专利名称：制造氮化物半导体的装置和方法及获得的半导体激光器件的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种制备氮化物半导体的装置，其通过在衬底上从上游到下游扩散包括III族元素的源气体和V族元素的源气体的气体而结晶生长氮化物半导体。更具体地，本发明涉及一种用于制造氮化物半导体的改进的装置，其中使氮化物半导体器件的特性在平面上变得均匀。本发明也涉及一种用于制造氮化物半导体激光器件的改进的方法，其中使氮化物半导体器件的特性在平面上变得均匀。本发明也涉及通过该方法所获得的氮化物半导体激光器件。
背景技术：
以GaN、AlN、InN为代表的氮基III-V族化合物半导体晶体及其混合晶体作为在紫外线可见区中振荡的半导体激光器件而受到关注。通过使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置，分子束外延(MBE)装置、氢化物气相外延(HVPE)装置等制造用于半导体激光器件的氮化物半导体。这其中最好的是MOCVD装置，它提供了具有极好特性的氮化物半导体激光器。已知通过使用MOCVD装置制造的氮化物半导体激光器在30mW和60℃下估计具有持续15000小时的寿命特性(参见，例如Shin-ichi Nagahama etal，“High-Power and Long-Lifetime InGaN Multi-Quantum-Well Laser DiodeGrown on Low-Dislocation-Density GaN Substrates”，Jpn.J.Appl.Phys.，July2000，Vol.7A，Part2，pp.L647-L650)。
图8示出了生长氮化物半导体的常规MOCVD装置，MOCVD装置301具有流动通道302，以及在流动通道302中具有保持衬底310的衬底座311、作为加热源的衬托器312、加热衬托器312的RF线圈313、以及避免氮化物半导体附着到衬托器312的衬托器保护气体线路309。在衬底310的上面所形成的流动通道302部分被隔断而分成三层，包括从底部的源气体NH3线路306、源气体MO线路307以及保护气体线路308。
通常，为了使混合气体的浓度比例均匀，将MOCVD装置中的流动通道结构设计成用于层状气体流。层状气流稳定气流，并且实现具有极好再生性的半导体层。
然而，使用常规MOCVD装置制造GaN、AlGaN、AlInGaN等的氮化物半导体激光器在以下方面存在问题。首先，作为III族元素(Ga、Al、In)的源气体的MO气体的粘度明显不同于作为V族元素的源气体的NH3气体的粘度。这阻止了在半导体上的衬底平面上的III族元素源气体的浓度比例分布的均匀性和V族元素源气体的浓度比例分布的均匀性，在半导体上的衬底平面上结晶生长氮化物以得到薄膜的分层结构。因此，氮化物半导体激光器的特性不均匀，存在不符合要求的产率的问题。
特别是当根据在其上结晶生长氮化物半导体而得到薄膜分层结构的衬底的尺寸增加而增加装置的尺寸时，在衬底平面上的混合源气体变得更加不均匀，存在氮化物半导体激光器件特性的均匀性进一步恶化的问题。而且，这引起包括激光器的激光发射波长在内的光学特性宽泛的变化，也引起不符合要求的产率的问题。
为了在衬底平面上均匀地混合源气体，可提供使气流分层的板。但是，在这种情况下，源气体的浓度比例分布很大程度上随着使气流层流的板的形状和位置而变化。因此，为了获得需要的氮化物半导体，需要在每次在电流板的形状和位置变化时优化所供应的源气体的量。这存在效率非常低的问题。
发明内容
在上述和其它问题中，本发明的一个目的是提供一种用于制造氮化物半导体的改进的装置，其使氮化物半导体器件特性在整个衬底平面上变得均匀。
本发明的另一个目的是提供一种MOCVD装置，即使当在其上结晶生长氮化物半导体以得到薄膜分层结构的衬底的尺寸增加时，也可以制造使激光特性均匀的膜。
本发明的另一个目的是提供一种改进的制造氮化物半导体的方法，其使得氮化物半导体器件的特性在整个衬底平面中变得均匀。
本发明的另一个目的是提供一种氮化物半导体激光器件，其中在整个衬底平面上激光特性变得均匀。
为了实现上述和其它目的，根据本发明的装置是在衬底上通过结晶生长氮化物半导体制造来氮化物半导体的装置，其通过在衬底上扩散包含III族元素源气体和V族元素源气体的气体，气体的扩散平行于衬底并且从上游到下游。装置包括容纳衬底以及用于允许气体在流动通道中流动的流动通道；以及在流动通道内壁上的多个突起。
在该结构中，在流动通道的内壁上的突起引起气体搅动。因此，在结晶生长氮化物半导体而得到薄膜分层结构的整个衬底平面上，III族元素源气体的浓度比例分布和V族元素源气体的浓度比例分布变得均匀。
优选在流动通道中衬底的上游侧形成突起。在该结构中，在源气体施加到衬底之前，III族元素源气体的浓度比例分布和V族元素源气体的浓度比例分布变得更均匀。
在本发明的优选实施例中，提供一种隔离物用于将III族元素源气体和V族元素源气体分开引入流动通道，隔离物形成在流动通道的上部并且沿水平方向延伸。突起形成在隔离物上表面和下表面的至少一边，优选在两边上。在该结构中，形成在隔离物上的突起引起III族元素源气体和V族元素源气体的搅动。因此，III族元素源气体和V族元素源气体均匀地分布。
突起是半球形、钟状或柱状。如果突起是半球形，不干扰源气体的层流，因此保持了气流的稳定性。
在突起是钟状或柱状的情况，每个突起的底面优选是等边多角形或圆形。
优选地，突起底面的中心彼此相等地间隔。其间具有相等间隔的突起底面中心的位置有效地使源气体的浓度比例分布均匀。
优选地，如果在三个相邻突起中的每个底部中心相连，多个突起布置来形成等边三角形。
如果在四相邻突起中的每个底部中心相连，多个突起布置来形成等边四边形。
根据本发明的另一个方面，提供一种通过在衬底上提供包含III族元素源气体和V族元素源气体的混合气体而结晶的氮化物半导体制造氮化物半导体的方法。该方法包括搅动III族元素源气体和V族元素源气体；以及在衬底上提供经搅动的源气体。
根据本发明，在施加到衬底上前，搅动彼此具有不同粘度的III族元素源气体和V族元素源气体，因此使整个衬底平面的源气体浓度比例分布均匀。因此，每层氮化物半导体均匀地制备在整个衬底平面上。
在本发明的优选实施例中，分别搅动III族元素源气体和V族元素源气体；以及分别将搅动的源气体施加到衬底上。
根据本发明，分别搅动彼此具有不同粘度的III族元素源气体和V族元素源气体并且施加在衬底上。当施加在衬底上时，每种源气体均匀地混合。
优选地，平行于衬底并且从上游到下游扩散III族元素源气体和V族元素源气体。
优选地，通过金属有机化学气相沉积的方法结晶氮化物半导体。
在上述方法中，衬底的尺寸是2到3英寸。
根据本发明的另一个方面的器件涉及通过上述方法制造的氮化物半导体激光器件。
本文所使用的衬底这一术语是用来指代优选地由AlxGayInzN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1)所组成的氮化物半导体衬底。在该氮化物半导体衬底中，组成衬底的大约在20％或更少的氮元素可以由从As、P、Sb组成的组中选择的一种元素代替。
上述氮化物半导体衬底可以包含n型或p型掺杂杂质。杂质的例子包括Cl、O、S、Se、C、Te、Si、Ge、Zn、Cd、Mg以及Be。用于n型导电性的氮化物半导体衬底的优选杂质包括Si、Ge、S、Se和Te。用于p型导电性的氮化物半导体衬底的优选杂质包括Cd、Mg以及Be。所包含杂质的总量优选是5×1016/cm3到5×1020/cm3。
本文所使用的在氮化物半导体衬底上结晶生长构成的氮化物半导体层是这一术语用于指代由AlxGayInzN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1)构成的层。在该氮化物半导体层中，组成衬底的大约在20％或更少的氮元素可以从As、P、Sb组成的组中选择的一种元素代替。
上述氮化物半导体层可以包含n型或p型掺杂杂质。杂质的例子包括Cl、O、S、Se、C、Te、Si、Ge、Zn、Cd、Mg以及Be。用于n型导电性的氮化物半导体衬底的优选杂质包括Si、Ge、S、Se和Te。用于p型导电性的氮化物半导体衬底的优选杂质包括Cd、Mg以及Be。所包含杂质的总数量优选是5×1016/cm3到5×1020/cm3。
本文使用的活性层(active layer)这一术语是用于阱层以及由阱层和阻挡层组成的层的通用术语。例如，单个量子阱结构的活性层可以是由阱层单独组成或由阻挡层/阱层/阻挡层组成。多量子阱结构的活性层是由多个阱层和阻挡层组成。
在晶体学中，当与晶面或晶向相关指数是负数时，通常在绝对值上划一短线。然而在该说明书中，不使用该表达方式，而是通过在绝对值前直接添加负号来表示指数的负性。
通过在流动通道的内壁上提供多个突起，根据本发明的用于制造氮化物半导体的装置使整个衬底平面上的源气体浓度比例分布均匀。
在整个衬底平面中，通过使用根据本发明的用于制造氮化物半导体的装置所制造的氮化物半导体激光器的激光发射波长具有限制在1nm或更小的范围内的变化。而且，在整个衬底平面上的AlGaN层的混合晶体比率和AlGaN层厚度的变化限制在百分之几。这导致氮化物半导体激光器件具有较小改变的光学特性和改善的产率。
图1是根据本发明用于制造氮化物半导体装置的主要部分的放大截面部分。
图2(a)是通过图1所示的点线所围绕的放大截面部分。
图2(b)是通过图1所示的点线所围绕部分的放大平面图。
图3是根据本发明的半导体激光器件的截面示意图。
图4是示出根据比较实施例1的半导体激光器件中的激光发射波长倍数(％)的图。
图5是示出根据本发明的半导体激光器件中的激光发射波长倍数(％)的图。
图6是示出根据本发明一个实施例的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层厚度的面内分布(％)和根据比较实施例1的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层厚度的面内分布(％)的图。
图7是示出根据本发明一个实施例的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层Al组成的面内分布(％)和根据比较实施例1的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层Al组成的面内分布(％)的图表。
图8是常规MOCVD装置的主要部分的截面。
具体实施例方式
结合附图描述本发明的优选实施例。本发明不限制于这些实施例。
用于制造氮化物半导体的装置。
图1是根据本发明用于制造氮化物半导体装置的主要部分的放大横截面部分。图2(a)是由图1所示的点线所围绕部分的放大截面部分。图2(b)是通过图1所示的点线所围绕部分的上部放大视图。用于制造本发明氮化物半导体的装置是MOCVD装置。本发明的一个特征是在MOCVD装置的流动通道的内壁上具有多个突起。由此在该方面，本发明的MOCVD装置不同于常规MOCVD装置。
本发明的MOCVD装置101具有流动通道102，并且在流动通道102中，具有衬底座111以保持衬底110，衬托器112以作为加热源，RF线圈113来加热衬托器112，以及衬托器保护气体线路109以避免氮化物半导体附着到衬托器112。流动通道102分成上游流动通道114、衬底上流动通道115、以及下游流动通道116。在衬底110的上游侧形成的上游流动通道114具有形成在水平方向上的两个隔离物。两个隔离物把上游流动通道114分成三层，这包括从底部的源气体NH3线路106、源气体MO线路107以及保护气体线路108。多个突起105设置在源气体NH3线路106和源气体MO线路107之间的隔离物的上表面和下表面。
与常规MOCVD装置相似，该MOCVD装置是水平型的气相沉积装置，并且通过平行于衬底110表面扩散源气，来在体衬底110的表面上生长氮化物半导体层，衬底110安装在衬托器112上表面上。在本发明中的源气体由未示出的源气体提供部分提供，并且通过上游流动通道114流到衬底110的表面上。多余的源气体流过下游流动通道116并且从排气道(未示出)释放。将上游流动通道114和下游流动通道116的形状设计来用于分层气流。
出于热稳定的目的，流动通道102通常由石英玻璃组成。可以使用碳、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)以及碳化钽(TaC)来代替石英玻璃。
如图1所示，将衬底110通过托盘111安装在作为加热源的衬托器112上，衬底放置在托盘111中，并且在衬底110上结晶生长氮化物半导体以产生薄膜分层结构。在衬托器112的附近提供加热衬托器112的RF线圈113和提供衬托器保护气体线路109以避免氮化物半导体附着到衬托器112上。
衬托器112以每分钟5到30的转数转动。在衬托器112上的托盘111和衬底110以相同的速度转动。
隔离物在图1的实施例中，为了三层分层气流，通过两个隔离物分隔上游流动通道114。如图2所示，两个隔离物122和123设置在上游流动通道114的上表面120和上游流动通道114的下表面121之间。例如，三层分层流由从底部的源气体NH3线路106、源气体MO线路107以及保护气体线路108构成。源气体NH3线路106是用于流过NH3气体和作为载气的H2气体或H2气体和硅烷气体(SiH4)。源气体MO线路107是用于流过源气体MO和作为载气的H2气体或N2气体。保护气体线路108是用于流过H2气体或N2气体和NH3气体的混合气体。在三个气体线路中，源气体NH3线路106和源气体MO线路107的位置是可以互换的。即，三层分层流可以由从底部的源气体MO线路，源气体NH3线路以及保护气体线路组成。
在图2的实施例中，形成两个隔离物122和123以便流动通道102分成三个相等的高度，不特别限制隔离物122和123的位置。例如，形成隔离物122和123以使得保护气体线路的高度比源气体NH3线路和源气体MO线路的高度更大。
在图1的实施例中使用三层分层流，但不限于此并且可使用两层分层流。
突起本发明的一个特征是在包括隔离物的流动通道的内壁上提供了多个突起。在图1的实施例中，多个突起105设置在源气体NH3线路106和源气体MO线路107之间隔离物的上表面和下表面上。
突起的形状不特别限制本发明的流动通道的内壁上提供的突起形状；例如可以是半球形、钟状(例如三棱锥和四棱锥的锥形或圆锥的形状)、柱状(例如三棱柱和四棱柱或圆柱形)。棱锥或棱柱的底面不必是等边多边形。棱柱或圆柱的底面可以是椭圆形。钟状可以是这样的，使得从形状的上表面到下表面的垂直线从底面的中心移动。柱状可以是这样的，使得从柱上表面的重心到底面的垂直线从底面的重心移动。在钟状或柱状突起的情况下，底面优选是等边多边形或圆形，以容易产生和有效混合源气体。在上述突起形状中最优选的是半球形。
突起的尺寸在本发明的流动通道的内壁上所提供的突起尺寸由流动通道102的宽度方向上的内径的尺寸相对地决定。这出于对横向类型的MOCVD装置的源气体容易分布在宽度方向这一事实而做出的考虑。然而，实际的尺寸值可以是在下面所提供的范围内，而与流动通道尺寸无关。这是因为以下原因。在用于制造本发明的氮化物半导体的装置中，在源气体的层流保持为整体的同时，在层的界面处的源气体被突起所搅动。这使整个衬底平面上的源气体的浓度比例分布均匀化。因此，即使是大尺寸的衬底，根据本发明突起也使得源气体的浓度比例分布均匀变得容易。
突起的尺寸如下高度从1mm到10mm，优选从2mm到8mm；以及宽度从1mm到10mm，优选从2mm到8mm。在钟状突起的情况下，上述宽度对应于钟状底面的最大直径。如果突起的高度和宽度比上述值更大或更小，那么均匀分布III族元素源气体和V族元素源气体的效应减小。在半球形突起的情况下，该半球具有“底部长度≥高度”的关系。
突起的布置周期性或非周期性地布置突起。因为更有效地改善了整个衬底平面上的源气体浓度比例的均匀性，所以特定图案的周期布置是优选的。特定图案的周期布置这一措词旨在表示相邻突起彼此相等地间隔。相邻突起的相等间隔又意味着相邻突起的重心彼此等距。如图2(b)所示的实施例中，画线将三个相邻突起的中心连接起来将得到等边三角形。突起不一定要布置成等边三角形图案，而是可以布置成等边四边形图案。彼此分开的突起距离可以是相邻突起的底面重心之间的距离，例如从1mm到10mm。
突起的形成为了使源气体均匀，优选在衬底上游侧所形成的上游流动通道114中形成突起。根据流动通道102的形状和尺寸，方便地确定在流动通道102的内壁何处形成的突起。具体而言，在衬底110的中心和形成突起的区域之间的最短距离可以是流动通道宽度的1/2到3倍，优选是1到2.5倍。例如当流动通道是100mm宽，则最短距离是50mm到300mm，优选是从100mm到250mm。
在流动通道102的内壁中，在流动通道的上表面120的内壁上、流动通道下表面121的内壁上、在保护气体线路和III族元素源气体线路之间的隔离物122的上表面和下表面上，或在III族元素源气体线路和V族元素源气体线路之间的隔离物123的上表面和下表面上可形成突起。当在隔离物上形成突起时，突起可以形成在隔离物的上表面或下表面。优选地将突起形成在III族元素源气体线路和V族元素源气体线路之间的隔离物123上。当在III族元素源气体线路和V族元素源气体线路之间的隔离物123的上表面和下表面上设置突起105时，通过突起单独地搅动III族元素源气体和V族元素源气体。因此，搅动的源气体彼此混合，其中使源气体的密度更均匀。
根据本发明的MOCVD装置与常规的MOCVD装置相似，除了在流动通道的内壁上提供多个突起以外。而且，以下在本发明实施例中的将要描述“氮化物半导体层外延生长”和“元件制造工艺”与常规工艺相似。由于该原因，以下的实施例包含氮化物半导体层的外延生长和元件制造工艺常规说明。
如以上所描述的那样，使用根据本发明的用于制造氮化物半导体的装置所制造的氮化物半导体的氮化物半导体激光器，在整个衬底上的氮化物半导体层具有均匀的组成和厚度，因此实现减小光学特性的变化和提高的产率。
实施例1MOCVD装置根据本发明实施例的MOCVD装置如图1所示，并具有内部直径宽100mm和高10mm的流动通道102。在源气体NH3线路106和源气体MO线路107之间的隔离物上提供多个突起。突起105的形状是半球形的，其底面半径是2mm，以及其高度是2mm。在衬底中心的上游侧设置有175mm到183mm的多个突起。周期性地布置突起105，使得三个相邻突起中心的图案彼此间隔4mm以及构成其每边为4mm的等边三角形的三顶点。
氮化物半导体层的外延生长接着，将描述通过在n型GaN衬底上形成氮化物半导体层来制备半导体激光器件的方法。图3是根据本发明的该实施例的半导体激光器件的截面示意图。
通过使用图1所示的MOCVD装置，在n型GaN衬底203上形成厚度为1μm以及衬底温度为1100℃的n型GaN层204。使用的源气体是作为V族元素源气体的NH3气体以及作为III族元素源气体的TMGa(三甲基镓)或TEGa(三甲基镓)。添加硅烷(SiH4)作为掺杂剂材料。
接着，在n型GaN层204上生长三层n型覆盖层205、206和207。衬底温度是1050℃，并且将TMAl(三甲基铝)或TEAl(三乙基铝)作为III族源气体。三层n型覆盖层包括2.3μm厚的n型Al0.05Ga0.95N作为第一层205；0.2μm厚的n型Al0.08Ga0.92N作为第二层206；以及0.1μm厚的n型Al0.05Ga0.95N作为第三层207。添加5×1017/cm3到1×1019/cm3的Si，作为n型杂质。
接着，生长0.1μm厚的n型GaN光引导层208(硅杂质的浓度1×1016/cm3到1×1018/cm3)然后衬底温度减小到800℃，以及生长包括4nm厚的In0.1Ga0.9N阱层以及8nm厚的In0.01Ga0.99N阻挡层的三周期的活性层(209，多量子阱结构)。按下面的顺序来生长这些层阻挡层/阱层/阻挡层/阱层/阻挡层/阱层/阻挡层。当在阱层上生长阻挡层或相反时，优选地提供1秒到180秒的生长间隔时间，因为每层平整度提高了和光的半高宽减小了。在这种情况下，不在阻挡层中或阻挡层和阱层中随意性地添加硅烷。
当在活性层209中加入As时，所使用的材料是AsH3(胂)或TBAs(三丁基胂)。当将P加至活性层209中时，所使用的材料是PH3(磷化氢)或TBAs(三丁基磷化氢)。当将Sb加入活性层209中时，使用的材料是TMSb(三甲基锑)或TESb(三乙基锑)。当形成活性层209时，除NH3以外的N材料可以是N2H4(联氨)、C2N2H2(二甲基肼)或包含N的有机物质。
接着，将衬底温度再次增加到1000℃，以及依次生长20nm厚的p型Al0.2Ga0.8N载流子阻挡层210、0.02μm厚的p型GaN光引导层211、0.5μm厚的p型Al0.05Ga0.95N覆盖层212、以及0.1μm厚的p型GaN接触层213。作为p型杂质，使用EtCP2Mg(二乙基茂基镁)、以及加入1×1018/cm3到2×1020/cm3镁。p型GaN接触层213的p型杂质浓度比例优选在p电极216方向上增加。这减小了形成p电极216导致的接触电阻。为了去除p型层中阻止p型杂质Mg的激活的剩余氢，在p型层生长期间可混合小量的氧。
在生长p型GaN接触层213后，MOCVD装置的反应器的气体完全用氮载气和NH3代替，以及反应器的温度以60℃/分的速率减小。当衬底温度变成800℃时，中断NH3的供应。衬底温度保持5分钟，然后降低到室温。所保持的衬底温度不限制于800℃，但是可以从650℃到900℃。等待时间优选是从3分钟到10分钟。衬底温度优选以30℃/分的速率下降。
然后通过拉曼测量估计所制备的生长膜。在把晶片移出MOCVD装置以后，不需p型退火，生长膜已经示出了p型特性。即，确认Mg已经被激活。也发现形成p型电极所导致的接触电阻减小。而且，生长膜和常规p型退火的结合还进一步改善了Mg的激活。
尽管本发明的活性层209从阻挡层开始而以阻挡层结束，但是从阱层开始而以阱层结束的活性层也给出了相似的优选结果。阱层的数量不限制在三层。当阱层的总数是十或更小时，阈值电流密度小，并且在室温下的连续振荡是可行的。在阀值电流密度小时，两层或六层是特别优选的。活性层还可以包含Al。
虽然在实施例中，硅并不作为杂质加入到组成活性层209的阱层或阻挡层中时，但是在其中可以添加杂质。添加例如硅的杂质加强了光发射强度。所添加的杂质的例子包括Si、O、C、Ge、Zn以及Mg。可以单独使用这些杂质或使用其中的两种或更多种的组合。所添加的杂质的总数量优选是大约1×1017/cm3到8×1018/cm3。杂质优选添加在阱层和阻挡层中或在其中一层中。
P型载流子阻塞层210不一定具有Al0.2Ga0.8N的成分。例如，其中添加了In的AlGaN层是优选的，因为该层需要较低的生长温度以变成正向的，因此减轻了在结晶生长期间对活性层的破坏。而且，当载流子阻塞层210不是基本的层时，提供其使得阀值电流密度更小。这是因为载流子阻塞层210在活性层中具有限制载流子的作用。当载流子阻塞层210的组成比例增加时，改善了载流子限制。在保持载流子的限制的同时减小Al的组成比时，增加载流子阻塞层中的载流子移动以及减小电阻。
在该实施例中，使用Al0.05Ga0.95N晶体和Al0.08Ga0.92N晶体分别作为n型覆盖层和p型覆盖层。使用具有除了0.05和0.08以外的Al晶体组成的AlGaN晶体。当增加Al组成比例时，能带隙和在覆盖层和活性层之间的折射率差增加，并且将载流子和光有效地限制在活性层中。这减小了阀值电流密度的激光振荡。当在减小Al组成比例时同时保持载流子和光的限制时，在覆盖层中的移动载流子移动增加，并且元件的操作电压减小。
通过使用用于n型AlGaN覆盖层的三层结构，使垂直/横向模式为单峰且增加了光限制效应，因此改善了激光器的光学特性以及减小了激光器的阀值电流密度。n型AlGaN覆盖层不限于三层结构；除三层结构外，单层结构和多层结构具有相似的优选效应。
尽管在该实施例中使用三种混合的晶体AlGaN作为覆盖层，可使用四种混合的晶体AlInGaN、AlGaNP、AlGaNAs等。
为了减小电阻，p型覆盖层212可以是由p型AlGaN层和p型GaN层组成的超晶格结构，由p型AlGaN层和p型AlGaN层组成的超晶格结构，或由p型AlGaN层和p型InGaN层组成的超晶格结构。
元件制造工艺接着，把在其上已经形成了各种氮化物半导体层的n型GaN衬底所组成的外延晶片(epi-wafer)从MOCVD装置移出，以及通过以下工艺步骤处理成氮化物半导体层器件芯片。
首先，形成对应于激光引导区214的脊形条状部分。特别地，向下蚀刻外延晶片到具有未蚀刻条状部分的载流子阻挡层的中部或底部。条状宽度是1μm到3μm，优选是1.3μm到2μm。然后，在除了脊形条状部分外的部分中形成绝缘膜215。作为用于绝缘膜215的材料，使用AlGaN。对于绝缘膜，可以使用硅、钛、氧化锆、钽、铝等的氧化物或氮化物。
在p型GaN接触层213的未蚀刻和暴露部分上和在绝缘膜215上通过沉积以Pd/Mo/Au的顺序形成P电极216。除Pd/Mo/Au外，用于p电极216的材料可以是Pd/Au或Ni/Au。
接着，外延晶片的其它表面(衬底一侧)被抛光到80μm到200μm的厚度，便于随后的晶片的分割。以Hf/Al的顺序在衬底的其它表面上通过沉积形成N型电极202。除Hf/Al外，用于n型电极202的材料可以是Hf/Al/Mo/Au、Hf/Al/Pt/Au、Hf/Al/W/Au、Hf/Au、Hf/Mo/Au，或用Ti或Zr代替上述材料中的Hf的电极。
最后，在对脊形条状方向的垂直方向上劈开外延晶片，因此制备具有600μm长度的共振器的法布里-珀罗(Fabry-Perot)共振器。共振器的长度优选是250μm到1000μm。
通过该工艺步骤，使晶片呈条状，其中激光器件210彼此并排地布置。氮化物半导体激光器件的振荡器边缘侧是氮化物半导体晶体<1-100>的边缘侧，其中沿着<1-100>方向形成条带。代替在边缘侧中进行反馈，使用内建衍射光栅进行反馈的DFB(反馈分布)，或使用外部建立的衍射光栅进行反馈的DBR(分布布拉格反射器)。
在形成法布里-珀罗共振器的共振器的边缘侧之后，在边缘侧交替地沉积具有80％反射率的SiO2和TiO2的电介质膜，形成电介质多层反射膜。电介质多层反射膜由不同于上述材料的电介质材料形成。
在该工艺步骤之后，把该条分开为激光器以获得如图3所示的半导体激光器201。在激光芯片中心提供激光波导区，从而使激光器的横向宽度是300μm。
比较实施例1通过使用MOCVD装置以相似的方式准备半导体激光器，其中在流动通道中不具有突起。
半导体激光器的特性<激光发射波长>
根据本发明的半导体激光器实现了405±1nm的激光发射波长、60mW的激光输出，以及在70℃温度气氛下5000小时或更大的激光振荡寿命。
另一方面，比较实施例的半导体激光器具有405±3nm的激光发射波长。
图4是示出根据比较实施例1的半导体激光器件中的激光发射波长的倍数(％)的图。激光发射波长的范围在404.5±3nm。
图5是示出根据本发明的半导体激光器件中的激光发射波长的倍数(％)的图。激光发射波长的范围在405±1nm。
因此，已经发现通过本发明制造氮化物半导体的装置制造的氮化物半导体激光器改善了整个衬底平面上的激光发射波长的均匀性。
<半导体层的厚度分布>
图6是示出根据本实施例的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层的厚度的面内分布(％)和根据比较实施例1的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层厚度的面内分布(％)的图。在图6中，点线表示根据该实施例的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层厚度的面内分布(％)，实线表示根据比较实施例1的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层厚度的面内分布(％)。而且在图中，在横轴上的晶片位置具有对应于衬底中心的起点0。第一n型AlGaN覆盖层的设计厚度是2.3μm。
图6中所见，根据该实施例的氮化物半导体激光器的厚度范围是2.28μm到2.32μm，1％或更小的厚度变化。在另一个方面，根据比较实施例的氮化物半导体激光器的厚度范围是2.20μm到2.47μm，8％或更小的厚度变化。因此，已经发现在根据本发明的氮化物半导体激光器中，在整个衬底平面上的第一n型AlGaN层的厚度是均匀的。
图7是示出根据该实施例的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层的Al成分的面内分布(％)和根据比较实施例1的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层的Al成分的面内分布(％)的图表。在图7中，点线表示根据该实施例的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层的Al成分的面内分布(％)，以及实线表示根据比较实施例1的氮化物半导体激光器的第一n型AlGaN覆盖层Al成分的面内分布(％)。而且在图中，横轴上的晶片位置具有对应于衬底中心的起点0。第一n型AlGaN覆盖层的设计Al成分是0.08。
图7中所见，根据该实施例的第一n型AlGaN覆盖层的Al成分是0.078到0.082，3％或更小的Al成分变化。另一方面，根据该比较实施例1的第一n型AlGaN覆盖层Al成分是0.066到0.088，18％或更小的Al成分变化。因此，已经发现在根据本发明的氮化物半导体激光器中，在整个衬底平面上的第一n型AlGaN层的Al成分是均匀的。
实施例2通过使用MOCVD装置以与实施例1相似的方式形成氮化物半导体激光器，其中MOCVD装置具有在流动通道的下表面的内壁、流动通道的下表面的内壁、以及在保护气体线路和III气体线路之间的隔离物的上表面和下表面上设置的突起。该氮化物半导体激光器也在整个衬底平面中显示出了激光发射波长的面内均匀性和第一n型AlGaN覆盖层的Al成分均匀性的改善。
通过使用MOCVD装置以与实施例1相似的方式准备氮化物半导体激光器，其中MOCVD装置具有不同于半球形的钟状(三角形、四边形以及圆锥形)和柱状(三棱柱、四棱柱、圆柱形)的突起。该氮化物半导体激光器也在整个衬底平面中显示出了激光发射波长的面内均匀性和第一n型AlGaN覆盖层的Al成分均匀性的改善。
使用MOCVD装置与实施例1相似的方式准备氮化物半导体激光器，其中突起的尺寸变成1mm到10mm的高度以及1mm到10mm的宽度。该氮化物半导体激光器也在整个衬底平面中显示出了激光发射波长的面内均匀性和第一n型AlGaN覆盖层的Al成分均匀性的改善。高度是2mm到8mm以及宽度是2mm到8mm的突起特别地好。
比较实施例2通过使用在衬底上的流动通道115具有突起的MOCVD装置和使用在下游的流动通道116上具有突起的MOCVD装置以与实施例1相似的方式准备氮化物半导体激光器。相对于常规实施例，该氮化物半导体激光器未在整个衬底平面中显示出激光发射波长的面内均匀性和第一n型AlGaN覆盖层的Al成分均匀性的改善。
实施例3即使当衬底的尺寸增加到2英寸到3英寸时，在整个衬底中，通过根据本发明的用于制造氮化物半导体的装置制造的氮化物半导体激光器的激光发射波长的变化限制在1nm或更小。而且，整个衬底上的AlGaN层的混合结晶比例的变化和AlGaN层的厚度变化限制在百分之几。这里使用的MOCVD具有内部宽度为150mm的宽度和高度为12mm的流动通道。突起的形状是半球形，底面的半径是2mm以及高度是2mm。在衬底的中心的上游侧上的流动通道提供220mm到236mm的两个以上的突起。而且，该两个或更多的突起周期性地布置为以下图形三个相邻突起的中心彼此相互间隔4mm并且构成每边为4mm的等边三角形的三个顶点。
如上所述，根据本发明，在制造氮化物半导体的装置中的流动通道的内壁上提供多个突起。通过该结构在整个衬底上源气体的浓度比例分布变得均匀。这导致每层氮化物半导体层均匀地形成在平面上。
通过使用根据本发明的制造氮化物半导体的装置所制造的氮化物半导体激光器的激光发射波长在整个衬底平面中限制在1nm或更小。而且，在整个衬底的AlGaN层的混合结晶比例的变化和AlGaN层平面的厚度变化限制到百分之几。这导致氮化物半导体激光器件具有更小变化的光学性质和改善的产率。
即使在大尺寸的衬底中，根据本发明提供的突起使源气体的浓度比例分布均匀变得容易。
即使当衬底的尺寸从2英寸增加到3英寸时，在整个衬底上，通过根据本发明的制造氮化物半导体的装置所制造的氮化物半导体激光器的激光发射波长的变化限制在1nm或更小。而且整个衬底上的AlGaN层的混合结晶比例的变化和AlGaN层的厚度变化限制在百分之几。
因此，即使当其上层叠的氮化物半导体层的衬底尺寸增加时，氮化物半导体激光器的特性也得以保持均匀。
权利要求
1.一种用于制造氮化物半导体的装置，其通过扩散包含III族元素的源气体和包含V族元素的源气体在衬底上结晶生长所述氮化物半导体，所述气体的扩散与所述衬底平行并且从上游到下游，所述装置包括容纳所述衬底并用于使所述气体流到流动通道中的流动通道；以及形成在所述流动通道内壁上的多个突起。
2.根据权利要求1的用于制造氮化物半导体的装置，其中在所述流动通道中于所述衬底的上游侧形成所述突起。
3.根据权利要求1的用于制造氮化物半导体的装置，进一步包括用于将所述III族元素的源气体和所述V族元素的源气体引入到所述流动通道中的隔离物，所述隔离物形成在所述流动通道的上游部分上并且在水平方向延伸，该装置中至少在所述隔离物的上表面和下表面之一上形成突起。
4.根据权利要求3的用于制造氮化物半导体的装置，其中在所述隔离物的上表面和下表面上形成突起。
5.根据权利要求1的用于制造氮化物半导体的装置，其中所述突起是半球形、钟形或柱状的。
6.根据权利要求5的用于制造氮化物半导体的装置，其中所述突起是半球形的。
7.根据权利要求5的用于制造氮化物半导体的装置，其中所述突起是半球形或柱状的，每个所述突起的底面因此成形为等边多边形或圆形。
8.根据权利要求3的用于制造氮化物半导体的装置，其中所述突起的底面的中心彼此等距间隔。
9.根据权利要求8的用于制造氮化物半导体的装置，其中布置所述多个突起使得如果连接三个相邻突起的每个底面的中心，那么构成等边三角形。
10.根据权利要求8的用于制造氮化物半导体的装置，其中布置所述多个突起使得如果连接四个相邻突起的每个底面的中心，那么构成等边四边形。
11.根据权利要求1的用于制造氮化物半导体的装置，其中所述衬底的尺寸是2英寸到3英寸。
12.一种用于制造氮化物半导体的方法，通过扩散包含III族元素源气体和包含V族元素源气体的混合气体在衬底上结晶生长所述氮化物半导体，所述方法包括以下步骤搅动所述III族元素的源气体和所述V族元素的源气体；以及将经搅动的源气体供应到所述衬底上。
13.根据权利要求12的用于制造氮化物半导体的方法，其中分开搅动所述III族元素的源气体和V族元素的源气体；以及分别将已搅动的源气体施加在衬底上。
14.根据权利要求12的用于制造氮化物半导体的方法，其中所述III族元素的源气体和所述V族元素的源气体的供应包括平行于所述衬底并且从上游到下游扩散所述源气体。
15.根据权利要求12的用于制造氮化物半导体的方法，其中通过金属有机化学气相沉积的方法进行氮化物半导体的结晶生长。
16.根据权利要求12的用于制造氮化物半导体的方法，其中所述衬底的尺寸从2英寸到3英寸。
17.一种根据权利要求12的方法所制造的氮化物半导体激光器。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造氮化物半导体的装置，其通过在衬底上扩散包含III族元素的源气体和V族元素的源气体来结晶生长氮化物半导体。与衬底平行和从上游到下游来扩散气体。装置具有容纳在装置中的衬底以及用于允许气体流到流动通道中的流动通道。装置也有在流动通道的内壁上提供的多个突起。在气流的上游部分并且以水平方向提供一种用于使III族元素的源气体和V族元素的源气体分别引入到流动通道中的隔离物。在隔离物的上表面和下表面上形成突起。利用该结构，在供应源气体之前，使III族元素的源气体和V族元素的源气体更均匀地混合。
文档编号H01S5/00GK1758419SQ200510119979
公开日2006年4月12日 申请日期2005年9月12日 优先权日2004年9月10日
发明者荒木正浩, 山田英司, 汤浅贵之, 津田有三, 阿久津仲男 申请人:夏普株式会社, 大阳日酸株式会社