专利名称：半导体发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及氮化物系III-V族化合物半导体发光元件、特别是从蓝紫光到紫外光的短波长区域的半导体发光元件及其制造方法。
背景技术：
为了扩大光盘的记录容量，要求缩短数据的读出/写入所必须的激光的波长。在现在正在普及的DVD的播放器及录音机中，广泛使用着波长660nm带的红色半导体激光器。该红色半导体激光器，例如通过使InGaAlP系化合物半导体在GaAs基板上外延成长后制造而成。
近几年来，为了与DVD相比，扩大记录容量，正在更加积极地开发着下一代的光盘。作为这种下一代的光盘使用的光源，要求能够稳定地放射出波长比红色的光更短的蓝紫色的激光(波长为400nm带)。波长为400nm带的GaN系半导体激光器，作为Blu-ray Disc(商标)等的下一代光盘的记录再生光源，最受期待。但是为了实用化，还存在必须解决的几个问题。
在GaN系半导体激光器的电流—光输出特性曲线中，要求在高光输出区域中不发生弯曲。电流—光输出特性曲线上的弯曲，是由于激光器的水平横模不稳定而产生的。所以，希望实现能够使水平横模稳定化的激光器结构。
另一方面，GaN系半导体，由强固的结晶构成，在化学方面也很稳定，所以难以采用湿腐蚀技术进行加工。这样，水平横模的控制所必需的脊形结构，就得用干腐蚀加工GaN系半导体层后形成。通过干腐蚀形成脊形结构的GaN系激光器的室温连续振荡的报道，已经见诸专业期刊(IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.4(1998)483-489、及Japanese Journal of Applied physics，Vol.41(2002)1829-1833)。
可是，采用干腐蚀的GaN系半导体的细微加工缺乏控制性，所以难以进行工艺控制，以便在基板面内以均匀的深度进行腐蚀。按照基板上位置，腐蚀深度变化后，在同一个基板上制作的多个半导体激光器中，就有可能产生使水平横模不稳定、在电流一光输出特性曲线上发生弯曲的元件。另外，不仅基板面内，而且在每个批量处理中的工艺再现性也不高。这些情况导致GaN系激光器的制造成品率下降，制造成本剧增。
最近，有人想出了通过选择再成长形成GaN系激光器的脊形结构的技术(Japanese Journal of Applied Physics，Vol.40(2001)L925-L927)。采用该文献讲述的方法，在活性层上形成若干层的半导体层后，用二氧化硅(SiO2)膜覆盖应该形成脊形结构的区域以外的区域。然后，进行第2次结晶成长，从而有选择地使半导体层在未用SiO2膜覆盖的区域上再成长，形成脊形结构。采用该方法后，不通过干腐蚀加工半导体层就能形成脊形结构，所以提供了均匀性及再现性优异的制造方法。进而，还具有能够避免干腐蚀对活性层造成损伤的优点。
可是，采用这种选择再成长技术时，难以避免在成为掩膜的SiO2膜上析出许多GaN系的多结晶(聚结构)。因此，为了改善提高了激光器的光输出后的散热性，用连接在下(junction down)配置安装激光器元件后，与散热器或副安装座(sub mount)的密接性下降，产生固定不良等问题。
进而，由于形成脊形结构的区域以外的结晶表面，用SiO2膜覆盖着，所以还存在热传递·散热性不良、激光器寿命变短的缺点。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而研制的，本发明的主要目的在于提供不需要旨在使电流狭窄的脊形结构的具有新的电流狭窄结构的半导体发光元件。
另外，本发明的其它目的，在于提供水平横模控制和散热性优异、实现了在高光输出动作下的无弯曲和长寿命化的半导体发光元件。
本发明的另一个目的，在于提供用高合格率和低成本制造上述半导体发光元件的方法。
本发明的半导体发光元件，具有第1III-V族化合物半导体，由在所述第1III-V族化合物半导体的表面选择的区域上成长的第2III-V族化合物半导体形成、向振荡器长度方向延伸、具有条状开口部的电流狭窄层，覆盖通过所述条状开口部做媒介而露出的所述第1III-V族化合物半导体的表面及所述电流狭窄层的表面的第3III-V族化合物半导体。
在理想的实施方式中，所述电流狭窄层，具有朝着所述条状开口部突出的一对突出部。
在理想的实施方式中，所述一对突出部的每一个，与所述第1III-V族化合物半导体的所述表面的一部分之间，形成空隙部。
在理想的实施方式中，所述空隙部，具有10nm以上的高度和0.1μm以上的宽度。
在理想的实施方式中，所述第3III-V族化合物半导体中，通过所述条状开口部做媒介，和所述第1III-V族化合物半导体的表面接触的部分的宽度，在0.5μm以上3μm以下。
在理想的实施方式中，权利要求1～4的任一项所述的半导体发光元件，所述第1III-V族化合物半导体，具有包含活性层的叠层构造。
在理想的实施方式中，所述III-V族化合物半导体是氮化镓系。
在理想的实施方式中，所述电流狭窄层，包括含铝的氮化镓层；所述电流狭窄层的厚度，在0.1μm以上0.5μm以下。
在理想的实施方式中，所述第2III-V族化合物半导体的电气性的导电型，和所述第1III-V族化合物半导体的电气性的导电型相反。
在理想的实施方式中，所述第3III-V族化合物半导体的电气性的导电型，和所述第1III-V族化合物半导体的电气性的导电型相同。
在理想的实施方式中，所述第2III-V族化合物半导体的电气性的导电型，是n型。
采用本发明的半导体发光元件的制造方法，包括在第1III-V族化合物半导体上形成条状的掩膜层的工序(A)；在所述第1III-V族化合物半导体的表面中没有被所述掩膜层覆盖的区域上，有选择地使第2III-V族化合物半导体成长，从而形成具有被所述掩膜层规定的条状开口部的电流狭窄层的工序(B)；有选择地除去所述掩膜层的工序(C)；使覆盖通过所述条状开口部做媒介而露出的所述第1III-V族化合物半导体的表面及所述电流狭窄层的表面的第3III-V族化合物半导体成长的工序(D)。
在理想的实施方式中，所述工序(B)，包含使所述第2III-V族化合物半导体朝着所述掩膜层的中央部横向成长，从而在所述电流狭窄层形成一对突出部。
在理想的实施方式中，所述工序(C)，包含除去所述掩膜层中位于所述电流狭窄层的突出部的下方的部分，使所述突出部朝着所述条状开口部突出。
在理想的实施方式中，所述工序(D)，包含在所述第1III-V族化合物半导体和所述突出部之间，形成空隙部。
在理想的实施方式中，将所述掩膜层的宽度，设定在0.5μm以上3μm以下；而且将所述第3III-V族化合物半导体中通过所述条状开口部做媒介和所述第1III-V族化合物半导体的表面接触的部分的宽度，设定在0.5μm以上3μm以下。
在理想的实施方式中，所述第1III-V族化合物半导体，具有包含活性层的叠层构造。
在理想的实施方式中，所述III-V族化合物半导体，是氮化镓系。
在理想的实施方式中，所述电流狭窄层，包括含铝的氮化镓层；所述电流狭窄层的厚度，在0.1μm以上0.5μm以下。
图1是表示本发明涉及的半导体激光器的结构的剖面图。
图2～图10是表示图1的半导体激光器的制造方法的工序剖面图。
图11是表示本发明现有技术的半导体激光器(比较例1)的结构的剖面图。
图12～图15是表示图11的半导体激光器的制造方法的工序剖面图。
图16是表示半导体激光器的比较例2的结构的剖面图。
图17是表示半导体激光器的比较例3的结构的剖面图。
图18是表示本实施方式中的电流—光输出特性的曲线图。
图19是表示比较例1中的电流—光输出特性的曲线图。
图20是表示比较例2中的电流—光输出特性的曲线图。
图21(a)～(c)是表示电流狭窄层75的条状开口部的剖面的图形，其中图21(a)是表示形成第2光导向层72b之前的阶段，图21(b)是表示形成第2光导向层72b过程中的阶段，图21(c)是表示形成第2光导向层72b之后的阶段。
具体实施例方式
下面，参照附图，讲述本发明的实施方式。
首先，参照图1。图1示出本实施方式涉及的GaN系半导体激光器的剖面。该半导体激光器，具有以(0001)为主面的蓝宝石基板61，在该基板61上设置的半导体层叠结构，和电极79、80。该层叠结构，从靠近基板61的一侧起，依次包含以下的表1所示的结构层。
p型电极79，由镍(Ni)、铂(Pt)及金(Au)形成，设置在位于层叠结构的最上层的p型接触层77上。另一方面，n型电极80，由钛(Ti)及铝(Al)形成，设置在n型接触层62上。p型电极79和n型电极80，被由二氧化硅(SiO2)形成的绝缘膜78电气性地分离。
上述各半导体层的详细结构及功能，我们将在讲述图1的半导体激光器的制造方法时，予以介绍。
下面，讲述本实施方式的半导体激光器的理想的制造方法的实施方式。
首先，在基板61上，层叠图1所示的层62～72a。更具体地说，首先预备以(0001)面为主面的蓝宝石基板61，使用酸溶液对基板61进行洗涤。将洗净的基板61在有机金属气相成长(MOVPE)装置(未图示)的反应炉内的感受器中保持，将反应炉抽成真空。
接着，使反应炉内充满压力为300Toor的氢保护气氛，使反应炉的温度上升到约1100℃，加热基板61，从而对基板61的表面进行约10分钟的热清洗。
将反应炉的温度下降到约500℃后，向基板61的主面上，同时供给供给量为7sccm的三甲镓(TMG)和供给量为7.5slm的氨(NH3)气，作为载气供给氢。这样，成长出厚度约20nm的GaN的低温缓冲层(未图示)。
接着，使反应炉内的温度上升到约1000℃，作为n型掺杂剂，还向反应炉内供给硅烷(SiH4)气体。这样，就使由Si杂质浓度约1×1018cm-3的n型GaN构成的n型接触层62以约4μm的厚度在低温缓冲层(未图示)上成长。
然后，还向反应炉内供给三甲铝(TMA)，使由Si杂质浓度为5×1017cm-3的n型Al0.07Ga0.93N构成的n型接地层63以约0.7μm的厚度在n型接触层62上成长。
接着，使厚度约120nm、由Si杂质浓度约1×1018cm-3的n型GaN构成的第1光导向层64成长。然后，将反应炉内的温度降至800℃，将载气由氢变更成氮。这样，供给三甲铟(TM1)和TMG，使厚度约3nm、由In0.1Ga0.9N构成的量子阱65、67、69，和厚度约9nm、由GaN阻挡层66、68构成的多重量子阱活性层交替成长。
接着，为了抑制p型掺杂剂向活性层的扩散，使由厚度约50nm的不掺杂GaN层构成的金属帽层70成长。然后，再将反应炉内的温度上升到约1000℃，将载气从氮返回氢后，一面供给p型掺杂剂——二茂合镁(Cp2Mg)气体，一面成长厚度约20nm、由Mg杂质浓度为5×1017cm-3的P型Al0.18Ga0.82N构成的金属帽层71。
然后，成长厚度约120nm、由Mg杂质浓度为1×1018cm-3的p型GaN构成的第2光导向层72a。
至此，在基板61的(0001)面上使各半导体层连续地成长。换言之，根本不进行采用腐蚀的半导体层的布图。因此，各半导体层的厚度不因基板61的位置不同而变，大致一样，还不会形成设置图1所示的n型电极80的部分。
接着，参照图2。为了简化，图2略去基板61、n型接触层62及n型接触层63，只示出从n型GaN光导向层64起的以上的部分。在以后参照的图3～图10中也一样。
如所示，将在最上部形成了第2光导向层72a的基板61，从反应炉取出。然后，如图3所示，在P型GaN层72a上，形成选择成长用的绝缘膜73。绝缘膜73，例如使用等离子体CVD装置，由堆积的SiO2而成，其厚度为10～200nm，例如设定成40nm左右后获得。
接着，如图4所示，在绝缘膜73上涂敷抗蚀剂膜74后，通过光刻蚀术工序中的曝光、显影，在抗蚀剂膜74上布图。图5示出这样布图后的抗蚀剂膜74的剖面形状。布图后的抗蚀剂膜74，具有向振荡器长度方向延伸的条状。图5只示出多个条状中的一个的剖面。在本实施方式中形成的抗蚀剂膜74的条状图案，具有以200～1000μm、例如以500μm的周期形成条状的平面布局。在本实施方式中，各条状的宽度，设定成约3μm，从基板61除去的抗蚀剂部分(开口部)的宽度(垂直于振荡器长度方向的尺寸)约500μm。
在本实施方式中，被布图的抗蚀剂膜74的各条状部分的方向，是平行于振荡器长度方向(基板61的<1-100>方向)，但条状的宽度，不需要沿着振荡器长度方向都一样。振荡器端面部分的宽度，有时比其它部分的宽度狭窄。
然后，绝缘膜73中，将未被抗蚀剂膜74覆盖的露出部分，用氟酸溶液的湿腐蚀除去，如图6所示，使P型GaN层72a的上面露出。接着，如图7所示，使用丙酮等有机溶液除去抗蚀剂膜74。这样布图的绝缘膜73，作为选择成长的“掩膜层”发挥作用。
然后，为了使作为n型电流狭窄层发挥作用的半导体层选择性地成长，将布图成条状的、堆积了绝缘膜73的基板61，再度在MOVPE装置的反应炉内的感受器中保持，将反应炉内抽成真空。使半导体层在从反应炉内取出的、形成掩膜层等的基板上成长时，有时将该成长称作“再成长”。
接着，使反应炉内充满压力为200Toor的氢保护气氛，使反应炉的温度上升到约1000℃。这样，如图8所示，成长厚度约200nm、由Si杂质浓度为5×1017cm-3的n型Al0.04Ga0.96N构成的电流狭窄层75。
在选择成长的条件下，不使电流狭窄层75在绝缘膜73上成长，只在p型GaN层72a的露出的表面上有选择地成长。
电流狭窄层75，在半导体激光器的动作时，具有限制空穴向活性层注入的功能。因此，空穴注入就通过不存在电流狭窄层75的条状区域做媒介而产生。其结果，电流的流动在电流狭窄层75的作用下，在宽度狭窄的区域变得狭窄。变得狭窄的电流的宽度，由在电流狭窄层75中的条状开口部的宽度限定。而且，可以利用选择成长的掩膜层(布图的绝缘膜73)的宽度及选择成长条件，控制电流狭窄层75中的条状开口部的宽度。
电流狭窄层75的厚度。最低也需要100nm。如果电流狭窄层75过薄，从电流狭窄层75的上面向内部注入的空穴，就会向下方扩散，电流就会在电流狭窄层75中流动。为了充分抑制这种空穴注入及扩散电流，最好将电流狭窄层75的厚度设定成空穴的扩散长左右或扩散长以上的大小。
砷化镓(GaAs)及磷化铟(lnP)等其它III-V族化合物半导体时，其正穴扩散长是1μm左右。因此，由这些III-V族化合物半导体形成电流狭窄层时，其厚度最好为1μm左右或1μm以上。
与此不同，GaN系半导体时，由于空穴的有效质量大，所以其扩散长短，是0.2μm左右。这样，就象本实施方式那样，可以将由AlGaN构成的电流狭窄层75的厚度，设定成200nm＝0.2μm。本实施方式中的电流狭窄层75的理想的厚度范围，是0.1～0.5μm。
此外，如果由砷化镓(GaAs)及磷化铟(InP)形成电流狭窄层时，其厚度必须在1μm左右或1μm以上。要用选择成长法形成如此厚的层时，在选择成长的过程中，存在电流狭窄层75向绝缘膜73上横向过度成长的问题。这种向横向的成长，称作ELO(Epitaxially Lateral Overgrowth)。过度地产生ELO成长后，由于电流狭窄层75覆盖绝缘膜73的整个面，所以就不能适当地形成为了使电流流过而必须的条状开口。
另外，在进行选择成长的期间，需要促进绝缘膜73的表面中的Ga及Al的移动。但如果实施长时间的选择成长后，由于移动变得不充分，所以和ELO不同，存在容易在绝缘膜73上直接形成多结晶(聚结构)的问题。
可是，在本实施方式中，因为由AlGaN形成电流狭窄层75，所以可以将其厚度薄到200nm左右或200nm以下，这样就能够消除上述问题。
正如后文所述，形成电流狭窄层75后，实施由p型GaN构成的第2光导向层72b的成长。这时，在条状开口部中存在与电流狭窄层75的厚度对应的阶差。该阶差较大后，在其上成长的第2光导向层72b容易诱发结晶缺陷。但如本实施方式这样，使用厚度为200nm的电流狭窄层75时，能够再成长结晶缺陷较少的p型GaN层72b。
此外，为了适当控制空穴向活性层的注入，不仅控制电流狭窄层75的厚度，而且还要控制电流狭窄层75中的电子浓度，这也十分重要。GaAs及lnP等其它III-V族化合物半导体时，由于空穴的扩散长是1μm左右，所以需要将电流狭窄层75中的电子浓度(n型掺杂剂浓度)设定得较高。另一方面，在本实施方式中的电流狭窄层75，由于空穴的扩散长较短，所以可将该电子浓度设定得较低。
如果增加成长的半导体中的n型掺杂剂浓度(例如Si的浓度)，GaN系半导体的ELO成长就有受到抑制的倾向。可是，在本实施方式中，由于能够将电流狭窄层75中的n型浓度设定得很低，所以可以积极地利用ELO成长。利用ELO成长而使电流狭窄层75向横方向成长后，利用使条状开口部的宽度远比掩膜层的宽度狭窄。例如，通过光刻蚀术及腐蚀难以稳定地形成条状宽度为2μm以下的掩膜层(绝缘膜73)。但采用本发明的理想的实施方式，在制作比较宽的绝缘膜73(掩膜层)后，在形成电流狭窄层75之际，通过调节其选择成长条件，可以使条状开口部的宽度窄到2μm以下。
在本实施方式中，将绝缘膜73的宽度设定成3μm左右。因此，飞到绝缘膜73的表面来的Ga及Al的供给原子，在绝缘膜73上移动，容易到达正在成长的电流狭窄层75。这有助于抑制在绝缘膜73上发生多结晶(聚)。这样，从抑制绝缘膜73上的多结晶的成长这一角度上说，绝缘膜73的条宽，最好设定成3μm以下。
综上所述，通过调节电流狭窄层75的选择成长条件，可以将电流狭窄层75中的向绝缘膜73上横向突出的部分的大小，控制成任意的水平。在本实施方式中，将绝缘膜73的条宽设定成3μm，但是随着电流狭窄层75的ELO成长，将条状开口部的宽度(绝缘膜73的露出区域宽度)定为1.5μm左右。这样，电流注入区域的宽度就被规定成1.5μm左右。
这样，采用本实施方式后，由于能够适当控制动作时的激光器驱动电流的狭窄，所以还能高精度地控制振荡的激光的水平横模。
本实施方式中，不需要为了形成脊形而进行干腐蚀(逃避干腐蚀)，只在成长时调节p型Al0.18Ga0.82N金属帽层71及p型GaN光导向层72a的厚度，就能控制“p型半导体剩余部分的厚度”。因此，能够在基板面内而且不依赖制造工艺地设计、控制水平横模控制。
上述的电流狭窄层75制作完毕后，为了使p型半导体层在整个结晶表面上全面成长，所以将基板61从反应炉取出。然后，采用氟酸溶液的湿腐蚀，有选择地除去绝缘膜73，如图9所示，露出p型GaN层72a。
由于绝缘膜73的一部分被电流狭窄层75覆盖，所以除去绝缘膜73后，就在电流狭窄层75的突出的部分之下形成空隙。
图21(a)是表示除去绝缘膜73后的状态的剖面图。在电流狭窄层75中，将向绝缘膜73上延伸的部分(突出部)75b的横向尺寸，用“W1”表示。在突出部75b的底面和第2光导向层72a的表面之间，存在空隙，其空隙取决于绝缘膜73的厚度。即如果绝缘膜73的厚度是40nm，那么上述间隙的厚度(高度)也等于40nm。
此外，采用各向异向性高的腐蚀除去绝缘膜73时，绝缘膜73的一部分就剩余在突出部75b的下方。进行这种腐蚀后，由于散热性下降，所以会产生激光器元件的寿命变短的问题。
设两个相对的突出部75b的间隔为“W0”时，绝缘膜73的宽度就等于“W0+2W1”。通过控制ELO成长，能够高精度地调节W1。因此，能够再现性良好地将W0的大小调节成比光刻蚀术及腐蚀中的加工尺寸更小的值。例如，布图的绝缘膜73的宽度(＝W0+2W1)是3μm时，使W1＝0.75μm地成长电流狭窄层75后，开口部的宽度就成为W0＝3μm-2×0.75μm＝1.5μm。假如将布图的绝缘膜73的宽度设定成1.5μm时，如果不控制ELO后，间隔W0有可能成为零，不能适当形成开口部。因此，采用本实施方式后，由于通过利用ELO，控制间隔W0，所以如前所述，最好将布图的绝缘膜75的宽度(＝W0+2W1)设定成3μm以上。
接着，将基板61再度在MOVPE装置的反应炉内的感受器中保持，将反应炉抽成真空。接着，使反应炉内充满压力为200T00r的氢保护气氛，使温度上升到1000℃，在基板61的整个面上成长厚度约20nm、由Mg杂质浓度为1×1018cm-3的P型GaN构成的第2光导向层72b。
图21(b)及(c)，是第2光导向层72b的成长过程的示意剖面图。在本实施方式中，如1(b)所示，在第2光导向层72b中，存在着在第1光导向层72a的表面成长的部分72b’。该部分72b’，1(c)所示，不久就和在电流狭窄层75上成长的第2光导向层72b形成一体。部分72b’的厚度，成为和电流狭窄层75的突出部75b之下的间隙等同程度后，宽度W0的开口部就被部分72b’堵塞。因此，在突出部75b和第1光导向层72a之间存在的间隙，不会被第2光导向层72b完全堵住，在突出部75b和第1光导向层72a之间，最终还留着间隙。
为了形成上述空隙，在本实施方式中，能够将第1光导向层72a和第2光导向层72b的接触部分的宽度W2(1(c))，做得小于绝缘膜73的宽度。由于空隙部分具有比半导体高的绝缘性，成为空穴注入的高壁障，所以对使电流在狭窄的区域狭窄十分有益。空隙的宽度(与振荡器长垂直方向的尺寸)，例如可以设定在0.1～0.5μm的范围内。另外，该空隙的厚度，被绝缘膜73的厚度调节。但如果绝缘膜73过厚，就不能形成空隙。因此，空隙的厚度，最好设定在0.01～0.2μm的范围内。
此外，在图21(a)～(c)中，为了简化，记述了较厚地形成第2光导向层72b后完全堵塞电流狭窄层75的开口部的情况，可是，在现实中，却是较薄(在本实施方式中，为20nm左右)地形成第2光导向层72b。这时，在图21(b)所示的状态中，就成为第2光导向层72b的成长结束，在其上形成上层的半导体层的情况。
形成第2光导向层72b后，如图10所示，在成长厚度约0.7μm、由Mg杂质浓度5×1017Cm-3的p型Al10.07Ga0.93N构成的p型接地层76后，再成长厚度约0.1μm、由Mg杂质浓度1×1018Cm-3的p型GaN构成的p型接触层77。在图10中，为了简化，没有图示出第2光导向层72b和p型接地层76的界线。
这些结晶成长(再成长)后，首先进行p型半导体层的活性化加热处理。从MOVPE装置的反应炉中取出基板，为了实施p型杂质活性化的加热处理而装入退火炉中。接着，将退火炉抽成真空后，导入供给量为3slm的氮气，达到大气压后，在750℃中加热处理30分钟。加热处理后，将基板降温到室温，从退火炉取出。
下面，再次参阅图1，讲述剩下的制造工艺。
上述加热处理结束后，用由SiO2构成的绝缘膜覆盖n型电极80的形成位置以外的部分。然后，将该绝缘膜作为腐蚀掩膜，通过干腐蚀除去迭层结构的露出部分。该腐蚀进行到使n型接触层62的一部分露出为止。接着，用绝缘膜78覆盖形成p型电极79和n型电极80的区域以外的区域。绝缘膜78被用来将p型电极79和n型电极80电气性分离。
然后，采用蒸镀及搬走法等，分别形成p型电极79及n型电极80。
由以上的讲述可知在本实施方式中，由于不需要为了形成控制水平横模所必须的脊形结构而进行的干腐蚀，所以激光器结构的加工工艺容易、简单。因此，可以使制造成品率上升、成本下降。
接着，进入激光共振器端面的劈开工序。首先，从蓝宝石基板的背面研磨基板61，将其总膜厚薄膜化到100μm左右。然后，用劈开装置(未图示)将基板61劈开，以便在脊条方向和垂直方向形成共振器端面。在这个阶段，可以制作将劈开断面作为激光共振器(共振器长750μm)的杆状的激光器元件。
接着，在激光共振器的后端面，进行高反射膜涂敷。高反射膜，例如，具有由SiO2及TiO的3对构成的介电体多层膜结构。
最后，对杆状的激光器元件进行二次劈开，分离成激光器芯片，用p型面朝下安装到激光器喷枪上。安装时，通过软钎料做媒介，将激光器芯片安装到由碳化硅(SiC)构成的副安装座上。
采用上述制造方法制作的激光器元件，可以在室温中连续发光。临界值电流、倾斜效率及振荡波长，分别是30mA、1、2W/A、405nm。电流—光输出特性的弯曲能量在100mW以上。
图18示出本实施方式中的激光器元件中的电流-光输出特性。由图18可知本实施方式涉及的激光器元件，在100mW左右的高光输出动作中水平横模也很稳定。这表明在采用选择成长技术形成的电流狭窄层75的作用下，对横模进行了彻底的控制。
进而，对远视野象(FFP)进行评价后，可知θ∥(基板平行方向)9°、θ⊥(基板垂直平方向)22°、纵横尺寸比是2.4。光盘用的半导体激光器元件，其纵横尺寸比要求小于3。本实施方式的激光器元件满足这一要求。
下面，参照附图，讲述半导体激光器的比较例1～3。
图11是现在最普通的GaN系激光器的剖面图。图11的半导体激光器(比较例1)，和图1的激光器(实施方式)相比，从基板61到金属帽层71的结构系统，都是相同。两者的差异，是在金属帽层71上形成的上部叠层结构上。因此，下面，对该上部叠层结构及其制造方法，讲述比较例1。
在该比较例1中的上部叠层结构，采用如下方法制作。
首先，在基板61上形成直到金属帽层71为止的叠层结构后，如图12所示，继续在上金属帽层71形成光导向层72、p型接地层76及p型接触层77。在图12中，为了简单，省略了基板61接触层62，接地层63的记载。在图13～图17中也一样。
接着，进行P型半导体层的活性化加热处理。具体地说，将基板从MOVPE装置的反应炉取出，装入旨在实施p型杂质活性化的加热处理的退火炉中。接着，将退火炉抽成真空后，导入供给量3slm的氮气，达到大气压后，在750℃中进行30分钟的加热处理。加热处理后，将基板降至室温，从退火炉中取出。
接着，如图12所示，在p型接触层77的脊形形成区域上，形成SiO2的掩膜层25。脊形宽度设定成2μm左右。
然后，用干腐蚀装置腐蚀形成脊形位置以外的部位，如图13所示，将活性层69上的p型半导体的剩余部分的厚度做成140nm左右。形成该脊形结构后，可以对GaN系激光器的注入电流狭窄和水平横模进行控制。然后，用由SiO2构成的绝缘膜27覆盖形成n型电极的位置以外的部位。
在这之后，如图11所示，用干腐蚀使n型接触层62露出一部分。用由SiO2构成的绝缘膜覆盖干腐蚀后露出的面中形成n型电极的位置以外的部位。
接着，如图15所示，用氟酸溶液除去绝缘膜27中位于脊形上的部分后，作为p型电极79，蒸镀Ni、Pt和Au。然后，如图11所示，作为n型电极80，蒸镀Ti和Al。再进行和实施方式同样的处理，制作出比较例1。
如比制作的比较例1，经过电流注入后，达到室温连续振荡。这时的临界值电流、倾斜效率及振荡波长，分别是35mA、1、2W/A、405nm。另外，电流—光输出特性弯曲能级是100mW以上。比较例1的电流—光输出特性如图19所示。
从该结果可知在比较例1中，即使在100mW左右的高光输出动作中，水平横模也是稳定的，通过控制干腐蚀造成的p型半导体的剩余部分的厚度后，达成横模控制。进而，对远视野象(FFP)进行评价后，可知θ∥是9°、θ⊥是22°、纵横尺寸比(θ⊥/θ∥)是2.4。由于作为光盘用，其纵横尺寸比要求小于3，所以在比较例1中，能够满足该要求。接着，进行了30mW的高光输出下的室温-恒定光输出(APC)寿命试验。在比较例1中，显示出0.05mA/h左右的劣化率，1000小时以上的稳定动作。
由此可知在比较例1中，弯曲能级为100mW以上，纵横尺寸比为2.4，长寿命为1000小时以上，满足作为下一代的高密度高速记录光盘用光源的要求。但是，比较例1的电流狭窄和水平横模控制，利用干腐蚀时间控制来实施，所以在制造工艺·激光特性的再现性及成品率上存在很大的问题，成为引起成本上升的重要原因。
下面，对在比较例1的制造方法中，难以控制脊形高度的情况进行分析。
脊形高度的控制，要求同时控制涉及整个基板面内的结晶成长和干腐蚀。而且，由于不存在作为对干腐蚀而言发挥挡块层作用的结晶成长层，所以只好通过调节腐蚀时间来控制腐蚀深度。基于这些理由，很难控制脊形的高度。
下面，讲述图15所示的脊形的形状，由于干腐蚀的制造工艺变动而从理想的形状变化的半导体激光器元件的示例(比较例2及比较例3)。
图16是表示脊形形成制造工艺中的干腐蚀时间比设定值长时的元件结构。另一方面，图17示出该干腐蚀时间比设定值短时的元件结构。
此外，取决于上述各干腐蚀时间的脊形高度，都进入现在最常用的GaN系激光器的制造中的基板面内产生的脊形高度分布的范围内。就是说，在图16及图17所示的元件形状，出现在半导体激光器的生产现场。
首先，参照图16。在图16所示的比较例2中，在活性层上存在的p型半导体区域的厚度(p型半导体剩余部分的厚度)，比设定值(140nm)小。另一方面，在图17所示的比较例3中，在活性层上的“p型半导体剩余部分的厚度”，比设定值(140nm)大。
上述比较例2及比较例3的元件，也能够在电流注入的作用下，实现室温连续振荡。比较例2的元件中的临界值电流及倾斜效率，分别是40mA及1.0W/A。另一方面，比较例3的元件中的临界值电流及倾斜效率，分别是60mA及0.7W/A。与上述比较例1的元件相比，在比较例2的元件中，临界值电流增加，倾斜效率下降。其理由被认为是干腐蚀造成的p型半导体剩余部分厚度比设定值小，给活性层造成腐蚀损失的缘故。
另一方面，在比较例3的元件中的临界值电流的增加及倾斜效率的下降相当显著。这是因为p型半导体剩余部分厚度比设定值大，从脊形结构部横向扩大，流过的无效(泄漏)电流增加的缘故。
如果比较电流—光输出特性的弯曲能级，那么在比较例1及比较例3的元件中，在100mW以上出现弯曲，而在比较例2的元件中，如0所示，在30mW这一低能级中就出现弯曲。其理由是在比较例2的元件中，脊形的正下方的区域和脊形的正下方以外的区域之间的有效折射率差(Δn)过度增加，光的横向封闭过度强化。因此，水平横模反而不稳定，弯曲能级降低了。
另外，评价FFP后，在比较例2的元件中，纵横尺寸比为1.8(θ∥是12°、θ⊥是22°)；在比较例3的元件中，纵横尺寸比为3.7(θ∥是6°、θ⊥是22°)。就象比较例3那样，纵横尺寸比为3以上后，就不宜作为光盘装置的光源。
接着，实施了用30mW的高光输出下的室温—恒定光输出(APC)寿命试验。在比较例1中，是0.05mA/h左右的劣化率，显示1000小时以上的稳定动作。但在比较例2的元件中，由于活性层存在干腐蚀损伤，所以劣化率变大(0.2mA/h左右)，寿命时间是600小时左右。另一方面，在比较例3的元件中，由于动作电流大，耗电量大，所以寿命短，是300小时左右。
由此可知，在采用干腐蚀技术形成脊形结构、控制横模的现有技术的GaN系激光器中，基板面内及各工艺的激光器特性的再现性及成品率，存在很大的问题，成为引起成本猛增的原因。
此外，图1所示的本发明的实施方式的半导体激光器，和比较例1一样，弯曲能级为100mW以上，纵横尺寸比为2.4，长寿命为1000小时以上，满足作为下一代的高密度高速记录光盘用光源的要求。
另外，实施方式涉及的半导体激光器，如前所述，可以只控制结晶成长来控制电流狭窄及水平横模。所以关于比较例讲述的上述课题得到大大改善，进而生产工序也被大幅度容易化、简单化，所以能够实现高成品率，有益于低成本化。
此外，在本发明的理想的本实施方式中，由n型Al0.04Ga0.96N形成电流狭窄层75。但电流狭窄层75的折射率，可以随着结晶成长膜的混晶成分而任意变化。因此，在本发明的理想的本实施方式中，可以很容易地设计成损耗导向结构或实际折射率导向结构。
另外，本实施方式的半导体激光器，因为具有实际折射率导向结构，所以与比较例的半导体激光器相比，还具有可以将注入电流狭窄的区域的活性层的外侧，作为光吸收层设计，使其发挥作用的优点。因此，可以在1.5mW～100mW的光输出范围内，将相对强度杂音(R1N)降低到-125db/Hz以下的程度。
此外，在本实施方式中是GaN系半导体激光器元件，但砷化镓(GaAs)、磷化铟(lnP)等其它III-V族化合物半导体发光元件也同样适用。
另外，在本实施方式中，作为基板，使用蓝宝石基板。但本发明的基板并不局限于此。还可以使用SiC基板及GaN系半导体基板。
在本实施方式中，在形成电流狭窄层75的工序中，将绝缘膜73用作选择成长的掩膜层。但只要是能够作为掩膜层发挥作用的就行，其材料并不限定于绝缘膜。
在本实施方式中，在使半导体层在电流狭窄层75上再成长之前，完全除去绝缘膜75。但在电流狭窄层75的突出部75a的下方，也可以残留一部分绝缘膜75。
采用本发明后，可以提供从蓝紫光到紫外光的短波长区域的半导体发光元件，例如，可以作为光盘驱动装置的光源而被广泛采用。
权利要求
1.一种半导体发光元件，具有第1III-V族化合物半导体；由在所述第1III-V族化合物半导体的表面选择的区域上成长的第2III-V族化合物半导体形成、并具有向振荡器长度方向延伸的条状开口部的电流狭窄层；以及覆盖通过所述条状开口部而露出的所述第1III-V族化合物半导体的表面及所述电流狭窄层的表面的第3III-V族化合物半导体。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述电流狭窄层，具有朝着所述条状开口部突出的一对突出部。
3.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于所述电流狭窄层中的一对突出部的每一个，与所述第1III-V族化合物半导体的所述表面的一部分之间，形成空隙部。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于所述空隙部，具有10nm以上的高度和0.1μm以上的宽度。
5.如权利要求1～4中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于所述第3III-V族化合物半导体中，通过所述条状开口部与所述第1III-V族化合物半导体的表面接触的部分的宽度，在0.5μm以上3μm以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于所述第1III-V族化合物半导体，具有包含活性层的叠层构造。
7.如权利要求1～6中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于所述III-V族化合物半导体是氮化镓系。
8.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于所述电流狭窄层，包括含铝的氮化镓层；所述电流狭窄层的厚度，在0.1μm以上0.5μm以下。
9.如权利要求1～8中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于所述第2III-V族化合物半导体的电导电型，与所述第1III-V族化合物半导体的电导电型相反。
10.如权利要求1～8中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于所述第3III-V族化合物半导体的电导电型，与所述第1III-V族化合物半导体的电导电型相同。
11.如权利要求9或10所述的半导体发光元件，其特征在于所述第2III-V族化合物半导体的电导电型，是n型。
12.一种半导体发光元件的制造方法，包括在第1III-V族化合物半导体上形成条状的掩膜层的工序A；在所述第1III-V族化合物半导体的表面中没有被所述掩膜层覆盖的区域上，通过有选择地使第2III-V族化合物半导体成长，从而形成具有被所述掩膜层限定的条状开口部的电流狭窄层的工序B；有选择地除去所述掩膜层的工序C；以及使覆盖通过所述条状开口部而露出的所述第1III-V族化合物半导体的表面及所述电流狭窄层的表面的第3III-V族化合物半导体成长的工序D。
13.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于所述工序B，包含使所述第2III-V族化合物半导体朝着所述掩膜层的中央部横向成长，从而在所述电流狭窄层形成一对突出部。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述工序C，包含除去所述掩膜层中位于所述电流狭窄层的突出部的下方的部分，使所述突出部朝着所述条状开口部突出。
15.如权利要求14所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于所述工序D，包含在所述第1III-V族化合物半导体与所述突出部之间，形成空隙部。
16.如权利要求15所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于将所述掩膜层的宽度，设定在0.5μm以上3μm以下；而且将所述第3III-V族化合物半导体中通过所述条状开口部与所述第1III-V族化合物半导体的表面接触的部分的宽度，设定在0.5μm以上3μm以下。
17.如权利要求12～16中任一项所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于所述第1III-V族化合物半导体，具有包含活性层的叠层构造。
18.如权利要求12～17中任一项所述的方法，其特征在于所述III-V族化合物半导体，是氮化镓系。
19.如权利要求18所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于所述电流狭窄层，包括含铝的氮化镓层；所述电流狭窄层的厚度，在0.1μm以上0.5μm以下。
全文摘要
本发明的半导体发光元件的制造方法，包括在第1III－V族化合物半导体上形成条状的掩膜层的工序(A)；在第1III－V族化合物半导体的表面中没有被所述掩膜层覆盖的区域上，有选择地使第2III－V族化合物半导体成长，从而形成具有被所述掩膜层规定的条状开口部的电流狭窄层的工序(B)；有选择地除去掩膜层的工序(C)；使覆盖通过所述条状开口部而露出的第1III－V族化合物半导体的表面及电流狭窄层的表面的第3III－V族化合物半导体成长的工序(D)。
文档编号H01S5/02GK1736009SQ200480002108
公开日2006年2月15日 申请日期2004年4月6日 优先权日2003年4月28日
发明者长谷川义晃, 横川俊哉, 山田笃志 申请人:松下电器产业株式会社