CN101826581A - 氮化镓类半导体光元件及其制造方法、外延晶片 - Google Patents

氮化镓类半导体光元件及其制造方法、外延晶片 Download PDF

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Abstract

一种氮化镓类半导体光元件及其制造方法、外延晶片。所述氮化镓类半导体光元件包括显示较低的压电效应和良好的结晶质量的含铟氮化镓类半导体层。氮化镓类半导体光元件具有GaN支撑体、GaN类半导体区域和阱层。主面从与沿着GaN的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的面起，向另一个晶轴的方向倾斜。倾斜的角度(AOFF)在0.05度以上且小于15度的范围内。角度(AOFF)与矢量(VM)和矢量(VN)形成的角度相等。主面的倾斜由具有代表性的m面和m轴矢量(VM)表示。GaN类半导体区域设置于主面上。活性层的阱层的m面和a面均向主面的法线轴倾斜。阱层的铟组分大于0.1。

Description

氮化镓类半导体光元件及其制造方法、外延晶片
技术领域
本发明涉及一种氮化镓类半导体光元件、制造氮化镓类半导体光元件的方法及外延晶片。
背景技术
非专利文献1记载了GaN类发光二极管。该GaN类发光二极管被制作在m面GaN基板上，并且通过增加从m轴向c轴方向的偏角，改善n型GaN层的表面形态。非专利文献2记载了m面n型GaN膜中的凸起(Hill lock)。
专利文献1记载了利用GaN和InGaN的非极性面(m面或a面)的半导体激光器等。专利文献2记载了降低GaN类半导体固有的压电电场的影响的发光元件。
专利文献1：日本专利3816176号公报
专利文献2：美国专利6849472号公报
非专利文献1：H.Yamada et.al.CRYS-D-08-00657，UCSB
非专利文献2：A.Hirai et.al.，Applied Physics Letter，Vol.91，191906，(2007)
根据非专利文献1，在相对于m面向c轴方向以约3度～10度的角度倾斜的GaN上生长InGaN时，n型GaN层的表面形态得到改善。来自制作于m面基板上的发光元件的发光大幅起偏。如果能够获得由合适的切割面构成的谐振器，则能够制作激光二极管。但是，在向c轴方向的倾斜时，不能提供合适的切割面。由于基板的主面与c面形成不垂直的角度，所以c面切割端面不与波导方向正交。
根据非专利文献2，在m面GaN基板上制作包括InGaN/GaN(8nm/18nm)、AlGaN块层和p型GaN层的发光二极管结构，并观察该发光二极管结构的表面形态。虽然提及了朝向a轴方向和c轴方向的偏离切割(Miscut)角度与表面形态的关系，但是没有提及铟向氮化镓类半导体中的导入。
专利文献1记载了利用非极性面GaN的半导体激光器、发光二极管和面发光二极管。专利文献2提及了降低压电电场的影响。但是，专利文献1和2均没有提及铟向氮化镓类半导体中的导入。
氮化镓类半导体的m面显示非极性。但是，关于InGaN的生长，例如m面GaN与在c面GaN上的生长相比显示较低的铟导入能力。因此，当在m面GaN上生长某种铟组分的InGaN时，通过下述对策弥补铟导入能力的下降。例如，使在m面上生长InGaN时的生长温度比在c面上生长InGaN时的生长温度低。并且，使在m面上生长InGaN时的有机铟原料气体的气相率大于在c面上生长InGaN时的气相率。这些对策均会降低InGaN的结晶质量。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供一种包括显示较低的压电效应和良好的结晶质量的含铟氮化镓类半导体层的氮化镓类半导体光元件、制造该氮化镓类半导体光元件的方法、以及用于氮化镓类半导体光元件的外延晶片。
本发明的一个方面的氮化镓类半导体光元件具有：(a)支撑体，由第1氮化镓类半导体构成，并具有主面，该主面从与沿着该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的基准面起，以0.05度以上且小于15度的范围的倾斜角向该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中另一个晶轴的方向倾斜；(b)设置于所述主面上的第1导电型氮化镓类半导体区域；和(c)用于活性层的半导体外延层，设置于所述第1导电型氮化镓类半导体区域上。所述半导体外延层由第2氮化镓类半导体构成，所述第2氮化镓类半导体包含铟作为构成元素，所述半导体外延层的铟组分大于0.1，所述第2氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿着所述主面的法线方向延伸的法线轴倾斜。
在该氮化镓类半导体光元件中，半导体外延层的氮化镓类半导体包含铟作为构成元素。在该半导体外延层的生长中，虽然正(just)m面和正a面的铟导入能力小于c面的铟导入能力，但是以0.05度以上且小于15度的范围的角度倾斜的主面的铟导入能力大于正m面和正a面。因此，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜0.05度以上，所以支撑体能够提供显示良好的结晶质量的含铟半导体外延层。并且，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜小于15度，所以用于活性层的半导体外延层具有较低的压电效应。
本发明的氮化镓类半导体光元件还具有阻挡层，由第3氮化镓类半导体构成，设置于所述氮化镓类半导体区域上。所述半导体外延层是用于所述活性层的阱层，所述阱层的所述第2氮化镓类半导体由InGaN构成，所述阻挡层的所述第3氮化镓类半导体由GaN或InGaN构成，所述第3氮化镓类半导体的m面和a面均相对于所述法线轴倾斜。
根据这种氮化镓类半导体光元件，由于支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜0.05度以上，所以支撑体能够提供显示良好的结晶质量的InGaN阱层。并且，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜小于15度，所以用于活性层的InGaN阱层具有较低的压电效应。
在本发明的氮化镓类半导体光元件中，所述倾斜角为0.08度以上。
根据这种氮化镓类半导体光元件，倾斜角为0.08度以上的主面的铟导入能力大于在c面上生长时的铟导入能力。
在本发明的氮化镓类半导体光元件中，所述倾斜角在0.1度以上1度以下的范围内。
根据这种氮化镓类半导体光元件，由于支撑体的主面的倾斜角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜0.1度以上，所以半导体外延层含有铟作为构成元素，并显示良好的结晶质量。并且，支撑体的主面的倾斜角为1度以下，所以活性层的压电效应的影响比较小。
本发明的氮化镓类半导体光元件还可以具有：设置于所述活性层上的第2导电型氮化镓类半导体区域；设置于所述第2导电型氮化镓类半导体区域上的第1电极；和设置于所述支撑体的背面上的第2电极。所述支撑体由导电性GaN构成。
根据这种氮化镓类半导体光元件，由导电性GaN构成的支撑体能够提供良好的结晶质量的半导体外延层，并提供朝向支撑体的背面上的第2电极的电流路径。并且，第2电极设置于支撑体的背面上，所以不需要为了在第1导电型氮化镓类半导体区域上形成电极而加工支撑体的主面上的半导体叠层。
在本发明的氮化镓类半导体光元件中，所述活性层被设置为生成在370nm以上650nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。根据这种氮化镓类半导体光元件，能够获得在上述波长范围内具有发光峰值波长的发光元件。
在本发明的氮化镓类半导体光元件中，所述活性层被设置为生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。根据这种氮化镓类半导体光元件，能够获得在上述波长范围内具有发光峰值波长的发光元件。
本发明的氮化镓类半导体光元件能够用作半导体激光器。该氮化镓类半导体光元件还具有用于半导体激光器的谐振器的端面，该端面与和所述支撑体的所述主面平行的轴交叉。所述端面以-1度以上+1度以下的范围的角度相对于与所述谐振器的光波导的方向正交的面倾斜。
根据这种氮化镓类半导体光元件，能够避免激光器特性由于用于半导体激光器的谐振器的端面倾斜而下降。
本发明的氮化镓类半导体光元件能够用作半导体激光器。该氮化镓类半导体光元件还具有与和所述支撑体的所述主面平行的轴交叉的第1切割面和第2切割面。所述第1切割面和第2切割面构成该半导体激光器的谐振器。
根据这种氮化镓类半导体光元件，能够把c面用作切割面。
在本发明的氮化镓类半导体光元件中，所述基准轴可以沿着所述第1氮化镓类半导体的a轴的方向延伸。或者，在本发明的氮化镓类半导体光元件中，所述基准轴可以沿着所述第1氮化镓类半导体的m轴的方向延伸。
本发明的另一方面是制造氮化镓类半导体光元件的方法。该方法包括：(a)准备晶片的步骤，该晶片由第1氮化镓类半导体构成，并具有主面，该主面从与沿着该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的面起，以0.05度以上且小于15度的范围的倾斜角向该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中另一个晶轴的方向倾斜；(b)在所述主面上生长氮化镓类半导体区域的步骤；和(c)在所述氮化镓类半导体区域上生长用于活性层的半导体外延层的步骤。所述半导体外延层由第2氮化镓类半导体构成，所述第2氮化镓类半导体包含铟作为构成元素，所述半导体外延层的铟组分大于0.1，所述第2氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿着所述主面的法线方向延伸的法线轴倾斜。
在该方法中，半导体外延层的氮化镓类半导体包含铟作为构成元素。在该半导体外延层的生长中，虽然正m面和正a面的铟导入能力小于c面的铟导入能力，但是以0.05度以上且小于15度的范围的角度倾斜的主面的铟导入能力大于正m面和正a面。因此，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜0.05度以上时，能够在该主面上生长显示良好的结晶质量的含铟半导体外延层。并且，在支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜小于15度时，能够在该主面上生长具有较低的压电效应的用于活性层的半导体外延层。
本发明的方法还包括在所述氮化镓类半导体区域上生长用于所述活性层的阻挡层的步骤。所述半导体外延层是用于所述活性层的阱层，所述阱层的所述第2氮化镓类半导体由InGaN构成，所述阻挡层的所述第3氮化镓类半导体由GaN或InGaN构成，所述活性层被设置为生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。
根据这种方法，晶片的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜0.05度以上，所以能够在晶片上生长显示良好的结晶质量的InGaN阱层。并且，晶片的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面小于15度，所以能够在该主面上生长具有较低的压电效应的用于活性层的InGaN阱层。另外，由于能够生长铟组分较大的InGaN层，所以活性层能够生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。
在本发明的方法中，所述倾斜角为0.08度以上。根据这种方法，在偏角为0.08度以上的主面上生长时的铟导入能力大于在c面上生长时的铟导入能力。
在本发明的方法中，所述倾斜角分布于所述晶片的主面整体。根据这种方法，在分布的倾斜角的下限为0.05度以上时，能够在支撑体上生长显示良好的结晶质量的InGaN阱层。在分布的倾斜角的上限为小于15度时，能够在晶片的主面上生长具有较低的压电效应的用于活性层的InGaN阱层。
本发明的方法还可以包括：在所述活性层上生长第2导电型氮化镓类半导体区域的步骤；在所述第2导电型氮化镓类半导体区域上形成第1电极，并且在所述晶片的背面上形成第2电极而制作基板产品的步骤；和切割所述基板产品而形成用于谐振器的切割面的步骤。所述晶片由导电性GaN构成。
根据这种方法，由导电性GaN构成的晶片能够提供良好的结晶质量的半导体外延层，并提供朝向晶片的背面上的第2电极的电流路径。并且，由于能够在晶片的背面上设置第2电极，所以不需要加工晶片的主面上的半导体叠层的步骤就能够形成将第1导电型氮化镓类半导体区域和第2电极连接的电气路径。另外，主面的倾斜方向是a轴或m轴的方向，所以能够实现c面切割。
本发明的另一个方面是用于氮化镓类半导体光元件的外延晶片。该外延晶片具有：(a)晶片，由第1氮化镓类半导体构成，并具有主面，该主面从与沿着该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的面起，以0.05度以上且小于15度的范围的倾斜角向该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中另一个晶轴的方向倾斜；(b)设置于所述主面上的氮化镓类半导体区域；和(c)用于活性层的半导体外延层，设置于所述氮化镓类半导体区域上。所述半导体外延层由第2氮化镓类半导体构成，所述第2氮化镓类半导体包含铟作为构成元素，所述半导体外延层的铟组分大于0.1，所述第2氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿着所述主面的法线方向延伸的法线轴倾斜，所述倾斜角分布于所述晶片的所述主面整体。
根据这种外延晶片，半导体外延层的氮化镓类半导体包含铟作为构成元素。在该半导体外延层的生长中，虽然正m面和正a面的铟导入能力小于c面的铟导入能力，但是以0.05度以上且小于15度的范围的角度倾斜的主面的铟导入能力大于正m面和正a面。因此，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜0.05度以上，所以支撑体能够提供显示良好的结晶质量的含铟半导体外延层。并且，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜小于15度，所以用于活性层的半导体外延层具有较低的压电效应。
本发明的外延晶片还具有设置于所述氮化镓类半导体区域上的阻挡层。所述半导体外延层是用于所述活性层的阱层，所述阱层由InGaN构成，所述阻挡层是GaN或InGaN。
根据这种外延晶片，晶片的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜0.05度以上，所以晶片能够提供显示良好的结晶质量的InGaN阱层。并且，晶片的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面倾斜小于15度，所以用于活性层的InGaN阱层具有较低的压电效应。
在本发明的外延晶片中，所述活性层能够具有在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光致发光光谱。
根据这种外延晶片，半导体外延层是铟组分较大的InGaN层，所以活性层能够生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。
在本发明的外延晶片中，所述倾斜角为0.08度以上。根据这种外延晶片，在偏角为0.08度以上的主面上生长时的铟导入能力大于在c面上生长时的铟导入能力。
本发明的上述目的及其他目的、特征和优点，可根据参照附图说明的本发明的优选实施方式的以下具体记述进一步明确。
如上所述，根据本发明的一个方面，能够提供一种包括显示较低的压电效应和良好的结晶质量的含铟氮化镓类半导体层的氮化镓类半导体光元件。并且，根据本发明的另一方面，能够提供一种制造该氮化镓类半导体光元件的方法。另外，根据本发明的另一方面，能够提供一种用于氮化镓类半导体光元件的外延晶片。
附图说明
图1是简要表示本实施方式的氮化镓类半导体光元件的结构的图。
图2是简要表示本实施方式的氮化镓类半导体光元件的结构的图。
图3是表示在GaN晶片上制作图1和图2所示的半导体光元件的结构的步骤图。
图4是表示用于发光二极管及半导体激光器的外延晶片E的结构的图。
图5是表示实施例的发光二极管的结构的图。
图6是表示a方向的偏角与发光波长和发光强度的关系的图。
图7是表示外延晶片EMa、EM0、EM1、EC的图。
具体实施方式
通过示例的附图及下面的说明，可容易理解本发明的思想。下面，参照附图说明本发明的氮化镓类半导体光元件、外延晶片、以及制造氮化镓类半导体光元件和外延晶片的方法的实施方式。相同的部分尽量标以相同的标号。
图1是简要表示本实施方式的氮化镓类半导体光元件的结构的图。关于氮化镓类半导体光元件，例如可以列举半导体激光器、发光二极管等。图1表示具有波导结构的发光元件、例如半导体激光器。在图1中示出了具有X轴、Y轴和Z轴的正交坐标系S、和用于表示a轴、m轴和c轴方位的晶体坐标系CR。
氮化镓类半导体光元件11a具有支撑体13、氮化镓类半导体区域15、和用于活性层17的一个或多个半导体外延层19。支撑体13具有主面13a和背面13b。支撑体13由第1氮化镓类半导体构成，第1氮化镓类半导体例如由GaN等构成。支撑体13的主面13a从与沿该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中的一个晶轴(在图1中为m轴)的方向延伸的基准轴正交的面，向沿该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中的另一个晶轴(在图1中为a轴)的方向倾斜。倾斜的角度AOFF可在0.05度以上。并且，角度AOFF在小于15度的范围内。在本实施例中，该角度AOFF与矢量VM和矢量VN形成的角度相等。图1表示具有代表性的m面SM和m轴矢量VM，还表示朝向主面13a的法线矢量VN。第1导电型氮化镓类半导体区域15设置于主面13a上。活性层17的半导体外延层19设置于氮化镓类半导体区域15上。半导体外延层19由第2氮化镓类半导体构成，第2氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿主面13a的法线方向延伸的法线轴AN倾斜。根据矢量VN确定法线轴AN。该第2氮化镓类半导体包括作为构成元素的铟。半导体外延层19的铟组分大于0.1。
在该氮化镓类半导体光元件11a中，半导体外延层19的氮化镓类半导体包括作为构成元素的铟。在半导体外延层19的生长中，以0.05度以上且小于15度的范围的角度倾斜的主面13a的铟导入能力，大于正m面和正a面。在半导体外延层19的生长中向第1氮化镓类半导体的正m面和正a面上的铟导入能力小于c面的铟导入能力。但是，支撑体13的主面13a的偏角从正m面和正a面这些基准面起为0.05度以上，所以支撑体13能够提供良好的结晶质量的含铟半导体外延层19。并且，支撑体13的主面13a的偏角AOFF从正m面和正a面这些基准面起小于15度，所以用于活性层17的半导体外延层19具有较低的压电效应。
在氮化镓类半导体光元件11a中，基准轴沿第1氮化镓类半导体的m轴方向延伸。但是，该基准轴也可以沿第1氮化镓类半导体的a轴方向延伸。
氮化镓类半导体区域15具有第1导电型，并且可以包括例如包层(Cladding layer)。氮化镓类半导体区域15例如可以由n型AlGaN等构成。并且，氮化镓类半导体光元件11a具有设置于活性层17上的氮化镓类半导体区域21。氮化镓类半导体区域21具有第2导电型，并且可以包括例如电子模块层(Electronic block)23、p型包层25和p型接触层27。电子模块层23例如可以由AlGaN等构成。p型包层25例如可以由p型AlGaN等构成。p型接触层27例如可以由p型AlGaN、p型GaN等构成。
氮化镓类半导体光元件11a包括第1和第2光限制层(Opticalconfinement layer)29、31。第1光限制层29设置于氮化镓类半导体区域15和活性层17之间，第2光限制层31设置于氮化镓类半导体区域21和活性层17之间。第1和第2光限制层29、31例如可以由非掺杂的InGaN等构成。发光层33包括第1和第2光限制层29、31及活性层17。并且，氮化镓类半导体光元件11a具有第1电极35a和第2电极37a。第1电极35a设置于氮化镓类半导体区域21上，第2电极37a设置于支撑体13的背面13b上。支撑体13由导电性GaN构成。
根据这种氮化镓类半导体光元件11a，由导电性GaN构成的支撑体13能够提供良好的结晶质量的半导体外延层19，并且提供向支撑体13的背面13b上的第2电极37a的电流路径。并且，由于能够把第2电极37a设在支撑体13的背面13b上，所以不需要为了在氮化镓类半导体区域15上形成电极而加工支撑体13的主面13a上的半导体叠层39a。在半导体叠层39a上设有保护膜41，第1电极35a经由保护膜41的开口与p型接触层27接触，第2电极37a与导电性的背面13b的整体接触。
氮化镓类半导体光元件11a还具有端面41a、41b。端面41a、41b与和支撑体13的主面13a平行的轴Ax交叉。端面41a、41b与第1氮化镓类半导体的c轴方向(例如X轴方向)交叉。第1和第2端面41a、41b构成该半导体激光器的谐振器。并且，端面41a、41b可以是切割面。这些切割面可以是c面。端面41a、41b以-1度以上+1度以下范围的角度相对于与谐振器的光波导的方向(X轴的方向)正交的面倾斜。根据这种氮化镓类半导体光元件11a，能够避免激光器特性由于半导体激光器的谐振器用端面的倾斜而下降。氮化镓类半导体光元件11a从端面41a射出光L1。
活性层17可以具有量子阱结构。在氮化镓类半导体光元件11a中，半导体外延层19可以是用于活性层17的阱层(以下表述为“阱层19”)。活性层17还可以具有阻挡层20。在活性层17中，这些阱层19和阻挡层20交替排列。阻挡层20设在氮化镓类半导体区域15上，由第3氮化镓类半导体构成。第3氮化镓类半导体与用于阱层19的第2氮化镓类半导体不同。阱层19的第2氮化镓类半导体由InGaN构成，阻挡层20的第3氮化镓类半导体是GaN或InGaN。第3氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿主面13a的法线方向延伸的法线轴倾斜。
在氮化镓类半导体光元件11a中，阱层19和阻挡层20被设置为生成在370nm以上650nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。活性层17具有产生上述波长范围内的峰值波长的光的阱层。
在氮化镓类半导体光元件11a中，阱层19和阻挡层20被设置为生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。活性层17具有产生上述波长范围内的峰值波长的光的阱层。
图2是简要表示本实施方式的氮化镓类半导体光元件的结构的图。图2示出具有提供光L2的面发光结构的光元件、例如发光二极管。图2示出正交坐标系S和晶体坐标系CR。正交坐标系S具有X轴、Y轴和Z轴。晶体坐标系CR表示a轴、m轴和c轴的方位。
氮化镓类半导体光元件11b具有支撑体13、氮化镓类半导体区域15、和用于活性层17的一个或多个半导体外延层19。氮化镓类半导体区域15例如可以包括n型半导体区域45和n型缓冲层47。n型半导体区域45例如可以由n型GaN、AlGaN等构成。n型缓冲层47例如可以由n型InGaN等构成。并且，氮化镓类半导体光元件11b具有设置于活性层17上的氮化镓类半导体区域21。氮化镓类半导体区域21具有第2导电型，并且可以包括例如电子模块层23和p型接触层27。电子模块层23例如可以由AlGaN等构成。p型接触层27例如可以由p型AlGaN、p型GaN等构成。
氮化镓类半导体光元件11b可以具有第1电极35b和第2电极37b。第1电极35b设置于氮化镓类半导体区域21上，第2电极37b设置于支撑体13的背面13b上。支撑体13由导电性GaN构成。
根据这种氮化镓类半导体光元件11b，由导电性GaN构成的支撑体13能够提供良好的结晶质量的半导体外延层19，并提供向支撑体13的背面13b上的第2电极37b的电流路径。并且，由于能够将第2电极37b设在支撑体13的背面13b上，所以不需要为了在氮化镓类半导体区域15上形成电极而加工支撑体13的主面13a上的半导体叠层39b。第1电极35b与p型接触层27的表面接触，并且可以是透明电极。第2电极37b与导电性的背面13b的整体接触。
按照图3所示的步骤流程，在GaN晶片上制作图1和图2所示的半导体发光元件的结构。外延生长是通过有机金属气相生长法进行的，作为外延生长的原料，使用三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)、双环戊二烯镁(Cp2Mg)。通过进行以下步骤，制作图4所示的外延晶片。
在步骤S101，准备GaN晶片51。GaN晶片51的主面51a从与沿GaN的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的基准面，以0.05度以上且小于15度的范围的倾斜角，向GaN的m轴和a轴中另一个晶轴的方向倾斜。该主面51a被实施镜面抛光。
在以下条件下，在GaN晶片51上进行外延生长。首先，在步骤S102，把GaN晶片51设置在生长炉10内。在步骤S103，进行GaN晶片的热处理。热处理是在摄氏1050度的温度和27kPa的生长炉内压力下流入NH3和H2而进行的。
在该热处理之后，在步骤S104，生长GaN类半导体区域53。例如，在摄氏1000度下，向生长炉内提供TMG、NH3、SiH4，生长掺硅的GaN层。GaN层的厚度例如是2微米。然后，在摄氏850度的基板温度下，向生长炉内提供TMG、TMI、NH3、SiH4，生长掺硅的InGaN层。InGaN层的厚度是100nm。InGaN层的铟组分例如是0.02。
在步骤S105，生长发光层或活性层55。在步骤S106，在摄氏870度的晶片温度下，向生长炉内提供TMG、NH3，在该生长温度下生长非掺杂的GaN阻挡层73。该GaN层的厚度是15nm。在生长GaN层后中断生长，将晶片温度从摄氏870度变更为摄氏760度。在变更之后，在步骤S107，向生长炉内提供TMG、TMI、NH3，在摄氏760度的生长温度下生长非掺杂的InGaN阱层71。InGaN阱层71的厚度是3nm。该InxGa1-x N的铟组分X例如是0.25。在生长InGaN阱层71时，根据发光波长变更铟流量。在生长InGaN阱层71之后，停止提供TMI。然后，向生长炉10内提供NH3，并将晶片温度从摄氏760度变更为摄氏870度。在变更之后，在步骤S108，生长非掺杂的GaN阻挡层73。GaN阻挡层73的厚度是15nm。在步骤S109，反复进行阱层的生长、温度变更、阻挡层的生长，形成InGaN阱层71和GaN阻挡层73。
在多重量子阱结构的活性层55中，将阱层71和阻挡层73排列为生成在370nm以上650nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。为了在上述波长范围内调整发光峰值波长，规定阱层71的铟组分和阱层71的厚度。并且，在多重量子阱结构的活性层55中，将阱层71和阻挡层73排列为生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。为了在上述波长范围内调整发光峰值波长，规定阱层71的铟组分和阱层71的厚度。
在必要的情况下，在形成发光层时，在生长最初的阻挡层73之前、或者取代该阻挡层73的生长，生长第1光限制层。第1光限制层例如可以由GaN或InGaN构成。并且，在生长最后的阻挡层73之后、或者取代该阻挡层73的生长，生长第2光限制层。第2光限制层例如可以由GaN或InGaN构成。
在步骤S110，在发光层上生长p型GaN类半导体区域。例如，在生长GaN阻挡层73之后，停止提供TMG，使晶片温度上升到摄氏1000度。在该温度下，向生长炉内提供TMG、TMA、NH3、Cp2Mg，生长p型Al0.18Ga0.82N电子模块层57。该电子模块层57的厚度为例如20nm。然后，停止提供TMA，生长p型GaN接触层59。p型GaN接触层59的厚度为例如50nm。在成膜之后，将生长炉10的温度降温到室温，制作完外延晶片E。
图4(a)是表示用于发光二极管的外延晶片E的结构的图。外延晶片E包括在GaN晶片51的主面51a上依次生长的GaN类半导体区域53、活性层55、电子模块层57和接触层59。并且，图4(b)是表示用于半导体激光器的外延晶片E的结构的图。外延晶片包括在GaN晶片51的主面51a上依次生长的第1导电型包层61、发光层63、电子模块层65、第2导电型包层67和第2导电型包层69。活性层55包括沿主面51a的法线方向交替排列的阱层71和阻挡层73。发光层63包括光限制层75、活性层55和光限制层77。
再次参照图3。在步骤S111，在外延晶片E上形成电极。首先，通过蚀刻(例如RIE)形成台面形状。台面形状的尺寸是例如变长500μm的方形。然后，在p型GaN接触层上形成p透明电极(Ni/Au)。然后，形成p焊盘电极(Ti/Au)。在GaN晶片的背面形成n电极(Ti/Al)。然后，进行电极退火(例如摄氏550度下1分钟)。通过这些步骤得到半导体发光元件的基板产品。
在必要的情况下，在步骤S112，切割基板产品，制作半导体发光元件。半导体发光元件具有彼此相对的切割面。切割面构成半导体激光器的谐振器。
(实施例1)：发光二极管
在实施例1中，制作图4所示的发光二极管。准备几个氮化镓晶片，该氮化镓晶片具有以角度θA相对于m面倾斜的主面，角度θA是从六方晶系GaN的m轴方向起朝向a轴方向确定的。倾斜角θ在0度以上0.12度以下的范围内。并且，c方向的偏角θc对于任何基板均是0.6度。通过有机金属气相生长法在这些晶片上制作发光二极管结构。原料使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)、双环戊二烯镁(Cp2MG)。
将GaN晶片全部配置在反应炉内的承载盘上，在摄氏1050度的温度和27kPa的炉内压力下，流入NH3和H2并进行GaN晶片的热处理。热处理时间例如为10分钟。然后，在将晶片温度变更为摄氏1100度后，生长厚度为2μm的掺硅的GaN层。然后，在将晶片温度变更为摄氏850度后，向生长炉内提供NH3、TMG、TMI、SiH4，生长厚度为100nm的掺硅的InGaN缓冲层。
然后，将晶片温度变更为摄氏870度，提供TMG和NH3，生长厚度为15nm的GaN阻挡层。中断生长，将晶片温度降低为摄氏760度，然后向生长炉内提供NH3、TMG、TMI，生长厚度为3nm的InGaN阱层。停止提供TMI，结束InGaN阱层的生长，并且减小TMG的流量，使GaN以低生长速度生长，并且将晶片温度上升到摄氏870度。在温度变更结束后，增加TMG的流量，生长GaN阻挡层。这些GaN层合计为15nm。另外，使厚度为3nm的阱层和厚度为15nm的GaN阻挡层反复生长两个周期，制作包括3个阱层的多重量子阱结构。
然后，停止提供TMG和TMI，使晶片温度上升到摄氏1000度，导入TMG、TMA、NH3、CP2Mg，生长厚度为20nm的掺镁的p型AlGaN层。然后，停止提供TMA，生长厚度为50nm的p型GaN层。然后降温到室温，将外延晶片从生长炉中取出。
然后，在该外延晶片上形成电极A1、C1。在后面的步骤中，依次进行通过活性离子蚀刻(RIE)来形成500nm的台面、形成p透明电极(Ni/Au)、形成p焊盘电极(Au)、形成n电极(Ti/Al)、电极退火(摄氏550度、1分钟)。
图6是表示a方向的偏角与发光强度的关系的图。图6表示发光波长根据a方向偏角而大不相同的情况。这表示根据a方向偏角的大小，InGaN成膜时的铟导入能力不同。随着a方向偏角增大，铟导入能力增大。这种增大有利于制作具有较长的发光波长的发光元件。在GaN晶片的主面向a方向具有0.05度以上的偏角时，该范围内的偏角的铟导入能力好于偏角小于0.05度的GaN主面的InGaN生长。另外，在以相同的成膜条件在c面GaN晶片上制作相同的LED结构时，发光波长是476nm。在GaN晶片的主面向a方向具有0.08度以上的偏角时，该范围内的偏角的铟导入能力好于c面的InGaN生长。
而发光强度与发光波长的较大变化相比基本上是固定的。根据发明者们的见解，在为了获得较长的发光波长而改变生长条件时，发光强度大幅减小。根据该实验得知，如果赋予a方向偏角，则能够实现较长波长，而且InGaN的膜质量几乎不下降。即，在使用向a方向具有约0.1度的偏角的GaN晶片时，能够高质量地生长铟组分较高的InGaN。根据发明者们的实验判明，在15度的较大偏角时，也能够高质量地生长铟组分较高的InGaN。
并且，倾斜角可以在0.1度以上1度以下的范围内。在GaN晶片的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面为0.1度以上时，半导体外延层含有作为构成元素的铟，并显示良好的结晶质量。并且，在偏角为1度以下时，压电效应非常小。
在实施例1中，制作了发光二极管结构，但在使GaN晶片主面朝向a方向倾斜时，GaN晶片的c面始终与晶片主面垂直。因此，能够把GaN晶片的c面用作切割面，本实施例的偏角的方向对制作半导体激光器比较有效。
(实施例2)：发光二极管
准备4种GaN晶片Ma、M0、M1、C。在GaN晶片Ma中，六方晶系GaN的m面从m轴方向起以0.1度的偏角向a轴方向倾斜，GaN晶片Ma的主面以0.1度的偏角相对于m面倾斜。GaN晶片M0、M1具有正m面的主面。GaN晶片C具有正c面的主面。通过有机金属气相生长法，在这些GaN晶片的主面上制作发光二极管结构。原料与实施例1相同。
将GaN晶片Ma、M0、C配置在反应炉内的承载盘上，然后在摄氏1050度的温度下，以27kPa的炉内压力使流入NH3和H2，并进行10分钟的热处理。然后在摄氏1100度的温度下，生长厚度为2000nm的掺硅的GaN层。然后，使晶片温度下降到摄氏850度，向生长炉内提供TMG、TMI、SiH4，生长厚度为100nm的掺硅的InGaN缓冲层。
然后，使GaN晶片Ma、M0、C的晶片温度上升到摄氏870度，向生长炉内提供NH3和TMG，生长厚度为15nm的GaN阻挡层。停止提供TMG，使晶片温度下降到摄氏750度，然后向生长炉内提供NH3和TMG，生长厚度为3nm的InGaN阱层。在InGaN阱层的生长结束后，停止提供TMI，并减小TMG的流量，使GaN阻挡层以低生长速度生长，并且使晶片温度上升到摄氏870度。在摄氏870度的晶片温度下增加TMG的流量，然后生长GaN阻挡层。GaN阻挡层的厚度合计为15nm。然后，厚度为3nm的InGaN阱层和厚度为15nm的GaN阻挡层反复生长两次，制作出包括3个阱层的多重量子阱结构。
然后，停止提供TMG和TMI，并且使晶片温度上升到摄氏1100，然后向生长炉内提供TMG、TMA、NH3、CP2Mg，生长厚度为20nm的掺镁的p型AIGaN层。然后，停止提供TMA，生长厚度为50nm的p型GaN层。然后降温到室温，将外延晶片从生长炉中取出。
关于GaN晶片M1，除活性层的生长条件之外，其他采用了上述的成膜条件。作为GaN晶片M1的活性层的生长条件，InGaN缓冲层的生长温度为摄氏820度，InGaN阱层的生长温度为摄氏720度。在GaN晶片M1的活性层的生长条件下，降低InGaN阱层的生长温度，以使发光波长变长。
图7是表示外延晶片EMa、EM0、EM1、EC的图。在这些外延晶片EMa、EM0、EM1、EC上形成电极，制作出发光二极管DMa、DM0、DM1、DC。为了形成电极，执行以下步骤：
通过RIE形成500nm的台面；
形成p透明电极(Ni/Au)；形成p焊盘电极(Ti/Au)；
形成n电极(Al/Au)；
电极退火(摄氏550度下进行1分钟)。
向发光二极管DMa、DM0、DM1、DC施加电流，并进行了发光的测定。芯片尺寸为400μm的方形，施加电流为120mA。测定结果如下所示。
装置、发光波长、光输出
DMa：523nm    19mW
DM0：456nm    21mW
DM1：515nm    9mW
DC： 512nm    14mW
发光二极管DMa的发光波长是比正m面晶片上的发光二极管DM0长的波长，但是发光二极管DMa和DM0的光输出基本相同。另一方面，同一正m面晶片上的发光二极管DM1通过降低生长温度，得到了较长的波长，所以发光二极管DM1的光输出与发光二极管DMa和DM0的光输出相比，是其一半以下的值。可以认为这种下降是缘于因降低生长温度而造成的InGaN膜质量的恶化。
发光二极管DMa的发光波长是比发光二极管DC长的波长，但是发光二极管DMa的光输出比其他发光二极管高。其原因如下所述：通过使m面向a方向倾斜，能够获得较高的铟导入能力；InGaN阱层的膜质量得到改善，并且InGaN的压电效应较小，从而改善了内部量子效率。
(实施例3)：半导体激光器
准备GaN晶片。在该GaN晶片中，六方晶系GaN的m面从m轴方向起以0.1度的偏角向a轴方向倾斜，GaN晶片的主面以0.1度的偏角相对于m面倾斜。
在对GaN晶片的表面实施热处理后，在摄氏1150度的晶片温度下生长n型AlGaN包层。在n型AlGaN包层上，在摄氏840度的晶片温度下生长下侧光限制层、活性层和上侧光限制层。在摄氏1000度的晶片温度下，在上侧光限制层上生长p型AlGaN电子模块层，并在p型AlGaN电子模块层上生长p型GaN接触层。在p型GaN接触层上生长氧化硅膜的绝缘膜后，通过光刻和湿式蚀刻，在绝缘膜上形成10μm宽的带状窗口。在带状窗口和绝缘膜上形成阳极电极(Ni/Au)，进一步通过蒸镀形成焊盘电极(Ti/Au)。在GaN晶片的背面形成阴极电极(Ti/Al)，进一步通过蒸镀形成焊盘电极(Ti/Au)。通过这些步骤制作了基板产品。
以800μm间隔在c面上切割基板产品，制作了增益引导型激光器。在切割端面的一面形成反射率为80％的高反射膜，并在切割端面的另一面形成反射率为95％的高反射膜。
增益引导型激光器以波长480nm及阈值电流1.5kAcm-2进行振荡。增益引导型激光器的特性良好。其原因如下所述：通过使m面具有a方向偏角，能够获得较高的铟导入能力；InGaN阱层的膜质量得到改善，并且InGaN阱层的压电效应非常小，从而改善了内部量子效率。自然放出光具有线性偏振性，其方向与激光器的TE模式一致，所以光放大效率较高。
根据这种氮化镓类半导体光元件，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面为0.05度以上，所以支撑体能够提供显示良好的结晶质量的InGaN阱层。并且，支撑体的主面的偏角相对于正m面和正a面这些基准面小于15度，所以用于活性层的InGaN阱层具有较低的压电效应。
在本实施方式中，说明了例如通过使m面向a轴方向倾斜来改善铟导入特性的情况，但是根据发明者们的实验，通过使a面向m轴方向倾斜，也能够改善铟导入特性。
在优选实施方式中图示说明了本发明的原理，但本领域技术人员可以认识到，本发明能够在不脱离上述原理的情况下进行各种变更。本发明不限于本实施方式所公开的特定结构。因此，请求保护权利要求书及其思想范围内的所有修改和变更。

Claims (20)

1.一种氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
具有：支撑体，由第1氮化镓类半导体构成，并具有主面，该主面从与沿着该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的基准面起，以0.05度以上且小于15度的范围的倾斜角向该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中另一个晶轴的方向倾斜；
设置于所述主面上的第1导电型氮化镓类半导体区域；和
用于活性层的半导体外延层，设置于所述第1导电型氮化镓类半导体区域上，
所述半导体外延层由第2氮化镓类半导体构成，
所述第2氮化镓类半导体包含铟作为构成元素，
所述半导体外延层的铟组分大于0.1，
所述第2氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿着所述主面的法线方向延伸的法线轴倾斜。
2.根据权利要求1所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
还具有阻挡层，由第3氮化镓类半导体构成，设置于所述第1导电型氮化镓类半导体区域上，
所述半导体外延层是用于所述活性层的阱层，
所述阱层的所述第2氮化镓类半导体由InGaN构成，
所述阻挡层的所述第3氮化镓类半导体由GaN或InGaN构成，
所述第3氮化镓类半导体的m面和a面均相对于所述法线轴倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
所述倾斜角为0.08度以上。
4.根据权利要求1或2所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
所述倾斜角在0.1度以上1度以下的范围内。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
还具有：设置于所述活性层上的第2导电型氮化镓类半导体区域；
设置于所述第2导电型氮化镓类半导体区域上的第1电极；和
设置于所述支撑体的背面上的第2电极，
所述支撑体由导电性GaN构成。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
所述活性层被设置为生成在370nm以上650nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
所述活性层被设置为生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
该氮化镓类半导体光元件是半导体激光器，
该氮化镓类半导体光元件还具有用于该半导体激光器的谐振器的端面，该端面与和所述支撑体的所述主面平行的轴交叉，
所述端面以-1度以上+1度以下的范围的角度相对于与所述谐振器的光波导的方向正交的面倾斜。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
该氮化镓类半导体光元件还具有与和所述支撑体的所述主面平行的轴交叉的第1切割面和第2切割面，
所述第1切割面和第2切割面构成半导体激光器的谐振器。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
所述基准轴沿着所述第1氮化镓类半导体的m轴的方向延伸。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
所述基准轴沿着所述第1氮化镓类半导体的a轴的方向延伸。
12.一种制造氮化镓类半导体光元件的方法，其特征在于，
包括：准备晶片的步骤，该晶片由第1氮化镓类半导体构成，并具有主面，该主面从与沿着该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的面起，以0.05度以上且小于15度的范围的倾斜角向该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中另一个晶轴的方向倾斜；
在所述主面上生长第1导电型氮化镓类半导体区域的步骤；和
在所述第1导电型氮化镓类半导体区域上生长用于活性层的半导体外延层的步骤，
所述半导体外延层由第2氮化镓类半导体构成，
所述第2氮化镓类半导体包含铟作为构成元素，
所述半导体外延层的铟组分大于0.1，
所述第2氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿着所述主面的法线方向延伸的法线轴倾斜。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
还包括在所述第1导电型氮化镓类半导体区域上生长用于所述活性层的阻挡层的步骤，
所述阻挡层由第3氮化镓类半导体构成，
所述半导体外延层是用于所述活性层的阱层，
所述阱层的所述第2氮化镓类半导体由InGaN构成，
所述阻挡层的所述第3氮化镓类半导体由GaN或InGaN构成，
所述活性层被设置为生成在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，
所述倾斜角为0.08度以上。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，
所述倾斜角分布于所述晶片的所述主面整体。
16.根据权利要求12～15中任一项所述的方法，其特征在于，
还包括：在所述活性层上生长第2导电型氮化镓类半导体区域的步骤；
在所述第2导电型氮化镓类半导体区域上形成第1电极，并且在所述晶片的背面上形成第2电极而制作基板产品的步骤；和
切割所述基板产品而形成用于谐振器的切割面的步骤，
所述晶片由导电性GaN构成。
17.一种外延晶片，用于氮化镓类半导体光元件，其特征在于，
具有：晶片，由第1氮化镓类半导体构成，并具有主面，该主面从与沿着该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中一个晶轴的方向延伸的基准轴正交的面起，以0.05度以上且小于15度的范围的倾斜角向该第1氮化镓类半导体的m轴和a轴中另一个晶轴的方向倾斜；
设置于所述主面上的氮化镓类半导体区域；和
用于活性层的半导体外延层，设置于所述氮化镓类半导体区域上，
所述半导体外延层由第2氮化镓类半导体构成，
所述第2氮化镓类半导体包含铟作为构成元素，
所述半导体外延层的铟组分大于0.1，
所述第2氮化镓类半导体的m面和a面均相对于沿着所述主面的法线方向延伸的法线轴倾斜，
所述倾斜角分布于所述晶片的所述主面整体。
18.根据权利要求17所述的外延晶片，其特征在于，
还具有设置于所述氮化镓类半导体区域上的阻挡层，
所述半导体外延层是用于所述活性层的阱层，
所述阱层由InGaN构成，
所述阻挡层是GaN或InGaN。
19.根据权利要求17或18所述的外延晶片，其特征在于，
所述倾斜角为0.08度以上。
20.根据权利要求18或19所述的外延晶片，其特征在于，
所述活性层具有在480nm以上600nm以下的波长范围内具有峰值波长的光致发光光谱。
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