TW201315065A - 製作ｉｉｉ族氮化物半導體雷射元件之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種使用半極性面之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法，其穩定地供給可降低振盪閾值電流之共振器鏡面。使按壓方向PR與支持板H之正面Ha成正交之狀態後，於c-m面內自m軸朝向由按壓方向PR與a軸所規定之基準面Ab對支持板H施加角度THETA之傾斜，進而，以重疊於包含複數個刻劃標記5b中位於最端部之刻劃標記5b1與基板產物5之正面5a之交叉部P1且沿按壓方向PR延伸之面之方式進行刀片5g之定位。於角度ALPHA處於71度以上且79度以下之範圍與101度以上且109度以下之範圍之任一範圍內之情形時，由於角度THETA成為11度以上且19度以下之範圍，故而沿按壓方向PR延伸之基準面Ab係沿與c軸正交之c面延伸。

Description

製作III族氮化物半導體雷射元件之方法
本發明係關於一種製作III族氮化物半導體雷射元件之方法。
於專利文獻1中，記載有關於在六方晶系III族氮化物之c軸朝向m軸之方向傾斜之支持基體之半極性面上可實現低閾值電流之III族氮化物半導體雷射元件之技術。成為雷射共振器之第1及第2斷裂面(fractured face)與m-n面交叉。III族氮化物半導體雷射元件具有於m-n面與半極性面之交叉線之方向上延伸之雷射波導。因此，可利用實現低閾值電流之能帶躍遷(band transition)之發光。於雷射構造體中，第1面為第2面之相反側之面。第1及第2斷裂面自第1面之邊緣延伸至第2面之邊緣為止。第1及第2斷裂面並非藉由乾式蝕刻而形成，與c面、m面或a面等先前之解理面不同。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2011-3660號公報
非專利文獻
非專利文獻1："Semipolar (10-1-1) InGaN/GaN Laser Diodes on Bulk GaN Substrates", Anurag TYAGI, Hong ZHONG, Roy B. CHUNG, Daniel F. FEEZELL, Makoto SAITO, Kenji FUJITO1, James S. SPECK, Steven P. DENBAARS, and Shuji NAKAMURA, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 19, 2007, pp. L444-L445。
如專利文獻1般，於使用半極性面之III族氮化物半導體雷射元件之雷射波導沿自c面朝向m軸偏離之半極性面形成之情形時，與該雷射波導正交之共振器鏡面之形成難以藉由先前之劈開形成，而藉由割斷形成。然而，於藉由割斷形成共振器鏡面之情形時，期望該共振器鏡面具有作為雷射元件之共振器鏡面為充分之功能，即，期望能夠穩定地供給可降低振盪閾值電流之共振器鏡面。因此，本發明係鑒於上述事項而完成者，目的在於提供一種使用半極性面之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法，其可穩定地供給能夠降低振盪閾值電流之共振器鏡面。
本發明之一態樣之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法包括以下步驟：準備基板產物，該基板產物包括包含六方晶系III族氮化物半導體且具有半極性主面之基板、及形成於上述半極性主面上且包含活性層之半導體區域；刻劃(scribe)上述基板產物之第1面，形成沿上述六方晶系III族氮化物半導體之a軸方向延伸之複數個刻劃標記(scribe mark)；及使用劈開裝置，自上述基板產物形成雷射棒(laser bar)及其他基板產物；上述劈開裝置包含：支持板，其支持上述基板產物；及刀片(blade)，其係於上述基 板產物由上述支持板支持之情形時用以自位於上述第1面之相反側之上述基板產物之第2面向上述支持板之側按壓上述基板產物；上述支持板具有搭載上述基板產物之正面、上述正面之相反側之背面、及自上述正面貫通至上述背面之孔部；上述孔部在與沿上述支持板之上述正面延伸且規定於上述支持板中之基準軸正交之方向上延伸；與上述基準軸正交之方向之上述孔部之寬度較上述第1面之直徑長；形成上述雷射棒及上述其他基板產物之步驟包括以下步驟：以上述複數個刻劃標記中位於最端部之一刻劃標記位於上述孔部上且沿上述孔部延伸之方式，將上述基板產物固定於上述支持板；使上述刀片之按壓方向與上述支持板之上述正面正交之狀態後，於由上述六方晶系III族氮化物半導體之c軸與上述六方晶系III族氮化物半導體之m軸所規定之c-m面內，自上述m軸朝向由上述按壓方向與上述a軸所規定之基準面對支持板施加角度THETA之傾斜；以重疊於包含上述一刻劃標記與上述第1面之交線且沿上述按壓方向延伸之面之方式，進行上述刀片於與上述a軸正交之方向上之定位；及將上述刀片抵壓於上述基板產物之上述第2面；上述刀片按壓上述第2面之部分係沿上述a軸延伸；表示上述c軸方向之c軸向量相對於上述半極性主面之法線向量成角度ALPHA之傾斜；上述角度ALPHA處於71度以上且79度以下之範圍與101度以上且109度以下之範圍之任一範圍內；上述角度THETA處於11度以上且19度以下之範圍內；上述雷射棒具有自上述第1面延 伸至上述第2面且藉由分離而形成之第1端面及第2端面；上述第1端面及上述第2端面係與上述c-m面交叉；上述第1端面及上述第2端面構成該III族氮化物半導體雷射元件之雷射共振器。
根據該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，自刀片之按壓方向與支持板之正面正交之狀態起，於c-m面內自m軸朝向由按壓方向與a軸所規定之基準面對支持板施加角度THETA之傾斜，進而以重疊於包含複數個刻劃標記中位於最端部之刻劃標記與基板產物之正面之交線且沿刀片之按壓方向延伸之面之方式，進行刀片於與a軸正交之方向上之定位。於c軸向量與半極性主面之法線向量之間的角度ALPHA處於71度以上且79度以下之範圍與101度以上且109度以下之範圍之任一範圍內之情形時，由於角度THETA成為11度以上且19度以下之範圍，故而沿刀片之按壓方向延伸之基準面係沿與c軸正交之c面延伸，因此可利用c面之劈開。由此，藉由該刀片之按壓而分離形成之雷射棒之第1端面及第2端面具有作為共振器鏡面為充分之平坦性及垂直性。因此，自該雷射棒製作之III族氮化物半導體雷射元件之振盪閾值電流得以降低。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為上述刻劃標記沿由上述a軸與上述法線向量所規定之a-n面自上述第1面向上述第2面之方向延伸。由於刻劃標記沿a-n面形成，故而藉由刀片使雷射棒分離而產生之面亦沿a-n面延伸。因此，可將用作共振器鏡面之面作為與c-m面正 交之面而形成。由於刻劃標記自第1面向第2面之方向延伸，故而可容易地進行雷射棒之分離。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為於準備上述基板產物之步驟中，上述基板係以該基板之厚度成為50 μm以上且100 μm以下之方式被實施加工，上述加工為切片或研磨，上述第2面為藉由上述加工而形成之加工面與包含形成於上述加工面上之電極之面中之任一面。因此，基板之剛性較高。由於基板係藉由切片或研磨加工而成，故而加工面可實現充分之平坦性。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為上述刻劃係使用雷射刻劃器(laser scriber)而進行，上述刻劃標記包含刻劃槽。因此，由於使用雷射刻劃器，故而準確地形成有刻劃標記。由於刻劃標記包含刻劃槽，故而雷射棒之分離變得容易。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為上述半極性主面自{20-21}面與{20-2-1}面之任一半極性面朝向m面方向具有-4度以上且+4度以下之範圍之傾斜。因此，對於具有自{20-21}面與{20-2-1}面之任一面朝向m面方向具有-4度以上且+4度以下之範圍之傾斜之半極性面的基板產物，可應用該製作方法。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為上述半極性主面為{20-21}面與{20-2-1}面之任一面。因此，尤其對於具有{20-21}面與{20-2-1}面之任一半極性面之基板產物可應用該製作方法。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為上述基板之材料包含GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN之任一者。如上所述，氮化物系之半導體被利用於基板。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為上述第1端面及上述第2端面各自之上述活性層之端面相對於與上述基板之m軸正交之m面，於上述c-m面內成(ALPHA-5)度以上且(ALPHA+5)度以下之範圍之角度。因此，對於第1端面及第2端面可實現共振器鏡面所需之平坦性及垂直性。
於該製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中，可為上述活性層之端面於與上述c-m面及上述法線向量正交之平面內，自正交於該平面與上述c-m面之交線之面具有-5度以上且+5度以下之範圍之角度偏移。因此，可實現具有共振器鏡面所需之平坦性及垂直性之活性層之端面。
根據本發明之一態樣，於使用半極性面之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法中，能夠穩定地供給可降低振盪閾值電流之共振器鏡面。
以下，參照圖式對本發明之較佳實施形態進行詳細說明。再者，於圖式說明中，在可能的情況下對相同要素附加相同符號，並省略重複之說明。實施形態之製作方法係製作III族氮化物半導體雷射元件之方法。圖1係表示實施形態之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法之主要步驟 的圖。圖2係表示用於製造III族氮化物半導體雷射元件之基板產物及雷射棒之圖。
(步驟Sp1)首先，準備圖2之(A)部分所示之基板產物5。基板產物5包含六方晶系III族氮化物半導體之雷射構造體、設置於該雷射構造體之p側絕緣膜、p側電極及n側電極。所謂p側係指基板產物5之六方晶系III族氮化物半導體之雷射構造體中設置有p型半導體區域之側，所謂n側係指基板產物5之六方晶系III族氮化物半導體之雷射構造體中設置有n型半導體區域之側。
下述圖4所示之III族氮化物半導體雷射元件11係自基板產物5分離而形成。基板產物5之六方晶系III族氮化物半導體之雷射構造體係包含基板Sub(與III族氮化物半導體雷射元件11之支持基體17對應)及半導體區域Ly(與III族氮化物半導體雷射元件11之半導體區域19對應)之晶圓。
基板Sub之材料包含GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN之任一者。基板Sub具有作為六方晶系III族氮化物半導體之半極性面之半極性主面SF(與III族氮化物半導體雷射元件11之半極性主面17a對應)。
半極性主面SF自{20-21}面與{20-2-1}面之任一半極性面朝向基板Sub之六方晶系III族氮化物半導體之m面方向具有-4度以上且+4度以下之範圍之傾斜。半極性主面SF可為{20-21}面與{20-2-1}面之任一者。
半導體區域Ly係藉由磊晶成長而形成於基板Sub之半極性主面SF上，且與半極性主面SF接觸。
基板產物5包含p側絕緣膜(與III族氮化物半導體雷射元件11之絕緣膜31對應)、p側電極(與III族氮化物半導體雷射元件11之p側電極15對應)、及n側電極(與III族氮化物半導體雷射元件11之n側電極41對應)。於基板產物5之p側之正面5a(第1面、p側絕緣膜之表面)設置有p側電極。於基板Sub之表面以覆蓋該表面之方式設置有n側電極。該n側電極之表面成為基板產物5之背面5e(第2面)。
再者，基板Sub係以該基板Sub之厚度成為50 μm以上且100 μm以下之方式被實施加工。該加工為切片或研磨。基板產物5之背面5e可為藉由該加工而形成之加工面與包含形成於該加工面上之n側電極之面中之任一者。
法線軸NX為半極性主面SF之法線，亦相對於基板產物5之正面5a垂直。法線向量NV係朝向基板Sub之半極性主面SF之法線軸NX之方向之向量，且沿法線軸NX自半極性主面SF朝向半導體區域Ly之側。法線向量NV相對於正面5a及半極性主面SF垂直。法線軸NX及法線向量NV平行於正交座標系統S之z軸。法線向量NV朝向z方向。正面5a及半極性主面SF平行於x-y平面。
圖2之(A)部分記載有結晶座標系統CR。表示基板Sub之六方晶系III族氮化物半導體之c軸方向之c軸向量VC相對於半極性主面SF之法線向量NV成角度ALPHA之傾斜角。角度ALPHA處於71度以上且79度以下之範圍、與101度以上且109度以下之範圍之任一範圍內。再者，作為一例，圖2之(A)部分所示之角度ALPHA處於71度以上且79度以下 之範圍內。基板Sub之六方晶系III族氮化物半導體之a軸與表示y軸之方向為相反方向。基板Sub之六方晶系III族氮化物半導體之c軸、表示c軸方向之c軸向量VC、基板Sub之六方晶系III族氮化物半導體之m軸、表示m軸方向之m軸向量VM、法線軸NX、及表示法線軸NX之方向之法線向量NV均與y軸(a軸)正交，且可包含於z-x面內。
(步驟Sp2)於步驟Sp1後，刻劃正面5a。該刻劃係使用雷射刻劃器而進行。藉由刻劃而形成刻劃標記5b。刻劃標記5b係沿由a軸方向與法線軸NX所規定之a-n面，自基板產物5之正面5a向基板產物5之背面5e之方向延伸。刻劃標記5b係於a軸方向上延伸，且自正面5a到達至半導體區域Ly。刻劃標記5b例如可形成於基板產物5之一邊緣。刻劃標記5b包含刻劃槽。刻劃標記5b係藉由雷射光束LB之照射而形成於正面5a。於圖2之(A)部分之情形時，已形成有兩個刻劃標記5b，再使用雷射光束LB進行刻劃標記5c之形成。刻劃標記5b之長度較a-n面與正面5a之交叉線短，對該交叉線之一部分進行雷射光束LB之照射。
於步驟Sp2後，割斷基板產物5，藉由該割斷而製作雷射棒5d及其他基板產物51。步驟Sp3包含步驟Sp3-1~步驟Sp3-5。
基板產物5之割斷係使用劈開裝置而進行。如圖2之(B)部分及圖3所示，劈開裝置包括支持板H、刀片5g、監視攝影機6a及顯示裝置6c。圖3表示沿圖2之(B)部分之I-I線獲得之剖面之構成。再者，圖2之(B)部分表示分離出雷射棒 5d之狀態，圖3表示分離雷射棒5d前之狀態。又，為易於說明，於圖2之(B)部分中省略圖3所示之用以保護基板產物5之保護片材TF之記載，且於圖2之(B)部分及圖3中均省略用以保持基板產物5之黏著片材之記載。
支持板H支持基板產物5。支持板H具有正面Ha、背面Hb、及孔部HL。正面Ha為搭載基板產物5之面。背面Hb為位於正面Ha之相反側之面。孔部HL為自正面Ha貫通至背面Hb之部分。孔部HL係在與沿正面Ha延伸且規定於支持板H中之基準軸Aa正交之方向上延伸。與基準軸Aa正交之方向之孔部HL之寬度較基板產物5之正面5a之直徑長。刀片5g係於基板產物5由支持板H支持之情形時，自背面5e向支持板H之側按壓基板產物5。
如圖3所示，隔著孔部HL，於支持板H之正面Ha上設置有刀片5g，於支持板H之背面Hb上設置有監視攝影機6a。表示刀片5g之中心軸之方向之軸方向向量VX與自監視攝影機6a之透鏡6b朝向刀片5g之刃部5h之方向相同。軸方向向量VX係表示自刃部5h之面朝向位於該面之相反側之刀片5g之端面5i之方向之向量，且與刃部5h之面及端面5i正交。刃部5h係於一方向(於圖2及圖3之情形時為y軸方向，即基板產物5之a軸方向)上延伸。
監視攝影機6a包含透鏡6b。監視攝影機6a上連接有顯示裝置6c。顯示裝置6c包含顯示器，監視攝影機6a將經由透鏡6b而獲取之圖像顯示於該顯示器。刀片5g及監視攝影機6a之位置被固定，於基板產物5未搭載於支持板H上之情形 時，於顯示裝置6c之顯示器之中心，經由孔部HL始終顯示刀片5g之刃部5h。支持板H之操作者一面觀察顯示裝置6c之顯示器，一面以於應顯示刃部5h之顯示器內之顯示位置上顯示正面5a與刻劃標記5b之交叉部P1之方式調整搭載於支持板H上之基板產物5之配置。
(步驟Sp3-1)首先，如圖2之(B)部分所示，使基板產物5之正面5a朝向支持板H，將基板產物5置於支持板H上。繼而，以複數個刻劃標記5b中位於最端部之一刻劃標記(特別地稱為刻劃標記5b1)位於孔部HL上且沿孔部HL延伸之方式將基板產物5固定於支持板H。
(步驟Sp3-2)於步驟Sp3-1後，自將刀片5g按壓至背面5e之按壓方向PR與支持板H之正面Ha正交之狀態起，於由c軸與m軸所規定之c-m面內，自m軸朝向由刀片5g之按壓方向PR與a軸所規定之基準面Ab對支持板H施加角度THETA之傾斜。於自該m軸朝向基準面Ab之方向上，m軸與a-n面所成之角度為銳角。將刀片5g按壓至背面5e之按壓方向PR與軸方向向量VX為相反方向。角度THETA處於11度以上且19度以下之範圍內。
圖9表示使支持板H傾斜之方向之具體例。圖9中，表示將刀片5g按壓至背面5e之按壓方向PR與支持板H之正面Ha正交之狀態。刀片5g之按壓方向PR與半極性主面SF之法線向量NV平行。基準面Ab為由刀片5g之按壓方向PR與a軸所規定之面，且基準面Ab與半極性主面SF之法線向量NV平行。圖9之(A)部分與(B)部分表示角度ALPHA為71度以 上且79度以下之情形。圖9之(C)部分與(D)部分表示角度ALPHA為101度以上且109度以下之情形。
(步驟Sp3-3)於步驟Sp3-2後，以重疊於包含刻劃標記5b1與正面5a之線狀交叉部P1且沿刀片5g之按壓方向PR延伸之面(與包含交叉部P1之基準面Ab對應)之方式進行刀片5g於與a軸正交之方向(沿c-m面之方向)上之定位。
(步驟Sp3-4)於步驟Sp3-3後，將刀片5g抵壓於基板產物5之背面5e。
(步驟Sp3-5)於步驟Sp3-4後，在使刀片5g之軸方向向量VX相對於法線向量NV以角度THETA傾斜之狀態下，藉由使用刀片5g對基板產物5之背面5e按壓而將基板產物5割斷為雷射棒5d，從而分離雷射棒5d。刀片5g按壓背面5e之部分為與刀片5g之刃部5h重疊之部分，且沿a軸與孔部HL延伸。c軸向量VC相對於半極性主面SF之法線向量NV成角度ALPHA之傾斜。因此，藉由割斷而自基板產物5分離雷射棒5d，藉由該分離而形成之端面5f(表示第1及第2端面，且與斷裂面27及斷裂面29對應)成為半導體雷射之共振器鏡面。雷射棒5d具有藉由割斷而形成之端面5f。端面5f自雷射棒5d之正面(由割斷前之正面5a提供之面)延伸至雷射棒5d之背面(由割斷前之背面5e提供之面)為止。
端面5f與c面、m面及a面等先前之解理面不同。端面5f係沿刻劃標記5b而形成。端面5f沿a-n面延伸。端面5f構成III族氮化物半導體雷射元件之雷射共振器。端面5f與c-m面交叉。如此形成之端面5f具有共振器鏡面所需之充分之 垂直性及平坦性。端面5f之半導體區域之活性層之端面(提供圖5所示之端面SE之面)相對於與基板Sub之m軸正交之m面，於由六方晶系III族氮化物半導體之c軸及m軸所規定之c-m面(第1平面)內成(ALPHA-5)度以上且(ALPHA+5)度以下之範圍之角度。半導體區域之活性層之端面(提供圖5所示之端面SE之面)於與c-m面及法線向量NV(法線軸NX)正交之平面(第2平面，即提供圖5所示之平面S2之面)內，自正交於該平面與c-m面之交線(提供圖4所示之交叉線LIX之線，且沿波導Id延伸)之面(提供圖5所示之面Si之面)具有-5度以上且+5度以下之範圍之角度偏移BETA。圖5係用以藉由端面之角度偏移而說明實施形態之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法之效果的圖。
再者，於自基板產物5分離一個或複數個雷射棒5d後，形成剩餘之基板產物51，針對基板產物5及刻劃標記5b1之上述規定對此種剩餘之基板產物51亦適用。
(步驟Sp4)其次，於雷射棒5d之端面5f形成介電質多層膜而形成雷射棒產物，其後，將該雷射棒產物分離為各個III族氮化物半導體雷射元件(與III族氮化物半導體雷射元件11對應)。以此方式，自雷射棒5d形成III族氮化物半導體雷射元件。
如以上所說明般，自刀片5g之按壓方向PR與支持板H之正面Ha正交之狀態起，於c-m面內自m軸朝向由按壓方向PR與a軸所規定之基準面Ab對支持板H施加角度THETA之傾斜，進而，以重疊於包含複數個刻劃標記5b中位於最端 部之刻劃標記5b1與基板產物5之正面5a之交線(交叉部P1)且沿按壓方向PR延伸之面之方式進行刀片5g於與a軸正交之方向上之定位。於c軸向量VC與半極性主面SF之法線向量NV之間的角度ALPHA處於71度以上且79度以下之範圍與101度以上且109度以下之範圍之任一範圍內之情形時，由於角度THETA成為11度以上且19度以下之範圍，故而沿按壓方向PR延伸之基準面Ab係沿與c軸正交之c面延伸，因此可利用c面之劈開。由此，藉由該刀片5g之按壓而分離形成之雷射棒5d之端面5f具有作為共振器鏡面為充分之平坦性及垂直性。因此，自該雷射棒5d製作之III族氮化物半導體雷射元件11之振盪閾值電流Ith得以降低。
又，由於刻劃標記5b係沿a-n面而形成，故而藉由刀片5g使雷射棒5d分離而產生之面亦沿a-n面延伸。因此，可將用作共振器鏡面之面作為與c-m面正交之面而形成。由於刻劃標記5b自正面5a向背面5e之方向延伸，故而可容易地進行雷射棒5d之分離。
又，由於基板Sub之厚度為50 μm以上且100 μm以下，故而基板Sub之剛性較高。由於基板Sub係藉由切片或研磨加工而成，故而加工面可實現充分之平坦性。
又，由於刻劃係使用雷射刻劃器而進行，故而準確地形成有刻劃標記。由於刻劃標記包含刻劃槽，故而雷射棒5d之分離變得容易。
又，對於具有自{20-21}面與{20-2-1}面之任一面朝向m面方向具有-4度以上且+4度以下之範圍之傾斜之半極性主 面SF的基板產物5，可應用本實施形態之製作方法。
又，尤其對於具有{20-21}面與{20-2-1}面之任一半極性主面SF之基板產物5，可應用該製作方法。
又，由於基板Sub之材料包含GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN之任一者，故而氮化物系之半導體被利用於基板。
又，端面5f之活性層之端面相對於m面，於c-m面內成(ALPHA-5)度以上且(ALPHA+5)度以下之範圍之角度。因此，對於端面5f可實現共振器鏡面所需之平坦性及垂直性。
又，基板產物5之活性層之端面(提供圖5所示之端面SE之面)於與c-m面及法線向量NV正交之平面(提供圖5所示之平面S2之面)內，自正交於該平面與c-m面之交線之面(提供圖5所示之面Si之面)具有-5度以上且+5度以下之範圍之角度偏移。因此，可實現具有共振器鏡面所需之平坦性及垂直性之活性層之端面(提供端面SE之面)。
其次，對藉由上述步驟Sp1~步驟Sp4而製作之III族氮化物半導體雷射元件之構成進行說明。圖4係概略表示藉由本實施形態之製作方法而製作之III族氮化物半導體雷射元件11之構造的圖式。III族氮化物半導體雷射元件11具有增益導引型之構造，但並不限定於增益導引型之構造。
法線軸NX為雷射構造體13之p側之面13a之法線(支持基體17之半極性主面17a之法線)，且朝向z軸方向。III族氮化物半導體雷射元件11之支持基體17之半極性主面17a係 與x-y面平行地延伸。
又，圖4中描繪有具代表性之c面SC。支持基體17之六方晶系III族氮化物半導體之c軸與軸CX對應。c軸(軸CX)相對於法線軸NX向支持基體17之六方晶系III族氮化物半導體之m軸方向以有限之角度ALPHA傾斜。c軸向量VC與法線向量NV之間的角度為角度ALPHA。c軸向量VC係表示c軸方向之向量。法線向量NV係沿法線軸NX朝向雷射構造體13之p側之面13a上之向量，且相對於面13a及半極性主面17a垂直。
角度ALPHA可處於71度以上且79度以下之範圍內與101度以上且109度以下之範圍內之任一者。圖4所示之角度ALPHA處於71度以上且79度以下之範圍內，但亦可為101度以上且109度以下之範圍內。
與雷射棒5d之端面5f對應之斷裂面27及斷裂面29係與c-m面交叉。III族氮化物半導體雷射元件11之雷射共振器包含斷裂面27及斷裂面29，雷射波導自斷裂面27及斷裂面29之一者延伸至另一者。III族氮化物半導體雷射元件11之雷射共振器之共振器長度例如為600 μm左右。
雷射構造體13包含面13a及背面13b，面13a為背面13b之相反側之面。斷裂面27及斷裂面29自面13a之邊緣13c延伸至背面13b之邊緣13d為止。斷裂面27及斷裂面29與c面、m面或a面等先前之解理面不同。
根據III族氮化物半導體雷射元件11，構成雷射共振器之斷裂面27及斷裂面29係與c-m面交叉。因此，可設置沿c-m 面與半極性主面17a之交叉線方向延伸之雷射波導。因此，III族氮化物半導體雷射元件11包含可實現低閾值電流之雷射共振器。
III族氮化物半導體雷射元件11包括雷射構造體13、絕緣膜31、n側電極41及p側電極15。雷射構造體13包含支持基體17及半導體區域19。支持基體17包含六方晶系III族氮化物半導體。支持基體17具有半極性主面17a及背面17b。支持基體17具有50 μm以上且100 μm以下之厚度DSUB。支持基體17之材料包含GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN之任一者。半極性主面17a自{20-21}面與{20-2-1}面之任一半極性面向m面方向具有-4度以上且+4度以下之範圍之傾斜。半極性主面17a可為{20-21}面與{20-2-1}面之任一者。
半導體區域19設置於支持基體17之半極性主面17a上。半導體區域19包含半導體層20、n側包覆層21、n側光導層35a、n側光導層35b、活性層25、p側光導層37、p側阻擋層39、p側光導層38、包覆層23及接觸層33。
半導體層20設置於支持基體17之半極性主面17a上。半導體層20包含n型氮化鎵系半導體(氮化鎵系半導體：GaN-based semiconductor)，例如包含n型GaN等。
n側包覆層21設置於半導體層20上。n側包覆層21包含n型氮化鎵系半導體，例如包含n型AlGaN、n型InAlGaN等。
n側光導層35a設置於n側包覆層21上。n側光導層35b設 置於n側光導層35a上。n側光導層35a及n側光導層35b例如包含GaN、InGaN等。
活性層25設置於n側包覆層21與包覆層23之間。活性層25尤其設置於n側光導層35b與p側光導層37之間。活性層25包含氮化鎵系半導體層，該氮化鎵系半導體層例如為井層25a。活性層25包括包含氮化鎵系半導體之障壁層25b，井層25a及障壁層25b交替排列。井層25a例如包含InGaN等，障壁層25b例如包含GaN、InGaN等。活性層25可具有以產生波長為360 nm以上且600 nm以下之光之方式設置之量子井構造。藉由半極性面之利用，可用於產生波長為430 nm以上且550 nm以下之光。
p側光導層37設置於活性層25上。p側光導層37設置於活性層25與p側阻擋層39之間。p側光導層37包含非摻雜之氮化鎵系半導體，例如包含GaN、InGaN等。
p側阻擋層39設置於p側光導層37與p側光導層38之間。p側阻擋層39包含p型氮化鎵系半導體，例如包含p型AlGaN等。
p側光導層38設置於p側阻擋層39上。p側光導層38設置於p側阻擋層39與包覆層23之間。p側光導層38包含p型氮化鎵系半導體，例如包含p型GaN、p型InGaN等。
包覆層23設置於p側光導層38上。包覆層23設置於p側光導層38與接觸層33之間。包覆層23包含p型氮化鎵系半導體，例如包含p型AlGaN、p型InAlGaN等。
接觸層33設置於包覆層23上。接觸層33包含p型氮化鎵 半導體，例如包含p型GaN等。
半導體層20、n側包覆層21、n側光導層35a、n側光導層35b、活性層25、p側光導層37、p側阻擋層39、p側光導層38、包覆層23及接觸層33係沿半極性主面17a(雷射構造體13之p側之面13a)之法線軸NX依序排列。
絕緣膜31及p側電極15設置於半導體區域19之p側之表面19a(雷射構造體13之p側之面13a)。絕緣膜31覆蓋半導體區域19之表面19a，半導體區域19位於絕緣膜31與支持基體17之間。絕緣膜31具有開口31a，開口31a係於半導體區域19之表面19a與c-m面之交叉線LIX之方向上延伸，例如形成為條紋形狀。p側電極15係經由開口31a而與半導體區域19之表面19a(接觸層33)形成接觸，且於交叉線LIX之方向上延伸。n側電極41設置於雷射構造體13之n側之背面13b(支持基體17之背面17b)，且覆蓋背面13b(背面17b)。
絕緣膜31例如為SiO2之絕緣膜，n側電極41例如包含Ti/Al/Ti/Au，p側電極15例如包含Ni/Au。又，III族氮化物半導體雷射元件11包含焊墊電極。該焊墊電極連接於p側電極15，且例如包含Ti/Al。
於III族氮化物半導體雷射元件11中，雷射構造體13包含與c-m面交叉之斷裂面27及斷裂面29。III族氮化物半導體雷射元件11之雷射波導包含n側包覆層21、包覆層23及活性層25，且於交叉線LIX之方向上延伸。斷裂面27及斷裂面29各自之活性層25之端面SE(參照圖5)相對於與支持基體17之m軸正交之m面，於c-m面內成(ALPHA-5)度以上且 (ALPHA+5)度以下之範圍之角度。活性層25之端面SE於與c-m面及法線軸NX正交之平面S2(由基板產物5之正面5a提供之面，參照圖5)內，自正交於該平面S2與c-m面之交線(交叉線LIX，沿圖5所示之波導Id延伸)之面Si具有-5度以上且+5度以下之範圍之角度偏移BETA。
於III族氮化物半導體雷射元件11中，支持基體17之厚度DSUB為400 μm以下係可用以獲得用於雷射共振器之品質良好之斷裂面。尤其於III族氮化物半導體雷射元件11中，支持基體17之厚度DSUB可為50 μm以上且100 μm以下，於此情形時，操作變得容易，可提高生產良率。
半極性主面17a可為{20-21}面與{20-2-1}面之任一者。進而，自{20-21}面與{20-2-1}面之任一面以-4度以上且+4度以下之範圍微傾斜之面亦可用作半極性主面17a。於該等典型性之半極性主面17a中，可提供能夠構成III族氮化物半導體雷射元件11之雷射共振器之程度之充分之平坦性及垂直性之斷裂面27及斷裂面29。又，於遍及該等典型性之面方位之角度範圍中，可獲得顯示出充分之平坦性及垂直性之端面。
支持基體17之堆疊缺陷密度(stacking fault density)可為1×104 cm-3以下。由於堆疊缺陷密度為1×104 cm-3以下，故而因偶發情況導致斷裂面之平坦性及/或垂直性混亂之可能性相對低。又，支持基體17之材料包含GaN、AlN、AlGaN、InGaN及InAlGaN之任一者之氮化鎵系半導體。於使用包含該等氮化鎵系半導體之基板時，可獲得能夠用作 共振器之斷裂面27及斷裂面29。於使用AlN或AlGaN基板時，可增大偏光度，且藉由低折射率而可強化光封閉。於使用InGaN基板時，可減小基板與發光層之晶格失配率，而可提高結晶品質。
(實施例)如下所述，藉由有機金屬氣相成長法製作圖6所示之雷射二極體。圖6所示之雷射二極體與圖4所示之III族氮化物半導體雷射元件11對應。原料係使用三甲基鎵TMGa、三甲基鋁TMAl、三甲基銦TMIn、氨NH3、矽烷SiH4。基板係使用自藉由HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氫化物氣相磊晶)法較厚地成長之(0001)GaN錠沿m軸方向以75度之角度切出之以(20-21)面作為主面的GaN基板(與基板Sub及支持基體17對應)。於將該基板配置於反應爐內之基座(susceptor)上後，按照以下之成長順序成長磊晶層(與半導體區域Ly及半導體區域19對應)。
首先，成長厚度為1000 nm左右之n型GaN(與半導體層20對應)。其次，成長作為n型之第1包覆層之厚度為1200 nm左右之n型InAlGaN層(與n側包覆層21對應)。繼而，成長厚度為200 nm左右之n型GaN層(與n側光導層35a對應)及厚度為65 nm左右之非摻雜InGaN(與n側光導層35b對應)後，成長由厚度為15 nm左右之複數層GaN層與厚度為3 nm左右之複數層InGaN層逐層交替設置而成之3個週期MQW(Multiple Quantum Well，多量子井)(與活性層25對應)。
繼而，成長厚度為65 nm左右之非摻雜InGaN(與p側光導層37對應)、厚度為20 nm左右之p型AlGaN(與p側阻擋層39 對應)、及厚度為200 nm左右之p型GaN(與p側光導層38對應)。其次，成長作為p型之第2包覆層之厚度為400 nm左右之p型InAlGaN(與包覆層23對應)。最後，成長厚度為50 nm左右之p型GaN(接觸層33)。
於將SiO2之絕緣膜(與絕緣膜31對應)成膜於該厚度為50 nm左右之P型GaN層上後，使用光微影法並藉由濕式蝕刻形成寬度為10 μm左右之條紋窗。於形成條紋窗後，蒸鍍包含Ni/Au之p側電極(與p側電極15對應)及包含Ti/Al之焊墊電極。繼而，使用金剛石漿料研磨GaN基板(與基板Sub及支持基體17對應)之背面(與背面17b對應)，使該背面成為鏡面狀態。藉由蒸鍍而於該鏡面狀態之背面(研磨面)形成包含Ti/Al/Ti/Au之n側電極。以上述方式製作基板產物(與基板產物5對應)。
共振器鏡面之形成係使用雷射刻劃器。使用波長為355 nm之YAG(Yttrium Aluminum Garnet，釔鋁石榴石)雷射，雷射之輸出設為100 mW，雷射之掃描速度設為5 mm/s。刻劃標記(與刻劃標記5b對應)係以400 μm間距形成。於實施有刻劃標記後，使用實施形態之劈開裝置割斷基板產物(與基板產物5對應)，而製作雷射棒(與雷射棒5d對應)。藉由該割斷而形成共振器鏡面。
基板產物之割斷係以如下方式進行。首先，以刀片5g之按壓方向PR與支持板H之正面Ha正交之方式將基板產物置於支持板H上。其次，以複數個刻劃標記5b中位於最端部之一刻劃標記位於支持板H之孔部HL上且沿孔部HL延伸之 方式將基板產物固定於支持板H。再者，將自刀片5g之中心(與刀片5g之刃部5h相交之基準面Ab)至孔部HL之兩個內壁之距離設為450 μm左右。該兩個內壁係沿基準面Ab延伸，且與基準軸Aa正交。其次，於c-m面內，自m軸朝向由刀片5g之按壓方向PR與a軸所規定之基準面Ab對基板產物以及支持板H施加角度THETA之傾斜。繼而，一面觀察顯示裝置6c之顯示器，一面以使形成於正面5a之刻劃標記5b與顯示器中應顯示刀片5g之刃部5h之部位重疊之方式進行刀片5g與基板產物之位置對準。其次，藉由將刀片5g自基板產物之背面(與基板產物5之背面5e對應)壓入而割斷基板產物，將雷射棒(與雷射棒5d對應)自基板產物分離，從而製作該雷射棒。藉由該割斷而形成之端面5f為共振器鏡面。繼而，將該雷射棒進一步分離為各個III族氮化物半導體雷射元件(與III族氮化物半導體雷射元件11對應)。該III族氮化物半導體雷射元件具有包含斷裂面之共振器鏡面。
針對實施例之III族氮化物半導體雷射元件，於室溫下通電而進行評價。電源係使用脈衝寬度為500 ns、占空比為0.1%(占空比：duty ratio)之脈衝電源，使針落於正面電極上進行通電。於進行光輸出測定時，藉由光電二極體檢測自III族氮化物半導體雷射元件之端面之發光，研究電流-光輸出特性(I-L特性)。圖7係用以說明實施例之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法之效果的圖，且係用以藉由支持板H之傾斜角(角度THETA)與振盪閾值電流Ith(mA)之平均值之關聯進行說明的圖。圖8係用以說明實施例之製 作III族氮化物半導體雷射元件之方法之效果的圖，且係用以藉由支持板H之傾斜角(角度THETA)與藉由雷射棒之分離而形成之端面之角度偏移(角度偏移BETA)之平均值之關聯進行說明的圖。
如圖7所示，可知角度THETA存在使振盪閾值電流Ith之平均值極小之最佳值，且可知該角度THETA之值係接近圖8中共振器鏡面之角度偏移BETA之平均值為零之傾斜角之值。再者，隨著共振器鏡面之角度偏移BETA變大，振盪閾值電流Ith亦增大。由以上結果可知，角度THETA存在最佳值，於角度THETA為該最佳值之情形時，共振器鏡面之角度偏移BETA接近於零，並且振盪閾值電流Ith亦成為極小值。
其次，就結晶學觀點對角度THETA存在最佳值之理由進行說明。參照圖7及圖8，可知角度THETA之最佳值存在於15度左右之範圍內，更具體而言存在於11度以上且19度以下之範圍內。再者，針對圖8所示之經描繪之複數個資料，藉由最小平方法求出資料點之近似直線。若將角度THETA之值(圖8之橫軸)設為X1，將角度偏移BETA之平均值(圖8之縱軸)設為X2，則該近似直線為X2=-0.11×X1+1.89。若求出該近似直線與橫軸(表示X1之值之軸)之交點(X2=0時之X1之值)，則X1=17.2度，可確認到確實如圖7所示般於15度左右共振器鏡面之角度偏移BETA接近零。此處，(20-21)基板中傾斜角15度係c面相對於刀片為平行之角度(參照圖3)。於此情形時，藉由刀片之按壓，c面劈開順利 地進行。即，藉由使角度THETA為大致15度，利用c面劈開毫不勉強地產生割斷，而可穩定地形成品質良好之共振器鏡面。如上所述，只要角度THETA為11度以上且19度以下之範圍，便可確認到雷射之脈衝振盪，由此可確認只要如圖7所示般角度THETA為11度以上且19度以下之範圍，便形成具有充分之垂直性及平坦性之共振器鏡面。
再者，圖7所示之測定值如下。
圖8所示之測定結果如下。
以上，於較佳實施形態中圖示並說明了本發明之原理，但業者應當認識到本發明只要不脫離上述原理則可於配置及詳情方面進行變更。本發明並不限定於本實施形態所揭示之特定構成。因此，對由申請專利範圍及其精神範圍產生之所有修正及變更申請權利。
產業上之可利用性
本發明係一種使用半極性面之III族氮化物半導體雷射元件之製作方法，其可穩定地供給能夠降低振盪閾值電流之共振器鏡面。
5‧‧‧基板產物
5a‧‧‧正面
5b‧‧‧刻劃標記
5b1‧‧‧刻劃標記
5c‧‧‧刻劃標記
5d‧‧‧雷射棒
5e‧‧‧背面
5f‧‧‧端面
5g‧‧‧刀片
5h‧‧‧刃部
5i‧‧‧端面
6a‧‧‧監視攝影機
6b‧‧‧透鏡
6c‧‧‧顯示裝置
11‧‧‧III族氮化物半導體雷射元件
13‧‧‧雷射構造體
13a‧‧‧面
13b‧‧‧背面
13c‧‧‧邊緣
13d‧‧‧邊緣
15‧‧‧p側電極
17‧‧‧支持基體
17a‧‧‧半極性主面
17b‧‧‧背面
19‧‧‧半導體區域
19a‧‧‧表面
20‧‧‧半導體層
21‧‧‧n側包覆層
23‧‧‧包覆層
25‧‧‧活性層
25a‧‧‧井層
25b‧‧‧障壁層
27‧‧‧斷裂面
29‧‧‧斷裂面
31‧‧‧絕緣膜
31a‧‧‧開口
33‧‧‧接觸層
35a‧‧‧n側光導層
35b‧‧‧n側光導層
37‧‧‧p側光導層
38‧‧‧p側光導層
39‧‧‧p側阻擋層
41‧‧‧n側電極
51‧‧‧基板產物
Aa‧‧‧基準軸
Ab‧‧‧基準面
CR‧‧‧結晶座標系統
CX‧‧‧軸
DSUB‧‧‧厚度
H‧‧‧支持板
Ha‧‧‧正面
Hb‧‧‧背面
HL‧‧‧孔部
Id‧‧‧波導
LB‧‧‧雷射光束
LIX‧‧‧交叉線
Ly‧‧‧半導體區域
NV‧‧‧法線向量
NX‧‧‧法線軸
P1‧‧‧交叉部
PR‧‧‧按壓方向
S‧‧‧正交座標系統
SC‧‧‧c面
SE‧‧‧端面
SF‧‧‧半極性主面
Si‧‧‧面
Sub‧‧‧基板
TF‧‧‧保護片材
VC‧‧‧c軸向量
VM‧‧‧m軸向量
VX‧‧‧軸方向向量
圖1係表示實施形態之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法之主要步驟之流程圖。
圖2(A)、(B)係用以說明實施形態之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中所使用之基板產物之割斷方法之圖。
圖3係用以一併說明實施形態之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法中所使用之基板產物之割斷方法及劈開裝置之圖。
圖4係表示藉由實施形態之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法而製作之III族氮化物半導體雷射元件之構成之圖。
圖5係用以藉由端面之角度偏移而說明實施形態之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法之效果的圖。
圖6係表示實施例之III族氮化物半導體雷射元件之構成之圖。
圖7係用以說明實施例之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法之效果之圖，且係用以藉由支持板之傾斜角與振盪閾值之平均值之關聯而進行說明之圖。
圖8係用以說明實施例之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法之效果之圖，且係用以藉由支持板之傾斜角與端面之角度偏移之關聯而進行說明之圖。
圖9(A)~(D)係說明實施形態之支持板之傾斜情況之圖。
5‧‧‧基板產物
5a‧‧‧正面
5b‧‧‧刻劃標記
5b1‧‧‧刻劃標記
5d‧‧‧雷射棒
5e‧‧‧背面
5g‧‧‧刀片
5h‧‧‧刃部
5i‧‧‧端面
6a‧‧‧監視攝影機
6b‧‧‧透鏡
6c‧‧‧顯示裝置
Aa‧‧‧基準軸
Ab‧‧‧基準面
Ha‧‧‧正面
Hb‧‧‧背面
HL‧‧‧孔部
Ly‧‧‧半導體區域
NV‧‧‧法線向量
NX‧‧‧法線軸
P1‧‧‧交叉部
PR‧‧‧按壓方向
SF‧‧‧半極性主面
Sub‧‧‧基板
TF‧‧‧保護片材
VX‧‧‧軸方向向量

Claims (9)

  1. 一種製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其包括以下步驟：準備基板產物，該基板產物包括包含六方晶系III族氮化物半導體且具有半極性主面之基板、及形成於上述半極性主面上且包含活性層之半導體區域；刻劃上述基板產物之第1面，形成沿上述六方晶系III族氮化物半導體之a軸方向延伸之複數個刻劃標記；及使用劈開裝置，自上述基板產物形成雷射棒及其他基板產物；上述劈開裝置包含：支持板，其支持上述基板產物；及刀片，其係於上述基板產物由上述支持板支持之情形時用以自位於上述第1面之相反側之上述基板產物之第2面向上述支持板之側按壓上述基板產物；上述支持板具有搭載上述基板產物之正面、上述正面之相反側之背面、及自上述正面貫通至上述背面之孔部；上述孔部在與沿上述支持板之上述正面延伸且規定於上述支持板中之基準軸正交之方向上延伸；與上述基準軸正交之方向之上述孔部之寬度較上述第1面之直徑長；形成上述雷射棒與上述其他基板產物之步驟包含以下步驟：以上述複數個刻劃標記中位於最端部之一刻劃標記位 於上述孔部上且沿上述孔部延伸之方式，將上述基板產物固定於上述支持板；使上述刀片之按壓方向與上述支持板之上述正面正交之狀態後，於由上述六方晶系III族氮化物半導體之c軸與上述六方晶系III族氮化物半導體之m軸所規定之c-m面內，自上述m軸朝向由上述按壓方向與上述a軸所規定之基準面對支持板施加角度THETA之傾斜；以重疊於包含上述一刻劃標記與上述第1面之交線且沿上述按壓方向延伸之面之方式，進行上述刀片於與上述a軸正交之方向上之定位；及將上述刀片抵壓於上述基板產物之上述第2面；上述刀片按壓上述第2面之部分係沿上述a軸延伸；表示上述c軸方向之c軸向量相對於上述半極性主面之法線向量成角度ALPHA之傾斜；上述角度ALPHA處於71度以上且79度以下之範圍與101度以上且109度以下之範圍之任一範圍內；上述角度THETA處於11度以上且19度以下之範圍內；上述雷射棒具有自上述第1面延伸至上述第2面且藉由分離而形成之第1端面及第2端面；上述第1端面及上述第2端面係與上述c-m面交叉；上述第1端面及上述第2端面構成該III族氮化物半導體雷射元件之雷射共振器。
  2. 如請求項1之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中上述刻劃標記係沿由上述a軸與上述法線向量所規 定之a-n面，自上述第1面向上述第2面之方向延伸。
  3. 如請求項1或2之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中於準備上述基板產物之步驟中，上述基板係以該基板之厚度成為50 μm以上且100 μm以下之方式被實施加工；上述加工為切片或研磨；上述第2面為藉由上述加工而形成之加工面與包含形成於上述加工面上之電極之面中之任一面。
  4. 如請求項1至3中任一項之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中上述刻劃係使用雷射刻劃器而進行；上述刻劃標記包含刻劃槽。
  5. 如請求項1至4中任一項之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中上述半極性主面自{20-21}面與{20-2-1}面之任一半極性面朝向m面方向具有-4度以上且+4度以下之範圍之傾斜。
  6. 如請求項1至5中任一項之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中上述半極性主面為{20-21}面與{20-2-1}面之任一面。
  7. 如請求項1至6中任一項之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中上述基板之材料包含GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN之任一者。
  8. 如請求項1至7中任一項之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中上述第1端面及上述第2端面各自之上述活性層之端面相對於與上述基板之m軸正交之m面，於 上述c-m面內成(ALPHA-5)度以上且(ALPHA+5)度以下之範圍之角度。
  9. 如請求項8之製作III族氮化物半導體雷射元件之方法，其中上述活性層之端面於與上述c-m面及上述法線向量正交之平面內，自正交於該平面與上述c-m面之交線之面具有-5度以上且+5度以下之範圍之角度偏移。
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