氮化物半导体激光装置及其制造方法

专利名称：氮化物半导体激光装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及包括在包含氮化镓(GaN)的基板上形成的氮化物半导体的半导体激 光装置及其制造方法。
背景技术：
从以往开始，作为通信用激光装置或CD (Compact Disc)或DVD (Digital Versatile Disc)用读出及写入元件，广泛地使用AlGaAs系红外激光装置或AlInGaP系红 色激光装置等iii-v族氮化物半导体激光装置。 进而，近年来，实现了使用由AlxGazIni—x—ZN(其中，O《x《l，O《z《1， 0《1-x-z《1)表示的III族氮化物系半导体，进而能够输出波长短的蓝色光或紫外光的 半导体激光装置。例如，作为Blu-ray-Disc(注册商标)等高密度盘的写入及读出光源，实 用化了 III族氮化物半导体激光装置。当今，在再生用用途中，市售有输出为几十mW的低 输出的蓝色激光装置、及记录用lOOmW级的高输出激光装置。今后，面向记录速度的提高， 将寻求进一步的高输出化，200mW级的激光装置也将登陆市场。 以往，在制作使用了 III族氮化物系半导体的发光元件的情况下，基板主要使用 蓝宝石(单晶氧化铝)基板。然而，蓝宝石基板、和在其上形成的III族氮化物系半导体的 晶格不匹配率为约13% ，且极大。因此，导致在蓝宝石基板上生长的氮化物系半导体以高密 度含有错位等缺陷，难以得到良好质量的III族氮化物系半导体。 因此，开发了缺陷密度少的氮化镓(GaN)基板，盛行有关GaN基板的利用方法的研 究开发。提出了将GaN基板主要作为半导体激光装置用基板利用。 在GaN基板上使III族氮化物系半导体生长的情况下，若使该III族氮化物系半 导体在晶面的C面即面方位的(0001)面上生长，则导致在生长的III族氮化物系半导体的 表面得不到良好的平坦性或结晶性的问题。针对该问题，在专利文献1中，提出了通过使 GaN基板的上表面相对于C面倾斜0.03°以上且10°以上，减少在GaN基板形成的半导体 发光层的上表面形成的半导体层的晶格缺陷，能够实现长寿命化的技术。
另外，从提高生长的半导体层的表面的平坦性的观点出发，在专利文献2中记载 了使GaN基板的上表面相对于C面向结晶轴的〈1-100〉方向以0. 1°以上且l.O。以下的 范围倾斜的GaN基板有效，另外，在专利文献3中记载了以0.3。 0.7°的范围倾斜的GaN 基板有效。还有，在本申请说明书中，对面方位及结晶轴的指数标注的负的符号(_)便利地 表示与该负的符号连续的_的指数的反转。 进而，在专利文献4中记载了由于使用在包括n型GaN的缓冲层上，作为包覆层，
层叠组成相互不同的III族氮化物半导体而成的超晶格层，其单个层成为弹性极限膜厚以
下，因此，结晶性极其良好，故未发生裂纹的、结晶性良好且极其平坦的膜能够生长，激光装
置的寿命飞跃性地变得良好。专利文献1特开2000-223743号公报专利文献2特开2006-156958号公报
专利文献3特开2004-327655号公报
专利文献4特开2002-261014号公报 在利用GaN基板，形成半导体激光装置等的情况下，不仅期望在GaN基板上形成的 III族氮化物系半导体层中的结晶性良好，而且该III族氮化物系半导体层的表面中的平 坦性也良好。 这是因为由于平坦性的降低，光散射，该散射光在激光共振器的共振方向上多重 发射，与主激光发生干涉，由此相对于基板的主面垂直的方向的远视野像(FFP:Far Field Pattern)从高斯(力D 7 > )形状偏离，或散射光从包覆层透出，发生脉动。将这样的垂 直FFP的形状不整齐的激光使用于光盘装置的情况下，由于光的利用效率的减少，发生噪 声，另外，成为读取错误发生等的要因，从而不优选。 本申请发明人等经过各种探讨的结果，确认了如在上述专利文献1 4中建议的 一样的经由包括GaN的缓冲层制作的半导体激光装置中，仅通过限定基板的倾斜角度而得 到的平坦性还不充分。

发明内容
本发明鉴于上述问题，其目的在于在GaN基板上形成平坦性及结晶性优越的III 族氮化物系半导体层，得到与高斯形状接近的垂直FFP形状。 为了实现所述目的，本发明的第一氮化物半导体激光装置，其特征在于，具备 基板，其包括n型GaN，层叠结构体，其包含在基板的主面上与该主面相接而形成的包括 AlxGai—XN(其中，x为0〈x〈l)的n型包覆层、在该n型包覆层上形成的活性层、和在该 活性层上形成的P型包覆层；基板的主面相对于面方位的(0001)面以0.35°以上且0.7° 以下的范围倾斜，AlxGai—XN中的组成x为0. 025以上且0. 04以下。 根据第一氮化物半导体激光装置可知能够实现具有平坦的表面的层叠结构体，因 此，能够得到具有与高斯形状接近的良好的形状的垂直FFP形状。另外，Al,Ga卜，中的组成 x为0. 025以上且O. 04以下，因此，能够在层叠结构体中容易地进行激光的光封闭，因此，抑 制向基板的光的透出。而且，层叠结构体不发生与基板之间的晶格歪斜引起的裂纹，因此， 能够实现工作电压低，具有良好的垂直FFP形状的氮化物半导体激光装置。另外，就层叠结 构体来说，即使为最小限度的膜厚，也得到良好的垂直FFP形状，因此，可靠性提高，并且， 能够降低制造成本。 优选在第一氮化物半导体激光装置中，表示层叠结构体的表面平坦性的表面粗糙 度的均方根(RMS)值为3nm以下。 若这样，则能够实现具有良好的垂直FFP形状的氮化物半导体激光装置。 在第一氮化物半导体激光装置中，基板的主面相对于(0001)面向结晶轴的
〈11-20〉方向倾斜也可。 若这样，能够抑制共振器端面的倾斜，因此，能够使磁镜损失(mirrorloss)为最 小限度。 本发明的第二氮化物半导体激光装置，其特征在于，具备基板，其包括n型GaN， 层叠结构体，其包含在基板的主面上与该主面相接而形成的包括AlxGai—XN(其中，x为0 < x < 1)的n型包覆层、在该n型包覆层上形成的活性层、和在该活性层上形成的p型包覆层；基板的主面相对于面方位的(0001)面以0.25°以上且0.7°以下的范围倾斜，所述基板 为杂质的浓度高的层和低的层沿主面的深度方向交替地层叠而形成的，AlxGai—，中的组 成x为0. 025以上且0. 04以下。 根据第二氮化物半导体激光装置可知，基板为杂质的浓度高的层和低的层沿主面 的深度方向交替地层叠而形成的，因此，能够实现具有更平坦的层叠结构体，并且，能够减 少活性层内的波长波动(例如铟(In)组成的不均一)，因此，能够实现不均一的电流注入的 减少及波导损失的抑制。由此，能够实现工作电流低，具有良好的垂直FFP形状的氮化物半 导体激光装置。 在第二氮化物半导体激光装置中，杂质为选自由硅、锗、氧、硫及硒构成的组的至 少一种元素也可。 优选在第二氮化物半导体激光装置中，表示层叠结构体的表面平坦性的表面粗糙 度的均方根(RMS)值为3nm以下也可。 若这样，能够实现具有良好的垂直FFP形状的氮化物半导体激光装置。 在第二氮化物半导体激光装置中，基板的主面相对于(0001)面向结晶轴的
〈11-20〉方向倾斜也可。 若这样，能够抑制共振器端面的倾斜，因此，能够使磁镜损失为最小限度。
本发明中的氮化物半导体激光装置的制造方法，其特征在于，包括热处理工序， 其中，对具有相对于面方位的(0001)面以0.35°以上且0.7°以下的范围倾斜的主面的 包括n型GaN的基板的主面进行热处理，升温工序，其中，升温至比热处理工序中的加热 温度高10(TC以上的温度，第一形成工序，其中，在升温工序后，在基板的主面上形成包括 AlxGai—XN (其中，x为0〈x〈1)的第一 n型包覆层，第二形成工序，其中，通过在已形成的 第一包覆层上依次形成活性层及P型包覆层，形成层叠结构体；升温工序包括在基板的主 面上与该主面相接而形成包括AlyGai—yN(其中，y为0〈y〈l，且y〈x)的第二 n型包覆 层的工序，AlxGai—XN中的组成x为0. 025以上且0. 04以下。 根据本发明的氮化物半导体激光装置的制造方法，升温工序包括在基板的主面 上与该主面相接而形成包括AlyGai—yN(其中，y为0〈y〈l，且y〈x)的第二 n型包覆层 的工序，因此，不易损伤在升温工序中发生的基板的主面中的平坦性。因此，能够再现性良 好地形成具有平坦的表面的层叠结构体，因此，能够实现具有良好的垂直FFP形状的氮化 物半导体激光装置。另外，AlxGai—XN中的组成x为0. 025以上且0. 04以下，因此，能够在 层叠结构体中容易地进行激光的光封闭，故能够抑制向基板的光的透出。而且，层叠结构体 中不发生与基板之间的晶格歪斜引起的裂纹，因此，能够实现工作电压低，具有良好的垂直 FFP形状的氮化物半导体激光装置。另外，就层叠结构体来说，即使为最小限度的膜厚，也得 到良好的垂直FFP形状，因此，可靠性提高，并且，能够降低制造成本。 根据本发明的氮化物半导体激光装置及其制造方法可知，在包括氮化镓(GaN)的 基板上形成的包括III族氮化物半导体的层叠结构体的平坦性提高，因此，抑制光的散射， 从而能够将基板的垂直方向的FFP形状形成为良好的形状。进而，层叠结构体的平坦性提 高，因此，还能够抑制活性层内的In组成的不均一，故能够抑制激光的波导损失。其结果， 使用了在基板内存在有大的倾斜角度分布的情况下，也在广的区域得到平坦的结晶，因此， 成品率提高。


图1是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体激光装置的剖面图。
图2是表示比较例的氮化物半导体激光装置的剖面图。 图3是将本发明的第一实施方式的氮化物半导体激光装置中的n型GaN基板及n
型包覆层(AlGaN)的倾斜角度和表面粗糙度的关系与比较例一同示出的图表。 图4是表示包含激光结构的层叠结构体的表面粗糙度和垂直FFP形状的不整齐量
的关系的图表。 图5是表示本发明的第二实施方式的氮化物半导体激光装置的剖面图。 图6是将本发明的氮化物半导体激光装置中的n型GaN基板及n型包覆层(AlGaN)
的倾斜角度和表面粗糙度的关系以第一实施方式、第二实施方式及比较例示出的图表。
图中101-基板；102-n型包覆层；103-n型引导层；104-MQW活性层；105-p型引
导层;106-p型载体块层;107-p型包覆层;108-p型接触层；109_电介质层；110-p侧电极;
111-P侧衬垫电极；112-n侧电极；113-n型缓冲层；114-基板；120-层叠结构体。
具体实施例方式(第一实施方式) 参照附图的同时，说明本发明的第一实施方式。还有，以下的各实施方式仅不过为 一例，本发明不限定于这些实施方式。 如图1所示，第一实施方式的氮化物半导体激光装置在例如包括n型氮化镓(GaN) 的基板101的主面上具有包括利用外延生长来形成的多个III族氮化物半导体的层叠结构 体120。 层叠结构体120包含从基板101侧依次形成的、包括n型Al^a卜，n(其中，x为O <x< 1)型包覆层102、包括n型GaN的n型引导层103 ;包括InGaN的多重量子阱(MQW) 活性层104、包括p型GaN的p型引导层105、包括p型AlGaN的p型载体块层106、具有包 括p型AlGaN和p型GaN的超晶格结构的p型包覆层107、及包括p型GaN的p型接触层 108。 p型包覆层107和p型接触层108的一部分被加工为条纹状，形成脊形波导路(脊 形条纹)。在脊形条纹的侧方及侧面上即P型包覆层107中的脊形条纹的两侧和两侧面上 以及P型接触层108的两侧面上形成有包括氧化硅(Si02)的电介质层109。在从电介质层 109露出的p型接触层108上形成有与该p型接触层108欧姆接触的p侧电极110。进而， 在电介质层109上形成有与p侧电极110相接的p侧衬垫电极111。另外，在基板IOI中的 与n型包覆层102相反侧的面(背面)上形成有与该基板101欧姆接触的n侧电极112。
以下，说明如上所述地构成的氮化物半导体激光装置的结构的详细情况和其制造 方法。 首先，准备例如主面相对于面方位的(0001)面向结晶轴的〈11-20〉方向倾斜 0. 5° ，且包括施主(donor)的杂质浓度为1 X 1018cm—3左右的n型GaN的基板101。
其次，在准备的基板101的主面上例如利用有机金属气相生长(MetalOrganic Chemical Vapor D印osition :MOCVD)法，形成上述层叠结构体120。
在形成层叠结构体120前，即n型包覆层102生长前，将基板101热处理10分 钟。然后，在107(TC的温度下，向基板101的主面作为施主杂质以5X1017cm—3的浓度掺杂 硅(Si)，不设置包括GaN的缓冲层地直接形成厚度为2. 6 m的包括n型Al。.。3Ga。.97N的n 型包覆层102。 GaN结晶的平衡蒸汽压低，因此，即使在供给了作为V族原料的氨(NH3)气 体的状态下升温，氮(N)从结晶容易脱离，发生大的表面粗糙。 根据本申请发明人等的探讨，在对基板IOI的热处理温度为50(TC到97(TC的情况 下，就实施10分钟的热处理后的表面粗糙度来说，与热处理的前的表面粗糙度相等的均方 根(RMS)值为0. 5nm以下。然而，若在温度为105(TC下即比较高的温度下进行热处理，则在 表面形成多个凹凸，RMS值也增大为1. 2nm以上。另外，相反对基板101不进行热处理的情 况下，在形成了 n型半导体层(n型包覆层102及n型引导层103)后的表面中观察到高密度 的小丘(t 口 '7夕，hillock)，得到表示在生长初期发生了三维生长的情况的结果。因此， 至少需要层叠结构体120的形成前的热处理，其热处理温度需要设定为比n型包覆层102 的生长温度低例如50(TC到97(TC的温度。Al,Ga卜XN的生长温度通常优选比GaN的生长温 度高，作为第一实施方式的n型包覆层102的生长条件，期望107(TC到1150°C。
进而可知，如构成n型包覆层102的AlxGai—XN中的Al组成x为0. 025到0. 04 — 样，结晶特性比较接近GaN的Al组成x为0. 1以下的情况下，期望对基板101的热处理温 度设定为107(TC到112(TC的温度范围。因此，在第一实施方式中，利用热处理使基板101 的表面不粗糙地将热处理温度设定为比n型包覆层102的生长温度低的温度90(TC，在之 后的n型包覆层102的生长初期过程中，将对基板101的加热温度从90(TC升温至1070°C 时，使n型包覆层102从低温生长时的组成y (例如y = 0. 025)生长为高温生长时的组成 x (例如x = o. 03)，由此能够抑制在热处理工序及升温工序中发生的包括n型GaN的基板
101的表面的平坦性的变差。其结果，如后所述，能够再现性良好地制造具有平坦的表面的 层叠结构体120。 在此，n型包覆层102为了抑制由于向基板101侧的光的透出而产生的垂直FFP上 产生的脉动，期望厚。还有，GaN和Al,G^—，(在此x二0.03)的晶格常数不同，由于该晶格 不一致而产生的应力，AlxGai—，的膜厚超过极限膜厚的情况下，产生裂纹。因此，关于n型 包覆层102的组成及膜厚，需要设定适当的值。在n型包覆层102由于晶格不一致引起的 应力的增大而产生裂纹，其应力根据Al组成x及膜厚w的变更而变化。因此，本申请发明 人等进行了 利用计算来求出有关n型包覆层102中的Al组成x及膜厚w( y m)的应力等 高线，求出裂纹产生的区域和不产生的区域的探讨。经本申请发明人等的探讨的结果明确 可知，n型包覆层102中的Al组成x和膜厚w的关系优选满足以下的式(1)，形成为多层结 构的情况下，优选其多层结构的平均组成满足式(1)。
w < -350x+15. 2 ... (1) 从而，为了抑制在n型包覆层102产生的裂纹的产生，n型包覆层102的Al组成 x的上限为0. 043。但是可知，n型包覆层102与基板101相接而形成，因此，还兼备通常的 包括GaN的缓冲层的功能，为了缓和与基板101的界面引起的缺陷的影响，需要lym以上 的膜厚。从而，优选n型包覆层102中的Al组成x的上限为0. 04。 另外，需要n型包覆层102中作为包覆层的最低限的功能，限制向基板101侧的光 的透出，使得在垂直FFP不产生脉动。因此，本申请发明人等对产生脉动的光的透出容易度，进行了 求出有关Al组成x及膜厚w(ym)的等高线，求出脉动产生的区域和不产生的 区域的探讨。Al组成x和膜厚w的关系优选满足以下的式(2)。
w > -30x+2. 98 ... (2) 还有，从限制层叠结构体120的总膜厚的观点来说，关于A1组成x，尤其优选O. 01 以上。另外，如上所述，从抑制n型包覆层102中的裂纹的产生、及工作电压的上升的观点 来说，尤其优选Al组成x为0. 04以下。通过这样构成，能够使层叠结构体120的层叠膜厚 最小，能够实现具有良好的垂直FFP形状的氮化物半导体激光装置，因此，能够实现可靠性 的提高，并且，能够降低制造成本。 其次在如上所述地形成的n型包覆层102上，作为施主杂质，掺杂了浓度为 5X1017cm—3的硅(Si)。形成厚度为lOOnm的包括n型GaN的n型引导层103。接着，在 n型引导层103上依次形成厚度为3nm的包括In。. 1QGa。.9。N的阱层和厚度为7. 5nm的包括 In。.。2Ga。.98N的阻隔层的三重量子阱的MQW活性层104、厚度为120nm的包括p型GaN的p型 引导层105、厚度为10nm的包括p型Al。.2Ga。.8N的p型载体块层106、总膜厚为0. 5 y m的具 有包括P型Al。.。3Ga。.97N/p型GaN的超晶格(super lattices :SLs)结构的p型包覆层107、 及厚度为60nm的包括p型GaN的p型接触层108，得到层叠结构体120。
在此，MQW活性层104的生长时的生长温度设为约800°C ， p型包覆层107的生长时 的生长温度设为约93(TC。另外，在p型载体块层106、p型包覆层107中分别以lX1019cm—3 的浓度掺杂有作为受主杂质的镁(Mg)，在p型接触层108中以1 X 102°cm—3的浓度掺杂有Mg。
还有，在MOCVD法中的各原料中，例如，作为Ga源，可以使用三甲基镓，作为Al 源，可以使用三甲基铝(TMA)，作为In源，可以使用三甲基铟(TMI)，作为N源，可以使用氨 (NH3)。进而，在作为施主杂质的Si源中可以使用硅烷(SiH4)气体，在作为受主杂质的Mg 源中可以使用双环戊二烯基镁(Cp2Mg)。 其次，在包括结晶生长的III族氮化物半导体的层叠结构体120上例如利用化学 气相堆积(CVD)法堆积厚度为200nm的Si02膜(未图示)。接着，利用光刻法、及利用反 应性离子蚀刻(Reactive Ion Etching :RIE)的干式蚀刻，由Si02形成结晶性条纹形成条 纹状掩模。然后，使用条纹状掩模，利用基于Cl2气体或SiCl4气体的电感耦合等离子体 (InductivelyCoupled Plasma :ICP)干式蚀刻，将层叠结构体从层叠结构体120的表面至 约0.5iim的深度的区域进行蚀刻，形成沿结晶轴的〈l-100〉方向延伸的结晶性条纹。然后， 利用缓冲氟酸(BHF)溶液，除去掩模。 其次，再次，利用CVD法，在形成有脊形条纹的层叠结构体120上的整个面堆积厚 度为200nm的包括Si02的电介质层109。然后，利用光刻法及基于缓冲氟酸(HF)溶液的湿 式蚀刻，将电介质层109中的结晶性条纹的上侧部分有选择地开口。 其次，例如，利用电子射线蒸镀法，在从电介质层109露出的脊形条纹的上表面即 P型接触层108上形成包括钯(Pd)/白金(Pt)的p侧电极110。接着，利用电子射线蒸镀 法，在电介质层109上以覆盖p侧电极110的方式形成包括钛(Ti)/白金(Pt)/金(Au)的 配线用P侧衬垫电极lll。 其次，将基板101的背面磨削至约100 m的厚度而薄膜化。然后，例如，利用电子
射线蒸镀法，在薄膜化的基板101的背面形成包括Ti/Pt/Au的n侧电极112。 其次，通过自基板101的背面侧的划线及开裂，将晶片状态的基板101沿与脊形条纹垂直的方向一次劈开，形成相互对置的共振器端面。接着，在共振器端面中前端面形成反 射率为约18%的第一多层电介质反射膜。另外，在后端面形成反射率为约95%的第二多层 电介质反射膜。然后，将基板101沿与一次劈开的劈开方向垂直的方向(与脊形条纹平行 的方向)二次劈开，得到激光芯片。进而，将二次劈开的激光芯片安装于CAN封装件，利用 配线，得到氮化物半导体激光装置。 如上所述，在第一实施方式中，包括n型GaN的基板101的主面相对于面方位的 (0001)面向〈11-20〉轴向的具有0.5°的倾斜角度。进而，在基板101的主面上，不间介包 括GaN的缓冲层而直接形成Al组成x为0. 03，且其膜厚设为2. 6 y m的包括n型AlxGai—XN 的n型包覆层102。因此，n型包覆层102及n型引导层103的平坦性提高。其结果，具有 在上表面平坦的n型引导层103上形成的激光结构的本实施方式的半导体激光装置形成为 垂直FFP的形状为大致高斯形状的良好的形状。 本申请发明人等详细地调查了作为本发明的问题示出的垂直FFP的形状的不整 齐的原因。经过各种探讨的结果，查明了被半导体层的表面形貌(morphology)影响，在波 导路的内部传播的光向该波导路的外部散射为导致垂直FFP的形状的不整齐的原因。艮卩， 以几ym到几十iim的周期存在于半导体层的表面的微细的凹凸导致产生的散射光在共振 器的共振方向上多重反射，与主激光干涉，由此垂直FFP的形状从高斯形状偏离。另外，由 于散射，向n型包覆层102的外侧透出的光的折射率比该n型包覆层102高，并且相对于激 发波长，在透明的包括n型GaN的基板101的内部波导，由此在垂直FFP中的基板101侧产 生脉动。还有，向P型半导体层侧透出的散射光被P侧电极110及p侧衬垫电极111吸收， 因此，在垂直FFP中的p型半导体层侧不产生脉动。
(比较例) 以下，参照图2的同时，说明第一实施方式的半导体激光装置的比较例。在此，与 比较例的氮化物半导体激光装置的制造方法一同说明其结构。 首先，如图2所示，准备与第一实施方式相等的、主面相对于面方位的(0001)面向 〈11-20〉轴向倾斜0. 5° ，且包括施主的杂质浓度为1 X 1018cm—3左右的n型GaN的基板101 。
其次，在900°C的温度下，对基板101进行热处理10分钟。然后，在基板101的主 面上以5X 1017cm—3的浓度掺杂作为施主杂质的Si，连续形成厚度为2. 6 ii m的包括n型GaN 的n型缓冲层113、和以5X 1017cm—3的浓度掺杂有作为施主杂质的Si，厚度为2. 6 y m的包 括n型Al。.。3Ga。.97N的n型包覆层102。 然后，与第一实施方式相同地，在n型包覆层102上依次利用外延生长来形成n型
引导层103、包括三重量子阱的MQW活性层104、p型引导层105、p型载体块层106、 p型包
覆层107及p型接触层108。然后，形成脊形条纹，形成电介质层109、p侧电极110、p侧衬
垫电极111及n侧电极112。接着，间晶片状态的基板101 —次劈开及二次劈开，将其安装
于CAN封装件并配线，由此，制作比较例中的氮化物半导体激光装置。 如上所述，在本比较例中，主面相对于面方位的(0001)面向〈ll-20〉轴具有0. 5°
的倾斜角的包括n型GaN的基板101上形成膜厚为2. 6 y m的包括n型GaN的n型缓冲层
113、和A1组成x为O. 03，膜厚为2. 6 ii m的包括n型AlxGai—XN的n型包覆层102。 在本比较例的情况下，作为n型半导体层的n型缓冲层113、 n型包覆层102及n
型引导层103的平坦性比第一实施方式差。其结果，本比较例的半导体激光装置的垂直FFP形状从高斯形状偏离。另外，垂直FFP中产生脉动。 图3表示包括n型GaN的基板101的主面的倾斜角度(通常称为基板的偏离角 度)和在其主面上直接形成的n型半导体层的上表面处的表面粗糙度的关系。作为n型半 导体层的代表，对n型半导体层，示出厚度为2.6iim的GaN层(比较例)和厚度为2. 6 y m 的Al。.。3Ga。jN层(第一实施方式)的比较。在图3中，标记令表示GaN层，标记O表示 Al。.。3Ga。.97N层。还有，图3的纵轴及表示GaN层和Al。.。3Ga。.97N层的表面平坦性的表面粗糙 度的RMS值表示在任何情况也使用扫描型白色干涉仪(Zygo公司)，自一边为约300ym 的正方形的范围内观察表面时的值。在此，观察以几ym到几十ym周期存在的凹凸形状。 另外，表面粗糙度的RMS值表示AlxGai—XN层的Al组成x不仅为0. 03，而且是0. 02到0. 04 之间的特性。第一实施方式及比较例中倾斜角度均为0.4。到0.5°的范围，RMS值最小， 表面形貌良好。另外，在倾斜角度小于0.4。且超过0.5°的倾斜角度的情况下，RMS值逐 渐变大。 特别说明的是，使用了第一实施方式的Al。.。3Ga。jN层的情况下，与比较例的使用 了 GaN层的情况相比，在任意倾斜角下，RMS值均小，大致为3nm以下。进而，基板101的对 倾斜角度的依赖性小，在倾斜角度为0.35。以上且为0.7°以下的范围中，在RMS值上确认 不到显著的差异。BP，可知在倾斜角度为0.35。以上且为0.7。以下的范围中，与使用了 GaN层的任意倾斜角度的情况相比，平坦性优越。 另外，在Al组成x为0. 025到0. 04的范围中也确认到相同的结果，Al组成x为 0. 025到0. 04的范围中，与GaN层相比，RMS值为2分之1以下。从而，能够得到在广的倾 斜角度的范围中，平坦且表面形貌良好的n型半导体层。 还有，基板101中的倾斜方向为结晶轴的〈1-100〉方向及〈11-20〉方向的任一个
方向的情况下，也同样得到良好的结果，在其他结晶轴方向上也没有特别的差异。 通常，如本比较例所示，出于缓和在包括n型GaN的基板101和n型包覆层102之
间由于两者的晶格常数的差异而产生的应力的目的，形成包括n型GaN的n型缓冲层113。
从而，上述比较结果表示在包括n型GaN的基板101和包括n型Al,Ga卜XN的n型包覆层
102之间设置包括n型GaN的n型缓冲层113导致损伤平坦性的结果。 在第一实施方式中，在包括n型GaN的基板101的主面上直接形成A1组成x为
0. 03的包括n型AlxGai—XN的n型包覆层102，因此，作为n型半导体层，不需要层叠必要以
上的膜厚。在n型包覆层102的上表面形成的MQW活性层104及其上的各p型半导体层中，
也大致维持n型半导体层的结晶表面的状态，因此，n型包覆层102的平坦性的提高有益于
氮化物半导体激光装置的特性提高。 图4中示出表示表面平坦性的表面粗糙度的RMS值和垂直FFP形状的不整齐量的 关系。在垂直FFP形状的不整齐量中将理想的高斯波形、和氮化物半导体激光装置的垂直 FFP形状的实测值的偏差量的最大值(Err_Max)作为指标来使用。RMS值和垂直FFP形状 的不整齐量处于相关关系，通过RMS值满足3nm以下，Err_Max稳定地为0. 2以下。从而， 能够抑制光盘装置中的运行时的噪音的产生及读取错误的产生。这表示RMS值适合表示垂 直FFP形状的不整齐量的指标，垂直FFP形状通过减小在n型包覆层102产生的结晶表面 的凹凸形状而变得良好。
(第二实施方式)
以下，参照图5的同时，说明本发明的第二实施方式的氮化物半导体激光装置。在
此，与第二实施方式的氮化物半导体激光装置的制造方法一同说明其结构。 首先，如图5所示，准备主面相对于面方位的(0001)面向〈11-20〉轴向倾斜约
0. 4° ，且包括施主的平均杂质浓度为1 X 1018cm—3左右的n型GaN的基板114。在第二实施
方式中准备的基板114在该基板114的厚度方向使施主杂质浓度高的层和低的层交替地层
叠，即形成为施主的杂质浓度周期地变动。在此，在施主杂质中可以使用硅(Si)。 其次，对基板114进行10分钟的热处理。在此，使基板114的表面不由于热处理
而粗糙地将热处理温度设定为950°C。 其次，在实施有热处理的基板114的主面上，不设置包括n型GaN的n型缓冲层而
使包括Al。.。3Ga。.97N的n型包覆层102生长。在n型包覆层102的生长初期过程中，将该n
型包覆层102从95(TC升温至107(TC的同时使其生长，由此能够抑制在热处理工序及升温
工序中发生的包括n型GaN的基板114的主面的平坦性的变差。由此，能够形成具有平坦
的表面的层叠结构体120，因此，能够再现性良好地制造氮化物半导体激光装置。 还有，在第二实施方式中，也在95(TC到1070度的升温工序中，将n型包覆层102
中的Al组成从0. 025变更至0. 03的同时使其生长。 然后，与第一实施方式相同地，在n型包覆层102上，依次利用外延生长，形成n型 引导层103、包括三重量子阱的MQW活性层104、 p型引导层105、 p型载体块层106、 p型包 覆层107及p型接触层108。然后，形成脊形条纹，形成电介质层109、p侧电极110、p侧衬 垫电极111及n侧电极112。接着，一次劈开及二次劈开晶片状态的基板114，在CAN封装 件安装并配线，由此得到第二实施方式的氮化物半导体激光装置。 在第一实施方式中，通过在基板101上直接形成包括n型Al,Ga卜XN的n型包覆层 102，n型半导体层的平坦性提高，其结果，在n型半导体层上形成的半导体激光装置的垂直 FFP形状提高。 在第二实施方式中，包括n型GaN的基板114形成为施主的杂质浓度高的层和低 的层相对于其厚度方向交替地层叠。但是，若基板114的面内的任意的深度中的施主的杂 质浓度低于lX1017cm—3，则由于结晶中的电阻率的增大，工作电压上升。因此，在基板114 中，需要将施主的杂质浓度的任意的深度中的最小值设为lX1017cm—3以上。
在基板114的制作时，由于GaN结晶的平衡蒸汽压低，因此，像包括硅(Si)、砷化 镓(GaAs)或磷化铟(InP)的基板之类的、自液相的引上法的采用极其困难，主要使用气相 生长。作为气相生长法，通常使用在各实施方式中使用的有机金属气相生长法、或生长速度 更快的氢化物气相生长(Hydride V即or Phase Epitaxy :HVPE)法，在晶种(seed)基板上 使用蓝宝石或GaAs进行异质外延生长。 以往，在进行这样的异质外延( 于a工if夕* -〉 ^ A )生长的情况下，作为改善 基板的平坦性的方法，经常使用超晶格结构。通过使用超晶格结构，缓和晶格不一致引起的 应力，改善其结晶相，由此能够提高平坦性。 另一方面，与使用超晶格结构的方法不同，使用了气相生长法的外延生长中，通过 降低气相生长中的杂质浓度，能够抑制三维核生长的形成引起的异常生长的发生，能够进 行台阶流动生长(二维生长)。因此，能够制作具有平坦的表面的基板。尤其偏移角度小的 情况下，抑制异常生长，由此能够实现更宽的棱纹(^ ，》)宽度，因此，能够大幅度改善基板的平坦性。相对于此，通常的包括杂质浓度均匀的GaN的基板中，降低施主的杂质浓度， 由此电阻率上升，因此，制造仅单单降低施主的杂质浓度的基板时，导致激光装置的工作电 压的上升，因此不优选。 本申请发明人等发现通过沿基板的厚度方向交替地层叠施主的杂质浓度高的层 和低的层，能够实现同时实现了基板的主面的平坦性的改善和电阻率的上升的抑制的包括 n型GaN的基板114的制作。 图6与图3相同地表示包括GaN的基板114的主面的倾斜角度和在其主面上直接 形成的n型半导体层的上表面处的表面粗糙度的关系。 如图6所示，在第二实施方式中，使用了施主的杂质浓度高的层和低的层沿基板 的厚度方向交替地层叠的基板114的情况下，倾斜角度为0.4。到0.5°的范围，RMS值最 小，表面形貌良好。该现象与第一实施方式及比较例相等。但是，从图6可知，在基板114 中的低偏移角度的区域例如倾斜角度为0.25。的情况下也改善了结晶性。其结果，在倾斜 角度小的基板中也能够改善n型半导体层的平坦性。在图6中，标记令表示GaN层，标记O 表示Al。.。3Ga。.97N层(基板101上)，标记X表示Al。.。3Ga。.97N层(基板114上)。
这样，在施主的杂质浓度高的层和低的层沿厚度方向交替地层叠的基板114中， 尤其在其倾斜角度小的区域，对该倾斜角度的依赖性与第一实施方式相比进而变小。即，基 板114的倾斜角度为0.25°以上且为0.7°以下的范围中，在RMS值上没有确认到显著的 差异。从而，能够确认与在倾斜角度为0.25。以上且为0.7°以下的范围中，在包括GaN的 基板上直接形成了 GaN层的任意情况相比，平坦性优越。在此，RMS值与GaN层相比为2分 之1以下，得到在广的倾斜角范围中平坦，表面形貌良好的n型半导体层。
还有，基板114中的倾斜方向为结晶轴的〈1-100〉方向及〈11-20〉方向的任意方 向，也得到相同的效果，在其他结晶轴方向上也没有特别的差异。 如第二实施方式一样，施主的杂质浓度高的层和低的层沿基板的厚度方向交替地 层叠的基板114，由此在基板114的倾斜角度小的区域也能够抑制在热处理工序及升温工 序中发生的基板114的表面的平坦性的变差。因此，能够再现性良好地形成具有平坦的表 面的n型包覆层102。由此，在n型包覆层102上形成的第二实施方式的半导体激光装置中 的垂直FFP形状进一步提高。 这样，在基板114的内部设置的施主的杂质浓度的深浅发挥提高基板114的表面 的平坦性的作用。从而，施主的杂质浓度的深浅仅形成于基板114的表面的附近也可，另 外，形成于基板114的整个深度方向也可。 另外，添加于基板114的杂质不像第二实施方式一样限于硅(Si)，含有选自由锗 (Ge)、氧(0)、硫(S)及硒(Se)构成的组的至少一种即可。 另外，基板114包含的施主杂质、和n型包覆层102及n型引导层103包含的施主 杂质不需要一定相同，各自不同也可。 如以上的说明，根据第二实施方式可知，形成氮化物半导体激光装置的层叠结构 体120的表面变得更平坦，因此，能够实现具有良好的垂直FFP形状的氮化物半导体激光装置。 而且，能够减小MQW活性层104内的波长波动(例如铟(In)的组成的不均一 )，因 此，能够实现不均一的电流注入的减少及波导损失的抑制。由此，能够提高阈值电流及工作电流的减少、及倾斜效率，因此，还能够大幅度改善光学特性，能够实现氮化物半导体激光
装置的长寿命化。 产业上的可利用性 本发明的氮化物半导体激光装置提高具有包括III族氮化物半导体的激光结构 的层叠结构体的平坦性，抑制光的散射，能够将垂直FFP的形状形成为良好的形状，有用于 在包括GaN的基板上形成的半导体激光装置及其制造方法等。
权利要求
一种氮化物半导体激光装置，其特征在于，具备基板，其包括n型GaN，层叠结构体，其包含在所述基板的主面上与该主面相接而形成的包括AlxGa1-xN的n型包覆层、在该n型包覆层上形成的活性层和在该活性层上形成的p型包覆层，其中，x为0＜x＜1；所述基板的主面相对于面方位的(0001)面以0.35°以上且0.7°以下的范围倾斜，所述AlxGa1-xN中的组成x为0.025以上且0.04以下。
2. 根据权利要求1所述的氮化物半导体激光装置，其特征在于， 表示所述层叠结构体的表面平坦性的表面粗糙度的均方根(RMS)值为3nm以下。
3. 根据权利要求1或2所得氮化物半导体激光装置，其特征在于， 相对于(0001)面，所述基板的主面向结晶轴的〈11-20〉方向倾斜。
4. 一种氮化物半导体激光装置，其特征在于，具备 基板，其包括n型GaN，层叠结构体，其包含在所述基板的主面上与该主面相接而形成的包括AlxGai—XN的n型 包覆层、在该n型包覆层上形成的活性层和在该活性层上形成的p型包覆层，其中，x为0< X < 1 ;所述基板的主面相对于面方位的(0001)面以0.25°以上且0.7°以下的范围倾斜， 所述基板为杂质的浓度高的层和低的层沿主面的深度方向交替地层叠而形成的， 所述AlxGai—XN中的组成x为0. 025以上且0. 04以下。
5. 根据权利要求4所述的氮化物半导体激光装置，其特征在于， 所述杂质为选自由硅、锗、氧、硫及硒构成的组的至少一种元素。
6. 根据权利要求4或5所述的氮化物半导体激光装置，其特征在于， 表示所述层叠结构体的表面平坦性的表面粗糙度的均方根(RMS)值为3nm以下。
7. 根据权利要求4或5所述的氮化物半导体激光装置，其特征在于， 相对于(0001)面，所述基板的主面向结晶轴的〈11-20〉方向倾斜。
8. —种氮化物半导体激光装置的制造方法，其特征在于，包括热处理工序，其中，对具有相对于面方位的(0001)面以0.35°以上且0.7°以下的范 围倾斜的主面的包括n型GaN的基板的主面进行热处理，升温工序，其中，升温至比所述热处理工序中的加热温度高IO(TC以上的温度，第一形成工序，其中，在所述升温工序后，在所述基板的主面上形成包括AlxGai—XN的第 一n型包覆层，其中，x为(Xx〈 1，第二形成工序，其中，通过在已形成的所述第一包覆层上依次形成活性层及p型包覆 层，形成层叠结构体；所述升温工序包括在所述基板的主面上与该主面相接而形成包括AlyG^—yN的第二n 型包覆层的工序，其中，y为(Xy〈 l，iy<x，所述AlxGai—XN中的组成x为0. 025以上且0. 04以下。
全文摘要
本发明在GaN基板上形成平坦性及结晶性优越的III族氮化物系半导体层，得到接近高斯形状的垂直FFP形状。氮化物半导体激光装置具有层叠结构体(120)，该层叠结构体(120)包括包括n型GaN的基板(101)；在基板(101)的主面上与该主面相接而形成的包括AlxGa1-xN(其中，x为0＜x＜1)的n型包覆层(102)；在该n型包覆层(102)上形成的MQW活性层(104)；在该MQW活性层(104)上形成的p型包覆层(107)。基板(101)的主面相对于面方位的(0001)面以0.35°以上且0.7°以下的范围倾斜。另外，构成n型包覆层(102)的AlxGa1-xN中的Al组成x为0.025以上且0.04以下。
文档编号H01S5/028GK101741010SQ200910204220
公开日2010年6月16日 申请日期2009年10月14日 优先权日2008年11月7日
发明者上田章雄, 川口靖利, 石桥明彦, 薮下智仁 申请人:松下电器产业株式会社