Iii族氮化物半导体激光元件的制作方法
【专利摘要】在具有在包含开口的电流限制层上再生长有p型包覆层的结构的III族氮化物半导体激光元件中，减小由存在于半极性的再生长界面的n型杂质引起的影响。半导体激光元件（10）具有n型半导体区域（14）、活性层（16）、第一p型半导体区域（18）、电流限制层（20）以及第二p型半导体区域（22）。第二p型半导体区域（22）是在形成电流限制层（20）的开口（20a）之后再生长在第一p型半导体区域（18）上和电流限制层（20）上的区域。第一p型半导体区域（18）中的与第二p型半导体区域（22）的界面包含III族氮化物半导体的半极性面。第一p型半导体区域（18）具有构成第一p型半导体区域（18）与第二p型半导体区域（22）之间的界面且具有1×1020cm-3以上的p型杂质浓度的高浓度p型半导体层（18c）。
【专利说明】111族氮化物半导体激光元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及III族氮化物半导体激光元件。
【背景技术】
[0002]在专利文献I?3中记载有III族氮化物半导体激光元件。这些文献中记载的III族氮化物半导体激光元件均包括:基板，由III族氮化物半导体构成；11型包覆层，设置在基板，由η型III族氮化物半导体构成；活性层，设置在η型包覆层，由III族氮化物半导体构成；以及P型包覆层，设置在活性层，由P型III族氮化物半导体构成。并且，在P型包覆层与活性层之间设置有光导层(optical guiding layer),而且,在光导层与p型包覆层之间设置有具有用于电流限制的开口的电流限制层。具有上述构造的III族氮化物半导体激光元件是在电流限制层上形成开口之后以填埋该开口的方式使P型包覆层再生长而制作。另夕卜，在专利文献I?3中，记载有由多晶或非晶状的AlN构成的电流限制层。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2006-121107号公报
[0006]专利文献2:日本特开2007-067432号公报
[0007]专利文献3:日本特开2008-294053号公报
【发明内容】
[0008]发明所要解决的课题
[0009]在制作具有上述结构的III族氮化物半导体激光元件时，电流限制层的开口例如通过对电流限制层实施蚀刻而形成。根据发明人的见解，此时，在从电流限制层的开口露出的半导体的表面(即，与P型包覆层的再生长界面)，产生成为η型掺杂剂的氧或硅等杂质的附着(堆积)。通常，在通过使用有机金属原料的CVD使半导体层生长的情况下，对生长界面实施使用H2或NH3等的1000°C以上的表面清洗。并且，通过该清洗，较佳地除去如上所述的杂质。但是，如果在具有电流限制层的构成中进行这种高温下的清洗，则会引起电流限制层的改质(例如结晶化)，从而再生长层(P型包覆层)的结晶品质会降低。因此，很难在P型包覆层的再生长步骤之前进行这种高温下的清洗。因此，由于使P型包覆层在残留有η型杂质的再生长界面上生长，因此在该界面产生由η型杂质引起的非辐射复合，产生电流的损耗。由此，半导体激光元件的阈值电流密度上升。另外，当在再生长界面的活性层侧上也存在P型半导体层时，由于形成有局部性的ρηρ构造，因此半导体激光元件的动作电压上升。
[0010]上述现象在P型包覆层的再生长界面为半极性面的情形时尤为明显。例如在产生蓝色光的III族氮化物半导体激光元件中，多使用以III族氮化物半导体的C面为主面的基板。在该情况下，P型包覆层的再生长界面也成为C面。但是，在产生绿色光的III族氮化物半导体激光元件中，为了减小活性层中的压电电场(piezoelectric field),有时使用以III族氮化物半导体的半极性面为主面的基板。此时，P型包覆层的再生长界面也成为半极性面。并且，根据本发明人的知识见解，由于在半极性面上露出多个悬挂键(原子中的未结合键)，因此与C面、a面、或m面等低晶面指数面相比，η型杂质的导入较多。其结果，上述阈值电流密度的上升、及动作电压的上升变得明显。
[0011]本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，在具有在包含开口的电流限制层上再生长有P型包覆层的结构的III族氮化物半导体激光元件中，减小由存在于半极性的再生长界面的η型杂质所造成的影响。
[0012]用于解决课题的技术手段
[0013]为解决上述课题，本发明的III族氮化物半导体激光元件包括:(a) η型半导体区域，由η型的III族氮化物半导体构成；活性层，由III族氮化物半导体构成，设置在η型半导体区域上；(b)第一 P型半导体区域，由P型的III族氮化物半导体构成，设置在活性层上；(c)电流限制层，设置在第一 P型半导体区域上，具有在预定的激光谐振方向上延伸的开口；以及(d)第二 P型半导体区域，由P型的III族氮化物半导体构成，在形成电流限制层的开口之后，再生长在第一 P型半导体区域上和电流限制层上，第一 P型半导体区域与第二 P型半导体区域之间的界面包含该III族氮化物半导体的半极性面，第一 P型半导体区域和第二 P型半导体区域中的至少一个具有构成第一 P型半导体区域与第二 P型半导体区域之间的界面且具有IX IO2ciCnT3以上的P型杂质浓度的高浓度P型半导体层。
[0014]在该III族氮化物半导体激光元件中，第一 P型半导体区域与第二 P型半导体区域之间的界面包含该III族氮化物半导体的半极性面。这种结构主要是在活性层生长于III族氮化物半导体的半极性面上的元件中实现，因此可较佳地实现活性层的In组分较高的绿色发光半导体激光元件。另外，在该III族氮化物半导体激光元件中，第一 P型半导体区域和第二 P型半导体区域中的至少一个具有构成第一 P型半导体区域与第二 P型半导体区域之间的界面的高浓度P型半导体层。即，第一 P型半导体区域的高浓度P型半导体层与第二 P型半导体区域接触，第二 P型半导体区域的高浓度P型半导体层与第一 P型半导体区域接触。而且，该高浓度P型半导体层具有lX102°cm_3以上的P型杂质浓度。
[0015]如上所述，在使第二 P型半导体区域在第一 P型半导体区域上再生长时，在第一 P型半导体区域的表面产生成为施主的氧或硅这样的杂质的附着(堆积)。但是，在该III族氮化物半导体激光元件中，由于高浓度P型半导体层的P型(掺杂剂)杂质扩散而补偿η型杂质，因此能够抑制由η型杂质引起的影响(阈值电流密度上升或动作电压上升)。根据该III族氮化物半导体激光元件，能够减小由存在于半极性的再生长界面的η型杂质引起的影响。
[0016]另外，III族氮化物半导体激光元件也可以将高浓度P型半导体层的厚度设为IOnm以下。根据本发明人的见解，存在于再生长界面的η型杂质的厚度方向分布的半宽值为IOnm左右，通过高浓度P型半导体层的厚度不超过该值，从而能够保持III族氮化物半导体激光元件的良好的动作特性。
[0017]另外，III族氮化物半导体激光元件也可以是，高浓度P型半导体层仅设置在第一P型半导体区域上。根据这种构成，能够提供较佳地发挥上述效果的III族氮化物半导体激光元件。
[0018]另外，III族氮化物半导体激光元件也可以是，活性层的第一 P型半导体区域侧的界面、与高浓度P型半导体层的活性层侧的界面之间的距离为200nm以上。通过如上所述使活性层与高浓度P型半导体层之间的间隔变宽，从而抑制由高浓度P型半导体层的P型杂质而引起的光吸收作用，能够抑制激光振荡效率的降低。另外，由于P型杂质的光吸收特性在500nm以上的波段较为明显，因此激光振荡的谐振波长优选为500nm以上。
[0019]发明效果
[0020]根据本发明，在具有在包含开口的电流限制层上再生长有P型包覆层的结构的III族氮化物半导体激光元件中，能够减小因存在于半极性的再生长界面的η型杂质所造成的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是示出本发明的一实施方式的半导体激光元件的结构的剖视图。
[0022]图2是在其(a)部分?(C)部分示出半导体激光元件的制作方法的一例的各步骤的剖视图。
[0023]图3是在其(a)部分?(C)部分示出半导体激光元件的制作方法的一例的各步骤的剖视图。
[0024]图4是在其(a)部分?(C)部分示出半导体激光元件的制作方法的一例的各步骤的剖视图。
[0025]图5是示出半导体激光元件的制作方法的一例的一步骤的剖视图。
[0026]图6是示出作为一例而示出的III族氮化物半导体激光元件的结构的剖视图。
[0027]图7是示出作为一例而表示的半导体激光元件的厚度方向上的、二次离子质量分析的结果的图表。
[0028]图8是在其(a)部分?(b)部分示出半导体激光元件的能带结构的图。
【具体实施方式】
[0029]以下，参照附图对本发明的III族氮化物半导体激光元件的实施方式进行详细说明。另外，在附图的说明中，在可能的情况下，对同一要素附上同一标号。
[0030]图1是示出本发明的一实施方式的半导体激光元件10的结构的图，该图示出沿着与激光谐振方向垂直的线所取的面的剖面和端面。该半导体激光元件10可以是输出500nm以上540nm以下的振荡波长的绿色激光光的III族氮化物半导体激光元件。半导体激光元件10包括作为支撑基板的半导体基板12、η型半导体区域14、活性层16、第一 ρ型半导体区域18、电流限制层20、第二 ρ型半导体区域22、阳极电极24以及阴极电极26。半导体激光元件10具有边缘发光型的构造。半导体激光元件10的激光谐振器在与支撑基板的主面平行的平面的方向上延伸。用于激光谐振器的一对端面与该平行平面交叉。在半导体激光元件10中，用于激光谐振器的各端面能够具有与垂直于激光谐振方向的剖面相同的构造，将其示于图1中。
[0031]半导体基板12由III族氮化物半导体构成，在一实施例中由η型GaN构成。半导体基板12具有包含III族氮化物半导体结晶的半极性面的主面12a和背面12b。半导体基板12的III族氮化物的c轴相对于主面12a的法线轴倾斜。半导体基板12的主面12a的倾斜角由主面12a的法线向量与c轴所成的角度规定。该角度可处于10度以上80度以下的范围内，或者可处于100度以上170度以下的范围内。在半导体基板12例如为GaN时，根据该角度范围，能够对主面12a提供GaN的半极性的性质。另外，构成半导体基板12的III族氮化物的c轴优选向半导体基板12的III族氮化物半导体的m轴方向倾斜。而且，倾斜角优选为处于63度以上80度以下的范围内，或优选为处于100度以上117度以下的范围内。根据该角度范围，可提供对用于500nm以上发光的活性层16 (后述)适合的In组分的InGaN层。而且，构成半导体基板12的III族氮化物的c轴更优选为以对于主面12a大致75度的倾斜角向m轴方向倾斜。典型的主面12a的面取向例如为{20-21}面。
[0032]η型半导体区域14由η型的III族氮化物半导体构成。η型半导体区域14设置在半导体基板12的主面12a上，由在主面12a的法线方向上层压的一个或多个半导体层构成。本实施方式的η型半导体区域14具有在主面12a上依次层压的η型包覆层14a、第一下部光导层14b以及第二下部光导层14c。
[0033]η型包覆层14a由η型的III族氮化物半导体构成，例如能够由氮化镓类半导体构成。第一下部光导层14b由III族氮化物半导体构成，例如能够由氮化镓类半导体构成。第二下部光导层14c由III族氮化物半导体构成，例如能够由氮化镓类半导体构成。在一实施例中，η型包覆层14a例如能够由η型AlGaN、η型InAlGaN等构成,第一下部光导层14b例如能够由η型GaN构成,第二下部光导层14c例如能够由η型InGaN构成。第二下部光导层14c的In组分例如为0.025。这些η型包覆层14a、第一下部光导层14b以及第二下部光导层14c的厚度分别为例如1200nm、250nm、150nm。另外,这些η型包覆层14a、第一下部光导层14b以及第二下部光导层14c的η型杂质(掺杂剂)例如为Si，其浓度例如为
2X IO18CnT3。
[0034]活性层16能够由单一层构成，或能够具有量子阱构造(单一量子阱构造或多重量子阱构造)。另外，在图1中示出用于单一量子阱构造的阱层16a以及阻隔层16b。阱层16a能够由InGaN等构成，阻隔层16b能够由GaN或InGaN等构成。在一实施例中，阱层16a的厚度例如为2.5nm,阻隔层16b的厚度例如为10nm。活性层16的发光波长通过阱层16a的带隙或In组分、其厚度等而控制。在一实施例中，阱层16a的In组分为0.20，这种In组分可使阱层16a产生波长510nm的绿色的发光。
[0035]第一 ρ型半导体区域18由ρ型的III族氮化物半导体构成。第一 P型半导体区域18设置在活性层16上，且由在主面12a的法线方向上层压的一个或多个半导体层构成。本实施方式的第一 P型半导体区域18具有在活性层16上依次层压的第二上部光导层18b和第一上部光导层18a。也可以在第二上部光导层18b与活性层16之间设置未掺杂的第三上部光导层19。
[0036]如上所述，半导体基板12的主面12a包含III族氮化物半导体的半极性面。使η型半导体区域14、活性层16以及第一 ρ型半导体区域18在该半极性面的法线轴的方向上依次生长。因此，η型半导体区域14的表面具有III族氮化物半导体的半极性的性质。活性层16的表面继承此特点而具有III族氮化物半导体的半极性的性质。第一 P型半导体区域18的表面(第一 ρ型半导体区域18形成与下述的第二 ρ型半导体区域22的界面)继承此特点而具有III族氮化物半导体的半极性面。
[0037]第二上部光导层18b由III族氮化物半导体构成，例如能够由氮化镓类半导体构成。第一上部光导层18a由III族氮化物半导体构成，例如能够由氮化镓类半导体构成。在一实施例中，第一上部光导层18a例如能够由ρ型GaN构成，第二上部光导层18b例如能够由P型InGaN构成。第二上部光导层18b的In组分例如为0.025。这些第二上部光导层18b和第一上部光导层18a的厚度分别例如为40nm、200nm。另外，这些第二上部光导层18b和第一上部光导层18a的ρ型杂质(掺杂剂)例如为Mg。第一上部光导层18a的ρ型杂质(掺杂剂)浓度例如在5 X 1017cm_3以上3 X 1018cm_3以下的范围内，优选为lX1018cm_3。第一上部光导层18a的厚度例如在40nm以上200nm以下的范围内。另外，第二上部光导层18b的P型掺杂剂浓度例如在IXlO17Cnr3以上IXlO19Cnr3以下的范围内，优选为lX1018cnT3。第二上部光导层18b的厚度例如在IOOnm以上300nm以下的范围内。第二上部光导层18b的铟组分例如可为0.2以上0.4以下。而且，第三上部光导层19由未掺杂的III族氮化物半导体构成，例如能够由未掺杂的氮化镓类半导体构成。第三上部光导层19在一实施例中能够由InGaN构成。第三上部光导层19的In组分例如为0.025。第三上部光导层19的厚度例如为80nm。
[0038]电流限制层20包含由沉积在第一 P型半导体区域18上的多晶或非晶状的III族氮化物半导体(例如AlN)构成的层。这种电流限制层20可通过使III族氮化物半导体在低温(例如500°C)下生长而较佳地获得。电流限制层20具有在预定的激光谐振方向上延伸的开口 20a，通过使供给到III族氮化物半导体激光元件10的电流通过该开口 20a而限制电流。另外，与预定的激光谐振方向正交的方向上的开口 20a的宽度Wl可以是I μπι以上ΙΟμπι以下,例如为2μηι。预定的激光谐振方向上的开口 20a的长度能够从一对谐振器端面的一方延伸至另一方，并与谐振器长度一致，例如为600μπι。或预定的激光谐振方向上的开口 20a例如为划线形状，开口 20a的长度例如可以是400 μ m以上IOOOym以下。另夕卜，电流限制层20的厚度可以是5nm以上20nm以下,例如为10nm。
[0039]第二 ρ型半导体区域22由ρ型的III族氮化物半导体构成。第二 P型半导体区域22是以填埋电流限制层20的开口 20a的方式设置在电流限制层20上和第一 ρ型半导体区域18上。第二 ρ型半导体区域22是在形成电流限制层20的开口 20a之后再生长于第一 P型半导体区域18上和电流限制层20上的区域。第二 ρ型半导体区域22由在主面12a的法线方向上层压的一个或多个半导体层构成。本实施方式的第二 P型半导体区域22具有在电流限制层20上和第一 ρ型半导体区域18上依次层压的ρ型包覆层22a、下部接触层22b以及上部接触层22c。第一 ρ型半导体区域18、电流限制层20以及第二 ρ型半导体区域22构成设置在活性层16上的III族氮化物区域。
[0040]ρ型包覆层22a由ρ型的III族氮化物半导体构成。下部接触层22b由ρ型的III族氮化物半导体构成。上部接触层22c由ρ型的III族氮化物半导体构成。在一实施例中，P型包覆层22a能够由P型AlGaN、p型InAlGaN等构成,下部接触层22b能够由ρ型GaN构成，上部接触层22c能够由高浓度ρ型GaN构成，且具有比下部接触层22b的ρ型掺杂剂浓度大的P型掺杂剂浓度。P型包覆层22a具有比下部接触层22b的ρ型掺杂剂浓度小的P型掺杂剂浓度。这些P型包覆层22a、下部接触层22b以及上部接触层22c的厚度分别例如为400nm、40nm、10nm。另外，这些ρ型包覆层22a、下部接触层22b以及上部接触层22c的ρ型杂质(掺杂剂)例如为Mg。ρ型包覆层22a中的ρ型杂质(掺杂剂)浓度例如在5Χ IO18CnT3以上2Χ IO19CnT3以下的范围内，优选为IXlO1W30另外，如上所述，由于电流限制层20由多晶及/或非晶状的III族氮化物半导体(例如AlN)构成，因此生长在电流限制层20上的ρ型包覆层22a的结晶性良好，另外，ρ型包覆层22a内部的裂痕的产生减少。在电流限制层必需使用绝缘性良好的带隙较宽的AlN或高Al组分AlGaN等，但如果这些为单晶，则因晶格常数差而引起的错配位错增大。
[0041]阳极电极24设置在第二 ρ型半导体区域22的上部接触层22c上，且与上部接触层22c形成欧姆接触。阳极电极24是例如在上部接触层22c上蒸镀Pd而成，其厚度例如为lOOnm。阴极电极26设置在半导体基板12的背面12b上，且与半导体基板12形成欧姆接触。阴极电极26是例如在背面12b蒸镀Ti/Al而成。
[0042]此处，本实施方式的第一 P型半导体区域18还具有高浓度ρ型半导体层18c。高浓度P型半导体层18C处于第一 P型半导体区域18的最上层，因此第一 P型半导体区域18构成与第二 P型半导体区域22的界面。高浓度ρ型半导体层18c设置在第一上部光导层18a上,夹在ρ型包覆层22a和电流限制层20与第一上部光导层18a之间。第一和第二 ρ型半导体区域18、22中的至少一个包含构成第一 ρ型半导体区域18与第二 ρ型半导体区域22的界面且具有lX102°cm_3以上的ρ型杂质浓度的高浓度ρ型半导体层18c。
[0043]高浓度ρ型半导体层18c由ρ型的III族氮化物半导体构成，例如由氮化镓类半导体构成。在一实施例中，高浓度P型半导体层18C例如能够由P型GaN等构成。高浓度P型半导体层18c例如具有IXlO2ciCnT3以上3X 102°cnT3以下的相对较高的ρ型杂质(掺杂齐U)浓度。这种P型杂质(掺杂剂)浓度为明显大于与高浓度P型半导体层18c相邻的第一上部光导层18a和ρ型包覆层22a的ρ型杂质(掺杂剂)浓度的数值，且是比这些层的P型杂质(掺杂剂)浓度大例如一位数或两位数左右的数值。高浓度P型半导体层18c的ρ型杂质(掺杂剂)例如为Mg。高浓度ρ型半导体层18c的厚度优选为IOnm以下。另外，高浓度P型半导体层18c的厚度优选为5nm以上。高浓度ρ型半导体层18c的ρ型掺杂剂浓度比再生长界面中的施主杂质的峰值浓度大。
[0044]具有以上结构的半导体激光元件10例如以如下方式制作。图2?图5是示出半导体激光元件10的制作方法的一例的各步骤的剖视图，示出沿着与激光谐振方向垂直的线所取的剖面。另外，在以下的说明中，在半导体的生长中使用NH3、TMG、TMA、TMI等有机金属原料。另外，作为η型掺杂剂(例如Si)的原料使用硅烷气体，作为ρ型掺杂剂(例如Mg)的原料使用Cp2Mg。
[0045]首先，准备在主面12a包含GaN的{20-21}面的半导体基板12 (例如η型GaN)。其次，对于该半导体基板12的主面12a，在NH3气体环境下且以1100°C的高温进行热处理。接着，如图2的(a)部分所示，在半导体基板12的主面12a上使η型半导体区域14、活性层
16、第三上部光导层19 (图1所示的)以及第一 ρ型半导体区域18依次外延生长。作为该外延生长使用有机金属气相沉积法，另外结晶生长是在生长炉中进行。此时，将η型半导体区域14的η型包覆层14a (例如η型InAlGaN)和第一下部光导层14b (例如η型GaN)的生长温度设为例如900°C，将第二下部光导层14c (例如η型InGaN)的生长温度设为例如870°C。另外，将活性层16的阱层16a (例如未掺杂InGaN)的生长温度设为例如700°C，将阻隔层16b (例如未掺杂GaN)的生长温度设为例如800°C。另外，将第一 P型半导体区域18的第二上部光导层18b (例如ρ型InGaN)的生长温度设为例如800°C，将第一上部光导层18a (例如ρ型GaN)的生长温度设为例如900°C，将高浓度ρ型半导体层18c (例如高浓度P型GaN)的生长温度设为例如900°C。之后，使用于电流限制层20的AlN层30在第一P型半导体区域18上生长(堆积)。此时，电流限制层20的生长温度比此前的半导体层的生长温度低，AlN层30的生长(堆积)温度例如为500°C。由此，制作具有η型半导体区域14、活性层16、第一 ρ型半导体区域18以及AlN层30的基板产物32。
[0046]接着，从生长炉取出基板产物32，如图2的(b)部分所示，在基板产物32上形成对准标记。为了形成对准标记，例如在AlN层30上涂布光致抗蚀膜。并且，如图2的(c)部分所示，利用光刻技术，从光致抗蚀膜形成具有开口 34a的如光致抗蚀剂34那样的掩模。通过利用如该光致抗蚀剂34那样的掩模进行AlN层30的蚀刻，从而形成用于对准标记的开口 30a。接着，如图3的(a)部分所示，通过在基板产物32上的整个面对成为对准标记的材料的锆氧化物(例如ZrO2)进行离子束蒸镀，从而在光致抗蚀剂34上、以及开口 30a内的第一 P型半导体区域18上，通过利用真空电子束蒸镀法的成膜炉形成如ZrO2膜36那样的绝缘膜。之后，如图3的(b)部分所示，将蒸镀在光致抗蚀剂34上的ZrO2膜36与光致抗蚀剂34 一并除去(剥离)，从而形成由ZrO2构成的对准标记38。
[0047]接着，如图3的(C)部分所示，在AlN层30上和对准标记38上涂布光致抗蚀剂40。并且，如图4的(a)部分所示，利用光刻技术形成具有开口 40a的如光致抗蚀剂49那样的掩模。开口 40a设置在与对准标记38不同的位置。通过利用该光致抗蚀剂40且利用蚀刻装置进行AlN层30的蚀刻(优选为使用KOH溶液的湿式蚀刻)，从而在AlN层30形成开口，制作具有用于电流限制的开口 20a的电流限制层20。之后，如图4的(b)部分所示，除去光致抗蚀剂40。由此，制作具有电流限制层20的基板产物42。在进行蚀刻而成的AlN层30的开口上露出第一 P型半导体区域18的表面。
[0048]接着，将基板产物42再次投入到生长炉内，如图4的(C)部分所示，在电流限制层20上以及开口 20a内的第一 ρ型半导体区域18上，使第二 ρ型半导体区域22外延生长。此时，第二 P型半导体区域22的P型包覆层22a (例如ρ型InAlGaN)的生长温度例如为8000C，下部接触层22b (例如ρ型GaN)和上部接触层22c (例如高浓度ρ型GaN)的生长温度例如为900°C。由此，制作具有第二 P型半导体区域22的基板产物44。
[0049]接着，如图5所示，在基板产物44的第二 ρ型半导体区域22上蒸镀阳极电极24(例如Pd)。之后，利用对准标记38，通过蚀刻除去位于进行后述的划线的区域上的阳极电极24的部分。在半导体基板12的背面12b上蒸镀阴极电极26 (Ti/Al)。并且，通过基板产物44的解理而形成沿着与激光谐振方向交叉的面的方向延伸的谐振端面。之后，通过在沿着激光谐振方向的切断面进行切断(划线)，从而进行芯片化。通过这些步骤，完成具有图1所示的构造的半导体激光元件10。另外，在通过本实施方式的制作方法实际制作半导体激光元件10时，阈值电流为58mA，阈值电压为5.9V，振荡波长为510nm。
[0050]对于通过具有以上结构的本实施方式的半导体激光元件10获得的效果，与以往的半导体激光元件存在的课题一并进行说明。此处，图6是作为一例而示出III族氮化物半导体激光元件100的结构的剖视图，示出沿着与激光谐振方向垂直的线所取的剖面。该半导体激光元件100具有作为支撑基板的半导体基板112、η型包覆层113、第一下部光导层114、第二下部光导层115、活性层116、第三上部光导层117、第二上部光导层118、第一上部光导层119、电流限制层120、ρ型包覆层122、ρ型接触层123、阳极电极124以及阴极电极 126。
[0051]半导体基板112例如由η型GaN的III族氮化物半导体构成。半导体基板112具有包含III族氮化物半导体结晶的例如C面({0001}面)的主面112a和背面112b。在本实施例中，构成半导体基板112的III族氮化物的c轴与主面112a的法线轴大致一致。根据这种主面112a，提供适合用于实现小于500nm的发光的活性层116 (后述)的In组分的InGaN 层。
[0052]η型包覆层113和第一下部光导层114依次设置在半导体基板112的主面112a上。η型包覆层113由η型的III族氮化物半导体构成。第一下部光导层114由η型的III族氮化物半导体构成。η型包覆层113例如由η型Alaci4Gaa96N构成,第一下部光导层114例如由η型GaN构成。η型包覆层113和第一下部光导层114的厚度分别例如为2300nm、50nm。另外，这些η型包覆层113和第一下部光导层114的η型杂质(掺杂剂)例如为Si，该掺杂剂浓度例如为2X1018cnT3。
[0053]第二下部光导层115设置在第一下部光导层114上。第二下部光导层115由未掺杂III族氮化物半导体构成，例如由氮化镓类半导体构成。第二下部光导层115例如由Inatl4Gaa96N构成，其厚度例如为50nm。
[0054]活性层116具有交替层压有多个阱层116a和阻隔层116b的多重量子阱构造。另夕卜，图6中示出包含3层阱层116a的活性层116。阱层116a由InGaN等构成，阻隔层116b由GaN或InGaN等构成。讲层116a的厚度例如为3nm,阻隔层116b的厚度例如为15nm。
[0055]第三上部光导层117设置在活性层116上。第三上部光导层117由未掺杂III族氮化物半导体构成。第三上部光导层117例如由Inatl4Gaa96N构成，其厚度例如为50nm。另夕卜，第二上部光导层118设置在第三上部光导层117上。第二上部光导层118由ρ型III族氮化物半导体构成。第二上部光导层118例如由ρ型GaN构成，其厚度例如为50nm。另外，第一上部光导层119设置在第二上部光导层118上。第一上部光导层119由ρ型的III族氮化物半导体构成。第一上部光导层119例如由ρ型Ala 18Ga0.82N构成，其厚度例如为20nm。另外，这些第一至第三上部光导层117?119的ρ型杂质(掺杂剂)例如为Mg。第一上部光导层119的ρ型杂质(掺杂剂)浓度例如为IX 1018cm_3。
[0056]如上所述，半导体基板112的主面112a包含III族氮化物半导体的c面。因此，在III族氮化物半导体的结晶轴方向上生长的第一上部光导层119的表面(与后述的P型包覆层122的界面)也具有III族氮化物半导体的极性面的性质。
[0057]电流限制层120是由堆积在第一上部光导层119上的多晶或非晶状的III族氮化物半导体(例如AlN)构成的层。另外，该电流限制层120包含开口 120a的形状，具有与上述电流限制层20 (参照图1)相同或类似的结构。
[0058]ρ型包覆层122和ρ型接触层123由ρ型的III族氮化物半导体构成。P型包覆层122是以填埋电流限制层120的开口 120a的方式生长在电流限制层120上和第一上部光导层119上，且是在形成电流限制层120的开口 120a之后再生长在电流限制层120上和第一上部光导层119上的层。ρ型包覆层122例如由ρ型Alatl6Gaa94N构成，ρ型接触层123例如由高浓度P型GaN构成。ρ型包覆层122和ρ型接触层123的厚度分别例如为500nm、50nm。另外，ρ型包覆层122和ρ型接触层123的ρ型杂质(掺杂剂)例如为Mg，ρ型包覆层122中的杂质(掺杂剂)浓度例如为I X 1018cm_3。
[0059]阳极电极124设置在ρ型接触层123上，且与ρ型接触层123形成欧姆接触。阴极电极126设置在半导体基板112的背面112b上，且与半导体基板112形成欧姆接触。
[0060]图7是示出具有以上结构的半导体激光元件100的厚度方向上的二次离子质量分析的结果的图表。另外，在图7中，横轴表示半导体激光元件100的厚度方向位置(原点处于P型接触层123的表面位置)，纵轴表示二次离子强度(即原子浓度)。在图7中，曲线Gll表示Al (铝)的分布概况，曲线G12表示In (铟)的分布概况。另外，曲线G13表示作为ρ型杂质(掺杂剂)的Mg (镁)的分布概况，曲线G14表示在活性层的生长以后的生长中并非故意添加的作为η型的杂质的Si的分布概况。
[0061]参照图7的曲线G14，可知在作为一例示出的半导体激光元件100中，在深度位置
0.55 μ m附近(其对应于P型半导体区域内部的第一上部光导层119与P型包覆层22a的界面附近)，并非故意添加的作为施主杂质的Si的浓度升高。上述界面位置从活性层分开某程度的距离，另一方面，该位置的电流限制层能够对活性层提供适当的电流扩散。施主杂质的浓度与在η型包覆层113或第一下部光导层114的生长时故意添加的Si的浓度大致同等或比该浓度大。
[0062]根据发明人的研究，认为这种Si浓度成为峰值的原因如下。在制作具有上述结构的半导体激光元件100时，电流限制层120的开口 120a是通过对电流限制层120进行蚀刻而形成的。此时，在从电流限制层120的开口 120a露出的第一上部光导层119的表面(即，与P型包覆层122的再生长界面)，产生作为施主而发挥作用的如氧或硅那样的并非故意添加的施主杂质的附着(堆积)。在通过使用有机金属原料的CVD使半导体层生长之前，能够进行使用H2或NH3等的1000°C以上的温度的热处理(热清洗)，从而实施用于生长的表面的清洗。通过该清洗，能够较佳地除去如上所述的并非故意添加的杂质的作用。但是，如果对具有电流限制层120的构造的元件进行这种高温下的清洗，则会产生作为非晶状的电流限制层120的结晶化，从而再生长层(P型包覆层122)的结晶品质降低。在电流限制层使用带隙较宽且绝缘性良好的晶格间隔较宽的III族氮化物半导体，但如果其结晶化，则会产生与P型包覆层的错配位错，结晶品质降低。因此，很难在P型包覆层122的再生长步骤之前进行这种高温下的清洗。
[0063]因此，在残留有施主杂质的再生长界面上使ρ型包覆层122生长。此处，图8的(a)部分和图8的(b)部分是示出半导体激光元件100的能带结构的图。另外，在图8的(a)部分和图8的(b)部分，参照标号BGl表示阱层116a中的带隙，单点划线A表示第一上部光导层119与ρ型包覆层122之间的再生长界面。如图8的(a)部分所示，若η型杂质残留在第一上部光导层119与ρ型包覆层122之间的再生长界面，则在再生长界面A的附近形成因残留的η型杂质引起的能级EL。该能级EL导致传导带的电子e与价带的空穴h产生非辐射复合。由此，产生供给到活性层的电流的损耗(图中的箭头U。通过该复合的产生，引起半导体激光元件100的阈值电流密度的上升。另外，由于在再生长界面A与活性层116之间也设置有P型半导体区域(第一上部光导层119)，因此如图8的(b)部分所示，形成局部性的Pnp构造(图中的B部分)，该构造使半导体激光元件100的动作电压上升。
[0064]在图1所示的本实施方式的半导体激光元件10中，电流限制层20的开口 20a也是通过对电流限制层20实施蚀刻而形成(参照图4的(a)部分和图4的(b)部分)。因此，在从开口 20a露出的第一 ρ型半导体区域18的表面，产生作为施主而发挥作用的氧或硅等施主杂质的附着(堆积)。另外，这种堆积在如本实施方式那样再生长界面为半极性面的情况时尤其明显。即，在产生绿色光的半导体激光元件10中，为了减小活性层16中的压电电场，使用以III族氮化物半导体的半极性面为主面12a的半导体基板12。在这种情况下，再生长界面也成为半极性面。而且，由于在半极性面中悬挂键(原子中的未结合键)较多，因此与c面、a面、或m面等低晶面指数面相比,施主杂质的导入较多。
[0065]针对这种问题，在本实施方式的半导体激光元件10中，第一 P型半导体区域18具有构成包含第一 P型半导体区域18与第二 P型半导体区域22的界面的区域的高浓度P型半导体层18c。在本实施例中，第一 ρ型半导体区域18的高浓度ρ型半导体层18c与第二P型半导体区域22接触。而且，该高浓度ρ型半导体层18c具有I X IO20Cm-3以上的极高的P型杂质(掺杂剂)浓度。另外，高浓度P型半导体层18c的(掺杂剂)浓度可为4X IO21CnT3以下。
[0066]如上所述，当使第二 ρ型半导体区域22在第一 ρ型半导体区域18上再生长时，在第一P型半导体区域18的表面产生成为施主杂质的如氧或娃那样的杂质的附着(堆积)。但是，在该半导体激光元件10中，由于高浓度ρ型半导体层18c的ρ型(掺杂剂)杂质扩散而补偿施主杂质，因此由施主杂质引起的影响(阈值电流密度上升或动作电压上升)减小。即，根据该半导体激光元件10，可减小由存在于半极性的再生长界面的施主杂质引起的影响。
[0067]另外，如本实施方式那样，高浓度P型半导体层18c的厚度优选为IOnm以下。根据本发明人的见解，存在于再生长界面的施主杂质的厚度方向分布的半宽值为IOnm左右，通过使高浓度P型半导体层18c的厚度不超过该值，可防止具有过剩的P型杂质浓度的区域明显大于施主杂质的堆积区域，从而能够保持半导体激光元件10的良好的动作特性。
[0068]另外，如本实施方式那样，高浓度ρ型半导体层18c也可以仅设置在第一 P型半导体区域18。根据这种构成，可提供较佳地发挥上述效果的半导体激光元件10。另外，并不限于本实施方式，高浓度P型半导体层也可以设置在第二 P型半导体区域22。具体而言，高浓度P型半导体层也可以在使第二 P型半导体区域22在第一 ρ型半导体区域18上再生长时，在P型包覆层22a之前生长。或者，高浓度ρ型半导体层也可以设置在第一和第二 P型半导体区域18、22双方。通过这些高浓度ρ型半导体的配置，也能够提供较佳地发挥上述效果的半导体激光元件10。
[0069]另外，如本实施方式那样，活性层16的第一 P型半导体区域18侧的界面、与高浓度P型半导体层18C的活性层16侧的界面之间的距离优选为200nm以上。通过如上所述使活性层16与高浓度ρ型半导体层18c之间的间隔变宽，可抑制因高浓度ρ型半导体层18c的P型(掺杂剂)杂质而引起的光吸收作用，能够抑制激光振荡效率的降低。另外，活性层16与高浓度ρ型半导体层18c之间的间隔优选为200nm以上500nm以下。另外，在本实施方式中，上述距离相当于第三上部光导层19、第二上部光导层18b以及第一上部光导层18a的总计厚度，在一实施例中为320nm。
[0070]另外，ρ型(掺杂剂)杂质的光吸收特性在500nm以上的波段中尤其明显。因此，在激光振荡的谐振波长为500nm以上时，本实施方式中的ρ侧半导体区域的构造抑制由高浓度P型半导体层18c的P型(掺杂剂)杂质引起的光吸收作用，优选进一步抑制激光振荡效率的降低。
[0071 ] 本实施方式中，在具有开口的电流限制层上包含P型包覆层、且该P型包覆层与基底的半极性面形成接合界面的III族氮化物半导体激光元件中，能够减小该接合界面中的施主杂质的影响。
[0072]半导体激光元件10具有η型半导体区域、活性层以及设置在上述活性层上的III族氮化物区域。活性层设置在η型半导体区域与III族氮化物区域之间。III族氮化物区域包含第一P型半导体区域、电流限制层以及第二 P型半导体区域。电流限制层由III族氮化物构成。第一 P型半导体区域的主面包含半极性面。第一 P型半导体区域由P型的III族氮化物半导体构成。电流限制层具有设置在第一P型半导体区域的主面上的开口。第二P型半导体区域由P型的III族氮化物半导体构成，且设置在上述第一 P型半导体区域上和电流限制层上。另外，第二P型半导体区域经由电流限制层的开口而与第一P型半导体区域的主面连接、且形成接触。活性层的激光振荡的振荡波长为500nm以上，且优选为高浓度P型半导体层从活性层分开200nm以上的距离而隔开配置。
[0073]III族氮化物区域包含第一 ρ型半导体部分、第二ρ型半导体部分以及第三ρ型半导体部分。第一P型半导体部分设置在第一P型半导体区域内。第二P型半导体部分设置在第二 P型半导体区域内。第三P型半导体部分包含第一 P型半导体区域与第二 P型半导体区域的接触界面。第三P型半导体部分与第一 P型半导体部分形成接触，第三P型半导体部分与第二 P型半导体部分形成接触。第一 P型半导体部分包含施主杂质。III族氮化物区域在第一 P型半导体部分、第二 P型半导体部分以及第三P型半导体部分具有沿着从第一 P型半导体部分向第二 P型半导体部分的方向增加后减少的P型掺杂剂分布。例如，第一 P型半导体部分的P型掺杂剂浓度可以为IX IO2tlCnT3以上。第三P型半导体部分的P型掺杂剂浓度比第三P型半导体部分的硅浓度等施主杂质的浓度大。电流限制层可以具有非晶的III族氮化物。电流限制层可以具有多晶的III族氮化物。电流限制层具有氮化铝(AlN)0
[0074]设置与第二 P型半导体区域形成接触的电极。第二 P型半导体区域包含P型包覆层和P型接触层，该P型包覆层包含比P型接触层的P型掺杂剂浓度低且比第三P型半导体部分的P型掺杂剂浓度低的区域。
[0075]第一 ρ型半导体区域的主面包含第一区域和第二区域，第二区域形成为条纹形状，第一区域位于第二区域的两侧。电流限制层与第一区域形成接触，第二 P型半导体区域与第二区域形成接触。III族氮化物半导体激光元件包含用于光谐振器的一对端面，第二区域从一对端面的一方延伸至另一方。电极的宽度比开口的宽度大。另外，电极的宽度比第二区域的宽度大。而且，电极的宽度比第二区域的条纹宽度大。电极的宽度、开口的宽度、第二区域的宽度以及条纹宽度是在与谐振器方向正交的方向上规定。
[0076]η型半导体区域、上述活性层以及上述III族氮化物区域搭载于基板的半极性主面上。基板的半极性主面由III族氮化物构成。另外，基板能够由如GaN那样的III族氮化物构成。基板的III族氮化物的c轴与主面的法线轴形成角度。该角度处于10度以上80度以下的范围内、或100度以上170度以下的范围内。而且，上述角度在由c轴与m轴预定的平面内处于63度以上80度以下的范围内、或100度以上117度以下的范围内。
[0077]虽然在较佳的实施方式中图示并说明了本发明的原理，但本领域技术人员应理解本发明能够在不脱离上述原理的范围内能够对配置和详细内容进行变更。本发明并不限定于本实施方式所公开的特定的结构。因此，对出自权利要求及其精神范围的全部修正和变更主张权利。
[0078]产业上的可利用性
[0079]本实施方式能够提供一种具有在包含开口的电流限制层上再生长有P型包覆层的结构、且能够减小再生长半极性面的界面中的施主杂质的影响的III族氮化物半导体激光元件。
[0080]标号说明:
[0081]10…III族氮化物半导体激光元件、12...半导体基板、14...η型半导体区域、14a…η型包覆层、14b…第一下部光导层、14c…第二下部光导层、16...活性层、16a…讲层、16b…阻隔层、18...第一 ρ型半导体区域、18a…第一上部光导层、18b…第二上部光导层、18(τ..高浓度P型半导体层、19...第三上部光导层、20...电流限制层、22…第二 ρ型半导体区域、22a…ρ型包覆层、22b…下部接触层、22c…上部接触层、24…阳极电极、26…阴极电极、A-再生长界面、e…电子、h…空 穴。
【权利要求】
1.一种III族氮化物半导体激光元件，其特征在于，具有: η型半导体区域，由η型的III族氮化物半导体构成； 活性层，由III族氮化物半导体构成，设置在所述η型半导体区域上； 第一 P型半导体区域，由P型的III族氮化物半导体构成，设置在所述活性层上； 电流限制层，设置在所述第一 P型半导体区域上，具有在预定的激光谐振方向上延伸的开口 ；以及 第二 P型半导体区域，由P型的III族氮化物半导体构成，在形成所述电流限制层的所述开口之后，再生长在所述第一P型半导体区域上和电流限制层上， 所述第一 P型半导体区域中的与所述第二 P型半导体区域的界面具有该III族氮化物半导体的半极性面， 所述第一 P型半导体区域和第二 P型半导体区域中的至少一个具有构成所述第一 P型半导体区域与所述第二 P型半导体区域之间的界面且具有I X IO20Cm-3以上的P型杂质浓度的高浓度P型半导体层。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述高浓度P型半导体层的厚度为IOnm以下。
3.根据权利要求1或2所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述高浓度P型半导体层仅设置于所述第一 P型半导体区域。
4.根据权利要求1~3中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述活性层的所述第一 P型半导体区域侧的界面、与所述高浓度P型半导体层的所述活性层侧的界面之间的距离为200nm以上。
5.根据权利要求1~4中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 该III族氮化物半导体激光元件的激光振荡的谐振波长为500nm以上。
6.根据权利要求1~5中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述活性层的振荡波长为500nm以上， 所述高浓度P型半导体层从所述活性层分开200nm以上的距离而隔开配置。
7.—种III族氮化物半导体激光元件，具有: η型半导体区域，由η型的III族氮化物半导体构成； 活性层，由III族氮化物半导体构成，设置在所述η型半导体区域上；以及 III族氮化物区域，设置在所述活性层上， 所述III族氮化物区域包含: 第一 P型半导体区域，由P型的III族氮化物半导体构成； 电流限制层，设置在所述第一 P型半导体区域的主面上，具有开口 ；以及第二 P型半导体区域，由P型的III族氮化物半导体构成，经由所述电流限制层的所述开口而与所述第一 P型半导体区域的所述主面连接，设置在所述第一 P型半导体区域上和电流限制层上， 所述电流限制层由III族氮化物构成，所述第一 P型半导体区域的所述主面包含半极性面， 所述III族氮化物区域包含设置在所述第一 P型半导体区域内的第一 P型半导体部分、设置在所述第二 P型半导体区域内的第二 P型半导体部分以及包含所述第一 P型半导体区域与所述第二 P型半导体区域之间的接触界面的第三P型半导体部分， 所述第三P型半导体部分与所述第一 P型半导体部分形成接触， 所述第三P型半导体部分与所述第二 P型半导体部分形成接触， 所述第三P型半导体部分包含施主杂质， In族氮化物区域在所述第一 P型半导体部分、所述第二 P型半导体部分以及所述第三P型半导体部分具有沿着从所述第一 P型半导体部分向所述第二 P型半导体部分的方向增加后减少的P型掺杂剂分布。
8.根据权利要求7所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述第三P型半导体部分的P型掺杂剂浓度为I X IO20Cm-3以上。
9.根据权利要求7或8所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述第三P型半导体部分的P型掺杂剂浓度比所述第三P型半导体部分的硅浓度大。
10.根据权利要求7~9中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述电流限制层具有氮化铝。
11.根据权利要求7~10中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述电流限制层具有非晶的III族氮化物。
12.根据权利要求7~11中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述电流限制层为多晶的III族氮化物。
13.根据权利要求7~12中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述第二 P型半导体区域包含P型包覆层和P型接触层， 所述P型包覆层包含浓度比所述P型接触层的P型掺杂剂浓度低、且比所述第三P型半导体部分的P型掺杂剂浓度低的区域。
14.根据权利要求7~13中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述第一 P型半导体区域的主面包含第一区域和第二区域， 所述电流限制层与所述第一 P型半导体区域的所述主面的所述第一区域形成接触， 所述第二 P型半导体区域与所述第一 P型半导体区域的所述主面的所述第二区域形成接触， 所述第二区域形成为条纹形状。
15.根据权利要求14所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述III族氮化物半导体激光元件包含用于光谐振器的一对端面， 所述第二区域从所述一对端面的一方延伸到另一方。
16.根据权利要求15所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于，所述III族氮化物半导体激光元件还具有与所述第二 P型半导体区域形成接触的电极， 所述电极的宽度比第二区域的条纹宽度大。
17.根据权利要求7~16中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述III族氮化物半导体激光元件还具有基板，该基板具有搭载所述η型半导体区域、所述活性层以及所述III族氮化物区域的半极性的主面， 所述主面由III族氮化物构成。
18.根据权利要求17所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述基板由III族氮化物构成， 所述基板的所述III族氮化物的C轴与所述主面的法线轴形成角度， 所述角度处于10度以上80度以下的范围内、或100度以上170度以下的范围内。
19.根据权利要求17或18所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述角度处于63度以上80度以下的范围内、或100度以上117度以下的范围内。
20.根据权利要求7~19中的任意一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其特征在于， 所述施主杂质包含氧和娃中的至少任意一种。
【文档编号】H01S5/323GK103620895SQ201280029797
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年7月18日 优先权日:2011年7月26日
【发明者】住友隆道, 上野昌纪, 善积祐介, 吉田乔久, 足立真宽 申请人:住友电气工业株式会社