TWI524612B - 氮化物半導體雷射二極體 - Google Patents

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Description

氮化物半導體雷射二極體
本案發明係關於一種氮化物半導體雷射二極體，其使用AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1)所示之氮化物半導體。
使用化合物半導體之半導體雷射二極體係廣泛用於大容量、可進行高密度之資訊記錄/再生之光碟系統等。另一方面，作為半導體雷射二極體之新的應用，期待藉由將藍、綠、紅色半導體雷射加以組合而實現全彩顯示。
作為光之3原色的藍、綠、紅色中，藍色與紅色之半導體雷射二極體已使用作為III-V族化合物半導體之InAlGaN或AlInGaP而實用化。與此相對，綠色之雷射雖開發出可藉由利用二次諧波(SHG，Second Harmonic Generation)轉變波長而發出綠色光之雷射，但可直接發出綠色光之元件尚未實用化。
作為可直接發出綠色光之半導體雷射二極體，於1993年時報告有使用II-VI族化合物半導體之雷射二極體，但缺乏高電流下之可靠性，故未達到實用。因此近年來，期待獲得使用III-V族氮化物半導體而直接發出綠色光之半導體雷射二極體。
作為III-V族氮化物半導體，使用包含InxAlyGa1-x-yN(0<x，0≦y<1，0<x+y<1)、尤其是InGaN之發光層(以下僅稱為「InGaN發光層」)的紫外~藍色發光之半導體雷射二極體已被實用化(專利文獻1等)，若提高其InGaN發光層之In含有率而縮小帶隙，使發光波長成為長波長，則可發出綠色之光。然而，於使InGaN發光層氣相成長之情形時，隨著In含有率提高，對成為基底之GaN層的晶格不匹配變大，InGaN層本身亦化學性不穩定而變得容易產生相分離。因此，不容易提高InGaN發光層之In含有率而獲得可發出綠色光之半導體雷射。
專利文獻2中提出有藉由將使InGaN之V族元素之一部分取代為P所得之InGaNP用於發光層而可於包含綠色之較廣波長區域發光之半導體雷射二極體。依據專利文獻2，藉由將InGaNP用於發光層，可使與N相比揮發性較低之V族元素P與In結合，可防止In之偏析。又，由P之含有率變化引起之帶隙之彎曲效果大，因此與先前之InGaN發光層相比，可降低為獲得目標發光波長而必需之In含有率。又，專利文獻3中，亦提出有藉由在InGaNP發光層中添加Mg、Be、C、Si等雜質而抑制InGaNP發光層之結晶系分離。
另一方面，本案發明者等最近對成長條件進行努力研究而改善In含有率高之InGaN發光層之結晶性，於使用InGaN發光層之半導體雷射二極體中成功進行至515 nm為止之室溫連續振盪，並報告於非專利文獻1中。該綠色半導體雷射之功率於25℃下為5 mW，室溫運作下之推定壽命為5000 h以上。
[專利文獻1]　國際專利公開WO2002-05399號公報
[專利文獻2]　日本專利特開2002-26459號公報
[專利文獻3]　日本專利特開2002-84040號公報
[非專利文獻1]　T. Miyoshi et. al.,"510-515 nm InGaN-Based Green Laser Diodes on c-Plane GaN substrate",Applied Physics Express 2(2009),062201
然而，上述使用InGaN發光層之綠色半導體雷射二極體中，壽命特性尚不充分。如非專利文獻1所示，波長為510~513 nm之綠色半導體雷射二極體在室溫運作(25℃)之壽命測試中，至500 h為止驅動電流穩定，由此所推定之室溫運作下之壽命為5000 h以上(參照非專利文獻1之圖8)。但是，若進行60℃之高溫運作作為加速試驗，則自剛驅動後起表現出急遽劣化，高溫運作下之壽命僅為數十小時。
本案發明者進行研究之結果為，使用InGaN發光層之半導體雷射二極體之壽命特性表現出對波長之較強依存性，若振盪波長超過500 nm，則壽命特性急遽下降。自先前以來已知，若InGaN發光層之In含有率增加，則與成為基底之GaN層之晶格不匹配變大，會於InGaN層與GaN層之界面產生位錯。又，亦已知若雷射二極體元件中之位錯密度增加，則壽命特性下降。但是，認為由於位錯密度之增大而壽命特性下降之原因係由於位錯本身發揮作為非發光再結合中心之作用。因此，先前為抑制伴隨振盪波長之長波長化的壽命特性之下降，而努力減少位錯之產生。
例如，若使InGaN發光層之膜厚變薄，則容易緩和由於與成為基底之GaN層之晶格不匹配而引起之應變，位錯之產生得到某種程度之抑制。但是，若使InGaN發光層變薄，則對InGaN發光層之載子封入變差，因此導致臨限值電流增大。
另一方面，專利文獻2及3中，藉由將InGaNP或InGaNAs代替InGaN用於發光層，而以較少之In含有率獲得目標波長。藉此實現In之偏析防止、及晶格不匹配之緩和(專利文獻2段落0041)。但是，若將As或P導入至InGaN發光層中，則發光層之結晶性容易下降。又，包含As或P之發光層於位錯附近容易偏析出As或P，發光層之結晶性下降而發光效率下降，臨限值電流容易增大(專利文獻3段落0012)。
因此，本案發明之目的在於，在使用InGaN發光層且振盪波長為500 nm以上之氮化物半導體雷射二極體中，對InGaN發光層之載子封入或結晶性維持良好，並且抑制伴隨振盪波長之長波長化的壽命特性之下降，從而獲得發光效率及壽命特性優異之長波長之氮化物半導體雷射二極體。
本案發明者進行銳意研究之結果發現，振盪波長為500 nm以上之氮化物半導體雷射二極體之壽命特性之急遽下降不僅阻礙位錯本身，而且由於位錯之影響而阻礙p型雜質之活化，對InGaN發光層之電洞供給不足使壽命特性下降。依據本案發明，藉由一面增大In含有率以使活性層中產生位錯，一面將自InGaN發光層起特定距離內之p型雜質濃度控制為特定範圍，可在實現500 nm以上之長波長下之振盪的同時，大幅度改善壽命特性。
即，本案發明之氮化物半導體雷射二極體之特徵在於：其包括：基板；n側氮化物半導體層，其形成於上述基板上，且包含n型雜質；活性層，其形成於上述n側氮化物半導體層上，且具有包含InxAlyGa1-x-yN(0<x<1，0≦y<1，0<x+y<1)之發光層；及p側氮化物半導體層，其形成於上述活性層上，且包含p型雜質；上述氮化物半導體雷射二極體之振盪波長為500 nm以上；以上述活性層為起點而產生之位錯貫通上述p側氮化物半導體層，上述p側氮化物半導體層之位錯密度成為1×106 cm-2以上；並且上述p型雜質之深度方向之濃度分佈係自上述發光層起朝上述p側氮化物半導體層之表面，於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述發光層之上端起300 nm以內之範圍具有p型雜質濃度成為5×1018 cm-3以上之極大值，經過上述極大值後，於上述300 nm以內之範圍不低於6×1017 cm-3。
此處，p型雜質之深度方向之濃度分佈中之所謂「極大值」，係指p型雜質之濃度由增加轉為減少之處。反之，所謂「極小值」，係指p型雜質之濃度由減少轉為增加之處。其中所謂增加或減少，不僅包括p型雜質濃度相對於深度之函數連續變化之情況，亦包括不連續變化之情況。
先前之短波長之氮化物半導體雷射二極體中，已知若發光層之近旁之p型雜質濃度提高，則由光吸收引起之內部損失增加，導致臨限值電流之增大、或斜率效率之下降，因此於發光層之近旁宜降低p型雜質之摻雜量。又，眾所周知，由於位錯成為非發光再結合中心，故而極力避免發光層中之位錯產生。但是，本案發明中，於長波長之氮化物半導體雷射二極體中不僅自活性層產生位錯，而且較先前提高發光層近旁之p型雜質濃度而控制為上述特定範圍。藉此，500 nm以上之長波長區域中之氮化物半導體雷射二極體之壽命特性大幅度改善，可將先前僅為數十小時之高溫運作時之推定壽命瞬間提高至作為實用程度之數千小時以上。此種由Mg濃度之控制引起的壽命特性之大幅度改善在先前之短波長之氮化物半導體雷射中未見到，係振盪波長為500 nm以上之長波長之氮化物半導體雷射所特有之現象。產生此種現象之原因未必明確，但考慮為如下。
本案發明中，由於InGaN發光層之In含有率之增大而產生之位錯勉強保持該狀態，因此不會產生由InGaN發光層之薄膜化引起之載子封入不足、或由其他V族元素之導入引起之結晶性下降等問題。另一方面，為使振盪波長為500 nm以上而增大In含有率的結果為，以活性層為起點而產生位錯，因此位於較發光層更上方之氮化物半導體層之位錯密度增大，p側氮化物半導體層之位錯密度成為至少1×106 cm-2以上。由於位錯近旁之氮化物半導體層之結晶性下降，故而伴隨位錯密度之增大，由p型雜質引起之電洞生成變得不充分，產生對InGaN發光層之電洞供給不足。其結果，於InGaN發光層之p側，電子擴散而產生非發光再結合，使壽命特性急遽下降。此外認為，該壽命特性之急遽下降不僅係單純由p側氮化物半導體層之位錯密度引起，並且亦依存於位錯之來源。若為使振盪波長為500 nm以上之長波長而增大InGaN發光層中之In含有率，則自活性層產生位錯。自活性層產生之位錯對p側氮化物半導體層之結晶性造成影響，其結果為產生對InGaN發光層之電洞供給不足，使壽命特性急遽下降。此種現象於由基板傳播之位錯之情形時未見到。例如，於InGaN發光層之In含有率低之短波長之氮化物半導體雷射二極體之情形，及基板之位錯密度高之情形時均有p側氮化物半導體層之位錯密度成為1×106 cm-2以上之情況。但是，於此情形時未觀察到振盪波長為500 nm以上之氮化物半導體雷射二極體中所見之由p型雜質濃度引起之壽命特性之大幅度變化。由此認為，自活性層產生之位錯、及由基板傳播之位錯對p側氮化物半導體層造成之影響不同，因此產生如上所述之長波長所特有之對p型雜質濃度之關鍵依存性。此外，以活性層為起點而產生之位錯多為以發光層為起點而產生者。
因此本案發明中，控制p型雜質之深度方向之濃度分佈，於自最接近於p側氮化物半導體層的發光層之上端起300 nm以內之範圍具有p型雜質濃度成為5×1018 cm-3以上之極大值，且經過該極大值後，亦於自發光層之上端起300 nm以內之範圍不低於6×1017 cm-3。於可對InGaN發光層有效率地供給電洞之300 nm之距離中，將p型雜質濃度暫時提高至5×1018 cm-3以上後，使p型雜質濃度下降但不低於6×1017 cm-3，藉此對InGaN發光層之電洞供給得到確保，可抑制InGaN發光層之p側之非發光再結合而大幅度改善壽命特性。又，於自發光層之上端起300 nm左右之區域，由於發光層之光較強地分佈，故而藉由將p型雜質濃度暫時提高至5×1018 cm-3以上後，於不低於6×1017 cm-3之範圍使p型雜質濃度下降，可抑制由p型雜質引起之發光吸收，並且可確保對發光層之電洞供給。
如以上所述，依據本案發明，於振盪波長為500 nm以上之氮化物半導體雷射二極體中，不僅藉由將伴隨In含有率之增大而自發光層產生之位錯勉強保持該狀態，而使對InGaN發光層之載子封入或結晶性維持良好，並且藉由將自InGaN發光層起特定距離內之p型雜質濃度控制為特定範圍，可大幅度改善壽命特性。因此，可獲得發光效率與壽命特性優異之長波長之氮化物半導體雷射二極體。
以下，一面參照圖式，一面對本案發明之較佳實施形態進行說明。各圖式為示意圖，其中所示之配置、尺寸、比率、形狀等有與實際不同之情況。
圖1係表示本發明之氮化物半導體雷射二極體之一例的示意剖面圖。於包含氮化物半導體之基板2上，積層有包含Si等n型雜質之n側氮化物半導體層4、活性層6、包含Mg等p型雜質之p側氮化物半導體層8，且於p側氮化物半導體層8之一部分形成有用以構成波導之脊部36。脊部36之周圍係以埋設層46覆蓋，進而形成保護膜48。於脊部36之上端露出之p側氮化物半導體層8上形成p側電極38，進而以一面接觸p側電極38一麵包覆脊部36之方式形成p側焊墊電極40。另一方面，於包含氮化物半導體之基板2之背面形成有n側電極42。
圖2係將圖1所示之氮化物半導體雷射二極體之活性層6與p側氮化物半導體層8之部分放大之示意剖面圖。活性層6成為將包含InGaN或GaN之障壁層22a、b、c與包含InGaN之井層24a、b交替積層而成之多重量子井結構，且InGaN井層24a、b成為發光層。又，作為p側氮化物半導體層8，係自接近於活性層6之側起依序積層有含有Al之氮化物半導體層26(第一p型氮化物半導體層)、p側光導層28a、b(第二p型氮化物半導體層)、p側包覆層32(第三p型氮化物半導體層)、p側接觸層34。具有圖1及2所示之層構成之條紋結構係構成共振器本體，形成端面發光型雷射二極體。
圖1之氮化物半導體雷射二極體可藉由改變InGaN井層24a、b之In含有率而改變振盪波長，越提高In含有率，則振盪波長變得越長。但是，該氮化物半導體雷射二極體之壽命特性對振盪波長表現出較強之依存性，若振盪波長超過500 nm，則壽命急遽縮短。圖3係將具有圖1所示結構之氮化物半導體雷射二極體之推定壽命相對於振盪波長進行製圖而成者，若振盪波長接近500 nm，則推定壽命急遽下降，於500 nm以上之波長下僅為數十小時。
自先前以來已知，若InGaN井層24a、b之In含有率增加，則與成為基底之InGaN或GaN障壁層22a、b之晶格不匹配變大，會於活性層6中產生新的位錯。實際上本案發明者調查之結果為，於振盪波長超過500 nm之活性層6中，如圖4所示意地表示，於InGaN井層24a與InGaN障壁層22a之界面、或InGaN井層24b與GaN障壁層22b之界面產生多數位錯。若為使振盪波長成為長波長而提高In含有率，則與其相應地，位錯產生量亦增大。圖5係表示基板2之位錯密度約為5×105 cm-2之氮化物半導體雷射二極體中，p側氮化物半導體層8之位錯密度與振盪波長之關係的圖表。此處基板中所含之位錯約為5×105 cm-2，故而自圖5之位錯密度中減去5×105而得之值於活性層6中成為新產生之位錯。如圖5所示，自振盪波長為480 nm附近起開始在活性層6中產生位錯，隨著振盪波長變長，活性層6中產生之位錯密度增大。又，當振盪波長為500 nm時，p側氮化物半導體層8之位錯密度成為2×106 cm-2以上，由此可知，於振盪波長500 nm下產生1.5×106 cm-2以上之位錯。
已知若雷射二極體元件中之位錯密度增加，則壽命特性下降，但認為隨著位錯密度之增大而壽命特性下降之原因係由於位錯本身發揮作為非發光再結合中心之作用。因此，先前進行了如下使位錯之產生減少之努力：藉由薄膜化來緩和由於InGaN井層24a、b與障壁層22a、b之間的晶格不匹配而引起之應變，或者以更少之In含有率獲得目標波長等。但是，若為減少位錯產生而使井層24a、b薄膜化，或於井層中添加其他V族元素而擴大彎曲參數，則產生對井層24a、b之載子封入減弱，或井層24a、b之結晶性下降等問題。
另一方面，本案發明者調查振盪波長為506 nm之氮化物半導體雷射二極體之高溫運作(60℃)下之劣化行為，結果係如圖6所示於最初之數小時劣化急速進行，且其後之劣化速度亦大者。又，調查該氮化物半導體雷射二極體之I-V特性，則可知如圖7所示，於初期表現出正常之整流特性，但於長時間驅動後在電流之上升部分觀察到異常之峰值52，該異常於壽命方面進一步擴大。
本案發明者基於該知識見解而進行各種研究，結果發現，於振盪波長500 nm以上之長波長氮化物半導體雷射二極體中，藉由控制p型雜質濃度之深度方向之分佈，而大幅度改善壽命特性。
圖8係表示對表現出圖6之壽命特性的氮化物半導體雷射二極體，利用次級離子質譜裝置(Secondary Ion Mass Spectroscopy，以下僅稱為「SIMS」)測定p型雜質(Mg)濃度之深度分佈的結果。圖8之左端係與p側氮化物半導體層8之表面相對應，於圖8之大致中央以箭頭表示有與第2層之井層24b之上端相對應之位置。又，自第2層之井層24b之上端起300 nm之距離亦以虛線表示。若為該距離內，則可對井層24b及24a有效率地供給電洞。於該300 nm之範圍內，觀察自井層24b起朝p側氮化物半導體層8之表面的p型雜質濃度之分佈，則隨著自活性層6進入p側氮化物半導體層8中，p型雜質濃度增大，在與含有Al之氮化物半導體層26(第一p型氮化物半導體層)相對應之位置表現出極大值54。而且，若經過極大值54，則p型雜質濃度下降，與p側光導層28a、b(第二p型氮化物半導體層)相對應之位置表現出極小值56。
藉由將該極大值54與極小值56處之p型雜質濃度提高至特定值以上，而大幅度改善氮化物半導體雷射二極體之壽命特性。於圖9所示之例中，採取與表現出圖8所示之p型雜質濃度之深度分佈的氮化物半導體雷射二極體相同之結構，並且使極大值54處之p型雜質濃度為5×1018 cm-3以上，使極小值56處之p型雜質濃度為6×1017 cm-3以上。將具有圖9所示之p型雜質濃度之深度分佈的氮化物半導體雷射二極體之高溫運作(60℃)下之壽命試驗之結果示於圖10。至100小時為止驅動電流未見變化，高溫運作下之推定壽命約為5萬小時。此外，推定壽命係於特定之驅動條件下調查驅動電流之變化率，基於該變化率而推定為驅動電流成為初始之1.3倍為止之時間者。
圖11A及圖11B係分別表示極大值54及極小值56處之p型雜質濃度與高溫運作下之推定壽命之關係的圖表。如圖11A及圖11B所示可知，藉由使極大值54處之p型雜質濃度為5×1018 cm-3以上，且使極小值處之p型雜質濃度為6×1017 cm-3以上，大幅度改善氮化物半導體雷射二極體之壽命特性。
如上所述藉由控制p型雜質濃度而大幅度改善氮化物半導體雷射二極體之壽命特性的原因考慮如下。如上所述，為使振盪波長為500 nm以上而增大井層24a、b之In含有率的結果為，位於較井層24a、b更上方之氮化物半導體層之位錯密度增大，成為至少1×106 cm-2以上。位錯近旁的氮化物半導體層的結晶性下降，故而伴隨位錯密度之增大而部分性阻礙藉由p型雜質之電洞生成，若為通常之p型雜質濃度，則產生對InGaN井層24a、b之電洞供給不足。因此，於InGaN井層24a、b之p側，電子擴散而產生非發光再結合。又，InGaN井層24a、b之In含有率提高之結果為，自InGaN井層24a、b之位錯增加。該位錯對p側氮化物半導體層之結晶性造成影響，其結果為如上所述壽命特性急遽下降。但是，於可對井層24a、b有效率地供給載子之距離(自井層24b之上端起300 nm以內之範圍)，藉由將p型雜質濃度控制為特定值以上，則對InGaN井層24a、b之電洞供給得以確保。又，於自發光層之上端起300 nm左右之區域，由於發光層之光較強地分佈，故而藉由將p型雜質濃度暫時提高至5×1018 cm-3以上後，於不低於6×1017 cm-3之範圍使p型雜質濃度下降，可抑制由p型雜質引起之發光吸收，亦可抑制臨限值電流之增大。因此，可大幅度改善氮化物半導體雷射二極體之壽命特性。
為形成實用性氮化物半導體雷射二極體，較理想為60℃、5 mW下之推定壽命設為5000小時以上，較佳為1萬小時以上。
本實施形態中，將自接近於p側氮化物半導體層8之側的井層24b之上端起300 nm以內之範圍內之p型雜質濃度之分佈控制為如下所述。於自最接近於p側氮化物半導體層8的井層24b之上端起300 nm以內之範圍形成：(a)第一p型氮化物半導體層26，其包含較井層24a、b帶隙更大之含有Al之氮化物半導體，且p型雜質濃度為5×1018 cm-3以上；及(b)第二p型氮化物半導體層28a、b，其自井層26b之上端起300 nm以內之範圍內的p型雜質濃度較第一p型氮化物半導體層26更低，且為6×1017 cm-3以上。於第一p型氮化物半導體層26內p型雜質濃度達到最大之處成為p型雜質之深度方向之濃度分佈中之極大值。第二p型氮化物半導體層28a、b中p型雜質濃度達到最低之處成為p型雜質之深度方向之濃度分佈中之極小值。此外，即便在自最接近於p側氮化物半導體層8的井層24b之上端起300 nm以內之範圍未添加p型雜質濃度，或者插入以小於6×1017cm-3之濃度添加有p型雜質的氮化物半導體層，只要該氮化物半導體層之膜厚充分薄，則無問題。例如，即便在自井層24b之上端起300 nm以內插入未摻雜之氮化物半導體層，只要後述以SIMS測定之p型雜質之濃度於自井層24b之上端起300 nm以內之範圍不低於6×1017 cm-3，則亦滿足本案發明之必要條件。其原因在於，於以本案說明書中例示之條件且利用SIMS測定之情形時，只要未摻雜層之膜厚薄至p型雜質之濃度不低於6×1017 cm-3之程度，則認為由於來自與未摻雜層鄰接之層的p型雜質之擴散，未摻雜層之p型雜質濃度達到為獲得本案發明之效果所必需之程度。
各層中之p型雜質之濃度可藉由使該層氣相成長時之p型雜質之原料氣體之流量、成長溫度、壓力、V-III比等來控制。例如，p型雜質之原料氣體之流量越高，成長溫度越高，則p型雜質之濃度變得越高。其中，於包含In之氮化物半導體層之情形時，成長溫度變得越高，則越容易產生In之偏析，故不宜過度提高成長溫度。又，若於氮化物半導體之氣相成長中以某固定量開始流通p型雜質之原料氣體，則有所摻雜之p型雜質之濃度並非階段狀地變化，而是與氮化物半導體之成長之同時，p型雜質之濃度緩緩提高之傾向。又，即便於在某層中以固定濃度摻雜有p型雜質之情形時，亦受到其鄰接層之p型雜質濃度之影響。例如，若鄰接層之p型雜質濃度高，則由於來自鄰接層之p型雜質之擴散，可於鄰接層之近旁形成如p型雜質濃度提高之濃度梯度。
(p型雜質濃度之極大值：第一p型氮化物半導體層26)
第一p型氮化物半導體層26內之p型雜質濃度之極大值只要為5×1018 cm-3以上即可，更佳為7×1018 cm-3以上，進而較佳為1×1019 cm-3以上。該p型雜質濃度越高，對井層24a、24b之電洞注入變得越容易。另一方面，若p型雜質濃度過高，則第一p型氮化物半導體層26之結晶性下降，光吸收亦增加，因此造成臨限值電流增大。因此，第一p型氮化物半導體層26中之p型雜質濃度之極大值較理想為1×1020 cm-3以下，更佳為5×1019 cm-3以下。第一p型氮化物半導體層26內之p型雜質濃度可於第一p型氮化物半導體層26中在深度方向固定，亦可具有任意分佈。其中，第一p型氮化物半導體層26中，將p型雜質濃度設為5×1018 cm-3以上之區域之厚度較理想為1 nm以上，更佳為5 nm以上，且較理想為20 nm以下，更佳為50 nm以下。其原因在於，若該區域太厚，則結晶性之下降或光吸收成為問題，若太薄，則對井層24a、b之電洞注入不足。
本實施形態中，第一p型氮化物半導體層26包含較井層24a、b帶隙更大之含有Al之氮化物半導體。更佳為包含較障壁層22c帶隙更大之氮化物半導體層。藉此第一p型氮化物半導體層26發揮作為將電子封入至活性層6中之載子封入層的功能，故而較佳。又，亦可發揮作為用以抑制活性層6中之InGaN結晶之分解的蓋層之功能。此外，第一p型氮化物半導體層26可作為p側氮化物半導體層8之一部分，亦可為活性層6之一部分。
第一p型氮化物半導體層26內之p型雜質濃度之極大值只要位於自接近於p側氮化物半導體層8之側的井層24b之上端起300 nm以內之距離即可，更佳為設為自井層24b之上端起150 nm以下，進而較佳為100 nm以內。又，較佳為使第一p型氮化物半導體層26之整體成為特定之距離內。藉此，對井層24a、b之電洞注入變得更容易。距井層24b之上端之距離於本實施形態中可以最終之障壁層22c之厚度來調整。又，亦可使障壁層22c以外之層插入至井層24b與第一p型氮化物半導體層26之間。又，亦可將p型雜質濃度之極大值不形成於第一p型氮化物半導體層26中，而是形成於其下之障壁層22c等上。
(p型雜質濃度之極小值：第二p側氮化物半導體層28a、b)
另一方面，第二p型氮化物半導體層28a、b內之p型雜質濃度之極小值只要為6×1017 cm-3以上即可，更佳為8×1017 cm-3以上，進而較佳為1×1018 cm-3以上。該p型雜質濃度越高，對井層24a、24b之電洞注入變得越容易。另一方面，自接近於p側氮化物半導體層8的井層24b之上端起300 nm左右之範圍由於發光比較強地分佈，故而若該範圍內之第二p型氮化物半導體層28a、b中之p型雜質濃度過高，則造成臨限值電流增大。尤其於本實施形態中，由於第二p型氮化物半導體層28a、b發揮作為分離封入結構(SCH結構，Separate Confinement Heterostructure，分離侷限異質結構)之光導層的功能，故而第二p型氮化物半導體層28a、b內之由p型雜質引起之光吸收之影響變得特別大。因此，第二p型氮化物半導體層28a、b中之p型雜質濃度之極小值較理想為相對於第一p型氮化物半導體層26內之p型雜質濃度之極大值之1/5以下，更佳為1/10以下。又，第二p型氮化物半導體層28a、b中之p型雜質濃度之極小值較理想為不超過1×1019 cm-3，更佳為不超過5×1018 cm-3。
第二p型氮化物半導體層28a、b內之p型雜質濃度之分佈經過上述極小值後，較佳為於自井層22b之上端起300 nm之範圍內增大至1×1018 cm-3以上。與井層22b之距離越近，由p型雜質引起之光吸收變得越大。因此，於自井層22b之上端起300 nm之範圍內，一面在距離井層24b之上端較近之處使p型雜質濃度下降而抑制光吸收，一面在距離較遠之處使p型雜質濃度增加至1×1018 cm-3以上，藉此進一步促進對井層24a、b之電洞注入。
此種p型雜質濃度之分佈可藉由在第二p型氮化物半導體層28a、b之氣相成長中改變p型雜質之原料氣體之流量而實現。例如，可將第二p型氮化物半導體層28a、b分成第1層28a與第2層28b，於第1層28a之成長中降低原料氣體之流量或使流量為零，且於第2層28b之成長中提高p型雜質之原料氣體之流量。即便使第1層28a之成長中之p型雜質之原料氣體流量為零，位於其下之第一p型氮化物半導體層26之成長中所流通之p型雜質之原料氣體亦殘留，因此第1層28a中之p型雜質濃度隨著自與第一p型氮化物半導體層26之界面起遠離而緩緩下降，並在與第2層28b之界面變得最小。繼而，一面流通p型雜質之原料氣體，一面使第2層28b成長，藉此p型雜質濃度增大。
本實施形態中，第二p型氮化物半導體層28a、b較佳為包含較第一p型氮化物半導體層26及繼而成長之p側包覆層32帶隙更小，且較井層24a、b更大之氮化物半導體。例如，可由含有較第一p型氮化物半導體層26及p側包覆層32更少之Al之氮化物半導體所構成。藉此可使第二p型氮化物半導體層28a、b發揮作為p側光導層之功能。此外，第二p型氮化物半導體層28a、b於省略光導層之元件中亦可為包覆層等具有其他功能之層。
第二p型氮化物半導體層28a、b內之p型雜質濃度之極小值只要位於自接近於p側氮化物半導體層8之側的井層24b之上端起300 nm以內之距離即可，更佳為設為自井層24b之上端起250 nm以內。藉此，對井層24a、b之電洞注入變得更容易。本實施形態中，自井層24b之上端起之距離可以最終之障壁層22c、第一p型氮化物半導體層26及第二p型氮化物半導體層之第1層28a之厚度來調整。又，亦可插入該等層以外之層來調整距離。又，亦可使p型雜質濃度之極小值不形成於第二p型氮化物半導體層28a、b中，而形成於其下之第一p型氮化物半導體層26內。
此外，氮化物半導體雷射二極體之振盪波長變得越長，則活性層6中產生之位錯之密度變得越高。因此，第一p型氮化物半導體層26中之p型雜質濃度之極大值或第二p型氮化物半導體層28a、b中之極小值較佳為隨著振盪波長變長而提高。例如，於振盪波長為560 nm之情形時，較佳為將p型雜質濃度之極大值設為5×1019 cm-3左右，將極小值設為5×1018 cm-3左右。若超過該p型雜質濃度，則p側氮化物半導體層8之結晶性下降，又，由發光之吸收引起之影響亦變大。因此，本案發明之氮化物半導體雷射二極體中，較理想為將振盪波長設為560 nm以下。
本案發明中，p型雜質濃度之深度分佈可利用SIMS(ATOMIKA公司製造，SIMS4500)而測定。例如，可藉由設初級離子種為O2 +，加速電壓為2 kV，電流為110 nA，光柵區域(蝕刻樣品之區域)為120 μm2，使初級離子對試料垂直入射，形成測定區域(獲取資料之區域)30 μm2，進行次級離子之檢測而測定。又，為基於SIMS測定而決定p型雜質濃度之數值，只要以p型雜質濃度已知之氮化物半導體層為標準樣品進行SIMS測定，並以該次級離子之檢測量為基準即可。標準樣品例如可於氮化物半導體層中離子注入p型雜質而製成。又，p側氮化物半導體層之位錯密度可藉由以陰極發光(CL，Cathode Luminescence)觀察p側氮化物半導體層之上表面，或利用穿透型電子顯微鏡(TEM，Transmission Electron Microscope)觀察剖面而測定。
以下，對本實施形態之氮化物半導體雷射二極體1之各構成進行詳細說明。
(基板2)
基板2較佳為包含氮化物半導體，更佳為包含GaN。包含氮化物半導體之基板由於熱導率比藍寶石高，故而可提高放熱效率，可減少位錯等缺陷而使結晶性良好。
基板2中之位錯密度較低時，井層24a、b之面狀態得到改善，壽命特性亦提高。使用InGaN發光層之半導體雷射二極體若與其他材料系相比，則由位錯引起之壽命特性之下降比較緩慢，但仍存在對位錯之依存性。又，基板2之位錯密度較少時，耐ESD(Electro-Static Discharge，靜電放電)性亦提高。基板2之位錯密度較理想為設為1×107 cm-2以下，更佳為5×106 cm-2以下，進而較佳為5×105 cm-2以下。再者，基板2之位錯密度係以可成長氮化物半導體層之主面之位錯密度來考慮。
又，基板2之位錯密度較佳為與活性層6中產生之位錯密度為同等以下。若基板2之位錯密度與活性層6中產生之位錯密度為同等以下，則元件整體之位錯分佈成為特徵性形狀。即，形成自基板至活性層位錯密度低，且自活性層往上位錯密度高之結構。此種結構中，藉由位錯之導入而緩和自基底層對活性層(井層)施加之應變，可減弱由於應變之原因而產生之發光效率下降(例如壓電分極等)，故而較佳。
作為基板2，可使用以各種方法製造者。例如，可於藍寶石等異種基板上，利用氫化物氣相成長法(HVPE法，Hydride Vapor Phase Epitaxy method)等將氮化物半導體層成長為厚膜後，去除異種基板而獲得包含氮化物半導體之基板。又，當於藍寶石等異種基板上成長氮化物半導體層時，可使用公知之橫方向成長方法而降低氮化物半導體之位錯密度。可將自使用適當之種晶使其成長而得之氮化物半導體結晶之錠中切割出之晶圓作為基板2。
又，較佳為於包含氮化物半導體之基板之C面成長雷射二極體。若於氮化物半導體之C面形成雷射二極體，則獲得以下等優點：簡單形成劈開面(m面)，由於C面化學性穩定而容易加工，且具有下一步驟所必需之程度之耐蝕刻性。
(n側氮化物半導體層4)
圖12中表示本實施形態中使用之n側氮化物半導體層4之層構成。此外，下述所說明之層中，n側包覆層16以外之層可根據元件結構而省略。
首先，於包含氮化物半導體之基板2上成長第一n側氮化物半導體層12，其較構成基板之氮化物半導體而言熱膨脹係數更小，且包含摻雜有Si等n型雜質之氮化物半導體。第一n側氮化物半導體層12發揮作為基底層之功能。第一n側氮化物半導體層12較理想為包含含有Al之氮化物半導體，較佳為AlGaN。藉由將第一n側氮化物半導體層12設為較構成基板之氮化物半導體而言熱膨脹係數更小之材料，可對第一n側氮化物半導體層12施加壓縮應變，以防止成長於基板2上之氮化物半導體層產生微細之龜裂。第一n側氮化物半導體層12較佳為以0.5~5 μm之膜厚形成。
於第一n側氮化物半導體層12上成長第二n側氮化物半導體層14，其包含含有In之氮化物半導體，較佳為InGaN，且摻雜有n型雜質。第二n側氮化物半導體層14可發揮作為抗龜裂層之功能。包含In之氮化物半導體由於結晶比較柔軟，故而可緩和對成長於其上之氮化物半導體層施加之應變，可防止龜裂之產生。第二n側氮化物半導體層14較佳為以50~200 nm之膜厚形成。
於第二n側氮化物半導體層14上成長第三n側氮化物半導體層16，其包含含有Al之氮化物半導體，較佳為AlGaN，且摻雜有n型雜質。第三n側氮化物半導體層16可發揮作為n側包覆層之功能。第三n側氮化物半導體層16係由具有至少較障壁層22a、b、c更大之帶隙的氮化物半導體所構成。第三n側氮化物半導體層16可為單層，亦可為多層。又，亦可形成超晶格結構之多層膜。第三n側氮化物半導體層16較佳為以0.5~2.0 μm之膜厚形成。
於第三n側氮化物半導體層16上形成第四n側氮化物半導體層18a、b，其包含較第三n側氮化物半導體層16帶隙更小，且較井層24a、b帶隙更大之氮化物半導體。第四n側氮化物半導體層18a、b可發揮作為n側光導層之功能。第四n側氮化物半導體層18a、b較佳為設為GaN或InGaN。又，第四n側氮化物半導體層18a、b由於一面抑制光吸收一面充分進行對活性層6之電子供給，故而較佳為分成：(i)第四n側氮化物半導體層18a，其遠離活性層6，且摻雜n型雜質而成長；及(ii)第四n側氮化物半導體層18b，其接近活性層6，且未摻雜n型雜質而成長。第四n側氮化物半導體層18a、b較佳為以合計200~300 nm之膜厚形成。
(活性層6)
作為活性層6，只要為包含InxAlyGa1-x-yN(0<x<1，0≦y<1，0<x+y<1)之發光層者即可，除圖1所示之多重量子井結構之活性層以外，可使用單一量子井結構之活性層、包含薄膜之發光層單體之活性層等。於量子井結構之情形時，井層24a、b成為發光層。發光層若為包含InxAlyGa1-x-yN(0<x<1，0≦y<1，0<x+y<1)者即可，更佳為InGaN。此外，本案說明書中所謂「發光層」，係指電子與電洞進行發光再結合之層。
發光層之發光波長可以實施例中具體說明之方式根據In含有率而控制。此外，於In含有率高之井層之情形時，為抑制井層之分解，較佳為於各井層之上側設置井蓋層(未圖示)。井蓋層宜設為膜厚為1~5 nm之範圍，且Al含有率為0~50%之AlInGaN，更佳為Al含有率為0~30%之AlGaN。井蓋層形成於井層與障壁層之間。
活性層6之發光層較薄時可使臨限值電流下降，與障壁層之晶格常數不匹配亦變得容易緩和，但若過薄，則載子之封入變得不充分。因此，發光層之膜厚較理想為設為1.0 nm以上，更佳為2.0 nm以上，且為5.0 nm以下，更佳為4.0 nm以下。活性層6之發光層中，可摻雜n型雜質，亦可不摻雜。然而，包含In之氮化物半導體若n型雜質濃度變大，則有結晶性惡化之傾向，因此較佳為將n型雜質濃度抑制為較低而製成結晶性良好之發光層。
若使活性層6為多重量子井結構，則可實現功率之提高、振盪臨限值之下降等。於活性層6包含多重量子井結構之情形時，若井層與障壁層交替積層，則最初與最後之層可為井層，亦可為障壁層。其中，如本實施形態所示，最外層較佳為障壁層。又，多重量子井結構中，井層所夾持之障壁層並不特別限定為1層(井層/障壁層/井層)，亦可將2層或其以上之層之障壁層，以「井層/障壁層(1)/障壁層(2)/....../井層」之方式設置複數層組成‧雜質量等不同之障壁層。
作為量子井結構之活性層6中使用之障壁層22a、b、c，並無特別限定，可使用In含有率低於井層24a、b之氮化物半導體、GaN、含有Al之氮化物半導體等。更佳為包含InGaN、GaN或AlGaN。障壁層22a、b、c之膜厚或組成於量子井結構中不必完全相同。本實施形態中，以位於最n側之障壁層22a>位於最p側之障壁層22c>其等之間所夾持之障壁層22b的順序增大膜厚。又，僅於位於最n側之障壁層22a中摻雜n型雜質，且剩餘之障壁層22b、c及井層24a、b係不摻雜n型雜質而成長。
此外，本實施形態中，係設井層24a、b之數量為2層，障壁層22a、b、c之數量為3層，但本案發明並不限定於此。例如，亦可使井層24a、b之數量不為2層，而增加為3層或4層等更多之數量。通常，振盪波長變得越長，則越需要為抑制活性層6中之位錯產生而減小井層之厚度。本案發明中，由於容許活性層6中之位錯產生，故而必需將井層薄膜化至就活性層6之整體而言載子封入變得不充分之膜厚。但是，若增加井層之數量，則即便使用更薄之膜厚的井層，亦可作為活性層6整體而達成載子封入。因此，可避免活性層6中之過剩之位錯產生。於振盪波長為500 nm以上之氮化物半導體雷射二極體之情形時，較井層之數量為2層之情形而言，3層或4層時臨限值電流下降。
本案發明中之活性層6之振盪波長只要為500 nm以上即可，若成為太長之波長，則活性層6中產生之位錯之密度變得過高，故而欠佳。如圖5所示，於活性層6之振盪波長為560 nm之情形時，活性層6中產生之位錯之密度約成為1×107 cm-2。若位錯密度成為其以上，則所必需之p型雜質之濃度變得過高，故而欠佳。因此為使活性層6中產生之位錯密度成為1×107 cm-2以下，較佳為將活性層6之振盪波長設為560 nm以下。
(p側氮化物半導體層8)
作為p側氮化物半導體層8，積層有含有Al之氮化物半導體層26(第一p型氮化物半導體層)，p側光導層28a、b(第二p型氮化物半導體層)，p側包覆層32(第三p型氮化物半導體層)，p側接觸層34(第四p型氮化物半導體層)。除p側包覆層32以外之其他層亦可根據元件而省略。p側氮化物半導體層8必需於至少與活性層6接觸之部分具有較活性層6更寬之帶隙，為此，較佳為含有Al之組成。又，各層可一面摻雜p型雜質一面使其成長而形成p型，亦可使p型雜質自鄰接之其他層擴散而形成p型。作為p型雜質，除Mg以外，可使用Be、Zn、Cd等。
含有Al之氮化物半導體層26包含具有較p側包覆層32更高之Al混晶比之p型氮化物半導體，較佳為包含AlxGa1-xN(0.1<x<0.5)。又，Mg等p型雜質係以5×1018 cm-3以上之濃度摻雜。藉此，含有Al之氮化物半導體層26可將電子有效地封入至活性層6中，使雷射之臨限值下降。又，含有Al之氮化物半導體層26只要成長為3~50 nm、更佳為3~20 nm左右之薄膜即可，若為薄膜，則可使其於較p側光導層28a、b或p側包覆層32更低之溫度下成長。因此，藉由形成含有Al之氮化物半導體層26，與將p側光導層28a、b等直接形成於活性層6上之情形相比，可抑制包含In之活性層6之分解。
又，含有Al之氮化物半導體層26係發揮對未摻雜而成長之障壁層22c，藉由擴散而供給p型雜質之作用，兩者相互作用而發揮保護井層24a、b不分解，並且提高對井層24a、b之電洞注入效率的作用。即，較其他障壁層更厚地形成未摻雜障壁層22c而作為活性層6之最終層，並在低溫下於其上成長包含高濃度地摻雜有Mg等p型雜質之p型AlxGa1-xN(0.1<x<0.5)的薄膜之氮化物半導體層26，藉此不僅可保護包含In之活性層6不分解，並且Mg等p型雜質自p型AlxGa1-xN層起朝未摻雜之障壁層22c中擴散而提高對活性層6之電洞注入效率。
又，該含有Al之氮化物半導體層26係為發揮作為電子封入層之功能而設置於活性層6與包覆層32之間者，於更包括光導層28a、b之情形時，較佳為設置於光導層28a、b與活性層6之間。若於自最接近於p側氮化物半導體層8的井層24b之上端起300 nm以內、更佳為200 nm以內、進而較佳為100 nm以內，形成含有Al之氮化物半導體層26，則可發揮作為電子封入層之功能，且亦可有效率地供給電洞。含有Al之氮化物半導體層26越接近於活性層6，越有效地發揮載子之封入的功能，而且於雷射元件中在與活性層6之間，於多數情形時，並不特別需要其他層，因此通常最佳為與活性層6接觸而設置含有Al之氮化物半導體層26。此外，亦可將緩衝層設置於兩者之間。
p側光導層28a、b(第二p型氮化物半導體層)較佳為包含較含有Al之p型氮化物半導體層26及繼而成長之p側包覆層32帶隙更小，且較井層24a、b更大之氮化物半導體。例如，可由含有較含有Al之p型氮化物半導體層26及p側包覆層32更少之Al之氮化物半導體所構成。又，p側光導層28a、b由於一面抑制光吸收一面充分進行對活性層6之電洞供給，故而較佳為分成：(i)第一p側光導層28a，其接近於活性層6，且未摻雜p型雜質而成長；及(ii)第二p側光導層28b，其遠離活性層6，且摻雜p型雜質而成長。
p側包覆層32(第三p型氮化物半導體層)較理想為設為包含含有Al之氮化物半導體層、較佳為AlxGa1-xN(0<x<1)之超晶格結構，進而較佳為設為積層有Al組成不同之AlGaN之超晶格結構。藉由使p側包覆層32為超晶格結構，可提高包覆層整體之Al混晶比，故而包覆層本身之折射率變小，進而帶隙能量變大，因此在使臨限值下降方面非常有效。進而，若形成超晶格，則包覆層本身所產生之凹陷或龜裂較未形成超晶格者而言變少，故而短路之產生亦降低。p側包覆層32(第三p型氮化物半導體層)所具有之帶隙較佳為較p側光導層28a、b(第二p型氮化物半導體層)更大，且較第一p型氮化物半導體層26更小。將A層與B層積層而成之超晶格結構之p側包覆層32(第三p型氮化物半導體層)之帶隙只要考慮為A層與B層之平均值即可。p側包覆層32(第三p型氮化物半導體層)之p型雜質濃度較佳為較p側光導層28a、b(第二p型氮化物半導體層)更高，且較p側接觸層34(第四p型氮化物半導體層)更低。一面可藉由具有較p側光導層28a、b(第二p型氮化物半導體層)更高之p型雜質濃度而輔助電洞供給功能，一面可藉由具有較p側接觸層34(第四p型氮化物半導體層)更低之p型雜質濃度而抑制由結晶性之下降引起的臨限值電流之增大。將A層與B層積層而成之超晶格結構之p側包覆層32(第三p型氮化物半導體層)之雜質濃度只要考慮為A層與B層之平均值即可。
p側接觸層34(第四p型氮化物半導體層)可由p型氮化物半導體構成，若設為較佳為摻雜有Mg之GaN，則與p側電極38獲得較佳之歐姆接觸。p側接觸層34為形成電極之層，故而較理想為設為5×1019/cm3以上之高載子濃度。
本實施形態之雷射二極體中，藉由蝕刻至光導層28a、b之中途為止而設置脊部36後，將脊部36之側面以SiO2等絕緣性埋設層46覆蓋，進而形成SiO2等絕緣性保護膜48。作為保護膜48，亦可使用半絕緣性、i型氮化物半導體、與脊部相反之導電型氮化物半導體等。
此外，設置脊部36時，較佳為如圖13所示，於脊部36之底部兩側形成與脊部36平行之溝槽49。若井層之In含有率提高，則與通常用作p側包覆層32之AlGaN之折射率差變小，難以獲得充分之光封入係數。因此，藉由在脊部36之兩側設置在共振器方向連續之溝槽部49，即便於井層之In含有率高之情形時，亦可進行充分之光封入。
本發明之雷射二極體並不限定於具有上述脊部結構之折射率導波型，可設為藉由再成長而埋設有脊部側面之BH結構(buried heterostructure，隱埋式異質結構)、或設置有電流狹窄層之結構等各種結構。又，本發明之雷射二極體包含AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1)所示之氮化物半導體，但較佳為六方晶系氮化物半導體。若為六方晶系，則亦可以不降低結晶性之程度於III族元素或V族元素中包含少量其他元素。
依據本案發明，可獲得振盪波長為500 nm以上，且發光效率及壽命特性優異之氮化物半導體雷射二極體。若對由本發明獲得之綠色氮化物半導體雷射二極體，組合自先前以來之藍色氮化物半導體雷射二極體與紅色半導體雷射二極體，則可實現全彩顯示。例如，藉由將依據本案發明而構成之以波長500~560 nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、以波長440~480 nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、及以波長600~660 nm振盪之半導體雷射二極體加以組合，則可獲得使用半導體雷射之全彩顯示裝置。
[實施例] (實施例1)
以下述方式製造圖1所示結構之氮化物半導體雷射。
(n側氮化物半導體層4)
首先，準備以C面為主面，且位錯密度約為5×105 cm-2之氮化鎵基板2。利用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化學氣相沈積)法，於該氮化鎵基板2上，以氫氣為載氣，於1140℃下使用TMG(tetramethyl gallium，三甲基鎵)、TMA(trimethyl aluminium，三甲基鋁)、SiH4(矽烷)、氨，使摻雜有3×1018/cm3之Si的n型Al0.03Ga097N層12以膜厚2 μm成長(第一n側氮化物半導體層)。繼而將溫度設為930℃，使用TMI(trimethyl indium，三甲基銦)，使摻雜有4×1018/cm3之Si的n型In0.06Ga0.94N層14以膜厚0.15 μm成長(第二n側氮化物半導體層)。繼而，將溫度設為990℃，使摻雜有2×1018/cm3之Si的n型Al0.09Ga0.91N層16以膜厚1 μm成長(第三n側氮化物半導體層16)。再者，該層亦可設為平均Al組成為9%之任意膜厚比之AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0≦x≦1，0≦y≦1)等多層膜結構。繼而留下TMA，於990℃下使摻雜有1×1018/cm3之Si的n型GaN層18a、未摻雜之n型GaN層18b分別以0.15 μm之膜厚成長(第四n側氮化物半導體層18a、b)。再者，該未摻雜之GaN層18b中亦可摻雜n型雜質。
(活性層6)
然後使活性層6以下述方式成長。將載氣替換為氮氣，將溫度設為925℃，使包含摻雜有2×1018/cm3之Si之In0.04Ga0.96N的障壁層22a、未摻雜之GaN層(未圖示)分別以210 nm、1 nm之膜厚成長。繼而將溫度設為780℃，使包含未摻雜之In0.23Ga0.77N之井層24a成長3 nm後，使包含未摻雜之GaN之井蓋層(未圖示)成長1 nm，將溫度上升至925℃，使包含未摻雜之GaN之障壁層22b成長14 nm。將溫度設為780℃，再次使包含未摻雜之In0.23Ga0.77N之井層24b成長3 nm後，使包含未摻雜之GaN之井蓋層(未圖示)成長1 nm，將溫度上升至925℃，使包含未摻雜之In0.04Ga0.96N之障壁層22c成長70 nm，形成多重量子井結構(MQW，Multiple Quantum Well)之活性層。
(p側氮化物半導體層8)
繼而，將溫度上升至990℃，將載氣由氮氣替換為氫氣，並且將Cp2Mg(bis(cyclopentadienyl) magnesium，雙環戊二烯基鎂)用於Mg摻雜劑，使摻雜有1×1019/cm3之Mg的p型Al0.2Ga0.8N層26(第一p型氮化物半導體層)以10 nm之膜厚成長。再者，該層26在成長方向上Al組成分佈為0~20%之間。繼而於990℃下使未摻雜之p型Al0.03Ga0.97N層28a、摻雜有3×1018/cm3之Mg的p型Al0.03Ga0.97N層28b分別以0.15 μm之膜厚成長(第二p型氮化物半導體層)。再者，未摻雜層28a中並未有意摻雜Mg，但剛才成長層26時之Mg殘留於MOCVD反應室內，該Mg在成長層28a時取入，藉此層28a中之Mg濃度成為1.2×1018 cm-3以上。此外，層28a中可有意摻雜Mg，Al組成亦可為0~3%。繼而，於990℃下使包含摻雜有Mg之Al0.06Ga0.94N的2.5 nm之層、與包含未摻雜之Al0.12Ga0.88N的2.5 nm之層交替成長，從而成長為包含總膜厚0.45 μm之層32(第三p型氮化物半導體層)。層32中之平均之Mg濃度約成為1×1019 cm-3。最後於990℃下，在層26上使摻雜有1×1020/cm3之Mg的p型GaN層32以15 nm之膜厚成長。
繼而，將成長有氮化物半導體之晶圓自反應容器中取出，於最上層之p型GaN層32之表面形成包含SiO2之遮罩，使用該遮罩將氮化物半導體層蝕刻3 μm，形成600 μm之長度(與共振器長度相對應)之條紋結構。該部分成為雷射元件之共振器本體。共振器長度較佳為200 μm~5000 μm左右之範圍。繼而，於p型GaN層32之表面形成包含SiO2之條紋狀遮罩，使用該遮罩，利用RIE(Reactive Ion Etching，反應性離子蝕刻)蝕刻p型GaN層32之表面。藉此以寬度2 μm形成作為條紋狀波導區域之脊部36。又，此時如圖13所示，脊部兩側部分49蝕刻得較周邊區域深30 nm，且調整蝕刻條件(壓力、溫度)，以使脊部36之側壁係相對於p型GaN層32而以75度之角度形成。
繼而，利用光阻劑覆蓋晶圓整個面，進行光阻劑之蝕刻直至脊部36上之SiO2露出。繼而將經晶片化時成為共振器之端面的區域再次利用光阻劑遮蔽後，蝕刻除共振器端面附近以外之脊部36上之SiO2，使p型GaN層32露出。繼而，藉由濺鍍，於晶圓整體形成包含Ni(10 nm)/Au(100 nm)/Pt(100 nm)之p電極38，其後去除所有光阻劑，藉此僅於去除條紋狀脊部36之SiO2後之部分殘留p電極38。其後，於600℃下進行歐姆退火。
繼而，藉由濺鍍而成膜為包含Si氧化物(SiO2，200 nm)之埋設層46。此處，脊部36之形狀為錐狀，脊部36之側壁相對於晶圓表面之剖面積小於其他區域，故而埋設層46之膜厚係以脊部側壁部分<脊部兩側部分49之關係形成。又，脊部兩側部分49係隨著於脊部側壁形成膜，而反應性離子之密度下降，成膜率與脊部外區域相比下降，故而埋設層46之膜厚係以脊部兩側部分49<脊部外區域之關係形成。因此埋設層46之膜厚成為脊部側壁部分<脊部兩側部分49<脊部外區域34之關係。
繼而，再次利用光阻劑覆蓋晶圓整個面，進行光阻劑之蝕刻直至脊部36上之p電極38露出。繼而，去除p電極38及共振器端面部分上之SiO2。繼而，藉由濺鍍，將包含Si氧化物(SiO2)之保護膜48以0.5 μm之膜厚成膜於埋設膜上及半導體層之側面。
繼而，於剛才露出之p電極38上連續形成包含Ni(8 nm)/Pd(200 nm)/Au(800 nm)之p焊墊電極40。然後，為使基板2之厚度成為80 μm，而自與氮化物半導體層之成長面相反側之面進行研磨。繼而，與經研磨之面形成包含V(10 nm)/Pt(200 nm)/Au(300 nm)之n電極42。繼而，利用雷射將晶圓分割為片狀，以(1-100)面為劈開面而劈開，形成共振器端面。繼而，於該端面之兩側形成包含SiO2/ZrO2之鏡面。最後以與共振器端面垂直之方向切除毛邊，藉此形成半導體雷射元件。
以上述方式製成之氮化物半導體雷射二極體，自活性層6產生約2×106 cm-2之位錯。p側氮化物半導體層8內之Mg濃度之分佈成為圖9所示，Mg濃度之極大值成為1×1019/cm3，極小值成為1.2×1018 cm3。以500 nm進行雷射振盪，臨限值電流為25 mA，輸出功率為5 mW。以60℃、APC(Automatic Power Control，自動功率控制)、5 mW進行壽命試驗，則表現出圖10所示之結果，60℃下之推定壽命成為5萬小時。
(比較例1)
於實施例1中，將p型Al0.2Ga0.8N層26(第一p型氮化物半導體層)之Mg濃度設為4.3×1018 cm-3，且將p型Al0.03Ga0.97N層28a、28b(第二p型氮化物半導體層)之Mg濃度分別設為5.6×1017 cm-3、1.4×1018 cm-3。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射二極體。自活性層6產生約2×106 cm-2之位錯。p側氮化物半導體層8內之Mg濃度之分佈成為圖8所示，Mg濃度之極大值成為4.3×1018 cm-3，極小值成為5.6×1017 cm-3。以500 nm進行雷射振盪，臨限值電流為30 mA，輸出功率為5 mW。以60℃、APC、5 mW進行壽命試驗，則表現出圖6所示之結果，60℃下之壽命成為約40小時。
(實施例2)
於實施例1中，設井層之組成為In0.25Ga0.75N，膜厚為2.5 nm，井層之數量為3層。又，將p型Al0.2Ga0.8N層26(第一p型氮化物半導體層)之Mg濃度設為2×1019 cm-3，且將p型Al0.03Ga0.97N層28a、28b(第二p型氮化物半導體層)之Mg濃度分別設為2×1018 cm-3、4×1018 cm-3。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射二極體。自活性層6產生約5×106 cm-2之位錯。以517 nm進行雷射振盪，臨限值電流為70 mA，輸出功率為5 mW。以60℃、APC、5 mW進行壽命試驗，推定壽命成為1萬小時以上。
(實施例3)
於實施例1中，設井層之組成為In0.27Ga0.73N，膜厚為2.2 nm，井層之數量為4層。又，將p型Al0.2Ga0.8N層26(第一p型氮化物半導體層)之Mg濃度設為3×1019 cm-3，且將p型Al0.03Ga0.97N層28a、28b(第二p型氮化物半導體層)之Mg濃度分別設為3×1018 cm-3、6×1018 cm-3。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射二極體。自活性層6產生約7.5×106 cm-2之位錯。以540 nm進行雷射振盪，以60℃、APC、5 mW進行壽命試驗，則相對於比較例，表現出明顯良好之壽命特性。
(實施例4)
於實施例1中，設井層之組成為In0.3Ga0.7N，膜厚為2 nm，井層之數量為4層。又，將p型Al0.2Ga0.8N層26(第一p型氮化物半導體層)之Mg濃度設為5×1019 cm-3，且將p型Al0.03Ga0.97N層28a、28b(第二p型氮化物半導體層)之Mg濃度分別設為5×1018 cm-3、1×1019 cm-3。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射二極體。自活性層6產生約1×107 cm-2之位錯。以560 nm進行雷射振盪，以60℃、APC、5 mW進行壽命試驗，則相對於比較例，表現出明顯良好之壽命特性。
(實施例5)
於實施例1中，省略p型Al0.03Ga0.97N層28a、b(第二p型氮化物半導體層)之成長，而於p型Al0.2Ga0.8N層26(第一p型氮化物半導體層)上直接成長包含膜厚0.45 μm之層32。層32之最初0.15 μm係以未摻雜之方式成長Al0.06Ga0.94N層與Al0.12Ga0.88N層兩者，剩餘的0.3 μm係於Al0.06Ga0.94N層中摻雜與實施例1相同濃度之Mg而成長。層32較層28a、b而言帶隙大(=折射率小)，故而藉此強化光封入，且可減少摻雜有Mg時之光吸收。自活性層6產生約2×106 cm-2之位錯。p側氮化物半導體層8內之Mg濃度之分佈係與實施例1同樣地，Mg濃度之極大值成為1×1019/cm3，極小值成為1.2×1018cm3。以500 nm進行雷射振盪，臨限值電流較實施例1稍微提高，但若以60℃、APC、5 mW進行壽命試驗，則表現出與實施例1相同程度之壽命。
(實施例6)
於實施例1中，將p型Al0.03Ga0.97N層28a、b(第二p型氮化物半導體層)中之Mg濃度以如下方式固定為3×1018 cm-3。於層26之成長後，使成長溫度固定，並僅於成長初期10 nm供給Mg原料，然後暫時停止供給Mg原料。自此成長50 nm左右後再次開始供給Mg原料，緩緩地減小Mg原料氣體之流量。藉此遍及p型Al0.03Ga0.97N層28a、b之整體而形成Mg濃度固定之層。與實施例1同樣地，自活性層6產生約2×106 cm-2之位錯。p側氮化物半導體層8內之Mg濃度之分佈中，Mg濃度之極大值成為1×1019/cm3，其後於p型Al0.03Ga0.97N層28a、b中固定為3×1018 cm3。以500 nm進行雷射振盪，臨限值電流成為50 mA，以60℃、APC、5 mW進行壽命試驗，則表現出與實施例1相同程度之壽命。
(實施例7)
於實施例1中，以帶隙連續地或階段性地變大之方式成長障壁層22c。與實施例1同樣地，使包含未摻雜之In0.04Ga0.96N之障壁層22c成長70 nm後，使較其帶隙更大之未摻雜之AlInGaN層(例如GaN、AlGaN)以20 nm之膜厚成長。其後，以與實施例1相同之方式成長p側氮化物半導體層8。藉此，不增加p側氮化物半導體層8之膜厚而強化光封入，故而運作電壓降低。又，以60℃、APC、5 mW進行壽命試驗，則表現出與實施例1相同程度之壽命。
(實施例8)
於實施例1中，省略使包含摻雜有Mg之Al0.06Ga0.94N的2.5 nm之層、與包含未摻雜之Al0.12Ga0.88N的2.5 nm之層交替成長而得之層32(第三p型氮化物半導體層)之成長。又，形成ITO(Indium Tin Oxide，氧化銦錫)代替Ni/Au/Pt而作為p電極38。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射二極體。包含ITO之p電極38代替層32而發揮作為包覆層之功能。由於p側氮化物半導體層8之厚度減少，故而驅動電壓降低。除此以外，獲得與實施例1相同之特性。
(實施例9)
於實施例1中，將第四n側氮化物半導體層18a、b之組成由GaN改變為較第三n側氮化物半導體層16而言Al更少之AlGaN。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射。獲得與實施例1相同之特性。
(實施例10)
於實施例1中，將第四n側氮化物半導體層18a、b全部設為未摻雜。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射。獲得與實施例1相同之特性。
(實施例11)
於實施例1中，繼而將溫度設為990℃，使摻雜有2×1018/cm3之Si的n型Al0.09Ga0.91N層(第三n側氮化物半導體層16)之膜厚為2 μm。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射。較實施例1而言向基板側之漏光減少，FFP-Y形狀得到改善。除此以外，獲得與實施例1大致相同之特性。
(實施例12)
於實施例1中，將障壁層22b替換為GaN，形成較井層而言In更少之InGaN與GaN之2層結構。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射。與實施例1相比驅動電壓降低。除此以外，獲得與實施例1相同之特性。
(實施例13)
實施例1中，將井蓋層由GaN改為AlInGaN。除此以外，以與實施例1相同之方式製成氮化物半導體雷射。獲得與實施例1相同之特性。
1．．．氮化物半導體雷射二極體
2．．．基板
4．．．n側氮化物半導體層
6．．．活性層
8．．．p側氮化物半導體層
12．．．第一n側氮化物半導體層
14．．．第二n側氮化物半導體層
16．．．n側包覆層
18a、b．．．n側光導層
22a、b、c．．．InGaN井層
24a、b、c．．．InGaN障壁層
26．．．含有Al之氮化物半導體層
28a、b．．．p側光導層
32．．．p側包覆層
34．．．p側接觸層
36．．．脊部結構
38．．．p側電極
40．．．p側接合墊
42．．．n側電極
46．．．埋設層
48．．．保護膜
49．．．凹陷
50．．．位錯
52．．．峰值
54．．．極大值
56．．．極小值
圖1係表示本發明之氮化物半導體雷射二極體之一例的示意剖面圖；
圖2係將圖1之氮化物半導體雷射二極體之活性層與p側氮化物半導體層之部分放大之示意剖面圖；
圖3係表示氮化物半導體雷射二極體之振盪波長與推定壽命之關係的圖表；
圖4係示意地表示活性層中之位錯產生之情況的剖面圖；
圖5係表示氮化物半導體雷射二極體之振盪波長與位錯密度之關係的圖表；
圖6係表示作為比較例之氮化物半導體雷射二極體之高溫壽命試驗之結果的圖表；
圖7係作為比較例之氮化物半導體雷射二極體之初期與通電後之I-V特性；
圖8係表示作為比較例之氮化物半導體雷射二極體之p型雜質之深度方向之濃度分佈的圖表；
圖9係表示作為實施例之氮化物半導體雷射二極體之p型雜質之深度方向之濃度分佈的圖表；
圖10係表示作為實施例之氮化物半導體雷射二極體之高溫壽命試驗之結果的圖表；
圖11A係表示氮化物半導體雷射二極體中之p型雜質濃度之極大值與推定壽命之關係的圖表；
圖11B係表示氮化物半導體雷射二極體中之p型雜質濃度之極小值與推定壽命之關係的圖表；
圖12係表示n側氮化物半導體層之層構成之例的示意剖面圖；及
圖13係表示形成於p側氮化物半導體層上之脊部結構之一例的示意剖面圖。
1．．．氮化物半導體雷射二極體
2．．．基板
4．．．n側氮化物半導體層
6．．．活性層
8．．．p側氮化物半導體層
36．．．脊部結構
38．．．p側電極
40．．．p側接合墊
42．．．n側電極
46．．．埋設層
48．．．保護膜

Claims (32)

  1. 一種氮化物半導體雷射二極體，其特徵在於：其包括：基板；n側氮化物半導體層，其形成於上述基板上，且包含n型雜質；活性層，其形成於上述n側氮化物半導體層上，且具有包含InxAlyGa1-x-yN(0<x<1，0≦y<1，0<x+y<1)之發光層；及p側氮化物半導體層，其形成於上述活性層上，且包含p型雜質；上述氮化物半導體雷射二極體之振盪波長為500nm以上；以上述活性層為起點而產生之位錯貫通上述p側氮化物半導體層，上述p側氮化物半導體層之位錯密度成為1×106cm-2以上；上述p型雜質之深度方向之濃度分佈係自上述發光層起朝上述p側氮化物半導體層之表面，於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述發光層之上端起300nm以內之範圍具有p型雜質濃度成為5×1018cm-3以上之極大值，且經過上述極大值後，於上述300nm以內之範圍不低於6×1017cm-3。
  2. 如請求項1之氮化物半導體雷射二極體，其中於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述發光層之上端起150nm以內具有上述極大值。
  3. 如請求項1之氮化物半導體雷射二極體，其中上述p型雜質之深度方向之濃度分佈係於上述300nm之範圍內，經過上述極大值後，具有上述p型雜質濃度不低於6×1017cm-3 之極小值，且經過上述極小值後，增大為1×1018cm-3以上。
  4. 如請求項2之氮化物半導體雷射二極體，其中上述p型雜質之深度方向之濃度分佈係於上述300nm之範圍內，經過上述極大值後，具有上述p型雜質濃度不低於6×1017cm-3之極小值，且經過上述極小值後，增大為1×1018cm-3以上。
  5. 如請求項3之氮化物半導體雷射二極體，其中於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述發光層之上端起250nm以內具有上述極小值。
  6. 如請求項4之氮化物半導體雷射二極體，其中於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述發光層之上端起250nm以內具有上述極小值。
  7. 一種氮化物半導體雷射二極體，其特徵在於：其包括：基板；n側氮化物半導體層，其形成於上述基板上；量子井結構之活性層，其形成於上述n側氮化物半導體層上，且具有包含InxAlyGa1-x-yN(0<x<1，0≦y<1，0<x+y<1)之井層；及p側氮化物半導體層，其形成於上述活性層上；上述n側氮化物半導體層包含GaN層或AlGaN層；上述活性層中之上述井層之振盪波長為500nm以上，以上述井層為起點而產生之位錯貫通上述p側氮化物半導體層，且上述p側氮化物半導體層內之位錯密度成為1×106cm-2以上； 於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述井層之上端起300nm以內之範圍包括第一p型氮化物半導體層，其包含較上述井層帶隙更大之含有A1之氮化物半導體，且p型雜質濃度為5×1018cm-3以上；並且於上述第一p型氮化物半導體層上包括第二p型氮化物半導體層，其於上述300nm以內之範圍之p型雜質濃度較上述第一p型氮化物半導體層更低，且為6×1017cm-3以上。
  8. 如請求項7之氮化物半導體雷射二極體，其中於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述井層之上端起150nm以內包括上述第一p型氮化物半導體層。
  9. 如請求項7之氮化物半導體雷射二極體，其中隨著自接近於上述第一p型氮化物半導體層之側的界面起遠離，上述第二p型氮化物半導體層之p型雜質濃度於不低於6×1017cm-3之範圍暫時下降後，朝相反側之界面增加。
  10. 如請求項8之氮化物半導體雷射二極體，其中隨著自接近於上述第一p型氮化物半導體層之側的界面起遠離，上述第二p型氮化物半導體層之p型雜質濃度於不低於6×1017cm-3之範圍暫時下降後，朝相反側之界面增加。
  11. 如請求項7之氮化物半導體雷射二極體，其中上述第二p型氮化物半導體層之p型雜質濃度係於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述井層之上端起250nm以內具有極小值。
  12. 如請求項8之氮化物半導體雷射二極體，其中上述第二p 型氮化物半導體層之p型雜質濃度係於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述井層之上端起250nm以內具有極小值。
  13. 如請求項7之氮化物半導體雷射二極體，其中於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述井層之上端起300nm之位置，上述第二p型氮化物半導體層之p型雜質濃度為1×1018cm-3以上。
  14. 如請求項8之氮化物半導體雷射二極體，其中於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述井層之上端起300nm之位置，上述第二p型氮化物半導體層之p型雜質濃度為1×1018cm-3以上。
  15. 如請求項9之氮化物半導體雷射二極體，其中於自最接近於上述p側氮化物半導體層的上述井層之上端起300nm之位置，上述第二p型氮化物半導體層之p型雜質濃度為1×1018cm-3以上。
  16. 如請求項7之氮化物半導體雷射二極體，其中於上述第二p型氮化物半導體層上包括第三p型氮化物半導體層，其較上述第二p型氮化物半導體層帶隙更大，且較上述第一p型氮化物半導體層帶隙更小。
  17. 如請求項8之氮化物半導體雷射二極體，其中於上述第二p型氮化物半導體層上包括第三p型氮化物半導體層，其較上述第二p型氮化物半導體層帶隙更大，且較上述第一p型氮化物半導體層帶隙更小。
  18. 如請求項9之氮化物半導體雷射二極體，其中於上述第 二p型氮化物半導體層上包括第三p型氮化物半導體層，其較上述第二p型氮化物半導體層帶隙更大，且較上述第一p型氮化物半導體層帶隙更小。
  19. 如請求項10之氮化物半導體雷射二極體，其中於上述第二p型氮化物半導體層上包括第三p型氮化物半導體層，其較上述第二p型氮化物半導體層帶隙更大，且較上述第一p型氮化物半導體層帶隙更小。
  20. 如請求項11之氮化物半導體雷射二極體，其中於上述第二p型氮化物半導體層上包括第三p型氮化物半導體層，其較上述第二p型氮化物半導體層帶隙更大，且較上述第一p型氮化物半導體層帶隙更小。
  21. 一種氮化物半導體雷射二極體，其特徵在於：其包括：基板；n側氮化物半導體層，其形成於上述基板上；多重量子井結構之活性層，其形成於上述n側氮化物半導體層上，且具有包含InxAlyGa1-x-yN(0<x<1，0≦y<1，0<x+y<1)之井層及障壁層；及p側氮化物半導體層，其形成於上述活性層上；上述n側氮化物半導體層包含GaN層或AlGaN層；上述活性層包括振盪波長為500nm以上之井層、及位於活性層之最p側且膜厚為300nm以下之障壁層；上述p側氮化物半導體層自接近於上述活性層之側起包括：第一p型氮化物半導體層，其包含較上述井層帶隙更大之含有Al之氮化物半導體，且p型雜質濃度為5×1018cm-3 以上，膜厚為3~50nm；第二p型氮化物半導體層，其中上述p型雜質濃度較上述第一p型氮化物半導體層更低，且為6×1017cm-3以上；第三p型氮化物半導體層，其較上述第二p型氮化物半導體層帶隙更大，且較上述第一p型氮化物半導體層帶隙更小；以及第四p型氮化物半導體層，其p型雜質濃度為5×1019/cm3以上；並且以上述井層為起點而產生之位錯貫通上述p側氮化物半導體層，上述p側氮化物半導體層內之位錯密度成為1×106cm-2以上。
  22. 如請求項1至21中任一項之氮化物半導體雷射二極體，其中上述振盪波長為560nm以下。
  23. 如請求項1至21中任一項之氮化物半導體雷射二極體，其中上述基板係包含位錯密度為1×107cm-2以下之氮化物半導體。
  24. 如請求項22之氮化物半導體雷射二極體，其中上述基板係包含位錯密度為1×107cm-2以下之氮化物半導體。
  25. 如請求項1至21中任一項之氮化物半導體雷射二極體，其中上述基板之位錯密度係較上述活性層中產生之位錯密度更低。
  26. 如請求項22之氮化物半導體雷射二極體，其中上述基板之位錯密度係較上述活性層中產生之位錯密度更低。
  27. 如請求項23之氮化物半導體雷射二極體，其中上述基板 之位錯密度係較上述活性層中產生之位錯密度更低。
  28. 如請求項24之氮化物半導體雷射二極體，其中上述基板之位錯密度係較上述活性層中產生之位錯密度更低。
  29. 一種顯示裝置，其係包括如請求項1至21中任一項之以波長500~560nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、以波長440~480nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、及以波長600~660nm振盪之半導體雷射二極體。
  30. 一種顯示裝置，其係包括如請求項22之以波長500~560nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、以波長440~480nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、及以波長600~660nm振盪之半導體雷射二極體。
  31. 一種顯示裝置，其係包括如請求項23之以波長500~560nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、以波長440~480nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、及以波長600~660nm振盪之半導體雷射二極體。
  32. 一種顯示裝置，其係包括如請求項25之以波長500~560nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、以波長440~480nm振盪之氮化物半導體雷射二極體、及以波長600~660nm振盪之半導體雷射二極體。
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