CN103560396A - GaN基半导体光器件、GaN基半导体光器件的制作方法、外延晶片及GaN基半导体膜的生长方法 - Google Patents

GaN基半导体光器件、GaN基半导体光器件的制作方法、外延晶片及GaN基半导体膜的生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及GaN基半导体光器件、GaN基半导体光器件的制作方法、外延晶片及GaN基半导体膜的生长方法。在GaN基半导体光器件(11a)中，衬底(13)的主面(13a)自与沿着第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴(Cx)正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。GaN基半导体外延区域(15)设置在主面(13a)上。在GaN基半导体外延区域(15)上，设有有源层(17)。有源层(17)含有至少一个半导体外延层(19)。半导体外延层(19)包含InGaN。半导体外延层(19)的膜厚方向相对于基准轴(Cx)倾斜。该基准轴(Cx)朝向第一GaN基半导体的[0001]轴的方向。由此，提供可抑制由有源层中的In偏析所引起的发光特性降低的GaN基半导体发光器件。

Description

GaN基半导体光器件、GaN基半导体光器件的制作方法、外延晶片及GaN基半导体膜的生长方法
本申请是申请日为2009年8月3日、申请号为200980101538.9的中国国家专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及GaN基半导体光器件、GaN基半导体光器件的制作方法、外延晶片及GaN基半导体膜的生长方法。
背景技术
专利文献1中记载了一种发光二极管。在该发光二极管中，衬底表面的偏离角在30度～50度、80度～100度及120度～150度的范围内。在这样的角度范围内，发光层中的压电电场与自发极化所产生的内部电场的和为接近于零的较小的值。另外，非专利文献1～3中，记载了GaN基半导体的发光二极管。非专利文献1的发光二极管在偏离角为58度的GaN衬底上制作。非专利文献2的发光二极管在偏离角为62度的GaN衬底上制作。非专利文献3的发光二极管在m面GaN衬底上制作。非专利文献4及5中，对压电电场的计算进行了记载。
专利文献1：USP6849472号
非专利文献1：Japanese Journal of Applied Physics vol.45No.26(2006)pp.L659
非专利文献2：Japanese Journal of Applied Physics vol.46No.7(2007)pp.L129
非专利文献3：Japanese Journal of Applied Physics vol.46No.40(2007)pp.L960
非专利文献4：Japanese Journal of Applied Physics vol.39(2000)pp.413
非专利文献5：Journal of Applied Physics vol.91No.12(2002)pp.9904
发明内容
可获得的GaN基半导体光器件是在c面GaN衬底上制作的。近年来，如非专利文献3所述，GaN基半导体光器件是在GaN的与c面不同的非极性面(a面、m面)上制作的。与极性面不同，非极性面受压电电场的影响较小。另外，GaN基半导体光器件的制作中，与极性面及非极性面不同、自GaN的c面倾斜的半极性面也受到关注。非专利文献1及非专利文献2的发光二极管是在具有特定偏离角的GaN衬底上制作的。
在专利文献1中，不仅着眼于依赖于GaN的晶面的压电电场，而且也着眼于GaN的自发极化。选择衬底表面的面方向，使发光层中的压电电场与自发极化所产生的内部电场的和为接近于零的较小的值。专利文献1解决了发光层的内部电场的课题。
另一方面，GaN基半导体光器件的发光可在较广的波长范围内变化。发光层可以使用含有铟的GaN基半导体层。发光波长的变化通过调节发光层中的铟含量来进行。作为该GaN基半导体层的一例，可以列举例如InGaN。InGaN显示出较强的非混和性，因此，在InGaN的生长中会自发地产生In含量的波动，从而引起In的偏析。In的偏析不仅在InGaN中，而且在其它含有铟的GaN基半导体中也可以观测到。另外，在为改变发光波长而使In含量增加时，In的偏析明显。
发光层中的In的偏析在半导体激光器中使阈值电流增加。另外，发光层中的In的偏析在发光二极管中成为导致面发光不均匀的原因。因此，在任何一种发光器件中均期望减少In偏析。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供可抑制由In偏析引起的发光特性降低的GaN基半导体发光器件及外延晶片，并且提供该GaN基半导体发光器件的制作方法。另外，本发明的目的在于提供显示较低In偏析的GaN基半导体区域的生长方法。
本发明的一个方面的GaN基半导体光器件，包括：(a)衬底，其包含第一GaN基半导体，且具有主面，该主面自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜；(b)GaN基半导体外延区域，其设置在所述主面上；及(c)半导体外延层，其设置在所述GaN基半导体外延区域上，用于有源层。所述半导体外延层包含第二GaN基半导体，所述第二GaN基半导体含有铟，所述第二GaN基半导体的c轴相对于所述基准轴倾斜，所述基准轴的朝向为所述第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向。
根据该GaN基半导体光器件，在上述倾斜角的衬底中，其主面包含宽度较窄的多个阶面(terrace)。另外，在衬底上设有GaN基半导体外延区域，故GaN基半导体外延区域与衬底的晶轴相延续。因此，GaN基半导体外延区域的主面也自与沿着其c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的角度向m轴方向倾斜。因此，GaN基半导体外延区域的主面也含有宽度较窄的多个阶面。该阶面排列构成微台阶。由于上述角度范围的阶面宽度较窄，因此在多个阶面中不易产生In含量的不均匀。因而，由In偏析引起的发光特性的降低得以抑制。另外，阶面结构是根据自c轴起的倾斜角而规定的，因此在以第一GaN基半导体的(0001)面为基准而规定该倾斜角的衬底、及以第一GaN基半导体的(000-1)面为基准而规定该倾斜角的衬底的任何一者中，均可以抑制发光特性的降低。即，无论基准轴朝向第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向，均可抑制发光特性的降低。
本发明的GaN基半导体光器件中，优选所述衬底的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以70度以上的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。该GaN基半导体光器件中，该角度范围的衬底主面还含有宽度较窄的多个阶面。
本发明的GaN基半导体光器件中，所述第一GaN基半导体的a轴方向的偏离角可以为有限的值，且在-3度以上、+3度以下的范围内。根据该GaN基半导体光器件，a轴方向的偏离角使外延区域的表面形态良好。另外，本发明的GaN基半导体光器件中，优选所述衬底的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以71度以上、79度以下的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。根据该GaN基半导体光器件，台阶端生长与阶面上生长的平衡良好。
本发明的GaN基半导体光器件可以包括设置在所述有源层上的第二导电型GaN基半导体层。所述GaN基半导体外延区域含有第一导电型GaN基半导体层，所述有源层含有沿预定的轴方向交替配置的阱层及势垒层，所述阱层包含所述半导体外延层，且所述势垒层包含GaN基半导体，所述第一导电型GaN基半导体层、所述有源层及所述第二导电型GaN基半导体层沿预定的轴方向排列，且所述基准轴的方向与所述预定的轴方向不同。
根据该GaN基半导体光器件，不仅在包含单层膜的半导体外延层中，而且在量子阱结构的有源层中也可以实现较小的In偏析。
本发明的GaN基半导体光器件中，优选所述有源层以生成370nm以上的发光波长的方式设置。根据该GaN基半导体光器件，在实现产生370nm以上的发光波长的有源层的铟含量的范围内，可以减少In偏析。另外，优选所述有源层以生成650nm以下的发光波长的方式设置。根据该GaN基半导体光器件，在产生650nm以上的发光波长的有源层中，半导体外延层的铟含量较大，因此难以获得所需晶体品质的半导体外延层。
本发明的GaN基半导体光器件中，优选所述有源层以生成480nm以上的发光波长的方式设置。另外，本发明的GaN基半导体光器件中，优选所述有源层以生成600nm以下的发光波长的方式设置。根据该GaN基半导体光器件，63度以上且小于80度的范围的倾斜角在480nm以上、600nm以下的发光波长的范围内有效。
本发明的GaN基半导体光器件中，所述衬底的所述主面可以为自(20-21)面及(20-2-1)面中的任一面起，以-3度以上、+3度以下的范围的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜的半导体面。
根据该GaN基半导体光器件，(20-21)面及(20-2-1)面自与基准轴正交的面起以约75度倾斜。在该角度附近显示出良好的发光特性。
本发明的GaN基半导体光器件中，所述基准轴朝向所述[0001]轴的方向，或者，本发明的GaN基半导体光器件中，所述基准轴朝向所述[000-1]轴的方向。
本发明的GaN基半导体光器件中，所述衬底可以包含InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤1、0≤T≤1、0≤S+T<1)。另外，本发明的GaN基半导体光器件中，优选所述衬底包含GaN。根据该GaN基半导体光器件，由于GaN为二元化合物GaN基半导体，因此可以提供良好的晶体品质与稳定的衬底主面。
本发明的GaN基半导体光器件中，所述衬底的所述主面的表面形态含有多个微台阶。该微台阶的主要的构成面至少包含m面及(10-11)面。该GaN基半导体光器件中，在上述构成面及台阶端，In的结合良好。
本发明的另一方面是一种GaN基半导体光器件的制作方法。该方法包括如下步骤：(a)利用生长炉对包含第一GaN基半导体的晶片进行热处理的步骤；(b)在所述主面上，生长GaN基半导体外延区域的步骤；及(c)在所述GaN基半导体外延区域的主面上，形成用于有源层的半导体外延层的步骤。所述晶片具有主面，该主面自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向所述第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。所述半导体外延层包含含有铟的第二GaN基半导体，所述第二GaN基半导体的c轴相对于所述基准轴倾斜，所述基准轴的方向为所述第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向。
根据该方法，在上述倾斜角的晶片中，其主面包含宽度较窄的多个阶面。另外，在晶片上设有GaN基半导体外延区域，故GaN基半导体外延区域与晶片的晶轴相延续。因此，GaN基半导体外延区域的主面也自与沿着其c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的角度向m轴方向倾斜。因此，GaN基半导体外延区域的主面也含有宽度较窄的多个阶面。由这些阶面的排列构成微台阶。上述角度范围的阶面宽度较窄。由于阶面的宽度窄，故而附着在各阶面上的In原子迁移的移动受到妨碍。因此，在多个阶面中不易产生In含量的不均匀。因而，由In偏析引起的发光特性的降低得以抑制。另外，阶面结构是根据自c轴起的倾斜角而规定的，因此在以第一GaN基半导体的(0001)面为基准而规定该倾斜角的晶片、及以第一GaN基半导体的(000-1)面为基准而规定该倾斜角的晶片中，均可以抑制发光特性的降低。即，无论基准轴朝向第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向，均可抑制发光特性的降低。
本发明的方法中，优选所述晶片的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以70度以上的范围的角度向所述第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。在该方法中，该角度范围的衬底主面还含有宽度较窄的多个阶面。另外，在本发明的方法中，优选所述晶片的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以71度以上、79度以下的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。根据该GaN基半导体光器件，台阶端生长与阶面上生长的平衡良好。
本发明的方法中，优选所述有源层具有包含沿预定的轴方向交替配置的阱层及势垒层的量子阱结构，所述半导体外延层为所述阱层，所述势垒层包含GaN基半导体。该方法可以包括如下步骤：在所述半导体外延层上形成所述势垒层的步骤、及在所述有源层上生长第二导电型GaN基半导体层的步骤。所述GaN基半导体外延区域含有第一导电型GaN基半导体层，所述第一导电型GaN基半导体层、所述有源层及所述第二导电型GaN基半导体层沿预定的轴方向排列，且所述基准轴的方向与所述预定的轴方向不同。
通过该方法，不仅在包含单层膜的半导体外延层的生长中，而且在量子阱结构的有源层的生长中也可以实现较小的In偏析。
本发明的方法中，优选所述第一GaN基半导体的a轴方向的偏离角为有限的值，且在-3度以上、+3度以下的范围内。根据该方法，通过自a轴方向偏离的偏离角，可以生长表面形态良好的外延区域。
本发明的方法中，所述晶片的所述主面的所述倾斜角分布在自该第一GaN基半导体的(20-21)面及(20-2-1)面中的任一晶面起-3度以上、+3度以下的范围内。
根据该方法，(20-21)面及(20-2-1)面自基准轴以75.09度倾斜。在该角度附近显示出良好的发光特性。
本发明的方法中，所述晶片可以包含InSAlTTGa1-S-TN(0≤S≤1、0≤T≤1、0≤S+T<1)。另外，本发明的方法中，优选所述晶片包含GaN。根据该方法，由于GaN为二元化合物GaN基半导体，因此可以提供良好的晶体品质与稳定的衬底主面。
本发明的方法中，所述晶片的所述主面的表面形态含有多个微台阶。该微台阶的主要的构成面至少包含m面及(10-11)面。该方法中，在上述构成面及台阶端，In的结合良好。因此，可以减少In的偏析。
本发明的另一方面是一种GaN基半导体光器件的制作方法。该方法包括如下步骤：(a)对包含第一GaN基半导体的晶片进行热处理的步骤；(b)在所述晶片的主面上，生长含有第一导电型GaN基半导体层的GaN基半导体外延区域的步骤；(c)在所述GaN基半导体外延区域的主面上，生长用于有源层的半导体外延层的步骤；(d)在所述有源层上形成第二导电型GaN基半导体层而制作外延晶片的步骤；(e)在形成所述外延晶片后，形成用于所述GaN基半导体光器件的阳极及阴极而制作衬底产品的步骤；(f)按照所述第一GaN基半导体的m轴方向，对所述衬底产品的主面的表面进行划线的步骤；及(g)在对所述衬底产品进行划线后，进行所述衬底产品的解理而形成解理面的步骤。所述衬底产品含有包含GaN基半导体外延区域、半导体外延层及第二导电型GaN基半导体层的半导体层叠体，所述半导体层叠体位于所述衬底产品的所述主面与所述晶片的所述主面之间。所述解理面包含a面。所述晶片具有主面，该主面自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向所述第一GaN基半导体的m轴方向倾斜，所述半导体外延层包含第二GaN基半导体，所述第二GaN基半导体含有铟作为构成元素，所述第二GaN基半导体的c轴相对于所述基准轴倾斜，所述基准轴朝向所述第一GaN基半导体的[000-1]轴的方向。
根据该方法，当基准轴的方向为第一GaN基半导体的[000-1]轴的方向时，如已经说明的那样，可以抑制发光特性的降低。划线对衬底产品的表面进行。在使用该划线法时，解理成品率良好。
本发明的再一方面是一种GaN基半导体光器件的制作方法。该方法包括如下步骤：(a)对包含第一GaN基半导体的晶片进行热处理的步骤；(b)在所述晶片的主面上，生长含有第一导电型GaN基半导体层的GaN基半导体外延区域的步骤；(c)在所述GaN基半导体外延区域的主面上，生长用于有源层的半导体外延层的步骤；(d)在所述有源层上形成第二导电型GaN基半导体层而制作外延晶片的步骤；(e)在形成所述外延晶片后，形成用于所述GaN基半导体光器件的阳极及阴极而制作衬底产品的步骤；(f)按照所述第一GaN基半导体的m轴方向，对所述衬底产品的主面的相反侧的背面进行划线的步骤；及(g)在对所述衬底产品进行划线后，进行所述衬底产品的解理而形成解理面的步骤。所述衬底产品含有包含GaN基半导体外延区域、半导体外延层及第二导电型GaN基半导体层的半导体层叠体，所述半导体层叠体位于所述衬底产品的所述主面与所述晶片的所述主面之间，所述解理面包含a面，所述晶片的主面具有(20-21)面，所述半导体外延层包含第二GaN基半导体，所述第二GaN基半导体含有铟作为构成元素，所述第二GaN基半导体的c轴相对于沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴倾斜，所述基准轴朝向所述第一GaN基半导体的[0001]轴的方向。
在GaN晶片的(20-21)面主面上生长GaN基半导体外延区域而制作外延晶片后，由该外延晶片制作衬底产品。在使用(20-21)面的GaN晶片而制作的衬底产品中，优选对衬底产品的背面(晶片的背面)进行划线。即对(20-2-1)面进行划线。GaN的(20-2-1)面为Ga面，GaN的(20-21)面为N面。(20-2-1)面比(20-21)面硬。通过对晶片背面的(20-2-1)面进行划线，可以提高解理成品率。
本发明的又一方面是一种用于GaN基半导体光器件的外延晶片。该外延晶片包括：(a)衬底，其包含第一GaN基半导体，且具有主面，该主面自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜；(b)GaN基半导体外延区域，其设置在所述主面上；及(c)半导体外延层，其设置在所述GaN基半导体外延区域上，用于有源层；且所述半导体外延层包含第二GaN基半导体，所述第二GaN基半导体含有铟，所述第二GaN基半导体的c轴相对于所述基准轴倾斜，所述基准轴的朝向为所述第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向。
根据该外延晶片，在上述倾斜角的衬底中，其主面包含宽度较窄的多个阶面。另外，在衬底上设有GaN基半导体外延区域，故GaN基半导体外延区域与衬底的晶轴相延续。因此，GaN基半导体外延区域的主面也自与沿着其c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的角度向m轴方向倾斜。因此，GaN基半导体外延区域的主面也含有宽度较窄的多个阶面。该阶面排列构成微台阶。由于上述角度范围的阶面宽度较窄，因此在多个阶面中不易产生In含量的不均匀。因而，在该外延晶片中，由In偏析引起的发光特性的降低得以抑制。另外，阶面结构是根据自c轴起的倾斜角而规定的，因此在以第一GaN基半导体的(0001)面为基准而规定该倾斜角的衬底、及以第一GaN基半导体的(000-1)面为基准而规定该倾斜角的衬底中，均可以抑制发光特性的降低。即，无论基准轴朝向第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向，均可抑制发光特性的降低。
本发明的又一方面是一种GaN基半导体膜的生长方法。该方法包括如下步骤：准备GaN基半导体区域的步骤，该GaN基半导体区域含有包含多个微台阶的表面，所述多个微台阶至少包含m面及(10-11)面作为主要的构成面；及在所述GaN基半导体区域的所述表面上，生长含有In作为构成元素的GaN基半导体膜的步骤。所述GaN基半导体区域的所述表面自与沿着该GaN基半导体区域的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该GaN基半导体区域的m轴方向倾斜。
本发明的上述目的及其它目的、特征以及优点，由参考附图进行的本发明的优选实施方式的以下详细说明更容易明白。
发明效果
如上所述，根据本发明的一个方面，可以提供能够抑制由有源层中的In偏析引起的发光特性降低的GaN基半导体发光器件及外延晶片。另外，根据本发明的另一方面，可以提供该GaN基半导体发光器件的制作方法。根据本发明的又一方面，可以提供显示较低In偏析的GaN基半导体区域的生长方法。
附图说明
图1是示意地表示本实施方式的GaN基半导体光器件的结构的图；
图2是示意地表示本实施方式的GaN基半导体光器件的结构的图；
图3是表示实施例1的外延晶片E1、E2的图；
图4是表示X射线衍射结果及理论计算的结果的图；
图5是表示本实施方式的GaN基半导体光器件的制作方法的主要步骤的图；
图6是表示实施例2的发光二极管结构(LED1、LED2)的图；
图7是表示发光二极管结构LED1、LED2的电致发光光谱的图；
图8是表示外延晶片E3、E4的阴极发光(CL，Cathodo Luminescence)图像的图；
图9是表示发光二极管结构LED1、LED2中发光波长与电流注入量的关系的测定的图；
图10是表示关于压电电场的计算结果的图；
图11是表示具有不同In含量的阱层的发光二极管结构的电致发光的图；
图12是表示InGaN阱层的发光二极管及AlGaInP阱层的外量子效率以及人的可见度曲线的图；
图13是表示实施例4的激光二极管结构(LD1)的图；
图14是表示在具有自c轴向m轴方向倾斜的各种倾斜角(偏离角)的GaN主面上淀积的InGaN的In含量与偏离角的关系的图；
图15是示意地表示在具有c面及偏离角β的GaN基半导体面上的含有In的GaN基半导体的淀积的图；
图16是示意地表示实施例6的半导体激光器的图；
图17是示意地表示实施例7的半导体激光器的图；
图18是示意地表示实施例8的半导体激光器的图；
图19是表示m面偏离+75度的GaN衬底上的量子阱结构的光致发光(PL，Photo Luminescence)光谱PL+75、及m面偏离-75度的GaN衬底上的量子阱结构的PL光谱PL-75的图；
图20是表示使用自(000-1)面以锐角的角度倾斜的半极性衬底制作半导体发光器件的方法的主要流程的图；
图21是表示使用自(000-1)面以锐角的角度倾斜的半极性衬底的半导体发光器件的解理的主要步骤的图；
图22是示意地表示生长温度较高时的生长模式及生长温度较低时的生长模式的图；
图23是表示通过台阶流生长及阶面上生长而生长的GaN的生长表面的AFM图像的图；
图24是示意地表示非稳定面上的GaN及InGaN的高温生长中的台阶流生长的生长机制、及非稳定面中的GaN及InGaN的低温生长中的阶面上生长及台阶端生长的生长机制的图；
图25是表示在全部相同的条件下，于摄氏760度在自c面以各种倾斜角度向m轴方向倾斜的GaN衬底上生长InGaN的实验结果的图；
图26是表示作为示例的{10-11}面的表面原子排列的图；
图27表示作为示例的向m轴方向倾斜约45度的面的生长表面的原子排列；
图28是表示包含由{10-11}面与m面形成的微小台阶的生长表面的图；
图29是表示作为示例的使c面向m轴方向以75度的偏离角倾斜的面的表面原子排列的图；
图30是表示In纳入与偏离角的关系的图；
图31是对于In纳入、In偏析及压电电场表示各面及角度范围的特征的图；
图32是对于In纳入、In偏析及压电电场表示详细的各面及角度范围的特征的图。
符号说明
11a、11b    GaN基半导体光器件
VN          法线向量
VC+         [0001]轴方向的向量
VC-         [000-1]轴方向的向量
Sc          平面
Cx          基准轴
Ax          预定的轴
13          衬底
13a         衬底的主面
15          GaN基半导体外延区域
17          有源层
α          主面倾斜角
19          半导体外延层
M1、M2、M3  表面形态
21          GaN基半导体区域
23          n型GaN半导体层
25          n型InGaN半导体层
27、45      电子阻挡层
29、49      接触层
31          量子阱结构
33          阱层
35          势垒层
37、51      第一电极
39、55      第二电极
AOFF        a轴方向的偏离角
41          n型包覆层
43a、43b    光导层
47          包覆层
53          绝缘膜
141    衬底产品
141a   衬底产品的主面
141b   衬底产品的背面
143    划线器
145    划刻线
147    解理面
149    按压装置
LDB    激光棒
具体实施方式
本发明的见解通过参考作为例示所示的附图来思考以下详细说明可以容易地理解。接下来，一面参考附图，一面对本发明的GaN基半导体光器件、GaN基半导体光器件的制作方法、外延晶片及GaN基半导体区域的生长方法的实施方式进行说明。在可能的情况下，同一部分标注相同的符号。另外，本说明中，在表示六方晶系晶体的晶轴的a1轴、a2轴、a3轴、c轴中，关于表示各晶轴的正方向与反方向的表述，例如[000-1]轴为[0001]轴的反方向，为了表示反方向使用在数字(例如“1”)之前标注有负号的“-1”。
图1是示意地表示本实施方式的GaN基半导体光器件的结构的图。作为GaN基半导体光器件11a，例如有发光二极管等。
GaN基半导体光器件11a包括衬底13、GaN基半导体外延区域15及有源层17。衬底13包含第一GaN基半导体，例如可以为GaN、InGaN、AlGaN等。GaN为二元化合物GaN基半导体，因此可以提供良好的晶体品质与稳定的衬底主面。另外，第一GaN基半导体例如可包含AlN等。衬底13的c面沿着图1所示的平面Sc延伸。在平面Sc上，显示有用于表示六方晶系GaN基半导体的晶轴的坐标系CR(c轴、a轴、m轴)。衬底13的主面13a自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴Cx正交的面以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。倾斜角α根据衬底13的主面13a的法线向量VN与基准轴Cx所成的角度而规定，在本实施例中，该角度α与向量VC+和向量VN所成的角相等。GaN基半导体外延区域15设置在主面13a上。GaN基半导体外延区域15可以含有一个或多个半导体层。在GaN基半导体外延区域15上设有有源层17。有源层17含有至少一个半导体外延层19。半导体外延层19设置在GaN基半导体外延区域15上。半导体外延层19包含含有铟的第二GaN基半导体，例如包含InGaN、InAlGaN等。半导体外延层19的膜厚方向相对于基准轴Cx倾斜。该基准轴Cx可朝向第一GaN基半导体的[0001]轴的方向或[000-1]轴的方向。在本实施例中，基准轴Cx朝着向量VC+所示的方向，其结果为，向量VC-朝向[000-1]轴的方向。
根据该GaN基半导体光器件11a，在上述倾斜角的衬底13中，其主面13a含有如图1所示的包含宽度较窄的多个阶面的表面形态M1。另外，在衬底13上设有GaN基半导体外延区域15，故GaN基半导体外延区域15的晶轴与衬底13的晶轴相延续。因此，GaN基半导体外延区域15的主面15a也自与基准轴Cx正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的角度向m轴方向倾斜，GaN基半导体外延区域15的主面15a也含有包含宽度较窄的多个阶面的表面形态M2。这些阶面的排列构成微台阶。由于上述角度范围的阶面的宽度较窄，因此在多个阶面中不易产生In含量的不均匀。因而，由In偏析引起的发光特性的降低得以抑制。
另外，由于阶面结构与自c轴起的倾斜角相关，因此在以第一GaN基半导体的(0001)面为基准而规定该倾斜角的衬底、及以第一GaN基半导体的(000-1)面为基准而规定该倾斜角的衬底的任何一者中，均可抑制发光特性的降低。即，无论基准轴Cx朝向第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向，均可抑制发光特性的降低。
在GaN基半导体光器件11a中，优选衬底13的主面13a自与基准轴正交的面起以70度以上且小于80度的范围的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。该角度范围的衬底主面13a还含有宽度较窄的多个阶面。
根据GaN基半导体光器件11a，可以抑制由有源层17中的In偏析引起的发光特性的降低。
参考图1，显示有坐标系S。衬底13的主面13a朝向Z轴的方向，且沿X方向及Y方向延伸。X轴朝向a轴的方向。
GaN基半导体外延区域15可含有一个或多个第一导电型GaN基半导体层。在本实施例中，GaN基半导体外延区域15含有沿Z方向排列的n型GaN半导体层23及n型InGaN半导体层25。由于n型GaN半导体层23及n型InGaN半导体层25外延生长在衬底13的主面13a上，因此n型GaN半导体层23的主面23a及n型InGaN半导体层25的主面25a(本实施例中，与表面15a等效)也分别含有具有阶面结构的形态M3、M2。
形态M1、M2、M3含有沿c轴倾斜的方向排列的多个微台阶，这些微台阶沿着与倾斜方向交叉的方向延伸。微台阶的主要的构成面至少包含m面及(10-11)面。在上述构成面及台阶端，In的结合良好。
GaN基半导体光器件11a可包括设置在有源层17上的GaN基半导体区域21。GaN基半导体区域21可含有一个或多个第二导电型GaN基半导体层。GaN基半导体区域21含有沿Z方向排列的电子阻挡层27及接触层29。电子阻挡层27例如可包含AlGaN，另外，接触层29例如可包含p型GaN或p型AlGaN。
GaN基半导体光器件11a中，优选有源层17以生成370nm以上的发光波长的方式设置。在实现产生370nm以上的波长的光的有源层的铟含量的范围内，可以减少In偏析。另外，优选有源层17以生成650nm以下的发光波长的方式设置。在产生650nm以上的发光波长的有源层中，由于半导体外延层的铟含量较大，因此难以获得所需晶体品质的半导体外延层。
有源层17可含有量子阱结构31，该量子阱结构31包含沿预定的轴Ax的方向交替配置的阱层33及势垒层35。在本实施例中，阱层33包含半导体外延层19，阱层33例如包含InGaN、InAlGaN等。另外，势垒层35包含GaN基半导体，GaN基半导体例如可包含GaN、InGaN、AlGaN等。n型GaN基半导体层23、25、与有源层17及GaN基半导体层27、29沿预定的轴Ax的方向排列。基准轴Cx的方向与预定的轴Ax的方向不同。
根据该GaN基半导体光器件11a，不仅在包含单层膜的半导体外延层中，而且在量子阱结构31中也可以实现较小的In偏析。
GaN基半导体光器件11a可包含设置在接触层29上的第一电极37(例如阳极)，第一电极37可包含覆盖接触层29的透明电极。作为透明电极，可使用例如Ni/Au。GaN基半导体光器件11a可含有设置在衬底13的背面13b上的第二电极39(例如阴极)，第二电极39例如包含Ti/Al。
有源层17响应施加在电极37、39两端的外部电压而生成光L1，在本实施例中，GaN基半导体光器件11a含有面发光器件。该有源层17中，压电电场较小。
优选衬底13中的a轴方向的偏离角AOFF为有限的值。a轴方向的偏离角AOFF使外延区域的表面形态变得良好。该偏离角AOFF为XZ面内的角度。偏离角AOFF的范围例如可在-3度以上、+3度以下的范围内，具体而言，偏离角AOFF的范围例如优选在-3度以上、-0.1度以下、及+0.1度以上、+3度以下的范围内。偏离角AOFF的范围例如在-0.4度以上、-0.1度以下、及+0.1度以上、+0.4度以下的范围内时，表面形态会进一步变得良好。
GaN基半导体光器件11a中，优选有源层17以生成480nm以上的发光波长的方式设置。另外，优选有源层17以生成600nm以下的发光波长的方式设置。63度以上且小于80度的范围的倾斜角在480nm以上、600nm以下的发光波长的范围内有效。对于在该波长范围内的长波长，阱层需要有较大的In含量，从而在显示较大In偏析的面例如c面、m面及(10-11)面等上，发光强度会大幅降低。另一方面，在本实施方式的角度范围内，In偏析较小，因此即使在480nm以上的长波长区域，发光强度的降低也较小。
图2是示意地表示本实施方式的GaN基半导体光器件的结构的图。作为GaN基半导体光器件11b，例如有半导体激光器等。GaN基半导体光器件11b与GaN基半导体光器件11a同样地包括衬底13、GaN基半导体外延区域15及有源层17。衬底13的c面沿着图2所示的平面Sc延伸。在平面Sc上显示有坐标系CR(c轴、a轴、m轴)。衬底13的主面13a自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴Cx正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。倾斜角α是根据衬底13的主面13a的法线向量VN与基准轴Cx所成的角度而规定的，在本实施例中，该角度与向量VC+和向量VN所成的角相等。GaN基半导体外延区域15设置在主面13a上。有源层17含有至少一个半导体外延层19。半导体外延层19设置在GaN基半导体外延区域15上。半导体外延层19包含第二GaN基半导体，第二GaN基半导体含有铟作为构成元素。半导体外延层19的膜厚方向相对于基准轴Cx倾斜。该基准轴Cx可朝向第一GaN基半导体的[0001]轴的方向或[000-1]轴的方向。在本实施例中，基准轴Cx朝着向量VC+所示的方向，其结果为，向量VC-朝向[000-1]轴的方向。另外，图2中也显示有偏离角AOFF，该偏离角AOFF为XZ面内的角度。
根据该GaN基半导体光器件11b，在衬底13中，其主面13a含有如图2所示的包含宽度较窄的多个阶面的表面形态M1。另外，在衬底13上设有GaN基半导体外延区域15。GaN基半导体外延区域15的晶轴与衬底13的晶轴相延续。因此，GaN基半导体外延区域15的主面15a也自与基准轴Cx正交的面起以63度以上且小于80度的范围的角度向m轴方向倾斜。因此，GaN基半导体外延区域15的主面15a也含有包含宽度较窄的多个阶面的表面形态M2。这些阶面的排列构成微台阶。由于上述角度范围的阶面的宽度较窄，因此在多个阶面中不易产生In含量的不均匀。因此，由In偏析引起的发光特性的降低得以抑制。
在GaN基半导体光器件11b的一个实施例中，GaN基半导体外延区域15含有沿Ax轴的方向(Z方向)排列的n型包覆层41及光导层43a。n型包覆层41例如可包含AlGaN或GaN，另外，光导层43a例如可包含非掺杂InGaN。由于n型包覆层41及光导层43a外延生长在衬底13的主面13a上，因此n型包覆层41的主面41a及光导层43a的主面43c(本实施例中，与表面15a等效)也分别含有具有阶面结构的表面形态。上述表面形态含有沿c轴的倾斜方向排列的多个微台阶，这些微台阶沿着与倾斜方向交叉的方向延伸。微台阶的主要的构成面至少包含m面、(20-21)面及(10-11)面等。在上述构成面及台阶端，In的结合良好。
GaN基半导体光器件11b中，GaN基半导体区域21含有沿Z方向排列的光导层43b、电子阻挡层45、包覆层47及接触层49。光导层43b例如可包含非掺杂InGaN。电子阻挡层45例如可包含AlGaN，包覆层47例如可包含p型AlGaN或p型GaN，另外，接触层49例如可包含p型GaN或p型AlGaN。
GaN基半导体光器件11b可包含设置在接触层49上的第一电极51(例如阳极)，第一电极51通过覆盖接触层49的绝缘膜53的条形窗口与接触层49连接。作为第一电极51，可以使用例如Ni/Au。GaN基半导体光器件11b可含有设置在衬底13的背面13b上的第二电极55(例如阴极)，第二电极55例如包含Ti/Al。
有源层17响应施加在电极51、55两端的外部电压而生成光L2，在本实施例中，GaN基半导体光器件11b包含端面发光器件。在该有源层17中，压电电场的Z成分(与预定的轴Ax的方向相关的成分)与自p型GaN基半导体层43a、45、47、49朝向n型GaN基半导体层41、43a的方向为相反方向。根据该GaN基半导体光器件11b，由于压电电场的Z成分与施加在电极51、55两端的外部电压所产生的电场的方向为相反方向，因此可减少发光波长的偏移。
GaN基半导体光器件11a、11b中，优选衬底13的a轴方向的偏离角AOFF为有限的值。a轴方向的偏离角AOFF使外延区域的表面形态变得良好。偏离角AOFF的范围例如可在-3度以上、+3度以下的范围内，具体而言，优选例如在-3度以上、-0.1度以下、及+0.1度以上、+3度以下的范围内。偏离角AOFF的范围例如在-0.4度以上、-0.1度以下、及+0.1度以上、+0.4度以下的范围内时，表面形态进一步变得良好。
GaN基半导体光器件11a、11b中，优选有源层17以生成480nm以上的发光波长的方式设置。另外，优选有源层17以生成600nm以下的发光波长的方式设置。63度以上且小于80度的范围的倾斜角在480nm以上、600nm以下的发光波长的范围内有效。如果为该程度的波长，则阱层的In含量变得很大，在c面、m面及(10-11)面等In偏析较大的面上，发光强度大幅降低。另一方面，在该角度范围内，In偏析较小，因此即使在480nm以上的长波长区域，发光强度的降低也较小。另外，阱层的厚度的范围例如可以为0.5nm～10nm。InxGa1-xN阱层的In含量X的范围例如可以为0.01～0.50。
(实施例1)
准备GaN晶片S1及GaN晶片S2。GaN晶片S1的主面包含六方晶系GaN中的c面。GaN晶片S2的主面自c面起以75度的角度向六方晶系GaN中的m轴方向倾斜，该倾斜面表示为(20-21)面。任一主面均进行了镜面研磨。在晶片S2的主面上，偏离角自(20-21)面以-3度以上、+3度以下的范围的角度分布。
在GaN晶片S1及GaN晶片S2上，通过金属有机化学气相沉积法外延生长掺杂Si的n型GaN层及非掺杂InGaN层，制作图3所示的外延晶片E1、E2。作为用于外延生长的原料，使用三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)。
在生长炉内设置晶片S1、S2。在以下条件下，在这些晶片上进行外延生长。在摄氏1050度的温度及27kPa的炉内压力下，一面通入NH3与H2，一面进行10分钟的热处理。作为该热处理温度，可使用例如摄氏850度以上、1150度以下的温度。另外，作为热处理的气氛，可使用NH3与H2等的组合。通过该热处理引起的表面改质，在晶片S2的表面形成根据偏离角所规定的阶面结构。
该热处理后，将TMG、NH3、SiH4供给至生长炉中，在摄氏1000度下生长掺杂Si的GaN层61a、61b。GaN层61a、61b的厚度例如为2微米。继而，将TMG、TMI、NH3供给至生长炉中，在摄氏750度的衬底温度下生长非掺杂InGaN层63a、63b。InGaN层63a、63b的厚度为20nm。另外，摩尔比为V/III=7322，生长炉压力为100kPa。成膜后，使生长炉的温度降至室温，制作外延晶片E1、E2。
进行外延晶片E1、E2的X射线衍射测定。扫描使用ω-2θ法进行。由于X射线的衍射角反映晶体的晶格常数，因此例如可测定InGaN三元混晶的各元素的摩尔分数。
另外，在外延晶片E1、E2中，由于晶片的主面的偏离角相互不同，因而进行X射线衍射测定时，在对准各个晶片的主面的偏离角的位置处配置X射线入射装置、试样台、X射线检测装置。
具体而言，在外延晶片E1中，沿[0001]方向进行轴设置(軸立て)。使衍射结果与理论计算相符，以确定InGaN中的In含量。在该面取向下，晶片主面的法线方向[0001]与测定的立轴方向[0001]一致，因此由理论计算得到的值可以直接用作实际的含量。
在外延晶片E2中，沿[10-10]方向进行立轴。通过该立轴，X射线相对于晶片主面(20-21)面仅倾斜15度而入射，因此由X射线衍射得到的值将In含量估算得过小。因此，在使实验结果与理论计算相符时，需要根据自[10-10]方向的斜率来校正测定值。通过该校正，确定InGaN中的In含量。
图4是表示X射线衍射结果及理论计算结果的图。参考图4(a)，显示有外延晶片E1的实验结果EX1及理论计算结果TH1。参考图4(b)，显示有外延晶片E2的实验结果EX2及理论计算结果TH2。外延晶片E1的In含量为20.5%，另一方面，外延晶片E2的In含量为19.6%。该实验结果表示，与GaN的c面相比，GaN(20-21)面具有同等的In纳入。该情况例如在发光二极管、半导体激光二极管等光器件的制作中，对于需要较高In含量的长波长的发光器件有利。另外，如果为相同的In含量，则可提高InGaN的生长温度，可提高发光层的结晶性。
(实施例2)
根据图5所示的步骤，通过金属有机化学气相沉积法在GaN晶片S3及GaN晶片S4上制作图6所示的发光二极管结构(LED1、LED2)的外延晶片。作为用于外延生长的原料，使用三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)及双环戊二烯镁(Cp2Mg)。
准备GaN晶片S3及S4。GaN晶片S3的主面包含六方晶系GaN中的c面。在步骤S101中，准备倾斜角与自63度至小于80度的倾斜角范围内的倾斜角相当的GaN晶片S4。本实施例中，GaN晶片S4含有自c面以75度的角度向六方晶系GaN中的m轴方向倾斜的主面，该倾斜面表示为(20-21)面。任一主面均进行了镜面研磨。
在以下条件下，在晶片S3、S4上进行外延生长。首先，在步骤S102中，将晶片S3、S4设置在生长炉内。在步骤S103中，在摄氏1050度的温度及27kPa的炉内压力下，一面通入NH3与H2，一面进行10分钟的热处理。通过该热处理引起的表面改质，在晶片S4的表面形成根据偏离角所规定的阶面结构。该热处理后，在步骤S104中，生长GaN基半导体区域。例如在摄氏1000度下，将TMG、NH3、SiH4供给至生长炉中，生长掺杂Si的GaN层65b。GaN层65b的厚度例如为2微米。继而，在摄氏850度的衬底温度下，将TMG、TMI、NH3、SiH4供给至生长炉中，生长掺杂Si的InGaN层67b。InGaN层67b的厚度为100nm。InGaN层67b的In含量例如为0.02。
在步骤S105中，生长有源层。在步骤S106中，在摄氏870度的衬底温度下，将TMG、NH3供给至生长炉中，并在该生长温度T1下生长非掺杂GaN势垒层69b。GaN层69b的厚度为15nm。步骤S107中，在生长后中断生长，将衬底温度从摄氏870度变更为摄氏760度。变更后，在步骤S108中，在该生长温度T2下将TMG、TMI、NH3供给至生长炉中，生长非掺杂InGaN阱层71b。InGaN阱层71b的厚度为3nm。InGaN层71b的In含量例如为0.25。在阱层71b中，根据发光波长而变更In流量。在InGaN阱层71b的生长后，停止TMI的供给。在步骤S109中，一面将TMG、NH3供给至生长炉中，一面将衬底温度从摄氏760度变更为摄氏870度。在该变更中，也生长非掺杂GaN势垒层73b的一部分。变更后，在步骤S110中，生长非掺杂GaN势垒层73b的剩余部分。GaN势垒层73b的厚度为15nm。在步骤S111中，反复进行势垒层的生长、温度变更、阱层的生长，形成InGaN阱层(75b、79b)、GaN势垒层(77b、81b)。
在步骤S112中，生长GaN基半导体区域。例如，在GaN势垒层81b的生长后，停止TMG的供给，使衬底温度上升至摄氏1000度。在该温度下，将TMG、TMA、NH3、Cp2Mg供给至生长炉中，生长p型Al0.18Ga0.82N电子阻挡层83b。电子阻挡层83b例如为20nm。之后，停止TMA的供给，生长p型GaN接触层85b。p型GaN接触层85b例如为50nm。在成膜后，使生长炉的温度降至室温，制作外延晶片E4。本实施例中的p型区域的生长温度比在c面上生长p型区域的最适生长温度低约100度。根据本发明人的实验可以确认以下情况：在本偏离角范围内的衬底上形成的有源层对p层生长时的升温敏感而容易劣化，在c面上生长p型区域的最适温度下，尤其是生长长波长的有源层时，巨大的暗区域会扩大。此处，暗区域是指萤光显微镜像中的非发光区域。通过降低p层生长温度，可以防止由p层生长时的升温所引起的暗区域的扩大。
继而，对晶片S3也使用相同的成膜条件，生长掺杂Si的GaN层(厚度：2微米)65a、掺杂Si的InGaN层(厚度：100nm)67a、p型AlGaN电子阻挡层(厚度：20nm)83a及p型GaN接触层(厚度：50nm)85a。有源层包含：InGaN阱层(厚度：3nm)71a、75a、79a、及GaN势垒层(厚度：15nm)69a、73a、77a、81a。在接触层的生长后，使生长炉的温度降至室温，制作外延晶片E3。
在步骤S113中，在外延晶片E3、E4上形成电极。首先，通过蚀刻(例如RIE(Reactive Ion Etching，反应性离子蚀刻)形成台面形状。台面形状的尺寸例如为400μm见方。继而，在p型GaN接触层85a、85b上形成p透明电极(Ni/Au)87a、87b。之后，形成p焊盘电极(Ti/Au)。在晶片S3、S4的背面形成n电极(Ti/Al)89a、89b。以电极退火(例如摄氏550度下1分钟)的顺序进行。通过该步骤，得到发光二极管结构LED1、LED2。
对发光二极管结构LED1、LED2施加电流，测定电致发光光谱。电极尺寸为500微米见方，施加电流为120mA。图7是表示发光二极管结构LED1、LED2的电致发光光谱的图，显示有光谱ELC、ELM75。这些光谱的峰值波长为相同程度，光谱ELM75的峰值强度为光谱ELC的峰值强度的2倍以上。另外，光谱ELM75的半高宽为光谱ELC的半高宽的一半以下。发光二极管结构LED2的光输出较高，且半高宽较小。这些特性可以显示优良的色纯度，并且可以提高与其它色的发光混合时的显色性。LED模式下的发光的半高宽较小，这对于降低激光二极管的阈值非常有效。
图8是表示外延晶片E3、E4中的阴极发光(CL)像的图。参考图8(a)，显示有外延晶片E3的阴极发光像。可以看出图8(a)的发光像中有斑，且无助与发光的暗区域较广。认为该发光的不均匀是由外延晶片E3的有源层中的In偏析所致。在使用c面衬底的外延晶片中，随着发光波长变为长波，发光的不均匀程度变得明显。因此，在使用c面衬底的发光器件中，发光波长越长，光输出越低，且发光光谱的半高宽越大。
参考图8(b)，显示有外延晶片E4的阴极发光像。与图8(a)的发光像相比，图8(b)的发光像发光的均匀性优良。因此，认为在外延晶片E4中，InGaN层的In偏析较小。因此，发光器件的发光强度较大，发光的半高宽也变小。另外，对于在晶片S4上制作的发光器件，长波长发光的光输出的降低较小，且长波长的发光光谱的半高宽的增大也较小。
图9是表示发光二极管结构LED1、LED2中发光波长与电流注入量的关系的测定的图。参考图9，在发光二极管结构LED1中，随着电流注入量的增加，发光波长逐渐偏移至短波长。与此相对，在发光二极管结构LED2中，在较少的电流注入量时发光波长稍向短波长偏移后，发光波长相对于电流量的增加几乎不发生变化。这表示，在改变对发光二极管施加的电流量而变更发光二极管的发光强度时，几乎不存在发光波长的变动。即，在发光二极管结构LED2中，可降低LED模式下的发光峰值波长的电流依赖性。
在利用光激发进行的发光测定中，发光二极管结构LED1(c面)的发光波长为535nm，发光二极管结构(偏离75度)LED2的发光波长为500nm。经光激发的发光二极管结构的内部状态与注入有非常少的电流的发光二极管结构的内部状态相当。
由发光波长对电流注入的依赖性及利用光激发进行的发光测定结果表明，在发光二极管结构LED2中，当逐渐加大施加电压时，在非常小的发光(从实用方面而言为“光发出前”)时实质上已经完成发光波长的偏移，在产生充分强度的发光后，发光波长几乎不偏移。
与自c面起以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向GaN基半导体的m轴方向倾斜的GaN基半导体面上所设置的有源层中的压电电场相比，c面上的有源层中的压电电场更大。由图9所示的特性可知，发光二极管结构LED2中的压电电场的朝向与发光二极管结构LED1中的压电电场的朝向相反。另外，电流注入时的电场方向与发光二极管结构LED2中的压电电场的方向相反。图10是表示非专利文献4及5所示的计算结果的图。在图10(a)及图10(b)中的表示压电电场的曲线中，正负的不同是电场方向的定义的问题。另外，曲线的斜率及曲率的不同是由于计算中所使用的参数不同。
(实施例3)
在含有自c面起以75度的角度向m轴方向倾斜的主面的晶片S5、S6上制作发光二极管结构LED3、LED4。发光二极管结构LED3、LED4的发光波长互不相同。发光二极管结构LED3、LED4的发光波长的变更通过变更阱层的In含量而进行。为了变更In含量，在阱层生长时改变In原料(例如TMI)的流量。除进行该有源层的变更以外，发光二极管结构LED3、LED4的制作与发光二极管结构LED2相同。
图11是表示具有不同In含量的阱层的发光二极管结构的电致发光的图。发光二极管结构LED3的阱层例如为In0.16Ga0.84N，发光二极管结构LED4的阱层例如为In0.20Ga0.80N。比较发光二极管结构LED3(峰值波长：460nm)及发光二极管结构LED4(峰值波长：482nm)时，在这些波长下未观察到发光强度的差及半高宽的差。这对于制作高效率的长波长发光器件非常有利。
图12是表示InGaN阱层的发光二极管及AlGaInP阱层的发光二极管中的外量子效率及人的可见度曲线的图。为了获得产生长波长的光的发光二极管结构，制作In含量较大的阱层。根据本发明人的见解，如图12所示，在c面GaN衬底上的发光二极管结构中，随着InGaN阱层的In含量的增加，InGaN的结晶性降低。由该结晶性的降低而引起发光强度降低，且光谱的半高宽也变大。尤其是在超过500nm的长波长区域，无法制作外量子效率较高的发光二极管等发光器件。
如前所述，发光器件含有包含In元素的GaN基半导体阱层，该GaN基半导体阱层生长在以c面为基准、以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向GaN基半导体的m轴方向倾斜的GaN基半导体面上。根据该发光器件，未观察到发光强度的差及半高宽的差。这对于制作高效率的长波长发光器件非常有利。
(实施例4)
在与GaN晶片S4同等品质的GaN晶片S5上，制作图13所示的激光二极管结构(LD1)的外延晶片。作为用于外延生长的原料，使用三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)、双环戊二烯镁(Cp2Mg)。
准备倾斜角与自63度至小于80度的倾斜角的范围内的倾斜角相当的GaN晶片S5。GaN晶片S5含有自与c轴正交的平面起以75度的角度向六方晶系GaN中的m轴方向倾斜的主面，该倾斜面表示为(20-21)面。该主面也进行了镜面研磨。在以下条件下，在晶片S5上进行外延生长。
首先，将晶片S5设置在生长炉内。在摄氏1050度的温度及27kPa的炉内压力下，一面通入NH3与H2，一面进行10分钟的热处理。通过该热处理引起的表面改质，在晶片S5的表面形成根据偏离角所规定的阶面结构。该热处理后，生长GaN基半导体区域。例如在摄氏1150度下，将TMG、TMA、NH3、SiH4供给至生长炉内，生长n型包覆层89。n型包覆层89例如为掺杂Si的Al0.04GaN0.96层，其厚度例如为2微米。
继而，在摄氏830度的衬底温度下，将TMG、TMI、NH3供给至生长炉中，生长光导层91a。光导层91a例如包含非掺杂的In0.02Ga0.98N层，其厚度为100nm。
接着，生长有源层93。在摄氏870度的衬底温度下，将TMG、NH3供给至生长炉中，在该生长温度T1下生长GaN基半导体势垒层93a。势垒层93a例如为非掺杂GaN，其厚度为15nm。在势垒层的生长后，中断生长，将衬底温度自摄氏870度变更为摄氏830度。在变更后的生长温度T2下，将TMG、TMI、NH3供给至生长炉中，生长非掺杂InGaN阱层93b。其厚度为3nm。在阱层的生长后，停止TMI的供给，且一面将TMG、NH3供给至生长炉中，一面将衬底温度自摄氏830度变更为摄氏870度。在该变更中也生长非掺杂GaN势垒层93a的一部分。在温度的变更完成后，生长非掺杂GaN势垒层93a的剩余部分。GaN势垒层93a的厚度为15nm。继而，反复进行势垒层的生长、温度变更及阱层的生长，形成InGaN阱层93b、GaN势垒层93a。
在摄氏830度的衬底温度下，将TMG、TMI、NH3供给至生长炉中，在有源层93上生长光导层91b。光导层91b例如包含非掺杂的In0.02Ga0.98N层，其厚度为100nm。
在光导层91b上生长GaN基半导体区域。在光导层91b的生长后，停止TMG及TMI的供给，使衬底温度上升至摄氏1100度。在该温度下，将TMG、TMA、NH3、Cp2Mg供给至生长炉中，生长电子阻挡层95及p型包覆层97。电子阻挡层95例如为Al0.12Ga0.88N，其厚度例如为20nm。p型包覆层97例如为Al0.06Ga0.94N，其厚度例如为400nm。之后，停止TMA的供给，生长p型接触层99。p型接触层99例如包含GaN，其厚度例如为50nm。在成膜后，使生长炉的温度降至室温，制作外延晶片E5。
在外延晶片E5上形成电极。首先，淀积氧化硅膜这种绝缘膜，在该绝缘膜上通过光刻法及蚀刻形成接触窗。接触窗例如为条形，其宽度例如为10微米。继而，在p型GaN接触层99上形成p电极(Ni/Au)103a。之后，形成p焊盘电极(Ti/Au)。在晶片E5的背面形成n电极(Ti/Al)103b。以电极退火(例如摄氏550度下1分钟)的顺序进行，制作衬底产品。在该步骤后，以800微米的间隔对衬底产品进行解理，获得增益导引型激光二极管LD1。使用a面作为解理面。其原因在于，在m轴方向的偏离衬底中，m面倾斜，不适合作为谐振器端面。
阈值电流为9kAcm-2。此时的振荡波长为405nm。在该半导体激光器中，LED模式下的发光的光谱的半高宽较小。另外，该半导体激光器的InGaN层的In偏析较小。该LED模式下的发光朝着与图1及图2中的XY面内的Y方向垂直的方向偏光，因此与形成在c面上的相同结构的半导体激光器相比，上述阈值电流更大。该朝向的偏振光在通过a面解理在X方向上制作谐振器时，成为使阈值电流增加的偏振光方向。另外，该光的偏振度P约为0.15。
因此，通过干式蚀刻(例如反应性离子蚀刻(利用RIE))形成与图1及图2中的Y方向垂直的面，制作以该蚀刻面作为谐振器面的谐振器。由于该谐振器的朝向是在Y方向上制作谐振器，因此在LED模式下观察到的正的偏光度会与阈值电流的降低相关联而有利地发挥作用。该半导体发光器件的阈值电流为5kAcm-2。因此，通过使谐振器朝向适当的方向，可以降低阈值电流。
(实施例5)
在各种偏离角的GaN晶片上淀积InGaN，测定该InGaN的In含量。图14是表示在具有自c轴向m轴方向倾斜的各种倾斜角(偏离角)的GaN主面上淀积的InGaN的In含量与偏离角的关系的图。首先，给出图标P1～P4的偏离角：
图标P1：63度
图标P2：75度
图标P3：90度(m面)
图标P4：43度
图标P5：0度(c面)
在图标P5(c面)至图标P4之间，In含量随着偏离角的增加而单调减少。另一方面，在图标P1、P2处，显示与图标P5(c面)同等的In纳入。图标P3(m面)也显示优良的In纳入，但在80度以上的偏离角时In偏析变大，从而存在发光强度随长波长化降低的不良情况。
参考图15(a)，示意地说明在具有63度以上且小于80度的范围内的偏离角β的GaN基半导体面上进行的含有In的GaN基半导体的淀积。在上述倾斜角范围的偏离角的半导体表面、例如在(20-21)面附近的表面，出现包含(10-11)面的阶面T1与包含m面的阶面T2。半导体表面由包含这些阶面T1、T2的微细的台阶构成。根据本发明人的实验，m面以及(10-11)面中的In纳入与c面中的In纳入同等、或者优于c面中的In纳入。另外，为了提高In纳入，需要可实现InN的岛状生长的充分大小的阶面宽度。
在10度至50度范围的偏离角时，出现包含(10-11)面的阶面T4与包含c面的阶面T5。半导体表面由包含这些阶面T4、T5的微细的台阶构成。在该角度范围时，偏离角越大，则阶面T4、T5的宽度越小，因此，如图14所示，在10度至50度范围的偏离角的半导体表面，In的结合较小。其原因在于，如果包含c面与(10-11)面的台阶形成在半导体表面，则会在阶面T4、T5上结合In。但是，如果从由阶面T4、T5构成的阶面边缘(台阶端)T6上所出现的化学键的键合的视点进行研究，则在阶面边缘T6上未结合In原子。
另一方面，根据本发明人的实验，在包含阶面T1、T2的微台阶结构中，In的结合能力良好。这是因为不仅在阶面T1、T2上，而且在由阶面T1、T2构成的阶面边缘(台阶端)T3上也可以高效地结合In。这一点通过从阶面边缘T3上出现的化学键的键合的视点出发而进行的研究可以得到证实。在氨环境中的热处理(阱层的生长与势垒层的生长之间的温度上升)步骤中，所结合的In自半导体表面脱离的可能性降低。因此，例如在成膜温度T1下生长包含InGaN的阱层后升温至势垒层的生长温度T2时，即使使阱层的表面露出于炉内的环境中，也可以降低自阱层表面脱离的In量。
偏离角超过50度的范围的、以实施例的(20-21)面为代表的半导体表面，显示优良的In纳入能力。另外，来自生长在该半导体表面的有源层的发光像具有良好的均匀性。其发光光谱的半高宽较窄，发光器件的光输出也较高。另外，即使制作为了可实现长波长发光而增加了In含量的阱层，发光效率的降低也较小。因此，本实施方式的光器件及其制作方法在实现含有InGaN层的光器件时，具有非常有效的特性。
如图15(a)所示，生长GaN基半导体膜的方法包括如下步骤：准备含有包含多个微台阶的表面的GaN基半导体区域B的步骤；及在微台阶表面上生长含有In作为构成元素的GaN基半导体膜F的步骤。微台阶至少包含m面及(10-11)面作为主要的构成面。或者，生长GaN基半导体膜的方法包括如下步骤：生长包含GaN基半导体且具有主面的半导体外延区域B的步骤；及在半导体外延区域B的主面上生长含有In作为构成元素的GaN基半导体膜F的步骤。半导体外延区域B的主面自与沿着GaN基半导体的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。
给出微台阶结构的一例。微台阶结构的高度为例如0.3nm以上、例如10nm以下。其宽度为例如0.3nm以上、例如500nm以下。其密度为例如2×104cm-1以上、例如3.3×107cm-1以下。
对于63度以上且小于80度的范围的偏离角可实现较小的In偏析的理由可作如下说明。在包含c面、m面(非极性面)、(11-22)面及(10-11)面等稳定面的较大的阶面上，可进行In的迁移。因此，原子半径较大的In原子因迁移而聚集，结果产生In偏析。如图8(b)所示，c面上的阴极发光像显示不均匀的发光。另一方面，在与63度以上且小于80度的范围内的偏离角相对应的半导体面、例如(20-21)面上，阶面T1、T2的阶面宽度较窄，因此在阶面T1、T2上结合In时，不会产生充分的In迁移。另外，在阶面边缘T3上结合In时，也同样地不会产生充分的In迁移。因此，在原子的淀积时，In在被吸附的部位结合至晶体中。淀积中，由于随机地吸附In，因此如图8(a)所示，c面上的阴极发光像显示均匀的发光。
如图14所示，在c面及m面上，显示良好的In纳入。但是，会产生较大的In偏析，尤其是在In含量较大时In偏析会增加，从而使因不均匀的发光像而产生的非发光区域增加。由于有源层的In含量的增加，发光光谱的半高宽会变宽。另一方面，如图14所示，在c面与(10-11)面之间的偏离角的情况下，与c面相比In纳入降低。但是，如图14所示，在(10-11)面与m面之间的偏离角的情况下，与c面相比In纳入良好，且In偏析也较小。
如上所述，以(20-21)面为代表的晶面的偏离角的范围显示良好的In纳入性，且显示较小的In偏析。因此，可生长结晶性非常好的InGaN，并可根据发光波长在较现有更广的范围内变更In含量。因此，可制作良好的光器件。
以上说明是参考(20-21)面进行的，但对于(20-2-1)面也同样适合。另外，上述说明中所记载的(20-21)面、(10-11)面、m面等晶面及晶体取向并不限于该记载本身，也表示晶体学上等效的面及取向。例如所谓(20-21)面，也代表(02-21)面、(0-221)面、(2-201)面、(-2021)面及(-2201)面这些在晶体学上等效的面。
(实施例6)
图16是示意地表示本实施例的半导体激光器的图。如下制作图16所示的半导体激光器。首先，准备含有(20-21)面的GaN衬底110。在该GaN衬底的主面((20-21)面)上外延生长以下的半导体层。
n型包覆层111：掺杂Si的AlGaN、生长温度为1150度、厚度为2μm、Al含量为0.04；
光导层112a：非掺杂GaN、生长温度为840度、厚度为50nm；
光导层112b：非掺杂InGaN、生长温度为840度、厚度为50nm、In含量为0.01；
有源层113；
势垒层113a：非掺杂GaN、生长温度为870度、厚度为15nm；
阱层113b：非掺杂InGaN、生长温度为780度、厚度为3nm、In含量为0.16；
光导层114b：非掺杂InGaN、生长温度为840度、厚度为50nm、In含量为0.01；
光导层114a：非掺杂GaN、生长温度为840度、厚度为50nm；
电子阻挡层115：掺杂Mg的AlGaN、生长温度为1000度、厚度为20nm、Al含量为0.12；
p型包覆层116：掺杂Mg的AlGaN、生长温度为1000度、厚度为400nm、Al含量为0.06；
p型接触层117：掺杂Mg的GaN、生长温度为1000度、厚度为50nm。
在p型接触层117上淀积硅氧化膜这种绝缘膜118后，使用光刻法及湿式蚀刻形成宽度为10μm的条形窗口。形成通过该条形窗口与p型接触层117接触的p-电极(Ni/Au)119a，并且蒸镀焊盘电极(Ti/Au)。在GaN衬底110的背面形成n-电极(Ni/Al)119b，并且蒸镀焊盘电极(Ti/Au)。以800μm的间隔对通过这些步骤而制作的衬底产品进行解理。在用于谐振器的a面解理面上形成包含SiO2/TiO2多层膜的反射膜，制作增益导引型激光二极管。前端面的反射率为80%，后端面的反射率为95%。
该激光二极管以452nm的振荡波长振荡。其阈值电流为12kA/cm2，工作电压(电流值：960mA)为6.9伏特。
(实施例7)
图17是示意地表示本实施例的半导体激光器的图。如下制作图17所示的半导体激光器。首先，准备含有(20-21)面的GaN衬底120。在该GaN衬底的主面((20-21)面)上外延生长以下的半导体层。
n型缓冲层121a：掺杂Si的GaN、生长温度为1050度、厚度为1.5μm；
n型包覆层121b：掺杂Si的AlGaN、生长温度为1050度、厚度为500nm、Al含量为0.04；
光导层122a：非掺杂GaN、生长温度为840度、厚度为50nm；
光导层122b：非掺杂InGaN、生长温度为840度、厚度为65nm、In含量为0.03；
有源层123；
势垒层123a：非掺杂GaN、生长温度为870度、厚度为15nm；
阱层123b：非掺杂InGaN、生长温度为750度、厚度为3nm、In含量为0.22；
光导层124b：非掺杂InGaN、生长温度为840度、厚度为65nm、In含量为0.03；
光导层124a：非掺杂GaN、生长温度为840度、厚度为50nm；
电子阻挡层125：掺杂Mg的AlGaN、生长温度为1000度、厚度为20nm、Al含量为0.12；
p型包覆层126：掺杂Mg的AlGaN、生长温度为1000度、厚度为400nm、Al含量为0.06；
p型接触层127：掺杂Mg的GaN、生长温度为1000度、厚度为50nm。
在p型接触层127上淀积硅氧化膜这种绝缘膜128后，使用光刻法及湿式蚀刻形成宽度为10μm的条形窗口。形成通过该条形窗口与p型接触层127接触的p-电极(Ni/Au)129a，并且蒸镀焊盘电极(Ti/Au)。在GaN衬底120的背面形成n-电极(Ni/Al)129b，并且蒸镀焊盘电极(Ti/Au)。以800μm的间隔在a面上对通过这些步骤而制作的衬底产品进行解理。在用于谐振器的a面解理面上形成包含SiO2/TiO2多层膜的反射膜，制作增益导引型激光二极管。前端面的反射率为80%，后端面的反射率为95%。
该激光二极管以520nm的振荡波长振荡。其阈值电流为20kA/cm2，工作电压(电流值：1600mA)为7.2伏特。
(实施例8)
图18是示意地表示本实施例的半导体激光器的图。如下制作图18所示的半导体激光器。首先，准备含有(20-2-1)面的GaN衬底130。在该GaN衬底130的主面((20-2-1)面)上外延生长以下的半导体层。
n型包覆层131：掺杂Si的AlGaN、生长温度为1050度、厚度为2μm、Al含量为0.04；
光导层132a：非掺杂GaN、生长温度为840度、厚度为50nm；
光导层132b：非掺杂InGaN、生长温度为840度、厚度为50nm、In含量为0.02；
有源层133；
势垒层133a：非掺杂GaN、生长温度为840度、厚度为15nm；
阱层133b：非掺杂InGaN、生长温度为840度、厚度为3nm、In含量为0.08；
光导层134b：非掺杂InGaN、生长温度为840度、厚度为65nm、In含量为0.02；
光导层134a：非掺杂GaN、生长温度为840度、厚度为50nm；
电子阻挡层135：掺杂Mg的AlGaN、生长温度为1000度、厚度为20nm、Al含量为0.12；
p型包覆层136：掺杂Mg的AlGaN、生长温度为1000度、厚度为400nm、Al含量为0.06；
p型接触层137：掺杂Mg的GaN、生长温度为1000度、厚度为50nm。
在p型接触层137上淀积硅氧化膜这种绝缘膜138后，使用光刻法及湿式蚀刻形成宽度为10μm的条形窗口。形成通过该条形窗口与p型接触层137接触的p-电极(Ni/Au)139a，并且蒸镀焊盘电极(Ti/Au)。在GaN衬底130的背面形成n-电极(Ni/Au)139b，并且蒸镀焊盘电极(Ti/Au)。以800μm的间隔在a面上对通过这些步骤而制作的衬底产品进行解理。
该激光二极管以405nm的振荡波长振荡。其阈值电流为9kA/cm2，工作电压(电流值：720mA)为5.8伏特。
另外，将含有(20-21)面的GaN衬底(m面偏离+75度的GaN衬底)及含有(20-2-1)面的GaN衬底(m面偏离-75度的GaN衬底)配置在生长炉的基座上。在这些GaN衬底上同时生长用于发光器件的半导体层叠体。有源层具有量子阱结构，阱层包含InGaN，势垒层包含GaN。有源层的生长温度使用800度。
图19是表示m面偏离+75度的GaN衬底上的量子阱结构的光致发光(PL)光谱PL+75、及m面偏离-75度的GaN衬底上的量子阱结构的PL光谱PL-75的图。PL光谱PL+75的峰值波长为424nm，PL光谱PL-75的峰值波长为455nm。峰值波长差为约30nm，这表示与自Ga面倾斜的(20-21)面相比，自N面倾斜的(20-2-1)面的In纳入更大。当衬底主面的法线相对于选作图1所示的基准轴Cx的朝向的[000-1]轴向m轴方向形成63度以上且小于80度的范围的倾斜角时，该衬底主面显示良好的In纳入能力。
在上述实施例中，衬底主面的法线相对于[000-1]轴及[0001]轴的任何一个以63度以上且小于80度的范围的倾斜角倾斜。因此，实施例中的半导体激光器不能选择m面作为解理面，而使用a面作为解理面。迄今为止，主要是在自(0001)面以锐角的角度倾斜的半极性衬底上制作半导体激光器用外延层叠结构。该半导体激光器用外延层叠结构例如在GaN衬底的主面(例如(20-21)面)上制作。该GaN衬底主面的法线相对于[0001]轴以63度以上且小于80度的范围的倾斜角倾斜。根据发明人的见解，a面解理的成品率例如比m面解理的成品率低。
图20是表示使用自(000-1)面以锐角的角度倾斜的半极性衬底制作半导体发光器件的方法的主要流程的图。在步骤S201中，进行例如已经说明过的步骤S101～S113，制作衬底产品141。衬底产品141具有主面141a及背面141b。继续进行说明，衬底产品141包含在相对于[000-1]轴以63度以上且小于80度的范围的倾斜角倾斜的GaN衬底的主面上形成的用于半导体激光器的层叠结构。为了容易理解，图21(a)中，将实施例8中的层叠结构ELS表示为矩形的虚线。在图21(a)所示的示意图中，绝缘膜138的接触开口沿a轴方向延伸，电极139a也沿a轴方向延伸。因此，衬底产品141包含例如含有(20-2-1)面的主面的GaN衬底130。
在图20中的步骤202中，如图21(b)所示，按照GaN衬底130的m轴方向，在衬底产品141的主面141a的表面141a进行划线。该划线例如使用划线器143进行。使用该划线器143，在表面141a的边缘形成划刻线145。划刻线145的间隔与激光谐振器长一致。划刻线145各自沿着根据GaN衬底130的m轴及c轴所规定的平面与表面141a的交叉线的延伸方向而延伸。
在图20中的步骤203中，对衬底产品141进行划线后，如图21(c)所示，进行衬底产品141的解理而形成解理面147。该解理面147包含a面。该解理例如通过使用板(plate)等按压装置149按压衬底产品141来进行。将按压装置149对准引起解理的特定的划刻线145后，在衬底产品141的背面141b进行按压。通过选择划刻线145，可以控制解理面的位置。由于半导体层叠体(131～137)外延生长在GaN衬底130的主面131a上，因此可以制作含有与衬底背面的划刻线145的方向相对应的解理面的激光棒LDB。
根据该方法，对在相对于[000-1]轴以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向m轴方向倾斜的主面上外延生长而制作的衬底产品141的表面141a进行划线。在使用该划线方法时，解理成品率良好。另外，如已经说明的那样，在基准轴的方向为[000-1]轴的方向时，可抑制发光特性的降低。
(实施例9)
使用形成在上述衬底产品141的表面141a上的划线槽来进行衬底产品141的解理而制作激光棒(以下称为“-划线”)。另外，使用形成在上述晶片E5表面上的划线槽来进行晶片E5的解理而制作激光棒(以下称为“+划线”)。根据本发明人的实验，-划线的成品率为+划线的成品率的1.4倍。-划线可提供优良的解理成品率。
(实施例10)
准备两片在GaN衬底的(20-21)面进行外延生长而得到的外延晶片。在一片外延晶片的表面形成划线槽后，进行该外延晶片的解理而制作激光棒(“+划线”)。另外，在另一片外延晶片的背面形成划线槽后，进行该外延晶片的解理而制作激光棒(“-划线”)。与使用“+划线”的表面解理的成品率相比，使用“-划线”的背面解理的成品率提高至1.4倍。
在含有(20-21)面的主面的GaN晶片中，在该主面上生长GaN基半导体外延区域而制作外延晶片后，由该外延晶片制作衬底产品。在使用(20-21)面的GaN晶片制作的衬底产品中，优选对衬底产品的背面(晶片的背面)进行划线。即，对(20-2-1)面进行划线。GaN的(20-2-1)面为Ga面，GaN的(20-21)面为N面。(20-2-1)面比(20-21)面硬。通过对晶片背面的(20-2-1)面进行划线，可提高解理成品率。
接着，对GaN基半导体的生长进行说明。
1.GaN及InGaN的生长机制(稳定面)
对GaN及InGaN的生长机制进行说明。GaN基半导体的生长中，具有在晶体生长中在原子水平上形成平坦的生长表面的面取向、例如c面，该面取向被称为“稳定面”。稳定面上的GaN的生长机制如下。在稳定面上的GaN生长中，生长表面由具有数100nm级的较大阶面宽度的巨大原子层台阶形成。该GaN的生长机制从其生长温度的角度而言分为三种。
图22是示意地表示生长温度较高时的生长模式及生长温度较低时的生长模式的图。在生长炉中的超过摄氏900度的生长温度下，产生图22(a)所示的生长模式。在较高的生长温度下，生长表面的GaN分子的迁移较大，因此几乎不存在在阶面上结合至晶体中的情况，GaN分子在到达称为扭结面(キンク)的活化能较大的台阶端的时刻才开始结合至晶体中。其结果是，在该生长中台阶端以层叠状延伸。将该生长模式称为所谓的“台阶流生长”。图23是表示GaN的生长表面的AFM(AtomicForce Microscope，原子力显微镜)像的图。参考图23(a)，可以较好地理解原子层台阶在某一定方向上形成的情况。
另一方面，在生长炉中的摄氏700度至摄氏900度左右的生长温度下，产生图22(b)所示的生长模式。在较低的生长温度下，生长表面的分子迁移较小，因此分子不会到达台阶端而是在较大的阶面上被结合至晶体中。已结合分子的部分成为核，进行使台阶扩大的生长。将该生长模式称为“阶面上生长”。图23(b)是表示通过阶面上生长所生长的GaN的生长表面的AFM像的图。在该生长的形态中，形成有多个生成核，且台阶自多个核而扩大。因此，台阶不是向一个方向延伸，而是全取向地形成。
在摄氏700度以下的生长温度下，产生与上述生长模式不同的生长模式。在非常低的生长温度下，几乎不存在分子迁移，因此GaN分子在到达生长表面的时刻立刻被结合至晶体中。因此，非常容易导入晶体缺陷，难以生长高品质的GaN膜。将该生长模式称为“岛状生长”。
接着，说明自c面向m轴方向倾斜的各种面取向的晶面上的生长。在摄氏1100度的生长温度下，在自c面向m轴方向倾斜的各种面取向的晶面上生长GaN。利用AFM观察其表面后发现，可观察到如图22(a)所示的巨大原子层台阶的面取向仅为包含以下三种面的台阶。即，这些面为c面、m面及自c面以约62度倾斜的{10-11}面。即，在c面向m轴方向倾斜的晶面上的生长中，能称为稳定面的面仅为上述三种面。将三种稳定面以外的面统称为“非稳定面”。
接着，说明稳定面上的InGaN的生长机制。认为InGaN的生长机制基本上与GaN相同。不同点在于，InGaN生长中，InN在生长表面上的停留时间比GaN更短，容易产生InN的脱离。因此，当欲将某种程度大小的In含量的In添加至晶体中时，需要降低生长温度，该温度大致为摄氏900度以下。即，稳定面上的InGaN的生长成为阶面上生长。
2.GaN及InGaN的生长机制(非稳定面)
说明非稳定面上的GaN及InGaN的生长机制。根据在摄氏1100度的生长温度下在非稳定面的面上生长的GaN表面的AFM观察，在自稳定面呈较小的倾斜角(称为“次偏离角（サブオフ角）”)的面取向上的生长中，观察到从接近该偏离角的稳定面形成的细小的台阶。该阶面宽度与正好在稳定面的面取向上的生长相比较小，次偏离角越大，则该阶面宽度越小。如果使面取向相对于稳定面倾斜约2度，则在AFM像中观察不到原子层台阶。根据这些结果可知，在稳定面附近，在生长中容易出现稳定面，从而形成阶面宽度较大的台阶。图24(a)是示意地表示非稳定面上的GaN及InGaN的高温生长中的台阶流生长的生长机制的图。箭头表示生长方向。
另一方面，认为在自稳定面有较大倾斜时，阶面宽度变小，并且形成在AFM像中无法观察到的微小的台阶。另外，由于稳定面仅为上述三种，因此认为该微小的台阶也由包含稳定面的微小的阶面形成，在高温下生长的GaN的表面上，进行使台阶向某一方向延伸的生长。
说明生长温度较低时的GaN的生长机制。在稳定面附近，容易形成包含稳定面的较宽的阶面，生长表面上的分子迁移较小，因此阶面上生长占主导地位。图24(b)是示意地表示非稳定面上的GaN及InGaN的低温生长中的阶面上生长的生长机制的图。
另一方面，在自稳定面起的次偏离角较大的面取向的晶面上的生长中，表面的台阶密度增大，阶面宽度微小至数nm级。在自稳定面起的次偏离角较大时，由于阶面宽度较窄，因此难以引起阶面上生长的生长机制。即使在生长表面上的分子迁移较小的生长温度时，原子也容易到达活化能较高的台阶端。即，认为如果自稳定面起的次偏离角变大，则在更低的温度下进行台阶端延伸的生长。该生长与台阶流生长相比，阶面宽度的尺度小了近两位数，因此此处称为“台阶端生长”。图24(c)是示意地表示非稳定面上的GaN及InGaN的低温生长中的台阶端生长的生长机制的图。
根据以上说明可以认为：生长温度较低时，在稳定面及稳定面附近，阶面上生长占主导地位。如果自稳定面起的次偏离角变大，则阶面上生长逐渐减弱，台阶端生长占主导地位。另外，该情况也与生长温度较低的InGaN的生长机制一致。
3.关于In纳入
说明InGaN生长中的各生长面上的In纳入。为了考察In含量而进行如下实验：在自c面以各种倾斜角度向m轴方向倾斜的GaN衬底上，于摄氏760度在全部相同的条件下生长InGaN。图25表示其实验结果，横轴表示自c轴向m轴方向的倾斜角(偏离角)，纵轴表示生长的InGaN的In含量。
角度  In含量
0     21.6
10    11.2
16.6  9.36
25.9  7.54
35    4.33
43    4.34
62    22.7
68    29
75    19.6
78    18.5
90    23.1
参考图25可知，c面的In纳入良好。如果增大自c面起的偏离角，则In的结合降低。如果进一步增大偏离角，则从倾斜角超过40度的附近起In纳入开始升高。稳定面{10-11}面的In纳入与c面成为相同的程度。如果进一步增大偏离角，则In纳入升高，在68度附近显示极大值。当超过该角度时，In纳入转而减少。In纳入在偏离角80度附近显示极小值。当超过该角度而向m面接近时，In纳入升高。m面显示与c面相同程度的In纳入。
根据项目1及2中的InGaN的生长机制，说明该In纳入的行为。
首先，当如图22(b)所示在稳定面附近阶面上生长占主导地位时，如图25所示，In被良好地结合。根据晶体表面的原子排列可对在包含稳定面的阶面上In纳入良好的理由进行如下说明。图26表示作为示例的{10-11}面的表面原子排列。参考图26，显示有c面c0及(10-11)面。如图26所示，In原子与箭头Y(In)所示的两个N原子通过两个键进行键合。两个N原子沿图26的正交坐标系T中的X轴方向排列。这两个N原子可沿图26的正交坐标系T中的X轴的正(近前)方向及负(进深)方向位移，该配置处于容易结合原子半径较大的In原子的状况。认为该原子排列给出了阶面上生长中容易结合In的理由。
以同样的观点来说明台阶端生长时的In纳入。图27表示作为示例的向m轴方向倾斜约45度的面的生长表面的原子排列。参考图27，显示有c面C0、自c面以45度倾斜的倾斜面m45及(10-11)面。着眼于台阶端观察时可见，In原子与箭头B1(In)所示的两个N原子通过两个键合键进行键合，并与箭头R(In)所示的一个N原子通过一个键合键进行键合。此时，与In原子的键合相关的箭头B1(In)所示的N原子及箭头R(In)所示的N原子的可位移的方向为垂直的关系，且为了结合原子半径较大的In需要三个N原子发生位移，因此该原子排列处于难以结合In的状态。因此，认为在台阶端生长中In纳入较差。综合考虑这样情况，可以较好地说明图25的结果的一部分。即，对于c面与{10-11}面之间的面取向，在稳定面附近阶面上生长占主导地位，因此In的结合良好。另一方面，随着自稳定面起的次偏离角变大，阶面上生长减弱，台阶端生长占主导地位，因此In纳入变小。
另一方面，认为在{10-11}面与m面之间同样的观点也成立。
但是，在自c面向{10-11}面与m面之间的偏{10-11}面的偏离角为63度以上且小于80度的范围内，显示通过上述说明无法理解的行为。因此，在进一步研究该角度范围的表面原子排列时发现，仅在该角度范围内，即使在台阶端也可良好地结合In。图28示意地表示作为示例的使c面以75度的偏离角向m轴方向倾斜的面的表面台阶的状态。在上述角度范围内，如图28所示，生长表面包含由{10-11}面与m面形成的微小的台阶。进行使其台阶端向m轴方向延伸的台阶端生长。图29表示作为示例的向m轴方向倾斜约75度的面的生长表面的原子排列。参考图29，显示有m面m0、自c面以75度倾斜的倾斜面m75及(10-11)面。此时，所结合的铟与箭头R2(In)所示的一个N原子通过一个键合键进行键合，并与箭头B2(In)所示的一个N原子通过一个键合键进行键合。该配置中，两个N原子的可位移的方向处于相对的状态，且为了结合原子半径较大的In，仅使两个N原子位移即可，因此，认为在该台阶端容易结合In原子。另外，对于其它角度范围的台阶端也研究了其表面原子排列。本发明人发现，可进行显示良好In纳入的台阶端的生长的角度仅为上述范围。
根据以上考察，对In纳入的偏离角依赖性进行了估算。图30是表示In纳入与偏离角的关系的图。估算了阶面上生长成分和台阶端生长成分两者的In纳入，通过它们的和表示总In纳入。在纵轴上，将In纳入量标准化为c面上的In纳入。实线T表示通过阶面上生长结合的In量，实线S表示通过台阶端生长结合的In量，实线SUM表示其和。这样，在阶面上生长中，在阶面上生长占主导地位的稳定面附近In纳入较高，离稳定面越远，则阶面上生长的主导地位越消失，越不会结合In。
另一方面，台阶端生长在离稳定面越远时台阶密度越高从而越占主导地位。但是，在自c面的倾斜角为63度以上且小于80度的角度范围的外侧，几乎不存在台阶端生长产生的In纳入。仅在倾斜角为63度以上且小于80度的角度范围内，才在台阶端产生较大的In纳入，因此显示出随着台阶端生长变活跃In纳入变大的行为。结果，形成如实线SUM所示的偏离角依赖性，图30所示的估算较好地说明了图25所示的实验结果。
4.关于In偏析，根据以上结果来说明InGaN膜中的In偏析。在含有c面衬底上的InGaN有源层的光器件中，特别是有源层的发光波长越长，即InGaN晶体中的In含量越高，则InGaN晶体中的In偏析越大。其结果是，InGaN的晶体品质降低，从而观察到发光强度的降低及发光波长半高宽的增大。另一方面，根据本发明人的实验，当c轴向m轴方向的倾斜角为63度以上且小于80度的范围时，与c面及其它稳定面上的InGaN层相比，长波长区域发光的InGaN层的发光强度的降低较小，且半高宽的增大也较小。
本发明人根据生长机制及In纳入研究了其理由。认为稳定面上生长的InGaN膜显示较大In偏析的理由如下。如图22(b)所示，在阶面上生长的In纳入中，GaN及InN的分子在到达阶面上之后、结合至晶体中之前，在较宽的阶面上进行迁移。该迁移时，因GaN与InN的非混和性而使InN自发地凝聚。认为通过该凝聚在InGaN晶体中产生In的偏析。
另一方面，如图30所示，当自稳定面起的次偏离角较大时，In在台阶端被结合。到达生长表面的GaN及InN的分子在较窄的阶面上几乎不迁移而立即被结合至晶体中。因此，认为在InGaN晶体中，结合的In几乎随机分布，In偏析较小。认为该倾向在台阶密度越大时越明显。因此，自稳定面起的次偏离角越大，越可获得均匀的InGaN膜。但是，如已经说明的那样，在台阶端生长中，在除特定的角度范围以外的倾斜角的情况下In纳入较差。因此，为了获得所需的In含量，需要降低生长温度。在生长温度的降低过程中，占主导地位的生长模式由台阶端生长变为岛状生长，结果晶体缺陷等增加，InGaN膜质显著恶化。
如上所述，认为In纳入与In偏析为权衡关系。本发明人发现了同时满足In纳入与In偏析的范围。该角度范围为自c轴向m轴方向的倾斜角为63度以上且小于80度的范围。在该角度范围内时，即使在台阶端生长中，也可有效地结合In，且InGaN膜中的In偏析较小。尤其是在70度以上且小于80度的角度范围内时，台阶密度增大，因此可生长In偏析更小且均质性更高的InGaN膜。进而，考虑到In纳入时，尤其在71度以上、79度以下的角度范围内，台阶端生长与阶面上生长的平衡良好。其中，在72度以上、78度以下的角度时，台阶端生长与阶面上生长的平衡最好。因此，为了获得所需的含量可提高InGaN膜的生长温度，且可生长晶体缺陷少的均匀的InGaN膜。
图31及图32是从以上说明的In纳入、In偏析及压电电场的方面表示各面及角度范围的特征的图。在图31及图32中，双圆圈符号表示特别好的特性，单圆圈符号表示良好的特性，三角符号表示特别一般的特性，交叉符号表示较差的特性。作为特征性的角度，显示有自c轴向m轴方向的倾斜角为63度、70度、71度、72度、78度、79度、80度的角度。向m方向倾斜63度以上且小于80度的角度范围，特别是70度以上且小于80度的角度范围，进而71度以上、79度以下的角度范围，其中特别是72度以上、78度以下的角度范围，在制作长波长区域的光器件、特别是发光二极管器件及激光二极管器件方面，由于其发光效率与发光半高宽较小，因此非常有利。
在上述说明中，例如使用面取向(20-21)、(10-11)的记载方法。本领域技术人员认为，在考虑本实施方式的说明时，在晶体学上等效的面上可获得本实施方式中所述的发明效果。因此，可认为例如“(20-21)”的面取向包含等效的(2-201)、(-2201)、(20-21)、(-2021)、(02-21)、(0-221)。
在优选的实施方式中图示说明了本发明的原理，但本领域技术人员应该认识到，本发明可在不脱离上述原理的范围内对配置及详细内容进行变更。本发明并不限定于本实施方式中所公开的特定的构成。因此，要求保护由专利权利要求及其精神范围而得到的所有修正及变更。
产业实用性
近年来，对于GaN基的发光器件期待长波长的发光，自c面起具有倾斜角的半极性面和以m面及a面为代表的非极性面受到关注。其理由如下：为了获得长波长的发光而增加阱层的In含量，因此阱层与势垒层的晶格常数差变大，发光层中产生较大的应变。此时，在c面等极性面上，由于压电电场的作用，发光器件的量子效率降低。为避免该情况，正在推进非极性面(a面、m面)等各种晶面的研究。但是，现状是尚未发现超出c面上的效率的晶面。由于衬底的主面形成包含自c面以约62度的角度向m轴方向倾斜的(10-11)面与m面的微台阶结构，因此本发明人关注自c面以63度以上且小于80度的角度向m轴方向倾斜的面。尤其关注自c面向m轴方向倾斜75度的倾斜面即(20-21)面、和以该面为中心的自c面向m轴方向的倾斜角为63度以上进而为70度以上且小于80度的区域。该区域中，在衬底的主面上包含(10-11)面的阶面的宽度与包含m面的阶面的宽度较小，因此台阶密度变大，In偏析变小。

Claims (27)

1.一种GaN基半导体激光器，包含：
衬底，其包含第一GaN基半导体，且具有主面，该主面自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜；
GaN基半导体外延区域，其设置在所述主面上；及
半导体外延层，其设置在所述GaN基半导体外延区域上，用于有源层，且
所述半导体外延层包含第二GaN基半导体，所述第二GaN基半导体含有铟，
所述GaN基半导体激光器在与所述主面平行的方向上具有谐振器，
所述谐振器的朝向与所述GaN基半导体激光器的LED模式中发光的偏光的朝向一致，与将所述c轴朝所述主面投影的方向平行，
所述基准轴的朝向为所述第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向。
2.如权利要求1所述的GaN基半导体激光器，其中，所述LED模式中发光的偏光的朝向为与a轴方向平行的方向。
3.如权利要求1或2所述的GaN基半导体激光器，其中：
所述衬底的所述主面的法线朝向具有X轴、Y轴和Z轴的坐标系的所述Z轴的方向，
所述衬底的所述主面沿所述坐标系的所述X轴和所述Y轴的方向延伸，
所述坐标系的所述X轴的方向朝向所述第一GaN基半导体的a轴的方向，
所述谐振器的朝向为与所述坐标系的所述Y轴的方向平行的朝向。
4.如权利要求1至3中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述谐振器具有谐振器面，所述谐振器面与所述谐振器的朝向垂直。
5.如权利要求1至4中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述衬底的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以70度以上的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。
6.如权利要求1至5中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述衬底的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以71度以上、79度以下的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。
7.如权利要求1至6中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述第一GaN基半导体的a轴方向的偏离角在-3度以上、+3度以下的范围内。
8.如权利要求1至7中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，包括设置在所述有源层上的第二导电型GaN基半导体层，
所述GaN基半导体外延区域含有第一导电型GaN基半导体层，
所述有源层含有沿预定的轴方向交替配置的阱层及势垒层，
所述阱层包含所述半导体外延层，且所述势垒层包含GaN基半导体，
所述第一导电型GaN基半导体层、所述有源层及所述第二导电型GaN基半导体层沿预定的轴方向排列，且所述基准轴的方向与所述预定的轴方向不同。
9.如权利要求1至8中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述有源层以生成370nm以上、650nm以下的波长范围的光的方式设置。
10.如权利要求1至9中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述有源层以生成480nm以上、600nm以下的波长范围的光的方式设置。
11.如权利要求1至10中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述衬底的所述主面为自该第一GaN基半导体的(20-21)面及(20-2-1)面中的任一面起，以-3度以上、+3度以下的范围的角度倾斜的半导体面。
12.如权利要求1至11中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述基准轴朝向所述[0001]轴的方向。
13.如权利要求1至12中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述基准轴朝向所述[000-1]轴的方向。
14.如权利要求1至13中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述衬底包含GaN。
15.如权利要求1至14中任一项所述的GaN基半导体激光器，其中，所述衬底的所述主面的表面形态含有多个微台阶，该微台阶的主要的构成面至少包含m面及(10-11)面。
16.一种制作GaN基半导体激光器的方法，包括如下步骤：
对包含第一GaN基半导体的晶片进行热处理的步骤；
在所述晶片的主面上生长GaN基半导体外延区域的步骤；及
在所述GaN基半导体外延区域的主面上，形成用于有源层的半导体外延层的步骤，且
所述晶片具有主面，该主面自与沿着该第一GaN基半导体的c轴延伸的基准轴正交的面起，以63度以上且小于80度的范围的倾斜角向所述第一GaN基半导体的m轴方向倾斜，
所述半导体外延层包含第二GaN基半导体，所述第二GaN基半导体含有铟作为构成元素，
所述GaN基半导体激光器在与所述主面平行的方向上具有谐振器，
所述谐振器的朝向与所述GaN基半导体激光器的LED模式中发光的偏光的朝向一致，是与将所述c轴朝所述主面投影的方向平行的朝向，
所述基准轴朝向所述第一GaN基半导体的[0001]轴及[000-1]轴的任一方向。
17.如权利要求16所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中所述LED模式中发光的偏光的朝向为与a轴方向平行的方向。
18.如权利要求16或17所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中：
所述晶片的所述主面的法线朝向具有X轴、Y轴和Z轴的坐标系的所述Z轴的方向，
所述晶片的所述主面沿所述坐标系的所述X轴和所述Y轴的方向延伸，
所述坐标系的所述X轴的方向朝向所述第一GaN基半导体的a轴的方向，
所述谐振器的朝向为与所述坐标系的所述Y轴的方向平行的朝向。
19.如权利要求16至18中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述谐振器具有谐振器面，所述谐振器面与所述谐振器的朝向垂直。
20.如权利要求16至19中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述晶片的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以70度以上的范围的角度向所述第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。
21.如权利要求16至20中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述晶片的所述主面自与所述基准轴正交的面起，以71度以上、79度以下的角度向该第一GaN基半导体的m轴方向倾斜。
22.如权利要求16至21中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，
所述有源层具有包含沿预定的轴方向交替配置的阱层及势垒层的量子阱结构，
所述半导体外延层为所述阱层，
所述势垒层包含GaN基半导体，
该方法包括如下步骤：
在所述半导体外延层上形成所述势垒层的步骤；及
在所述有源层上生长第二导电型GaN基半导体层的步骤，
所述GaN基半导体外延区域含有第一导电型GaN基半导体层，
所述第一导电型GaN基半导体层、所述有源层及所述第二导电型GaN基半导体层沿预定的轴方向排列，且所述基准轴的方向与所述预定的轴方向不同。
23.如权利要求16至22中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述第一GaN基半导体的a轴方向的偏离角在-3度以上、+3度以下的范围内。
24.如权利要求16至23中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述晶片的所述主面的所述倾斜角分布在自该第一GaN基半导体的(20-21)面及(20-2-1)面中的任一晶面起-3度以上、+3度以下的范围内。
25.如权利要求16至24中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述晶片包含InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤1、0≤T≤1、0≤S+T<1)。
26.如权利要求16至25中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述晶片包含GaN。
27.如权利要求16至26中任一项所述的制作GaN基半导体激光器的方法，其中，所述晶片的所述主面的表面形态含有多个微台阶，该微台阶的主要的构成面至少包含m面及(10-11)面。
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