CN103460529A - 光半导体元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可小型化且可容易制作的多波长的光半导体元件。半导体激光元件（1A）包括：GaN基板（10），其主面（10a）具有第一面取向；激光构造部（20），其生长于主面（10a）的第一区域上，且包含活性层（24）；GaN薄膜（40），其经由接合层（41）而接合于主面（10a）的与第一区域不同的第二区域，且表面（40a）具有与第一面取向不同的第二面取向；以及激光构造部（30），其生长于GaN薄膜（40）的表面（40a）上，且包含活性层（34）。活性层（24、34）分别具有包含In的阱层，这些阱层的发光波长互不相同。

Description

光半导体元件
技术领域
本发明涉及一种光半导体元件。
背景技术
近年来，正在开发一种射出多种波长的光的发光元件。例如，在专利文献1中，公开了一种射出650nm及780nm的两种波长的激光的半导体激光阵列。该半导体激光阵列包括GaAs基板、射出650nm的激光的激光元件部、以及射出780nm的波长的激光的激光元件部，且该两个激光元件部设置于GaAs基板上。
在专利文献2中，公开了一种具有将振荡波长互不相同的至少三个激光二极管设置于一片底板上的结构的多波长激光二极管。三个激光二极管在一片底板上沿着底板表面并排地设置。而且，三个激光二极管中的一部分是在GaN基板上结晶生长的二极管，剩余部分是在GaAs基板上结晶生长的二极管。
在专利文献3中，公开了一种具有将振荡波长互不相同的至少三个激光二极管接合于一片底板上的结构的多波长激光二极管。三个激光二极管叠层设置于一片底板上。而且，三个激光二极管中的一部分是在GaN基板上结晶生长的二极管，剩余部分是在GaAs基板上结晶生长的二极管。
在专利文献4中，公开了一种具有将振荡波长互不相同的三个激光二极管接合于一片底板上的结构的多波长激光。三个激光二极管在GaN基板上沿着GaN基板表面并排地设置。三个激光二极管中的一部分是在GaN基板上结晶生长的二极管，剩余部分是在GaAs基板上结晶生长的二极管。
在非专利文献1中，公开了一种具有设置于GaN基体上的三个不同的刻面（facet）以及在各个刻面上结晶生长的LED(Light EmittingDiode，发光二极管)的发光元件。各个LED因刻面不同而使得In的含有率也不同，因此，发光波长也不同。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-011417号公报
专利文献2：日本特开2006-135306号公报
专利文献3：日本特开2006-135323号公报
专利文献4：日本特开2008-294322号公报
非专利文献
非专利文献1：M.Funato et al.,'Tailored emission color synthesisusing microfacetquantum wellsconsisting of nitride semiconductorswithout phosphors'Applied Physics Letters88,261920(2006)
发明内容
发明要解决的课题
例如，GaN等III族氮化物是可实现宽范围的发光波长的材料。也可以在一片III族氮化物半导体基板上制作波长相互差异较大的多个发光部。然而，在如专利文献2～4中所记载那样将发光元件小片接合（diebonding）于一片底板上的构成中，难以实现设备的小型化。此外，为了将多个激光二极管的各个以相同程度的对准精度组装，导致组装成本提高。
本发明的目的在于，提供一种可小型化且可容易制作的多波长的光半导体元件。
为解决课题的手段
本发明的光半导体元件包括：III族氮化物半导体基板，其主面具有第一面取向；第一III族氮化物半导体叠层部，其生长于主面的第一区域上，且包含第一活性层；III族氮化物半导体薄膜，其经由接合层而接合于主面的与第一区域不同的第二区域且表面具有与第一面取向不同的第二面取向；以及第二III族氮化物半导体叠层部，其生长于III族氮化物半导体薄膜的表面上且包含第二活性层，第一活性层及第二活性层分别具有包含In的第一阱层及第二阱层，第一阱层及第二阱层的发光波长互不相同。
在该光半导体元件中，第一III族氮化物半导体基板的主面的面取向与III族氮化物半导体薄膜的表面的面取向互不相同。而且，第一III族氮化物半导体叠层部生长于III族氮化物半导体基板上，第二III族氮化物半导体叠层部生长于III族氮化物半导体薄膜上。在该方式中，例如即便第一阱层及第二阱层的生长条件相同，由于In的获取程度的差异，也能够使第一阱层及第二阱层的发光波长互不相同。由此，根据该光半导体元件，可容易制作波长不同的多个发光部(第一及第二III族氮化物半导体叠层部)。此外，由于第一及第二III族氮化物半导体叠层部生长于共同的基板(III族氮化物半导体基板)上，所以与将发光元件小片接合于底板上的结构相比，可实现小型化。
此外，在光半导体元件中，也可以使第一阱层的In组成与第二阱层的In组成互不相同。根据上述光半导体元件，由于第一III族氮化物半导体基板的主面的面取向与III族氮化物半导体薄膜的表面的面取向互不相同，所以可容易实现这样In组成互不相同的第一阱层及第二阱层。而且，例如通过这样的结构，可使第一阱层及第二阱层的发光波长互不相同。
此外，在光半导体元件中，也可以是第一III族氮化物半导体叠层部进一步包含沿着第一活性层而设置的第一光导层，此外，第二III族氮化物半导体叠层部进一步包含沿着第二活性层而设置的第二光导层，且第一光导层及第二光导层包含In，第一光导层及第二光导层的In组成互不相同。
此外，在光半导体元件中，也可以是第一阱层及第二阱层中的一个阱层的发光波长包含于430nm以上且480nm以下的范围内。
此外，在光半导体元件中，也可以是第一阱层及第二阱层中的一个阱层的发光波长包含于500nm以上且550nm以下的范围内。
此外，在光半导体元件中，也可以是第一阱层的发光波长包含于500nm以上且550nm以下的范围内，第二阱层的发光波长包含于430nm以上且480nm以下的范围内。
此外，在光半导体元件中，也可以是第一III族氮化物半导体叠层部具有用于激光振荡的光波导构造，III族氮化物半导体的c轴相对于III族氮化物半导体基板的主面的法线向量而倾斜，将III族氮化物半导体基板的倾斜的c轴投影于III族氮化物半导体基板主面的方向与第一III族氮化物半导体叠层部的光波导构造的长度方向垂直。这样，在第一III族氮化物半导体叠层部具有激光元件构造的情况下，III族氮化物半导体基板的主面相对于c轴的倾斜方向垂直于光波导，从而可将解理面应用于激光元件构造的共振端面，所以可获得良好的激光振荡特性。
此外，光半导体元件也可以是III族氮化物半导体基板的主面包含该III族氮化物半导体的半极性面或无极性面。由此，可提高第一阱层中的In的组成比而实现500nm以上且550nm以下的绿色区域的发光波长。
此外，优选地，在光半导体元件中，III族氮化物半导体基板的主面的法线向量与III族氮化物半导体基板的c轴所成的倾斜角包含于10度以上且80度以下、或100度以上且170度以下的范围内。或者，优选地，在光半导体元件中，III族氮化物半导体基板的主面的法线向量与III族氮化物半导体基板的c轴所成的倾斜角包含于63度以上且80度以下、或100度以上且117度以下的范围内。此外，在光半导体元件中，也可以是接合层由具有导电性的材料构成。
本发明的上述目的及其它目的、特征、以及优点根据参照附图而展开的本发明的优选实施方式的以下的详细记述而更容易明白。
发明效果
根据本发明，可提供一种可小型化且可容易制作的多波长的光半导体元件。
附图说明
图1是表示本发明的光半导体元件的第一实施方式的半导体激光元件的外观的立体图。
图2是沿着图1所示的II-II线的半导体激光元件的侧剖视图。
图3是表示半导体激光元件的制造方法的流程图。
图4的(a)及(b)部是表示制造半导体激光元件的步骤的剖视图，且表示半导体激光元件的垂直于光波导方向的剖面。
图5的(a)及(b)部是表示制造半导体激光元件的步骤的剖视图，且表示半导体激光元件的垂直于光波导方向的剖面。
图6的(a)及(b)部是表示制造半导体激光元件的步骤的剖视图，且沿着半导体激光元件的垂直于光波导方向的剖面切取。
图7是表示制造半导体激光元件的步骤的剖视图，且表示半导体激光元件的垂直于光波导方向的剖面。
图8是用于说明单一的半导体发光元件发出绿色光及蓝色光的优点的曲线图。
图9是表示相对于基板主面的倾斜方向而平行的方向的偏光的光成分与相对于基板主面的倾斜方向而垂直的方向的偏光的光成分的图。
图10是表示一变形例的半导体激光元件的制造方法的流程图。
图11的(a)、(b)部是表示变形例的半导体激光元件的制造步骤的剖视图，且是沿着半导体激光元件的垂直于光波导方向的剖面切取。
图12是表示变形例的半导体激光元件的制造步骤的剖视图，且是沿着半导体激光元件的垂直于光波导方向的剖面切取。
图13是作为第二实施方式的光半导体元件的发光二极管(LED)的俯视图。
图14是沿着图13的XIV-XIV线切取的侧剖面的发光二极管的图。
图15是表示发光二极管的制造方法的流程图。
图16的(a)、(b)部是表示制造发光二极管的步骤的侧剖视图。
图17的(a)、(b)部是表示制造发光二极管的步骤的侧剖视图。
具体实施方式
本发明的见解可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容易理解。继而，一面参照附图，一面对本发明的光半导体元件的实施方式详细地进行说明。在可能的情况下，在附图的说明中对相同的元素标注相同的标记。
(第一实施方式)
图1是表示光半导体元件的第一实施方式的半导体激光元件1A的立体图。此外，图2是沿着图1所示的II-II线的半导体激光元件1A的侧剖视图。如图1及图2所示，本实施方式的半导体激光元件1A包括作为III族氮化物半导体基板而使用的GaN基板10、作为第一III族氮化物半导体叠层部而使用的激光构造部20、作为第二III族氮化物半导体叠层部而使用的激光构造部30、以及作为III族氮化物半导体薄膜而使用的GaN薄膜40。
GaN基板10是由第一导电型(例如n型)的GaN单晶构成的基板，且具有主面10a及背面10b。主面10a具有第一面取向。这里，第一面取向是指，例如从该GaN结晶的c轴向预定的方向仅倾斜了预定角度的面取向。换言之，构成GaN基板10的GaN结晶的c轴相对于主面10a而倾斜。即，主面10a包含半极性面或无极性面。
GaN基板10的主面10a的倾斜角通过主面10a的法线向量与c轴所成的角度而规定。该角度可处于10度以上且80度以下的范围内，或可处于100度以上且170度以下的范围内。在GaN基板10中，该角度范围可提供GaN结晶的半极性的性质。此外，倾斜角优选处于63度以上且80度以下的范围内，或优选处于100度以上且117度以下的范围内。该角度范围可提供适合用于500nm以上且550nm以下的发光的阱层(后述)的In组成的InGaN层。在一实施例中，主面10a的倾斜角为75度，其倾斜方向为m轴方向。
在GaN基板10的背面10b上的整个面设置有阴极电极52。阴极电极52例如由Ti/Al膜构成，与GaN基板10形成欧姆接触。
激光构造部20具有用于激光二极管的半导体层构造，且设置于主面10a的第一区域10c上，通过结晶生长而形成。第一区域10c的横向宽度(与激光的导波方向垂直的方向的宽度)为例如1mm。本实施方式的激光构造部20包括缓冲层21、下部包覆层22、下部光导层23、活性层24、上部光导层25、电子阻挡层26、上部包覆层27、以及接触层28，这些层依次设置在主面10a上。
缓冲层21与主面10a接触，且例如由n型GaN构成。缓冲层21的厚度例如为500nm。下部包覆层22设置于缓冲层21上，且例如由n型In0.02Al0.09Ga0.89N构成。下部包覆层22的厚度例如为1.5μm。下部光导层23及上部光导层25作为本实施方式中的第一光导层而被参照。下部光导层23沿着活性层24设置于下部包覆层22上，上部光导层25沿着活性层24设置于下部光导层23上。下部光导层23及上部光导层25例如由非掺杂In0.03Ga0.97N构成，这些层的优选的厚度为例如200nm。电子阻挡层26设置于上部光导层25上，且例如由p型Al0.12Ga0.88N构成。电子阻挡层26的厚度例如为20nm。上部包覆层27设置于电子阻挡层26上，且例如由p型In0.02Al0.09Ga0.89N构成。上部包覆层27的厚度例如为400nm。接触层28设置于上部包覆层27上，且例如由p型GaN构成。接触层28的厚度例如为50nm。
活性层24是本实施方式中的第一活性层。活性层24设置于下部光导层23与上部光导层25之间。活性层24可具有量子阱构造，该量子阱构造可根据需要而包含交替地排列的阱层(例如第一阱层)及阻挡层。阱层可由包含In的III-V族化合物半导体、例如InGaN等构成，阻挡层可由带隙能量大于阱层的III-V族化合物半导体、例如InGaN或GaN等构成。在一实施例中，阱层(InGaN)的厚度例如为3nm，阻挡层(GaN)的厚度例如为15nm。活性层24的发光波长通过阱层的带隙、阱层的In组成、阱层的厚度等而控制。活性层24可使用产生具有波长500nm以上且550nm以下的范围的峰值波长的绿色光的In组成，在该情况下，阱层的组成例如为In0.3Ga0.7N。
上部光导层25、电子阻挡层26、上部包覆层27以及接触层28成形为将光波导方向作为长度方向的脊形状而构成半导体构造部。在该脊形状部的正下方形成用于激光振荡的光波导构造。该光波导构造的长度方向优选与GaN基板10的c轴相对于GaN基板10的主面10a的法线向量的倾斜方向交叉(优选为垂直)。由此，由于不管倾斜角度如何而使用解理面作为光波导的共振端面，所以可获得良好的激光振荡特性。
脊状的各半导体层25～28的侧面由绝缘膜29覆盖，在接触层28上，通过绝缘膜29的开口而设置有阳极电极51。阳极电极51具有沿着光波导方向延伸的条纹状的平面形状。阳极电极51由例如Ni/Au膜构成，且与接触层28形成欧姆接触。
GaN薄膜40由第一导电型(例如n型)的GaN单晶构成。GaN薄膜40的厚度例如为0.5μm。GaN薄膜40位于GaN基板10的主面10a上，具体而言位于与第一区域10c不同的第二区域10d内，且以在GaN基板10的主面10a的第二区域10d与GaN薄膜40之间夹持接合层41的方式设置，其结果，经由接合层41而接合于第二区域10d。接合层41的厚度例如为100nm以上且500nm以下。第二区域10d的横向宽度(与激光的导波方向垂直的方向的宽度)例如为1mm。另外，在本实施方式中，第一区域10c及第二区域10d沿着与光波导方向交叉的方向排列配置。这样的GaN薄膜40例如通过如下方法而制作。即，在GaN基板10的主面10a的第二区域10d上选择性地设置接合层41，在通过离子注入等而使表面容易剥离的GaN结晶体的表面与主面10a之间夹持该接合层41而形成GaN基板10的主面10a与GaN结晶体的接合构造，之后，使GaN结晶体的表面剥离。
此外，GaN薄膜40的表面40a(这里，GaN薄膜40的表面是指与接合层41接合的面的相反侧的面)具有第二面取向。此处，第二面取向为与GaN基板10的第一面取向不同的面取向，例如可以是从GaN薄膜40的c轴稍微倾斜的面取向。即，表面40a实质上包含C面、或相对于C面而稍微具有偏离角(例如向a轴方向偏离2度、或2度以下的角度)的面。
激光构造部30具有用于激光二极管的半导体层构造，且设置于GaN薄膜40上，通过结晶生长而形成。本实施方式的激光构造部30包括在表面40a上依次生长的缓冲层31、下部包覆层32、下部光导层33、活性层34、上部光导层35、电子阻挡层36、上部包覆层37、以及接触层38。
缓冲层31与表面40a接触，且例如由n型GaN构成。缓冲层31的厚度例如为500nm。下部包覆层32设置于缓冲层31上，且例如由n型In0.02Al0.09Ga0.89N构成。下部包覆层32的厚度例如为1.5μm。下部光导层33及上部光导层35作为本实施方式中的第二光导层而被参照。下部光导层33沿着活性层34设置于下部包覆层32上，上部光导层35沿着活性层34设置于下部光导层33上。下部光导层33及上部光导层35例如由非掺杂In0.02Ga0.98N构成，这些层的优选厚度为例如200nm。如该例所示，激光构造部30的下部光导层33及上部光导层35的In组成(例如0.02)与所述的激光构造部20的下部光导层23及上部光导层25的In组成(例如0.03)不同。该In组成差异起因于GaN基板10的主面10a的面取向与GaN薄膜40的表面40a的面取向不同。
电子阻挡层36设置于上部光导层35上，且例如由p型Al0.12Ga0.88N构成。电子阻挡层36的厚度例如为20nm。上部包覆层37设置于电子阻挡层36上，且例如由p型In0.02Al0.09Ga0.89N构成。上部包覆层37的厚度例如为400nm。接触层38设置于上部包覆层37上，且例如由p型GaN构成。接触层38的厚度例如为50nm。
活性层34作为本实施方式中的第二活性层而被参照。活性层34设置于下部光导层33与上部光导层35之间。活性层34的构造与所述的活性层24的构造类似，但在以下方面不同。即，若表示活性层34的构造的一例，则活性层34的阱层(第二阱层)的In组成与活性层24的阱层的In组成不同，例如活性层34的阱层的组成为In0.2Ga0.8N。与光导层相同，这样的阱层的In组成的差异起因于GaN基板10的主面10a的面取向与GaN薄膜40的表面40a的面取向互不相同。而且，在本实施方式中，由于这样的阱层的In组成的差异而使活性层24的阱层的发光波长与活性层34的阱层的发光波长互不相同。如上所述，活性层24的阱层以产生具有波长500nm以上且550nm以下的范围的峰值波长的绿色光的方式设置。与此相对地，活性层34的阱层以产生具有波长430nm以上且480nm以下的范围的峰值波长的蓝色光的方式设置。
上部光导层35、电子阻挡层36、上部包覆层37以及接触层38以将光波导方向作为长度方向的脊形状成形而构成半导体构造部，脊形状沿光波导方向延伸。在该脊形状部的正下方形成用于激光振荡的光波导构造。脊状的各半导体层35～38的侧面由绝缘膜39覆盖，在接触层38上，通过绝缘膜39的开口而设置有阳极电极53。阳极电极53具有沿着光波导方向延伸的条纹状的平面形状。阳极电极53例如由Ni/Au膜构成，且与接触层38形成欧姆接触。
具有以上结构的半导体激光元件1A例如通过以下制造方法而制造。图3是表示半导体激光元件1A的制造方法的流程图。此外，图4～图7是表示半导体激光元件1A的制造步骤的剖视图，图4～图7分别表示沿着半导体激光元件1A的与光波导方向垂直的面切取的剖面。
首先，如图4的(a)部所示，准备GaN基板10以及用于GaN薄膜40的GaN单晶锭60。GaN单晶锭60的主面60a具有所述的第二面取向。而且，在GaN基板10的主面10a上以及GaN单晶锭60的主面60a上形成接合层41(接合层形成步骤S1)。作为接合层41的材料，优选为具有导电性且接合强度优异的材料、例如ATO(Antimony Tin Oxide，锑锡氧化物)、ZnO、TiO2、STO(SrTiO3，锶锡氧化物，Strontium TinOxide)、Ga2O3、GZO(GA；ZnO，Gallium doped Zinc Oxide，氧化锌掺镓)，SnO2、InO3、SbO3、TiN等。
接着，如图4的(b)部所示，经由接合层41对GaN单晶锭60的主面60a注入氢离子H+(离子注入步骤S2)。此时，只要以使GaN单晶锭60的内部的氢浓度的分布的峰值位于从主面60a起预定深度例如与对GaN薄膜40期望的厚度大致相等的深度的方式，调整剂量及能量而注入氢离子H+即可。通过该步骤，后续的步骤中的GaN薄膜40的剥离变得容易。
接着，如图5的(a)部所示，接合层41具有位于GaN基板10的第一区域10c上的部分及除了该部分以外的部分，通过对接合层41中位于GaN基板10的第一区域10c上的部分赋予伤痕而形成凹凸，从而形成不接合区域41a(不接合区域形成步骤S3)。该粗糙度的大小例如为200nm～1μm。另外，在该步骤中，除了对该部分赋予伤痕的方法以外，也可以通过对该部分进行蚀刻等而除去来形成不接合区域41a。赋予伤痕的方法具有可通过刻划器等一般的加工部件而容易进行的优点。此外，在利用蚀刻等的方法中，容易进行不接合区域41a的深度或宽度的控制，且该方法具有可使用通用的蚀刻装置进行的优点。在图5的(a)部中，仅对设置于GaN基板10上的接合层41形成不接合区域41a，但也可以对设置于GaN单晶锭60上的接合层41形成与该不接合区域41a相同的不接合区域。
接着，如图5的(b)部所示，使GaN基板10的主面10a与GaN单晶锭60的主面60a相对，将GaN基板10上的接合层41与GaN单晶锭60上的接合层41相互接合(接合步骤S4)。在该步骤中，例如通过对各接合层41的表面照射等离子或离子而使各接合层41的表面活性化，并将该活性化的表面彼此接合即可。或者，也可以在使各接合层41的表面彼此接触的状态下，将GaN基板10及GaN单晶锭60的温度升温至700度至1000度。或者，也可以通过在各接合层41的表面形成金属膜，并在使这些金属膜彼此接触的状态下升温，从而使这些金属膜彼此合金化。通过该接合步骤，除了不接合区域41a以外的GaN基板10上的接合层41与GaN单晶锭60上的接合层41相互牢固地接合。
如图6的(a)部所示，使GaN基板10从GaN单晶锭60分离(分离步骤S5)。此时，利用不接合区域41a以外的接合层41，GaN单晶锭60的表层的一部分、即GaN薄膜40附着于GaN基板10而从GaN单晶锭60剥离。此时，GaN薄膜40的厚度与在之前的离子注入步骤中注入的氢离子的分布达到峰值的深度大致相等。
接着，如图6的(b)部所示，进行GaN基板10的主面10a上的各构造物的蚀刻(蚀刻步骤S6)。在该步骤中，作为蚀刻而可利用例如使用了CF4气体的干式蚀刻。通过该步骤，GaN基板10上的接合层41中的不接合区域41a被除去，此外，通过该除去而露出的GaN基板10的主面10a得以平滑化，获得用于后续的结晶生长的良好的主面10a。此外，与此同时，GaN薄膜40的表面40a得以平滑化，为后续的结晶生长而获得良好的表面40a。
接着，如图7所示，在GaN基板10的主面10a的第一区域10c上生长用于激光构造部20的各半导体层(缓冲层21、下部包覆层22、下部光导层23、活性层24、上部光导层25、电子阻挡层26、上部包覆层27以及接触层28)，同时在GaN薄膜40的表面40a上生长用于激光构造部30的各半导体层(缓冲层31、下部包覆层32、下部光导层33、活性层34、上部光导层35、电子阻挡层36、上部包覆层37以及接触层38)(半导体层生长步骤S7)。这些半导体层的生长在GaN基板10上同时且在相同的生长条件下进行。例如，活性层24及34各自的阱层通过获取对设定为用于这些生长的生长条件的生长炉内提供的相同材料而同时生长。缓冲层21及31的生长、下部包覆层22及32的生长、下部光导层23及33的生长、上部光导层25及35的生长、电子阻挡层26及36的生长、上部包覆层27及37的生长、以及接触层28及38的生长也相同。通过这些步骤，可获得外延基板。GaN基板10的主面10a包含交替地排列的第一及第二区域。
在进行了以上的步骤之后，例如对外延基板进行以下加工而形成基板产物：通过蚀刻而形成脊形状；在GaN基板10的背面10b上形成阴极电极52(参照图2)；在接触层28及38的各自上分别形成阳极电极51及53。然后，通过在沿着与光波导方向垂直的方向，将GaN基板10劈开成棒状而形成共振端面之后，在由一个第一区域10c及一个第二区域10d构成的芯片区域内切断该棒状构件。通过该分离，可获得图1及图2所示的半导体激光元件1A。
对通过本实施方式的半导体激光元件1A而获得的效果进行说明。如上所述，在该半导体激光元件1A中，GaN基板10的主面10a的法线向量相对于GaN结晶的c轴较大地倾斜。另一方面，GaN薄膜40的表面40a相对于C面的偏离角为2度左右而较小，GaN薄膜40的表面40a实质上具有作为GaN结晶的C面的性质。由此，在本实施方式中，GaN基板10的主面10a的面取向与GaN薄膜40的表面40a的面取向相互差异较大。
而且，激光构造部20在GaN基板10的主面10a上生长，激光构造部30在GaN薄膜40的表面40a上生长。在这样的情况下，例如即使激光构造部20的活性层24的阱层的生长条件与激光构造部30的活性层34的阱层的生长条件相互相同，也可通过例如使生长中的In的获取程度不同等而使这些阱层的发光波长互不相同。从而，根据该半导体激光元件1A，可容易在单一的GaN基板10上制作输出波长不同的激光构造部20及30。此外，由于激光构造部20及30在GaN基板10上生长，所以与将多个发光元件小片接合于底板上的结构相比，可使装置尺寸小型化。
此外，如本实施方式所示，优选地，活性层24的阱层的In组成与活性层34的阱层的In组成互不相同。根据本实施方式的半导体激光元件1A，由于GaN基板10的主面10a的面取向与GaN薄膜40的表面40a的面取向相互差异较大，从而可容易实现这样In组成互不相同的阱层。而且，通过这样的结构，可使活性层24的阱层的发光波长与活性层34的阱层的发光波长互不相同。
此外，在本实施方式中，由于GaN基板10的主面10a的面取向与GaN薄膜40的表面40a的面取向相互差异较大，所以可容易使下部光导层23及上部光导层25的In组成与下部光导层33及上部光导层35的In组成互不相同。
此外，如本实施方式所示，优选地，两个活性层中的一个、例如活性层24的阱层的发光波长包含于500nm以上且550nm以下的范围(绿色区域)内，另一个活性层34的阱层的发光波长包含于430nm以上且480nm以下的范围(蓝色区域)内。这里，图8是用于说明单一的半导体发光元件发出绿色光及蓝色光的优点的曲线图。图8的(a)部表示生成蓝色光与从通过该蓝色光的一部分而激发的荧光体释放的黄色光的混合光的现有的半导体发光元件的光谱的例。图中的标记λB表示蓝色光的峰值波长，标记λY表示黄色光的峰值波长。此外，图8的(b)部表示蓝色光、绿色光以及从通过蓝色光的一部分而激发的荧光体释放的黄色光的混合光的光谱的例。图中的标记λG表示绿色光的峰值波长。若将如图8的(a)部所示的光谱的光照到物体上，则该物体看起来发白。另一方面，若将如图8的(b)部所示的光谱的光照到物体上，则该物体看起来为更自然的色调。即，通过单一的半导体发光元件发出绿色光及蓝色光，可提升演色性。
此外，如本实施方式所示，优选地，GaN基板10的主面10a包含该GaN结晶的半极性面或无极性面。由此，可提高活性层24的阱层中的In的组成比，实现500nm以上且550nm以下的绿色区域的发光波长。
此外，如本实施方式所示，优选地，接合层41由具有导电性的材料构成。由此，可适当地实现在GaN基板10的背面10b上具有阴极电极52的半导体激光元件1A。其中，接合层41也可以具有绝缘性。在该情况下，例如将激光构造部30的一部分进行蚀刻至到达下部包覆层32为止，在通过该蚀刻而露出的下部包覆层32上形成阴极电极即可。作为用于绝缘性的接合层41的材料，例如优选为对使半导体层生长时的高温或氨气气氛具有耐受性的硅氧化物(例如SiO2)。
另外，在本实施方式中，如上所述，激光构造部20的光波导构造的长度方向由条纹状的阳极电极51规定。该长度方向与GaN基板10的c轴相对于GaN基板10的主面10a的法线向量的倾斜方向、即由法线向量及c轴规定的参照面垂直。其原因在于：这样可不管c轴的倾斜角度如何，均能够对激光构造部20的光波导的共振端面应用解理面(A面)。然而，光波导构造的长度方向与c轴的倾斜方向的配置关系也可以根据需要而变更。例如，激光构造部20的光波导构造的长度方向也可沿着c轴的倾斜方向(优选为平行)。由此，可以将作为绿色激光的共振端面而有利的面(例如，{-1017}面)设为激光构造部20的共振端面。在一实施例中，如本实施方式所示，当在主面10a沿着m轴方向倾斜的GaN基板10上制作了激光构造部20的情况下，激光具有正偏向度。因此，如图9所示，当激光通过表示与主面10a的倾斜方向平行的偏光方向的光成分L1以及表示与主面10a的倾斜方向垂直的偏光方向的光成分L2而规定时，光成分L2的强度大于光成分L1的强度。而且，由于TE(transverse electric，横向电)模式有助于激光振荡，所以通过将光波导构造的长度方向设定为该TE模式与偏光方向相对于主面10a的倾斜方向成为垂直的方向一致，可进一步提高激光振荡效率。而且，优选地，这样的光波导构造的长度方向沿着通过c轴的倾斜方向与主面的法线轴而规定的平面。另外，在该情况下，通过使GaN基板10充分加厚，可减少激光构造部20的共振端面上的滑面缺陷。
此外，例如，在GaN基板10的主面10a包含C面(或者，相对于C面具有轻微的偏离角)的方式中，优选地，激光构造部30的光波导构造的长度方向沿着将倾斜的c轴投影于主面10a上的轴的方向(c轴的倾斜方向)，进一步优选地，与该c轴的倾斜方向平行。由此，可将作为绿色激光的共振端面而有利的面(例如，{-1017}面)应用于激光构造部30的共振端面。此外，由于GaN基板10的主面10a包含C面，所以在将GaN基板10沿着例如称为M面的解理面劈开时，激光构造部30的共振端面也随着该劈开而成为合适的切断面，其结果，可形成良好的共振端面。
(变形例)
作为上述第一实施方式的变形例，对半导体激光元件1A的其他的制造方法进行说明。图10是表示本变形例的半导体激光元件1A的制造方法的流程图。此外，图11及图12是表示本变形例的半导体激光元件1A的制造步骤的剖视图，且表示沿着半导体激光元件1A的与光波导方向垂直的面切取的剖面。
首先，与第一实施方式同样地，准备GaN基板10以及用于GaN薄膜40的GaN单晶锭60，之后在GaN基板10的主面10a上以及GaN单晶锭60的主面60a上形成接合层41(接合层形成步骤S11，参照图4的(a)部)。接着，经由接合层41对GaN单晶锭60的主面60a注入氢离子(离子注入步骤S12，参照图4的(b)部)。
接着，如图11的(a)部所示，使GaN单晶锭60的主面60a与GaN基板10的主面10a相对，将GaN基板10上的接合层41与GaN单晶锭60上的接合层41相互接合(接合步骤S13)。另外，在该接合步骤中，为使接合层41彼此接合，可使用与第一实施方式相同的各种方法。
接着，如图11的(b)部所示，使GaN基板10从GaN单晶锭60分离(分离步骤S14)。此时，利用接合层41，GaN单晶锭60的表层的一部分、即GaN薄膜40附着于GaN基板10而从GaN单晶锭60剥离。此时，GaN薄膜40的厚度与在之前的离子注入步骤中注入的氢的浓度分布的峰值位置大致相等。能够以氢的浓度分布的峰值位置(峰值的深度)与GaN薄膜40的所期望的厚度吻合的方式，调整离子注入中的氢离子的注入能量及剂量。GaN薄膜40的所期望的厚度为例如50nm以上且500nm以下。
接着，如图12所示，将GaN薄膜40中的一部分、即位于GaN基板10的第一区域10c上的部分除去(除去步骤S15)。在该步骤中，只要通过蚀刻例如使用CL2的反应性离子蚀刻(RIE)等而除去GaN薄膜40的该部分即可。
接着，对GaN基板10的主面10a上的各构造物实施蚀刻(蚀刻步骤S16，参照图6的(b)部)。在该步骤中，进行例如使用CF4气体的干式蚀刻即可。该步骤可将接合层41中的一部分、即位于第一区域10c上的部分除去，此外，可使露出的GaN基板10的主面10a平滑化，由此，获得用于后续的结晶生长的良好的主面10a。此外，与此同时，GaN薄膜40的表面40a得以平滑化，为后续的结晶生长而获得良好的表面40a。
之后，在GaN基板10的主面10a的第一区域10c上使激光构造部20的各半导体层生长，并同时在GaN薄膜40的表面40a上使激光构造部30的各半导体层生长(半导体层生长步骤S17，参照图7)。然后，在GaN基板10的背面10b上形成阴极电极52(参照图2)，并在接触层28及38上分别形成阳极电极51及53。然后，在沿着与光波导方向垂直的方向将GaN基板10劈开形成棒状构件而形成共振端面之后，以一个第一区域10c与一个第二区域10d的区域的宽度的间距，切断该棒状构件。通过该分离，可获得半导体激光元件1A。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式的光半导体元件进行说明。图13是作为本实施方式的光半导体元件的发光二极管(LED)1B的俯视图。此外，图14是表示沿着图13的XIV-XIV线切取的剖面上的发光二极管1B的图。如图13及图14所示，本实施方式的发光二极管1B包括作为III族氮化物半导体基板而使用的GaN基板10、作为第一III族氮化物半导体叠层部而使用的LED构造部80、作为第二III族氮化物半导体叠层部而使用的LED构造部90、以及作为III族氮化物半导体薄膜而使用的GaN薄膜40。另外，对于GaN基板10的结构，可与所述的第一实施方式相同。
LED构造部80具有用于发光二极管的构造，通过结晶生长而形成，且设置于主面10a的第一区域10c上。本实施方式的LED构造部80包括下部包覆层81、活性层82以及上部包覆层83，下部包覆层81、活性层82及上部包覆层83依次生长于主面10a上。下部包覆层81与主面10a接触，且例如由n型GaN构成。下部包覆层81的厚度为例如1.5μm。上部包覆层83设置于下部包覆层81上，且例如由p型GaN构成。上部包覆层83的厚度为例如400nm。
活性层82对应于本实施方式中的第一活性层。活性层82设置于下部包覆层81与上部包覆层83之间。活性层82可具有量子阱构造，该量子阱构造可根据需要而包含交替地排列的阱层(第一阱层)及阻挡层。阱层可由包含In的III-V族化合物半导体例如InGaN等构成，阻挡层可由带隙能量大于阱层的III-V族化合物半导体例如InGaN或GaN等构成。在一实施例中，阱层(InGaN)的厚度为例如3nm，阻挡层(例如GaN)的厚度为例如15nm。活性层82的发光波长可通过阱层的带隙、In组成及厚度等而控制。活性层82可具有In组成，该In组成产生具有波长500nm以上且550nm以下的范围的峰值波长的绿色光，且该阱层的组成为例如In0.3Ga0.7N。
在上部包覆层83上，设置有阳极电极111及电极焊盘112。在本实施例中，阳极电极111形成于上部包覆层83的整个面上。阳极电极111例如由Ni/Au膜构成，且与上部包覆层83形成欧姆接触。
本实施方式的GaN薄膜40与第一实施方式不同，由非掺杂GaN单晶构成。GaN薄膜40设置于GaN基板10的主面10a上，且经由接合层41而接合于与第一区域10c不同的第二区域10d，接合层41由第二区域10d与GaN薄膜40夹持，与第二区域10d形成接触且与接合层41形成接触。通过与第一实施方式相同的方法，适当地制作这样的GaN薄膜40。此外，GaN薄膜40具有与第一实施方式相同的面取向的表面40a。
LED构造部90具有用于发光二极管的构造，通过在GaN薄膜40的表面40a上结晶生长而成。本实施方式的LED构造部90包括下部包覆层91、活性层92及上部包覆层93，下部包覆层91、活性层92及上部包覆层93依次生长于主面10a上。下部包覆层91与表面40a接触，且例如由n型GaN构成。下部包覆层91的厚度为例如1.5μm。上部包覆层93设置于下部包覆层91上，且例如由p型GaN构成。上部包覆层93的厚度为例如400nm。
活性层92对应于本实施方式中的第二活性层。活性层92设置于下部包覆层91与上部包覆层93之间。活性层92的构造例如在阱层的In组成方面与活性层82不同，除该In组成以外，可与所述活性层82的构造相同。关于该差异点，活性层92的阱层(第二阱层)的In组成与活性层24的阱层的In组成不同，例如活性层92的阱层的组成为In0.2Ga0.8N。这样的阱层的In组成的差异起因于在GaN基板10的主面10a与GaN薄膜40的表面40a的面取向不同。而且，在本实施方式中，这样的阱层的In组成的差异可使活性层82的阱层中的发光波长与活性层92的阱层中的发光波长互不相同。如上所述，活性层82的阱层产生例如具有波长500nm以上且550nm以下的范围的峰值波长的绿色光。与此相对地，活性层92的阱层产生例如具有波长490nm以上且480nm以下的范围的峰值波长的蓝色光。
在上部包覆层93上设置有阳极电极113及电极焊盘114。在本实施例中。阳极电极113形成于上部包覆层93的整个面上。阳极电极113例如由Ni/Au膜构成，且与上部包覆层93形成欧姆接触。
此外，活性层92及上部包覆层93的部分设置于GaN薄膜40的表面40a上的一部分的区域上，该部分通过蚀刻而除去，在该区域上部分性地露出下部包覆层91。而且，在下部包覆层91的该露出部分上设置有阴极电极115。阴极电极115例如由Ti/Al膜构成，且与下部包覆层91形成欧姆接触。
具有以上结构的发光二极管1B例如通过以下制造方法而适当地制造。图15是表示发光二极管1B的制造方法的流程图。此外，图16及图17是表示示出发光二极管1B的制造步骤的剖面的图。
首先，与第一实施方式相同地，实施接合层形成步骤S1、离子注入步骤S2、不接合区域形成步骤S3、接合步骤S4、分离步骤S5以及蚀刻步骤S6(参照图4～图6)。另外，本实施方式的接合层41可使用绝缘性的材料(SiO2等)形成。之后，如图16的(a)部所示，在GaN基板10的主面10a的第一区域10c上，使用于LED构造部80的各半导体层(具体而言，图14所示的下部包覆层81、活性层82、上部包覆层83)生长，并同时在GaN薄膜40的表面40a上，使用于LED构造部90的各半导体层(具体而言，图14所示的下部包覆层91、活性层92、上部包覆层93)生长(半导体层生长步骤S21)。这些半导体层的生长是在GaN基板10上同时且以相同的生长条件进行。例如，活性层82及92各自的阱层通过获取供给至在共同的生长条件下提供的气氛的生长炉内的共同的材料而同时生长。关于下部包覆层81及91的生长、上部包覆层83及93的生长，也与活性层82及92的生长相同。
经过以上的步骤之后，形成发光二极管1B的各电极(电极形成步骤S22)。即，如图16的(b)部所示，在GaN基板10的背面10b上形成阴极电极52，并在上部包覆层83及93上分别形成阳极电极111及113。然后，如图17的(a)部所示，将LED构造部90的一部分进行蚀刻至到达下部包覆层91为止，露出下部包覆层91的表面的一部分，在该露出的下部包覆层91的表面上形成阴极电极115(图17的(b)部)。最后，通过在阳极电极111及113上分别形成电极焊盘112及114，可获得图13及图14所示的发光二极管1B。
根据本实施方式的发光二极管1B，与第一实施方式的半导体激光元件1A相同，由于GaN基板10的主面10a的面取向与GaN薄膜40的表面40a的面取向相互差异较大，所以可使LED构造部80的活性层82的阱层的发光波长与LED构造部90的活性层92的阱层的发光波长互不相同。因此，根据该发光二极管1B，LED构造部80及90的发光波长互不相同。可容易地在单一的GaN基板10上制作LED构造部80及90。此外，由于LED构造部80及90生长于GaN基板10上，所以与将发光元件接合于底板上的结构相比，可使发光装置小型化。
另外，在本实施方式中，优选地，GaN基板10的主面10a相对于c轴而向m轴方向倾斜且GaN薄膜40的表面40a相对于c轴而向a轴方向倾斜。在优选的实施例中，只要GaN基板10的主面10a相对于c轴向m轴方向倾斜75度且GaN薄膜40的表面40a相对于c轴而向a轴方向倾斜18度即可。这样，通过设定主面10a及表面40a相对于c轴的倾斜方向而使从LED构造部80及90射出的光的偏光方向相互一致，可实现适合液晶显示器等的用途的发光二极管。另外，主面10a及表面40a相对于c轴的倾斜方向并不限定于上述倾斜方向，也可根据需要而使用上述以外的倾斜方向。
(实施例)
这里，对关于上述接合层形成步骤S1及离子注入步骤S2的实施例进行说明。在本实施例中，首先，作为GaN薄膜40的母材，准备通过HVPE(氢化物气相外延)法生长的直径2英寸(5.08cm)、厚度500μm的GaN单晶锭60。该GaN单晶锭60可使一个主面为(0001)面(即Ga面表面)而另一个主面为(000-1)面(即N面表面)，这两个主面被施以镜面加工。
接着，在GaN单晶锭60的N面表面，通过等离子CVD(化学气相沉积)法而堆积了作为接合层的厚度100nm的SiO2层。该SiO2层的堆积中的等离子CVD的条件为以下：高频(RF)功率为50W，SiH4气体(通过Ar气体稀释成8体积百分比的气体)的流量为50sccm(标准立方厘米每分钟)，N2O气体流量为460sccm，腔室压力为80Pa，平台温度为摄氏250度。
然后，经由SiO2层对GaN单晶锭60的N面表面注入氢离子。氢离子的注入条件例如为以下：加速电压为50keV，剂量为7×1017cm-2。在注入了氢离子的GaN单晶锭60中，在从该N面表面起约200nm的深度观测到氢的浓度分布的峰值。另外，该浓度分布的测定是通过对与上述GaN单晶锭60一并进行了离子注入的其他GaN单晶锭，从注入了离子的表面相对于深度方向实施利用二次离子质量分析法(SIMS)的分析而进行的。
本发明的光半导体元件并不限于上述实施方式，另外可进行各种变形。例如，在上述各实施方式中，作为III族氮化物半导体基板及III族氮化物半导体薄膜而例示了GaN基板及GaN薄膜，但本发明也可应用于由其它的III族氮化物半导体构成的基板及薄膜。
在优选的实施方式中对本发明的原理进行了图示及说明，但本领域技术人员认识到，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。在本实施方式中，本发明并不限定于在本实施方式中公开的特定的结构。因此，对权利要求范围及来自其精神范围的所有修正及变更请求权利。
标记说明
1A…半导体激光元件、1B…发光二极管、10…GaN基板、10a…主面、10b…背面、10c…第一区域、10d…第二区域、20、30…激光构造部、21、31…缓冲层、22、32…下部包覆层、23、33…下部光导层、24、34…活性层、25、35…上部光导层、26、36…电子阻挡层、27、37…上部包覆层、28、38…接触层、29、39…绝缘膜、40…GaN薄膜、40a…表面、41…接合层、41a…不接合区域、51、53…阳极电极、52…阴极电极、60…单晶锭、80、90…LED构造部、81、91…下部包覆层、82、92…活性层、83、93…上部包覆层、111、113…阳极电极、112、114…电极焊盘、115…阴极电极。

Claims (11)

1.一种光半导体元件，其特征在于，包括：
III族氮化物半导体基板，主面具有第一面取向；
第一III族氮化物半导体叠层部，生长于所述主面的第一区域上，且包含第一活性层；
III族氮化物半导体薄膜，经由接合层而接合于所述主面的与所述第一区域不同的第二区域，且表面具有与所述第一面取向不同的第二面取向；以及
第二III族氮化物半导体叠层部，生长于所述III族氮化物半导体薄膜的所述表面上，且包含第二活性层，
所述第一活性层及第二活性层分别具有包含In的第一阱层及第二阱层，
所述第一阱层及第二阱层的发光波长互不相同。
2.如权利要求1所述的光半导体元件，其特征在于，
所述第一阱层的In组成与所述第二阱层的In组成互不相同。
3.如权利要求1或2所述的光半导体元件，其特征在于，
所述第一III族氮化物半导体叠层部进一步包含沿着所述第一活性层而设置的第一光导层，
所述第二III族氮化物半导体叠层部进一步包含沿着所述第二活性层而设置的第二光导层，
所述第一光导层及第二光导层包含In，
所述第一光导层及第二光导层的In组成互不相同。
4.如权利要求1至3的任一项所述的光半导体元件，其特征在于，
所述第一阱层及第二阱层中的一个阱层的发光波长包含于430nm以上且480nm以下的范围内。
5.如权利要求1至3的任一项所述的光半导体元件，其特征在于，
所述第一阱层及第二阱层中的一个阱层的发光波长包含于500nm以上且550nm以下的范围内。
6.如权利要求1至3的任一项所述的光半导体元件，其特征在于，
所述第一阱层的发光波长包含于500nm以上且550nm以下的范围内，所述第二阱层的发光波长包含于430nm以上且480nm以下的范围内。
7.如权利要求1至6的任一项所述的光半导体元件，其特征在于，
所述第一III族氮化物半导体叠层部具有用于激光振荡的光波导构造，
所述III族氮化物半导体基板的所述主面的法线向量相对于该III族氮化物半导体基板的III族氮化物半导体的c轴而倾斜，
所述III族氮化物半导体基板的c轴的倾斜方向与所述第一III族氮化物半导体叠层部的所述光波导构造的长度方向垂直。
8.如权利要求1至6的任一项所述的光半导体元件，其特征在于，
所述III族氮化物半导体基板的所述主面包含该III族氮化物半导体的半极性面或无极性面。
9.如权利要求8所述的光半导体元件，其特征在于，
所述III族氮化物半导体基板的所述主面的法线向量与所述III族氮化物半导体基板的c轴所成的倾斜角包含于10度以上且80度以下、或100度以上且170度以下的范围内。
10.如权利要求9所述的光半导体元件，其特征在于，
所述III族氮化物半导体基板的所述主面的法线向量与所述III族氮化物半导体基板的c轴所成的倾斜角包含于63度以上且80度以下、或100度以上且117度以下的范围内。
11.如权利要求1至10的任一项所述的光半导体元件，其特征在于，
所述接合层由具有导电性的材料构成。
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