後，形成用於二維光子晶體之構造。用於半導體雷射之若干個氮化鎵系半導體層，係與上述實施形態同樣地，例如藉由有機金屬氣相成長法而形成。

如圖8(a)所示，將如GaN基板之基板11放置於成長爐13中。於下述說明中，作為示例，於具有n導電性之基板11上實施用於半導體雷射之步驟。對基板11之主面11a進行熱清洗之後，成長n型包層15及In_X1 Ga_1-X1 N(以下記作InGaN層)16。與InGaN層17同樣地形成InGaN層16之後，成長由氮化鎵系半導體構成之間隙層20。間隙層20之厚度薄於InGaN層16。作為間隙層20，例如可使用n型GaN層、n型AlGaN層。於該成長之後，將成長爐之溫度降低至室溫附近之溫度為止，並將基板W9自成長爐13取出。

接著如圖8(b)所示，於基板W9之間隙層20上形成用於二維繞射光柵之遮罩19。如圖9(a)所示，使用遮罩19，於InGaN層16及間隙層20上形成用於二維繞射光柵之開口。例如於乾式蝕刻裝置21中，使用遮罩19來對InGaN層16及間隙層20進行蝕刻，形成已形成有圖案之InGaN層16a及間隙層20a。InGaN層16a及間隙層20a具有與遮罩19之二維繞射光柵相對應之開口16b之排列。各開口16b之側面16c主要由InGaN構成。形成開口16b。於蝕刻之後去除遮罩19，提供基板W10。基板W10含有已形成有圖案之InGaN層16a及間隙層20a。於實施例中，開口16b之深度例如較好為20 nm以上，若開口過淺，則光子晶體與活性層之光學性耦合會變小，從而無法獲得充分之反饋效果。於實施例中，當間隙層20之厚度過厚時，露出於開口側面之InGaN之面積變小，因此其效果降低。

將基板W10放置於成長爐13中，使成長爐13之溫度上升至成長溫度T_G 為止。之後如圖9(b)所示，於InGaN層16a及間隙層20a上形成氮化鎵系半導體層23。氮化鎵系半導體層23例如為n型GaN層。氮化鎵系半導體層23以InGaN層20a之表面為基點而橫向地成長，從而能夠以不填埋開口地覆蓋開口且關閉開口之上部的方式而進行成長。因此，空孔25係藉由上述層與開口16b之組合而形成。又，亦可替代GaN層而成長AlGaN層。因此，氮化鎵系半導體層23表示為Al_X2 Ga_1-X2 N層。

於該方法中，基板W10放置於成長爐13中之後，基板 W10之溫度於成長爐內向成長溫度T_G 上升。於該升溫過程中，已形成有圖案之半導體層16a、20a之開口16b受到影響，與InGaN層16a及間隙層20a之再成長表面相比，開口16b中之Al_X2 Ga_1-X2 N成長及遷移受到抑制。因此，藉由Al_X2 Ga_1-X2 N之成長，進行InGaN層20a上之橫向成長，藉此，能夠以不填埋開口且覆蓋開口之方式而形成空孔之頂部，從而能夠形成空孔25。藉此，形成二維光子晶體之二維繞射光柵24。

根據上述說明可知，接著成長活性層等。又，於形成活性層之後形成光子晶體構造之製造方法中，可採用利用追加之GaN層之方法。進而，亦可於開口16b之底面上成長介電體層51a。

(實施例4)

製造藍紫色二維光子晶體(n側)雷射。於(0001)面n型氮化鎵基板上成長厚度為2 μm之n型Al_0.03 Ga_0.97 N、厚度為100 nm之n型In_0.02 Ga_0.98 N、以及厚度為10 nm之n型GaN。將磊晶晶圓自成長爐取出，如下所述形成用於光子晶體之遮罩。使用抗蝕劑遮罩，並使用蝕刻氣體Cl₂ 而部分性地去除n型InGaN層及n型GaN層，形成具有與圖案相對應之凹部之排列的InGaN層及n型GaN層，從而製造出基板。繼而，去除抗蝕劑遮罩之後，將該晶圓配置於晶座上。使基板溫度上升至成長溫度之後，於攝氏1100度之基板溫度及爐內壓力30 kPa之條件下，供給TMG、NH₃ 、及SiH₄ ，成長200 nm之n型GaN層，形成與InGaN層之凹部相對應之空 孔之排列。進而，進行下一晶體成長並且形成電極，製造出基板生產物。切斷基板生產物而形成複數個半導體晶粒(die)，各半導體晶粒為1 mm見方之晶片，其含有300 μm見方之光子晶體圖案。當於室溫下，向該藍紫色二維光子晶體雷射元件施加脈衝電流(頻率1 kHz、脈寬500 nsec)時，以405 nm之振盪波長產生雷射振盪。於實施例1~3中，亦可同樣地使用實施例4中所使用之間隙膜。

於本實施形態之繞射光柵之形成過程中，InGaN之成長溫度低於其他氮化鎵系半導體，例如低於GaN、AlGaN之成長溫度，因此，容易因本實施形態中所使用之加工等而留下損傷。藉由蝕刻等加工，會對開口之側面及底面造成損傷。因此，於加工之後，InGaN之上表面之結晶品質與開口之側面及底面之結晶品質不同。可利用該差異來提高晶體成長之選擇性。因此，於製造半導體雷射之方法中，形成用於光子晶體構造之空孔排列。

於GaN間隙層之採用及氫環境中之升溫中，當最外表面由InGaN構成時，於氫環境下之升溫中，蝕刻效果變大，會進一步造成損傷。因此，當不使用GaN間隙層時，整個面會受到損傷。與之相對，當使用GaN間隙層時，即使於氫環境中進行升溫，亦幾乎不會對GaN造成損傷。因此，可進一步擴大相對於側壁、底面之選擇性。

如上所述，當於In_X1 Ga_1-X1 N層上形成開口與再成長表面時，用於形成開口之加工所造成之影響會殘留於開口表面，因此表面遷移減小，並且開口內之再成長受到抑制。 又，若於促進橫向成長之條件下，例如於高溫、高速、低成長壓力之條件下，進行下一再成長之晶體成長，則於In_X1 Ga_1-X1 N再成長表面上會促進橫向成長，從而形成與In_X1 Ga_1-X1 N層之開口相對應之空孔。

於較佳實施形態中，已圖示並說明了本發明之原理，但業者應當認識到，本發明於不脫離此種原理之情形下，可對配置及詳情進行變更。本發明並不限定於本實施形態中所揭示之特定之構成。因此，主張源自申請專利範圍及其主旨範圍之所有修正及變更之權利。

11、W1~W10‧‧‧基板

11a‧‧‧主面

11b‧‧‧背面

13‧‧‧成長爐

15‧‧‧n型包層

16、16a、17、17a、18、

18a、43a‧‧‧InGaN層

16b、17b、18b、43b‧‧‧開口

16c、17c、18c、43c‧‧‧側面

17d、18d、43d‧‧‧底面

19‧‧‧遮罩

20、20a‧‧‧間隙層

21‧‧‧乾式蝕刻裝置

23、31、47‧‧‧氮化鎵系半導體層

24、26、46‧‧‧二維繞射光柵

25、45、55‧‧‧空孔

27‧‧‧量子阱構造

29‧‧‧活性層

29a‧‧‧阱層

29b‧‧‧障壁層

33‧‧‧電子塊層

35‧‧‧p型包層

37‧‧‧p型接觸層

41a‧‧‧p電極

41b‧‧‧n電極

43‧‧‧n型氮化鎵系半導體層

本發明之上述目的及其他目的、特徵、以及優點，根據參照附圖而進行之本發明之較佳實施形態的下述詳細揭示，可得以明確。

圖1(a)~(c)係表示本實施形態之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

圖2(a)~(c)係表示本實施形態之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

圖3(a)係表示拍攝實施例中之空孔之排列而獲得之SEM圖像的圖。

圖3(b)係表示拍攝參考例中之空孔之排列而獲得之SEM圖像的圖。

圖4(a)~(c)係表示本實施形態之變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

圖5(a)~(c)係表示本實施形態之變形例之、製造含有二 維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

圖6(a)~(c)係表示本實施形態之其他變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

圖7(a)、(b)係表示本實施形態之其他變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

圖8(a)、(b)係表示本實施形態之其他變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

圖9(a)、(b)係表示本實施形態之其他變形例之、製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法的主要步驟之圖。

11、W3‧‧‧基板

11b‧‧‧背面

13‧‧‧成長爐

15‧‧‧n型包層

17a‧‧‧InGaN層

23、31‧‧‧氮化鎵系半導體層

25‧‧‧空孔

26‧‧‧二維繞射光柵

27‧‧‧量子阱構造

29‧‧‧活性層

29a‧‧‧阱層

29b‧‧‧障壁層

33‧‧‧電子塊層

35‧‧‧p型包層

37‧‧‧p型接觸層

41a‧‧‧p電極

41b‧‧‧n電極

Claims (10)

1. 一種製造含有二維光子晶體之半導體雷射之方法，其具有以下步驟：於氮化鎵系半導體區域上，藉由成長爐而成長In_X1 Ga_1-X1 N(0<X1<1)層之步驟；將含有上述In_X1 Ga_1-X1 N層之基板生產物自上述生成爐取出之後，於上述In_X1 Ga_1-X1 N層上形成用於二維光子晶體之二維繞射光柵之複數個開口，以形成已形成有圖案之In_X1 Ga_1-X1 N層的步驟；以及以形成與上述開口相對應之空孔之方式，於上述已形成有圖案之In_X1 Ga_1-X1 N層上形成Al_X2 Ga_1-X2 N(0≦X2≦1)層的步驟。
2. 如請求項1之方法，其中上述開口之側面及底面包含InGaN。
3. 如請求項1之方法，其中進而具有如下步驟：形成上述In_X1 Ga_1-X1 N層之後，於在上述In_X1 Ga_1-X1 N層上形成用於上述二維繞射光柵之複數個開口之前，於上述In_X1 Ga_1-X1 N層上形成GaN層，上述基板生產物包括上述GaN層，上述複數個開口形成於上述In_X1 Ga_1-X1 N層及上述GaN層。
4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中進而具有如下步驟：於形成上述Al_X2 Ga_1-X2 N層之前，形成覆蓋上述開口之底面之介電體層， 上述基板生產物包括上述介電體層。
5. 如請求項4之方法，其中上述介電體層包括矽氧化物、矽氮化氧化物、矽氮化物、鋯氧化物、鈦氧化物、及鉿氧化物中之至少任一個。
6. 如請求項1至3中任一項之方法，其中進而具有於形成上述Al_X2 Ga_1-X2 N層之後形成活性層之步驟。
7. 如請求項1至3中任一項之方法，其中進而具有於形成上述In_X1 Ga_1-X1 N層之前形成活性層之步驟。
8. 如請求項1至3中任一項之方法，其中上述In_X1 Ga_1-X1 N層之上表面與上述Al_X2 Ga_1-X2 N層接觸。
9. 如請求項1至3中任一項之方法，其中上述Al_X2 Ga_1-X2 N層係以上述Al_X2 Ga_1-X2 N層關閉上述開口並形成上述空孔之方式形成於上述In_X1 Ga_1-X1 N層上。
10. 如請求項1至3中任一項之方法，其中上述In_X1 Ga_1-X1 N層係以上述Al_X2 Ga_1-X2 N層不充滿上述開口且覆蓋上述開口之方式形成上述空孔。