CN101958509A - 氮化镓类半导体激光二极管 - Google Patents

Abstract

一种氮化镓类半导体激光二极管，能够使用半极性面形成500nm以上的光的激光振荡。活性层(29)设置成产生波长500nm以上的光，因此应限制在中心半导体区域(29)的光的波长为长波长，使用双层结构的第一导光层(27)和双层结构的第二导光层(31)。由AlGaN及InAlGaN的至少任意一种构成的包层(21)的材料不同于III族氮化物半导体，并且第一外延半导体区域(15)的厚度(D15)比中心半导体区域(19)的厚度(D19)厚，但第一～第三界面J1、J2、J3上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下。III族氮化物半导体激光二极管中，能够避免c面作为滑移面作用时的晶格驰豫在界面J1、J2、J3的该半导体层中产生。

Description

氮化镓类半导体激光二极管

技术领域

本发明涉及一种氮化镓类半导体激光二极管。

背景技术

专利文献1中记载了法布里-珀罗型的半导体激光二极管。将n型半导体层、发光层及p型半导体层沿m轴方向层叠。n型半导体层包括n型GaN包层及n型InGaN层，并且p型半导体层包括p型GaN包层及p型InGaN层。包层和导光层之间的折射率差在0.04以上。专利文献2中记载了425nm～450nm的发光波长的激光元件。

专利文献1：日本特开2008-311640号公报

专利文献2：日本特开2002-270971号公报

要求发出比蓝色长的波长、例如绿色的光的半导体激光。绿色激光器的一例目前有利用了二次谐波(SHG)的绿色激光器。该激光二极管寿命较短，其消耗电力较高。其原因是利用了从长波长的光向高能量的短波长的波长变换。期望不使用该波长变换的绿色激光二极管。

氮化镓类半导体发光元件是振荡波长500nm以上的半导体激光器的候选品。根据发明人的研究，在振荡波长500nm以上的激光二极管中，在包括活性层和引导层的中心半导体区域使光稳定是重要的。在振荡波长500nm以上的激光二极管的以往的结构中，LED模式的光在中心半导体区域不稳定。

专利文献1中，为了使包层和导光层之间的折射率差为0.04以上，仅通过InGaN形成导光层。但是，根据发明人的认识，将该结构应用于以500nm以上的振荡波长为目标的激光二极管时，阈值电流密度变得非常高。这难以实现实用的激光振荡。另一方面，虽然该结构适合于紫外400nm左右的激光二极管，但为了形成绿色500nm以上的振荡波长，由于波长分散，中心半导体区域和包层之间的折射率差不充分。根据发明人的研究，在例如500nm以上的振荡波长的区域，应限制在中心半导体区域的光在基板上具有振幅。

在提高中心半导体区域和包层之间的折射率差而实现光限制时，在基板上生长低折射率的氮化镓类半导体层。但是，在基板上生长的氮化镓类半导体层固有的晶格常数(未畸变的晶格常数)与基板的晶格常数之差变大时，在基板的半极性面生长的氮化镓类半导体层中导入失配位错。因此，使用半极性基板制作激光二极管的情况下，使中心半导体区域和包层之间的折射率差增大时，即使不产生裂纹，也会向生长的氮化镓类半导体层导入失配位错。根据发明人的认识，该位错导入起因于在氮化镓类半导体层上c面倾斜，与c面上沿c轴方向生长的氮化镓类半导体层中产生裂纹不同。在半极性面上生长氮化镓类半导体层时，c面作为滑移面起作用，引起未控制的晶格驰豫。

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出，提供一种能够使用半极性面形成500nm以上的光的激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。

本发明的一个方面的氮化镓类半导体激光二极管，包括：(a)支撑基体，由III族氮化物半导体构成，具有相对于第一基准平面以角度ALPHA倾斜的半极性主面，所述第一基准平面与沿该III族氮化物半导体的c轴的方向延伸的基准轴正交；(b)第一外延半导体区域，包括第一包层，被设置在所述支撑基体的所述主面上；(c)第二外延半导体区域，包括第二包层，被设置在所述支撑基体的所述主面上；以及(d)中心半导体区域，被设置在所述支撑基体的所述主面上。所述中心半导体区域包括第一导光层、活性层及第二导光层，所述活性层包括In_X0Ga_1-X0N层，所述活性层被设置为产生振荡波长为500nm以上的光，所述第一包层由不同于该III族氮化物半导体的氮化镓类半导体构成，该氮化镓类半导体由AlGaN及InAlGaN中的至少任意一种构成，所述第一外延半导体区域、所述中心半导体区域及所述第二外延半导体区域沿所述支撑基体的所述半极性主面的法线轴的方向依次排列，所述c轴朝向<0001>轴及<000-1>轴中的任一方向，所述角度ALPHA在10度以上且小于80度的范围，所述第一外延半导体区域的厚度比所述中心半导体区域的厚度厚，所述支撑基体和所述第一外延半导体区域的第一界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下，所述第一外延半导体区域和所述中心半导体区域的第二界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1，所述中心半导体区域和所述第二外延半导体区域的第三界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下，所述第一包层的导电型与所述第二包层的导电型为相反导电型，所述第一导光层在所述活性层和所述第一外延半导体区域之间，所述第一导光层包括第一In_X1Ga_1-X1N层及第一GaN层，所述第二导光层在所述活性层和所述第二外延半导体区域之间，所述第二导光层包括第二In_X2Ga_1-X2N层及第二GaN层。

该氮化镓类半导体激光二极管中，活性层设置成产生振荡波长500nm以上的光，因此，应限制在中心半导体区域的光的波长为长波长，为了在该波长带实现光限制，使用包括第一In_X1Ga_1-X1N层及第一GaN层的第一导光层、和包括第二In_X2Ga_1-X2N层及第二GaN层的第二导光层。

第一包层由AlGaN及InAIGaN中的至少任意一种构成。第一包层的材料与支撑基体的III族氮化物半导体不同，并且第一外延半导体区域的厚度比中心半导体区域的厚度厚，但第一～第三界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下。在氮化镓类半导体激光二极管中，能够避免在界面的该半导体层中产生c面作为滑移面作用时的晶格驰豫。能够提供在中心半导体区域实现光限制、能够使用半极性面而形成500nm以上的光的激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述第一导光层及所述第二导光层的厚度的总和可以为400nm以下。

根据该氮化镓类半导体激光二极管，导光层的厚度的总和为400nm以下，因此能够使中心半导体区域的厚度较薄。因此，能够降低激光二极管的阈值电流。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述活性层可以被设置为产生振荡波长为530nm以下的光。根据该氮化镓类半导体激光二极管，对于超过530nm的长波长的光的限制困难度更高。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述活性层的所述In_X0Ga_1-X0N层的铟组分X0可以大于所述第一导光层的所述第一In_X1Ga_1-X1N层的铟组分X1，铟组分差X1-X0可以为0.26以上。

根据该氮化镓类半导体激光二极管，长波长的发光中，要求提高In_X0Ga_1-X0N层的铟组分X0。另一方面，不希望在导光层和包层之间产生晶格驰豫。因此，在包括较薄的半导体层的层叠的中心半导体区域内的半导体层叠中，设置较大地取得铟组分差X1-X0的半导体层，减小第二界面上的晶格不匹配度。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述第一导光层中所述第一InGaN层的铟组分X1可以为0.01以上且0.05以下，所述第一导光层中所述第一InGaN层和所述第一GaN层的界面上的失配位错密度可以为1×10⁶cm^-1以下。

根据该氮化镓类半导体激光二极管，在导光层中以GaN层及InGaN层的双层结构构成，由此能够提高中心半导体区域的有效折射率。导光层的InGaN层位于包层和活性层之间。导光层除了GaN层还包括InGaN层，因此能够降低导光层内的失配位错密度，在导光层内避免晶格驰豫。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述III族氮化物半导体的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d0的大小由晶格矢量LVC0表示，用于所述第一外延半导体区域中的所述第一包层的半导体材料的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d1的大小由晶格矢量LVC1表示，所述晶格矢量LVC0由所述法线轴方向的纵成分V0_L和与所述纵成分正交的横成分V0_T构成，所述晶格矢量LVC1由所述法线轴方向的纵成分V1_L和与所述纵成分正交的横成分V1_T构成，横方向上的晶格不匹配度(V1_T-V0_T)/V0_T满足晶格匹配条件。

根据该氮化镓类半导体激光二极管，能够避免用于第一包层的半导体材料固有的(未畸变)晶格常数和支撑基体的晶格常数之间的差导致的晶格驰豫。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，用于所述第一导光层的所述第一InGaN层的半导体材料的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d2的大小由晶格矢量LVC2表示，所述晶格矢量LVC2由所述法线轴方向的纵成分V2_L和与所述纵成分正交的横成分V2_T构成，横方向上的晶格不匹配度(V2_T-V0_T)/V0_T的值处于满足晶格匹配条件的范围。

根据该氮化镓类半导体激光二极管，能够避免用于第一导光层的第一In_X1Ga_1-X1N层的半导体材料固有的(未畸变)晶格常数和支撑基体的晶格常数之间的差导致的晶格驰豫。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，用于所述第二外延半导体区域中的所述第二包层的半导体材料的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d3的大小由晶格矢量LVC3表示，所述晶格矢量LVC3由所述法线轴方向的纵成分V3_L和与所述纵成分正交的横成分V3_T构成，横方向上的晶格不匹配度(V3_T-V0_T)/V0_T满足晶格匹配条件。

根据该氮化镓类半导体激光二极管，能够避免用于第二包层的半导体材料固有的(未畸变)晶格常数和支撑基体的晶格常数之间的差导致的晶格驰豫。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述第一包层由AlGaN层构成，所述AlGaN层的铝组分为0.04以下，所述AlGaN层的厚度为500nm以下。根据该氮化镓类半导体激光二极管，第一包层的AlGaN层的铝组分及膜厚变大，因此能够避免第一包层的AlGaN层导致的晶格驰豫。或者，本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述第一包层由InAlGaN层构成，所述InAlGaN层的带隙大于所述导光层的第一GaN层的带隙。根据该氮化镓类半导体激光二极管，InAlGaN层的带隙大于GaN的带隙，因此能够使该InAlGaN层的折射率比GaN的折射率高。通过使用四元系氮化镓类半导体，能够避免晶格驰豫。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述角度ALPHA可以为63度以上且小于80度。该氮化镓类半导体激光二极管中，角度ALPHA处于上述的角度范围时，c面作为滑移面作用而容易产生晶格驰豫。但是，在InGaN的生长中显示出良好的铟取入。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述角度ALPHA可以为70度以上且小于80度。该氮化镓类半导体激光二极管中，角度ALPHA位于上述的角度范围时，c面作为滑移面作用而容易产生晶格驰豫，但是在InGaN的生长中，显示出良好的铟取入及较小的铟偏析。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述角度ALPHA可以为72度以上且小于78度。该氮化镓类半导体激光二极管中，角度ALPHA处于上述的角度范围时，c面作为滑移面作用而易于产生晶格驰豫。但是在InGaN的生长中，显示出良好的铟取入、较小的铟偏析及良好的形貌。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述支撑基体的所述III族氮化物半导体可以为GaN。根据该氮化镓类半导体激光二极管，在能够获得良好的结晶品质的产品的GaN支撑基体上能够抑制滑移面的生成而进行良好的晶体生长。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述中心半导体区域可包括电子阻挡层。例如，电子阻挡层可位于第二InGaN层和第二GaN层之间。或者，电子阻挡层可位于第二GaN层和第二包层之间。调整电子阻挡层的位置，可调整载流子限制和光限制。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述基准轴的倾斜方向可为a轴方向。或者，本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，所述基准轴的倾斜方向可为m轴方向。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管还可包括构成用于该氮化镓类半导体激光二极管的谐振器的一对端面。用于该氮化镓类半导体激光二极管的激光条纹可沿与所述基准轴和所述法线轴这两者正交的方向延伸。或者，本发明的氮化镓类半导体激光二极管还可包括构成用于该氮化镓类半导体激光二极管的谐振器的一对端面。用于该氮化镓类半导体激光二极管的激光条纹沿由所述基准轴和所述法线轴规定的第二基准平面延伸。在因半极性而含有各向异性的畸变的活性层中，可根据激光条纹的方向选择有助于激光振荡的能带跃迁。

本发明的氮化镓类半导体激光二极管中，还可包括在所述第二外延半导体区域上沿所述激光条纹延伸的电极。所述一对端面分别从所述支撑基体的背面的边缘延伸到所述第二外延半导体区域的表面的边缘。

该氮化镓类半导体激光二极管中，用于激光振荡的光谐振器可通过形成划线和使用刀片等的分离制作激光棒而获得良好的端面。

本发明的上述目的及其他目的、特征及优点，根据参照附图对本发明的优选实施方式进行的以下的详细记述可更容易理解。

如以上说明，根据上述方案，提供一种能够使用半极性面而形成500nm以上的光的激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。

附图说明

图1是概略地表示本实施方式的氮化镓类半导体激光二极管的图。

图2是表示本实施方式的氮化镓类半导体激光二极管的晶格常数的图。

图3是概略地表示本实施例的激光二极管的结构的图。

图4是表示外延基板E的X线衍射产生的倒易晶格映像的图。

具体实施方式

参照例示的附图并考虑以下的详细说明，可容易地理解本发明的见解。接着，参照附图对本发明的氮化镓类半导体激光二极管及其外延基板、和它们的制造方法的实施方式进行说明。对同一部分尽可能标注同一标号。

图1是概略地表示本实施方式的氮化镓类半导体激光二极管的图。参照图1，表示了正交坐标系S及晶体坐标系CR。

氮化镓类半导体激光二极管11具备支撑基体13、第一外延半导体区域15、第二外延半导体区域17、中心半导体区域19。支撑基体13具有半极性的主面13a及半极性的背面13b。该半极性主面13a相对于第一基准平面Sc以角度ALPHA倾斜，所述第一基准平面Sc与沿该III族氮化物半导体的c轴的方向延伸的基准轴Cx正交。基准轴Cx朝向<0001>轴及<000-1>轴的任一方向。基准轴Cx的倾斜方向可以是a轴方向。或者，基准轴Cx的倾斜方向可以是m轴方向。角度ALPHA在10度以上且小于80度的范围。第一外延半导体区域15的厚度比中心半导体区域19的厚度厚。支撑基体13由III族氮化物半导体构成，III族氮化物半导体由In_SAl_TGa_1-S-TN(0≤S≤1、0≤T≤1、0≤S+T＜1)构成，例如由GaN等构成。第一外延半导体区域15、中心半导体区域19及第二外延半导体区域17设在支撑基体13的主面13a上。第一外延半导体区域15通过在支撑基体13的主面13a上外延生长而形成，并且设置成覆盖支撑基体13的主面13a的整体。第一外延半导体区域15包括第一包层21，必要情况下，可在第一包层21与支撑基体13之间包括缓冲层。第一包层21由不同于该III族氮化物半导体的氮化镓类半导体构成。第一包层21的氮化镓类半导体可由AlGaN及InAlGaN中的至少任意一种构成。

第二外延半导体区域17通过在中心半导体区域19的主面19a上外延生长而形成，并且设置成覆盖中心半导体区域19的主面19a的整体。第二外延半导体区域17包括第二包层23，并且除第二包层23之外还包括p型接触层25。第一包层21的导电型与第二包层23的导电型是相反导电型。第一包层21显示n型，第二包层23显示p型。

中心半导体区域19包括第一导光层27、活性层29及第二导光层31。活性层29可包括在法线轴Ax的方向(正交坐标系S的Z轴的方向)上交替排列的阱层29a及势垒层29b。活性层29中，阱层29a可由氮化镓类半导体构成，例如可由In_X0Ga_1-X0N构成。势垒层29b可由氮化镓类半导体构成，例如可由InGaN、GaN等构成。活性层29设置成产生振荡波长为500nm以上的光。可提供比绿色光的波长长的波长的发光。并且活性层29设置成产生振荡波长为530nm以下的光。限制超过530nm的长波长的光的困难度更高。阱层29a例如沿着相对于基准轴Cx以(90-ALPHA)度的角度倾斜的基准面R2延伸。阱层29a含有各向异性的畸变。

第一外延半导体区域15、中心半导体区域19及第二外延半导体区域17在支撑基体13的半极性主面13a的法线轴Ax的方向上依次排列。

角度ALPHA可以是63度以上且小于80度。对于该角度范围的角度ALPHA，具有c面作为滑移面作用而产生晶格驰豫的可能性，但在InGaN的生长中，显示出良好的铟取入。此外，角度ALPHA可以是70度以上且小于80度。对于该角度范围的角度ALPHA，具有c面作为滑移面作用而产生晶格驰豫的可能性，但在InGaN的生长中，显示出良好的铟取入及较小的铟偏析。而且，角度ALPHA可以是72度以上且小于78度。对于该角度范围的角度ALPHA，具有c面作为滑移面作用而产生晶格驰豫的可能性，但在InGaN的生长中，显示出良好的铟取入、较小的铟偏析及良好的形貌。

第一导光层27位于活性层29和第一外延半导体区域15之间。第一导光层27包括第一In_X1Ga_1-X1N层27a及第一GaN层27b。第二导光层31位于活性层29和第二外延半导体区域17之间。第二导光层31包括第二In_X2Ga_1-X2N层31a及第二GaN层31b。

支撑基体13和第一外延半导体区域15的第一界面J1中的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下。第一外延半导体区域15和中心半导体区域19的第二界面J2中的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下。中心半导体区域19和第二外延半导体区域17的第三界面J3中的失配位错密度为1×10⁶em^-1以下。

在该氮化镓类半导体激光二极管11中，活性层29设置成产生振荡波长为500nm以上的光，因此应限制在中心半导体区域19的光的波长为长波长，为了在该波长带得到光限制，使用双层结构的第一导光层27和双层结构的第二导光层31。第一包层21由AlGaN及InAlGaN中的至少任意一种构成。第一包层21的材料与III族氮化物半导体不同，并且第一外延半导体区域15的厚度D15比中心半导体区域19的厚度D19厚，但第一～第三界面J1、J2、J3中的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下。氮化镓类半导体激光二极管中，能够避免c面作为滑移面作用时的晶格驰豫在界面J1、J2、J3的该半导体层中产生。虽然不容易在中心半导体区域19得到光限制，但可提供能够使用半极性面13a形成500nm以上的光的激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管11。

第一及第二导光层27、31的厚度D1、D2的总和(D1+D2)可在400nm以下。由于导光层的厚度的总和在400nm以下，因此可使中心半导体区域19的厚度D19变薄。因此，能够提高光限制，能够降低激光二极管的阈值电流。

活性层29的In_X0Ga_1-X0N层29a的铟组分X0比第一导光层27的第一In_X1Ga_1-X1N层27b的铟组分X1大，铟组分差X1-X0可以为0.26以上。长波长的发光中，要求提高In_X0Ga_1-X0N层29a的铟组分X0。另一方面，不希望在导光层27和包层21之间产生晶格驰豫。因此，在包括比较薄的半导体层的层叠的中心半导体区域19内，设置较大地取得铟组分差X1-X0的半导体层，减小第二界面J2的晶格不匹配度。

第一导光层27中第一InGaN层27b的铟组分X1可以为0.01以上且0.05以下。第一导光层27中第一InGaN层27b和第一GaN层27a的界面J4中的失配位错密度可以为1×10⁶cm^-1以下。

通在导光层27由GaN层及InGaN层的双层结构构成，能够提高中心半导体区域19的有效折射率。导光层27的InGaN层27a位于包层21和活性层29之间。导光层27除GaN层之外还包括InGaN层，因此能够降低导光层27的失配位错密度，在导光层27内避免晶格驰豫。

此外，活性层29的In_X0Ga_1-X0N层29a的铟组分X0比第二导光层31的第二In_X2Ga_1-X2N层31a的铟组分X2大，铟组分差X2-X0可以为0.26以上。长波长的发光中，要求提高In_X0Ga_1-X0N层29a的铟组分X0。另一方面，不希望在导光层31和包层23之间产生晶格驰豫。因此，在包括比较薄的半导体层的层叠的中心半导体区域19内，设置较大地取得铟组分差X2-X0的半导体层，减小第三界面J3的晶格不匹配度。

在第二导光层31中所述第二InGaN层31a的铟组分X2可以为0.01以上且0.05以下。在第二导光层31中第二InGaN层31a和第二GaN层31b的界面J5的失配位错密度可以为1×10⁶cm^-1以下。通过导光层31由GaN层及InGaN层的双层结构构成，能够提高中心半导体区域19的有效折射率。导光层31的InGaN层位于包层23和活性层29之间。导光层31除了GaN层之外还包括InGaN层，因此能够降低导光层31的失配位错密度，在导光层31内避免晶格驰豫。

氮化镓类半导体激光二极管11可进一步具备在第二外延半导体区域17上沿激光条纹(Laser stripe)延伸的电极(例如阳极)35a。在支撑基体13的背面13b上，可设置电极(例如阴极)35b。

氮化镓类半导体激光二极管可进一步具备一对端面37a、37b，所述一对端面37a、37b构成用于该氮化镓类半导体激光二极管的谐振器。一对端面37a、37b位于激光条纹的两端。一对端面37a、37b为了形成激光谐振器分别满足必要的平坦性及垂直性这两方面。此外，端面37a、37b分别从支撑基体13的背面13b的边缘延伸到第二外延半导体区域17的表面17a的边缘。

可形成激光振荡的这种光谐振器、即良好的端面37a、37b可通过形成标线和使用刀片(Blade)等的分离而制作激光棒来得到。用于氮化镓类半导体激光二极管11的激光条纹可向与基准轴Cx和法线轴Ax的两方正交的方向延伸。或者，用于氮化镓类半导体激光二极管11的激光条纹沿由基准轴Cx和法线轴Ax规定的基准平面延伸。该基准平面与端面37a、37b交叉，在优选的实施例中实质上正交较好。在因半极性含有各向异性的畸变的活性层29中，可根据激光条纹的方向选择有助于激光振荡的能带跃迁。

第一包层21可由AlGaN层构成。该AlGaN的铝组分可以为0.04以下且0.01以上。该第一包层21的厚度为500nm以下。第一包层21的铝组分及膜厚变大，因此能够避免起因于第一包层21的AlGaN层的晶格驰豫。或者，第一包层21由InAlGaN层构成，该InAlGaN层的带隙比导光层27的第一GaN层27b的带隙大。该第一包层21的厚度为500nm以下。由于该InAlGaN层的带隙比GaN的带隙大，因此该InAlGaN层的折射率能够比GaN的折射率低。通过使用四元系氮化镓类半导体，能够避免晶格驰豫。

第二包层23可由AlGaN层构成。该AlGaN的铝组分可以为0.04以下且0.01以上。该第二包层23的厚度为500nm以下。第二包层23的铝组分及膜厚变大，因此能够避免起因于第二包层23的AlGaN层的晶格驰豫。或者，第二包层23由InAlGaN层构成，该InAlGaN层的带隙比导光层31的第二GaN层31b的带隙大。该第二包层23的厚度为500nm以下。由于该InAlGaN层的带隙比GaN的带隙大，因此该InAlGaN层的折射率能够比GaN的折射率低。

中心半导体区域19可包括电子阻挡层33。电子阻挡层33例如位于导光层31和第二外延区域17之间。必要的情况下，电子阻挡层33可位于第二InGaN层和第二GaN层之间。或者，调整电子阻挡层的位置，能够调整载流子限制及光限制。

图2是表示本实施方式的氮化镓类半导体激光二极管的晶格常数的图。在支撑基体13上生长的半导体层与由“DSUB”表示的支撑基体13的晶格常数在以下的晶格匹配条件下一致。支撑基体13的c轴方向和该c轴方向上III族氮化物半导体所固有(无畸变)的晶格常数d0的大小，由晶格矢量LVC0表示。晶格矢量LVC0由法线轴Ax的方向的纵成分V0_L和与该纵成分正交的横成分V0_T构成。用于第一包层21的半导体材料的c轴方向和该半导体材料中固有(无畸变)的c轴方向晶格常数d1的大小，由晶格矢量LVC1表示。晶格矢量LVC1由法线轴Ax的方向的纵成分V1_L和与该纵成分正交的横成分V1_T构成。横方向上的晶格不匹配度F10由

(V1_T-V0_T)/V0_T

表示，晶格不匹配度F10满足晶格匹配条件。晶格匹配条件例如为

-0.001≤F10≤0.001

根据该氮化镓类半导体激光二极管11，能够避免用于第一包层21的半导体材料中固有的晶格常数和支撑基体13的晶格常数之间的差造成的晶格驰豫。

此外，用于第一导光层27的第一InGaN层27a的半导体材料的c轴方向和半导体材料中固有(无畸变)的c轴方向晶格常数d2的大小由晶格矢量LVC2表示。晶格矢量LVC2由法线轴Ax的方向的纵成分V2_L和与该纵成分正交的横成分V2_T构成。横方向上的晶格不匹配度F20由

(V2_T-V0_T)/V0_T

表示。该晶格不匹配度F20满足晶格匹配条件。晶格匹配条件例如为

-0.001≤F20≤0.001

根据该氮化镓类半导体激光二极管11，能够避免In_X1Ga_1-X1N层27a的半导体材料中固有(无畸变)的晶格常数和支撑基体13的晶格常数之间的差造成的晶格驰豫。

用于第二外延半导体区域17中的第二包层23的半导体材料的c轴方向和该半导体材料中固有(无畸变)的c轴方向晶格常数d3的大小由晶格矢量LVC3表示。晶格矢量LVC3由法线轴Ax的方向的纵成分V3_L和与该纵成分正交的横成分V3_T构成。横方向上的晶格不匹配度F30由

(V3_T-V0_T)/V0_T

表示。横方向上的晶格不匹配度F30满足晶格匹配条件。晶格匹配条件例如为

-0.001≤F30≤0.001

根据该氮化镓类半导体激光二极管11，能够避免用于第二包层23的半导体材料中固有(无畸变)的晶格常数和支撑基体13的晶格常数之间的差造成的晶格驰豫。

此外，用于第二导光层31的第二InGaN层31a的半导体材料的c轴方向和半导体材料中固有(无畸变)的c轴方向晶格常数d4的大小由晶格矢量LVC4表示。晶格矢量LVC4由法线轴Ax的方向的纵成分V4_L和与该纵成分正交的横成分V4_T构成。横方向上的晶格不匹配度F40由

(V4_T-V0_T)/V0_T

表示。该晶格不匹配度F40满足晶格匹配条件。晶格匹配条件例如是

-0.001≤F40≤0.001

根据该氮化镓类半导体激光二极管11，能够避免InGaN层31a的半导体材料中固有(无畸变)的晶格常数和支撑基体13的晶格常数之间的差造成的晶格驰豫。

(实施例)

在具有半极性主面的GaN基板上制作激光二极管结构(LD1)的外延基板。图3是概略地表示本实施例的激光二极管的结构的图。作为用于外延生长的原料，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)。

准备与从63度到小于80度的倾斜角的范围内的倾斜角相当的GaN基板。GaN基板具有向六方晶系GaN的m轴方向从与c轴正交的平面倾斜75度的角度的主面，该倾斜面表示为(20-21)面，向m轴方向以75度的角度倾斜。该主面也被进行镜面研磨。在该基板上按以下的条件进行外延生长。

首先，在生长炉内设置GaN基板51。在摄氏1050度的温度下，流过氨及氢并进行10分钟热处理。通过该热处理的表面改性，在GaN基板51的表面51a上形成由倾角(Off angle)规定的阶梯(Terrace)结构。该热处理后，生长GaN类半导体区域。例如，在摄氏1100度下，向生长炉供给TMG、TMA、氨、硅烷，生长n型包层52。n型包层52例如是Si掺杂AlGaN层。AlGaN层的厚度例如是500微米，其Al组分例如是0.03。

接着，在摄氏870度的基板温度下，向生长炉供给TMG、TMI、氨，在n型包层52上生长导光层53。导光层53的生长中，例如生长n型GaN层53a，其厚度为100nm。接着，在n型GaN层53a上，例如生长非掺杂InGaN层53b，其厚度为100nm。该InGaN的铟组分例如为0.02。

接着，在导光层53上生长活性层54。在摄氏870度的基板温度下，向生长炉供给TMG、NH₃，在该势垒层生长温度下生长GaN类半导体势垒层54a。势垒层54a例如为非掺杂GaN，其厚度为15nm。在势垒层54a生长后，使生长中断，使基板温度从摄氏870度变更到摄氏830度。在变更后的阱层生长温度下，向生长炉供给TMG、TMI、NH₃，生长非掺杂InGaN阱层54b。其厚度为3nm。在阱层54b生长后，使TMI的供给停止，并且向生长炉供给TMG、氨，并且使基板温度从摄氏830度变更到摄氏870度。在该变更中，非掺杂GaN势垒层54a的一部分也生长。在温度的变更结束后，生长非掺杂GaN势垒层54a的剩余部分。GaN势垒层54a的厚度为15nm。接着，反复进行势垒层54a的生长、温度变更、阱层54b的生长，形成InGaN阱层54b、GaN势垒层54a。InGaN阱层54b的铟组分例如为0.3。

在活性层54上生长导光层55。在导光层55的生长中，在摄氏870度的基板温度下，向生长炉供给TMG、TMI、氨，例如生长非掺杂的InGaN层55a。该厚度为100nm，其In组分为0.02。接着，在该InGaN层55a上，例如生长p型GaN层55b，其厚度为100nm。

在导光层55上，生长GaN类半导体区域。在导光层55生长后，停止TMG及TMI的供给，使基板温度上升为摄氏1100度。在该温度下，向生长炉供给TMG、TMA、氨、双环戊二烯镁，生长电子阻挡层56及p型包层57。电子阻挡层56例如为AlGaN。电子阻挡层56的厚度例如为20nm，Al组分为0.16。p型包层57例如为AlGaN。p型包层57的厚度例如为400nm，Al组分为0.03。然后，停止TMA的供给，生长p型接触层58。p型接触层58例如由GaN构成，其厚度例如为50nm。成膜后，使生长炉的温度降低到室温，制作出外延基板E。

在该外延基板E上形成电极。首先，沉积硅氧化膜这样的绝缘膜59，在该绝缘膜59上通过光刻及蚀刻形成接触窗。接触窗例如为条纹形状，其宽度例如为10微米。接着，在p型GaN接触层58上形成p电极(Ni/Au)60a。然后，形成p衬垫电极(Ti/Au)。在外延基板的背面形成n电极(Ti/Al)60b。以电极退火(例如在摄氏550度下1分钟)的步骤制作出基板产品。

以400μm间隔对该基板产品P进行划线后，使用刀片之类的分离装置，从基板产品形成激光棒。划线例如使用激光划线装置。激光棒的端面61a、61b具有可适用于光谐振器的程度的平坦性及垂直性。在阳极及阴极之间施加电流时，激光二极管生成振荡波长为500nm的激光。阈值电流为60kA/cm²。

图4是表示外延基板E的X线衍射产生的倒易晶格映像的图。纵轴表示在包括半导体层叠的外延基板E中半导体层叠的层叠方向上的晶格常数，横轴表示与半导体层叠的层叠方向正交的面内方向上的晶格常数。参照图4，在与纵轴垂直的线LINE上，排列有信号强度的峰值P0、P1、P3。该排列表示在纵方向上各半导体层具有彼此相同的晶格常数。

如以上说明，根据本实施例，提供能够使用半极性面形成500nm以上的光的激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。

如以上说明，根据上述实施方式，提供能够使用半极性面形成500nm以上的光的激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。

在优选实施方式中图示了本发明的原理而进行了说明，但本领域技术人员可认识到，本发明可不脱离其原理而在配置及细节上进行变更。本发明不限于本实施方式所公开的特定的结构。因此，对权利要求书及从其主旨的范围扩展获得的所有的修正及变更申请专利权。

Claims (20)

1.一种氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

包括：支撑基体，由III族氮化物半导体构成，具有相对于第一基准平面以角度ALPHA倾斜的半极性主面，所述第一基准平面与向该III族氮化物半导体的c轴的方向延伸的基准轴正交；

第一外延半导体区域，包括第一包层，被设置在所述支撑基体的所述半极性主面上；

第二外延半导体区域，包括第二包层，被设置在所述支撑基体的所述半极性主面上；以及

中心半导体区域，被设置在所述支撑基体的所述半极性主面上，

所述中心半导体区域包括第一导光层、活性层及第二导光层，

所述活性层包括In_X0Ga_1-X0N层，

所述活性层被设置为产生振荡波长为500nm以上的光，

所述第一包层由不同于该III族氮化物半导体的氮化镓类半导体构成，该氮化镓类半导体由AlGaN及InAlGaN中的至少任意一种构成，

所述第一外延半导体区域、所述中心半导体区域及所述第二外延半导体区域在所述支撑基体的所述半极性主面的法线轴的方向上依次排列，

所述c轴朝向<0001>轴及<000-1>轴中的任一方向，

所述角度ALPHA处于10度以上且小于80度的范围，

所述第一外延半导体区域的厚度比所述中心半导体区域的厚度厚，

所述支撑基体和所述第一外延半导体区域的界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下，

所述第一外延半导体区域和所述中心半导体区域的界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下，

所述中心半导体区域和所述第二外延半导体区域的界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下，

所述第一包层的导电型与所述第二包层的导电型为相反导电型，

所述第一导光层位于所述活性层和所述第一外延半导体区域之间，

所述第一导光层包括第一In_X1Ga_1-X1N层及第一GaN层，

所述第二导光层位于所述活性层和所述第二外延半导体区域之间，

所述第二导光层包括第二In_X2Ga_1-X2N层及第二GaN层。

2.如权利要求1所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述第一导光层及所述第二导光层的厚度的总和为400nm以下。

3.如权利要求1或2所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述活性层被设置为产生振荡波长为530nm以下的光。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述活性层的所述In_X0Ga_1-X0N层的铟组分X0大于所述第一导光层的所述第一In_X1Ga_1-X1N层的铟组分X1，铟组分差X1-X0为0.26以上。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述第一导光层中所述第一In_X1Ga_1-X1N层的铟组分X1为0.01以上且0.05以下，

所述第一导光层中所述第一In_X1Ga_1-X1N层和所述第一GaN层的界面上的失配位错密度为1×10⁶cm^-1以下。

6.如权利要求1～5中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述III族氮化物半导体的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d0的大小由晶格矢量LVC0表示，

用于所述第一外延半导体区域中的所述第一包层的半导体材料的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d1的大小由晶格矢量LVC1表示，

所述晶格矢量LVC0由所述法线轴方向的纵成分V0_L和与所述纵成分正交的横成分V0_T构成，

所述晶格矢量LVC1由所述法线轴方向的纵成分V1_L和与所述纵成分正交的横成分V1_T构成，

横方向上的晶格不匹配度(V1_T-V0_T)/V0_T满足晶格匹配条件。

7.如权利要求6所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

用于所述第一导光层的所述第一In_X1Ga_1-X1N层的半导体材料的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d2的大小由晶格矢量LVC2表示，

所述晶格矢量LVC2由所述法线轴方向的纵成分V2_L和与所述纵成分正交的横成分V2_T构成，

横方向上的晶格不匹配度(V2_T-V0_T)/V0_T的值处于满足晶格匹配条件的范围。

8.如权利要求7所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

用于所述第二外延半导体区域中的所述第二包层的半导体材料的c轴方向和该c轴方向的晶格常数d3的大小由晶格矢量LVC3表示，

所述晶格矢量LVC3由所述法线轴方向的纵成分V3_L和与所述纵成分正交的横成分V3_T构成，

横方向上的晶格不匹配度(V3_T-V0_T)/V0_T满足晶格匹配条件。

9.如权利要求1～8中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述第一包层由AlGaN层构成，

所述AlGaN层的铝组分为0.04以下，

所述AlGaN层的厚度为500nm以下。

10.如权利要求1～8中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述第一包层由InAlGaN层构成，

所述InAlGaN层的带隙大于所述导光层的第一GaN层的带隙。

11.如权利要求1～10中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述角度ALPHA为63度以上且小于80度。

12.如权利要求1～11中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述角度ALPHA为70度以上且小于80度。

13.如权利要求1～12中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述角度ALPHA为72度以上且小于78度。

14.如权利要求1～13中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述支撑基体的所述III族氮化物半导体为GaN。

15.如权利要求1～14中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述中心半导体区域包括电子阻挡层。

16.如权利要求1～15中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述基准轴向a轴方向倾斜。

17.如权利要求1～15中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述基准轴向m轴方向倾斜。

18.如权利要求1～17中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述氮化镓类半导体激光二极管还包括构成用于该氮化镓类半导体激光二极管的谐振器的一对端面，

用于该氮化镓类半导体激光二极管的激光条纹沿与所述基准轴和所述法线轴双方正交的方向延伸。

19.如权利要求1～17中任意一项所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述氮化镓类半导体激光二极管还包括构成用于该氮化镓类半导体激光二极管的谐振器的一对端面，

用于该氮化镓类半导体激光二极管的激光条纹沿由所述基准轴和所述法线轴规定的第二基准平面延伸。

20.如权利要求18或19所述的氮化镓类半导体激光二极管，其特征在于，

所述氮化镓类半导体激光二极管还包括在所述第二外延半导体区域上沿所述激光条纹延伸的电极，

所述一对端面分别从所述支撑基体的背面的边缘延伸到所述第二外延半导体区域的表面的边缘。

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