半导体激光装置的制作方法

专利名称：半导体激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用了 III族氮化物半导体即氮化镓(GaN)系化 合物半导体的半导体激光装置。
背景技术：
半导体激光装置由于具有小尺寸、廉价及大功率等优点，因而 除了用于通信及光盘等信息通信技术(IT技术)以外，还被应用于医 疗领域及照明领域等广泛的技术领域中。近年来，特别展开了对用 于蓝光(Blu-ray)光盘等的能够输出波长为405nm的激光的GaN系半 导体激光装置的开发。还有，用于激光显示器及液晶显示装置的背 光源的能够输出波长为450nm 470nm的纯蓝色激光的GaN系半导 体激光装置的开发正得到推进。 当用于光盘时，要求这些GaN系半导体激光装置实现大功率 化以便进行高速且多层记录，还有，当用于显示器及背光源时，要 求该GaN系半导体激光装置实现大功率化以便获得高亮度。为了使 半导体激光装置实现大功率化，格外重要的是要抑制被称作端面劣 化的劣化模式，端面劣化指的是生威激光的谐振器的光射出端面由 于激光而劣化。下面，对端面劣化进行说明。 因为构成半导体激光装置的谐振器端面、特别是光射出端面的 原子与构成在该谐振器端面上形成为膜状的涂层材料的原子或在激 光装置周围存在的大气原子之间发生化学反应，所以在光射出端面 上，结晶的不完全性增大，这便成为吸收激光的原因。若在光射出 端面结晶的不完全性增大，则光吸收量增加，所吸收的光的大部分 转换成热能，从而使该端面的温度上升。温度上升将招致半导体的 带隙收缩，为此出现了光吸收量进一步增加而致使温度上升的正反馈(positive feedback)。该正反馈的结果是，不久端面的结晶熔解， 即产生被称作灾变性光学损伤(Catastrophic Optical Damage: COD)
的缺陷。 以往，为了克服端面劣化，在砷化镓(GaAs)系半导体激光装置 中采用了端面窗结构。端面窗结构指的是使活性层的光射出端面附 近的禁带宽度大于谐振器的其它区域的禁带宽度的结构。为此，光 射出端面附近的光吸收量减少，该光射出端面的发热量降低，因此 能够抑制端面劣化。在以往的GaAs系半导体激光装置中，为了形成端面窗结构， 利用了通过离子注入或杂质扩散使活性层无序化的技术(参照例如 专利文献1及专利文献2)。 例如，当使用离子注入法时，向活性层及其附近注入离子后， 再进行热处理。由于所注入的离子及伴随注入而产生的缺陷的热扩 散，使构成禁带宽度小的活性层的半导体材料与其周边的禁带宽度 大的区域的半导体材料混杂起来，从而实现了无序化。其结杲是， 因为与注入前相比活性层的禁带宽度增大，所以激光的吸收量减少。 还有，当使用杂质扩散法时，使设在端面窗部上侧的扩散常数大的 金属杂质等产生热扩散。已进行热扩散的杂质使活性层无序化，因 而该活性层的禁带宽度变大，而光吸收量减少。
专利文献1:日本公开特许公报特开昭63-164288号公报 专利文献2:日本公开特许公报特开昭63-196088号公报 —发明所要解决的技术问题—
但是，在GaN系半导体激光装置中，GaN结晶的键合牢固， 而注入离子或杂质的扩散常数小，因此存在很难用离子注入法或杂 质扩散法形成端面窗结构的问题。由此，在GaN系半导体激光装置 中，具有端面窗结构的激光结构并未付诸于实际应用。

发明内容
本发明是解决所述以往问题的发明，其目的在于在由GaN 系半导体构成的半导体激光装置中不使用离子注入或杂质扩散就能 够实现端面窗结构，从而能够防止端面劣化。
5一用以解决技术问题的技术方案一 为了实现所述目的，本发明将半导体激光装置构成为在包含 激光结构的由III族氮化物半导体形成的叠层结构体的一部分中至 少在光射出端面的附近且在波导路的侧方，设置台阶区域(stepped region)。 本申请发明人进行多方研究讨论的结果是取得了下述见解， 即若在基板的一部分设置了台阶区域后再使包含激光结构的GaN 系半导体生长，则活性层中台阶区域的附近区域的禁带宽度与远离 台阶区域的区域的禁带宽度不同。由于在该禁带宽度大的区域设置 激光装置的光射出端面，所以能够形成具有光射出端面的禁带宽度 大的端面窗结构的GaN系半导体激光装置。 本发明是由该见解而获得的，具体来说是通过下述结构实现 的。 本发明所涉及的半导体激光装置，具有包含活性层且选择性地 形成有台阶区域的叠层结构体，该叠层结构体的各层分别由III族 氮化物半导体形成。在该半导体激光装置中，叠层结构体具有在与 该叠层结构体的主面平行的面内延伸的条状波导路；波导路的彼此 相向的端面的至少之一是光射出端面；在台阶区域的周围形成有第 一区域和第二区域，该第一区域是活性层中禁带宽度为Egl的区域， 该第二区域是活性层中禁带宽度为Eg2(Eg2^Egl)的区域，且与该 第一区域邻接；所形成的波导路包含第一区域及第二区域，并且不 包含台阶区域；光射出端面形成在第一区域及第二区域中光吸收波 长(light absorption wavelength)较短的那个区域。 根据本发明的半导体激光装置，在形成有台阶区域的叠层结构 体的台阶区域的周围形成有第一区域和第二区域，该第一区域是活 性层中禁带宽度为Egl的区域，该第二区域是活性层中禁带宽度为 Eg2(Eg2 # Egl)的区域，且与该第一区域邻接；所形成的波导路包 含第一区域及第二区域，且不包含台阶区域；光射出端面形成在第 一区域及第二区域中光吸收波长较短的那个区域。由此，能够实现 具有光射出端面对激光的光吸收量少的端面窗结构的GaN系半导体激光装置。
优选在本发明的半导体激光装置中，进一步包括叠层结构体进
行结晶生长的基板，台阶区域由在基板的主面形成的凹部或突起部 形成。优选在本发明的半导体激光装置中，第一区域的禁带宽度Egl
大于第二区域的禁带宽度Eg2。
优选在本发明的半导体激光装置中，第一区域相对于叠层结构
体的主面上的结晶面的倾斜角度，与第二区域相对于该结晶面的倾
斜角度不同。 在GaN系的混晶生长中，生长面的偏斜角度(off angle)将影响 到其组成的这一情况已为人所知。例如，已经获知当在主面的面 方位为(0001)面的氮化镓(GaN)上生长由氮化铟镓(InGaN)形成的混 晶时，若相对于(0001)面的偏斜角度变大，则In組成比将大幅度降 低。若在设有台阶区域的基板上生长GaN系混晶，则在台阶区域的 附近结晶面产生倾斜，使偏斜角度发生变化。还有，通过调整台阶 区域的高度及形状，能够控制偏斜角度产生变化的区域的面积及偏 斜角度的大小。也就是说，由于GaN系混晶的組成比、例如InGaN 中的In組成比根据偏斜角度的不同而产生变化，所以能够对禁带宽 度进行控制。这样一来，便形成了如下所示的激光结构，即形成 禁带宽度不同的两个区域，也就是台阶区域附近的第 一 区域和远离 该台阶区域的第二区域，并且以其中光吸收波长较短的那个区域作 为端面。由此能够实现具有端面窗结构的GaN系半导体激光装置。 优选在本发明的半导体激光装置中，在叠层结构体的主面上的 第一区域的高度与第二区域的高度不同。 在此，如果第一区域和第二区域是连接在一起的话，则从第二 区域来看产生了倾斜的区域、即偏斜角度不同的区域形成在第 一 区 域的至少一部分。因为在偏斜角度不同的区域，例如InGaN的In 組成比发生变化，所以能够形成禁带宽度不同的区域。由于在禁带 宽度不同的区域中，禁带宽度较大的区域即光吸收波长较短的区域 形成有光射出端面，所以能够形成具有端面窗结构的GaN系激光装
7置。 优选在本发明的半导体激光装置中，在活性层的組成中含有铟 (In)。 通过向GaN系半导体添加铟(In)，从而使禁带宽度变小。也就 是说，通过在激光活性层中使用InGaN，而能够实现激光的振荡波 长的长波长化，因此在波长为405nm的光盘用蓝紫色激光装置及波 长为440nm至470nm的纯蓝色激光装置中，用InGaN来作为活性 层材料。如上所述，在包含In的GaN系结晶、即InGaN系结晶中， 能够利用偏斜角度来控制In組成比。通过在InGaN系半导体激光 装置中应用本发明，不仅能够实现具有端面窗结构的光盘用蓝紫色 激光装置，还能够实现可应用于照明或背光源等的纯蓝色激光装置 等。 优选在本发明的半导体激光装置中，台阶区域相对于波导路而 言{又形成在 一侧的侧方区i或中。 本申请发明人经研究探讨而得知若两个以上的台阶区域相邻 地存在时，则在台阶区域之间的区域没有形成禁带宽度产生变化的 区域，因而不能形成端面窗结构。于是，优逸当设置有两个以上的 台阶区域时，使台阶区域之间相距足够远的距离。 优选在本发明的半导体激光装置中，基板由主面的面方位为c 面的属于六方晶系的III族氮化物半导体形成，波导路在与c面平行 的面内沿着m面的法向矢量而形成。 目前，用六方晶GaN系基板的c面作主面的GaN系半导体激 光装置被广泛地应用在Blu-ray光盘等中。在该激光装置中，因为m 面是结晶的自然解理面，所以条状波导路沿着m面的法向矢量延 伸，并且通过对m面进行解理而形成了谐振器端面。利用所述结构， 而能够在目前广泛使用的Blu-ray光盘用蓝紫色激光装置中导入端 面窗结构，因此能够实现快速写入动作及高可靠性。 此时，优选波导路形成在与台阶区域的边缘相距2pm以上且 10pm以下的区域中。本申请发明人经研究探讨而得知在距台阶区域的边缘大约2[xm以上且大约lOnm以下的区域，禁带宽度的变化量最大。通过 在该禁带宽度的变化量最大的区域设置条状波导路，从而能够形成 具有下述端面窗结构的GaN系半导体激光装置，即在该端面窗结 构中，端面窗结构的形成区域与其它区域之间的禁带宽度的差异大， 也就是在激光的窗区域光吸收量更小。
还有，台阶区域相对于波导路而言也可以形成在与在基板的主 面形成的凹部或突起部相同的 一 侧。 —发明的效果一根据本发明所涉及的半导体激光装置，不利用离子注入或杂质 扩散就能够形成端面窗结构，因而能够防止端面劣化，并能够实现 具有大功率且高可靠性的GaN系半导体激光装置。


图1(a) 图l(c)表示本发明的一实施方式所涉及的蓝紫色半导 体激光装置，图l(a)是俯视图，图l(b)是图l(a)的Ib-Ib线的剖视结 构图，图l(c)是右侧视图。
图2(a)表示的是在本发明的一实施方式所涉及的蓝紫色半导体
子显微镜(SEM)像。图2(b)是表示以图2(a)的台阶区域的中心位置 为原点时CL峰值能量(波长)的a轴方向上的位置依存性的曲线图。 图2(c)是表示以图2(a)的台阶区域的中心位置为原点时CL峰值能 量(波长)的m轴方向上的位置依存性的曲线图。
图3(a)是将图2(b)的台阶区域附近放大后所得到的曲线图，图 3(b)是将图2(c)的台阶区域附近放大后所得到的曲线图。
图4是表示本发明的一实施方式所涉及的其它蓝紫色半导体激 光装置的俯视图。
图5是表示用测高仪对本发明的一实施方式所涉及的紫色半导 体激光装置的叠层结构体的台阶区域附近的高度进行测定的结果、 以及根据高度所估算出的偏斜角度的曲线图。
图6是表示根据图5所示的偏斜角度的变化所估算出的活性层 的发光能量的计算值和试验值的曲线图。图7(a) 图7(c)表示本发明的一实施方式的第一变形例所涉及 的蓝紫色半导体激光装置，图7(a)是俯视图，图7(b)是图7(a)的 VIIb-VIIb线的剖视结构图，图7(c)是右侧视图。
图8(a) 图8(c)表示本发明的一实施方式的第二变形例所涉及 的蓝紫色半导体激光装置，图8(a)是俯视图，图8(b)是图8(a)的 VIIIb-VIIIb线的剖视结构图，图8(c)是右侧视图。
图9(a) 图9(c)表示本发明的一实施方式的第三变形例所涉及 的蓝紫色半导体激光装置，图9(a)是俯视图，图9(b)是图9(a)的 IXb-IXb线的剖视结构图，图9(c)是右侧视图。
一符号说明一
1基板
la四部(基板)
lb突起部
2凹部(叠层结构体) .
3n型包覆层
4n侧光导层(optical guide layer)
多量子阱(MQW)活性层
5a禁带宽度较大的区域(光吸收波长较短的区域)
7p侧光导层
8载法b子溢出(carrier overflow)抑制层
9p型包覆层
10p型接触层
12绝缘膜
13p侧电极
14布线电极
154寸垫电极(pad electrode)
16n侧电极
20突起部(叠层结构体)
具体实施例方式
(—实施方式)一边参照附图， 一边对本发明的一实施方式所涉及的半导体激 光装置进行说明。 图1(a) 图l(c)表示本发明的一实施方式所涉及的蓝紫色半导 体激光装置，图l(a)表示的是俯视结构，图l(b)表示的是图l(a)的 Ib-Ib线的剖视结构，图l(c)表示的是右侧面(光射出端面)的结构。 如图l(a)至图l(c)所示，本实施方式所涉及的半导体激光装置 是使用了六方晶系的GaN系半导体的出射光的波长为405nm的蓝 紫色半导体激光装置，在禁带宽度较大的区域5a具有光射出端面， 该区域5a形成在构成台阶区域的凹部2的附近。 在图l(a)至图l(c)中，用c、 a及m表示六方晶GaN系结晶的 面方卩立。c表示面方^立为(0001)面的法向矢量、即c轴；a表示面方 位为(11一20)面及其等效的面的法向矢量、即a轴；m表示面方位 为(1一100)面及其等效的面的法向矢量、即m轴。在此，本申请说 明书中，加在面方位的米勒指数中的负号"一"筒便地表示出紧接 着该负号之后的 一 指数的反演(inversion)。 下面，对本实施方式所涉及的蓝紫色半导体激光装置的结构及 制作方法进行说明。 首先，如图l(b)及图l(c)所示，在主面的面方位为(0001)面的 由n型氮化镓(GaN)形成的基板1的主面上，利用例如以硅烷(SiH4) 为原料的热化学气相沉积(Thermal Chemical Vapor Deposition:热 CVD)法，沉积膜厚为600nm的由二氧化硅(Si02)形成的第 一掩模(未 图示)。然后，利用光刻法及蚀刻法，在第一掩模形成相邻的两边平 行于a轴和m轴且宽度为30^m x 30/im的平面形状为方形的开口 部。 接着，利用以四氟化碳(CF4)作蚀刻气体的感应耦合等离子体 (Inductively Coupled Plasma: ICP)蚀刻装置，蚀刻基板1,从而通过 第一掩模的开口部在基板1形成深度大约为2//m的凹部la。然后， 使用氢氟酸(HF)除去第一掩模。 紧接着，用例如金属有机化学气相沉积(Metalorganic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)法，在基板1的包含凹部la的整个主面上，生长厚度为2/zm的由n型Alo.o3Gac).97N形成的n型包覆层3 ， 然后在n型包覆层3上生长厚度为0.1/Zm的由n型GaN形成的n 侧光导层4。而且，在n侧光导层4上生长多量子阱(MQW)活性层 5，该多量子阱(MQW)活性层5是例如使由Ino.o2Gao.98N形成的緩冲 层和由Ino.。6Gao.94N形成的量子阱层构成的叠层体叠层三个周期而 成的。此时，MQW活性层5中远离凹部la上方的区域的禁带宽度 Eg2比凹部la上方的附近区域的禁带宽度Egl小，即Eg2〈Egl。 这样一来，根据本发明，如图l(b)及图l(c)的光射出端面所示，通 过在由于凹部la所形成的台阶区域而产生的禁带宽度较大的区域 5a设置MQW活性层5的光射出端面，从而不使用离子注入或杂质 扩散就能够实现端面窗结构。此外，在下文中，将对在MQW活性 层5中由于台阶区域而形成有禁带宽度较大的区域5a的这一现象的 具体情况进行说明。 随后，在MQW活性层5上，生长厚度为0.1/im的由p型GaN 形成的p侧光导层7。然后，在p侧光导层7上，生长厚度为10nm 的由Alo.2()Gaa8oN形成的载流子溢出抑制层(OFS层)8以后，再在 OFS层8上，依次生长厚度为0.48//m的具有应变超晶格结构的p 型包覆层9和厚度为0.05/zm的由p型GaN形成的p型接触层10。 该p型包覆层9是使厚度分别为1.5nm的p型AlcusGao.^N层和GaN 层构成的叠层体重复叠层160个周期而成的。 在此，如图l(c)所示，由于在包含MQW活性层5的外延层(叠 层结构体)形成的凹部2是以掩埋形成在基板1中的凹部la的形态 生长的，所以凹部2的宽度及深度有可能比凹部la的形状小。还有， 根据叠层结构体的生长条件，凹部2有可能被完全填满而变得平坦。 即使在这种情况下，只要受设置在基板1中的凹部la的影响使 MQW活性层5中的凹部la的上方区域5a的光吸收波长变短，即 只要区域5a的禁带宽度Egl大于MQW活性层5的其它区域的禁 带宽度Eg2，所述结构就也能被用作端面窗结构。 另外，为了将所述结构用作端面窗结构，优选区域5a的禁带 宽度Egl比其它区域的禁带宽度Eg2大50meV以上。而且，进一
12步优选区域5a的禁带宽度Egl比其它区域的禁带宽度Eg2大 100meV以上，更优选大150meV以上。不过，Egl与Eg2之差将 在"有助于发光的活性层(含有In、Ga及N)的禁带宽度(Egl)"和"在 该有助于发光的活性层中不存在In时(将In全部置换成Ga时等)的 禁带宽度"的差以下。例如，在蓝紫色激光装置(波长大约为405nm) 时，Egl与Eg2的差不超过大约330meV。还有，在绿色激光装置(波 长大约为540nm)时，Egl与Eg2的差不超过大约110meV。然而， 蓝紫色激光装置及绿色激光装置以外的情况并不受限于此。 还有，举例来说，基板l的a轴方向的宽度可以在大约200 // m以上且大约400//m以下，设置在基板1中的凹部la的m轴方 向的一边的长度可以在大约5//m以上且大约200//m以下，或者 还可以在大约50//m以上且大约200/zm以下。还有，例如Y尤选凹 部la的a轴方向的一边的长度在大约20//m以上且大约lOO^m以 下，也可以在大约2;^m以上且大约200//m以下或者在大约2#m 以上且大约100//m以下。还有，例如《尤选凹部la的深度在大约0.1 //m以上且大约10/Zm以下，并且例如优选形成在叠层结构体中的 凹部2的深度在大约0.01 //m以上且大约10/zm以下。 作为形成叠层结构体时的结晶生长法，除了MOCVD法以外， 还可以采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy: MBE)法或化学束 外延(Chemical Beam Epitaxy: CBE)法等能够生长GaN系蓝紫色半 导体激光结构的生长方法。采用MOCVD法时可以使用的材料有 例如，作为Ga材料可以使用三曱基镓(TMG)，作为In材料可以使 用三曱基铟(TMI)，作为A1材料可以使用三甲基铝(TMA)，还有作 为N材料可以使用氨(NH3)。而且，作为n型杂质的Si材料可以使 用硅烷(SiH4)气体，作为p型杂质的Mg材料可以使用二茂基镁 (Cp2Mg)。
接着，用例如热CVD法，在p型接触层10上，沉积膜厚为 0.3//m的由Si02形成的第二掩模(未图示)。再用光刻法及蚀刻法， 使第二掩模成为宽度为1.5/zm的条状且与m轴方向平行的图案。然后，使用第二掩模通过ICP法蚀刻叠层结构体的上部达0.35/zm深，从而由p型接触层10及p型包覆层9的上部形成了脊形 条部。然后，使用氢氟酸除去第二掩模后，再次利用热CVD法， 在已露出的p型包覆层9的包含脊形条部的整个面上，形成膜厚为 200nm的由Si02形成的绝缘膜(钝化膜)12。然后，利用光刻法，在绝缘膜12的脊形条部的上表面，沿着 该脊形条部形成具有宽度为1.3/zm的开口部的抗蚀图案(未图示)。 接着，利用例如使用了三氟甲烷(CHF3)气体的反应离子蚀刻 (Reactive Ion Etching: RIE)，以抗蚀图案为掩模，对绝缘膜12进行 蚀刻，使p型接触层IO从脊形条部的上表面露出。 然后，利用例如电子束(ElectronBeam: EB)蒸镀法，至少在已 从脊形条部的上表面露出的p型接触层10上，形成厚度为40nm的 钯(Pd)和厚度为35nm的铂(Pt)构成的金属叠层膜。随后，利用除去 抗蚀图案的剥离法(lift-off method),除去金属叠层膜的除脊形条部 以外的区域，从而形成p侧电极13。 然后，如图l(b)所示，利用光刻法及剝离法，在绝缘膜12上 以覆盖脊形条部的上部的p侧电极13的形态有选择地形成了布线电 极14。例如，该布线电极14的平行于脊形条部的方向上的平面尺 寸为500/Zm，且垂直于脊形条部的方向上的平面尺寸为150/zm。 在此，布线电极14由厚度依次为50nm、 200nm及lOOnm的钛(Ti)/ 柏(Pt)/金(Au)的金属叠层膜形成。此外， 一般来说，基板1为晶片 状态，多个激光装置呈矩阵状形成在基板1的主面上。因此，在将 晶片状态的基板1分割成单个的激光芯片时，若切断布线电极14, 则有可能出现下述问题，即紧贴在该布线电极14上的p侧电极 13从p型接触层IO上脱落下来。于是，如图l(a)所示，优选彼此 邻接的芯片的布线电极14不相互连接。而且，利用电镀法，使布线 电极14的上层的Au层的厚度增加到10//m左右，从而形成村垫电 极15。这样一来，能够利用线焊来进行激光芯片的安装，并且能够 使MQW活性层5的发热有效地释放出来，因此能够提高半导体激 光装置的可靠性。然后，在形成了村垫电极15后，用金刚石研磨液对晶片状态的基板1的背面进行研磨，从而薄膜化基板1直到该基板1的厚度
达到100/zm左右。其后，利用例如EB蒸镀法，在基板l的背面， 形成由厚度为5nm的Ti、厚度为10nm的Pt及厚度为1000nm的 Au构成的金属叠层膜，由此来形成n侧电极16。 接着，沿着m面对晶片状态的基板1进行一次解理，使其m 轴方向的长度成为600/im。应当说明一下，当进行所述一次解理 时，在解理范围包含由于形成在基板1中的凹部la而在MQW活性 层5中吸收波长得以实现短波长化、即禁带宽度变大了的区域5a 的情况下，对基板l进行了解理，从而形成了端面窗结构。然后， 沿着a面，对已被一次解理的基板1进行二次解理，使其a轴方向 的长度成为200/zm。 下面，对在由GaN系半导体形成且包含MQW活性层5的激 光结构的光射出端面附近形成由凹部la构成的台阶区域而使禁带 宽度发生变化的这一现象进行说明。 图2(a)表示的是在生长了 MQW活性层5后的由凹部2形成的 台阶区域及其附近的上表面的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope: SEM)像。图2(b)表示的是当以图2(a)的台阶区域的中 心位置为原点的时候，在a轴方向对阴极发光(Cathode Luminescence:CL)光谱进行行扫描时所获得的CL峰值能量(左側的 纵轴)。图2(c)表示的是同样地当以台阶区域的中心位置为原点的时 候，在m轴方向对CL光谱进行行扫描时所获得的CL峰值能量(左 侧的纵轴)。在图2(b)及图2(c)中，右侧的纵轴表示与CL峰值能量 对应的光的波长。如图2(b)及图2(c)所示，在a轴方向及m轴方向 上都在台阶区域的附近存在CL峰值能量变大的区域。 一般来说， 若禁带宽度大，则发光峰值能量变大。此时，光吸收波长将变短。图3(a)是将图2(b)的台阶区域的附近放大后所得到的曲线图， 图3(b)是将图2(c)的台阶区域的附近放大后所得到的曲线图。在本 实施方式中，因为以一边长度为30/Zm x 30#m的台阶区域(凹部 2)的中心为原点，所以在图中橫轴的15//m的位置就成为台阶区域 的边缘。在a轴和m轴上，虽然CL峰值能量的变化量的最大值相
15等，即都大约为92meV，但是CL峰值能量产生变化的区域的宽度 并不相同，在图3(a)所示的a轴方向上该宽度为大约14/zm，在图 3(b)所示的m轴方向上该宽度大约为2^m。 还有，在a轴方向上，在距离台阶区域的边缘大约5//m的区 域，CL峰值能量最大。于是，优选在a轴方向上在距台阶区域大约 5//m的位置形成条状波导路，并且使该条状波导路与m轴方向平 行。当使用六方晶系的GaN系材料时，m面成为自然解理面。利用 所述结构，通过在台阶区域的附近进行解理，既使短波长化区域包 含在解理范围中又使m面露出，从而能够实现在光射出端面的CL 峰值能量最大、即在光射出端面的激光的吸收量最少的结构。此外， 可以在a轴方向上距台阶区域在大约1〃m以上且大约15/Zm以下、 或者在大约2//m以上且大约10//m以下的位置形成条状波导路， 并且使该条状波导路与m轴方向平行。 还有，在本实施方式中，使形成台阶区域的设置在基板1中的 凹部la的各边与a轴及m轴平行，并且使凹部la的深度为2//m。 此外，根据凹部la的平面尺寸、平面形状及深度的变化，叠层结构 体中的CL峰值能量的变化量最大的位置会发生变化。例如，如图 3(a)及图3(b)所示，虽然在本发明所涉及的实施方式中，CL峰值能 量发生变化的区域距凹部la的边缘的距离在2 w m以上且14 ^ m以 下，但是根据凹部la的形状及叠层结构体的沉积条件的不同，CL 峰值能量发生变化的区域有可能距凹部la的边缘在1/zm以上且 lOO^m以下。在这种情况下，通过形成光波导路，使该光波导路 包含CL峰值能量的变化量最大的区域，并且在变化量最大的区域 进行解理，从而能够形成光吸收量少的端面窗结构。例如，当a轴 方向的CL峰值能量的变化量在距凹部la的边缘100//m的位置显 示出最大的变化量时，如图4所示，在与图l(a)相比远离脊形条部 的位置形成了凹部2。 还有，台阶区域(或者形成在基板1中的凹部la)可以形成在包 含光射出端面的面上。而且，即使台阶区域(或者形成在基板1中的 凹部la)没有形成在包含光射出端面的面上，而只要在光射出端面存在能量变化区域，则该台阶区域也可以形成在该面的附近。当台 阶区域没有形成在包含光射出端面的面上时，则该台阶区域(或者形
成在基板1中的凹部la)可以形成在距包含光射出端面的面的距离 为大于0〃m且在20//m以下、或者为大于O/Zm且在200//m以 下的位置。 而且，本申请发明人利用X射线微量分析^f义(Electron Probe Micro-Analysis: EPMA)对CL峰值能量大的区域和CL峰值能量小 的区域中的In組成比进行调查的结果是，得知在CL峰值能量大的 区域，In的組成比低，而在CL峰值能量小的区域，In的組成比高。 由于In組成比越高，InGaN的发光峰值能量就变得越小，所以可以 认为In的組成变化是引起台阶区域附近的CL峰值能量变化的原 因。 利用测高仪，沿着图2(b)及图2(c)所示的进行CL光谱的行扫 描的区域，进行高度测量的结果是，得知在吸收波长发生变化的区 域，叠层结构体中的台阶区域的附近略微产生倾斜。在图5中，左 纵轴表示a轴方向的高度测量结果，右纵轴表示从高度变化所看出 的朝a轴方向倾斜的倾斜角度(偏斜角度)。根据本申请发明人所进 行的试验而得知在生长在c面上的InGaN系材料中，若偏斜角度 变大，则In的組成比降低，发光峰值能量变小。图6是同时表示从 偏斜角度算出的由InGaN形成的活性层的发光能量和从试验获得的 CL峰值能量的附图。从图6可以看出，能量变化区域的位置和能 量变化量大体一致，从而可以想到在叠层结构体的台阶区域的附近 偏斜角度变大就将导致In組成比下降，使CL峰值能量增大。 此外，虽然在本实施方式中，对因在叠层结构体中设置的台阶 区域的附近产生倾斜所引起的In组成比降低，而导致发光峰值能量 变大的情况进行了叙述，但这也可以是由于其它原因而引起的，例 如，可以是因为In材料被吸入到台阶区域的这一现象而引起In组 成比下降、或者也可以是因为In材料及Ga材料被吸入到台阶区域 的这一现象引起台阶区域附近的阱宽度縮小，而导致CL峰值能量 增大。
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在六方晶系的GaN系化合物半导体中，若叠层InGaN等晶格 常数与GaN的晶格常数不同的半导体，就会明显地产生被称作压电 场(piezoelectric field)的内部电场的这一情况已为人所知。压电场使 半导体的能带弯曲，其结果是发光峰值能量变小。另一方面，若为 实现激光振荡而向激光结构注入载流子，则压电场就会被注入载流 子所遮蔽，使得发光峰值能量变大。 此外，在端面射出型半导体激光装置中，为了使因在光射出端 面中流动而作为热量损失掉的电流减小、以及防止解理时的电极剥 落，有时采用在光波导路的端面附近不设置电极的端面电流非注入 结构。但是，在具有压电场的InGaN/GaN系半导体激光装置中，由 于在非注入区域发光峰值能量小，也就是由于光吸收量大，因而釆 用端面电流非注入结构有可能使光射出端面的光吸收量增加。还有， 在台阶区域的附近，存在于结晶生长装置的炉内的Si等杂质的导入 量有可能增加。这种杂质作为例如GaN系半导体的施主杂质起作 用，将生成遮蔽压电场的载流子。由此，在半导体叠层体的台阶区 域的附近，即使不进行电流注入，也由于压电场被遮蔽，而使得发 光峰值能量变大。因此，在具有压电场的GaN系半导体激光装置中， 通过在台阶区域的附近形成端面窗结构，从而能够发挥使电流非注 入结构中的端面电流减少以及防止电极剥落的效果，同时还能够使 光射出端面的光吸收量增大。 此外，在本实施方式中，虽然对在光波导路的光射出端面设置 窗区域的结构进行了说明，但是也可以在光波导路的相向的两个端 面设置窗区域。还有，只要能够在由凹部la构成的台阶区域的附近 形成光吸收波长较短的区域，并能够用该区域作为端面窗，则形成 在基板l中的凹部la的平面尺寸及深度可以不受本实施方式的尺寸 及深度的限制。还有，虽然对在包含激光结构的叠层结构体中设置的台阶区域
叠层结构体的生长条件或生长用基板所具有的偏斜角度的不同，则 反而有可能在该台阶区域的附近形成光吸收波长较长的区域。在这种情况下，只要将没有受到台阶区域影响的、光吸收波长相对较短 的区域作为端面窗区域即可。 而且，当基板在a轴方向产生偏斜角度时，相对于a轴而言， 在台阶区域的 一侧有可能形成光吸收波长较长的区域，并且在该台 阶区域的另一侧有可能形成光吸收波长较短的区域。此时，只要在 光吸收波长较短的一侧形成光射出端面，或者只要在光吸收波长较 长的一侧形成光波导路，并在远离台阶区域的光吸收波长较短的区 域形成光射出端面即可。还有，在本实施方式中，虽然通过在基板1的主面设置凹部la， 而在叠层结构体中形成了凹部2，但是并不仅限于此。也就是说， 可以不是通过在基板1中设置凹部la，而是通过例如在叠层结构体 的中间层设置凹部后，以包含该凹部的形态再生长剩余的叠层结构 体的方法，来形成凹部2。 还有，在本实施方式中，虽然将激光结构的谐振器长度(cavity length)设为600〃m，但并不限于此，可以将其设定在200〃m以上 且20000/2m( = 20mm)以下。而且，谐振器长度还可以在400〃m 以上且1000//m(= lmm)以下。还有，在本实施方式中，虽然将属于六方晶系的GaN系基板 (GaN基板、AlGaN基板)用作叠层结构体的生长用基板，但是也能 够使用能生长GaN系材料的其它基板，例如碳化硅(SiC)、硅(Si)、 蓝宝石(单晶Al203)或氧化锌(ZnO)等。 还有，在本实施方式中，虽然只在半导体激光装置的一个端面 设置了窗结构，但也可以在两个端面都设置窗结构。 (—实施方式的第一变形例)
下面， 一边参照附图， 一边对本发明的一实施方式的第一变形 例所涉及的半导体激光装置进行说明。 图7(a) 图7(c)表示本发明的一实施方式的第一变形例所涉及 的蓝紫色半导体激光装置，图7(a)表示俯视结构，图7(b)表示图7(a) 的VIIb-VIIb线的剖视结构，图7(c)表示右侧面(光射出端面)的结构。 在图7中，对与图1相同的构成要素标注与图1相同的符号，从而
19省略对它们的说明。 如图7(c)所示，在本变形例所涉及的蓝紫色半导体激光装置中， 相对于波导路而言设置在一侧的侧方区域的凹部2沿着a轴方向上 的一个方向(与波导路相反的一侧)一直延伸到激光装置的端部。通 过采用本结构，能够增大凹部2的容积。如上所述，若能增大凹部 2的容积，则能够进一步使位于台阶附近的MQW活性层5的发光 能量增大，从而能够进一步削减光吸收量。而且，因为发光能量发 生变化的区域变大，所以能够维持高成品率且稳定地形成端面窗区 域。 此外，形成图7所示的凹部的方法与制作图l所示的蓝紫色半 导体激光装置的方法相同，所以省略对图7所示的凹部的形成方法 进行说明。 (—实施方式的第二变形例)
下面， 一边参照附图， 一边对本发明的一实施方式的第二变形 例所涉及的半导体激光装置进行说明。图8(a) 图8(c)表示本发明的一实施方式的第二变形例所涉及 的蓝紫色半导体激光装置，图8(a)表示俯视结构，图8(b)表示图8(a) 的VIIIb-VIIIb线的剖视结构，图8(c)表示右侧面(光射出端面)的结 构。在图8中，对与图l相同的构成要素标注与图l相同的符号， 从而省略对它们的说明。 如图8(c)所示，在第二变形例所涉及的由GaN系半导体形成的 叠层结构体的生长用基板1上形成了突起部lb，并以该突起部lb 来取代凹部la。在此，突起部lb的相邻的两条边与a轴和m轴平 行，其平面形状是长度为30;/m x 30/im的方形，并且该突起部lb 的高度为2//m。 这样一来，在外延生长在包含突起部lb的基板1的主面上的 叠层结构体中，形成了由突起部20所构成的台阶区域。因此，与所 述一实施方式相同，通过在由于台阶区域所产生的禁带宽度较大的 区域5a中，设置MQW活性层5的光射出端面，从而不使用离子注 入或杂质扩散就能够制造出端面窗结构。
此外，在第二变形例中，虽然只在半导体激光装置的一个端面
设置了窗结构，但也可以在两个端面都设置窗结构。 下面，对在基板1形成突起部lb的形成方法的一个示例进行 说明。 首先，在主面的面方位为(0001)面的由n型GaN形成的基板1 的主面上，利用例如以SiH4作材料的热CVD法，沉积膜厚为600nm 的由Si02形成的掩模(无图示)。然后，再用光刻法及蚀刻法，使掩 模成为相邻的两条边与a轴和m轴平行且平面形状是宽度为30/zm x30^m的方形的图案。 然后，利用以CF4作蚀刻气体的ICP蚀刻装置，对形成有掩模 的基板1的上部进行蚀刻，从而在基板1形成高度为2//m的突起 部lb。接着，使用氢氟酸将掩模除去。 随后，再利用MOCVD法等，在形成了突起部lb的基板1的 主面上，使结构与所述一实施方式相同的叠层结构体进行外延生长，
由此便制作出脊形条状半导体激光装置。 此外，在本变形例中，通过在基板1的主面设置突起部lb，而 在叠层结构体形成了突起部20，但并不仅限于此。也就是说，可以 不是通过在基板1上设置突起部lb，而是通过例如在叠层结构体的 中间层设置突起部后，以包含该突起部的形态再生长剩余的叠层结 构体的方法，来形成突起部20。 还有，台阶区域(或者形成在基板1上的突起部lb)可以形成在 包含光射出端面的面上。而且，即使台阶区域(或者形成在基板1上 的突起部lb)没有形成在包含光射出端面的面上，而只要在光射出 端面存在能量变化区域，则该台阶区域也可以形成在该面的附近。 当台阶区域没有形成在包含光射出端面的面上时，则该台阶区域(或 者形成在基板1上的突起部lb)可以形成在距包含光射出端面的面 的距离为大于0#m且在20〃m以下、或者为大于且在200 //m以下的位置。 (—实施方式的第三变形例)
下面， 一边参照附图， 一边对本发明的一实施方式的第三变形例所涉及的半导体激光装置进行说明。 图9(a) 图9(c)表示本发明的一实施方式的第三变形例所涉及 的蓝紫色半导体激光装置，图9(a)表示俯视结构，图9(b)表示图9(a) 的IXb-IXb线的剖枧结构，图9(c)表示右侧面(光射出端面)的结构。 在图9中，对与图1相同的构成要素标注与图1相同的符号，乂人而 省略对它们的说明。 如图9(c)所示，在本变形例所涉及的蓝紫色半导体激光装置中， 突起部lb沿着a轴方向延伸到激光装置的端部。通过采用本结构， 食g够增大突起部lb的体积。由此，能够进一步使位于台阶附近的 MQW活性层5的发光能量增大，从而能够进一步削减光吸收量。 而且，因为发光能量发生变化的区域变大，所以能够维持高成品率 且稳定地形成端面窗区域。 此外，形成图9所示的突起部lb的方法与制作图8所示的蓝 紫色半导体激光装置的方法相同，所以省略对图9所示的突起部lb 的形成方法进行说明。如上所述，本发明所涉及的一实施方式及其变形例是这样的， 即在由GaN系半导体形成的包含激光结构的叠层结构体中，在由 设置在基板1的凹部la或突起部lb所形成的台阶区域的附近，形 成禁带宽度比MQW活性层5的其它区域大的区域5a，并且以包含 该禁带宽度较大的区域5a的形态设置光射出端面。 由此，不进行离子注入或杂质扩散就能够形成端面窗结构，所 以能够防止端面劣化，同时还能够获得具有大功率及高可靠性的 GaN系半导体激光装置。 此外，在本发明所涉及的一实施方式及各个变形例中，设置在 基才反l的凹部la及突起部lb的m轴方向的一边的长度可以例如在 大约5〃m以上且大约200以下，或者可以在大约50//m以上 且大约200^m以下。还有，凹部la及突起部lb的a轴方向的一 边的长度可以例如在大约20/Zm以上且大约100Mm以下，或者在 大约2/Zm以上且大约200〃m以下、又或者在大约2//m以上且大 约100//m以下。
还有，凹部la的深度或突起部lb的高度可以例如在大约0.1 //m以上且大约10〃m以下，形成在叠层结构体上的突起部20的 高度可以例如在大约0.01 以上且大约5〃m以下。还有，可以在a轴方向上距台阶区域的距离在大约l//m以上 且大约15/Zm以下、或者在大约2〃m以上且大约10//m以下的位 置形成条状波导路，并且使该条状波导路与m轴方向平行。 一产业实用性一 本发明所涉及的半导体激光装置不仅能够适用于光盘的记录 及再生用光源，还能够适用于激光显示器或液晶背光源、以及手术 用激光手术刀及焊接等，所以本发明对于使用了 GaN系化合物半导 体的半导体激光装置等是有用的。
权利要求
1.一种半导体激光装置，具有包含活性层且选择性地形成有台阶区域的叠层结构体，该叠层结构体的各层分别由III族氮化物半导体形成，其特征在于所述叠层结构体，具有在与该叠层结构体的主面平行的面内延伸的条状波导路，所述波导路的彼此相向的端面的至少之一是光射出端面，在所述台阶区域的周围形成有第一区域和第二区域，该第一区域是所述活性层中禁带宽度为Eg1的区域，该第二区域是所述活性层中禁带宽度为Eg2的区域，且与该第一区域邻接，而且Eg2≠Eg1，所述波导路形成为包含所述第一区域及第二区域，并且不包含所述台阶区域，所述光射出端面，形成在所述第一区域及第二区域中光吸收波长较短的那个区域。
2. 根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于进一 步包括所述叠层结构体进行结晶生长的基板，所述台阶区域由在所述基板的主面形成的凹部或突起部形成。
3. 根据权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于所述基板，由主面的面方位为c面的属于六方晶系的III族氮化物半导体形成，所述波导路，在与c面平行的面内沿着m面的法向矢量而形成。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光装置，其特征在于所述第一区域的禁带宽度Egl大于所述第二区域的禁带宽度Eg2。
5. 根据权利要求1至3中任一项所迷的半导体激光装置，其特征在于所述第一区域相对于所述叠层结构体的主面上的结晶面的倾斜角度，与所述第二区域相对于所述结晶面的倾斜角度不同。
6. 根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光装置，其特征在于在所述叠层结构体的主面上的所述第一区域的高度与所述第二区域的高度不同。
7. 根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光装置，其特征在于在所述活性层的組成中含有铟。
8. 根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光装置，其特征在于所述台阶区域，相对于所述波导路而言<又形成在 一侧的侧方区域中。
9. 根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光装置，其特征在于所述波导路形成在与所述台阶区域的边缘相距2|im以上且10|im以下的区域中。
10. 根据权利要求2所述的半导体激光装置，其特征在于所述台阶区域，相对于所述波导路而言形成在与所述凹部或所迷突起部相同的一侧。
全文摘要
本发明公开了一种半导体激光装置。该半导体激光装置具有形成在基板(1)的主面上且由III族氮化物半导体构成的包含MQW活性层(5)的叠层结构体。叠层结构体具有形成在该叠层结构体的主面的条状波导路，波导路的彼此相向的端面中的一个是光射出端面。在凹部(2)的周围形成有第一区域和第二区域，该第一区域是MQW活性层(5)中禁带宽度为Eg1的区域，该第二区域是MQW活性层(5)中禁带宽度为Eg2的区域，且与该第一区域邻接，而且Eg2≠Eg1。所形成的波导路包含第一区域及第二区域，且不包含台阶区域，光射出端面形成在第一区域及第二区域中光吸收波长较短的那个区域(5a)。
文档编号H01S5/343GK101558535SQ200880001109
公开日2009年10月14日 申请日期2008年10月15日 优先权日2007年11月2日
发明者川口真生, 油利正昭 申请人:松下电器产业株式会社