CN1677778A - 氮化物半导体激光元件和氮化物半导体元件 - Google Patents

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Abstract

一种氮化物半导体激光元件，是在氮化物半导体基板的主面上具有第1导电型的氮化物半导体层、活性层、导电型不同于第1导电型的第2导电型的氮化物半导体层、和形成在所述第2导电型的氮化物半导体层上的条纹状的隆起部，所述氮化物半导体基板的主面上，相对于基准结晶面，至少在与所述条纹状的隆起部大致平行的方向上具有偏角a(θa)，或者与该偏角a(θa)大致垂直的方向上具有偏角b(θb)。本发明的目的是在宽范围的波长带中，使氮化物半导体层的组成分布、例如活性层的结晶性和In含量均匀，从而提供一种寿命特性和元件特性更加优良的元件。

Description

氮化物半导体激光元件和氮化物半导体元件
技术领域
本发明涉及一种具有含In的活性层的氮化物半导体激光元件和激光二极管、发光二极管(LED)、受光元件、高频率晶体管、高耐压晶体管等氮化物半导体元件。尤其涉及一种通过使用具有特定的偏角(オフ )的氮化物半导体基板而改善了元件特性的氮化物半导体激光元件和氮化物半导体元件。
背景技术
由GaN等的氮化物半导体构成的激光元件的振荡波长为370nm以下的紫外区域到500nm以上的波长区域，应用范围较宽。形成如上所述的激光元件的基板，可以利用被称作ELOG(Epitaxially Lateral Overgrowth)法的横向生长来形成。
该技术中，在形成了带有周期性条纹状开口部的SiO2掩膜图案的底层基板上，使GaN横向生长，形成GaN层。然后通过除去底层基板制造只由GaN层构成的基板。横向生长区域的GaN可成为位错较低的区域。由于低位错化的GaN的结晶性良好，因此使用该GaN作为基板时，能够使氮化物半导体激光元件的寿命特性提高。
另外，氮化物半导体激光元件在元件特性的改善方面也被提出了相关要求。因此，对于基板不仅要求基板本身的低位错化，还要求它能够使具有良好结晶性的氮化物半导体层在其上面生长。再有，为了使氮化物半导体元件实用化，基板本身的大口径化也是必不可少的。
因此，有人提出了在由六方晶系的氮化物系半导体构成的基板中，从(0001)面沿规定方向形成1°以上且20°以下的偏角的基板(参考文献1)。
专利文献1特开2002-16000号公报
但是该氮化物半导体基板中，偏角的倾斜范围和偏角的倾斜方向的范围较宽，因而激光元件内的In、Al等的组成、杂质等的分布散乱。尤其是在具有含In的活性层的激光元件中，因振荡波长的不同会引起阈值电流的上升。在理论上氮化物半导体激光元件可以在较宽范围的波长带产生激光振荡，而实际上如果不使组成分布例如活性层内的In分布均匀，则不可能实现这一点。
另外，制造1英寸以上大口径化的基板时，该基板的主面上会残留有坑和沟，因而有时必需利用形成在基板上的氮化物半导体层，对其表面进行平坦化处理。
发明内容
本发明是鉴于上述的情况而提出的，其目的在于在宽范围的波长带中，使氮化物半导体层的组成分布、例如活性层的结晶性和In含量均匀，从而提供一种寿命特性和元件特性更加优良的元件。
本发明的第1氮化物半导体激光元件的特征是，在氮化物半导体基板的主面上具有第1导电型的氮化物半导体层、含有In的活性层、导电型不同于第1导电型的第2导电型的氮化物半导体层和形成在所述第2导电型的氮化物半导体层上的条纹状的隆起部，且所述氮化物半导体基板的主面相对于基准结晶面，至少在与所述条纹状的隆起部大致平行的方向上具有偏角a(θa)。
另外，第2个氮化物半导体激光元件的特征是，在氮化物半导体基板的主面上具有第1导电型的氮化物半导体层、活性层、导电型不同于第1导电型的第2导电型的氮化物半导体层和形成在所述第2导电型的氮化物半导体层上的条纹状的隆起部，且所述氮化物半导体基板的主面相对于基准结晶面，在与所述条纹状的隆起部大致平行的方向上具有偏角a(θa)并在大致垂直的方向上具有偏角b(θb)。
本发明的氮化物半导体元件的特征是，在氮化物半导体基板的主面上依次具有第1导电型的氮化物半导体层、活性层、导电型不同于第1导电型的第2导电型的氮化物半导体层，所述氮化物半导体基板的主面在相对于M面(1-100)大致垂直的方向上具有偏角a(θa)，在大致平行的方向上具有偏角b(θb)，并且满足|θa|＞|θb|的关系。
在上述的元件中优选具备以下条件中的1种以上：(1)所述基准结晶面是(0001)面、(11-20)面或(1-100)面；或者(2)所述氮化物半导体基板的主面具有由(0001)面构成的第1区域和至少具有不同于第1区域的结晶生长面的第2区域；或者(3)所述第2区域是(000-1)面；或者(4)所述氮化物半导体基板的主面具有大致平行的所述第1区域和所述第2区域；或者(5)第1区域配置于隆起的正下方；或者(6)满足0.1°≤|θa|≤0.7°；或者(7)满足|θa|＞|θb|；或者(8)第1导电型的氮化物半导体层中含有横向生长的Al；或者(9)第1区域和第2区域的极性被分割为条纹状。
另外，上述元件优选在第1导电型的氮化物半导体层和第2导电型的氮化物半导体层之间形成含有活性层的中心区域，并在所述第1导电型和第2导电型氮化物半导体层的至少一方中，从所述中心区域的最外层开始依次具有第1氮化物半导体层和第2氮化物半导体层，且所述中心区域的最外层和所述第1氮化物半导体层之间以及所述第1氮化物半导体层和所述第2氮化物半导体层之间具有折射率差。
这时，优选具备以下条件中的1种以上：(a)第1氮化物半导体层的折射率比所述中心区域的最外层还低；或者(b)第2氮化物半导体层的折射率比第1氮化物半导体层还低；或者(c)中心区域的最外层和第1氮化物半导体层的折射率差(Δn1)和/或第1氮化物半导体层和第2氮化物半导体层的折射率差(Δn2)为0.004～0.03；或者(d)n型氮化物半导体层从与中心区域的最外层相接的第1n型氮化物半导体层开始依次具有第m的(m≥2)n型氮化物半导体层，p型氮化物半导体层具有与所述中心区域的最外层相接的第1p型氮化物半导体层，第m(m≥2)的n型氮化物半导体层的折射率比第1p型氮化物半导体层的折射率高；或者(e)第m(m≥2)的n型氮化物半导体层和第1p型氮化物半导体层的折射率差(Δn)为0.004～0.03；或者(f)第m(m≥2)的n型氮化物半导体层和所述中心区域的最外层的折射率差(Δnm)为0.007～0.05。
根据本发明的元件，氮化物半导体基板的主面在规定方向上具有偏角，因此能够使氮化物半导体层的组成分布和膜厚分布例如活性层的结晶性或In含量均匀。这是因为能够进行以原子面的台阶(段差)为起点的平坦的结晶生长。由此，在基板的主面上生长的半导体层的界面中，具有高低差的凹凸台阶得到了抑制，在振荡波长有可能实现从365nm以下的紫外区域到500nm以上的长波长区域的范围的活性层中，能够使组成分布均匀化。而且能够获得在如上所述的宽范围的波长带中寿命特性和元件特性优良的元件。
另外，本发明的元件中，在规定的半导体层之间具有规定的折射率差时，通过适当地调整由活性层发出的光的停留区域并锁住稳定后的光，能够提高COD水平。进而能够减小对于光强度分布的垂直方向的扩展角，使形状(aspect)比最优化或减小到2以下。其结果，可以防止因光的泄漏而产生的阈值电压的增大，提高光输出效率，得到聚光率良好并且具有高可靠性的元件。
附图说明
图1是本发明的氮化物半导体激光元件的模式立体图。
图2是本发明的氮化物半导体基板的模式截面图。
图3是用于说明本发明的氮化物半导体基板的偏角的图。
图4是用于说明本发明的氮化物半导体基板的另一个偏角的图。
图5是以往的氮化物半导体激光元件的微型PL测定数据。
图6是本发明的氮化物半导体激光元件的微型PL测定数据。
图7是表示本发明的氮化物半导体基板的一制造工序的截面图。
图8是表示本发明的氮化物半导体激光元件的一制造工序的截面图。
图9是表示本发明的氮化物半导体激光元件的寿命数据的图。
图10是用微型·光致发光器(μ-PL)测定的本发明的氮化物半导体激光元件中的活性区域的混晶起伏的截面图(a)和观察了氮化物半导体层的表面状态的截面图(b)。
图11是用微型·光致发光器(μ-PL)测定的比较例1的氮化物半导体激光元件中的活性区域的混晶起伏的截面图(a)和观察了氮化物半导体层的表面状态的截面图(b)。
图12是用微型·光致发光器(μ-PL)测定的比较例2的氮化物半导体激光元件中的活性区域的混晶起伏的截面图(a)和观察了氮化物半导体层的表面状态的截面图(b)。
图13是用微型·光致发光器(μ-PL)测定的比较例3的氮化物半导体激光元件中的活性区域的混晶起伏的截面图(a)和观察了氮化物半导体层的表面状态的截面图(b)。
图中，
101-氮化物半导体基板，200-氮化物半导体层，203-n侧金属包层(clad)，204-n侧光导层，205-活性层，206-p侧罩层，207-p侧光导层，208-p侧金属包层，209-p侧接触层，220-埋入膜，230-p电极，240-保护膜，250-焊盘电极。
具体实施方式
本发明的氮化物半导体激光元件和氮化物半导体元件(有时把两者合起来称作“元件”)中，在氮化物半导体基板(有时称作“基板”)的第1主面上依次具有第1导电型的氮化物半导体层(有时称作“半导体层”)、活性层、第2导电型(和第1导电型不同的导电型)的氮化物半导体层。氮化物半导体元件可以是激光元件，也可以是LED。尤其是激光元件的时候，第2导电型的氮化物半导体层中优选具有条纹状隆起部。
该元件可以设定成在第2导电型的氮化物半导体层上具有第2电极且在基板的第2主面(与第1主面相对的主面)上具有第1电极的对置电极结构。通过该结构能够使制造工序稳定化，投入大电流，从而能够以较高的合格率制造可以进行高输出振荡的高品质的元件。另外，也可以在第1主面侧配置第1和第2电极这两个电极。
以下说明本发明的氮化物半导体激光元件及其制造方法。
该元件如图1(b)和图2(a)所示，在氮化物半导体基板101上依次形成有第1导电型氮化物半导体层、活性层、第2导电型氮化物半导体层，在第2导电型氮化物半导体层的表面上形成有条纹状的隆起部。
如图1(a)、图3(a)和(b)所示，基板101的主面从与隆起部大致平行的方向A例如[0001]方向和[1-100]方向倾斜了偏角a(θa°)。即，基板的主面是指相对于基板中规定的基准结晶面(偏角没有倾斜的面，如C面)具有偏角a的面。
如图4(a)和(b)所示，基板的主面除了相对于规定基准结晶面，向和隆起部大致平行的方向A倾斜偏角a之外，还相对于OF面(オリフラ面)向大致垂直的方向例如[11-20]方向倾斜偏角b(θb°)。
其中，基准结晶面表示例如C面、M面、A面、R面等的结晶面。其中优选C面(0001)、M面(1-100)、A面(11-20)面等。
“偏角”是指相对于形成在基板表面上的规定的基准结晶面的倾斜角。偏角优选至少在和条纹状隆起部大致平行的方向上形成(偏角a)，进而在和偏角a所形成的方向垂直的方向上形成(偏角b)。“在大致平行的方向形成”，包括例如沿着在共振面的光出射面方向向下形成的共振面的光反射面方向向下形成、或在与M面(1-100)大致垂直的方向上形成。由此，能够使位于隆起部的正下方的活性层的表面形态和组成(例如，In混晶比)均匀。
偏角a的绝对值|θa|优选为：0.02°～5°、0.1°～0.7°，进而0.15°～0.6°、0.1°～0.5°、0.15°～0.4°、0.2°～0.3°。偏角b的绝对值|θb |优选为：比0°大、0°～0.7°、0°～0.5°、0°～低于0.5°、0°～0.3°。基板具有偏角a和b时优选|θa |＞|θb |。由此，在基板的主面上生长的半导体层的表面形态在面内被平坦化。而且能够使半导体层内的Al和In等的组成分布更加均匀化。尤其能使活性层中的In组成超过5％的半导体层中的组成分布均匀化，而以往的基板却很难做到这一点。
即如果形成上述的偏角，就能够在从波长365nm以下的紫外区域到500nm以上的长波长区域的范围内使元件特性得到提高。用微型PL观察隆起或尖端内时，在没有偏角的基板上生长的半导体层内的活性层的In的组成起伏较大(图5)，而使用具有上述的偏角的基板时，能够抑制活性层的In组成的起伏(图6)。
半导体层是以第1导电型(例如n型)半导体层和第2导电型(例如p型)半导体层夹住活性层的分离光锁住型结构(Separate ConfinementHeterostructure)。
活性层优选含有In。由此能够实现宽范围波长带的元件。此外也可以是多重或单一量子阱结构。通过设置成量子阱结构能够提高发光效率。通过在活性层的上下具备禁带宽度大于活性层的半导体层，可构成光的波导。而且通过在活性层的两侧形成金属包层(折射率较低的层)能够关入光和载流子双方。
第1工序
具有偏角的氮化物半导体基板可以按照以下方法形成。
首先如图7(a)所示，准备由不同于氮化物半导体的材料构成的异种基板10。异种基板例如可举出蓝宝石、GaAs、SiC、Si、尖晶石、SiO2、SiN、ZnO等。异种基板10的表面中，优选将后面生长的氮化物半导体的生长面设为(0001)面、(11-20)面或(1-100)面。
在异种基板10的表面上，使由AlxGa1-xN(0≤x≤1)构成的缓冲层生长。缓冲层是在900℃以下的生长温度下，通过例如MOCVD法在减压～大气压下生长的。本发明中，半导体层可以采用例如有机金属化学气相生长(MOCVD)法、卤化物气相外延生长(HVPE)法、分子射线外延(MBE)法等气相生长法、所有公知的使氮化物半导体生长的方法。
之后，如图7(b)所示，通过缓冲层在异种基板10表面形成凸部10a。
接着，使位错被降低的氮化物半导体层100生长。该半导体层100的膜厚为50μm～10mm，优选100μm～1000μm。膜厚在上述范围时，在后工序中能够使偏角的形成和处理较容易。
接着，如图7(c)所示，通过研磨、磨削、电磁波照射(激元激光照射等)或CMP等除去异种基板，取出单体的氮化物半导体层100，从而得到氮化物半导体基板。该基板中以半导体层100的生长面为第1主面，以除去异种基板10而得到的露出面为第2主面。
另外，异种基板也并不是必须在这时除去，也可以在形成后述的n电极之前除去，也可以不除去。
得到的氮化物半导体基板的第1表面优选包括如(0001)面、(11-20)面、(1-100)面(M面)等。由此可以使基板和氮化物半导体层之间的界面所产生的位错降低。另外在由晶圆分割的工序中能够以良好重复性进行劈开等。
基板的第1表面中，位错也可以在面内周期性地分布。例如可举出采用ELO法将低位错密度区域(例如第1区域)和高位错密度区域(例如第2区域)交替地形成为条纹状的结构。由此可以使基板内的应力松弛，在无须于基板上形成应力松弛层的条件下能够使氮化物半导体层在其上生长。
另外，第1区域和第2区域中的极性优选被分割为条纹状。由此能够抑制基板上产生的应力和形变。而且在晶圆的分割工序中能够以良好重复性进行劈开等。
其中，低位错密度区域是指每单位面积的位错数为1×107/cm2以下、更优选为1×106/cm2以下、最优选为5×105/cm2以下的区域。高位错密度区域只要是位错密度高于低位错密度区域的区域即可。
第1区域和第2区域交替地形成为条纹时，第1区域的宽为10μm～500μm，更优选100μm～500μm。第2区域的宽为2μm～100μm，更优选10μm～50μm。
上述的位错测定可通过CL观察或TEM观察等进行。
例如，如果将形成在第1表面上的低位错密度区域设为(0001)面，则高位错密度区域可以列举不同于(0001)面的(000-1)面、(11-20)面、(10-14)面、(10-15)面、(11-24)面等结晶生长面。特别优选(000-1)面。通过使用如上所述的具有部分结晶生长面不同的面的基板，从而能够使在基板内部产生的应力和形变松弛，在基板上无须形成应力松弛层的条件下能够层叠膜厚5μm以上的半导体层。也就是说能够减少晶圆的弯曲和裂纹的发生。上述的条纹形状包括形成为虚线的情况。
氮化物半导体的第2表面优选具有2种以上的不同结晶生长面，具体例如为(000-1)面、(0001)面、(11-20)面、(10-15)面、(10-14)面、(11-24)面等。本说明书中，表示面指数的括号内的(-)为附加在后面数字上的符号。
基板的外周形状没有特别限定，可以是晶圆状，也可以是矩形状等。是晶圆状时优选为1英寸以上，更优选2英寸以上的尺寸。
基板的、通过双轴结晶法得到的(0002)衍射X射线摇荡曲线的半值宽度(Full Width at Half Maximum)优选2分以下，更优选1分以下。
作为氮化物半导体基板例如可举出由III族元素(B、Ga、Al、In等)和氮形成的化合物或混晶化合物(GaN、AlN、AlGaN、InAlGaN等)。该基板优选含有n型或p型杂质。该杂质浓度为1×1017cm-3～1×1020cm-3。
该基板也可以部分具有蓝宝石等的绝缘性基板。
氮化物半导体基板可以采用上述的2段生长的ELO法、选择生长法等形成，也可以采用由在超临界流体中进行结晶培养的水热合成法、高压法、熔剂(flux)法、熔融法等形成的块状(bulk)单晶。还可以使用市售品。
接下来如图7(d)所示，在得到的基板101的表面形成偏角。形成偏角时，在基板101的第1表面形成具有膜厚分布的掩膜(没有图示)，之后通过蚀刻除去掩膜，进而对露出的基板的第1表面继续进行蚀刻。蚀刻可以通过湿蚀刻、干蚀刻(反应性离子蚀刻：RIE、反应性离子束蚀刻：RIBE、电子回旋共振：ECR、高频率电感偶合等离子体：ICP、收束离子束：FIB等)、CMP处理等进行。其中干蚀刻由于能够容易地控制偏角，因而比较理想。由此，在基板的第1表面上，由于在蚀刻的时候产生面内分布而能够相对于规定的方向按照规定的大小形成规定的偏角。
或者也可以使用通过研磨、磨削、激光照射基板的第1表面进行表面处理的方法等，也可以用线状锯(wire saw)将块状的氮化物半导体基板切成具有偏角。特别是通过干蚀刻形成偏角时，可以采用将基板倾斜地安装在干蚀刻装置上，或者将基板安装在倾斜的基板支撑台上，然后进行蚀刻的方法。进而也可以预先在异种基板上形成偏角，然后使氮化物半导体层在其上生长，从而由异种基板将偏角传给氮化物半导体层，并由该氮化物半导体层得到基板。
得到的基板101的第1主面相对于氮化物半导体基板本来的表面具有偏角。通过使用该基板形成元件，在基板上生长的半导体层内的应力能够得到抑制，耐于劈开时的损伤。
第2工序
下面如图8(a)所示，在具有偏角的基板101的第1主面上介助下层(可以省略的开裂防止层)，作为氮化物半导体层200，依次层叠n侧层、活性层、p侧层。半导体层200例如为InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)等。
首先，作为n侧层，使n侧金属包层：掺杂有n型杂质的AlxGa1-xN(0≤x≤0.5)、n侧光导层：AlxGa1-xN(0≤x≤0.3)生长。金属包层和光导层等的名称并不意味着它们只具有该功能(p侧层也相同)，表示也具有其它的功能。如果n侧金属包层是单一层，优选其通式为AlxGa1-xN(0≤x≤0.2)，膜厚为0.5～5μm。如果是多层，可以设置成由第1层：AlxGa1-xN(0≤x≤0.5、0≤x≤0.1，0＜x≤0.3)和第2层：AlyGa1-yN(0.01≤y≤1)形成的层叠结构。n侧层尤其是多层时的第1层(含有Al的半导体层)优选横向生长而形成。由此可以使半导体层的表面更加平坦化，抑制半导体层内的组成起伏。横向生长时优选将炉内的生长温度设定为1000℃以上，压力设定为600Torr以下。多层的情况下，第1和第2层等的适宜膜厚为0.5～5μm。
下面作为活性层，优选使通式InxAlyGa1-x-yN(0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y≤1)表示的多重量子阱结构的半导体层生长。阱层的组成中优选In的混晶为0＜x≤0.5。阱层和屏蔽层的适宜膜厚例如为10～300、20～300，适宜总膜厚为100～3000。将总膜厚设定为10～300的范围时，能够使Vf、阈值电流密度降低。通过调整Al含量能够实现从紫外区域的发光到长波长侧的发光(例如，300nm～650nm，进而360nm～580nm)。
多重量子阱结构，可以是从屏蔽层开始以阱层结束、或从屏蔽层开始以屏蔽层结束、或从阱层开始以屏蔽层结束、或从阱层开始以阱层结束。理想的是从屏蔽层开始，重复2～8次一对阱层和屏蔽层，并以屏蔽层结束的结构。特别是重复2～3次该一对阱层和屏蔽层而形成的结构可使阈值降低，寿命特性提高，因而比较理想。
接下来，作为p侧层，使电子锁住层(可以省略)：掺杂有p型杂质的AlxGa1-xN(0≤x≤0.5)、p侧光导层：AlxGa1-xN(0≤x≤0.3)、p侧金属包层：掺杂有p型杂质的AlxGa1-xN(0≤x≤0.5)、p侧接触层：掺杂有p型杂质的AlxGa1-xN(0≤x≤1)依次生长。上述的半导体层中还可以使In混晶。各层的膜厚为30～5μm。
半导体层200也可以是在基板101的第1柱面上介助低温生长缓冲层：AlxGa1-xN(0≤x≤0.3)、中间层202：AlxGa1-xN(0≤x≤0.3)和/或开裂防止层：InxAlyGa1-x-yN(0＜x≤1、0≤y＜1、0＜x+y≤1)而使n侧层生长的结构。另外，可以使用在各层之间具有应力松弛层的结构或GRIN结构。中间层可以是单一或多层层叠结构。通过该中间层等，能够使半导体层的表面上所产生的位错(贯通位错等)、坑减少。
n侧金属包层、p侧金属包层可以是单一层结构、2层结构或由组成比相互不同的2层所构成的超晶格(SL)结构。n侧和p侧金属包层的总膜厚优选为0.4～10μm。由此可以降低顺方向电压(Vf)。另外，金属包层整体中Al的平均组成优选为0.02～0.15。由此能够抑制开裂的发生，获得和激光波导的折射率差。
n型杂质例如为Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、Cd等；p型杂质例如为Mg、Be、Zn、Mn、Ca、Sr等。杂质浓度优选为5×1016/cm3～1×1021/cm3。特别是n型杂质的掺杂量优选为1×1017/cm3～5×1019/cm3。由此可以减小电阻率，并且不损害结晶性。P型杂质的掺杂量优选为1×1019/cm3～1×1021/cm3。由此可以不损害结晶性。杂质掺杂也可以是调制掺杂。
第3工序
将在基板101上层叠半导体层200而形成的晶圆，从半导体生长装置的反应容器取出，并蚀刻n侧层以露出至n侧金属包层。由此可以使应力松弛。另外，该工序可以省略，通过蚀刻露出的面也不一定是n侧金属包层。蚀刻中可以通过RIE法利用Cl2、CCl4、BCl3、SiCl4气体等氯系气体进行。
下面如图8(b)所示，在p侧层表面形成条纹状的隆起部。
形成隆起部时，首先在p侧层的最上层即p侧接触层209的表面上形成保护膜(没有图示)。该保护膜的图案与隆起部的形状相对应。以该保护膜作为掩膜，蚀刻除去p侧层。隆起部是限定波导区域的部分，宽为1.0μm～100.0μm，高(蚀刻深度)在至少露出p侧金属包层的范围即可。共振器长优选为300μm～1000μm。当设定为单一模式的激光时，宽优选为1.0μm～3.0μm。隆起部的宽为5μm以上时，可以进行1W以上的高输出。另外，当流过大电流时，在隆起部正下方电流会急剧向横方向扩展，因而隆起部的高度优选到达p侧光导层。隆起部优选配置在上述的低位错密度区域(第1区域)的上方。
第4工序
之后如图8(c)所示，用埋入膜220保护隆起部的侧面。该埋入膜220的折射率小于半导体层，优选从绝缘性材料中选择。具体例如为ZrO2、SiO2、V、Nb、Hf、Ta、Al等的氧化物的单层或多层。
然后在p侧接触层209的隆起部的上面形成p电极230。优选在p侧接触层209及埋入膜220上形成p电极230。p电极是多层结构，优选例如Ni(50～200：下层)/Au(500～3000：上层)、Ni/Au/Pt(500～5000)或Ni/Au/Pd(500～5000)。
形成p电极230后，优选在300℃以上、更理想的是在500℃以上，在氮气和/或氧气气氛下进行欧姆退火。
下面如图8(d)所示，在经前面工序而露出的n侧层的侧面等上形成保护膜240。如图2(b)所示，该保护膜至少要覆盖n侧层和p侧层的侧面，可以不覆盖p电极230的一部分。
进而，在p电极230的上面进一步形成焊盘电极250。焊盘电极250可以设定为由Ni、Ti、Au、Pt、Pd、W等金属构成的层叠结构，例如为W/Pd/Au(1000以上)或Ni/Ti/Au(1000以上)。
第5工序
如图8(e)所示，在基板101的第2主面上形成n电极210。
n电极优选为由选自Ti、Ni、Au、Pt、Al、Pd、W、Rh、Ag、Mo、V和Hf中的至少1种金属在第2主面的一部分或整个面形成。由此可以容易地获得基板和n电极的欧姆特性，粘附性良好，在对晶圆进行分割的劈开工序等中，能够防止电极剥落。
n电极为多层结构时，最上层优选为Pt或Au。由此可以提高电极的放热性。n电极的膜厚优选10000以下，更优选6000以下。当采用多层结构的情况下，基板侧优选为V、Ti、Mo、W、Hf等(500以下，W为300以下)。如果是V的话，膜厚优选为50～300以下，更优选70～200。由此可以获得良好的欧姆特性，提高耐热性。具体可举出Ti(100：基板侧)/Al(5000)、Ti/Pt/Au(60/1000/3000)、Ti(60)/Mo(500)/Pt(1000)/Au(2100)、Ti(60)/Hf(60)/Pt(1000)/Au(3000)、Ti(60)/Mo(500)/Ti(500)/Pt(1000)/Au(2100)、W/Pt/Au、W/Al/W/Au、Hf/Al、Ti/W/Pt/Au、Ti/Pd/Pt/Au、Pd/Pt/Au、Ti/W/Ti/Pt/Au、Mo/Pt/Au、Mo/Ti/Pt/Au、W/Pt/Au、V/Pt/Au、V/Mo/Pt/Au、V/W/Pt/Au、Cr/Pt/Au、Cr/Mo/Pt/Au、Cr/W/Pt/Au等。形成n电极后，可以在300℃以上进行退火。
n电极优选在第2主面侧的除了在后面的使基板条形化(バ-化)的划线工序中将成为划线的区域的范围内，形成为矩形形状。n电极上还可以形成和n电极同样图案的金属化电极。由此划线将会变得容易，提高劈开性。金属化电极具体为：Ti-Pt-Au-(Au/Sn)、Ti-Pt-Au-(Au/Si)、Ti-Pt-Au-(Au/Ge)、Ti-Pt-Au-In、Au/Sn、In、Au/Si、Au/Ge等。
另外，该基板的第2主面上还可以形成偏角和凹凸台阶。
通过形成凹凸台阶当以第2主面设为(000-1)面时，就能够使(0001-1)面以外的倾斜面露出。(000-1)面以外的倾斜面优选是显示n极性的面中的表面积的0.5％以上，更优选1～20％。由此可以提高n电极的欧姆特性。
其中，台阶是指界面台阶为0.1μm以上且台阶形状例如为锥形、倒锥形的结构。台阶的平面形状可以选择为条纹状、格子状、岛状、圆状或多角形、矩形、梳形、网状。例如，如果形成圆状的凸部，则圆状凸部的直径可以设定为5μm以上。如果具有宽至少在3μm以上的凹部沟部的区域时，就不会发生电极的剥落，因而比较理想。
在第2主面中，为了露出(000-1)面以外的倾斜面，偏角在0.2～90°的范围形成为宜。
第6工序
沿与条纹状的p电极230垂直的方向，将晶圆分割成条形(バ-)状以形成半导体层的共振面。共振面优选设定为M面(1-100)、A面(11-20)。分割方法有刀片分割、滚筒分割或压力分割等。
该分割中，优选通过先形成劈开辅助沟后再进行分割的2阶段进行。由此能够以高合格率形成共振面。
也就是说，首先从基板的第1或第2主面侧通过划线形成劈开辅助沟。该沟形成在晶圆的整个面或将要成为条形的区域的晶圆的两端。理想的是在形成条形的劈开方向上，相隔一定距离以虚线状形成沟。由此可以抑制劈开方向弯曲，能够容易地进行劈开。另外，通过在第2主面形成该沟，能够抑制FFP的波动，防止电极的剥落。
下面通过分割器(ブレイカ一)将晶圆分割成条形状。劈开方法有刀片分割、滚筒分割或压力分割等。
在通过劈开形成的共振面的光反射侧和/或光出射面上可以形成反射镜。反射镜可以利用SiO2、ZrO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5等的介电体多层膜形成。尤其是在出射端面一侧优选Al2O3或Nb2O5。由此可以改善寿命特性。如果是通过劈开形成的共振面，就能够以良好再现性形成反射镜。
进而对成条形状的基板在与电极的条纹方向平行的方向上进行分割，然后将元件片(チツプ)化。片化后的形状优选为矩形，共振面的宽优选为500μm以下，更优选400μm以下。
如上所述地得到的激光元件具有FFP的波动得到了抑制的长寿命的特性。而且由于是对置电极结构的元件，因而接触电阻率能够减小到1.0E-3Ωcm2以下。
该元件也可以是在基板上具有多个波导区域的激光元件，也可以是具有宽隆起部的激光元件。
另外，本发明的元件优选主要在第1导电型(如n型)层和第2导电型(如p型)层之间具有包括活性层的中心区域。
其中，中心区域是指光波导区域，即能够将由活性层所发出的光锁住，使光波在不衰减的情况下完成波导的区域。通常由活性层和夹住该活性层的光导层构成中心区域，其适宜膜厚为100～1.5μm。
对构成n型和p型层的半导体层没有特殊限定，例如可举出上述的氮化物半导体层。
该元件中，优选在n型和p型层的至少一方中，尤其是n型层中，邻接于中心区域的最外层，依次配置第1氮化物半导体层(以下称作“第1层”)和第2氮化物半导体层(以下称作“第2层”)。
n型层中，第1层和第2层分别作为调整光的出射角的层、光导层和金属包层而起作用，通过上述层的层叠能够调整它们的功能。
即，通过使n层或p层多层化，尤其使n层多层化，可使F.F.P.变窄，能够在不减少活性层的增益的情况下扩大N.F.P。由此可以维持阈值电流。进而，能够将光的出射角度调整为向上、向下，提高光输出效率，得到聚光率良好的元件。
另外，第1层和中心区域的最外层、第2层和第1层的折射率最好互不相同，特别理想的是，第1层具有比中心区域的最外层更低的折射率和/或第2层具有比第1层具有更低的折射率。上述的层优选设定为从中心区域的最外层开始折射率依次变低。由此通过锁住稳定的光，能够使由活性层照射的光束稳定化。其结果作为激光光源的应用可以得到扩展。
还有，中心区域的最外层和第1层的折射率差(Δn1)和/或第1层和第2层的折射率差(Δn2)优选为0.004～0.03。由此可以更加适当地调整活性层所发出的光的停留区域，能够锁住稳定的光。其结果能够控制F.F.P的扩展角。
另外，n型层中，与中心区域的最外层邻接而形成的层不限于2层，可以形成3层以上，例如m层(m≥2)。其上限没有特殊限定。从光的锁住效果方面考虑，优选10层以下、进而8层以下、更进一步优选6层以下。特别是中心区域的最外层和第m层之间的折射率差(Δnm)优选为0.008～0.05，更优选0.07～0.05的范围。通过设定为上述范围，可以减缓光的锁住，从而能够在控制F.F.P的扩展角的同时防止光的泄漏。
n型层的折射率通常可以通过其组成调整，例如，增大Al的混晶比可以使折射率变小。又如，为了获得第1层和第2层之间的0.004～0.03的折射率差，优选将两者中的Al的组成比之间设定0.01～0.07的差异。
另外，当第1层和/或第2层由X层和Y层的超晶格结构构成时，只变化其中任何一层的膜厚，例如通过使第1层中X层变厚，第2层中X层变薄，就能够调整n型层的折射率。
n型层中，第1层和第2层的膜厚优选为1000～10000。当形成第1层到第m层时，其总膜厚优选为2000～40000。
特别是当n型层含有AlxGa1-xN(0＜x＜1)时，优选至少在离中心区域的最外层有500～5000的位置配置具有0.004～0.03折射率差的层，在1500～20000的位置配置具有0.004～0.03折射率差的层，更优选再在2500～25000的位置配置具有0.004～0.03折射率差的层。由此，不管其组成和膜厚如何，都能够防止层内部的开裂的发生。从而能够实现更加适宜的光的锁住。
当n型氮化物半导体层侧具有m层的n型氮化物半导体层，并且p型氮化物半导体层中含有第1p型半导体层，第m的n型氮化物半导体层具有比第1p型氮化物半导体层更高的折射率时，通过加强p侧的光的锁住效果，能够进行更加稳定的光的锁住。而且通过使n侧的锁住弱于p侧，能够防止n侧的缺陷的发生。
如果n型层中形成了上述的第1层和第2层，则p型层中不一定要形成第1层和第2层。当p型层上形成了第1层时，对于该第1层和中心区域的最外层之间的折射率差没有特殊限定，例如0.01～0.2为宜。第1层优选比中心区域的最外层的折射率小。由此可以确实进行光的锁住。另外第m层和第1层之间的折射率差优选为0.004～0.03。第1层的折射率优选比第m层的折射率小。第1层的膜厚优选为1000-10000。第1层优选形成为层叠GaN和AlGaN的超晶格结构。另外，即使为了使p层的折射率比n侧小，将Al的混晶比设定得较高，通过使其膜厚薄膜化也能够防止内部的开裂的发生，保持设备的稳定性，即能够使泄漏电流减少。
光导层由氮化物半导体构成，只要具有足够的形成波导所需的能量禁带宽度，则对其组成、膜厚等没有特殊限定，可以具有单层、多层、超晶格层中的任何一种结构。具体为，在波长为370～470nm时使用GaN，在比之更长的波长下使用InGaN/GaN的多层或超晶格层为宜。构成光导层的氮化物半导体的组成、膜厚、结构等在n侧和p侧中可以相同，也可以不同。
本发明中，中心区域、n型层和p型层的具体的层叠结构例如可举出：
第1p型氮化物半导体层：AlGaN单层、AlGaN/GaN的多层或超晶格层、
p型光导层：AlGaN单层、GaN单层、AlGaN/GaN的多层或超晶格层、
活性层：InGaN单层、InGaN/InGaN的多层或超晶格层、InGaN/GaN的多层或超晶格层、
n型光导层：GaN单层、InGaN单层、AlGaN单层、GaN/AlGaN的多层或超晶格层、InGaN/AlGaN的多层或超晶格层、AlGaN/AlGaN的多层或超晶格层、
第1n型氮化物半导体层：AlGaN单层、GaN/AlGaN的多层或超晶格层、InGaN/AlGaN的多层或超晶格层、AlGaN/AlGaN的多层或超晶格层、
第2n型氮化物半导体层：AlGaN单层、GaN/AlGaN的多层或超晶格层、InGaN/AlGaN的多层或超晶格层、AlGaN/AlGaN的多层或超晶格层等。上述的层可以任意组合。特别是超晶格层的情况下，通过使一个层或两个层中，使其组成变化或膜厚变化或组合和膜厚变化，能够对各层的折射率和折射率差进行如上所述的设定。
下面表示本发明的元件的实施例。
实施例1
该实施例的半导体激光元件的结构如图1(b)和图2(a)所示。
该激光元件中，在作为主面的位错密度为1×106/cm2以下，并且相对于(0001)面的偏角为0.3°的由GaN所构成的基板101上，介入低温生长缓冲层(没有图示)和中间层(没有图示)，依次层叠有n侧金属包层203、n侧光导层204、活性层205、p侧罩层206、p侧光导层207、p侧金属包层208、p侧接触层209。
在p侧接触层209的表面形成有条纹状的隆起部，隆起部的两侧露出了p侧金属包层208表面。
在p侧金属包层208的露出的面和隆起部的侧面形成有埋入层220。
与隆起部的上面接触并经过埋入膜220上的区域形成有p电极230。从p电极230上的一部分开始形成有覆盖上述的半导体的层叠体的侧面的保护膜240。
另外，在p电极230的上面形成有p焊盘电极，在GaN基板101的背面形成有n电极210。
如上所述的半导体激光元件可以通过以下的制造方法形成。
氮化物半导体基板101
首先在MOCVD反应装置内配置由蓝宝石或GaAs构成的异种基板，将温度设定为500℃。然后使用三甲基镓(TMG)、氨(NH3)使由GaN形成的缓冲层(200)生长。之后将温度设定为1050℃，使由GaN形成的第1氮化物半导体层(4μm)生长。
接着，将晶圆从反应容器取出，在该第1氮化物半导体的表面形成条纹状的光掩膜，通过CVD装置形成由条纹宽10～300μm、条纹间隔(窗部)5～300μm的SiO2构成的保护膜。
然后将晶圆转移到HVPE装置，使用Ga金属、HCl气体和氨作为原料，一边掺杂作为n型杂质的硅(Si)或氧(O)一边使由GaN形成的第2氮化物半导体(400μm)生长。如上所述，用HVPE法使100μm以上的GaN厚膜在保护膜上生长，能够使结晶缺陷减少2位以上。
通过除去异种基板可得到由第2氮化物半导体层构成的GaN氮化物半导体基板101。基板101的膜厚为400μm左右，至少在要形成波导的区域中，位错密度为1×106/cm2以下。
将得到的基板101倾斜规定角度安装在干蚀刻装置上，通过施加干蚀刻在基板101的主面((0001面))上相对于该主面，沿要形成隆起部的方向上赋予0.3°的偏角a。
n侧金属包层203
接着在1000℃～1080℃使用TMA(三甲基铝)、TMG、氨、硅烷气体，使由掺杂了1×1018/cm3～1×1019/cm3Si的Al0.03Ga0.97N形成的n侧金属包层(膜厚2μm)生长。
n侧光导层204
然后停止硅烷气体，在1000℃～1080℃使由无掺杂GaN形成的n侧光导层(0.175μm)生长。该层中也可以掺杂n型杂质，也可以含有IN。
活性层205
接着将温度设定为900℃以下，使由掺杂了Si的In0.02Ga0.98N形成的屏蔽层(140)生长，然后在同一温度下，使由无掺杂In0.07Ga0.93N形成的阱层(70)生长。屏蔽层和阱层交替地层叠2次，在最后形成屏蔽层，形成总膜厚为560的多重量子阱结构(MQW)的活性层。
p侧罩层206
接着在900℃或升温后，使用TMG、TMA、氨、Cp2Mg(环戊二烯镁)，使禁带宽度能量大于p侧光导层的、由掺杂了1×1019/cm3～1×1020/cm3Mg的p型Al0.25Ga0.75N形成的p侧罩层(100)生长。该层可以省略。
p侧光导层207
然后停止Cp2Mg、TMA，在1000℃～1050℃使禁带宽度能量小于p侧罩层10的、由无掺杂GaN形成的p侧光导层(约0.14μm)生长。该层中也可以掺杂p型杂质，也可以含有In。
p侧金属包层208
之后在1000℃～1050℃使由无掺杂Al0.10Ga0.90N形成的层(25)生长，然后停止TMA，使由掺杂有Mg的GaN形成的层(25)生长，使总膜厚为0.4μm的由超晶格层形成的p侧金属包层生长。
p侧接触层209
在1050℃，在p侧金属包层的上面，使由掺杂了1×1020/cm3Mg的p型GaN形成的p侧接触层(150)生长。
接着将晶圆从反应容器取出，在最上层的p侧接触层的表面形成由SiO2构成的保护膜作为掩膜，通过RIE用SiCl4气体进行蚀刻。由此使n侧金属包层203露出。
在p侧接触层209的表面形成由条纹状的SiO2构成的保护膜作为掩膜，通过RIE用SiCl4气体进行蚀刻。由此形成条纹状的作为波导区域的隆起部。
然后用由ZrO2构成的埋入层220保护隆起部的侧面。
另外，在作为波导区域的隆起部的端面附近，使用光刻技术在离隆起部有一定距离的位置形成具有多个开口部的抗蚀图，通过RIE用SiCl4气体进行蚀刻，直至到达n侧金属包层。由此在p侧接触层的表面形成如六角形的凹部。凹部的顶点间的最长距离为1～10μm，优选2～5μm。通过该凹部的形成能够抑制波动。该工序也可以省略。
接着在p侧接触层209和埋入层220上的表面形成由Ni(100)/Au(1500)构成的p电极230。
之后通过溅射法使由Si氧化膜(SiO2)构成的保护膜240(0.5μm)在p电极230上和埋入膜220上和半导体层的侧面成膜。
然后在600℃进行欧姆退火。
接着在没被保护膜覆盖的露出的p电极230上连续地依次形成Ni(1000)/Ti(1000)/Au(8000)，形成p焊盘电极250。
之后在基板的第2主面形成由V(100)/Pt(2000)/Au(3000)构成的n电极210。
接着在基板的第1主面侧形成凹部沟(深度：10μm，与共振面平行的方向的宽：50μm，垂直方向的宽：15μm)。以该沟作为劈开辅助线，从基板的n电极的形成面侧劈开，得到以劈开面(1-100面，相当于六角柱状结晶的侧面的面＝M面)为共振面的条形(バ-)。
在共振器面上形成介电体多层膜。
最后在与p电极230平行的方向上分割为条形，经片(チツプ)化得到半导体激光元件。
把得到的多个激光元件分别设置在散热器上，对p电极进行电缆结合，室温下进行了激光振荡试验。其结果，所有的激光元件在振荡波长400～420nm、阈值电流密度2.9kA/cm2、室温的条件下都显示出了良好的连续振荡特性。而且能够以良好再现性制造共振面上无劈开伤且如图9所示在投入电流为140～170mA、光输出为CW80mW、工作温度为70℃的状态下使用寿命为1万小时的寿命特性尤其良好的激光元件。
对隆起部的下面以及距离活性层表面有100μm～400μm的深度方向的断面，通过微型·光致发光器(μ-PL)测定了该激光元件的活性区域的In组成的起伏。
结果如图6所示，活性层的In组成的起伏得到了抑制。
另外作为比较，对除基板没有偏角外其它和实施例1同样制作的元件也进行了同样的测定。结果如图5所示，活性层的In的组成起伏较大。
实施例2
除按照下表所示的构成变化以外，制作实质上和实施例1同样的激光元件。
表1
p侧金属包层 Mg掺杂Al0.1Ga0.9N(0.5μm)
p侧光导层 无掺杂GaN(0.2μm)
活性层 Si掺杂In0.1Ga0.9N屏蔽层(700)和无掺杂In0.2Ga0.8N阱层(30)GaN屏蔽层(700)
n侧光导层 无掺杂GaN(0.2μm)
n侧金属包层 Si掺杂Al0.1Ga0.9N(1μm)
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长460～480nm、阈值电流密度2.9kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。
而且能够以良好再现性制造共振面上无劈开伤且在光输出为CW80mW、工作温度为60℃的状态下使用寿命为3000小时的寿命特性尤其良好的长波长激光元件。
实施例3
该实施例中使用的GaN基板是，以C面(0001)为主面，相对于M面(1-100)，垂直方向上倾斜的偏角a为0.23°、平行方向上倾斜的偏角b为0.06°。
另外，在该GaN基板的第1和第2主面上，由C面(0001)构成的第1区域(1st)和由(000-1)面构成的第2区域(2nd)分别以400μm和20μm的间隔形成。该实施例的激光元件具有下表所示的构成。除此之外，其它实质上和实施例1相同。
表2
p侧金属包层 无掺杂Al0.10Ga0.90N(25)和Mg掺杂GaN(25)的超晶格层(总膜厚0.45μm)
p侧光导层 无掺杂GaN(0.125μm)
n侧光导层 无掺杂GaN(0.19μm)
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长400～420nm、阈值电流密度2.9kA/cm2、室温条件下显示了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造共振面上无劈开伤且在光输出为CW80mW、工作温度为70℃的状态下使用寿命为1万小时的寿命特性尤其良好的激光元件。
通过微型·光致发光器(μ-PL)测定该激光元件的活性区域的混晶起伏。
结果如图10(a)所示，在第1区域内波长均匀。
另外，还观察了氮化物半导体层的表面状态。
结果如图10(b)所示，在第1区域内半导体层的表面台阶为0.1μm以下，已完成了平坦化。
实施例4～8
除了将偏角a(θa)和偏角b(θb)设定为下表所示的值以外，制作和实施例3实质上相同的元件。
表3
    θa     θb
    实施例4     0.20     0.14
    实施例5     0.30     0.10
    实施例6     0.23     0.06
    实施例7     0.20     0.14
    实施例8     0.30     0.10
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡，所有的都和实施例3同样地获得了长寿命以及优良的表面平坦性。
实施例9
除了GaN基板的偏角a为0.3°、偏角b为0.05°，并且具有下表所示的构成之外，其它实质上和实施例1相同。
表4
 p接触层 GaN：15nm
 p金属包层 (Al0.10Ga0.90N：2.5nm/GaN：2.5nm)超晶格层(平均Al混晶0.050)：450nm
 p光导层 GaN：145nm
 p罩层 Al0.25GaN0.75N：10nm
 活性层(MQW) 最上屏蔽层 In0.02Ga0.98N：14nm
2nd阱层 In0.07Ga0.93N：7nm
2nd屏蔽层 In0.02Ga0.98N：14nm
1st阱层 In0.07Ga0.93N：7nm
1st屏蔽层 In0.02Ga0.98N：14nm
 n光导层 GaN：170nm
 n金属包层 n-Al0.036Ga0.964N：2000nm
隆起部宽 7.0μm
共振器长 650μm
隆起部深 将p光导层蚀刻50～100nm
埋入膜 ZrO2：200nm
p电极 Ni：10nm/Au：150nm
n电极 V：10nm/Ti：200nm/Au：300nm
片(チツプ)厚 80μm
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长403～407nm、阈值电流密度1.8～2.0kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造在光输出为CW200mW、工作温度为25℃的状态下使用寿命为10000小时以上的寿命特性尤其良好的激光元件。
实施例10
除了GaN基板的偏角a为0.3°，偏角b为0.05°，并且具有下表所示的构成之外，实质上是和实施例1相同的元件。
表5
 p接触层 GaN：15nm
 p金属包层 (Al0.12Ga0.88N：2.5nm/Al0.07Ga0.93N：2.5nm)超晶格层(平均Al混晶0.09)：450nm
 p光导层 Al0.05Ga0.95N：165nm
 p罩层 Al0.30Ga0.70N：13nm
 活性层(SQW) 最上屏蔽层 AlGaN：5nm
阱层 In0.02Ga0.98N：15nm
屏蔽层 InGaN：7nm
 n光导层 Al0.05Ga0.95N：145nm
 n金属包层 n-Al0.10Ga0.90N：700nm
 InGaN缓冲层 n-In0.050Ga0.95N：150nm
 AlGaN缓冲层 Al0.02Ga0.98N
隆起部宽 2.0μm
共振器长 650μm
隆起部深 将p光导层蚀刻100nm
埋入膜 ZrO2：200nm
p电极 Ni：10nm/Au：150nm
n电极 V：10nm/Ti：200nm/Au：300nm
片厚 80μm
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长373～376nm、阈值电流密度3.4～3.5kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造在光输出为CW30mW、工作温度为25℃的状态下使用寿命为8000小时的寿命特性尤其良好的激光元件。
实施例11
除了GaN基板的偏角a为0.3°，偏角b为0.05°，并且具有下表所示的构成之外，是和实施例1实质上相同的元件。
表6
 p接触层 GaN：15nm
 p金属包层 (Al0.12Ga0.88N：2.5nm/Al0.07Ga0.93N：2.5nm)超晶格层(平均Al混晶0.09)：450nm
 p光导层 Al0.05Ga0.95N：165nm
 p罩(cap)层 Al0.30GaN0.70N：13nm
 活性层(SQW) 最上屏蔽层 AlGaN：5nm
阱层 In0.02Ga0.98N：15nm
屏蔽层 InGaN：7nm
 n光导层 Al0.05Ga0.95N：145nm
 n金属包层 n-Al0.10Ga0.90N：700nm
 InGaN缓冲层 n-In0.050Ga0.95N：150nm
 AlGaN缓冲层 n-Al0.02Ga0.98N
隆起部宽 7.0μm
共振器长 650μm
隆起部深 将p光导层蚀刻100nm
埋入膜 ZrO2：200nm
p电极 Ni：10nm/Au：150nm
n电极 V：10nm/Ti：200nm/Au：300nm
片厚 80μm
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长373～376nm、阈值电流密度2.2～2.3kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造在光输出为CW100mW、工作温度为25℃的状态下使用寿命为1000小时以上的寿命特性尤其良好的激光元件。
实施例12
除了GaN基板的偏角a为0.3°，偏角b为0.05°，并且具有下表所示的构成之外，是和实施例1基本相同的元件。
表7
 p接触层 GaN：15nm
 p金属包层 (Al0.12Ga0.88N：2.5nm/GaN：2.5nm)超晶格层(平均Al混晶0.050)：450nm
 p光导层 GaN：300nm
 p罩层 Al0.20Ga0.80N：10nm
 活性层(MQW) last屏蔽层 In0.02Ga0.98N：70nm
2nd阱层 In0.11Ga0.89N：3nm
2nd屏蔽层 GaN：14nm
1st阱层 In0.11Ga0.89N：3nm
GaN GaN：1nm
1st屏蔽层 In0.02Ga0.98N：70nm
 n光导层 GaN：300nm
 n金属包层 n-Al0.06Ga0.94N：1500nm
 InGaN缓冲层 n-In0.05Ga0.95N：130nm
 AlGaN缓冲层 n-Al0.02Ga0.98N：500nm
隆起部宽 2.0μm
共振器长 600μm
隆起部深 将p光导层蚀刻180nm
埋入膜 ZrO2：200nm
p电极 Ni：10nm/Au：150nm
n电极 V：10nm/Ti：200nm/Au：300nm
片厚 80μm
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长442～449nm、阈值电流密度2.5kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造在光输出为CW30mW、工作温度为50℃的状态下使用寿命为10000小时的寿命特性尤其良好的激光元件。
实施例13
除了GaN基板的偏角a为0.3°，偏角b为0.05°，并且具有下表所示的构成之外，是和实施例1基本相同的元件。
表8
 p接触层 GaN：15nm
 p金属包层 (Al0.12Ga0.88N：2.5nm/GaN：2.5nm)超晶格层(平均Al混晶0.050)：450nm
 p光导层 GaN：300nm
 p罩层 Al0.20Ga0.80N：10nm
 活性层(MQW) 最上屏蔽层 In0.02Ga0.98N：70nm
2nd阱层 In0.11Ga0.89N：3nm
2nd屏蔽层 GaN：14nm
1st阱层 In0.11Ga0.89N：3nm
GaN GaN：1nm
1st屏蔽层 In0.02Ga0.98N：70nm
 n光导层 GaN：300nm
 n金属包层 n-Al0.06Ga0.94N：2000nm
 InGaN缓冲层 n-In0.05Ga0.95N：130nm
 AlGaN缓冲层 n-Al0.02Ga0.98N：500nm
隆起部宽 7.0μm
共振器长 600μm
隆起部深 将p光导层蚀刻180nm
埋入膜 ZrO2：200nm
p电极 Ni：10nm/Au：150nm
n电极 V：10nm/Ti：200nm/Au：300nm
片厚 80μm
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长442～449nm、阈值电流密度1.7～1.8kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造在光输出为CW150mW、工作温度为25℃的状态下使用寿命为10000小时的寿命特性尤其良好的激光元件。
实施例14
除了GaN基板的偏角a为0.3°，偏角b为0.05°，并且具有下表所示的构成之外，是和实施例1基本相同的元件。
表9
 p接触层 GaN：15nm
 p金属包层 (Al0.14Ga0.86N：2.5nm/Al0.06Ga0.94N：2.5nm)超晶格层(平均Al混晶0.10)：450nm
 p光导层 InGaN(0.5nm)/GaN(2nm)超晶格层：300nm
 p罩层 Al0.20Ga0.80N：10nm
 活性层(MQW) 最上屏蔽层 In0.02Ga0.98N：70nm
2nd阱层 In0.11Ga0.89N：3nm
2nd屏蔽层 GaN：14nm
1st阱层 In0.11Ga0.89N：3nm
GaN GaN：1nm
1st屏蔽层 In0.02Ga0.98N：70nm
 n光导层 InGaN(0.5nm)/GaN(2nm)SL：300nm
 n金属包层 (Al0.14Ga0.86N：2.5nm/Al0.06Ga0.94N：2.5nm)超晶格层(平均Al混晶0.10)：1000nm
 InGaN缓冲层 n-In0.050Ga0.95N：130nm
 AlGaN缓冲层 n-Al0.02Ga0.98N：500nm
隆起部宽 2.5μm
共振器长 600μm
隆起部深 将p光导层蚀刻180nm
埋入膜 ZrO2：200nm
p电极 Ni：10nm/Au：150nm
n电极 V：10nm/Ti：200nm/Au：300nm
片厚 80μm
和实施例1同样地使得到的元件进行激光振荡。
在振荡波长467～475nm、阈值电流密度2.9kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造在光输出为CW20mW、工作温度为50℃的状态下使用寿命为5000小时的寿命特性尤其良好的激光元件。
比较例1～3
除了设定为下表所示的偏角以外，制作和实施例3基本相同的元件。
表10
  θa   θb   活性区域的混晶起伏   氮化物半导体层的表面状态
  比较例1   -0.04°   0.03°   图11(a)   图11(b)：表面台阶为0.2μm以上
  比较例2   0.02°   0.26°   图12(a)   图12(b)：表面台阶为0.1μm以上(共振器长方向和横方向)
  比较例3   -0.13°   0.20°   图13(a)   图13(b)：表面台阶为0.2μm以上
和实施例3同样地对上述元件的活性区域的混晶起伏和氮化物半导体层的表面状态进行测定。结果所有的比较例中，在第1区域内波长变得不均匀。而且在第1区域内半导体层有台阶，没有被平坦化。
实施例15
除了如下所述地改变半导体层的构成以外，制作了和实施例1基本相同的该实施例的元件。
-作为n侧层中的第2层，具有重复了220次Al0.08Ga0.92N(25)/GaN(25)的总膜厚1.1μm的超晶格结构(平均Al混晶为4％)；
-作为第1层，具有重复了60次Al0.05Ga0.95N(25)/GaN(25)的总膜厚3000的超晶格结构(平均Al混晶为2.5％)；
-作为中心区域中的n型光导层，具有GaN层(1700)；
-作为活性层，具有重复2次由In0.05Ga0.95N构成的屏蔽层(140)/由In0.1Ga0.9N构成的阱层(70)，其上面形成了由In0.05Ga0.95N构成的屏蔽层(300)的总膜厚约720的多层量子阱结构(MQW)；
-作为p型光导层，具有GaN(1500)；
-作为p侧层中的第1层，具有重复了300次Al0.1Ga0.9N(20)/GaN(20)的总膜厚4500的超晶格结构(平均Al混晶为4.9％)。
另外，将p电极设定为Ni/Au，n电极设定为Ti/Al，作为焊盘电极，形成了Ni-Ti-Au(1000-1000-8000)。共振器长为650μm。
该元件中，所有激光元件在振荡波长405nm、阈值电流密度2.8kA/cm2、室温的条件下显示出了良好的连续振荡。而且能够以良好再现性制造共振面上无劈开伤且在光输出为CW5mW、工作温度为60℃的状态下使用寿命为2000小时以上的寿命特性尤其良好的激光元件。
另外，分别测定了该元件的扩展角和形状比，和下述的比较例的元件进行了比较。其结果，扩展角能够减小约8％，形状比能够减小约6％。
比较例是在上述的元件中，不设置第2的n型氮化物半导体层和第1氮化物半导体层，而是作为n型金属包层通过重复Al0.08Ga0.92N(25)/GaN(25)，只形成了1层总膜厚1.4μm的超晶格结构(平均Al混晶为4％)。
实施例16
该实施例中除了将n侧层的第2层设定为超晶格结构的2层结构之外，其它和实施例15的元件相同。也就是将温度设定为1050℃，作为原料气体使用TMA、TMG和氨，使由无掺杂的Al0.12Ga0.88N构成的A层生长为25的膜厚，然后停止TMA，作为杂质气体使用硅烷气体，使由掺杂了5×1018/cm3Si的GaN构成的B层生长为25的膜厚。然后分别重复160次该操作以层叠A层和B层，形成由总膜厚8000的多层膜(超晶格结构)构成的第2的n型氮化物半导体层的下层。该第2层的下层的平均Al混晶为6％。
接着将温度设定为1050℃，作为原料气体使用TMA、TMG和氨，使由无掺杂的Al0.08Ga0.92N构成的A层生长为25的膜厚，然后停止TMA，作为杂质气体使用硅烷气体，使由掺杂了5×1018/cm3 Si的GaN构成的B层生长为25的膜厚。然后分别重复60次该操作以层叠A层和B层，形成由总膜厚3000的多层膜(超晶格结构)构成的第2层的上层。该第2层的上层的平均Al混晶为4％。
之后和实施例15同样地形成第1n型氮化物半导体层以后的层，得到氮化物半导体元件。
对得到的元件进行和实施例1同样的评价，测定扩展角和形状比。
其结果得到了和实施例1同样的效果。
另外，和上述的比较例相比，扩展角能够减小约20％，形状比能减小约13％。也就是说，由于光的锁住效果得到了缓和，能够抑制F.F.P.中的光的扩展角度，由此能够使形状比减小。
本发明的元件可以应用于光盘、光通信系统、印刷机、光通信系统、曝光、测定等的各种设备。另外，通过向对于特定波长(470～490nm附近)具有感度的物质照射由本发明的元件得到的光，能够检测出有无该物质或其位置，因而能够用于和生物有关的激发光源等。

Claims (29)

1.一种氮化物半导体激光元件，在氮化物半导体基板的主面上具有第1导电型的氮化物半导体层、含有In的活性层、导电型不同于第1导电型的第2导电型的氮化物半导体层、和形成在所述第2导电型的氮化物半导体层上的条纹状的隆起部，其特征在于，所述氮化物半导体基板的主面上，相对于基准结晶面，至少在与所述条纹状的隆起部大致平行的方向上具有偏角a(θa)。
2.一种氮化物半导体激光元件，在氮化物半导体基板的主面上具有第1导电型的氮化物半导体层、活性层、导电型不同于第1导电型的第2导电型的氮化物半导体层、和形成在所述第2导电型的氮化物半导体层上的条纹状的隆起部，其特征在于，所述氮化物半导体基板的主面上，相对于基准结晶面，在与所述条纹状的隆起部大致平行的方向上具有偏角a(θa)，大致垂直的方向上具有偏角b(θb)。
3.如权利要求1或2所述的元件，其中所述基准结晶面为(0001)面、(11-20)面或(1-100)面。
4.如权利要求3所述的元件，其中所述氮化物半导体基板的主面具有由(0001)面构成的第1区域、和至少具有不同于第1区域的结晶生长面的第2区域。
5.如权利要求4所述的元件，其中所述第2区域为(000-1)面。
6.如权利要求4或5所述的元件，其中所述氮化物半导体基板的主面具有大致平行的所述第1区域和所述第2区域。
7.如权利要求4-6中任一项所述的元件，其中第1区域配置在隆起部的正下方。
8.如权利要求1-7中任一项所述的元件，其中满足0.1°≤|θa|≤0.7°。
9.如权利要求2-8中任一项所述的元件，其中满足|θa|＞|θb|。
10.如权利要求1-9中任一项所述的元件，其中第1导电型的氮化物半导体层包括含有横向生长的Al的层。
11.如权利要求1-10中任一项所述的元件，其中在第1导电型的氮化物半导体层和第2导电型的氮化物半导体层之间，形成有含有活性层的中心区域；所述第1导电型和第2导电型氮化物半导体层的至少一方中，从所述中心区域的最外层开始依次具有第1氮化物半导体层和第2氮化物半导体层；所述中心区域的最外层和所述第1氮化物半导体层之间以及所述第1氮化物半导体层和所述第2氮化物半导体层之间具有折射率差。
12.如权利要求11所述的元件，其中第1氮化物半导体层的折射率低于所述中心区域的最外层。
13.如权利要求11或12所述的元件，其中第2氮化物半导体层的折射率低于第1氮化物半导体层。
14.如权利要求11-13中任一项所述的元件，其中中心区域的最外层和第1氮化物半导体层的折射率差Δn1和/或第1氮化物半导体层和第2氮化物半导体层的折射率差Δn2为0.004～0.03。
15.如权利要求11-14中任一项所述的元件，其中n型氮化物半导体层从与中心区域的最外层相接的第1n型氮化物半导体层开始依次具有第m的n型氮化物半导体层，p型氮化物半导体层具有与所述中心区域的最外层相接的第1p型氮化物半导体层，第m的n型氮化物半导体层的折射率高于第1p型氮化物半导体层，其中m≥2。
16.如权利要求15所述的元件，其中第m的n型氮化物半导体层和第1p型氮化物半导体层的折射率差Δn为0.004～0.03，其中m≥2。
17.如权利要求15或16所述的元件，其中第m的n型氮化物半导体层和所述中心区域的最外层的折射率差Δnm为0.007～0.05，其中m≥2。
18.一种氮化物半导体元件，在氮化物半导体基板的主面上依次具有第1导电型的氮化物半导体层、活性层、导电型不同于第1导电型的第2导电型的氮化物半导体层，其特征在于，所述氮化物半导体基板的主面上，在相对于M面(1-100)大致垂直的方向上具有偏角a(θa)，大致平行的方向上具有偏角b(θb)，并且满足|θa|＞|θb|的关系。
19.如权利要求18所述的元件，其中满足0.1°≤|θa|≤0.7°。
20.如权利要求18或19所述的元件，其中氮化物半导体基板的主面具有由C面(0001)构成的第1区域和至少具有不同于第1区域的结晶生长面的第2区域。
21.如权利要求20所述的元件，其中第1区域和第2区域的极性被分割为条纹状。
22.如权利要求18-21中任一项所述的元件，其中第1导电型的氮化物半导体层具有含有横向生长的Al的氮化物半导体层。
23.如权利要求18-22中任一项所述的元件，其中在第1导电型的氮化物半导体层和第2导电型的氮化物半导体层之间形成有含有活性层的中心区域；所述第1导电型和第2导电型氮化物半导体层的至少一方中，从所述中心区域的最外层开始依次具有第1氮化物半导体层和第2氮化物半导体层；所述中心区域的最外层和所述第1氮化物半导体层之间以及所述第1氮化物半导体层和所述第2氮化物半导体层之间具有折射率差。
24.如权利要求23所述的元件，其中第1氮化物半导体层的折射率低于所述中心区域的最外层。
25.如权利要求23或24所述的元件，其中第2氮化物半导体层的折射率低于第1氮化物半导体层。
26.如权利要求23-25中任一项所述的元件，其中中心区域的最外层和第1氮化物半导体层的折射率差Δn1和/或第1氮化物半导体层和第2氮化物半导体层的折射率差Δn2为0.004～0.03。
27.如权利要求18-26中任一项所述的元件，其中n型氮化物半导体层从与中心区域的最外层相接的第1n型氮化物半导体层开始依次具有第m的n型氮化物半导体层，p型氮化物半导体层具有与所述中心区域的最外层相接的第1p型氮化物半导体层，第m的n型氮化物半导体层的折射率高于第1p型氮化物半导体层，其中m≥2。
28.如权利要求27所述的元件，其中第m的n型氮化物半导体层和第1p型氮化物半导体层的折射率差Δn为0.004～0.03，其中m≥2。
29.如权利要求27或28所述的元件，其中第m的n型氮化物半导体层和所述中心区域的最外层的折射率差Δnm为0.007～0.05，其中m≥2。
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