專利名稱：制造半導(dǎo)體激光器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種制造半導(dǎo)體激光器的方法。
背景技術(shù)：
專利文獻(xiàn)l (國(guó)際公開2006/062084號(hào)公報(bào))中記載了一種半導(dǎo)體 激光元件。該半導(dǎo)體激光元件含有夾在p型包層和n型包層之間的活 性層，并且p型包層上設(shè)有光子晶體層。光子晶體層包括GaN晶膜 層、由折射率比GaN的折射率低的材料構(gòu)成的部分。在光子晶體層上 形成GaN層。

發(fā)明內(nèi)容
專利文獻(xiàn)l所述的半導(dǎo)體激光元件的光子晶體層由以下構(gòu)成GaN 晶膜層；由折射率比GaN的折射率低的材料構(gòu)成的多個(gè)部分的排列。 另一方面，如果不使用折射率比GaN的折射率低的材料，而通過(guò)氮化 鎵系半導(dǎo)體區(qū)域上設(shè)置的空孔(空隙void)的排列制造出光子晶體構(gòu) 造，則可擴(kuò)大光子晶體構(gòu)造中的折射率差。在光子晶體構(gòu)造中，在GaN 層上形成圖案而制造孔的排列。在成圖的GaN層上生長(zhǎng)氮化鎵系半導(dǎo) 體時(shí)，孔內(nèi)也生長(zhǎng)堆積物，若干空孔會(huì)變形。因此，進(jìn)行了對(duì)該GaN 層上的晶體生長(zhǎng)后，空孔的排列的一致性被破壞。
本發(fā)明鑒于以上情況而產(chǎn)生，其目的在于提供一種含有光子晶體 構(gòu)造的半導(dǎo)體激光器的制造方法，上述光子晶體構(gòu)造具有空孔的排列。
本發(fā)明的一個(gè)側(cè)面是制造含有二維光子晶體的半導(dǎo)體激光器的方 法。該方法具有以下工序(a)在氮化鎵系半導(dǎo)體區(qū)域上，通過(guò)生長(zhǎng) 爐生長(zhǎng)Inx,Ga,—jaN((XXKl^層的工序；(b)將含有上述InxlGai.xlN層的基板生產(chǎn)物從上述生成爐取出后，將用于二維光子晶體的二維衍
射光柵的多個(gè)開口形成在上述InxlGalouN層上，以形成成圖的 InxlGai.xlN層的工序；(c)將AlX2Ga10C2N (0《X2《1)層形成在上 述成圖的In)aGa,.wN層上以形成和上述開口對(duì)應(yīng)的空孔的工序。
根據(jù)本發(fā)明的方法，為了形成圖案，加工InxlGai—xlN層，在 InxlGai—xlN層上形成開口 。在成圖的InxlGai.xlN層開口的表面殘留有 加工造成的損傷。使第2基板的溫度向生長(zhǎng)溫度上升后，形成 Alx2Ga,oaN層。在該AlX2Gai_x2N層的形成中，受到加工形成的開口的 表面上殘留的損傷的影響，Alx2Gai.x2N生成及遷移在空孔內(nèi)受到抑制， 另一方面Alx2Gai_X2N堆積在InxiGauiN的表面上。為了抑制這一點(diǎn)， 將與InxiGaLx,N層的開口對(duì)應(yīng)的空孔不被堆積物充滿地覆蓋開口并生 長(zhǎng)的Alx2Gai_X2N層作為手段，形成空孔。通過(guò)AlX2Gai_X2N層及 InxlGai.xlN層的空孔的組合，提供了用于二維光子晶體的構(gòu)造。
在本發(fā)明涉及的方法中，上述開口的側(cè)面及底面可由InGaN構(gòu)成。 根據(jù)該方法，成圖的Inx,GabjaN層的開口的側(cè)面及底面在上述升溫過(guò) 程中受到影響，在生長(zhǎng)AlX2Gai.X2N層時(shí)，側(cè)面及底面的AlX2Gai.X2N 生長(zhǎng)及遷移受到抑制。另一方面，In^Ga^N層上產(chǎn)生Alx2Ga,oaN生 長(zhǎng)。Alx2Ga,.x2N以InjaGaL"N層上為基點(diǎn)產(chǎn)生橫向生長(zhǎng)，從而能夠以 不填埋開口地覆蓋開口，在其上部生長(zhǎng)。因此，與In^Gab幻N層的開 口對(duì)應(yīng)的空孔在Alx2Gai.x2N層生長(zhǎng)時(shí)形成。
在本發(fā)明涉及的方法中，可進(jìn)一步具有如下工序形成上述 InxlGai.xlN層后，在將用于上述二維衍射光柵的多個(gè)開口形成在上述 InxiGa!oaN層前，在上述InxlGaloaN層上形成GaN層。上述基板生產(chǎn) 物包括上述GaN層，上述多個(gè)開口形成在上述InxlGai.xlN層及上述 GaN層。
根據(jù)該方法，在AbaGai.x2N層生長(zhǎng)時(shí)，Inx,GaL^N層的上表面被GaN層覆蓋。但是，InxlGai_xlN層的開口的側(cè)面及底面露出，不會(huì)被 GaN層覆蓋。因此，在Alx2Ga^2N層生長(zhǎng)中，提高了選擇性。
在本發(fā)明涉及的方法中，可進(jìn)一步具有在形成上述Alx2Ga^2N 層前，形成覆蓋上述開口的底面的電介質(zhì)層的工序。上述基板生產(chǎn)物 包括上述電介質(zhì)層。
根據(jù)該方法，在電介質(zhì)層的底面及Alx2Gai.x2N側(cè)面，更阻礙了開 口內(nèi)的生長(zhǎng)，因此可從InxlGai.xlN層的開口形成良好形狀的空孔。
在本發(fā)明涉及的方法中，上述電介質(zhì)層可含有硅氧化物、硅氮化 氧化物、硅氮化物、鋯氧化物、鈦氧化物、鉿氧化物中的至少任意一 種。
在本發(fā)明涉及的方法中，可進(jìn)一步具有形成上述AlX2Gai-X2N層 后，形成活性層的工序。根據(jù)該方法，二維衍射光柵由Inx!Ga,^N層 及AlX2Gai—X2N層的組合形成的空孔的排列構(gòu)成，并且與AlX2Gai_x2N 層形成后形成的活性層光學(xué)耦合。或者，在本發(fā)明涉及的方法中，進(jìn) 一步具有形成上述InxtGaiooN層前形成活性層的工序。根據(jù)該方法， 二維衍射光柵由InxlGai_xlN層及AlX2Gai.x2N層的組合形成的空孔的 排列構(gòu)成，并且與在Inx,Ga,oaN層前形成的活性層光學(xué)耦合。在本發(fā) 明涉及的方法中，優(yōu)選上述InxlGaloclN層的上表面與上述AlX2Gai-X2N 層接觸。并且，在本發(fā)明涉及的方法中，優(yōu)選上述Alx2Ga^x2N層形成 在上述InxlGai_xlN層上，以使上述AlX2GaloaN層關(guān)閉上述開口并形 成上述空孔。進(jìn)一步，在本發(fā)明涉及的方法中，優(yōu)選上述InxlGai.xlN 層通過(guò)上述AlX2Gai-X2N層不充滿上述開口地覆蓋上述開口而形成空 孔。
本發(fā)明的上述目的及其他目的、特征、優(yōu)點(diǎn)可參照附圖進(jìn)行的本 發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的下述詳細(xì)記載可得以明確。


圖1是表示本實(shí)施方式涉及的、制造含有二維光子晶體的半導(dǎo)體 激光器的方法的主要工序的圖。
圖2是表示本實(shí)施方式涉及的、制造含有二維光子晶體的半導(dǎo)體 激光器的方法的主要工序的圖。
圖3 (a)是表示拍攝了實(shí)施例中的空孔的排列的SEM圖像的圖。
圖3 (b)是表示拍攝了參考例中的空孔的排列的SEM圖像的圖。
圖4是表示本實(shí)施方式的變形例涉及的、制造含有二維光子晶體 的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。
圖5是表示本實(shí)施方式的變形例涉及的、制造含有二維光子晶體 的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。
圖6是表示本實(shí)施方式的其他變形例涉及的、制造含有二維光子 晶體的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。
圖7是表示本實(shí)施方式的其他變形例涉及的、制造含有二維光子 晶體的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。
圖8是表示本實(shí)施方式的其他變形例涉及的、制造含有二維光子 晶體的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。
圖9是表示本實(shí)施方式的其他變形例涉及的、制造含有二維光子 晶體的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。
具體實(shí)施例方式
參照作為示例的附圖并考慮以下詳細(xì)記述，可易于理解本發(fā)明的 觀點(diǎn)。以下參照

制造本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器的方法所涉及的 實(shí)施方式。在可能的情況下，對(duì)同一部分給予相同的標(biāo)記。
圖1及圖2是表示本實(shí)施方式涉及的制造含有二維光子晶體的半 導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。在本實(shí)施方式中，用于半導(dǎo)體激 光器的若干個(gè)氮化鎵系半導(dǎo)體層例如通過(guò)有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法形成。如圖l (a)所示，將GaN基板這樣的基板ll放置到生長(zhǎng)爐13。 在下述示例說(shuō)明中，對(duì)具有n導(dǎo)電性的基板11實(shí)施用于半導(dǎo)體激光器 的工序。在進(jìn)行了基板11的主面lla的光敏清潔后，生長(zhǎng)n型包層15。 n型包層15例如可由稱為AlGaN的氮化鎵系半導(dǎo)體構(gòu)成。n型包層15 上生長(zhǎng)InxlGai-X1N (0<X1<1)層(以下記作InGaN層)17。 InGaN 層17例如具有n型摻雜物，具有比n型包層15大的折射率。InGaN層 17生長(zhǎng)后，將生長(zhǎng)爐的溫度下降到室溫附近的溫度，將基板W1從生長(zhǎng) 爐13取出。
接著說(shuō)明在基板W1的InGaN層17中進(jìn)行用于二維光子晶體的二 維衍射光柵的多個(gè)開口的成圖、并形成成圖的InGaN層的工序。如圖1 (b)所示，在基板W1的InGaN層17上形成用于二維衍射光柵的掩膜 19。掩膜19具有用于二維衍射光柵的開口的排列，這些開口例如排列 為三角光柵、正方光柵等光柵。掩膜19例如可由抗蝕劑構(gòu)成，掃描電 子束，將用于二維衍射光柵的開口的圖案描繪到光致抗蝕劑膜上，對(duì) 其顯影，可形成掩膜19。
使用掩膜19在InGaN層17上形成用于二維衍射光柵的開口 。該 形成通過(guò)蝕刻加工來(lái)進(jìn)行。如圖1 (c)所示，例如在干蝕刻裝置21中， 使用掩膜19蝕刻InGaN層17，形成具有周期性折射率分布的InGaN層 17a。 InGaN層17a中，形成孔這樣的開口 17b的排列，該排列對(duì)應(yīng)于 掩膜19的二維衍射光柵。各開口 17b的側(cè)面17c及底面17d由InGaN 構(gòu)成。蝕刻后去除掩膜19，提供基板W2?；錡2含有成圖的InGaN 層17a。在一個(gè)實(shí)施方式中，開口 17b的深度例如優(yōu)選20nm以上，開 口過(guò)淺時(shí)，光子晶體和活性層的光學(xué)性耦合變小，無(wú)法獲得充分的反 饋效果。開口 17b的排列周期由二維衍射光柵相關(guān)的氮化鎵系半導(dǎo)體 的折射率、及發(fā)光波長(zhǎng)決定。
將基板W2放置在生長(zhǎng)爐13,使生長(zhǎng)爐13的溫度上升到生長(zhǎng)溫度 Tc。之后如圖2 (a)所示，將氮化鎵系半導(dǎo)體層23形成在InGaN層17a上。氮化鎵系半導(dǎo)體層23例如是n型GaN層。氮化鎵系半導(dǎo)體層23 以InGaN層17a上為基點(diǎn)橫向進(jìn)行生長(zhǎng)，從而能夠以不會(huì)填埋開口地 覆蓋開口的方式在其上部生長(zhǎng)而形成空孔。因此，形成與開口 17b對(duì) 應(yīng)的空孔25地進(jìn)行生長(zhǎng)。并且，也可替代GaN層而生長(zhǎng)AlGaN層。
在該方法中，在基板W2放置在生長(zhǎng)爐13后，基板W2的溫度在生 長(zhǎng)爐內(nèi)上升到生長(zhǎng)溫度T。。通過(guò)該升溫，成圖的InGaN層17a的開口 17b受到影響，開口 17b中的AlX2Gai.X2N生成及遷移和InxlGai.xlN的 表面相比被抑制。因此，InGaN層17a上，AlX2Gai.X2N橫向生長(zhǎng)，從 而以不填埋開口地覆蓋開口的方式在其上部生長(zhǎng)。其結(jié)果是，通過(guò) AlX2Gai.X2N的生長(zhǎng)及InxlGai.xlN層17a的開口 17b的組合，形成空孔 25。通過(guò)上述工序，形成二維光子晶體的二維衍射光柵26。
接著使用生長(zhǎng)爐13進(jìn)行若干個(gè)氮化鎵系半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)。如圖2 (b)所示，在氮化鎵系半導(dǎo)體層23上生長(zhǎng)活性層27。該活性層27與 二維衍射光柵26光學(xué)耦合。在一個(gè)實(shí)施例中，活性層27具有量子阱 構(gòu)造29，活性層27的構(gòu)造不限于此。該量子阱構(gòu)造29含有交互排列 的阱層29a及壘(barrier )層2%。阱層29a例如可由InGaN、 AlGaN、 GaN、 InAlGaN等構(gòu)成，并且壘層29b由比阱層29a帶隙大的材料、例 如InGaN、 GaN、 AlGaN、 InAlGaN等構(gòu)成。
接著，在活性層27上生長(zhǎng)氮化鎵系半導(dǎo)體層31。氮化鎵系半導(dǎo) 體層31例如可以是GaN層，為了避免摻雜物對(duì)光的吸收優(yōu)選由非摻雜 層構(gòu)成。
氮化鎵系半導(dǎo)體層31上依次生長(zhǎng)電子塊層33、 p型包層35、及p 型連接層37。電子塊層33例如可由比氮化鎵系半導(dǎo)體層31帶隙大的 AlGaN層構(gòu)成，優(yōu)選含有p型摻雜物。p型包層35向活性層25提供正 孔，并且為了關(guān)閉入光線而由折射率比活性層25小的氮化鎵系半導(dǎo)體 構(gòu)成。p型包層35例如可由AlGaN層構(gòu)成。p型連接層37為了提供良好的電連接，優(yōu)選含有高濃度的摻雜物。p型連接層37例如可由p型 GaN層或p型AlGaN層構(gòu)成。通過(guò)它們的生長(zhǎng)提供基板W3。
必要時(shí)進(jìn)行基板11的研磨。如圖2 (c)所示，p型連接層37上 形成p電極41a，并且在基板11的背面llb形成n電極41b。
(實(shí)施例1)
使用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法制造藍(lán)紫色二維光子晶體(n側(cè))激光器。 作為原料使用三甲基鎵(TMG)、三甲基銦(TMI)、三甲基鋁(TMA)、 氨(NH3)、甲硅烷(SiH4) 、 二茂基鎂(Cp2Mg)。將(0001)面n型 氮化鎵基板配置到襯托器上后，向生長(zhǎng)爐提供NH3和H2，在爐內(nèi)壓力 30kPa下，用攝氏1100度的基板溫度進(jìn)行IO分鐘的熱敏清潔。使?fàn)t內(nèi) 壓力為大氣壓后，按照以下順序進(jìn)行成膜。首先，提供TMG、 TMA、 NH3、 SiH4，在攝氏1100度的基板溫度下使厚m的n型Alo.03Gao.97N 生長(zhǎng)，并且提供TMG、 TMI、 TMA、 NH3、 SiH4，以攝氏880度的基板 溫度使用于衍射光柵的厚100nm的n型In嫌Ga().98N生長(zhǎng)。通過(guò)上述生 長(zhǎng)形成外延片。使基板降溫后，從生長(zhǎng)爐取出外延片，如下所述形成 用于光子晶體的掩膜。將電子束曝光用光致抗蝕劑用勻膠機(jī)涂敷到外 延片上，以形成平均的抗蝕劑膜。使用電子束曝光裝置，在抗蝕劑膜 的300^m見方的區(qū)域內(nèi)，描繪用于光子晶體的正方形光柵圖案(直徑 70nm，間距166nm)。進(jìn)行抗蝕劑膜的顯影形成掩膜后，將晶圓配置 在反應(yīng)性離子蝕刻裝置上。使用抗蝕劑掩膜，通過(guò)蝕刻氣體Cl2部分性 地去除、轉(zhuǎn)印n型InGaN層，形成具有和圖案對(duì)應(yīng)的開口的排列的 InGaN層。之后，為了晶體生長(zhǎng)，從晶圓去除抗蝕劑掩膜。
將晶圓配置到襯托器后，使基板溫度上升到生長(zhǎng)溫度。在攝氏1100 度的基板溫度、爐內(nèi)壓力30kPa下，在生長(zhǎng)爐中提供TMG、NH3、 SiH4， 生長(zhǎng)200nm的n型GaN層，形成和InGaN層的凹部對(duì)應(yīng)的空孔的排列。 降低生長(zhǎng)爐的溫度，形成具有3個(gè)周期的量子阱構(gòu)造的活性層。在攝 氏880度的基板溫度下，提供TMG、 TMI、 NH3，生長(zhǎng)厚15nm的非摻雜In,Ga。.99N壘層。在攝氏800度的基板溫度下，提供TMG、 TMI、 NH3，生長(zhǎng)厚3nm的非摻雜Ino.。7Gao.93N阱層。提高生長(zhǎng)爐的溫度，在 攝氏1100度的生長(zhǎng)溫度下提供TMG、NH3，生長(zhǎng)厚50nm的非摻雜GaN 層。提供TMG、 TMA、 NH3、 Cp2Mg，生長(zhǎng)厚20nm的p型Al。.12Gao.88N 電子塊層。提供TMG、 TMA、 NH3、 Cp2Mg，生長(zhǎng)厚600nm的p型 Al0.Q7Ga().93N包層。提供TMG、 NH3、 Cp2Mg，生長(zhǎng)厚50mn的p型GaN 連接層。這些生長(zhǎng)完成后，將外延片E1從生長(zhǎng)中取出，使由Ni/Au構(gòu) 成的陽(yáng)極電極形成在p型GaN層上。將GaN基板研磨到厚100/z m后， 在基板背面形成陰極電極。
切斷該外延片，形成lmm見方的芯片，使其含有300/zm見方的 光子晶體圖案。向該藍(lán)紫色二維光子晶體激光元件在室溫下施加脈沖 電流(頻率lkHz、脈寬500mec)時(shí)，以振蕩波長(zhǎng)405nm產(chǎn)生激光振 蕩。
作為參考例，可替代用于衍射光柵的厚lOOnm的n型Ino^Gac^N 層，生長(zhǎng)厚100nm的n型GaN層，形成外延片Rl。
用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察外延片El、 Rl的截面形狀。 圖3(a)是表示實(shí)施例中的空孔的排列的SEM圖像的圖。參照?qǐng)D3(a)， 獲得了良好的空孔形狀。圖3(b)是表示參考例中的空孔的排列的SEM 圖像的圖。參照?qǐng)D3 (b)，因空孔內(nèi)部的橫向生長(zhǎng)，空孔形狀變形。
圖4及圖5是表示本實(shí)施方式的變形例涉及的、制造含有二維光 子晶體的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。在該實(shí)施方式中，生 長(zhǎng)活性層后，形成用于二維光子晶體的構(gòu)造。用于半導(dǎo)體激光器的若 干個(gè)氮化鎵系半導(dǎo)體層和上述實(shí)施方式一樣，例如通過(guò)有機(jī)金屬氣相 生長(zhǎng)法形成。
將GaN基板這樣的基板11放置在生長(zhǎng)爐13中，并且進(jìn)行基板11的主面lla的熱敏清潔，如圖4 (a)所示，生長(zhǎng)n型包層15。 n型包 層15例如由AlGaN層15構(gòu)成。n型包層15上接著使用生長(zhǎng)爐13進(jìn) 行若干個(gè)氮化鎵系半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)。在該實(shí)施例中，在n型包層15上 生長(zhǎng)活性層27。也可替代活性層27，生長(zhǎng)其他構(gòu)造的活性層。活性層 27上生長(zhǎng)氮化鎵系半導(dǎo)體層31 。氮化鎵系半導(dǎo)體層23例如是GaN層， 為了避免摻雜物對(duì)光的吸收優(yōu)選由非摻雜層構(gòu)成。在氮化鎵系半導(dǎo)體 層31上生長(zhǎng)電子塊層33。接著，在電子塊層33上生長(zhǎng)n型氮化鎵系 半導(dǎo)體層43。 InxlGai.xlN (0<X1<1)層(以下記作InGaN層)43例 如具有n型摻雜物，具有比包層大的折射率。生長(zhǎng)了 InGaN層43后， 使生長(zhǎng)爐的溫度下降到室溫附近，將基板W4從生長(zhǎng)爐13取出。
接著說(shuō)明在基板W4的InGaN層43上進(jìn)行用于二維光子晶體的二 維衍射光柵的多個(gè)開口的成圖，以形成成圖的InGaN層的工序。如圖4 (b)所示，在基板W4的InGaN層43上，和前一實(shí)施方式一樣，形成 用于二維衍射光柵的掩膜19。
使用掩膜19在InGaN層43上形成用于二維衍射光柵的開口。該 形成通過(guò)蝕刻加工來(lái)進(jìn)行。如圖4 (c)所示，例如在千蝕刻裝置21中， 使用掩膜19蝕刻InGaN層43，形成成圖的InGaN層43a。 InGaN層43a 形成和掩膜19的二維衍射光柵對(duì)應(yīng)的開口 43b的排列。各開口 43b的 側(cè)面43c及底面43d由InGaN構(gòu)成。蝕刻后去除掩膜19，提供基板W5。 基板W5含有成圖的InGaN層43a。在一個(gè)實(shí)施例中，開口43b的深度 例如優(yōu)選為20mn以上，開口過(guò)淺時(shí)，光子晶體和活性層的光學(xué)性耦合 變小，無(wú)法獲得充分的反饋效果。開口 43b的排列周期如上所述，根 據(jù)二維衍射光柵相關(guān)的氮化鎵系半導(dǎo)體的折射率和發(fā)光波長(zhǎng)兩者來(lái)決 定。
將基板W5放置在生長(zhǎng)爐13中，使生長(zhǎng)爐13的溫度上升到生長(zhǎng)溫 度T。。之后如圖5 (a)所示，將氮化鎵系半導(dǎo)體層47形成在InGaN層 43a上。氮化鎵系半導(dǎo)體層47例如是p型GaN層。氮化鎵系半導(dǎo)體層47以InGaN層43a上為基點(diǎn)橫向進(jìn)行生長(zhǎng)，從而能夠以不會(huì)填埋開口 地覆蓋開口的方式在其上部上生長(zhǎng)延長(zhǎng)部。因此，進(jìn)行生長(zhǎng)以形成與 開口 43b相關(guān)的空孔45?；蛘撸部商娲鶪aN層而生長(zhǎng)AlGaN層。因 此，氮化鎵系半導(dǎo)體層47表現(xiàn)為Alx2Gai.X2N (0《X2《1)層。
在該方法中，基板W5的溫度在生長(zhǎng)爐內(nèi)上升到生長(zhǎng)溫度Tc。在該 升溫中，成圖的InGaN層43a的開口 43b受到影響，開口 43b中的 AlX2Gai_X2N生成及遷移和InGaN層43a的上表面相比被抑制。因此， 根據(jù)AlX2Gai—X2N生成的結(jié)果，空孔45由開口43b、及堵塞該開口43b 的Alx2G^.x2N層形成。這樣一來(lái)，形成二維光子晶體的二維衍射光柵 46。該二維衍射光柵46與活性層27光學(xué)耦合。
接著使用生長(zhǎng)爐13在氮化鎵系半導(dǎo)體層47上進(jìn)行p型包層35的 生長(zhǎng)，接著進(jìn)行p型連接層37的生長(zhǎng)。p型連接層37為了提供良好的 電接觸，優(yōu)選含有高濃度的摻雜物。p型連接層37例如可由p型GaN 層構(gòu)成。通過(guò)它們的生長(zhǎng)，可提供基板W6。
如圖5(c)所示，必要時(shí)，進(jìn)行基板11的背面研磨。在p型連接 層37上形成p電極41a，并且在基板11的背面lib上形成n電極41b。
(實(shí)施例2)
使用和實(shí)施例1 一樣的有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法，制造出藍(lán)紫色二維 光子晶體(p側(cè))激光。將(0001)面n型氮化鎵基板配置到襯托器上 后，和實(shí)施例1 一樣進(jìn)行熱敏清潔。使?fàn)t內(nèi)壓力為大氣壓后，按照以 下順序進(jìn)行成膜。首先，提供TMG、 TMA、 NH3、 SiH4，使厚2/zm的 n型AVc3Ga。.97N生長(zhǎng)。降低生長(zhǎng)爐的溫度，形成具有三個(gè)周期的量子 阱構(gòu)造的活性層。在攝氏880度的基板溫度下，提供TMG、 TMI、NH3， 生長(zhǎng)厚15nm的非摻雜In。.(nGa().99N壘層。在攝氏800度的基板溫度下， 提供TMG、 TMI、 NH3，生長(zhǎng)厚3nm的非摻雜Ino.07Gao.93N阱層。提高 生長(zhǎng)爐的溫度，在攝氏IIOO度的生長(zhǎng)溫度下提供TMG、 NH3，生長(zhǎng)厚50nm的非摻雜GaN層。提供TMG、 TMA、 NH3、 Cp2Mg，生長(zhǎng)厚20nm 的p型Alo.12Gao.88N電子塊層。接著提供TMG、 TMI、 TMA、 NH3、 Cp2Mg，在攝氏880度的基板溫度下生長(zhǎng)用于衍射光柵的厚lOOnm的p 型lno.o2Gao.9sN。通過(guò)以上工序，獲得外延片。
將該外延片從生長(zhǎng)爐取出，如下所示形成用于光子晶體的掩膜。 將電子束曝光用光致抗蝕劑用勻膠機(jī)涂敷到晶圓上，以形成均勻的抗 蝕劑膜。使用電子束曝光裝置，在抗蝕劑膜的300/zm見方的區(qū)域內(nèi)， 描繪用于光子晶體的正方形光柵圖案(直徑70nm，間距166nm)。進(jìn) 行抗蝕劑膜的顯影形成掩膜后，將晶圓配置在反應(yīng)性離子蝕刻裝置上。 使用抗蝕劑掩膜，為了進(jìn)行轉(zhuǎn)印，通過(guò)蝕刻氣體Cl2部分性地去除n型 InGaN層，形成具有和圖案對(duì)應(yīng)的開口排列的InGaN層。之后，為了 晶體生長(zhǎng)，從晶圓去除抗蝕劑掩膜。
將晶圓配置到襯托器后，使基板溫度上升到生長(zhǎng)溫度。在攝氏1100 度的基板溫度、爐內(nèi)壓力30kPa下，提供TMG、 NH3、 Cp2Mg，生長(zhǎng) 200nm的p型GaN層，形成和InGaN層的凹部對(duì)應(yīng)的空孔的排列。提 供TMG、 TMA、 NH3、 Cp2Mg，生長(zhǎng)厚600nm的p型Al。.o7Ga。.93N包 層。提供TMG、 NH3、 Cp2Mg，生長(zhǎng)厚50nm的p型GaN連接層。這 些生長(zhǎng)完成后，將外延片E1從生長(zhǎng)中取出，使由Ni/Au構(gòu)成的陽(yáng)極電 極形成在p型GaN層上。將GaN基板研磨到厚100m m后，在基板背 面形成陰極電極。
切斷該外延片，形成lmm見方的芯片，使其含有300ym見方的 光子晶體圖案。向該藍(lán)紫色二維光子晶體激光元件在室溫下施加脈沖 電流(頻率lkHz、脈寬500nsec)時(shí)，以振蕩波長(zhǎng)405nm產(chǎn)生激光振 蕩。
圖6及圖7是表示本實(shí)施方式的其它變形例涉及的、制造含有二 維光子晶體的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。在該實(shí)施方式中，在InGaN層上形成開口后，在開口的底部形成電介質(zhì)的堆積物。該形 成之后，構(gòu)成了用于二維光子晶體的構(gòu)造。半導(dǎo)體激光器的若干個(gè)氮 化鎵系半導(dǎo)體層和上述實(shí)施方式一樣，例如通過(guò)有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法 形成。
如圖6(a)所示，將GaN基板這樣的基板11放置在生長(zhǎng)爐13中。 在以下說(shuō)明中，作為示例，在具有n導(dǎo)電板的基板ll上進(jìn)行用于半導(dǎo) 體激光器的工序。進(jìn)行了基板ll的主面lla的光敏清潔后，生長(zhǎng)n型 包層15及InxlGai-X1N層18。 InGaN層18的形成和InGaN層17 —樣 生長(zhǎng)后，將生長(zhǎng)爐的溫度下降到室溫附近的溫度，從生長(zhǎng)爐13取出基 板W7。
接著如圖6 (b)所示，在基板W7的InGaN層18上形成用于二 維衍射光柵的掩膜19。使用掩膜19在InGaN層18上形成用于二維衍 射光柵的開口 。例如通過(guò)干蝕刻裝置21用掩膜19對(duì)InGaN層18進(jìn)行 蝕刻，形成成圖的InGaN層18a。開口 18b的排列包含在轉(zhuǎn)印了掩膜 19的二維衍射光柵的InGaN層18a中。各開口 18b的側(cè)面18c由InGaN 構(gòu)成。
接著，不去除掩膜19，如圖6 (c)所示，在形成AlX2Gai.x2N層 前，形成電介質(zhì)層51。該形成例如通過(guò)蒸鍍等進(jìn)行。電介質(zhì)層51的第 1部分51a覆蓋開口 18b的底面18d。電介質(zhì)層51的第2部分51b覆 蓋掩膜19。之后，通過(guò)去除掩膜19，如圖7 (a)所示，去除掩膜19 上的第2部分51b而生成基板W8。電介質(zhì)層51的厚度小于開口 18b 的深度?；錡8在開口 18b的底面18d上設(shè)置電介質(zhì)層51a，并且側(cè) 面18c中由InGaN構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，開口 18b的深度例如優(yōu)選 20nm以上，當(dāng)開口過(guò)淺時(shí)，光子晶體和活性層的光學(xué)耦合變小，無(wú)法 獲得充分的反饋效果。并且，電介質(zhì)層51a的厚度過(guò)厚時(shí)，開口內(nèi)的 平均折射率變大，即使形成光子晶體，效果也降低。將基板W8放置在生長(zhǎng)爐13中，使生長(zhǎng)爐13的溫度上升到生長(zhǎng) 溫度Tc3。之后如圖7 (b)所示，在InGaN層18a上形成氮化鎵系半導(dǎo) 體層23。氮化鎵系半導(dǎo)體層23例如是n型GaN層或AlGaN層。氮化 鎵系半導(dǎo)體層23以InGaN層18a上為基點(diǎn)橫向生長(zhǎng)，從而能夠以不填 埋開口地覆蓋開口的方式在其上部生長(zhǎng)。因此，進(jìn)行生長(zhǎng)以形成與開 口 18b對(duì)應(yīng)的空孔55。
根據(jù)該方法，通過(guò)電介質(zhì)層51a及Alx2Ga,.x2N側(cè)面18c阻止開口 18b內(nèi)的生長(zhǎng)，從而使與InxlGai.xlN層的開口對(duì)應(yīng)的空孔55的形狀變 得良好。
作為電介質(zhì)層的材料，可以由以下至少任意一種構(gòu)成Si02這樣 的硅氧化物，SiON這樣的硅氮化氧化物，SiN這樣的硅氮化物，Zr02 這樣的鋯氧化物，Ti02這樣的鈦氧化物，Hf02這樣的鉿氧化物。
從上述說(shuō)明可知，繼續(xù)生長(zhǎng)活性層及其他層等。并且，在形成活 性層后形成光子晶體構(gòu)造的制造方法(例如實(shí)施例2)中，可采用使用 電介質(zhì)的堆積物的方法。
(實(shí)施例3)
制造出藍(lán)紫色二維光子晶體(n偵ij)激光器。在(0001)面n型 氮化鎵基板上生長(zhǎng)厚2/z m的n型Al。.Q3Ga。.97N及厚100nm的n型 Ino.o2Ga。.9sN。將外延片從生長(zhǎng)爐取出，如下所示形成用于光子晶體的 掩膜。使用抗蝕劑掩膜，通過(guò)蝕刻氣體Cl2部分性地去除n型InGaN層， 形成具有和圖案對(duì)應(yīng)的開口排列的InGaN層，制造出基板生產(chǎn)物。接 著，在為了剝離而去除抗蝕劑掩膜前，將該基板生產(chǎn)物配置在電子束 蒸鍍裝置內(nèi)，蒸鍍厚10nm的Si02膜。與抗蝕劑掩膜同時(shí)去除抗蝕劑 掩膜上的Si02膜，在空孔的底部殘留Zr02膜，制造出晶圓生產(chǎn)物。
將該晶圓生產(chǎn)物配置在襯托器上。使基板溫度上升到生長(zhǎng)溫度后，在攝氏1100度的基板溫度及爐內(nèi)壓力30kPa下，提供TMG、NH3、SiH4， 生長(zhǎng)200nm的n型GaN層，形成和InGaN層的凹部對(duì)應(yīng)的空孔的排列。 進(jìn)一步接著進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，并形成電極，制造出基板生產(chǎn)物。之后切 斷基板生產(chǎn)物，切出lmm見方的芯片，使其含有300/zm見方的光子 晶體圖案。向該藍(lán)紫色二維光子晶體激光元件在室溫下施加脈沖電流 (頻率lkHz、脈寬500nsec)時(shí)，以振蕩波長(zhǎng)405nm產(chǎn)生激光振蕩。 在實(shí)施例3中，可以如實(shí)施例1及2—樣使用電介質(zhì)膜。
圖8及圖9是表示本實(shí)施方式的其他變形例涉及的、制造含有二 維光子晶體的半導(dǎo)體激光器的方法的主要工序的圖。在該實(shí)施方式中， 在InGaN層上形成開口前，形成追加的氮化鎵系半導(dǎo)體層。該形成之 后，形成用于二維光子晶體的構(gòu)造。用于半導(dǎo)體激光器的若干個(gè)氮化 鎵系半導(dǎo)體層和上述實(shí)施方式一樣，例如通過(guò)有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法形 成。
如圖8(a)所示，將GaN基板這樣的基板11放置在生長(zhǎng)爐13中。 在下述說(shuō)明中，作為示例，在具有n導(dǎo)電性的基板ll上實(shí)施用于半導(dǎo) 體激光器的工序。進(jìn)行了基板ll的主面lla的光敏清潔后，生長(zhǎng)n型 包層15及InxlGai-X1N (以下稱為InGaN層)16。 InGaN層16的形成 和InGaN層17—樣生長(zhǎng)后，生長(zhǎng)由氮化鎵系半導(dǎo)體構(gòu)成的間隙層20。 間隙層20的厚度比InGaN層16薄。作為間隙層20，例如可使用n型 GaN層、n型AlGaN層。在其生長(zhǎng)后，將生長(zhǎng)爐的溫度下降到室溫附 近，將生長(zhǎng)爐13從基板W9取出。
接著如圖8 (b)所示，在基板W9的間隙層20上形成用于二維衍 射光柵的掩膜19。如圖9 (a)所示，使用掩膜19，在lnGaN層16及 間隙層20上形成用于二維衍射光柵的開口。例如在干蝕刻裝置21中， 使用掩膜19蝕刻InGaN層16及間隙層20，形成成圖的InGaN層16a 及間隙層20a。 InGaN層16a及間隙層20a具有與掩膜19的二維衍射 光柵對(duì)應(yīng)的開口 16b的排列。各開口 16b的側(cè)面16c及主要由InGaN構(gòu)成。形成開口 16b。蝕刻后去除掩膜19，提供基板WIO?；錡IO 含有成圖的InGaN層16a及間隙層20a。在實(shí)施例中，開口 16b的深度 例如優(yōu)選為20nm以上，開口過(guò)淺時(shí)，光子晶體和活性層的光學(xué)性耦合 變小，無(wú)法獲得充分的反饋效果。在實(shí)施例中，當(dāng)間隙層20的厚度過(guò) 厚時(shí)，露出在開口側(cè)面的InGaN的面積減小，其效果降低。
將基板W10放置在生長(zhǎng)爐13中，使生長(zhǎng)爐13的溫度上升到生長(zhǎng) 溫度T(j。之后如圖9 (b)所示，在InGaN層16a及間隙層20a上形成 氮化鎵系半導(dǎo)體層23。氮化鎵系半導(dǎo)體層23例如是ii型GaN層。氮 化鎵系半導(dǎo)體層23以InGaN層20a的表面為基點(diǎn)橫向生長(zhǎng)，從而能夠 以不填埋開口地覆蓋開口、且關(guān)閉開口上部的方式進(jìn)行生長(zhǎng)。因此， 空孔25通過(guò)上述層和開口 16b的組合形成。并且，也可替代GaN層而 生長(zhǎng)AlGaN層。因此，氮化鎵系半導(dǎo)體層23表現(xiàn)為Alx2Ga^2N層。
在該方法中，基板W10放置到生長(zhǎng)爐13后，基板W10的溫度在 生長(zhǎng)爐內(nèi)向生長(zhǎng)溫度Te上升。在升溫過(guò)程中，成圖的半導(dǎo)體層16a、 20a的開口 16b受到影響，與InGaN層16a及間隙層20a的再生長(zhǎng)表面 相比，開口 16b中的AlX2Gai—X2N生長(zhǎng)及遷移受到抑制。因此，通過(guò) Alx2Ga^x2N的生長(zhǎng)，進(jìn)行InGaN層20a上的橫向生長(zhǎng)，從而能夠以不 填埋開口地覆蓋開口的方式形成空孔的頂，以此形成空孔25。這樣一 來(lái)，形成二維光子晶體的二維衍射光柵24。
從上述說(shuō)明可知，接著生長(zhǎng)活性層等。并且，在形成活性層后形 成光子晶體構(gòu)造的制造方法中，可采用利用追加的GaN層的方法。進(jìn) 一步，也可在開口 16b的底面上生長(zhǎng)電介質(zhì)層51a。
(實(shí)施例4)
制造出藍(lán)紫色二維光子晶體(n側(cè))激光器。在(0001)面n型 氮化鎵基板上生長(zhǎng)厚2^m的n型Al。.。3GaQ.97N及厚100nm的n型 Ino.o2Gao別N及厚10nm的n型GaN。將外延片從生長(zhǎng)爐取出，如下所示形成用于光子晶體的掩膜。使用抗蝕劑掩膜，通過(guò)蝕刻氣體Cl2部分
性地去除n型InGaN層及n型GaN層，形成具有和圖案對(duì)應(yīng)的凹部排 列的InGaN層及n型GaN層，制造出基板。接著，去除抗蝕劑掩膜后， 將該晶圓配置在襯托器上。使基板溫度上升到生長(zhǎng)溫度后，在攝氏1100 度的基板溫度及爐內(nèi)壓力30kPa下，提供TMG、NH3、 SiH4，生長(zhǎng)200nm 的n型GaN層，形成和InGaN層的凹部對(duì)應(yīng)的空孔的排列。進(jìn)一步， 進(jìn)行后續(xù)晶體生長(zhǎng)并形成電極，制造出基板生產(chǎn)物。切斷基板生產(chǎn)物 形成多個(gè)半導(dǎo)體裸片(die)，各半導(dǎo)體裸片是lmm見方的芯片，其含 有300/z m見方的光子晶體圖案。向該藍(lán)紫色二維光子晶體激光元件在 室溫下施加脈沖電流(頻率lkHz、脈寬500nsec)時(shí)，以振蕩波長(zhǎng)405nm 產(chǎn)生激光振蕩。在實(shí)施例1~3中也同樣可使用實(shí)施例4中使用的間隙 膜。
在本實(shí)施方式的衍射光柵的形成中，InGaN的生長(zhǎng)溫度和其他氮 化鎵系半導(dǎo)體、例如GaN、 AlGaN的生長(zhǎng)溫度相比較低，因此由于本 實(shí)施方式中使用的加工等，易留下?lián)p傷。通過(guò)蝕刻等加工，對(duì)開口的 側(cè)面及底面造成損傷。因此，在加工之后，InGaN的上表面的結(jié)晶品 質(zhì)與開口的側(cè)面及底面的結(jié)晶品質(zhì)不同?？衫眠@種不同提高晶體生 長(zhǎng)的選擇性。因此，在制造半導(dǎo)體激光器的方法中，形成用于光子晶 體構(gòu)造的空孔排列。
在GaN間隙層的采用及氫環(huán)境中的升溫中，最外表面由InGaN構(gòu) 成時(shí)，在氫環(huán)境下的升溫中，蝕刻效果變大，進(jìn)一步導(dǎo)入損傷。因此 不使用GaN間隙層時(shí)，整個(gè)面上導(dǎo)入損傷。與之相對(duì)，當(dāng)使用GaN間 隙層時(shí)，即使在氫環(huán)境中的升溫下，對(duì)GaN也基本不會(huì)導(dǎo)入損傷。因 此，可進(jìn)一步擴(kuò)大對(duì)側(cè)壁、底面的選擇性。
如上所述，在lnx,Ga,.^N層上形成開口和再生長(zhǎng)表面時(shí)，由于用 于形成開口的加工所造成的影響殘留在開口表面，因此表面遷移減小， 同時(shí)，開口內(nèi)的再生長(zhǎng)受到抑制。并且，如果使后續(xù)再生長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)在促進(jìn)橫向生長(zhǎng)的條件例如高溫、高速、低生長(zhǎng)壓力下進(jìn)行，則
IibaGaioaN再生長(zhǎng)表面上促進(jìn)了橫向生長(zhǎng)，形成與InxlGai_xlN層的開 口對(duì)應(yīng)的空孔。
在優(yōu)選實(shí)施方式中圖示并說(shuō)明了本發(fā)明的原理，本發(fā)明在不脫離 這種原理的情況下可變更配置及詳情，這一點(diǎn)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知。 本發(fā)明不限定于本實(shí)施方式中公開的特定的構(gòu)成。因此，要求保護(hù)源 自權(quán)利要求書及其主旨范圍的所有修正及變更的權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一種制造含有二維光子晶體的半導(dǎo)體激光器的方法，具有以下工序在氮化鎵系半導(dǎo)體區(qū)域上，通過(guò)生長(zhǎng)爐生長(zhǎng)InX1Ga1-X1N(0<X1<1)層的工序；將含有上述InX1Ga1-X1N層的基板生產(chǎn)物從上述生成爐取出后，將用于二維光子晶體的二維衍射光柵的多個(gè)開口形成在上述InX1Ga1-X1N層上，以形成成圖的InX1Ga1-X1N層的工序；將AlX2Ga1-X2N(0≤X2≤1)層形成在上述成圖的InX1XGa1-X1N層上以形成和上述開口對(duì)應(yīng)的空孔的工序。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，上述開口的側(cè)面及 底面由InGaN構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于， 還具有如下工序形成上述Inx,Ga,oaN層后，在將用于上述二維衍射光柵的多個(gè)開口形成在上述In^Ga"幻N層前，在上述InxlGai.xlN 層上形成GaN層，上述基板生產(chǎn)物包括上述GaN層，上述多個(gè)開口形成在上述InxlGai.xlN層及上述GaN層上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 還具有如下工序在形成上述Alx2G^—x2N層前，形成覆蓋上述開口的底面的電介質(zhì)層，上述基板生產(chǎn)物包括上述電介質(zhì)層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，上述電介質(zhì)層包括 硅氧化物、硅氮化氧化物、硅氮化物、鋯氧化物、鈦氧化物、鉿氧化 物中的至少任意一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還具有形成上述Alx2Gai.X2N層后形成活性層的工序。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還 具有在形成上述InxlGai.xlN層前形成活性層的工序。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，上 述InxlGai_xlN層的上表面與上述AlX2Gai.X2N層接觸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，上 述AlX2Gai-X2N層形成在上述InxlGai—xlN層上，以使上述Alx2Gai—X2N 層關(guān)閉上述開口并形成上述空孔。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至8的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 上述Inx,GaL幻N層通過(guò)上述AlX2Gai_X2N層不充滿上述開口地覆蓋上 述開口而形成上述空孔。
全文摘要
含有光子晶體構(gòu)造的半導(dǎo)體激光器的制造方法，上述光子晶體構(gòu)造具有空孔的排列，在該方法中，將基板(W2)設(shè)置在生長(zhǎng)爐(13)中，使載氣(氮)流動(dòng)的同時(shí)，將生長(zhǎng)爐(13)的溫度上升到生長(zhǎng)溫度T_G。在升溫過(guò)程中，形成了圖案的InGaN層(17a)的開口(17b)受到影響，開口(17b)中的Al_X2Ga_1-X2N生長(zhǎng)及遷移和Al_X2Ga_1-X2N的表面相比被抑制。將氮化鎵系半導(dǎo)體層(23)(例如GaN層)形成在InGaN層(17a)上。氮化鎵系半導(dǎo)體層(Al_X2Ga_1-X2N)(23)以形成和開口(17b)對(duì)應(yīng)的空孔(25)的方式生長(zhǎng)。由此形成二維光子晶體的二維衍射光柵(26)。
文檔編號(hào)H01S5/323GK101369714SQ200810210649
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月13日
發(fā)明者吉本晉, 松原秀樹 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社