表面发射激光元件及其制造方法和表面发射激光阵列及其制造方法

专利名称：表面发射激光元件及其制造方法和表面发射激光阵列及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种表面发射激光元件及其制造方法和一种表面发射 激光阵列及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种在发射区中具 有均匀发光的表面发射激光元件和一种表面发射激光阵列，以及其具 有良好成品率的制造方法。
背景技术：
为了得到具有高的发光强度和可靠性的半导体发光元件，对于与
半导体发光元件相关的衬底，需要GaN衬底，该GaN衬底是导电的并 具有低位错密度。为此，用于半导体发光元件的导电性GaN衬底具有 在衬底的晶体中有意地集中的位错，从而形成高位错密度的区域(下 面，称为高位错密度区)，并且在除高位错密度区以外的区域形成低 位错密度的低位错密度区。通过在导电性GaN衬底中形成的这种低位 错密度区上形成包括发射层的多个半导体层来提供LED(发光二极管) 结构或条带状激光器结构，获得制造高发光强度和可靠性的半导体发 光元件的途径(例如，日本专利特开2003-124115号和2003-124572号)。
专利文献l:日本专利特开2003-124115号公报 专利文献2:日本专利特开2003-124572号公报

发明内容
本发明要解决的问题
然而，上述日本专利特开2003-124115号公报和日本专利特开 2003-124572号公报中所公开的半导体发光元件具有下列问题。具体地 说，在使用导电性GaN衬底形成具有条带状激光器结构的半导体发光元件的情况下，例如，由于GaN衬底的解理是不充分的，所以在形成 Fabry-P6rot共振器时成品率降低。
此外，在使用导电性GaN衬底形成具有LED结构的半导体发光 元件的情况下，即使LED结构的发射区形成为位于低位错密度区的跨 度内的上方，也可能发生该发射区中发光不均匀。由此，半导体发光 元件的成品率将降低。在研究该原因时，据发现，在导电性GaN衬底 的低位错密度区中，存在高导电的子区(下面，称为"低位错密度高 电导区")和低导电的子区(下面，称为"低位错密度低电导区")。 导电性GaN衬底的高位错密度区是高电导区，具有高载流子浓度和高 位错密度。该高位错密度区将被称为"高位错密度高电导区"。
本发明的目的是提供在发射区中具有均匀的发光的表面发射激光 元件和表面发射激光阵列及其具有良好成品率的制造方法。
解决问题的方法
技术领域：
本发明涉及一种表面发射激光元件的制造方法，该方法包括制 备导电性GaN多区域衬底作为导电性GaN衬底的步骤，该衬底包括具 有高位错密度和高载流子浓度的高位错密度高电导区、具有比该高位 错高电导区的位错密度低的位错密度的低位错密度高电导区以及具有 比该高位错高电导区的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子 浓度的低位错密度低电导区；形成III-V族化合物半导体层堆叠体的半 导体层堆叠体形成步骤，该层堆叠体包括导电性GaN多区域衬底的一 个主表面上的发射层；以及在该III-V族化合物半导体层堆叠体的最上 层上形成半导体层侧电极并且在导电性GaN多区域衬底的另一主表面 上形成衬底侧电极的电极形成步骤。在表面发射激光器的制造方法中， III-V族化合物半导体层堆叠体、半导体侧电极和衬底侧电极被形成为 使得该发射层中载流子流入的发射区被限制在位于低位错密度高电导 区的跨度内的上方。根据这种制造方法，可以容易地以良好的成品率 得到通过使载流子均匀地流入发射区中而在发射区中具有均匀的发光
9的表面发射激光元件。
在本发明的表面发射激光元件的制造方法中的电极形成步骤中， 可以将半导体侧电极形成在低位错密度高电导区的跨度内的上方的位 置处，使得发射区被限制位于低位错密度高电导区的跨度内的上方。
此外，在半导体层堆叠体形成步骤中，可以在m-v族化合物半导体层
堆叠体中形成载流子狭窄区，使得发射区被限制位于低位错密度高电 导区的跨度内的上方。通过这种制造方法，发射区可以被限制位于低 位错密度高电导区的跨度内的上方。可以容易地以良好的成品率得到 通过使载流子均匀地流入发射区中而在发射区中具有均匀的发光的表 面发射激光元件。
在本发明的表面发射激光元件的制造方法中，高位错密度高电导
区为点状。高位错密度高电导区的每个点位于该导电性GaN多区域衬 底的主表面上的具有晶格常数Pd的周期性三角形晶格点上或正方形晶 格点上。低位错密度高电导区可以是从具有以每个点的中心为中心的 半径Pd/2的圆形区域排除了每个点的区域。此外，高位错密度高电导 区可以为条带状。高位错密度高电导区的每一条带以周期性间隔Ps布 置在导电性GaN多区域衬底的主表面上。该低位错密度高电导区可以 是从该GaN多区域衬底的整个区域排除了每一条带和低位错密度低电 导区的区域，其中低位错密度低电导区10c被形成为具有位于距每一条 带的中心Ps/2处的中心。根据这种制造方法，通过使流入发射区的载 流子的面内分布均匀，可以容易地以良好的成品率得到在发射区中具 有均匀的发光的表面发射激光元件。
在本发明的表面发射激光元件的制造方法中，高位错密度高电导 区是具有至少lxl06cm—2的位错密度和至少lxlO"cm—s的载流子浓度的 区域。低位错密度高电导区是具有小于lxl06cm-2的位错密度和至少 lxlO"cm—s的载流子浓度的区域。低位错密度低电导区可以是具有小于 lxl06cm—2的位错密度和小于1><1018"!1—3的载流子浓度的区域。通过这
10种制造方法，该发射区可以被限制位于低位错密度高电导区的跨度内 的上方，低位错密度高电导区具有小于lxl06Cm-2的位错密度和至少
lxlO"cm—s的载流子浓度。因此，致使流入发射区的载流子的面内分布 是均匀的。能以良好的成品率得到在发射区中具有均匀的发光和高发 光效率的表面发射激光元件。
本发明涉及一种表面发射激光元件，包括导电性GaN衬底；III-V 族化合物半导体层，具有形成在导电性GaN衬底的一个主表面上的发 射层；半导体层侧电极，形成在III-V族化合物半导体层堆叠体的最上 层上；和衬底侧电极，形成在导电性GaN衬底的另一主表面上。导电 性GaN衬底包括具有小于1"06咖'2的位错密度和至少lxlO m's的载 流子浓度的低位错密度高电导区。发射层中载流子流入的发射区被限 制位于低位错密度高电导区的跨度内的上方。由于这种表面发射激光 元件具有位于低位错密度高电导区的跨度内的上方的发射区，所述低 位错密度高电导区具有小于"1060111'2的位错密度和至少lxlO"cn^的 载流子浓度，所以使得流入发射区的载流子的面内分布是均匀的。因 此，致使发射区中的发光是均匀的，并且发光效率得以提高。
在本发明的表面发射激光元件中，半导体侧电极可以形成在低位 错密度高电导区的跨度内的上方的位置处，使得发射区被限制位于该 低位错密度高电导区的跨度内的上方。此外，可以在III-V族化合物半 导体层堆叠体中形成载流子狭窄区，使得发射区被设置在该低位错密 度高电导区的跨度内的上方。由于这种表面发射激光元件具有位于低 位错密度高电导区的跨度内的上方的发射区，所以使得流入发射区的 载流子的面内分布是均匀的。因此，发射区中的发光是均匀的。
在本发明的表面发射激光元件中，该导电性GaN衬底还可以包括 具有至少lxl06cm—2的位错密度和至少"10"cn^的载流子浓度的高位 错密度高电导区和具有小于lxl06cm—2的位错密度和小于lxl018cm—3的
载流子浓度的低位错密度低电导区的至少一个。由于这种表面发射激光元件具有位于低位错密度高电导区的跨度内的上方的发射区，所述
低位错密度高电导区是具有小于lxl06cnT2的位错密度和至少 lxl018cm'3的载流子浓度的区域，所以即使该导电性GaN衬底中存在 高位错密度高电导区和低位错密度低电导区中的至少一个，流入发射 区的载流子的面内分布也是均匀的。因此，致使该发射区中的发光是 均匀的，并且发光效率得以提高。
此外，本发明涉及一种表面发射激光阵列的制造方法，该表面发 射激光阵列包括多个表面发射激光元件，所述方法包括
制备导电性GaN多区域衬底作为导电性GaN衬底的步骤，该导电 性GaN多区域衬底包括具有高位错密度和高载流子浓度的高位错密度 高电导区、具有比高位错高电导区的位错密度低的位错密度的低位错 密度高电导区以及具有比高位错高电导区的位错密度和载流子浓度低 的位错密度和载流子浓度的低位错密度低电导区；形成m-v族化合物 半导体层堆叠体的半导体层堆叠体形成步骤，该层堆叠体包括形成在 导电性GaN多区域衬底的一个主表面上的发射层；以及在III-V族化合 物半导体层堆叠体上形成半导体层侧电极并且在导电性GaN多区域衬 底的另一主表面上形成衬底侧电极的电极形成步骤。表面发射激光阵 列的制造方法使所述III-V族化合物半导体层堆叠体、所述半导体层侧 电极和所述衬底侧电极被形成为使得表面发射激光阵列中所包括的每 个表面发射激光元件的发射层中载流子流入的发射区都被限制位于低 位错密度高电导区的跨度内的上方。根据这种制造方法，通过使流入 发射区的载流子的面内分布均匀，可以容易地以良好的成品率得到表 面发射激光阵列，所述表面发射激光阵列包括多个在发射区中具有均 匀的发光的表面发射激光元件。
在本发明的表面发射激光阵列的制造方法中的电极形成步骤中， 半导体侧电极可以形成在低位错密度高电导区的跨度内的上方的位置 处，使得发射区被限制位于低位错密度高电导区的跨度内的上方。此 外，在半导体层堆叠体形成步骤中，可以在III-V族化合物半导体层堆叠体中形成载流子狭窄区，使得发射区被限制在低位错密度高电导区 的跨度内的上方。通过这种制造方法，发射区可以被限制位于低位错 密度高电导区的跨度内的上方。通过使载流子均匀地流入发射区中， 可以容易地以良好的成品率得到表面发射激光阵列，所述表面发射激 光阵列包括多个在发射区中具有均匀的发光的表面发射激光元件。
在本发明的表面发射激光阵列的制造方法中，高位错密度高电导
区为点状。高位错密度高电导区的每个点位于导电性GaN多区域衬底 的主表面上的具有晶格常数Pd的周期性三角形晶格点上或正方形晶格 点上。低位错密度高电导区可以是从具有以每个点的中心为中心的半 径PD/2的圆形区域排除了每个点的区域。此外，高位错密度高电导区 可以为条带状。高位错密度高电导区的每一条带以周期性的间隔Ps布 置在导电性GaN多区域衬底的主表面上。低位错密度高电导区可以是 从GaN多区域衬底的整个区域排除了每一条带和低位错密度低电导区 的区域，其中所述低位错密度低电导区10c被形成为具有位于距每一条 带的中心Ps/2处的中心。根据这种制造方法，通过使流入发射区的载 流子的面内分布均匀，可以容易地以良好的成品率得到表面发射激光 阵列，所述表面发射激光阵列包括多个在发射区中具有均匀的发光的 表面发射激光元件。
在本发明的表面发射激光阵列的制造方法中，高位错密度高电导 区是具有至少lxlO、m々的位错密度和至少lxlO"cn^的载流子浓度的 区域。低位错密度高电导区是具有小于lxl06cm—2的位错密度和至少 lxlO"cm—s的载流子浓度的区域。低位错密度低电导区可以是具有小于 "106011—2的位错密度和小于lxlO"cm—s的载流子浓度的区域。通过这 种制造方法，每个表面发射激光元件的发射区可以被限制位于低位错 密度高电导区的跨度内的上方，该低位错密度高电导区具有小于 lxl06cm—2的位错密度和至少1><1018011—3的载流子浓度。因此，致使流 入发射区的载流子的面内分布是均匀的。能以良好的成品率得到表面 发射激光阵列，所述表面发射激光阵列包括多个在发射区中具有均匀
13的发光和高发光效率的表面发射激光元件。
本发明涉及一种包括多个表面发射激光元件的表面发射激光阵 列。所述表面发射激光元件包括导电性GaN衬底；III-V族化合物半 导体层，具有形成在该导电性GaN衬底的一个主表面上的发射层；半
导体层侧电极，形成在m-v族化合物半导体层堆叠体的最上层上；和
衬底侧电极，形成在导电性GaN衬底的另一主表面上。所述表面发射 激光阵列包括导电性GaN多区域衬底，该衬底包括具有高位错密度和 高载流子浓度的高位错密度高电导区、具有比该位错高电导区的位错 密度低的位错密度的低位错密度高电导区以及具有比高位错密度高电 导区的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度的低位错密 度低电导区。在表面发射激光阵列中，表面发射激光阵列中所包括的 每个表面发射激光元件的发射层中载流子流入的发射区位于低位错密 度高电导区的跨度内的上方。由于表面发射激光阵列具有在每个表面 发射激光元件中位于低位错密度高电导区的跨度内的上方的发射区， 所以使得流入发射区的载流子的面内分布是均匀的，因此允许发射区 中的均匀发光。
在本发明的表面发射激光阵列中，半导体侧电极可以形成在低位 错密度高电导区的跨度内的上方的位置处，使得发射区被限制位于低 位错密度高电导区的跨度内的上方。此外，可以在III-V族化合物半导 体层堆叠体中形成载流子狭窄区，使得发射区被限制位于低位错密度 高电导区的跨度内的上方。由于这种表面发射激光阵列具有在每个表 面发射激光元件中位于低位错密度高电导区的跨度内的上方的发射 区，所以使得流入发射区的载流子的面内分布是均匀的。因此，该发 射区中的发光是均匀的。
在本发明的表面发射激光阵列中，高位错密度高电导区具有至少 lxl06cm—2的位错密度和至少lxlO"cn^的载流子浓度的区域。低位错 密度高电导区具有小于lxlO、m^的位错密度和至少lxl018cm—3的载流
14子浓度。低位错密度低电导区具有小于lxl06cm—2的位错密度和小于 lxlO"cm^的载流子浓度。由于表面发射激光阵列具有在每个表面发射 激光元件中位于低位错密度高电导区的跨度内的上方的发射区，所述 低位错密度高电导区具有小于1><106(^—2的位错密度和至少lxl0 m'3 的载流子浓度，所以使得流入发射区的载流子的面内分布是均匀的。 因此，致使发射区中的发光是均匀的，并且发光效率得以提高。
发明的效果
根据本发明，可以提供在发射区中具有均匀的发光的表面发射激 光元件和表面发射激光阵列及其具有良好成品率的制造方法。


图1A是根据本发明的表面发射激光元件的实施例的示意性平面图。
图1B是沿图IA的线IB-IB截取的示意性剖面图。 图2A是根据本发明的表面发射激光元件的另一实施例的示意性 平面图。
图2B是沿图2A的线IIB-IIB截取的示意性剖面图。 图3A是本发明中釆用的导电性GaN衬底的具体实施例的示意性 平面图。
图3B是沿图3A的线IIIB-IIIB截取的示意性剖面图。 图4A是本发明中采用的导电性GaN衬底的另 一具体实施例的示 意性平面图。
图4B是沿图4A的线IVB-IVB截取的示意性剖面图。
图5A是本发明中采用的导电性GaN衬底的再一具体实施例的示
意性平面图。
图5B是沿图5A的线VB-VB截取的示意性剖面图。 图6A是根据本发明的表面发射激光元件的另一具体实施例的示 意性平面图。
图6B是沿图6A的线VIB-VIB截取的示意性剖面图。图7A是根据本发明的表面发射激光元件的另一具体实施例的示 意性平面图。
图7B是沿图7A的线VIIB-VIIB截取的示意性剖面图。 图8A是根据本发明的表面发射激光元件的再一具体实施例的示 意性平面图。
图8B是沿图8A的线VIIIB-VIIIB截取的示意性剖面图。
图9是本发明中采用的光子晶体层的示意性透视图。
图10是图8A和8B中所示的表面发射元件的示意性剖面图，对 应于其制造方法中的第一步骤。
图11是图8A和8B中所示的表面发射元件的示意性剖面图，对 应于其制造方法中的第二步骤。
图12是图8A和8B中所示的表面发射元件的示意性剖面图，对 应于其制造方法中的第三步骤。
图13是图8A和8B中所示的表面发射元件的示意性剖面图，对 应于其制造方法中的第四步骤。
图14是图8A和8B中所示的表面发射元件的示意性剖面图，对 应于其制造方法中的第五步骤。
图15是图8A和8B中所示的表面发射元件的示意性剖面图，对 应于其制造方法中的第六步骤。
图16是根据本发明的表面发射激光元件的再一实施例的示意性 平面图。
图17A是根据本发明的表面发射激光阵列的实施例的示意性平面图。
图17B是沿图17A的线XVIIB-XVIIB截取的示意性剖面图。
图18A是根据本发明的表面发射激光阵列的另一实施例的示意性
平面图。
图18B是沿图18A的线XVIIIB-XVIIIB截取的示意性剖面图。 图19是表示导电性GaN衬底的低位错密度高电导区和低位错密
度低电导区的扩散电阻的视图。附图标记说明
1表面发射激光元件；2表面发射激光阵列；10导电性GaN 衬底；10a高位错密度高电导区；10b低位错密度低电导区；10c低 位错密度低电导区；10m， 10n， 233m 主表面；11 衬底侧电极；15 半导体侧电极；17衬垫电极；20 III-V族化合物半导体层堆叠体； 21第一堆叠体；22第二堆叠体；30抗蚀剂；40下层衬底；41 剥 离层；70键合引线；103 介电镜；200发射层；200a发射区； 201 缓冲层；210， 220 III-V族化合物半导体层；213, 223 DBR; 215， 225， 226 熔覆层；227， 229接触层；233 光子晶体层；233a 晶体层；233b衍射光栅孔；250载流子狭窄区；250a载流子狭窄 层；250b 绝缘区
具体实施例方式
下面将参考附图描述本发明的具体实施方式
。要注意，图1B、 2B、 6B、 7B、 8B、 10-15、 17B和18B代表表面发射激光元件或表面发射激 光阵列示意性剖面图，不反映导电性GaN衬底和III-V族化合物半导体 层堆叠体中的每个层的实际厚度。为了使III-V族化合物半导体层堆叠 体的层结构清晰，可以用夸张手法图示每个层的厚度。
(第一实施方式)
参考图1A、 1B、 2A和2B，根据本发明的表面发射激光元件的制 造方法包括制备导电性GaN多区域衬底作为导电性GaN衬底10的 步骤，该衬底包括具有高位错密度和高载流子浓度的高位错密度高电 导区10a、具有比高位错高电导区lOa的位错密度低的位错密度的低位 错密度高电导区10b以及具有比高位错高电导区10a的位错密度和载流 子浓度低的位错密度和载流子浓度的低位错密度低电导区10c;形成 in-V族化合物半导体层堆叠体20的半导体层堆叠体形成步骤，该III-V 族化合物半导体层堆叠体包括导电性GaN多区域衬底的一个主表面 10m上的发射层200;以及在III-V族化合物半导体层堆叠体20上形成 半导体层侧电极15并且在该导电性GaN多区域衬底的另一主表面10n
17上形成衬底侧电极11的电极形成步骤。III-V族化合物半导体层堆叠体
20、半导体侧电极15和衬底侧电极11被形成为使得发射层200中载 流子流入的发射区200a被限制位于低位错密度高电导区10b的跨度内 的上方。
在根据本实施方式的表面发射激光元件的制造方法中，III-V族化 合物半导体层堆叠体20、半导体侧电极15和衬底侧电极11被形成为 使得发射层200中载流子流入的发射区200a被限制位于低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方。由此，载流子在发射区200a中均匀地流 动。因此，可以得到发射区200a中具有均匀发光的表面发射激光元件
将m-V族化合物半导体层堆叠体20、半导体侧电极15以及衬底 侧电极ll形成为使得发射层200中载流子流入的发射区200a被限制位 于低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的方法不被特别限制。例 如，这种方法包括如图1A和1B所示形成位于低位错密度高电导区10b 的跨度内的上方的半导体侧电极15的方法、如图2A和2B所示在III-V 族化合物半导体层堆叠体20中形成载流子狭窄区250的方法等等。之 后将详细描述。对于共振器结构，为了使得来自发射区200a的发光从 元件的主表面振荡，可以釆用之后将描述的各种结构。在图1A、 1B、 2A和2B中未示出这种共振器结构。
参考图3A、 3B、 4A、 4B、 5A和5B，根据第一实施方式的表面 发射激光元件的制造方法包括制备导电性GaN多区域衬底作为导电性 GaN衬底10的步骤，该衬底包括具有高的位错密度和载流子浓度的高 位错密度高电导区10a、具有比该高位错高电导区的位错密度低的位错 密度的低位错密度高电导区10b以及具有比该高位错高电导区的位错 密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度的低位错密度低电导区 10c。在此使用的每个区域的位错密度，可以基于CL (阴极发光)方 案，通过直接计算每单位面积的荧光图像中的暗点数目来得到，或者
18基于蚀刻间距测量，通过直接计算每单位面积的蚀刻间距数目来得到。 此外，可以通过C-V (电容-电压测量)或霍尔测量方法来测量每个区 域中的载流子浓度。载流子是有助于导电的空穴或电子的总称，载流 子浓度指有助于导电的空穴或电子的浓度。通过将位错集中在导电性
GaN多区域衬底中的高位错密度高电导区10a，除高位错密度高电导区 10a以外的区域(亦即，低位错密度高电导区10b和低位错密度低电导 区10c)中的位错密度减小。因此，可以在低位错密度高电导区10b和 低位错密度低电导区10c上形成具有低位错密度的III-V族化合物半导 体层堆叠体。因此，可以得到高发光强度和高可靠性的表面发射激光 元件。
例如，下述FP (Fabry-P6rot)型(典型的边缘发射型)激光元件 的寿命大约为100小时至1000小时，该FP激光元件具有上述在发射 层200中位于导电性GaN多区域衬底的高位错密度高电导区10a的跨 度内的上方的发射区200a，而下述FP型激光元件的寿命是50,000小 时或更长，该FP型激光元件具有发射层200中位于除高位错密度高电 导区10a以外的区域的跨度内的上方的发射区200a，其寿命是极其长 的。
本实施方式中采用的导电性GaN多区域衬底的制造方法不被特别 限制。例如，在下层衬底上晶体生长GaN的过程中形成高位错密度高 电导区的地方可以预先制备籽晶。下面将描述这种导电性GaN多区域 衬底的具体制造方法。
首先，制备下层衬底。该下层衬底不被特别限制，只要能晶体生 长GaN。蓝宝石衬底、GaAs衬底等可以被列举。考虑到在后续步骤去 除下层衬底，优选可以被容易地去除的GaAs衬底。
然后，例如，在下层衬底上形成诸如Si02膜的籽晶。该籽晶例如 可以用点状或条带状的形式提供。可以规则地形成多个这种籽晶。具
19体地说，该籽晶被布置成对应于图3A、 4A或5A中的高位错密度高电 导区10a的布置的点状或条带状。
在具有上述形成的籽晶的下层衬底上，例如，通过HVPE (氢化 物气相外延)生长GaN晶体。在晶体生长过程中或在晶体生长之后， 在GaN晶体生长面上形成对应于籽晶的图形形状的晶面。在将籽晶设 置成点状图案的情况下，规则地形成由晶面形成的凹坑。在将籽晶设 置成条带状图案的情况下，形成对应于棱柱的晶面。通过在晶体生长 步骤中将惨杂剂添加到GaN原材料，给予GaN晶体导电性。
以预定结构切出所生长的GaN晶体。通过抛光其表面，得到包括 高位错密度高电导区10a、低位错密度高电导区10b和低位错密度低电 导区10c的导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底lO)。
参考图3A、 3B、 4A、 4B、 5A和5B，在导电性GaN多区域衬底 (导电性GaN衬底10)处形成对应于下层衬底的籽晶布置的高位错密 度高电导区10a。在距高位错密度高电导区10a的预定范围内形成低位 错密度高电导区10b。参考图3A或4A，在将高位错密度高电导区10a 形成为点状的情况下，形成圆环形低位错密度高电导区10b。参考图 5A，在将高位错密度高电导区10a形成为条带状的情况下，低位错密 度高电导区10b被形成为条带状。此外，在低位错密度高电导区10b 和相邻低位错密度高电导区10b之间形成低位错密度低电导区10c。高 位错密度高电导区10a、低位错密度高电导区10b和低位错密度低电导 区10c可以借助于荧光显微镜来观察。
因此，得到包括高位错密度高电导区10a、低位错密度高电导区 10b以及低位错密度低电导区10c的导电性GaN多区域衬底，所述高 位错密度高电导区10a具有至少lxl06cm'2的位错密度和至少 lxl018cm—3的载流子浓度，所述低位错密度高电导区10b具有小于 lxlO、n^的位错密度和至少lxlO"cm—s的载流子浓度，以及所述低位
20错密度低电导区10c具有小于lxlO、m^的位错密度和小于lxlO"cm'3
的载流子浓度。
关于上述导电性GaN多区域衬底中的每个区域的电阻率，高位错 密度高电导区10a和低位错密度高电导区10b的电阻率是0.002Q'cm至 O.lQxm，以及低位错密度低电导区10c的电阻率是0.5^cm至 100000Q'cm。在低位错密度高电导区10b和低位错密度低电导区10b 之间的边界处观察到电阻率的不连续变化。参考图19，通过SSRM(扫 描扩散电阻显微镜)测量上述导电性GaN多区域衬底的低位错密度高 电导区10b和低位错密度低电导区10c的扩散电阻值。据证实，它们相 差至少一个数量级。
参考图1A、 1B、 2A和2B，第一实施方式的表面发射激光元件的 制造方法包括在导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10)的 一个主表面10m上形成包括发射层200的III-V族化合物半导体层堆叠 体20的步骤。在此使用的III-V族化合物半导体层是指由IIIb族元素 与长元素周期表中的Vb族元素氮的化合物形成的半导体层。III-V族 化合物半导体层堆叠体是指III-V族化合物半导体层的堆叠体。
第一实施方式中的in-v族化合物半导体层堆叠体20的层叠结构
不被特别限制，只要该结构适合本发明的目的。下面将参考图1A、 1B、 2A和2B描述其形成实施例。在导电性GaN衬底10上，形成至少一 层第一导电型III-V族化合物半导体层210、发射层200以及至少一层 第二导电型III-V族化合物半导体层220。在导电性GaN衬底10和第 一导电型ni_v族化合物半导体层210之间可以形成缓冲层201。在此 使用的III-V族化合物半导体层是指由IIIb族元素和长元素周期表中的 Vb族元素氮的化合物形成的半导体层。第一导电类型和第二导电类型 指互相不同的导电类型，如n型和p型，或p型和n型。III-V族化合 物半导体层20的层叠结构包括一共振器结构，以使来自发射区200a 的发光从元件的主表面振荡，如之后将描述的(在图1和2中未示出)。
21参考图1A、 1B、 2A和2B，第一实施方式的表面发射激光元件的 制造方法包括在III-V族化合物半导体层堆叠体20的最上层上形成半 导体层侧电极以及在导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10) 的另一主表面10n上形成衬底侧电极11的电极形成步骤。通过形成这 种电极，得到表面发射激光元件。参考图1A和2A，形成与半导体侧 电极15电连接的衬垫电极17。该衬垫电极17用来电连接键合引线。
在第一实施方式的表面发射激光元件的制造方法中，III-V族化合 物半导体层堆叠体20、半导体侧电极15和衬底侧电极11被形成为使 得发射层200中载流子流入的发射区200a被限制位于低位错密度高电 导区10b的跨度内的上方。尽管不特别限制，但是形成III-V族化合物 半导体层堆叠体20、半导体侧电极15和衬底侧电极11的方法优选釆 用下述方法。
(第一实施方式-Al) 参考图1A和1B，在第一实施方式的表面发射激光元件的制造方 法中的电极形成步骤中，半导体侧电极15可以被形成在低位错密度高 区域10b的跨度内的上方的位置，从而发射区200a被限制位于低位错 密度高电导区10b的跨度内的上方。根据该第一实施方式-Al，即使除 在低位错密度高电导区10b下方之外直至高位错密度高电导区10a或低 位错密度低电导区10c下方都扩展形成衬底侧电极11，在低位错密度 高电导区10b的跨度内的上方的位置处形成半导体侧电极15也允许发 射层200中载流子流入的发射区200a被限制到在低位错密度高电导区 10b的跨度内的上方的位置。因此，载流子均匀地流入发射区200a中。 因此，可以得到在发射区200a中具有均匀的发光的表面发射激光元件。
参考图1A和1B，在第一实施方式-Al的表面发射激光元件中半 导体侧电极不透明的情况下，仅仅从接近半导体侧电极15的外圆周的 区域(指距外圆周直到大约5pm的外侧区域；以下相同)的主表面将
22发射区200a (直径D)中的发光提供到外部。通过在半导体侧电极15 中提供至少一个开口 (未示出)，可以通过该开口输出发射区200a中 的发光。此外，通过对半导体侧电极15采用透明电极，可以从半导体 侧电极15的整个区域将发射发射区200a的发光提供到外部。尽管由图 1B明显看出发射层200的发射区200a基本上与半导体侧电极15的形 成区一致，但是在图1A中边界线被移位以有助于观看。
(第一实施方式-A2) 参考图2A和2B，在第一实施方式的表面发射激光元件的制造方 法中的半导体形成步骤中，可以在III-V族化合物半导体层堆叠体20 中形成载流子狭窄区250，从而发射区200a被限制位于低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方。根据第一实施方式-A2，即使除在低位错 密度高电导区10b上方或下方之外直至高位错密度高电导区10a或低位 错密度低电导区10c上方或下方都扩展形成半导体侧电极15和衬底侧 电极11，在III-V族化合物半导体层堆叠体20中形成载流子狭窄区250 也允许发射层200中载流子流入的发射区200a被限制到在低位错密度 高电导区10b的跨度内的上方的位置。因此，载流子均匀地流入发射 区200a中。因此，可以得到在发射区200a中具有均匀的发光的表面发 射激光元件。
形成载流子狭窄区250的方法不被特别限制，只要该方法适合本 发明的目的。例如，在通过台面蚀刻而将该区域分割成台面形状的情 况下，例如，台面侧平面处的蚀刻损伤使流入的载流子中的一些复合。 根据防止这种载流子复合的观点，可以引用如图6B所示由绝缘体形成 载流子狭窄层250a的方法、如图7B所示通过离子注入而形成使其绝 缘化的绝缘区250b的方法等等。
参考图2A和2B，将在中心区具有开口的环形电极形成作为半导 体侧电极15。由于载流子狭窄区250的存在使发射区200a被限制位于 环形半导体侧电极15的开口的跨度内，因此从发射区200a发射的光从环形半导体侧电极15的开口区输出到外部。
关于将发射层200中载流子流入的发射区200a限制在低位错密度 高电导区10b的跨度内的上方的方法，在第一实施方式-Al中已描述了 在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的位置处形成半导体侧电 极15的方法，并且在第一实施方式-A2中已描述了在III-V族化合物半 导体层堆叠体20中形成载流子狭窄区250的方法。优选地，釆用在III-V 族化合物半导体层堆叠体20中形成载流子狭窄区250并且在低位错密 度高电导区10b的跨度内的上方的位置处形成半导体侧电极15的方 法。
尽管在通过第一实施方式的表面发射激光元件的制造方法得到的 表面发射元件中不特别限制允许表面发射的III-V族化合物半导体层堆 叠体20的层叠结构，但是优选引用图6B所示的n型层侧DBR (多层 分布布喇格反射器；以下相同)213和介电镜103的组合结构、图7B 所示的n型层侧DBR213和p型层侧DBR223的组合结构、图8所示 的包括光子晶体层233的结构。
在第一实施方式的表面发射激光元件的制造方法中，根据在导电 性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10)的低位错密度高电导区10b 的跨度内的上方的位置处形成发射区200a的观点，导电性GaN多区域 衬底(导电性GaN衬底10)的主表面10m和10n上的低位错密度高电 导区10b的布置是关键。这个问题下面将具体地描述。
(第一实施方式-Bl) 参考图3A和3B以及图4A和4B，在第一实施方式的表面发射激 光元件的制造方法中采用的导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底 10)中，高位错密度高电导区10a被形成为点状。每个点的高位错密度 高电导区lOa被布置在导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10) 的主表面10m和IOh上具有晶格常数Pd的周期性三角形晶格点(在图
243A的情况下)或正方形晶格点上(在图4A的情况下)。低位错密度 高电导区10b对应于从具有以每个点的中心为中心的半径PD/2的圆形 区排除了各个点的环形区域。高位错密度高电导区10a和低位错密度高 电导区10b的外周实际上成为近似圆形的多边形形状，并近似于图3A 或4A所示的圆形。通过形成位于上述低位错密度高电导区10b的跨度 内的上方的发射区200a，使流入发射区200a的载流子的面内分布均匀。 可以容易地以良好的成品率得到在发射区200a中具有均匀的发光的表 面发射激光元件。
(第一实施方式-B2) 参考图5A和5B，在第一实施方式的表面发射激光元件的制造方 法中采用的导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10)中，高位 错密度高电导区10a被形成为条带状。高位错密度高电导区10a的每一 条带以周期性间隔Ps布置在该导电性GaN多区域衬底的主表面10m 和10n上。低位错密度高电导区10b等于从导电性GaN多区域衬底(导 电性GaN衬底10)的整个区域排除了每一条带和低位错密度低电导区 10c的区域，其中低位错密度低电导区10c被形成为具有位于距每一条 带的中心Ps/2处的中心。通过将发射区200a形成为位于上述低位错密 度高电导区10b的跨度内的上方，使流入发射区200a的载流子的面内 分布均匀。可以容易地以良好的成品率实现在发射区200a中具有均匀 的发光的表面发射激光元件。
(第一实施方式-C) 在第一实施方式的表面发射激光元件的制造方法中采用的导电性 GaN多区域衬底(导电性GaN衬底lO)中，优选高位错密度高电导 区ioa是具有至少lxl06cm—2的位错密度和至少lxlO"cn^的载流子浓 度的区域；低位错密度高电导区10b是具有小于lxlO乞n^的位错密度 和至少lxl018cm—3的载流子浓度的区域；以及低位错密度低电导区是具 有小于lxl06cm—2的位错密度和小于lxlO"cn^的载流子浓度的区域。 通过使用导电性GaN多区域衬底，在具有小于lxl06cm—2的位错密度和至少lxlO"cm's的载流子浓度的低位错密度高电导区10b的跨度内 的上方的位置处形成发射区200a，使均匀地流入发射区的载流子的面 内分布均匀。因此，可以以良好的成品率得到在发射区中具有均匀的 发光和高发光效率的表面发射激光元件。
(第二实施方式)
参考图1A、 1B、 2A和2B，本发明的表面发射激光元件是指包括 导电性GaN衬底10、 m-V族化合物半导体层堆叠体20、半导体层侧 电极15和衬底侧电极11的表面发射激光元件1，其中，所述III-V族 化合物半导体层堆叠体20包括形成在导电性GaN衬底10的一个主表 面10m上的发射层200，所述半导体层侧电极15形成在III-V族化合 物半导体层堆叠体20的最上层上，所述衬底侧电极11形成在导电性 GaN衬底10的另一主表面10n上。导电性GaN衬底包括低位错密度 高电导区10b，该低位错密度高电导区10b是具有小于lxl0^m'z的位 错密度和至少lxl018cm—3的载流子浓度的区域。发射层200中载流子流 入的发射区200a被设置在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方。 由于表面发射激光元件1具有位于低位错密度高电导区10b的跨度内 的上方的发射区200a，所述低位错密度高电导区10b是具有小于 lxlO、m^的位错密度和至少1"018咖'3的载流子浓度的区域，所以流 入发射区200a的载流子的面内分布是均匀的。因此，发射区200a中的 发光是均匀的，以及发光效率得以提高。
(第二实施方式-Al) 参考图1A和1B，根据第二实施方式的表面发射激光元件的实施 例是指包括导电性GaN衬底10、 III-V族化合物半导体层堆叠体20、 半导体层侧电极15和衬底侧电极11的表面发射激光元件1，其中，所 述III-V族化合物半导体层堆叠体20包括形成在导电性GaN衬底10 的一个主表面10m上的发射层200，所述半导体层侧电极15形成在 III-V族化合物半导体层堆叠体20的最上层上，所述衬底侧电极11形 成在导电性GaN衬底IO的另一主表面10n上。导电性GaN衬底包括
26低位错密度高电导区10b，该低位错密度高电导区10b是具有小于
lxl0^m々的位错密度和至少lxlO"cm—s的载流子浓度的区域。半导体 侧电极15形成在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的位置处， 从而发射层200中载流子流入的发射区200a被限制位于低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方。由于表面发射激光元件1具有位于低位 错密度高电导区10b的跨度内的上方的发射区200a，所述低位错密度 高电导区10b是具有小于1><106(^1—2的位错密度和至少lxlO"cm's的载 流子浓度的区域，所以使得流入发射区200a的载流子的面内分布是均 匀的。因此，发射区200a中的发光是均匀的，并且发光效率得以提高。
(第二实施方式-A2) 参考图2A和2B，根据第二实施方式的表面发射激光元件的另一 实施例是指包括导电性GaN衬底10、 III-V族化合物半导体层堆叠体 20、半导体层侧电极15和衬底侧电极11的表面发射激光元件l，其中， 所述III-V族化合物半导体层堆叠体20包括形成在导电性GaN衬底10 的一个主表面10m上的发射层200，所述半导体层侧电极15形成在 in-V族化合物半导体层堆叠体20的最上层上，所述衬底侧电极11形 成在导电性GaN衬底10的另一主表面10n上。导电性GaN衬底10包 括低位错密度高电导区，该低位错密度高电导区是具有小于lxl06cm'2 的位错密度和至少lxlO"cri^的载流子浓度的区域。在III-V族化合物 半导体层堆叠体中20形成载流子狭窄区250，从而发射层200中载流 子流入的发射区200a被限制位于低位错密度高电导区10b的跨度内的 上方。由于表面发射激光元件1具有位于低位错密度高电导区10b的 跨度内的上方的发射区200，所述低位错密度高电导区10b是具有小于 "106011'2的位错密度和至少lxlO"cm's的载流子浓度的区域，所以使 得流入发射区200的载流子的面内分布是均匀的。发射区200a中的发 光是均匀的，并且发光效率得以提高。
在第二实施方式的表面发射激光元件中，导电性GaN衬底10还 包括高位错密度高电导区10a和低位错密度低电导区10c中的至少一
27个，所述高位错密度高电导区10a是具有至少lxlO、m^的位错密度和 至少lxl018cm—3的载流子浓度的区域，所述低位错密度低电导区10c 是具有小于lxlO、m々的位错密度和小于lxlO"cn^的载流子浓度的区 域。由于表面发射激光元件1具有位于低位错密度高电导区10b的跨 度内的上方的发射区200a，所述低位错密度高电导区10b是具有小于 1><106011'2的位错密度和至少1><1018(^11'3的载流子浓度的区域，因此即 使在导电性GaN衬底IO中包括高位错密度高电导区10a和低位错密度 低电导区10c中的至少一个，也使流入发射区200a的载流子的面内分 布是均匀的。发射区200a中发射的光是均匀的，并且发光效率得以增 加。
(第三实施方式)
下面将描述根据本发明的表面发射激光元件的具体实施例。参考 图6，根据第三实施方式的表面发射激光元件1包括导电性GaN衬底 10和III-V族化合物半导体层堆叠体20，所述层堆叠体20包括形成在 导电性GaN衬底10的一个主表面10m上的发射层200。参考图6A和 6B，该元件还包括在III-V族化合物半导体层堆叠体20的最上层(接 触层229)上的衬垫电极17，用于与键合引线电连接；形成为电连接 到衬垫电极17的环形P型半导体侧电极15;和布置在环形半导体侧电 极15的内圆周侧的介电镜103。
参考图6B，图6B代表对应于表面发射激光元件1的剖面的具体 结构，在n型导电性GaN衬底IO的一个主表面10m (形成有III-V族 化合物半导体层堆叠体的主表面；以下相同)上形成有缓冲层201。对 于缓冲层201的材料，可以采用n型GaN (n导电型的GaN)。
在缓冲层201上形成有n型层侧DBR 213。该DBR213是具有多 个堆叠体的n型AlGaN和n型GaN层的多层膜。在DBR 213上形成 有n型熔覆层215。对于熔覆层215的材料，例如，可以采用n型AlGaN。 在熔覆层215上形成有发射层200。对于该发射层200，例如，可以采
28用具有层叠的GalnN层和GaN层的多层膜结构的多量子阱发射层。在 发射层200上形成p型熔覆层225。对于该熔覆层225的材料，例如， 可以采用p型AlGaN。在熔覆层225上形成p型接触层227。对于该接 触层227的材料，例如，可以采用GaN。
在接触层227上设置有由绝缘体形成的载流子狭窄层250a。对于 载流子狭窄层250a的材料，例如，可以采用由Si02形成的绝缘膜。在 该载流子狭窄层250a中，在n型导电性GaN衬底10的低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方和之后将描述的介电镜103下方的位置处， 形成有具有圆形平面形状的开口。该开口适于用作发射区200a。换句 话说，发射区200a被形成为位于低位错密度高电导区10b的跨度内的 上方和其中形成有介电镜103的区域的跨度内的上方。该开口的直径 等于宽度D (参考图6)。在载流子狭窄层250a上形成p型接触层229。 对于接触层229的材料，例如，可以采甩GaN。在接触层229上形成 有上述环形半导体侧电极15和介电镜103。介电镜103可以是，例如， 由ZnS和MgF2形成的多层膜。DBR 213的厚度T (参考图6B)优选 至少3pm且不超过6|im。
如果在蓝宝石衬底上形成具有3jrni以上厚度的DBR213，那么由 于蓝宝石衬底和DBR213之间的晶格常数的差异，将发生显著的应变。 结果，可能产生断裂而使性能劣化。在导电性GaN衬底10上形成有 DBR213的情况下，由于导电性GaN衬底10和DBR213之间的晶格匹 配显著地增加，应变将减小。结果，可以抑制断裂产生。通过采用导 电性GaN衬底lO，可以形成具有上述范围内的厚度的厚DBR213。利 用这种厚DBR 213的优点，对于将被输出为激光束的光波长，可以实 现高反射率。结果，可以从介电镜103侧输出激光束。
此外，在n型导电性GaN衬底(n导电型的导电性GaN衬底)10 的另一主表面10n(未形成有III-V族化合物半导体层堆叠体的主表面； 以下相同)上形成有衬底侧电极ll (n侧电极)。由于本实施方式的表面发射激光元件具有在发射层200中位于导
电性GaN衬底10中的低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的发射 区200a，因此，即使在导电性GaN衬底10中包括高位错密度高电导 区10a和低位错密度低电导区10c中的至少一个，也使流入发射区200a 的载流子的面内分布是均匀的。发射区200a中的发光表现为均匀的。 此外，当低位错密度高电导区10b具有小于lxl(^cm々的位错密度和至 少lxlO"cm's的载流子浓度时，发光效率得以进一步提高。
(第四实施方式) 下面将描述根据本发明的表面发射激光元件的另一具体实施例。 参考图7，本实施方式的表面发射激光元件1具有类似于图6所示的第 三实施方式的表面发射激光元件的平面结构，而不同之处在于，如图6 所示的介电镜103没有被布置在环形半导体侧电极15的内圆周侧。参 考图7 (b)的剖面结构，在n型导电性GaN衬底10的一个主表面10m 上布置有缓冲层201、 DBR213、熔覆层215和发射层200，且在n型 导电性GaN衬底IO的另一主表面10n上形成有衬底侧电极ll(n侧电 极)。图7B的表面发射激光元件的发射层200下面的层结构类似于图 6B所示的第三实施方式的表面发射激光元件的。图7B的表面发射激 光元件的发射层200上面的层结构不同于图6B所示的第三实施方式的 表面发射激光元件的。
具体地，如图7B所示，本实施方式的表面发射激光元件具有形成 在发射层200上的p型熔覆层225。在该熔覆层215上形成有p型层侧 DBR 223。 DBR 223采取具有交替地堆叠体的多种类型的氮化物外延层 的多层膜结构。例如，DBR 223可以采取具有交替地堆叠体的AlGaN 和GaN的多层膜结构，或具有交替地堆叠体的MGaN和GalnN的多层 膜结构。然后，在DBR 223上形成有p型接触层229。在接触层229 上形成有环形半导体侧电极15。在DBR223和熔覆层225中形成有通 过注入离子而使其绝缘的绝缘区250b。在熔覆层225中，在位于环形半导体侧电极15的内圆周侧的正下方的区域以及在n型导电性GaN衬 底IO的低位错密度高电导区10b的跨度内的上方，形成具有圆形平面 形状的区域，该区域没有形成绝缘区250b。该区域适于用作发射区 200a。例如，该区域的宽度D(直径)可以被设为5|im。例如，DBR213 和223的厚度T可以被设为至少3pm且不超过6|im。
由于根据这种结构，在导电性GaN衬底10上，由氮化物半导体 层形成的DBR213和223可以被设置成较厚(3|im至6pm的膜厚)， 在两个DBR 213和223之间可以充分地反射在发射层200处发射的光。 结果，能使足够光通量的激光束振荡。
由于本实施方式的表面发射激光元件具有在发射层200中位于导 电性GaN衬底10中的低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的发射 区200a，因此，即使在导电性GaN衬底10中包括高位错密度高电导 区10a和低位错密度低电导区10c中的至少一个，也可以使流入发射区 200a的载流子的面内分布是均匀的。发射区200a中的发光是均匀的。 当低位错密度高电导区10b具有小于lxl06cm'2的位错密度和至少 lxlO"cri^的载流子浓度时，发光效率得以进一步提高。
(第五实施方式) 下面将描述根据本发明的表面发射激光元件的再一具体实施例。 关于平面结构，如图8A所示，本实施方式的表面发射激光元件1具有 半导体侧电极15和衬垫电极17，所述衬垫电极17形成在III-V族化合 物半导体层堆叠体的最上层(接触层229)上，与半导体侧电极15电 连接。关于剖面结构，在n型导电性GaN衬底10的一个主表面10m 上形成有构成III-VV族化合物半导体层堆叠体20的n型熔覆层215、 发射层200、 p型熔覆层225、光子晶体层233、 p型熔覆层226和接触 层229。虽然在图8B中未示出，但是在导电性GaN衬底10和n型熔 覆层215之间可以形成缓冲层。在接触层229上形成有半导体侧电极 15。在n型导电性GaN衬底10的另一主表面10n上形成有衬底侧电极
3111 (n侧电极)。
图8B所示的本实施方式的表面发射激光元件没有图6B中所示的 第三实施方式的表面发射激光元件中找到的DBR 213和介电镜103的 复杂共振器结构，或图7B所示的第四实施方式的表面发射激光元件中 找到的一对DBR213和223的复杂共振器结构。通过将光子晶体层233 用作形成在两个p型熔覆层225和226之间的二维衍射光栅，允许表 面发射。
在图8B所示的本实施方式的表面发射激光元件中，在接触层229 上形成半导体侧电极15，接触层229是III-V族化合物层20的最上层， 并且也在导电性GaN衬底IO的低位错密度高电导区10b的跨度内的上 方。通过在III-V族化合物半导体层堆叠体20和导电性GaN衬底10 上分别形成的半导体侧电极15和衬底侧电极11，发射区200a位于低 位错密度高电导区10b的跨度内的上方。例如，发射区200a可以具有 约50jim至200]Lim的宽度D (直径)。
参考图8A和8B，本实施方式的表面发射激光元件具有在导电性 GaN衬底IO的一个主表面10m上依次层叠的n型熔覆层215、发射层 200、p型熔覆层225、光子晶体层233、p型熔覆层226以及接触层229。 半导体侧电极15被设置在接触层229上。衬底侧电极ll (n侧电极) 被设置在导电性GaN衬底IO的另一主表面10n上。例如，半导体侧电 极15和衬底侧电极11由Au (金)形成。
例如，发射层200由(OSx, ySl, O^x+y^l)的AlxGai-x-yInyN的多 量子阱形成。发射层200可以由一种半导体材料形成。发射层200可 以形成为沿光子晶体层233设置的在预定方向上延伸的多个量子线或 形成为沿光子晶体层233设置的多个量子箱。每个量子线具有允许电 子的能级将在两个方向即纵向和与其垂直的方向上离散的尺寸(例如，大约几十nm)。每个量子箱具有允许电子的能级将在三个互相垂直的 方向上离散的尺寸(例如，大约几十nm)。由于通过具有这种量子结 构而增大了状态密度，所以发光效率得以提髙并且使发射光谱是尖锐 的。
下面将参考图9描述光子晶体层233。光子晶体层233包括晶体 层233a和具有比晶体层233a的折射率低的折射率的多个衍射光栅孔 233b。晶体层233a由GaN形成，以及晶体层233a中形成的孔是衍射 光栅孔233b。换句话说，空气构成衍射光栅孔233a。
在光子晶体层233中，设置多个衍射光栅孔233b，以在晶体层233a 的一个主表面上形成三角形晶格或正方形晶格。每个衍射光栅孔223b 被设置为柱状(例如，圆柱形)空间。对于各个衍射光栅孔， 一个衍 射光栅孔233b的中心和相邻衍射光栅孔233b的中心之间的距离Pp是 相等的，例如是0.16pm。此外，例如，衍射光栅孔233b的直径Dp是 0.06,。
在光子晶体层233中，晶体层233a具有第一折射率(对于GaN 为2.54)，且周期性地形成的衍射光栅孔233b具有第二折射率(对于 空气为1)。衍射光栅孔233b可以填有与晶体层233a的材料不同的材 料。但是，衍射光栅孔233b优选未填有任何东西(即，对应于存在诸 如空气的气体的状态)，以便得到第一折射率和第二折射率之间的大 差异。这种折射率的大差异允许光封闭在第一折射率的介质中。填充 衍射光栅孔233b的材料，即，低折射率的介电材料，包括氮化硅膜 (SiNx)等等。
对应于衍射光栅的光子晶体层233在第一方向和与第一方向成预 定角度的第二方向上具有相等的周期(对应于晶格常数的值)。对于 光子晶体层233,上述的两个方向和这些方向上的周期允许各种选择。 通过至少将发射区200a的跨度内的导电性GaN衬底10和晶体层233a
33的区域的位错密度设为不超过lxl0、m气在发射区200a的跨度内的晶 体层233a中形成衍射光栅孔233b的蚀刻步骤过程中，将不再产生由于 位错而导致的缺陷的聚合体(aggregate)。
下面将描述的本实施方式的表面发射激光元件的表面发射。参考 图8B,施加正电压到半导体侧电极15，导致将空穴从p型熔覆层225 和226引入发射层200中，并将电子从n型熔覆层215引入发射层200 中。空穴和电子(空穴和电子总称为载流子)引入发射层200中引起 载流子的复合，从而产生光。产生的光波长由发射层200中的半导体 层的带隙来限定。
尽管在发射层200处产生的光被n型熔覆层215和p型熔覆层225 封闭在发射层200中，但是一些光到达光子晶体层233,作为瞬逝光 (evanescent light)。当到达光子晶体层233的瞬逝光的波长匹配光子 晶体层233的预定周期时，该光将以对应于这些周期的波长来重复衍 射，从而产生驻波，并且相位条件被限定。具有被光子晶体层233限 定的相位的光被反馈到发射层200中的光，仍然产生驻波。该驻波满 足在光子晶体层233限定的光波长和相位条件。
由于发射层200和光子晶体层233形成有二维扩散，所以在发射 区233a可能出现这种现象。在此状态之下积累足够数量光的情况下， 在垂直于光子晶体层233的主表面233m的方向上(图8B中，向上)， 在从III-V族化合物半导体层堆叠体20的最外层的主表面受激发射中， 输出匹配波长和相位条件的光。
例如，下面将列举本实施方式的半导体激光元件1的每个部分的 尺寸。导电性GaN衬底10的厚度例如是100pm。光子晶体层233的厚 度例如是O.l)im。每个n型熔覆层215和p型熔覆层226的厚度例如是 0.5nm。每个发射层200和p型熔覆层225的厚度例如是O.lpm。
34对于一个表面发射激光元件1，上述第三至第五实施方式都对应
于具有一个发射区200a的元件，如图6A、 7A和8A所示。但是在一 个表面发射激光元件中，发射区的数目不限于一个。例如，根据增加 每一个元件的发光强度的观点，优选一个表面发射激光元件具有多个 表面发射区的元件，如图16所示。
(第六实施方式)
参考图17A、 17B、 18A和18B，根据本发明的表面发射激光阵列 的制造方法是指包括多个表面发射激光元件1的表面发射激光阵列2 的制造方法。该制造方法包括制备导电性GaN多区域衬底作为导电 性GaN衬底10的步骤，该衬底具有高位错密度和高载流子浓度的高位 错密度高电导区10a、具有比高位错高电导区10a的位错密度低的位错 密度的低位错密度高电导区10b以及具有比高位错高电导区10a的位错 密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度的低位错密度低电导区 10c;在导电性GaN多区域衬底的一个主表面10m上形成包括发射层 200的III-V族化合物半导体层堆叠体20的半导体层堆叠体形成步骤； 以及在in-V族化合物半导体层堆叠体20上形成半导体层侧电极15并 且在导电性GaN多区域衬底的另一主表面10n上形成衬底侧电极11 的电极形成步骤。III-V族化合物半导体层堆叠体、半导体侧电极和衬 底侧电极15被形成为使得表面发射激光阵列2中的每个表面发射激光 元件1的发射层200中载流子流入的发射区被限制位于低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方。
在本实施方式的表面发射激光阵列元件的制造方法中，通过将 ni-V族化合物半导体层堆叠体、半导体侧电极和衬底侧电极15形成为 使得表面发射激光阵列2中的每个表面发射激光元件1的发射层200 中载流子流入的发射区200a被限制位于低位错密度高电导区200a的跨 度内的上方，载流子均匀地流入发射区200a。因此，可以得到在发射 区200a中均匀的发光的表面发射激光阵列2。在第六实施方式的表面发射激光阵列元件的制造方法中，iii-v族
化合物半导体层堆叠体、半导体侧电极和衬底侧电极15被形成为使得 表面发射激光阵列2中的每个表面发射激光元件1的发射层200中载 流子流入的发射区200a被限制位于低位错密度高电导区10b的跨度内 的上方。尽管未特别限制，但是对于iii-v族化合物半导体层堆叠体20、 半导体侧衬底15和衬底侧电极11的形成方法，优选釆用下述方法。
(第六实施方式-Al) 在参考图17A和17B的第六实施方式的表面发射激光阵列的制造 方法的电极形成步骤中，半导体侧电极15可以形成在低位错密度高电 导区10b的跨度内的上方的位置处，从而发射区200a被限制位于低位 错密度高电导区10b的跨度内的上方。根据第一实施方式-Al，即使除 在低位错密度高电导区10b下方之外直至高位错密度高电导区10a或低 位错密度低电导区10c下方都扩展形成衬底侧电极11，在低位错密度 高电导区10b的跨度内的上方的位置处形成半导体侧电极15也允许发 射层200中载流子流入的发射区200a被限制在低位错密度高电导区 10b的跨度内的上方的位置。因此，载流子入均匀地流入发射区200a 中。因此，可以得到在发射区200a中均匀的发光的表面发射激光阵列。
参考图17A和17B，当在第六实施方式-Al的表面发射激光元件 中半导体侧衬底15不透明时，仅仅从接近半导体侧电极15的外圆周 的区域(指距外圆周约5pm的外侧区域；以下相同)的主表面将发射 区200a (直径D)中的发光提供到外部。通过在半导体侧电极15中设 置至少一个开口 (未示出)，可以通过该开口输出发射区200a中的发 光。此外，通过对半导体侧电极15采用透明电极，可以从半导体侧电 极15的整个区域将发射区200a的发光提供到外部。尽管由图17B明 显看出，发射层200的发射区200a基本上与半导体侧电极15的形成区 一致，但是在图17A中边界线被移位以有助于观看。
(第六实施方式-A2)
36参考图18A和18B，在第一实施方式的表面发射激光元件的制造
方法的半导体形成步骤中，可以在m-v族化合物半导体层堆叠体中形
成载流子狭窄区250，从而发射区200a被限制在低位错密度高电导区 的跨度内的上方的位置。根据第六实施方式-A2，即使除在低位错密度 高电导区10b上方或下方之外直至高位错密度高电导区10a或低位错密 度低电导区10c上方或下方都扩展形成半导体侧电极15和衬底侧电极 11，在III-V族化合物半导体层堆叠体20中形成载流子狭窄区250也 允许每个表面发射激光元件1的发射层层200中载流子流入的发射区 200a被限制在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的位置。因此， 载流子均匀地流入发射区200a中。因此，可以得到在发射区200a中均 匀的发光的表面发射激光阵列。
形成载流子狭窄区250的方法不被特别限制，只要该方法适合本 发明的目的。例如，在通过台面蚀刻而将该区域分割成台面形状的情 况下，例如，通过该台面侧平面处的蚀刻损伤，将使流入的载流子中 的一些复合。根据防止这种载流子复合的观点，可以引用如图6B所示 由绝缘体形成载流子狭窄层250a的方法、如图7B所示形成通过离子 注入而使其绝缘化的绝缘区250b的方法等等。
参考图18A和18B，形成具有位于导电性GaN衬底10的低位错 密度高电导区10b的跨度内的上方的开口的环形半导体侧电极15，作 为每个表面发射激光元件1的半导体侧电极15。由于通过上述载流子 狭窄区250，发射区200a被限制位于环形半导体侧电极15的开口区的 跨度内，因此从环形半导体侧电极15的开口区将每个表面发射激光元 件1的发射区200a的发光输出到外部。
关于将每个表面发射激光元件的发射层200中载流子流入的发射 区200a设置在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的方法，在第 一实施方式-Al中已描述了在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方 的位置处形成半导体侧电极15的方法，并且在第六实施方式中描述了
37在III-V族化合物半导体层堆叠体20中形成载流子狭窄区250的方法。
优选地，采用在m-v族化合物半导体层堆叠体20中形成载流子狭窄
区250并且在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的位置处形成 半导体侧电极15的方法。
尽管在通过第六实施方式的表面发射激光阵列的制造方法得到的 每个表面发射元件中不特别限制允许表面发射的III-V族化合物半导体 层堆叠体20的层叠结构，但是优选引用图6B中所示的n型层侧DBR (多层分布布喇格反射器；以下相同)213和介电镜103的组合结构、 图7B所示的n型层侧DBR 213和p型层侧DBR 223的组合结构、图 8B所示的包括光子晶体层233的结构等等。
在第六实施方式的表面发射激光元件的制造方法中，根据在导电 性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10)的低位错密度高电导区10b 的跨度内的上方的位置处形成每个表面发射激光元件1的发射层200的 发射区200a的观点，导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底lO) 的主表面10m和10n上的低位错密度高电导区10b的布置是关键。下 面将具体描述这个问题。
(第六实施方式-Bl) 参考图3A、 3B、 4A和4B，在第六实施方式的表面发射激光阵列 的制造方法中采用的导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10) 中，高位错密度高电导区10a被形成为点状。高位错密度高电导区10a 的每个点被布置在导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10)的 主表面10m和10n上的具有晶格常数PD的周期性三角形晶格点(在图 3A的情况下)或正方形晶格点(在图4A的情况下)上。低位错密度 高电导区10b对应于从具有以每个点的中心为中心的半径PD/2的圆形 区域排除各个点外的环形区域。高位错密度高电导区10a和低位错密度 高电导区10b的外周实际上成为近似圆形的多边形形状，并近似于图 3A或4A所示的圆形。通过形成位于上述确定的低位错密度高电导区
38的跨度内的上方的每个表面发射激光元件的发射区，使流入发射区
200a的载流子的面内分布均匀。可以容易地以良好的成品率得到表面 发射激光阵列2，所述表面发射激光阵列2包括多个在发射区200a中 具有均匀的发光的表面发射激光元件1。
(第六实施方式-B2) 参考图5A和5B，在第六实施方式的表面发射激光阵列的制造方 法中采用的导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10)中，高位 错密度高电导区10a被形成为条带状。高位错密度高电导区10a的每一 条带以周期性间隔Ps布置在导电性GaN多区域衬底的主表面10m和 10n上。低位错密度高电导区10b是从导电性GaN多区域衬底(导电 性GaN衬底IO)的整个区域排除了每一条带和低位错密度低电导区10c 的区域，其中所述低位错密度低电导区10c被形成为具有位于距每一条 带的中心Ps/2处的中心。通过形成位于上述确定的低位错密度高电导 区的跨度内的上方的每个表面发射激光元件的发射区，使流入发射区 200a的载流子的面内分布均匀。可以容易地以良好的成品率得到表面 发射激光阵列2，所述表面发射激光阵列2包括多个在发射区200a中 具有均匀的发光的表面发射激光元件1。
(第六实施方式-C) 在第六实施方式的表面发射激光阵列的制造方法中采用的导电性 GaN多区域衬底(导电性GaN衬底lO)中，优选高位错密度高电导 区是具有至少lxlO、n^的位错密度和至少lxlO"cm's的载流子浓度的 区域；低位错密度高电导区是具有小于lxl06cm—2的位错密度和至少 lxl018cm—3的载流子浓度的区域；以及低位错密度低电导区是具有小于 lxl()^m々的位错密度和小于lxlO"cn^的载流子浓度的区域。通过基 于导电性GaN多区域衬底，在具有小于lxl06cm—2的位错密度和至少 lxlO"cn^的载流子浓度的低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的 位置处形成每个表面发射激光元件1的发射区200a，使电流均匀地流 入发射区的载流子的面内分布均匀。因此，可以容易地以良好的成品率得到表面发射激光阵列2，所述表面发射激光阵列2包括多个在发射
区200a中具有均匀的发光的表面发射激光元件1。
(第七实施方式)
参考图17A、 17B、 18A和18B，根据本发明的表面发射激光阵列 是指包括多个表面发射激光元件1的表面发射激光阵列2，其中所述表 面发射激光元件l包括导电性GaN衬底10、11I-V族化合物半导体层堆 叠体20、半导体层侧电极15和衬底侧电极11，其中，所述III-V族化 合物半导体层堆叠体20包括形成在导电性GaN衬底10的一个主表面 10m上的发射层200，所述半导体层侧电极15形成在III-V族化合物半 导体层堆叠体20的最上层上，所述衬底侧电极11形成在导电性GaN 衬底IO的另一主表面10n上。表面发射激光阵列2包括导电性GaN多 区域衬底(导电性GaN衬底10)，所述导电性GaN多区域衬底包括 具有高位错密度和高载流子浓度的高位错密度高电导区10a、具有比高 位错高电导区10a的位错密度低的位错密度的低位错密度高电导区10b 和具有比高位错高电导区ioa的位错密度和载流子浓度低的位错密度 和载流子浓度的低位错密度低电导区10c。表面发射激光阵列2中所包 括的每个表面发射激光元件1的发射层200中载流子流入的发射区 200a位于低位错密度高电导区10b的跨度内的上方。
由于第七实施方式的表面发射激光阵列2具有在每个表面发射激 光元件1中位于低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的发射区 zOua， r丌W'IX1导Y瓶/、汰牙J & zuua tr、j载i!/tt于tnj uu n 7t^m均)J 。 凶此，1更 得发射区200a中的发光是均匀的。第七实施方式的表面发射激光阵列 2优选具有下面将描述的第七实施方式-Al或第七实施方式-A2的结 构，从而每个表面发射激光元件1的发射区200a位于低位错密度高电 导区10b的跨度内的上方。
(第七实施方式-Al) 参考图17A和17B，第七实施方式的表面发射激光阵列的实施例
40是指包括多个表面发射激光元件1的表面发射激光阵列2。表面发射激
光元件1包括导电性GaN衬底10、 m-V族化合物半导体层堆叠体20、 半导体层侧电极15和衬底侧电极11，其中，所述m-v族化合物半导 体层堆叠体20包括形成在导电性GaN衬底IO的一个主表面10m上的 发射层200，所述半导体层侧电极15形成在III-V族化合物半导体层堆 叠体20的最上层上，所述衬底侧电极11形成在导电性GaN衬底10 的另一主表面10n上。表面发射激光阵列2包括导电性GaN多区域衬 底(导电性GaN衬底lO)，该衬底包括具有高位错密度和高载流子浓 度的高位错密度高电导区10a、具有比高位错高电导区10a的位错密度 低的位错密度的低位错密度高电导区10b以及具有比高位错高电导区 10a的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度的低位错密 度低电导区10c。半导体侧电极形成在低位错密度高电导区的跨度内的 上方的位置处，从而表面发射激光阵列2中所包括的每个表面发射激 光元件1的发射层200中载流子流入的发射区200a位于低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方。
由于第七实施方式-Al的表面发射激光阵列2具有在每个表面发 射激光元件1中位于低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的发射 区200a，所以使得流入发射区200a的载流子的面内分布是均匀的。因 此，发射区200a中的发光是均匀的。
(第七实施方式-A2) 参考图18A和18B，根据第七实施方式的表面发射激光阵列的另 一实施例是指包括多个表面发射激光元件1的表面发射激光阵列2。表 面发射激光元件l包括导电性GaN衬底10、ni-V族化合物半导体层堆 叠体20、半导体层侧电极15和衬底侧电极11，其中，所述III-V族化 合物半导体层堆叠体20包括形成在导电性GaN衬底10的一个主表面 10m上的发射层200，所述半导体层侧电极15形成在III-V族化合物半 导体层堆叠体20的最上层上，所述衬底侧电极11形成在导电性GaN 衬底10的另一主表面10n上。表面发射激光阵列2包括导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底lO)，该衬底包括具有高位错密度和高载 流子浓度的高位错密度高电导区10a、具有比高位错高电导区10a的位 错密度低的位错密度的低位错密度高电导区10b以及具有比高位错高 电导区10a的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度的低 位错密度低电导区10c。在m-v族化合物半导体层堆叠体中20形成载 流子狭窄区250，从而表面发射激光阵列2中所包括的每个表面发射激 光元件1的发射层200中载流子流入的发射区被限制在低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方。
由于第七实施方式-A2的表面发射激光阵列2具有在每个表面发 射激光元件1中位于低位错密度高电导区10b的跨度内的上方的发射 区200a，所以使得流入发射区200a的载流子的面内分布是均匀的。发 射区200a中的发光是均匀的。
在第七实施方式的表面发射激光阵列的导电性GaN多区域衬底 (导电性GaN衬底lO)中，优选高位错密度高电导区10a是具有至 少lxlO、rr^的位错密度和至少lxlO"cn^的载流子浓度的区域；低位 错密度高电导区10b是具有小于lxl06cm'2的位错密度和至少 lxlO"cm's的载流子浓度的区域；以及低位错密度低电导区lOc是具有 小于lxlO、rr^的位错密度和小于lxlO"cm—s的载流子浓度的区域。由 于表面发射激光阵列2具有在每个表面发射激光元件1中位于低位错 密度高电导区10b的跨度内的上方的发射区200a，所述低位错密度高 电导区10b是具有小于lxlO、m々的位错密度和至少"1018(^3的载流 子浓度的区域，所以使得流入发射区200a的载流子的面内分布是均匀 的。因此，发射区200a中的发光是均匀的，并且发光效率得以提高。
参考图17A、 18A和18B，第七实施方式的表面发射激光阵列2 配置成具有多个排列在单个导电性GaN衬底10和III-V族化合物半导 体层堆叠体20的一个堆叠体上的表面发射激光元件1的单位元件(使 用一个堆叠体形成多个单位元件)。图17A和17B对应于图1A和1B
42中所示的表面发射激光元件的布置，亦即排列在两行中的单位元件。
此外，图18A和18B对应于图2A和2B所示的表面发射激光元件的布 置，亦即排列在两行中的单位元件。单位元件中的衬垫电极17被固定 地连接到由金制成的键合引线70。通过这种表面发射激光阵列，可以 得到足够的激光束功率。
实施例 (实施例l)
下面将描述第三实施方式的表面发射激光元件的具体实施例。在 具有以400nm的间隔而形成为条带状的Si02膜的籽晶的GaAs衬底 (下层衬底)上，通过HVPE，使用Si作为掺杂剂，晶面生长形成n 型导电性GaN多区域衬底作为导电性GaN衬底10，该衬底包括具有 至少lxlO、m々的位错密度和至少lxlO"cm—s的载流子浓度的高位错密 度高电导区10a、具有小于lxlO、m^的位错密度和至少lxlO"cm's的 载流子浓度的低位错密度高电导区10b以及具有小于lxlO、m々的位错 密度和小于^1018(^3的载流子浓度的低位错密度低电导区10c。通过 CL方案测量每个区域的位错密度，以及通过C-V方案和霍尔测量方案 测量每个区域中的载流子浓度。
参考图6B，在n型导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10) 的一个主表面10m上形成有包括发射层200的m-V族化合物半导体层 堆叠体20。在该III-V族化合物半导体层堆叠体20的最上层上形成有 环形半导体层侧电极15。在该n型导电性GaN多区域衬底IO(导电性 GaN衬底lO)的另一主表面10n上形成有衬底侧电极11。发射层200 的发射区200a被设置在低位错密度高电导区10b的跨度内的上方。
通过MOCVD (金属有机化学气相淀积)形成III-V族化合物半导 体层堆叠体20。具体地说，如下所述形成III-V族化合物半导体层堆叠 体20。首先，在n型导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10)上 形成n型GaN缓冲层作为缓冲层201。在缓冲层201上形成BDR213。 对于该BDR213，采用Alo.3Gao.7N/GaN多层结构(具有交替地层叠的 Alo,3Gao.7N层和GaN层的层状结构)。每一组(一对)A1Q.3GQ.7N层和 GaN层的总厚度大约是86nm，并且制造60对多层结构。在该DBR 213 上形成n型熔覆层215。对于发射层200，在熔覆层215上形成 Gao.9lncuN/GaN多量子阱结构。具体地说，形成具有交替地层叠的 Ga0.9In(nN和GaN层的多层结构。在该发射层200上，形成具有类似 于上述熔覆层215的结构的p型熔覆层225。 N型熔覆层215是n型 Alo.!5Gao.85N熔覆层，p型熔覆层225是p型Alo.15GaG.85N熔覆层。
然后，在p型熔覆层225上形成p型接触层227。该p型接触层 227是p+型GaN接触层。在该p型接触层227上设置由Si02绝缘体形 成的电流狭窄层250a。电流狭窄层250a被形成为使得由电流狭窄层 250a规定的发射区200a(由通过电流狭窄层250a形成的具有圆形平面 形状的开口所限定的区域)位于导电性GaN衬底IO中的低位错密度高 电导区10b的跨度内的上方。发射区200a的直径D是5pm。在电流狭 窄层250a上形成具有与上述p型接触层227的组成相同的组成的p型 接触层229。
然后，在p型接触层229上形成环形半导体侧电极15 (p侧电极) 和介电镜103。在n型导电性GaN衬底10的另一主表面10n上形成衬 底侧电极ll (n侧电极)。因此，得到本实施例的表面发射激光元件。 对于介电镜103，采用对于420nm左右的光波长具有99%的反射率的 ZnS/MgF2多层膜(12对)。介电镜103被形成为使得介电镜103的形 成区103包括发射区200a的整体。布置成围绕介电镜103的环形半导 体侧电极15被用来将电流引入上述发射区。
在施加电流到该得到的表面发射激光元件时，观察到至少8kA/cm2 的电流密度下的激光振荡，并且它的发光是均匀的。
44(比较例1)
除了将电流狭窄层250形成为使得发射区200a位于导电性GaN 衬底10的低位错密度高电导区10b和低位错密度低电导区10c的跨度 内的上方之外，用类似于实施例1的方式得到表面发射激光元件。位 于发射区200a的跨度内的下方的低位错密度高电导区10b与低位错密 度低电导区10c的面积比是3:l。在施加电流到该得到的表面发射激光 元件时，观察到至少7.5kA/cr^的电流密度下的激光振荡，并且它的发 光是不均匀的。
(实施例2)
下面将描述第四实施方式的表面发射激光元件的具体实施例。首 先，制备具有类似于实施例1的性能的导电性GaN多区域衬底(导电 性GaN衬底lO)。然后，参考图7B，在n型导电性GaN多区域衬底 (导电性GaN衬底10)的一个主表面10m上形成包括发射区200的 III-V族化合物半导体层堆叠体20。在该III-V族化合物半导体层堆叠 体20的最上层上形成环形半导体层侧电极15。在该n型导电性GaN 多区域衬底IO(导电性GaN衬底10)的另一主表面10n上形成衬底侧 电极11。发射层200的发射区200a被设定成位于低位错密度高电导区 10b的跨度内的上方。
通过MOCVD (金属有机化学气相淀积)形成III-V族化合物半导
体层堆叠体20。具体地说，如下所述形成in-v族化合物半导体层堆叠
体20。
用类似于实施例l的方式，在n型导电性GaN多区域衬底(导电 性GaN衬底10)上顺次形成缓冲层201 (n型GaN缓冲层)、BDR213 (60对Alo.3Gac).7N/GaN的多层结构；每对Alo.3Gao.7N层和GaN层的总 厚度大约是80nm) 、 n型熔覆层215 (n型AlQ.15Ga().85N熔覆层)、发 射层200 (Ga。.9ln(uN/GaN多量子阱结构)以及p型熔覆层225 (p型Al(U5Gao.85N熔覆层)。
然后，在p型熔覆层225上形成DBR 223。 DBR 213采用60对 Al0.3Gao.7N/GaN的多层结构(具有交替地层叠的Alo.3Ga。.7N层和GaN 层的多层结构)，即与DBR213相同的结构。每对Al(uGa(uN层和GaN 层的总厚度大约是80nm。在DBR 223上形成P+型GaN接触层作为p 型接触层229。然后，通过台面蚀刻和离子注入，选择部分绝缘，在部 分p型熔覆层225和DBR 223处形成绝缘区250b。绝缘区250b被形 成为使得由绝缘区250b规定的发射区200a (由通过电流狭窄层250a 形成的具有圆形平面形状的开口所限定的区域)位于导电性GaN衬底 10中所包括的低位错密度高电导区10b的跨度内的上方。发射区200a 的直径D是5pm。然后，在p型接触层229上形成环形半导体侧电极 15 (p侧电极)。在导电性GaN衬底IO的另一主表面10n上形成衬底 侧电极ll (n侧电极)。因此，得到本实施例的表面发射激光元件。
在施加电流到该得到的表面发射激光元件时，观察到至少6kA/cm2 的电流密度下的激光振荡，并且它的发光是不均匀的。
(实施例3)
下面将描述第五实施方式的表面发射激光元件的具体实施例。首 先，制备具有类似于实施例1的性能的导电性GaN多区域衬底(导电 性GaN衬底lO)。然后，参考图8B，在n型导电性GaN多区域衬底 (导电性GaN衬底10)的一个主表面10m上形成包括发射区200的 III-V族化合物半导体层堆叠体20。在该III-V族化合物半导体层堆叠 体20的最上层上形成环形半导体层侧电极15。在该n型导电性GaN 多区域衬底10(导电导电性GaN衬底10)的另一主表面10n上形成衬 底侧电极11。发射层200的发射区200a被设定成位于低位错密度高电 导区10b的跨度内的上方。
通过MOCVD (金属有机化学气相淀积)，形成III-V族化合物半
46导体层堆叠体20。具体地说，如下所述形成III-V族化合物半导体层堆
叠体20。
参考图10，在导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底lO)上 顺次形成缓冲层(未示出)(n型GaN缓冲层)、n型熔覆层215 (n 型Alo.15Gao.85N熔覆层)、发射层200(Gao.9ln(uN/GaN多量子阱结构)、 p型熔覆层225 (p型Alo.15Ga().85N熔覆层)以及用以形成光子晶体的 晶体层233a (GaN层)。
参考图11，通过电子束曝光，在晶体层233a上形成预定图案的抗 蚀齐ij 30。具体地说，涂秦女用于电子束曝光的光致抗蚀齐!j (ZEP520: Zeon 公司的产品)，并使用电子束曝光机绘制微孔的抗蚀剂图案。抗蚀剂 30的图案为正方形晶格，对应于间隔0.16inm直径为0.06nm的微孔。
参考图12，使用抗蚀剂30作为掩模，通过ICP ((感应耦合等离 子体)-RIE (反应离子蚀刻)蚀刻晶体层233a。在晶体层233a中的预 定位置处形成O.lpm深度的衍射光栅孔233b，从而形成光子晶体层 233。因此，得到第一堆叠体21。使用氯气和少量稀有气体的混合气体 作为蚀刻气体，在约0.4Pa的高真空中进行蚀刻。由此，可以执行高平 坦性和垂直性的蚀刻。
参考图13，除图12的第一堆叠体21之外，通过MOCVD，在下 层衬底40 (蓝宝石衬底)上形成剥离层41 (Ino.4Gao.6N层)、p型接触 层229 (p+型GaN接触层)以及p型熔覆层226 (p型Alai5Ga0.85N熔 覆层)，从而得到第二堆叠体22。
参考图14，第一堆叠体21与第二堆叠体22熔接成使得第一堆叠 体21的光子晶体层233面对第二堆叠体22的p型熔覆层226。该熔接 在700°C的温度下在氮气环境中进行。参考图15，对于横向蚀刻，施加激光束到剥离层41，由此有选择
地去除剥离层22。因此，使p型接触层229与下层衬底40分离，所述 p型接触层229是III-V族化合物半导体层堆叠体20的最上层。结果， 接触层229的顶表面被露出作为发光面。
参考图8B，在p型接触层229上，在低位错密度高电导区10的 跨度内的上方的位置处形成半导体侧电极，使得发射层200的发射区 200a位于导电性GaN衬底10中的低位错密度高电导区10b的跨度内 的上方。然后，在导电性GaN衬底10n的另一主表面10上形成衬底侧 电极ll (n侧电极)，从而得到本实施例的表面发射激光元件。
在施加电流到该得到的表面发射激光元件时，观察到至少5kA/cm2 的电流密度下的激光振荡，并且它的发光是均匀的。
如上所述，在表面发射激光元件1的制造中，制备导电性GaN多 区域衬底作为导电性GaN衬底10,该衬底包括具有高位错密度和高载 流子浓度的高位错密度高电导区10a、具有比高位错密度高电导区的位 错密度低的位错密度的低位错密度高电导区10b以及具有比高位错高 电导区的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度的低位错 密度低电导区10c。在该导电性GaN多区域衬底(导电性GaN衬底10) 上形成III-V族化合物半导体层叠20，使得发射层中所包括的发射区位 于该低位错密度高电导区的跨度内的上方。因而，流入发射区的电流 是均匀的。因此，可以以良好的成品率得到在发射区中具有均匀的发 光的表面发射激光元件1。
48
权利要求
1. 一种表面发射激光元件(1)的制造方法，包括制备导电性GaN多区域衬底的步骤，所述导电性GaN多区域衬底作为导电性GaN衬底(10)包括高位错密度高电导区(10a)、低位错密度高电导区(10b)以及低位错密度低电导区(10c)，所述高位错密度高电导区(10a)具有高的位错密度和载流子浓度，所述低位错密度高电导区(10b)具有比所述高位错密度高电导区(10a)的位错密度低的位错密度，所述低位错密度低电导区(10c)具有比所述高位错密度高电导区(10a)的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度，半导体层堆叠体形成步骤，在所述导电性GaN多区域衬底的一个主表面(10m)上形成包括发射层(200)的III-V族化合物半导体层堆叠体(20)，以及，电极形成步骤，在所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)的最上层上形成半导体层侧电极(15)，以及在所述导电性GaN多区域衬底的另一主表面(10n)上形成衬底侧电极(11)，其中，所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)、所述半导体侧电极(15)和所述衬底侧电极(11)被形成为使得在所述发射层(200)中的流入载流子的发射区(200a)被限制位于所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
2. 根据权利要求1所述的表面发射激光元件的制造方法，其中， 在所述电极形成步骤中，在所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方的位置处形成所述半导体侧电极(15)，使得所述发射区 (200a)被限制位于所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
3. 根据权利要求l所述的表面发射激光元件的制造方法，其中， 在所述半导体层堆叠体形成步骤中，在所述ni-v族化合物半导体层堆叠体(20)中形成载流子狭窄区(250)，使得所述发射区(200a) 被限制位于所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
4. 根据权利要求l所述的表面发射激光元件的制造方法，其中，将所述高位错密度高电导区(10a)形成为点状，所述高位错密度 高电导区(10a)的每个点被布置在所述导电性GaN多区域衬底的主表 面(10m)上的具有晶格常数Pd的周期性三角形晶格点或正方形晶格 点上，并且所述低位错密度高电导区(10b)是从围绕所述每个点的中心的、 半径为PD/2的圆形区中除所述每个点之外的区域。
5. 根据权利要求l所述的表面发射激光元件的制造方法，其中， 将所述高位错密度高电导区(10a)形成为条带状，所述高位错密度高电导区(10a)的每一条带以周期性间隔Ps布置在所述导电性GaN 多区域衬底的主表面(10m)上，并且所述低位错密度高电导区(10b)是从所述导电性GaN多区域衬 底的整个区域中除所述每一条带和所述低位错密度低电导区(10c)之 外的区域，其中所述低位错密度低电导区(10c)被形成为具有位于距 所述每一条带的中心Ps/2处的中心。
6. 根据权利要求l所述的表面发射激光元件的制造方法，其中， 所述高位错密度高电导区(10a)是具有至少lxlO、n^的位错密度和至少lxlO"cn^的载流子浓度的区域，所述低位错密度高电导区(10b)是具有小于1><10、111—2的位错密 度和至少lxlO"cm—s的载流子浓度的区域，以及，所述低位错密度低电导区(10c)是具有小于lxlO、m々的位错密 度和小于lxlO"cn^的载流子浓度的区域。
7. —种表面发射激光元件，包括导电性GaN衬底(10) ; III-V族化合物半导体层堆叠体(20)， 所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)包括形成在所述导电性GaN 衬底(10)的一个主表面(10m)上的发射层(200);半导体层侧电极(15)，所述半导体层侧电极(15)形成在所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)的最上层上；以及，衬底侧电极(11)，所述衬底侧电极(11)形成在所述导电性GaN衬底(10)的另一主表面(10n) 上，其中，所述导电性GaN衬底(10)包括具有小于1><106()111'2的位错密度 和至少lxlO"cm—s的载流子浓度的低位错密度高电导区(10b);在所述发射层(200)中的流入载流子的发射区(200a)位于所述 低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
8. 根据权利要求7所述的表面发射激光元件，其中， 所述半导体侧电极(15)形成在所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方的位置处，使得所述发射区(200a)位于所述低位错密 度高电导区(10b)的跨度内的上方。
9. 根据权利要求7所述的表面发射激光元件，其中， 在所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)中形成有载流子狭窄区(250)，使得所述发射区(200a)位于所述低位错密度高电导区(10b) 的跨度内的上方。
10. 根据权利要求7所述的表面发射激光元件，其中， 所述导电性GaN衬底(10)还包括具有至少lxlOecm々的位错密度和至少lxl018Cm—3的载流子浓度的高位错密度高电导区(10a)以及 具有小于lxl06cm—2的位错密度和小于lxl018cm—3的载流子浓度的低位 错密度低电导区(10c)中的至少一个。
11. 一种表面发射激光阵列(2)的制造方法，所述表面发射激光 阵列(2)包括多个表面发射激光元件(1)，所述制造方法包括制备导电性GaN多区域衬底的步骤，所述导电性GaN多区域衬底 作为导电性GaN衬底(10)包括高位错密度高电导区(10a)、低位错 密度高电导区(10b)以及低位错密度低电导区(10c)，所述高位错密度高电导区(10a)具有高的位错密度和载流子浓度，所述低位错密度 高电导区(10b)具有比所述高位错密度高电导区(10a)的位错密度低 的位错密度，所述低位错密度低电导区(10c)具有比所述高位错密度 高电导区(10a)的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度，半导体层堆叠体形成步骤，在所述导电性GaN多区域衬底的一个 主表面(10m)上形成包括发射层(200)的III-V族化合物半导体层堆 叠体(20)，以及，电极形成步骤，在所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)的最 上层上形成半导体层侧电极(15)，以及在所述导电性GaN多区域衬 底的另一主表面(10n)上形成衬底侧电极(11)，其中，所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)、所述半导体层 侧电极(15)和所述衬底侧电极(11)被形成为使得在所述表面发 射激光阵列(2)中所包括的每个所述表面发射激光元件(1)的所述 发射层(200)中的流入载流子的发射区(200a)被限制位于所述低位 错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
12. 根据权利要求11所述的表面发射激光阵列的制造方法，其中， 在所述电极形成步骤中，在所述低位错密度高电导区U0b)的跨度内的上方的位置处形成半导体侧电极(15)，使得所述发射区(200a) 被限制在位于所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
13. 根据权利要求11所述的表面发射激光阵列的制造方法，其中， 在所述半导体层堆叠体形成步骤中，在所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)中形成载流子狭窄区(250)，使得所述发射区(200a) 被限制位于所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
14. 根据权利要求11所述的表面发射激光阵列的制造方法，其中， 所述高位错密度高电导区(10a)形成为点状，所述高位错密度高电导区(10a)的每个点被布置在所述导电性GaN多区域衬底的主表面 (10m)上的具有晶格常数Pd的周期性三角形晶格点或正方形晶格点上，并且所述低位错密度高电导区(10b)是从围绕所述每个点的中心的、半径为PD/2的圆形区中除所述每个点之外的区域。
15. 根据权利要求11所述的表面发射激光阵列的制造方法，其中， 将所述高位错密度高电导区(10a)形成为条带状，所述高位错密度高电导区(10a)的每一条带以周期性间隔Ps布置在所述导电性GaN 多区域衬底的主表面(10m)上，并且所述低位错密度高电导区(10b)是从所述导电性GaN多区域衬 底的整个区域除所述每一条带和所述低位错密度低电导区(10c)之外 的区域，其中所述低位错密度低电导区(10c)被形成为具有位于距所 述每一条带的中心Ps/2处的中心。
16. 根据权利要求11所述的表面发射激光阵列的制造方法，其中， 所述高位错密度高电导区(10a)是具有至少1><106(^1—2的位错密度和至少lxl018cm—3的载流子浓度的区域，所述低位错密度高电导区(10b)是具有小于1"06咖'2的位错密 度和至少lxlO"cm's的载流子浓度的区域，以及，所述低位错密度低电导区(10c)是具有小于lxlO、m^的位错密 度和小于lxlO"cm's的载流子浓度的区域。
17. —种表面发射激光阵列(2)，其包括多个表面发射激光元件 (O ，所述表面发射激光元件(1)包括导电性GaN衬底(10) ; m-V 族化合物半导体层堆叠体(20)，所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)包括形成在所述导电性GaN衬底(10)的一个主表面(10m) 上的发射层(200);半导体层侧电极(15)，所述半导体层侧电极(15) 形成在所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)的最上层上；以及， 衬底侧电极(n)，所述衬底侧电极(11)形成在所述导电性GaN衬 底(10)的另一主表面(10n)上，所述表面发射激光阵列(2)包括导电性GaN多区域衬底，该导 电性GaN多区域衬底包括高位错密度高电导区(10a)、低位错密度高 电导区(10b)以及低位错密度低电导区(10c)，所述高位错密度高电 导区(10a)具有高的位错密度和载流子浓度，所述低位错密度高电导 区(10b)具有比所述高位错密度高电导区(10a)的位错密度低的位错 密度，所述低位错密度低电导区(10c)具有比所述高位错密度高电导 区(10a)的位错密度和载流子浓度低的位错密度和载流子浓度，其中，在所述表面发射激光阵列(2)中所包括的每个所述表面发 射激光元件(1)的所述发射层(200)中的流入载流子的发射区(200a) 位于所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。
18. 根据权利要求17所述的表面发射激光阵列，其中， 所述半导体侧电极(15)形成在所述低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方的位置处，使得所述发射区(200a)位于所述低位错密 度高电导区(10b)的跨度内的上方。
19. 根据权利要求17所述的表面发射激光阵列，其中， 在所述III-V族化合物半导体层堆叠体(20)中形成有载流子狭窄区(250)，使得所述发射区(200)位于所述低位错密度高电导区(10b) 的跨度内的上方。
20. 根据权利要求17所述的表面发射激光阵列，其中， 所述高位错密度高电导区(10a)是具有至少1><10、111—2的位错密度和至少lxlO"cm—s的载流子浓度的区域，所述低位错密度高电导区(10b)是具有小于lxl0Vn^的位错密 度和至少lxlO"cn^的载流子浓度的区域，以及，所述低位错密度低电导区(10c)是具有小于lxlO、n^的位错密 度和小于lxlO"cn^的载流子浓度的区域。
全文摘要
一种表面发射激光元件(1)的制造方法，包括制备导电性GaN多区域衬底作为导电性GaN衬底(10)的步骤，所述衬底包括高位错密度高电导区(10a)、低位错密度高电导区(10b)和低位错密度低电导区(10c)；在衬底上形成多个包括发射层(200)的III-V族化合物半导体层堆叠体(20)的半导体层堆叠体形成步骤；以及形成半导体侧电极(15)和衬底侧电极(11)的电极形成步骤。半导体层和电极被形成为使得发射层(200)中载流子流入的发射区(200a)位于低位错密度高电导区(10b)的跨度内的上方。因此，能以良好的成品率得到在发射区中具有均匀的发光的表面发射激光元件。
文档编号H01S5/183GK101501946SQ20078002993
公开日2009年8月5日 申请日期2007年5月21日 优先权日2006年8月11日
发明者中西文毅, 松原秀树, 松川真治, 齐藤裕久 申请人:住友电气工业株式会社