CN103748749A - Iii族氮化物半导体发光元件及iii族氮化物半导体发光元件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种被降低的正向电压的III族氮化物半导体激光元件。在p型包覆层中，以p型包覆层中的p型掺杂剂的浓度大于n型杂质的浓度的方式含有p型掺杂剂及n型杂质。通过使用比p型包覆层的带隙大的激发光的测定而获得的光致发光(PL)光谱具有能带端发光及施主受主对发光的波峰。该PL光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与该PL光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))与该III族氮化物半导体激光元件(11)的正向驱动电压(Vf)具有相关。在该能量差(E(BAND)-E(DAP))为0.42eV以下时，III族氮化物半导体发光元件的正向电压施加时的驱动电压降低。

Description

III族氮化物半导体发光元件及III族氮化物半导体发光元件的制作方法
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体发光元件及III族氮化物半导体发光元件的制作方法。
背景技术
在非专利文献1中，记载有产生绿色光的氮化镓类半导体激光器。
现有技术文献
非专利文献
专利文献1：Enya Yohei,Yoshizumi Yusuke,Kyono Takashi,AkitaKatsushi,Ueno Masaki,Adachi Masahiro,Sumitomo Takamichi,Tokuyama Shinji,Ikegami Takatoshi,Katayama Koji,Nakamura Takao,「531nm Green Lasing of InGaN Based Laser Diodes on Semi-Polar{20-21}Free-Standing GaN Substrates,」Applied Physics Express,Volume2,Issue8,pp.082101(2009)
发明内容
发明要解决的课题
作为决定激光二极管的性能的一个要因的电特性例如以如下方式进行：对激光二极管自身的电特性进行评估；或者，对用于p型包覆层或p型引导层的单层的半导体膜的电特性进行评估。通过这些特性的评估而管理激光二极管的电特性。
根据发明人等的见解，主要是p型包覆层及p型引导层大大有助于激光二极管的电特性。因此，若能够独立地评估激光二极管结构中p型包覆层的电特性，则能够更准确地管理激光二极管的电特性。即，要求单独评估激光二极管中p型包覆层的电特性。
有关p型包覆层的电特性的更准确的评估可提供表示良好的电特性的激光二极管或发光二极管。
本发明的目的在于提供一种具有被降低的正向电压的III族氮化物半导体发光元件，且其目的也在于提供该III族氮化物半导体发光元件的制作方法。
用于解决课题的技术方案
本发明的III族氮化物半导体发光元件包含：(a)n型包覆层，设置于基板的主面上，且由n型III族氮化物半导体构成；(b)活性层，设置于所述基板的所述主面上，且由III族氮化物半导体构成；(c)p型包覆层，设置于所述基板的所述主面上，且由p型III族氮化物半导体构成。所述活性层设置于所述n型包覆层与所述p型包覆层之间，所述n型包覆层、所述活性层及所述p型包覆层沿着所述基板的所述主面的法线轴而配置，在所述p型包覆层中，添加有提供受主能级的p型掺杂剂，所述p型包覆层中含有提供施主能级的n型杂质，所述p型掺杂剂的浓度大于所述n型杂质的浓度，所述p型包覆层的光致发光光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与该光致发光光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下，这里，所述能带端发光的能量E(BAND)及所述施主受主对发光的能量E(DAP)以电子伏特的单位表示，所述n型包覆层的所述n型III族氮化物半导体的c轴相对于所述法线轴倾斜，所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的c轴相对于所述法线轴倾斜。
在该III族氮化物半导体发光元件中，n型包覆层、活性层及p型包覆层沿着基板的主面的法线轴而配置，n型包覆层的n型III族氮化物半导体的c轴及p型包覆层的p型III族氮化物半导体的c轴均相对于法线轴倾斜，在n型包覆层与p型包覆层之间设置有活性层。在该III族氮化物半导体发光元件中，p型包覆层以p型包覆层中的p型掺杂剂的浓度大于n型杂质的浓度的方式含有p型掺杂剂及n型杂质。因此，通过使用比p型包覆层的带隙大的激发光的测定而获得的光致发光光谱具有能带端发光及施主受主对发光的波峰。根据发明人等的研究可知，该光致发光光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与该光致发光光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))与该III族氮化物半导体发光元件的驱动电压具有相关。在该能量差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下时，与此前的III族氮化物半导体发光元件相比，正向电压施加时的驱动电压降低。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型掺杂剂包含镁，所述镁的浓度为3×1018cm-3以上。
根据该III族氮化物半导体发光元件，在p型包覆层中，负责导电的载流子是空穴。在镁浓度为3×1018(3E+18)cm-3以上时，为了导电而可提供不会使III族氮化物半导体发光元件的电压特性恶化的能级的载流子浓度，从而有利于提供能量差为0.42eV以下的PL光谱。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述n型杂质包含氧，所述氧的浓度为6×1017cm-3以下。
根据该III族氮化物半导体发光元件，在p型包覆层中，负责导电的载流子是空穴，另一方面，氧作为提供电子的施主而起作用。在氧浓度为6×1017cm-3以下时，可抑制p型包覆层的载流子补偿，从而使来自已活性化的受主的载子负责导电。6×1017cm-3以下的氧浓度有利于使能量差(E(BAND)-E(DAP))成为0.42电子伏特以下的值。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型包覆层包含InAlGaN层，所述InAlGaN层为180nm以上。
根据该III族氮化物半导体发光元件，为了以良好的精度评估用于p型包覆层的四元InAlGaN的电压特性，优选使在光致发光光谱中包含的包覆成分(包覆层中的由激发而产生的信号成分)的比例达到90%以上，在p型包覆层的膜厚为0.18μm以上时，p型包覆层可提供相对于来自其他p型半导体层的信号成分充分强的光谱。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述n型包覆层包含InAlGaN层。根据该III族氮化物半导体发光元件，在n型包覆层包含InAlGaN层时，可提供良好的光封闭性能。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的所述c轴与所述法线轴所成的角度处于10度以上且80度以下或100度以上且170度以下的范围。
根据该III族氮化物半导体发光元件，与基于极性c面的性质相比，III族氮化物半导体更表示基于半极性的性质。因此，半极性面上的III族氮化物半导体发光元件的电特性与c面上的III族氮化物半导体发光元件不同。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型包覆层作为III族构成元素而含有铟及铝，所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的所述c轴与所述法线轴所成的角度处于63度以上且80度以下或100度以上且117度以下的范围。
根据该III族氮化物半导体发光元件，在相对于c面的倾斜角为63度以上且80度以下(或者，100度以上且117度以下)的范围时，p型包覆层的III族氮化物半导体中的铟掺入较为良好，III族氮化物半导体发光元件可包含良好的结晶质量的包覆层。此外，在该角度范围中提供0.42电子伏特以下的能量差(E(BAND)-E(DAP))相比上述角度范围以外的p型包覆层更为容易。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述活性层的发光光谱在500nm以上且580nm以下的范围内具有峰值波长。
根据该III族氮化物半导体发光元件，活性层使用半极性面而提供绿色及其周边波长域(500nm以上且580nm以下的范围)具有峰值波长的发光。对该发光元件提供被降低的正向电压。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，进一步包含设置于所述p型包覆层上的p型接触层。所述p型接触层的厚度为0.06微米以下，所述p型接触层由p型III族氮化物半导体构成，所述p型接触层的所述p型III族氮化物半导体的带隙小于所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的带隙，所述p型接触层的p型掺杂剂浓度大于所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度。
根据该III族氮化物半导体发光元件，为了以良好的精度评估用于p型包覆层的III族氮化物半导体的电压特性，优选使光致发光光谱中包含的包覆成分(包覆层中的由激发而产生的信号成分)的比例达到90%以上，在p型接触层的厚度为0.06微米以下时，来自p型接触层的接触成分相对于包覆成分并不占有较大比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型接触层由p型GaN构成，所述p型接触层的p型掺杂剂浓度为1×1019cm-3以上。根据该III族氮化物半导体发光元件，在p型GaN具有1×1019cm-3以上的p型掺杂剂浓度时，来自p型接触层的接触成分相对于包覆成分并不占有较大的比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型接触层包含p型的第一III族氮化物半导体层及p型的第二III族氮化物半导体层，所述第二III族氮化物半导体层设置于所述第一III族氮化物半导体层与所述p型包覆层之间，所述第一III族氮化物半导体层的p型掺杂剂浓度大于所述第二III族氮化物半导体层的p型掺杂剂浓度，所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度小于所述第二III族氮化物半导体层的p型掺杂剂浓度。该III族氮化物半导体发光元件进一步包含与所述第一III族氮化物半导体层形成接触的阳极电极。
根据该III族氮化物半导体发光元件，p型接触层并不限定于单一的层，可包含第一III族氮化物半导体层及第二III族氮化物半导体层，且这些III族氮化物半导体层具有互不相同的p型掺杂剂浓度。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述基板的所述主面由III族氮化物构成，所述基板的所述主面的所述法线轴相对于所述基板的所述III族氮化物的c轴倾斜。根据该III族氮化物半导体发光元件，可提供所谓的沿着半极性面的法线轴排列的半导体叠层。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型包覆层含有碳杂质，所述碳杂质的浓度为4×1016cm-3以下。
根据该III族氮化物半导体发光元件，在碳作为提供电子的施主而起作用时，6×1017cm-3以下的碳浓度可抑制p型包覆层中的载流子补偿，使来自已活性化的受主的载子负责导电。在p型包覆层中，6×1017cm-3以下的碳浓度有利于使能量差(E(BAND)-E(DAP))成为0.42电子伏特以下的值。
本发明的III族氮化物半导体发光元件能够进一步包含与所述p型包覆层相接触而设置的监控半导体层。优选地，所述监控半导体层的材料与所述p型包覆层的材料相同，所述监控半导体层的p型掺杂剂浓度小于所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度，所述监控半导体层的厚度比所述p型包覆层的厚度薄。
根据该III族氮化物半导体发光元件，光致发光光谱不仅利用施主受主对发光，也利用能带端发光。在III族氮化物半导体中，随着受主浓度变大，能带端发光减弱。另一方面，在p型包覆层中，根据其特性而添加所要求的浓度的p型掺杂剂。在光致发光光谱中为了获得信号强度良好的能带端发光，有效的是使用与p型包覆层相接触而设置的监控半导体层。监控半导体层的p型掺杂剂浓度及厚度可与p型包覆层的p型掺杂剂浓度及厚度独立。因此，能够使用监控半导体层，使其p型掺杂剂浓度小于p型包覆层的p型掺杂剂浓度，且使监控半导体层的厚度比p型包覆层的厚度薄。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述监控半导体层的厚度处于5nm以上且40nm以下的范围。
根据该III族氮化物半导体发光元件，在监控半导体层的膜厚薄于5nm时，该监控半导体层无法充分吸收激发光的能量，从而无法从监控半导体层获得充分的强度的能带端发光。另一方面，在监控半导体层的膜厚厚于40nm时，因追加p型掺杂剂浓度低的监控半导体层而引起电阻增加，所以有可能导致发光元件的电压特性降低。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述监控半导体层的p型掺杂剂浓度处于1×1017cm-3以上且小于1×1018cm-3的范围。根据该III族氮化物半导体发光元件，1017cm-3程度的p型掺杂剂浓度对于监控半导体层而言为较佳。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件中，所述p型包覆层含有氢，所述p型包覆层的氢的浓度为4×1018cm-3以下。根据该III族氮化物半导体发光元件，氢与p型掺杂剂结合而妨碍p型掺杂剂的活性化。降低p型包覆层中的氢浓度会使p型包覆层的载流子浓度增加，而不会使p型掺杂剂形成较深能阶。
本发明的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，包括：(a)在基板上生长用于n型包覆层的n型III族氮化物半导体层、用于活性层的III族氮化物半导体层、及用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层，从而制作用于所述III族氮化物半导体发光元件的外延基板的步骤；(b)对所述p型III族氮化物半导体层照射激发光，进行包含所述p型III族氮化物半导体层的能带端发光及所述p型包覆层的施主受主对发光的光致发光光谱的测定的步骤；(c)求出所述光致发光光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与所述光致发光光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))的步骤；(d)使用所述差(E(BAND)-E(DAP))，进行是否对所述外延基板应用后续步骤的判断的步骤；(e)在所述判断为肯定时，对所述外延基板实施用于形成电极的加工的步骤。所述激发光的波长比用于所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体层的带隙波长短。
根据该制作方法，在生长外延基板之后且在进入外延生长步骤后的步骤之前，对p型III族氮化物半导体层照射激发光，从而进行包含能带端发光及施主受主对发光的光致发光光谱的测定。使用该测定中的能带端发光峰值的能量E(BAND)及施主受主对发光峰值的能量E(DAP)，生成差(E(BAND)-E(DAP))，并使用该差(E(BAND)-E(DAP))进行是否对外延基板应用后续处理的判断。差(E(BAND)-E(DAP))表示与III族氮化物半导体发光元件的电压特性的相关。使用这些步骤所制作的III族氮化物半导体发光元件并不表示由p型包覆层的高电阻所引起的电压特性。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件的制作方法中，所述差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下。根据该制作方法，可提供表示较好的电压特性的III族氮化物半导体发光元件。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件的制作方法中，所述光致发光光谱的测定以绝对温度100度以下的温度进行。根据该制作方法，光致发光光谱可包含表现出明确的波峰的能带端发光及施主受主对发光。
在本发明的III族氮化物半导体发光元件的制作方法中，能够进一步包括为了所述p型包覆层的成膜，根据所述差(E(BAND)-E(DAP))而重新确定所述外延基板的后续制作中的成膜条件的步骤。
根据该制作方法，能够根据外延基板的光致发光光谱测定的结果，在制造步骤中进行与成膜条件有关的反馈，而无需等待在制作电极之后获得的III族氮化物半导体发光元件的评估。该制作方法可进行迅速的步骤管理。
在本发明的III族氮化物半导体发光元件的制作方法中，制作所述外延基板的所述步骤能够进一步包括：在所述基板上生长用于p型接触层的另外的p型III族氮化物半导体层的步骤。优选所述另外的p型III族氮化物半导体层设置于用于所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体层与用于所述活性层的所述III族氮化物半导体层之间，所述p型接触层的p型掺杂剂浓度大于所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度，所述p型接触层的带隙小于所述p型包覆层的带隙，所述p型接触层的厚度为0.06微米以下，所述p型接触层的p型掺杂剂浓度为1×1019cm-3以上。
根据该制作方法，为了以良好的精度评估用于p型包覆层的III族氮化物半导体的电压特性，优选使光致发光光谱中包含的包覆成分(包覆层中的由激发而产生的信号成分)的比例达到90%以上，在p型接触层的厚度为0.06微米以下时，来自p型接触层的接触成分相对于包覆成分并不占有较大的比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。此外，在p型接触层具有1×1019cm-3以上的p型掺杂剂浓度时，来自p型接触层的接触成分相对于包覆成分并不占有较大的比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。
优选在本发明的III族氮化物半导体发光元件的制作方法中，所述p型接触层由p型GaN构成。
根据该制作方法，由p型GaN构成的接触层对于包含表现出明确的波峰的能带端发光及施主受主对发光的光致发光光谱的测定而言为较佳。
发明效果
如以上所说明，根据本发明，可提供一种具有被降低的正向电压的III族氮化物半导体发光元件。此外，根据本发明，可提供该III族氮化物半导体发光元件的制作方法。
附图说明
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体发光元件的结构的图。
图2是表示光致发光光谱及相关关系的图。
图3是表示差(E(BAND)-E(DAP))的倾向的图。
图4是表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的制作方法的主要步骤的图。
图5是示意性地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的制作方法的步骤的图。
图6是示意性地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的制作方法的步骤的图。
图7是示意性地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的制作方法的步骤的图。
图8是表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的实施例的图。
图9是表示用于不同的三个结构的激光二极管的外延基板的光致发光光谱的图。
图10是表示包含声子伴线(phonon replica)的光致发光光谱的图。
图11是表示进行了平均化处理的光致发光光谱的图。
具体实施方式
接着，一边参照附图，一边说明III族氮化物半导体发光元件、外延基板以及外延基板与III族氮化物半导体发光元件的制作方法的实施方式。在可能的情况下，对相同的部分标注相同的标号。
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体发光元件的结构的图。作为该III族氮化物半导体发光元件，在本实施方式中，对III族氮化物半导体激光元件11进行说明。此外，III族氮化物半导体激光元件11虽具有增益引导型的结构，但本发明的实施方式并不限定于增益引导型的结构。III族氮化物半导体激光元件11包含：阳极电极15、基板17、半导体区域19及阴极电极41。基板17及半导体区域19构成激光结构体13。基板17含有半极性的主面17a及背面17b。半导体区域19设置于基板17的主面17a上。阳极电极15设置于激光结构体13的半导体区域19上。阴极电极41与n型包覆层21电结合。半导体区域19包含n型包覆层21、p型包覆层23及活性层25，n型包覆层21、活性层25及p型包覆层23设置于基板17的主面17a上。n型包覆层21由n型III族氮化物半导体构成。该n型III族氮化物半导体作为III族构成元素而含有铟及铝，例如由n型InAlGaN等构成。p型包覆层23由p型III族氮化物半导体构成。该p型III族氮化物半导体作为III族构成元素而含有铟及铝，例如由p型InAlGaN等构成。活性层25设置于n型包覆层21与p型包覆层23之间。n型包覆层21、活性层25及p型包覆层23配置于基板17的主面17a的法线轴NX的方向(法线向量NV的方向)上。在p型包覆层23中，添加有提供受主能级22的p型掺杂剂22。受主能级22分散着，大多数位于某能量范围内。此外，p型包覆层23含有提供施主能级24的n型杂质24。施主能级24分散着，大多数位于某能量范围内。p型掺杂剂22的浓度大于n型杂质24的浓度。n型包覆层21的n型III族氮化物半导体的c轴(沿着向量VC的方向延伸的轴)相对于法线轴NX而倾斜，p型包覆层23的p型III族氮化物半导体的c轴相对于法线轴NX而倾斜。
在III族氮化物半导体激光元件11中，p型包覆层23的光致发光光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与该光致发光光谱(记为「PL光谱」)的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下。这里，能带端发光的能量E(BAND)及施主受主对发光的能量E(DAP)以电子伏特的单位表示。
基板17的主面17a由III族氮化物构成，基板17的III族氮化物的c轴相对于基板17的主面17a的法线轴NX倾斜。基板17能够由六方晶类III族氮化物半导体构成。此外，根据III族氮化物半导体激光元件11，可提供所谓的沿着半极性的主面17a的法线轴NX而排列的半导体层的叠层。
在该III族氮化物半导体激光元件11中，n型包覆层21、活性层25及p型包覆层23沿着基板17的主面17a的法线轴而配置，n型包覆层21的n型III族氮化物半导体的c轴及p型包覆层23的p型III族氮化物半导体的c轴均相对于法线轴倾斜，在n型包覆层21与p型包覆层23之间设置有活性层35。在该III族氮化物半导体发光元件11中，p型包覆层23以p型包覆层23的p型掺杂剂的浓度大于n型杂质的浓度的方式，含有p型掺杂剂及n型杂质。因此，如图2的(a)部所示，通过使用比p型包覆层23的带隙大的激发光的测定而获得的光致发光光谱具有能带端发光及施主受主对发光的波峰。根据发明人等的研究可知，如图2的(b)部所示，该PL光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与该PL光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))与该III族氮化物半导体激光元件11的正向驱动电压(Vf)具有相关。在该能量差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下时，与此前的III族氮化物半导体发光元件相比，正向电压施加时的驱动电压降低。图2的(b)部的正向驱动电压(Vf)表示在激光二极管中流过100毫安的电流时激光二极管的端子间的驱动电压。
能带端发光与p型包覆层23的p型III族氮化物半导体的带隙相关联。此外，施主受主对发光经由光子(photon)与声子(phonon)进行相互作用的复杂的过程而生成，所以PL光谱自身形成复杂的形状。因此，为了从PL光谱获得施主受主对发光峰值，优选进行光谱形状的数据处理(例如，平滑化处理)，由于施主受主对发光的光谱的下缘与能带端发光的光谱重叠，所以为了确定准确的波峰位置，优选进行光谱形状的数据处理(例如，平均化处理)。
再次参照图1，活性层25包含氮化镓类半导体层，该氮化镓类半导体层例如为阱层25a。活性层25包含由氮化镓类半导体构成的若干障壁层25b。阱层25a设置于障壁层25b之间，且其交替地排列。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可包含以产生波长360nm以上且600nm以下的光的方式设置的量子阱结构。此外，通过半极性面的利用，发光光谱的范围优选为波长500nm以上且580nm以下。n型包覆层21、p型包覆层23及活性层25沿着主面17a的法线轴NX而排列。在III族氮化物半导体激光元件11中，激光结构体13含有通过六方晶类III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX而规定的与m-n面交叉的第一端面27及第二端面29。
在图1中，描绘有正交坐标系S及结晶坐标系CR。法线轴NX朝向正交坐标系S的Z轴的方向。主面17a与通过正交坐标系S的X轴及Y轴而规定的预定的平面平行地延伸。此外，在图1中，描绘有代表性的c面Sc。基板17的六方晶类III族氮化物半导体的c轴朝六方晶类III族氮化物半导体的m轴的方向相对于法线轴NX以大于零的角度ALPHA倾斜。
III族氮化物半导体激光元件11进一步包含绝缘膜31。绝缘膜31覆盖激光结构体13的半导体区域19的表面19a，半导体区域19位于绝缘膜31与基板17之间。基板17由六方晶类III族氮化物半导体构成。绝缘膜31含有开口31a，开口31a沿着半导体区域19的表面19a与上述m-n面的交叉线LIX的方向延伸，形成例如条纹形状。阳极电极15经由开口31a而与半导体区域19的表面19a(例如p型接触层33)形成接触，且沿着上述交叉线LIX的方向延伸。在III族氮化物半导体激光元件11中，激光波导路包含n型包覆层21、p型包覆层23及活性层25，而且沿着上述交叉线LIX的方向延伸。
基板17具有可自立的厚度。基板17能够由GaN、AlN、AlGaN、InGaN及InAlGaN中的任一个构成。在使用由这些氮化镓类半导体构成的基板时，可获得能够用作谐振器的端面27、29。此外，在III族氮化物半导体激光元件11中，第一割断面27及第二割断面29与通过六方晶类III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX规定的m-n面交叉。III族氮化物半导体激光元件11的激光谐振器包含第一及第二割断面27、29，激光波导路从第一割断面27及第二割断面29的一方延伸至另一方。激光结构体13包含第一面13a及第二面13b，第一面13a为第二面13b的相反侧的面。第一及第二割断面27、29从第一面13a的边缘13c延伸至第二面13b的边缘13d。第一及第二割断面27、29与c面、m面或a面等此前的解理面不同。
根据该III族氮化物半导体激光元件11，构成激光谐振器的第一及第二割断面27、29与m-n面交叉。因此，可设置沿着m-n面与半极性面17a的交叉线的方向延伸的激光波导路。因此，III族氮化物半导体激光元件11具有可形成低阈值电流的激光谐振器。
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包含第一部分35a及第二部分35b，n侧光导层35例如由GaN、InGaN等构成。p侧光导层37包含第一部分37a及第二部分37b，p侧光导层37例如由GaN、InGaN等构成。载流子阻挡层39设置于例如第一部分37a与第二部分37b之间。在基板17的背面17b上设置有另外的电极41，电极41覆盖例如基板17的背面17b。
在III族氮化物半导体激光元件11中，法线轴NX与六方晶类III族氮化物半导体的c轴所成的角度ALPHA优选为10度以上，且优选为80度以下。此外，角度ALPHA优选为100度以上，且优选为170度以下。在小于10度的角度时，In掺入变得不均匀、包覆层的结晶性恶化，其结果是，包覆的PL强度减少，包覆的PL强度相对于接触的PL强度成为90%以下。进而，在能带端发光也变弱、能带端发光波长的确认变得困难，其结果是难以生成作为电压特性的指标的E(BAND)-E(DAP)。在超过80度且小于100度的角度时，In掺入变得不均匀、包覆层的结晶性恶化，其结果是，包覆的PL强度减少，包覆的PL强度相对于接触的PL强度成为90%以下。进而，在能带端发光也变弱、能带端发光波长的确认变得困难，其结果是，难以生成作为电压特性的指标的E(BAND)-E(DAP)。在超过170度的角度时，In掺入变得不均匀、包覆层的结晶性恶化，其结果是，包覆的PL强度减少，包覆的PL强度相对于接触的PL强度成为90%以下。进而，在能带端发光也变弱、能带端发光波长的确认变得困难，其结果是，难以生成作为电压特性的指标的E(BAND)-E(DAP)。
进而，在III族氮化物半导体激光元件11中，法线轴NX与六方晶类III族氮化物半导体的c轴所成的角度ALPHA优选为63度以上，且优选为80度以下。此外，角度ALPHA优选为100度以上，且优选为117度以下。在小于63度的角度时，In掺入变得不均匀、包覆层的结晶性恶化，其结果是，包覆的PL强度减少，包覆的PL强度相对于接触的PL强度成为90%以下。进而，在能带端发光也变弱、能带端发光波长的确认变得困难，其结果是，难以生成作为电压特性的指标的E(BAND)-E(DAP)。在超过80度且小于100度的角度时，In掺入变得不均匀、包覆层的结晶性恶化，其结果是，包覆的PL强度减少，包覆的PL强度相对于接触的PL强度成为90%以下。进而，在能带端发光也变弱、能带端发光波长的确认变得困难，其结果是，难以生成作为电压特性的指标的E(BAND)-E(DAP)。在超过117度的角度时，In掺入变得不均匀、包覆层的结晶性恶化，其结果是，包覆的PL强度减少，包覆的PL强度相对于接触的PL强度成为90%以下。进而，在能带端发光也变弱、能带端发光波长的确认变得困难，其结果是，难以生成作为电压特性的指标的E(BAND)-E(DAP)。因此，角度ALPHA优选处于63度以上且80度以下或100度以上且117度以下的范围。
用于激光谐振器的第一及第二端面27、29与c面、m面或a面等此前的解理面不同。但是，第一及第二端面27、29具有用于谐振器的、作为平面镜的平坦性、垂直性。因此，为了与解理面加以区别，将第一及第二端面27、29也称为割断面。使用第一及第二端面27、29及以在这些端面27、29之间延伸的方式设置朝向的激光波导路，可实现低阈值的激光振荡。III族氮化物半导体激光元件11可进一步包含分别设置于第一及第二端面27、29上的介电多层膜43a、43b。对于端面27、29，也能够使用端面涂层，通过端面涂层而调整反射率。
在PL光谱的测定中，在p型包覆层23的膜厚D23为0.18μm以上时，p型包覆层23可提供相对于来自其他p型半导体层的信号成分充分强的光谱。优选地，p型包覆层23包含InAlGaN层，且该InAlGaN层为180nm以上。为了以良好的精度评估用于p型包覆层23的四元InAlGaN的电压特性，优选将在光致发光光谱中包含的包覆成分(包覆层中的由激发而产生的信号成分)的比例设为90%以上。该比例通过(PL光谱的接触成分的DAP发光积分强度)/(全体DAP发光积分强度)＜0.1而规定。
此外，优选地，n型包覆层21包含InAlGaN层。在n型包覆层21包含InAlGaN层时，可提供良好的光封闭性能。
图3是关于若干III族氮化物半导体激光元件，表示III族氮化物半导体激光元件各自的光致发光光谱的能量差(E(BAND)-E(DAP))的图。参照图3，表示有III族氮化物半导体激光元件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7的能量差(E(BAND)-E(DAP))。发明人等使用二次离子质量分析法检查p型包覆层中所含的若干元素(Mg、Si、C)的浓度。
·III族氮化物半导体激光元件S1：
镁浓度：1×1018cm-3
氧浓度：6×1017cm-3
碳浓度：7×1016cm-3。
·III族氮化物半导体激光元件S2：
镁浓度：2×1018cm-3
氧浓度：7×1017cm-3
碳浓度：6×1016cm-3。
·III族氮化物半导体激光元件S3：
镁浓度：1×1018cm-3
氧浓度：9×1017cm-3
碳浓度：8×1016cm-3。
·III族氮化物半导体激光元件S4：
镁浓度：6×1018cm-3
氧浓度：6×1017cm-3
碳浓度：4×1016cm-3。
·III族氮化物半导体激光元件S5：
镁浓度：1×1019cm-3
氧浓度：1×1017cm-3
碳浓度：1×1016cm-3。
·III族氮化物半导体激光元件S6：
镁浓度：8×1018cm-3
氧浓度：2×1017cm-3
碳浓度：3×1016cm-3。
·III族氮化物半导体激光元件S7：
镁浓度：1×1019cm-3
氧浓度：8×1016cm-3
碳浓度：3×1016cm-3。
作为这些元素浓度的实验结果，对于上述元素浓度与能量差(E(BAND)-E(DAP))的关系进行说明。III族氮化物半导体激光元件S4～S7是在由发明人等进行的用于改善、改良的实验中所获得的元件，III族氮化物半导体激光元件S1～S3是在这些实验之前所获得的元件。在用于改善、改良的实验中，目的在于进行例如能够实现Mg浓度的上升、氧浓度的降低、端子浓度的降低的成膜。在也包含此处未表示的其他实验中的见解时，将这些两个组以能量差(E(BAND)-E(DAP))0.42电子伏特(eV)为界而区分。
根据发明人等的研究，也根据这些元素浓度的观点，III族氮化物半导体激光元件S1～S7分成一组(III族氮化物半导体激光元件S1～S3)与另一组(III族氮化物半导体激光元件S4～S7)。
·III族氮化物半导体激光元件S1～S3中的元素浓度的范围：
Mg浓度：小于3×1018cm-3
O浓度：大于6×1017cm-3
C浓度：大于4×1016cm-3。
·III族氮化物半导体激光元件S4～S7中的元素浓度的范围：
Mg浓度：3×1018cm-3以上且1×1020cm-3以下
O浓度：6×1017cm-3以下且6×1016cm-3以上
C浓度：4×1016cm-3以下且4×1015cm-3以上。
根据基于这些实验及进一步的实验所得的见解的研究，p型包覆层23中的氢浓度优选为4×1018cm-3以下。该上限是基于防止由Mg-H复合体的生成而引起Mg不活性化所导致的电压特性恶化而定。
根据上述研究，在能量差(E(BAND)-E(DAP))的上限为0.42eV以下时，能够将被降低的正向电压提供给III族氮化物半导体激光元件。此外，能量差(E(BAND)-E(DAP))优选为例如0.3eV以上。关于该下限，就经验而言，若增加Mg浓度则DAP发光波峰位置会朝长波长侧(低能量侧)偏移。为了使E(BAND)-E(DAP)为0.3eV以下，即便单纯降低Mg浓度(使DAP发光波长朝短波长侧偏移)，也会同时导致由Mg浓度降低而引起的电压特性的恶化，其结果无法成为0.3eV以下。0.3eV的值是基于阈值而定。
p型包覆层23的p型掺杂剂包含镁，在p型包覆层23中，负责导电的载流子是空穴。在镁浓度为3×1018cm-3以上时，为了导电而可提供不会使III族氮化物半导体激光元件11的电压特性恶化的能级的载流子浓度。
p型包覆层23的n型杂质包含氧，在p型包覆层23中，负责导电的载流子是空穴，另一方面，氧作为提供电子的施主而起作用。在氧浓度为6×1017cm-3以下时，可抑制p型包覆层23的载流子补偿，使来自被活性化的受主的载流子负责导电。6×1017cm-3以下的氧浓度有利于使能量差(E(BAND)-E(DAP))成为0.42电子伏特以下的值。
p型包覆层23含有碳杂质，在碳作为提供电子的施主起作用时，6×1017cm-3以下的碳浓度可抑制p型包覆层的载流子补偿，使来自被活性化的受主的载流子负责导电。在p型包覆层23中，6×1017cm-3以下的碳浓度有利于使能量差(E(BAND)-E(DAP))成为0.42电子伏特以下的值。
p型包覆层23含有氢，氢与p型掺杂剂的Mg结合，妨碍p型掺杂剂的活性化。p型包覆层23的氢浓度优选为4×1018cm-3以下。降低p型包覆层23中的氢浓度会使p型包覆层23的载流子浓度增加，而不会使p型掺杂剂形成较深能阶。
参照图1，III族氮化物半导体激光元件11可进一步包含设置于p型包覆层23的上方的p型接触层33。p型接触层33的p型III族氮化物半导体的带隙小于p型包覆层23的p型III族氮化物半导体的带隙。p型接触层33的p型掺杂剂浓度优选大于p型包覆层23的p型掺杂剂浓度。
p型接触层33的厚度D33优选为例如0.06微米以下。为了以良好的精度评估用于p型包覆层23的III族氮化物半导体的电压特性，优选将在光致发光光谱中包含的包覆成分(包覆层中的由激发而产生的信号成分)的比例成为90%以上，在p型接触层33的厚度为0.06微米以下时，来自p型接触层33的接触成分相对于包覆成分并不占有较大的比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。
p型接触层33由p型III族氮化物半导体构成。p型接触层33能够由例如p型GaN构成，且p型接触层33的p型掺杂剂浓度优选为1×1019cm-3以上。在p型GaN具有1×1019cm-3以上的p型掺杂剂浓度时，来自p型接触层33的接触成分相对于包覆成分并不占有较大的比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。
如图1所示，p型接触层33并不限定于单一的层，可包含多个III族氮化物半导体层，这些III族氮化物半导体层具有互不相同的p型掺杂剂浓度。p型接触层33包含例如p型的第一III族氮化物半导体层34a及p型的第二III族氮化物半导体层34b。第二III族氮化物半导体层34b设置于第一III族氮化物半导体层34a与p型包覆层23之间。第一III族氮化物半导体层34a的p型掺杂剂浓度优选大于第二III族氮化物半导体层34b的p型掺杂剂浓度。p型包覆层23的p型掺杂剂浓度优选小于第二III族氮化物半导体层34b的p型掺杂剂浓度。阳极电极15与第一III族氮化物半导体层34a形成接触。
如图1所示，III族氮化物半导体激光元件11可进一步包含与p型包覆层23相接触而设置的半导体层45。该半导体层45的材料与p型包覆层23的材料相同，以使半导体层45的带隙与p型包覆层23的带隙相同。半导体层45的p型掺杂剂浓度小于p型包覆层23的p型掺杂剂浓度。半导体层45的厚度D45优选薄于p型包覆层23的厚度D23。因此，半导体层45可作为用于获得清晰的能带端发光的监控半导体层而利用。
如已说明所述，光致发光光谱不仅利用施主受主对发光，也利用能带端发光。根据发明人等的见解，在III族氮化物半导体中，随着受主浓度变大，能带端发光减弱。另一方面，在p型包覆层23中，根据其特性而添加有所要求的浓度的p型掺杂剂。在光致发光光谱中为了获得良好的信号强度的能带端发光，有效的是使用与p型包覆层23相接触而设置的半导体层45。半导体层45的p型掺杂剂浓度及厚度可与p型包覆层23的p型掺杂剂浓度及厚度独立。因此，使用半导体层45可使其p型掺杂剂浓度小于p型包覆层23的p型掺杂剂浓度，而且可使半导体层45的厚度D45薄于p型包覆层23的厚度D23。
半导体层45的厚度D45优选为40nm以下。由于在半导体层45的膜厚D45厚于40nm时，因追加p型掺杂剂浓度低的半导体层45而导致电阻增加，所以有可能使发光元件的电压特性降低。另一方面，半导体层45的厚度D45优选为5nm以上。由于在该半导体层45的膜厚薄于5nm时，该半导体层45无法充分吸收激发光的能量，所以无法从半导体层45获得充分强度的能带端发光。因此，半导体层45的相应的厚度处于5nm以上且40nm以下的范围。
半导体层45的p型掺杂剂浓度优选为处于1×1017cm-3以上且小于1×1018cm-3的范围。1017cm-3程度的p型掺杂剂浓度由于获得良好的能带端发光，所以对于半导体层45而言较好。
图4是表示本实施方式的III族氮化物半导体激光元件的制作方法的主要步骤的图。在步骤S101中，准备用于制作III族氮化物半导体激光元件的基板(基板在图5的(a)部中作为标号「51」而参照)。基板51的六方晶类III族氮化物半导体的c轴(图1的向量VC)朝六方晶类III族氮化物半导体的m轴方向相对于法线轴NX以有限的角度(图1所示的角度ALPHA)倾斜。因此，基板51具有由六方晶类III族氮化物半导体构成的半极性的主面51a。在图5的(a)部中，外延基板作为大致圆板形的构件而描绘，但基板产物SP的形状并不限定于此。
在步骤S102中，形成用于III族氮化物半导体激光元件的外延基板。在步骤S103中，如图5的(a)部所示，在基板51的主面51a上通过生长炉10a而生长用于n型包覆层的n型III族氮化物半导体层53及用于发光层的III族氮化物半导体层55。在必要的情况下，在n型III族氮化物半导体层53及III族氮化物半导体层55的生长之前，可在基板51的主面51a上通过生长炉10a而生长缓冲层52。接着，如图5的(b)部所示，在步骤S104中，在基板51的主面51a上通过生长炉10a而生长用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层57。在必要的情况下，在步骤S105中，在p型III族氮化物半导体层57的生长之后及/或p型III族氮化物半导体层57的生长之前，如图6的(a)部所示，以与p型III族氮化物半导体层57相接触的方式，通过生长炉10a而生长p型III族氮化物半导体层59。在步骤S106中，如图6的(b)部所示，在p型III族氮化物半导体层57的生长之后，在基板51的主面51a上通过生长炉10a而生长用于p型接触层的p型III族氮化物半导体层61。
用于III族氮化物半导体发光元件的外延基板E包含：设置于基板51的主面51a上且用于n型包覆层的n型III族氮化物半导体层53；设置于基板51的主面51a上且用于活性层的III族氮化物半导体层55；及设置于基板51的主面51a上且用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层57。n型III族氮化物半导体层53、III族氮化物半导体层55及p型III族氮化物半导体层57设置于基板51的主面51a上。p型III族氮化物半导体层57包含提供受主能级的p型掺杂剂与提供施主能级的n型杂质。以用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层57的PL光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与该PL光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下的方式，设置p型III族氮化物半导体层57。
通过这些步骤而制作外延基板E。图7的(a)部表示外延基板E的一例。
·基板51：具有｛20-21｝面的GaN晶片。
·缓冲层52：厚度1.1μm，掺杂Si的GaN。
·n型III族氮化物半导体层53：厚度1.2μm，掺杂Si的InAlGaN，InAlGaN的In组成0.03及Al组成0.14。
·III族氮化物半导体层55的构成层：
n侧光导层：厚度0.250μm，掺杂Si的GaN层；厚度0.115μm，掺杂Si的InGaN层(In组成0.03)；
活性层(量子阱结构)；
阱层：厚度3nm，非掺杂InGaN(In组成0.03)；
障壁层：厚度15nm，非掺杂GaN；
p侧光导层：厚度0.075μm，掺杂Mg的InGaN层(In组成0.03)；厚度0.050μnm，掺杂Mg的InGaN层(In组成0.03)；厚度0.200μm，掺杂Mg的GaN层；
电子阻挡层：厚度0.020μm，掺杂Mg的GaN层。
·p型III族氮化物半导体层57：厚度0.4μm，掺杂Mg的InAlGaN
InAlGaN的In组成0.03及Al组成0.14。
·p型III族氮化物半导体层59：厚度0.050μm，掺杂Mg的InAlGaN，InAlGaN的In组成0.03及Al组成0.14。
·p型III族氮化物半导体层61：厚度0.050μm，掺杂Mg的p+GaN。
在步骤S107中，如图7的(a)部所示，对外延基板E照射激发光L(Ex)，进行包含p型III族氮化物半导体层(p型包覆层)57的能带端发光及p型包覆层的施主受主对发光的PL光谱L(PL)的测定。测定装置10b包含：激发光源9a、检测器9b、温度控制器9c及框体9d。如图7的(b)部所示，来自激发光源9a的激发光L(Ex)从外延基板E的上表面入射，该光通过p型III族氮化物半导体层(p型包覆层)57而吸收。该激发包含能带间的激发及施主/受主能级间的激发的双方。激发光L(Ex)的波长短于用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层57的带隙波长(带隙Eg)，可使用例如波长244nm(E=5.0eV)的Ar-SHG(二次谐波产生)激光。温度控制器9c可使PL测定在绝对温度为100K以下、优选是在10K以下、更优选是在He温度进行。通过低温下的PL测定，可从p型包覆层获得明确的信号。在以绝对温度100度以下的温度进行PL光谱的测定时，可包含表现出明确的波峰的能带端发光及施主受主对发光。
在步骤S108中，求出PL光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))。这里，E(BAND)及E(DAP)的单位为例如电子伏特。
在步骤S109中，使用上述差(E(BAND)-E(DAP))，进行是否对外延基板E应用后续步骤的判断。判断可通过例如将差(E(BAND)-E(DAP))与基准值进行比较而进行。
根据该制作方法，在生长外延基板E之后且在进入外延生长步骤后的步骤之前，对p型III族氮化物半导体层57照射激发光L(Ex)，进行包含能带端发光及施主受主对发光的PL光谱的测定。使用该PL测定的能带端发光峰值的能量E(BAND)及施主受主对发光峰值的能量E(DAP)，生成差(E(BAND)-E(DAP))，并使用该差(E(BAND)-E(DAP))进行是否对外延基板应用后续处理的判断。如已说明所述，差(E(BAND)-E(DAP))表现出与III族氮化物半导体激光元件的电压特性(例如Vf)的相关。在使用这些步骤所制作的III族氮化物半导体激光元件中，由p型包覆层的高电阻而引起的电压特性得以改善。
作为步骤S109中的基准值，在InAlGaN等p型包覆层中，可使用0.42电子伏特。在差(E(BAND)-E(DAP))为此前无法达成的0.42电子伏特以下时，通过包含p型InAlGaN包覆层的III族氮化物半导体激光元件可提供良好的电压特性。
在步骤S110中，在步骤S109的判断为肯定时，对外延基板E实施用于形成用于III族氮化物半导体激光元件的电极的加工。
在必要的情况下，在步骤S111中，也可以为了改良p型包覆层的成膜，根据差(E(BAND)-E(DAP))而重新确定外延基板E的后续制作中的成膜条件。根据该制作方法，可根据外延基板E的PL光谱测定的结果而在制造步骤中进行与细密的成膜条件相关的反馈，而无需等待在制作电极之后获得的III族氮化物半导体发光元件的评估。
在步骤S112中，在步骤S109的判断为否定时，决定不对外延基板E实施用于形成用于III族氮化物半导体激光元件的电极的加工。此时，在步骤S112中，为了p型包覆层的成膜，根据差(E(BAND)-E(DAP))而重新确定外延基板E的后续制作中的成膜条件。根据该制作方法，可根据外延基板E的光致发光光谱测定的结果而在制造步骤中进行与成膜条件相关的快速的反馈，而无需等待在制作电极之后获得的III族氮化物半导体发光元件的评估。该制作方法可进行迅速的步骤管理。
如已说明所述，在制作外延基板的步骤S102中，在基板51上生长用于p型接触层的p型III族氮化物半导体层61。用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层57设置于p型III族氮化物半导体层61与用于发光层的III族氮化物半导体层55之间。p型III族氮化物半导体层61的p型掺杂剂浓度大于p型III族氮化物半导体层57的p型掺杂剂浓度，p型III族氮化物半导体层61的带隙小于p型III族氮化物半导体层57的带隙。p型III族氮化物半导体层61的厚度优选为0.06微米以下，p型III族氮化物半导体层61的p型掺杂剂浓度优选为1×1019cm-3以上。
为了以良好的精度来评估用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层57的电压特性，优选为在光致发光光谱中包含的包覆成分(包覆层中的由激发而产生的信号成分)的比例成为90%以上，在用于p型接触层的p型III族氮化物半导体层61的厚度为0.06微米以下时，来自p型III族氮化物半导体层61的PL成分(接触成分)相对于来自p型III族氮化物半导体层57的PL成分(包覆成分)并不占有较大的比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。此外，在p型III族氮化物半导体层61具有1×1019cm-3以上的p型掺杂剂浓度时，来自p型III族氮化物半导体层61的接触成分相对于包覆成分并不占有较大的比例，对于使光致发光光谱中包含的接触成分的比例降低至10%程度以下而言较为有效。优选为用于p型接触层的p型III族氮化物半导体层61由p型GaN构成。由p型GaN构成的接触层对于包含表现出明确的波峰的能带端发光及施主受主对发光的光致发光光谱的测定而言较佳。
(实施例1)
在实施例1中，在具有倾斜角度为75度的半极性｛20-21｝面的GaN基板上，通过有机金属气相生长法而生长如图8的(a)部所示的用于激光二极管的半导体叠层。作为原料，使用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)及双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)。n型InAlGaN包覆层在摄氏870度下生长。光导层在摄氏840度下生长。InGaN发光层在摄氏715度下生长。p型InAlGaN包覆层在摄氏870度下生长。p型GaN接触层在摄氏870度下生长。p型GaN接触层的厚度为0.05μm，p型GaN接触层的Mg浓度为3×1020cm-3。
在实施例1中的III族氮化物半导体激光二极管的p型包覆InAlGaN层的元素浓度的范围：
Mg浓度：1×1019cm-3
O浓度：1×1017cm-3
C浓度：1×1016cm-3
H浓度：2×1018cm-3
能量差(E(BAND)-E(DAP))：0.39电子伏特(eV)
正向驱动电压：6.0V。
(实施例2)
在实施例1中，在具有75度的倾斜角度的半极性｛20-21｝面的GaN基板上，通过有机金属气相生长法而生长如图8的(b)部所示的用于激光二极管的半导体叠层。n型InAlGaN包覆层在摄氏870度下生长。光导层在摄氏840度下生长。InGaN发光层在摄氏725度下生长。p型InAlGaN包覆层在摄氏870度下生长。p型GaN接触层在摄氏870度下生长。p型GaN接触层具有双层结构。第一GaN层的厚度为0.010μm，其Mg浓度为3×1020cm-3。第二GaN层的厚度为0.04μm，其Mg浓度为3×1019cm-3。
在实施例2中的III族氮化物半导体激光二极管的p型包覆InAlGaN层的元素浓度的范围：
Mg浓度：1×1019cm-3
O浓度：8×1016cm-3
C浓度：3×1016cm-3
H浓度：1×1018cm-3
能量差(E(BAND)-E(DAP))：0.39电子伏特(eV)
正向驱动电压：5.9V。
(实施例3)
图9表示使用Ar-SHG激光而获得的PL光谱。在图9中，短波长区域的尖锐的波峰表示能带端发光，长波长区域的大的波峰表示施主受主对(DAP)发光。在图9中，表示有三个光谱SPL1、SPL2、SPL3。两个光谱SPL1、SPL2具有相同的p型包覆层的结构，但其由具有不同的接触层的结构(单层的接触层、双层的接触层)的元件而获得。剩余的一个光谱SPL3为双层的接触层，具有双层的p型包覆层的结构。图9的PL光谱较大地依赖于p型包覆层的结构，但并不较大地依赖于p型接触层的结构。这表示Ar-SHG激光的激发能量也被p型接触层吸收，但图9的PL光谱主要良好地表现出p型包覆层(本实施例中为InAlGaN层)的状态。
参照图10的(a)部，表示包含能带端发光及DAP发光的PL光谱。该PL光谱具有细密的结构，该状态下，即、自然的测定光谱不适合波峰的确定。认为自然的测定光谱的细密的结构是由声子伴线而引起。
如图10的(b)部所示，所谓声子伴线是由以声子为媒介的间接迁移T(PHONON，声子)而引起的发光，由此引起的波峰与价带Ev及导带Ec之间的能带端连动地变化，且声子能阶是离散的，所以具有离散地排列的峰值。因此，在根据自然的测定光谱中的最大强度的位置来估算DAP发光峰值波长时，根据发明人等的见解，该估算强烈受到声子伴线的影响而不容易准确地确认DAP发光峰值波长的位置。因此，优选为进行去除声子伴线的影响的分析，因此，可进行平均化处理。
对平均化处理的一例进行说明。在图10的(a)部中，表示有光谱部分SP1、SP2、SP3、SP4、SP5。在光谱部分SP1、SP2、SP3表现出声子伴线的影响，光谱部分SP4、SP5未表现出声子伴线的影响。引出相对于未表现出声子伴线的影响的光谱部分SP4、SP5的接线L1(TANG)、L2(TANG)(图11的(a)部的两条虚线)，将这些接线的交点作为波峰位置。图11的(a)部表示自然的PL光谱PL0与加工了软件处理所进行的平均化处理的PL光谱PL(AVR)。由平均化处理产生的PL光谱PL(AVR)的波峰位置的波长与自然的光谱PL0的接线的交点位置的波长大致相同，这表示在任一方法中都能够消除由声子伴线导致的细密结构的影响。
在通过平均化处理而降低声子伴线的波峰的影响来确认DAP发光峰值波长时，如已说明所述，能量差(E(BAND)-E(DAP))与驱动电压(Vf)明确表现出强的相关关系。该相关表示驱动电压(Vf)与p型包覆层的电压特性紧密相联。这表示，相对于带隙的相对的施主能阶及/或相对于带隙的相对的受主能阶的深度与驱动电压特性有关。
图11的(b)部是示意性表示改善、改良前的p型包覆层的结构的图，图11的(c)部是示意性表示本实施方式中的p型包覆层的结构的图。在图11的(b)部及(c)部中，表现出导带Ec、价带Ev、代表分布在半导体内某程度的能量范围的大量的受主能阶的平均受主能阶EA(AVR)、及代表分布在半导体内某程度的能量范围内的大量的施主能阶的平均施主能阶ED(AVR)。如图11的(b)部所示，在平均受主能阶较深(即，与能量差(E(BAND)-E(DAP))对应的波长差变大)时，电子难以从价带Ev激发至平均的受主能阶EA(AVR)，能够有助于导电的载流子数(空穴数)减少。其结果，认为p型包覆层的电压特性变差。如图11的(c)部所示，在平均受主能阶为适合的值(即，与能量差(E(BAND)-E(DAP))对应的波长差变小)时，电子激发至价带Ev或平均的受主能阶EA(AVR)，能够有助于导电的载流子数(空穴数)增加。其结果，认为p型包覆层的电压特性变得良好。
如以上说明所述，通过能量差(E(BAND)-E(DAP))的改善，可抽取与驱动电压(Vf)有关的信息。在III族氮化物半导体激光元件包含以获得预定的能量差(E(BAND)-E(DAP))的方式控制施主及受主的p型包覆层时，具有所改善的驱动电压(Vf)的特性。此外，作为工序(process)前的阶段中的p型包覆层的驱动电压(Vf)的电气特性的管理指标也有效。
本发明并不限定于在本实施方式中公开的特定的结构。
产业上的可利用性
根据本实施方式，提供一种具有被降低的正向电压的III族氮化物半导体激光元件。此外，提供一种该III族氮化物半导体激光元件的制作方法。进而，其目的在于提供一种用于具有被降低的正向电压的III族氮化物半导体发光元件的外延基板。
标号说明
11……III族氮化物半导体激光元件、13……激光结构体、15……阳极电极、17……基板、17a……主面、17b……背面、19……半导体区域、19a……半导体区域表面、21……n型包覆层、23……p型包覆层、25……活性层、25a……阱层、25b……障壁层、27、29……端面、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……电子阻挡层、41……阴极电极、43a、43b……介电多层膜

Claims (26)

1.一种III族氮化物半导体发光元件，包含：
n型包覆层，设置于基板的主面上，由n型III族氮化物半导体构成；
活性层，设置于所述基板的所述主面上，由III族氮化物半导体构成；以及
p型包覆层，设置于所述基板的所述主面上，由p型III族氮化物半导体构成，
所述活性层设置于所述n型包覆层与所述p型包覆层之间，
所述n型包覆层、所述活性层及所述p型包覆层沿着所述基板的所述主面的法线轴而配置，
在所述p型包覆层中添加有提供受主能级的p型掺杂剂，
所述p型包覆层中含有提供施主能级的n型杂质，
所述p型掺杂剂的浓度大于所述n型杂质的浓度，
所述p型包覆层的光致发光光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与该光致发光光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下，这里，所述能带端发光的能量E(BAND)及所述施主受主对发光的能量E(DAP)以电子伏特的单位表示，
所述n型包覆层的所述n型III族氮化物半导体的c轴相对于所述法线轴倾斜，
所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的c轴相对于所述法线轴倾斜。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型掺杂剂包含镁，
所述镁的浓度为3×1018cm-3以上。
3.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述n型杂质包含氧，
所述氧的浓度为6×1017cm-3以下。
4.如权利要求1至3中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型包覆层包含InAlGaN层，
所述InAlGaN层为180nm以上。
5.如权利要求1至4中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述n型包覆层包含InAlGaN层。
6.如权利要求1至5中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的所述c轴与所述法线轴所成的角度处于10度以上80度以下或100度以上170度以下的范围。
7.如权利要求1至6中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的所述c轴与所述法线轴所成的角度处于63度以上80度以下或100度以上117度以下的范围。
8.如权利要求1至7中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述活性层的发光光谱在500nm以上580nm以下的范围内具有峰值波长。
9.如权利要求1至8中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
进一步包含设置于所述p型包覆层上的p型接触层，
所述p型接触层的厚度为0.06微米以下，
所述p型接触层由p型III族氮化物半导体构成，
所述p型接触层的所述p型III族氮化物半导体的带隙小于所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体的带隙，
所述p型接触层的p型掺杂剂浓度大于所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度。
10.如权利要求9所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型接触层由p型GaN构成，
所述p型接触层的p型掺杂剂浓度为1×1019cm-3以上。
11.如权利要求9或10所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型接触层包含p型的第一III族氮化物半导体层及p型的第二III族氮化物半导体层，
所述第二III族氮化物半导体层设置于所述第一III族氮化物半导体层与所述p型包覆层之间，
所述第一III族氮化物半导体层的p型掺杂剂浓度大于所述第二III族氮化物半导体层的p型掺杂剂浓度，
所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度小于所述第二III族氮化物半导体层的p型掺杂剂浓度，
该III族氮化物半导体发光元件进一步包含与所述第一III族氮化物半导体层形成接触的阳极电极。
12.如权利要求1至11中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述基板的所述主面由III族氮化物构成，
所述基板的所述主面的所述法线轴相对于所述基板的所述III族氮化物的c轴倾斜。
13.如权利要求1至12中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型包覆层含有碳杂质，
所述碳杂质的浓度为4×1016cm-3以下。
14.如权利要求1至13中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
进一步包含与所述p型包覆层相接触而设置的监控半导体层，
所述监控半导体层的材料与所述p型包覆层的材料相同，
所述监控半导体层的p型掺杂剂浓度小于所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度，
所述监控半导体层的厚度比所述p型包覆层的厚度薄。
15.如权利要求14所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述监控半导体层的厚度处于5nm以上40nm以下的范围。
16.如权利要求14或15所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述监控半导体层的p型掺杂剂浓度处于1×1017cm-3以上且小于1×1018cm-3的范围。
17.如权利要求1至16中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件，其中，
所述p型包覆层含有氢，
所述p型包覆层的氢的浓度为4×1018cm-3以下。
18.一种III族氮化物半导体发光元件的制作方法，包括：
在基板上生长用于n型包覆层的n型III族氮化物半导体层、用于活性层的III族氮化物半导体层、及用于p型包覆层的p型III族氮化物半导体层，从而制作用于所述III族氮化物半导体发光元件的外延基板的步骤；
对所述p型III族氮化物半导体层照射激发光，进行包含所述p型III族氮化物半导体层的能带端发光及所述p型包覆层的施主受主对发光的光致发光光谱的测定的步骤；
生成所述光致发光光谱的能带端发光峰值的能量E(BAND)与所述光致发光光谱的施主受主对发光峰值的能量E(DAP)之差(E(BAND)-E(DAP))的步骤；
使用所述差(E(BAND)-E(DAP))进行是否对所述外延基板应用后续步骤的判断的步骤；以及
在所述判断为肯定时，对所述外延基板实施用于形成电极的加工的步骤，
所述激发光的波长比用于所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体层的带隙波长短。
19.如权利要求18所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，其中，
所述差(E(BAND)-E(DAP))为0.42电子伏特以下，这里，所述能带端发光的能量E(BAND)及所述施主受主对发光的能量E(DAP)以电子伏特的单位表示。
20.如权利要求18或19所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，其中，
所述光致发光光谱的测定在绝对温度100度以下的温度下进行。
21.如权利要求18至20中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，进一步包括：为了所述p型包覆层的成膜，根据所述差(E(BAND)-E(DAP))而重新确定所述外延基板的后续制作中的成膜条件的步骤。
22.如权利要求18至21中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，其中，
制作所述外延基板的所述步骤进一步包括：在生长用于所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体层之后，在所述基板上生长用于p型接触层的另外的p型III族氮化物半导体层的步骤，
所述p型接触层的p型掺杂剂浓度大于所述p型包覆层的p型掺杂剂浓度，
所述p型接触层的带隙小于所述p型包覆层的带隙，
所述p型接触层的厚度为0.06微米以下，
所述p型接触层的p型掺杂剂浓度为1×1019cm-3以上。
23.如权利要求22所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，其中，
所述p型接触层由p型GaN构成。
24.如权利要求18至23中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，其中，
所述p型掺杂剂包含镁，
所述镁的浓度为3×1018cm-3以上。
25.如权利要求18至24中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，其中，
所述n型杂质包含氧，
所述氧的浓度为6×1017cm-3以下。
26.如权利要求18至25中任一项所述的III族氮化物半导体发光元件的制作方法，其中，
用于所述p型包覆层的所述p型III族氮化物半导体层含有碳杂质，
所述碳的浓度为4×1016cm-3以下。
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