CN101847823A - 氮化物半导体发光芯片、其制造方法以及半导体光学装置 - Google Patents

氮化物半导体发光芯片、其制造方法以及半导体光学装置 Download PDF

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Abstract

氮化物半导体发光芯片、其制造方法以及半导体光学装置。因为EL发射图案得到改进，氮化物半导体发光芯片的发光效率得到增强。氮化物半导体激光器芯片100(氮化物半导体发光芯片)含具有主生长面10a的氮化物半导体基板10以及在氮化物半导体基板10的主生长面10a上生长的氮化物半导体层11至18。GaN基板10的主生长面10a是相对于m面在a和c轴方向都具有偏角的面，而且在a轴方向的偏角大于在c轴方向的偏角。

Description

氮化物半导体发光芯片、其制造方法以及半导体光学装置
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光芯片，其制造方法以及半导体光学装置。更具体地，本发明涉及设置有氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片，其制造方法以及包含该氮化物半导体发光芯片的半导体光学装置。
背景技术
诸如GaN、AlN、InN及其混合晶体的氮化物半导体的特征在于，具有比AlGaInAs基和AlGaInp基半导体更宽的带隙Eg，并且是直接带隙材料。由于这些原因，氮化物半导体受到关注，用作制造诸如发射紫外至绿色的波长范围的光的半导体激光器芯片以及覆盖从紫外至红色的宽发光波长范围的发光二极管芯片的半导体发光芯片的材料，并预期能在投影仪和全色显示器中以及在环境、医学和其他领域中得到广泛运用。
另一方面，近几年来，许多研究机构一直在积极努力，试图通过使用氮化物半导体来拓展半导体发光芯片的发射波长，以实现半导体发光芯片在绿色区域(绿色半导体激光)发光。
通常，在使用氮化物半导体的半导体发光芯片中，使用六方晶系的GaN的基板(氮化物半导体基板)，其c面((0001)面)作为主生长面。通过在c面上堆叠包括有源层的氮化物半导体层，形成氮化物半导体发光芯片。通常，在使用氮化物半导体基板形成氮化物半导体发光芯片的情形，使用含In的有源层，并且通过增加In的组分比来寻求更长的发射波长。
然而，不便的是，GaN基板的c面是在c轴方向存在极性的极性面，因而在c面上堆叠包括有源层的氮化物半导体层会在有源层中导致自发极化。另外不方便的是，在c面上堆叠包括有源层的氮化物半导体层时，随着In的组分比的增加，晶格畸变加剧，引起压电极化导致的强内部电场。内部电场减小电子和空穴的波函数之间的交叠，因而减小辐射复合率。因而，试图实现绿色区域的发光而增加In的组分比会面临发光波长增长时发光效率显著降低的问题。
因此，为避免自发极化和压电极化的影响，当前有人建议的氮化物半导体发光芯片不像常规那样在c面上，而是在非极化面的m面({1-100}面)上堆叠氮化物半导体层。该氮化物半导体发光芯片例如在JP-A-2008-91488中公开。
上面提到的JP-A-2008-91488中公开的氮化物半导体发光芯片(发光二极管芯片)设置有m面用作主生长面的GaN基板，该m面是非极化面，在该主生长面(m面)上堆叠包括有源层的氮化物半导体层。m面是和c面垂直的晶面，因而在m面上堆叠包括有源层的氮化物半导体层导致作为极化轴的c轴位于有源层的面上。从而避免了自发极化和压电极化的影响，抑制了发光效率的降低。顺便提一下，在JP-A-2008-91488公开的氮化物半导体发光芯片(发光二极管芯片)中，从抑制表面形貌恶化的角度出发，调整GaN基板的m面使其偏角(对准误差)不超过±1度。
如上所述，通过使用以m面作为主生长面的氮化物半导体基板，所获得的氮化物半导体发光芯片能抑制自发极化和压电极化导致的发光效率的降低。
然而，不便的是，关于使用以m面作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片，通过测量其发光效率(电流注入引起的发光，即，电致发光，缩写为EL)，已证实随着有源层中In的组分比增加，发光效率急剧降低。通过细致研究以寻找该现象的诱因，本发明的发明者发现发光效率的降低是EL发射图案(由电流注入引起发光时，所观察到的整个面的光分布)变成亮斑引起的。即，发明者发现，随着有源层中In的组分比增加，氮化物半导体发光芯片的EL发射图案变成亮斑。
具体地，在制造使用以m面作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片并且通过电流注入使其发光的时候，观察到了如图24所示的亮斑EL发射图案。过去，人们根本不知道是什么条件导致了这种现象。通过详细的调查来寻找原因，已发现，随着有源层中In组分比的增加，EL发射图案加剧变为亮斑。该亮斑EL发射图案随有源层中In的组分比增加而变得更加明显，已观察到的趋势是，亮斑EL发射图案在绿色区域周围(有源层(阱层)中的In的组分比在0.15以上)开始尤其明显。随着In组分的进一步增加，发光亮斑的数量(发光面积)减小。从而，观测到了亮斑EL发射图案和In的组分比之间的强相关性，因而，已发现，EL发射图案变为亮斑的现象导致因有源层中In的组分比增加而引起的发光效率的降低。研究中所使用的氮化物半导体基板是偏角为0度的正基板(just substrate)(即，没有偏角的基板)。
上述亮斑EL发射图案现象在使用以非极性面(尤其是m面)作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片中明显。
如以上分析，已发现，不同于使用c面的氮化物半导体发光芯片，在使用以m面作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片中，自发极化和压电极化导致的发光效率的降低得到抑制，但存在亮斑EL发射图案导致发光效率降低的问题。在使用m面的氮化物半导体发光芯片中，该亮斑EL发射图案是个大问题，因为它阻碍发光波长的增长。尤其是在半导体激光器芯片中，低发光效率是个严重问题，因为其导致低的增益(gain)。
发明内容
本发明试图解决上面提到的问题，本发明的一个目的是，提供一种氮化物半导体发光芯片，其发光效率因EL发射图案的改进而得到加强；提供制造该氮化物半导体发光芯片的方法；以及提供设置有该氮化物半导体发光芯片的半导体光学装置。
本发明的另一个目的是，提供一种氮化物半导体发光芯片，其具有极好的芯片性能以及高可靠性；提供制造该氮化物半导体发光芯片的方法；以及提供设置有该氮化物半导体发光芯片的半导体光学装置。
通过就上面提到的问题进行各种实验和深入研究，本发明的发明者发现，通过使用相对于m面具有偏角(off-angle)的面作为氮化物半导体基板的主生长面能抑制亮斑EL发射图案。
具体地，根据本发明的第一点，氮化物半导体发光芯片设置有：氮化物半导体基板，具有一主生长面；和氮化物半导体层，生长在所述氮化物半导体基板的主生长面上。此处，主生长面是相对于m面在a轴和c轴方向都具有偏角的面，而且在a轴方向的所述偏角大于在c轴方向的偏角。
根据第一点的氮化物半导体发光芯片中，通过将上述相对于m面在a轴方向具有偏角的面用作氮化物半导体基板的主生长面，能抑制亮斑EL发射图案。即，使用该结构，能改善氮化物半导体发光芯片的EL发射图案。这有助于增强氮化物半导体发光芯片的发光效率。通过增强发光效率，能获得高亮度氮化物半导体发光芯片。上述获得抑制亮斑发射的效果的一个原因被认为是：氮化物半导体基板的主生长面相对于m面在a轴方向被赋予偏角，从而导致氮化物半导体层在主生长面上生长时，原子的迁移方向发生改变。
而且，根据第一点，通过使氮化物半导体基板的主生长面在a轴方向的偏角大于在c轴方向的偏角，能有效抑制亮斑EL发射图案。也即，通过这种结构，能抑制c轴方向的偏角过大导致的抑制亮斑发射的效果的减弱。因而，能容易地增强发光效率。
而且，根据第一点，通过抑制亮斑EL发射图案，能使得EL发射图案均匀，因而减小驱动电压。抑制亮斑发射有助于获得均匀EL发射图案，能在形成氮化物半导体激光器芯片时提高增益。
此外，根据第一点，上述结构有助于抑制亮斑EL发射图案，能增强发光效率。这有助于增强芯片性能和可靠性。也即，能获得具有极好芯片性能和高可靠性的氮化物半导体发光芯片。
根据上述第一点的氮化物半导体发光芯片中，优选地，将a轴方向的偏角和c轴方向的偏角都设定得大于±0.1度。通过这种结构，能容易地抑制亮斑EL发射图案。顺带地，将a轴方向的偏角设定得大于±0.1度有助于抑制a轴方向的偏角等于或小于±0.1度导致的表面形貌恶化的不便。另一方面，将c轴方向的偏角设定得大于±0.1度有助于抑制c轴方向的偏角小于±0.1度导致的在主生长面上生长的氮化物半导体层的厚度的不均匀的不便。
上述第一点的氮化物半导体发光芯片中，优选地，将a轴方向的偏角设定得大于0.1度但等于或小于10度。通过这种结构，能抑制因为a轴方向的偏角大于10度而导致的表面形貌恶化。即，使用上述结构，能在获得满意的表面形貌的同时容易地抑制亮斑EL发射图案。
在这种情形，优选地，将a轴方向的偏角设定得大于1度但等于或小于10度。通过这种结构，能在获得满意的表面形貌的同时更容易地抑制亮斑EL发射图案。更优选以此方式设置a轴方向的偏角是因为，这样能获得减小驱动电压的显著效果，还能获得改善表面形貌的效果。而且，通过以此方式设置a轴方向的偏角，在m面上生长氮化物半导体层时会抑制在层表面上产生金字塔形的隆起部。
上述第一点的氮化物半导体发光芯片中，优选地，氮化物半导体层包括具有量子阱结构的有源层，且有源层具有一个阱层。此外，通过这种结构，也能获得抑制亮斑发射的效果，且能容易地减小驱动电压。因而，通过这种结构，也能增强芯片的性能和可靠性。而且，通过这种结构，能获得比有源层形成有三个以上阱层的结构更高的发光效率。因而，能容易地获得高亮度氮化物半导体发光芯片。
根据上述第一点的氮化物半导体发光芯片中，氮化物半导体层包括具有量子阱结构的有源层，且有源层具有两个阱层。此外，通过这种结构，也能获得抑制亮斑发射的效果，且能容易地减小驱动电压。而且，通过这种结构，能获得比有源层形成有三个以上阱层的结构更高的发光效率。
根据上述第一点的氮化物半导体发光芯片中，优选地，氮化物半导体层包括具有量子阱结构的有源层，该有源层具有含In的氮化物半导体形成的阱层。有源层中的In的组分比设在0.15以上且0.45以下。通过将这种结构应用于根据上述第一点的氮化物半导体发光芯片中，即使有源层14中的In的组分比在0.15以上，即，即使在亮斑EL发射图案显著的条件下，也能有效抑制亮斑EL发射图案。从而，能获得抑制亮斑EL发射图案的显著效果。也能抑制有源层中的In的组分比大于0.45引起的晶格失配的应力导致的有源层中产生大量位错的不便。
根据上述第一点的氮化物半导体发光芯片中，优选氮化物半导体基板由GaN形成。
根据本发明的第二点，制造氮化物半导体发光芯片的方法包括：制备氮化物半导体基板的步骤，该氮化物半导体基板具有相对于m面在a轴和c轴方向都具有偏角的面作为主生长面，在a轴方向的偏角大于在c轴方向的偏角；以及通过外延生长法在所述氮化物半导体基板的主生长面上堆叠包括n型半导体层、有源层和p型半导体层的氮化物半导体层的步骤。在此，堆叠氮化物半导体层的步骤包括，从氮化物半导体基板侧形成n型半导体层、有源层和p型半导体层的步骤。
根据第二点的制造氮化物半导体发光芯片的方法中，通过使用以相对于m面在a轴方向具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，能获得亮斑EL发射图案得到抑制的氮化物半导体发光芯片。即，使用这种方案，能获得发射图案得到改进的氮化物半导体发光芯片。因而，能获得发光效率得到改进的高亮度氮化物半导体发光芯片。
而且，根据第二点，通过使氮化物半导体基板的主生长面在a轴方向的偏角大于在c轴方向的偏角，能获得亮斑EL发射图案得到有效抑制的氮化物半导体发光芯片。也即，通过这种方案，能抑制c轴方向的偏角过大导致的抑制亮斑发射的效果的减弱。因而，能容易地增强氮化物半导体发光芯片的发光效率。
而且，根据第二点，通过抑制亮斑EL发射图案，能使EL发射图案均匀，因而能减小氮化物半导体发光芯片的驱动电压。因为抑制亮斑发射有助于获得均匀EL发射图案，所以能在形成氮化物半导体激光器芯片时增加增益。
此外，根据第二点，上述方案有助于抑制亮斑EL发射图案，因而能增强发光效率，从而增强芯片的性能和可靠性。也即，能获得具有极好芯片性能和可靠性的氮化物半导体发光芯片。
根据上述第二点的制造氮化物半导体发光芯片的方法中，优选地，堆叠氮化物半导体层的步骤包括在700℃以上且低于900℃的生长温度形成p型半导体层的步骤。通过如上所述在低于900℃的生长温度形成p型半导体层，能减小对有源层的热损害。另一方面，通过在700℃以上的生长温度形成p型半导体层，可以抑制在低于700℃的生长温度形成而引起的p型半导体具有高电阻。因而，这也有助于增强芯片的性能和可靠性。顺带地，通过使用具有相对于m面具有偏角的主生长面的氮化物半导体基板，即使在小于900℃的生长温度形成p型半导体层，也能获得p型导电性。
在根据如上所述的第二点的制造氮化物半导体发光芯片的方法中，优选地，堆叠氮化物半导体层的步骤包括在900℃以上且低于1300℃的生长温度形成n型半导体层的步骤。通过如上所述在900℃以上的高温形成n型半导体层，能使n型半导体层的层表面平坦。因而，通过在如此平坦的n型半导体上形成有源层和p型半导体层，能抑制有源层和p型半导体层的结晶度的降低。这也使得能形成高质量晶体。另一方面，通过在低于1300℃的生长温度形成n型半导体层，能抑制由于n型半导体层在1300℃以上的生长温度形成引起的在升温时氮化物半导体基板的表面再蒸发而并变得粗糙。因而，通过这样的方案，能容易地制造具有极好的芯片性能以及高可靠性的氮化物半导体激光器芯片。
在根据如上所述的第二点的制造氮化物半导体发光芯片的方法中，优选地，堆叠氮化物半导体层的步骤包括在600℃以上且770℃以下的生长温度形成有源层的步骤。通过如上所述在770℃以下的生长温度形成有源层，能抑制在高于770℃(例如，830℃以上)的生长温度形成有源层导致的热损害使有源层变暗。另一方面，通过在600℃以上的生长温度形成有源层，能抑制在600℃以下的生长温度形成有源层导致的原子扩散长度的变短和结晶度的降低。因而，通过这样的方案，能更容易地制造具有极好的芯片性能以及高可靠性的氮化物半导体发光芯片。
根据本发明的第三点，半导体光学装置设置有根据上述第一点的氮化物半导体发光芯片。
如上所述，根据本发明，能容易地获得由于EL发射图案得到改进而使发光效率得到提高的氮化物半导体发光芯片，能提供制造该氮化物半导体发光芯片的方法，能提供具有该氮化物半导体发光芯片的半导体光学装置。
而且，根据本发明，能容易地获得具有极好芯片性能以及高可靠性的氮化物半导体发光芯片，能提供制造该氮化物半导体发光芯片的方法，能提供具有该氮化物半导体发光芯片的半导体光学装置。
附图说明
图1是图示氮化物半导体的晶体结构的示意图(示出单位晶胞的图)；
图2是示出本发明的一个实施例的氮化物半导体激光器芯片的结构的截面图(对应于沿图6中的线A-A的截面的图)；
图3是根据本发明的一个实施例的氮化物半导体激光器芯片的整体透视图；
图4是图示基板的偏角的示意图；
图5是示出根据本发明的一个实施例的氮化物半导体激光器芯片中的有源层的结构的截面图；
图6是根据本发明的一个实施例的氮化物半导体激光器芯片的平面图(示出从上方观察的氮化物半导体激光器芯片的图)；
图7是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的透视图(图示制造基板的方法的图)；
图8是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的透视图(图示制造基板的方法的图)；
图9是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的透视图(图示制造基板的方法的图)；
图10是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的平面图(图示制造基板的方法的图)；
图11是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图(图示制造基板的方法的图)；
图12是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图13是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图14是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图15是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图16是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图17是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图18是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图19是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的截面图；
图20是根据本发明的一个实施例的设置有氮化物半导体激光器芯片的半导体激光器装置的透视图；
图21是用来证实根据本发明的一个实施例的氮化物半导体激光器芯片的效果而制造的发光二极管芯片的透视图；
图22是对测试芯片观察到的EL发射图案的显微图像；
图23是示出具有SQW结构的有源层的例子的截面图；以及
图24是示出亮斑EL发射图案的显微图像(对对比芯片观测到的EL发射图案的显微图像)。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的实施例。下述实施例涉及将本发明应用于作为氮化物半导体发光芯片的示例的氮化物半导体激光器芯片的情形。在下面的实施例中，“氮化物半导体”表示组成为AlxGayInzN(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z＝1)的半导体。
首先，参照图1至6，说明本发明的实施例的氮化物半导体激光器芯片100的结构。
根据一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100由具有如图1所示的六方晶系晶体结构的氮化物半导体形成。在该晶体结构中，将该六方晶系看作是绕c轴[0001]的六边形柱，和c轴垂直的面(六边形柱的顶面C)称为c面(0001)，六边形柱的各侧壁面M称为m面{1-100}。在氮化物半导体中，在c轴方向不存在对称面，因而极化方向沿c轴方向。因而，c面在+c轴侧和-c轴侧表现出不同的性质。具体地，+c面((0001)面，Ga极性面G)和-c面((000-1)面，N极性面N)是不同的面，并且具有不同的化学性质。另一方面，m面是垂直于c面的晶面，因而m面的法线垂直于极化方向。因而，m面是非极性面，即没有极性的面。如上所述，六边形柱的侧壁表面都是m面，m面可用六个晶面取向代表，即(1-100)、(10-10)、(01-10)、(-1100)、(-1010)以及(0-110)；这些晶面取向在晶体几何学上是相同的，因而其全体用{1-100}代表。
如图2和图3所示，根据一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100设置有GaN基板10作为氮化物半导体基板。该GaN基板10的主生长面10a是具有相对于m面的偏角的面。具体地，氮化物半导体激光器芯片100的GaN基板10具有相对于m面的在a轴方向([11-20]方向)的偏角以及c轴方向([0001]方向)的偏角。即，根据一个实施例，GaN基板10的主生长面10a是在a轴和c轴方向都有偏角的面。
现在，参照图4，更详细地说明GaN基板10的偏角。首先，相对于m面，定义两个晶轴方向，即a轴[11-20]方向和c轴[0001]方向。这些轴(即a和c轴)互相垂直，且都垂直于m轴。而且，GaN基板10的晶体轴矢量(m轴[1-100])VC与基板表面(主生长面10a)的法向矢量VN一致时，平行于a、c和m轴方向的方向分别定义为X、Y和Z方向。接下来，研究法线沿Y方向的第一平面F1和法线沿X方向的第二平面F2。然后，将晶体轴矢量VC投影到第一平面F1和第二平面F2所呈现的晶体轴矢量Vc分别定义为第一和第二投影矢量VP1和VP2。此处，第一投影矢量VP1和法线矢量VN之间的角θa是a轴方向的偏角，第二投影矢量VP2和法线矢量VN之间的角θc是c轴方向的偏角。a轴方向的偏角，无论在+方向还是在-方向，从结晶学的角度来看都指示相同的表面状态，从而在+方向和-方向表现出相同的特性；这容许能以绝对值给出a轴方向的偏角。另一方面，c轴方向的偏角，视其是在+方向或-方向，使得Ga极性面G或N极性面N更强，这样就具有依赖于方向的不同效果；因而给出c轴方向的偏角时区别+方向和-方向。
如上所述，根据本实施例，GaN基板10的主生长面10a是在a轴和c轴方向都相对于m面{1-100}倾斜的面。
在此，在本实施例中，GaN基板10在a轴和c轴方向有都被调整为大于±0.1度的偏角。而且，GaN基板10在a轴方向的偏角被调整得大于在c轴方向的偏角。此外，为抑制表面形貌的恶化，GaN基板10在a轴方向的偏角被调整为10度以下。因为在c轴方向的偏角被调整得小于在a轴方向的偏角，所以c轴方向的偏角小于±10度。
在上述情形中，优选地，a轴方向的偏角调整得大于1度而等于或小于10度。优选在该范围中调整a轴方向的偏角是因为，这样能获得减小驱动电压的显著效果，还能获得改善表面形貌的效果。
通过在如上所述的GaN基板10的主生长面10a上堆叠多个氮化物半导体层形成根据一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100。具体地，如图2和图3所示，在根据一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100中，在GaN基板10的主生长面10a上形成厚度为约0.1μm的n型GaN层11。在n型GaN层11上，形成厚度为约2.2μm的n型Al0.06Ga0.94N下覆层12(low cladlayer 12)。在下覆层12上，形成厚度为约0.1μm的n型GaN下引导层13(lower guide layer)。在下引导层13上形成有源层14。n型GaN层11、下覆层12和下引导层13是本发明的“n型半导体层”的例子。GaN基板10形成为n型。
如图5所示，有源层14具有量子阱(DQW，双量子阱)结构，其中两个Inx1Ga1-x1N阱层14a和三个Inx2Ga1-x2N(其中x1＞x2)势垒层交替堆叠。具体地，从下引导层13侧，依次堆叠第一势垒层141b、第一阱层141a、第二势垒层142b、第二阱层142a和第三势垒层143b，以形成有源层14。形成两个阱层14a(第一和第二阱层141a和142a)时使得其厚度均为约3nm至约4nm。形成第一势垒层141b时使其厚度为约30nm，形成第二势垒层142b时使其厚度为约16nm，形成第三势垒层143b时使其厚度为约60nm。如此，三个势垒层14b以不同的厚度形成。
在本实施例中，阱层14a(有源层14)中的In的组分比x1在0.15以上且0.45以下(例如，从0.2到0.25)。另一方面，为了有效的光的限制，势垒层14b由InGaN形成，其In的组分比x2为例如从0.04到0.05。
通常，在In的组分比高的区域(x1≥0.15)，阱层的给定厚度为3nm以下。这是为了减小在In的组分比高时由于晶格失配而导致的失配位错等的发生。然而，在使用上述相对于m面在a轴方向的偏角大于0.1度的GaN基板10的情形，即使阱层14a厚度设定为3nm以上，失配位错等的发生也得到抑制。认为其原因如下，在a轴方向的偏角为0.1度以下的情形，形成高In组分比的阱层时，In组分在面内变化很大，In组分局部增大。这产生了In组分高的局部区域，并且在这些区域产生位错。相反，在a轴方向的偏角大于0.1度的情形，In组分在面内非常均匀；因此，即使阱层厚，形成高In组分的局部区域的可能性也较小。认为这使得能制造更厚的阱层。就增强对光的限制等而言，优选阱层14a的厚度设定为3.2nm以上。然而，如果阱层14a的厚度设定为8nm以上，则会导致大量的失配位错，因而优选阱层14a的厚度设定为8nm以下。
如图2和图3所示，在有源层14上，形成厚度为40nm以下(例如，约12nm)的p型AlyGa1-yN载流子阻挡层15。形成载流子阻挡层15时使其Al组分比在0.08以上且0.35以下(例如，约0.15)。在载流子阻挡层15上形成p型GaN上引导层16，其具有隆起部和隆起部之外的平坦部。在上引导层16的隆起部上形成厚度为约0.5μm的p型Al0.06Ga0.94N上覆层17。在上覆层17上形成厚度为约0.1μm的p型GaN接触层18。接触层18、上覆层17和上引导层16的隆起部一起构成宽度为约1μm至约3μm(例如，约1.5μm)的条状(细长的)脊部19。如图6所示，形成脊部19时使其在Y方向(大致在c轴[0001]方向)延伸。载流子阻挡层15、上引导层16、上覆层17和接触层18是本发明“p型半导体层”的例子。p型半导体层(载流子阻挡层15、上引导层16、上覆层17和接触层18)用Mg作为p型掺杂剂进行掺杂。
如图5所示，为增强将载流子注入阱层14a的效率，载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h(多数载流子阻挡层15侧-阱层14a之一(142a))设为约60nm。优选载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h设为80nm以下，更优选地，30nm以下。根据一个实施例，距离h等于第三势垒层143b的厚度。
如图2和图3所示，在脊部19的每侧形成用于限制电流的绝缘层20。具体地，在上引导层16的上面，在上覆层17的侧面以及接触层18的侧面形成厚度为约1μm至约3μm(例如，约1.5μm)的SiO2绝缘层20。
在绝缘层20和接触层18的顶面上形成p侧电极21，以覆盖接触层18的一部分。p侧电极21在其覆盖接触层18的部分中与接触层18直接接触。p侧电极21具有多层结构，从绝缘层20(接触层18)侧起，依次堆叠下述层：厚度为约15nm的Pd层(未图示)；厚度为约15nm的Pt层(未图示)；和厚度为约200nm的Au层(未图示)。
在GaN基板10的背面上，形成具有多层结构的n侧电极22，从GaN基板10的背面侧起，依次堆叠下述层：厚度为约5nm的Hf层(未图示)；和厚度为约150nm的Al层(未图示)。在n侧电极22上，形成具有多层结构的金属化层23，从n侧电极22侧起，依次堆叠下述层：厚度为约36nm的Mo层(未图示)；厚度为约18nm的Pt层(未图示)；和厚度为约200nm的Au层(未图示)。
如图3和图6所示，根据一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100具有一对谐振器(腔)面30，包括发光面30a和与其相对的反光面30b。在发光面30a上，形成反射系数为例如5％至80％的发射侧涂层(未图示)。另一方面，在反光面30b上，形成反射系数为例如95％的反射侧涂层(未图示)。发射侧涂层根据激光输出调整为所需值。发射侧涂层由依次从半导体发射面侧的例如厚度为30nm的氮氧化铝或氮化铝AlOxN1-x(其中0≤x≤1)的膜和厚度为215nm的Al2O3膜组成。反射侧涂层由例如SiO2和TiO2等多层膜组成。除刚提到的材料之外，也可使用SiN、ZrO2、Ta2O5和MgF2等介电材料膜。
在发光面侧的涂层的组成可替换为由厚度为12nm的AlOxN1-x(其中0≤x≤1)的膜和厚度为100nm的氮化硅SiN膜构成。通过在上述m面氮化物半导体基板的解理面(本实施例中，c面)上，或通过气相蚀刻或液相蚀刻蚀刻的蚀刻面上形成氮氧化铝或氮化铝AlOxN1-x(其中0≤x≤1)的膜，能极大降低在半导体和发射侧涂层之间的界面的非辐射复合率，从而极大改善了COD(灾难性光学损害)的水平。更优选地，氮氧化铝或氮化铝AlOxN1-x(其中0≤x≤1)膜是具有和氮化物半导体相同的六方晶系的晶体；进一步优选地，该晶体相对于和氮化物半导体的晶轴对准的晶轴结晶，因为这进一步降低非辐射复合率，并进一步改善COD水平。为提高发光面侧的反射系数，可在上述涂层上形成氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化钽、氧化锆和氧化硅等膜的堆叠膜。
如图6所示，根据一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100在与谐振器面30垂直的方向(Y方向，大致为c轴[0001]方向)具有约300μm至约1800μm(例如约600μm)的长度L(芯片长度L，谐振器长度L)，在沿谐振器面30的方向(X方向，大致为a轴[11-20]方向)具有约150μm至约600μm的宽度W(芯片宽度W)。
在本实施例中，如上所述，具有相对于m面在a轴方向的偏角的面被用作GaN基板的主生长面10a，这使得能抑制亮斑EL发射图案。即，使用该结构，能改善EL发射图案。这使得能增强氮化物半导体激光器芯片的发光效率。通过增强发光效率，能获得高亮度氮化物半导体激光器芯片。上述获得抑制亮斑发射效果的一个原因被认为是下述理由：GaN基板的主生长面10a相对于m面在a轴方向具有偏角的结果是，有源层14(阱层14a)在主生长面10a上生长时，In原子的迁移方向发生改变，致使即使在高In的组分比(大量供应In)的情形，In的团聚也得以抑制。另一个原因被认为是，在有源层14上形成的p型半导体层的生长方式也发生改变，以使得Mg作为p型掺杂剂的活化率得到增强，并降低p型半导体层的电阻。降低p型半导体层的电阻使得电流的均匀注入变得容易，从而使EL发射图案均匀。
在GaN基板10的主生长面10a相对于m面在a和c轴方向都具有偏角的情形，使a轴方向的偏角大于c轴方向的偏角，这能有助于有效地抑制亮斑EL发射图案。即，通过这种结构，能抑制由于在c轴偏角过大导致亮斑发射的效果的减小。因而，能容易地增强发光效率。
本实施例中，通过抑制亮斑EL发射图案，使EL发射图案均匀，因而能减小驱动电压。顺带地，通过抑制亮斑发射，能获得均匀的EL发射图案，因而能在形成氮化物半导体激光器芯片时增加增益。
本实施例中，使用上述结构，能抑制亮斑EL发射图案，因而能增强发光效率。这使得芯片的性能和可靠性得以增强。即，能获得具有极好芯片性能和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片。
本实施例中，通过将a轴和c轴方向的偏角都设定得大于±0.1度，能容易地抑制亮斑EL发射图案。顺带地，将a轴方向的偏角设定得大于±0.1度有助于抑制a轴方向的偏角等于或小于±0.1度导致的表面形貌恶化。另一方面，将c轴方向的偏角设定得大于±0.1度有助于抑制c轴方向的偏角小于±0.1度导致的在主生长面10a上生长的氮化物半导体层的厚度的不均匀。
本实施例中，通过将a轴方向的偏角设定得大于0.1度但等于或小于10度，能抑制因为a轴方向的偏角大于10度而导致的表面形貌恶化。即，使用上述结构，能在获得满意的表面形貌的同时容易地抑制亮斑EL发射图案。
通过将a轴方向的偏角设定得大于0.1度但等于或小于10度，能在获得满意的表面形貌的同时更容易地抑制亮斑EL发射图案。更优选以此方式调整a轴方向的偏角是因为，这样能获得减小驱动电压的显著效果，还能获得改善表面形貌的效果。
在使用以m面作为主生长面的GaN基板的情形，在该主生长面上生长氮化物半导体层会在氮化物半导体层的层表面上产生金字塔形的隆起部。这引起氮化物半导体层的厚度在金字塔形的隆起部改变的不便。另一方面，通过将相对于m面在a轴方向的偏角设定得大于1度但等于或小于10度，即使在该主生长面10a上生长氮化物半导体层的情形下，也能有效抑制层表面上金字塔形的隆起部的产生。从而，能有效抑制前面提到的氮化物半导体层的厚度改变的不便。
本实施例中，赋予氮化物半导体激光器芯片100的有源层14以DQW结构使得能容易地减小驱动电压。这也有助于增强芯片性能和可靠性。即使有源层14被赋予了DQW结构，也能抑制亮斑EL发射图案。上述GaN基板10具有设置有相对于m面的偏角的主生长面10a，在该GaN基板10上形成的有源层14为DQW结构的情形中，与有源层14为多量子阱(MQW)结构相比，有源层14为DQW结构有助于增强发光效率。这使得能容易地获得高亮度氮化物半导体激光器芯片。
本实施例中，通过将载流子阻挡层15中的Al组分比y设在0.08以上且0.35以下，能形成一相对于载流子(电子)足够高的能量势垒，能更有效地防止注入有源层14的载流子流入p型半导体层。以此方式，能有效地抑制亮斑EL发射图案。将载流子阻挡层15中的Al组分比y设在0.35以下有助于抑制Al组分比y太高导致的载流子阻挡层15的电阻的增高。附带地，阱层14a中的In的组分比x1(x1≥0.15)高的区域中，在有源层14上形成的载流子阻挡层15中的Al组分在0.08以上时，极难令人满意地生长载流子阻挡层15。这是因为，随着在阱层14a中的In浓度增加，有源层14的表面的平坦程度下降，这使得难于形成Al组分比y高而且结晶度良好的膜。然而，通过使用以相对于m面在a轴方向具有偏角的面为主生长面10a的GaN基板10，即使有源层14(阱层14a)中的In的组分比x1在0.15以上且0.45以下，也能形成Al组分比y在0.08以上且0.35以下并具有良好结晶度的载流子阻挡层15。这使得能有效抑制亮斑EL发射图案，使EL发射图案均匀。
使用上述具有设置有相对于m面的偏角的主生长面10a的GaN基板10，即使阱层14a中In的组分比x1在0.15以上，即，即使在亮斑EL发射图案显著的情况下，也能有效抑制亮斑EL发射图案。因而，通过将阱层14a中In的组分比x1限定在0.15以上，能获得抑制亮斑EL发射图案的显著效果。另一方面，通过将有源层14中的阱层14a中In的组分比x1设置在0.45以下，则会抑制因有源层14中In的组分比大于0.45所导致的在有源层中产生大量的位错。
在本实施例中，在阱层14a下(在GaN基板10侧)以InGaN形成势垒层14b，并将其In的组分比x2设定在0.01以上，使得能极大地增加将In吸收进阱层14a的效率。这使得即使减小In的气流量也能维持高的In组分比，从而有助于提高吸收率。以此方式，能有效获得波长的增长。还能减小材料气体(TMIn，即三甲基铟)的消耗，有利于成本的降低。
将在载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h设在200nm以上，这在载流子从载流子阻挡层15扩散至有源层14时允许电流扩散，因而稍微有助于抑制亮斑发射。另一方面，使用具有设置有相对m面的偏角的主生长面10a的GaN基板10，即使载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h不设在200nm以上，也能有效地抑制亮斑发射。例如，即使载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h设定得小于120nm，也能有效地抑制亮斑发射。载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h越小越优选，因为这增加了载流子注入阱层14a的效率。因而，通过将载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h设定得小于120nm，能增加载流子注入阱层14a的效率。
图7至图19是图示根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法的图。接下来，参照图2、3和5-19，说明根据本发明的一个实施例的制造氮化物半导体激光器芯片的方法。
首先，制备以在a轴和c轴方向都有偏角的面为主生长面10a的GaN基板10。例如，从以c面(0001)作为主生长面的GaN大块晶体切割出一基板作为种子基板，在该种子基板上生长GaN晶体，以此制造GaN基板10。具体地，如图7所示，在基底基板300的一部分上形成SiO2保护膜(未图示)，然后在基底基板300上并且在保护膜上方，通过诸如MOCVD(金属有机化学气相沉积)的外延生长工艺生长GaN大块晶体。这使得生长开始于没有形成保护膜的部分，在保护膜上方，GaN晶体横向生长。横向生长的GaN晶体的部分在保护膜上方相遇，继续生长，从而在基底基板300上形成GaN晶体层400a。GaN晶体层400a形成得足够厚，即使在去除基底基板300后也可独立加工处理。接下来，通过例如蚀刻从所形成的GaN晶体层400a去除基底基板300。如图8所示，这留下具有c面(0001)作为主面的GaN大块晶体400。作为基底基板，可以使用GaAs基板、蓝宝石基板、ZnO基板、SiC基板和GaN基板等。GaN大块晶体400的厚度S设定为例如3mm。
接下来，所获得的GaN大块晶体400的两个主面，即(0001)和(000-1)面被研磨和抛光，以使每个面都具有5nm的平均粗糙度Ra。平均粗糙度Ra遵从JIS B 0601中定义的算术平均粗糙度Ra，并且能在AFM(原子力显微镜)上测量。
接下来，GaN大块晶体400在多个垂直于[1-100]方向的面进行切片，以切割出以m面{1-100}作为主面的多个GaN晶体基板410，每个基板具有厚度T(例如，1mm)(具有3mm的宽度S)。然后，对如此切割出的每个GaN晶体基板410的尚未研磨抛光的面进行研磨抛光，以具有5nm的平均粗糙度Ra。此后，如图9和图10所示，将该多个GaN晶体基板410并排排列，使其各主面彼此平行，并使各个[0001]方向彼此平行。
下面，如图11所示，如此并排排列的多个GaN晶体基板410被用作种子基板，在这些GaN晶体基板410的m面{1-100}上通过诸如HVPE的外延生长工艺生长GaN晶体。以此方式，获得了具有m面作为主生长面的GaN基板1。接下来，所获得的GaN基板1的主面通过化学机械抛光而被抛光，以独立地控制a轴和c轴方向的偏角，从而将相对于m面的在a轴和c轴方向偏角设定为所需偏角。这些偏角可用X光衍射方法获得。以此方式，获得了以相对于m面在a轴和c轴方向都具有偏角的面为主生长面的GaN基板10。
在上述GaN基板10的制作过程中，在制造具有大偏角的基板的情形，从GaN大块晶体400切割出多个GaN晶体基板410时，可以以相对于[1-100]方向的预定切割角进行切割，以使GaN晶体基板410的主面具有相对于m面{1-100}的所需偏角。这样做容许GaN晶体基板410的主面具有相对于m面{1-100}的所需偏角，因而在主面上形成的GaN基板1(10)的主面(主生长面)相对于m面{1-100}具有所需偏角。
用化学机械抛光法抛光从GaN大块晶体400(见图8)切割出的多个GaN晶体基板410使得能将GaN晶体基板410用作GaN基板10。在该情形，GaN晶体基板410的宽度S可以是3mm以上。
在此，本实施例中，a轴和c轴方向的偏角都调整得大于±1度。而且，a轴方向的偏角被调整得大于c轴方向的偏角。此外，为抑制表面形貌的恶化，a轴方向的偏角被调整为等于或小于10度。因为c轴方向的偏角被调整得小于在a轴方向的偏角，c轴方向的偏角小于±10度。
下面，如图12所示，在所获得的GaN基板10的主生长面10a上，通过MOCVD工艺生长各氮化物半导体层11至18。具体地，在GaN基板10的主生长面10a上，依次生长下述层：厚度为约0.1μm的n型GaN层11、厚度为约2.2μm的n型Al0.06Ga0.94N下覆层12、厚度为约0.1μm的n型GaN下引导层13和有源层14。生长有源层14时，如图5所示，Inx1Ga1-x1N的两个阱层14a和Inx2Ga1-x2N(其中x1＞x2)三个势垒层交替堆叠。具体地，在下引导层13上从底部朝上依次生长下述层：厚度为约30μm的第一势垒层141b、厚度为约3nm至4nm的第一阱层141a、厚度为约16nm的第二势垒层142b、厚度为约3nm至约4nm的第二阱层142a和厚度为约60nm的第三势垒层143b。以此方式，在下引导层13上形成了具有由两个阱层14a和三个势垒层14b组成的DQW结构的有源层14b。此时，所形成的阱层14a中的In的组分比x1在0.15以上且0.45以下(例如，从0.2到0.25)。另一方面，所形成的势垒层14b的In的组分比x2为例如从0.04到0.05。
接下来，如图12所示，在有源层14上，依次生长下述层：p型AlyGa1-yN载流子阻挡层15、厚度为约0.05μm的p型GaN上引导层16、厚度为约0.5μm的p型Al0.06Ga0.94N上覆层17、和厚度为约0.1μm的p型GaN接触层18。此时，优选载流子阻挡层15形成的厚度为40nm以下(例如，约12nm)。而且，优选形成载流子阻挡层15时使其Al组分比y在0.08以上且0.35以下(例如，约0.15)。使用例如Si作为n型掺杂剂掺杂n型半导体层(n型GaN层11、下覆层12和下引导层13)，使用Mg作为p型掺杂剂掺杂p型半导体层(载流子阻挡层15、上引导层16、上覆层17和接触层18)。
本实施例中，在900℃以上且低于1300℃(例如，1075℃)的生长温度形成n型半导体层。在600℃以上且770℃以下(例如，700℃)的生长温度形成有源层14的阱层14a。在和阱层14a相同的生长温度(例如，700℃)形成与阱层14a相邻的势垒层14b。在700℃以上且低于900℃(例如，880℃)的生长温度形成p型半导体层。n型半导体层的生长温度优选为900℃以上且低于1300℃，更优选地，1000℃以上且低于1300℃。有源层14的阱层14a的生长温度优选为600℃以上且830℃以下，在阱层14a中的In的组分比x1在0.15以上时，优选600℃以上且770℃以下，更优选地，630℃以上且740℃以下。有源层14的势垒层14b的生长温度优选等于或高于阱层14a的生长温度。p型半导体层的生长温度优选为700℃以上且低于900℃，更优选地，700℃以上且880℃以下。不用说，因为即使在900℃以上的温度形成p型半导体层也能给出p型导电，也可在900℃以上的温度形成p型半导体层。
接下来，如图13所示，使用光刻技术，在接触层18上形成条状(细长的)抗蚀剂层450，其宽度为约1μm至约3μm(例如，约1.5μm)，平行于Y方向(大致在c轴[0001]方向)延伸。然后，如图14所示，通过使用诸如SiCl4或Cl2的氯基气体或Ar气的RIE(反应离子蚀刻)工艺，将抗蚀剂层450用作掩模，进行蚀刻至上引导层16的一半深度(不局限于严格的一半)。以此方式，形成条状(细长的)脊部19(见图3和图6)，其由上引导层16的隆起部、上覆层17和接触层18构成，平行于Y方向(大致在c轴[0001]方向)延伸。
下面，如图15所示，抗蚀剂层450留在脊部19上，通过溅射工艺等，形成厚度为约0.1μm至约0.3μm(例如，约0.15μm)的SiO2绝缘层20，以掩埋脊部19。然后，通过剥离去除抗蚀剂层450，以露出脊部19顶部的接触层18。以此方式，在脊部19的各侧上，形成如图16所示的绝缘层20。
接下来，如图17所示，通过真空沉积工艺等，从基板侧(绝缘层20侧)依次形成厚度为约15μm的Pd层(未图示)和厚度为约200nm的Au层(未图示)。因而，在绝压层20(接触层18)上形成了具有多层结构的p侧电极21。
接下来，为使基板容易分割，将GaN基板10的背面研磨抛光，直至GaN基板10的厚度减小至约100μm。此后，如图2所示，在GaN基板10的背面，通过真空沉积工艺等，从GaN基板10的背面侧起，依次形成厚度为约5nm的Hf层(未图示)和厚度为约150nm的Al层(未图示)。从而，形成了具有多层结构的n侧电极22。然后，在n侧电极上，从n侧电极22侧起依次形成厚度为约36nm的Mo层(未图示)、厚度为约18nm的Pt层(未图示)和厚度为约200nm的Au层(未图示)。从而，形成了具有多层结构的金属化层23。在形成n侧电极22前，例如可进行干法蚀刻或湿法蚀刻以调整n侧电学性能。
下面，如图18所示，通过划片-断裂(scribing-breaking)工艺，激光划片工艺等，将基板分割(split)为条。这制造了在分割面具有谐振器面30的条状阵列。接下来，通过真空沉积工艺、溅射工艺等，将芯片的条状阵列的面(谐振器面30)涂覆涂层。具体地，在用作发光面的一个面上形成例如氮氧化铝膜等的发射侧涂层(未图示)。在用作反射面的与发光面相对的面上，形成例如SiO2和TiO2等多层膜的反射侧涂层(未图示)。
最后，如图19所示，在沿着沿Y方向(大致在c轴[0001]方向)的预定分割线P将芯片的条状阵列分割为各氮化物半导体激光器芯片的单独的片。以此方式，制造了根据本发明一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100。
根据上述本发明一个实施例的氮化物半导体激光器芯片100，如图20所示，被安装在基座120上，副安装座110居于氮化物半导体激光器芯片100和基座120之间并通过配线130电连接至引脚(lead pin)。然后，盖135被焊接至基座120上以完成装配，得到罐式封装的(can-packaged)半导体激光器装置(半导体光学装置)150。
在根据本实施例的氮化物半导体激光器芯片100的制造方法中，如上所述在900℃以上的高温形成n型半导体层有助于使n型半导体层的层表面更为平坦。因而，通过在如此平坦化的n型半导体上形成有源层14和p型半导体层，能抑制有源层14和p型半导体层的结晶度的降低。这也使得能形成高质量晶体。另一方面，在低于1300℃的生长温度形成n型半导体层有助于抑制由于n型半导体层在1300℃以上的生长温度形成引起的升温过程中GaN基板10表面的再蒸发及变得粗糙。因而，通过这样的方案，能容易地制造具有极好的芯片性能以及高可靠性的氮化物半导体激光器芯片100。
本实施例中，在600℃以上的生长温度形成有源层14的阱层14a有助于抑制在低于600℃的生长温度形成阱层14a导致的原子扩散长度的变短和结晶度的降低。另一方面，在770℃以下的生长温度形成有源层14的阱层14a有助于抑制在高于770℃(例如，830℃以上)的生长温度形成有源层14的阱层14a导致的热损害而使有源层14变暗。与阱层14a相邻的势垒层14b的生长温度优选为等于或高于阱层14a的生长温度。
本实施例中，在700℃以上的生长温度形成p型半导体层有助于抑制生长温度过低引起的p型半导体具有高电阻。另一方面，在低于900℃的生长温度形成p型半导体层有助于减小对有源层14的热损害。在使用以c面为主生长面的GaN基板的情形，在低于900℃的生长温度形成p型半导体层导致p型半导体层具有极高电阻，从而使得得到的装置(氮化物半导体发光芯片)难以使用等。相反，上述GaN基板10以相对于m面在a轴方向设置有偏角的面作为主生长面10a，使用该GaN基板10使得即使生长温度低于900℃，也能通过使用Mg作为p型掺杂剂而获得p型导电性。具体地，在有源层14的阱层14a中的In的组分比x1在0.15以上且0.45以下的情形，因为In等的偏析，In组分倾向于在面内变化。因而，p型半导体层的生长温度越小越优选。从避免对有源层14的热损害的角度出发，有源层14的阱层14a的生长温度和p型半导体层的生长温度之间的差异优选为小于200℃，更优选地，小于150℃。
接下来，说明用于证实上述实施例的GaN基板10的效果的实验。这些实验中，首先，作为测试芯片，制造如图所示发光二极管芯片200，检测EL发射图案。使用发光二极管芯片来检测EL发射图案的原因是，对于氮化物半导体激光器芯片，其具有形成的脊部导致的限制电流注入区，因此难于检测EL发射图案。
通过在类似于上述实施例的GaN基板上形成和上述实施例中的类似的氮化物半导体层来制造测试芯片(发光二极管芯片200)。氮化物半导体层以和上述实施例中类似的方式形成。具体地，如图21所示，GaN基板10以具有相对于m面的偏角的面作为主生长面10a，使用该GaN基板10，在该主生长面10a上依次形成：n型GaN层11、下覆层12、下引导层13、有源层14、载流子阻挡层15、上引导层16、上覆层17和接触层18。接下来，在接触层18上形成p侧电极221。p侧电极221透明以容许对EL发射图案的检测。在GaN基板10的背面，形成n侧电极22和金属化层23。在测试芯片中，GaN基板10在a轴方向具有1.7度偏角，在c轴方向具有+0.1度偏角。在测试芯片中，阱层中的In的组分比为0.25。将电流注入到所制造的测试芯片(发光二极管芯片200)中，使其发光，检测在面内的光分布。图22示出使用测试芯片观察到的EL发射图案的显微图像。
另一方面，作为对比芯片，制造使用以m面作为主生长面(m面正基板(m-plane just substrate))的GaN基板的发光二极管芯片。该对比芯片以上述测试芯片相同的方式制造。In的气流量与测试芯片的相同。但是在对比芯片中，阱层中的In的组分比为0.2。与测试芯片相同，检测面内的光分布。除了使用m面正基板作为GaN基板以及阱层中的In的组分比为0.2，对比芯片具有和测试芯片(发光二极管芯片200)相似的结构。如图24所示EL发射图案是使用对比芯片观察到的一个(显微图像)。
如图24所示对比芯片表现出亮斑EL发射图案，而在测试芯片中，尽管阱层中In的组分比高，由于亮斑EL发射图案得到抑制，表现出均匀发光的EL发射图案。这证实了，使用以相对于m面在a轴方向具有偏角的面为主生长面10a的GaN基板10有助于抑制亮斑EL发射图案。另一方面，测试芯片和对比芯片的发光效率的测量结果证实了测试芯片的发光效率增加到对比芯片的1.5倍。测试芯片的发光波长是510nm，对比芯片的发光波长是500nm。这证实了，控制偏角的测试芯片和使用m面正基板的对比芯片相比，在In吸收方面更有效。因而，已证实相对于m面在a轴方向设置偏角有助于抑制亮斑发射并在绿色波长区增加发光效率。
下面，通过使用具有在a轴和c轴方向的不同偏角的多个GaN基板，制造类似于如图21所示的发光二极管芯片200的多个芯片，并进行包括EL发射图案检测的实验。
结果显示，相对于m面在a轴方向设置偏角有抑制亮斑EL发射图案的效果。已发现，a轴方向的偏角在0.1度以下的范围中时，抑制亮斑发射的效果弱，而a轴方向的偏角在0.1度以上时，抑制亮斑发射图案的效果显著。还发现，c轴方向的偏角在±0.1度以下的范围中时，抑制亮斑发射的效果弱。认为a轴和c轴方向的偏角都在0.1度以下的范围中时，偏角如此之小以至于和没有设置偏角的基板(正基板)几乎相同，这使得难于获得抑制亮斑发射的效果。因而，已证实，通过使用相对于m面在a轴方向具有偏角的面作为GaN基板的主生长面，能抑制亮斑EL发射图案。还证实，在a轴方向的偏角大于10度时，虽然有抑制亮斑发射的效果，但倾向于使表面形貌恶化。进一步证实，a轴方向的偏角在±0.1度以下的范围中时，表面形貌恶化，c轴方向的偏角在±0.1度以下的范围中时，n型半导体层的厚度和p型半导体层的厚度在面内变化。还证实，c轴方向的偏角在+和-方向示出相似的趋势，因而可以以绝对值来讨论。
有趣的是，关于抑制亮斑发射的效果，a轴方向的偏角和c轴方向的偏角之间观察到强相关性。具体地，c轴方向的大偏角倾向于减弱a轴方向的偏角的效果(其抑制亮斑发射的效果)。更具体地，已观察到，即使是在a轴和c轴方向的偏角都大于±0.1度的情形，大于a轴方向的偏角的c轴方向的偏角倾向于减小a轴方向的偏角的效果(其抑制亮斑发射的效果)。在此，c轴方向的偏角在+和-方向示出相似的趋势。因而，已证实，关于a轴和c轴方向的偏角之间的关系的更优选的条件是，a轴方向的偏角的绝对值大于c轴方向的偏角的绝对值。满足这个条件能在更宽范围的生长条件下获得抑制亮斑发射的效果。认为上述抑制亮斑发射的效果随a轴和c轴方向的偏角之间的关系而变化的事实的原因是，原子迁移的方向随着c轴方向的偏角的增大而变化。
基于上述发现，已证实，考虑到表面形貌等，a轴方向的优选偏角大于0.1度而在10度以下，c轴方向的优选偏角大于±0.1度而小于±10度。还证实，优选a轴方向的偏角大于c轴方向的偏角，因为这使得容易获得抑制亮斑发射的效果。
实际示例
作为氮化物半导体激光器芯片的实际示例，使用相对于m面{1-100}在a轴方向有1.7度的偏角，在c轴方向有+0.1度偏角的GaN基板，制造和上述实施例中的类似的氮化物半导体激光器芯片。其他方面，该实际示例以与上述实施例相同的方式构造。作为比较例，以和上述实施例中的类似的方式制造另一个氮化物半导体激光器芯片，但使用没有偏角的GaN基板(m面正基板)。在其他方面，对比例氮化物半导体激光器芯片以和实际示例的相同的方式构造。
测量了实际示例和对比例的阈值电流。对比例氮化物半导体激光器芯片的阈值电流值是约100mA，实际示例的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流是约65mA；因而，已证实，实际示例的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流被大大降低。这被认为是因为被抑制的亮斑发射导致在面内的均匀发光以及高增益。此外，关于驱动电压，已证实注入50mA的电流时，观察到实际示例的氮化物半导体激光器芯片的驱动电压小0.35V。这被认为是因为使用相对于m面在a轴方向具有偏角的面作为GaN基板的主生长面改变了Mg被吸收进p型半导体层的方式，从而增强了活化率。实际示例的氮化物半导体激光器芯片的发光波长是495nm。
应注意，在此披露的实施例在各方面都是示意性的而非限制性的。本发明的范围不由上述实施例的说明界定，而由所附权利要求界定，并包括在等同于权利要求的涵义和范围内的各种变更和修改
例如，以上实施例所涉及的示例中，本发明被应用于氮化物半导体激光器芯片作为氮化物半导体发光芯片的例子，然而，这不意味着要限制本发明；本发明也可使用于氮化物半导体发光二极管芯片。
以上实施例所涉及的示例中，a轴和c轴方向的偏角都设定得大于±0.1度，然而，这不意味着对本发明的限制；a轴和c轴方向的偏角可以是±0.1度以下。然而，考虑到抑制亮斑发射的效果和表面形貌，优选a轴和c轴方向的偏角均大于±0.1度。
以上实施例所涉及的示例中，a轴方向的偏角是10度以下，然而，这不意味着对本发明的限制；a轴方向的偏角可以是10度以上。然而，a轴方向太大的偏角可使表面形貌恶化，因而a轴方向的偏角优选是10度以下。
以上实施例所涉及的示例中，有源层的量子阱结构是DQW结构，然而，这不意味着对本发明的限制；有源层可形成为具有不同于DQW结构的其他量子阱结构。例如，有源层的量子阱结构可以是SQW(单量子阱)结构。具体地，例如，如图23所示，在下引导层13上，能形成具有SQW结构的有源层54，该SQW结构具有交替堆叠的一个InGaN阱层54a和两个InGaN势垒层54b。阱层54a的厚度设定为例如约3nm至约4nm，势垒层54b的厚度设定为例如约70nm。上述实施例的结构中，赋予有源层以SQW结构和赋予有源层以DQW结构相比，有助于减小驱动电压。具体地，注入50mA的电流时，观察到具有SQW结构的有源层的驱动电压比具有DQW结构的有源层的驱动电压小约0.1V至0.25V。这被认为可能是因为，在DQW结构中夹在两个阱层之间的势垒层中的载流子的耗尽在势垒层中产生强电场。除了SQW结构，有源层还可以具有MQW结构。此外，在有源层具有SQW或MQW结构的情形，能获得抑制亮斑发射的效果。
以上实施例所涉及的示例中，使用GaN基板作为氮化物半导体基板，然而，这不意味着对本发明的限制；也可使用GaN基板以外的氮化物半导体基板。例如，能使用InGaN、AlGaN和AlGaInN等氮化物半导体基板。关于在基板上生长为晶体的各氮化物半导体层，其各自的厚度和组成等可作不同的组合和适当的改变，以适应所需的性能。例如，可增减半导体层，或者可部分改变半导体层的次序。可部分改变半导体层的导体类型。即，任何变更和修改都可能，只要能获得氮化物半导体激光器芯片的基本特性。
以上实施例所涉及的示例中，阱层中的In的组分比是0.2至0.25，然而，这不意味着对本发明的限制；阱层中的In的组分比可在0.15以上且0.45以下的范围中按照需要改变。阱层中的In的组分比可小于0.15。阱层可包含Al，只要其含量在5％以下。
以上实施例所涉及的示例中，势垒层中的In的组分比是0.04至0.05，然而，这不意味着对本发明的限制；势垒层中的In的组分比可在小于阱层中的In的组分比的范围中按照需要改变。
以上实施例所涉及的示例中，势垒层由InGaN形成，然而，这不意味着对本发明的限制；势垒层也可由GaN形成。由GaN形成势垒层有助于抑制阱层中In的组分比增加时在平行于c轴方向的方向产生的位错(在EL发射图案中显现为暗线)。在势垒层由GaN形成的情形，为有效的光限制，例如，增加势垒层等中的In的组分比。
以上实施例所涉及的示例中，载流子阻挡层和阱层之间的距离被设定得等于第三势垒层的厚度，然而，也能在载流子阻挡层和阱层之间(多数载流子阻挡层侧-阱层之一)形成组成不同的多个氮化物半导体层。此外，优选使用诸如Mg的p型掺剂将载流子阻挡层和阱层之间(多数载流子阻挡层侧-阱层之一)的部分界面掺杂成p型。上述实施例中，没有作这种掺杂。
以上实施例所涉及的示例中，载流子阻挡层的厚度设定为40nm以下，然而，这不意味着对本发明的限制；载流子阻挡层的厚度可以设定为大于40nm。即使载流子阻挡层含约3％的In，也能获得本发明的效果。为了减小驱动电压，优选载流子阻挡层中的Al组分比大于上覆层中的Al组分比。
以上实施例所涉及的示例中，使用Si作为n型半导体层的n型掺杂剂，然而，这不意味着对本发明的限制；能使用例如O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg或Be等作为Si以外的n型掺杂剂。具体地，优选的n型掺杂剂是Si、O和Cl。
以上实施例所涉及的示例中，绝缘层由SiO2形成，然而，这不意味着对本发明的限制；绝缘层可由SiO2之外的绝缘材料形成。例如绝缘层可由SiN、Al2O3、ZrO2等形成。
以上实施例所涉及的示例中，通过MOCVD工艺将各氮化物半导体层生长为晶体，然而，这不意味着对本发明的限制；可通过MOCVD工艺之外的任何其他外延生长工艺形成各氮化物半导体层。MOCVD工艺之外的工艺包括，例如，HVPE(氢化物气相外延)工艺和气体源MBE(分子束外延)工艺等。

Claims (13)

1.一种氮化物半导体发光装置，包括：
氮化物半导体基板，具有一主生长面；和
氮化物半导体层，生长在所述氮化物半导体基板的主生长面上，
其中，所述主生长面是相对于m面在a轴和c轴方向都具有偏角的面，而且
在所述a轴方向的所述偏角大于在所述c轴方向的所述偏角。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中
在所述a轴方向的所述偏角和在所述c轴方向的所述偏角都大于0.1度。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中
在所述a轴方向的所述偏角大于0.1度且等于或小于10度。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光装置，其中
在所述a轴方向的所述偏角大于1度且等于或小于10度。
5.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中
所述氮化物半导体层包括具有量子阱结构的有源层，以及
所述有源层具有一个阱层。
6.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中
所述氮化物半导体层包括具有量子阱结构的有源层，以及
所述有源层具有两个阱层。
7.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中
所述氮化物半导体层包括具有量子阱结构的有源层，
所述有源层具有由含In的氮化物半导体形成的阱层，以及
所述阱层中的所述In的组分比在0.15以上且在0.45以下。
8.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中
所述氮化物半导体基板由GaN形成。
9.一种氮化物半导体发光装置的制造方法，该方法包括：
制备氮化物半导体基板的步骤，该氮化物半导体基板以相对于m面在a轴和c轴方向都具有偏角的面作为主生长面，在所述a轴方向的所述偏角大于在所述c轴方向的所述偏角；以及
通过外延生长法在所述氮化物半导体基板的主生长面上堆叠包括n型半导体层、有源层和p型半导体层的氮化物半导体层的步骤，
其中，堆叠所述氮化物半导体层的所述步骤包括从氮化物半导体基板侧形成所述n型半导体层、所述有源层和所述p型半导体层的步骤。
10.根据权利要求9所述的氮化物半导体发光装置的制造方法，其中
堆叠所述氮化物半导体层的所述步骤包括在700℃以上且低于900℃的生长温度形成所述p型半导体层的步骤。
11.根据权利要求9或10所述的氮化物半导体发光装置的制造方法，其中
堆叠所述氮化物半导体层的所述步骤包括在900℃以上且低于1300℃的生长温度形成所述n型半导体层的步骤。
12.根据权利要求9或10所述的氮化物半导体发光装置的制造方法，其中
堆叠所述氮化物半导体层的所述步骤包括在600℃以上且低于770℃的生长温度形成所述有源层的步骤。
13.一种半导体光学装置，包括根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置。
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