CN102714397A - Ⅲ族氮化物半导体激光元件、及制作ⅲ族氮化物半导体激光元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在六方晶系III族氮化物的c轴朝m轴的方向倾斜的支持基体的半极性面上，具有较高的振荡良率的激光共振器的III族氮化物半导体激光元件。成为激光共振器的第1及第2割断面27、29与m-n面交叉。III族氮化物半导体激光元件11具有在m-n面与半极性面17a的交叉线的方向上延伸的激光波导。因此，可利用能够成为低阈值电流的带间跃迁的发光。在激光构造体13中，第1面13a为第2面13b的相反侧的面。第1及第2割断面27、29从第1面13a的边缘13c延伸至第2面13b的边缘13d为止。割断面27、29并非通过干式蚀刻形成，与c面、m面或a面等以往的裂面不同。

Description

Ⅲ族氮化物半导体激光元件、及制作Ⅲ族氮化物半导体激光元件的方法
技术领域
本发明关于一种III族氮化物半导体激光元件、及制作III族氮化物半导体激光元件的方法。
背景技术
在非专利文献1中，记载有在c面蓝宝石基板上制作的半导体激光。通过干式蚀刻形成半导体激光的镜面。公开有激光的共振镜面的显微镜照片，且记载有其端面的粗糙度为约50nm。
在非专利文献2中，记载有在(11-22)面GaN基板上制作的半导体激光。通过干式蚀刻形成半导体激光的镜面。
在非专利文献3中，记载有氮化镓系半导体激光。提出有将m面作为裂面(cleaved facets)而用于激光共振器，因此生成向基板的c轴的偏离方向偏光的激光。该文献中，具体记载有在非极性面扩大阱宽度，在半极性面缩小阱宽度。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35，(1996)L74-L76
非专利文献2：Appl.Phys.Express 1(2008)091102
非专利文献3：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.46，(2007)L789
发明内容
根据氮化镓系半导体的能带构造，存在可进行激光振荡的若干跃迁。根据发明者的见解，认为在使用c轴向m轴的方向倾斜的半极性面的支持基体的III族氮化物半导体激光元件中，使激光波导沿着由c轴及m轴所规定的面延伸时，可降低阈值电流。该激光波导的方向中，其中跃迁能量(传导带能量与价带能量的差)最小的模式可进行激光振荡，在该模式的振荡成为可能时，可降低阈值电流。
然而，在该激光波导的方向中，由于共振镜，故而无法利用c面、a面或m面的先前的裂面。因此，为了制作共振镜，使用反应离子蚀刻(RIE，reactive ion etching)形成半导体层的干式蚀刻面。期望以RIE法形成的共振镜在对于激光波导的垂直性、干式蚀刻面的平坦性或离子损伤(ion damage)的方面有所改善，即开发较高的振荡良率(発振歩留まり)的激光共振器。并且，在现有的技术水准下创造出用以获得良好的干式蚀刻面的工序条件成为较大的负担。
据发明者所知，以往在形成在上述半极性面上的同一III族氮化物半导体激光元件中，未能同时实现在c轴的倾斜方向(偏离方向)上延伸的激光波导与不使用干式蚀刻而形成的共振镜用端面。
本发明鉴于上述情况而完成。本发明的目的在于提供一种在从六方晶系III族氮化物的c轴向m轴的方向倾斜的支持基体的半极性面上，具有较高的振荡良率的激光共振器的III族氮化物半导体激光元件，且提供一种制作该III族氮化物半导体激光元件的方法。
本发明的一个方案的III族氮化物半导体激光元件包含：激光构造体，包括由六方晶系III族氮化物半导体构成且具有半极性主面的支持基体、以及设置于上述支持基体的上述半极性主面上的半导体区域；以及电极，设置于上述激光构造体的上述半导体区域上，上述半导体区域包括：由第1导电型的氮化镓系半导体构成的第1包覆层、由第2导电型的氮化镓系半导体构成的第2包覆层、以及设置于上述第1包覆层与上述第2包覆层之间的活性层，上述第1包覆层、上述第2包覆层及上述活性层沿着上述半极性主面的法线轴排列，上述活性层包含氮化镓系半导体层。上述支持基体的上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴朝向上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向，相对于上述法线轴而以有限的角度ALPHA倾斜，上述角度ALPHA为45度以上80度以下、或100度以上135度以下的范围，上述激光构造体包含与由上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴及上述法线轴所规定的m-n面交叉的第1及第2割断面，该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器包含上述第1及第2割断面，上述激光构造体包含第1及第2面，上述第1面为上述第2面的相反侧的面，上述第1及第2割断面分别从上述第1面的边缘延伸至上述第2面的边缘为止，在上述第1及第2割断面上分别出现上述支持基体的端面及上述半导体区域的端面，将L设为4以上的整数，上述第1及第2割断面包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域。因此，成为共振镜的第1及第2割断面包含上述面指数的区域，因此该共振镜具有平坦性、垂直性，激光共振器的振荡良率提高。
该III族氮化物半导体激光元件中，上述第1及第2割断面包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域，其中上述N原子-Ga原子的排列为沿着从上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。因此，在激光共振器中所包含的第1及第2割断面包含与支持基体的六方晶系III族氮化物半导体的N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的情况下，第1及第2割断面也具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述第1及第2割断面中包含于上述活性层中的部分包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域的一部分或全部。因此，成为共振镜的第1及第2割断面中至少包含于活性层中的部分包含上述面指数的区域，因此该共振镜具有平坦性、垂直性，激光共振器的振荡良率提高。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述第1及第2割断面中包含于上述活性层中的部分包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的一部分或全部，其中上述N原子-Ga原子的排列沿着从上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。在成为共振镜的第1及第2割断面中至少包含于活性层中的部分包含与支持基体的六方晶系III族氮化物半导体的N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的情况下，第1及第2割断面也具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述角度ALPHA为63度以上80度以下、或100度以上117度以下的范围。该III族氮化物半导体激光元件中，在63度以上80度以下、或100度以上117度以下的范围内，通过按压而形成的端面获得与基板主面接近于垂直的面的可能性变高。并且，在超过80度且未满100度的角度时，有无法获得所需的平坦性及垂直性的危险。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述支持基体的厚度为400μm以下。该III族氮化物半导体激光元件中，上述支持基体可用以获得用于激光共振器的优质的割断面。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述支持基体的厚度为50μm以上100μm以下。若厚度为50μm以上，则操作变得容易，生产良率提高。若为100μm以下，则可用以获得用于激光共振器的优质的割断面。
在该III族氮化物半导体激光元件中，来自上述活性层的激光朝向上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向偏光。该III族氮化物半导体激光元件中，可实现低阈值电流的带间跃迁(band to band transition)具有偏光性。
在该III族氮化物半导体激光元件中，该III族氮化物半导体激光元件中的LED模式下的光包含朝向将上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴投影至主面的方向的偏光成分I2、及上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向的偏光成分I1，上述偏光成分I1大于上述偏光成分I2。根据该III族氮化物半导体激光元件，可使用激光共振器，使LED模式下较大发光强度的模式的光进行激光振荡。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述半极性主面是从{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一面以-4度以上+4度以下的范围偏离的微倾斜面。根据该III族氮化物半导体激光元件，从上述典型的半极性面微倾斜的微倾斜面中，可提供能够构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器的程度的充分的平坦性及垂直性的第1及第2端面。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述半极性主面是{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一个。根据该III族氮化物半导体激光元件，在上述典型的半极性面中，可提供能够构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器的程度的充分的平坦性及垂直性的第1及第2端面。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述支持基体的层错密度为1×104cm-1以下。根据该III族氮化物半导体激光元件，因层错密度为1×104cm-1以下，因此由于偶发情况导致割断面的平坦性及/或垂直性混乱的可能性较低。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述支持基体由GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN中的任一种构成。根据该III族氮化物半导体激光元件，在使用由上述氮化镓系半导体构成的基板时，可获得能够用作共振器的第1及第2端面。在使用AlN基板或AlGaN基板时，可使偏光度变大，且由于低折射率而可强化光封闭性。在使用InGaN基板时，可减小基板与发光层的晶格失配率，可提高结晶品质。
在该III族氮化物半导体激光元件中，还包含设置于上述第1及第2割断面的至少任一方的介电多层膜。该III族氮化物半导体激光元件中，也可将端面涂布用于断裂面。通过端面涂布可调整反射率。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述活性层包含以产生波长为360nm以上600nm以下的光的方式设置的发光区域。
该III族氮化物半导体激光元件利用半极性面，而可获得有效利用LED模式的偏光的III族氮化物半导体激光元件，且可获得低阈值电流。
在该III族氮化物半导体激光元件中，上述活性层包含以产生波长为430nm以上550nm以下的光的方式设置的量子阱构造。该III族氮化物半导体激光元件通过利用半极性面，而可减少压电电场，及提高发光层区域的结晶品质，由此可提高量子效率，且可用以产生波长为430nm以上550nm以下的光。
制作本发明的一个方案的III族氮化物半导体激光元件的方法包含如下工序：准备由六方晶系III族氮化物半导体构成且具有半极性主面的基板的工序；形成具有包含形成于上述半极性主面上的半导体区域与上述基板的激光构造体、阳极电极、及阴极电极的基板产物的工序；在上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向上，对上述基板产物的第1面进行局部性地刻划的工序；以及通过向上述基板产物的第2面的按压来进行上述基板产物的分离，形成其他基板产物及激光棒的工序。上述第1面为上述第2面的相反侧的面，上述半导体区域位于上述第1面与上述基板之间，上述激光棒具有从上述第1面延伸至上述第2面为止并通过上述分离而形成的第1及第2端面，上述第1及第2端面构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器，上述阳极电极及阴极电极形成于上述激光构造体上，上述半导体区域包括：由第1导电型的氮化镓系半导体构成的第1包覆层、由第2导电型的氮化镓系半导体构成的第2包覆层、及设置于上述第1包覆层与上述第2包覆层之间的活性层，上述第1包覆层、上述第2包覆层及上述活性层沿着上述半极性主面的法线轴排列，上述活性层包含氮化镓系半导体层，上述基板的上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴朝向上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向，相对于上述法线轴以有限的角度ALPHA倾斜，上述角度ALPHA为45度以上80度以下或100度以上135度以下的范围，上述第1及第2端面与由上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴及上述法线轴所规定的m-n面交叉，上述第1及第2端面包含处于从将L设为4以上的整数，以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域。因此，成为共振镜的第1及第2端面包含上述面指数的区域，因此该共振镜具有平坦性、垂直性，激光共振器的振荡良率提高。
该方法中，上述第1及第2端面包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域，其中上述N原子-Ga原子的排列沿着自从述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。因此，在激光共振器中所包含的第1及第2端面包含与支持基体的六方晶系III族氮化物半导体的N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的情况下，第1及第2端面也具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
该方法中，上述第1及第2端面中包含于上述活性层中的部分包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域的一部分或全部。因此，成为共振镜的第1及第2端面中至少包含于活性层中的部分包含上述面指数的区域，因此该共振镜具有平坦性、垂直性，激光共振器的振荡良率提高。
该方法中，上述第1及第2端面中包含于上述活性层中的部分包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的一部分或全部，其中上述N原子-Ga原子的排列沿着从上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。在成为共振镜的第1及第2端面中至少包含于活性层中的部分包含与支持基体的六方晶系III族氮化物半导体的N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的情况下，第1及第2端面也具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
该方法中，上述角度ALPHA为63度以上80度以下、或100度以上117度以下的范围。在该III族氮化物半导体激光元件中，在63度以上80度以下、或100度以上117度以下的范围内，通过按压而形成的端面获得与基板主面接近于垂直的面的可能性变高。并且，在超过80度且未满100度的角度时，有无法获得所需的平坦性及垂直性的危险。
该方法中，在形成上述基板产物的上述工序中，对上述基板实施切片或磨削的加工，以使上述基板的厚度成为400μm以下，上述第2面是通过上述加工形成的加工面、或包含形成于上述加工面上的电极的面。在该III族氮化物半导体激光元件中，上述基板可用以获得用于激光共振器的优质的端面。
该方法中，在形成上述基板产物的上述工序中，对上述基板进行研磨，以使上述基板的厚度成为50μm以上100μm以下，上述第2面是通过上述研磨形成的研磨面、或包含形成于上述研磨面上的电极的面。若厚度为50μm以上，则操作变得容易，生产良率提高。若为100μm以下，则可用以获得用于激光共振器的优质的端面。
该方法中，上述刻划使用激光刻划器进行，通过上述刻划形成刻划槽，上述刻划槽的长度短于由上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴及上述法线轴所规定的a-n面与上述第1面的交叉线的长度。根据该方法，通过割断基板产物，而形成其他基板产物及激光棒。该割断使用比激光棒的割断线短的刻划槽而引起。
该方法中，上述半极性主面是{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一个。根据该方法，在上述典型的半极性面中，可提供能够构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器的程度的充分的平坦性及垂直性的第1及第2端面。
该方法中，上述基板由GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN中的任一种构成。根据该方法，在使用由上述氮化镓系半导体构成的基板时，可获得可用作共振器的第1及第2端面。在使用AlN基板或AlGaN基板时，可增大偏光度，且由于低折射率而可强化光封闭性。在使用InGaN基板时，可减小基板与发光层的晶格失配率，且可提高结晶品质。
本发明的各方案的上述目的及其它目的、特征以及优点根据附图所进行的本发明的优选实施方式的以下的详细记述，更容易明了。
发明效果
如以上所说明所示，根据本发明的各方案，提供一种在六方晶系III族氮化物的c轴朝m轴的方向倾斜的支持基体的半极性面上，具有较高的振荡良率的激光共振器的III族氮化物半导体激光元件，并且，根据本发明的各方案，提供一种制作该III族氮化物半导体激光元件的方法。
附图说明
图1是概略地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的构造的图。
图2是表示III族氮化物半导体激光元件中的活性层中的能带构造的图。
图3是表示III族氮化物半导体激光元件的活性层中的发光的偏光的图。
图4是表示III族氮化物半导体激光元件的端面与活性层的m面的关系的图。
图5是表示制作本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的方法的主要工序的工序流程图。
图6是示意性地表示制作本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的方法的主要工序的图。
图7是表示晶格中的{20-21}面及共振器端面的扫描式电子显微镜图像的图。
图8是表示实施例1中所示的激光二极管的构造的图。
图9是表示所求出的偏光度ρ与阈值电流密度的关系的图。
图10是表示GaN基板的朝向m轴方向的c轴的倾斜角与振荡良率的关系的图。
图11是表示层错密度与振荡良率的关系的图。
图12是表示基板厚度与振荡良率的关系的图。
图13是表示(20-21)面与其他面方位(指数)所成的角度的图。
图14是表示(20-21)面与(-101-6)面及(-1016)面中的原子配置的图。
图15是表示(20-21)面与(-101-7)面及(-1017)面中的原子配置的图。
图16是表示(20-21)面与(-101-8)面及(-1018)面中的原子配置的图。
图17是表示GaN的原子配置的图。
图18是表示GaN基板的偏离角、振荡良率以及面指数的关系的图。
图19是表示面指数、面指数与m面所成的角度、及主面与c面所成的角度的关系的图。
图20是表示GaN基板的偏离角、振荡良率、及GaN基板的偏离角为70.53±10度的范围的关系的图。
图21是表示c轴从基板主面的倾斜角度与偏光度的关系的图。
图22是表示电流密度与偏光度的关系的图。
具体实施方式
本发明的见解通过参照作为例示而表示的附图并考虑以下的详细记述而可容易理解。接下来，参照附图的同时对本发明的III族氮化物半导体激光元件、及制作III族氮化物半导体激光元件的方法的实施方式进行说明。在可能的情况下对相同部分附上相同的标号。
图1是概略地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的构造的图。III族氮化物半导体激光元件11具有增益引导型(利得ガイド型)构造，但本发明的实施方式并不限定于增益引导型构造。III族氮化物半导体激光元件11包含激光构造体13及电极15。激光构造体13包含支持基体17及半导体区域19。支持基体17由六方晶系III族氮化物半导体构成，且具有半极性主面17a及背面17b。半导体区域19设置于支持基体17的半极性主面17a上。电极15设置于激光构造体13的半导体区域19上。半导体区域19包含第1包覆层21、第2包覆层23及活性层25。第1包覆层21由第1导电型的氮化镓系半导体构成，例如由n型AlGaN、n型InAlGaN等构成。第2包覆层23由第2导电型的氮化镓系半导体构成，例如由p型AlGaN、p型InAlGaN等构成。活性层25设置于第1包覆层21与第2包覆层23之间。活性层25包含氮化镓系半导体层，该氮化镓系半导体层例如为阱层25a。活性层25包括由氮化镓系半导体构成的障壁层25b，阱层25a及障壁层25b交替排列。阱层25a例如由InGaN等构成，障壁层25b例如由GaN、InGaN等构成。活性层25可以包含以产生波长为360nm以上600nm以下的光的方式设置的量子阱构造。通过利用半极性面，可产生波长为430nm以上550nm以下的光。第1包覆层21、第2包覆层23及活性层25沿着半极性主面17a的法线轴NX排列。III族氮化物半导体激光元件11中，激光构造体13包含与由六方晶系III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX所规定的m-n面交叉的第1割断面27及第2割断面29。
参照图1，绘制有正交坐标系统S及结晶坐标系统CR。法线轴NX朝向正交坐标系统S的Z轴的方向。半极性主面17a与由正交坐标系统S的X轴及Y轴所规定的特定平面平行地延伸。并且，在图1中，绘制有代表性的c面Sc。支持基体17的六方晶系III族氮化物半导体的c轴朝向六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向，相对于法线轴NX以有限的角度ALPHA倾斜。
III族氮化物半导体激光元件11还包含绝缘膜31。绝缘膜31覆盖激光构造体13的半导体区域19的表面19a，半导体区域19位于绝缘膜31与支持基体17之间。支持基体17由六方晶系III族氮化物半导体构成。绝缘膜31具有开口31a，开口31a在半导体区域19的表面19a与上述的m-n面的交叉线LIX的方向上延伸，且例如成为条纹形状。电极15经由开口31a与半导体区域19的表面19a(例如第2导电型的接触层33)形成接触，在上述交叉线LIX的方向上延伸。III族氮化物半导体激光元件11中，激光波导包含第1包覆层21、第2包覆层23及活性层25，在上述交叉线LIX的方向上延伸。
III族氮化物半导体激光元件11中，第1割断面27及第2割断面29与由六方晶系III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX所规定的m-n面交叉。III族氮化物半导体激光元件11的激光共振器包含第1及第2割断面27、29，激光波导向第1割断面27及第2割断面29的一方延伸至另一方。激光构造体13包含第1面13a及第2面13b，第1面13a为第2面13b的相反侧的面。第1及第2割断面27、29从第1面13a的边缘13c延伸至第2面13b的边缘13d为止。第1及第2割断面27、29与c面、m面或a面这些以往的裂面不同。
将L设为4以上的整数第1及第2割断面27、29包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)表示的面起±5度的范围内的区域(以下，称为区域R)。而且，第1及第2割断面27、29中包含于活性层25中的部分可包含上述的区域R的一部分或全部。因此，激光共振器中所包含的第1及第2割断面27、29包含上述面指数的区域，因此第1及第2割断面27、29具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
而且，第1及第2割断面27、29也可包含与N原子-Ga原子的排列(沿着向量NX的方向延伸的排列)所成的角度处于±10度以下的范围内的区域，上述N原子-Ga原子的排列沿着从支持基体17的六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向(向量VC)，朝与支持基体17的六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向而延伸(参照图17)。第1及第2割断面27、29中包含于活性层25中的部分可包含与支持基体17的上述N原子-Ga原子的排列(沿着向量NX的方向而延伸的排列)所成的角度处于±10度以下的范围内的上述区域的一部分或全部。尤其是上述的区域R与沿着支持基体17的向量NX延伸的上述N原子-Ga原子的排列所成的角度可处于±10度以下的范围内。激光共振器中所包含的第1及第2割断面27、29包含与沿着支持基体17的向量NX延伸的上述N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的情况下，第1及第2割断面27、29具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
图19所示的表可视为表示支持基体17的半极性主面17a与支持基体17的六方晶系III族氮化物半导体的c面(面Sc)所成的角度(角度ALPHA)、及与半极性主面17a正交且沿着第1及第2割断面27、29延伸的面的面指数的对应。参照图19，在本实施方式中，支持基体17的半极性主面17a与支持基体17的六方晶系III族氮化物半导体的c面(面Sc)所成的角度(角度ALPHA)可处于64.84±5度以上79.37±5度以下的范围内。如上所述，在支持基体17的半极性主面17a与支持基体17的六方晶系III族氮化物半导体的c面(面Sc)所成的角度(角度ALPHA)处于64.84±5度以上79.37±5度以下的范围内的情况下，第1及第2割断面27、29也具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
根据该III族氮化物半导体激光元件11，构成激光共振器的第1及第2割断面27、29与m-n面交叉。因此，可设置在m-n面与半极性面17a的交叉线的方向上延伸的激光波导。因此，III族氮化物半导体激光元件11具有可成为低阈值电流的激光共振器。
III族氮化物半导体激光元件11包含n侧光导层35及p侧光导层37。n侧光导层35包含第1部分35a及第2部分35b，n侧光导层35例如由GaN、InGaN等构成。p侧光导层37包含第1部分37a及第2部分37b，p侧光导层37例如由GaN、InGaN等构成。载子阻挡层39例如设置于第1部分37a与第2部分37b之间。在支持基体17的背面17b设置有另一电极41，电极41例如覆盖支持基体17的背面17b。
图2是表示III族氮化物半导体激光元件中的活性层中的能带构造的图。图3是表示III族氮化物半导体激光元件11的活性层25中的发光的偏光的图。图4是示意性地表示由c轴及m轴所规定的剖面的图。参照图2(a)，在能带构造BAND(能带)的Γ点附近，有3种在传导带与价带之间的可能的跃迁。A能带及B能带为相对较小的能量差。由传导带与A能带的跃迁Ea所引起的发光朝a轴方向偏光，由传导带与B能带的跃迁Eb所引起的发光朝将c轴投影至主面的方向偏光。关于激光振荡，跃迁Ea的阈值小于跃迁Eb的阈值。
参照图2(b)，表示III族氮化物半导体激光元件11中的LED模式下的光的光谱。LED模式下的光包含六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向的偏光成分I1、及将六方晶系III族氮化物半导体的c轴投影至主面的方向的偏光成分I2，偏光成分I1大于偏光成分I2。偏光度ρ通过(I1-I2)/(I1+I2)所规定。可使用该III族氮化物半导体激光元件11的激光共振器，使LED模式下较大发光强度的模式的光进行激光振荡。
如图3所示，可进一步包含设置于第1及第2割断面27、29的至少一方或分别设置于两方的介电多层膜43a、43b。也可对割断面27、29使用端面涂布。可通过端面涂布调整反射率。
如图3(b)所示，来自活性层25的激光L朝向六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向偏光。该III族氮化物半导体激光元件11中，可实现低阈值电流的带间跃迁具有偏光性。用于激光共振器的第1及第2割断面27、29与c面、m面或a面这些以往的裂面不同。然而，第1及第2割断面27、29具有作为用于共振器的镜的平坦性、垂直性。因此，使用第1及第2割断面27、29与在上述割断面27、29间延伸的激光波导，如图3(b)所示，利用比起朝将c轴投影至主面的方向偏光的跃迁Eb的发光更强的跃迁Ea的发光，可进行低阈值的激光振荡。
III族氮化物半导体激光元件11中，在第1及第2割断面27、29上分别出现支持基体17的端面17c及半导体区域19的端面19c，端面17c及端面19c由介电多层膜43a覆盖。支持基体17的端面17c及活性层25中的端面25c的法线向量NA与活性层25的m轴向量MA所成的角度BETA由如下成分所规定：在由III族氮化物半导体的c轴及m轴规定的第1平面S1内规定的成分(BETA)1、及在与第1平面S1(为容易理解而未图示，参照为“S1”)及法线轴NX正交的第2平面S2(为容易理解而未图示，参照为“S2”)内规定的成分(BETA)2。成分(BETA)1可在由III族氮化物半导体的c轴及m轴所规定的第1平面S1内成为(ALPHA-5)度以上(ALPHA+5)度以下的范围。该角度范围在图4中表示为代表性的m面SM与参照面FA所成的角度。为了容易理解，在图4中从激光构造体的内侧遍及外侧而绘制代表性的m面SM。参照面FA沿着活性层25的端面25c延伸。该III族氮化物半导体激光元件11具有关于从c轴及m轴的一方朝另一方所取的角度BETA满足上述垂直性的端面。并且，成分(BETA)2可在第2平面S2内成为-5度以上+5度以下的范围。此处，BETA2＝(BETA)1 2+(BETA)2 2。此时，III族氮化物半导体激光元件11的端面(割断面27、29)关于在与半极性面17a的法线轴NX垂直的面内规定的角度满足上述垂直性。
再次参照图1，III族氮化物半导体激光元件11中，支持基体17的厚度DSUB可为400μm以下。该III族氮化物半导体激光元件中，可获得用于激光共振器的优质的割断面。III族氮化物半导体激光元件11中，支持基体17的厚度DSUB进而可为50μm以上100μm以下。该III族氮化物半导体激光元件11中，更可获得用于激光共振器的优质的割断面。并且，操作变得容易，可提高生产良率。
在III族氮化物半导体激光元件11中，法线轴NX与六方晶系III族氮化物半导体的c轴所成的角度ALPHA进而可为45度以上，且可为80度以下。并且，角度ALPHA可为100度以上，且可为135度以下。在未满45度及超过135度的角度时，通过按压形成的端面包含m面的可能性变高。并且，在超过80度且未满100度的角度时，有无法获得所需的平坦性及垂直性的危险。
在III族氮化物半导体激光元件11中，法线轴NX与六方晶系III族氮化物半导体的c轴所成的角度ALPHA进而可为63度以上，且可为80度以下。并且，角度ALPHA可为100度以上，且可为117度以下。在未满63度及超过117度的角度时，有通过按压形成的端面的一部分出现m面的可能性。并且，在超过80度且未满100度的角度时，有无法获得所需的平坦性及垂直性的危险。
半极性主面17a进而可为{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一个。进而，也可将自上述面以-4度以上+4度以下的范围微倾斜的面设为上述主面。在上述典型的半极性面17a中，可提供能够构成该III族氮化物半导体激光元件11的激光共振器的程度的充分的平坦性及垂直性的第1及第2端面(割断面27、29)。并且，在遍及上述典型的面方位的角度的范围内，可获得显示出充分的平坦性及垂直性的端面。
在III族氮化物半导体激光元件11中，支持基体17的层错密度可为1×104cm-1以下。因层错密度为1×104cm-1以下，因此由于偶发情况导致割断面的平坦性及/或垂直性混乱的可能性较低。并且，支持基体17可包含GaN、AlN、AlGaN、InGaN及InAlGaN中的任一个。在使用由上述氮化镓系半导体构成的基板时，可获得可用作共振器的端面(割断面27、29)。在使用AlN或AlGaN基板时，可增大偏光度，且由于低折射率而可强化光封闭性。在使用InGaN基板时，可减小基板与发光层的晶格失配率，而可提高结晶品质。
图5是表示制作本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的方法的主要工序的图。参照图6(a)，表示基板51。在工序S101中，准备用于制作III族氮化物半导体激光元件的基板51。基板51的六方晶系III族氮化物半导体的c轴(向量VC)朝向六方晶系III族氮化物半导体的m轴方向(向量VM)，相对于法线轴NX而以有限的角度ALPHA倾斜。因此，基板51具有由六方晶系III族氮化物半导体构成的半极性主面51a。
在工序S102中，形成基板产物SP。图6(a)中，将基板产物SP绘制为大致圆板形的构件，但基板产物SP的形状限定并不限定于此。为了获得基板产物SP，首先，工序S103中，形成激光构造体55。激光构造体55包含半导体区域53及基板51，工序S103中，半导体区域53形成于半极性主面51a上。为了形成半导体区域53，在半极性主面51a上依次成长第1导电型的氮化镓系半导体区域57、发光层59、及第2导电型的氮化镓系半导体区域61。氮化镓系半导体区域57例如可包含n型包覆层，氮化镓系半导体区域61例如可包含p型包覆层。发光层59设置于氮化镓系半导体区域57与氮化镓系半导体区域61之间，且可包含活性层、光导层及电子阻挡层等。氮化镓系半导体区域57、发光层59、及第2导电型的氮化镓系半导体区域61沿着半极性主面51a的法线轴NX排列。上述半导体层进行外延成长。半导体区域53上由绝缘膜54所覆盖。绝缘膜54例如包含硅的氧化物。绝缘膜54具有开口54a。开口54a例如成条纹形状。
工序S104中，在激光构造体55上形成阳极电极58a及阴极电极58b。并且，在基板51的背面形成电极之前，对用于结晶成长的基板的背面进行研磨，形成所需的厚度DSUB的基板产物SP。在电极的形成中，例如阳极电极58a形成于半导体区域53上，并且阴极电极58b形成于基板51的背面(研磨面)51b上。阳极电极58a在X轴方向上延伸，阴极电极58b系覆盖整个背面51b。通过上述工序，形成基板产物SP。基板产物SP包含第1面63a、以及位于其相反侧的第2面63b。半导体区域53位于第1面63a与基板51之间。
工序S105中，如图6(b)所示，对基板产物SP的第1面63a进行刻划。该刻划使用激光刻划器10a而进行。通过刻划形成刻划槽65a。图6(b)中，已形成有5个刻划槽，使用激光束LB进行刻划槽65b的形成。刻划槽65a的长度短于由六方晶系III族氮化物半导体的a轴及法线轴NX所规定的a-n面与第1面63a的交叉线AIS的长度，对交叉线AIS的一部分进行激光束LB的照射。通过激光束LB的照射，在特定方向上延伸并到达半导体区域的槽形成于第1面63a。刻划槽65a例如可形成于基板产物SP的一个边缘。
在工序S106中，如图6(c)所示，如果对基板产物SP的第2面63b的按压进行基板产物SP的分离，形成基板产物SP1及激光棒LB1。按压例如使用刀具69等断裂装置进行。刀具69包含在一个方向上延伸的边缘69a、以及规定边缘69a的至少2个刀面69b、69c。并且，基板产物SP1的按压在支持装置71上进行。支持装置71包含支持面71a与凹部71b，凹部71b在一个方向上延伸。凹部71b形成于支持面71a。使基板产物SP1的刻划槽65a的方向及位置对准支持装置71的凹部71b的延伸方向，将基板产物SP1在支持装置71上定位在凹部71b上。使断裂装置的边缘的方向对准凹部71b的延伸方向，从与第2面63b交叉的方向，将破断装置的边缘抵压于基板产物SP1。交叉方向可为与第2面63b大致垂直的方向。由此，进行基板产物SP的分离，形成基板产物SP1及激光棒LB1。通过抵压，形成具有第1及第2端面67a、67b的激光棒LB1，上述端面67a、67b的至少发光层的一部分具有可用于半导体激光的共振镜的程度的垂直性及平坦性。
所形成的激光棒LB 1具有通过上述分离形成的第1及第2端面67a、67b，端面67a、67b分别从第1面63a延伸至第2面63b为止。因此，端面67a、67b构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器，且与XZ面交叉。该XZ面对应于由六方晶系III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX规定的m-n面。
将L设为4以上的整数，第1及第2端面67a、67b包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域(以下，称为区域R1)。而且，第1及第2端面67a、67b中包含于发光层59的活性层中的部分可包含上述区域R1的一部分或全部。因此，激光共振器中所包含的第1及第2端面67a、67b包含上述面指数的区域，因此第1及第2端面67a、67b具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
而且，第1及第2端面67a、67b也可包含与N原子-Ga原子的排列(沿着向量NX的方向延伸的排列)所成的角度处于±10度以下的范围内的区域，其中上述N原子-Ga原子的排列沿着从基板51的六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向(向量VC)，朝向与基板51的六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸(参照图17)。第1及第2端面67a、67b中包含于发光层59的活性层中的部分可包含与基板51的上述N原子-Ga原子的排列(沿着向量NX的方向延伸的排列)所成的角度处于±10度以下的范围内的上述区域的一部分或全部。尤其是上述区域R1与沿着基板51的向量NX延伸的上述N原子-Ga原子的排列所成的角度可处于±10度以下的范围内。在激光共振器中所包含的第1及第2端面67a、67b包含沿着基板51的向量NX延伸的上述N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的情况下，第1及第2端面67a、67b也具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
图19所示的表可视为表示基板51的半极性主面51a与基板51的六方晶系III族氮化物半导体的c面(面Sc)所成的角度(角度ALPHA)、及与半极性主面51a正交且沿着第1及第2端面67a、67b延伸的面的面指数的对应。参照图19，本实施方式中，基板51的半极性主面51a与基板51的六方晶系III族氮化物半导体的c面(面Sc)所成的角度(角度ALPHA)可处于64.84±5度以上79.37±5度以下的范围内。如上所述，在基板51的半极性主面51a与基板51的六方晶系III族氮化物半导体的c面(面Sc)所成的角度(角度ALPHA)处于64.84±5度以上79.37±5度以下的范围内的情况下，第1及第2端面67a、67b也具有作为共振镜的平坦性、垂直性，由此激光共振器的振荡良率提高。
根据该方法，在六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向上，对基板产物SP的第1面63a进行刻划后，通过对基板产物SP的第2面63b的按压进行基板产物SP的分离，形成新的基板产物SP1及激光棒LB1。因此，以与m-n面交叉的方式在激光棒LB1形成第1及第2端面67a、67b。根据该端面形成，对第1及第2端面67a、67b提供可构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器的程度的充分的平坦性及垂直性。
并且，该方法中，所形成的激光波导系在六方晶系III族氮化物的c轴的倾斜的方向上延伸。不使用干式蚀刻面，便形成可提供该激光波导的共振镜端面。
根据该方法，通过基板产物SP1的割断，形成新的基板产物SP1及激光棒LB1。工序S107中，反复进行由按压所引起的分离，而制作多个激光棒。该割断使用比激光棒LB 1的割断线BREAK(断裂)短的刻划槽65a而引起。
工序S108中，在激光棒LB1的端面67a、67b形成介电多层膜，而形成激光棒产物。工序S109中，将该激光棒产物分离为各个半导体激光的芯片。
本实施方式的制造方法中，角度ALPHA可为45度以上80度以下及100度以上135度以下的范围。在未满45度及超过135度的角度时，通过按压形成的端面由m面构成的可能性变高。并且，在超过80度且未满100度的角度时，有无法获得所需的平坦性及垂直性的危险。角度ALPHA可为63度以上80度以下及100度以上117度以下的范围。在未满45度及超过135度的角度时，存在在通过按压形成的端面的一部分出现m面的可能性。并且，在超过80度且未满100度的角度时，有无法获得所需的平坦性及垂直性的危险。半极性主面51a可为{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一个。进而，也可将从上述面以-4度以上+4度以下的范围微倾斜的面设为上述主面。在上述典型的半极性面中，以可构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器的程度的充分的平坦性及垂直性，提供用于激光共振器的端面。
并且，基板51可包含GaN、AlN、AlGaN、InGaN及InAlGaN中的任一个。在使用由上述氮化镓系半导体构成的基板时，可获得可用作激光共振器的端面。基板51可由GaN构成。
形成基板产物SP的工序S104中，对用于结晶成长的半导体基板实施切片或磨削的加工，以使基板厚度成为400μm以下，第2面63b可以是通过研磨形成的加工面。在该基板厚度下，可高良率地形成能够构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器的程度的充分的平坦性、垂直性或无离子损伤的端面67a、67b。第2面63b还可以为通过研磨形成的研磨面，研磨后基板厚度为100μm以下。并且，为了相对容易地处理基板产物SP，基板厚度可为50μm以上。
本实施方式的激光端面的制造方法中，在激光棒LB1中也规定了参照图3说明的角度BETA。激光棒LB 1中，角度BETA的成分(BETA)1可在由III族氮化物半导体的c轴及m轴所规定的第1平面(与参照图3的说明中的第1平面S1相对应的面)内成为(ALPHA-5)度以上(ALPHA+5)度以下的范围。激光棒LB1的端面67a、67b关于从c轴及m轴的一方朝另一方所取的角度BETA的角度成分满足上述垂直性。并且，角度BETA的成分(BETA)2可在第2平面(与图3所示的第2平面S2相对应的面)内成为-5度以上+5度以下的范围。此时，激光棒LB1的端面67a、67b关于在与半极性面51a的法线轴NX垂直的面内规定的角度BETA的角度成分满足上述垂直性。
端面67a、67b通过利用对外延成长于半极性面51a上的多个氮化镓系半导体层的按压的断裂而形成。由于是向半极性面51a的外延膜，因而端面67a、67b并非以往用作共振镜的c面、m面或a面等低面指数的裂面。然而，在半极性面51a上的外延膜的积层的断裂中，端面67a、67b具有可用作共振镜的平坦性及垂直性。
(实施例1)
如下所述，准备半极性面GaN基板，观察割断面的垂直性。基板使用从以HVPE法(Hydride Vapoar Phase Epitaxy Method，氢化物气相外延法)较厚地成长的(0001)GaN晶锭，朝m轴方向以75度的角度切出的{20-21}面GaN基板。GaN基板的主面为镜面加工，背面为经磨削加工的缎纹表面抛光(Pearskin Finish)状态。基板的厚度为370μm。
在缎纹表面抛光状态的背面侧，使用钻石笔，在将c轴投影至基板主面的方向上垂直地进行划线后，进行按压而将基板割断。为了观察所获得的割断面的垂直性，使用扫描式电子显微镜，从a面方向观察基板。
图7(a)是从a面方向观察割断面的扫描式电子显微镜像，右侧的端面为割断面。可知割断面相对于半极性主面，具有平坦性及垂直性。
(实施例2)
实施例1中，可知具有半极性{20-21}面的GaN基板中，在将c轴投影至基板主面的方向上垂直地进行划线并进行按压所获得的割断面相对于基板主面具有平坦性及垂直性。因此，为研究该割断面作为激光的共振器的有用性，如下所述，通过有机金属气相成长法使图8所示的激光二极管成长。原料使用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)。准备基板71。作为基板71，制作下述GaN基板：使用晶片切片装置从以HVPE法较厚地成长的(0001)GaN晶锭，朝m轴方向以0度至90度的范围的角度切出，且具有朝向m轴方向的c轴的倾斜角度ALPHA为0度至90度的范围的所需的偏离角。例如，在以75度的角度切出时，获得{20-21}面GaN基板，在图7(b)所示的六方晶系的晶格中由参照标记71a表示。
为了在成长前研究基板的层错密度，通过阴极发光法观察基板。在阴极发光中，观察通过电子束所激发的载子的发光过程，若存在层错，则在其附近载子进行非发光再结合，因此观察为暗线状。求出该暗线的每单位长度的密度(线密度)，定义为层错密度。此处，为了研究层错密度，使用非破坏测定的阴极发光法，但也可使用破坏测定的穿透式电子显微镜。在利用穿透式电子显微镜时，从a轴方向观察试料剖面时，从基板朝向试料表面在m轴方向上伸长的缺陷为支持基体中所包含的层错，可与阴极发光法的情形同样地求出层错的线密度。
将该基板71配置于反应炉内的承载器上之后，以下述成长顺序成长外延层。首先，成长厚度为1000nm的n型GaN72。其次，成长厚度为1200nm的n型InAlGaN包覆层73。继而，成长厚度为200nm的n型GaN引导层74a及厚度为65nm的无掺杂InGaN引导层74b之后，成长由GaN厚度15nm/InGaN厚度3nm构成的3个周期MQW(Multiple QuantumWell，多量子阱)75。继而，成长厚度为65nm的无掺杂InGaN引导层76a、厚度为20nm的p型AlGaN阻挡层77a及厚度200nm的p型GaN引导层76b。其次，成长厚度为400nm的p型InAlGaN包覆层77b。最后，成长厚度为50nm的p型GaN接触层78。
将SiO2的绝缘膜79成膜于接触层78上之后，使用光刻法并通过湿式蚀刻形成宽度为10μm的条纹窗。此处，如下述二者所示形成条纹方向的接触窗。激光条纹为(1)M方向(接触窗沿着由c轴及m轴规定的特定面的方向)、及(2)A方向：<11-20>方向。
形成条纹窗之后，对由Ni/Au构成的p侧电极80a与由Ti/Al构成的焊盘电极进行蒸镀。其次，使用钻石悬浮液对GaN基板(GaN晶片)的背面进行研磨，制作背面为镜面状态的基板产物。此时，使用接触式膜厚计测定基板产物的厚度。厚度的测定中，也可通过对从试料剖面进行观察的显微镜而进行。显微镜可使用光学显微镜或扫描式电子显微镜。如果蒸镀而在GaN基板(GaN晶片)的背面(研磨面)形成由Ti/Al/Ti/Au构成的n侧电极80b。
为了针对上述两种激光条纹制作共振镜，使用利用波长为355nm的YAG激光的激光刻划器。在使用激光刻划器进行断裂的情况下，与使用钻石刻划器的情形相比，可提高振荡芯片良率。作为刻划槽的形成条件，使用以下：激光输出为100mW；扫描速度为5mm/s。所形成的刻划槽例如为长度30μm、宽度10μm、深度40μm的槽。以800μm间距经由基板的绝缘膜开口部位而对外延表面直接照射激光光，从而形成刻划槽。共振器长度为600μm。
使用刀具，通过割断而制作共振镜。通过对基板背侧进行按压而破断，从而制作激光棒。更具体而言，图7(b)与图7(c)关于{20-21}面的GaN基板表示结晶方位与割断面的关系。图7(b)是将激光条纹设置于(1)M方向的情形，且表示半极性面71a及用于激光共振器的端面81a、81b。端面81a、81b与半极性面71a大致正交，与先前的c面、m面或a面等以往的裂面不同。图7(c)是将激光条纹设置于(2)<11-20>方向上的情形，且表示半极性面71a及用于激光共振器的端面81c、81d。端面81c、81d与半极性面71a大致正交，且由a面构成。
以扫描式电子显微镜观察通过断裂形成的割断面，结果于(1)及(2)中分别未观察到显著的凹凸。据此，推定割断面的平坦性(凹凸的大小)为20nm以下。进而，割断面相对于试料表面的垂直性为±5度的范围内。
通过真空蒸镀法在激光棒的端面涂布介电多层膜。介电多层膜通过交替积层SiO2与TiO2而构成。膜厚分别在50～100nm的范围内进行调整，设计为反射率的中心波长成为500～530nm的范围。将单侧的反射面设为10个周期，将反射率的设计值设计为约95％，将另一侧的反射面设为6个周期，将反射率的设计值设为约80％。
在室温下进行通电的评价。电源使用脉冲宽度为500ns、占空比为0.1％的脉冲电源，将针放于表面电极上而进行通电。在光输出测定时，通过二极管检测来自激光棒端面的发光，研究电流-光输出特性(I-L特性)。在测定发光波长时，使来自激光棒端面的发光通过光纤，检测器使用光谱分析仪而进行光谱测定。在研究偏光状态时，使来自激光棒的发光通过偏光板而旋转，由此研究偏光状态。在观测LED模式光时，将光纤配置于激光棒表面侧，由此测定从表面放射的光。
确认以全部激光进行振荡后的偏光状态，结果可知向a轴方向偏光。振荡波长为500～530nm。
以全部激光测定LED模式(自然放射光)的偏光状态。电流密度为7.4A/cm2。将a轴的方向的偏光成分设为I1，将m轴投影至主面的方向的偏光成分设为I2，将(I1-I2)/(I1+I2)定义为偏光度ρ。如此，研究求出的偏光度ρ与阈值电流密度的最小值的关系，结果获得图9。根据图9，可知于偏光度为正的情况下，在(1)激光条纹M方向的激光时，阈值电流密度大幅下降。即，可知于偏光度为正(I1＞I2)且在偏离方向上设置波导的情况下，阈值电流密度大幅下降。图9所示的数据如下。
为了采取获得较高的偏光度的对策，通过调整GaN基板的切出角度，制作具有从{20-21}面微倾斜的主面的GaN基板，研究该GaN基板的主面的从c轴起的倾斜角与偏光度的关系，结果获得图21所示的数据。可知在GaN基板的主面为{20-21}面的情况下，该主面与c面所成的角度为约75度，且该角度变大，越接近90度则偏光度越大。即，为获得较大的偏光度，有效的是使用具有GaN基板的主面与c面所成的角度尽可能接近90度的主面、并从{20-21}面微倾斜的主面的基板。
图21所示的数据如下。
Figure BPA00001424968700262
并且，为了确认使用具有{20-21}面的主面的GaN基板的III族氮化物半导体激光元件中的激光的偏光度的稳定性，使电流密度增加至0.74kA/cm2为止而调查偏光度的电流密度依赖性。其结果，获得图22的数据。可知即便使电流密度(CURRENT DENSITY)增加，偏光度(POLARIZATION RATIO)也大致固定而不发生变化。因此，即便为接近激光振荡阈值电流密度的电流密度，偏光度也不下降，对低阈值振荡非常有效。
研究GaN基板的朝向m轴方向的c轴的倾斜角(偏离角)与振荡良率的关系，结果获得图10。本实施例中，关于振荡良率，定义为(振荡芯片数)/(测定芯片数)。并且，图10是在基板的层错密度为1×104(cm-1)以下的基板且激光条纹为(1)M方向的激光的情况下描绘的。根据图10，可知于偏离角为45度以下时，振荡良率极低。以光学显微镜观察端面状态，结果可知在小于45度的角度时，在所有芯片出现m面，未获得垂直性。并且，可知在偏离角为63度以上80度以下的范围时，垂直性提高，振荡良率增加50％以上。根据上述情况，GaN基板的偏离角度的范围可利用63度以上80度以下。再者，即便在具有其结晶性等效的端面的角度范围即100度以上117度以下的范围时，也获得相同的结果。图10所示的数据如下。
Figure BPA00001424968700271
将包含GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c轴及m轴的面与GaN基板的主面正交的面(对应于区域R1、R2)的面指数、与GaN基板的偏离角度的对应示于图18。图18所示的图表与图10所示的相同。如图18所示，在GaN基板的偏离角度为45度以上80度以下的情况下，与区域R1、R2相对应的面的面指数为(-1，0，1，2)、(-1，0，1，3)、(-1，0，1，4)、(-1，0，1，5)、(-1，0，1，6)、(-1，0，1，7)、(-1，0，1，8)、(-1，0，1，9)、(-1，0，1，10)中的任一个。与此相对，在GaN基板的偏离角度为63度以上80度以下的情况下，与区域R1、R2相对应的面的面指数为(-1，0，1，4)、(-1，0，1，5)、(-1，0，1，6)、(-1，0，1，7)、(-1，0，1，8)、(-1，0，1，9)、(-1，0，1，10)中的任一个。成为共振镜的面包含上述面指数的区域R1、R2，因此该共振镜具有平坦性、垂直性。根据图18，激光共振器的振荡良率提高50％以上。再者，图18所示的GaN基板的偏离角对应于图19所示的主面与c面所成的角度，图18所示的面指数对应于图19所示的面指数。
并且，将GaN基板的偏离角度的范围(70.53±10度的范围)清楚记载于图10所示的图表中，并示于图20。如图20所示，在GaN基板的偏离角度处于70.53±10度的范围内、即60.53度以上80.53度的范围内的情况下，与区域R1、R2相对应的面的面指数为(-1，0，1，4)、(-1，0，1，5)、(-1，0，1，6)、(-1，0，1，7)、(-1，0，1，8)、(-1，0，1，9)、(-1，0，1，10)中的任一个。成为共振镜的面包含上述面指数的区域R1、R2，因此该共振镜具有平坦性、垂直性。根据图20，激光共振器的振荡良率提高50％以上。
此处，研究对应于GaN基板的主面与GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c面所成的角度的工序S106中的断裂的态样，其结果如下所示。在GaN基板的主面与GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c面所成的角度为0度的情况下，通过工序S 106中的断裂，使基板产物高良率地在m面断裂。在GaN基板的主面与GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c面所成的角度大于0度且未满45度的情况下，通过工序S106中的断裂，使基板产物在m面断裂。在GaN基板的主面与GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c面所成的角度为45度以上且未满63度的情况下，通过工序S 106中的断裂，基板产物中混合存在在m面断裂的产物及与主面垂直地断裂的产物。在GaN基板的主面与GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c面所成的角度为63度以上且80度以下的情况下，通过工序S106的断裂，基板产物中多为与主面垂直地断裂的产物。通过该断裂形成的端面(对应于端面63a等)包含与主面垂直的高指数面(为(-1，0，1，L)，L为4以上10以下的整数)。在GaN基板的主面与GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c面所成的角度大于80度且未满90度的情况下，通过工序S106中的断裂难以使基板产物断裂，在GaN基板的主面与GaN基板的六方晶系III族氮化物半导体的c面所成的角度为90度的情况下，通过工序S106中的断裂，使基板产物高良率地在c面断裂。
研究层错密度与振荡良率的关系，结果获得图11。振荡良率的定义与上述相同。根据图11，可知若层错密度超过1×104(cm-1)，则振荡良率急剧下降。并且，以光学显微镜观察端面状态，结果可知振荡良率下降的样品中，端面的凹凸明显而未获得平坦的割断面。认为原因在于由于存在层错而导致断裂容易度不同。因此，基板中所包含的层错密度必须为1×104(cm-1)以下。图11所示的数据如下。
Figure BPA00001424968700291
研究基板厚度与振荡良率的关系，结果获得图12。振荡良率的定义与上述相同。并且，在图12中，在基板的层错密度为1×104(cm-1)以下且激光条纹为(1)M方向的激光的情况下进行描绘。根据图12，在基板厚度薄于100μm且厚于50μm时，振荡良率较高。其原因在于，若基板厚度厚于100μm，则割断面的垂直性恶化。并且，其原因在于，若薄于50μm，则操作困难，芯片容易破坏。因此，基板的厚度最佳为50μm以上100μm以下。图12所示的数据如下。
Figure BPA00001424968700292
Figure BPA00001424968700301
(实施例3)
在实施例2中，在具有{20-21}面的GaN基板上成长用于半导体激光的多个外延膜。如上所述，通过刻划槽的形成与按压而形成光共振器用的端面。为找出上述端面的候补，通过计算求出与(20-21)面成90度左右的角度，且与a面不同的面方位。参照图13，以下的角度及面方位相对于(20-21)面具有90度左右的角度。
具体的面指数，相对于{20-21}面的角度
(-1016)：92.46度；
(-1017)：90.10度；
(-1018)：88.29度。
图14是表示(20-21)面与(-101-6)面及(-1016)面中的原子配置的图。图15是表示(20-21)面与(-101-7)面及(-1017)面中的原子配置的图。图16是表示(20-21)面与(-101-8)面及(-1018)面中的原子配置的图。如图14～图16所示，箭头所示的局部的原子配置表示电荷中性的原子的排列，电性中性的原子配置周期性地出现。认为获得与成长面相对较垂直的面的原因有可能在于，由于该电荷中性的原子排列周期性地出现，从而割断面的产生相对较稳定。
根据包括上述实施例1～3的各种实验，角度ALPHA可为45度以上80度以下及100度以上135度以下的范围。为提高振荡芯片良率，角度ALPHA可为63度以上80度以下及100度以上117度以下的范围。可为典型的半极性主面、{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一个。进而，可为从上述半极性面微倾斜的面。例如，半极性主面可为从{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一面，朝向m面方向以-4度以上+4度以下的范围偏离的微倾斜面。
在优选实施方式中图示了本发明的原理并进行了说明，但本领域技术人员应明白本发明在不脱离上述原理的状态下对配置及详细进行变更而获得。本发明并不限定于本实施方式中所公开的特定构成。因此，对由权利要求的范围及其精神的范围产生的所有修正及变更请求权利。
产业上的可利用性
本发明是一种在六方晶系III族氮化物的c轴朝向m轴的方向倾斜的支持基体的半极性面上，具有较高的振荡良率的激光共振器的III族氮化物半导体激光元件，并且是一种制作该III族氮化物半导体激光元件的方法。
标号说明
11 III族氮化物半导体激光元件
13 激光构造体
13a 第1面
13b 第2面
13c、13d 边缘
15 电极
17 支持基体
17a 半极性主面
17b 支持基体背面
17c 支持基体端面
19 半导体区域
19a 半导体区域表面
19c 半导体区域端面
21 第1包覆层
23 第2包覆层
25 活性层
25a 阱层
25b 障壁层
27、29 割断面
ALPHA 角度
Sc c面
NX 法线轴
31 绝缘膜
31a 绝缘膜开口
35 n侧光导层
37 p侧光导层
39 载子阻挡层
41 电极
43a、43b 介电多层膜
MA m轴向量
BETA 角度
DSUB 支持基体厚度
51 基板
51a 半极性主面
SP 基板产物
57 氮化镓系半导体区域
59 发光层
61 氮化镓系半导体区域
53 半导体区域
54 绝缘膜
54a 绝缘膜开口
55 激光构造体
58a 阳极电极
58b 阴极电极
63a 第1面
63b 第2面
10a 激光刻划器
65a 刻划槽
65b 刻划槽
LB 激光束
SP1 基板产物
LB1 激光棒
69 刀具
69a 边缘
69b、69c 刀面
71 支持装置
71a 支持面
71b 凹部

Claims (26)

1.一种III族氮化物半导体激光元件，其特征在于，包含：
激光构造体，包括由六方晶系III族氮化物半导体构成且具有半极性主面的支持基体、以及设置于上述支持基体的上述半极性主面上的半导体区域；以及
电极，设置于上述激光构造体的上述半导体区域上，
上述半导体区域包括：
第1包覆层，由第1导电型的氮化镓系半导体构成；
第2包覆层，由第2导电型的氮化镓系半导体构成；及
活性层，设置于上述第1包覆层与上述第2包覆层之间，
上述第1包覆层、上述第2包覆层及上述活性层沿着上述半极性主面的法线轴排列，
上述活性层包含氮化镓系半导体层，
上述支持基体的上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴朝向上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向，相对于上述法线轴以有限的角度ALPHA倾斜，上述角度ALPHA为45度以上80度以下或100度以上135度以下的范围，
上述激光构造体包含与由上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴及上述法线轴所规定的m-n面交叉的第1及第2割断面，
该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器包含上述第1及第2割断面，
上述激光构造体包含第1及第2面，上述第1面为上述第2面的相反侧的面，
上述第1及第2割断面分别自上述第1面的边缘延伸至上述第2面的边缘为止，
在上述第1及第2割断面上分别出现上述支持基体的端面及上述半导体区域的端面，
将L设为4以上的整数，上述第1及第2割断面包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体激光元件，其中，
上述第1及第2割断面包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域，其中上述N原子-Ga原子的排列为沿着从上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。
3.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体激光元件，其中，
上述第1及第2割断面中包含于上述活性层中的部分包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域的一部分或全部。
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元件，其中，
上述第1及第2割断面中包含于上述活性层中的部分包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的一部分或全部，其中上述N原子-Ga原子的排列沿着从上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。
5.如权利要求1至4中任一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其中，
上述角度ALPHA为63度以上80度以下、或100度以上117度以下的范围。
6.如权利要求1至5中任一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其中，
上述支持基体的厚度为400μm以下。
7.如权利要求1至6中任一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其中，
上述支持基体的厚度为50μm以上100μm以下。
8.如权利要求1或7中任一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其中，
来自上述活性层的激光朝向上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向偏光。
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元件，其中，
该III族氮化物半导体激光元件中的LED模式下的光包含朝向将上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴投影至主面的方向的偏光成分I2、及上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向的偏光成分I1；
上述偏光成分I1大于上述偏光成分I2。
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元件，其中，
上述半极性主面是从{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一面以-4度以上+4度以下的范围偏离的微倾斜面。
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元件，其中，
上述半极性主面是{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一个。
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元件，其中，
上述支持基体的层错密度为1×104cm-1以下。
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元件，其中，
上述支持基体由GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN中的任一种构成。
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元件，其中，
还包含设置于上述第1及第2割断面的至少任一方的介电多层膜。
15.如权利要求1至14中任一项所述的III族氮化物半导体激光元件，其中，
上述活性层包含以产生波长为360nm以上600nm以下的光的方式设置的发光区域。
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元件，其中，
上述活性层包含以产生波长为430nm以上550nm以下的光的方式设置的量子阱构造。
17.一种制作III族氮化物半导体激光元件的方法，其特征在于，包含下述工序：
准备由六方晶系III族氮化物半导体构成且具有半极性主面的基板的工序；
形成具有包含形成于上述半极性主面上的半导体区域与上述基板的激光构造体、阳极电极、及阴极电极的基板产物的工序；
在上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴的方向上，对上述基板产物的第1面进行局部性地刻划的工序；以及
通过向上述基板产物的第2面的按压来进行上述基板产物的分离，形成其他基板产物及激光棒的工序，
上述第1面为上述第2面的相反侧的面，
上述半导体区域位于上述第1面与上述基板之间，
上述激光棒具有从上述第1面延伸至上述第2面为止并通过上述分离而形成的第1及第2端面，
上述第1及第2端面构成该III族氮化物半导体激光元件的激光共振器，
上述阳极电极及阴极电极形成于上述激光构造体上，
上述半导体区域包括：
第1包覆层，由第1导电型的氮化镓系半导体构成；
第2包覆层，由第2导电型的氮化镓系半导体构成；以及
活性层，设置于上述第1包覆层与上述第2包覆层之间，
上述第1包覆层、上述第2包覆层及上述活性层沿着上述半极性主面的法线轴排列，
上述活性层包含氮化镓系半导体层，
上述基板的上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴朝向上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向，相对于上述法线轴以有限的角度ALPHA倾斜，上述角度ALPHA为45度以上80度以下或100度以上135度以下的范围，
上述第1及第2端面与由上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴及上述法线轴所规定的m-n面交叉，
将L设为4以上的整数，上述第1及第2端面包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域。
18.如权利要求17所述的方法，其中，
上述第1及第2端面包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域，其中上述N原子-Ga原子的排列沿着从上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。
19.如权利要求17或18所述的方法，其中，
上述第1及第2端面中包含于上述活性层中的部分包含处于从以面指数(-1，0，1，L)或(1，0，-1，-L)所表示的面起±5度的范围内的区域的一部分或全部。
20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，
上述第1及第2端面中包含于上述活性层中的部分包含与N原子-Ga原子的排列所成的角度处于±10度以下的范围内的区域的一部分或全部，其中上述N原子-Ga原子的排列沿着从上述六方晶系III族氮化物半导体的c轴的方向，朝向与上述六方晶系III族氮化物半导体的m轴的方向相反的方向仅倾斜70.53度的方向延伸。
21.如权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，
上述角度ALPHA为63度以上80度以下、或100度以上117度以下的范围。
22.如权利要求17至21中任一项所述的方法，其中，
在形成上述基板产物的上述工序中，对上述基板实施切片或磨削的加工，以使上述基板的厚度成为400μm以下，
上述第2面是通过上述加工形成的加工面、或包含形成于上述加工面上的电极的面。
23.如权利要求17至22中任一项所述的方法，其中，
在形成上述基板产物的上述工序中，对上述基板进行研磨，以使上述基板的厚度成为50μm以上100μm以下，
上述第2面是通过上述研磨形成的研磨面、或包含形成于上述研磨面上的电极的面。
24.如权利要求17至23中任一项所述的方法，其中，
上述刻划使用激光刻划器进行，
通过上述刻划形成刻划槽，上述刻划槽的长度短于由上述六方晶系III族氮化物半导体的a轴及上述法线轴所规定的a-n面与上述第1面的交叉线的长度。
25.如权利要求17至24中任一项所述的方法，其中，
上述半极性主面是{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及{10-1-1}面中的任一个。
26.如权利要求17至25中任一项所述的方法，其中，
上述基板由GaN、AlGaN、AlN、InGaN及InAlGaN中的任一种构成。
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