專利名稱：激光二極管以及制造激光二極管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及一種激光二極管及其制造方法，更具體地，本公開涉及一種六方晶系III族氮化物激光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
激光二極管目前用于各種領(lǐng)域中，具體地，在圖像顯示單元(例如，電視機(jī)以及投影儀)領(lǐng)域內(nèi)激光二極管是必不可少的光學(xué)裝置。在激光二極管在該領(lǐng)域的應(yīng)用中，發(fā)出各個(gè)光的原色，即，紅色、綠色和藍(lán)色的光的激光二極管是必需的。實(shí)際上已經(jīng)使用了紅色和藍(lán)色激光二極管，并且近年來已經(jīng)積極地開發(fā)了綠色激光二極管(波長為大約為500nm至560nm,包括500nm和560nm)(例如，參照Takashi Kyono等人于2010年I月發(fā)表的“Development I of world’ s first green laser diode on novel GaNsubstrate”，SEITechnical Review,第 176 卷，第 88-92 頁，以及 MasahiroAdachi 等人于 2010 年 I 月發(fā)表的“Development II of world’ s first green laserdiode on novel GaN substrate”，SEI Technical Review 第 176 卷,第 93-96 頁)。在Takashi Kyono 等人于 2010 年 I 月發(fā)表的“Development I of world，sfirstgreen laser diode on novel GaN substrate”,SEI Technical Review,第 176卷,第88-92頁，以及Masahiro Adachi 等人于 2010 年 I 月發(fā)表的“Development II of world’s firstgreen laser diode on novel GaN substrate，，，SEI Technical Review第 176卷,第 93-96頁中，提出了一種六方晶系III族氮化物激光二極管，其中，在η型GaN基板的{2，O, -2，1}半極性面上，依次形成η型覆蓋層、包括由InGaN制成的有源層的發(fā)光層以及ρ型覆蓋層。在通過在這樣的半導(dǎo)體基板的半極性面上層壓(外延生長)各種激光元件薄膜而制造的激光二極管中，其垂直于激光的傳播方向(波導(dǎo)方向)的面被用作反射面(后文中稱為“諧振器端面”)。要注意的是，在該說明書中，六方晶系晶體的面取向(plane orientation)由{h，k, I, m}表示，其中，h、k、I和m為面指數(shù)(密勒指數(shù))。此外，已經(jīng)研究了使用具有半極性面的半導(dǎo)體基板(后文中稱為“半極性基板”)的激光二極管，激光的傳播方向的優(yōu)化(例如，參照日本未審查專利申請(qǐng)公開(PCT申請(qǐng)的公開的日文譯本)第2010-518626號(hào))。日本未審查專利申請(qǐng)公開第2010-518626號(hào)公開了一種技術(shù)，使得在半極性III族氮化物激光二極管中光傳播軸與光偏振方向或晶體取向大致垂直。更具體地，在日本未審查專利申請(qǐng)公開第2010-518626號(hào)中，光傳播軸的方向大致沿著半極性III族氮化物激光二極管的“ c ”軸，以將光增益最大化。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，已經(jīng)研究了使用半極性基板的激光二極管內(nèi)激光的適當(dāng)傳播方向。然而，在該技術(shù)領(lǐng)域中，期望開發(fā)出一種進(jìn)一步優(yōu)化使用半極性基板的激光二極管內(nèi)激光的傳播方向以進(jìn)一步提高激光特性的方法。期望提供一種借助于使用半極性基板通過優(yōu)化激光的傳播方向而獲得優(yōu)良的激光特性的激光二極管，以及制造該激光二極管的方法。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種激光二極管，包括:半導(dǎo)體基底，由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體制成并且具有沿{2，0，2，1}方向定向的半極性面；外延層，包括形成激光的光波導(dǎo)的發(fā)光層，并且形成在半導(dǎo)體基底的半極性面上，所述外延層使得激光的傳播方向在光波導(dǎo)面內(nèi)相對(duì)于c軸在光波導(dǎo)面上的投影方向以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或者大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜，所述光波導(dǎo)面包括激光的傳播方向并且與半極性面平行；兩個(gè)諧振器端面，設(shè)置在所述激光的光波導(dǎo)的兩端；第一電極，形成在所述外延層上；以及第二電極，形成在與半導(dǎo)體基底的外延層所形成在的半極性面相對(duì)的面上。如這里所使用的，措辭“沿{2，O, -2，1}方向定向的半極性面”不僅包括“精確地沿{2, O, -2, 1}方向定向的半極性面”，而且包括“沿從{2, O, -2, 1}方向略微傾斜的方向定向的半極性面”。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種制造激光二極管的方法，所述方法包括:在沿由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體基底的{2，0，-2，1}方向定向的半極性面上形成外延層，所述外延層包括形成激光的光波導(dǎo)的發(fā)光層，并且使得激光的傳播方向在光波導(dǎo)面內(nèi)相對(duì)于c軸投影方向以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或者大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜，所述光波導(dǎo)面包括激光的傳播方向并且與半極性面平行；在所述外延層和與半導(dǎo)體基底的半極性面相對(duì)的面上分別形成第一電極和第二電極；以及在所述激光的光波導(dǎo)的兩端形成兩個(gè)諧振器端面。如上所述，根據(jù)本公開的實(shí)施方式的激光二極管為使用由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體制成的并具有沿{2，0，-2，1}方向定向的半極性面的半導(dǎo)體基底的激光二極管。此夕卜，在本公開的實(shí)施方式中，在包括激光的傳播方向并平行于半極性面的光波導(dǎo)面中的激光的傳播方向以這樣的方向被確定，即，所述方向相對(duì)于c軸在光波導(dǎo)面上的投影方向以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或者大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜。在本公開的實(shí)施方式中，激光的傳播方向以上述方向被確定，從而能夠提高激光的傳播方向和諧振器端面之間的正交性，并且進(jìn)一步提高激光特性。要理解的是，上述整體描述和以下詳細(xì)描述是示例性的，并且意在提供所要求的技術(shù)的進(jìn)一步的說明。


本申請(qǐng)的附圖提供了對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步理解，這些附圖被結(jié)合在說明書內(nèi)并且構(gòu)成該說明書的一部分。這些圖示出了實(shí)施方式，并且與說明書一起，用于說明技術(shù)原理。圖1為根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式的激光二極管的示意性透視圖；圖2A和圖2B為示出GaN的晶體結(jié)構(gòu)的示圖；圖3為示出GaN的晶體結(jié)構(gòu)中的半極性面的一個(gè)實(shí)例的示圖；圖4為根據(jù)本公開的實(shí)施方式的激光二極管的示意性截面圖；圖5為示出了根據(jù)本公開的實(shí)施方式的制造激光二極管的方法的步驟的流程圖；圖6為示出從諧振器端面的理想面的傾斜角度(偏移量)和激光閾值電流Ith之間的關(guān)系的示圖7為激光二極管的數(shù)值分析模型的示意性配置圖；圖8為示出數(shù)值分析結(jié)果的表格；圖9為示出數(shù)值分析結(jié)果的表格；圖10為示出了在帶狀部形成的面內(nèi)從帶狀部(stripe section)相對(duì)于諧振器端面的延伸方向的理想值的傾斜角度(水平偏移量)和激光閾值電流Ith之間的關(guān)系的示圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖，按照以下順序，詳細(xì)地描述本公開的優(yōu)選實(shí)施方式。要注意的是，本公開并不限于以下實(shí)例。1.激光二極管的配置2.制造激光二極管的方法3.帶狀部的配置(1.激光二極管的配置)[激光二極管的整體配置]圖1示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式的激光二極管的示意性概圖。要注意的是，在圖1中所示的實(shí)例中，示出了脊?fàn)?折射率引導(dǎo)的)激光二極管100 ;然而，本公開不限于此。例如，本公開的以下將被描述的技術(shù)可適用于增益引導(dǎo)的激光二極管。激光二極管100包括半導(dǎo)體基底1、外延層2、絕緣層3、第一電極4以及第二電極5。在根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100中，半導(dǎo)體基底I的一個(gè)表面Ia (圖1中的頂面)用作半極性面，并且外延層2、絕緣層3以及第一電極4依次形成在半極性面Ia上。此外，第二電極5形成在與半導(dǎo)體基底I的半極性面Ia相對(duì)的表面Ib (圖1中的底面；后文中稱為“背面lb”)上。要注意的是，在{2，0，-2，1}方向附近定向的半極性面被用作半導(dǎo)體基底I的半極性面Ia的情況下，例如，能夠振動(dòng)波長大約為500nm的綠光。此外，如圖1中所示，激光二極管100大致為長方體形狀，并且具有沿預(yù)定的方向(在圖1中的Y方向)延伸的脊?fàn)钆渲玫膸畈?01形成在面向激光100的第一電極4的表面上。帶狀部101被形成為從激光二極管100的一個(gè)側(cè)面102 (后文中會(huì)進(jìn)行描述)延伸到該激光二極管的另一個(gè)側(cè)面103。帶狀部101的延伸方向用作激光的傳播方向(波導(dǎo)方向)，并且外延層2的對(duì)應(yīng)于帶狀部101的區(qū)域被用作光波導(dǎo)。在該實(shí)施方式中，激光的傳播方向被確定為在包括激光的傳播方向并且與半極性面平行光波導(dǎo)面內(nèi)相對(duì)于“c”軸在光波導(dǎo)面上的投影方向以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或者大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜。更具體地，確定帶狀部101的延伸方向在其上形成有帶狀部101的面上相對(duì)于c軸在其上形成有帶狀部101的面上的投影方向(后文中稱為“c軸投影方向”)以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或者大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜。要注意的是，后文中會(huì)詳細(xì)地描述為何帶狀部101的延伸方向相對(duì)于c軸投影方向以上述角度范圍內(nèi)的角度傾斜。要注意的是，帶狀部101的寬度為幾微米或以下，并且?guī)畈?01的延伸長度(諧振器長度)大約為幾百微米。此外，激光二極管100具有四個(gè)側(cè)面(面)，四個(gè)側(cè)面的大致垂直于帶狀部101的延伸方向(圖1的Y方向)的兩個(gè)側(cè)面102和103用作激光諧振器的反射面。換言之，兩個(gè)側(cè)面102和103為諧振器端面(resonatorfacet),激光諧振器由具有兩個(gè)諧振器端面102和103以及與外延層2的帶狀部101對(duì)應(yīng)的光波導(dǎo)區(qū)域構(gòu)成。要注意的是，如后文中所描述的，由于通過切割其中多個(gè)激光二極管100被二維地形成并被設(shè)置在芯片中的基板元件(后文中稱為“生產(chǎn)基板”)來制造激光二極管100，所以這四個(gè)側(cè)面為切割生產(chǎn)基板的過程中形成的切割面。要注意的是，在根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100中，諸如Si02/Ti02膜的介電多層膜可以形成在這兩個(gè)諧振器端面102和103 (面涂覆)中的一個(gè)或兩個(gè)上。通過執(zhí)行面涂覆，可調(diào)節(jié)諧振器端面的反射率。[各個(gè)元件的配置]下面更詳細(xì)地描述根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100的各個(gè)元件的配置。(I)半導(dǎo)體基底半導(dǎo)體基底I例如由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體，諸如GaN、AIN、AlGaN, InGaN或InAlGaN制成。此外，作為半導(dǎo)體基板1，可以使用載流子的導(dǎo)電性為η型的基板。在該實(shí)施方式中，如上所述，外延層2、絕緣層3以及第一電極4由半導(dǎo)體基底I形成的一個(gè)表面構(gòu)成半極性面la。圖2A、圖2B和圖3示出了 GaN的晶體結(jié)構(gòu)。如圖2A和圖2B中所示，GaN具有被稱為“六方晶系晶體”的晶體結(jié)構(gòu)，并且在發(fā)光層中生成的壓電場(隨后將在外延層2中描述)沿c軸生成；因此，與c軸垂直的c面201 ({0,0,0,11面)具有極性，并且被稱為“極性面”。另一方面，由于與m軸垂直的m面202 ({1,0,-1,0}面)與c軸平行，所以m面202是非極性的，并且稱為“非極性面”。相反，沿作為法線方向的軸方向相對(duì)于c軸朝著m軸以預(yù)定的角度傾斜的面，例如，圖3中所述的實(shí)例中沿作為法線方向的軸方向相對(duì)于c軸朝著m軸以75°的角度傾斜的面({2，0，_2，1}面)為c面和m面之間的中間面，并被稱為“半極性面”。要注意的是，在該實(shí)施方式中，將在{2，0，_2，1}方向周圍的面用作半極性面la。更具體地，將{2，0,-2，1}晶面和相對(duì)于該晶面略微傾斜(例如，傾斜大約±4° )的晶面用作半極性面la。如下所述，在使用沿這樣的方向定向的半極性面Ia并且?guī)畈?01的延伸方向相對(duì)c軸投影方向以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜的情況下，能夠形成具有良好的正交性的諧振器端面102和103。此外，例如，半導(dǎo)體基底I的厚度可被確定為大約400 μ m或以下。在這個(gè)厚度范圍內(nèi)，在切割由激光二極管構(gòu)成的生產(chǎn)基板(productionsubstrate)的過程中，可獲得具有高質(zhì)量(良好的平坦度和良好的正交性)的諧振器端面102和103 (切割面)。尤其是，黨半導(dǎo)體基底I的厚度范圍在大約50 μ m至100 μ m (包括50 μ m和100 μ m)時(shí)，能夠形成質(zhì)量更高的諧振器端面102和103。(2)外延層、絕緣層、第一電極以及第二電極接下來，將參照?qǐng)D4中描述根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100的外延層2、絕緣層
3、第一電極4以及第二電極5的配置。圖4為激光二極管100的厚度方向(圖中的Z方向)的示意性截面圖。要注意的是，圖4示出了與帶狀部101的延伸方向(圖中的Y方向)垂直的截面。在該實(shí)施方式中，外延層2包括緩沖層11、第一覆蓋層12、第一導(dǎo)光層(firstlight guide layer) 13、發(fā)光層14 (有源層)、第二導(dǎo)光層15、載流子塊層(carrier blocklayer) 16、第二覆蓋層17以及接觸層18。緩沖層11、第一覆蓋層12、第一導(dǎo)光層13、發(fā)光層14、第二導(dǎo)光層15、載流子塊層16、第二覆蓋層17以及接觸層18依次層壓在半導(dǎo)體基底
I的半極性面Ia上。要注意的是，在本文中會(huì)描述了半導(dǎo)體基底I由η型GaN半極性基板構(gòu)成的實(shí)例。緩沖層11例如可由氮化鎵基半導(dǎo)體層(諸如，η型GaN層)構(gòu)成。第一覆蓋層12例如可由氮化鎵基半導(dǎo)體層(諸如，η型AlGaN層或η型InAlGaN層)構(gòu)成。此外,第一導(dǎo)光層13例如可由氮化鎵基半導(dǎo)體層(諸如，η型GaN層或η型InGaN層)構(gòu)成。發(fā)光層14例如由阱層(未示出)和阻擋層(未示出)構(gòu)成，所述阱層由諸如InGaN或InAlGaN的氮化鎵基半導(dǎo)體層制成，所述阻擋層由諸如GaN、InGaN或InAlGaN的氮化鎵基半導(dǎo)體層制成。在該實(shí)施方式中，發(fā)光層14例如可具有多量子阱結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，多個(gè)阱層和多個(gè)阻擋層交替層壓。要注意的是，發(fā)光層14用作外延層2的發(fā)光區(qū)域，并且例如發(fā)射波長在大約480nm至550nm (包括480nm和550nm)范圍內(nèi)的光。第二導(dǎo)光層15可由其載流子的導(dǎo)電性為ρ型的氮化鎵基半導(dǎo)體層(例如，諸如P型GaN層或ρ型InGaN層的氮化鎵基半導(dǎo)體層)構(gòu)成。載流子塊層16 (電子塊層)例如可由P型AlGaN層構(gòu)成。第二覆蓋層17可由諸如ρ型AlGaN層或ρ型InAlGaN層的氮化鎵基半導(dǎo)體層構(gòu)成。要注意的是，根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100為脊?fàn)罴す舛O管；因此，通過蝕刻等刻蝕第二覆蓋層17的面向第一電極4的表面的與帶狀部101對(duì)應(yīng)的區(qū)域之外的區(qū)域。因此，在第二覆蓋層17的面向第一電極4的表面的對(duì)應(yīng)于帶狀部101的區(qū)域中形成了脊?fàn)畈?7a。要注意的是，與帶狀部101 —樣，脊?fàn)畈?7a被形成為沿與每個(gè)諧振器端面大致垂直的方向延伸，并且被形成為從一個(gè)諧振器端面102延伸到另一個(gè)諧振器端面103。接觸層18例如可由ρ型GaN層構(gòu)成。此外，接觸層18形成在第二覆蓋層17的脊?fàn)畈?7a上。絕緣層3例如由諸如SiO2膜的絕緣膜配置。如圖4中所示，絕緣層3形成在第二覆蓋層17的脊?fàn)畈?7a之外的區(qū)域以及脊?fàn)畈?7a和接觸層18的側(cè)面上。第一電極4 (ρ側(cè)電極河由諸如Pd薄膜的導(dǎo)電膜構(gòu)成。此外，第一電極4形成在接觸層18以及絕緣層3的面向接觸層18的面上。要注意的是，在根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100中，用于焊盤電極的電極膜可被設(shè)置為覆蓋絕緣層3和第一電極4。第二電極5 (η側(cè)電極)例如可由諸如Al膜的導(dǎo)電膜構(gòu)成。此外，第二電極5形成在半導(dǎo)體基底I的背面Ib上。(2.制造激光二極管的方法)接下來，將參照?qǐng)D5中詳細(xì)描述根據(jù)實(shí)施方式的制造激光二極管100的方法。圖5為示出了制造激光二極管100的方法的步驟的流程圖。此外，在該實(shí)施方式中，將描述介電多層膜形成在激光二極管100的每個(gè)諧振器端面(面涂覆)上的實(shí)例。首先，制備由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體制成的半極性基板，在該基板上，二維地形成并且設(shè)置多個(gè)激光二極管100 (步驟S10)。然后，對(duì)所制備的半極性基板執(zhí)行熱清洗。接下來，例如通過OMVPE (有機(jī)金屬氣相外延)方法，在半極性基板的半極性面上，按照預(yù)定的順序，外延生長各個(gè)半導(dǎo)體薄膜，以形成構(gòu)成外延層2的半導(dǎo)體薄膜(步驟S20)。更具體地，在半極性面上依次外延生長構(gòu)成緩沖層11、第一覆蓋層12、第一導(dǎo)光層
13、發(fā)光層14、第二導(dǎo)光層15、載流子塊層16、第二覆蓋層17以及接觸層18的各個(gè)半導(dǎo)體薄膜。接下來，在半導(dǎo)體薄膜由半極性基板配置的表面上，形成每個(gè)激光二極管100的帶狀部101 (步驟S30)。此時(shí)，每個(gè)激光二極管100的帶狀部101形成在設(shè)置了半導(dǎo)體薄膜的表面上，從而允許每個(gè)激光二極管100的帶狀部101的延伸方向相對(duì)于C軸投影方向，以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜。更具體而言，如下形成帶狀部101。首先，在帶狀部101由表面區(qū)域形成的區(qū)域上形成掩模，在該表面區(qū)域內(nèi)，配置接觸層的半導(dǎo)體薄膜由半極性基板設(shè)置。此時(shí)，掩模被形成為使得在要形成掩模的面內(nèi)，允許掩模的延伸方向相對(duì)于c軸投影方向，以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜。然后，蝕刻形成掩模的區(qū)域以外的區(qū)域，以在每個(gè)激光二極管100的面向接觸層18的表面上形成脊?fàn)畈?步驟S31)。要注意的是，此時(shí)，將要形成帶狀部101的區(qū)域之外的區(qū)域從接觸層18的表面切割至第二覆蓋層17的預(yù)定深度，以在要形成帶狀部101的區(qū)域內(nèi)形成脊?fàn)畈?。因此，通過該處理，形成了在每個(gè)激光二極管100的面向接觸層18的表面的面內(nèi)相對(duì)于c軸投影方向以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的預(yù)定角度傾斜的方向上延伸的脊?fàn)畈俊４送?，此時(shí)，這樣連續(xù)地形成該脊?fàn)畈?，以跨過將形成在帶狀部101的延伸方向上彼此相鄰的兩個(gè)激光二極管100的區(qū)域之間的邊界。接下來，在去除脊?fàn)畈可系难谀Ｖ?，使用例如蒸發(fā)法或?yàn)R射法，在半極性基板的脊?fàn)畈總?cè)面的表面上形成構(gòu)成絕緣層3的絕緣膜(步驟S32)。要注意的是，可以在形成絕緣膜之后去除脊?fàn)畈可系难谀?。此外，在掩模例如由金屬等形成時(shí)，掩?？捎米鞯谝浑姌O4的一部分，因此，可以不去除掩模。接下來，在以上述方式通過在半極性基板上形成各種半導(dǎo)體薄膜和絕緣膜而制造的基板元件上，形成構(gòu)成第一電極4和第二電極5的電極薄膜(步驟S33)。更具體地，由以下方式形成構(gòu)成第一電極4的電極薄膜(第一電極薄膜)。首先，使用光刻法去除每個(gè)脊?fàn)畈可系慕^緣膜，以暴露接觸層18的表面。接下來，例如使用蒸發(fā)法或?yàn)R射法，在每個(gè)暴露的接觸層18上形成構(gòu)成第一電極4的電極薄膜。另一方面，由以下方式形成構(gòu)成第二電極5的電極薄膜(第二的電極薄膜)。首先，將半極性基板的背面拋光，以允許半極性基板具有所期望的厚度。接下來，例如使用蒸鍍法或?yàn)R射法，在半極性基板的整個(gè)背面上形成構(gòu)成第二電極5的電極薄膜。在該實(shí)施方式中，通過以上步驟S31到S33，形成帶狀部101，該帶狀部沿著在每個(gè)激光二極管100的面向接觸層18的表面的面內(nèi)相對(duì)于C軸投影方向，以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜的方向上延伸。此外，在該實(shí)施方式中，通過以上步驟SlO到S30 (步驟S31到S33)形成了經(jīng)過二維形成和設(shè)置多個(gè)激光二極管100而制造的生產(chǎn)基板。接下來，將描述從步驟S40開始的處理，即，將生產(chǎn)基板切割成激光二極管100的處理(切割處理)。要注意的是，在將生產(chǎn)基板切割成激光二極管100的處理中，可使用與相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)相似的技術(shù)，以下將描述使用激光劃片單元(laser scribing unit)(未不出)的技術(shù)。首先，形成每個(gè)激光二極管100的諧振器端面(步驟S40)。更具體地，將生產(chǎn)基板置于激光劃片單元上，并且通過將激光束沿著二維地設(shè)置在生產(chǎn)基板內(nèi)的多個(gè)激光二極管100的諧振器端面施加至劃片線的一部分來形成劃片凹槽(步驟S41)。此時(shí)，劃片凹槽形成在生產(chǎn)基板的邊緣區(qū)域的劃片線上并且沿著該劃片線。接下來，將稱作“刀片”的斷裂單元(breaking unit)(未示出)按壓在生產(chǎn)基板的背面的面向形成了劃片凹槽的區(qū)域上，以沿著劃片線切割(劈開)生產(chǎn)基板(步驟S42)。然后，沿著激光二極管100的諧振器端面，對(duì)每個(gè)劃片線重復(fù)地進(jìn)行該切割處理，以將生產(chǎn)基板切割成多個(gè)基板元件。要注意的是，在該實(shí)施方式中描述了通過切割(劈開)處理形成諧振器端面的實(shí)例；然而，本公開不限于此，并且可通過例如干法蝕刻等，形成諧振器端面。要注意的是，在該實(shí)施方式中，如上所述，每個(gè)激光二極管100的帶狀部101的延伸方向等于以下方向:該方向相對(duì)于c軸投影方向，以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的預(yù)定角度傾斜。在這種情況下，如將在后文中所描述的，允許可能被暴露至在上述步驟S40中形成諧振器端面的面與形成有帶狀部101的面(半極性面Ia)之間的角度更接近理想值(90° )。更具體地，例如，可能被暴露至諧振器端面的晶面與形成有帶狀部101的面(半極性面Ia)之間的角度和理想值(90° )之間的差值例如能夠?yàn)榇蠹s3°或以下；因此，進(jìn)一步提高了這兩個(gè)角度之間的正交性。接下來，在上述步驟S40中分離的每個(gè)基板元件的切割面(諧振器端面)上形成介電多層膜(步驟S50)。然后，沿劃片線(該劃片線與沿著每個(gè)基板元件的激光二極管100的諧振器端面的劃片線垂直)的延伸方向?qū)⒚總€(gè)基板元件切割分割為多個(gè)芯片，即，激光二極管(步驟S60)。在該實(shí)施方式中，以上述方式制造激光二極管100。(3.帶狀部的配置)接下來，將詳細(xì)描述根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100中的帶狀部101的配置。在根據(jù)該實(shí)施方式的激光二極管100中，如上所述，帶狀部101的延伸方向被確定在形成帶狀部101的面內(nèi)相對(duì)于C軸投影方向以在大約8°至大約12° (包括8°和12° )或大約18°至大約29° (包括18°和29° )的范圍內(nèi)的角度傾斜的方向。因此，可提高激光的傳播方向(帶狀部101的延伸方向)和諧振器端面之間的正交性，并且可獲得有利的激光特性，下面描述其中的一個(gè)原因。( I)諧振器端面的傾斜角的合適范圍在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的激光二極管內(nèi)，諧振器端面被形成為與激光的波導(dǎo)(帶狀部)垂直。此外，在諧振器端面上形成例如由電介質(zhì)制成的多層膜(介電多層膜)，以提高各種激光特性，例如包括激光閾值電流Ith。更具體地，在諧振器端面上形成介電多層膜時(shí)，與在諧振器端面(未涂覆)上未形成介電多層膜的情況相比，進(jìn)一步提高了該諧振器端面的反射率，并且相應(yīng)地提高包括例如激光閾值電流Ith的各種激光特性。
此時(shí)，為了提高激光特性，具體地，與未涂覆諧振器端面的情況相比，用作不提取激光的諧振器端面的背面的反射率通常更高。要注意的是，盡管正面的反射率取決于包括例如激光諧振器長度和所使用的半導(dǎo)體的結(jié)晶度的各種條件，但是就激光特性和設(shè)計(jì)靈活性而言，也可以將用作提取激光的諧振器端面的正面的反射率設(shè)置為高。換言之，實(shí)際上，在激光二極管內(nèi)，可以將反射率比未涂覆的諧振器端面更高的諧振器端面形成為與未涂覆的諧振器端面相比，允許更多的光返回到激光諧振器的內(nèi)部。使用理論計(jì)算，將更定量地描述諧振器端面的上述定性的配置條件。未涂覆的諧振器端面的反射率R由R= (nd) V(Vn1)2確定，其中，Iitl為介質(zhì)(通常為空氣)的折射率，而H1為半導(dǎo)體的折射率。要注意的是，上述表達(dá)式所表示的折射率R為激光進(jìn)入與其垂直的諧振器端面內(nèi)時(shí)的反射率。例如，根據(jù)半導(dǎo)體組分或所期望的光的波長，InAlGaN基氮化物半導(dǎo)體的折射率落在大約2到3 (包括2和3)的范圍內(nèi)；因此，在使用這樣的四元半導(dǎo)體的激光二極管內(nèi)，未涂覆的諧振器端面的折射率R落在大約10%到25% (包括10%和25%)的范圍內(nèi)。因此，在InAlGaN基氮化物激光二極管內(nèi)，需要將諧振器端面上入射的10%或以上的光返回到激光諧振器的內(nèi)部。而且，在InAlGaN基氮化物激光二極管內(nèi)，優(yōu)選地將諧振器端面上入射的大約25%的光返回到激光二極管中，并且優(yōu)選地將大于大約25%的光返回到激光諧振器中。然而，當(dāng)諧振器端面和帶狀部的延伸方向(激光的傳播方向)之間喪失正交性時(shí)，諧振器端面的光反射方向與激光的傳播方向不一致；因此，難以滿足諧振器端面內(nèi)的上述條件(返回光的百分比)。因此，當(dāng)本公開的發(fā)明人通過理論計(jì)算，驗(yàn)證諧振器端面和帶狀部的延伸方向(激光的傳播方向)之間的正交性偏差和返回到激光諧振器的光的百分比之間的關(guān)系時(shí)，獲得以下研究結(jié)果。要注意的是，基于例如具有折射率H1為2.5的半導(dǎo)體且在垂直方向(半導(dǎo)體基底的厚度方向)上的20°的發(fā)射角的典型氮化物激光二極管進(jìn)行這種驗(yàn)證。此外，基于假設(shè)從激光二極管中發(fā)射的光強(qiáng)度分布和激光二極管內(nèi)的光強(qiáng)度分布為高斯分布，并且這些光強(qiáng)度分布的傳播與折射率比成反比，來進(jìn)行這種驗(yàn)證。此外，在該驗(yàn)證中，當(dāng)諧振器端面和形成有帶狀部的面之間的角度為90° (理想值)時(shí)，諧振器端面的折射率為100%。結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)的是，當(dāng)諧振器端面和形成有帶狀部的面之間的角度相對(duì)于90°傾斜大約3°時(shí)，返回到諧振器內(nèi)部的光的百分比降低至大約25%。此外，可以發(fā)現(xiàn)的是，當(dāng)諧振器端面和形成有帶狀部的面之間的角度相對(duì)于90°傾斜大約6°時(shí)，返回到激光諧振器內(nèi)部的光的百分比降低至大約10%。從以上驗(yàn)證結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)的是，當(dāng)從諧振器端面和形成有帶狀部的面之間的角度的理想值的偏移量(傾斜角)為大約6°或以下，并且更優(yōu)選地為3°或以下時(shí)，滿足諧振器端面的上述定性的配置條件。換言之，可以發(fā)現(xiàn)的是，諧振器端面和形成有帶狀部的面之間的角度的理想值優(yōu)選地為90° ;然而，即使該角度偏離理想值，只要理想值的偏移量為大約6°或以下，并且更優(yōu)選地為3°或以下，就可獲得足夠優(yōu)良的激光特性。要注意的是，當(dāng)諧振器端面和形成有帶狀部的面之間的角度為90° (理想值)時(shí)的諧振器端面在下文中被“理想的面”。在使用具有{2，O, -2，1}面的半極性基板制造的InAlGaN基氮化物激光二極管內(nèi)，最終確定了從諧振器端面的理想面的傾斜角(偏移量)和激光閾值電流Ith之間的關(guān)系。要注意的是，在本文中所制造的InAlGaN基氮化物激光二極管內(nèi)，在正面和背面的每一個(gè)上形成介電多層膜，將正面的折射率調(diào)節(jié)為55%，并且將背面的折射率調(diào)節(jié)為95%。圖6示出了測量結(jié)果。要注意的是，圖6中所示的特性的水平軸表示從諧振器端面相對(duì)于形成有帶狀部的面的角度的理想值(90° )的傾斜角(偏移量)即，相對(duì)于諧振器端面的理想面的傾斜角，而垂直軸表示激光閾值電流Ith。如圖6中所示，隨著諧振器端面的傾斜角的增大，激光閾值電流Ith增大；然而，當(dāng)傾斜角接近3°時(shí),激光閾值電流Ith增大，而當(dāng)傾斜角超過3°時(shí)，激光閾值電流Ith進(jìn)一步增大。從該測量結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，如在上述通過理論計(jì)算的上述驗(yàn)證結(jié)果，相對(duì)于諧振器端面的理想面的傾斜角更優(yōu)選地為大約3°或以下，以便獲得優(yōu)良的激光特性。(2)帶狀部的合適的延伸方向接下來，下面將描述使用半導(dǎo)體基底(后文中稱為“半極性基底”)的六方晶系III族氮化物二極管中的帶 狀部的優(yōu)選的延伸方向，該半導(dǎo)體基底具有沿{2，0，-2，1}方向定向的半極性面。通常，在使用半極性基底的六方晶系III族氮化物激光二極管內(nèi)，帶狀部的延伸方向(激光的傳播方向)被確定為沿著c軸在形成有帶狀部的面(半極性面)上的投影方向上定向。然而，在這種情況下，諧振器端面并非可容易地解理的面，例如，“c”面、“m”面或“a”面(參照?qǐng)D2A和2B)。因此，在這種情況下，難以以90° (理想值)將形成有帶狀部的面和諧振器端面之間的角度進(jìn)行定向，并且難以確定從諧振器端面的理想面的偏移量(傾斜角)，以滿足上述角度條件(大約6°或以下，并且優(yōu)選地大約3°或以下)。因此，通過數(shù)值分析，確定了在使用沿著{2，0，_2，1}方向的半極性基底的激光二極管內(nèi)，是否存在允許從形成有帶狀部的面和諧振器端面之間的角度的理想值的偏移量滿足上述角度條件的帶狀部的延伸方向。圖7為示出了用于數(shù)值分析的激光二極管100的分析模型的示意性透視圖。要注意的是，使用向量運(yùn)算作為數(shù)值分析的方法。更具體地，由以下表達(dá)式(I)確定六方晶系晶體內(nèi)的預(yù)定晶面({h，k，l，m}面)和半極性面Ia ( {2，O, -2，1}面)之間的角度。[數(shù)學(xué)表達(dá)式I]
權(quán)利要求
1.一種激光二極管,包括: 半導(dǎo)體基底，由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體制成并且具有沿{2，O, -2，1}方向定向的半極性面； 外延層，包括形成激光的光波導(dǎo)的發(fā)光層，并且形成在所述半導(dǎo)體基底的所述半極性面上，所述外延層使得所述激光的傳播方向在光波導(dǎo)面內(nèi)相對(duì)于c軸在所述光波導(dǎo)面上的投影方向以在約8°至約12°或者約18°至約29°的范圍內(nèi)的角度傾斜，所述光波導(dǎo)面包括所述激光的傳播方向并且與所述半極性面平行； 兩個(gè)諧振器端面，設(shè)置在所述激光的所述光波導(dǎo)的兩端； 第一電極，形成在所述外延層上；以及 第二電極，形成在與所述半導(dǎo)體基底的所述外延層所形成在的所述半極性面相對(duì)的面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管，其中，所述激光的傳播方向相對(duì)于c軸在所述光波導(dǎo)面上的所述投影方向以在約22°至約27°的范圍內(nèi)的角度傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光二極管，其中，所述激光的傳播方向相對(duì)于c軸在所述光波導(dǎo)面上的所述投影方向以約22°、約24°以及約27°中的任一個(gè)角度傾斜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管，其中，所述諧振器端面和所述半極性面之間的角度與90°的偏移量為約3°以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管，其中，所述外延層在其面向所述第一電極的表面中包括沿所述激光的所述傳播方向延伸的脊?fàn)畈俊?br> 6.—種制造激光二極管的方法，所述方法包括: 在由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體基底的沿{2，0，-2，1}方向定向的半極性面上形成外延層，所述外延層包括形成激光的光波導(dǎo)的發(fā)光層，并且使得所述激光的傳播方向在光波導(dǎo)面內(nèi)相對(duì)于c軸在所述光波導(dǎo)面上的投影方向以在約8°至約12°或者約18°至約29°的范圍內(nèi)的角度傾斜，所述光波導(dǎo)面包括所述激光的所述傳播方向并且與所述半極性面平行； 分別在所述外延層和與所述半導(dǎo)體基底的所述半極性面相對(duì)的面上形成第一電極和第二電極；以及 在所述激光的所述光波導(dǎo)的兩端形成兩個(gè)諧振器端面。
全文摘要
本發(fā)明公開了激光二極管以及制造激光二極管的方法，一種激光二極管包括半導(dǎo)體基底，由六方晶系III族氮化物半導(dǎo)體制成并且具有沿{2,0,-2,1}方向定向的半極性面；外延層，包括形成激光的光波導(dǎo)的發(fā)光層，并且形成在半導(dǎo)體基底的半極性面上，所述外延層使得激光的傳播方向在光波導(dǎo)面內(nèi)相對(duì)于c軸在光波導(dǎo)面上的投影方向以在大約8°至大約12°或者大約18°至大約29°的范圍內(nèi)的角度傾斜，所述光波導(dǎo)面包括激光的傳播方向并且與半極性面平行；兩個(gè)諧振器端面；第一電極；以及第二電極。
文檔編號(hào)H01S5/00GK103208740SQ20131000387
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者濱口達(dá)史, 高木慎平 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 索尼公司