CN102217153A - 氮化物半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种既不使发光效率降低又能够使发光波长长波长化的氮化物半导体器件，本发明的氮化物半导体器件包括：具有(0001)面和(0001)面以外的面的GaN层(103)；以及含有铟并与GaN层(103)相接的InGaN层(104)，在InGaN层(104)中，与(0001)面以外的面相接的部分的铟的组成比，比与(0001)面相接的部分的铟的组成比高。

Description

氮化物半导体器件
技术领域
本发明涉及氮化物半导体器件，尤其涉及氮化物发光器件。
背景技术
最近作为利用氮化物半导体的器件(氮化物半导体器件)，发光器件被实用化。作为这种发光器件的发光二极管，各种高亮度类型的发光二极管被量化生产，广泛应用于室外显示器、车辆的前灯、以及室内照明的光源等。同样，作为发光二极管的半导体激光元件，被广泛应用于大容量的磁盘存储设备的光源。氮化物半导体主要以GaN(氮化镓)为材料，尤其是通过在GaN中添加铟(In)，从而能够控制发光波长，因此能够应用于高亮度蓝色发光二极管以及蓝紫色半导体激光元件。
在氮化物半导体发光器件中，通常是在氮化物半导体的(0001)面上，由InGaN等构成的发光层结晶生长后，经过各种工艺来制作发光器件(例如，参照非专利文献1)。在结晶生长中通常将氨(NH3)作为氮源来使用。在将NH3作为氮源来使用时，由于InGaN中的铟成分在(0001)面上能够达到最高，因此对于发光波长而言，有利于长波长化。并且，最近，针对(0001)面以外的面方位的InGaN结晶生长技术研究也不断地在进展。
(以往技术文献)
(非专利文献)
非专利文献1
Babara Neubert，其他2名，″GaInN quantum wells grown on facets of selectively grown GaN stripes″，APPLIED PHYSICS LETTERS87，182111(2005)，American Institute of Physics
发明概要
发明所要解决的问题
然而，在以往的氮化物半导体发光器件中，为了迎合发光波长的长波长化，在(0001)面上使含有铟的氮化物半导体构成的活性层结晶生长的情况下，由于在氮化物半导体的[0001]方向的极化非常大，因此随着发光层的铟成分的增多，极化也就增加。其结果是，由于在量子阱中的电子与空穴在空间上分离，因此出现发光层的发光效率降低的问题。
另外，在(1-101)面等(0001)面以外的面方位的面上形成发光层的情况下，由于不易极化，因此即使使发光层的铟成分增多也能够得到高的发光效率。然而，在(0001)面以外的面上形成发光层的情况下，由于获取铟的效率非常低，因此，难于得到使发光波长长波长化，且以可见光波长来发光的发光层。
并且，在现实中，具有(0001)面以外的面方位的衬底不仅面积小而且价格非常高。因此，研究的方法是，在主面为(0001)面的GaN上利用蚀刻工艺以及生长的各向异性，使(0001)面以外的面露出，并在露出的面上制作发光层。但是，在(0001)面以外的面上使发光层生长之时，由于与(0001)面以外的面邻接的(0001)面会优先获取铟，因此，至今也未能在可见光波长区域得到具有发光区域的高质量的InGaN。
发明内容
因此，本发明鉴于上述的问题，目的在于提供一种氮化物半导体器件，其能够在不降低发光效率的基础上使发光波长长波长化。
解决问题所采用的手段
发明人员为了打破上述的含有In的氮化物半导体的结晶生长上的制约，进行了在氮源的气体中并用了三乙胺的氮化物半导体的结晶生长的实验。其结果是，与仅使用氮源的气体的情况相比，可以知道针对(0001)面以外的面方位的铟获取效率明显提高。因此得到了本发明。
为了达成上述的目的，本发明的氮化物半导体器件包括：第一氮化物半导体，该第一氮化物半导体具有(0001)面和(0001)面以外的面；以及第二氮化物半导体，与所述第一氮化物半导体相接，并含有铟；在所述第二氮化物半导体中，与所述(0001)面以外的面相接的部分的铟的组成比，比与所述(0001)面相接的部分的铟的组成比高。
在将三乙胺并用到氮源的气体并使氮化物半导体结晶生长的情况下，(0001)面以外的面上的铟成分比(0001)面上的铟成分高。因此，在具有上述的构成的氮化物半导体器件中，第二氮化物半导体是利用三乙胺而被形成的。这样，由于在极化少的(0001)面以外的面上形成了高铟成分的氮化物半导体，因此能够实现既不降低发光效率又能使发光波长长波长化的氮化物半导体器件。
并且，也可以是，在所述第二氮化物半导体中，与所述(0001)面以外的面相接的部分的厚度，比与所述(0001)面相接的部分的厚度厚。
在将三乙胺并用到氮源的气体来使氮化物半导体结晶生长的情况下，(0001)面以外的面上的膜厚比(0001)面上的膜厚厚。因此，在具有上述的构成的氮化物半导体器件中，第二氮化物半导体是利用三乙胺而被形成的。这样，由于在极化少的(0001)面以外的面上形成了高铟成分的氮化物半导体，因此能够实现既不降低发光效率又能使发光波长长波长化的氮化物半导体器件。
并且，所述(0001)面以外的面也可以是(1-101)面、(11-22)面、(1-102)面以及(11-24)面中的某一个面。
在对衬底的(0001)面进行蚀刻，在形成凹凸之后在衬底上使氮化物半导体结晶生长的情况下，按照结晶生长条件，具有上述这种面方位的面自动地露出。例如，在高温且低氨流量比的结晶生长条件中，(1-101)面自动地露出。因此，与以蚀刻在衬底上露出的面方位无关，能够在氮化物半导体上有选择地使特别的面方位露出。因此，由于不需要过高的蚀刻形状的控制性，所以能够实现低成本的氮化物半导体器件。
并且，所述氮化物半导体器件也可以是将所述第二氮化物半导体作为发光层的发光器件。
根据上述的构成，通过在第二氮化物半导体的上下设置导电性不同的氮化物半导体，从而能够将电子和空穴从上下的氮化物半导体导入到发光层，从而能够实现亮度以及可靠性高的发光器件。
并且，也可以是在所述第三氮化物半导体中，位于所述(0001)面以外的面上的部分，比位于所述(0001)面上的位置的部分的碳浓度高。
根据上述的构成，(0001)面以外的面上的第三氮化物半导体能够高效率地将碳获取到氮位置上。另外，(0001)面上的第三氮化物半导体缺乏位置控制性。即，由于只有在第三氮化物半导体(0001)面以外的面上的区域成为高浓度的p型区域，因此通过一次的结晶生长，能够在形成p型区域的同时，在第三氮化物半导体上形成电流狭窄的结构。其结果是，能够实现高效率且高亮度的激光元件。
并且，也可以是，该氮化物半导体器件还具有含有铝的第三氮化物半导体层，该第三氮化物半导体层以隔着所述第二氮化物半导体的形式而被设置在与所述第一氮化物半导体相对的一侧，或者以隔着所述第一氮化物半导体的形式而被设置在与所述第二氮化物半导体相对的一侧；在所述第三氮化物半导体中，位于所述(0001)面上的部分的厚度，比位于所述(0001)面以外的面上的部分的厚度厚。
根据上述的构成，能够减少通过(0001)面上的第三氮化物半导体的电流路径，从而能够使第三氮化物半导体作为电流阻挡层来发挥作用。因此，能够实现高效率且高亮度的激光元件。
并且，也可以是，所述发光器件是激光元件，所述第三氮化物半导体是含有铝的多个层进行周期性地排列而构成的周期结构体，在所述第三氮化物半导体中，位于所述(0001)面上的部分的所述周期结构体的周期，比位于所述(0001)面以外的面上的部分的所述周期结构体的周期长。
根据上述的构成，在第三氮化物半导体中，朝向[0001]方向的电流路径变窄。而在(0001)面内的电流路径由于极化效应而增大。因此，在第三氮化物半导体中，在横方向上流动的电流，流入到铟成分多的活性层。其结果是，由于能够有效地使电流狭窄，因此能够实现高效率且高亮度的激光元件。
并且，也可以是，所述周期结构体具有铝含量不足1％的层。
根据以上的构成，由于能够大幅度地降低相对于(1-101)面的位错以及变形，从而能够实现高效率且高亮度的激光元件。
并且，也可以是，所述第二氮化物半导体具有导电性，所述氮化物半导体器件进一步具有电极，该电极以与所述第二氮化物半导体相接的形式被设置在所述第二氮化物半导体的上方。
根据以上的构成，第二氮化物半导体能够作为与电极的接触层来发挥作用。由于第二氮化物半导体在(0001)面以外的面中铟较高禁带宽度比较窄，因此即使在第二氮化物半导体存在相同的杂质浓度，在(0001)面以外的面上杂质的活化能也会降低，从而成为高载气浓度。其结果是，能够实现低耗电量的氮化物半导体器件。
并且，本发明也可以作为一种氮化物半导体器件的制造方法，在该方法中，利用在含有氮以及铟的气体中添加了三乙胺的气体，在氮化物半导体的(0001)面以外的面上使含有铟的氮化物半导体结晶生长。
在上述的构成中，由于能够在(0001)面以外的面上形成高铟成分的氮化物半导体，因此能够实现既不降低发光效率又能够使波长长波长化的氮化物半导体器件。
并且，也可以包括，利用没有添加三乙胺的气体，来使氮化物半导体结晶生长的工序，并且，利用添加了三乙胺的气体而结晶生长的氮化物半导体，与利用没有添加三乙胺的气体而结晶生长的氮化物半导体相比，利用添加了三乙胺的气体而结晶生长的氮化物半导体的碳浓度高或氢浓度低。
由于在增加碳含有量的情况下氮化物半导体中的氢的运动就会受到抑制，因此能够实现可靠性高的氮化物半导体器件。并且，由于在氢的含有量减少的情况下能够良好地抑制氢向活性层等的扩散，因此能够实现以稳定的工作电压来发光的发光器件。
发明效果
通过本发明，能够不使用高价的具有(0001)面以外的面方位的衬底，并且也不必使制造工艺变得复杂，就能够实现发光效率高的可见光区域的氮化物半导体器件。并且，能够实现工作电压低且可靠性高的氮化物半导体器件。
附图说明
图1是示出本发明的实施例所涉及的氮化物半导体器件的结构的断面图。
图2是用于说明该氮化物半导体器件的制造方法的断面图。
图3A示出了通过该实施例所涉及的氮化物半导体器件的CL(Cathode Luminescence：阴极荧光)法的测定结果。
图3B示出了通过以往的氮化物半导体器件的CL法的测定结果。
图4示出了通过在基础GaN层上使并用GaN层连续生长的试样的SIMS法(Secondary Ion Mass Spectrometry：二次离子质谱法)的成分分析结果。
图5示出了使NH3以及NEt3的流量发生变化，并以AFM来观察使GaN层结晶生长的试样的表面的结果。
图6在模式上概括了针对GaN层的AFM观察结果。
图7A是用于说明作为测定样本的模板衬底的制作方法的断面图。
图7B示出了该模板衬底的上面的光学显微镜像。
图7C示出了比较用模板衬底的上面的光学显微镜像。
图8A示出了以0001)面为主面的三族氮化物半导体的上面的原子排列。
图8B示出了以(0001)面为主面的三族氮化物半导体的断面的原子排列。
图8C示出了以(1-101)面为主面的三族氮化物半导体的上面的原子排列。
图8D示出了以(1-101)面为主面的三族氮化物半导体的断面的原子排列。
图9示出了不并用NEt3的生长模式以及并用NEt3的生长模式中的化学平衡常数的变化。
图10A示出了并用NEt3而结晶生长的氮化物半导体中的各种元素浓度向纵深方向的分布。
图10B示出了不并用NEt3而结晶生长的氮化物半导体中的各种元素浓度向纵深方向的分布。
图11A是示出本发明的实施例1所涉及的氮化物半导体发光二极管的结构的断面图。
图11B是用于说明该氮化物半导体发光二极管的制造方法的断面图。
图12A是示出本发明的实施例2所涉及的氮化物半导体激光元件的结构的断面图。
图12B是用于说明该氮化物半导体激光元件的制造方法的断面图。
具体实施方式
以下参照附图对本实施例中的氮化物半导体器件进行说明。
图1是示出本实施例所涉及的氮化物半导体器件的结构的断面图。
该氮化物半导体器件包括：蓝宝石衬底101、GaN层102、GaN层103以及InGaN层104。
蓝宝石衬底101以0001)面为主面，GaN层102以与蓝宝石衬底101的(0001)面相接的形式而被设置。在GaN层102的表面，例如具有高台高度约为2.5μm的凸部(高台)，GaN层102的凸部的上面以及凸部以外的部分的表面则为(0001)面。
GaN层103是本发明的第一氮化物半导体的一个例子，并且以与包含凸部的GaN层102的所有面上相接的形式而被设置，以覆盖GaN层102的凸部。GaN层103具有向表面凸起的凸部，该凸部反映了GaN层102的表面形状。GaN层103的凸部的上面以及凸部以外的部分的表面为(0001)面，凸部的侧面的斜面为(1-101)面。因此，GaN层103具有(0001)面以及作为(0001)面以外的面的(1-101)面。
InGaN层104是本发明的第二氮化物半导体的一个例子，该InGaN层104以与包含凸部的GaN层103的所有面上相接的形式而被设置，以覆盖GaN层103的凸部。InGaN层104含有铟，在InGaN层104，在[1-101]方向上生长的部分中的铟的组成比，比在[0001]方向上生长的部分中的铟的组成比高，所述[1-101]方向上生长的部分也就是与GaN层103的(1-101)面相接的部分，所述[0001]方向上生长的部分也就是与GaN层103的(0001)面相接的部分。
在InGaN层104，与GaN103的(1-101)面相接的部分的[1-101]方向的厚度，比与GaN层103的(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度厚。而且，InGaN层104包含碳这种杂质，InGaN层104比GaN层103的碳的浓度高。而且，InGaN层104还包含氢这种杂质，InGaN层104比GaN层103的氢的浓度低。
接着，对具有上述这种结构的氮化物半导体器件的制造方法进行说明。图2是用于说明该氮化物半导体器件的制造方法的断面图。
首先，在蓝宝石衬底101的(0001)面上准备通过使GaN层102结晶生长而形成的模板衬底。并且，在该模板衬底上沉积SiO2(二氧化硅)膜之后，通过曝光法以及CF4反应性离子蚀刻，来进行被沉积的SiO2膜的图案化。进一步利用氯系干蚀刻技术，将SiO2膜的图案转印到GaN层102。并且，利用氢氟酸去除所有的SiO2膜，则在GaN层102上形成如图2(a)所示的高台结构。
接着，将模板衬底搬入到金属有机化学气相外延(MOCVD：金属有机化合物化学气相淀积)炉之后，以1000℃的温度使GaN层103结晶生长。在此，作为镓(Ga)的原料，使用了三甲基镓(TMG)，作为氮(N)原料仅使用NH3。此时，由于GaN层的结晶生长的各向异性，在被再次生长的GaN层103的凸部的侧面，如图2(b)所示，(1-101)面自动地露出。
接着，如图2(c)所示，使InGaN层104在GaN层103的(0001)面以及(1-101)面上结晶生长。在InGaN层104的结晶生长中，将生长温度设定为800℃，作为铟原料采用三甲基铟(TMI)。作为氮的原料除NH3以外还添加了三乙胺(NEt3)。在添加NEt3的情况下，将相对于NH3的NEt3的流量比约设为2％，相对于氮原料气体的全部流量(NH3以及NEt3的流量)的TMI的流量比约为80％。另外，在不添加NEt3而仅使用NH3来使InGaN层104结晶生长时，能够得到铟成分约为9％的InGaN层，此时的发光波长约为405nm。
最后，在InGaN层104的结晶生长结束后，从MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)炉取出模板衬底。
接着，将要说明的是针对具有上述结构的氮化物半导体器件而得到的实验结果。
为了调查包含在InGaN层中的铟含量，而针对氮化物半导体器件利用阴极荧光(Cathode Luminescence：CL)方法来进行分析。该CL方法的测定结果由图3A以及图3B示出。图3A示出了在形成InGaN层时，利用了NEt3的本实施例所涉及的氮化物半导体器件的测定结果，图3B示出了在形成InGaN层时，不利用NEt3的以往的氮化物半导体器件的测定结果。在图3A以及图3B中，将测定位置作为横轴，将纵轴作为通过测定而观测到的发光波长(CL发光波长)。并且，通过CL方法而测定的位置，由各个图中的插图内的箭头示出。在图3A以及图3B中为了便于分辩各个区域的边界，而以虚线来表示InGaN层中的凸部上面的(0001)面的区域(图中为(0001)top)、凸部侧面的(1-101)面的区域(图中为(1-101))、以及凸部以外的(0001)面的区域(图中为(0001)bottom)的边界，并且以点划线来表示以往的氮化物半导体器件的InGaN的CL发光波长(约405nm)。
通过图3A可知，与(0001)top以及(0001)bottom相比，在作为斜面的(1-101)面，CL发光波长非常大，并且向长波长侧移位。若以其中心波长约为440nm来计算，能够估计出铟成分为17％。另外，在(0001)top以及(0001)bottom，发光波长为不足400nm，估计出的铟成分约为8％。这样，得到的实验结果是，在并用了NEt3的InGaN层的结晶生长中，抑制了在(0001)面的铟的获取，而在(1-101)面等非(0001)面中的铟的获取量明显地增加了。
另外，在图3B的仅利用NH3的InGaN层的结晶生长中，根据(0001)top以及(0001)bottom中的发光波长为405nm，从而能够估计铟成分约为9％，这与设计值相符。另外，在作为斜面的(1-101)面，没能得到存在峰值波长的程度的发光强度。从非专利文献1等可知，在仅利用NH3的InGaN层的结晶生长中，与(0001)面相比，(1-101)面中的铟获取量相当少。并且，根据图3B可以考虑到，虽然在(0001)top和(1-101)的边界部的发光波长被长波长化，这是因为在(1-101)面没能获得的铟转到了(0001)面，从而造成局部性的铟成分增多。这样，可以知道在通常的仅利用NH3的InGaN层的结晶生长中，在(0001)面的铟获取量最高。
若将图3A与图3B相比，能够知道发光强度约相差两位。这是因为，通过添加了NEt3，从而使NH3的分解效率提高，从而能够得到缺陷较少的高质量的InGaN层的缘故。并且，不论针对仅利用NH3的InGaN层的结晶生长还是针对并用了NEt3的InGaN层的结晶生长，所看到的(0001)top以及(0001)bottom的发光强度不同，对此可以考虑到两个理由。一个是因为表面的高度不同，通过CL方法进行的测定中的电子束直径也就不同，因此在发光强度上出现差距。另一个是因为图2(a)所示的高低平面的差异形成工艺，为了挖到(0001)bottom，而与(0001)top相比位错较多，从而在发光波长上出现了差距。
在此，由于NEt3为包含六个碳的原料，因此，担心在InGaN层的结晶生长中会有碳混入到该层。于是，进行了被混入到InGaN层中的碳量的确认实验。图4示出了在仅利用NH3的结晶生长的GaN层(基础GaN层)上并用NEt3，使GaN层(并用GaN层)连续生长的试样的二次离子质谱法(Secondary Ion Mass Spectrometry：SIMS)的成分分析结果。并用GaN层的膜厚约为200nm。另外，虽然在试样表层成为高碳浓度，这是因为向表面的沾染而造成的。
在图4中，基础GaN层的碳浓度为1016cm-3的一半左右，并用GaN层的碳浓度为1017cm-3。通过根据这两个浓度值的差，并用NEt3并结晶生长，从而可以估计到有1016cm-3的一半左右的碳混入。然而，该混入量对于光学器件的应用是不会造成问题的，因此不必考虑并用NEt3而结晶生长所带来的碳混入的影响。
并且，通过并用NEt3，具有能够使在(1-101)面的生长速度增大的效果。在仅利用NH3的InGaN层的结晶生长中，与(0001)面相比，在(1-101)面的生长速度降低到五分之一左右。对此，在并用了NEt3的InGaN层的结晶生长中，与(0001)面相比，(1-101)面的生长速度能够增大3至4倍左右。这种倾向在(11-22)面等其他的面方位也是同样。对于针对该原因的定性的理解，从在GaN层的结晶生长中并用NEt3的情况中得到了启示。因此，以下将说明在GaN层的结晶生长中适用了NEt3并用生长法的情况下的实验结果。图5示出了使NH3以及NEt3的流量发生变化，并以原子力显微镜(AFM)来观察使GaN层结晶生长的试样的表面的结果。在图5的表中，NH3的流量为纵轴，NEt3的流量为横轴。并且，图像为NH3以及NEt3的流量以表的坐标所示出的值时的试样表面的图像。图像中的白色数字表示在得到该图像时的试样的表面的粗糙度，单位为nm。
通过图5可知，在通常条件下(NH3的流量为180mmol/min，NEt3的流量为0μmol/min的条件下)，GaN层以原子层台阶左右的粗糙度来平坦生长。另外，在仅使NH3的流量降低时，表面开始粗糙，在NH3的流量为2mmol/min以下时，发生非常大的凹凸。这是因为，由于NH3少时，在表面的迁移不足，从而造成向(1-101)面等侧面的结晶生长钝化，因此导致表面的凹凸增大。另外，随着NEt3的流量的增加，尤其是在NH3的流量低的情况下，表面的粗糙度得到了明显的改善。尤其是在将NH3的流量设为10mmol/min，将NEt3的流量设为20μmol/min时，表面的粗糙度能够改善到与通常条件相同。
这样，能够使NH3的流量降低一位以上，并且，通过添加NEt3从而促进了NH3的分解，因此向(1-101)面等侧面的迁移得以改善，提高了表面的平坦性。在此，在将二甲基肼(DMHy)利用于氮源的过去的实验中，GaN层在(0001)面完全不结晶生长，而仅在侧面优先结晶生长。在利用通常的NH3的结晶生长中，侧面的生长速度慢，从而不出现这种现象。可以想到在利用像NEt3以及DMHy这种有机氮源时，能够促进向侧面的结晶生长。而且，在随着减少NH3的流量而增加NEt3的流量时，可以知道虽然表面的粗糙度得到了较大的改善，但却增加了小压痕。这是因为，由于NH3过少，不能攻击NH3的NEt3被热分解，从而使剩余的碳等附着于表面而造成的。
图6在模式上概括了关于以上图5所示的GaN层的实验结果。如图6所示，在使NH3的流量增大的条件中，即使添加NEt3，仅由NH3进行的热分解也会起主导作用，因此几乎看不到并用NEt3的效果。另外，随着NH3的流量的减少，表面开始粗糙。此时，若添加NEt3的流量，则能够促进分解，从而得到平坦的表面。若进一步增加NEt3的流量，则由于剩余的NEt3而带来的分解生成物附着于表面，从而再次开始出现粗糙。另外，随着NH3的流量的进一步减少，由于NH3的量是绝对不够的，因此，即使添加NEt3也会发生氮遗漏和蚀刻。
接着，为了证明在(1-101)面的铟获取得到了促进，进行了以下的实验。
首先，经过图7A所示的工艺，制作表面具有锯齿状的结构的模板衬底。即，在蓝宝石衬底201的(0001)面上准备使GaN层202结晶生长后的衬底(图7A(a))。并且，在衬底上形成SiO2膜203，进而对SiO2膜203进行图案化，形成条纹窗(图7A(b))。该条纹窗的方向与[11-20]方向一致。之后，仅利用NH3使GaN层204结晶生长(图7A(c))。此时，由于向侧面的生长速度缓慢，因此在(1-101)面构成的侧面被自动形成。(0001)面消失，表面全部由(1-101)面构成。接着，在GaN层204上使GaN层205再生长之后，并用NEt3与NH3，使InGaN层206结晶生长，以作为模板衬底。另外，同时还制作用于比较的模板衬底，该用于比较的模板衬底是不并用NEt3，而仅利用NH3使InGaN层206结晶生长而成的。
图7B以及图7C示出了经过图7A所示的工艺而被制作的模板衬底的上面的光学显微镜像。具体而言，图7B以及图7C分别是并用NEt3，使InGaN层结晶生长后的模板衬底的上面的光学显微镜像，以及仅利用NH3使InGaN层结晶生长后的用于比较的模板衬底的上面的光学显微镜像。
从图7B以及图7C可知，在并用NEt3来使InGaN层结晶生长的情况下，所有的铟被添加到InGaN层中，在表面没有具有金属光泽的铟液滴的沉淀。另外，在仅利用NH3使InGaN层结晶生长的情况下，没有被添加到InGaN层中的铟作为液滴大量沉淀于表面。因此，在并用NEt3的InGaN层的结晶生长中，即使在通常情况下获取铟的效率低的(1-101)面，也能够使InGaN层效率良好地结晶生长。
这样，在利用像NEt3这种有机氮源的情况下，尤其能够促进向(1-101)面的InGaN层的结晶生长，从而能够提高平坦性以及降低NH3的流量。因此，可以考虑到在InGaN层的结晶生长中如以上所述，出现与通常的仅利用NH3的结晶生长正相反的倾向。关于这一显著的差异虽然没有明确的答案，可以考虑到在各个面的原子吸附的差是其中的原因。图8A-图8D在模式上示出了三族氮化物半导体在(0001)面以及(1-101)面的原子排列。图8A示出了以0001)面为主面的三族氮化物半导体的上面的原子排列，图8B示出了该三族氮化物半导体的断面的原子排列。同样，图8C示出了以(1-101)面为主面的三族氮化物半导体的上面的原子排列，图8D示出了该三族氮化物半导体的断面的原子排列。
在0001)面标记为“1”的三族原子是最表面(图8B)，通过在其正上方氮原子的吸附，从而发生上层的结晶生长。另外，(1-101)面比0001)面的结构复杂。即，在(1-101)面，氮原子为最表面原子(图8D)，关于氮原子，在图中存在被标记为“1”以及“2”的两种排列。若要在此发生结晶生长，则需要吸附三族原子。在“1”氮原子上三族原子由一个键(bond)结合。即，得到如(000-1)面的N极性面的结构。另外，在标记为“2”的氮原子上吸附三族原子的情况下，在与邻接的“2”的氮原子之间以电桥型结合。其成为像立方晶系的GaN中的(001)面的原子排列。因此，在(1-101)面的上层的表面，具有(000-1)面和立方晶的(001)面的双方的特征。并且，在(1-101)面上吸附有三族原子的情况下，除上述的原子排列以外，发生阻碍结晶生长的吸附。即，在与“1”以及“2”的两个氮原子结合的情况下，为被吸附在标记为“3”的三族原子的正上方的情况。在这种情况下，由于表面被视为终端，因此不能进行下一次的原子吸附。尤其在铟中影响显著，这导致在(1-101)面铟的获取效率降低。另一方面，根据从并用了NEt3的InGaN层的结晶生长的实验结果来看，斜面的铟获取效率反而上升。可以考虑到，这是因为在上述这种所不希望的(1-101)面的铟的吸附结构，由于某种理由而被抑制所造成的。关于利用了DMHy的侧壁选择生长，可以考虑到也存在共同的机理，具有决定作用的是碳的表面的吸附，或者是在表面的碳的表面活性剂的效果。
接着，在使并用了NEt3的InGaN层结晶生长时，为了确认在(1-101)面的铟的获取效率的上升，从而调查化学平衡常数的变化。在图9中，以虚线示出了以三族元素+NH3＝三族氮化物+(3/2)H2示出的、不并用NEt3的生长模式中的化学平衡常数的变化，以实线示出了以三族元素+NH3+NEt3＝三族氮化物+3C2H6+(1/2)N2示出的、并用了NEt3的生长模式中的化学平衡常数的变化。在图9中，将横轴设为温度T，纵轴设为利用自由能的变化ΔG以及气体常数R以下述的公式(1)来表示的化学平衡常数K。
ΔG+RT(lnK)＝0……公式(1)
从图9中可知，不论是在AlN、GaN以及InN的哪一个生长中，通过使用NEt3，化学平衡常数都会变大。尤其是在InN中并用NEt3时生长促进效果更为显著，能够与不并用时的AlN的生长相匹敌。
像这样的高反应性，能够由NEt3的高自由能来说明。即，在并用NEt3等有机氮原料来使氮化物半导体结晶生长时，自由能较高的NEt3产生热分解，首先发生乙基游离。由于该乙基在单独的状态下不稳定，因此攻击NH3的氢。其结果是，NH3的氢作为乙烷(C2H6)而被稳定。另外，由于脱离了一个氢原子之后的NH2也不稳定，进一步被乙基攻击，从而氢逐渐消失。最后，由于成为能够作用于氮化物生长的氮源，通过与三族元素化学结合，从而成为氮化物半导体。
如以上所述，由于从NEt3游离出来的乙基不稳定，因此与NH3的氢原子相同，也攻击吸附于氮化物半导体表面的氢。于是，氮化物半导体中所含的氢的浓度降低。另一方面，由于NEt3含有较多的碳，在NEt3的热分解过程中，会出现一部分的碳发生游离的情况。这是因为混入到了氮化物半导体中，因此碳的浓度上升。因此，在并用NEt3而使氮化物半导体结晶生长的情况，和不并用NEt3而使氮化物半导体结晶生长的情况中，氮化物半导体中的碳浓度以及氢浓度不同。为了确认这些，而调查氮化物半导体中的各种元素的浓度。图10A示出了，并用NEt3而结晶生长的氮化物半导体中的镓浓度、氮浓度、镁浓度、金浓度、碳浓度以及氢浓度在纵深方向的分布。图10B示出了，不并用NEt3而结晶生长的氮化物半导体中的镓浓度、氮浓度、镁浓度、金浓度、碳浓度以及氢浓度在纵深方向的分布。在图10A以及图10B，将横轴设为从氮化物半导体的表面延伸的纵深，将纵轴设为各种元素的浓度。另外，作为测定采样，利用的是在蓝宝石衬底上通过结晶生长而形成厚度为1μm的不掺杂GaN层，进一步在该不掺杂GaN层上通过结晶生长而形成厚度为0.8μm的p型GaN层的氮化物半导体。
从图10A以及图10B可知，与不并用NEt3而结晶生长的氮化物半导体相比，并用了NEt3而结晶生长的氮化物半导体的碳浓度高，并且氢浓度低。
这样，通过实验以及理论上的考察可以得知，在并用了NEt3的InGaN层的结晶生长中，在(0001)面以外的面方位中的铟获取效率高。以下，针对利用了这一现象的新的氮化物半导体器件，利用实施例来进行说明。
另外，在上述的实施例中，作为本发明的第一氮化物半导体的GaN层除具有(0001)面以外，作为(0001)面以外的面还具有(1-101)面，不过除此之外，作为(0001)面以外的面还可以有(11-22)面、(1-102)面以及(11-24)面。
在GaN层上使(11-22)面露出的情况下，以以下的方法来进行GaN层的形成。即，在主面为(0001)面的衬底上，以干蚀刻等使相对于(0001)面为垂直面的(11-20)面作为侧壁而露出。在GaN层使(1-101)面露出的情况下，由于在主面为(0001)面的衬底上以干蚀刻等使相对于(0001)面为垂直面的(1-100)面作为侧壁来露出，因此，在此与使(1-101)面露出的情况不同。接着，利用在(11-22)面的生长速度慢的结晶生长条件来使GaN层结晶生长，从而在GaN层使(11-22)面自动地露出。在该GaN层的结晶生长中，通过减少五族元素的供给，并使载气全部成为氢，从而能够促进不稳定的斜面的蚀刻，以使斜面容易露出。并且，使生长温度略低，从而能够抑制在表面的三族元素的迁移。而且，通过降低生长压力，从而能够促进从斜面的脱离。作为具体的生长条件是，生长温度为1000℃，生长压力为200Torr，NH3/TMG比约为1000。该结晶生长条件与在GaN层使(1-101)面露出的情况相同。
在使(1-102)面以及(11-24)面在GaN层露出的情况下，作为生长条件是，生长温度为1050℃，生长压力为200Torr，NH3/TMG比约为4000，至于载气则为90％是氢，其余的是氮。
在使(0001)面在GaN层露出的情况下，在GaN层的结晶生长中，通过增加五族元素的供给，并使载气的一部分为氮，从而能够抑制斜面的蚀刻，以使表面平坦。并且，若使载气全部成为氮，则从表面的脱离会变得过少，由于这样容易使表面变得粗糙，因此加入适量的氢。并且，使生长温度略高，从而促进横方向上的迁移。若使温度提高，则从表面的氮脱离增多，为了弥补这一缺陷，而使NH3的流量同时上升。作为具体的生长条件是，生长温度为1100℃，生长压力为200Torr，NH3/TMG比约为8000，至于载气则为氢占80％左右。
并且，在上述的实施例中，作为本发明的第二氮化物半导体的InGaN层具有导电性，不过氮化物半导体器件还可以具有以与InGaN层的上方相接的形式而被设置的电极。在这种情况下，InGaN层作为与电极的接触层来发挥作用。由于InGaN层在(0001)面以外的面上铟比较高且禁带宽度比较窄，因此，即使在InGaN层具有相同的杂质浓度，在(0001)面以外的面上杂质的活化能也会降低，从而成为高载气浓度。其结果是，实现了低耗电量的氮化物半导体器件。
并且，在上述的实施例中，作为在使InGaN层结晶生长时所使用的含有氮以及铟的气体，举例示出了TMI以及NH3的混合气体，但是并非受此所限。
(实施例1)
图11A是示出本实施例所涉及的氮化物半导体发光二极管(发光器件)的结构的断面图。
该氮化物半导体发光二极管具有：AlN层803、n型GaN层804、不掺杂AlGaN层805、不掺杂GaN层806、InGaN/InGaN活性层(发光层)807、不掺杂GaN层808、不掺杂AlGaN层809、p型GaN层810、p侧电极811以及n侧电极812。
在AlN层803上设置有贯通孔，在该贯通孔中埋入了n侧电极812。为了与AlN层803的贯通孔相连，在GaN层804上设置有孔，在该孔中同样埋入了n侧电极812。
GaN层804被设置成凸状，该凸状位于AlN层803的下面上，并向下凸出。即，GaN层804例如被形成为具有6μm高的凸部，在GaN层804的下面，通过结晶生长而(0001)面自动露出，在作为侧面的斜面，通过结晶生长而(1-101)面自动露出。GaN层804例如利用Si(硅)掺杂物而被p型化，例如具有1×1019cm-3的Si浓度。
AlGaN层805是本发明的第三氮化物半导体的一个例子，该AlGaN层805以与活性层807之间隔着GaN层806的形式而被设置。在AlGaN层805，与GaN层804的(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度，和与(1-101)面相接的部分的[1-101]方向的厚度不同，在与(0001)面相接的部分的厚度厚，在与(1-101)面相接的部分的厚度薄。例如，AlGaN层805的厚度在与(0001)面相接的部分较厚，约为10nm，而在与(1-101)面相接的部分则较薄，约为2nm。
GaN层806是本发明的第一氮化物半导体的一个例子，被设置在AlGaN层805上且覆盖于AlGaN层805的表面。GaN层806的下面为(0001)面，作为侧面的斜面为(1-101)面。
活性层807是本发明的第二氮化物半导体的一个例子，被设置在GaN层806上且覆盖于GaN层806的表面。在活性层807，在与GaN层806的(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度，和在与(1-101)面相接的部分的[1-101]方向的厚度不同。即，在活性层807，与(1-101)面相接的部分的厚度，比与(0001)面相接的部分的厚度厚。
活性层807例如是10组活性层，其厚度被设计成与发光波长为470nm的纯蓝色光相当。在活性层807，比起与GaN层806的(0001)面相接的部分的铟的组成比而言，与GaN层806的(1-101)面相接的部分的铟的组成比高。
GaN层808是本发明的第四氮化物半导体的一个例子，该GaN层808以介于AlGaN层809与活性层807之间，且与这两者相接的形式而被设置。GaN层808的下面具有(0001)面，在作为凸部的侧面的斜面上具有(0001)面以外的面。
AlGaN层809是本发明的第三氮化物半导体的一个例子，该AlGaN层809以与GaN层806之间隔着活性层807的形式而被设置。在AlGaN层809，在与GaN层808的(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度，和与(1-101)面相接的部分的[1-101]方向的厚度不同，与(0001)面相接的部分的厚度厚，与(1-101)面相接的部分的厚度薄。例如，AlGaN层809的厚度在与(0001)面相接的部分较厚，约为10nm，而在与(1-101)面相接的部分则较薄，约为2nm。
GaN层810被设置在AlGaN层809上，且覆盖于AlGaN层809的表面。GaN层810在相对于[0001]方向上例如具有200nm的膜厚。作为GaN层810的p型化的掺杂物，例如使用了双(环戊二烯)镁(Bis(cyclopentadienyl)magnesium)。
p侧电极811是使用了例如Ni/Pt/Au等电极金属的电极，被设置在GaN层810上，并覆盖于GaN层810的表面。n侧电极812是使用了例如Ti/Au等电极金属的电极。
接着，对具有上述这种结构的氮化物半导体发光二极管的制造方法进行说明。图11B是用于说明该氮化物半导体发光二极管的制造方法的断面图。
首先，如图11B(a)所示，在硅衬底801的(111)面上沉积厚度为200nm的SiO2膜802，经过在图2(a)所说明的工艺之后，对SiO2膜802进行图案化，从而形成条纹窗。条纹窗的宽度为4μm。在此，条纹窗被形成在与纸面垂直的方向上，与[11-22]方向平行。
接着，将硅衬底801放入到MOCVD炉中，如图11B(b)所示，对硅衬底801进行结晶生长。此时，作为N原料(氮源)仅使用NH3。即，在以1100℃使厚度为150nm的AlN层803结晶生长后，使GaN层804结晶生长。在GaN层804的结晶生长中，将硅烷气作为Si(硅)掺杂物来使用，并控制硅烷气的流量，以使在GaN层804成为1×1019cm-3的Si(硅)浓度。
接着，如图11B(b)所示，使Al组成比例如为25％的AlGaN层805结晶生长。
接着，如图11B(c)所示，进行活性层807周围的结晶生长。即，在使厚度为20nm的GaN层806结晶生长后，使活性层807结晶生长，进一步使厚度为20nm的GaN层808结晶生长。此时，作为氮原料除使用NH3以外，还并用NEt3。NEt3的流量与NH3相比，被控制成NH3的流量的0.5-2％。之后，停止NEt3的供给，切换为仅使用NH3的生长模式。并且，如图11B(d)所示，通过结晶生长来形成p侧的半导体层结构。即，使Al的组成比为25％的AlGaN层809结晶生长后，使GaN层810结晶生长。
接着，在GaN层810的结晶生长结束后，降温后将硅衬底801从MOCVD炉中取出，移向图11B(e)所示的电极形成工序。即，首先从硅衬底801的进行了结晶生长的面一侧开始，对p侧电极811进行全面地蒸镀。并且，利用ClF3气体对硅衬底801进行气相蚀刻，从而将硅衬底801完全去除。此时，SiO2膜802也一起被去除。接着，利用曝光法以及氯系干蚀刻技术，在AlN层803以及GaN层804的一部分上形成孔之后，并在被形成的孔中形成n侧电极812。
在此，氮化物半导体发光二极管的制造方法包括两个工序，其中一个工序是像AlN层803、GaN层804、AlGaN层805、AlGaN层809以及GaN层810那样，使用没有添加NEt3的气体来使氮化物半导体结晶生长的工序，另一个工序是像GaN层806、活性层807以及GaN层808那样，使用添加了NEt3的气体来使氮化物半导体结晶生长的工序。并且，与使用没有添加NEt3的气体而结晶生长了的氮化物半导体相比，使用添加了NEt3的气体而结晶生长了的氮化物半导体的碳浓度高或氢浓度低。
如以上所述，根据本实施例的氮化物半导体发光二极管，在作为斜面的(1-101)面形成了以高铟成分构成的能够发出蓝色光的活性层807。与被形成在(0001)面上的活性层807相比，由于在该(1-101)面上形成的活性层807的极化较弱，因此在活性层807的电子与空穴的再结合能够高效率地进行。其结果是，能够提高发光效率。
并且，如在上述的CL测定结果也可以明确知道，在(1-101)面上形成的活性层807具有在通常的仅使用NH3而结晶生长中不能够固溶的高铟成分。因此，根据本实施例的氮化物半导体发光二极管，能够以高温来简单地形成能够发出长波长光的活性层807。
并且，根据本实施例的氮化物半导体发光二极管，AlGaN层805以及809在被形成在(0001)面的部分变厚，超过这一厚度的电流注入将是比较困难的。即，AlGaN层805以及809作为电流阻挡层来发挥作用，能够使电流高效率地流向(1-101)面上的活性层807。因此，能够进一步提高发光效率。
并且，根据本实施例的氮化物半导体发光二极管，能够以p侧电极811来覆盖所有的p侧的半导体层结构，成为从硅衬底801一侧取出光的结构。并且，该发光二极管的断面形状不是平坦膜，而是高台形状。因此，能够实现光取出效率高的发光二极管。
并且，根据本实施例的氮化物半导体发光二极管，由于活性层807的端侧是以AlN层803为终端的，因此能够不受氧等外气的影响。能够实现抑制老化的发光二极管。
在本实施例中，发光层是像InGaN/InGaN活性层这样的层，阱层以及势垒层均由InGaN构成，不过也可以像InGaN/InGaN活性层以及InGaN/InAlGaN活性层等，以其他的材料来构成阱层以及势垒层。即，只要在发光层内具有含有In(铟)的层就可以。
(实施例2)
图12A是示出本实施例所涉及的氮化物半导体激光元件(发光器件)的结构的断面图。
该氮化物半导体激光元件包括：GaN自立衬底901、n型GaN层902、n型AlGaN/GaN超点阵层903、不掺杂GaN层904、InGaN/InGaN多重量子阱活性层(发光层)905、不掺杂GaN层906、溢流抑制(OFS)层907、p型AlGaN/GaN超点阵层908、p型GaN层909、SiO2膜910、p侧电极911以及n侧电极912。
GaN自立衬底901是载气浓度为1019cm-3的n型导电性衬底，在该衬底的(0001)面上例如设置有1.8μm的断坡部分。并且，在图12A中示出了，在纸面为(1-100)面的状态下的GaN自立衬底901。
GaN层902具有反应了GaN自立衬底901的形状的断坡部分，并以覆盖GaN自立衬底901的断坡部的侧面的形式而被形成。在GaN层902的上面，通过结晶生长而(0001)面自动露出，在作为断坡部分的侧面的斜面，通过结晶生长而(11-22)面自动露出。
AlGaN/GaN层超点阵层903是本发明的第三氮化物半导体的一个例子，该AlGaN/GaN层超点阵层903以与InGaN/InGaN多重量子阱活性层905之间隔着GaN层904的形式而被设置。AlGaN/GaN超点阵层903具有反应了GaN层902的形状的断坡部分，并以覆盖GaN层902的断坡部分的侧面的形式而被形成。AlGaN/GaN超点阵层903是分别含有铝的多个层以周期性地排列而构成的周期结构体，与GaN层902的(0001)面相接的部分的周期，比与(11-22)面相接的部分的周期长。即，在构成AlGaN/GaN超点阵层903的各个AlGaN中，在与(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度，比与(11-22)面相接的部分的[11-22]方向的厚度厚。例如，AlGaN的厚度在与(0001)面相接的部分厚，约为5nm，而与(11-22)面相接的部分薄，约为1nm。另一方面，在构成AlGaN/GaN超点阵层903的GaN中，与(11-22)面相接的部分的[11-22]方向的厚度，和与(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度相等，例如约为20nm。AlGaN/GaN超点阵层903的铝成分例如为10％，只有GaN为n型导电性(Si浓度为1019cm-3)。
GaN层904是本发明的第一氮化物半导体的一个例子，该GaN层904具有反应了AlGaN/GaN超点阵层903的形状的断坡部分，并以覆盖AlGaN/GaN超点阵层903的断坡部分的侧面的形式而被形成。GaN层904的上面为(0001)面，作为断坡部分的侧面的斜面为(11-22)面。GaN层904例如具有20nm的膜厚。
InGaN/InGaN多重量子阱活性层905是本发明的第二氮化物半导体的一个例子，具有反应了GaN层904的形状的断坡部分，并以覆盖GaN层904的断坡部分的侧面的形式而被形成。在InGaN/InGaN多重量子阱活性层905中，与GaN层904的(0001)面相接的部分的厚度，和与(11-22)面相接的部分的厚度不同。即，在InGaN/InGaN多重量子阱活性层905中，与(11-22)面相接的部分的[11-22]方向的厚度，比与(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度厚。InGaN/InGaN多重量子阱活性层905例如是三组活性层。
在InGaN/InGaN多重量子阱活性层905中，与GaN层806的(11-22)面相接的部分的铟的组成比，比与GaN层904的(0001)面相接的部分的铟的组成比高。
GaN层906以介于InGaN/InGaN多重量子阱活性层905与OFS层907之间，且与这两者相接的形式而被设置。GaN层906的上面为(0001)面，作为断坡部分的侧面的斜面为(11-22)面。GaN层906例如具有20nm的膜厚。
OFS层907是本发明的第三氮化物半导体的一个例子，该OFS层907以与GaN层904之间隔着InGaN/InGaN多重量子阱活性层905的形式而被设置。OFS层907由铝成分例如为20％的不掺杂AlGaN构成。OFS层907在与GaN层906的(0001)面相接的部分和与(11-22)面相接的部分具有不同的厚度。即，在OFS层907，在与(11-22)面相接的部分的[11-22]方向的厚度，比在与(0001)面相接的部分的[0001]方向的厚度薄。例如，OFS层907的厚度在与(0001)面相接的部分厚，约为25nm，而在与(11-22)面相接的部分薄，约为5nm。
AlGaN/GaN超点阵层908是本发明的第三氮化物半导体的一个例子，该AlGaN/GaN超点阵层908以与GaN层904之间隔着InGaN/InGaN多重量子阱活性层905的形式而被设置。
AlGaN/GaN超点阵层908是由分别包含铝的多个层进行周期性地排列而构成的周期结构体，在位于GaN层906的(0001)面的上方的部分(在[0001]方向上结晶生长的部分)，与位于(11-22)面的上方的部分(在[11-22]方向上结晶生长的部分)具有不同的周期。即，在构成AlGaN/GaN超点阵层908的AlGaN中，在位于(0001)面的上方的部分的周期，比位于(11-22)面的上方的部分的周期长。因此，AlGaN/GaN超点阵层908在位于(0001)面的上方的部分和位于(11-22)面的上方的部分具有不同的厚度。即，在构成AlGaN/GaN超点阵层908的AlGaN中，在位于(11-22)面的上方的部分的[11-22]方向的厚度，比在位于(0001)面的上方的部分的[0001]方向的厚度薄。例如，AlGaN的厚度在位于(0001)面的上方的部分厚，约为10nm，在位于(11-22)面的上方的部分薄，约为2nm。另一方面，在构成AlGaN/GaN超点阵层908的GaN中，在位于(11-22)面的上方的部分的[11-22]方向的厚度，与在GaN层904的(0001)面的上方的部分的[0001]方向的厚度相等，例如约为20nm。
AlGaN/GaN超点阵层908的铝成分例如为10％。
构成AlGaN/GaN超点阵层908的GaN包含作为杂质的碳，被视为p型导电性。并且，AlGaN/GaN超点阵层908的GaN中的碳浓度，在位于(0001)面的上方的部分比位于(11-22)面的上方的部分的碳浓度高，在位于(11-22)面的上方的部分为1×1018cm-3以上。这样，通过设定碳浓度，能够将位于(11-22)面的上方的GaN作为p型层来有效地发挥功能。
GaN层909具有反应了GaN层906的形状的断坡部分，并以覆盖GaN层906的断坡部分的侧面的形式而被形成。
p侧电极911是使用了例如Ni/Pt/Au等电极金属的电极，被埋在SiO2膜910的开口中，并以与GaN层909相接的形式而被设置。n侧电极912是使用了例如Ti/Au等电极金属的电极，被设置在GaN自立衬底901上。
接着，对具有上述结构的氮化物半导体激光元件的制造方法进行说明。图12B是用于说明该氮化物半导体激光元件的制造方法的断面图。
首先，如图12B(a)所示，利用氯系干蚀刻在GaN自立衬底901上形成断坡。
接着，如图12B(b)所示，将GaN自立衬底901放入到MOCVD炉内，并仅利用NH3来对GaN自立衬底901的(0001)面进行结晶生长。即，首先使GaN层902结晶生长后，再使AlGaN/GaN超点阵层903结晶生长。在该结晶生长中，与通常的生长条件相比，在使NH3的流量增大的同时，使载气的氮气混合比增大。
接着，使NEt3流入到MOCVD炉内，以成为NEt3生长模式。在此，NEt3的流量设定为是NH3流量的2％。并且，如图12B(c)所示，在使GaN层904生长之后，使InGaN/InGaN多重量子阱活性层905结晶生长，进而使GaN层906结晶生长。
接着，停止向MOCVD炉的NEt3的导入，再次移向仅利用NH3的生长模式。接着，如图12B(d)所示，在使OFS层907结晶生长之后，使p型AlGaN/GaN超点阵层908结晶生长。在此，p型的掺杂物为碳，作为碳源使用四溴化碳。碳被添加于AlGaN/GaN超点阵层908的AlGaN以及GaN这两者，并且在这两者中的碳浓度均为1018cm-3。接着，使掺杂了碳的p型GaN层909结晶生长。在此，也将四溴化碳用作掺杂物，碳的浓度为1019cm-3。
在此，对于AlGaN/GaN超点阵层908以及GaN层909中的作为掺杂物的碳的运动，在(0001)面中既容易进入到氮位置又容易进入到镓位置中。但是，在(1-101)面和(11-22)面等，如图8A至图8D所示，原子排列与(0001)面不同，由于最外面是氮原子，因此碳被优先添加于氮位置中。即，由于缺少一个电子，因此碳作为受主而有效地发挥作用。另外，由于(0001)面的被掺杂了碳的AlGaN以及GaN缺乏位置控制性，因此示出高绝缘性。因此，在AlGaN/GaN超点阵层908以及GaN层909，成为高p型导电率的区域908a以及909a分别被用作一次的结晶生长中。
接着，在结晶生长结束后，将GaN自立衬底901从MOCVD炉中取出，并移向图12B(e)所示的电极形成工序。即，首先在晶片表面使SiO2膜910成膜后，通过曝光法以及利用氢氟酸，在作为GaN层906的斜面的(11-22)面上使SiO2膜910开口，对SiO2膜910进行开窗。接着，在SiO2膜910的被开窗的部分，蒸镀p侧电极911。并且，在GaN自立衬底901的背面，蒸镀n侧电极912。最后，通过沿着作为与图12B(e)的纸面平行的方向的[1-100]方向劈开GaN自立衬底901，从而形成激光共振器的反射面。
在此，氮化物半导体激光元件的制造方法包括的工序有：像GaN层902、AlGaN/GaN超点阵层903、OFS层907、p型AlGaN/GaN超点阵层908以及GaN层909那样利用不添加NEt3的气体，来使氮化物半导体结晶生长的工序；以及像GaN层904、InGaN/InGaN多重量子阱活性层905以及GaN层906那样利用添加了NEt3的气体，来使氮化物半导体结晶生长的工序。并且，与使用没有添加NEt3的气体而结晶生长的氮化物半导体相比，使用添加了NEt3的气体而结晶生长的氮化物半导体的碳浓度高或者氢浓度低。
这样，根据本实施例的氮化物半导体激光元件，由于能够在(11-22)面上形成InGaN/InGaN多重量子阱活性层905，因此在InGaN/InGaN多重量子阱活性层905中的极化变小。其结果是，能够使发光效率提高。
并且，根据本实施例的氮化物半导体激光元件，通过在并用了NEt3的InGaN的面方位的选择成长，因此，(11-22)面上的InGaN/InGaN多重量子阱活性层905的铟的组成比变高。其结果是，能够实现发出长波长的光的激光元件。
并且，根据本实施例的氮化物半导体激光元件，(11-22)面上的InGaN/InGaN多重量子阱活性层905以长波长来发光。其结果是，能够实现折射率高，并且能够高效率地进行光限制的激光元件。
并且，根据本实施例的氮化物半导体激光元件，在AlGaN/GaN超点阵层903以及908中，(11-22)面中的铝的空间平均组成比率比在(0001)面中的值小。因此，在(11-22)面中的AlGaN/GaN超点阵层903以及908的折射率比在(0001)面中的高。其结果是，能够高效率地限制(11-22)面上的InGaN/InGaN多重量子阱活性层905的光。
并且，根据本实施例的氮化物半导体激光元件，在AlGaN/GaN超点阵层903以及908的(0001)面，由于周期长、厚度也比较厚，因此向纵方向的电子/空穴的导电性变差。然而，由于是超点阵结构因此横方向的导电性高，能够高效率地将电子/空穴导入向(11-22)面上的InGaN/InGaN多重量子阱活性层905。并且，由于OFS层907在(0001)面非常厚，因此，在作为电流块层发挥作用的同时，还能够起到将在(11-22)面上的InGaN/InGaN多重量子阱活性层905上溢出的电子，再次返回到InGaN/InGaN多重量子阱活性层905的作用。并且，在AlGaN/GaN超点阵层908以及GaN层909，替换位置被控制了的区域908a以及909a示出高p型导电性，由于在(0001)面上的部分的绝缘性高，因此在AlGaN/GaN超点阵层908以及GaN层909形成电流狭窄结构。因此，根据这些机理，由于电子以及空穴能够高效率地流入到(11-22)面的InGaN/InGaN多重量子阱活性层905，所以能够将注入电流高效率地变换为光。
并且，根据本实施例的氮化物半导体激光元件，InGaN/InGaN多重量子阱活性层905的实效宽度，几乎是由GaN自立衬底901的断坡的蚀刻高度来决定。因此，不像脊形光波导路那样在结晶生长后还需要蚀刻。由于蚀刻高度的误差给光射出角的影响，比脊形光波导路的蚀刻深度的情况有余地，因此能够得到较好的成品率。
在本实施例中，发光层是像InGaN/InGaN活性层这样的层，阱层以及势垒层均由InGaN构成，不过也可以像InGaN/InGaN活性层以及InGaN/InAlGaN活性层等，以其他的材料来构成阱层以及势垒层。即，只要在发光层内具有含有In(铟)的层就可以。
在本实施例中，氮化物半导体激光元件包括了AlGaN/GaN超点阵结构，以作为超点阵层(AlGaN/GaN超点阵层903以及908)，不过也可以包括作为超点阵层的AlGaN/AlGaN超点阵结构。此时，最好是将一方的Al成分设定为10％，将另一方的Al的成分设定为不足1％。通过对铝成分进行这样的设定，从而能够大幅度地减少针对(11-22)面的位错以及变形，因此能够实现高效率且高亮度的氮化物半导体激光元件。
以上，根据实施例对本发明的氮化物半导体器件进行了说明，本发明并非受这些实施例所限。在不脱离本发明的主旨的范围内，本领域技术人员所能够想到的各种变形均包含在本发明的范围内。
工业利用性
本发明能够利用于氮化物半导体器件，尤其能够利用于高亮度的照明光源以及液晶背面光，而且还能够利用于室外显示器等。
符号说明
101，201  蓝宝石衬底
102，103，202，204，205，804，806，808，810，902，904，906，909  GaN(氮化镓)层
104，206  InGaN层
203，802，910  SiO2膜
801  硅衬底
803  AlN层
805，809  AlGaN层
807  活性层
811，911  p侧电极
812，912  n侧电极
901  GaN自立衬底
903，908  AlGaN/GaN超点阵层
905  InGaN/InGaN多重量子阱活性层
907  OFS层
908a，909a  区域

Claims (11)

1.一种氮化物半导体器件，包括：
第一氮化物半导体，该第一氮化物半导体具有(0001)面和(0001)面以外的面；以及
第二氮化物半导体，与所述第一氮化物半导体相接，并含有铟；
在所述第二氮化物半导体中，与所述(0001)面以外的面相接的部分的铟的组成比，比与所述(0001)面相接的部分的铟的组成比高。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，
在所述第二氮化物半导体中，与所述(0001)面以外的面相接的部分的厚度，比与所述(0001)面相接的部分的厚度厚。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，
所述(0001)面以外的面是，(1-101)面、(11-22)面、(1-102)面以及(11-24)面的某一个面。
4.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，
所述氮化物半导体器件是将所述第二氮化物半导体作为发光层的发光器件。
5.如权利要求4所述的氮化物半导体器件，
该氮化物半导体器件还具有含有铝的第三氮化物半导体层，该第三氮化物半导体层以隔着所述第二氮化物半导体的形式而被设置在与所述第一氮化物半导体相对的一侧，或者以隔着所述第一氮化物半导体的形式而被设置在与所述第二氮化物半导体相对的一侧；
在所述第三氮化物半导体中，位于所述(0001)面上的部分的厚度，比位于所述(0001)面以外的面上的部分的厚度厚。
6.如权利要求5所述的氮化物半导体器件，
所述发光器件是激光元件；
所述第三氮化物半导体是含有铝的多个层进行周期性地排列而构成的周期结构体；
在所述第三氮化物半导体中，位于所述(0001)面上的部分的所述周期结构体的周期，比位于所述(0001)面以外的面上的部分的所述周期结构体的周期长。
7.如权利要求6所述的氮化物半导体器件，
在所述第三氮化物半导体中，位于所述(0001)面以外的面上的部分的碳浓度，比位于所述(0001)面上的部分的碳浓度高。
8.如权利要求6所述的氮化物半导体器件，
所述周期结构体具有铝含量不足1％的层。
9.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，
所述第二氮化物半导体具有导电性；
所述氮化物半导体器件进一步具有电极，该电极被设置成与所述第二氮化物半导体的上方相接。
10.一种氮化物半导体器件的制造方法，
利用在含有氮以及铟的气体中添加了三乙胺的气体，在氮化物半导体的(0001)面以外的面上使含有铟的氮化物半导体结晶生长。
11.如权利要求10所述的氮化物半导体器件的制造方法，
该制造方法中还包括，使用没有添加三乙胺的气体，来使氮化物半导体结晶生长的工序；
与使用没有添加三乙胺的气体而结晶生长的氮化物半导体相比，使用添加了三乙胺的气体而结晶生长的氮化物半导体的碳浓度高或氢浓度低。
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