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CN101558535A - 半导体激光装置 - Google Patents

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CN101558535A
CN101558535A CNA200880001109XA CN200880001109A CN101558535A CN 101558535 A CN101558535 A CN 101558535A CN A200880001109X A CNA200880001109X A CN A200880001109XA CN 200880001109 A CN200880001109 A CN 200880001109A CN 101558535 A CN101558535 A CN 101558535A
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CN
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area
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laser unit
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Application number
CNA200880001109XA
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English (en)
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川口真生
油利正昭
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

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)。

Description

半导体激光装置
技术领域
[0001]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
[0002]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。
[0003]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，端面劣化指的是生成激光的谐振器的光射出端面由于激光而劣化。
[0004]下面，对端面劣化进行说明。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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)。
[0008]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。其结果是，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-
[0009]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
[0010]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。
-用以解决技术问题的技术方案-
[0011]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(steppedregion)。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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Eg1的区域，该第二区域是活性层中禁带宽度为Eg2(Eg2≠Eg1)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。
[0015]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Eg1的区域，该第二区域是活性层中禁带宽度为Eg2(Eg2≠Eg1)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。
[0016]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。
[0017]优选在本发明的半导体激光装置中，第一区域的禁带宽度Eg1大于第二区域的禁带宽度Eg2。
[0018]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。
[0019]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组成比将大幅度降低。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系混晶的组成比、例如InGaN中的In组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。
[0020]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。
[0021]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组成比发生变化，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系激光装置。
[0022]优选在本发明的半导体激光装置中，在活性层的组成中含有铟(In)。
[0023]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组成比。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。
[0024]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仅形成在一侧的侧方区域中。
[0025]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，优选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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]此时，优选波导路形成在与台阶区域的边缘相距2μm以上且10μm以下的区域中。
[0029]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2μm以上且大约10μm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。
[0030]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-
[0031]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。
附图说明
[0032]图1(a)～图1(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1(a)是俯视图，图1(b)是图1(a)的Ib-Ib线的剖视结构图，图1(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激光装置中生长了活性层后的台阶区域及其附近的上表面的扫描电子显微镜(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。
-符号说明-
[0033]1   基板
1a        凹部(基板)
1b        突起部
2         凹部(叠层结构体)
3         n型包覆层
4         n侧光导层(optical guide layer)
5         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)
7         p侧光导层
8         载流子溢出(carrier overflow)抑制层
9         p型包覆层
10        p型接触层
12        绝缘膜
13        p侧电极
14        布线电极
15        衬垫电极(pad electrode)
16        n侧电极
20        突起部(叠层结构体)
具体实施方式
[0034](一实施方式)
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。
[0035]图1(a)～图1(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1(a)表示的是俯视结构，图1(b)表示的是图1(a)的Ib-Ib线的剖视结构，图1(c)表示的是右侧面(光射出端面)的结构。
[0036]如图1(a)至图1(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。
[0037]在图1(a)至图1(c)中，用c、a及m表示六方晶GaN系结晶的面方位。c表示面方位为(0001)面的法向矢量、即c轴；a表示面方位为(11-20)面及其等效的面的法向矢量、即a轴；m表示面方位为(1-100)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“-”简便地表示出紧接着该负号之后的一指数的反演(inversion)。
[0038]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。
[0039]首先，如图1(b)及图1(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(SiO2)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30μm×30μm的平面形状为方形的开口部。
[0040]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2μm的凹部1a。然后，使用氢氟酸(HF)除去第一掩模。
[0041]紧接着，用例如金属有机化学气相沉积(Metalorganic ChemicalVapor Deposition：MOCVD)法，在基板1的包含凹部1a的整个主面上，生长厚度为2μm的由n型Al0.03Ga0.97N形成的n型包覆层3，然后在n型包覆层3上生长厚度为0.1μm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In0.02Ga0.98N形成的缓冲层和由In0.06Ga0.94N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1a上方的区域的禁带宽度Eg2比凹部1a上方的附近区域的禁带宽度Eg1小，即Eg2＜Eg1。这样一来，根据本发明，如图1(b)及图1(c)的光射出端面所示，通过在由于凹部1a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。
[0042]随后，在MQW活性层5上，生长厚度为0.1μm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Al0.20Ga0.80N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0.48μm的具有应变超晶格结构的p型包覆层9和厚度为0.05μm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Al0.16Ga0.84N层和GaN层构成的叠层体重复叠层160个周期而成的。
[0043]在此，如图1(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1a的形态生长的，所以凹部2的宽度及深度有可能比凹部1a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1a的影响使MQW活性层5中的凹部1a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Eg1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。
[0044]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Eg1比其它区域的禁带宽度Eg2大50meV以上。而且，进一步优选区域5a的禁带宽度Eg1比其它区域的禁带宽度Eg2大100meV以上，更优选大150meV以上。不过，Eg1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(Eg1)”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，Eg1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，Eg1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。
[0045]还有，举例来说，基板1的a轴方向的宽度可以在大约200μm以上且大约400μm以下，设置在基板1中的凹部1a的m轴方向的一边的长度可以在大约5μm以上且大约200μm以下，或者还可以在大约50μm以上且大约200μm以下。还有，例如优选凹部1a的a轴方向的一边的长度在大约20μm以上且大约100μm以下，也可以在大约2μm以上且大约200μm以下或者在大约2μm以上且大约100μm以下。还有，例如优选凹部1a的深度在大约0.1μm以上且大约10μm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0.01μm以上且大约10μm以下。
[0046]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)法或化学束外廷(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材料可以使用三甲基镓(TMG)，作为In材料可以使用三甲基铟(TMI)，作为Al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)。
[0047]接着，用例如热CVD法，在p型接触层10上，沉积膜厚为0.3μm的由SiO2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1.5μm的条状且与m轴方向平行的图案。
[0048]然后，使用第二掩模通过ICP法蚀刻叠层结构体的上部达0.35μm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SiO2形成的绝缘膜(钝化膜)12。
[0049]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1.3μm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10从脊形条部的上表面露出。
[0050]然后，利用例如电子束(Electron Beam：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。
[0051]然后，如图1(b)所示，利用光刻法及剥离法，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500μm，且垂直于脊形条部的方向上的平面尺寸为150μm。在此，布线电极14由厚度依次为50nm、200nm及100nm的钛(Ti)/铂(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10上脱落下来。于是，如图1(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10μm左右，从而形成衬垫电极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。
[0052]然后，在形成了衬垫电极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100μm左右。其后，利用例如EB蒸镀法，在基板1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。
[0053]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600μm。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1a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1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200μm。
[0054]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1a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。
[0055]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 ElectronMicroscope：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(CathodeLuminescence：CL)光谱进行行扫描时所获得的CL峰值能量(左侧的纵轴)。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。
[0056]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30μm×30μm的台阶区域(凹部2)的中心为原点，所以在图中横轴的15μm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14μm，在图3(b)所示的m轴方向上该宽度大约为2μm。
[0057]还有，在a轴方向上，在距离台阶区域的边缘大约5μm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5μm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1μm以上且大约15μm以下、或者在大约2μm以上且大约10μm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。
[0058]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1a的各边与a轴及m轴平行，并且使凹部1a的深度为2μm。此外，根据凹部1a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1a的边缘的距离在2μm以上且14μm以下，但是根据凹部1a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1a的边缘在1μm以上且100μm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1a的边缘100μm的位置显示出最大的变化量时，如图4所示，在与图1(a)相比远离脊形条部的位置形成了凹部2。
[0059]还有，台阶区域(或者形成在基板1中的凹部1a)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1a)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1a)可以形成在距包含光射出端面的面的距离为大于0μm且在20μm以下、或者为大于0μm且在200μm以下的位置。
[0060]而且，本申请发明人利用X射线微量分析仪(Electron ProbeMicro-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组成比进行调查的结果是，得知在CL峰值能量大的区域，In的组成比低，而在CL峰值能量小的区域，In的组成比高。由于In组成比越高，InGaN的发光峰值能量就变得越小，所以可以认为In的组成变化是引起台阶区域附近的CL峰值能量变化的原因。
[0061]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的组成比降低，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组成比下降，使CL峰值能量增大。
[0062]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缩小，而导致CL峰值能量增大。
[0063]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。
[0064]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，因而采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。
[0065]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1a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1中的凹部1a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。
[0066]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的附近形成有光吸收波长较短的区域的示例进行了说明，但是由于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。
[0067]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。
[0068]还有，在本实施方式中，虽然通过在基板1的主面设置凹部1a，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1a，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。
[0069]还有，在本实施方式中，虽然将激光结构的谐振器长度(cavitylength)设为600μm，但并不限于此，可以将其设定在200μm以上且20000μm(＝20mm)以下。而且，谐振器长度还可以在400μm以上且1000μm(＝1mm)以下。
[0070]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Al2O3)或氧化锌(ZnO)等。
[0071]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。
[0072](一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。
[0073]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，从而省略对它们的说明。
[0074]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。
[0075]此外，形成图7所示的凹部的方法与制作图1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。
[0076](一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。
[0077]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1相同的构成要素标注与图1相同的符号，从而省略对它们的说明。
[0078]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1b，并以该突起部1b来取代凹部1a。在此，突起部1b的相邻的两条边与a轴和m轴平行，其平面形状是长度为30μm×30μm的方形，并且该突起部1b的高度为2μm。
[0079]这样一来，在外延生长在包含突起部1b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。
[0080]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。
[0081]下面，对在基板1形成突起部1b的形成方法的一个示例进行说明。
[0082]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SiO2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30μm×30μm的方形的图案。
[0083]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2μm的突起部1b。接着，使用氢氟酸将掩模除去。
[0084]随后，再利用MOCVD法等，在形成了突起部1b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。
[0085]此外，在本变形例中，通过在基板1的主面设置突起部1b，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1b，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。
[0086]还有，台阶区域(或者形成在基板1上的突起部1b)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1b)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1b)可以形成在距包含光射出端面的面的距离为大于0μm且在20μm以下、或者为大于0μm且在200μm以下的位置。
[0087](一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。
[0088]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线的剖视结构，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，从而省略对它们的说明。
[0089]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1b沿着a轴方向延伸到激光装置的端部。通过采用本结构，能够增大突起部1b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。
[0090]此外，形成图9所示的突起部1b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1b的形成方法进行说明。
[0091]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1a或突起部1b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。
[0092]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。
[0093]此外，在本发明所涉及的一实施方式及各个变形例中，设置在基板1的凹部1a及突起部1b的m轴方向的一边的长度可以例如在大约5μm以上且大约200μm以下，或者可以在大约50μm以上且大约200μm以下。还有，凹部1a及突起部1b的a轴方向的一边的长度可以例如在大约20μm以上且大约100μm以下，或者在大约2μm以上且大约200μm以下、又或者在大约2μm以上且大约100μm以下。
[0094]还有，凹部1a的深度或突起部1b的高度可以例如在大约0.1μm以上且大约10μm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0.01μm以上且大约5μm以下。
[0095]还有，可以在a轴方向上距台阶区域的距离在大约1μm以上且大约15μm以下、或者在大约2μm以上且大约10μm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。
-产业实用性-
[0096]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。

Claims (10)

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Eg1大于所述第二区域的禁带宽度Eg2。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光装置，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：
在所述活性层的组成中含有铟。
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仅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2μm以上且10μm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述突起部相同的一侧。
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