CN102549781B - 制作半导体发光元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向的制作半导体发光元件的方法。在步骤S104中，一面对基板产物施加偏压，一面进行基板产物的光致发光的测定，而获得基板产物的光致发光的偏压依赖性，该基板产物通过以所选择的一个或多个倾斜角生长用于发光层的量子阱构造、p型及n型氮化镓系半导体层而形成。在步骤S105中，根据偏压依赖性进行基板主面的所选择的各倾斜角各自在发光层的压电极化的朝向的预测。在步骤S106中，基于预测而判断应使用与基板主面对应的倾斜角及与基板主面的背面对应的倾斜角的哪一个，从而选择用以制作半导体发光元件的生长基板的面取向。将用于半导体发光元件的半导体叠层形成于生长基板的主面上。

Description

制作半导体发光元件的方法
技术领域
本发明涉及一种制作半导体发光元件的方法。
背景技术
非专利文献1中记载有一种使用GaN基板的发光二极管。该发光二极管形成于GaN基板的(11-2-2)面上。该(11-2-2)面显示半极性。发光二极管具有由InGaN/GaN构成的单一量子阱构造的发光层，其发光波长为600nm。
非专利文献2中记载有一种使用GaN基板的激光二极管。该激光二极管形成于GaN基板的(10-1-1)面上。该(10-1-1)面显示半极性。激光二极管具有由InGaN/GaN构成的多重量子阱构造的发光层，其发光波长为405.9nm(蓝紫色)。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：Mitsuru FUNATO et.al.“Blue，Green，and AmberInGaN/GaN Light-Emitting Diodes on Semipolar{11-22}GaN BulkSubstrates”，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.45，No.26，2006，pp.L659-L662，
非专利文献2：Anurag TYAGI et.al.“Semipolar(10-1-1)InGaN/GaN Laser Diodes on Bulk GaN Substrates，”Japanese Journal of AppliedPhysics，Vol.46，No.19，2007，pp.L444-L445
发明内容
发明要解决的问题
如非专利文献1及非专利文献2所示，在GaN基板的半极性面上制作氮化镓系半导体发光元件。氮化镓系半导体显示压电极化，其影响涉及发光特性的各个层面。
另一方面，在c面上制作的发光元件中，压电极化会引起以蓝移为代表的发光波长的移位，从而会引起空穴的波动函数与电子的波动函数的空间分离而使发光效率降低。但是，根据发明人等的见解，并非压电极化一概为零就对发光元件较佳，也有通过压电极化的利用可改善发光特性的情形。即，压电极化的影响在发光特性中不只是表现在单一的侧面，也可能表现在若干个侧面上，此时，有期望将若干个发光特性中的某个特性优化的情形，也有期望将折衷关系的若干个发光特性各自调整好的情形。
压电极化与内含于结晶内的应变相关。发光元件的发光层的应力依赖于用于半导体发光元件的基板主面的面取向、生长于该基板主面上的半导体叠层的构造。此外，发光特性与例如发光层的压电极化的朝向相关联。因此，关于压电极化的朝向，在适用于发光元件的实际的半导体叠层中，并不容易实验性地预测压电极化的朝向。
本发明在于提供一种可将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向的制作半导体发光元件的方法。
用于解决问题的技术手段
本发明的一个方式为制作半导体发光元件的方法。该方法包含以下步骤：(a)为预测发光层的压电极化的朝向，而选择用于包含III族氮化物半导体的基板主面的一个或多个倾斜角的步骤；(b)准备提供包含III族氮化物半导体且具有上述选择的倾斜角的基板主面的基板的步骤；(c)以上述选择的倾斜角生长用于上述发光层的量子阱构造、p型及n型氮化镓系半导体层，准备基板产物的步骤；(d)一面对上述基板产物施加偏压一面进行上述基板产物的光致发光的测定，而获得上述基板产物的光致发光的偏压依赖性的步骤；(e)根据上述测定的偏压依赖性，预测上述基板主面的上述选择的倾斜角各自在上述发光层的压电极化的朝向的步骤；(f)基于上述预测而判断应使用与上述基板主面对应的倾斜角及与上述基板主面的背面对应的倾斜角的哪一个，从而选择用以制作上述半导体发光元件的生长基板的面取向的步骤；及(g)将用于上述半导体发光元件的半导体叠层形成于上述生长基板的主面上的步骤。上述生长基板的上述主面由上述III族氮化物半导体构成，上述倾斜角由上述基板主面与上述III族氮化物半导体的(0001)面所形成的角度规定，上述半导体叠层包含第1III族氮化物半导体区域、发光层及第2III族氮化物半导体区域，上述发光层设置于上述第1III族氮化物半导体区域与上述第2III族氮化物半导体区域之间，上述发光层包含阱层及势垒层，上述阱层及上述势垒层各自沿着相对于与基准轴正交的面倾斜的基准平面而延伸，所述基准轴在上述III族氮化物半导体的c轴上延伸，上述阱层由第1氮化镓系半导体构成，上述势垒层由与上述第1氮化镓系半导体不同的第2氮化镓系半导体构成，上述阱层内含应变，上述第1III族氮化物半导体区域包含一个或多个n型III族氮化物半导体层，上述第2III族氮化物半导体区域包含一个或多个p型III族氮化物半导体层。
根据该方法，由于一面对基板产物施加偏压一面进行基板产物的光致发光的测定，因此可获得基板产物的光致发光的偏压依赖性。光致发光的偏压依赖性包含关于压电极化的朝向的信息。基于压电极化的朝向的预测，可判断应使用与基板主面对应的倾斜角及与基板主面的背面对应的倾斜角的哪一个。其后，选择用于制作半导体发光元件的生长基板的面取向。由于在该生长基板的主面上形成用于半导体发光元件的半导体叠层，因此在半导体发光元件的制作中，可将发光层的压电极化的朝向选择为适宜方向。
本发明的方法可还具备根据上述压电极化的朝向的预测，对应于上述压电极化的正负符号而进行包含上述多个倾斜角的角度范围的划分的步骤。上述判断基于上述划分而进行。
根据该方法，在压电极化的朝向的预测中，可使压电极化的正负符号明确。根据该符号可将包含多个倾斜角的角度范围划分为表示正压电极化的角度范围及/或表示负压电极化的角度范围。
在本发明的方法中，上述基板产物可使用III族氮化物基板制作。根据该方法，可辨别与III族氮化物基板和发光层的关系相关的压电极化的符号。
在本发明的方法中，上述发光层的发光波长可为460nm以上550nm以下。根据该方法，在上述波长范围内，可将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向。
在本发明的方法中，在选择上述多个倾斜角的上述步骤中，可选择表示2个以上面取向的角度。根据2个角度各自的压电极化的朝向，可预测该2个角度间的范围的压电极化的朝向的符号。或者，在本发明的方法中，在选择上述多个倾斜角的上述步骤中，可选择表示3个以上面取向的角度。根据3个角度各自的压电极化的朝向，可预测相邻的2个角度间的范围各自的压电极化的朝向的符号。例如，一方的角度范围为正压电极化，一方的角度范围为负压电极化；双方的角度范围为正压电极化；双方的角度范围为负压电极化。
在本发明的方法中，上述生长基板的上述面取向可包含于上述倾斜角为40度以上140度以下的角度范围内。根据该方法，在表示自极性面分离的实用性面取向的角度范围内，可辨别压电极化的符号。
在本发明的方法中，上述阱层可由InGaN构成，上述势垒层可由InGaN或GaN构成，上述阱层的压缩应变可由源自上述势垒层的应力引起，上述基板产物可使用GaN基板制作。根据该方法，在作为用于活性层的实用性材料的InGaN及GaN的活性层中，可辨别压电极化的符号。
在本发明的方法中，上述生长基板的主面可以使上述阱层的压电极化的朝向自上述n型III族氮化物半导体层朝上述p型III族氮化物半导体层的方式进行选择。
根据该方法，基于压电极化的朝向相关的预测而调整应使用与基板主面对应的倾斜角及与基板主面的背面对应的倾斜角的哪一个，可对阱层提供期望的压电极化。
在本发明的方法中，上述发光层可具有多重量子阱构造，且上述势垒层的带隙能量与上述阱层的带隙能量之差可为0.7eV以上。
根据该方法，在上述带隙能量差为0.7eV以上的发光层中，可将电子供给到多重量子阱构造整体。
本发明的方法可还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述n型III族氮化物半导体层朝上述p型III族氮化物半导体层的正方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述正方向压电极化的倾斜角。
根据该方法，当期望的压电极化为正方向时，应准备的生长基板具有提供表示正方向压电极化的倾斜角的主面。
本发明的方法可还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述p型III族氮化物半导体层朝上述n型III族氮化物半导体层的负方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述负方向压电极化的倾斜角的面取向的背面。
根据该方法，当期望的压电极化为正方向时，应准备的生长基板具有提供表示负方向压电极化的倾斜角的面取向的背面的主面。
在本发明的方法中，上述生长基板的面取向可在40度以上50度以下及较90度大而130度以下的角度范围内。根据该方法，利用正压电极化，可将电子供给到多重量子阱构造整体。此外，在本发明的方法中，上述生长基板的面取向可为例如{10-12}面、{11-2-2}面、{10-1-1}面及{20-2-1}面中的任一面。
在本发明的方法中，上述生长基板的主面可以使上述阱层的压电极化的朝向自上述p型III族氮化物半导体层朝上述n型III族氮化物半导体层的方式进行选择。
根据该方法，基于压电极化的朝向相关的预测而调整应使用与基板主面对应的倾斜角及与基板主面的背面对应的倾斜角的哪一个，可对阱层提供期望的压电极化。
本发明的方法可还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述n型III族氮化物半导体层朝上述p型III族氮化物半导体层的正方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述正方向压电极化的倾斜角的面取向的背面。
根据该方法，当期望的压电极化为负方向时，应准备的生长基板具有提供表示正方向压电极化的倾斜角的面取向的背面的主面。
本发明的方法可还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述p型III族氮化物半导体层朝上述n型III族氮化物半导体层的负方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述负方向压电极化的倾斜角。
根据该方法，当期望的压电极化为负方向时，应准备的生长基板具有提供表示负方向压电极化的倾斜角的主面。
在本发明的方法中，上述第2III族氮化物半导体区域可包含比上述势垒层的带隙大的氮化镓系半导体层，上述第2III族氮化物半导体区域的上述氮化镓系半导体层可相邻于上述发光层，上述氮化镓系半导体层可包含电子阻挡层，上述生长基板的主面可在63度以上80度以下的角度范围内，上述基板产物可使用GaN基板制作。根据该方法，由于氮化镓系半导体层相邻于发光层，因此电子阻挡层可对发光层施加压缩应变。因此，可在宽幅的波长范围内进行发光波长的选择，且可利用负压电极化降低源自发光层的电子泄漏。在上述角度范围内可提供良好的铟掺入。此外，在本发明的方法中，上述半极性主面可为例如{20-21}面。
在本发明的方法中，上述倾斜角可被规定为使上述III族氮化物半导体的c轴朝m轴方向倾斜的角度。或者，在本发明的方法中，上述倾斜角可被规定为使上述III族氮化物半导体的c轴朝a轴方向倾斜的角度。
本发明的上述目的及其它目的、特征及优点可由参照附图进行的本发明的优选实施方式的以下详细记载，而更加明确。
发明效果
如以上说明，根据本发明，可提供制作半导体发光元件的方法，该方法可将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向。
附图说明
图1是表示本实施方式的制作III族氮化物半导体发光元件的方法的主要步骤的图。
图2是表示本实施方式的制作III族氮化物半导体发光元件的方法的主要步骤的图。
图3是表示本实施方式的形成氮化物系半导体光元件的方法及形成外延晶圆的方法的主要步骤的图。
图4是表示本实施方式的形成氮化物系半导体光元件的方法及形成外延晶圆的方法的主要步骤的图。
图5是表示本实施方式的形成氮化物系半导体光元件的方法及形成外延晶圆的方法的主要步骤的图。
图6是说明偏压依赖性的PL测定的图。
图7是表示装置1～装置9的LED构造的图。
图8是一览显示装置1～装置9的主面的面取向、偏离角(角度α)及发光波长的图。
图9是表示PL测定时偏压施加所引起的能带图的变化的图。
图10是表示PL测定时偏压施加所引起的能带图的变化的图。
图11是表示具代表性的PL光谱的偏压依赖性测定结果的图。
图12是表示PL峰值波长的移位量与偏离角的关系的图。
图13是表示装置7及装置5的电压-电流特性的测定结果的图。
图14是表示装置9及装置8的电压-电流特性的测定结果的图。
图15是表示发光层的能带的图。
图16是说明内含应变的发光层的压电电场的方向的图。
图17是说明内含应变的发光层的压电电场的方向的图。
标号说明
10生长炉
11生长基板
13氮化镓系半导体区域
15活性层
17势垒层
19阱层
21势垒层
23发光层
25、27、29氮化镓系半导体层
31第2导电型氮化镓系半导体区域
33电子阻挡层
35p型包覆层
37p型接触层
E  外延晶圆
71GaN基板
72n型GaN导引层
73n型InGaN应变缓和层
74发光层
75p型AlGaN电子阻挡层
76p型GaN接触层
77绝缘膜
78阳极电极
79阴极电极
具体实施方式
本发明的见解可通过参照例示所示的附图并考虑以下详细记载而容易地理解。以下，一面参照附图一面说明本发明的制作半导体发光元件的方法的实施方式。在可能情形下，对同一部分标注同一标号。
图1及图2为表示本实施方式的制作III族氮化物半导体发光元件的方法的主要步骤的图。接下来说明可将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向的制作半导体发光元件的方法。参照图1及图2，在步骤S101～步骤S111中示出了将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向的顺序，在步骤S112中示出了形成III族氮化物半导体发光元件的方法。首先，说明在步骤S112示出的III族氮化物半导体发光元件的形成，而后说明将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向的顺序。
图3～图5为表示本实施方式的形成氮化物系半导体光元件的方法及形成外延晶圆的方法的主要步骤的图。如图3的(a)部所示，在步骤S201中，准备用以形成氮化物系半导体光素及外延晶圆的生长基板11。生长基板11可由例如六方晶系半导体InsAlTGa1-S-TN(0≤S≤1、0≤T≤1、0≤S+T≤1)构成，可为例如GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN等。生长基板11具有主面11a及背面11b。参照图3的(a)部，记载有表示生长基板11的六方晶系半导体的c轴方向的向量VC2及主面11a的法线向量VN，向量VC2表示{0001}面的朝向。根据该生长基板11，可提供生长用的主面具有倾斜角(偏离角)β的半极性。
生长基板11的主面11a的倾斜角以该六方晶系半导体的{0001}面为基准而规定。在使用GaN基板的实施例中，当生长基板11的倾斜角β包含于40度以上140度以下的角度范围内时，在表示自极性面分离的实用性的面取向的角度范围内，可获得期望的压电极化符号。此外，当生长基板11的面取向在40度以上50度以下及较90度大而130度以下的角度范围内时，利用正压电极化，可对多重量子阱构造整体供给电子。主面11a的面取向可为例如{10-12}面、{11-2-2}面、{10-1-1}面及{20-2-1}面中任一面。另外，当生长基板11的面取向在100度以上117度以下的角度范围内时，可在发光层中提供良好的铟掺入。另外，当生长基板11的主面11a在63度以上80度以下的角度范围内时，利用负压电极化不仅可降低自发光层的电子泄漏，且可提供良好的铟掺入。主面11a的面取向可为例如{20-21}面。
在基板11的边缘上2点间的距离最大值Dia可在45mm以上。此种基板例如被称为晶圆。基板11的背面11b可与基板11实质上平行。此外，在基板11由GaN构成时，可进行良好的结晶质量的外延生长。
在下一步骤中，在具有以使阱层产生负压电极化的方式选择的偏离角的基板11的主面11a上，外延地生长半导体结晶。上述倾斜角的主面11a的基板11，能够以在活性层内使阱层自c面在上述角度范围内倾斜的方式形成外延半导体区域。
此外，关于基板11的主面11a的倾斜方向，当主面11a朝基板11的六方晶系半导体的a轴方向倾斜时，在基板11上制作成的外延基板可沿m面解理。此外，当基板11的主面11a朝基板11的六方晶系半导体的m轴方向倾斜时，在基板11上制作成的外延基板可沿a面解理。此外，主面11a朝基板11的六方晶系半导体的a轴方向倾斜时的m轴方向的偏离角优选在-3度以上+3度以下的范围内。此外，主面11a朝基板11的六方晶系半导体的m轴方向倾斜时的a轴方向的偏离角优选在-3度以上+3度以下的范围内。若为该范围，则因氮化物系半导体光元件LD 1中的激光腔室的端面倾斜引起的反射率下降较小，从而可减小振荡阈值。
如图3的(b)部所示，将基板11配置于生长炉10上。在步骤S202中，在成膜之前，一面对生长炉10供给气体G0一面对基板11进行热处理，而形成经改性的主面11c。该热处理可在包含氨及氢的气体的氛围中进行。热处理温度T0可为例如摄氏800度以上1200度以下。热处理时间为例如10分钟左右。根据该步骤，通过主面11a的倾斜，在半极性主面上形成与c面主面不同的表面构造。通过在成膜前对基板11的主面11a施行热处理，而在并非在c面主面上获得的半导体主面上发生改性。由氮化镓系半导体构成的外延生长膜堆积于基板11的经改性的主面11c上。
如图3的(c)部所示，在步骤S203中，在热处理之后，使第1导电型氮化镓系半导体区域13外延地生长于基板11的表面11c上。为实现该生长而使用有机金属气相生长法。作为生长用的原料气体，使用镓源、铟源、铝源及氮源。镓源、铟源及氮源分别为例如TMG、TMI、TMA及NH3。为实现该生长，将原料气体G1供给到生长炉10。氮化镓系半导体区域13的主面13a自氮化镓系半导体的c面以大致倾斜角β倾斜。第1导电型氮化镓系半导体区域13a可包含一个或多个氮化镓系半导体层(例如氮化镓系半导体层25、27、29)。例如，氮化镓系半导体层25、27、29可分别为n型AlGaN层、n型GaN层及n型InGaN层。氮化镓系半导体层25、27、29在基板11的主面11c上依次外延生长。n型AlGaN层25为覆盖例如基板11的全表面的中间层，以例如摄氏1100度生长。n型AlGaN层25的厚度为例如50nm。在n型AlGaN层25上以摄氏950度生长n型GaN层27。n型GaN层27例如为用以供给n型载体的层，n型GaN层27的厚度为2000nm。在n型GaN层27上以摄氏840度生长n型InGaN层29。n型InGaN层29例如为用于活性层的缓冲层，n型InGaN层29的厚度为100nm。
在下一步骤中，根据图4及图5所示的顺序，制作氮化物系半导体发光元件的活性层15。活性层15以生成在460nm以上550nm以下的波长区域具有峰值波长的发光光谱的方式设置。在上述波长范围内，可将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向。
在步骤S204中，如图4的(a)部所示，形成由氮化镓系半导体构成且用于活性层15的量子阱构造的势垒层17。对生长炉10供给原料气体G2，以生长温度TB在缓冲层上生长势垒层17。该势垒层17由InYGa1-YN(铟组成Y：0≤Y≤0.05，Y为应变组成)构成。势垒层17的生长在例如摄氏700度以上摄氏1000度以下的温度范围内的生长温度TB下进行。本实施例中，将包含镓源及氮源的原料气体G2供给到生长炉10，以生长温度TB生长未掺杂GaN。GaN势垒层的厚度为例如15nm。因势垒层17生长于主面13a上，从而势垒层17的表面与主面13a的表面构造一致。
在势垒层17的生长结束后，停止镓原料的供给而使氮化镓系半导体的堆积停止。生长了势垒层17后，在生长阱层之前将生长炉的温度自生长温度TB变更为生长温度TW。在该变更期间，将例如氨等氮源气体供给到生长炉10。
在步骤S205中，如图4的(b)部所示，一面将生长炉10的温度保持在阱层生长温度TW，一面在势垒层17上生长用于量子阱构造的阱层19。阱层19由InXGa1-XN(铟组成X：0＜X＜1，X为应变组成)等包含铟的氮化镓系半导体构成。阱层19具有较势垒层17的带隙能量小的带隙能量。阱层19的生长温度TW可在生长温度TB以下，或可低于生长温度TB。本实施例中，将包含镓源、铟源及氮源的原料气体G3供给到生长炉10而生长未掺杂InGaN。阱层19的膜厚可在1nm以上10nm以下。此外，InXGa1-XN阱层19的铟组成X可大于0.10。阱层19的铟组成X可小于0.5。可进行该范围的铟组成的InGaN生长，从而可获得波长为440nm以上550nm以下的发光元件。阱层19的生长在例如摄氏600度以上摄氏900度以下的温度范围内的生长温度TW下进行。InGaN阱层的厚度为例如3nm。因阱层19的主面外延地生长于势垒层17的主面上，因此阱层19的表面与势垒层17的表面构造一致。此外，对应于势垒层17的主面的倾斜角，阱层19的主面自氮化镓系半导体的c面以预定范围的角度倾斜。
在阱层19的生长完成后，在生长势垒层之前将生长炉10的温度自生长温度TW变更为生长温度TB。在该变更期间，将例如氨等氮源气体供给到生长炉10。在生长炉10升温完成后，如图4的(c)部所示，在步骤S206中，将生长炉10的温度保持在生长温度TB，且一面将原料气体G4供给到生长炉10，一面生长由氮化镓系半导体构成的势垒层21。在本实施例中，势垒层21由例如GaN构成，势垒层21的厚度为例如15nm。因势垒层21的主面外延地生长于阱层19的主面上，从而势垒层21的表面与阱层19的表面构造一致。阱层19内含由来自势垒层21的应力所引起的应变，该应变为例如压缩性的。活性层15可包含交替排列的阱层19及势垒层17、21。活性层15可包含单一量子阱构造或多重量子阱构造，或可由体半导体层(bulk semiconductor layer)构成。
在步骤S207中同样进行反复生长，如图5的(a)部所示，使量子阱构造的活性层15生长。活性层15包含3个阱层19与4个势垒层17、21。而后，在步骤S208中，如图5的(b)部所示，供给原料气体G5而使发光层23等必要的半导体层生长。位于活性层15与第2导电型氮化镓系半导体区域31之间的发光层23内的半导体层的带隙，小于位于第2导电型氮化镓系半导体区域31内且相邻于发光层23的氮化镓系半导体层的带隙。
如图5的(c)部所示，在步骤S209中，在发光层23上供给原料气体G6而使第2导电型氮化镓系半导体区域31外延地生长。该生长使用生长炉10进行。第2导电型氮化镓系半导体区域31可包含例如电子阻挡层33、p型包覆层35及p型接触层37。电子阻挡层可由例如AlGaN构成。p型包覆层可由p型GaN、AlGaN及InAIGaN构成。p型接触层37可由p型GaN构成。在本实施例中，电子阻挡层33、p型包覆层35及p型接触层37的生长温度均为例如摄氏1100度。在第2导电型氮化镓系半导体区域31形成之后，完成图5的(c)部所示的外延晶圆E。在必要情形下，为实现半导体激光器的光导，可生长一对光导层。一对光导层夹着活性层。这些光导层可由例如InGaN或GaN构成。
在外延晶圆E中，第1导电型氮化镓系半导体区域13、发光层23及第2导电型氮化镓系半导体区域31可在基板11的主面11a的法线轴方向上排列。该六方晶系半导体的c轴方向与基板11的主面11a的法线轴方向不同。
在下一步骤中，在外延晶圆E上形成电极。将第1电极(例如，阳极电极)形成于上述接触层上，且将第2电极(例如，阴极电极)形成于基板背面11b上。
在电极形成后，可进行加工以形成谐振器面，且形成激光条。用以形成谐振器面的加工可制作将利用例如解理、干式蚀刻等所形成的端面作为谐振器面的半导体激光器。另外，只要基板11的主面11a的倾斜方向为氮化镓系半导体的a轴(m轴)方向，就可将m面(a轴)作为解理面使用。
在上述发光元件形成中所使用的面取向或角度范围系如下决定。以下说明将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向的顺序。
在步骤S101中，为预测发光层的压电极化的朝向，而选择用于由III族氮化物半导体构成的基板主面的一个或多个倾斜角。
在步骤S102中，准备提供具有所选择的倾斜角的基板主面的基板。基板主面由III族氮化物半导体构成。
在步骤S103中，以所选择的倾斜角生长用于发光层的量子阱构造以及p型及n型氮化镓系半导体层，准备基板产物。可在基板产物的形成中适用上述发光元件形成中所使用的装置及工艺。
在步骤S104中，一面对基板产物施加偏压一面进行基板产物的光致发光的测定，从而获得基板产物的光致发光的偏压依赖性。若具体说明，则在步骤S104中，一面对所制作的装置施加偏压一面准备可测定PL光谱的PL测定装置。图6的(a)部为表示PL测定装置的一个构造例的图。PL测定装置包含：对装置DEV照射以激发光的激发光源93；检测来自装置DEV的光致发光的PL检测器95；及对装置DEV施加可变偏压的装置97。一面对基板产物施加偏压，一面测定光致发光的偏压依赖性。偏压依赖性的测定结果成为例如图6的(b)部所示的图表上的特性线。当施加一定程度大小的顺方向的偏压电压时，装置DEV会发出电致发光。电致发光在较小的顺向偏压及逆向偏压的电压中不会产生。
在具有某范围的偏离角的半极性面及GaN晶圆的c面上制作的装置，在发光层产生正压电极化。该装置的特性由图6的(b)部的特性线PLB(+)表示。PL发光的峰值波长至EL发光电压为止会随偏压增加而转换为长波长。若超过EL发光电压，则会随偏压增加而转换为短波长。
在GaN晶圆的无极性面上制作的装置，发光层压电极化为零。该装置的特性由图6的(b)部的特性线PLB(NP)表示。PL发光的峰值波长至零偏压电压为止会稍微随偏压增加而转换为短波长。在正偏压中，则几乎不发生峰值波长的转换。
在本实施方式的具有特定偏离角范围的半极性面上制作的装置，在发光层产生负压电极化。该装置的特性由图6的(b)部的特性线PLB(-)表示。PL发光的峰值波长至EL发光电压为止会随偏压增加而稍微向短波长转换。
在步骤S105中，根据所测定的偏压依赖性，预测在基板主面的所选择的各个倾斜角中发光层的压电极化的朝向。发光层的压电极化的朝向基于图6的(b)部的测定结果而判断。
在步骤S106中，根据压电极化的朝向预测，对应于压电极化的正负符号而进行包含多个倾斜角的角度范围的划分。基于划分进行上述判断。在压电极化的朝向预测中，使压电极化的正负符号明确。根据该符号，包含多个倾斜角的角度范围被划分为表示正压电极化的角度范围及/或表示负压电极化的角度范围。当使用III族氮化物基板制作基板产物时，可辨别与III族氮化物基板和发光层的关系相关联的压电极化的符号。
在步骤S107中，基于预测来判断使用与基板主面对应的倾斜角及与基板主面的背面对应的倾斜角中的哪一个，并选择用于半导体发光元件的制作的生长基板11的面取向。
例如，能够以使阱层的压电极化的朝向自n型氮化物系半导体层朝p型氮化物系半导体层(正方向的压电极化)的方式，选择生长基板11的主面11a。通过该选择，可基于压电极化的朝向相关的预测，调整应使用与基板主面对应的倾斜角及与基板主面的背面对应的倾斜角中的哪一个，而对阱层提供期望的压电极化。
在步骤S108中，当预测表示在多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中压电极化的朝向为自n型III族氮化物半导体层朝p型III族氮化物半导体层的正方向时，将提供表示正方向的压电极化的倾斜角的主面的基板作为生长基板进行准备。当期望的压电极化为正方向时，应准备的生长基板具有提供表示正方向的压电极化的倾斜角的主面。
在步骤S109中，当预测表示在多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中压电极化的朝向为自p型III族氮化物半导体层朝n型III族氮化物半导体层的负方向时，将具有如下主面的基板作为生长基板进行准备：该主面提供表示负方向的压电极化的倾斜角的面取向的背面。当期望的压电极化为正方向时，应准备的生长基板具有提供表示负方向压电极化的倾斜角的面取向的背面的主面。
此外，例如，能够以使阱层的压电极化的朝向自p型氮化物系半导体层朝n型氮化物系半导体层(负方向的压电极化)的方式，选择生长基板11的主面11a。通过该选择，基于压电极化的朝向相关的预测，调整应使用与基板主面对应的倾斜角及与基板主面的背面对应的倾斜角中的哪一个，可对阱层提供期望的压电极化。
在步骤S110中，当预测表示在多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中压电极化的朝向为自n型III族氮化物半导体层朝p型III族氮化物半导体层的正方向时，可将具有如下主面的基板作为生长基板11进行准备：该主面提供表示正方向压电极化的倾斜角的面取向的背面。当期望的压电极化为负方向时，应准备的生长基板具有提供表示正方向压电极化的倾斜角的面取向的背面的主面。
在步骤S111中，当预测表示在多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中压电极化的朝向为自p型III族氮化物半导体层朝n型III族氮化物半导体层的负方向时，可将提供显示负方向压电极化的倾斜角的主面的基板作为生长基板11进行准备。当期望的压电极化为负方向时，应准备的生长基板具有提供表示负方向压电极化的倾斜角的主面。
在步骤S112中，将用于半导体发光元件的半导体叠层形成于生长基板11的主面11a上。
(实施例1)
制作具有发光二极管(LED)的装置1～装置9。图7为表示装置1～装置9的LED构造的图。其中，装置2及6在例如极性面及无极性面上进行制作。为实现图7所示的LED构造，而准备分别具有用于装置1～装置9的面取向的多个GaN基板71。此外，各GaN基板71的主面71a具有图8所示的面取向及偏离角。偏离角α被规定为与在c轴方向上延伸的基准轴Cx正交的基准平面Sc和基板主面所成的角度。将GaN基板71配置于生长炉中，且将氨气(NH3)及氢气(H2)供给到生长炉，在摄氏1050度的氛围下将GaN基板71保持10分钟。进行该前处理(热清洗)之后，将原料气体供给到生长炉中并如下利用有机金属气相生长法制作外延叠层构造。
首先，在摄氏1100度下生长厚度为2μm的n型GaN层72。在摄氏800度下生长厚度为100nm的n型InGaN应变缓和层73。缓和层73的铟组成为0.02。接着，生长发光层74。发光层74具有将15nm的由GaN构成的势垒层和3nm的由InGaN构成的阱层交替叠层的量子阱构造。根据GaN基板71的偏离角的不同，阱层的In的掺入容易度不同。因此，以使阱层成为期望的组成、且成为期望的发光波长的方式，调节阱层与势垒层的生长温度。反复进行阱层与势垒层的生长，而生长3层阱层。接着，使20nm的p型AlGaN电子阻挡层75在摄氏1000度下生长于发光层74上。电子阻挡层75的铝组成为0.18。其次，使50nm的p型GaN接触层76在摄氏1000度下生长于电子阻挡层75上。在p型GaN接触层76上形成由Ni/Au构成的阳极电极77，且将由Ti/Al构成的阴极电极79形成于GaN基板71的背面。此外，在阳极电极77上形成由Ti/Au构成的焊盘电极78。
参照图8，示出了装置1～装置9的主面的面取向、偏离角(角度α)、及发光波长。如图8所示，装置1～装置9的面取向分别为(10-12)、(0001)、(11-22)、(10-11)、(20-21)、(10-10)、(20-2-1)、(20-21)、(20-2-1)。此外，装置1～装置9的偏离角在m轴或a轴方向上分别为43度(m轴方向)、0度、58度(a轴方向)、62度(m轴方向)、75度(m轴方向)、90度(m轴方向)、105度(m轴方向)、75度(m轴方向)、105度(m轴方向)。装置1～装置9的发光波长约为500nm或约为400nm。
接着，针对装置1～装置9，一面进行偏压施加，一面对各LED自阳极电极77之上照射激发光，测定PL(光致发光)的偏压依赖性，由此决定各阱层的压电极化的朝向。参照图9及图10说明这种偏压施加的能带图的变化。
图9及图10示出了阱层及势垒层的能带图。图9示出了表示正的较强压电极化的阱层的能带，图10示出了表示正的较弱压电极化或负压电极化的阱层的能带。这些图的横轴的正向与自n型氮化物系半导体层朝p型氮化物系半导体层的方向一致。图9的(a)部及图10的(a)部示出了未施加偏压的发光层的能带图，图9的(b)部及图10的(b)部示出了施加有顺向偏压的发光层的能带图。
如图9所示，在表示较强的正压电极化的阱层中，通过顺向偏压施加，阱层的传导带Ec与价电子带Ev的倾斜方向发生变化。因此，通过顺向偏压施加，可减小阱层的传导带Ec内的最低能级与价电子带Ev内的最高能级之差Gw。其结果，通过顺向偏压施加，PL波长的偏压依赖性会显示红移。
另一方面，如图10所示，在表示非常小的压电极化及负压电极化的阱层中，虽通过顺向偏压施加，阱层的传导带Ec与价电子带Ev的倾斜方向相同，但传导带Ec及价电子带Ev的倾斜大小会变小。因此，通过顺向偏压施加，会使阱层的传导带Ec的最低能级与价电子带Ev内的最高能级之差Gw增大。其结果，通过顺向偏压施加，PL波长的偏压依赖性会显示蓝移。针对装置1～装置9以绝对温度100K进行相同的测定(PL/EL光谱的偏压依赖性的测定)。
图11的(a)部、图11的(b)部及图11的(c)部为表示具代表性的PL光谱的偏压依赖性测定结果的图，具体而言为分别表示装置2、装置1及装置5的PL/EL光谱的偏压依赖性测定结果的图。在图11中，横轴表示光谱峰值(例如PL光谱)的波长，纵轴表示经标准化的PL强度与EL强度。在施加偏压为负值至零然后稍为正值的范围内，不会产生EL发光。在该电压范围内，装置2中PL峰值波长显示红移，装置1中PL峰值波长几乎无变化。其结果表示在装置2及装置1中阱层的压电极化的符号为正。此外，在上述电压范围内，装置5中PL峰值波长显示蓝移。其结果表示在装置5中阱层的压电极化的符号为负。
图12为表示PL峰值波长的移位量与偏离角的关系的图。波长移位量相对于基板主面的偏离角的依赖性，根据装置1～装置9的偏压施加PL测定结果进行预测。PL峰值的波长的移位量被规定为无偏压施加或偏压施加零伏特时测定的PL峰值波长与EL发光刚开始后的PL峰值的波长之差。图12中，由于装置5(面取向(10-10)、偏离角90度(m轴方向))的主面为m面，因此装置5的阱层的内部电场为零。因此，如自图12的结果所理解的那样，示出较装置5的波长移位量大的波长移位量的其它装置具有正压电极化，较装置5的波长移位量小的波长移位量的其它装置具有负压电极化。如图12所示，装置1及装置2的压电极化的朝向为正，装置3～5的阱层的压电极化的朝向为负。另外，在图12中，示出了与装置10及装置11的PL峰值波长的移位量对应的标绘。装置10以与装置3相同的条件制作，此外装置11以与装置5相同的条件制作。
在基板面取向的选择中，可选择表示1个以上面取向的角度。根据1个面取向中的压电极化的朝向，可预测对应于该面取向的角度及该角度附近的压电极化的朝向的符号。此外，在基板面取向的选择中，可选择表示2个以上面取向的角度。根据2个角度各自的压电极化的朝向，可预测该2个角度之间的范围中压电极化的朝向的符号。另外，在基板面取向的选择中，可选择表示3个以上面取向的角度。根据3个角度各自的压电极化的朝向，可预测相邻的2个角度之间的各个范围中压电极化的朝向的符号。例如，一方的角度范围为正压电极化，一方的角度范围为负压电极化；双方的角度范围为正压电极化；双方的角度范围为负压电极化。
使用用于图12所示的装置1～6的压电极化的朝向的预测数据的全部或一部分，可对应于压电极化的正负符号进行角度范围的划分。用于基板选择的判断基于上述划分而进行。
根据角度范围的划分，例如装置3～5的阱层表示负压电极化。在获得利用负压电极化的效果时，使用与装置3～5的面取向对应的角度范围的基板主面。另一方面，在获得利用正压电极化的效果时，使用与装置3～5的面取向对应的角度范围的背面所对应的基板。
根据角度范围的划分，例如装置1的阱层表示正压电极化。在获得利用正压电极化的效果时，使用与装置1的面取向对应的角度附近所对应的基板主面。另一方面，在获得利用负压电极化的效果时，使用与装置1的面取向对应的角度附近的背面所对应的基板。在区分使用GaN基板的表面及背面而制作相同的LED的情形下，作为阱层的压电极化可获得依照设计的符号。因此，在使用以(11-2-2)面(相当于装置3的GaN基板的背面)、(10-1-1)面(相当于装置4的GaN基板的背面)及(20-2-1)面(相当于装置5的GaN基板的背面，装置7的GaN基板的主面)为主面的GaN基板制作相同的LED时，可将阱层的压电极化的符号设为正。
由具有正压电极化的阱层的利用所作出的技术性贡献之一为降低发光元件的驱动电压。接着，将装置7的电压-电流特性与装置5的电压-电流特性进行比较。装置5的GaN基板的背面相当于装置7的GaN基板的主面。如上所述，装置7的阱层的压电极化的朝向为正方向，装置5的阱层的压电极化的朝向为负方向。图13为表示装置7及装置5的电压-电流特性的测定结果的图。如图13所示，装置7的驱动电压低于装置5的驱动电压。这表示当阱层的压电极化的符号为正时可实现驱动电压的降低。
同样，在将装置9的电压-电流特性与装置8的电压-电流特性进行比较时，装置8的GaN基板的背面相当于装置9的GaN基板的主面。如上所述，装置9的阱层的压电极化的朝向为正方向，装置8的阱层的压电极化的朝向为负方向。图14为表示装置9及装置8的电压-电流特性的测定结果的图。如图14所示，装置9的驱动电压低于装置8的驱动电压。这表示当阱层的压电极化的符号为正时可实现驱动电压的降低。图14的400nm波长带的发光二极管的驱动电压的降低幅度，小于图13所示的500nm波长带的发光二极管的驱动电压的降低幅度。驱动电压的降低程度小的原因认为是：由于装置8及9的阱层的传导带的电势较浅，从而即使在阱层的压电极化的朝向为负方向的装置8中，电子也可自阱层比较容易地移动至相邻的阱层。由此认为，通过将阱层的压电极化的朝向设为正方向能够获得使驱动电压降低的效果，而在阱层的传导带的电势较深时会显著地发挥。根据预测，该阱层的深度在0.7电子伏以上。当阱层的压电极化的朝向为正方向时，如图15所示，即使在阱层与势垒层的带隙能量差为0.7eV以上的发光层中，也可对多重量子阱构造整体供给电子。
图16为说明内含应变的发光层的压电电场的朝向的图。图16的(a)部～图16的(c)部为说明形成于极性面(c面)上的发光层的压电电场的图。图16的(d)部～图16的(e)部为说明形成于无极性面(a面、m面)上的发光层的压电电场的图。图16的(f)部～图16的(g)部为说明形成于半极性面上的发光层的压电电场的图。
参照图16的(a)部，发光层P包含形成于极性面(c面)上的势垒层B1、B2及阱层W1。阱层W1被势垒层B1、B2夹着。阱层W1的压电电场EPZ的朝向为自p层朝n层的方向。在阱层中，传导带的带底及价电子的带底在自n层向p层的方向下降。记号EC0表示传导带的带底与价电子的带底之间的能量差。参照图16的(b)部，在发光层P上施加有较小的顺方向电压。该发光层P中，传导带的带底及价电子的带底的倾斜因电压施加而增大。记号EC1表示传导带的带底与价电子的带底之间的能量差，能量差EC0大于能量差EC1。参照图16的(c)部，在发光层P上施加有较大的顺方向电压。该发光层P中，传导带的带底及价电子的带底的倾斜因遮蔽(screening)而减小。记号EC2表示传导带的带底与价电子的带底之间的能量差，能量差EC2大于能量差EC0。通过施加电压所引起的能量差的变化为蓝移的原因。
参照图16的(d)部，发光层NP包含形成于无极性面(a面、m面)上的势垒层B3、B4及阱层W2。阱层W2被势垒层B3、B4夹着。由于阱层W2形成于无极性面上，从而压电电场EPZ为零。阱层W2中，传导带的带底及价电子的带底在自p层向n层的方向下降。记号ENP0表示传导带的带底与价电子的带底之间的能量差。参照图16的(e)部，在发光层NP上施加有顺方向电压。该发光层NP中，传导带的带底及价电子的带底的倾斜因电压施加而几乎消失。记号ENP1表示传导带的带底与价电子的带底之间的能量差，能量差ENP0小于能量差ENP1。由于发光层NP中压电电场为零，从而即使阱层的载体量增加，也不会发生遮蔽。因此，不存在通过施加电压所引起的能量差的变化，从而不会观测到蓝移。
参照图16的(f)部，发光层SP-包含形成于以特定的偏离角倾斜的半极性面上的势垒层B5、B6及阱层W3。阱层W3被势垒层B5、B6夹着。由于阱层W3形成于半极性面上，从而压电电场EPZ比极性面上的值小。阱层W3中，传导带的带底及价电子的带底在自p层向n层的方向下降。记号ESP0表示传导带的带底与价电子的带底之间的能量差。参照图16的(g)部，在发光层SP-上施加有顺方向电压。该发光层SP-中，传导带的带底及价电子的带底的倾斜因电压施加而减小。记号ENP1表示传导带的带底与价电子的带底之间的能量差，能量差ESP0小于能量差ESP1。由于发光层SP-的压电电场具有与自p层朝向n层的方向相反方向的成分，且其值比极性面上的值小，从而遮蔽的程度也小。因此，通过施加电压所引起的能量差的变化小，从而蓝移非常小。
具有本实施方式的倾斜角的面取向的阱层(发光层SP-)如图16的(f)部及图16的(g)所示地动作。另一方面，与本实施方式的倾斜角的面取向不同的半极性面上的阱层(发光层SP+)如图16的(a)部～图16的(c)部所示地动作。
接着，对形成于半极性面上的发光层进行进一步的说明。图17为说明内含应变的发光层的压电极化的朝向的图。图17的(a)部及图17的(b)部示出了具有正压电极化的发光层SP+。发光层SP+包含势垒层B7、B8及阱层W4。阱层W4被势垒层B7、B8夹着。相邻于发光层SP+，示出了具有比势垒层的带隙大的带隙的氮化镓系半导体层P。氮化镓系半导体层P可为例如p型电子阻挡层或p型包覆层。阱层W4的压电电场的朝向为自p层向n层的方向，氮化镓系半导体层P的压电电场的朝向为自n层向p层的方向。因此，在发光层SP+与氮化镓系半导体层P的界面上，在传导带上形成倾角DIP 1。因此，倾角DIP 1会使氮化镓系半导体层P的电子势垒减弱。倾角DIP1的大小为例如0.2eV左右。
另一方面，图17的(c)部及图17的(d)部示出了具有负压电极化的发光层SP-。相邻于发光层SP-，示出了具有比势垒层的带隙大的带隙的氮化镓系半导体层P。阱层W3的压电电场的朝向为自n层向p层的方向，氮化镓系半导体层P的压电电场的朝向为自p层向n层的方向。因此，在发光层SP-与氮化镓系半导体层P的界面上，并非在传导带而是在价电子带上形成倾角。因此，相对来自发光层的电子的势垒不会因传导带的倾角DIP2而减弱，氮化镓系半导体层P可充分地阻止来自发光层的电子。倾角DIP2的大小为例如0.1eV左右。
在III族氮化物光元件中关于压电极化的特性的利用较为有用。上述说明的压电极化的贡献仅为例示，而并非限定于此。
在优选的实施方式中图示说明了本发明的原理，但本领域技术人员可知，本发明可在不脱离上述原理的范围内对其配置及细节进行变更。本发明并不限于本实施方式中揭示的特定构成。因此，对于根据权利要求及其精神的范围而进行的所有修正及变更请求权利。
产业利用性
如以上说明，根据本实施方式，可提供一种制作半导体发光元件的方法，该方法可将活性层的压电极化的朝向选择为适宜方向。

Claims (20)

1.一种制作半导体发光元件的方法，其特征在于， 
包含以下步骤： 
为预测发光层的压电极化的朝向，而选择用于由III族氮化物半导体构成的基板主面的一个或多个倾斜角的步骤； 
准备具有上述选择的倾斜角且由III族氮化物半导体构成的基板主面的基板的步骤； 
以上述选择的倾斜角，生长用于上述发光层的量子阱构造、p型及n型氮化镓系半导体层，准备基板产物的步骤； 
一面对上述基板产物施加偏压一面进行上述基板产物的光致发光的测定，而获得上述基板产物的光致发光的偏压依赖性的步骤，上述光致发光通过一面施加上述偏压一面向上述基板产物照射激发光来进行测定； 
根据上述测定的偏压依赖性，预测上述基板主面的上述选择的倾斜角各自在上述发光层的压电极化的朝向的步骤； 
基于上述预测而判断应使用与上述基板主面对应的倾斜角及与上述基板主面的背面对应的倾斜角的哪一个，从而选择用以制作上述半导体发光元件的生长基板的面取向的步骤；及 
将用于上述半导体发光元件的半导体叠层形成于上述生长基板的主面上的步骤， 
上述生长基板的上述主面由上述III族氮化物半导体构成， 
上述倾斜角由上述基板主面与上述III族氮化物半导体的(0001)面所成的角度规定， 
上述半导体叠层包含第1 III族氮化物半导体区域、发光层及第2 III族氮化物半导体区域， 
上述发光层设置于上述第1 III族氮化物半导体区域与上述第2 III族氮化物半导体区域之间， 
上述发光层包含阱层及势垒层， 
上述阱层及上述势垒层各自沿着相对于与基准轴正交的面倾斜的 基准平面而延伸，所述基准轴在上述III族氮化物半导体的c轴上延伸， 
上述阱层由第1氮化镓系半导体构成， 
上述势垒层由与上述第1氮化镓系半导体不同的第2氮化镓系半导体构成， 
上述阱层内含应变， 
上述第1 III族氮化物半导体区域包含一个或多个n型III族氮化物半导体层， 
上述第2 III族氮化物半导体区域包含一个或多个p型III族氮化物半导体层。 
2.如权利要求1所述的制作半导体发光元件的方法，其中， 
还具备根据上述压电极化的朝向的预测，对应于上述压电极化的正负符号而进行包含上述多个倾斜角的角度范围的划分的步骤， 
上述判断基于上述划分而进行。 
3.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述基板产物使用Ⅲ族氮化物基板制作。 
4.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述发光层的发光波长在460nm以上550nm以下。 
5.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，在选择上述多个倾斜角的上述步骤中，选择表示2个以上面取向的角度。 
6.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述生长基板的上述面取向包含在上述倾斜角为40度以上140度以下的角度范围内。 
7.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中， 
上述阱层由InGaN构成， 
上述势垒层由InGaN或GaN构成， 
上述阱层的压缩应变由源自上述势垒层的应力所引致， 
上述基板产物使用GaN基板制作。 
8.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述生长基板的主面以使上述阱层的压电极化的朝向自上述n型III族氮化物半导体层朝上述p型III族氮化物半导体层的方式进行选择。 
9.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中， 
上述发光层具有多重量子阱构造， 
上述势垒层的带隙能量与上述阱层的带隙能量之差在0.7eV以上。 
10.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述n型III族氮化物半导体层朝上述p型III族氮化物半导体层的正方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述正方向压电极化的倾斜角。 
11.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述p型III族氮化物半导体层朝上述n型III族氮化物半导体层的负方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述负方向压电极化的倾斜角的面取向的背面。 
12.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中， 
上述生长基板的面取向在40度以上50度以下及大于90度而130度以下的角度范围内， 
上述基板产物使用GaN基板制作。 
13.如权利要求10所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述生长基板的面取向为{10-12}面、{11-2-2}面、{10-1-1}面、及{20-2-1}面中的任一面。 
14.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述生长基板的主面以使上述阱层的压电极化的朝向自上述p型III族氮化物半导体层朝上述n型III族氮化物半导体层的方式进行选择。 
15.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述n型III族氮化物半导体层朝上述p型III族氮化物半导体层的正方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述正方向压电极化的倾斜角的面取向的背面。 
16.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，还具备以下步骤，即，当上述预测表示在上述多个倾斜角下的角度范围的一部分或全部中上述压电极化的朝向为自上述p型III族氮化物半导体层朝上述n型III族氮化物半导体层的负方向时，将具有如下主面的基板作为上述生长基板进行准备：该主面提供表示上述负方向压电极化的倾斜角。 
17.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中， 
上述第2 III族氮化物半导体区域包含比上述势垒层的带隙大的氮化镓系半导体层， 
上述第2 III族氮化物半导体区域的上述氮化镓系半导体层相邻于上述发光层， 
上述氮化镓系半导体层包含电子阻挡层， 
上述生长基板的主面在63度以上80度以下的角度范围内， 
上述基板产物使用GaN基板制作。 
18.如权利要求17所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述生长基板的面取向为{20-21}面。 
19.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述倾斜角被规定为使上述III族氮化物半导体的c轴朝m轴方向倾斜的角度。 
20.如权利要求1或2所述的制作半导体发光元件的方法，其中，上述倾斜角被规定为使上述III族氮化物半导体的c轴朝a轴方向倾斜的角度。 
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103931003A (zh) * 2011-04-29 2014-07-16 加利福尼亚大学董事会 在氮化镓衬底的半极化（20-2-1）面上制造的iii族氮化物光电子器件的高铟吸收和高极化率
JP5651077B2 (ja) 2011-06-29 2015-01-07 住友電気工業株式会社 窒化ガリウム系半導体レーザ素子、及び、窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法
KR20150048147A (ko) * 2012-08-30 2015-05-06 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 발광 다이오드들용 ｛20-2-1｝ 반극성 갈륨 질화물의 pec 식각
US8969109B1 (en) 2013-09-05 2015-03-03 International Business Machines Corporation Tunable light-emitting diode
CN103529310B (zh) * 2013-09-25 2015-12-23 中国科学院半导体研究所 一种利用光致发光谱测量GaN基LED的极化电场的方法
JP6477642B2 (ja) * 2016-09-23 2019-03-06 日亜化学工業株式会社 発光素子
JP7560829B2 (ja) 2020-11-20 2024-10-03 セイコーエプソン株式会社 発光装置およびプロジェクター

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200306017A (en) * 2001-11-13 2003-11-01 Lumileds Lighting Llc Nitride semiconductor device with reduced polarization fields
CN101515700A (zh) * 2008-02-22 2009-08-26 住友电气工业株式会社 Iii族氮化物发光器件及制造iii族氮化物基半导体发光器件的方法
CN101527426A (zh) * 2008-03-07 2009-09-09 住友电气工业株式会社 制造氮化物半导体激光器的方法
JP4333820B1 (ja) * 2009-01-19 2009-09-16 住友電気工業株式会社 化合物半導体基板

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3622444B2 (ja) * 1997-09-26 2005-02-23 ノーリツ鋼機株式会社 写真処理機及びその動作制御情報更新システム
JP3955367B2 (ja) * 1997-09-30 2007-08-08 フィリップス ルミレッズ ライティング カンパニー リミテッド ライアビリティ カンパニー 光半導体素子およびその製造方法
TWI455181B (zh) * 2005-06-01 2014-10-01 Univ California 半極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ薄膜、異質結構及裝置之生長及製造技術
EP2323180A1 (en) * 2008-09-11 2011-05-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Nitride semiconductor optical device, epitaxial wafer for nitride semiconductor optical device, and method for manufacturing semiconductor light-emitting device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200306017A (en) * 2001-11-13 2003-11-01 Lumileds Lighting Llc Nitride semiconductor device with reduced polarization fields
CN101515700A (zh) * 2008-02-22 2009-08-26 住友电气工业株式会社 Iii族氮化物发光器件及制造iii族氮化物基半导体发光器件的方法
CN101527426A (zh) * 2008-03-07 2009-09-09 住友电气工业株式会社 制造氮化物半导体激光器的方法
JP4333820B1 (ja) * 2009-01-19 2009-09-16 住友電気工業株式会社 化合物半導体基板

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特许4333820B1 2009.09.16 *

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