CN101944480A - 氮化物半导体芯片及其制造方法以及半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化物半导体芯片及其制造方法以及半导体器件。该氮化物半导体芯片由于改善的EL发射图案和改善的表面形态(平坦度)而提供增加的发光效能和提高的良率。该氮化物半导体激光器芯片(氮化物半导体芯片)包括：GaN基板，具有主生长面；以及形成在GaN基板的主生长面上的各氮化物半导体层。主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，并且各氮化物半导体层包括AlGaN下覆层。该下覆层形成为接触GaN基板的主生长面。

Description

氮化物半导体芯片及其制造方法以及半导体器件
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及半导体器件。更具体地，本发明涉及提供有氮化物半导体基板的氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及包括这样的氮化物半导体芯片的半导体器件。
背景技术
以GaN、AlN、InN及其混合晶体为例的氮化物半导体的特征在于：具有比AlGaInAs基半导体和AlGaInP基半导体更宽的带隙Eg，并且还是直接带隙材料(direct band gap materials)。因为这些原因，氮化物半导体作为用于构造半导体发光芯片(例如在从紫外光至绿光的波长区域中发光的半导体激光器芯片和覆盖从紫外光至红光的宽发射波长区域的发光二极管芯片)的材料而受到关注，并且期望发现其在投影机及全彩色显示，以及环境、医疗和其它领域中的广泛应用。
另一方面，近年来，许多研究机构已经进行了积极的尝试以通过使利用氮化物半导体的半导体发光芯片的发射波长更长而实现在绿光区域发光的半导体发光芯片(绿光半导体激光器)。
通常，在使用氮化物半导体的半导体发光芯片中，采用具有六方晶系的GaN基板(氮化物半导体基板)，并且其c面((0001)面)被用作主生长面。通过堆叠包括有源层的氮化物半导体层于c面上，形成氮化物半导体发光芯片。通常，在氮化物半导体发光芯片使用氮化物半导体基板形成的情形中，包含In的有源层被使用，并且通过提高In的组成比，寻求较长的发射波长。
但是，不便的是，GaN基板的c面是在c轴方向上具有极性的极性面，因而不便地，堆叠包括有源层的氮化物半导体层于c面上引起有源层中的自发极化。此外，不便的是，当包括有源层的氮化物半导体层被堆叠于c面上时，晶格畸变随着In组成比的提高而增加，在有源层中引起归因于压电极化的强内部电场。内部电场减小了电子和空穴波函数之间的交叠，因而减小了辐射复合率。因而，在尝试通过提高In组成比来实现在绿光区域中发光时所伴随的问题是，随着发射波长加长，发光效能显著下降。
因而，为了避免自发极化和压电极化的影响，近来提议了这样的氮化物半导体发光芯片，该氮化物半导体发光芯片具有不像通常实践那样堆叠在c面上而是堆叠在m面({1-100}面)上的氮化物半导体层，其中m面是非极性面。这样的氮化物半导体发光芯片在例如JP-A-2008-91488中被公开。
上述在JP-A-2008-91488中所公开的氮化物半导体发光芯片(发光二极管芯片)被提供以非极性面的m面用作主生长面的GaN基板，并且在该主生长面(m面)上，包括有源层的氮化物半导体层被堆叠。m面是垂直于c面的晶面，因而，堆叠包括有源层的氮化物半导体层于m面上使得c轴(它是极化轴)位于有源层的面内。因而，避免了自发极化和压电极化的影响，并且发光效能的下降被抑制。
如上所述，通过使用具有m面作为主生长面的氮化物半导体基板，可以获得其中由于自发极化和压电极化而引起的发光效能的降低被抑制的氮化物半导体发光芯片。
但是，不便的是，通过对使用具有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的(由电流注入所产生的发光，即，电致发光，简称EL)的发光效能进行测量，确认了随着有源层中In组成比的提高，发光效能急剧地降低。通过对上述现象的原因进行探索的细致研究，本发明的发明人已经发现发光效能的下降是由EL发射图案(当通过电流注入而发光时观察到的整个面上的光分布)变为亮点化所引起。即，发明人已经发现，随着有源层中的In组成比提高，氮化物半导体发光芯片的EL发射图案变为亮点化。
具体地，当使用具有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(发光二极管芯片)被制造时并且使得通过电流注入发光时，观察到如图48所示的亮点化EL发射图案。常规地根本不知道什么条件引起该现象。通过探索原因的深入研究，已经发现，随着有源层中In的组成比的增加，EL发射图案变得愈加亮点化。这样的亮点化EL发射图案随着有源层中In组成比的提高变得更为显著，并且已经观察到亮点化EL发射图案在绿光区域周围开始尤为突出的趋势(有源层(阱层)中In的组成比为0.15以上)。也观察到整个面上波长的改变，这被认为是由电流注入密度的改变所引起的。随着In含量的进一步提高，发光亮点的数量(发光的面积)减小。因而，在亮点化EL发射图案和In组成比之间观察到强的相关性，因而发现EL发射图案变为亮点化的现象引起随着有源层中In组成比的增加而出现的发光效能的降低。
上述亮点化EL发射图案是在使用具有非极性面(具体地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显著的现象。
如以上所述，已经发现，在使用具有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，与使用c面的氮化物半导体发光芯片不同，归因于自发极化和压电极化的发光效能的下降被抑制，但是存在归因于亮点化EL发射图案的发光效能降低的问题。在使用m面的氮化物半导体发光芯片中，这样的亮点化EL发射图案引起巨大的问题，因为它妨碍了发射波长的加长。具体地，在半导体激光器芯片中，低发光效能是严重的问题因为它导致低的增益。
此外，与氮化物半导体层生长在c面上不同的是，在氮化物半导体层生长于氮化物半导体基板的m面上的情况下，氮化物半导体层的生长倾向于不稳定。对于使用具有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(氮化物半导体芯片)，这导致另一个问题，具体地，导致氮化物半导体层的表面形态倾向于劣化的问题。
发明内容
已经设计本发明用于克服上述问题，并且本发明的一个目的是提供由于改善的EL发射图案而具有增加的发光效能的氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及包括这样的氮化物半导体芯片的半导体器件。
本发明的另一目的是提供具有良好表面形态的氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及包括这样的氮化物半导体芯片的半导体器件。
本发明的再一目的是提供具有提高的器件性能、较高的可靠性以及增加的良率的氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及包括这样的氮化物半导体芯片的半导体器件。
通过关注上述问题而进行的各种实验以及深入研究，发明人已经发现：通过利用相对于m面具有偏角的面作为氮化物半导体基板的主生长面，可以抑制亮点化EL发射图案。
具体地，根据本发明的第一方面，氮化物半导体芯片包括：氮化物半导体基板，具有主生长面；以及氮化物半导体层，形成在氮化物半导体基板的主生长面上。这里，主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，并且氮化物半导体层包含Al且形成为接触主生长面。
如上所述，在根据第一方面的氮化物半导体芯片中，相对于m面在a轴方向上具有偏角的面被取作氮化物半导体基板的主生长面，这使得可以抑制亮点化EL发射图案。也就是，利用该结构，可以改善氮化物半导体芯片的EL发射图案。这使得可以提高氮化物半导体芯片的发光效能。通过提高发光效能，可以获得高亮度的氮化物半导体芯片。附带地，获得上述抑制亮点化发射的效果的一个原因被认为是：由于相对于m面在a轴方向上具有偏角的氮化物半导体基板的主生长面，所以当氮化物半导体层在主生长面上生长时，原子的迁移方向改变。
而且，根据第一方面，通过抑制亮点化EL发射图案，可以使EL发射图案均匀，因而可以减小驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，可以获得均匀的EL发射图案，因而可以增加氮化物半导体激光器芯片形成期间的增益。此外，利用上述结构，可以抑制亮点化EL发射图案，因而可以提高发光效能。这使得可以提高器件特性和可靠性。也就是，可以获得具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
此外，根据第一方面，通过在相对于m面在a轴方向上具有偏角的主生长面上形成接触主生长面的含Al的氮化物半导体层，可以获得良好的表面形态。这使得可以给予氮化物半导体层整个面内均匀的厚度分布，且也给出堆叠在该氮化物半导体层上的半导体层整个面内均匀的厚度分布。而且，通过改善表面形态，可以减小器件特性的变化，因而可以提高制造良率。这使得可以容易地获得具有设定范围内的特性的芯片。而且，通过改善表面形态，也可以进一步提高器件特性和可靠性。
在上述根据第一方面的氮化物半导体芯片中，优选在a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度。采用该结构，可以容易地抑制亮点化EL发射图案。
在上述根据第一方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体基板由GaN形成，而氮化物半导体层由AlGaN形成。利用该结构，可以在抑制亮点化EL发射图案的同时容易地改善表面形态。相反，氮化物半导体基板可以由AlGaN形成。
在上述根据第一方面的氮化物半导体芯片中，优选具有量子阱结构的有源层形成在氮化物半导体层上，该有源层具有一个阱层。利用该结构，可以获得抑制亮点化发射以及容易地降低驱动电压的效果。这也帮助提高器件特性和可靠性。而且，与其中有源层形成为包括三层以上阱层的结构相比，利用该结构可以获得较高的发光效能。这使得可以容易地获得高亮度的氮化物半导体芯片。
在上述根据第一方面的氮化物半导体芯片中，优选具有量子阱结构的有源层形成在氮化物半导体层上，该有源层具有两个阱层。而且利用该结构，可以获得抑制亮点化发射以及容易地降低驱动电压的效果。而且，与其中有源层形成为包括三层以上阱层的结构相比，利用该结构可以获得较高的发光效能。
在上述根据第一方面的氮化物半导体芯片中，优选具有量子阱结构的有源层形成在氮化物半导体层上，该有源层具有由含In的氮化物半导体形成的阱层，且所述阱层具有0.15以上、0.45以下的In组成比。这样，在根据第一方面的氮化物半导体芯片中，即使在阱层中的In组成比为0.15以上的情况下，也就是，即使在亮点化EL发射图案显著的情况下，也可以有效地抑制亮点化EL发射图案，从而可以获得抑制亮点化EL发射图案的突出效果。另一方面，通过使阱层中的In组成比为0.45以下，可以有效地抑制由于阱层中In组成比大于0.45造成的例如晶格失配的应变带来的大量位错在有源层中发展的不便。
在包括有源层的上述结构中，有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。利用该结构，可以提高势垒层的平坦度；因而，通过在具有高平坦度的势垒层上形成阱层，可以抑制阱层具有整个面内不均匀的In组成分布。也可以提高有源层(阱层)的结晶度。这使得可以进一步提高发光效能。
在这种情况下，优选势垒层由AlGaN形成。
在上述根据第一方面的氮化物半导体芯片中，除了在a轴方向上具有偏角外，氮化物半导体基板的主生长面在c轴方向上也具有偏角。在该情形中，优选在a轴方向上的偏角大于在c轴方向上的偏角。利用该结构，可以更为有效地抑制亮点化EL发射图案。
根据本发明的第二方面，氮化物半导体芯片包括：氮化物半导体基板，具有主生长面；氮化物半导体层，形成在氮化物半导体基板的主生长面上；以及有源层，形成在氮化物半导体层上。这里，主生长面是非极性面，并且有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。
如上所述，在根据第二方面的氮化物半导体芯片中，形成在氮化物半导体层上的有源层中的势垒层由含Al的氮化物半导体形成，这使得可以提高势垒层的平坦度；从而，可以提高发光效能和可靠性。
在上述根据第二方面的氮化物半导体芯片中，优选主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面。利用该结构，与之前描述的根据第一方面的氮化物半导体芯片一样，可以抑制亮点化EL发射图案。
在上述根据第二方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体层含Al且形成为接触主生长面。利用该结构，可以提高氮化物半导体层的平坦度；从而，通过在具有高平坦度的该氮化物半导体层上形成有源层，可以进一步提高发光效能。
根据本发明的第三方面，氮化物半导体芯片包括：氮化物半导体基板，具有主生长面；以及氮化物半导体堆叠结构，形成在氮化物半导体基板的主生长面上。这里，主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，并且该氮化物半导体堆叠结构具有含In的有源层和GaN层，该GaN层形成在氮化物半导体基板与有源层之间。而且，GaN层具有0.7μm以下的总厚度。应该注意的是，在形成单层GaN层的情况下，这里的总厚度表示该GaN层的厚度，在形成多层GaN层的情况下，这里的总厚度表示它们的厚度相加之和。
如上所述，在根据第三方面的氮化物半导体芯片中，相对于m面在a轴方向上具有偏角的面被取作氮化物半导体基板的主生长面，这使得可以抑制亮点化EL发射图案；因而，可以提高氮化物半导体芯片的发光效能。而且，通过提高发光效能，可以获得高亮度的氮化物半导体芯片。
而且，根据第三方面，通过使形成在氮化物半导体基板与有源层之间的GaN层具有0.7μm以下的总厚度，可以获得良好的表面形态。这使得可以给予GaN层整个面内均匀的厚度分布，且也给出堆叠在该氮化物半导体层上的半导体层整个面内均匀的厚度分布。而且，通过改善表面形态，可以减小器件特性的变化，因而可以提高制造良率。这使得可以容易地获得具有设定范围内的特性的芯片。而且，通过改善表面形态，也可以进一步提高器件特性和可靠性。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选在a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度。采用该结构，可以容易地抑制亮点化EL发射图案及整个面内波长的改变。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选有源层具有包括一个阱层的量子阱结构。利用该结构，可以获得抑制亮点化发射以及容易地降低驱动电压的效果。这也帮助提高器件特性和可靠性。而且，与其中有源层形成为包括三层以上阱层的结构相比，利用该结构可以获得较高的发光效能。这使得可以容易地获得高亮度的氮化物半导体芯片。在这种情况下，优选形成在氮化物半导体基板与阱层之间的GaN层具有0.7μm以下的总厚度。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选有源层具有包括两个阱层的量子阱结构。而且，利用该结构，可以获得抑制亮点化发射以及容易地降低驱动电压的效果。而且，与其中有源层形成为包括三层以上阱层的结构相比，利用该结构可以获得较高的发光效能。而且，在这种情况下，优选形成在基板侧阱层与氮化物半导体基板之间的GaN层具有0.7μm以下的总厚度。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选有源层具有量子阱结构且具有由含In的氮化物半导体形成的阱层，且该阱层具有0.15以上、0.45以下的In组成比。
在通过利用具有m面作为主生长面的氮化物半导体基板而形成发光芯片的情况中，典型地，有源层由包括阱层以及势垒层的多层膜构成。在这种情况下，为了实现有效的光限制以及减轻在有源层中的应变的发展的目的，通常采用InaGa1-aN阱层(0＜a≤1)和InbGa1-bN势垒层(0≤b＜1，a＞b)。然而，通过研究，发明人已经发现：利用InGaN层作为势垒层引起暗线的显著发展。也已经发现：随着势垒层中In组成比“b”的增加，暗线的发展显著地增加。还已经发现：即使在GaN层用作势垒层的情况下，随着阱层中In组成比“a”的增加，由于生长条件和结构的差异，最终也会产生暗线。因此，通过深入的研究，发明人已经发现：通过利用含Al的氮化物半导体层作为势垒层，可以几乎完全抑制暗线的发展。作为用于势垒层的氮化物半导体层，最佳选择是AlGaN和AlInGaN层，第二选择是AlInN层。然而，利用含Al的任何氮化物半导体层(例如，AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)都可以获得以上效果。在采用含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)的情况下，优选有源层中的阱层由InGaN形成。
在上述包括有源层的结构中，优选有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。利用该结构，可以提高势垒层的平坦度；从而，通过在具有高平坦度的势垒层上形成阱层，可以抑制阱层具有整个面内不均匀的In组成分布。也可以提高有源层(阱层)的结晶度。这使得可以进一步提高发光效能。
在该情况下，优选势垒层由AlGaN形成。附带地，势垒层可以由AlGaN之外的AlInGaN、AlInN等形成。这里，已经发现：当势垒层由AlInGaN形成时，吸收到形成在势垒层上的阱层中的In的量大于当势垒层由AlGaN形成时的吸收的In的量。因此，优选势垒层由AlInGaN形成，因为这样做帮助拓宽生长条件的范围。而且，向AlGaN添加In而形成的AlInGaN允许即使在低温下生长也容易地形成具有良好结晶度的膜。因而，利用AlInGaN典型地在约600℃到800℃的相对低的生长温度下形成势垒层是优选的，因为即使在势垒层在上述相对低的温度下形成的情况下，这样做也可以获得具有良好结晶度的势垒层。而且，由AlInGaN形成势垒层是优选的，因为这样做帮助减小势垒层在阱层中产生的应变。阱层中发展的应变越小越好，因为这使发光芯片工作期间的劣化减慢。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，除了在a轴方向上具有偏角外，氮化物半导体基板的主生长面在c轴方向上也具有偏角。在该情形中，优选在a轴方向上的偏角大于在c轴方向上的偏角。利用该结构，可以更为有效地抑制亮点化EL发射图案(整个面内波长的改变以及暗线的发展)。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体基板由GaN形成。利用该结构，可以在抑制亮点化EL发射图案的同时容易地改善表面形态。
根据本发明的第四方面，氮化物半导体芯片包括：氮化物半导体基板，具有主生长面；以及氮化物半导体堆叠结构，形成在氮化物半导体基板的主生长面上。这里，主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，并且氮化物半导体堆叠结构包括有源层。而且，包括在氮化物半导体堆叠结构中的该有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。
如上所述，在根据第四方面的氮化物半导体芯片中，相对于m面在a轴方向上具有偏角的面被取作氮化物半导体基板的主生长面，与之前描述的根据第一到第三方面的氮化物半导体芯片一样，这使得可以抑制亮点化EL发射图案(整个面内波长的改变以及暗线的发展)。
而且，根据第四方面，通过由含Al的氮化物半导体形成在有源层中的势垒层，这使得可以提高势垒层的平坦度；从而，可以提高发光效能和可靠性。
在上述根据第四方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体堆叠结构还包括接触主生长面形成的含Al的半导体层。利用该结构，可以提高含Al的氮化物半导体层的平坦度；因而，通过在具有高平坦度的该氮化物半导体层上形成有源层，可以进一步提高发光效能。
在该情况下，优选含Al的半导体层是AlGaN层或者AlInGaN层。附带地，向AlGaN添加In而形成的AlInGaN允许即使在低温下生长也容易地形成具有良好结晶度的膜。因而，由AlInGaN典型地在约600℃到800℃的相对低的生长温度下形成势垒层是优选的，因为即使势垒层在上述相对低的温度下形成的情况下，这样做也可以获得具有良好结晶度的势垒层。
根据本发明的第五方面，氮化物半导体芯片的制造方法包括：制备氮化物半导体基板的步骤，该氮化物半导体基板包括相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；以及在氮化物半导体基板的主生长面上形成含Al的氮化物半导体层的步骤，该含Al的氮化物半导体层通过外延生长工艺形成且接触主生长面。这里，氮化物半导体层可以具有n型导电性、p型导电性或者可以未掺杂。
如上所述，在根据第五方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，所采用的是具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，这使得可以获得亮点化EL发射图案被抑制的氮化物半导体芯片。也就是，利用该结构，可以获得具有改善的EL发射图案的氮化物半导体芯片。这使得可以获得具有提高的发光效能的高亮度的氮化物半导体芯片。
而且，根据第五方面，通过在相对于m面在a轴方向上具有偏角的主生长面上形成接触主生长面的含Al的氮化物半导体层，可以获得良好的表面形态。这使得可以给予氮化物半导体层整个面内均匀的厚度分布，因而可以形成具有高平坦度的氮化物半导体层。继而，这使得可以给予形成在该氮化物半导体层上的各半导体层在整个面内均匀的厚度分布，因而可以提高各半导体层的平坦度。而且，通过改善表面形态，可以减小器件特性的变化，因而可以增加具有设定范围内的特性的芯片的数量。这可以增加制造良率。附带地，通过改善表面形态，可以进一步提高器件特性和可靠性。
在上述根据第五方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，优选包括步骤：在氮化物半导体基板的主生长面上顺次形成包括上述氮化物半导体层(含Al的氮化物半导体层)的n型半导体层、有源层和p型半导体层。在这种情况下，优选在700℃以上、1100℃以下的生长温度下形成p型半导体层。即使在p型半导体层以这样的方式在1000℃以上的高温下形成的情况下，通过在有源层中利用含Al的氮化物半导体形成势垒层，也可以抑制有源层(阱层)被黑化(blackening)。从而，p型半导体层可以在1000℃以上的温度下形成，并且通过在高温下形成p型半导体层，可以有效地获得降低驱动电压的效果。另一方面，通过在700℃以上的生长温度下形成p型半导体层，可以抑制由于在低于700℃的生长温度下形成而造成的p型半导体层的电阻增加的不便。这也帮助提高器件特性和可靠性。附带地，通过利用具有相对于m面提供有偏角的主生长面的氮化物半导体基板，即使在低于900℃的生长温度下形成p型半导体层，也可以获得p型导电性。
而且，在该情况下，优选n型半导体层在900℃以上、1300℃以下的生长温度下形成。通过在900℃以上的高温以这样的方式形成包括氮化物半导体层的n型半导体层，可以给予n型半导体层平坦的表面。因而，通过在具有平坦表面的n型半导体层上形成有源层和p型半导体层，可以抑制有源层和p型半导体层中结晶度的劣化。这也使得可以形成高质量的晶体。另一方面，通过在低于1300℃的生长温度形成包括氮化物半导体层的n型半导体层，可以抑制由于包括氮化物半导体层的n型半导体层在1300℃以上的生长温度形成而造成的氮化物半导体基板的表面在温度升高期间再蒸发并且变得粗糙的不便。因而，采用该方案，可以容易地以高良率制造具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
此外，在这种情况下，优选在600℃以上、800℃以下的生长温度下形成有源层。通过在800℃以下的生长温度以这种方式形成有源层，可以抑制由于有源层在高于800℃(例如，830℃以上)的生长温度形成而造成的有源层因热损伤而黑化的不便。另一方面，通过在600℃以上的生长温度形成有源层，可以抑制由于有源层在低于600℃的生长温度形成而造成的原子扩散长度较短因而劣化结晶度的不便。因而，采用该方案，可以更容易地以高良率制造具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
根据本发明的第六方面，氮化物半导体芯片的制造方法包括：制备氮化物半导体基板的步骤，该氮化物半导体基板包括相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；以及在氮化物半导体基板的主生长面上形成氮化物半导体堆叠结构的步骤，该氮化物半导体堆叠结构通过外延生长工艺形成且具有含In的有源层。这里，形成氮化物半导体堆叠结构的步骤包括在氮化物半导体基板与有源层之间形成GaN层的步骤，并且形成GaN层的步骤具有形成总厚度为0.7μm以下的GaN层的步骤。这里，GaN层可以具有n型导电性、p型导电性或者可以未掺杂。
如上所述，在根据第六方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，形成在氮化物半导体基板与有源层之间的GaN层具有0.7μm以下的总厚度，这使得可以获得良好的表面形态。这使得可以给予GaN层整个面内均匀的厚度分布，从而，可以形成具有高平坦度的GaN层。继而，这使得可以给予堆叠在该GaN层上的各半导体层在整个面内均匀的厚度分布，因而可以提高各半导体层的平坦度。而且，通过改善表面形态，可以减小器件特性的变化，因而可以增加具有设定范围内的特性的芯片的数量。这使得可以提高制造良率。附带地，通过改善表面形态，也可以进一步提高器件特性和可靠性。在有源层包括阱层的情况下，优选形成在氮化物半导体基板与阱层之间的GaN层具有0.7μm以下的总厚度。在形成多层阱层的情况下，优选形成在最靠近基板侧的阱层与氮化物半导体基板之间的GaN层具有0.7μm以下的总厚度。
在上述根据第六方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，优选包括步骤：在氮化物半导体基板的主生长面上顺次形成包括上述GaN层的n型半导体层、有源层和p型半导体层。在这种情况下，优选在700℃以上、1100℃以下的生长温度下形成p型半导体层。即使在p型半导体层以这样的方式在1000℃以上的高温下形成的情况下，通过在有源层中利用含Al的氮化物半导体形成势垒层，也可以抑制有源层(阱层)被黑化。从而，p型半导体层可以在1000℃以上的温度下形成，并且通过在高温下形成p型半导体层，可以有效地获得降低驱动电压的效果。另一方面，通过在700℃以上的生长温度下形成p型半导体层，可以抑制由于在低于700℃的生长温度下形成而造成的p型半导体层的电阻增加的不便。这也帮助提高器件特性和可靠性。附带地，通过利用具有相对于m面提供有偏角的主生长面的氮化物半导体基板，即使在低于900℃的生长温度下形成p型半导体层，也可以获得p型导电性。
而且，在该情况下，优选n型半导体层在900℃以上、1300℃以下的生长温度下形成。通过在900℃以上的高温以这样的方式形成包括总厚度为0.7μm以下的GaN层的n型半导体层，可以给予n型半导体层平坦的表面。因而，通过在具有平坦表面的n型半导体层上形成有源层和p型半导体层，可以抑制有源层和p型半导体层中结晶度的劣化。这也使得可以形成高质量的晶体。另一方面，通过在低于1300℃的生长温度形成n型半导体层，可以抑制由于n型半导体层在1300℃以上的生长温度形成而造成的氮化物半导体基板的表面在温度升高期间再蒸发并且变得粗糙的不便。因而，采用该方案，可以容易地以高良率制造具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
此外，在这种情况下，优选在600℃以上、800℃以下的生长温度下形成有源层。通过在800℃以下的生长温度以这种方式形成有源层，可以抑制由于有源层在高于800℃(例如，830℃以上)的生长温度形成而造成的有源层因热损伤而黑化的不便。另一方面，通过在600℃以上的生长温度形成有源层，可以抑制由于有源层在低于600℃的生长温度形成而造成的原子扩散长度较短因而劣化结晶度的不便。因而，采用该方案，可以更容易地以高良率制造具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
根据上述第五和第六方面，通过抑制亮点化EL发射图案，可以使EL发射图案均匀，因而可以减小氮化物半导体芯片的驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，可以获得均匀发光的EL发射图案，因而可以增加氮化物半导体激光芯片的形成过程中的增益。而且，采用上述方案，可以抑制亮点化EL发射图案，而且还可以以高的平坦度形成各氮化物半导体层，从而提高发光效能。这使得可以提高器件特性和可靠性。也就是，可以以高良率获得可靠的氮化物半导体芯片。
根据本发明的第七方面，半导体器件包括根据上述第一到第四方面的氮化物半导体芯片。
如上所述，根据本发明，可以容易地获得由于改善的EL发射图案而具有提高的发光效能的氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及包括这样的氮化物半导体芯片的半导体器件。
而且，根据本发明，可以容易地获得具有良好表面形态的氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及包括这样的氮化物半导体芯片的半导体器件。
此外，根据本发明，可以容易地获得具有提高的器件性能、较高的可靠性以及增加的良率的氮化物半导体芯片、该氮化物半导体芯片的制造方法以及包括这样的氮化物半导体芯片的半导体器件。
附图说明
图1是示出氮化物半导体的晶体结构的示意图(示出单位晶胞的示意图)；
图2是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的结构的截面图(与沿图6的线A-A的截面相对应的图)；
图3是根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的整体透视图；
图4是示出基板的偏角的示意图；
图5是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片中有源层的结构的截面图；
图6是根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的平面图(示出从上方观察到的氮化物半导体激光器芯片的图)；
图7是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的透视图(示出基板的制造方法的图)；
图8是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的透视图(示出基板的制造方法的图)；
图9是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的透视图(示出基板的制造方法的图)；
图10是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的平面图(示出基板的制造方法的图)；
图11是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图(示出基板的制造方法的图)；
图12是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图13是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图14是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图15是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图16是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图17是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图18是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图19是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图20是结合有根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的半导体激光器的透视图；
图21是发光二极管芯片的透视图，该发光二极管芯片被制造以验证根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的效果；
图22是观察被制造以验证根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的效果的发光二极管芯片得到的EL发射图案的显微镜照片(以测试芯片观察到的EL发射图案的显微镜照片)；
图23是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的结构的截面图(与沿图26的线A-A的截面相对应的图)；
图24是根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的整体透视图；
图25是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片中有源层的结构的截面图；
图26是根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的平面图(示出从上方观察到的氮化物半导体激光器芯片的图)；
图27是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图28是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图29是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图30是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图31是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图32是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图33是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图34是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图35是包括根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的半导体激光器的透视图；
图36是发光二极管芯片的透视图，该发光二极管芯片被制造以验证根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的效果；
图37是示出亮点化EL发射图案的显微镜照片(在与实施例2有关的对比芯片中所观察到的EL发射图案的显微镜照片)；
图38是示出实施例1和2中有源层的结构的另一个示例的截面图(示出具有SQW结构的有源层的示例的截面图)；
图39是显微镜照片，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约1μm的GaN层形成在该主生长面上且在光学显微镜下观察表面形态而获得；
图40是显微镜照片，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约0.1μm的GaN层形成在该主生长面上，然后厚度为约0.9μm的AlGaN层形成在该GaN层上，然后在光学显微镜下观察表面形态而获得该显微镜照片；
图41是显微镜照片，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约0.2μm的AlGaN层形成在该主生长面上且随后厚度为约0.9μm的GaN层形成在AlGaN层上，然后在光学显微镜下观察表面形态而获得该显微镜照片；
图42是显微镜照片，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，Al组成比为5％且厚度为约2μm的AlGaN层形成在该主生长面上，然后在光学显微镜下观察表面形态而获得该显微镜照片；
图43是采用具有相对于m面在c轴方向上具有+0.5度偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约1μm的AlGaN层形成在该主生长面上且然后在光学显微镜下观察表面形态而得到的显微镜照片；
图44是采用具有相对于m面在c轴方向上具有+0.5度偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约1μm的GaN层形成在该主生长面上且然后在光学显微镜下观察表面形态而得到的显微镜照片；
图45是在EL发射图案中所观察到的暗线的显微镜照片；
图46是在PL发射图案中所观察到的暗线的显微镜照片；
图47是具有由AlGaN形成的势垒层的发光二极管芯片的PL发射图案的显微镜照片；
图48是示出亮点化EL发射图案的显微镜照片(在与实施例1相关的对比芯片中观察到的EL发射图案的显微镜照片)。
具体实施方式
在描述本发明的具体实施例之前，将解释发明人通过各种研究已经发现的内容。
如以上所描述，发明人已经发现：通过采用相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为氮化物半导体基板的主生长面，可以抑制亮点化EL发射图案。
另一方面，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，发明人在该主生长面上形成厚度为约1μm的GaN层，并且发现：整个面内的厚度分布非常差。甚至与厚度为约1μm的GaN层形成于在a轴方向上没有偏角的m面GaN基板上而获得的厚度分布相比，该厚度分布也非常差。当厚度为约1μm的GaN层形成在相对于m面在a轴方向上具有偏角的主生长面上而发生的整个面内厚度分布较大的现象被认为是一种非常独特的现象。
图39是通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约1μm的GaN层形成在该主生长面上且在光学显微镜下观察表面形态所获得的显微镜照片。图39示出所观察到的以GaN层作为开始层堆叠在主生长面上的各氮化物半导体层的表面形态。如图39所示，在半导体层的表面上，在平行于a轴方向的方向上观察到非常显著的波状表面不均匀性。而且，图39中示出的氮化物半导体层具有从约200nm到400nm的厚度分布，而且利用厚度分布均匀性如此差的氮化物半导体层，极难形成芯片。
不便地，从增强层表面处的平坦度以及半导体层的结晶度的角度出发，通常的实践是，首先形成与基板的组成相同且接触基板表面(主生长面)的半导体层，然后在上面形成芯片。例如，采用GaN基板，首先在该基板上形成GaN层。通过使基板的组成与形成在基板表面(主生长面)上的半导体层(GaN层)的组成相同消除了晶格常数、热膨胀系数等的差异，因而，抑制了应力的发展。已知通过这样做可以形成具有高平坦度和良好结晶度的半导体层。事实上，在采用具有c面作为主生长面的氮化物半导体基板(例如，c面GaN基板)而在该主生长面上进行晶体生长的情况下通常这样做。在这样的情况下(GaN层形成在c面GaN基板上的情况下)，获得了非常好的表面形态，这被认为是通常的现象。
然而，近来第一次发现：利用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，采用上述结构相反地却使表面形态劣化。
通过深入的研究，发明人发现表面形态的劣化与GaN层的厚度有关。具体地，通过研究已经发现：利用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，形成约1μm厚的GaN厚膜使表面形态极大地劣化，从而导致图39所示的独特的表面形态。
发明人也已经发现：形成在主生长面上的GaN层的总厚度越大，表面形态越差。应该注意的是，在形成单层GaN层的情况下，这里的总厚度表示该GaN层的厚度，在形成多层GaN层的情况下，这里的总厚度表示它们的厚度相加之和。因此，在形成有源层之前形成厚的GaN层使表面形态劣化，而在劣化的表面形态的影响下，在具有如此劣化的表面形态的层的表面上形成有源层则导致有源层在整个面内分成高In组成和低In组成区域。已经发现：这导致组成的面内分布。也已经发现：或许不仅因为有源层的组成的面内分布而且也因为有源层的结晶度而导致发光强度降低。
基于以上发现通过进行进一步的研究，发明人已经发现：通过使形成在基板与有源层之间的GaN层的总厚度为0.7μm以下，可以显著地改善表面形态。也已经发现：形成在基板与有源层之间的GaN层的总厚度优选为0.5μm以下，更优选为0.3μm以下。
已经进一步地揭示出：在通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板而形成氮化物半导体芯片的情况下，优选在形成有源层之前根本不形成GaN层，或者即使需要，所形成的GaN的厚度也尽量地小。
如以上所述，通过使形成的氮化物半导体层的厚度满足上述条件(GaN层的总厚度为0.7μm以下)，可以改善表面形态且使层表面平坦。然后，通过在该平坦的层表面上形成有源层(阱层，为含In的氮化物半导体层)，可以抑制In组成的整个面内分布，从而改善发光效能。
从改善发光效能的角度来看，优选形成在基板与阱层(为含In的氮化物半导体层)之间的GaN层的总厚度为0.7μm以下。例如，在有源层包括GaN层作为势垒层的情况下，包括位于阱层的基板侧的任何势垒层的GaN层的厚度优选为0.7μm以下。在形成多层阱层的情况下，形成在最靠近基板侧的阱层与氮化物半导体基板之间的GaN层的厚度可以为0.7μm以下，或者形成在任何其他阱层与氮化物半导体基板之间的GaN层的总厚度可以为0.7μm以下。
图40是显微镜照片，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约0.1μm的GaN层形成在该主生长面上，然后厚度为约0.9μm的AlGaN层形成在该GaN层上，然后在光学显微镜下观察表面形态而获得该显微镜照片。图40示出所观察到的以GaN层作为开始层堆叠在主生长面上的各氮化物半导体层的表面形态。AlGaN层具有组成Al0.05Ga0.95N。而且，在图40中，GaN层和AlGaN层的总厚度为约1μm，从而GaN层和AlGaN层的总厚度等于图39中GaN层的厚度。具体地，在图40中，代替厚度为约1μm的GaN层，形成厚度为约0.1μm的GaN层及厚度为约0.9μm的AlGaN层。
如图40所示，形成厚度为约0.1μm的GaN层给出非常良好的表面形态，且可以看到：与图39所示的情况(其中形成厚度为约1μm的GaN层)相比，所得到的层表面上的平坦度被极大地改善。这样，GaN层越厚，表面形态越差。相反，薄的GaN层抑制了表面形态的劣化。也已经发现：一旦形成GaN厚膜则表面形态就会劣化，之后形成的AlGaN层不会帮助将劣化的表面形态改善太多，而且表面形态随着堆叠的半导体层数量的增加而变得更差。
通过这次的研究，也已经发现：在采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板的情况下，优选接触主生长面的半导体层由InyGa1-yN(0＜y≤1)、AlxGa1-xN(0＜x≤1)或者AlaInbGacN(a+b+c＝1)形成。
在采用InyGa1-yN(0＜y≤1)的情况下，作为保持更好的表面形态的条件，更优选0＜y≤0.1，且优选与氮化物半导体基板的主生长面接触的层具有0.7μm以下的厚度。在与主生长面接触的半导体是InGaN的情况下，在约700℃到900℃的低温下进行成膜。在采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板的情况下，如果在成膜之前对基板进行加热期间温度升高到约1100℃以上，则取决于加热炉内部的气氛(诸如气流量、压力等的条件)，N(氮)或者Ga(镓)会在生长之前从基板表面蒸发，而造成基板表面粗糙。也已经发现：在900℃以下的基板温度不产生该粗糙。为此，优选采用InGaN，其允许在低温(约700℃到900℃)下成膜，因此帮助有效地抑制基板表面的粗糙。
同样地，对于AlaInbGacN(a+b+c＝1，0＜a≤1，0＜b≤1，0≤c＜1)，当包含In时，其允许低温成膜，因此提供与InGaN相似的效果。而且，在这种情况下，优选与基板的主生长面接触的层具有0.7μm以下的厚度，而且从表面形态的角度出发，更优选Al组成比“a”满足0＜a≤0.1，此外，In组成比“b”满足0＜b≤0.1。也就是，优选采用含Al和In的氮化物半导体层作为与主生长面接触的半导体层，因为这样做使得易于通过低温下生长而形成具有高平坦度的膜。
而且，在这种情况下，优选形成在基板与有源层(阱层)之间的GaN层的总厚度为0.7μm以下。
图41是显微镜照片，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约0.2μm的AlGaN层形成在该主生长面上且随后厚度为约0.9μm的GaN层形成在AlGaN层上，然后在光学显微镜下观察表面形态而获得该显微镜照片。图41示出所观察到的以AlGaN层作为开始层堆叠在主生长面上的各氮化物半导体层的表面形态。AlGaN层具有组成Al0.05Ga0.95N。
采用AlGaN层作为与主生长面接触的半导体层给予该AlGaN层良好的表面形态。然而，如图41所示，形成厚度超过0.7μm(例如，约0.9μm)的GaN层使表面形态劣化。也就是，已经发现：即使当厚度为约0.2μm的AlGaN(Al0.05Ga0.95N)层形成在基板与GaN层之间，则如果GaN层较厚，也会劣化表面形态。
也已经发现：在AlGaN层或者类似层形成在多层GaN层之间的情况下(例如，在GaN/AlGaN/GaN/AlGaN层的四层结构中)，GaN层的总厚度大于0.7μm使表面形态劣化。例如，当厚度为约1μm的GaN层形成在基板的主生长面上，然后形成厚度为约1μm的AlGaN层(例如，Al0.05Ga0.95N层)时，由于形成GaN层而劣化的表面形态未被恢复，而导致与图39所示相似的表面形态。
因而，通过这些研究，已经发现：形成在基板上(在基板与有源层(阱层)之间)的GaN层的总厚度最终决定表面形态，因此必须抑制在形成有源层(阱层，其是含In的氮化物半导体层)之前GaN层具有过大的总厚度。
在采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板的情况下，优选以包括尽可能薄的GaN层的方式形成堆叠在基板上的层叠结构(发光芯片的层叠结构)；然而，也可以采用GaN层作为用于光限制的光导层等。也可以将非常薄的GaN层与AlGaN、AlInGaN或者InGaN形成为超晶格(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN...、AlInGaN/GaN/AlInGaN/GaN...、InGaN/GaN/InGaN/GaN...等)，从而在抑制表面形态劣化的同时增加GaN层的总厚度。然后，这种超晶格结构可以用作光导层或者光学覆层(optical clad layer)。采用以上结构使得可以通过利用薄膜GaN层形成比较优良的层。在薄膜GaN层用于超晶格结构的情况下，特别优选GaN层的厚度为1nm以上、50nm以下。即使在该情况下，也有必要抑制形成在基板与有源层(阱层)之间的GaN层的总厚度为0.7μm以下。
为了获得具有优良特性的发光芯片或者电子器件，如以上所述，优选堆叠在基板上的层叠结构不包括GaN层且优选该层叠结构由诸如InGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等组成不同于GaN的半导体层构成。在形成的是发光芯片的情况下，为了光限制等的目的，GaN层可以用作光导层；GaN层也可以用作接触层等。
通过此次的这些研究，也已经发现：即使当含Al或In的氮化物半导体层(例如，AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)形成为厚度超过1μm，但是与GaN层不同，表面形态的劣化也被抑制。因而，在通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板来制造LD结构的情况下，优选采用诸如AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等的氮化物半导体层作为光学覆层。备选地，优选采用含Al和In的氮化物半导体层。而且，优选采用诸如InGaN层、AlInGaN层、AlInN层等的含In的氮化物半导体层作为光导层。
在采用具有非极性面的氮化物半导体基板的情况下，或者在含Al的氮化物半导体层或者含Al和In的氮化物半导体层用作有源层中的势垒层的情况下，为了减轻有源层中的应变并且抑制暗线的发展等目的，优选采用诸如AlInGaN层、AlInN层等的含Al和In的氮化物半导体层作为光学覆层。而且，优选采用诸如InGaN层、AlInGaN层、AlInN层等的含In的氮化物半导体层或者含Al和In的氮化物半导体层作为光导层。不需要说的是，相同的考虑也应用在采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板的情况中。
图42是显微镜照片，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的GaN基板，Al组成比为5％且厚度为约2μm的AlGaN层形成在该主生长面上，然后在光学显微镜下观察表面形态而获得该显微镜照片。图42示出所观察到的以AlGaN层作为开始层堆叠在主生长面上的各氮化物半导体层的表面形态。如图42所示，当含Al的氮化物半导体层形成为厚膜时所获得的表面形态非常好，且可以看到：与以GaN层为开始层来堆叠氮化物半导体层时获得的平坦度相比，所得到的平坦度得到极大的改善。这被认为：采用AlGaN层作为接触基板表面(主生长面)的半导体层以提高平坦度和结晶度的方式改变了其生长模式。因而，已经发现：甚至在含Al或In的氮化物半导体层形成为厚膜时，表面形态的劣化也被抑制。
如以上所述，采用含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层)替代不含Al的GaN层作为与基板表面(主生长面)接触的半导体层带来表面形态的显著改善。对于采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板而言，这种现象是独有的；到现在为止对该现象没有进行任何报道，因此，通过发明人的这些研究第一次获知这种现象。
为了进行比较，图43是采用具有相对于m面在c轴方向上具有+0.5度偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约1μm的AlGaN层形成在该主生长面上且然后在光学显微镜下观察表面形态而得到的显微镜照片。图44是采用具有相对于m面在c轴方向上具有+0.5度偏角的面作为主生长面的GaN基板，厚度为约1μm的GaN层形成在该主生长面上且然后在光学显微镜下观察表面形态而得到的显微镜照片。图43示出所观察到的以AlGaN层作为开始层堆叠在主生长面上的各氮化物半导体层的表面形态；图44示出所观察到的以GaN层作为开始层堆叠在主生长面上的各氮化物半导体层的表面形态。
如图43和44所示，这两种情况下表面形态都很差，而且没有观察到二者之间的显著差别。这样，在形成GaN层(以GaN层作为开始层堆叠半导体层)与形成AlGaN层(以AlGaN层作为开始层堆叠半导体层)之间通常没有表面形态之间的显著差别。因而，已经发现：上述现象是具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板所独有的。
基于以上所述，在GaN层形成在具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板上的情况下，形成在基板表面(主生长面)与有源层(阱层，其是含In的氮化物半导体层)之间的GaN层的总厚度优选为0.7μm以下，更优选为0.5μm以下；GaN层的总厚度再优选为0.3μm以下。采用总厚度为0.5μm以下的GaN层，不产生表面形态的显著劣化。因而，因为之后形成AlGaN层，所以可以在基板上形成多层GaN层。然而，即使在这种情况下，仍必须满足形成在基板表面(主生长面)与有源层(阱层)之间的GaN层的总厚度为0.7μm以下的条件。
即使当堆叠在基板上的层叠结构形成为不包括GaN层而是由组成不同于GaN的诸如InGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等的半导体层制成时，也可以形成具有优良性能的发光芯片或者电子器件。
通过上述研究，发明人也已经发现：通过用含Al的氮化物半导体(例如，AlGaN、AlInGaN、AlInN等)形成有源层中的势垒层，可以提高发光效能。
通过上述研究，发明人还已经查实：随着有源层中In组成比的增加，图45中示出的暗线会在氮化物半导体发光芯片的EL发射图案中发展。
不仅在EL发射图案中观察到这样的暗线，而且在PL发射图案(当通过光激发而发光时所观察到的整个面内的光分布)中也观察到这样的暗线。暗线的发展不是所期望的，因为它们降低芯片的发光效能。暗线随着有源层中In组成比的增加而发展，且其在平行于m面的c轴方向的方向上行进。暗线被认为是诸如失配位错(其源自基板中或其他处的GaN与有源层中的InGaN层之间的晶格常数及热膨胀系数差异)的缺陷。利用传统上已经被广泛使用的c面(0001)等，即使具有增加的In也没有这样的暗线发展。因而，暗线的发展被认为是利用具有非极性面(具体地，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所独有的现象。
如以上所述，与利用c面的氮化物半导体发光芯片所不同，在利用具有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，尽管由于自发极化和压电极化所导致的发光效能的降低被抑制，但是已经发现存在这样的问题：暗线的发展引起发光效能随时间的逝去而劣化。在利用m面的氮化物半导体发光芯片中，这样的暗线的发展引起非常大的问题，因为其妨碍了发射波长的加长。具体地，在半导体激光器芯片中，低的发光效能因为其导致低的增益而成为严重的问题。
在EL发射图案中已经观察到亮点化发射，但是在PL发射图案中不能很明显地观察到亮点化发射。因而，亮点化发射被认为是由于起因于非均匀电流注入的现象所引起的。特别地，当注入的电流量较小时，例如随着电流逐渐增加，当电流注入密度的范围为从发光开始时的电流注入密度值到在p侧电极具有约20μm的直径的情况下约50mA之间时，其被明显地观察到。即使在大电流区域中，亮点化发射因为其抑制发光效能也不是被期望的。
相反地，暗线在PL发射图案和EL发射图案二者中都被明显地观察到。因而，已经发现：亮点化发射和暗线具有不同的起因，且因不同的机理而产生。
通过基于以上发现而进行的深入研究，发明人已经发现：通过用含Al的氮化物半导体(例如，AlGaN、AlInGaN、AlInN等)形成有源层中的势垒层，可以抑制暗线的发展。也就是，已经发现：通过用含Al的氮化物半导体形成势垒层，可以几乎完全抑制暗线的发展，如图47所示。
以上提到的图45是在EL发射图案中观察到的暗线的显微镜照片，图45中的EL发射图案是通过利用具有m面作为主生长面的GaN基板(m面正基板)而制造的发光二极管芯片的EL发射图案。该发光二极管芯片具有由In0.2Ga0.8N形成的阱层以及由In0.02Ga0.98N形成的势垒层。
以上提到的图46是PL发射图案中观察到的暗线的显微镜照片，图46中的PL发射图案是通过利用具有m面作为主生长面的GaN基板(m面正基板)而制造的发光二极管芯片的PL发射图案。该发光二极管芯片具有由In0.2Ga0.8N形成的阱层以及由In0.02Ga0.98N形成的势垒层。
图47是具有由AlGaN形成的势垒层的发光二极管芯片的PL发射图案的显微镜照片。该发光二极管芯片具有由In0.25Ga0.75N形成的阱层且具有由Al0.01Ga0.99N形成的势垒层。这里用作氮化物半导体基板的是m面偏a轴的基板(在a轴方向上具有1.7度的偏角，在c轴方向上具有+0.1度的偏角)。
之后，将参考附图详细描述本发明的具体实施例。下面给出的实施例涉及本发明应用于作为氮化物半导体芯片的一个示例的氮化物半导体激光器芯片的情况。在以下的实施例中，“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。
实施例1
图1是示出氮化物半导体的晶体结构的示意图。图2是示出根据本发明第一实施例(实施例1)的氮化物半导体激光器芯片的结构的截面图。图3是根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的整体透视图。图4到图6是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的结构的视图。首先，参考图1到6，将描述根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片100的结构。
根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100由具有如图1所示的六方晶系的晶体结构的氮化物半导体形成。在该晶体结构中，当六方晶系被认为是关于c轴[0001]的六角形柱时，以c轴为法线的面(六角形柱的顶面C)被称作c面(0001)，并且六角形柱的任何侧壁面M被称作m面{1-100}。在氮化物半导体中，在c轴方向上不存在对称的面，因而极化方向沿c轴方向。因而，c面表现出+c轴侧和-c轴侧之间不同的性质。具体地，+c面((0001)面，Ga极化面G)和-c面((000-1)面，N极化面N)不是等效的面，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。因此，m面是非极性面，也就是，没有极性的面。由于，如上所述，六角形柱的侧壁面的每个都为m面，所以m面可以由六面取向所代表，即(1-100)、(10-10)、(01-10)、(-1100)、(-1010)和(0-110)；这些面取向就晶体几何而言是等效的，因而集合地由{1-100}表示。
如图2和3所示，根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100被提供以GaN基板10作为氮化物半导体基板。GaN基板10的主生长面10a是相对于m面具有偏角的面。具体地，氮化物半导体激光器芯片100的GaN基板10在a轴方向([11-20]方向)上相对于m面具有偏角。除了在a轴方向上具有偏角之外，GaN基板10也可以在c轴方向([0001]方向)上具有偏角。
现在，参考图4，GaN基板10的偏角将被更为详细地描述。首先，对于m面，二个晶轴方向被定义，即，a轴[11-20]方向和c轴[0001]方向。这些轴，即a和c轴，相互垂直，并且另外都垂直于m轴。此外，当GaN基板10的晶轴矢量(m轴[1-100])VC与基板表面(主生长面10a)的法线矢量VN一致时(即，当在所有方向上偏角是0时)平行于a、c和m轴方向的方向分别被取作X、Y和Z方向。接着，考虑法线保持在Y轴方向上的第一面F1和法线保持在X轴方向上的第二面F2。随后，当晶轴矢量VC被投影至第一面F1和第二面F2时出现的晶轴矢量分别被取作第一和第二投影矢量VP1和VP2。这里，第一投影矢量VP1和法线矢量VN之间的角度θa是a轴方向上的偏角，并且第二投影矢量VP2和法线矢量VN之间的角度θc是c轴方向上的偏角。a轴方向上的偏角，无论其在+方向还是在-方向上，从结晶学的观点都指示相同的表面状态，因而在+方向和-方向上性质相同；这允许a轴方向上的偏角根据绝对值被给出。另一方面，c轴方向上的偏角根据其是在+方向还是在-方向上而使Ga极性面G或者N极性面N较强，因而根据方向而性质不同；因而，c轴方向上的偏角以+方向和-方向之间进行区别被给出。
如上所述，根据实施例1的GaN基板10具有相对于m面{1-100}在a轴方向上倾斜的面作为主生长面10a。
在上述GaN基板10中，相对于m面在a轴方向上的偏角的绝对值被调整为大于0.1度。然而，随着a轴方向上偏角的增加，吸收到有源层(诸如阱层的InGaN层)中的In的量趋向于增加，因而，从源材料效率等角度而言，优选在a轴方向上的偏角的绝对值为10度以下。附带地，即使a轴方向上的偏角的绝对值为10度以上，也可以成膜。在c轴方向上也具有偏角的情况下，优选在c轴方向上的偏角被调整为小于±0.1度。优选在c轴方向上的偏角被调整为小于在a轴方向上的偏角。
在上述情况中，优选a轴方向上的偏角被调整为大于1度但是小于或者等于10度。调整a轴方向上的偏角在该范围中更为优选是因为这样可以获得减小驱动电压的明显效果以及改善表面形态的效果。
根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100具有形成在上述GaN基板10的主生长面10a上的氮化物半导体堆叠结构5，该氮化物半导体堆叠结构5具有堆叠在一起的多层氮化物半导体层。
这里，在实施例1中，接触GaN基板10的主生长面10a的半导体层由含Al的氮化物半导体层形成。具体地，在根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100中，如图2和3所示，在GaN基板10的主生长面10a上，厚度为约2.2μm的n型Al0.06Ga0.94N下覆层12形成为接触主生长面10a。下覆层12是根据本发明的“氮化物半导体层”的示例。GaN基板10形成为n型。
在下覆层12上，形成厚度为约0.1μm的Al0.005Ga0.995N下引导层13。在下引导层13上，形成有源层14。
如图5所示，有源层14具有两个Inx1Ga1-x1N阱层14a和三个Alx2Ga1-x2N势垒层14b交替地堆叠的量子阱(DQW，双量子阱)结构。具体地，有源层14通过从下引导层13侧相继地堆叠第一势垒层141b、第一阱层141a、第二势垒层142b、第二阱层142a和第三势垒层143b而形成。两个阱层14a(第一和第二阱层141a和142a)中每个被形成为具有大约3nm至4nm的厚度。第一势垒层141b被形成为具有大约30nm的厚度，第二势垒层142b被形成为具有大约16nm的厚度，并且第三势垒层143b被形成为具有大约60nm的厚度。因而，三个势垒层14b中的每个形成为具有不同的厚度。
在实施例1中，阱层14a(有源层14)形成为具有大于或者等于0.15但是小于或者等于0.45(例如，从0.2至0.25)的In组成比x1。势垒层14b由AlGaN形成，且Al组成比x2满足，例如，0＜x2≤0.08。对于由AlGaN形成的势垒层14b，小于或等于0.08的Al组成比x2使得可以进行有效的光限制。而且，由AlGaN形成势垒层14b帮助提高发光效能。
利用AlGaN形成势垒层14b而提高发光效能的原因被认为如下。如上所述，利用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，尽管在其主生长面上形成GaN层倾向于劣化表面形态，但是形成含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)改善了表面形态。从而，在有源层中形成由含Al的氮化物半导体制成的势垒层提高了势垒层的平坦度，而在具有高平坦度的势垒层上形成阱层提高了阱层的结晶度。很大程度上这被认为是原因。
如图2和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的载流子阻挡层15。载流子阻挡层15形成为具有大于或者等于0.08但是小于或者等于0.35(例如，约0.15)的Al组成比y。在载流子阻挡层15上，形成p型Al0.01Ga0.99N的上引导层16，它具有隆起部和在别处的平坦部。上引导层16形成为具有比覆层小的Al组成比。在上引导层16的隆起部上，形成具有大约0.5μm厚度的p型Al0.06Ga0.94N的上覆层17。在上覆层17上，形成具有大约0.1μm的厚度的p型Al0.01Ga0.99N的接触层18。上引导层16的隆起部、接触层18和上覆层17一起构成具有大约1μm至3μm(例如，大约1.5μm)的宽度的条形(伸长)脊部19。如同在图6中所示出的，脊部19形成为在Y方向(近似c轴[0001]方向)上延伸。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)掺杂有Mg作为p型杂质。
如图5所示，为了提高载流子进入阱层14a的注入效率，载流子阻挡层15和阱层14a(阱层14a的最靠近载流子阻挡层15侧的层(142a))之间的距离h被设定为大约60nm。优选载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h被设定为80nm以下，并且更加优选为30nm以下。在实施例1中，距离h等于第三势垒层143b的厚度。
如上所述，根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100形成为堆叠在GaN基板10上的各氮化物半导体层不包括GaN层。
而且，在根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100中，如图2和3所示，在脊部19的每侧，形成用于电流限制的绝缘层20。具体地，在上引导层16的顶部、在上覆层17的侧面以及在接触层18的侧面上，形成具有大约0.1μm至0.3μm(例如，大约0.15μm)厚度的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以便覆盖接触层18的一部分。p侧电极21，在其覆盖接触层18的部分中，使得与接触层18直接接触。p侧电极21具有以从绝缘层20(接触层18)侧开始的依次堆叠的下列层的多层结构：具有大约15nm厚度的Pd层(未被示出)；具有大约15nm厚度的Pt层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。
在GaN基板10的背面上，形成n侧电极22，其具有以从GaN基板10的背面侧开始的依次堆叠的下列层的多层结构：具有大约5nm厚度的Hf层(未被示出)；具有大约150nm厚度的Al层(未被示出)。在n侧电极22上，形成金属化层(metallized layer)23，其具有以从n侧电极22侧开始的依次堆叠的下列层的多层结构：厚度为约36nm的Mo层(未被示出)；厚度为约18nm的Pt层(未被示出)；以及厚度为约200nm的Au层(未被示出)。
如图3和6所示，根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100具有成对的谐振器(腔)面30，其包括发射激光的发光面30a和与发光面30a相反的光反射面30b。在发光面30a上，形成具有例如5％至80％的反射系数的发射侧涂层(未示出)。另一方面，在光反射面30b上，形成具有例如95％的反射系数的反射侧涂层(未示出)。发射侧涂层的反射系数根据激光器输出被调整到期望值。发射侧涂层，以从半导体的发射面侧开始的顺序，例如，由30nm厚的铝氮氧化物(氧化物-氮化物)或者铝氮化物AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜和215nm厚的Al2O3膜构成。反射侧涂层由例如SiO2、TiO2等的多层膜构成。除了刚刚提及的材料之外，例如SiN、ZrO2、Ta2O5、MgF2等的电介质材料膜也可以被使用。发光面侧的涂层可以替代地由厚度为12nm的AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜和厚度为100nm的氮化硅SiN的膜构成。
通过在如上所述的m面氮化物半导体基板的解理面(在实施例1中为c面)或者利用气相蚀刻或液相蚀刻被蚀刻的蚀刻面上形成氮氧化铝或者氮化铝AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜，可以大大地减小半导体与发射侧涂层之间的界面处的非辐射复合率，并且由此大大地提高COD(灾难性光学损伤)阈值。更加优选，氮氧化铝或氮化铝AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜具有与氮化物半导体相同的六方晶系的晶体；更加优选，其晶轴与氮化物半导体的晶轴对齐而结晶，因为这进一步减小了非辐射复合率并且进一步提高了COD阈值。为了增加发光面侧的反射系数，可以在上述涂层上形成具有被堆叠在一起的氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化钽、氧化锆、氧化硅等的膜的堆叠膜。
如图6所示，根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100在垂直于谐振器面30的方向(Y方向(近似c轴[0001]方向))上具有大约300μm至1800μm(例如，大约600μm)的长度L(芯片长度L(谐振器长度L))，并且在沿谐振器面30的方向(X方向(近似a轴[11-20]方向))上具有大约150μm至大约600μm的宽度W(芯片宽度W)。
在实施例1中，如上所述，相对于m面在a轴方向上具有偏角的面被作为GaN基板10的主生长面，这使得可以抑制亮点化EL发射图案。也就是，利用该结构，可以改善EL发射图案。这使得可以提高氮化物半导体激光器芯片的发光效能。通过提高发光效能，可以获得高亮度的氮化物半导体激光器芯片。获得如上所述的抑制亮点化发射的效果的一个原因被认为是如下：由于相对于m面在a轴方向上具有偏角的GaN基板10的主生长面10a，所以当有源层14(阱层14a)生长在主生长面10a上时，In原子的迁移方向改变，从而既便在高In组成比(In的供给量大)的条件下，In的聚集也被抑制。另一原因被认为是：形成于有源层14上的p型氮化物半导体层的生长模式也被改变从而提高了作为p型杂质的Mg的活化率并且减小了p型氮化物半导体层的电阻。减小p型氮化物半导体层的电阻使电流的均匀注入更为容易，因而使EL发射图案均一。
在实施例1中，通过抑制亮点化EL发射图案，可以使EL发射图案均匀，因而可以减小驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，可以获得均匀的EL发射图案，因而可以增加氮化物半导体激光器芯片的形成中的增益。
在实施例1中，利用上述结构，由于可以抑制亮点化EL发射图案，所以可以提高发光效能。这使得可以提高器件的特性和可靠性。也就是，可以获得具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片。
在实施例1中，通过在相对于m面在a轴方向上具有偏角的主生长面10a上形成接触主生长面10a的AlGaN下覆层12，可以极大地改善表面形态且提高层表面上的平坦度。这使得可以给予形成在GaN基板10上的各氮化物半导体层在整个面内均匀的厚度分布。而且，通过改善表面形态，可以减小器件特性(例如，I-L响应、I-V响应、远场图案、波长等)的变化，因而可以提高制造良率。从而，可以容易地获得具有设定范围内的特性的芯片。而且，通过改善表面形态，可以进一步提高器件特性和可靠性。
在实施例1中，通过使a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度，可以容易地抑制亮点化EL发射图案。
在GaN基板10的主生长面10a相对于m面在c轴方向上也具有偏角的情况下，通过使a轴方向上的偏角大于c轴方向上的偏角，可以有效地抑制亮点化EL发射图案。也就是，采用该结构可以抑制由于c轴方向上的偏角过大而引起的抑制亮点化发射的效果减小的不便。因而，可以容易地提高发光效能。
在实施例1中，通过利用AlGaN形成有源层14的势垒层14b，可以提高势垒层14b的平坦度；因而，通过在具有高平坦度的势垒层14b上形成阱层14a，可以提高阱层14a的结晶度，且可以抑制阱层中的In层分离等。从而，可以进一步提高发光效能。
在实施例1中，通过给予氮化物半导体激光器芯片100的有源层14DQW结构，可以容易地减小驱动电压。这还帮助提高器件特性和可靠性。既便在有源层14被给予DQW结构时，也可以抑制亮点化EL发射图案。在采用具有相对于m面被提供有偏角的主生长面10a的上述GaN基板10的情况中，与给予有源层14多量子阱(MQW)结构相比，给予形成于GaN基板10上的有源层14DQW结构有助于提高发光效能。这使得可以容易地获得高亮度氮化物半导体激光器芯片。
在实施例1中，通过使载流子阻挡层15的Al组成比y等于或者大于0.08但是等于或者小于0.35，可以形成对载流子(电子)足够高的能量势垒，因而可以更为有效地防止注入有源层14的载流子流入p形氮化物半导体层。这使得可以有效地抑制亮点化EL发射图案。使载流子阻挡层15的Al组成比y等于或者小于0.35帮助抑制由于Al组成比y过高引起的载流子阻挡层15的电阻的增加。附带地，在阱层14a中具有高In组成比x1(x1≥0.15)的区域中，形成于有源层14上的载流子阻挡层15中的0.08或者更大的Al组成比y使得极其难以满意地生长载流子阻挡层15。这是因为，随着阱层14a中In浓度的增加，有源层14的表面平坦度劣化，这使得难于以良好的结晶度形成具有高Al组成比y的膜。但是，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10，既便在有源层14(阱层14a)中的In组成比x1是0.15以上、0.45以下的情形中，也可以以良好的结晶度在该有源层14上形成具有0.08以上、0.35以下的Al组成比y的载流子阻挡层15。这使得可以有效地抑制亮点化EL发射图案并且使EL发射图案均匀。
通过采用具有相对于m面在a轴方向上被提供有偏角的主生长面10a的上述GaN基板10，既便在阱层14a的In组成比x1大于或者等于0.15的情形中，也就是，既便在其中亮点化EL发射图案显著的条件下，也可以有效地抑制亮点化EL发射图案。因而，通过使有源层14的阱层14a的In组成比x1为0.15以上，可以获得抑制亮点化发射的突出效果。另一方面，通过使阱层14a的In组成比x1为0.45以下，可以有效地抑制由于阱层14a中In组成比x1大于0.45造成的例如晶格失配的应变带来的大量位错在有源层14中发展的不便。
在实施例1中，通过由AlGaN制成形成在阱层14a下面(在GaN基板10侧)的势垒层14b，且使Al组成比x2为0＜x2≤0.08，可以获得诸如提高势垒层14b的平坦度的效果的效果。这使得可以提高阱层14a的发光效能，因而可以获得具有极佳的器件特性和高可靠性的半导体激光器芯片。
附带地，设定载流子阻挡层15与阱层14a之间的距离h为200nm或者更大允许当载流子从载流子阻挡层15扩散至有源层14时电流被分散，因而略微有助于抑制亮点化发射。另一方面，通过使用具有相对于m面被提供有偏角的主生长面10a的上述GaN基板10，既便当载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h未被设定为200nm或者更大时，也可以有效地抑制亮点化发射。例如，既便当载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h被设定为小于120nm时，也可以有效地抑制亮点化发射。载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h越小，则更加优选，因为载流子进入阱层14a的注入效率的提高。因而，通过使载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h小于120nm，可以提高载流子进入阱层14a的注入效率。
图7到19是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的图。以下，参考图2、3及5至19，将描述根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片100的制造方法。
首先，具有相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10被制备。通过例如使用从具有c面(0001)作为主面的GaN体晶切出来的基板作为籽晶基板并且在该籽晶基板上生长GaN晶体而制造GaN基板10。具体地，如同在图7中所示出的，SiO2保护膜(未示出)形成于部分基础基板300上，并且随后在基础基板300上、在保护膜上方，GaN体晶通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)工艺的外延生长工艺被生长。这引起生长在未形成保护膜的部分中开始，而在保护膜上方，GaN晶体横向生长。GaN晶体横向生长的部分在保护膜上方相遇并且连续生长，因而GaN晶体层400a形成于基础基板300上。GaN晶体层400a形成得足够厚使得既便在基础基板300被去除之后也可以独立地被操持。接着，基础基板300例如通过蚀刻从如此形成的GaN晶体层400a被去除。如同在图8中所示出的，这留下具有c面(0001)作为主面的GaN体晶400。可以使用例如GaAs基板、蓝宝石基板、ZnO基板、SiC基板、GaN基板等作为基础基板300。GaN体晶400被给予例如大约3mm的厚度S。
接着，两个主面，即，如此获得的GaN体晶400的(0001)和(000-1)面被研磨和抛光以便每个都具有5nm的平均粗糙度Ra。这里的平均粗糙度Ra符合在JIS B 0601中所定义的算术平均粗糙度Ra，并且可以在AFM(原子力显微镜)上被测量。
接着，GaN体晶400在垂直于[1-100]方向的多个面处被切片使得具有m面{1-100}作为主面的多个GaN晶体基板410被切出来，且每个具有厚度T(例如，1mm)(并具有3mm的宽度S)。随后，采用如此切出来的每个GaN晶体基板410，尚未被研磨或抛光的四面被研磨和抛光以便具有5nm的平均粗糙度Ra。此后，如同在图9和10中所示出的，多个GaN晶体基板410以这样的方式并排布置为其相应的主面相互平行并且其相应的[0001]方向相互对准。
随后，如同在图11中所示出的，多个被如此并排布置的GaN晶体基板410被取作籽晶基板，并且在这些GaN晶体基板410的m面{1-100}上，GaN晶体通过例如HVPE工艺的外延生长工艺而被生长。以这种方式，获得具有m面作为主生长面的GaN基板1。接着，如此获得的GaN基板1的主面通过化学和机械抛光被抛光以便独立地控制a和c轴方向上的偏角，由此设定相对于m面的a和c轴方向上的偏角为期望偏角。这些偏角可以通过X射线衍射法被测量。以这种方式，获得具有相对于m面在a和c轴方向上都具有偏角的面作为主生长面的GaN基板10。
在上述GaN基板10的制造中，在具有大偏角的基板被制造的情形中，当多个GaN晶体基板410由GaN体晶400切割出来时，它们可以以相对于[1-100]方向的预定切割角度被切出来使得GaN晶体基板410的主面具有相对于m面{1-100}的期望偏角。这样做允许GaN晶体基板410的主面具有相对于m面{1-100}的希望的偏角，因而形成于主面上的GaN基板1(10)的主面(主生长面)达到具有相对于m面{1-100}的希望的偏角。
通过化学和机械抛光抛光从GaN体晶400(见图8)切出的GaN晶体基板410的主面使得可以使用GaN晶体基板410作为GaN基板10。在该情形中，GaN晶体基板410的宽度S可以是3mm或者更大。
这里，在实施例1中，上述GaN基板10中a轴方向上的偏角被调整为大于0.1度。在c轴方向上也被提供偏角的情形中，优选c轴方向上的偏角被调整为大于±0.1度。而且，优选c轴方向上的偏角被调整为小于a轴方向上的偏角。
接着，如同在图12中所示出的，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12到18。具体地，在GaN基板10的主生长面10a上，下列层被顺序生长：具有大约2.2μm的厚度的n型Al0.06Ga0.94N的下覆层12；具有大约0.1μm厚度的n型Al0.005Ga0.995N的下引导层13；和有源层14。如同在图5中所示出的，当生长有源层14时，两个Inx1Ga1-x1N阱层14a和三个Alx2Ga1-x2N势垒层14b交替地生长。具体地，在下引导层13上，下列层自底向上顺次生长：具有大约30nm厚度的第一势垒层141b；具有大约3nm至4nm厚度的第一阱层141a；具有大约16nm厚度的第二势垒层142b；具有大约3nm至4nm厚度的第二阱层142a；和具有大约60nm厚度的第三势垒层143b。以这种方式，在下引导层13上，形成具有由两个阱层14a和三个势垒层14b构成的DQW结构的有源层14。此时，阱层14a形成为使得这里的In组成比x1是0.15以上、0.45以下(例如，0.2至0.25)。另一方面，势垒层14b形成为使得这里的Al组成比x2例如在0＜x2≤0.08的范围内。
接着，如同在图12中所示出的，在有源层14上，下列层顺次生长：p型AlyGa1-yN的载流子阻挡层15；具有大约0.05μm厚度的p型Al0.01Ga0.99N的上引导层16；具有大约0.5μm厚度的p型Al0.06Ga0.94N的上覆层17；和具有大约0.1μm厚度的p型Al0.01Ga0.99N的接触层18。此时，优选载流子阻挡层15形成为具有40nm以下(例如，大约12nm)的厚度。此外，载流子阻挡层15形成为使得Al组成比y是0.08以上、0.35以下(例如，大约0.15)。n型半导体层(下覆层12和下引导层13)被掺杂以例如Si作为n型杂质，并且p型氮化物半导体层(载流子阻挡层15、上引导层16、上覆层17和接触层18)被掺杂以例如Mg作为p型杂质。
在实施例1中，n型半导体层在900℃以上但低于1300℃(例如，1075℃)的生长温度下形成。有源层14的阱层14a在600℃以上、800℃以下(例如，700℃)的生长温度下形成。邻近阱层14a的势垒层14b在与阱层14a相同的生长温度(例如，700℃)下形成。p型氮化物半导体层在700℃以上但是低于900℃(例如，880℃)的生长温度下形成。n型半导体层的生长温度优选为900℃以上但是低于1300℃，并且更加优选是1000℃以上但是低于1300℃。有源层14的阱层14a的生长温度优选是600℃以上、830℃以下，并且在阱层14a中的In组成比x1是0.15以上的情形中，优选是600℃以上、770℃以下；更加优选是630℃以上、740℃以下。有源层14的势垒层14b的生长温度优选与阱层14a相同或者更高。p型氮化物半导体层的生长温度优选为700℃以上但是低于900℃，并且更加优选为700℃以上、880℃以下。不必说，由于即使在900℃以上的温度形成p型氮化物半导体层也给出p型导电性，所以p型氮化物半导体层可以在900℃以上的温度下形成。
作为用于生长这些氮化物半导体的源材料，例如，下列材料可以被使用：作为Ga的源材料，三甲基镓((CH3)3Ga；TMGa)；作为Al的源材料，三甲基铝((CH3)3Al；TMAl)；作为In的源材料，三甲基铟((CH3)3In；TMIn)；作为N的源材料，NH3。作为载气，例如可以使用H2。至于掺杂剂，作为n型掺杂剂(n型杂质)，例如可以使用甲硅烷(SiH4)；作为p型掺杂剂(p型杂质)，例如可以使用环戊二烯镁(CP2Mg)。
随后，如同在图13中所示出的，通过使用光刻技术，在接触层18上，形成具有大约1μm至10μm(例如大约1.5μm)的宽度且平行于Y方向(近似c轴[0001]方向)延伸的条形(拉长的)抗蚀剂层450。随后，如同在图14中所示出的，通过使用例如SiCl4或者Cl2的氯基气体或者氩气的RIE(反应离子刻蚀)工艺，并且采用抗蚀剂层450作为掩模，进行蚀刻达到上引导层16深度的一部分(意味着，留下小部分上引导层16，因而不完全穿透上引导层16)。以这种方式，形成条形(拉长的)的脊部19(见图3和6)，脊部19由上引导层16的隆起部、上覆层17和接触层18构成并且平行于Y方向(近似c轴[0001]方向)延伸，并且各个脊部19相互平行。
接着，如同在图15中所示出的，通过溅射工艺等，在抗蚀剂层450留在脊部19上的状态下，形成具有大约0.1μm至0.3μm(例如，大约0.15μm)厚度的SiO2绝缘层20以掩埋脊部19。随后，抗蚀剂层450通过剥离被去除使得脊部19顶部的接触层18被暴露。以这种方式，在脊部19的各侧，形成如同在图16中所示出的绝缘层20。
接着，如同在图17中所示出的，通过真空沉积工艺等，下列层从基板侧(绝缘层20侧)顺次形成：具有大约15μm厚度的Pd层(未示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未示出)。因而，在绝缘层20(接触层18)上，形成具有多层结构的p侧电极21。
接着，为了使基板容易分割，GaN基板10的背面被研磨或者抛光直至GaN基板10的厚度被减小到大约100μm。此后，如同在图2中所示出的，在GaN基板10的背面，通过真空沉积工艺等，下列层从GaN基板10的背面侧顺次形成：具有大约5nm厚度的Hf层(未示出)；以及具有大约150nm厚度的Al层(未示出)。因而，形成具有多层结构的n侧电极22。然后，在n侧电极22上，下列层从n侧电极22侧开始顺次形成：具有大约36nm厚度的Mo层(未被示出)；具有大约18nm厚度的Pt层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。这样，形成具有多层结构的金属层23。在n侧电极22形成之前，为了例如调整n侧电特性的目的，可以进行干法蚀刻或者湿法蚀刻。
随后，如同在图18中所示出的，通过例如划片-断开工艺或者激光划片的技术，晶片被分割为棒(bar)。这产生在分割面处具有谐振器面30的棒形芯片阵列。接着，通过例如真空沉积工艺或者溅射工艺的技术，涂层被施加于棒形芯片阵列的面(谐振器面30)。具体地，在用作发光面的一个面上，形成例如铝氮氧化物等的膜的发射侧涂层(未示出)。在与其相反的用作光反射面的面上，形成例如SiO2、TiO2等的多层膜的反射侧涂层(未被示出)。
最后，如同在图19中所示出的，棒形芯片阵列沿着沿Y方向(近似c轴[0001]方向)的计划的分割线P被分割为分离的成片的单独氮化物半导体激光器芯片。以这种方式，根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片100被制造。
如同在图20中所示出的，如以上制造的根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100利用插设在之间的副底座(sub-mount)110安装于基座(stem)120上并且通过布线130电连接至引脚(lead pin)。随后，帽135被焊接于基座120上从而完成成为罐式封装半导体激光器器件(半导体器件)的装配。
如以上所述，在根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100的制造方法中，在相对于m面在a轴方向上具有偏角的主生长面10a上，n型Al0.06Ga0.94N的下覆层12形成为接触主生长面10a，这使得可以获得优良的表面形态。这使得可以给予各氮化物半导体层整个面内均匀的厚度分布，因此而提高各氮化物半导体层的平坦度。而且，通过提高表面形态，可以减小器件特性的变化，从而增加具有设定范围内的特性的芯片的数量。从而，可以提高制造良率。通过提高表面形态，也可以进一步提高器件特性和可靠性。
在实施例1中，通过在900℃以上的高温形成n型半导体层，可以给予n型半导体层平坦的表面。因而，通过在具有平坦表面的n型半导体层上形成有源层14和p型氮化物半导体层，可以抑制有源层14和p型氮化物半导体层中结晶度的劣化。这也使得可以形成高质量的晶体。另一方面，通过在低于1300℃的生长温度形成n型半导体层，可以抑制由于n型半导体层在1300℃以上的生长温度形成而造成的GaN基板10的表面在温度升高期间再蒸发并且变得粗糙的不便。因而，采用该方案，可以容易地制造具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片100。
在实施例1中，通过在600℃以上的生长温度形成有源层14的阱层14a，也可以抑制由于阱层14a在低于600℃的生长温度形成而造成的原子扩散长度较短因而劣化结晶度的不便。另一方面，通过在800℃以下的生长温度形成有源层14的阱层14a，可以抑制由于有源层14的阱层14a在高于800℃(例如，830℃以上)的生长温度形成而造成的有源层14因热损伤而黑化的不便。邻近阱层14a的势垒层14b的生长温度优选等于或者高于阱层14a的生长温度。
在实施例1中，通过在700℃以上的生长温度形成p型氮化物半导体层，可以抑制由于生长温度过低而造成的p型氮化物半导体层具有高电阻的不便。另一方面，通过在低于1100℃的生长温度形成p型氮化物半导体层，可以减小对有源层14的热损伤。附带地，利用AlGaN形成势垒层使得有源层更能抵抗p型半导体层形成期间产生的热损伤。也就是，即使当p型半导体层在1000℃以上的生长温度下形成，则也可以抑制有源层因热损伤而黑化。
接下来，将给出验证根据上述实施例的氮化物半导体激光器芯片100的效果所进行的实验的描述。在这些实验中，首先，图21所示的发光二极管芯片200作为测试芯片被制造，而且检查EL发射图案。发光二极管芯片被用于检查EL发射图案的原因在于：利用氮化物半导体激光器芯片，由于所形成的脊部而造成该氮化物半导体激光器芯片具有狭窄的电流注入区域，所以难以检查EL发射图案。
通过在类似于上述实施例的GaN基板10上形成类似于上述实施例的氮化物半导体层，测试芯片(发光二极管芯片200)被制造。以与上述实施例类似的方式形成氮化物半导体层。具体地，如图21所示，通过采用具有相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10，在主生长面10a上，下列层顺次形成：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；以及接触层18。接着，在接触层18上，形成p侧电极221。p侧电极221被形成为是透明的以允许检查EL发射图案。在GaN基板10的背面上，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轴方向上具有1.7度的偏角、在c轴方向上具有+0.1度的偏角。在测试芯片中，阱层中In的组成比是0.25，势垒层中Al的组成比是2％。电流被注入到被如此制造的测试芯片(发光二极管芯片200)以使得其发光，并且检查整个面上的光分布。图22示出了在测试芯片中所观察到的EL发射图案的显微镜照片。
另一方面，作为对比芯片，采用具有m面作为主生长面的GaN基板(基本上为m面正基板(m-planejust substrate)，在a轴方向上具有0度的偏角、在c轴方向上具有+0.05度的偏角)的发光二极管芯片被制造。对比芯片以与上述测试芯片相同的方式被制造。In的气体流量与测试芯片相同，但是在对比芯片中，阱层中In的组成比是0.2。在对比芯片中，势垒层由In0.02Ga0.98N形成。与测试芯片类似，整个面上的光分布被检查。除了采用m面正基板作为GaN基板、阱层中具有0.2的In组成比及具有由InGaN形成的势垒层之外，对比芯片与测试芯片(发光二极管芯片200)具有相似的结构。图48中所示出的EL发射图案是在对比芯片中所观察到的EL发射图案(的显微镜照片)。
如图48所示，对比芯片展示出亮点化发射图案，但是如同在图22中所示出的，尽管测试芯片在阱层中具有较高的In组成比，但是由于亮点化EL发射图案被抑制，测试芯片展示出均匀发光的EL发射图案。因此，这确认了采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10帮助抑制亮点化EL发射图案。另一方面，通过对测试芯片和对比芯片的发光效能进行测量，确认了测试芯片的发光效能增加为对比芯片的发光效能的1.5倍。测试芯片的发射波长是530nm，对比芯片的发射波长是500nm。因而，这确认了：其中偏角受到控制的测试芯片在In吸收方面比使用m面正基板的对比芯片更为有效。前述确认了：提供在a轴方向上相对于m面的偏角帮助抑制亮点化发射且增加绿光波长区域中的发光效能。还确认：通过利用含Al的氮化物半导体层形成有源层的势垒层，可以获得即使在530nm的非常长的发射波长区域内也提供均一且高的发光强度的芯片。而且，也确认：当采用具有m面、a面等作为主生长面的非极性基板时，以优选的方式实现了长波长区域内发光强度的增加(其作为利用含Al的氮化物半导体层形成有源层的势垒层而获得的效果)。已经发现这是更优选的，因为利用相对于m面在a轴方向上具有偏角的基板(其允许以满意的平坦度和结晶度形成含Al的氮化物半导体层)，甚至可以给予EL发射图案极优秀的均匀性。
随后，通过利用在a轴和c轴方向上具有不同偏角的多个GaN基板，类似于图21所示的发光二极管芯片200的多个芯片被制造，且该多个芯片经历包括检查EL发射图案的试验。
结果显示：相对于m面在a轴方向上提供偏角给出抑制亮点化EL发射图案的效果。已经发现在a轴方向上的偏角为0.1度以下时抑制亮点化发射的效果较弱，但是当a轴方向上的偏角等于或大于0.1度时抑制亮点化EL发射图案的效果是显著的。因此确认：通过利用相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为GaN基板的主生长面，可以抑制亮点化EL发射图案。也确认：使a轴方向上的偏角大于c轴上的偏角帮助更有效地抑制亮点化EL发射图案。
实际示例1
作为根据实际示例1的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有1.7度的偏角且在c轴方向上具有+0.1度的偏角的GaN基板，类似于上述根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片被制造。在其它方面，实际示例1的结构类似于上述实施例1的结构。以类似于根据上述实施例1的方式制造的但是使用不具有偏角的GaN基板(m面正基板)的另一氮化物半导体激光器芯片被取作对比示例1。在其它方面，对比示例1的氮化物半导体激光器芯片的结构类似于实施例1的芯片结构。
对于实际示例1和对比示例1，阈值电流被测量。对于对比示例1的氮化物半导体激光器芯片，阈值电流的值是大约100mA，但是对于实际示例1的氮化物半导体激光器芯片，阈值电流的值是大约60mA；因而确认：实际示例1的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流远小于对比示例1的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流。原因被认为是：被抑制的亮点化发射导致整个面内的均匀发光，因而具有较高的增益。而且，关于驱动电压，确认：对于当50mA的电流被注入时所观察到的驱动电压，实际示例1的氮化物半导体激光器芯片比对比示例1的芯片低大约0.4V。造成这些结果的一个原因被认为是：使用相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为GaN基板的主生长面改变了Mg被吸收进入p型半导体层的方式从而提高了活化率。根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片的发射波长是505nm。甚至在500nm以上的长波长也可以以相对低的阈值电流密度产生激光的原因被认为是表面形态被改善且膜的平坦度也被提高。
实施例2
图23是示出根据本发明第二实施例(实施例2)的氮化物半导体激光器芯片的结构的截面图。图24是根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的整体透视图。图25和图26是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的结构的视图。接着，参考图23到26，将描述根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100的结构。
如图23和24所示，根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100通过利用与之前描述的实施例1相似的GaN基板10而形成，且具有多个堆叠在GaN基板10的主生长面10a上的氮化物半导体层。也就是，在实施例2中，如同之前描述的实施例1，在GaN基板10的主生长面10a上，形成具有堆叠在一起的多个氮化物半导体层的氮化物半导体堆叠结构5。
具体地，在根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100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。在下覆层12上，形成厚度为约0.1μm的n型GaN下引导层13。在下引导层13上，形成有源层14。
如图25所示，有源层14具有两个Inx1Ga1-x1N阱层14a和三个Inx2Ga1-x2N势垒层14b交替地堆叠的量子阱(DQW，双量子阱)结构。具体地，有源层14通过从下引导层13侧相继地堆叠第一势垒层141b、第一阱层141a、第二势垒层142b、第二阱层142a和第三势垒层143b而形成。二个阱层14a(第一和第二阱层141a和142a)中每个被形成为具有大约3nm至4nm的厚度。第一势垒层141b被形成为具有大约30nm的厚度，第二势垒层142b被形成为具有大约16nm的厚度，并且第三势垒层143b被形成为具有大约60nm的厚度。因而，三个势垒层14b中的每个形成为具有不同的厚度。
势垒层可以由代替AlGaN的AlInGaN形成。这也可以应用于之前描述的实施例1。含Al和In的势垒层提供了容易地在低温下以高的平坦度成膜的优点。而且，在提供两层或多层阱层的情况下，当GaN层不用作插设在阱层之间的势垒层(在实施例2中，第二势垒层)时，势垒层可以具有诸如AlGaN/AlInGaN、AlInGaN/AlGaN等的两层结构，或者具有诸如AlInGaN/AlGaN/AlInGaN、AlInGaN/InGaN/AlInGaN、AlGaN/InGaN/AlGaN，等的多层结构。在提供一层阱层的情况下，优选从上方接触该阱层的层(在阱层的与基板相反的一侧，具体地，第二势垒层)是AlInGaN层。通过以这样的方式形成势垒层，可以有效地抑制暗线的发展。
这里，在实施例2中，如以上所述，结构为这样：形成在GaN基板10的主生长面10a与有源层14(阱层14a)之间的GaN层的总厚度为0.7μm以下。具体地，如以上所述，在GaN基板10的主生长面10a与有源层14(阱层14a)之间，形成两层GaN层(n型GaN层11和下引导层13)，且它们的总厚度为约0.2μm(＝约0.1μm+约0.1μm)。更优选地，GaN层的总厚度为0.5μm以下，进一步优选为0.3μm以下。在实施例2中，接触GaN基板10的主生长面10a的半导体层为GaN层。
在实施例2中，构成有源层14的阱层14a(有源层14)形成为具有大于或者等于0.15但是小于或者等于0.45(例如，从0.2至0.25)的In组成比x1。有源层14的势垒层14b由AlGaN(Alx2Ga1-x2N)形成，且Al组成比x2满足，例如，0＜x2≤0.08。对于由AlGaN(Alx2Ga1-x2N)形成的势垒层14b，小于或等于0.08的Al组成比x2使得可以进行有效的光限制。而且，由AlGaN形成势垒层14b帮助提高发光效能。
利用AlGaN、AlInGaN等形成势垒层14b而提高发光效能的原因被认为如下。如上所述，利用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，尽管在其主生长面上形成厚度超过1μm的GaN层倾向于劣化表面形态，但是形成含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)改善了表面形态。从而，在有源层中形成由含Al的氮化物半导体制成的势垒层(例如AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)提高了势垒层的平坦度，而在具有高平坦度的势垒层上形成阱层提高了阱层的结晶度。而且，以这样的方式形成势垒层使得可以有效地抑制暗线的发展。在有源层中的势垒层由含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)形成的情况下，如上所述，优选阱层由InGaN形成。
如图23和24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的载流子阻挡层15。载流子阻挡层15形成为具有大于或者等于0.08但是小于或者等于0.35(例如，约0.15)的Al组成比y。在载流子阻挡层15上，形成p型Al0.01Ga0.99N的上引导层16，它具有隆起部和在别处的平坦部。上引导层16形成为具有比覆层小的Al组成比。在上引导层16的隆起部上，形成具有大约0.5μm厚度的p型Al0.06Ga0.94N的上覆层17。在上覆层17上，形成具有大约0.1μm厚度的p型Al0.01Ga0.99N的接触层18。上引导层16的隆起部、接触层18和上覆层17一起构成具有大约1μm至10μm(例如，大约1.5μm)的宽度的条形(伸长)脊部19。如同在图26中所示出的，脊部19形成为在Y方向(近似c轴[0001]方向)上延伸。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)掺杂有Mg作为p型杂质。
优选由含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN、AlInGaN或者AlInN)形成接触层，因为这样做帮助提高表面形态且改善整个面内的厚度分布。
而且，在根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100中，如图23和24所示，在脊部19的每侧，形成用于电流限制的绝缘层20。具体地，在上引导层16的顶部、在上覆层17的侧面以及在接触层18的侧面上，形成具有大约0.1μm至0.3μm(例如，大约0.15μm)厚度的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以便覆盖接触层18的一部分。p侧电极21在其覆盖接触层18的部分与接触层18直接接触。p侧电极21具有以从绝缘层20(接触层18)侧开始的顺序依次堆叠的下列层的多层结构：具有大约15nm厚度的Pd层(未被示出)；具有大约15nm厚度的Pt层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。
在GaN基板10的背面上，形成n侧电极22，其具有以从GaN基板10的背面侧开始的顺序依次堆叠的下列层的多层结构：具有大约5nm厚度的Hf层(未被示出)；具有大约150nm厚度的Al层(未被示出)。在n侧电极22上，形成金属化层(metallized layer)23，其具有以从n侧电极22侧开始的顺序依次堆叠的下列层的多层结构：厚度为约36nm的Mo层(未被示出)；厚度为约18nm的Pt层(未被示出)；以及厚度为约200nm的Au层(未被示出)。
如图24和26所示，根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100具有成对的谐振器(腔)面30，其包括发射激光的发光面30a和与发光面30a相反的光反射面30b。在发光面30a上，形成具有例如5％至80％的反射系数的发射侧涂层(未示出)。另一方面，在光反射面30b上，形成具有例如95％的反射系数的反射侧涂层(未示出)。发射侧涂层的反射系数根据激光器输出被调整到期望值。发射侧涂层，以从半导体的发射面侧开始的顺序，例如，由30nm厚的铝氮氧化物(氧化物-氮化物)或者铝氮化物AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜和215nm厚的Al2O3膜构成。反射侧涂层由例如SiO2、TiO2等的多层膜构成。除了刚刚提及的材料之外，例如SiN、ZrO2、Ta2O5、MgF2等的电介质材料膜也可以被使用。发光面侧的涂层可以替代地由厚度为12nm的AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜和厚度为100nm的氮化硅SiN的膜构成。
通过在如上所述的m面氮化物半导体基板的解理面(在实施例2中为c面)或者利用气相蚀刻或液相蚀刻被蚀刻的蚀刻面上形成氮氧化铝或者氮化铝AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜，可以大大地减小半导体与发射侧涂层之间的界面处的非辐射复合率，并且由此大大地提高COD(灾难性光学损伤)阈值。更加优选，氮氧化铝或氮化铝AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜具有与氮化物半导体相同的六方晶系的晶体；更加优选，其晶轴与氮化物半导体的晶轴对齐而结晶，因为这进一步减小了非辐射复合率并且进一步提高了COD阈值。为了增加发光面侧的反射系数，可以在上述涂层上形成具有被堆叠在一起的氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化钽、氧化锆、氧化硅等的膜的堆叠膜。
如图26所示，根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100在垂直于谐振器面30的方向(Y方向(近似c轴[0001]方向))上具有大约300μm至1800μm(例如，大约600μm)的长度L(芯片长度L(谐振器长度L))，并且在沿谐振器面30的方向(X方向(近似a轴[11-20]方向))上具有大约150μm至大约600μm的宽度W(芯片宽度W)。
在实施例2中，如上所述，相对于m面在a轴方向上具有偏角的面被作为GaN基板10的主生长面10a，这使得可以抑制亮点化EL发射图案，且可以抑制整个面内的波长改变。也就是，利用该结构，可以改善EL发射图案。这使得可以提高氮化物半导体激光器芯片的发光效能。通过提高发光效能，可以获得高亮度的氮化物半导体激光器芯片。获得如上所述的抑制亮点化发射的效果的一个原因被认为是如下：由于相对于m面在a轴方向上具有偏角的GaN基板10的主生长面10a，所以当有源层14(阱层14a)生长在主生长面10a上时，In原子的迁移方向改变，从而既便在高In组成比(In的供给量大)的条件下，In的聚集也被抑制。另一原因被认为是：形成于有源层14上的p型氮化物半导体层的生长模式也被改变从而提高了作为p型杂质的Mg的活化率并且减小了p型氮化物半导体层的电阻。减小p型氮化物半导体层的电阻使电流的均匀注入更为容易，因而使EL发射图案均一。
在实施例2中，通过抑制亮点化EL发射图案，可以使EL发射图案均匀，所以可以减小驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，可以获得均匀的EL发射图案，所以可以增加氮化物半导体激光器芯片的形成中的增益。
在实施例2中，利用上述结构，可以抑制亮点化EL发射图案，所以可以提高发光效能。这使得可以提高器件的特性和可靠性。也就是，可以获得具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片。
在实施例2中，在具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10上，形成在主生长面10a与有源层14(阱层14a)之间的GaN层形成为具有0.7μm以下(0.2μm)的总厚度，且这使得可以大大地改善表面形态且获得良好的表面形态。这样，可以给予GaN层(n型GaN层11和下引导层13)整个面内均匀的厚度分布，且也给出进一步形成在GaN层上的半导体层整个面内均匀的厚度分布。也就是，可以给予形成在GaN基板10上的各氮化物半导体层在整个面内均匀的厚度分布。而且，通过改善表面形态，可以减小器件特性(例如，I-L响应、I-V响应、远场图案、波长等)的变化，因而可以提高制造良率。这使得可以容易地获得具有设定范围内的特性的芯片。而且，通过改善表面形态，可以进一步提高器件特性和可靠性。
在实施例2中，通过使a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度，可以容易地抑制亮点化EL发射图案。
在GaN基板10的主生长面10a相对于m面在c轴方向上也具有偏角的情况下，通过使a轴方向上的偏角大于c轴方向上的偏角，可以有效地抑制EL发射图案。也就是，采用该结构可以抑制由于c轴方向上的偏角过大而引起的抑制亮点化发射的效果减小的不便。因而，可以容易地提高发光效能。
在实施例2中，通过利用AlGaN形成有源层14的势垒层14b，可以提高势垒层14b的平坦度。因而，通过在具有高平坦度的势垒层14b上形成阱层14a，可以提高阱层14a的结晶度，且可以抑制阱层中的In层分离等。从而，可以进一步提高发光效能。
在实施例2中，给予氮化物半导体激光器芯片1100的有源层14DQW结构使得可以容易地减小驱动电压。这还帮助提高器件特性和可靠性。既便在有源层14被给予DQW结构时，也可以抑制亮点化EL发射图案。在采用具有相对于m面被提供有偏角的主生长面10a的上述GaN基板10的情况中，与给予有源层14多量子阱(MQW)结构相比，给予形成于GaN基板10上的有源层14DQW结构有助于提高发光效能。这使得可以容易地获得高亮度氮化物半导体激光器芯片。
在实施例2中，通过使由p型AlyGa1-yN形成的载流子阻挡层15的Al组成比y等于或者大于0.08但是等于或者小于0.35，可以形成对载流子(电子)足够高的能量势垒，因而可以更为有效地防止注入有源层14的载流子流入p形氮化物半导体层。这使得可以有效地抑制亮点化EL发射图案。使载流子阻挡层15的Al组成比y等于或者小于0.35帮助抑制由于Al组成比y过高引起的载流子阻挡层15的电阻的增加。附带地，在阱层14a中具有高In组成比x1(x1≥0.15)的区域中，形成于有源层14上的载流子阻挡层15中的0.08或者更大的Al组成比y使得极其难以满意地生长载流子阻挡层15。这是因为，随着阱层14a中In浓度的增加，有源层14的表面平坦度劣化，这使得难于以良好的结晶度形成具有高Al组成比y的膜。但是，通过采用具有相对于m面在a轴方向上有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10，既便在有源层14(阱层14a)中的In组成比x1是0.15以上、0.45以下的情形中，也可以以良好的结晶度在该有源层14上形成具有0.08以上、0.35以下的Al组成比y的载流子阻挡层15。这使得可以有效地抑制亮点化EL发射图案并且使EL发射图案均匀。
通过采用具有相对于m面在a轴方向上被提供有偏角的主生长面10a的上述GaN基板10，既便在阱层14a的In组成比x1大于或者等于0.15的情形中，也就是，既便在其中亮点化EL发射图案显著的条件下，也可以有效地抑制亮点化EL发射图案。因而，通过使有源层14的阱层14a的In组成比x1为0.15以上，可以获得抑制亮点化发射的突出效果。另一方面，通过使阱层14a的In组成比x1为0.45以下，可以有效地抑制由于阱层14a中In组成比x1大于0.45造成的例如晶格失配的应变带来的大量位错在有源层14中发展的不便。
在实施例2中，形成在阱层14a下面(在阱层14a的GaN基板10侧)的势垒层14b由含Al的氮化物半导体层(例如，Alx2Ga1-x2N)形成，且Al组成比x2为0＜x2≤0.08；这提供了诸如提高势垒层14b的平坦度和抑制暗线发展的效果的效果。这使得可以提高阱层14a的发光效能，因而可以获得具有极佳的器件特性和高可靠性的半导体激光器芯片。
附带地，设定载流子阻挡层15与阱层14a之间的距离h为200nm或者更大允许当载流子从载流子阻挡层15扩散至有源层14时电流被分散，因而略微有助于抑制亮点化发射。另一方面，通过使用具有相对于m面被提供有偏角的主生长面10a的上述GaN基板10，既便当载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h未被设定为200nm或者更大时，也可以有效地抑制亮点化发射。例如，既便当载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h被设定为小于120nm时，也可以有效地抑制亮点化发射。载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h越小，则更加优选，因为这会提高载流子进入阱层14a的注入效率。因而，通过使载流子阻挡层15和阱层14a之间的距离h小于120nm，可以提高载流子进入阱层14a的注入效率。
更优选地，在载流子阻挡层15与阱层14a之间的势垒层(例如，在实施例2中为第三势垒层)是含Al和In的氮化物半导体层。载流子阻挡层的Al组成比形成为大于势垒层的Al组成比，从而来自载流子阻挡层的应力作用于阱层。因此，在载流子阻挡层15与阱层14a之间形成含In的势垒层是优选的，因为这样做帮助缓和应力。而且，优选载流子阻挡层15与阱层14a之间的势垒层部分地包括AlInGaN。此外，载流子阻挡层15与阱层14a之间的势垒层可以具有诸如AlGaN/AlInGaN、AlInGaN/AlGaN或者AlInGaN/InGaN的两层结构，或者具有诸如AlInGaN/AlGaN/AlInGaN、AlInGaN/InGaN/AlInGaN、AlGaN/InGaN/AlGaN等的多层结构。从上述缓和应力的角度来看，载流子阻挡层15与阱层14a之间的势垒层可以是InGaN。以这样的方式形成势垒层帮助有效地抑制暗线的发展。
通过形成由含Al的氮化物半导体层制成的势垒层而获得的抑制暗线发展的效果完全不同于通过利用相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板而获得的抑制亮点化发射的效果。具体地，利用含Al的氮化物半导体层作为势垒层对诸如m面的非极性面是有效的；另一方面，即使在采用由InGaN形成的势垒层的情况下，通过在a轴方向上提供偏角，也可以抑制亮点化EL发射图案。然而，在a轴方向上具有偏角的氮化物半导体基板上形成含Al的氮化物半导体层提供了提高结晶度等的效果，因而利用在a轴方向上具有偏角的氮化物半导体基板且利用含Al的氮化物半导体层作为势垒层提高了势垒层的结晶度。因而，以这样的方式结合这两种设计是优选的，因为这样做产生协同配合的效果。不必说，利用在a轴方向上具有偏角的氮化物半导体基板以及利用含Al的氮化物半导体层作为势垒层使得可以抑制暗线的发展并且抑制亮点化发射。
图27到34是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的图。以下，参考图23至34，将描述根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100的制造方法。
首先，具有相对于m面有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10被制备。可以通过与之前描述的实施例1相似的方法制造该GaN基板10。
接着，如同在图27中所示出的，在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。此时，各氮化物半导体层生长为使得形成在GaN基板10与有源层14(阱层14a)之间的GaN层的总厚度为0.7μm以下。
具体地，在GaN基板10的主生长面10a上，下列层被顺序生长：具有大约0.1μm的厚度的n型GaN层11；具有大约2.2μm的厚度的n型Al0.06Ga0.94N的下覆层12；具有大约0.1μm厚度的n型GaN的下引导层13；和有源层14。如同在图25中所示出的，当有源层14生长时，两个Inx1Ga1-x1N阱层14a和三个Alx2Ga1-x2N势垒层14b交替地生长。具体地，在下引导层13上，下列层自底向上顺次生长：具有大约30nm厚度的第一势垒层141b；具有大约3nm至4nm厚度的第一阱层141a；具有大约16nm厚度的第二势垒层142b；具有大约3nm至4nm厚度的第二阱层142a；和具有大约60nm厚度的第三势垒层143b。以这种方式，在下引导层13上，形成具有由两个阱层14a和三个势垒层14b构成的DQW结构的有源层14。此时，阱层14a形成为使得这里的In组成比x1是0.15以上、0.45以下(例如，0.2至0.25)。另一方面，势垒层14b形成为使得这里的Al组成比x2例如在0＜x2≤0.08的范围内。
接着，如同在图27中所示出的，在有源层14上，下列层顺次生长：p型AlyGa1-yN的载流子阻挡层15；具有大约0.05μm厚度的p型Al0.01Ga0.99N的上引导层16；具有大约0.5μm厚度的p型Al0.06Ga0.94N的上覆层17；和具有大约0.1μm厚度的p型Al0.01Ga0.99N的接触层18。此时，优选载流子阻挡层15形成为具有40nm以下(例如，大约12nm)的厚度。而且，载流子阻挡层15形成为使得Al组成比y是0.08以上、0.35以下(例如，大约0.15)。n型半导体层(n型GaN层11、下覆层12和下引导层13)被掺杂以例如Si作为n型杂质，并且p型氮化物半导体层(载流子阻挡层15、上引导层16、上覆层17和接触层18)被掺杂以例如Mg作为p型杂质。
在实施例2中，n型半导体层在900℃以上但低于1300℃(例如，1075℃)的生长温度下形成。有源层14的阱层14a在600℃以上、800℃以下(例如，700℃)的生长温度下形成。邻近阱层14a的势垒层14b在与阱层14a相同的生长温度(例如，700℃)下形成。p型氮化物半导体层在700℃以上但是低于900℃(例如，880℃)的生长温度下形成。n型半导体层的生长温度优选为900℃以上但是低于1300℃，并且更加优选是1000℃以上但是低于1300℃。有源层14的阱层14a的生长温度优选是600℃以上、830℃以下，并且在阱层14a中的In组成比x1是0.15以上的情形中，优选是600℃以上、770℃以下；更加优选是630℃以上、740℃以下。有源层14的势垒层14b的生长温度优选与阱层14a相同或者更高。p型氮化物半导体层的生长温度优选为700℃以上但是低于900℃，并且更加优选为700℃以上、880℃以下。不必说，由于即使在900℃以上的温度形成p型氮化物半导体层也给出p型导电性，所以p型氮化物半导体层可以在900℃以上的温度下形成。
作为用于生长这些氮化物半导体的源材料，例如，下列材料可以被使用：作为Ga的源材料，三甲基镓((CH3)3Ga；TMGa)；作为Al的源材料，三甲基铝((CH3)3Al；TMAl)；作为In的源材料，三甲基铟((CH3)3In；TMIn)；作为N的源材料，NH3。作为载气，例如可以使用H2。至于掺杂剂，作为n型掺杂剂(n型杂质)，例如可以使用甲硅烷(SiH4)；作为p型掺杂剂(p型杂质)，例如可以使用环戊二烯镁(CP2Mg)。
接着，如同在图28中所示出的，通过使用光刻技术，在接触层18上，形成具有大约1μm至10μm(例如大约1.5μm)的宽度且平行于Y方向(近似c轴[0001]方向)延伸的条形(伸长的)抗蚀剂层450。随后，如同在图29中所示出的，通过使用例如SiCl4或者Cl2的氯基气体或者氩气的RIE(反应离子刻蚀)工艺，并且采用抗蚀剂层450作为掩模，进行蚀刻达到上引导层16深度的一部分(意味着，留下小部分上引导层16，因而不完全穿透上引导层16)。以这种方式，形成条形(伸长的)的脊部19(见图24和26)，脊部19由上引导层16的隆起部、上覆层17和接触层18构成并且平行于Y方向(近似c轴[0001]方向)延伸，并且各个脊部19相互平行。
接着，如同在图30中所示出的，通过溅射工艺等，在抗蚀剂层450留在脊部19上的状态下，形成具有大约0.1μm至0.3μm(例如，大约0.15μm)厚度的SiO2绝缘层20以掩埋脊部19。随后，抗蚀剂层450通过剥离被去除使得脊部19顶部的接触层18被暴露。以这种方式，在脊部19的各侧，形成如同在图31中所示出的绝缘层20。
接着，如同在图32中所示出的，通过真空沉积工艺等，下列层从基板侧(绝缘层20侧)顺次形成：具有大约15μm厚度的Pd层(未示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未示出)。因而，在绝缘层20(接触层18)上，形成具有多层结构的p侧电极21。
接着，为了使基板容易分割，GaN基板10的背面被研磨或者抛光直至GaN基板10的厚度被减小到大约100μm。此后，如同在图23中所示出的，在GaN基板10的背面，通过真空沉积工艺等，下列层从GaN基板10的背面侧顺次形成：具有大约5nm厚度的Hf层(未示出)；以及具有大约150nm厚度的Al层(未示出)。因而，形成具有多层结构的n侧电极22。然后，在n侧电极22上，下列层从n侧电极22侧开始顺次形成：具有大约36nm厚度的Mo层(未被示出)；具有大约18nm厚度的Pt层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。这样，形成具有多层结构的金属化层23。在n侧电极22形成之前，为了例如调整n侧电特性的目的，可以进行干法蚀刻或者湿法蚀刻。
随后，如同在图33中所示出的，通过例如划片-断开工艺或者激光划片的技术，晶片被分割为棒(bar)。这产生在分割面处具有谐振器面30的棒形芯片阵列。接着，通过例如真空沉积工艺或者溅射工艺的技术，涂层被施加于棒形芯片阵列的面(谐振器面30)。具体地，在用作发光面的一个面上，例如铝氮氧化物等的膜的发射侧涂层(未示出)被形成。在与其相反的用作光反射面的面上，形成例如SiO2、TiO2等的多层膜的反射侧涂层(未被示出)。
最后，如同在图34中所示出的，棒形芯片阵列沿着沿Y方向(近似c轴[0001]方向)的计划的分割线P被分割为分离的成片的单独氮化物半导体激光器芯片。以这种方式，根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100被制造。
如同在图35中所示出的，如以上制造的根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100利用插设在之间的副底座(sub-mount)110安装于基座(stem)120上并且通过布线130电连接至引脚(lead pin)。随后，帽135被焊接于基座120上从而完成成为罐式封装半导体激光器器件(半导体器件)的装配。
如以上所述，在根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片1100的制造方法中，形成在GaN基板10与有源层14(阱层14a)之间的GaN层(n型GaN层11和下引导层13)形成为具有0.7μm以下(0.2μm)的总厚度，这使得可以获得良好的表面形态。这样，可以给予各氮化物半导体层在整个面内均匀的厚度分布，从而提高各氮化物半导体层的平坦度。而且，通过改善表面形态，可以减小器件特性的变化，因而增加具有设定范围内的特性的芯片的数量。从而可以提高制造良率。通过改善表面形态，可以进一步提高器件特性和可靠性。
在实施例2中，通过在900℃以上的高温形成n型半导体层，可以给予n型半导体层平坦的表面。因而，通过在具有平坦表面的n型半导体层上形成有源层14和p型氮化物半导体层，可以抑制有源层14和p型氮化物半导体层中结晶度的劣化。这也使得可以形成高质量的晶体。另一方面，通过在低于1300℃的生长温度形成n型半导体层，可以抑制由于n型半导体层在1300℃以上的生长温度形成而造成的GaN基板10的表面在温度升高期间再蒸发并且变得粗糙的不便。因而，采用该方案，可以容易地制造具有极佳的器件特性和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片1100。
在实施例2中，通过在600℃以上的生长温度形成有源层14的阱层14a，可以抑制由于阱层14a在低于600℃的生长温度形成而造成的原子扩散长度较短因而劣化结晶度的不便。另一方面，通过在800℃以下的生长温度形成有源层14的阱层14a，可以抑制由于有源层14的阱层14a在高于800℃(例如，830℃以上)的生长温度形成而造成的有源层14因热损伤而黑化的不便。邻近阱层14a的势垒层14b的生长温度优选等于或者高于阱层14a的生长温度。
在实施例2中，通过在700℃以上的生长温度形成p型氮化物半导体层，可以抑制由于生长温度过低而造成的p型氮化物半导体层具有高电阻的不便。另一方面，通过在低于1100℃的生长温度形成p型氮化物半导体层，可以减小对有源层14的热损伤。附带地，利用诸如AlGaN或者AlInGaN的含Al的氮化物半导体层形成势垒层使得有源层更能抵抗p型半导体层形成期间产生的热损伤。也就是，即使当p型半导体层在1000℃以上的生长温度下形成，则也可以抑制有源层因热损伤而黑化。
接下来，将给出验证根据上述实施例的氮化物半导体激光器芯片1100的效果所进行的实验的描述。在这些实验中，首先，图36所示的发光二极管芯片1200作为测试芯片被制造，而且检查EL发射图案。发光二极管芯片被用于检查EL发射图案的原因在于：利用氮化物半导体激光器芯片，由于所形成的脊部而造成该氮化物半导体激光器芯片具有狭窄的电流注入区域，所以难以检查EL发射图案。
通过在类似于上述实施例的GaN基板10上形成类似于上述实施例的氮化物半导体层，测试芯片(发光二极管芯片1200)被制造。以与上述实施例类似的方式进行氮化物半导体层的形成。具体地，如图36所示，通过采用具有相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10，在主生长面10a上，下列层顺次形成：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；以及接触层18。接着，在接触层18上，形成p侧电极221。p侧电极221被形成为是透明的以允许检查EL发射图案。在GaN基板10的背面上，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轴方向上具有1.7度的偏角、在c轴方向上具有+0.1度的偏角。在测试芯片中，阱层中In的组成比是0.25，势垒层中Al的组成比是2％。电流被注入到被如此制造的测试芯片(发光二极管芯片1200)以使得其发光，并且检查整个面上的光分布。对于实施例2的测试芯片，观察到与之前描述的实施例1类似的EL发射图案(与图22中所示类似的发射图案)。
另一方面，作为对比芯片，采用具有m面作为主生长面的GaN基板(基本上为m面正基板，在a轴方向上具有0度的偏角、在c轴方向上具有+0.05度的偏角)的发光二极管芯片被制造。对比芯片以与上述测试芯片相同的方式被制造。In的气体流量与测试芯片相同，但是在对比芯片中，阱层中In的组成比是0.2。在对比芯片中，势垒层由In0.02Ga0.98N形成。与测试芯片类似，整个面上的光分布被检查。除了采用m面正基板作为GaN基板、阱层中具有0.2的In组成比及具有由InGaN形成的势垒层之外，对比芯片与测试芯片(发光二极管芯片1200)具有相似的结构。图37中所示出的EL发射图案是在对比芯片中所观察到的EL发射图案(的显微镜照片)。
如图37所示，对比芯片展示出亮点化EL发射图案，但是尽管测试芯片在阱层中具有较高的In组成比，但是由于亮点化EL发射图案被抑制测试芯片展示出均匀发光的EL发射图案。因此，这确认了采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的GaN基板10帮助抑制亮点化EL发射图案。而且，如之前所参考的图46所示，尽管对比芯片中势垒层由InGaN形成，但是PL发射图案也展示出暗线，而如之前所参考的图47所示，在测试芯片中具有由含Al的氮化物半导体层形成的势垒层，没有观察到暗线的发展。
另一方面，通过对测试芯片和对比芯片的发光效能进行测量，确认了测试芯片的发光效能增加为对比芯片的发光效能的2.2倍。测试芯片的发射波长是530nm，对比芯片的发射波长是490nm。因而，这确认了：其中偏角受到控制的测试芯片在In吸收方面比使用m面正基板的对比芯片更为有效。前述确认了：提供在a轴方向上相对于m面的偏角帮助抑制亮点化发射且增加绿光波长区域中的发光效能。
还确认：通过利用含Al的氮化物半导体层形成有源层的势垒层，可以获得即使在530nm的非常长的发射波长区域内也提供均一且高的发光强度的芯片。而且，也确认：当采用具有m面、a面等作为主生长面的非极性基板时，以优选的方式实现了长波长区域内发光强度的增加(其作为利用含Al的氮化物半导体层形成有源层的势垒层而获得的效果)。已经发现这是更优选的，因为利用相对于m面在a轴方向上具有偏角的基板(其允许以满意的平坦度和结晶度形成含Al的氮化物半导体层)，甚至可以给予EL发射图案极优秀的均匀性。
随后，通过利用在a轴和c轴方向上具有不同偏角的多个GaN基板，类似于图36所示的发光二极管芯片1200的多个芯片被制造，且该多个芯片经历包括检查EL发射图案的试验。
结果显示：相对于m面在a轴方向上提供偏角给出抑制亮点化EL发射图案的效果。已经发现在a轴方向上的偏角为0.1度以下时抑制亮点化发射的效果较弱，但是当a轴方向上的偏角等于或大于0.1度时抑制亮点化EL发射图案的效果是显著的。因此确认：通过利用相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为GaN基板的主生长面，可以抑制亮点化EL发射图案。也确认：使a轴方向上的偏角大于c轴上的偏角帮助更有效地抑制亮点化EL发射图案。
实际示例2
作为根据实际示例2的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有1.7度的偏角且在c轴方向上具有+0.1度的偏角的GaN基板，类似于上述根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片被制造。阱层中In的组成比为0.25，势垒层中Al的组成比为2％。在其它方面，实际示例2的结构类似于上述实施例2的结构。以类似于根据上述实施例2的方式制造的但是使用不具有偏角的GaN基板(m面正基板)的另一氮化物半导体激光器芯片被取作对比示例2。在其它方面，对比示例2的氮化物半导体激光器芯片的结构类似于实施例2的芯片结构。
对于实际示例2和对比示例2，阈值电流被测量。对于对比示例2的氮化物半导体激光器芯片，阈值电流的值是大约120mA，但是对于实际示例2的氮化物半导体激光器芯片，阈值电流的值是大约55mA；因而确认：实际示例2的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流远小于对比示例2的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流。原因被认为是：被抑制的亮点化发射导致整个面内的均匀发光，因而具有较高的增益。而且，关于驱动电压，确认：对于当50mA的电流被注入时所观察到的驱动电压，实际示例2的氮化物半导体激光器芯片比对比示例2的芯片低大约0.4V。造成这些结果的一个原因被认为是：使用相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为GaN基板的主生长面改变了Mg被吸收进入p型半导体层的方式从而提高了活化率。根据实施例2的氮化物半导体激光器芯片的发射波长是505nm。甚至在500nm以上的长波长也可以以相对低的阈值电流密度产生激光的原因被认为是：在a轴方向上具有偏角的氮化物半导体基板与有源层(阱层)之间形成总厚度为0.7μm以下的GaN层改善了表面形态且提高了膜平坦度。也认为：利用含Al的氮化物半导体层作为势垒层具有诸如抑制暗线发展的效果。
实际示例3
作为根据实际示例3的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有4度的偏角且在c轴方向上具有+1度的偏角的GaN基板，其中势垒层由AlsIntGauN(s+t+u＝1)形成的氮化物半导体激光器芯片被制造。在实际示例3中，势垒层由AlsIntGauN(s＝0.01，t＝0.03，u＝0.96)形成。也就是，在实际示例3中，势垒层由AlInGaN形成。除了势垒层的其他方面，实际示例3的结构类似于上述实施例(实际示例2)的结构。实际示例3提供了与上述实际示例2相似的效果。附带地，在势垒层由AlsIntGauN(s+t+u＝1)形成的情况下，如同上述实施例2，优选In组分小于Al组分。为了在长波长区域中的波长实现发光，有源层需要在900℃以下的低温，典型地在约700℃到800℃的低温下形成；被认为这可能是In含量使低温生长的结晶度提高的原因。而且，利用含In的AlInGaN层作为势垒层比利用AlGaN层给出较高的折射率，因而，帮助实现有效的光限制。
实际示例4
作为根据实际示例4的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有6度的偏角且在c轴方向上具有-1.1度的偏角的GaN基板，其中势垒层由AlsIntGauN(s+t+u＝1)形成的氮化物半导体激光器芯片被制造。在实际示例4中，第一势垒层由AlsIntGauN(s＝0.01，t＝0，u＝0.99)形成，第二和第三势垒层由AlsIntGauN(s＝0.02，t＝0.01，u＝0.97)形成。也就是，在实际示例4中，第一势垒层由AlGaN形成，第二和第三势垒层中的每个由AlInGaN形成。除了势垒层的其他方面，实际示例4的结构类似于上述实施例(实际示例2)的结构。实际示例4提供了与上述实际示例2相似的效果。附带地，在实际示例4中，第一势垒层可以具有不同于第二和第三势垒层的组分，或者每个势垒层可以具有不同的Al组分。
实际示例5
作为根据实际示例5的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有6度的偏角且在c轴方向上具有+2度的偏角的GaN基板，与实际示例2的氮化物半导体激光器芯片相似性很大的氮化物半导体激光器芯片被制造。具体地，在实际示例5中，势垒层由AlGaN形成。在实际示例2中，三层势垒层(第一、第二和第三势垒层)具有相同的Al组成比，但在实际示例5中，它们具有不同的Al组成比。具体地，第一势垒层具有2％的Al组成比，第二和第三势垒层具有0.08％的Al组成比。实际示例5提供了与上述实际示例2相似的效果。附带地，如同实际示例5的其中第一势垒层具有比其他势垒层高的Al组成比的设计提供了相似的效果。
实际示例6
作为根据实际示例6的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有8度的偏角且在c轴方向上具有+4度的偏角的GaN基板，与实际示例2的氮化物半导体激光器芯片相似性很大的氮化物半导体激光器芯片被制造。差别在于：在实际示例6中，接触基板的主生长面的半导体层不是n型GaN层而是下覆层。也就是，在实际示例6中，不形成n型GaN层，并且在基板的主生长面上，氮化物半导体层以厚度为约2.2μm的n型Al0.06Ga0.94N下覆层为开始层开始堆叠。这也提供类似的效果。
实际示例7
作为根据实际示例7的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有3度的偏角且在c轴方向上具有+1度的偏角的GaN基板，与实际示例2的氮化物半导体激光器芯片相似性很大的氮化物半导体激光器芯片被制造。差别在于：代替n型GaN层，这里接触基板的主生长面的半导体层为厚度为约0.1μm的In0.02Ga0.98N的InGaN层。也就是，在实际示例7中，各氮化物半导体层以InGaN层为开始层而形成。这也提供相似的效果。
实际示例8
作为根据实际示例8的氮化物半导体激光器芯片，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有4度的偏角且在c轴方向上具有+1度的偏角的GaN基板，与实际示例2的氮化物半导体激光器芯片相似性很大的氮化物半导体激光器芯片被制造。差别在于：在实际示例8中，接触基板的主生长面的半导体层不是n型GaN层而是厚度为约0.1μm的n型In0.02Ga0.98N层。也就是，在实际示例8中，不形成n型GaN层，并且在基板的主生长面上，厚度为约0.1μm的n型In0.02Ga0.98N的氮化物半导体层被堆叠。在该n型In0.02Ga0.98N的氮化物半导体层的顶部，形成下覆层，该下覆层具有约1.5μm的厚度且具有250个n型Al0.12Ga0.88N(厚度为4nm)和GaN(厚度为2nm)的循环的超晶格结构。这也提供相似的效果。
实际示例9
在实际示例9中，通过利用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有3度的偏角且在c轴方向上具有+0.5度的偏角的GaN基板制造LED。在实际示例9中，首先，在基板的主生长面上，形成厚度为约1μm的n型Al0.01Ga0.99N层，然后，形成Al0.01Ga0.99N(厚度为约15nm)和In0.25Ga0.75N(厚度为约3nm)的4QW有源层。接着，在4QW有源层上，形成厚度为约20nm的p型Al0.2Ga0.8N载流子阻挡层。然后，在p型Al0.2Ga0.8N载流子阻挡层上，形成厚度为约0.2μm的p型GaN接触层。然后，在p型GaN接触层上，作为氧化物基透明导电膜，厚度为约50nm的ITO(铟锡氧化物)膜利用EB(电子束)蒸发沉积设备而形成，从而形成p侧ITO电极。以这样的方式被构造，实际示例9也提供了抑制暗线发展、提高发光效能以及抑制亮点化发射的效果。
可以采用ZnO基透明导电膜、SnO2基透明导电膜等代替ITO透明导电膜(为铟氧化物基的)作为上述氧化物基透明导电膜，其中ZnO基透明导电膜的主要组成是锌氧化物，SnO2基透明导电膜是锡氧化物基的。利用这样的透明导电膜，可以提高光提取效率。而且，利用相对于m面在a轴方向上具有偏角的基板，可以在表面形态已经被改善的p型层上形成电极，从而可以获得低的接触电阻；此外，可以抑制亮点化发射以实现均匀的发光和均匀的注入，从而提高发光效能；因而，对于形成在上述基板上的氮化物半导体层，利用透明导电膜作为接触电极的优点很大，因而是优选的。尤其优选的是ITO电极，因为其允许低温退火，因此不太可能给有源层造成热损伤。在实际示例9中，退火在400℃下进行。
实际示例10
在实际示例10中，利用与实际示例9中采用的基板相似的基板制造结构与实际示例9基本相同的LED。差别在于：在实际示例10中，势垒层由AlsIntGauN(s＝0.01，t＝0.03，u＝0.96)形成。这也提供与以上描述相似的效果。而且，势垒层中的In含量以及Al含量允许低温生长，因此是优选的。
应该理解，在此公开的实施例在各方面都是示意性的而非限制性的。本发明的范围不在上面的实施例的描述中而是在所附权利要求书中给出，并且包涵在等效于这些权利要求的意义和范围内的任何变更和修改。
例如，尽管上述实施例1和2涉及其中本发明应用于作为氮化物半导体芯片的示例的氮化物半导体激光器芯片，但是这不意味着限制本发明；本发明可以应用于氮化物半导体发光芯片。本发明也可应用于诸如氮化物半导体激光器芯片和氮化物半导体发光二极管芯片的氮化物半导体发光芯片之外的半导体芯片。例如，本发明可以应用于电子器件，例如功率晶体管、IC(集成电路)和LSI(大规模集成电路)。
尽管上述实施例1和2涉及其中a轴方向上的偏角被设定为大于0.1度的示例，但是这不意味着限制本发明；a轴方向上的偏角可以小于或者等于0.1度。然而，考虑到给予抑制亮点化发射的效果和表面形态，优选a轴方向上的偏角大于±0.1度。
尽管上述实施例1和2涉及其中有源层的量子阱结构是DQW结构的示例，但是这不意味着限制本发明；有源层可以形成为具有除DQW结构之外的量子阱结构。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，如同在图38中所示出的，在下引导层13上，可以形成具有SQW结构的有源层54，在该SQW结构中一个InGaN的阱层54a和二个Al0.005Ga0.995N的势垒层54b被交替堆叠。阱层54a被给予大约3nm至4nm的厚度，势垒层54b被给予大约70nm的厚度。在上述实施例中，给予有源层SQW结构与给予其DQW结构相比帮助减小驱动电压。具体地，采用具有SQW结构的有源层，当50mA的电流被注入时所观察到的驱动电压与具有DQW结构的有源层相比低大约0.1V至0.25V。这被认为可能源自于下列事实：在DQW结构中，夹置在二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结构之外，有源层可以被给予MQW结构。而且，在有源层被给予SQW或者MQW结构的情形中，可以获得抑制亮点化发射的效果。利用包括三层以上阱层的多量子阱结构，可以实现有效的光限制，从而提高增益。
尽管上述实施例1和2涉及其中GaN基板用作氮化物半导体基板的示例，但是这不意味着限制本发明；可以使用任何GaN基板之外的氮化物半导体基板。例如，可以使用由InGaN、AlGaN、AlGaInN等形成的氮化物半导体基板。对于作为晶体在基板上生长的各氮化物半导体层，其相应的厚度、成分等可以不同地结合或者适当地改变以适合期望的特性。例如，半导体层可以被添加或者被去除，或者半导体层的顺序可以被部分改变。半导体层的导电类型可以被部分改变。即，任何变化和修改都是可能的，只要获得氮化物半导体芯片的基本特性。
尽管上述实施例1和2涉及其中阱层中In的组成比是0.2至0.25的示例，但是这不意味着限制本发明；阱层中In的组成比可以根据需要在大于或者等于0.15但是小于或者等于0.45的范围内改变。阱层中In的组成比可以小于0.15。阱层可以包含Al只要其含量小于或者等于5％。载流子阻挡层可以包含In只要其含量小于或者等于7％。这里的In含量是优选的，因为其使得容易在低温下形成具有良好结晶度的膜；其是优选的还因为帮助减少有源层中的应变，该有源层形成为包括由含Al或者含Al和In的氮化物半导体层形成的势垒层。
在上述实施例中，如果必要势垒层中Al的组成比x2可以在0＜x2≤0.08的范围内改变。附带地，通过利用AlGaN形成势垒层，可以抑制当阱层中In的组成比增加时在平行于c轴方向的方向上发展的位错(且表现为EL发射图案中的暗线)。
尽管上述实施例1和2涉及其中载流子阻挡层和阱层之间的距离被制造得等于第三势垒层的厚度的示例，但是也可以在载流子阻挡层和阱层(阱层中最靠近载流子阻挡层侧的一个阱层)之间形成多个不同组成的氮化物半导体层。还优选利用诸如Mg的p型杂质掺杂载流子阻挡层和阱层(阱层中最靠近载流子阻挡层侧的一个阱层)之间的界面的部分为p型。在上述实施例中，没有进行这样的掺杂。
尽管上述实施例1和2涉及其中载流子阻挡层被给予小于或者等于40nm的厚度的示例，但是这不意味着限制本发明；载流子阻挡层可以被给予大于40nm的厚度。既便当载流子阻挡层包含大约3％的In时，也可以获得本发明的效果。为了减小驱动电压的目的，优选载流子阻挡层中的Al组成比高于p型覆层中的Al组成比。
尽管上述实施例1和2涉及其中Si被用作n型半导体层的n型杂质的示例，但是这不意味着限制本发明；作为除Si之外的n型杂质，可以使用例如O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg或者Be。具体地，优选的n型杂质是Si、O和Cl。
尽管上述实施例1和2涉及其中绝缘层由SiO2形成的示例，但是这不意味着限制本发明；绝缘层可以由SiO2之外的绝缘材料形成。例如，绝缘层可以由SiN、Al2O3、ZrO2等形成。
尽管上述实施例1和2涉及其中利用MOCVD工艺生长各氮化物半导体层的示例，但是这不意味着限制本发明；各氮化物半导体层可以利用除MOCVD工艺之外的任何外延生长工艺而生长。除MOCVD工艺之外的工艺包括例如HVPE(氢化物气相外延)工艺、MBE(分子束外延)工艺等。
尽管上述实施例1和2涉及其中堆叠在GaN基板上的各氮化物半导体层不包括GaN层的示例，但是这不意味着限制本发明；各氮化物半导体层可以包括GaN层作为其一部分。例如，GaN层可以用作光导层或者接触层。
尽管上述实施例1和2涉及其中由AlGaN形成的下覆层首先形成在GaN基板上的示例，但是这不意味着限制本发明；在形成下覆层之前可以形成含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层)。也就是，也可以首先在GaN基板上形成接触GaN基板的含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层)，然后在该层上形成下覆层。
接触GaN基板形成的AlGaN层可以具有n型导电性、p型导电性或者可以未掺杂。
尽管上述实施例1和2涉及其中作为接触GaN基板的主生长面的半导体层，AlGaN层形成在GaN基板上的示例，但是这不意味着限制本发明；接触GaN基板的主生长面的半导体层可以是AlInGaN层、AlInN层、InGaN层、InN层等。
接触氮化物半导体基板形成的半导体层可以具有n型导电性、p型导电性或者可以未掺杂。
尽管上述实施例1和2涉及其中三层势垒层都是AlGaN层的示例，但是这不意味着限制本发明；三层势垒层中的部分可以是AlGaN层。利用含Al的氮化物半导体层(例如，AlGaN层、AlInGaN层、AlInN层等)形成多层势垒层中接触阱层的至少之一提供了提高发光效能的效果。随着有源层中阱层数量的改变，势垒层的数量也相应地改变。在任何情况下，通过利用含Al的氮化物半导体层形成至少一个势垒层，可以获得上述效果。例如，在上述实施例中，为了提高阱层形成之前的下层的平坦度，优选利用含Al的氮化物半导体层形成第一和第二势垒层，该第一和第二势垒层的每个用作阱层形成之前的下层。AlGaN层也用作InGaN层的蒸发防止层，从而，从防止蒸发的角度来看，每个都形成在阱层上的第二和第三势垒层可以是含Al的氮化物半导体层。第二势垒层可以具有由接触第一阱层的一侧以及接触第二阱层的一侧构成的两层结构，第二势垒层接触第一阱层的一侧被称为下第二势垒层，第二势垒层接触第二阱层的一侧被称为上第二势垒层。为了提高下层的平坦度，优选形成含Al的氮化物半导体层作为上第二势垒层。另一方面，从防止蒸发的角度来看，优选形成含Al的氮化物半导体层作为下第二势垒层。所有的势垒层都可以是含Al的氮化物半导体层。
尽管上述实施例1和2涉及其中多个势垒层形成为具有不同的厚度的示例，但是这不意味着限制本发明；多个势垒层可以形成为具有相同的厚度。
在上述实施例中，提及的任何晶轴方向([1-100]方向、[11-20]方向以及[0001]方向)可以被从结晶的角度来看等效于该方向的任何方向代替。
尽管上述实施例1涉及这样的示例，其中具有接触主生长面的形成在GaN基板上AlGaN下覆层，有源层中的势垒层由AlGaN形成，但是这不意味着限制本发明；即使在接触主生长面的半导体层是AlGaN层之外的层的情况下，通过利用AlGaN形成势垒层，也可以获得提高发光效能的效果。在接触主生长面的半导体层是GaN层的情况下，优选以相对小的厚度形成GaN层。
尽管上述实施例2涉及其中两层GaN层(也就是，n型GaN层和下引导层)形成在基板与有源层之间的示例，但是这不意味着限制本发明；也可以形成除刚刚提及的层之外的任何GaN层，只要总厚度为0.7μm以下。GaN层也可以不形成在基板与有源层之间。在这种情况下，优选堆叠在基板上的层叠结构不包括GaN层而是由组成不同于GaN的半导体层，诸如InGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等构成。
尽管上述实施例2涉及这样的示例，其中在基板与有源层之间具有形成在GaN基板上且总厚度为0.7μm的GaN层，有源层中的势垒层由AlGaN形成，但是这不意味着限制本发明；即使当GaN层的总厚度大于0.7μm，通过利用AlGaN形成势垒层，也可以获得提高发光效能的效果。

Claims (27)

1.一种氮化物半导体芯片，包括：
氮化物半导体基板，具有主生长面；以及
氮化物半导体层，形成在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上，其中
所述主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，并且
所述氮化物半导体层包含Al且形成为接触所述主生长面。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体芯片，其中
所述a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体芯片，其中
所述氮化物半导体基板由GaN形成，并且
所述氮化物半导体层由AlGaN形成。
4.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体芯片，其中
具有量子阱结构的有源层形成在所述氮化物半导体层上，并且
所述有源层具有一个阱层。
5.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体芯片，其中
具有量子阱结构的有源层形成在所述氮化物半导体层上，并且
所述有源层具有两个阱层。
6.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体芯片，其中
具有量子阱结构的有源层形成在所述氮化物半导体层上，并且
所述有源层具有由含In的氮化物半导体形成的阱层，且所述阱层具有0.15以上、0.45以下的In组成比。
7.根据权利要求4所述的氮化物半导体芯片，其中
所述有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体芯片，其中
所述势垒层由AlGaN形成。
9.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体芯片，其中
除了在所述a轴方向上具有偏角外，所述氮化物半导体基板的所述主生长面在c轴方向上也具有偏角，
所述a轴方向上的偏角大于所述c轴方向上的偏角。
10.一种氮化物半导体芯片，包括：
氮化物半导体基板，具有主生长面；
氮化物半导体层，形成在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上；以及
有源层，形成在所述氮化物半导体层上，
其中
所述主生长面是非极性面，并且
所述有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。
11.根据权利要求10所述的氮化物半导体芯片，其中
所述主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面。
12.根据权利要求10或11所述的氮化物半导体芯片，其中
所述氮化物半导体层包含Al且形成为接触所述主生长面。
13.一种氮化物半导体芯片，包括：
氮化物半导体基板，具有主生长面；以及
氮化物半导体堆叠结构，形成在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上，
其中
所述主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，
所述氮化物半导体堆叠结构具有含In的有源层和GaN层，该GaN层形成在所述氮化物半导体基板与所述有源层之间，并且
所述GaN层具有0.7μm以下的总厚度。
14.根据权利要求13所述的氮化物半导体芯片，其中
所述a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度。
15.根据权利要求13或14所述的氮化物半导体芯片，其中
所述有源层具有包括一个阱层的量子阱结构。
16.根据权利要求13或14所述的氮化物半导体芯片，其中
所述有源层具有包括两个阱层的量子阱结构。
17.根据权利要求13或14所述的氮化物半导体芯片，其中
所述有源层具有量子阱结构且由含In的氮化物半导体形成的阱层，并且
所述阱层具有0.15以上、0.45以下的In组成比。
18.根据权利要求13或14所述的氮化物半导体芯片，其中
所述有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。
19.根据权利要求18所述的氮化物半导体芯片，其中
所述势垒层由AlGaN形成。
20.根据权利要求13或14所述的氮化物半导体芯片，其中
除了在所述a轴方向上具有偏角外，所述氮化物半导体基板的所述主生长面在c轴方向上也具有偏角，并且
所述a轴方向上的偏角大于所述c轴方向上的偏角。
21.根据权利要求13或14所述的氮化物半导体芯片，其中
所述氮化物半导体基板由GaN形成。
22.一种氮化物半导体芯片，包括：
氮化物半导体基板，具有主生长面；以及
氮化物半导体堆叠结构，形成在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上，
其中
所述主生长面是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，
所述氮化物半导体堆叠结构包括有源层，并且该有源层具有由含Al的氮化物半导体形成的势垒层。
23.根据权利要求22所述的氮化物半导体芯片，其中
所述氮化物半导体堆叠结构还包括含Al的半导体层，所述含Al的半导体层形成为与所述主生长面接触。
24.根据权利要求23所述的氮化物半导体芯片，其中
所述含Al的半导体层是AlGaN层。
25.一种氮化物半导体芯片的制造方法，包括：
制备氮化物半导体基板的步骤，所述氮化物半导体基板包括相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；以及
在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上形成含Al的氮化物半导体层的步骤，所述含Al的氮化物半导体层通过外延生长工艺形成且接触所述主生长面。
26.一种氮化物半导体芯片的制造方法，包括：
制备氮化物半导体基板的步骤，所述氮化物半导体基板包括相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；以及
在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上形成氮化物半导体堆叠结构的步骤，所述氮化物半导体堆叠结构通过外延生长工艺形成且具有含In的有源层，
其中形成所述氮化物半导体堆叠结构的步骤包括在所述氮化物半导体基板与所述有源层之间形成GaN层的步骤，并且
形成所述GaN层的步骤具有形成总厚度为0.7μm以下的GaN层的步骤。
27.一种半导体器件，包括根据权利要求1、10、13和22中任一项所述的氮化物半导体芯片。
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