CN102422497A - Iii族氮化物半导体激光二极管及iii族氮化物半导体激光二极管的制作方法 - Google Patents

Iii族氮化物半导体激光二极管及iii族氮化物半导体激光二极管的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种III族氮化物半导体激光二极管，其具有能够提供较高的光限制及载流子限制的覆层。在(20-21)面GaN衬底(71)上，以产生晶格弛豫的方式生长n型Al0.08Ga0.92N覆层(72)。在n型覆层(72)上，以产生晶格弛豫的方式生长GaN光导层(73a)。在光导层(73a)上，以不产生晶格弛豫的方式生长有源层(74)、GaN光导层(73b)、Al0.12Ga0.88N电子阻挡层(75)及GaN光导层(73c)。在光导层(73c)上，以产生晶格弛豫的方式生长p型Al0.08Ga0.92N覆层(76)。在p型覆层(76)上，以不产生晶格弛豫的方式生长p型GaN接触层(77)，从而制作半导体激光器(11a)。结(78a)～(78c)的位错密度大于其它结的位错密度。

Description

III族氮化物半导体激光二极管及III族氮化物半导体激光二极管的制作方法
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体激光二极管及III族氮化物半导体激光二极管的制作方法。
背景技术
专利文献1中，记载了一种氮化物半导体发光元件，其中含有AlGaN的外延层结构不易产生裂纹。该氮化物半导体发光元件包括：包含GaN半导体的支撑体、第一导电型AlGaN区域、第二导电型GaN基半导体层及有源层。支撑体的GaN半导体的c轴自一个侧面向另一个侧面延伸，因此衬底主面实质上为m面或a面。AlGaN区域及GaN基半导体层设置于支撑体的主面上。AlGaN区域的铝含量为0.05以上，且AlGaN区域的厚度D1为500nm以上。有源层设置于第一导电型AlGaN区域与第二导电型GaN基半导体层之间。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-277539号公报
发明内容
对于多数氮化镓基激光二极管而言，在c面GaN这样的氮化镓基半导体区域上生长覆层。该覆层发挥提供光限制及载流子限制的功能。为了获得所需的光限制及载流子限制，对覆层的组成及膜厚进行了设计。因而覆层的带隙及折射率与基底GaN不同。因此，覆层的半导体材料的晶格常数与GaN不同，与这些材料的晶格常数相应地，覆层中会含有应变。另外，氮化镓基半导体区域与覆层之间的晶格常数差会使阱层中产生应变。
本发明的目的在于提供一种III族氮化物半导体激光二极管，其具有能够提供较高的光限制及载流子限制的覆层，另外，本发明的目的在于提供该III族氮化物半导体激光二极管的制作方法。
本发明的一个方面涉及一种III族氮化物半导体激光二极管。该激光二极管包含：(a)第一导电型覆层，其设置于包含第一六方晶系III族氮化物半导体的半导体区域的主面上，并包含第二六方晶系III族氮化物半导体；(b)第一光导层，其设置于所述第一导电型覆层上，并包含第三六方晶系III族氮化物半导体；(c)载流子阻挡层，其包含第四六方晶系III族氮化物半导体；和(d)有源层，其设置于所述第一导电型覆层与所述载流子阻挡层之间。所述半导体区域的所述主面相对于与该第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴正交的基准面成10度以上的角度，所述第一导电型覆层在所述半导体区域的所述主面上产生晶格弛豫，所述第一导电型覆层、所述第一光导层、所述有源层及所述载流子阻挡层排列在所述半导体区域的所述主面的法线轴的方向上，所述载流子阻挡层中含有应变，所述有源层包含含有应变的半导体层，所述第一光导层在所述第一导电型覆层的主面上产生晶格弛豫，所述半导体区域的所述主面显示无极性和半极性中的任意一者，所述第一导电型覆层在所述半导体区域的所述主面上产生晶格弛豫。
根据该激光二极管，半导体区域的主面相对于与c轴正交的基准面成10度以上的角度，因此第一导电型覆层的c轴相对于半导体区域的主面成有限的角度。因此，第一导电型覆层在半导体区域的主面上可产生晶格弛豫。通过该晶格弛豫，第一导电型覆层的第二六方晶系III族氮化物半导体可具有与所需包覆特性相符的组成及膜厚。另外，由于第一光导层设置于第一导电型覆层的主面上，因而第一光导层的c轴相对于半导体区域的主面成有限的角度。因此，第一光导层在第一导电型覆层的主面上可产生晶格弛豫。通过该晶格弛豫，可减小第一导电型覆层的组成对第一光导层的第三六方晶系III族氮化物半导体的组成及膜厚的制约。进而，由于在该第一光导层上设置有有源层及载流子阻挡层，因此可减小支撑第一光导层的半导体的组成对有源层的应变的制约。另一方面，由于有源层及载流子阻挡层的膜厚足够薄，因此在这些层中不产生晶格弛豫。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d1的大小由晶格向量LVC1表示。所述第二六方晶系III族氮化物半导体的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d2的大小由晶格向量LVC2表示，所述晶格向量LVC1包含所述法线轴方向的纵向分量V1L和与所述纵向分量正交的横向分量V1T，所述晶格向量LVC2包含所述法线轴方向的纵向分量V2L和与所述纵向分量正交的横向分量V2T，所述横向分量V1T与所述横向分量V2T不同。
根据该激光二极管，第一六方晶系III族氮化物半导体的横向分量V1T与第二六方晶系III族氮化物半导体的横向分量V2T不同，因此由第一及第二六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数差所引起的应变在第一导电型覆层中得以减小。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第三六方晶系III族氮化物半导体的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d3的大小由晶格向量LVC3表示，所述晶格向量LVC3包含所述法线轴方向的纵向分量V3L和与所述纵向分量正交的横向分量V3T，所述横向分量V2T与所述横向分量V3T不同。
根据该激光二极管，由于第二六方晶系III族氮化物半导体的横向分量V2T与第三六方晶系III族氮化物半导体的横向分量V3T不同，因此由第二及第三六方晶系III族氮化物半导体之间的晶格常数差所引起的应变在第一光导层中得以减小。
本发明的一个方面的激光二极管优选进一步包含设置于所述载流子阻挡层上的第二导电型覆层，该第二导电型覆层包含第五六方晶系III族氮化物半导体。所述载流子阻挡层设置于所述第二导电型覆层与所述有源层之间，所述第五六方晶系III族氮化物半导体与所述第三六方晶系III族氮化物半导体不同，所述第二导电型覆层产生晶格弛豫。
根据该激光二极管，第二导电型覆层设置于半导体区域的主面上，因而第二导电型覆层的c轴相对于半导体区域的主面成有限的角度。因此，第二导电型覆层可产生晶格弛豫。通过该晶格弛豫，可缓和第二导电型覆层的晶格常数与基底的半导体区域的晶格常数之间的差对第二导电型覆层可适用的组成及膜厚的范围的制约。
本发明的一个方面的激光二极管优选进一步包含设置于所述第二导电型覆层与所述有源层之间的第二光导层，该第二光导层包含第六六方晶系III族氮化物半导体。所述第二导电型覆层的所述晶格弛豫在所述第二光导层上产生。
根据该激光二极管，第二光导层隔着有源层设置于第一光导层的主面上，因而第二光导层中包含的应变较小。因此，可使第二光导层不产生晶格弛豫。该第二导电型覆层的晶格弛豫在第二光导层上产生。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第二导电型覆层优选为InX2AlY2Ga1-X2-Y2N(0≤X2≤0.50、0≤Y2≤0.50)。
根据该激光二极管，第二导电型覆层可包含GaN或AlGaN或InAlGaN。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第二导电型覆层的膜厚优选为300nm以上。
根据该激光二极管，第二导电型覆层可提供所需的光限制，且具有可产生晶格弛豫的膜厚。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第一导电型覆层优选为InX1AlY1Ga1-X1-Y1N(0≤X1≤0.50、0≤Y1≤0.50)。
根据该激光二极管，第一导电型覆层可包含GaN或AlGaN或InAlGaN。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第一导电型覆层的膜厚优选为300nm以上。
根据该激光二极管，第一导电型覆层可提供所需的光限制，且具有可产生晶格弛豫的膜厚。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述有源层优选包含InUAlVGa1-U-VN(0≤U≤0.50、0≤V≤0.50)。
根据该激光二极管，有源层可含有包含各种组成的氮化镓基半导体的半导体层。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述有源层的发光波长优选为250nm以上且600nm以下。
根据该激光二极管，有源层可发出各种波长范围的光。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第一光导层优选包含InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤0.30、0≤T≤0.30)。
根据该激光二极管，所述第一光导层可包含GaN、InGaN、InAlGaN等。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述有源层的膜厚与所述第一光导层的膜厚的总计优选为200nm以上。
根据该激光二极管，有源层及第一光导层的光波导可传播各种波长范围的光。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述第一导电型覆层与所述第一光导层的界面处的位错优选具有1×108cm-2以上的密度。
根据该激光二极管，c轴与法线轴成有限的角度，由此通过c面等的滑移而生成滑移面。通过生成该滑移面，在上述界面处产生位错。由于位错密度为1×108cm-2以上，因此第一导电型覆层在与所述第一光导层的界面处以足以在第一光导层中引起晶格弛豫的密度含有滑移面。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述位错优选含有刃型位错的成分。
根据该激光二极管，通过刃型位错的导入，可缓和由晶格常数差所引起的应变。
本发明的一个方面的激光二极管优选进一步包含具有非极性主面的支撑体。所述第一导电型覆层设置于所述支撑体的所述主面上，所述支撑体的所述非极性主面提供包含所述第一六方晶系III族氮化物半导体的所述半导体区域的主面。
根据该激光二极管，通过使用具有非极性主面的支撑体，可与所给的条件相应地引起半导体的晶格弛豫。所述非极性为半极性及无极性中的任意一者。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述支撑体优选包含AlZGa1-ZN(0≤Z≤1)。
根据该激光二极管，不仅可生成半导体的晶格弛豫，而且能可靠地进行结晶质量良好的III族氮化物的生长。
在本发明的一个方面的激光二极管中，所述支撑体优选包含GaN。另外，在本发明的一个方面的激光二极管中，所述支撑体优选包含AlGaN。此外，在本发明的一个方面的激光二极管中，所述支撑体优选包含AlN。
本发明的另一方面为一种III族氮化物半导体激光二极管的制作方法。该方法包括如下步骤：(a)在包含第一六方晶系III族氮化物半导体的半导体区域的主面上，生长包含第二六方晶系III族氮化物半导体的第一导电型覆层，以使该第一导电型覆层产生晶格弛豫；(b)在所述第一导电型覆层上生长包含第三六方晶系III族氮化物半导体的第一光导层，以使该第一光导层产生晶格弛豫；(c)在所述第一光导层上生长有源层；和(d)在所述有源层上生长包含第四六方晶系III族氮化物半导体的载流子阻挡层。所述半导体区域的所述主面相对于与该第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴正交的基准面成10度以上的角度，所述半导体区域的所述主面显示无极性和半极性中的任意一者，所述载流子阻挡层中含有应变，所述有源层包含含有应变的半导体层。
根据该方法，半导体区域的主面相对于与该第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴正交的基准面成10度以上的角度，因而第一导电型覆层的c轴相对于半导体区域的主面成有限的角度。因此，可以第一导电型覆层在半导体区域的主面上产生晶格弛豫的方式生长第二六方晶系III族氮化物半导体。通过该晶格弛豫，第一导电型覆层的第二六方晶系III族氮化物半导体可具有与所需包覆特性相符的组成及膜厚。另外，由于第一光导层设置于第一导电型覆层的主面上，因而第一光导层的c轴相对于半导体区域的主面成有限的角度。因此，可以第一光导层在第一导电型覆层的主面上产生晶格弛豫的方式生长第三六方晶系III族氮化物半导体。通过该晶格弛豫，可减小第一导电型覆层的组成对第一光导层的第三六方晶系III族氮化物半导体的组成及膜厚的制约。进而，由于在该第一光导层上设置有有源层及载流子阻挡层，因此可减小支撑第一光导层的半导体的组成对有源层及载流子阻挡层的应变的制约。另一方面，有源层的膜厚薄于其临界膜厚，因此可以不产生晶格弛豫的方式生长有源层。载流子阻挡层的膜厚薄于其临界膜厚，因此可以不产生晶格弛豫的方式生长载流子阻挡层。
在本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法中，所述第一导电型覆层可包含InX1AlY1Ga1-X1-Y1N(0≤X1≤0.50、0≤Y1≤0.50)，并且所述第一导电型覆层的膜厚可为300nm以上。
根据该方法，第一导电型覆层包含GaN或AlGaN或InAlGaN，并且InX1AlY1Ga1-X1-Y1N可提供所需的光限制且具有可产生晶格弛豫的膜厚。
本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法优选进一步包括如下步骤：在所述载流子阻挡层上生长包含第五六方晶系III族氮化物半导体的第二导电型覆层，以使该第二导电型覆层产生晶格弛豫。所述第五六方晶系III族氮化物半导体与所述第三六方晶系III族氮化物半导体不同。所述第二导电型覆层产生晶格弛豫。
根据该方法，第二导电型覆层设置于半导体区域的主面上，因而第二导电型覆层的c轴相对于半导体区域的主面成有限的角度。因此，可以产生晶格弛豫的方式生长第二导电型覆层。通过该晶格弛豫，可缓和第二导电型覆层的晶格常数与基底的半导体区域的晶格常数之间的差对第二导电型覆层可适用的组成及膜厚的范围的制约。
在本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法中，所述第二导电型覆层优选包含AlGaN或InAlGaN。所述第二导电型覆层的膜厚在该第五六方晶系III族氮化物半导体的铝含量及铟含量下大于临界膜厚。
根据该方法，容易在第二导电型覆层中引起晶格弛豫。
本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法优选进一步包括如下步骤：在所述第二导电型覆层生长之前，在所述有源层上生长包含第六六方晶系III族氮化物半导体的第二光导层，以使该第二光导层的该第六六方晶系III族氮化物半导体不产生晶格弛豫。所述第二导电型覆层的所述晶格弛豫在所述第二光导层上产生。
根据该方法，第二光导层隔着有源层设置于第一光导层的主面上，因而第二光导层中含有的应变较小。因此，可以不产生晶格弛豫的方式生长第二光导层。该第二导电型覆层的晶格弛豫在第二光导层上产生。
在本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法中，所述第二光导层优选包含InGaN。所述第二光导层的膜厚在该第六六方晶系III族氮化物半导体的铟含量下大于临界膜厚。
根据该方法，在第二导电型覆层上，容易在第二光导层中引起晶格弛豫。
在本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法中，所述第一导电型覆层优选包含AlGaN或InAlGaN。所述第一导电型覆层的膜厚在该第二六方晶系III族氮化物半导体的铝含量及铟含量下大于临界膜厚。
在本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法中，所述第一光导层优选包含InGaN。所述第一光导层的膜厚在该第三六方晶系III族氮化物半导体的铟含量下大于临界膜厚。
根据该方法，在第一光导层上，容易在第一导电型覆层中引起晶格弛豫。
本发明的另一个方面所涉及的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法优选进一步包括如下步骤：准备具有非极性主面的衬底，该衬底包含第一六方晶系III族氮化物半导体。所述半导体区域的所述主面由所述非极性主面所提供，所述衬底包含GaN、AlGaN及AlN中的任意一者。
根据该方法，通过使用具有非极性主面的支撑体，可与所给的条件相应地引起半导体的晶格弛豫，另外，不仅可生成半导体的晶格弛豫，而且能可靠地进行结晶质量良好的III族氮化物的生长。
本发明的上述目的及其它目的、特征和优点，根据参考附图而进行的本发明的优选实施方式的以下详细描述，可以更容易地明白。
发明效果
如以上所说明，本发明的目的在于提供一种III族氮化物半导体激光二极管，其具有可提供较高的光限制及载流子限制的覆层，另外，本发明的目的在于提供该III族氮化物半导体激光二极管的制作方法。
附图说明
图1是示意地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管的图。
图2是表示构成激光二极管的半导体层的晶格常数的图。
图3是示意地表示图1所示的激光二极管的立体图。
图4是表示本实施方式的外延衬底及III族氮化物半导体激光二极管的制作方法的步骤流程的图。
图5是表示上述制作方法的主要步骤中的产品的图。
图6是表示上述制作方法的主要步骤中的产品的图。
图7是表示上述制作方法的主要步骤中的产品的图。
图8是表示实施例1中的半导体激光器的结构及晶格常数的图。
图9是表示图8所示的外延衬底的倒易晶格图谱的图。
图10是表示实施例2中的半导体激光器的结构及晶格常数的图。
图11是表示图10所示的外延衬底的倒易晶格图谱的图。
标号说明
10  反应炉
R1  基准面
11、11a、11b III  族氮化物半导体激光二极管(激光二极管)
13  半导体区域
13a 半导体区域主面
15  第一导电型覆层
17  核心半导体区域
19  第一光导层
21  有源层
23  载流子阻挡层
Ax  法线轴
VC13、VC19、VC29  c轴向量
25  量子阱结构
25a 半导体层(阱层)
25b 势垒层
27a、27b  界面
29  第二导电型覆层
31、33、35  第二光导层
37  第二导电型接触层
39  绝缘层
41、45  电极
LVC1～LVC7  晶格向量
V1L～V7L  纵向分量
V1T～V7T  横向分量
43  支撑体
43a  非极性主面
50a、50b、50c  结
51  氮化镓(GaN)衬底
53  氮化镓基半导体层(n型覆层)
55  第一光导层
57  有源层
59  载流子阻挡层
61  光导层
63  第二导电型(p型覆层)氮化镓基半导体层
65  p型接触层
具体实施方式
本发明的见解通过参考作为例示给出的附图来考虑以下的详细描述可以容易地理解。接着，参考附图对本发明的III族氮化物半导体激光二极管、用于III族氮化物半导体激光二极管的外延衬底、以及外延衬底及III族氮化物半导体激光二极管的制作方法的实施方式进行说明。可能的情况下，对同一部分标注同一标号。
图1是示意地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管的图。III族氮化物半导体激光二极管(以下记作“激光二极管”)11包含第一导电型覆层15和核心半导体区域17。核心半导体区域17包含第一光导层19、有源层21和载流子阻挡层23。半导体区域13的主面13a包含第一六方晶系III族氮化物半导体，且显示无极性和半极性中的任意一者。第一六方晶系III族氮化物半导体优选包含例如GaN等氮化镓基半导体。第一导电型覆层15包含第二六方晶系III族氮化物半导体，且设置于半导体区域13的主面13a上。第二六方晶系III族氮化物半导体优选包含例如氮化镓基半导体。第一光导层19包含第三六方晶系III族氮化物半导体，且设置于第一导电型覆层15与有源层21之间。第三六方晶系III族氮化物半导体优选包含例如氮化镓基半导体。载流子阻挡层23包含第四六方晶系III族氮化物半导体。第四六方晶系III族氮化物半导体优选包含例如AlGaN、InAlGaN等氮化镓基半导体。有源层21设置于第一导电型覆层15与载流子阻挡层23之间。第一导电型覆层15、第一光导层19、有源层21及载流子阻挡层23依次排列在半导体区域13的主面13a的法线轴Ax的方向上。
半导体区域13的主面13a相对于基准面R1成10度以上的角度，基准面R1与该第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴(以c轴向量“VC13”表示)正交。另外，主面13a相对于基准面R1可成170度以下的角度。第一导电型覆层15在主面13a上产生晶格弛豫。载流子阻挡层23含有应变。有源层21包含含有应变的半导体层25a。第一光导层19在第一导电型覆层15的主面15a上产生晶格弛豫，主面15a相对于基准面R1成10度以上的角度。另外，主面15a相对于基准面R1可成170度以下的角度。
根据该激光二极管11，半导体区域13的主面13a相对于基准面R1成10度以上的角度，因此第一导电型覆层15的c轴相对于半导体区域13的主面13a而倾斜。因此，第一导电型覆层15在半导体区域13的主面13a上可产生晶格弛豫。通过该晶格弛豫，第一导电型覆层15的第二六方晶系III族氮化物半导体可具有与所需包覆特性相符的组成及膜厚。另外，由于第一光导层19设置于第一导电型覆层15的主面15a上，因此第一光导层19的c轴(c轴向量VC19)相对于半导体区域13的主面13a而倾斜。因此，第一光导层19在第一导电型覆层15的主面15a上可产生晶格弛豫。通过该晶格弛豫，可减小第一导电型覆层15的组成对第一光导层19的第三六方晶系III族氮化物半导体的组成及膜厚的制约。进而，由于在该第一光导层19上设置有有源层21及载流子阻挡层23，因此可减小支撑第一光导层19的半导体的组成对有源层21及载流子阻挡层23的应变的制约。另一方面，由于有源层21及载流子阻挡层23足够薄，因此在这些层21、23中不产生晶格弛豫。
第一六方晶系III族氮化物半导体与第二六方晶系III族氮化物半导体不同，第一导电型覆层15的晶格常数为第二六方晶系III族氮化物半导体所固有的晶格常数(未产生应变的晶格的晶格常数)、或者接近于该固有的晶格常数。第二六方晶系III族氮化物半导体与第三六方晶系III族氮化物半导体不同，第一光导层19的晶格常数为第三六方晶系III族氮化物半导体所固有的晶格常数、或者接近于该固有的晶格常数。另外，第二六方晶系III族氮化物半导体的带隙大于第三六方晶系III族氮化物半导体的带隙，且第二六方晶系III族氮化物半导体的折射率小于第三六方晶系III族氮化物半导体的折射率。
第一导电型覆层15可包含GaN或AlGaN或InAlGaN。该第一导电型覆层15优选为InX1AlY1Ga1-X1-Y1N(0≤X1≤0.50、0≤Y1≤0.50)。另外，第一导电型覆层15的膜厚优选为300nm以上。该第一导电型覆层15提供所需的光限制，且具有可产生晶格弛豫的膜厚。
有源层21的半导体层25a含有与第一光导层19的晶格常数相应的应变。另外，载流子阻挡层23的晶格常数与第四六方晶系III族氮化物半导体所固有的晶格常数不同，载流子阻挡层23含有与第一光导层19的晶格常数相应的应变。另一方面，由于第一导电型覆层15产生了晶格弛豫，因此不含有因第一六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数与第二六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数之间的晶格常数差所引起的应变，或者可减小该应变。另外，由于第一光导层19产生了晶格弛豫，因此不含有因第二六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数与第三六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数之间的晶格常数所引起的应变，或者可减小该应变。
有源层21优选包含InUAlVGa1-U-VN(0≤U≤0.50、0≤V≤0.50)。根据该激光二极管11，有源层21可含有包含各种组成的氮化镓基半导体的半导体层。有源层21优选具有例如量子阱结构25。量子阱结构25包含半导体层25a及势垒层25b。半导体层25a作为阱层发挥作用，势垒层25b对半导体层25a提供载流子势垒。阱层优选包含例如GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN等氮化镓基半导体。势垒层25b优选包含例如GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN等氮化镓基半导体。
在激光二极管11中，有源层21的发光波长优选为250nm以上且600nm以下。该有源层21可发出各种波长范围的光。
第一光导层19可包含例如GaN、InGaN、InAlGaN等。第一光导层19优选包含InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤0.30、0≤T≤0.30)。该第一光导层19提供用于实现所需光限制的折射率，且具有在该第三六方晶系III族氮化物半导体的组成下可产生晶格弛豫的膜厚。
在激光二极管11中，有源层21的膜厚与第一光导层19的膜厚总计优选为200nm以上。有源层21及第一光导层19可传播各种波长范围的光。
为了使第一导电型覆层15在半导体区域13的主面13a上产生晶格弛豫，第一导电型覆层15与半导体区域13的界面27a处的位错优选具有1×108cm-2以上的密度。根据该激光二极管11，通过使用非极性面而生成滑移面，在上述界面处27a产生位错。由于位错密度为1×108cm-2以上，因此第一导电型覆层15在上述界面27a处以足以使第一导电型覆层15引起晶格弛豫的密度含有滑移面。另外，结27a处的位错优选含有刃型位错的成分。通过导入刃型位错，在该结处可缓和由晶格常数差所引起的应变。
由于第一光导层19在第一导电型覆层15的主面15a上产生了晶格弛豫，因此优选第一导电型覆层15与第一光导层19的界面27b处的位错具有1×108cm-2以上的密度。根据该激光二极管11，通过滑移面的生成，在上述界面27b处产生位错。由于位错密度为1×108cm-2以上，因此第一光导层19在上述界面27b处以足以使第一光导层19引起晶格弛豫的密度含有滑移面。另外，界面27b处的位错优选含有刃型位错的成分。通过导入刃型位错，在该结处可缓和由晶格常数差所引起的应变。
激光二极管11优选进一步包含第二导电型覆层29。第二导电型覆层29包含第五六方晶系III族氮化物半导体。第二导电型覆层29设置于载流子阻挡层23上，载流子阻挡层23设置于第二导电型覆层29与有源层21之间。第五六方晶系III族氮化物半导体与第三六方晶系III族氮化物半导体不同，第二导电型覆层29产生晶格弛豫。
根据该激光二极管11，第二导电型覆层29设置于半导体区域13的主面13a上，因此第二导电型覆层29的c轴(以c轴向量VC29表示)相对于半导体区域13的主面13a而倾斜。因此，第二导电型覆层29可产生晶格弛豫。虽然第二导电型覆层29的晶格常数与基底半导体区域的晶格常数之间存在差异，但通过该晶格弛豫，能够扩大第二导电型覆层可适用的组成及膜厚的范围。
第二导电型覆层29可包含GaN或AlGaN或InAlGaN。另外，第二导电型覆层29优选为InX2AlY2Ga1-X2-Y2N(0≤X2≤0.50、0≤Y2≤0.50)。
第二导电型覆层29的膜厚优选为300nm以上。该第二导电型覆层29提供所需的光限制，且具有可产生晶格弛豫的膜厚。
另外，激光二极管11优选进一步包含第二光导层31及33中的至少任意一个半导体层35(31、33)。第二光导层35(以下，以参考标号“35”表示第二光导层)包含第六六方晶系III族氮化物半导体。第二导电型覆层29的晶格弛豫在第二光导层35或载流子阻挡层23上产生。当光导层35由多个半导体层构成时，各个半导体层的膜厚薄于光导层35的总膜厚。
激光二极管11可进一步包含设置于第二导电型覆层29上的第二导电型接触层37。第二导电型接触层37优选包含例如GaN、AlGaN、InAlGaN等氮化镓基半导体。
根据该激光二极管11，第二光导层35隔着有源层21设置于第一光导层19的主面19a上，因而第二光导层35中含有的应变较小。因此，可使第二光导层35(31、33)不产生晶格弛豫。该第二导电型覆层29的晶格弛豫在半导体层35上产生。
激光二极管11进一步包含设置于接触层37上的绝缘层39。绝缘层39具有开口，电极41经由绝缘层39的开口与第二导电型接触层37接触。
第二导电型覆层29的晶格常数为第五六方晶系III族氮化物半导体所固有的晶格常数、或者接近于该固有的晶格常数。第五六方晶系III族氮化物半导体与第六六方晶系III族氮化物半导体不同，第二光导层35的晶格常数为第六六方晶系III族氮化物半导体所固有的晶格常数、或者接近于该固有的晶格常数。第五六方晶系III族氮化物半导体的带隙大于第六六方晶系III族氮化物半导体的带隙，且第五六方晶系III族氮化物半导体的折射率小于第六六方晶系III族氮化物半导体的折射率。
为了使第二导电型覆层29在第二光导层35的主面35a上产生晶格弛豫，优选第二导电型覆层29与第二光导层35的界面27c处的位错具有1×108cm-2以上的密度。根据该激光二极管11，通过因c轴的朝向而生成滑移面，在上述界面27c处产生位错。由于位错密度为1×108cm-2以上，因此第二导电型覆层29在上述界面27c处以足以使第二导电型覆层29引起晶格弛豫的密度含有滑移面。另外，界面27c处的位错优选含有刃型位错的成分。通过导入刃型位错，在该结处可缓和由晶格常数差所引起的应变。
图2是表示构成激光二极管的半导体层的晶格常数的图。
半导体区域13的晶格常数(例如c轴的晶格常数)由晶格向量LVC1表示。晶格向量LVC1表示第一六方晶系III族氮化物半导体中c轴的朝向与该c轴方向的晶格常数d1的大小(a轴及m轴相关的晶格向量也可与c轴同样地规定)。晶格向量LVC1包含法线轴Ax方向的纵向分量V1L和与纵向分量正交的横向分量V1T。另外，第一导电型覆层15的晶格常数(例如c轴的晶格常数)由晶格向量LVC2表示。晶格向量LVC2表示第二六方晶系III族氮化物半导体中c轴的朝向与该c轴方向的晶格常数d2的大小。晶格向量LVC2包含法线轴Ax方向的纵向分量V2L和与纵向分量正交的横向分量V2T。横向分量V1T与横向分量V2T不同。因此，由第一及第二六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数差所引起的应变在第一导电型覆层15中得以减小。
另外，第一光导层19由晶格向量LVC3表示。晶格向量LVC3表示第三六方晶系III族氮化物半导体中的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d3的大小。晶格向量LVC3包含法线轴Ax方向的纵向分量V3L和与纵向分量正交的横向分量V3T，横向分量V2T与横向分量V3T不同。因此，由第二及第三六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数差所引起的应变在第一光导层19中得以减小。
第二导电型覆层29的晶格常数(例如c轴的晶格常数)由晶格向量LVC5表示。晶格向量LVC5表示第五六方晶系III族氮化物半导体中的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d5的大小。晶格向量LVC5包含法线轴Ax方向的纵向分量V5L和与该纵向分量正交的横向分量V5T。优选横向分量V5T与横向分量V3T不同。因此，由第三及第五六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数差所引起的应变在第二导电型覆层29中得以减小。
另外，第二光导层35的晶格常数(例如c轴的晶格常数)由晶格向量LVC6表示。其表示第六六方晶系III族氮化物半导体中的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d6的大小。晶格向量LVC6包含法线轴Ax方向的纵向分量V6L和与该纵向分量正交的横向分量V6T。优选横向分量V6T与横向分量V5T不同。因此，由第五及第六六方晶系III族氮化物半导体的晶格常数差所引起的应变在第二导电型覆层29中得以减小。
第二导电型接触层37的晶格常数(例如c轴的晶格常数)由晶格向量LVC7表示。晶格向量LVC7表示第二导电型接触层37中的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d7的大小。晶格向量LVC7包含法线轴Ax方向的纵向分量V7L和与该纵向分量正交的横向分量V7T。优选横向分量V7T与横向分量V5T基本上相同。因此，第二导电型接触层37在第二导电型覆层29上不产生晶格弛豫。
参考图2，在核心半导体区域17与第一导电型覆层15的结27b处导入了位错，从而在核心半导体区域17的第一光导层19中产生晶格弛豫。核心半导体区域17的其余半导体层以不产生晶格弛豫的方式在第一光导层19上生长。另外，在核心半导体区域17与第二导电型覆层29的结27c处导入了位错，从而在第二光导层35上在第二导电型覆层29中产生晶格弛豫。第二导电型接触层37以不产生晶格弛豫的方式在第二导电型覆层29上生长。第一光导层19、有源层21、载流子阻挡层23及第二光导层35包含于核心半导体区域17内。核心半导体区域17的平均折射率大于第二导电型覆层29的折射率，且大于第一导电型覆层15的折射率。有源层21内的各个半导体层较薄，为临界膜厚以下，因此有源层21与第一光导层19的晶格常数相应地产生应变。载流子阻挡层23包含第四六方晶系III族氮化物半导体，其晶格常数(例如c轴的晶格常数)由晶格向量LVC4表示。晶格向量LVC4的横向分量V4T与第三六方晶系III族氮化物半导体中的横向分量V3T基本上相等。载流子阻挡层23与第一光导层19的晶格常数相应地产生应变。第二光导层35的晶格常数与第一光导层19的晶格常数基本上相等。
图3是示意地表示图1所示的激光二极管的立体图。激光二极管11优选进一步包含支撑体43。第一导电型覆层15、核心半导体区域17及第二导电型覆层29搭载于支撑体43的主面43a上。支撑体43的非极性主面43a可提供包含第一六方晶系III族氮化物半导体的半导体区域13的主面13a。非极性为半极性和无极性中的任意一者。因此，支撑体43的非极性主面43a相对于基准面R1成10度以上的角度。通过使用具有非极性主面43a的支撑体43，可与所给的条件相应地引起半导体的晶格弛豫。支撑体43优选包含AlZGa1-ZN(0≤Z≤1)。根据该支撑体43，不仅可生成半导体的晶格弛豫，而且能可靠地进行结晶质量良好的III族氮化物的生长。例如，支撑体43优选包含GaN、AlGaN或AlN。支撑体43优选具有导电性，例如具有n型导电性。
激光二极管11可进一步包含设置于支撑体43的背面43b上的另一电极45。在一个实施例中，电极41例如为阳极，电极45例如为阴极。在图3所示的例子中，电极41朝一个方向延伸，电极45设置于背面43b的整个面上。
图4是表示本实施方式的外延衬底及III族氮化物半导体激光二极管的制作方法的步骤流程的图。图5～图7是表示上述制作方法的主要步骤中的产品的图。
通过有机金属气相沉积法制作发光元件的外延结构。原料使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)和氨气(NH3)。作为掺杂气体，使用硅烷(SiH4)及双环戊二烯基镁(CP2Mg)。在后续的说明中，作为例如具有非极性主面的III族氮化物半导体衬底，可使用六方晶系氮化镓衬底。作为例如具有无极性主面的III族氮化物半导体衬底，可使用六方晶系无极性氮化镓衬底。或者，作为例如具有半极性主面的III族氮化物半导体衬底，可使用六方晶系半极性氮化镓衬底。在后续的说明中，参考六方晶系半极性氮化镓衬底进行说明。
在步骤S101中，如图5(a)所示，准备氮化镓(GaN)衬底51。GaN衬底51的主面51a自c面朝m面的方向或者自c面朝a面的方向以10～170度的角度倾斜。将GaN衬底51设置于反应炉10内后，在步骤S102中，使用生长炉10进行GaN衬底51的热清洗。在摄氏1050度的温度下，一边向生长炉10内通入包含NH3与H2的气体，一边进行10分钟的热处理。
在步骤S103中，如图5(b)所示，将包含III族原料及氮气原料的原料气体G0供给至生长炉10内，在GaN衬底51的主面51a上外延生长第一导电型(以下，作为“n型”进行说明)氮化镓基半导体层53。氮化镓基半导体层53发挥n型覆层的功能。以使氮化镓基半导体层53产生晶格弛豫的方式在GaN衬底51的主面51a上生长氮化镓基半导体层53。作为氮化镓基半导体层53，例如生长掺杂Si的AlGaN覆层。非极性面上晶格弛豫的有无可通过所生长的AlGaN半导体的组成、膜厚及晶格常数差而进行控制。该晶格常数差由GaN衬底51的主面51a的GaN和与其形成结的氮化镓基半导体层53的AlGaN来规定。该AlGaN层的厚度例如为2μm。氮化镓基半导体层53的Al含量例如为0.08。AlGaN层的膜厚在该含量下超过临界膜厚。原料气体G0例如包含TMG、TMA、NH3、SiH4，生长温度例如为摄氏1150度。由于氮化镓基半导体层53产生了晶格弛豫，因此在衬底51与氮化镓基半导体层53的结50a处生成多数位错(例如错配位错)。
然后，在步骤S104中，在氮化镓基半导体层53上生长核心半导体区域。首先，在步骤S105中，如图5(c)所示，将包含III族原料及氮气原料的原料气体G1供给至生长炉10内，在氮化镓基半导体层53上外延生长第一光导层55。以使第一光导层55产生晶格弛豫的方式在氮化镓基半导体层53的主面53a上生长第一光导层55。该光导层55例如包含非掺杂GaN。该GaN的膜厚例如为300纳米。根据需要，也可对光导层55的一部分区域或全部区域实施n型掺杂。非极性面上晶格弛豫的有无可通过所生长的GaN半导体的组成、膜厚及晶格常数差而进行控制。该晶格常数差由Al含量为0.08的AlGaN层53的主面53a的AlGaN和与其形成结的光导层55的GaN来规定。光导层55的膜厚在该含量下超过临界膜厚。该GaN的生长温度例如为摄氏1150度。原料气体G1例如包含TMG、NH3。由于光导层55产生了晶格弛豫，因此在氮化镓基半导体层53与光导层55的结50b处生成多数位错(例如错配位错)。
接着，如图6(a)所示，在步骤S106中，生长具有量子阱结构的有源层57。在生长光导层55后，使衬底温度下降至摄氏870度。在步骤S107中，将包含III族原料及氮气原料的原料气体供给至生长炉10内，在摄氏870度的衬底温度下，在InGaN光导层55上生长GaN势垒层。用于GaN势垒层的原料气体例如包含TMG、NH3。该GaN势垒层的厚度例如为15nm。然后，使衬底温度下降至摄氏750度。在步骤S108中，将包含III族原料及氮气原料的原料气体供给至生长炉10内，在摄氏750度的衬底温度下，在GaN势垒层上外延生长非掺杂InGaN阱层。InGaN阱层的厚度例如为3nm。InGaN阱层的In含量例如为0.25。在必要的情况下，重复进行势垒层及阱层的生长，以生长有源层57。有源层57的势垒层及阱层的厚度分别薄于势垒层及阱层的临界膜厚，因此例如阱层中含有应变。
在步骤S109中，使衬底温度上升至摄氏1000度后，将包含III族原料及氮气原料的原料气体G2导入至生长炉10内，如图6(a)所示，在有源层57上外延生长载流子阻挡层(此处，对电子进行阻挡)59。原料气体G2例如包含TMG、TMA、NH3和CP2Mg。载流子阻挡层59的厚度例如为10nm，其Al含量例如为0.12。由于载流子阻挡层59的厚度薄于其临界膜厚，因此载流子阻挡层59中含有应变。
在步骤S110中，在摄氏900度的衬底温度下，将包含III族原料及氮气原料的原料气体G3供给至生长炉10内，与光导层55同样地外延生长非掺杂GaN光导层61。该光导层61以不使光导层61产生晶格弛豫的方式生长。在多数情况下，光导层61的组成等同于或者非常接近于光导层55的组成，因此光导层61的应变也为零或者非常小。光导层61的厚度薄于临界膜厚。
必要的情况下，可在载流子阻挡层59的生长之前生长光导层61。另外，在光导层61的生长中，可在载流子阻挡层59的生长之前先生长一部分光导层61，并可在载流子阻挡层59的生长之后再生长光导层61的其余部分。此时，可对在载流子阻挡层59的生长后所生长的光导层61的区域实施p型掺杂。
然后，在步骤S 111中，将包含III族原料及氮气原料的原料气体G4导入至生长炉10内，如图7(a)所示，在第二光导层61上外延生长第二导电型(以下作为“p型”进行说明)氮化镓基半导体层63。氮化镓基半导体层63发挥p型覆层的功能。在第二光导层61的主面61a上以使氮化镓基半导体层63产生晶格弛豫的方式生长氮化镓基半导体层63。作为氮化镓基半导体层63，例如生长掺杂Mg的AlGaN覆层。非极性面上晶格弛豫的有无可通过所生长的AlGaN半导体的组成、膜厚及晶格常数差而进行控制。该晶格常数差由第二光导层61的主面61a的GaN和与其形成结50c的氮化镓基半导体层63的AlGaN来规定。该AlGaN层的厚度例如为400纳米。氮化镓基半导体层63的Al含量例如为0.08。该AlGaN层的膜厚超过临界膜厚。原料气体G4例如包含TMG、TMA、NH3、CP2Mg。生长温度例如为摄氏900度。由于氮化镓基半导体层63产生了晶格弛豫，因此在第二光导层61与氮化镓基半导体层63的结50c处生成多数位错(例如错配位错)。
接着，在步骤S112中，将包含III族原料及氮气原料的原料气体G5导入至生长炉10内，如图7(b)所示，在p型的氮化镓基半导体层63上外延生长p型接触层65。原料气体G5例如包含TMG、NH3、CP2Mg。p型接触层65的厚度例如为50nm。由于p型接触层65的厚度薄于其临界膜厚，因此p型接触层65中含有应变。
在步骤S113中，在形成具有接触窗的绝缘膜后，在外延衬底EP1的p型氮化镓基半导体区域上形成阳极电极从而与p型接触层65形成电连接，并且根据需要对衬底51的背面51b进行研磨后，在研磨背面形成阴极电极。这些电极例如通过蒸镀来制作。
(实施例1)
图8是表示实施例1中的半导体激光器的结构及应变的图。以如下方式制作半导体激光器11a。准备(20-21)面GaN衬底71。进行热清洗后，在GaN衬底71的(20-21)面上生长n型Al0.08Ga0.92N覆层72。其生长温度为摄氏1150度，其膜厚为2微米。在n型Al0.08Ga0.92N覆层72上生长GaN光导层73a。其生长温度为摄氏1150度，其膜厚为300纳米。
在GaN光导层73a上生长有源层74。在有源层74的生长中，交替地生长GaN势垒层74a及In0.25Ga0.75N阱层74b。势垒层74a的生长温度为摄氏870度，其膜厚为15纳米。阱层74b的生长温度为摄氏750度，其膜厚为3纳米。在有源层74上生长GaN光导层73b。其生长温度为摄氏900度，其膜厚为50纳米。然后，在GaN光导层73b上生长Al0.12Ga0.88N电子阻挡层75。生长温度为摄氏900度，其膜厚为10纳米。之后，在电子阻挡层75上生长GaN光导层73c。生长温度为摄氏900度，其膜厚为250纳米。
在GaN光导层73c上生长p型Al0.08Ga0.92N覆层76。其生长温度为摄氏900度，其膜厚为400纳米。在p型覆层76上生长p型GaN接触层77。其生长温度为摄氏900度，其膜厚为50纳米。在p型GaN接触层77上生长硅氧化膜后，使用光刻法在硅氧化膜上形成接触窗。接触窗为宽度10微米的条形。在接触窗及硅氧化膜上形成阳极电极，并且在GaN衬底71的背面形成阴极电极。阳极电极包含Ni/Au。阴极电极包含Ti/Al。焊垫电极包含Ti/Au。以800微米的间隔对该衬底产品进行解理，制作增益导引型激光器。
该增益导引型激光器11a以500nm的波长产生激光振荡。阈值电流为20kA/cm2。在图8中，由于半导体层72产生了晶格弛豫，因此半导体层72的晶格常数不受基底的半导体71的晶格常数的制约。例如，在图8中，表示半导体71的图形的横向宽度及表示半导体层72的图形的横向宽度显示出元件中各晶格常数的大小关系。由于半导体层72、半导体层73a及半导体76产生了晶格弛豫，因此结78a、78b、78c的位错密度大于核心半导体区域(73a、74、73b、75、73c)内的结的位错密度。
图9是表示图8所示的外延衬底的倒易晶格图谱的图。参考图9，信号SSUB表示来自GaN衬底的信号，信号SCORE表示来自核心半导体区域的信号，信号SCLAD表示来自包覆半导体区域的信号。这些信号的峰值强度并未排列在与纵轴平行地延伸的直线上，因此三个半导体区域的晶格常数互不相同。在倒易晶格图谱中，当信号峰排列在与纵轴平行的线段上时，这些信号所对应的半导体的晶格常数的横向分量在各个界面处相同。因此，图9表示在衬底与n型覆层的界面处、n型覆层与下侧光导层的界面处及上侧光导层与p型覆层的界面处产生了晶格弛豫。
由于n型覆层及p型覆层产生了晶格弛豫，因此可获得无裂纹且铝含量高的覆层。因此，根据该半导体激光器11a，可提高光限制。
光导层相对于n型覆层产生了晶格弛豫，与在n型覆层上共格生长的光导层相比，产生晶格弛豫后的光导层可减小有源层的应变。在产生晶格弛豫后的光导层上生长有源层时，该有源层的应变量可等同于或者小于在GaN衬底上共格生长的有源层的应变量。因此，可抑制由有源层的应变所导致的光输出的降低。
因此，根据实施例1，可同时提高光限制及维持光输出。因此，可降低振荡阈值。
(实施例2)
图10是表示实施例2中的半导体激光器的结构及应变的图。以如下方式制作半导体激光器11b。准备(20-21)面GaN衬底81。进行热清洗后，在GaN衬底81的(20-21)面上生长n型Al0.08Ga0.92N覆层82。其生长温度为摄氏1150度，其膜厚为2微米。在n型Al0.08Ga0.92N覆层82上生长In0.03Ga0.97N光导层83a。其膜厚为300纳米。
在光导层83a上生长有源层84。在有源层84的生长中，交替地生长In0.03Ga0.97N势垒层84a及In0.25Ga0.75N阱层84b。势垒层84a的膜厚为15纳米。阱层84b的膜厚为3纳米。在有源层84上生长In0.03Ga0.97N光导层83b。其膜厚为50纳米。然后，在光导层83b上生长Al0.12Ga0.88N电子阻挡层85。生长温度为摄氏900度，其膜厚为10纳米。之后，在电子阻挡层85上生长In0.03Ga0.97N光导层83c。其膜厚为250纳米。
在光导层83c上生长p型Al0.08Ga0.92N覆层86。其生长温度为摄氏900度，其膜厚为400纳米。在p型覆层86上生长p型GaN接触层87。其生长温度为摄氏900度，其膜厚为50纳米。在p型GaN覆层87上生长硅氧化膜后，使用光刻法在硅氧化膜上形成接触窗。接触窗为宽度10微米的条形。在接触窗及硅氧化膜上形成阳极电极，并且在GaN衬底81的背面形成阴极电极。阳极电极包含Ni/Au。阴极电极包含Ti/Al。焊垫电极包含Ti/Au。以800微米的间隔对该衬底产品进行解理，制作增益导引型激光器。
该增益导引型激光器11b以500nm的波长产生激光振荡。阈值电流为10kA/cm2。如图10所示，由于半导体层82产生了晶格弛豫，因此半导体层82的晶格常数不受基底的半导体81的晶格常数的制约。例如，表示半导体81的图形的横向宽度及表示半导体层82的图形的横向宽度显示出其晶格常数的大小关系。由于半导体层82、半导体层83a及半导体86产生了晶格弛豫，因此结88a、88b、78c的位错密度大于其它结的位错密度。
图11是表示图10所示的外延衬底的倒易晶格图谱的图。参考图11，信号SSUB表示来自GaN衬底的信号，信号SCORE表示来自核心半导体区域的信号，信号SCLAD-P表示来自p型包覆半导体区域的信号，信号SCLAD-N表示来自n型包覆半导体区域的信号。这些信号的峰值强度并未排列在与纵轴平行地延伸的直线上，因此四个半导体区域的晶格常数互不相同。因此，图11表示在衬底与n型覆层的界面88a处、n型覆层与下侧光导层的界面88b处及上侧光导层与p型覆层的界面88c处产生了晶格弛豫。
下侧光导层相对于n型覆层产生了晶格弛豫，在InGaN生长中，可在不产生黑化的情况下生长InGaN厚膜。另外，可提高In含量，因此可增大覆层/光导层间的折射率差。因此，可提高光限制性。另外，由于n型覆层及p型覆层产生了晶格弛豫，因此可获得无裂纹且铝含量高的覆层。因此，根据该半导体激光器11b，可提高光限制。
光导层相对于n型覆层产生了晶格弛豫，与在n型覆层上共格生长的光导层相比，产生晶格弛豫后的光导层可减小有源层的应变。在产生晶格弛豫后的光导层上生长有源层时，该有源层的应变量可小于在GaN衬底上共格生长的有源层的应变量。因此，可抑制由有源层的应变所导致的光输出的降低。
因此，根据实施例2，可同时提高光限制及维持光输出。因而，可降低振荡阈值。
实施例1及实施例2中使用的是显示半极性的GaN衬底，但在使用显示无极性的GaN衬底而制作的半导体激光器中，也可获得同样的技术性贡献。另外，半极性主面的倾斜角优选在10度以上且80度以下、以及100度以上且170度以下的范围内。进而，半极性主面的倾斜角更优选在63度以上且80度以下、以及100度以上且117度以下的范围内。
在优选实施方式中对本发明的原理进行了图示说明，但本领域技术人员应当认识到，本发明可在不脱离其原理的范围内对配置及细节加以变更。本发明并不限定于本实施方式中所公开的特定构成。因此，请求保护权利要求书的范围及根据其精神范围而得到的所有修正及变更。
产业实用性
当为了加强有源层中的光限制而提高激光二极管结构的AlGaN覆层的Al含量时，六方晶系GaN的c面主面上的AlGaN会产生裂纹。另外，当提高In含量并且形成超过InGaN的临界膜厚的InGaN光导层时，外延膜的表面会发黑。
另外，特别是在制作长波长及短波长的发光元件时，有源层与GaN衬底的晶格常数差增大。因此，有源层中会含有较大的应变，因而发光效率降低。
在GaN的c面上，不存在用于缓和应变的适当的滑移面，因此，结果是InGaN有源层中含有较大的应变，在AlGaN覆层上会产生裂纹。
作为显示半极性及无极性的半导体区域，可使用m面、a面及围绕c轴旋转的无极性面、以及自c面朝m面或a面方向倾斜10度以上的半极性面。在这些非极性面上进行外延生长时，外延膜中会生成滑移面。因此，通过导入位错可释放出部分或全部应变，因此在Al含量较高的AlGaN覆层中也不会产生裂纹，且可形成In含量较高的InGaN而不产生黑化。
另外，通过在衬底与有源层之间设置产生了晶格弛豫的半导体层，可使有源层的基底的半导体层的晶格常数接近于有源层的晶格常数。此时，可制作出能减小有源层的应变的结构。
对于无极性面及半极性面，在制作异质结时，容易生成滑移面而产生位错。利用这一点，通过导入受控的位错，可缓和半导体层的应变，可生长无裂纹且Al含量较高的AlGaN及In含量较高的InGaN。

Claims (26)

1.一种III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，
包含：
第一导电型覆层，其设置于包含第一六方晶系III族氮化物半导体的半导体区域的主面上，并包含第二六方晶系III族氮化物半导体，
第一光导层，其设置于所述第一导电型覆层上，并包含第三六方晶系III族氮化物半导体，
载流子阻挡层，其包含第四六方晶系III族氮化物半导体，和
有源层，其设置于所述第一导电型覆层与所述载流子阻挡层之间；
所述半导体区域的所述主面相对于与该第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴正交的基准面成10度以上的角度，
所述第一导电型覆层在所述半导体区域的所述主面上产生晶格弛豫，
所述第一导电型覆层、所述第一光导层、所述有源层及所述载流子阻挡层排列在所述半导体区域的所述主面的法线轴的方向上，
所述载流子阻挡层中含有应变，且所述有源层包含含有应变的半导体层，
所述第一光导层在所述第一导电型覆层的主面上产生晶格弛豫，
所述半导体区域的所述主面显示无极性和半极性中的任意一者，
所述第一导电型覆层在所述半导体区域的所述主面上产生晶格弛豫。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，
所述第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d1的大小由晶格向量LVC1表示，
所述第二六方晶系III族氮化物半导体的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d2的大小由晶格向量LVC2表示，
所述晶格向量LVC1包含所述法线轴方向的纵向分量V1L和与所述纵向分量正交的横向分量V1T，
所述晶格向量LVC2包含所述法线轴方向的纵向分量V2L和与所述纵向分量正交的横向分量V2T，
所述横向分量V1T与所述横向分量V2T不同。
3.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，
所述第三六方晶系III族氮化物半导体的c轴方向与该c轴方向的晶格常数d3的大小由晶格向量LVC3表示，
所述晶格向量LVC3包含所述法线轴方向的纵向分量V3L和与所述纵向分量正交的横向分量V3T，
所述横向分量V2T与所述横向分量V3T不同。
4.如权利要求1至3中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，
还包含设置于所述载流子阻挡层上的第二导电型覆层，该第二导电型覆层包含第五六方晶系III族氮化物半导体，
所述载流子阻挡层设置于所述第二导电型覆层与所述有源层之间，
所述第五六方晶系III族氮化物半导体与所述第三六方晶系III族氮化物半导体不同，
所述第二导电型覆层产生晶格弛豫。
5.如权利要求4所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，
还包含设置于所述第二导电型覆层与所述有源层之间的第二光导层，该第二光导层包含第六六方晶系III族氮化物半导体，
所述第二导电型覆层的所述晶格弛豫在所述第二光导层上产生。
6.如权利要求4或5所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述第二导电型覆层为InX2AlY2Ga1-X2-Y2N(0≤X2≤0.50、0≤Y2≤0.50)。
7.如权利要求4至6中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述第二导电型覆层的膜厚为300nm以上。
8.如权利要求1至7中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述第一导电型覆层为InX1AlY1Ga1-X1-Y1N(0≤X1≤0.50、0≤Y1≤0.50)。
9.如权利要求1至8中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述第一导电型覆层的膜厚为300nm以上。
10.如权利要求1至9中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述有源层包含InUAlVGa1-U-VN(0≤U≤0.50、0≤V≤0.50)。
11.如权利要求1至10中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述有源层的发光波长为250nm以上且600nm以下。
12.如权利要求1至11中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述第一光导层包含InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤0.30、0≤T≤0.30)。
13.如权利要求1至12中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述有源层的膜厚与所述第一光导层的膜厚总计为300nm以上。
14.如权利要求1至13中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述第一导电型覆层与所述第一光导层的界面处的位错具有1×108cm-2以上的密度。
15.如权利要求14所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述位错含有刃型位错的成分。
16.如权利要求1至15中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，
还包含具有非极性主面的支撑体，
所述第一导电型覆层设置于所述支撑体的所述主面上，
所述支撑体的所述非极性主面提供包含所述第一六方晶系III族氮化物半导体的所述半导体区域的主面。
17.如权利要求16所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述支撑体包含AlZGa1-ZN(0≤Z≤1)。
18.如权利要求16或17所述的III族氮化物半导体激光二极管，其特征在于，所述支撑体包含GaN。
19.一种III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
包括如下步骤：
在包含第一六方晶系III族氮化物半导体的半导体区域的主面上，生长包含第二六方晶系III族氮化物半导体的第一导电型覆层，以使该第一导电型覆层产生晶格弛豫，
在所述第一导电型覆层上生长包含第三六方晶系III族氮化物半导体的第一光导层，以使该第一光导层产生晶格弛豫，
在所述第一光导层上生长有源层，和
在所述有源层上生长包含第四六方晶系III族氮化物半导体的载流子阻挡层；且
所述半导体区域的所述主面相对于与该第一六方晶系III族氮化物半导体的c轴正交的基准面成10度以上的角度，
所述半导体区域的所述主面显示无极性和半极性中的任意一者，
所述载流子阻挡层中含有应变，
所述有源层包含含有应变的半导体层。
20.如权利要求19所述的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
还包括如下步骤：
在所述载流子阻挡层上生长包含第五六方晶系III族氮化物半导体的第二导电型覆层，以使该第二导电型覆层的该第五六方晶系III族氮化物半导体产生晶格弛豫；且
所述第五六方晶系III族氮化物半导体与所述第三六方晶系III族氮化物半导体不同，
所述第二导电型覆层产生晶格弛豫。
21.如权利要求20所述的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
所述第二导电型覆层包含InAlGaN，
在该第五六方晶系III族氮化物半导体的铝含量及铟含量下，所述第二导电型覆层的膜厚大于临界膜厚。
22.如权利要求20或21所述的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
还包括如下步骤：
在所述第二导电型覆层生长之前，在所述有源层上生长包含第六六方晶系III族氮化物半导体的第二光导层，以使该第二光导层不产生晶格弛豫；且
所述第二导电型覆层的所述晶格弛豫在所述第二光导层上产生。
23.如权利要求22所述的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
所述第二光导层包含InGaN，
在该第六六方晶系III族氮化物半导体的铟含量下，所述第二光导层的膜厚小于临界膜厚。
24.如权利要求19至23中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
所述第一导电型覆层包含InAlGaN，
在该第二六方晶系III族氮化物半导体的铝含量及铟含量下，所述第一导电型覆层的膜厚大于临界膜厚。
25.如权利要求19至24中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
所述第一光导层包含InGaN，
在该第三六方晶系III族氮化物半导体的铟含量下，所述第一光导层的膜厚大于临界膜厚。
26.如权利要求19至25中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管的制作方法，其特征在于，
还包括如下步骤：
准备具有非极性主面的衬底，该衬底包含第一六方晶系III族氮化物半导体；且
所述半导体区域的所述主面由所述非极性主面提供，
所述衬底包含GaN、AlGaN及AlN中的任意一者。
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