專利名稱：半導(dǎo)體激光器和其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器和其制造方法。
背景技術(shù)：
近些年來，作為下一代的高密度光盤用光源，對于發(fā)出藍紫光的 激光二極管的希望變高，特別是，對在從藍紫光到紫外光的短波長區(qū) 域能動作的氮化鎵(GaN)系列的m—V族化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的 研究開發(fā)逐漸盛行。此外，這種光盤裝置作為刻錄部件，希望高密度、 高速記錄用，所以需要高光輸出的高可靠性的GaN系列半導(dǎo)體激光器。
最近，為了GaN系列激光器的長壽命化，采用這種方法，在藍寶 石基板上成長的GaN系列半導(dǎo)體膜上部分堆積二氧化硅(Si02)等絕 緣膜，在該絕緣膜上選擇生長GaN系列半導(dǎo)體降低位錯密度 (dislocation density)。關(guān)于這種選擇成長，具有第一文獻"IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.4(1998) 483-489"。如按 第一文獻，表示了在GaN的〈l-10O方向周期地形成直線間隔狀的Si02 膜，將在Si02上橫向(ELO: Epitaxial Lateral Overgrowth)成長的GaN 膜變平坦， 一邊能夠用為低位錯基板。
作為將該ELO選擇成長技術(shù)用于激光器的文獻，具有第二文獻 "Applied Physics Letters, Vol.77 (2000) 1931-1933"和第三文獻"IEICE Tmnsuction Electron, Vol.E83-C (2000) 529-535"。如按照第二文獻， 表示了通過選擇成長能夠?qū)⒓す馄鳂?gòu)造的活性層部分的位錯密度從 lE10cm—2左右降低至lj 1E7cm—2左右。此外，如按第四文獻"Japanese Journal of Applied Physics Vol.40 (2001) 3206-3210"，表示了降低 GaN系列激光器的動作電流和動作電壓，降低消耗電力(動作電流和
動作電壓的積)，對于抑制激光器的發(fā)熱有關(guān)的長壽命化是有效的。
不僅GaN系列激光器， 一般的半導(dǎo)體激光器的活性層具有用于載 流子注入的由p-n結(jié)所夾持的構(gòu)造。為此，在活性層附近的p型摻雜物 和n型摻雜物的控制即所謂的界面陡峭性(interface abruptness)，對
于激光器的特性提高是重要的。原因是，如果上述摻雜物擴散到活性 層，作為非發(fā)光再結(jié)合中心而作用，降低了活性層的發(fā)光效率。下面， 關(guān)于GaN系列半導(dǎo)體的p型摻雜物，來說明已有的控制方法。
對于GaN的p型摻雜物，通常使用二茂鎂 (Biscyclopentadienylmagnesium) (Cp2Mg)。但是，如按第五文獻 "Journal of Crystal Growth, Vol. 189/190(1998) 551-555"，表示了在使 用有機金屬氣相成長(MOVPE)的結(jié)晶成長中，具有作為p型摻雜物 的Mg擴散到規(guī)定的結(jié)晶以外的問題。此外，也表示了在位錯密度大 的情況下，這種擴散明顯。另夕卜，在第六文獻"Joumal of Crystal Growth, Vol. 145 (1994) 214-218"中，記載了 Mg吸附到作為MOVPE裝置的 反應(yīng)爐的石英制的反應(yīng)堆的存儲器效果。如按該文獻，表示了由于Mg 具有存儲器效果，所以產(chǎn)生摻雜延遲，Mg濃度分布的界面陡峭性惡化。
另外，關(guān)于已有的Mg的擴散控制方法，記載在特開平6-283825 號公報和特開平11-251687號公報中。
我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)GaN系列激光器的長壽命化，與上述文獻1、 2同 樣，嘗試通過ELO選擇成長法來降低GaN膜的位錯密度，但長壽命化 的效果不明顯。即，可理解，僅降低位錯密度，不能實現(xiàn)GaN系列激 光器的長壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種在高光輸出動作中能夠長壽命的半 導(dǎo)體激光器和其制造方法。
本發(fā)明的所述目的通過下面的半導(dǎo)體激光器來實現(xiàn)，其在基板上， 順序?qū)盈Bn型半導(dǎo)體層、活性層和p型半導(dǎo)體層，所述活性層包含由 InGaN所構(gòu)成的阱層，在所述活性層和所述p型半導(dǎo)體層之間，形成 實質(zhì)上不摻雜雜質(zhì)的由氮化鎵系列化合物半導(dǎo)體所構(gòu)成的中間層。
該半導(dǎo)體激光器通過下面的半導(dǎo)體激光器的制造方法來制造，該
方法例如具有在基板上形成摻雜n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層的步驟； 在所述n型半導(dǎo)體層上，形成包括由InGaN構(gòu)成的阱層的活性層的步 驟；在所述活性層上，形成由氮化鎵系列化合物構(gòu)成的中間層的步驟； 和在所述中間層上，形成摻雜p型雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體層的步驟，所述 中間層不摻雜雜質(zhì)來形成。
另外，本發(fā)明的所述目的通過半導(dǎo)體激光器來實現(xiàn)，該半導(dǎo)體激 光器是這樣的半導(dǎo)體激光器，在其基板上，順序?qū)盈Bn型半導(dǎo)體層、 活性層和p型半導(dǎo)體層，在所述活性層和所述p型半導(dǎo)體層之間，形 成由氮化鎵系列化合物半導(dǎo)體所構(gòu)成的中間層，所述中間層通過層疊 實質(zhì)上不摻雜雜質(zhì)的非摻雜層和摻雜n型雜質(zhì)的擴散抑制層來構(gòu)成， 在與所述p型半導(dǎo)體層相鄰側(cè)，配置所述擴散抑制層。
該半導(dǎo)體激光器通過半導(dǎo)體激光器的制造方法來制造，該方法例 如包括在基板上形成慘雜n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層的步驟；在所述n 型半導(dǎo)體層上形成包含由InGaN構(gòu)成的阱層的活性層的步驟；在所述 活性層上形成由氮化鎵系列化合物構(gòu)成的中間層的步驟；和在所述中 間層上形成摻雜p型雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體層的步驟，其中，形成所述中 間層的步驟包括通過不摻雜雜質(zhì)地成長氮化鎵系列化合物半導(dǎo)體層， 形成實質(zhì)不摻雜雜質(zhì)的非摻雜層的步驟；在所述氮化鎵系列化合物半 導(dǎo)體層的成長過程中，開始摻雜n型雜質(zhì)來形成擴散抑制層的步驟。
優(yōu)選，在所述基板上形成n型半導(dǎo)體層的步驟，在所述基板上沿 橫方向使氮化物系列化合物半導(dǎo)體層選擇成長之后來進行。


圖1是本發(fā)明的實施方式1的構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的激光器晶片的 截面圖。
圖2是圖1的部分截面圖。
圖3是表示本發(fā)明的實施方式1的半導(dǎo)體激光器的截面圖。 圖4是表示本發(fā)明的實施方式1的半導(dǎo)體激光器元件的光輸出相 對電流的變化的圖。
圖5是表示本發(fā)明的實施方式1的半導(dǎo)體激光器元件的動作電流
相對動作時間的變化的圖。
圖6是表示比較例的激光器晶片中Mg向活性層的擴散狀態(tài)的圖。 圖7是表示光致發(fā)光(PL)相對波長的變化的圖。
圖8是表示比較例的半導(dǎo)體激光器元件的動作電流相對動作時間
的變化的圖。
圖9是表示本發(fā)明的實施方式1的激光器晶片中Mg向活性層的 擴散狀態(tài)的圖。
圖10是表示本發(fā)明的實施方式1的其它激光器晶片中Mg向活性 層的擴散狀態(tài)的圖。
圖11是表示本發(fā)明的實施方式1的上述其它激光器晶片，在壽命 試驗后Mg向活性層的擴散狀態(tài)的圖。
圖12是表示本發(fā)明實施方式1的中間層和厚度和壽命時間的關(guān)系 的圖。
圖13是表示本發(fā)明實施方式2的構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的激光器晶片 的截面圖。
圖14是表示本發(fā)明的實施方式2的激光器晶片中Mg向活性層的 擴散狀態(tài)的圖。
圖15是表示本發(fā)明的實施方式2的半導(dǎo)體激光器元件的動作電流 相對動作時間的變化的圖。
圖16是表示本發(fā)明的實施方式2的其它激光器晶片中Mg向活性 層的擴散狀態(tài)的圖。
圖17是本發(fā)明實施方式3的構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的激光器晶片的截 面圖。
圖18是表示本發(fā)明實施方式3的半導(dǎo)體激光器的制造方法的工序圖。
圖19是表示本發(fā)明實施方式3的半導(dǎo)體激光器元件的動作電流相 對動作時間的變化的圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。 (實施方式1) 圖1和圖2是本發(fā)明實施方式1的構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的激光器晶 片的截面圖。如圖1所示那樣，激光器晶片為這樣的構(gòu)成，在藍寶石
基板11上，順序?qū)盈Bn型接觸層12、 n型覆層13、第一光引導(dǎo)層14、 多重量子阱活性層101、中間層21、蓋層22、第二光引導(dǎo)層23、 p型 覆層24和p型接觸層25，在摻雜有n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層和摻雜有 p型雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體層之間，夾持活性層。P型雜質(zhì)優(yōu)選的是電活性 率高，在本實施方式中是Mg。另外，n型雜質(zhì)優(yōu)選的電傳導(dǎo)控制性好， 在本實施方式中是Si。
如圖2所示那樣，多重量子阱活性層101構(gòu)成為，從接近光引導(dǎo) 層14開始順序地層疊第一 GaN屏蔽層15、第一 InaiGaa9N量子阱16、 第二 GaN屏蔽層17、第二 InaiGaQ.9N量子阱18、第三GaN屏蔽層19、 和第三InaiGa。.9N量子阱20。
該激光器晶片能夠通過下面的方法來制造。首先，對將(0001) 面作為主面的藍寶石基板11，使用酸溶液來進行清洗。之后，將清洗 過的基板ll保持在MOVPE裝置(未圖示)的反應(yīng)爐內(nèi)的基座上，將 反應(yīng)爐進行真空排氣。接著，將反應(yīng)爐內(nèi)設(shè)置壓力為300Torr (1Torr =133.322Pa)的氫環(huán)境，將溫度升溫到約1100°C，加熱基板ll，進行 約10分鐘的表面熱清潔處理。
接著，將反應(yīng)爐降溫到約50(TC，之后，對基板ll的主面上，同 時供給供給量7sccm的三甲基鎵(trimethylgallium: TMG)和供給量 7.5slm的氨氣(NH3)和作為載氣的氫氣，由此成長由厚度20nm的 GaN構(gòu)成的低溫屏蔽層(未圖示)。接著，將反應(yīng)爐升溫到約IOO(TC， 還供給作為n型摻雜物的硅烷(SiH4)氣體，以約4"m厚度成長由 Si雜質(zhì)濃度約1E18cm—3的n型GaN構(gòu)成的n型接觸層12。接著，還 一邊供給三甲基鋁(trimethylaluminum: TMA)， 一邊以約0.7um的 厚度成長由Si雜質(zhì)濃度約5E17cm—3的n型Ala()7Gaa93N構(gòu)成的n型覆 層13。接著，以約120nm的厚度成長由Si雜質(zhì)濃度約1E18cm—s的n 型GaN構(gòu)成的第一光引導(dǎo)層14。
之后，將溫度降低到約800。C,將載氣從氫氣變換為氮氣，供給三 甲基銦(trimethylindium: TMI)禾B TMG，如圖2所示，成長多重量子 阱活性層101，其由下面的各層所構(gòu)成由厚度約3nm的In^Gao.9N所
構(gòu)成的各個量子阱16、 18、 20 (3層)；由厚度約9nm的GaN所構(gòu)成 的各個屏蔽層15、 17、 19 (3層)。此時，為了提高活性層101的發(fā) 光效率，在屏蔽層的成長時也供給SiH4氣體，僅對屏蔽層摻雜Si雜質(zhì) 濃度為2E18cm—3的Si。
接著，成長由厚度約15nm (0.015 um)的GaN所構(gòu)成的中間層 21。在本實施方式中，該中間層21意思是不添加雜質(zhì)的實質(zhì)非摻雜層。
之后，再次將反應(yīng)爐內(nèi)的溫度升溫到約IOO(TC，將載氣從氮氣恢 復(fù)到氫氣， 一邊供給作為p型摻雜物的Cp2Mg氣體， 一邊以約20nm 的厚度成長由Mg雜質(zhì)濃度約1E19cnT3的p型Alo^Gao.^N所構(gòu)成的蓋 層22。接著，以約120mn的厚度成長由Mg雜質(zhì)濃度約1E19cm—3的p 型GaN所構(gòu)成的第二光引導(dǎo)層23。接著，以約0.5um的厚度成長由 Mg雜質(zhì)濃度約1E19cm—3的p型Al。.。7Ga().93N所構(gòu)成的p型覆層24。最 后，以約0.05 u m的厚度成長由Mg雜質(zhì)濃度約1E19cm—3的p型GaN 所構(gòu)成的p型接觸層25。這樣，完成在p型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層 之間夾持中間層21和活性層101的激光器晶片。
下面，說明使用圖1和圖2所示的激光器晶片來制造圖3所示的 半導(dǎo)體激光器的方法。
首先，對激光器晶片進行p型半導(dǎo)體層的活性加熱處理。之后， 在晶片表面上堆積由二氧化硅(SK)2)所構(gòu)成的絕緣膜。接著，在該 絕緣膜上堆積抗蝕膜，通過光刻法，僅在p型接觸層25的脊形成位置 (ridge-forming portion)(脊寬度約2"m)殘留抗蝕膜。之后，將 抗蝕膜作為蝕刻掩膜，利用氟酸溶液除去抗蝕除去部的絕緣膜，露出p 型接觸層25。接著，將脊形成位置以外的p型接觸層25和p型覆層 24的一部分利用干蝕刻裝置來蝕刻，將p型半導(dǎo)體層的殘留膜厚形成 為0.1"m左右。之后，通過丙酮等有機溶液，除去脊上的抗蝕膜。
接著，通過由Si02構(gòu)成的絕緣膜來覆蓋n型電極的形成位置之外， 通過干蝕刻露出n型接觸層12。之后，為了進行p側(cè)和n側(cè)的電分離， 在表面上形成由Si02構(gòu)成的絕緣膜26后，通過氟酸溶液除去脊位置的 p型接觸層25上的絕緣膜。之后，在露出的n型接觸層12上，通過鈦 (Ti)和鋁(Al)蒸發(fā)來形成n型電極27，在露出的p型接觸層25上， 通過鎳(Ni)、鉑(Pt)和金(Au)蒸發(fā)來形成p型電極28。這樣，
得到如圖3所示的半導(dǎo)體激光器。
接著，進行激光器共振器端面的解理工序。首先，從藍寶石基板
11的背面?zhèn)乳_始研磨，進行薄膜化，使得總膜厚為100ixm左右。之
后，利用解理裝置(未圖示)將基板ll解理開為條狀，使得共振器端
面為藍寶石基板的<1-100>方向。而且，在本實施方式中，激光器共振 器長度是750 ii m。而且，在激光器共振器的后端面上，堆積由3對Si02 和二氧化鈦(Ti02)的層疊體所構(gòu)成的電介質(zhì)多層膜，為高反射膜涂 層。
最后，對解理開的條進行2次解理，分離為激光器片，由p側(cè)向 下安裝到罐形激光器封裝(CAN-type laser package)。在該安裝時，通 過釬焊將激光器片固定到由炭化硅(SiC)構(gòu)成的子支座上。這樣，能 夠制造半導(dǎo)體激光器元件。
本實施方式的半導(dǎo)體激光器元件，通過注入電流實現(xiàn)室溫下連續(xù) 振動。此時，如圖4所示，閾值電流和斜率效率(Slope efficiency)分 別是60mA、 0.8W/A。
另外，挑選光輸出30mW中消耗電力(動作電流和動作電壓的積) 是0.6W左右的激光器元件，在室溫下進行30mW的高光輸出下的基 于恒定光輸出(APC:自動功率控制)的壽命試驗，圖5表示了該結(jié) 果。激光器元件的老化率(動作電流的增加率)是每小時0.9mA左右， 確認(rèn)約100小時的壽命時間(到動作電流是初期電流的2倍時的時間)。
在本實施方式中，由2元混晶GaN構(gòu)成中間層，但也能夠是AlGaN 或者InGaN等3元混晶，或者AlInGaN等4元混晶等其它氮化鎵系列 化合物半導(dǎo)體。另外，在本實施方式中，關(guān)于III一V族氮化物半導(dǎo)體 激光器進行了說明，但GaAs、 InP等m—V族半導(dǎo)體激光器，或ZnSe 等II一VI族半導(dǎo)體激光器等情況下，也能夠形成與本實施方式相同的 構(gòu)成。
比較例
作為實施方式1的半導(dǎo)體激光器的比較例，比較討論在中間層21 中摻雜Si而成為n型GaN層，其它通過與實施方式1相同的方法來制 造半導(dǎo)體激光器，Mg向活性層內(nèi)的擴散狀態(tài)。n型GaN層所構(gòu)成的中 間層的Si雜質(zhì)濃度，為與屏蔽層相同程度的大約2E18cm—3。
對于比較例中的結(jié)晶成長后的激光器晶片，使用2次離子質(zhì)譜測 定法(SIMS)，評價作為p型摻雜物的Mg向活性層的擴散狀態(tài)，圖
6表示了其結(jié)果。
從圖6可知道Mg向活性層內(nèi)(從第三量子阱20向第一量子阱16) 廣闊擴散的情形。具體地說，擴散后的Mg濃度，在第一量子阱16約 為4￡17^11-3，在第二量子阱18約為2￡18^11-3，在第三量子阱20約為 1E19cm—3。象后述那樣，如果與實施方式1的激光器晶片的測量結(jié)果進 行比較，可明白，在第二量子阱18約IO倍，在第三量子阱20約4倍 的Mg擴散到活性層內(nèi)。即，在實施方式1中未摻雜的GaN中間層21， 慘雜作為n型雜質(zhì)的Si (即，成為n型GaN中間層)，由此促進了 Mg的擴散。
這種現(xiàn)象能夠參考己有的文獻"Journal of Applied Physics, Vol.66 (1989) 605-610"象下面這樣解釋。擴散的Mg原子，由于存在于格子 間位置，所以容易擴散，如果碰上由于擴散存在于置換型位置的Si， 通過給-受體相互作用(庫侖相互作用)，形成由MgSi構(gòu)成的電中性 的穩(wěn)定的復(fù)合體。為此，認(rèn)為Mg在摻雜Si的區(qū)域容易擴散。由于活 性層是在屏蔽層中摻雜Si的層，所以可推測，象比較例那樣，通過在 中間層中慘雜Si， Mg廣闊地擴散到活性層中央附近。
比較例的半導(dǎo)體激光器元件，通過電流注入可實現(xiàn)室溫下連續(xù)振 動。此時的閾值電流和斜率效率分別是75mA、 0.5W/A。如果與上述 實施方式1的半導(dǎo)體激光器元件的測量結(jié)果進行比較，閾值電流和斜 率效率同時惡化。考慮到這是因為激光器元件的活性層的發(fā)光效率由 于Mg擴散而降低導(dǎo)致的。為了確認(rèn)這一點，本發(fā)明者進行了下面的 試驗。
在本試驗中，在實施方式1的激光器晶片的制造工序中，制造在 活性層成長時特意摻雜過Mg的半導(dǎo)體激光器元件(試樣A)，和沒有 摻雜的半導(dǎo)體激光器元件(試樣B)。此外，在激光器晶片的制造工 序中，除在利用摻雜Si的GaN層來形成活性層且在活性層成長時特意 摻雜Mg夕卜，其它與實施方式1 一樣，通過這樣的方法，來制造半導(dǎo) 體激光器元件(試樣C)。試樣A和試樣C的Mg雜質(zhì)濃度為約lE19cm'3。
然后，測量上述試樣A 試樣C的光致發(fā)光(PL) 。 PL測量是選
擇地光激勵活性層，在室溫下進行的。圖7表示了該結(jié)果。但是，關(guān)
于試樣A和試樣C，將PL強度放大到250倍來表示。
如圖7所示那樣，沒有摻雜Mg的試樣B，其PL峰值波長約是 400nm，但摻雜有Mg的試樣A，分離為約435nm和約550nm的兩個 峰值，其半值寬也變寬。這種現(xiàn)象可考慮到，通過將Mg摻雜到活性 層中，在InGaN量子阱內(nèi)形成深的能級(deep level)，其成為非發(fā)光 再結(jié)合中心。另外，也能夠促進InGaN的相分離，降低量子阱的界面 陡峭性。
來自深的能級的發(fā)光(550nm)的各個PL強度利用峰值強度標(biāo)準(zhǔn) 化后的值(標(biāo)準(zhǔn)化強度)是，沒有摻雜Mg的試樣B是13600 (550nm) /1300000(400nm) = l.lE-2，與此相對，摻雜了 Mg的試樣A是1045000 (550nm) /433200 (430nm) =2.4。即，可理解，試樣A，通過摻雜 Mg，來自深的能級的發(fā)光效率變高，活性層的發(fā)光效率降低。
另一方面，關(guān)于對由摻雜Si的GaN層構(gòu)成的活性層摻雜Mg的試 樣C，上述標(biāo)準(zhǔn)化強度是12 (550nm) /16200 (360nm) =7.4E—4，與 沒有摻雜Mg的試樣B相比是較低的值。這樣，通過摻雜Mg，深的能 級的標(biāo)準(zhǔn)化強度變高而發(fā)光效率降低這樣的問題，就是在活性層中包 含InGaN量子阱的激光器元件所特有的問題。 一直以來，作為GaN系 列發(fā)光元件的長壽命化對策，將降低位錯密度和降低消耗電力認(rèn)為是 唯一方法，但是這次初次認(rèn)識到控制活性層內(nèi)的雜質(zhì)濃度也是重要的 因素，其意義非常大。
但是，試樣C與特開平6—283S25號公報中所公開的對氮化鎵系 列化合物半導(dǎo)體激光器二極管的活性層添加過Mg的半導(dǎo)體激光器二 極管相同。在特開平6—283825號公報中，提到了關(guān)于Mg的擴散的 問題，在活性層中使用摻雜有Si的GaN。我們從上述試驗可明白，在 特開平6—283825號公報中，既使在向由摻雜Si的GaN所構(gòu)成的活性 層擴散Mg，如圖7所示那樣，從約400nm的波長看，為短波長側(cè)的 約360nm的波長其PL強度是峰值。
另一方面，我們注意到這樣的問題，在向由InGaN所構(gòu)成的活性 層擴散Mg的情況下，象試樣A那樣，PL強度的峰值向長波長側(cè)的 550nm附近移動，結(jié)果發(fā)光色是黃色。在特開平6—283825號公報中，
從約400nm的波長看，PL強度的峰值向長波長側(cè)移動，沒有看見發(fā)光 色為黃色。因此，剛一看本發(fā)明與特開平6—283S25號公報看起來類 似，但解決的問題完全不同。而且，在特開平6—283825號公報中， 沒有提示在活性層中包含In。
另外，關(guān)于比較例的半導(dǎo)體激光器元件，挑選光輸出30mW的消 耗電力為0.6W左右的，在室溫下進行30mW的高光輸出的一定光輸 出(APC)壽命試驗，將其結(jié)果在圖8中表示。
如果將圖8所示的測量結(jié)果與消耗電力相同的情況下的實施方式 1的半導(dǎo)體激光器元件的測量結(jié)果(參照圖5)來進行比較，可理解， 比較例的激光器元件的老化率，與實施方式1的激光器元件相比，是 IO倍左右(每一個小時9mA左右)，急速地老化。gp，可明確，比較 例的激光器元件，其位錯密度是與實施方式1相同的程度(約1E10cm 一2)，但由于活性層內(nèi)的Mg擴散狀態(tài)不同，所以在壽命時間上產(chǎn)生差升。
而且，在比較測量結(jié)果時，消耗電力相同，由于GaN系列激光器 的壽命時間非常大地依賴于消耗電力，所以，如果不以相同程度的消 耗電力來比較激光器元件，就不能明確活性層內(nèi)的Mg擴散狀態(tài)和壽 命時間的相互關(guān)系。
研究中間層的厚度
下面研究本實施方式的半導(dǎo)體激光器中的中間層21的優(yōu)選厚度。 在本實施方式中，在p型半導(dǎo)體層和活性層之間設(shè)置作為非摻雜層的 中間層21，所以在中間層21的厚度過大的情況下，就不能從p型半導(dǎo) 體層向活性層有效地注入空穴。這里，在藍寶石基板上，與上述一樣， 通過層疊n型GaN層和p型GaN層來制造p-n結(jié)器件，來評價n型 GaN層中的空穴的擴散長度。然后，解理開該器件，露出pn結(jié)部分后， 通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)的電子束感應(yīng)電流法(EBIC)，來 觀察解理開的器件截面的p-n結(jié)部分。結(jié)果，n型GaN層中的空穴的 擴散長度是0.2ixm左右。在ni—V族氮化物半導(dǎo)體的情況下，與其它 化合物半導(dǎo)體相比，作用于電傳導(dǎo)的空穴的有效質(zhì)量大，所以其擴散 長度是0.2um左右以下，是非常小的值。
從這樣的試驗結(jié)果可知，為了向活性層有效地電注入空穴，應(yīng)該使中間層21的厚度比空穴的擴散長度(本實施方式中是0.2tim)小。 另一方面，在中間層21的厚度過小的情況下，p型摻雜物通過中 間層21向活性層擴散。作為一個例子，在中間層21的厚度是15nm的 情況下，使用SIMS法，評價作為p型摻雜物的Mg向活性層的擴散狀 態(tài)，圖9表示了其結(jié)果?？擅靼譓g向活性層內(nèi)(從第三量子阱20向 第一量子阱16)擴散的情形。具體地說，擴散后的Mg濃度，在第一 量子阱16約為1E17cm—3，在第二量子阱18約為2E17cm—3，在第三量 子阱20約為3E18cm—3。
為了更詳細地進行討論，制造中間層21為各種厚度的激光器元件， 進行下面的試驗。作為一個例子，關(guān)于中間層21的厚度是60nm的激 光器晶片，使用SIMS法，評價Mg向活性層的擴散狀態(tài)，圖10表示 了該結(jié)果。
如果將圖IO所示的結(jié)果(中間層厚度60nm)與圖9所示的結(jié)果 (中間層厚度15nm)進行比較，可明白，通過加大中間層21的厚度， 可抑制Mg向活性層內(nèi)(從第三量子阱20向第一量子阱16)的擴散。 具體地說，擴散后的Mg濃度，從第一向第三量子阱約為1E17cnf3 (檢 測臨界左右)。
這樣，通過增加中間層21的厚度，由于增加了 p型Al。.18Gaa82N 蓋層和活性層的距離，所以可抑制Mg向活性層內(nèi)的擴散。
由該中間層厚度是60nm的激光器晶片制造的半導(dǎo)體激光器元件， 通過電流注入在室溫下連續(xù)振動。另外，閾值電流和斜率效率是50mA、 1.0W/A,與中間層厚度是15nm的情況相比，哪一方面都良好。而且， 關(guān)于中間層厚度是30nm的激光器元件也進行了同樣的測量，閾值電流 和斜率效率是55mA、 0.9W/A，與中間層厚度是15nm的情況相比，哪 一方面都良好。結(jié)果，考慮到通過增加中間層的厚度，可降低Mg的 擴散，提高活性層的發(fā)光效率。
在消耗電力是0.6W左右的各個激光器元件的光輸出30mW的 APC壽命試驗中，中間層厚度是30nm的激光器元件是110小時的壽 命時間，中間層厚度是60nm的激光器元件是125小時左右的壽命時間。 中間層厚度是15nm的激光器元件，象上述那樣，壽命時間是100小時， 所以，與中間層厚度增加的同時，壽命時間也增加，實現(xiàn)了顯著的壽
命改善。為了弄清楚該原因，關(guān)于中間層厚度是60nm的激光器元件， 對APC壽命試驗后的激光器元件進行SIMS分析。將該結(jié)果在圖11
從圖11可知，與APC壽命試驗前的SIMS結(jié)果(圖10)進行比 較，通過壽命試驗，Mg顯著擴散到活性層中。這種現(xiàn)象考慮到是由于 以下造成的因為位錯密度大(約lE10cnT2)，所以通過壽命試驗中 pn結(jié)的發(fā)熱和內(nèi)部電場的作用，作為p型摻雜物的Mg通過位錯擴散 到活性層內(nèi)所引起的。
但是可理解，如果進一步增加中間層21的厚度，可急劇地改善壽 命時間。對中間層21為各種厚度的激光器元件進行APC壽命試驗的 結(jié)果在圖12中表示。直到中間層的厚度是約100nm，在中間層厚度增 加的同時也改善了壽命時間，但如果中間層的厚度超過約lOOnm，壽 命時間就慢慢降低。雖然也制造中間層厚度為200nm (0.2 Um)的激 光器元件，但在室溫下沒有實現(xiàn)連續(xù)振動。這可推測出是由于以下原 因因為中間層厚度是空穴的擴散長度(0.2ym)左右，所以向活性 層注入空穴的效率大幅降低的原因。
根據(jù)該結(jié)果，中間層21的厚度優(yōu)選的是15nm以上180nm以下， 更優(yōu)選的是60nm以上160nm以下，進一步優(yōu)選是80nm以上130nm 以下。
下面，為了觀察各個激光器元件的發(fā)光狀態(tài)，通過注入電流，利 用電荷耦合元件(CCD)攝像器從藍寶石基板的背面觀察沿著脊帶發(fā) 光的電致發(fā)光(EL)的光?？纱_認(rèn)，在中間層厚度為15nm的激光器 元件中，EL光強度弱的區(qū)域(發(fā)光不均勻)產(chǎn)生很多，但在中間層厚 度是30nm、 60nm的激光器元件中，確認(rèn)EL光均勻地改善。作為關(guān)于 這種發(fā)光不均勻的以前的報告例子，具有第七文獻"第48次應(yīng)用物理 學(xué)關(guān)系聯(lián)合講演會講演論文集No. 1 28p—E—12 p. 369"，但如按照 該文獻那樣，報告這種發(fā)光不均勻是由于在活性層上存在的p型AlGaN 蓋層在活性層上產(chǎn)生大的變形導(dǎo)致的。但是，在我們的研究中，初次 發(fā)現(xiàn)Mg向活性層內(nèi)的擴散是發(fā)光不均勻的主要原因。由于發(fā)光不均 勻的降低對于晶片面內(nèi)的激光器元件的成品率提高、進而降低成本有 大的貢獻，所以在制造中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象意義非常大。
另外，關(guān)于中間層厚度是60nm的激光器元件，比較APC壽命試
驗前后的EL發(fā)光圖像，看到這種傾向在壽命試驗前觀察多個認(rèn)為起 因于穿透位錯(threading dislocation)的暗點，在壽命試驗后該暗點更 加暗(擴大)。這種現(xiàn)象可推測到，象前述那樣，由于壽命試驗中Mg 通過穿透位錯擴散到活性層中，所以在位錯周邊的區(qū)域活性層的發(fā)光 效率降低。
(實施方式2)
圖13是本發(fā)明的實施方式2的構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的激光器晶片的 截面圖。實施方式2的激光器晶片是這樣的構(gòu)成，在圖1所示的實施 方式1的激光器晶片中，將由非摻雜層構(gòu)成的中間層21變?yōu)橛蓛蓪訕?gòu) 造構(gòu)成的新的中間層31，其它相同。因此，對于同實施方式l的半導(dǎo) 體激光器元件相同的構(gòu)成部分賦予相同的符號，省略了其詳細說明。
本實施方式的激光器晶片中的中間層31是在活性層101和蓋層22 之間形成的厚度60nm的GaN層，為層疊厚度15nm的非摻雜層31a 和厚度45nm的擴散抑制層31b這樣的構(gòu)成。擴散抑制層31b是例如 Si雜質(zhì)濃度是3E19cn^左右的層，與蓋層22鄰接。
該激光器晶片能夠利用基本與實施方式1相同的方法來制造，但 在中間層31的形成時，改變GaN層的成長中SiH4氣體的供給量，使 得在中間層31的膜厚內(nèi)，Si雜質(zhì)濃度在厚度方向不均勻。具體地說， 在中間層31的成長開始后，使得這樣成長，厚度約15nm是非摻雜， 剩余的厚度約45nm，供給SiH4氣體，形成n型GaN層。
對于結(jié)晶成長結(jié)束后的激光器晶片，使用SIMS法，將評價作為p 型摻雜物的Mg向活性層的擴散狀態(tài)之結(jié)果表示在圖14中。開始Mg 的摻雜后的p型Alai8Gao.82N蓋層22的下面存在本實施方式的中間層 31，由此，能夠大幅度抑制Mg向活性層內(nèi)的擴散。具體地說，擴散 后的Mg濃度，在第一量子阱26、第二量子阱28和第三量子阱30， 都是約lE17cnf3 (檢測臨界左右)。
將該測量結(jié)果，與實施方式1中非摻雜中間層21的厚度與本實施 方式的中間層31整體的厚度相同程度(約60nm)的情況(參照圖10) 進行比較，可理解，不管在中間層內(nèi)的Mg濃度在本實施方式中多， 在活性層內(nèi)的Mg濃度是相同的。這種現(xiàn)象，能夠象下面這樣進行考 察。
擴散的Mg原子，由于存在于格子間位置，所以容易擴散，如果 碰上由于擴散存在于置換型位置的Si，通過給-受體相互作用(庫侖相 互作用)，形成由MgSi構(gòu)成的電中性的穩(wěn)定的復(fù)合體。為此，考慮到 Mg向摻雜有Si的區(qū)域擴散，在該位置穩(wěn)定化。本實施方式的情況下， 在作為中間層31的成長后半的厚度是約45nm的區(qū)域，是以3E19cm—3 左右的濃度摻雜有Si的擴散抑制層31b，所以在與p型Al。.18Ga().82N蓋 層22的界面產(chǎn)生Mg的積累(堆積)。為此，擴散的Mg匯集到上述 界面上，由此顯著地抑制Mg向活性層內(nèi)擴散。此外，在作為中間層 31的成長前半的厚度約15nm的區(qū)域是非摻雜層31a，所以，在中間層 31成長后半程所摻雜的Si，被抑制擴散到第三量子阱20。
本實施方式的半導(dǎo)體激光器元件，通過電流注入在室溫下連續(xù)振 動。此時的閾值電流和斜率效率分別是45mA、 1.2W/A，得到良好的 效果?？紤]到這是由于利用Mg的擴散抑制提高了激光器元件的活性 層的發(fā)光效率而導(dǎo)致的。
另外，與上述實施方式1同樣，挑選光輸出30mW下消耗電力是 0.6W左右的激光器元件，在室溫下進行30mW的APC壽命試驗，圖 15表示了該結(jié)果。激光器元件的老化率是每個小時0.3mA左右，確認(rèn) 其壽命時間為250小時。
將該結(jié)果與實施方式1中未摻雜中間層21的厚度與本實施方式的 中間層31整體厚度相同程度(約60nm)的情況來進行比較，上述實 施方式1的激光器元件的壽命時間是125小時左右，可確認(rèn)，本實施 方式的激光器元件能夠?qū)崿F(xiàn)更長的壽命。
在本實施方式中，由2元混晶GaN構(gòu)成中間層，但也能夠是AlGaN 或者InGaN等3元混晶，或者AlInGaN等4元混晶等其它氮化鎵系列 化合物半導(dǎo)體。另外，在本實施方式中，關(guān)于III一V族氮化物半導(dǎo)體 激光器進行了說明，但GaAs、 InP等m—V族半導(dǎo)體激光器，或ZnSe 等II一VI族半導(dǎo)體激光器等情況下，也能夠形成與本實施方式相同的 構(gòu)成。
對中間層的Si濃度的研究
下面，討論中間層31的擴散抑制層31b的優(yōu)選的Si濃度。在本實
施方式中，制造中間層31的Si濃度分別不同的三種激光器晶片(試樣
D 試樣F)。各個激光器晶片的擴散抑制層31b的Si濃度，試樣D 是約5E17cnT3，試樣E是約2E18cm—3，試樣F是約1E19cm'3(試樣F)。 而且，約2E18cm—3的Si濃度為與活性層的屏蔽層的Si濃度相同程度， 約1E19cm'3的Si濃度為與p型Al。.18Gao.82N蓋層的Mg濃度相同程度。 對于試樣D 試樣F，使用SIMS法，將對Mg向活性層的擴散狀 態(tài)的評價的結(jié)果在圖16中表示。在全部激光器晶片中，Mg向活性層 內(nèi)(從第三量子阱20向第一量子阱16)擴散。但是，可知，Mg的擴 散程度，以試樣E最顯著，其次是以試樣D、試樣F的順序擴散受到 抑制。特別是，試樣F產(chǎn)生Mg的集成(堆積)，能夠有效地防止Mg 擴散。
從上面的結(jié)果可明白，將中間層31的擴散抑制層31b的Si濃度設(shè) 為與p型Alai8Gao.82N蓋層22的Mg濃度(即本實施方式的情況下約 1E19cm勺相同程度以上，可顯著抑制Mg的擴散。在氮化物系列III 一V族化合物半導(dǎo)體的情況下，通常既使摻雜p型雜質(zhì)，其電活化率 是幾％左右，所以具有p型半導(dǎo)體層的電傳導(dǎo)率降低的傾向。在提高p 型半導(dǎo)體層的電傳導(dǎo)率中，有助于電傳導(dǎo)的空穴濃度需要是1E18cm—3 左右，所以，考慮電活化率，需要大量摻雜p型雜質(zhì)到1E19cn^以上。 這種情況下，將擴散抑制層31b的n型雜質(zhì)濃度控制到至少1E19cm—3 以上，能夠有效地控制來自p型半導(dǎo)體層的p型雜質(zhì)的擴散。而且， 關(guān)于擴散抑制層31b的Si濃度的上限，可由實用的范圍來定義，例如 是6E19cm—3左右。
研究構(gòu)成中間層的各個層厚度
在本實施方式中，將中間層31 (總厚度60nm)中非摻雜層31a 的厚度設(shè)為15nm，將擴散抑制層31b的厚度設(shè)為45nm，但可適當(dāng)改 變擴散抑制層31b對非摻雜層31a的厚度比，關(guān)于各種激光器晶片， 象上述那樣評價Mg向活性層的擴散。而且，擴散抑制層31b的Si濃 度為約1E19cm人
結(jié)果，在非摻雜層31a的厚度是1時，擴散抑制層31b的厚度是 1/11以上11以下的范圍，能夠有效地抑制Mg的擴散，在1/3以上3 以下的范圍，能夠得到更顯著的抑制效果。但是，中間層31的總厚度優(yōu)選的是空穴的擴散長度以下，具體地說，優(yōu)選與實施方式1 一樣是
15nm以上180nm以下。
(實施方式3)
圖17是本發(fā)明的實施方式3的構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的激光器晶片的 截面圖。實施方式3的半導(dǎo)體激光器是在圖13所示的實施方式2的半 導(dǎo)體激光器中，在基板11上形成第一GaN層41，在該第一GaN層41 上形成條狀的絕緣圖案42，在第一GaN層41上通過ELO (橫向外延 生長(Epitaxial Lateral Overgrowth))法來形成第二 GaN層43，使得 蓋住該絕緣圖案42。然后，在第二GaN層43上形成n型接觸層12。 其它構(gòu)成與實施方式2的半導(dǎo)體激光器元件相同，所以對于相同的構(gòu) 成部分賦予相同的符號，省略了其詳細說明。而且，在本實施方式中， 將n型接觸層12的厚度設(shè)為約2pm。
本實施方式的半導(dǎo)體激光器能夠利用基本上與實施方式2相同的 方法來制造，但主要參照圖18在下面說明通過ELO法形成第二 GaN 層43的方法。
首先，在基板ll上成長低溫緩沖層(未圖示)后，將反應(yīng)爐升溫 到約IOO(TC，成長厚度約lpm的第一 GaN層41 (圖18 (a))。之 后，從反應(yīng)爐中取出基板ll，在第一GaN層41上形成選擇成長用的 絕緣膜I (圖18 (b))。絕緣膜I是二氧化硅(Si02)，利用等離子 CVD裝置堆積100nm左右。
接著，在絕緣膜I上涂覆抗蝕膜，通過光刻法，形成直線-間隔狀 的抗蝕圖案R (圖18 (c))。這里，抗蝕圖案寬度(Ws):抗蝕除 去寬度(Wl) =15|im: 3pm。但是，該條的方向是第一 GaN層41的 <1-100>的方向。之后，將抗蝕圖案R作為蝕刻掩膜，利用氟酸溶液來 除去抗蝕除去部的絕緣膜I，露出第一GaN層41。接著，通過丙酮等 有機溶液來除去抗蝕圖案R。這樣，在第一 GaN層41上形成絕緣圖案 42 (圖18 (d))。
之后，將基板11再次保持到MOVPE裝置的反應(yīng)爐內(nèi)的基座上， 對反應(yīng)爐進行真空排氣。接著，將反應(yīng)爐內(nèi)形成壓力200Torr的氫環(huán)境 氣氛，將溫度升溫到約IOO(TC，同時提供供給量7sccm的三甲基鎵 (TMG)，和供給量7.5 slm的氨(NH3)氣和作為載氣的氫氣，來ELO
選擇成長第二 GaN層43。第二 GaN層43在選擇成長初期在絕緣圖案 42間成長(圖18 (e))， 一旦進行成長，就在絕緣圖案42的上方橫 方向成長(圖18 (f))，最終進行表面的平坦化(圖18 (g))。
利用平面透射電子顯微鏡(TEM)來評價第二 GaN層43的穿透 位錯密度，相鄰的絕緣圖案42間是約lE10cm—2，與此相對，絕緣圖案 42上方的ELO部分約為5E8cm—2，可理解，通過ELO選擇成長能夠 將位錯密度降低到1/20左右。
在激光器結(jié)構(gòu)的結(jié)晶成長中，在厚度約5 u m的第二 GaN層43上， 也提供作為n型摻雜物的硅烷(SiH4)，以厚度約2y m成長由Si雜 質(zhì)濃度約1E18cm—3的n型GaN所構(gòu)成n型接觸層12。之后，通過與 實施方式2相同的方法，能夠制造圖17所示的激光器晶片。
另外，由該激光器晶片來制造半導(dǎo)體激光器元件的激光器加工工 序，與實施方式1相同。但是，p型接觸層25的脊在絕緣圖案42之上 的低位錯密度部分處形成。
本實施方式的激光器元件，通過電流注入達到室溫連續(xù)振動。此 時的閾值電流和斜率效率分別是35mA、 1.4W/A，得到良好的結(jié)果。 通過Mg的擴散抑制提高了激光器元件的活性層的發(fā)光效率，此外， 認(rèn)為是由活性層區(qū)域的位錯密度的降低導(dǎo)致的。即，通過降低活性層 內(nèi)的位錯密度，減小非發(fā)光再結(jié)合中心，所以提高發(fā)光效率。
另外，與上述實施方式l同樣，挑選光輸出30mW中消耗電力為 0.6W左右的激光器元件，在室溫下進行30mW的APC壽命試驗，圖 19表示該結(jié)果。激光器元件的老化率是每個小時0.03mA左右，確認(rèn) 壽命時間是1000小時以上的穩(wěn)定動作，能夠大幅度抑制老化的進行。 即，作為GaN系列發(fā)光元件的長壽命的對策，降低位錯密度是重要的， 這樣的長壽命化的效果，通過與實施方式l、 2的激光器元件那樣的能 夠控制活性層內(nèi)的雜質(zhì)濃度的構(gòu)成組合，效果更顯著。
在本實施方式中，由2元混晶GaN構(gòu)成中間層，但也能夠是AlGaN 或者InGaN等3元混晶，或者AlInGaN等4元混晶等其它氮化鎵系列 化合物半導(dǎo)體。另外，在本實施方式中，針對III一V族氮化物半導(dǎo)體 激光器進行了說明，但是在GaAs、InP等III一 V族半導(dǎo)體激光器或ZnSe 等II一VI族半導(dǎo)體激光器等的情況下，也能夠形成與本實施方式相同
的構(gòu)成。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性象上面那樣，如按照本發(fā)明，能夠提供高光 輸出動作中可長壽命的半導(dǎo)體激光器和其制造方法。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器，其特征為，在基板上順序?qū)盈Bn型半導(dǎo)體層、活性層和p型半導(dǎo)體層，所述活性層包含由InGaN所構(gòu)成的阱層，在所述活性層和所述p型半導(dǎo)體層之間，形成有實質(zhì)上不摻雜雜質(zhì)的由氮化鎵系列化合物半導(dǎo)體所構(gòu)成的中間層，所述中間層由GaN或InGaN形成，在所述活性層和中間層之間沒有間隔其它的p型半導(dǎo)體層，在所述基板和n型半導(dǎo)體層之間，形成有包括穿透位錯密度為5E8cm-2以下的低位錯區(qū)域的半導(dǎo)體層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 所述中間層的厚度是15nm以上180nm以下。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 所述半導(dǎo)體激光器是m—v族氮化物半導(dǎo)體激光器， 所述n型半導(dǎo)體層是包含Si作為n型雜質(zhì)，所述p型半導(dǎo)體層是包含Mg作為p型雜質(zhì)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 所述活性層中的p型雜質(zhì)的濃度是約1E17cm'3以下。
5. —種半導(dǎo)體激光器的制造方法，其特征在于，包括 在基板上形成有包括穿透位錯密度為5E8cm'2以下的低位錯區(qū)域的半導(dǎo)體層的步驟；在所述半導(dǎo)體層上形成慘雜有n型雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體層的步驟 在所述n型半導(dǎo)體層上形成包括由InGaN構(gòu)成的阱層的活性層的步驟；在所述活性層上形成由氮化鎵系列化合物構(gòu)成的中間層的步驟；和在所述中間層上形成摻雜有p型雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體層的步驟， 其中，所述中間層由GaN或InGaN形成，不摻雜雜質(zhì)來形成，并 且按照在與所述活性層之間沒有間隔其它P型半導(dǎo)體層的方式來形成。
全文摘要
一種半導(dǎo)體激光器，在基板(11)上順序?qū)盈Bn型半導(dǎo)體層(13)、活性層(101)和p型半導(dǎo)體層(24)，所述活性層(101)包含由InGaN所構(gòu)成的阱層，在活性層(101)和p型半導(dǎo)體層(24)之間，形成實質(zhì)上不摻雜雜質(zhì)的由氮化鎵系列化合物半導(dǎo)體所構(gòu)成的中間層(21)。利用該半導(dǎo)體激光器，可實現(xiàn)高的光輸出動作下的長壽命。
文檔編號H01S5/343GK101188344SQ20071015240
公開日2008年5月28日 申請日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者橫川俊哉, 長谷川義晃 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社