CN1638220A - 氮化物半导体激光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种氮化物半导体发光器件及其制造方法，该发光器件包括：其至少部分表面由氮化物半导体构成的氮化物半导体基板；及叠置于氮化物半导体基板表面上的氮化物膜半导体生长层，其中在氮化物半导体基板表面上形成具有106cm－2或更小缺陷密度的低缺陷区域及呈现凹部形状的挖入区域，而且，在凹部的截面图中测量的凹部的侧面部分与其底面部分的延长线之间的角度即刻蚀角θ在75°≤θ≤140°的范围内。这防止了裂纹的产生，并减少自挖入区域的底部生长部分的蠕升生长，因而减小侧部生长部分的膜厚。这使得可以高合格率地制造出具有良好表面平坦度的氮化物半导体生长层的氮化物半导体激光器件。

Description

氮化物半导体激光器件及其制造方法
本非临时申请以2004年1月5日在日本提出申请的专利申请No.2004-000328的35U.S.C.§119(a)为基础要求优先权，特此其内容全部作为参考引入。
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体激光器件，及一种制造氮化物半导体激光器件的方法。特别地，本发明涉及一种使用氮化物半导体作为基板的氮化物半导体激光器件。
背景技术
氮化物半导体例如GaN、AlGaN、GaInN和AlGaInN的一个特性是它们比AlGaInAs基和AlGaInP基半导体具有更高的带隙能。这些氮化物半导体的另一个特性是它们是直接跃迁半导体材料。
由于具有这些特性，氮化物半导体作为构成半导体发光器件的材料最近已经受到很多关注，这些半导体发光器件例如是发出从紫外(蓝色)到绿色的短波长区域光线的半导体激光器以及发出覆盖从紫外(蓝色)到红色的宽波长范围光线的发光二极管。顺应这一趋势，在高密度光盘、全色彩显示、环境和医疗设备领域及很多其他领域已经研究并发展了氮化物半导体的各种应用。
氮化物半导体也一直在唤起作为构成能在高温工作的高输出高频率电子器件的材料的期望。此外，氮化物半导体比GaAs基或其他半导体具有更高的热导率，并因此期望找到在工作于高温和高输出的器件中的应用。进一步地，氮化物半导体不需要与用于AlGaAs基半导体的砷(As)或用于ZnCdSSe基半导体的镉(Cd)相当的材料，或获得这些材料的原料，例如三氢化砷(AsH3)。因此，氮化物半导体也被期望作为环境友好的化合物半导体材料。
然而，传统上氮化物半导体的制造存在非常低产量的问题，意味着，相对于在单个晶片上制造的氮化物半导体激光器件的总数，所得合格器件的数量很少。低合格率的一个原因是在氮化物半导体生长层中产生裂纹。裂纹可由基板中的缺陷和置于基板之上的氮化物半导体生长层中的缺陷产生。
理论上，希望在一GaN基板上生长并形成例如由GaN形成的氮化物半导体生长层。然而到目前为止，还没有产生出其晶格与GaN晶格匹配的高质量GaN单晶基板。由于这个原因，有时作为替代使用SiC基板作为基板，其晶格常数与GaN的晶格常数相差很小。
然而，SiC基板很昂贵，很难形成大直径，并易于产生抗拉应变，因此它们更加易于产生裂纹。另外，用于氮化物半导体基板的任何材料都需要经受住高达大约1,000℃的生长温度并抵抗住在作为GaN原料的氨气的气氛下的变色和腐蚀。
由于上面讨论的原因，典型地使用蓝宝石基板作为基板，一氮化物半导体生长层置于其上。然而，蓝宝石基板表现出比较严重的晶格不匹配(大约13％)。为克服这点，在蓝宝石基板之上，通过低温生长形成由GaN、AlN、或相似材料形成的缓冲层，然后，在缓冲层之上生长出氮化物半导体生长层。即使这样也不能完全消除应变，结果是取决于生长层的组成和膜厚及其他条件仍然产生裂纹。
为克服这点，按照传统建议的利用GaN基板制造氮化物半导体器件的方法，使用GaN基板制造氮化物半导体激光器件，该基板先经过加工以将其上表现出差结晶度的这些区域的影响最小化(2003年4月25号的日本专利申请特开第2003-124573号，以下称为专利公开1)。
然而，裂纹不仅由于基板中的缺陷而产生。当制造氮化物半导体激光器件时，氮化物半导体生长层置于基板之上。这里，氮化物半导体生长层由不同种类的膜组成，例如GaN、AlGaN、InGaN等。由于组成氮化物半导体生长层的这些各层膜具有不同的晶格常数，出现晶格不匹配，导致裂纹的产生。
为克服这点，按照另一传统建议的方法，在氮化物半导体生长层的生长之后，在其表面形成凹陷而不使表面平坦。这有助于减少裂纹(2002年8月30日的日本专利申请特开第2002-246698号，以下称为专利公开2)。
通过这种方法，可以减少由基板中的缺陷产生的裂纹以及由于组成形成于基板之上的氮化物半导体生长层的各层膜之间的晶格不匹配产生的裂纹。
如上所述，如果氮化物半导体激光器件通过使用先经过加工的基板制造，其氮化物半导体生长层如图7所示构造。
具体地，在一n型GaN基板60(见图6A和6B)的刻蚀表面之上，如以下描述的形成氮化物半导体生长层11。
例如，在n型GaN基板60的表面上，将如下的层按指定的顺序相互叠置：2.0μm厚n型GaN层70；1.5μm厚n型Al0.062Ga0.938N第一包层71；0.2μm厚n型Al0.1Ga0.9N第二包层72；0.1μn厚n型Al0.062Ga0.938N第三包层73；0.1μm厚n型GaN导引层74；由三对4nm厚InGaN层和8nm厚GaN层相互叠置组成的多量子阱有源层75；20nm厚p型Al0.3Ga0.7N蒸发防止层76；0.08μm厚p型GaN导引层77；0.5μm厚p型Al0.062Ga0.938N包层78；及0.1μm厚p型GaN接触层79。
这样，通过利用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition，金属有机化学气相沉积)将氮化物半导体生长层11叠置于先经过加工的n型GaN基板60之上，制造出在半导体生长层11表面上具有凹陷的氮化物半导体晶片，如图6A和6B所示。
在结晶学中，如果指数是负的，习惯上在表示晶体的平面或方向的指数的绝对值上加一横线。然而，在本说明书中，由于这符号是不可能的，通过在其绝对值前放负号“-”来表示负指数。
在本发明中，以特定的意义使用一些术语。“沟”表示如图6A和6B中所示的在先经过加工的基板的表面上以条纹的形状形成的凹部。“脊”表示以条纹的形状同样形成的凸部。
“先经过加工的基板”表示通过在氮化物半导体基板的表面上或在置于氮化物半导体基板的表面之上的氮化物半导体生长层的表面上形成沟和脊而制造的基板。
在示于图6A和6B中的n型GaN基板60中，通过干刻蚀技术例如RIE(reactive ion etching，反应离子刻蚀)在[1-100]方向形成条纹状的沟。这些沟宽5μm、深3μm，并且相邻沟之间形成400μm的周期。在这样刻蚀的n型GaN基板60之上，通过生长方法例如MOCVD形成具有如图7所示的多层结构的氮化物半导体生长层11。
然而，通过上述专利公开2中公开的技术制造氮化物半导体激光器件，特别地，利用先经过加工的GaN基板并通过MOCVD或类似方法在基板之上外延生长一氮化物半导体生长层，已经被确认确实有助于减少裂纹，但对产量的大幅提高没有贡献。
这是因为在氮化物半导体生长层上残留下的凹陷降低了其组成膜的平坦度。由于降低的平坦度，在氮化物半导体生长层内各层膜的厚度从一个地方到另一个地方不同。这引起所制造氮化物半导体激光器件的特性(例如FFP(远场图案)，阈值电流，及斜率)在各个器件之间不同。这减少了特性落在期望范围内的器件的数量。因此，为改进合格率，有必要不仅减少裂纹的产生，也要改进各层膜的平坦度。
图8显示了如图6A、6B和7中所示形成的氮化物半导体晶片的表面在[1-100]方向实际测量的平坦度。测量在下列条件下进行：测量长度＝600μm；测量时间＝3s；探针压力＝30mg；及每个样品水平分辨率＝1μm。图8中的图显示，在进行测量的600μm宽区域内，最高和最低点之间的水平差是200nm。
这个平坦度的变化由这个事实产生，如图6B所示，即位于n型GaN基板60的表面之上的氮化物半导体生长层11的各层膜的膜厚随着在晶片内所处位置的不同而不同。
因此，氮化物半导体激光器件的特性随着它们在晶片表面制造位置的不同而变化很大。而且，Mg掺杂p型层的厚度(即从p型GaN导引层77到p型GaN接触层79的层厚度之和)随着其在基板表面形成位置的不同而变化很大，该厚度极大影响氮化物半导体激光器件的特性。
在形成作为电流变窄结构的脊结构的过程中，鉴于脊以2μm宽条纹的形状遗留，其余部分使用ICP(inducting coupled plasma，感应耦合等离子体)机通过干刻蚀技术刻蚀掉。
因此，如果刻蚀前p型层的厚度随着在晶片表面内位置的不同而不同，刻蚀后保留下来的p型层的膜厚(该厚度最显著地影响氮化物半导体激光器件的特性)因而依据在晶片表面内所处位置变化很大。
由于以上讨论的因素，各个氮化物半导体激光器件中层厚不同。另外，即使在单个氮化物半导体激光器件内，虽然保留的p型层的厚度在一些地方几乎为零，然而在其他地方相当大。保留的p型层的这个厚度变化极大影响了氮化物半导体激光器件的特性，包括寿命。
下一步，使用光干涉显微镜测量通过刻蚀形成脊结构之前p型层的厚度。这里，基于设定为0.700μm的厚度设计值，分别在晶片表面内的不同位置进行20次测量，并计算这些测量值的平均偏差σ。平均偏差σ表示膜厚在其20次测量之中的变化。平均偏差σ越大，氮化物半导体激光器件的各种特性例如FFP(远场图案)、阈值电流、及斜率效率的变化越大。
在如图6A和6B中所示的通过在传统n型GaN基板60之上生长氮化物半导体生长层11而制造的晶片上形成的p型层的厚度的平均偏差σ是0.07。为了满意地降低氮化物半导体激光器件特性的变化，平均偏差σ需要被减少到0.01或更小。然而，在如图6A和6B中所示的通过生长氮化物半导体生长层11制造的晶片上形成的p型层的厚度的平均偏差σ不能满足这个要求。顺便提及，通过将层厚的20次测量的各个值与20次测量的平均值的差加起来然后将结果被20除来计算出平均偏差。
这个晶片表面内层厚的大变化被认为由如下事实产生，即当膜在先经过加工的基板的脊部外延生长时，它们的生长速度受沟影响，导致不均匀生长。
具体地，如图9A所示，在其上形成有沟的n型GaN基板60上，在外延生长进行时，顶部生长部分90、侧部生长部分91、及底部生长部分92分别在未挖入区域93、挖入区域的侧面94、及挖入区域的底面95生长。
当半导体薄膜以这种方式生长时，侧部生长部分91(在图9A中用阴影表示)极大影响顶部生长部分90的平坦度。如图9A所示，令侧部生长部分91的膜厚为X。
已经确认，如图9B所示当在侧部生长部分91进行半导体薄膜的生长时，在顶部生长部分90的半导体薄膜的生长速度受到影响而变化。
具体地，侧部生长部分91的膜厚X越大，在顶部生长部分90的半导体薄膜的生长速度越低，并因此顶部生长部分90的膜厚越小。相反，侧部生长部分91的膜厚X越小，在顶部生长部分90的半导体薄膜的生长速度越高，并因此顶部生长部分90的膜厚越大。于是，顶部生长部分90表面的半导体薄膜的膜厚依据侧部生长部分91的膜厚X差异很大。
由于表面内的偏角(off angle)的变化，基板本身的不平坦例如表面内基板曲率的变化，基板表面内外延生长速度的不均匀，基板表面内挖入过程的不均匀，以及其他因素，侧部生长部分91的膜厚X在[1-100]方向随位置不同而不同。结果，如上所讨论的，置于顶部生长层90表面上的半导体薄膜的晶片表面内的平坦度恶化。
而且，侧部生长部分91的膜厚X越大，在基板表面内，侧部生长部分91的膜厚X的变化越大，并因此晶片表面内的平坦度的恶化越显著。因此，为获得好的平坦度，需要减少侧部生长部分91的膜厚X。
此外，在侧部生长部分91的半导体薄膜不仅直接在侧面上外延生长，而且其生长也被“蠕升生长(creep-up growth)”促进，通过蠕升生长，在底部生长部分92生长的半导体薄膜爬升到侧部生长部分91。
图10是说明从挖入区域的底部生长部分92到侧部生长部分91发生的蠕升生长的概念图。这个蠕升生长进一步增加侧部生长部分91的膜厚X(见图9A和9B)，并因此影响晶片表面内的平坦度。
发明内容
本发明为解决上面讨论的传统遇到的问题而设计。因此，本发明的一个目的是防止当氮化物半导体生长层被置于氮化物半导体基板之上以制造氮化物半导体激光器件时在氮化物半导体生长层中产生裂纹。本发明的另一个目的是提供一种氮化物半导体激光器件，其中作为通过减小自挖入区域的底部生长部分的蠕升生长实现在侧部生长部分的膜厚减小的结果，氮化物半导体生长层形成为具有良好的表面平坦度。本发明的又一个目的是提供一种制造这样的氮化物半导体激光器件的方法。
为实现以上目的，根据本发明，氮化物半导体发光器件包括：一氮化物半导体基板，其至少部分表面由氮化物半导体形成；及置于氮化物半导体基板表面上的氮化物膜半导体生长层。这里，在氮化物半导体基板的表面上形成具有106cm-2或更小缺陷密度的低缺陷区域及呈现凹部形状的挖入区域(carved region)。而且，刻蚀角θ，即从凹部的断面形状进行测量时凹部的侧面部分与其底面部分的延长线之间的角度，在75°≤θ≤140°的范围内。
在这种结构中，当以凹形状形成挖入区域时，通过在75°到140°范围内调整挖入区域断面形状的刻蚀角，可以赋予它一个倒锥形状。这样，用本发明的氮化物半导体发光器件，可以防止在氮化物膜半导体生长层中产生裂纹。而且，也可以减小自挖入区域的底部生长部分的蠕升生长，并因此减小侧部生长部分的膜厚。
刻蚀角θ为140°或更小是优选的。其原因是，刻蚀角θ大于140°时难以制造氮化物半导体发光器件。
如上所述，根据本发明，当氮化物半导体生长层叠置于氮化物半导体基板之上以制造氮化物半导体激光器件时，在氮化物半导体基板上形成凹形状的挖入区域。挖入区域截面形状的刻蚀角在75°到140°范围内调整，包括刻蚀角形成倒锥形的范围。
利用这种结构，可以防止裂纹产生，也可以减小自挖入区域的底部生长部分的蠕升生长。并且，可以减小侧部生长部分的膜厚并因此形成具有良好表面平坦度的氮化物半导体生长层。结果，能以高合格率制造出氮化物半导体激光器件。
通过下面参照附图对优选实施例的详细描述，本发明的这个和其它目的及特征将变得明显。
附图说明
图1A是一实施本发明的氮化物半导体激光器件的横截面示意图；
图1B是图1A的俯视图；
图2是说明侧部生长部分的膜厚X的图；
图3A是下面描述的图3B的俯视图；
图3B是在本发明实施例中氮化物半导体层生长之前GaN基板的横截面示意图；
图4是显示刻蚀角θ与p型层厚度的平均偏差之间相互关系的图；
图5是显示侧部生长部分的层厚度X与p型层厚度的平均偏差之间相互关系的图；
图6A是下面描述的图6B的俯视图；
图6B是具有置于传统的n型GaN基板之上的氮化物半导体生长层的晶片的横截面示意图；
图7是一氮化物半导体生长层的横截面示意图；
图8是显示具有置于传统的n型GaN基板之上的氮化物半导体生长层的晶片的整个表面上的水平差(level difference)；
图9A是说明顶部生长部分、侧部生长部分、及底部生长部分分别如何在未挖入区域、挖入区域的侧面部分、及挖入区域的底面部分生长的图；
图9B是说明当在侧部生长部分进行半导体薄膜的生长时，在顶部生长部分生长的半导体薄膜的生长速度受到影响而变化；及
图10是说明蠕升生长的生长模式的图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的实施例。
图1A是一实施本发明的氮化物半导体激光器件的横截面示意图，且图1B是图1A的俯视图。图3B是在本发明实施例中氮化物半导体层在GaN基板上生长之前GaN基板的横截面示意图，且图3A是图3B的俯视图。在这些图中，也显示出了表面方位。
示于图1A和1B中的氮化物半导体激光器件通过在示于图3A和3B的GaN基板之上叠置或以其他方式形成氮化物半导体生长层而制造出。
在下面描述中，“氮化物半导体基板”由AlxGayInzN(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，及x+y+z＝1)构成。只要氮化物半导体基板具有六角晶体结构，其中包含的大约10％或更少的氮可用As、P或Sb替代。而且，氮化物半导体基板可用Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg或Be掺杂。对n型氮化物半导体基板特别优选的掺杂材料是Si、O和Cl。
氮化物半导体基板主平面的方位可与C平面{0001}、A平面{11-20}、R{1-102}平面、M平面{1-100}、及{1-101}平面中的任何一个对齐。只要基板的主平面具有相对于任何这些结晶面的方位小于2°的偏角，就能获得好的表面形态。
本实施例的氮化物半导体激光器件通过在n型GaN基板10之上生长氮化物半导体生长层11制造出，该基板10具有形成于其表面上的呈现凹部形状的挖入区域16。如图1A和1B所示，挖入区域16具有使得挖入区域16的开口宽度M小于挖入区域16的底面宽度N的横截面形状(即挖入区域16具有倒锥形横截面形状)。
使挖入区域16具有这样的横截面形状有助于减小自底部生长部分19的“蠕升生长”，即从挖入区域16的底面开始的生长。这样做也有助于减小侧部生长部分18的膜厚X(见图2)，其通过从挖入区域16的侧面开始的生长形成。因此，实现了在顶部生长部分17的膜厚的较高均匀性，其通过从“未挖入区域”开始的生长形成，“未挖入区域”是指除了挖入区域16以外的n型GaN基板10的表面。
现在，将参照图2解释侧部生长部分18的膜厚X的定义。如图2所示，侧部生长部分18的膜厚X定义为从一未挖入区域的端点A到平行于基板表面并包括端点A的线与外延生长膜相交的点(图2中点B)的距离。如果膜厚X在挖入区域16的两端不同，则取较厚的值作为膜厚X。
在本实施例中，使用一基板，其中一包括低缺陷区域的氮化物半导体暴露于此基板表面。然而，也可使用除了在其表面外由蓝宝石、SiC、GaAs、Si、或ZnO形成的基板，只要能在其上叠置一氮化物半导体生长层。
关于以上描述的氮化物半导体激光器件，首先，参考相关附图，将描述“在其上叠置氮化物半导体生长层之前的n型GaN基板”是如何制造的。
首先，在n型GaN基板10的整个表面，通过溅射沉积1μm厚SiO2层或类似的层。然后，利用普通光刻工艺，在[1-100]方向上形成条纹形状的光刻胶，条纹的宽度为80μm(开口宽度)，并且相邻条纹之间的周期为400μm。然后，通过RIE(反应离子刻蚀)，对SiO2层和GaN基板进行刻蚀，以形成6μm挖入深度Z的挖入区域16。然后，使用HF(氢氟酸)作为刻蚀剂，除去SiO2层。
这样，如图3A和3B所示，得到在氮化物半导体生长层被叠置在GaN基板表面之前的n型GaN基板10。
用来制造在氮化物半导体生长层被叠置在其表面之前的n型GaN基板的刻蚀方法可以是干刻蚀或湿刻蚀。
当使用干刻蚀时，SiO2被刻蚀后，通过执行湿刻蚀，形成刻蚀角θ为90°或更大的、具有倒锥形状的挖入区域16。这里，如图3A和3B所示，刻蚀角θ表示挖入区域16的侧面与其底面的延长线之间的角度。
这里湿刻蚀使用的溶液可以是KOH(氢氧化钾)溶液、NaOH(氢氧化钠)和KOH的混合溶液、或类似。把溶液加热到80℃到250℃使各向同性刻蚀成为可能，从而将挖入区域16形成为具有倒锥形的形状。
用于本实施例的n型GaN基板10包括具有大约106cm-2或更小缺陷密度的低缺陷区域。挖入区域16可在首先于包括低缺陷区域的n型GaN基板10之上生长一GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、或类似的薄膜之后形成。而且，在本实施例中，例如，刻蚀角θ可为100°。
然后，在经过如上所述加工的基板之上(即在氮化物半导体生长层叠置于其表面之前的n型GaN基板10之上)，通过MOCVD或类似方法，外延生长如图7所示的氮化物半导体生长层，以制造如图1A和1B所示的氮化物半导体激光器件。
在图1A和1B中所示的氮化物半导体激光器件中，在按上面描述制造以在其上形成挖入区域16的n型GaN基板10之上，形成如图7所示具有多层结构的氮化物半导体生长层11。此外，在氮化物半导体生长层11的表面上，形成作用为激光波导(发光部分)的激光条纹12，并另外为电流变窄的目的形成一SiO2层13以便从两侧夹住激光条纹12。
然后，在激光条纹(脊条纹)和SiO2层13的表面上形成一p型电极14。另一方面，在n型GaN基板10的底部表面形成一n型电极15。
在氮化物半导体生长层11中，由在除挖入区域16以外的n型GaN基板10的表面生长形成的部分被称为顶部生长部分17。由在挖入区域16的侧面生长形成的部分被称为侧部生长部分18。由在挖入区域16的底面生长形成的部分被称为底部生长部分19。
优选地，在包含于n型GaN基板10中的低缺陷区域的上方形成激光条纹12。而且，由于后面描述的原因，优选地不在挖入区域16上方形成激光条纹12。
使用光干涉显微镜测量晶片，该晶片通过在其上形成有挖入区域16以具有如图1A和1B所示的倒锥形的n型GaN基板10之上叠置氮化物半导体生长层11制造。具体地，利用光干涉显微镜测量Mg掺杂p型层的厚度。
在本实施例中，p型层的设计厚度设定为0.700μm。使用光干涉显微镜，在晶片表面内不同的地方进行20次测量，并计算这些测量的平均偏差σ。结果发现，此晶片的p型层的厚度的平均偏差σ为0.003。
据认为，为了满意地减小氮化物半导体激光器件的特性(例如FFP(远场图案)，阈值电流，及斜率)的变化，平均偏差σ需要被减小到0.01或更低。根据这个标准，讨论中的晶片的p型层厚度的平均偏差σ可以说是满意的，大大超过要求的水平。
为了对比，制造一氮化物半导体激光器件，其中在其上叠置有氮化物半导体生长层11的n型GaN基板10上的挖入区域16上方形成激光条纹12。然后，以上面描述的相同方式，对氮化物半导体激光器件的p型层厚度进行测量，并计算这些测量的平均偏差σ。
然后发现，在激光条纹12位于挖入区域16上方的氮化物半导体激光器件中，p型层的平均偏差σ是0.06，表示一大的变化。这种层厚度的变化来源于在挖入区域16上方形成了激光条纹12。
侧部生长部分18引起半导体薄膜从挖入区域16的侧面沿着近似垂直于这些面的方向生长。另外，自挖入区域16底面的蠕升生长发生在底部生长区域19。结果，与顶部生长部分17相对比，侧部和底部生长部分18和19生长经过更加复杂的过程，使得难以保持器件表面的平坦性。
因此，为减小p型层厚度的变化，并且为了减小氮化物半导体激光器件特性的变化，优选在顶部生长部分17形成激光条纹结构。
而且研究了激光条纹12的形成位置如何影响氮化物半导体激光器件。首先，如图1A所示，令从激光条纹12的中心线到挖入区域16的端部的距离为d。然后，形成激光条纹12使得距离d是20μm或更小。这导致氮化物半导体激光器件特性大的变化。这是因为顶部生长层17在其邻接挖入区域16的端部的厚度比顶部生长部分17在其中心部分的厚度大，导致异常生长部分的形成。
具体地，如果形成激光条纹12使得距离d是20μm或更小，异常生长部分位于从顶部生长部分17的每个端部起大约20μm的宽度上，导致氮化物半导体激光器件特性变化大。
因此，优选考虑在以下区域形成激光条纹12，即从顶部生长部分17的端部到该区域的距离为20μm或更多。例如，在本实施例中，距离d设为40μm。
如上所述形成挖入区域16及其后在除挖入区域16以外的其他地方形成激光条纹12，这大大有助于减小氮化物半导体激光器件特性的变化，并因此有助于减少氮化物半导体层中裂纹的产生。这导致显著地改进合格率。
图4表示挖入区域16的刻蚀角θ与指示刻蚀前p型层厚度变化程度的平均偏差σ之间的关系。这里，假定在n型GaN基板10的表面上生长的n型GaN层70的层厚为2μm。
如前面所述，为减小氮化物半导体激光器件特性的变化，p型层厚度的平均偏差σ需要为0.01或更小。图4的图表显示，为满足平均偏差σ为0.01或更小的要求，刻蚀角θ需要为80°或更大。
图4的图表覆盖了刻蚀角θ高达110°的范围。事实上，p型层厚度的平均偏差σ在高达140°时被确认为0.01或更小。然而，用大于140°的刻蚀角θ，则难以制造出氮化物半导体激光器件。因此，优选地刻蚀角θ为大于等于80°但小于等于140°。
顺便提及，通过改变在n型GaN基板10表面上生长的n型GaN层70(见图7)的层厚，可以改变减少氮化物半导体薄膜蠕升生长的刻蚀角。另一方面，GaN比AlGaN更倾向于蠕升生长。这是因为，与AlGaN或类似物相比，GaN更倾向于迁移并因而横向生长。
即，在n型GaN基板10表面上生长的n型GaN层70的层厚越大，蠕升生长的倾向越大，并因此侧部生长部分18的厚度越大。因此，为减小蠕升生长的这个大的倾向，有必要使刻蚀角θ更大。
因此，如果n型GaN层70的层厚大，需要使刻蚀角θ相应地大。反之，如果n型GaN层70不是在n型GaN基板10的表面上生长(这相当于把n型GaN层70的层厚减少到0μm)而是从n型Al0.062Ga0.938N第一包层71(见图7)开始生长，即使以一个小刻蚀角θ，也能减小蠕升生长。
具体地，如图4的图表所示，如果n型GaN层70的层厚大于5μm，为防止氮化物半导体激光器件特性的变化，p型层厚度的平均偏差σ需要为0.01或更小。为实现这点，刻蚀角θ需要为90 °或更大。由于前面描述的原因，刻蚀角θ的上限为140°或更小是优选的。
此外，如图4中图表所示，如果n型GaN层70不是在n型GaN基板10的表面上生长(在这种情况下其层厚为0μm)，而是从n型Al0.062Ga0.938N第一包层71(见图7)开始生长，为防止氮化物半导体激光器件特性的变化，p型层厚度的平均偏差σ需要为0.01或更小。为实现这点，刻蚀角θ需要为75°或更大。
此外，由于前面描述的原因，刻蚀角θ的上限为140°或更小是优选的。应当注意，在图4中图表绘出的测量是在挖入区域16的挖入深度Z设定为6μm的情况下进行的。
现在，将解释挖入区域16的挖入深度Z。如果挖入深度Z是1μm或更小，挖入区域16几乎是填满的(使得难以形成沟)，导致裂纹发生。而且，自底部生长部分19的蠕升生长大大影响侧部生长部分18，极大降低平坦度。这是不希望的。
另一方面，如果挖入区域16的挖入深度Z是30μm或更大，制造氮化物半导体激光器件相当困难，导致较低重复性和较低合格率。这也是不希望的。因此，挖入区域16的挖入深度Z在1μm≤Z≤30μm的范围内是优选的。
图5显示侧部生长部分18的厚度与表示为了形成脊结构的刻蚀之前的p型层厚度变化程度的平均偏差σ之间的关系。图5的图表显示，如果侧部生长部分18的膜厚X大于20μm，p型层厚度的变化很大。
因此，为获得满意的平坦度，并为了减少氮化物半导体激光器件特性的变化，侧部生长部分18的膜厚X为20μm或更小是优选的。如前面描述的，通过控制刻蚀角θ或者置于下面的n型GaN层70或另一层的膜厚，控制侧部生长部分18的膜厚X。
在本实施例中，示于图1A和1B的沟和脊形成为在一个方向延伸的条纹状。然而，也能形成以格形(网形)图案彼此交叉的沟和脊。
沟的宽度和脊的宽度可以按固定周期变化，或者可以按不同方式变化。在所有形成的沟中，沟的深度可以相等，或者可以彼此不同。
根据本发明的氮化物半导体发光器件及上面描述的根据本发明制造它的方法也能够以下面的方式提出。
在根据本发明的氮化物半导体发光器件中，上面提到的刻蚀角θ可以在85°≤θ≤140°的范围。特别优选的是，在氮化物膜半导体生长层中，与氮化物半导体基板表面接触的层是GaN层，且此GaN层的层厚是2μm或更大。
GaN层有强烈的迁移并因此横向生长的倾向。当GaN层的层厚大于2μm时这个倾向特别显著。因此，为减小自挖入区域的底部生长部分的蠕升生长，并为了减小挖入区域的侧部生长部分的膜厚，刻蚀角θ需要被设定为85°或更大。刻蚀角为140°或更小的原因与前面描述的相同。
在象这样的氮化物半导体发光器件中，前面提到的GaN层的层厚可以为2μm或更小。
如上所述，GaN层有强烈的迁移并因此横向生长的倾向。然而，GaN层的层厚越小，该倾向变得越不明显。因此，设定GaN层的层厚为2μm或更小，这对于减小自挖入区域的底部生长部分的蠕升生长和减小侧部生长部分的膜厚是有效的。既然这样，进一步优选的是刻蚀角θ被设定为80°或更大。刻蚀角为140°或更小的原因与前面描述的相同。
在象这样的氮化物半导体发光器件中，在前面提到的氮化物膜半导体生长层中，与氮化物半导体基板的表面接触的层可以是AlGaN层。
如上所述，GaN层有强烈的迁移并因此横向生长的倾向。相反，AlGaN层比GaN层的迁移倾向小。
因此，当GaN层的层厚设定为0μm时，并且与氮化物半导体基板表面接触的层为AlGaN层时，为减小自挖入区域的底部生长部分的蠕升生长，并为了减小侧部生长部分的膜厚，将刻蚀角θ设定为75°或更大是足够的。刻蚀角为140°或更小的原因与前面描述的相同。
在如上所述的氮化物半导体发光器件中，挖入区域的挖入深度可以为大于等于1μm但小于等于30μm。
现在将解释挖入区域的挖入深度。如果挖入深度是1μm或更小，挖入区域几乎是填满的，导致裂纹发生。而且，自底部生长部分的蠕升生长大大影响侧部生长部分，极大降低平坦度。这是不希望的。
另一方面，如果挖入区域的挖入深度是30μm或更大，制造氮化物半导体激光器件相当困难，导致较低重复性和较低合格率。这也是不希望的。因此，挖入区域的挖入深度为大于等于1μm但小于等于30μm是优选的。
在上述的氮化物半导体发光器件中，在氮化物半导体生长层中形成为发光部分的激光条纹可以在除挖入区域上面以外的低缺陷区域上形成。这样，激光条纹可以离挖入区域20μm或更远形成。
从激光条纹的中心线到挖入部分的距离小于20μm形成激光条纹，这导致氮化物半导体发光器件特性大的变化。这是因为顶部生长部分在其邻接挖入部分的端部的膜厚比顶部生长部分在其中心部分的厚度大，导致异常生长部分的形成。
即，如果异常生长部分位于从顶部生长部分的每个末端起大约20μm的宽度上，在这个区域形成激光条纹将导致氮化物半导体发光器件特性大的变化。因此，优选在以下区域形成激光条纹，即从顶部生长部分的端部到此区域的距离为20μm或更多。
在上述的氮化物半导体发光器件中，在挖入区域的侧面作为氮化物膜半导体生长层的一部分形成的侧部生长部分的膜厚可以为20μm或更小。
使侧部生长部分的膜厚大于20μm导致p型层厚度大的变化。因此，为获得满意的平坦度并为了减小氮化物半导体发光器件特性的变化，优选地顶部生长部分的膜厚为20μm或更小。
本发明也提供了一种制造氮化物半导体发光器件的方法，如上所述，该器件包括：一氮化物半导体基板，其至少部分表面由氮化物半导体构成，并在其表面上包括具有106cm-2或更小缺陷密度的低缺陷区域；及形成于氮化物半导体基板表面之上的氮化物膜半导体生长层。该方法包括：通过刻蚀氮化物半导体基板形成挖入区域的第一步骤；及在经历了第一步骤的氮化物半导体基板上叠置氮化物半导体生长层的第二步骤。这里，在第一步骤中，刻蚀角θ，即形成为挖入区域的凹部的侧面与凹部底面的延长线之间的角度，在75°≤θ≤140°的范围内。
在上述制造氮化物半导体发光器件的方法中，在第一步骤，刻蚀角θ可以在85°≤θ≤140°的范围内。
在上述制造氮化物半导体发光器件的方法中，在第二步骤，与氮化物半导体基板表面接触的层可以是2μm厚或更薄的GaN层。
在上述制造氮化物半导体发光器件的方法中，在第二步骤，与氮化物半导体基板表面接触的层是AlGaN层。
在上述制造氮化物半导体发光器件的方法中，作用为发光部分的激光条纹可以在除挖入区域上面以外地方的低缺陷区域形成。这样，激光条纹可以离挖入区域20μm或更远形成。
在上述制造氮化物半导体发光器件的任何方法中，在挖入区域的侧面作为氮化物膜半导体生长层的一部分形成的侧部生长部分可以为20μm或更薄的厚度。
在上述制造氮化物半导体发光器件的任何方法中，在第一步骤中，首先在氮化物半导体基板上可以生长一氮化物半导体层，其后形成挖入区域。
即使首先在挖入区域形成之前生长氮化物半导体层，然后形成挖入区域，并且然后在上面叠置氮化物半导体生长层，本发明的效果仍保持不受影响，有可能提供一种其中氮化物半导体生长层以良好表面平坦度形成的氮化物半导体发光器件。
以上特别描述的实际例子和实施例的目的只是澄清本发明的技术特征。因此，应当理解，通过在所附权利要求范围内的很多变化和修改，本发明能够以上面具体描述以外的任何其他方式实现。

Claims (16)

1.一种氮化物半导体发光器件，包括：
一氮化物半导体基板，其至少部分表面由氮化物半导体构成；及
叠置于所述氮化物半导体基板的表面上的氮化物膜半导体生长层，
其中在所述氮化物半导体基板的表面上形成具有106cm-2或更小缺陷密度的低缺陷区域及呈现凹部形状的挖入区域，及
其中在凹部的断面图中所测量的所述凹部的侧面部分与其底面部分的延长线之间的角度即一刻蚀角θ在75°≤θ≤140°的范围内。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，
其中所述刻蚀角θ在85°≤θ≤140°的范围内。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，
其中，在组成所述氮化物膜半导体生长层的所有层中，与所述氮化物半导体基板的表面接触的层是GaN层，且该GaN层为2μm厚或更薄。
4.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，
其中，在组成所述氮化物膜半导体生长层的所有层中，与所述氮化物半导体基板的表面接触的层是AlGaN层。
5.如权利要求1到4之一所述的氮化物半导体发光器件，
其中所述挖入区域的深度大于等于1μm但小于等于30μm。
6.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，
其中在所述氮化物膜半导体生长层中形成的、以便作用为发光部分的激光条纹被形成在所述低缺陷区域上方且位于除所述挖入区域以外的位置。
7.如权利要求6所述的氮化物半导体发光器件，
其中所述激光条纹形成为离所述挖入区域20μm或更远。
8.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，
其中作为所述氮化物膜半导体生长层的一部分形成在所述挖入区域的侧面的侧部生长部分的厚度是20μm或更薄。
9.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法包括在氮化物半导体基板的表面上形成氮化物膜半导体生长层的步骤，所述氮化物半导体基板的至少一部分由氮化物半导体构成并且包括在其表面上具有106cm-2或更小缺陷密度的低缺陷区域，该方法包括：
通过刻蚀所述氮化物半导体基板形成挖入区域的第一步骤；
在经历了所述第一步骤的所述氮化物半导体基板上叠置所述氮化物膜半导体生长层的第二步骤，
其中，在所述第一步骤中，作为所述挖入区域而形成的一凹部的侧面部分与所述凹部的底面部分的延长线之间的角度即刻蚀角θ在75°≤θ≤140°的范围内。
10.如权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，
其中，在所述第一步骤中，刻蚀角θ在85°≤θ≤140°的范围内。
11.如权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，
其中，在所述第二步骤中，与所述氮化物半导体基板的表面接触的层是2μm厚或更薄的GaN层。
12.如权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，
其中，在所述第二步骤中，与所述氮化物半导体基板的表面接触的层是AlGaN层。
13.如权利要求9到12其中之一所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法进一步包括：
在所述氮化物膜半导体生长层中形成作为发光部分的、位于所述低缺陷区域的上方且位于除所述挖入区域以外的位置的激光条纹的步骤。
14.如权利要求13所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，
其中所述激光条纹形成为离所述挖入区域20μm或更远。
15.如权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，
其中作为所述氮化物膜半导体生长层的一部分形成在所述挖入区域的侧面的侧部生长部分为20μm厚或更薄。
16.如权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，
其中，在所述第一步骤中，首先在所述氮化物半导体基板上生长一氮化物半导体层，并且其后形成所述挖入区域。
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