CN101902014A - 氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片及其制造方法 - Google Patents

氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片及其制造方法。该氮化物半导体芯片由于改善的EL发射图案而提供提高的发光效能。氮化物半导体激光器芯片100(氮化物半导体芯片)具有：n型GaN基板10，具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a；和氮化物半导体层20，形成于n型GaN基板10的主生长面10a上。n型GaN基板10包括：凹陷部2(雕刻区域3)，在厚度方向上从主生长面10a被雕刻；和未雕刻区域4，是未被雕刻的区域。形成于n型GaN基板10上的氮化物半导体层20具有其厚度以梯度方式朝向凹陷部2(雕刻区域3)减小的梯度厚度区域5和其厚度变化非常小的发射部形成区域6。在发射部形成区域6中，形成脊部28。

Description

氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片以及氮化物半导体芯片的制造方法。
背景技术
以GaN、AlN、InN及其混合晶体为例的氮化物半导体的特征在于：具有比AlGaInAs基和AlGaInP基半导体更宽的带隙Eg并且另外还是直接带隙材料(direct band gap materials)。因为这些原因，氮化物半导体作为用于构造例如在从紫外光至绿光的波长区域中发光的半导体激光器芯片和覆盖从紫外光至红光的宽发射波长区域的发光二极管芯片的半导体发光芯片的材料而受到关注，并且期望发现其在投影机及全彩色显示，以及环境、医疗和其它领域中的广泛应用。
另一方面，近年来，许多研究机构已经进行了积极的尝试以通过使利用氮化物半导体的半导体发光芯片的发射波长更长而实现在绿光区域发光的半导体发光芯片(绿色半导体激光器)。
通常，在使用氮化物半导体的半导体发光芯片中，采用具有六方晶系的GaN基板(氮化物半导体基板)，并且其c面((0001)面)被用作主生长面。通过堆叠包括有源层的氮化物半导体层于c面上，形成氮化物半导体发光芯片。通常，在氮化物半导体发光芯片使用氮化物半导体基板形成的情形中，包含In的有源层被使用，并且通过提高In的组成比，寻求较长的发射波长。
但是，不便的是，GaN基板的c面是在c轴方向上具有极性的极性面，因而堆叠包括有源层的氮化物半导体层于c面上引起有源层中的自发极化。此外，不便的是，当包括有源层的氮化物半导体层被堆叠于c面上时，随着In组成比提高，晶格扭曲增加，在有源层中引起归因于压电极化的强内部电场。内部电场减小了电子和空穴波函数之间的重叠，因而减小了辐射复合率。因而，在尝试在绿光区域中实现发光时提高In组成比伴随的问题是，随着发射波长加长，发光效能显著下降。
因而，为了避免自发极化和压电极化的影响，近来提议了这样的氮化物半导体发光芯片，该氮化物半导体发光芯片具有不像通常实践那样堆叠在c面上而是堆叠在m面({1-100}面)上的氮化物半导体层，其中m面是非极性面。这样的氮化物半导体发光芯片在例如JP-A-2008-91488中被公开。
上述在JP-A-2008-91488中所公开的氮化物半导体发光芯片(发光二极管芯片)被提供以非极性面的m面用作主生长面的GaN基板，并且在该主生长面(m面)上，包括有源层的氮化物半导体层被堆叠。m面是垂直于c面的晶面，因而，堆叠包括有源层的氮化物半导体层于m面上引起c轴(它是极化轴)坐落于有源层的面。因而，避免了自发极化和压电极化的影响，并且发光效能的下降被抑制。附带地，在JP-A-2008-91488中公开的氮化物半导体发光芯片(发光二极管芯片)中，从抑制表面形态劣化的观点来看，GaN基板的m面调整为使得其偏角(对准误差)不超过±1度。
如上所述，通过利用具有m面作为主生长面的氮化物半导体基板，可以获得其中归因于自发极化和压电极化的发光效能下降被抑制的氮化物半导体发光芯片。
但是，不便的是，通过对于使用具有m面作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片的(由电流注入所产生的发光，即，电致发光，简称EL)的发光效能的测量，确认了随着有源层中In组成比的提高，发光效能急剧地下降。通过对上述现象的原因进行探索的细致研究，本发明的发明人已经发现发光效能的下降是由EL发射图案(当通过电流注入光线被发出时观察到的整个面上的光分布)变为亮点化所引起。即，发明人已经发现，随着有源层中的In组成比提高，氮化物半导体发光芯片的EL发射图案变为亮点化。
具体地，当使用具有m面作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片(发光二极管芯片)被制造时并且使得通过电流注入发光时，观察到如同在图47中所示出的亮点化EL发射图案。常规地根本不知道什么条件引起该现象。通过探索原因的深入研究，已经发现，随着有源层中In的组成比的增加，EL发射图案变得愈加亮点化。这样的亮点化EL发射图案随着有源层中In组成比的提高变得更为显著，并且已经观察到亮点化EL发射图案在绿光区域周围开始尤为突出(有源层(阱层)中In的组成比为0.15或者更大)的趋势。随着In含量的进一步提高，发光亮点的数量(发光的面积)减小。因而，在亮点化EL发射图案和In组成比之间观察到强的相关性，因而发现EL发射图案变为亮点化的现象引起随着有源层中In组成比的提高而出现的发光效能的降低。在研究中被用作氮化物半导体基板的是具有0度偏角的正基板(just substrate)(即，没有偏角的基板)。
上述亮点化EL发射图案是在使用具有非极性面，具体地m面，作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片中显著的现象。
如以上所述，已经发现，在使用具有m面作为主生长面的氮化物半导体基板的氮化物半导体发光芯片中，与使用c面的氮化物半导体发光芯片不同，归因于自发极化和压电极化的发光效能的下降被抑制，但是存在归因于亮点化EL发射图案的发光效能较低的问题。在使用m面的氮化物半导体发光芯片中，这样的亮点化EL发射图案引起巨大的问题因为它妨碍了发射波长的加长。具体地，在半导体激光器芯片中，低发光效能是严重的问题因为它导致低增益。
另一方面，在例如氮化物半导体激光器芯片的氮化物半导体发光芯片(氮化物半导体芯片)中，当氮化物半导体层在氮化物半导体基板的m面上生长时，氮化物半导体基板和氮化物半导体层之间的晶格常数、热膨胀系数等的差异会在氮化物半导体层中产生应变，并且该应变会引起裂纹在氮化物半导体层中发展。氮化物半导体层中裂纹的发展减少了从单个晶片获得的合格芯片的数量，因而导致良率较低的问题。裂纹的发展还减小了可靠性并且劣化例如发光寿命的芯片特性。因而从芯片生产的观点来看，非常重要的是抑制裂纹的发展。
具体地，在紫外区域中发光的半导体发光芯片或者在绿光区域中发光的半导体发光芯片(例如，绿色半导体激光器)的制造中，为了有效的光限制，可以在基板上形成其晶格常数与基板差异巨大的半导体层。在该情形中，非常容易发展裂纹，导致极其难于提高芯片特性和增加良率的问题。
发明内容
本发明被设计以克服上述问题，本发明的目标是提供由于改善的EL发射图案而提供增强的发光效能的氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片和氮化物半导体芯片的制造方法。
本发明的另一目标是提供芯片特性被增强且良率被增加的氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片和氮化物半导体芯片的制造方法。
本发明的再一目标是提供具有与高可靠性相结合的极佳的芯片特性的氮化物半导体芯片，并且提供这样的半导体芯片的制造方法。
通过考虑到上述问题而进行的各种实验和深入研究，本发明的发明人已经发现：可以通过使用相对于m面具有偏角的面作为氮化物半导体基板的主生长面而抑制亮点化EL发射图案。
具体地，根据本发明的第一方面，氮化物半导体晶片被提供有：氮化物半导体基板，具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；以及氮化物半导体层，形成于氮化物半导体基板的主生长面上。这里，氮化物半导体基板包括：雕刻区域，是在厚度方向上从主生长面被雕刻的区域；以及未雕刻区域，是未被雕刻的区域。在本发明中，“氮化物半导体基板”包括其中雕刻区域和未雕刻区域由氮化物半导体形成的基板。
如上所述，在根据第一方面的氮化物半导体晶片中，相对于m面在a轴方向上具有偏角的面被取作氮化物半导体基板的主生长面，这使得可以抑制亮点化EL发射图案。也就是，利用该结构，可以改善EL发射图案。以这种方式，可以提高通过分割氮化物半导体晶片而获得的氮化物半导体芯片的发光效能。此外，通过提高发光效能，可以获得高亮度的氮化物半导体芯片。获得上述抑制亮点化发射效果的一个原因被认为是：由于相对于m面在a轴方向上具有偏角的氮化物半导体基板的主生长面，所以当氮化物半导体层在主生长面上生长时，原子的迁移方向改变。
根据第一方面，通过抑制亮点化EL发射图案，可以使EL发射图案均匀，因而可以减小驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，可以获得均匀的光发射的EL发射图案，因而可以增加氮化物半导体激光器芯片形成期间的增益。此外，利用上述结构，可以抑制亮点EL化发射图案，因而可以提高发光效能。这使得可以提高芯片特性和可靠性。也就是，通过利用如上所述结构的氮化物半导体晶片，可以获得具有极佳的芯片特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
根据第一方面，通过如上所述将在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面，可以给予在主生长面上形成的氮化物半导体层良好的结晶度。这使得裂纹不可能在氮化物半导体层中发展。此外，利用上面的结构，可以给予氮化物半导体层非常好的表面形态，因而可以获得具有均匀厚度的氮化物半导体层。因而，可以抑制氮化物半导体层由于厚度不均匀而造成的局部区域较厚的不便。由于裂纹可能在这样的较厚的区域中发展，所以通过抑制氮化物半导体层中局部较厚区域的形成，可以使裂纹更不可能发展。
根据第一方面，通过在氮化物半导体基板上形成雕刻区域，可以在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成凹度。因而，既便在氮化物半导体基板与氮化物半导体层之间的晶格常数、热膨胀系数等差异很大而导致氮化物半导体层具有应变的情形中，氮化物半导体层(在未雕刻区域上方形成的氮化物半导体层)中的应变也可以通过在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成的凹度而缓解。因而，可以有效地抑制氮化物半导体层中裂纹的发展。
这里存在的不便是：当使用具有例如m面的非极性面作为主生长面的氮化物半导体基板时，与使用具有c面作为主生长面的氮化物半导体基板的情形相比，雕刻区域内部更容易被填充。但是，通过各种研究，本发明的发明人已经发现：使用具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板使得更难以填充雕刻区域内部。因而，通过使用这样的氮化物半导体基板，可以在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上容易地形成凹度，因而可以容易地抑制裂纹的发展。
如上所述，利用根据第一方面的氮化物半导体晶片，可以有效地抑制裂纹的发展，因而可以增加从单个晶片获得的合格芯片的数量。这使得可以增加良率。抑制裂纹的发展还帮助提高芯片可靠性和芯片特性。
利用根据第一方面的氮化物半导体晶片，由于上述结构，可以获得非常有力的抑制裂纹的效果。这使得可以形成组成与氮化物半导体基板更为不同的氮化物半导体层而容易地没有发展的裂纹。因而，例如，既便在紫外区域中发光的半导体发光芯片、在绿光区域中发光的半导体发光芯片(例如，绿色半导体激光器)等被制造的情形中，也可以抑制裂纹的发展。因而，可以以高的良率制造在紫外或者绿光区域等中发光的具有提高的芯片特性的半导体发光芯片。
根据第一方面，利用上述结构，可以给予氮化物半导体层非常良好的表面形态，因而可以减小芯片特性的变化。这帮助增加具有额定范围内的特性的芯片的数量，并且这还帮助增加良率。此外，提高表面形态帮助提高芯片特性和可靠性。
在根据上述第一方面的氮化物半导体晶片中，优选氮化物半导体层包括梯度厚度区域，它形成于未雕刻区域上方并且其厚度以梯度方式朝向雕刻区域减小。利用该结构，也可以利用梯度厚度区域缓解氮化物半导体层中的应变，因而可以获得更为有力的抑制裂纹的效果。这使得可以形成组成与氮化物半导体基板更为不同的氮化物半导体层而容易地没有发展裂纹。例如，在GaN基板用作氮化物半导体基板的情形中，可以形成比之前更厚且具有更高Al组分的AlGaN层。这使得可以制造需要具有高的Al组成的氮化物半导体膜的芯片(例如，在紫外或者绿光区域发光的半导体发光芯片)及传统上难以制造的芯片。上述梯度厚度区域可以通过控制氮化物半导体基板中a轴方向上的偏角而形成得接近于雕刻区域(紧邻雕刻区域)。获得上述抑制裂纹的有力效果的原因被认为是如下：首先因为梯度厚度区域薄，所以它自身包含很少的应变；另外，由于其厚度逐渐(以梯度方式)改变，所以应变被逐渐缓解，而带来缓解应变的更为有力的效果。
在根据上述第一方面的氮化物半导体晶片中，优选雕刻区域形成为如平面图所示在c轴方向上延伸。利用该结构，可以容易地在氮化物半导体层的接近雕刻区域(紧邻雕刻区域)的部分中形成梯度厚度区域，该梯度厚度区域的厚度以梯度方式(逐渐地)朝向雕刻区域减小。雕刻区域可以形成为如在主生长面上所观察到的以±15度或者更小的角度在与c轴方向交叉的方向上延伸。此外，采用该结构，还可以容易地形成梯度厚度区域，因而可以容易地抑制氮化物半导体层中裂纹的发展。
根据本发明的第二方面，氮化物半导体芯片通过使用根据上述第一方面的氮化物半导体晶片而形成。利用该结构，可以以高的良率获得表现出改善的EL发射图案因而具有高发光效能的氮化物半导体芯片。在根据第二方面的氮化物半导体芯片中，氮化物半导体基板可以包括或者可以不包括雕刻区域；氮化物半导体基板可以包括部分雕刻区域。既便当氮化物半导体基板不包括雕刻区域，或者包括部分雕刻区域时，也可以以高的良率获得表现出改善的EL发射图案因而具有高发光效能的氮化物半导体芯片。
根据本发明的第三方面，氮化物半导体芯片被提供有：氮化物半导体基板，具有在a轴方向上具有相对于m面具有偏角的面作为主生长面；以及氮化物半导体层，形成于氮化物半导体基板的主生长面上。这里，氮化物半导体基板包括：雕刻区域，它是在厚度方向上从主生长面被雕刻的区域；以及未雕刻区域，是未被雕刻的区域。
如上所述，在根据第三方面的氮化物半导体芯片中，在a轴方向上相对于m面具有偏角的面被取作氮化物半导体基板的主生长面，这使得可以抑制亮点化EL发射图案。即，采用该结构，可以改善氮化物半导体芯片的EL发射图案。以这种方式，可以提高氮化物半导体芯片的发光效能。此外，通过提高发光效能，可以获得高亮度的氮化物半导体芯片。
根据第三方面，通过抑制亮点化EL发射图案，可以使得EL发射图案均匀，因而可以减小驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，可以获得均匀发光的EL发射图案，因而可以增加氮化物半导体激光器芯片形成过程中的增益。此外，利用上述结构，可以抑制亮点化EL发射图案，因而可以提高发光效能。这使得可以提高芯片特性和可靠性。即，利用上述结构，可以获得具有极佳芯片特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
根据第三方面，如上所述通过将在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面，可以给予在主生长面上形成的氮化物半导体层良好的结晶度。这使得裂纹不可能在氮化物半导体层中发展。此外，利用上述结构，可以给予氮化物半导体层非常良好的表面形态，因而可以获得具有均匀厚度的氮化物半导体层。因而，可以抑制氮化物半导体层由于厚度不均匀而造成的的局部区域较厚的不便。由于裂纹可能在这样的较厚的区域中发展，所以通过抑制氮化物半导体层中局部较厚区域的形成，可以使裂纹更不可能发展。
根据第三方面，通过在氮化物半导体基板上形成雕刻区域，可以在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成凹度。因而，既便在氮化物半导体基板和氮化物半导体层之间的晶格常数、热膨胀系数等差异较大并且导致氮化物半导体层受到应变的情形中，氮化物半导体层(在未雕刻区域上方形成的氮化物半导体层)中的应变也可以利用在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成的凹度而缓解。因而，可以有效地抑制氮化物半导体层中裂纹的发展。
根据第三方面，使用具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板使得难以填充雕刻区域内部。因而，可以容易地在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成凹度，因而可以容易地抑制裂纹的发展。
如上所述，利用根据第三方面的氮化物半导体芯片，可以有效地抑制裂纹的发展，因而可以容易地获得允许增加良率的氮化物半导体芯片。抑制裂纹的发展还帮助提高芯片可靠性和芯片特性。
利用根据第三方面的氮化物半导体芯片，由于上述结构，可以获得非常有力的抑制裂纹的效果。这使得可以形成组成与氮化物半导体基板更为不同的氮化物半导体层而没有裂纹的发展。
根据第三方面，利用上述结构，可以给予氮化物半导体层非常良好的表面形态，并且这也帮助提高芯片特性和可靠性。
在根据上述第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体层包括梯度厚度区域，其形成于未雕刻区域上方并且其厚度以梯度方式朝向雕刻区域减小。利用该结构，也可以利用梯度厚度区域缓解氮化物半导体层中的应变，因而可以获得更为有力的抑制裂纹的效果。这使得可以形成组成与氮化物半导体基板更为不同的氮化物半导体层而容易地没有裂纹的发展。例如，在GaN基板被用作氮化物半导体基板的情形中，可以形成比以往更厚的具有较高Al组成的AlGaN层。这使得可以容易地获得要求具有高的Al组成的氮化物半导体膜的芯片(例如，在紫外或者绿光区域发光的半导体发光芯片)和传统上难以制造的芯片。上述梯度厚度区域可以通过控制氮化物半导体基板中在a轴方向上的偏角而形成得接近于雕刻区域(紧邻雕刻区域)。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选雕刻区域形成为如平面图所示在c轴方向上延伸。利用该结构，可以容易地在氮化物半导体层的接近雕刻区域(紧邻雕刻区域)的部分中形成梯度厚度区域，该梯度厚度区域的厚度以梯度方式(逐渐地)朝向雕刻区域减小。雕刻区域可以形成为如在主生长面上所观察到的以±15度或者更小的角度在与c轴方向交叉的方向上延伸。此外，采用该结构，还可以容易地形成梯度厚度区域，因而可以容易地抑制氮化物半导体层中裂纹的发展。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体基板中在a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度。采用该结构，可以容易地抑制亮点化EL发射图案。通过使a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度，还可以抑制由于a轴方向上的偏角的绝对值小于或者等于0.1度而造成的表面形态劣化的不便。因而，采用该结构，可以在获得良好表面形态的同时容易地抑制亮点化EL发射图案。
在该情形中，更优选地，氮化物半导体基板中在a轴方向上的偏角的绝对值大于或者等于0.5度。采用该结构，可以在获得良好表面形态的同时更加容易地抑制亮点化EL发射图案。此外，通过使a轴方向上的偏角的绝对值等于或者大于0.5度，可以抑制由于a轴方向上的偏角的绝对值小于0.5度造成的梯度厚度区域过大的不便，并且还可以有效地抑制通过梯度厚度区域抑制裂纹的效果(缓解应变的效果)减小的不便。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，氮化物半导体基板除了在a轴方向上具有偏角之外还可以在c轴方向上具有偏角。在该情形中，优选在a轴方向上的偏角大于在c轴方向上的偏角。利用该结构，可以更为有效地抑制亮点化EL发射图案。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体层具有包含In的有源层，并且有源层中In的组成比为0.15以上、0.45以下。采用根据第三方面的氮化物半导体芯片，既便在有源层中的In组成比大于或者等于0.15的情形中，也就是，既便在其中亮点化EL发射图案显著的条件下，也可以有效地抑制亮点化EL发射图案，因而可以获得抑制亮点化发射的突出效果。另一方面，通过使有源层中In的组成比小于或者等于0.45，可以有效地抑制由于有源层中In的组成比大于0.45造成的例如晶格失配的应变带来的有源层中大量的位错发展的不便。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体层具有包含Al的p型半导体层，并且p型半导体层中Al的组分比大于或者等于0.08但是小于或者等于0.35。这里，在本发明中，“包含Al的p型半导体层”指用于防止注入有源层的载流子(电子)流入p型半导体层的层。采用该结构，可以对载流子(电子)形成足够高的能垒，并且由此可以使p型半导体层能够充分地发挥阻挡载流子的层的作用。因而，可以更为有效地防止注入有源层的载流子流入p型氮化物半导体层，并且由此可以有效地抑制亮点化EL发射图案。以这种方式，可以进一步提高氮化物半导体芯片的发光效能。另一方面，通过使p型半导体层中的Al组成比小于或者等于0.35，可以抑制由于Al组成比过高造成的p型半导体层电阻的增加。附带地，通过使用具有在a轴方向上具有相对于m面的偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板，既便在有源层中In的组成比大于或者等于0.15但是小于或者等于0.45的情形中，也可以以大于或者等于0.08但是小于或者等于0.35的Al组成比形成具有良好结晶度的p型半导体层。这使得可以有效地抑制亮点化EL发射图案并且使EL发射图案均匀。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体层包括光波导区域，并且光波导区域位于未雕刻区域上方。利用该结构，可以容易地获得裂纹的发展被抑制的具有高发光效能、高增益的氮化物半导体芯片。
在该情形中，优选光波导区域形成为如平面图所示在c轴方向上延伸。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体层包括发光区域，并且发光区域位于未雕刻区域上方。
在上述根据第三方面的氮化物半导体芯片中，优选氮化物半导体基板由GaN形成。
根据本发明的第四方面，氮化物半导体芯片的制造方法包括：制备具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板的步骤；通过在厚度方向上雕刻氮化物半导体基板的主生长面的预定区域形成雕刻区域的步骤，该雕刻区域是被雕刻成凹陷形状的区域；以及在氮化物半导体基板的主生长面上形成氮化物半导体层的步骤。
如上所述，在根据第四方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，在a轴方向上相对于m面具有偏角的面被取作氮化物半导体基板的主生长面，并且这使得可以抑制亮点化EL发射图案。也就是，利用该方案，可以改善EL发射图案。以这种方式，可以提高氮化物半导体芯片的发光效能。此外，通过提高发光效能，可以制造高亮度的氮化物半导体芯片。
根据第四方面，通过抑制亮点化EL发射图案，可以使EL发射图案均匀，因而可以减小驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，可以获得均匀发光的EL发射图案，因而可以增加氮化物半导体激光器芯片形成过程中的增益。此外，采用上述方案，可以抑制亮点化EL发射图案，因而可以提高发光效能。这使得可以提高芯片特性和可靠性。即，采用上述方案，可以制造具有极佳的芯片特性和高可靠性的氮化物半导体芯片。
根据第四方面，通过如上所述将在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面，可以给予形成于主生长面上的氮化物半导体层良好的结晶度。这使得裂纹不可能在氮化物半导体层中发展。此外，利用上述方案，可以给予氮化物半导体层非常良好的表面形态，因而可以获得具有均匀厚度的氮化物半导体层。因而，可以抑制氮化物半导体层由于厚度不均匀而造成的的局部区域较厚的不便。由于裂纹可能在这样的较厚区域中发展，所以通过抑制氮化物半导体层中局部较厚区域的形成，可以使裂纹更不可能发展。
根据第四方面，通过在氮化物半导体基板上形成雕刻区域，可以在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成凹度。因而，既便在氮化物半导体基板和氮化物半导体层之间的晶格常数、热膨胀系数等差异较大并且导致氮化物半导体层受到应变的情形中，氮化物半导体层(在未雕刻区域上方形成的氮化物半导体层)中的应变也可以利用在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成的凹度而缓解。因而，可以有效地抑制氮化物半导体层中裂纹的发展。
根据第四方面，使用具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面的氮化物半导体基板使得难以填充雕刻区域内部。因而，可以容易地在雕刻区域上方的氮化物半导体层的表面上形成凹度，因而可以容易地抑制裂纹的发展。
如上所述，利用根据第四方面的氮化物半导体芯片的制造方法，可以有效地抑制裂纹的发展，因而可以增加从单个晶片获得的可接受的芯片的数量。这使得可以增加良率。抑制裂纹的发展还帮助提高芯片的可靠性和芯片的特性。
采用根据第四方面的氮化物半导体芯片的制造方法，由于上述方案，可以获得抑制裂纹的非常有力的效果。这使得可以形成组成与氮化物半导体基板更为不同的氮化物半导体层而没有裂纹的发展。因而，例如，既便在紫外区域中发光的半导体发光芯片、在绿光区域中发光的半导体发光芯片(例如，绿色半导体激光器)等被制造的情形中，也可以抑制裂纹的发展。因而，可以以高的良率制造在紫外或者绿光区域等中发光的具有提高的芯片特性的半导体发光芯片。
根据第四方面，利用上述方案，可以给予氮化物半导体层非常良好的表面形态，因而可以减小芯片特性的变化。这帮助增加具有额定范围内的特性的芯片的数量，并且这还帮助增加良率。此外，提高表面形态帮助提高芯片特性和可靠性。
在上述根据第四方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，优选形成雕刻区域的步骤包括：在主生长面的除了雕刻区域之外的区域中形成未雕刻区域的步骤，其中未雕刻区域是没有被雕刻的区域；并且形成氮化物半导体层的步骤包括：在未雕刻区域上方的区域中形成梯度厚度区域的步骤，该梯度厚度区域的厚度以梯度方式朝向雕刻区域减小。采用该方案，也可以采用梯度厚度区域缓解氮化物半导体层中的应变，因而可以获得抑制裂纹的更为有力的效果。这使得可以形成组成与氮化物半导体基板更为不同的氮化物半导体层而容易地没有发展的裂纹。例如，在GaN基板被用作氮化物半导体基板的情形中，可以形成比以往更厚的具有较高的Al组成的AlGaN层。这使得可以制造需要具有高的Al组成的氮化物半导体膜的芯片(例如，在紫外或者绿光区域发光的半导体发光芯片)及传统上难以制造的芯片。上述梯度厚度区域可以通过控制氮化物半导体基板中a轴方向上的偏角而形成得接近于雕刻区域(紧邻雕刻区域)。
在上述根据第四方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，优选地，形成雕刻区域的步骤包括将雕刻区域形成为使得雕刻区域如平面图所示在c轴方向上延伸的步骤。利用该方案，可以容易地在氮化物半导体层的接近雕刻区域(紧邻雕刻区域)的部分中形成梯度厚度区域，该梯度厚度区域的厚度以梯度方式(逐渐地)朝向雕刻区域减小。雕刻区域可以形成为如在主生长面上所观察到的以±15度或者更小的角度在与c轴方向交叉的方向上延伸。此外，采用该方案，还可以容易地形成梯度厚度区域，因而可以容易地抑制氮化物半导体层中裂纹的发展。
在上述根据第四方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，优选地，氮化物半导体基板中在a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度。利用该方案，可以容易地抑制亮点化EL发射图案。通过使a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度，还可以抑制由于a轴方向上的偏角的绝对值小于或者等于0.1度而造成的表面形态劣化的不便。因而，采用该方案，可以在获得良好表面形态的同时容易地抑制亮点化EL发射图案。
在该情形中，更加优选地，氮化物半导体基板中在a轴方向上的偏角的绝对值大于或者等于0.5度。采用该方案，可以在获得良好表面形态的同时更加容易地抑制亮点化EL发射图案。此外，通过使a轴方向上的偏角的绝对值等于或者大于0.5度，可以抑制由于a轴方向上的偏角的绝对值小于0.5度造成的梯度厚度区域过大的不便，并且还可以有效地获得通过梯度厚度区域抑制裂纹的效果。
在上述根据第四方面的氮化物半导体芯片的制造方法中，氮化物半导体基板除了在a轴方向上具有偏角之外还可以在c轴方向上具有偏角。在该情形中，优选在a轴方向上的偏角大于在c轴方向上的偏角。利用该方案，可以更为有效地抑制亮点化EL发射图案。
如上所述，根据本发明，可以容易地获得氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片和氮化物半导体芯片的制造方法，该氮化半导体晶片提供由改善的的EL发射图案带来的提高的发光效能。
此外，根据本发明，可以容易地获得具有改善的芯片特征和增加的良率的氮化物半导体晶片、氮化物半导体芯片和氮化物半导体芯片的制造方法。
此外，根据本发明，可以容易地获得提供极佳的芯片特性以及高可靠性的氮化物半导体芯片，以及该氮化物半导体芯片的制造方法。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明实施例1的氮化物半导体晶片的部分的截面图；
图2是示出氮化物半导体晶体结构的示意图(示出单位单元的图)；
图3是示出基板的偏角的示意图；
图4是根据本发明实施例1的在氮化物半导体晶片中使用的基板的平面图；
图5是根据本发明实施例1的在氮化物半导体晶片中使用的基板的部分的放大截面图；
图6是示出根据本发明实施例1的在氮化物半导体晶片中的半导体层的结构的截面图；
图7是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体晶片的结构的截面图；
图8是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体晶片的结构的平面图；
图9是示意性地示出根据本发明实施例1的部分氮化物半导体晶片的平面图；
图10是根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的平面图；
图11是示意性地示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的截面图(对应于图10中沿线a-a剖取的截面的图)；
图12是示出根据本发明实施例1的部分氮化物半导体激光器芯片的截面图；
图13是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片中有源层的结构的截面图；
图14是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的透视图(示出基板的制造方法的图)；
图15是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的透视图(示出基板的制造方法的图)；
图16是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的透视图(示出基板的制造方法的图)；
图17是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的平面图(示出基板的制造方法的图)；
图18是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图(示出基板的制造方法的图)；
图19是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图20是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图21是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图22是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图23是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图24是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图25是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图26是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图27是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图28是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图29是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图30是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的平面图；
图31是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的平面图；
图32是结合根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的氮化物半导体激光器装置的透视图；
图33是通过根据实施例1的制造方法在n型GaN基板上形成的氮化物半导体层的表面的显微镜图像(在测试样品中所观察到的氮化物半导体层的表面的显微镜图像)；
图34是在对比样品中所观察到的氮化物半导体层的表面的显微镜图像；
图35是被制造以验证根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的效果的发光二极管芯片的透视图；
图36是在被制造以验证根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的效果的发光二极管芯片中观察到的EL发射图案的显微镜图像(在试验芯片中所观察到的EL发射图案的显微镜图像)；
图37是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片的截面图(示出在根据实施例2的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片中使用的部分基板的截面的图)；
图38是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图39是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图；
图40是示出根据本发明实施例2的第一修改示例的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片的截面图；
图41是示出根据本发明实施例2的第二修改示例的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片的截面图；
图42是示意性地示出根据本发明实施例3的发光二极管芯片的截面图；
图43是示出实施例1至3中凹陷部(雕刻区域)的其它形状的示例的截面图；
图44是示出实施例1至3中凹陷部(雕刻区域)的其它形状的示例的截面图；
图45是示出实施例1至3中凹陷部(雕刻区域)的其它形状的示例的平面图；
图46是示出实施例1至3中有源层的另一结构的示例的截面图(示出具有SQW结构的有源层的示例的截面图)；并且
图47是示出亮点化EL发射图案的显微镜图像(在对比芯片中所观察到的EL发射图案的显微镜图像)。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述本发明的具体实施例。在下列实施例中，“氮化物半导体”指AlxGayInzN成分的半导体(这里0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，并且x+y+z＝1)。
实施例1
图1是示意性地示出根据本发明第一实施例(实施例1)的部分氮化物半导体晶片的截面图。图2是示出氮化物半导体的晶体结构的示意图。图3是示出基板的偏角的示意图。图4至9是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体晶片的图。首先，参考图1至9，将给出根据本发明实施例1的包括氮化物半导体激光器芯片(氮化物半导体芯片)的氮化物半导体晶片50的描述。实施例1涉及其中根据本发明的氮化物半导体芯片被应用于氮化物半导体激光器芯片的示例。
根据实施例1的氮化物半导体晶片50由具有如同在图2中所示出的六方晶系的晶体结构的氮化物半导体形成。在该晶体结构中，当六方晶系被认为是关于c轴[0001]的六角形柱时，以c轴为法线的面(六角形柱的顶面C)被称作c面(0001)，并且六角形柱的任何侧壁面M被称作m面{1-100}。在氮化物半导体中，在c轴方向上不存在对称的面，因而极化方向沿c轴方向进行。因而，c面表现出+c轴侧和-c轴侧之间不同的性质。具体地，+c面((0001)面，Ga极化面G)和-c面((000-1)面，N极化面N)不是等效的面，并且具有不同的化学性质。另一方面，m面是垂直于c面的晶面，因而m面的法线垂直于极化方向。因此，m面是非极性面，也就是，没有极性的面。由于，如上所述，六角形柱的侧壁面每个都为m面，所以m面可以由六面取向所代表，即(1-100)、(10-10)、(01-10)、(-1100)、(-1010)和(0-110)；这些面取向在晶体几何方面是等效的，因而集合地由{1-100}表示。
如同在图1中所示出的，根据实施例1的氮化物半导体晶片50被提供以n型GaN基板10作为氮化物半导体基板。n型GaN基板10的主生长面10a是相对于m面具有偏角的面。具体地，氮化物半导体晶片50的n型GaN基板10在a轴方向([11-20]方向)上相对于m面具有偏角。除了在a轴方向上的偏角之外，n型GaN基板10也可以在c轴方向([0001]方向)上具有偏角。
现在参考图3，n型GaN基板10的偏角将被更为详细地描述。首先，对于m面，二个晶轴方向被定义，即，a轴[11-20]方向和c轴[0001]方向。这些轴，即a和c轴，相互垂直，并且另外都垂直于m轴。此外，当n型GaN基板10的晶轴矢量(m轴[1-100])VC与基板表面(主生长面10a)的法线矢量VN一致时(即，当在所有方向上偏角是0时)平行于a、c和m轴方向的方向分别被取作X、Y和Z方向。接着，考虑法线保持在Y轴方向上的第一面F1和法线保持在X轴方向上的第二面F2。随后，当晶轴矢量VC被投影至第一面F1和第二面F2时出现的晶轴矢量VC分别被取作第一和第二投影矢量VP1和VP2。这里，第一投影矢量VP1和法线矢量VN之间的角度θa是a轴方向上的偏角，并且第二投影矢量VP2和法线矢量VN之间的角度θc是c轴方向上的偏角。a轴方向上的偏角，无论其在+方向或者-方向上，从结晶学的观点都指示相同的表面状态，因而在+方向和-方向上以相同的方式行动；这允许a轴方向上的偏角根据绝对值被给出。另一方面，c轴方向上的偏角根据其是在+方向或者-方向上而使Ga极性面G或者N极性面N较强，因而根据方向行为不同；因而，c轴方向上的偏角以+方向和-方向之间进行区别被给出。
如上所述，根据实施例1的n型GaN基板10具有相对于m面{1-100}倾斜的面作为主生长面10a。
这里，在实施例1中，上述n型GaN基板10具有在a轴方向上相对于m面的且绝对值被调整为大于0.1度的偏角。此外，为了抑制表面形态的劣化，上述n型GaN基板10在a轴方向上具有的偏角的绝对值被调整为小于或者等于10度。在c轴方向上也具有偏角的情形中，优选在c轴方向上的偏角被调整为大于±0.1度。而且，还优选在c轴方向上的偏角被调整为小于在a轴方向上的偏角。在该情形中，c轴方向上的偏角小于±10度。
在上述情形中，优选a轴方向上的偏角被调整为大于1度但是小于或者等于10度。调整a轴方向上的偏角在该范围中更为优选是因为这样可以获得减小驱动电压的明显效果以及改善表面形态的效果。
在实施例1中，如同在图1和4中所示出的，上述n型GaN基板10具有通过在厚度方向上从主生长面10a雕刻而形成的多个凹陷部2。如同在平面图中所示，凹陷部2形成为在平行于c轴[0001]方向的方向上延伸，并且在a轴[11-20]方向上被布置为等间隔且具有大约150μm至大约600μm(例如大约400μm)的周期R(见图4)，a轴[11-20]方向垂直于c轴[0001]方向。也就是，凹陷部2以条形形状形成于n型GaN基板10的主生长面10a上。此外，在上述n型GaN基板10中，其中形成有凹陷部2的区域(被雕刻的区域)是雕刻区域3。另一方面，主生长面上的其中未形成凹陷部2的区域(未被雕刻的区域)是未雕刻区域4。
如同在图5中所示出的，每个凹陷部2包括底表面部2a和成对的侧表面部2b。侧表面部2b以大于90度的预定倾斜角γ(见图5)倾斜。这样，凹陷部2的侧表面部2b是倾斜表面。因而，凹陷部2被形成为使得其开口宽度愈向上愈加大。凹陷部2在[11-20]方向具有大约5μm的开口宽度g(在开口端的宽度)，并且在n型GaN基板10的厚度方向上具有大约5μm的深度f。
如同在图1中所示出的，根据实施例1的氮化物半导体晶片50具有其中氮化物半导体层20(包括n型氮化物半导体层20a、有源层23和p型氮化物半导体层20b)形成于上述n型GaN基板10的主生长面10a上的结构。n型氮化物半导体层20a包括n型覆层和n型引导层，并且p型氮化物半导体层20b包括载流子阻挡层、p型覆层、p型引导层和p型接触层。通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)工艺的外延生长工艺，单独的氮化物半导体层被堆叠于n型GaN基板10的主生长面10a上，按照n型氮化物半导体层20a、有源层23和p型氮化物半导体层20b的顺序。具体地，如同在图6中所示出的，在n型GaN基板10的主生长面10a上，下列层被顺序地形成：n型Al0.06Ga0.94N的n型覆层21(具有大约2.2μm的厚度)；n型GaN的n型引导层22(具有大约0.1μm的厚度)；有源层23；p型Al0.15Ga0.85N的载流子阻挡层24(具有大约20nm的厚度)；p型GaN的p型引导层25(具有大约0.05μm的厚度)；p型Al0.05Ga0.95N的p型覆层26(具有大约0.5μm的厚度)；和p型GaN的p型接触层27(具有大约0.1μm的厚度)。N型GaN基板10和n型氮化物半导体层20a被掺杂有例如Si作为n型杂质，并且p型氮化物半导体层20b被掺杂有例如Mg作为p型杂质。
这里，在氮化物半导体层20中包含Al、Ga和N的那些层中的高Al含量导致那些层和n型GaN基板10之间的晶格常数具有大的差异，这使得裂纹可能发展。具体地，n型覆层21被给予高的Al组成比用于满足光限制，因而在它和n型GaN基板10之间晶格常数的差异较大；另外，n型覆层21具有大约2.2μm的厚度。因而，裂纹极可能在n型覆层21中发展。
另一方面，在根据实施例1的氮化物半导体晶片50中，由于n型GaN基板10的主生长面10a是相对于m面在a轴方向上具有偏角的面，所以难以用氮化物半导体层20填充凹陷部2的内部。结果，凹度35在凹陷部2(雕刻区域3)上方形成于氮化物半导体层20的表面上(在构成氮化物半导体层20的各层的表面上)。凹度35起缓解诸如与n型GaN基板10的晶格失配导致的氮化物半导体20中的应变的作用。
此外，在实施例1中，如同在图1和7中所示出的，作为氮化物半导体层20形成于上述n型GaN基板10的主生长面10a上的结果，在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中，形成梯度厚度区域5，梯度厚度区域5的厚度以梯度方式(逐渐地)朝向凹陷部2(雕刻区域3)减小。如同在图7和8中所示出的，梯度厚度区域5接近地形成在凹陷部2(雕刻区域3)一侧(例如，右侧)上的区域中，基本以在平行于凹陷部2(雕刻区域3)的方向上延伸的带的形状。梯度厚度区域5也起缓解例如与n型GaN基板10的晶格失配引起的氮化物半导体层20中的应变的作用。
因而，归因于通过在氮化物半导体层20的表面上形成的凹度35和在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中形成的梯度厚度区域5的双重应变缓解效果，根据实施例1的氮化物半导体晶片50提供非常有效的抑制裂纹的效果。另外，具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10的使用给予形成于主生长面10a上的氮化物半导体层20良好的结晶度。这使得裂纹不可能在氮化物半导体层20中发展。因而，既便在其中裂纹极可能发展的n型覆层21中裂纹的发展也被抑制。不用说，在n型覆层21之外的其它各氮化物半导体层中裂纹的发展也被抑制。
在使用具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a并且具有形成于其上的凹陷部2(雕刻区域3)的n型GaN基板10的情形中，梯度厚度区域5形成于凹陷部2(雕刻区域3)一侧(例如，右侧)的区域中(靠近凹陷部2的区域中)。原因被认为如下：由于在a轴方向上相对于m面具有偏角的n型GaN基板10的主生长面10a，源材料原子的流动方向改变从而与轴对准，并且此外源材料的原子流被凹陷部2(雕刻区域3)分割，结果源材料原子的供给在接近于凹陷部2(雕刻区域3)一侧的未雕刻区域4中的区域中减少。梯度厚度区域5是形成于凹陷部2(雕刻区域3)一侧(例如，右侧)还是形成在凹陷部2(雕刻区域3)另一侧(例如，左侧)取决于a轴方向上的偏角是正(+)还是负(-)。这被认为是因为源材料原子的流动方向根据a轴方向上的偏角是正(+)还是负(-)而改变。从结晶学的角度来看，a轴方向上的偏角是正(+)还是负(-)没有差别，并且这允许a轴方向上的偏角按照其绝对值被讨论。附带地，在具有c面作为主生长面的GaN基板被使用的情形中，既便当如同上述的凹陷部(雕刻区域)形成时，也没有如同上述的梯度厚度区域形成。此外，既便采用具有m面作为主生长面的GaN基板，如果它在a轴方向上没有偏角，则既便当类似上述的凹陷部(雕刻区域)形成时，也没有如同上述的梯度厚度区域形成。
如同在图7中所示出的，氮化物半导体层20中的梯度厚度区域5在其最接近凹陷部2(雕刻区域3)的部分处最薄并且其厚度远离凹陷部2(雕刻区域3)而逐渐增加(以梯度方式)。在梯度厚度区域5的接近于凹陷部2(雕刻区域3)的部分中，所涉及的每层，无论是n型氮化物半导体层20a(见图1)还是p型氮化物半导体层20b(见图1)，都形成得较薄。梯度厚度区域5的最薄部分具有厚度t11，厚度t11是氮化物半导体层20的未雕刻区域4上方除梯度厚度区域5之外的区域(较后描述的发射部形成区域6)的厚度t12的大约一半至三分之二。
梯度厚度区域5的宽度w(在[11-20]方向上的宽度)和梯度厚度区域5的厚度梯度角θ(梯度厚度区域5的表面对于n型GaN基板10的主生长面10a的角度)由a轴方向上的偏角控制。具体地，a轴方向上的偏角越大，梯度厚度区域5的宽度w越小，并且厚度梯度角θ越大。因而，在实施例1中，通过调整a轴方向上的偏角，梯度厚度区域5的宽度w被设置为预定的宽度，并且厚度梯度角θ被设置为预定的角度。a轴方向上过小的偏角导致梯度厚度区域5的宽度w过大。另一方面，厚度梯度角θ越大，梯度厚度区域5的厚度变化得越多。因而，为了缓解氮化物半导体层20中的应力，厚度梯度角θ越大，越优选。因而，考虑到给予形成梯度厚度区域5的条件，优选a轴方向上偏角的绝对值是0.5度或者更大。在凹陷部2的周期R(见图4)是例如400μm的情形中，更加优选，通过调整a轴方向上的偏角，梯度厚度区域5的宽度w被设置为1μm以上、150μm以下。设定梯度厚度区域的宽度w为1μm以上使得可以抑制由于梯度厚度区域5的宽度w小于1μm而导致的抑制裂纹的效果减小的不便。
由于梯度厚度区域5是厚度变化的区域，所以在此形成发射部(较后描述的脊部)将使得难以抑制特性的变化。因为这个原因，梯度厚度区域5可以被称为不适于发射部(脊部)的形成的区域。
另一方面，未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20具有发射部形成区域6，其中厚度变化远比梯度厚度区域5中小得多并且它因而适于发射部(脊部)的形成。即，形成于n型GaN基板10的主生长面10a上的氮化物半导体层20在未雕刻区域4上方包括：梯度厚度区域5，不适于发射部(脊部)的形成；以及发射部形成区域6，厚度非常均匀并且适于发射部(脊部)的形成。附带地，在梯度厚度区域5中抑制亮点化发射的效果比在发射部形成区域6中弱。
在实施例1中，在氮化物半导体层20中发射部形成区域6具有非常良好的表面形态。在发射部形成区域6中，尽管整体上存在非常小的厚度变化，但是当对c轴[0001]方向上的厚度变化和a轴[11-20]方向上的厚度变化之间进行对比时，前者小于后者。
如同在图1中所示出的，在氮化物半导体层20中的发射部形成区域6中的预定区域中，形成脊部28使得它是用作电流通过部的***部。如同在图9中所示出的，在平面图中看这样的脊部28形成为在c轴[0001]方向上延伸，其中存在厚度的较小的变化，并且这样的脊部28在a轴[11-20]方向上被布置以大约150μm至大约600μm(例如，大约400μm)的周期。因而，多个脊部28以条形形状形成。采用这样形成的脊部28，在氮化物半导体层20中，以条形形状形成起发射部作用的光波导区域29(见图1和9)。如同在图1中所示出的，脊部28形成于发射部形成区域6中，离开凹陷部2预定距离或者更大(例如，5μm或者更大)。在氮化物半导体层20的顶面上且在脊部28的两侧面上，形成用于电流限制的绝缘层30。
在氮化物半导体层20上，形成用于提供电流至光波导区域29的p侧电极31。另一方面，在n型GaN基板10的背面上，形成n侧电极32。
如同在图9中所示出的，在氮化物半导体晶片50上，设定计划的分割线P1和P2，沿着其将氮化物半导体晶片分割为多片单独的氮化物半导体激光器芯片。如同在平面图上所见，计划的分割线P1被设定为在a轴[11-20]方向上延伸；如同在平面图上所见，计划的分割线P2被设定为在c轴[0001]方向上延伸。计划的分割线P2被设定为使得分割之后每个氮化物半导体激光器芯片包括一个凹陷部2和至少部分梯度厚度区域5。
如同上述结构的根据实施例1的氮化物半导体晶片50沿计划的分割线P1和P2被分割为多片单独的氮化物半导体激光器芯片。
图10是根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的平面图，并且图11是示意性地示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的截面图。图12是示出部分根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的截面图，并且图13是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片中有源层的结构的截面图。下面，参考图10至13，给出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片100的描述。根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100可以从根据上述实施例1的氮化物半导体晶片50获得；因而，作为示例，下列描述涉及从上述氮化物半导体晶片50获得的氮化物半导体激光器芯片100。
如同在图10中所示出的，根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100具有成对的谐振器(腔)面40，它包括激光从其发射的发光面40a和与发光面40a相对的光反射面40b。氮化物半导体激光器芯片100在垂直于谐振器面40的方向(c轴[0001]方向)上具有大约300μm至大约1800μm(例如，大约600μm)的长度L(芯片长度L(谐振器长度L))，并且在沿谐振器面40的方向(a轴[11-20]方向)上具有大约150μm至大约600μm(例如，大约400μm)的宽度W(芯片宽度W)。
如同在图11中所示出的，根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100被提供以具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10，并且通过在该n型GaN基板10的主生长面10a上堆叠包括n型氮化物半导体层20a、有源层23和p型氮化物半导体层20b的氮化物半导体层20而形成。具体地，如同在图12中所示出的，在氮化物半导体激光器芯片100中，在n型GaN基板10的主生长面10a上，形成具有大约2.2μm的厚度的n型Al0.06Ga0.94N的n型覆层21。在n型覆层21上，形成具有大约0.1μm的厚度的n型GaN的n型引导层22。在n型引导层22上，形成有源层23。
如同在图13中所示出的，有源层23具有其中两个Inx1Ga1-x1N阱层23a和三个Inx2Ga1-x2N势垒层23b(这里x1＞x2)被交替地堆叠的量子阱(DQW，双量子阱)结构。具体地，有源层23通过以从n型引导层22侧的顺序相继地堆叠第一势垒层231b、第一阱层231a、第二势垒层232b、第二阱层232a和第三势垒层233b而形成。二个阱层23a(第一和第二阱层231a和232a)中每个被形成为具有大约3nm至大约4nm的厚度。第一势垒层231b被形成为具有大约30nm的厚度，第二势垒层232b被形成为具有大约16nm的厚度，并且第三势垒层233b被形成为具有大约60nm的厚度。因而，三个势垒层23b以不同的厚度形成。
在实施例1中，阱层23a(有源层23)中In的组成比x1大于或者等于0.15但是小于或者等于0.45(例如，从0.2至0.28)。另一方面，为了有效的光限制，势垒层23b由InGaN形成，并且这里In的组成比x2是，例如，从0.04至0.05。
典型地，在In的组成比高(x1≥0.15)的区域中，阱层被给予小于或者等于3nm的厚度。这是为了减少当In的组成比高时可以由晶格失配所造成的失配位错等的出现。但是，在采用上述n型GaN基板10(其中a轴方向上相对于m面的偏角的绝对值大于0.1度)的情况中，既便当阱层23a被给予大于或者等于3nm的厚度时，失配位错等的出现也被抑制。原因被认为如下。对于a轴方向上的偏角的绝对值小于或者等于0.1度，当具有高In组成比的阱层形成时，In成分在整个面上剧烈变化，局部地增加了In成分。这产生In成分高的局部区域，并且位错从这里出现。相反，对于a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度，In成分在整个面上极其平均；因而，既便当阱层厚时，形成具有高In成分的局部区域的可能性也较小。这被认为是，可以使阱层较厚。为了增加光限制等，优选阱层23a被给予大于或者等于3.2nm的厚度。但是，考虑到阱层23a大于8nm的厚度引起大量的失配位错发展，因而优选阱层23a被给予小于或者等于8nm的厚度。
如同在图12中所示出的，在有源层23上，形成具有小于或者等于40nm(例如，大约12nm)的厚度的p型AlyGa1-yN的载流子阻挡层24。载流子阻挡层24形成为在此Al的组成比是大于或者等于0.08但是小于或者等于0.35(例如，大约0.15)。在载流子阻挡层24上，形成p型GaN的p型引导层25，它具有***部和在别处的平坦部。在p型引导层25的***部上，形成具有大约0.5μm的厚度的p型Al0.06Ga0.94N的p型覆层26。在p型覆层26上，形成具有大约0.1μm的厚度的p型GaN的p型接触层27。p型引导层25的***部、p型接触层27和p型覆层26一起构成具有大约1μm至大约3μm(例如，大约1.5μm)的宽度的条形(伸长)脊部28。如同在图10中所示出的，如同在平面图中所见，脊部28形成为在c轴[0001]方向上延伸。载流子阻挡层24是根据本发明的“含Al的p型半导体层”的示例。
如同在图13中所示出的，为了提高载流子进入阱层23a的注入效率，载流子阻挡层24和阱层23a(阱层23a的最载流子阻挡层24侧的层(232a))之间的距离h被设定为大约60nm。优选载流子阻挡层24和阱层23a之间的距离h被设定为小于或者等于80nm，并且更加优选小于或者等于30nm。在实施例1中，距离h等于第三势垒层233b的厚度。
这里，在根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100中，如同在图11中所示出的，凹陷部2形成于n型GaN基板10上的预定区域中。如同在平面图中所见，凹陷部2形成为在平行于脊部28(光波导区域29(见图12))的方向(c轴[0001]方向)上延伸。此外，凹陷部2被布置于氮化物半导体激光器芯片100的一侧表面侧上。在未雕刻区域4上方以预定距离或者更大(例如，5μm或者更大)离开凹陷部2的区域中，形成脊部28。
在实施例1中，如上所述，n型GaN基板10的主生长面是在a轴方向上相对于m面具有偏角的面，并且这使得难以用氮化物半导体层20填充凹陷部2的内部。结果，凹度35在凹陷部2(雕刻区域3)的上方形成于氮化物半导体层20的表面上(在构成氮化物半导体层20的每个单独层的表面上)。凹度35起缓解氮化物半导体层20中例如由与n型GaN基板10的晶格失配所产生的应变的作用。
此外，在实施例1中，作为氮化物半导体层20形成于n型GaN基板10的主生长面10a上的结果，在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中，形成梯度厚度区域5和发射部形成区域6。梯度厚度区域5形成于凹陷部2(雕刻区域3)的一侧(A1侧)，并且发射部形成区域6形成于凹陷部2(雕刻区域3)的另一侧(A2侧)，即，在其与梯度厚度区域5相对的侧。梯度厚度区域5也起缓解氮化物半导体层20中的例如由与n型GaN基板10的晶格失配所产生的应变的作用。
因而，由于通过形成于氮化物半导体层20上的凹度35和通过在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中形成的梯度厚度区域5的双重应变缓解效果，根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100提供了非常有效的抑制裂纹的效果。
另外，在实施例1中，具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10的使用给予形成于主生长面10a上的氮化物半导体层20良好的结晶度。此外，上述n型GaN基板10的使用给予氮化物半导体层20中的发射部形成区域6非常好的表面形态。这使得裂纹不可能在氮化物半导体层20中发展。
因而，既便当具有高Al成分的AlGaN层(它在晶格常数等方面与n型GaN基板10极其不同)形成于主生长面10a上时，裂纹的发展也被抑制。因而，裂纹的发展在形成于n型GaN基板10的主生长面10a上的氮化物半导体层20中被抑制。
脊部28形成于发射部形成区域6中的预定区域中，它具有良好的结晶度和良好的表面形态。
如同在图11和12中所示出的，在脊部28的每侧上，形成用于电流限制的绝缘层30。具体地，在p型引导层25的顶部、在p型覆层26的侧面以及在p型接触层27的侧面上，形成具有大约0.1μm至大约0.3μm(例如，大约0.15μm)的厚度的SiO2绝缘层30。
在绝缘层30和p型接触层27的顶面上，形成p侧电极31以便覆盖p型接触层27的部分。p侧电极31，在其覆盖p型接触电极27的部分中，使得与p型接触层27直接接触。p侧电极31具有以从绝缘层30(p型接触层27)侧开始的顺序依次堆叠的下列层的多层结构：具有大约15nm的厚度的Pd层(未被示出)；具有大约15nm的厚度的Pt层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。
在n型GaN基板10的背面上，形成n侧电极32，其具有从n型GaN基板10的背面侧开始的顺序依次堆叠的下列层的多层结构：具有大约5nm厚度的Hf层(未被示出)；具有大约150nm厚度的Al层(未被示出)；具有大约36nm厚度的Mo层(未被示出)；具有大约18nm厚度的Pt层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。
在氮化物半导体激光器芯片100中，在发光面40a上(见图10)，形成具有例如5％至80％的反射系数的发射侧涂层(未被示出)。另一方面，在光反射面40b(见图10)上，形成具有例如95％的反射系数的反射侧涂层(未被示出)。发射侧涂层的反射系数根据激光器输出被调整到期望值。发射侧涂层，以从半导体发射面侧开始的顺序，例如，由30nm厚的铝氮氧化物(氧化物-氮化物)或者铝氮化物AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜和215nm厚的Al2O3膜构成。反射侧涂层由例如SiO2、TiO2等的多层膜构成。除了刚刚提及的材料之外，例如SiN、ZrO2、Ta2O5、MgF2等的电介质材料膜也可以被使用。
发光面侧的涂层可以替代地由厚度12nm的AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜和厚度100nm的氮化硅SiN的膜构成。通过在解理面(在该实施例中，c面)上形成氧氮化铝或者氮化铝AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜，或者如上所述的m面氮化物半导体基板的通过气相蚀刻或者液相蚀刻被蚀刻的蚀刻面，可以大大地减小半导体和发射侧涂层之间的界面处的非辐射复合率，并且由此大大地提高COD(灾难性光学损伤)阈值。更加优选，氧氮化铝或者氮化铝AlOxN1-x(这里0≤x≤1)的膜具有与氮化物半导体相同的六方晶系的晶体；更加优选，其晶轴与氮化物半导体的晶轴对齐而结晶，因为这进一步减小了非辐射复合率并且进一步提高了COD阈值。为了增加发光面侧的反射系数，可以在上述涂层上形成具有被堆叠在一起的氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化钽、氧化锆、氧化硅等的膜的堆叠膜。
在实施例1中，如上所述，在a轴方向上相对于m面具有偏角的面被取作n型GaN基板10的主生长面10a，这使得可以抑制亮点化EL发射图案。也就是，采用该结构可以改善EL发射图案。这使得可以提高通过解理氮化物半导体晶片50而获得的氮化物半导体激光器芯片100的发光效能。通过提高发光效能，可以获得高亮度的氮化物半导体激光器芯片100。获得上述抑制亮点化发射的效果的一个原因被认为是如下：由于在a轴方向上相对于m面具有偏角的n型GaN基板10的主生长面，当有源层23(阱层23a)生长在主生长面10a上时，In原子的迁移方向改变，从而既便在高In组成比(In的供给量大)的条件下，In的聚集也被抑制。另一原因被认为是形成于有源层23上的p型氮化物半导体层20b的生长模式也改变从而提高了作为p型杂质的Mg的活化率并且减小了p型氮化物半导体层20b的电阻。减小p型氮化物半导体层20b的电阻使电流的均匀注入更为容易，因而使EL发射图案均一。
在n型GaN基板10的主生长面10a相对于m面在c轴方向上也具有偏角的情形中，使得在a轴方向上的偏角大于在c轴方向上的偏角帮助有效地抑制亮点化EL发射图案。也就是，采用该结构可以抑制由于c轴方向上的偏角过大而引起的抑制亮点化发射的效果减小的不便。因而，可以容易地提高发光效能。
在实施例1中，通过抑制亮点化EL发射图案，由于可以使EL发射图案均匀，所以可以减小驱动电压。附带地，通过抑制亮点化发射，由于可以获得均匀的EL发射图案，所以可以增加氮化物半导体激光器芯片的形成中的增益。
在实施例1中，利用上述结构，由于可以抑制亮点化EL发射图案，所以可以提高发光效能。这使得可以提高芯片特性和可靠性。也就是，可以获得具有极佳的芯片特性和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片100。
在实施例1中，通过取在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a，可以给予形成于主生长面10a上的氮化物半导体层20良好的结晶度。这使得裂纹不可能在氮化物半导体层20中发展。此外，采用该结构，可以给予氮化物半导体层20非常良好的表面形态，因而可以获得具有均匀厚度的氮化物半导体层20。因而，可以抑制由于氮化物半导体层具有不均匀的厚度而引起的氮化物半导体层具有局部较厚的区域的不便。由于裂纹可能在这样的较厚的区域中发展，所以通过抑制氮化物半导体层20中局部较厚区域的形成，可以使裂纹更不可能发展。
在实施例1中，通过在n型GaN基板10上形成凹陷部2(雕刻区域3)，可以在凹陷部2(雕刻区域3)上方在氮化物半导体层20的表面上(在构成氮化物半导体层20的各单独层的表面上)形成凹度35。因而，既便在n型GaN基板10和氮化物半导体层20之间具有晶格常数、热膨胀系数等的大的差异并且结果氮化物半导体层20受到应变的情形中，形成于未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中的应变也可以利用在凹陷部2(雕刻区域3)上方的氮化物半导体层20的表面上形成的凹度而缓解。因而，可以有效地抑制氮化物半导体层层20中的裂纹的发展。
在实施例1中，具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10的使用使得难以用氮化物半导体层20填充凹陷部2(雕刻区域3)。因而，可以容易地在凹陷部2(雕刻区域3)上方的氮化物半导体层20的表面上形成凹度35。因而，可以容易地抑制裂纹的发展。
如上所述，在实施例1中，由于可以有效地抑制裂纹的发展，所以可以增加从单个晶片获得的合格芯片的数量。这使得可以增加良率。抑制裂纹的发展还帮助提高芯片的可靠性和芯片特性。
在实施例1中，在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中，形成梯度厚度区域5，其厚度以梯度方式(逐渐地)朝向凹陷部2(雕刻区域3)减小，因而氮化物半导体层20中的应变也可以利用梯度厚度区域5被缓解。由于通过形成于氮化物半导体层20的表面上的凹度35和通过在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中形成的梯度厚度区域5的双重应变缓解效果，可以获得非常有效的抑制裂纹的效果。因而，既便在为了满足光限制而形成具有高Al组成比的n型覆层21的情形中，它也可以被容易地形成而没有发展裂纹。如上所述获得抑制裂纹的有效效果的原因被认为是如下：首先因为梯度厚度区域5薄，它自身包含很少的应变；另外，由于其厚度(以梯度方式)逐渐地变化，应变被逐渐地缓解，而导致缓解应变的更为有力的效果。
在实施例1中，采用上述结构，可以给予氮化物半导体层20中的发射部形成区域6非常良好的表面形态，因而可以减小芯片特性的变化。这帮助增加具有额定范围内的特性的芯片的数量，并且这还帮助增加良率。此外，改善表面形态帮助改善芯片特性和可靠性。
在实施例1中，通过将凹陷部2(雕刻区域3)形成为在平行于c轴[0001]方向的方向上延伸(如同在平面图中所示)，可以容易地形成梯度厚度区域5，因而可以容易地获得有力的缓解应变的效果。
在实施例1中，通过使a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度，可以容易地抑制亮点化EL发射图案。通过使a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度，可以抑制由a轴方向上的偏角的绝对值小于或者等于0.1度引起的表面形态劣化的不便。因而，采用该结构可以在获得良好的表面形态的同时容易地抑制亮点化EL发射图案。
通过使n型GaN基板10中a轴方向上的偏角的绝对值等于或者大于0.5度，可以抑制归因于a轴方向上的偏角的绝对值小于0.5度的梯度厚度区域5过大的不便，并且还可以有效地抑制通过梯度厚度区域5抑制裂纹的效果(缓解应变的效果)减小的不便。
通过使a轴方向上的偏角大于1度但是等于或者小于10度，可以在获得良好的表面形态的同时更为容易地抑制亮点化EL发射图案。设定a轴方向上的偏角在该范围中是更加优选的原因是因为这可以获得减小驱动电压的显著效果并且另外还有改善表面形态的效果。通过使a轴方向上的偏角等于或者小于10度，可以抑制由a轴方向上的偏角大于10度导致的表面形态劣化的不便。
在c轴方向上也具有偏角的情形中，通过使c轴方向上的偏角大于±0.1度，可以抑制由c轴方向上的偏角小于±0.1度而引起的在主生长面10a上生长的氮化物半导体层20的厚度变化的不便。
在使用具有m面作为主生长面的n型GaN基板的情形中，在主生长面上生长氮化物半导体层导致在氮化物半导体层的表面上形成的金字塔形的***部。这导致在金字塔形***部中氮化物半导体层的厚度变化的不便。另一方面，通过使a轴方向上相对于m面的偏角大于1度但是等于或者小于10度，既便当氮化物半导体层在主生长面10a上生长时，也可以有效地抑制在层表面上金字塔形***部的形成。因而，可以有效地抑制上述氮化物半导体层的厚度变化的不便。
在实施例1中，通过使用具有在a轴方向上相对于m面被提供以偏角的主生长面10a的上述n型GaN基板10，既便在阱层23a中的In组成比x1是0.15或者更大的情况下，即，既便在亮点化EL发射图案显著的条件下，也可以有效地抑制亮点化EL发射图案。因而，通过使有源层23的阱层23a中的In组成比x1等于或者大于0.15，可以获得抑制亮点化发射的显著效果。另一方面，通过使阱层23a中的In组成比x1等于或者小于0.45，可以有效地抑制由于归因于阱层23a中的In组成比x1大于0.45的例如晶格失配的应变而导致大量位错在有源层23中发展的不便。
在实施例1中，通过使载流子阻挡层24中的Al组成比y等于或者大于0.08但是等于或者小于0.35，可以形成对载流子(电子)足够高的能量势垒，因而可以更为有效地防止注入有源层23的载流子流入p形氮化物半导体层20b。以这种方式，可以有效地抑制亮点化EL发射图案。使载流子阻挡层24中的Al组成比y等于或者小于0.35帮助抑制由于Al组成比y过高引起的载流子阻挡层24中的电阻的增加。附带地，在阱层23a中具有高In组成比x1(x1≥0.15)的区域中，形成于有源层23上的载流子阻挡层24中的0.08或者更大的Al组成比y使得极其难以满意地生长载流子阻挡层24。这是因为，随着阱层23中In浓度的增加，有源层23的表面平坦度劣化，并且这使得难于以良好的结晶度形成具有高Al组成比y的膜。但是，通过采用具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10，既便在有源层23(阱层23a)中的In组成比x1是0.15以上、0.45以下的情形中，也可以以良好的结晶度形成具有0.08以上、0.35以下的Al组成比y的载流子阻挡层24。这使得可以有效地抑制亮点化EL发射图案并且使EL发射图案均匀。
在实施例1中，给予氮化物半导体激光器芯片100的有源层23DQW结构使得可以容易地减小驱动电压。这还帮助提高芯片特性和可靠性。既便在有源层23被给予DQW结构时，也可以抑制亮点化EL发射图案。在采用具有被提供有在a轴方向上相对于m面的偏角的主生长面10a的上述n型GaN基板10的情形中，与给予有源层23多量子阱(MQW)结构相比，给予形成于n型GaN基板10上的有源层23DQW结构有助于提高发光效能。这使得可以容易地获得高亮度氮化物半导体激光器芯片。
在实施例1中，通过形成在阱层23a下面(在n型GaN基板10侧上)由InGaN形成的势垒层23b，并且使In组成比x2等于或者大于0.01，可以大大地提高In进入阱层23a的吸收效率。这使得既便当In的气体流量被减小时也可以保持高In组成比，因而帮助改善吸收效率。以这种方式，可以有效地实现波长加长。还可以减少材料气体(TMIn，即，三甲基铟)的消耗，这对于成本是有利的。
设定载流子阻挡层24和阱层23a之间的距离h为200nm或者更大允许当载流子从载流子阻挡层24扩散至有源层23时电流被分散，因而略微有助于抑制亮点化发射。另一方面，通过使用具有相对于m面被提供有偏角的主生长面10a的上述n型GaN基板10，既便当载流子阻挡层24和阱层23a之间的距离h未被设定为200nm或者更大时，也可以有效地抑制亮点化发射。例如，既便当载流子阻挡层24和阱层23a之间的距离h被设定为小于120nm时，也可以有效地抑制亮点化发射。载流子阻挡层24和阱层23a之间的距离h越小，则更加优选，因为载流子进入阱层23a的注入效率的提高。因而，通过使载流子阻挡层24和阱层23a之间的距离h小于120nm，可以提高载流子进入阱层23a的注入效率。
图14至31是示出根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的图。以下，参考图1、7至9以及13至31，将描述根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片100的制造方法。
首先，具有相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10被制备。通过例如使用从具有c面(0001)作为主面的GaN体晶切出来的基板作为籽晶基板并且生长GaN晶体于该籽晶基板的顶部而制造n型GaN基板10。具体地，如同在图14中所示出的，SiO2保护膜(未被示出)形成于部分基础基板300上，并且随后在基础基板300的顶部上、在保护膜上方，GaN体晶通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)工艺的外延生长工艺被生长。这引起生长在未形成保护膜的部分中开始，并且在保护膜上方，GaN晶体横向生长。GaN晶体横向生长的部分在保护膜上方相遇并且连续生长，因而GaN晶体层400a形成于基础基板300的顶部上。GaN晶体层400a形成得足够厚使得既便在基础基板300被去除之后也可以独立地***控。接着，基础基板300例如通过蚀刻从如此形成的GaN晶体层400a被去除。如同在图15中所示出的，这留下具有c面(0001)作为主面的GaN体晶400。作为基础基板300，可以使用例如GaAs基板、蓝宝石基板、ZnO基板、SiC基板、GaN基板等。GaN体晶400被给予例如大约3mm的厚度S。
接着，两个主面，即，如此获得的GaN体晶400的(0001)和(000-1)面被研磨和抛光以便每个都具有5nm的平均粗糙度Ra。这里的平均粗糙度Ra符合在JIS B 0601中所定义的算术平均粗糙度Ra，并且可以在AFM(原子力显微镜)上被测量。
接着，GaN体晶400在垂直于[1-100]方向的多个面处被切片使得具有m面{1-100}作为主面的多个GaN晶体基板410被切出来，且每个具有厚度T(例如，1mm)(并具有3mm的宽度S)。随后，采用如此切出来的每个GaN晶体基板410，尚未被研磨或抛光的四面被研磨和抛光以便具有5nm的平均粗糙度Ra。此后，如同在图16和17中所示出的，多个GaN晶体基板410以这样的方式并排布置为其相应的主面相互平行并且其相应的[0001]方向相互对准。
随后，如同在图18中所示出的，多个被如此并排布置的GaN晶体基板410被取作籽晶基板，并且在这些GaN晶体基板410的m面{1-100}上，GaN晶体通过例如HVPE工艺的外延生长工艺而被生长。以这种方式，获得具有m面作为主生长面的n型GaN基板1。接着，如此获得的n型GaN基板1的主面通过化学和机械抛光被抛光以便独立地控制a和c轴方向上的偏角，由此设定相对于m面的a和c轴方向上的偏角为期望偏角。这些偏角可以通过X射线衍射法被测量。以这种方式，获得具有相对于m面具有偏角的面作为主生长面的n型GaN基板10。
在上述n型GaN基板10的制造中，在具有大偏角的基板被制造的情形中，当多个GaN晶体基板410由GaN体晶400切割出来时，它们可以以相对于[1-100]方向的预定切割角度被切出来使得GaN晶体基板410的主面具有相对于m面{1-100}的期望的偏角。这样做允许GaN晶体基板410的主面具有相对于m面{1-100}的希望的偏角，因而形成于主面上的n型氮化物GaN基板1(10)的主面(主生长面)达到具有相对于m面{1-100}的希望的偏角。
通过化学和机械抛光抛光从GaN体晶400(见图15)切出的GaN晶体基板410的主面使得可以使用GaN晶体基板410作为n型GaN基板10。在该情形中，GaN晶体基板410的宽度S可以是3mm或者更大。
这里，在实施例1中，上述n型GaN基板10中a轴方向上的偏角被调整为大于±0.1度。此外，为了抑制表面形态的劣化，a轴方向上的偏角被调整为10度或者更小。在c轴方向上也被提供偏角的情形中，优选c轴方向上的偏角被调整为大于±0.1度。而且，优选c轴方向上的偏角被调整为小于a轴方向上的偏角。在该情形中，c轴方向上的偏角小于±10度。
接着，如同在图19中所示出的，在所获得的n型GaN基板10的整个顶面(主生长面10a)上方，通过溅射工艺等，形成具有大约1μm厚度的SiO2层420。接着，如同在图20中所示出的，通过使用光刻技术，在SiO2层420上形成具有开口430a作为抗蚀剂图案的抗蚀剂层430。随后，如同在图21中所示出的，通过使用例如RIE(反应离子蚀刻)的干法蚀刻，并且采用抗蚀剂层430作为掩模，SiO2层420被蚀刻从而选择性地去除SiO2层420的预定区域。此后，通过使用抗蚀剂去除液或者有机溶剂(例如，丙酮、乙醇等)，抗蚀剂层430被去除。下一工艺之前的工艺可以不去除抗蚀剂层430而进行。
随后，如同在图22中所示出的，通过ICP(感应耦合等离子体)工艺，或者通过RIE工艺等，并且采用SiO2层420作为掩模，n型GaN基板10被蚀刻以便选择性地去除n型GaN基板10的预定区域。此时，蚀刻条件被调整为使得n型GaN基板10的被蚀刻的深度f是大约5μm。以这种方式，上述凹陷部2形成于n型GaN基板10上。通过调整蚀刻条件等，凹陷部2的侧表面部2b被形成为使得其倾斜角γ等于大于90度的预定角。
此后，如同在图23中所示出的，通过使用例如HF(氢氟酸)的蚀刻剂，SiO2层420(见图22)被去除。
接着，如同在图24中所示出的，在如上述被处理的n型GaN基板10(被处理过的基板)的主生长面10a上，单独的氮化物半导体层21至27通过例如MOCVD工艺的外延工艺被生长。具体地，在n型GaN基板10的主生长面10a上，下列层被顺序生长：具有大约2.2μm的厚度的n型Al0.06Ga0.94N的n型覆层21；具有大约0.1μm的厚度的n型GaN的n型引导层22；和有源层23。如同在图13中所示出的，当有源层23生长时，二个Inx1Ga1-x1N的阱层23a和三个Inx2Ga1-x2N(这里x1＞x2)的势垒层23b交替地生长。具体地，在n型引导层22上，下列层自底向上顺次生长：具有大约30μm厚度的第一势垒层231b；具有大约3nm至大约4nm厚度的第一阱层231a；具有大约16nm厚度的第二势垒层232b；具有大约3nm至大约4nm厚度的第二阱层232a；和具有大约60nm厚度的第三势垒层233b。以这种方式，在n型引导层22上，形成由两个阱层23a和三个势垒层23b构成的具有DQW结构的有源层23。此时，阱层23a形成为使得这里的In组成比x1是0.15以上、0.45以下(例如，0.2至0.25)。另一方面，势垒层23b形成为使得这里的In组成比x2是例如0.04至0.05。
接着，如同在图24中所示出的，在有源层23上，下列层顺次生长：p型AlyGa1-yN的载流子阻挡层；具有大约0.05μm厚度的p型GaN的p型引导层25；具有大约0.5μm厚度的p型Al0.06Ga0.94N的p型覆层26；和具有大约0.1μm厚度的p型GaN的p型接触层27。此时，优选载流子阻挡层24形成为具有40nm以下(例如，大约12nm)的厚度。此外，载流子阻挡层24形成为使得Al组成比y是0.08以上、0.35以下(例如，大约0.15)。n型氮化物半导体层20a(n型覆层21和n型引导层22)被掺杂以例如Si作为n型杂质，并且p型氮化物半导体层20b(载流子阻挡层24、p型引导层25、p型覆层26和p型接触层27)被掺杂以例如Mg作为p型杂质。
在实施例1中，n型氮化物半导体层20a在900℃以上、低于1300℃(例如，1075℃)的生长温度下形成。有源层23的阱层23a在600℃以上、770℃以下(例如，700℃)的生长温度下形成。邻近阱层23a的势垒层23b在与阱层23a相同的生长温度(例如，700℃)下形成。p型氮化物半导体层20b在700℃或者更高但是低于900℃(例如，880℃)的生长温度下形成。N型氮化物半导体层20a的生长温度优选为900℃或者更高但是低于1300℃，并且更加优选是1000℃或者更高但是低于1300℃。有源层23的阱层23a的生长温度优选是600℃或者更高但是830℃以下，并且在阱层23a中的In组成比x1是0.15或者更大的情形中，优选是600℃或者更高但是是770℃以下；更加优选是630℃或者更高但是740℃以下。有源层23的势垒层23b的生长温度优选与阱层23a相同或者更高。p型氮化物半导体层20b的生长温度优选700℃或者更高但是低于900℃，并且更加优选700℃或者更高但是880℃或者更低。不必说，由于即使在900℃以上的温度形成p型氮化物半导体层20b也给出p型导电性，所以p型氮化物半导体层20b可以在900℃以上形成。
作为用于生长这些氮化物半导体的源材料，例如，下列材料可以被使用：作为Ga的源材料，三甲基镓((CH3)3Ga；TMGa)；作为Al的源材料，三甲基铝((CH3)3Al；TMAl)；作为N的源材料，NH3。作为载气，例如H2可以被使用。至于掺杂剂，作为n型掺杂剂(n型杂质)，例如甲硅烷(SiH4)可以被使用；作为p型掺杂剂(p型杂质)，例如环戊二烯镁(CP2Mg)可以被使用。
这里，在实施例1中，如同在图1中所示出的，n型GaN基板10的主生长面10a是在a轴方向上相对于m面具有偏角的面，这使得难以用氮化物半导体层20填充凹陷部2的内部。结果，当氮化物半导体层20形成于n型GaN基板10的顶部上时，凹度35在凹陷部2(雕刻区域3)上方形成于氮化物半导体层20的表面上(在构成氮化物半导体层20的各单独层的表面上)。该凹度35缓解例如由对n型GaN基板10的晶格失配所产生的氮化物半导体层20中的应变。
此外，在实施例1中，如同在图7中所示出的，作为氮化物半导体层20形成于上述n型GaN基板10的主生长面10a上的结果，在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中，形成梯度厚度区域5，其厚度以梯度方式(逐渐地)朝向凹陷部2(雕刻区域3)减小。如同在图8中所示出的，梯度厚度区域5靠近地形成在凹陷部2(雕刻区域3)一侧(例如，右侧)上的区域中，且具有基本上在平行于凹陷部2(雕刻区域3)的方向上延伸的带状。梯度厚度区域5还起缓解例如由对n型GaN基板10的晶格失配所产生的氮化物半导体层20中的应变的作用。
因而，采用根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法，由于通过形成于氮化物半导体层20的表面上的凹度35和通过形成于未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中的梯度厚度区域5的双重应变缓解效果，可以获得非常有力的抑制裂纹的效果。
此外，在实施例1中，使用在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为n型GaN基板10的主生长面10a给予形成于主生长面10a上的氮化物半导体层20良好的结晶度。此外，使用上述n型GaN基板10给予氮化物半导体层20中的发射部形成区域6非常良好的表面形态。这使得裂纹不可能在氮化物半导体层20中发展。
因而，既便当具有高Al组分的AlGaN层(与n型GaN基板10在晶格常数等方面差别非常大)形成于主生长面10a上时，裂纹的发展也被抑制。因而，其中裂纹的发展被抑制的氮化物半导体层20形成于n型GaN基板10的主生长面10a上。
此外，在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中，形成发射部形成区域6，其厚度改变比梯度厚度区域5的厚度变化小得多并且它适于发射部(脊部28)的形成。发射部形成区域6具有非常良好的表面形态，并且其厚度变化非常小。
随后，如同在图25中所示出的，通过使用光刻技术，在发射部形成区域6中的p型接触层27上(见图7)，形成具有大约1μm至大约3μm(例如大约1.5μm)的宽度且在c轴[0001]方向上延伸的条形(拉长的)抗蚀剂层440。随后，如同在图26中所示出的，通过使用例如SiCl4或者Cl2的氯基气体或者氩气的RIE工艺，并且采用抗蚀剂层440作为掩模，进行蚀刻达到p型引导层25深度的一半(不局限于精确的一半)。以这种方式，形成条形(拉长)的脊部28(见图9和26)，脊部28由p型引导层25的***部、p型覆层26和p型接触层27构成并且它沿c轴[0001]方向延伸，并且各个脊部28相互平行。
接着，如同在图27中所示出的，通过溅射工艺等，带有留在脊部28上的抗蚀剂层440，形成具有大约0.1μm至大约0.3μm(例如，大约0.15μm)厚度的SiO2绝缘层30以埋入脊部28。随后，抗蚀剂层440通过剥离被去除使得脊部28顶部的p型接触层27被暴露。以这种方式，在脊部28的各侧，形成如同在图28中所示出的绝缘层30。
接着，如同在图29中所示出的，通过真空沉积工艺等，下列层从基板侧(绝缘层30侧)顺次形成：具有大约15μm厚度的Pd层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。因而，在绝缘层30(p型接触层27)上，形成具有多层结构的p侧电极31。
接着，为了使基板容易分割，n型GaN基板10的背面被研磨或者抛光直至n型GaN基板10的厚度被减小到大约100μm。此后，如同在图1中所示出的，在n型GaN基板10的背面，通过真空沉积工艺等，下列层从n型GaN基板10的背面侧顺次形成：具有大约5nm厚度的Hf层(未被示出)；具有大约150nm厚度的Al层(未被示出)；具有大约36nm厚度的Mo层(未被示出)；具有大约18nm厚度的Pt层(未被示出)；和具有大约200nm厚度的Au层(未被示出)。因而，形成具有多层结构的n侧电极32。在n侧电极32形成之前，为了例如调整n侧电特性的目的，可以进行干法蚀刻或者湿法蚀刻。
以这种方式，形成上述根据实施例1的氮化物半导体晶片50。
以下，如同在图30中所示出的，通过例如划片-断开工艺、激光划片或者干法蚀刻的技术，晶片被分割为棒(bar)。这产生在分割面处具有谐振器面40的棒形阵列。接着，通过例如真空沉积工艺或者溅射工艺的技术，涂层被施加于芯片的棒形阵列的面(谐振器面40)。具体地，在用作发光面的面之一上，例如铝氧氮化物等的膜的发射侧涂层(未被示出)被形成。在与其相对的用作光反射面的面上，形成例如SiO2、TiO2等的多层膜的反射侧涂层(未被示出)。
最后，如同在图31中所示出的，芯片的棒形阵列沿计划的分割线P2沿c轴[0001]方向被分割为单独的成片的氮化物半导体激光器芯片。以这种方式，根据本发明实施例1的氮化物半导体激光器芯片100被制造。
如同在图32中所示出的，通过上述制造方法获得的根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片100利用插设在之间的下底座(sub-mount)151安装于晶体管管座(stem)152上并且通过布线153电连接至引脚(lead pin)。随后，帽154被焊接于晶体管管座152的顶部从而完成成为帽封装半导体激光器器件(半导体器件)150的装配。
如上所述，利用根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片的制造方法，在a轴方向上相对于m面具有偏角的面被取作n型GaN基板10的主生长面10a；这使得可以抑制亮点化EL发射图案。也就是，以该方案，可以改善EL发射图案。这使得可以提高发光效能，因而使得可以制造高亮度的氮化物半导体激光器芯片100。
采用根据实施例1的制造方法，由于上述方案，因为可以抑制亮点化EL发射图案，所以可以提高发光效能，因而可以制造具有极佳的芯片特性和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片100。
利用根据实施例1的制造方法，由于上述方案，由于可以有效地抑制氮化物半导体层20中裂纹的发展，所以可以增加从单个芯片获得的可接受的芯片的数量。因而可以提高良率。
如上所述，使用根据实施例1的制造方法给出非常有力的抑制裂纹的效果。这使得可以容易地没有裂纹发展而形成组分与氮化物半导体基板相差很大的氮化物半导体层。例如，在GaN基板被用作氮化物半导体基板的情形中，可以形成为具有较高Al组分的AlGaN层比之前的更厚。这使得可以以高的良率制造要求具有高Al组分的氮化物半导体膜和传统上难于制造的芯片(例如，在紫外或者绿光区域中发光的半导体发光芯片)。
采用根据实施例1的制造方法，在900℃或者更高的高温形成n型氮化物半导体层20a有助于使n型氮化物半导体层20a的表面平坦。因而，通过在形成的如此平坦的n型氮化物半导体层20a上形成有源层23和p型氮化物半导体层20b，可以抑制有源层23和p型氮化物半导体层20b中结晶度的劣化。这也使得可以形成高质量的晶体。另一方面，在低于1300℃的生长温度形成n型氮化物半导体层20a帮助抑制由于n型氮化物半导体层20a在1300℃或者更高的生长温度形成而造成的n型GaN基板10的表面在温度升高期间再蒸发并且变得粗糙的不便。因而，采用该方案，可以容易地制造具有极佳的芯片特性和高可靠性的氮化物半导体激光器芯片100。
利用根据实施例1的制造方法，在600℃或者更高的生长温度形成有源层23的阱层23a帮助抑制由于阱层23a在低于600℃的生长温度形成而造成的原子扩散长度较短因而劣化结晶度的不便。另一方面，在770℃或者更低的生长温度形成有源层23的阱层23a帮助抑制由于有源层23的阱层23a在高于770℃(例如，830℃或者更高)的生长温度形成而造成的有源层23因热损伤而黑化的不便。邻近阱层23a的势垒层23b的生长温度优选等于或者高于阱层23a的生长温度。
利用根据实施例1的制造方法，在700℃或者更高的生长温度形成p型氮化物半导体层20b帮助抑制由于生长温度过低而造成的p型氮化物半导体层20b具有高电阻的不便。另一方面，在低于900℃的生长温度形成p型氮化物半导体层20b帮助减小对于有源层23的热损伤。在使用具有c面作为主生长面的n型GaN基板的情形中，在低于900℃的生长温度形成p型氮化物半导体层20b引起p型氮化物半导体层20b具有极高的电阻，因而使所得到的器件(氮化物半导体芯片)难以同样地使用。相反，使用具有在a轴方向上相对于m面被提供以偏角的面作为主生长面10a的上述n型GaN基板10使得可以既便在生长温度低于900℃时也能通过掺杂Mg作为p型杂质而获得p型导电性。具体地，在有源层23的阱层23a中In的组成比x1是0.15以上、0.45以下的情况中，In的组成比趋向于由于In等的偏析造成在整个面上变化。因而，p型氮化物半导体层20b的生长温度越低，越为优选。从避免对有源层23的热损伤的观点来看，有源层23的阱层23a的生长温度与p型氮化物半导体层20b的生长温度之间的差别优选小于200℃，并且更加优选为150℃或者更小。在In组成比x1小于0.15的情形中，可能没有In等的偏析这样的不便，因而在900℃或者更高的生长温度生长p型氮化物半导体层20b不引起问题。
下面，将给出验证上述实施例的效果所进行的实验的描述。
在实验中，首先，测试样品被制造，其中类似于实施例1的单独的氮化物半导体层形成于类似于实施例的n型GaN基板的顶部上，并且测试抑制裂纹的效果。测试样品中使用的n型GaN基板具有在a轴方向上+2.2度的偏角和在c轴方向上-0.18度的偏角。凹陷部(雕刻区域)的周期是400μm。在其它方面，测试样品具有类似于上述实施例1的结构。此外，制造对比样品，其中与实施例1中类似的单独的氮化物半导体层形成于在a轴方向上不具有偏角的n型GaN基板(实质上的m面正基板)的顶部上，并且经历与测试样品相同的检查。在对比样品中所使用的n型GaN基板在a轴方向上具有0度的偏角、在c方向上具有+0.05度的偏角。在对比样品中，没有形成凹陷部(雕刻区域)。在其它方面中，对比样品具有与测试样品相同的结构。测试样品中单独的氮化物半导体层的形成和对比样品中单独的氮化物半导体层的形成在MOCVD装置上同时进行。
图33是在测试样品中实际观察到的氮化物半导体层的表面的显微镜图像，图34是在对比样品中实际观察到的氮化物半导体层的表面的显微镜图像。
如同在图33和34中所示出的，在测试样品中，采用其中在a轴方向上具有偏角的n型GaN基板，观察到在未雕刻区域4上方的氮化物半导体层中，形成其厚度以梯度方式(逐渐地)朝向凹陷部2(雕刻区域3)减小的梯度厚度区域5。还确认了梯度厚度区域5形成在接近于凹陷部2(雕刻区域3)一侧(例如，右侧)的区域中，基本上以带形在平行于凹陷部2(雕刻区域3)的方向上延伸。在测试样品中，还清楚地观察到未雕刻区域4上方的氮化物半导体层的梯度厚度区域5之外的区域(发射部形成区域6)具有非常良好的表面形态。这确认了使用在a轴方向上具有偏角的基板帮助改善表面形态。
此外，在对比样品中，在形成氮化物半导体层之后观察到程度为10至20裂纹/cm2的裂纹发展，但是在测试样品中，在层形成之后没有观察到裂纹的发展。
前述确认了在具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面的n型GaN基板上形成凹陷部(雕刻区域)提供非常有力的抑制裂纹的效果。
下面，为了测试a轴方向上的偏角对梯度厚度区域的影响，在于a轴方向上具有不同的偏角的四个n型GaN基板的每个上，形成类似于上述实施例1的单独的氮化物半导体层，并且随后检查形成于氮化物半导体层中的梯度厚度区域的宽度。四个n型GaN基板分别在a轴方向上具有+0.5度、+1.0度、+2.0度和+3.0度的偏角。四个n型GaN基板都在c轴方向上具有大约-0.2度的偏角。如同在实施例1中，凹陷部(雕刻区域)被形成为5μm的宽度和5μm的深度。凹陷部(雕刻区域)的周期是400μm。基板顶部上单独的氮化物半导体层的形成以与上述实施例1中相似的方式进行。
结果如下。观察到，随着a轴方向上的偏角的增加，梯度厚度区域的宽度趋向于减小。具体地，a轴方向上的偏角等于+0.5度时，梯度厚度区域的宽度是188.4μm；a轴方向上的偏角等于+1.0度时，梯度厚度区域的宽度是92.2μm；a轴方向上的偏角等于+2.0度时，梯度厚度区域的宽度是46.5μm；a轴方向上的偏角等于+3.0度时，梯度厚度区域的宽度是32.7μm。
还观察到，随着a轴方向上偏角的增加，梯度厚度区域的梯度(厚度梯度角)趋向于变得更陡。
附带地，采用等于+0.5度的a轴方向上的偏角，形成在未雕刻区域上方的大约一半氮化物半导体层被梯度厚度区域所占据。因而，采用小于0.5度的a轴方向上偏角，形成在未雕刻区域上方的大于一半的氮化物半导体层被梯度厚度区域所占据。这里，优选器件操作发生的区域(发光器件中的发光区域)形成于具有良好表面形态的发射部形成区域中。因而，从保证其中制造器件工作区域(发射部(脊部))的区域(发射部形成区域)的观点来看，优选a轴方向上的偏角是0.5度或者更大。
接着，作为试验芯片，制造如图35所示的发光二极管芯片110，并且EL发射图案被检查。发光二极管芯片被用于检查EL发射图案的原因是：利用具有作为脊部被形成的结果的狭窄的电流注入区域的氮化物半导体激光器芯片，难以检查EL发射图案。
试验芯片(发光二极管芯片110)通过在类似于上述实施例1的n型GaN基板10的顶部上形成类似于上述实施例1的氮化物半导体层(单独的半导体层)而被制造。氮化物半导体层的形成以类似于上述实施例1中的方式进行。具体地，如同在图35中所示出的，通过使用具有相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10，下列层被顺次地形成：n型覆层21；n型引导层22；有源层23；载流子阻挡层24；p型引导层25；p型覆层26；和p型接触层27。接着，在p型接触层27上，形成p侧电极131。p侧电极131被形成为是透明的以允许检查EL发射图案。在n型GaN基板10的背面上，形成n侧电极32。在试验芯片中，n型GaN基板10在a轴方向上具有+2.2度的偏角、在c轴方向上具有-0.18度的偏角。在试验芯片中，阱层中In的组成比是0.25。试验芯片形成为使得发射部形成区域起发光区域的作用。电流被注入到被如此制造的试验芯片(发光二极管芯片110)以使得其发光，并且检查整个面上的光分布。图36示出了在试验芯片中所观察到的EL发射图案的显微镜图像。
另一方面，作为对比芯片，采用具有m面作为主生长面的n型GaN基板(m面正基板)的发光二极管芯片被制造。对比芯片以与上述试验芯片相同的方式被制造。In的气体流量与试验芯片相同，但是在对比芯片中，阱层中In的组成比是0.2。与试验芯片类似，整个面上的光分布被检测。除了采用m面正基板作为n型GaN基板且阱层中具有0.2的In组成比之外，对比芯片与试验芯片(发光二极管芯片110)具有相似的结构。图47中所示出的EL发射图案是在对比芯片中所观察到的EL发射图案(的显微镜图像)。
如同在图47中所示出的，对比芯片展示出亮点化发射图案，但是如同在图36中所示出的，尽管在阱层中具有比对比芯片高的In组成比，但是由于亮点化EL发射图案被抑制试验芯片仍展示出均匀发光的EL发射图案。这确认了使用具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面10a的n型GaN基板10帮助抑制亮点化EL发射图案。另一方面，通过对试验芯片和对比芯片的发光效能进行测量，确认了试验芯片的发光效能增加为对比芯片的发光效能的1.5倍。试验芯片的发射波长是510nm，对比芯片的发射波长是500nm。这确认了：其中偏角受到控制的试验芯片在In吸收方面比使用m面正基板的对比芯片更为有效。前述确认了：提供在a轴方向上相对于m面的偏角帮助抑制亮点化发射且增加绿光波长区域中的发光效能。
随后，通过使用在a和c轴方向上具有不同的偏角的多个n型GaN基板，与图35所示的发光二极管芯片110一样的多个芯片被制造，并且经历包括EL发射图案检查的实验。
结果揭示了：在a轴方向上相对于m面提供偏角给予了抑制亮点化EL发射图案的效果。已经发现：尽管a轴方向上的偏角在小于或者等于0.1度的范围内时抑制亮点化发射的效果弱，但a轴方向上的偏角等于或大于0.1度时抑制亮点化EL发射图案的效果仍是显著的。还发现：在c轴方向上也被提供偏角的情形中，c轴方向上的偏角在±0.1度或者更小的范围中时抑制亮点化发射的效果弱。因此认为：采用都在±0.1度或者更小的范围中的a轴和c轴方向上的偏角，该偏角如此小以至于与没有被提供偏角的基板(正基板)几乎相同且这使得难以获得抑制亮点化发射的效果。因而，确定了：通过使用在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为n型GaN基板的主生长面，可以抑制亮点化EL发射图案。还确定了：采用绝对值大于10度的a轴方向上的偏角，尽管获得了抑制亮点化发射的效果，但是表面形态趋向于劣化。还确定了：采用绝对值范围在0.1度以下的a轴方向上的偏角，表面形态也劣化。还确认了：在c轴方向上也被提供偏角的情形中，采用范围在±0.1度以下的c轴方向上的偏角，n型半导体层的厚度和p型半导体层的厚度在整个面上变化。另外，还确认了：c轴方向上的偏角在+方向和-方向上示出了相似的趋势，因而可以根据绝对值进行讨论。
在a和c轴方向上都被提供有偏角的情形中，对于抑制亮点化发射的效果，观察到a轴方向上的偏角与c轴方向上的偏角之间强的相关性。具体地，c轴方向上大的偏角趋向于减弱a轴方向上偏角的效果(抑制亮点化发射的效果)。更具体地，观察到：既便在a和c轴方向上的偏角都大于±0.1度的情形中，比a轴方向上偏角大的c轴方向上的偏角趋向于减小a轴方向上偏角的效果(其抑制亮点化发射的效果)。这里，c轴方向上的偏角示出了在+方向和-方向上相似的趋势。因而，可确定：对于a和c轴方向上的偏角之间的关系，更为优选的条件是a轴方向上偏角的绝对值大于c轴方向上偏角的绝对值。利用被满足的该条件，可以在较宽范围的生长条件下获得抑制亮点化发射的效果。如上所述抑制亮点化发射的效果根据a和c轴方向上的偏角之间的关系而变化的事实被认为是由原子的迁移方向随c轴方向上偏角的增加而变化的事实所引起的。
基于上述发现，考虑到表面形态等，可以确认：a轴方向上的偏角优选大于0.1度但是小于或者等于10度。还可以确认：在c轴方向上也被提供偏角的情形中，c轴方向上的偏角优选大于±0.1度但是小于±10度，并且优选c轴方向上的偏角小于a轴方向上的偏角。
实际示例1
作为根据实际示例1的氮化物半导体激光器芯片，通过使用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有+2.2度的偏角且在c轴方向上具有-0.18度的偏角的n型GaN基板，类似于上述根据实施例1的氮化物半导体激光器芯片被制造。在实际示例1中，阱层中In的组成比是0.25，在载流子阻挡层中Al的组成比是0.15。在其它方面，实际示例1中的结构类似于上述实施例1中的结构。以类似于根据上述实施例1的方式制造的但是使用不具有偏角的n型GaN基板(m面正基板)的另一氮化物半导体激光器芯片被取作对比示例1。应当注意，在对比示例1中，芯片被制造为不具有形成于基板上的凹陷部(雕刻区域)。在其它方面，对比示例1中的氮化物半导体激光器芯片的结构类似于实施例1中的芯片结构。
对于实际示例1和对比示例1，阈值电流被测量。对于对比示例1的氮化物半导体激光器芯片，阈值电流的值是大约100mA，但是对于实际示例1的氮化物半导体激光器芯片，阈值电流的值是大约60mA；因而，可确认：实际示例1的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流远低于对比示例1的氮化物半导体激光器芯片的阈值电流。原因被认为是：被抑制的亮点化发射导致整个面上的均匀发光，因而具有较高的增益。此外，关于驱动电压，可确认：当50mA的电流被注入时所观察到的驱动电压对于实际示例1的氮化物半导体激光器芯片比对比示例1的芯片低大约0.32V。造成这些结果的一个原因被认为是：使用在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为n型GaN基板的主生长面改善了载流子阻挡层中的结晶度。另一原因被认为是：这样做还改变了Mg被吸收进入p型半导体层的方式从而提高了活化率。
在对比示例1中，观察到量级为10至20裂纹/cm2的裂纹的发展。相反，在实际示例1中，没有观察到裂纹的发展。
实际示例2
作为根据实际示例2的氮化物半导体激光器芯片，通过使用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有+1.0度的偏角且在c轴方向上具有-0.5度的偏角的n型GaN基板，类似于根据上述实施例1的芯片的氮化物半导体激光器芯片被制造。在实际示例2中，有源层(阱层)中In的组成比是0.25，在载流子阻挡层中Al的组成比是0.35。梯度厚度区域的宽度是92.2μm。与上述实施例1不同，在实际示例2中，作为n型覆层形成的是具有大约2.0μm的厚度的n型Al0.1Ga0.9N的AlGaN层(具有0.1的Al组成比)。在其它方面，实际示例2中的结构类似于上述实施例1中的结构。
此外，通过使用不具有偏角的n型GaN基板(m面正基板)，类似于上述实际示例2的另一氮化物半导体激光器芯片被制造，并且该氮化物半导体激光器芯片被取作对比示例2。应当注意，在对比示例2中，芯片被制造为没有形成于基板上的凹陷部(雕刻区域)。
在实际示例2中，尽管n型覆层中的Al组成比高至0.1，但是也没有观察到裂纹的发展。另一方面，在对比示例2中，观察到量级为50至70裂纹/cm2的裂纹的发展。因而，在实际示例2中，确认了非常有力的抑制裂纹的效果，并且获得与上述实际示例1中相似的在阈值值和电压方面的效果。
实际示例3
作为根据实际示例3的氮化物半导体激光器芯片，通过使用相对于m面{1-100}在a轴方向上具有-5.0度的偏角并且在c轴方向上具有-1度的偏角的n型GaN基板，类似于上述根据实施例1的芯片的氮化物半导体激光器芯片被制造。在实际示例3中，有源层(阱层)中In的组成比是0.23，在载流子阻挡层中Al的组成比是0.13。梯度厚度区域的宽度是18.4μm。与上述实施例1不同，在实际示例3中，作为n型覆层形成的是具有大约1.8μm的厚度的n型Al0.12Ga0.88N的AlGaN层(具有0.12的Al组成比)。在其它方面，实际示例3中的结构类似于上述实施例1中的结构。
此外，通过使用不具有偏角的n型GaN基板(m面正基板)，类似于上述实际示例3的另一氮化物半导体激光器芯片被制造，并且该氮化物半导体激光器芯片被取作对比示例3。应当注意，在对比示例3中，芯片被制造为没有形成于基板上的凹陷部(雕刻区域)。
在实际示例3中，尽管n型覆层中Al的组成比高至0.12，但是也没有观察到裂纹的发展。另一方面，在对比示例3中，观察到量级为50至70裂纹/cm2的裂纹的发展。因而，在实际示例3中，确认了非常有力的抑制裂纹的效果，并且获得了与上述实际示例1中相似的在阈值值和电压方面的效果。
在上面描述的实际示例1至3中，氮化物半导体激光器芯片的发射波长是490nm至495nm。
实施例2
图37是示出根据本发明第二实施例(实施例2)的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片的截面图。图37示出了在根据实施例2的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片中使用的部分基板的截面。下面，参考图1、7和37，将描述根据实施例2的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片。实施例2涉及其中根据本发明的氮化物半导体芯片被应用于氮化物半导体激光器芯片的示例。
在根据实施例2的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片中，除了先前描述的实施例1的结构之外，还提供了用于抑制氮化物半导体晶体生长的生长抑制膜。具体地，在实施例2中，如同在图37中所示出的，在n型GaN基板10上的雕刻区域3中(在凹陷部2内部的区域中)，还形成了生长抑制膜160，其是氮化物膜，具体地是AlN膜。形成生长抑制膜160以便覆盖凹陷部2的底表面部2a和侧表面部2b。此外，生长抑制膜160形成为具有不充满凹陷部2(雕刻区域3)内部的厚度。
此外，生长抑制膜160形成为使得其形成于侧表面部2b上的部分的厚度t2小于其形成于底表面部2a上的部分的厚度t1。具体地，生长抑制膜160形成为使得形成于凹陷部2的底表面部2a上的部分的厚度t1是大约100nm，而形成于凹陷部2的侧表面部2b上的部分的厚度是大约80nm。利用该结构，可以有效地抑制例如生长抑制膜160剥落的缺陷。
优选生长抑制膜160的厚度t1小于或者等于凹陷部2的深度f的一半。还优选生长抑制膜160的厚度t2小于或者等于凹陷部2的开口宽度g的一半。利用该结构，可以抑制利用生长抑制膜充满凹陷部2的内部。
此外，在实施例2中，生长抑制膜160形成为沿凹陷部2延伸(在c轴[0001])方向上延伸)。
在其它方面中，实施例2中的结构类似于先前所描述的实施例1中的结构。
在实施例2中，如上所述，用于抑制氮化物半导体晶体生长的生长抑制膜160在n型GaN基板10上形成在雕刻区域3(凹陷部2)中；这使得可以确定地抑制氮化物半导体层20形成期间用氮化物半导体层20(构成氮化物半导体层20的单独的半导体层)充满凹陷部2(雕刻区域3)的内部(见图1和7)。结果，在凹陷部2(雕刻区域3)上方可以容易地在氮化物半导体层20(构成氮化物半导体层20的各单独层)的表面上形成凹度。因而，既便在n型GaN基板10和氮化物半导体层20之间的晶格常数、热膨胀系数等差异很大而在氮化物半导体层20中产生应变的情况中，形成于未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中的应变也可以利用形成在凹陷部2(雕刻区域3)上方的氮化物半导体层20上的凹度而缓解。
具体地，在特定的氮化物半导体层(例如，n型覆层)需要形成得较厚的情形中，凹陷部2(雕刻区域3)更可能被充满；因此，在这样的情形中，在凹陷部2(雕刻区域3)内部形成如上所述的生长抑制膜160是非常有效的。这是因为：如果凹陷部2(雕刻区域3)的内部被完全填充(如果没有形成凹度)，则难以缓解应变，从而导致抑制裂纹的效果减小。
在实施例2中，以不充满凹陷部2(雕刻区域3)内部的厚度形成生长抑制膜160使得可以容易地在凹陷部2(雕刻区域3)上方的氮化物半导体层20(构成氮化物半导体层20的每个单独的层)的表面上形成凹度。
在实施例2中，形成由AlN膜形成的生长抑制膜160，即，铝氮化物膜，使得可以获得更为有力的抑制裂纹的效果。由于AlN可以具有类似于氮化物半导体的晶体结构，所以在生长抑制膜160与生长抑制膜160未被形成的区域之间获得连续的晶体结构。因而，AlN可以被认为是合适的生长抑制膜材料。
实施例2的其它效果类似于先前所描述的实施例1的效果。
图38和39是示出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的截面图。下面，参考图19至22、38和39，将给出根据本发明实施例2的氮化物半导体激光器芯片的制造方法的描述。实施例2中除形成生长抑制膜160之外的步骤类似于先前所描述的实施例中的步骤，因而下面的描述仅讨论用于形成生长抑制膜160的步骤。
首先，具有在a轴方向上相对于m面具有偏角的面作为主生长面的n型GaN基板被制备，并且通过类似于在图19至22中示出的实施例1中所使用的方法，凹陷部2形成于n型GaN基板上。
接着，如同在图38中所示出的，通过使用ECR(电子回旋共振)装置的溅射工艺，以大约100nm的厚度在整个表面上方形成作为生长抑制膜的AlN膜160a。此时，通过溅射条件等的调整，AlN膜160a形成为使得AlN膜160a的形成在凹陷部2的侧表面部2b上的部分的厚度是大约80nm。
随后，如同在图39中所示出的，通过使用蚀刻剂例如HF(氢氟酸)，SiO2层420(见图38)被去除。这样，通过剥离，上述由AlN膜形成的生长抑制膜160形成于凹陷部2的侧表面部2b和底表面部2a上。
图40是示出根据实施例2的第一修改示例的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片的截面图。现在，参考图23和40，作为实施例2的第一修改示例，将给出生长抑制膜被给予不同形状的情形的描述。
在实施例2的第一修改示例中，如同在图40中所示出的，由AlN膜形成的生长抑制膜161形成于凹陷部2内部低于主生长面10a的区域(位置)中。这里的生长抑制膜161形成于侧表面部2b的部分上并且形成在凹陷部2的底表面部2a上，从而具有实质上方角U形的(实质上凹陷的)截面形状。
此外，生长抑制膜161具有比凹陷部2的开口宽度g小的预定宽度D1，并且如同在上述实施例2中一样，形成为沿凹陷部2延伸(形成为在c轴[0001]方向上延伸)。
此外，在实施例2的第一修改示例中，从主生长面10a(未雕刻区域4的表面)至生长抑制膜161的距离t3被设定为例如大约1.5μm。过小的距离t3使得难以形成生长抑制膜161；因而优选距离t3被设定为大于或者等于0.5μm。
在其它方面中，实施例2的第一修改示例中的结构类似于上述实施例2中的结构。实施例2的第一修改示例的效果类似于上述实施例2的效果。
上述生长抑制膜161可以例如以下列方式形成。
首先，利用类似于先前所描述的实施例1中所使用的方法，凹陷部(雕刻区域)形成于基板上以制备如23所示具有形成于其上的凹陷部2(雕刻区域)的n型GaN基板10。接着，抗蚀剂被施加于n型GaN基板10的主生长面10a的整个表面上方。随后，通过光刻技术的使用，比凹陷部2的开口宽度g(见图40)窄的区域中的部分光刻胶被选择性地去除。以这种方式，形成作为抗蚀剂图案的开口以便暴露凹陷部2的侧表面部2b的部分和凹陷部2的底表面部2a。
随后，通过使用ECR溅射装置的溅射工艺，作为生长抑制膜的AlN膜形成于整个表面上方，并且随后通过使用抗蚀剂去除液或者有机溶剂(例如，丙酮、乙醇等)，抗蚀剂被去除。因而，通过剥离，形成如图40所示的生长抑制膜。
图41是示出根据实施例2的第二修改示例的氮化物半导体晶片和氮化物半导体激光器芯片的截面图。现在，参考图41，作为实施例2的第二修改示例，将给出生长抑制膜以不同的形状被给出的情形的描述。
在实施例2的第二修改示例中，如同在图41中所示出的，由AlN膜形成的生长抑制膜162不仅形成于凹陷部2(雕刻区域3)的内部而且还形成于未雕刻区域4的部分上。
此外，生长抑制膜162具有比凹陷部2的开口宽度g大的预定宽度D2，并且，如同在上述实施例2中一样，生长抑制膜162被形成为沿凹陷部2延伸(形成为在c轴[0001]方向上延伸)。
在其它方面中，实施例2的第二修改示例中的结构类似于上述实施例2中的结构。实施例2的第二修改示例的效果类似于上述实施例2的效果。
例如，通过使用上述第一修改示例的制造方法中的修改的抗蚀剂图案可以形成上述生长抑制膜162。具体地，通过光刻技术的使用，比凹陷部2的开口宽度g宽的区域中的抗蚀剂的部分被选择性地去除，使得作为抗蚀剂图案的开口形成为暴露凹陷部2(雕刻区域3)和部分未雕刻区域4。此后，通过类似于在上述第一修改示例中所使用的方法，形成如图41所示的生长抑制膜162。
实施例3
图42是示意性地示出根据本发明第三实施例(实施例3)的发光二极管芯片的截面图。下面，参考图21和42，将给出对作为实施例3的其中根据本发明的氮化物半导体芯片被应用于发光二极管芯片的示例的描述。
通过在类似于之前所描述的实施例1中的基板的n型GaN基板10上堆叠与先前描述的实施例1中的氮化物半导体层类似的氮化物半导体层而形成根据实施例3的发光二极管芯片200。具体地，发光二极管芯片200具有这样的结构，在该结构中，如同在图21中所示出的，包括n型氮化物半导体层20a、有源层23和p型氮化物半导体层20b的氮化物半导体层20形成于n型GaN基板10的主生长面10a上。n型氮化物半导体层20a包括n型覆层和n型引导层；p型氮化物半导体层20b包括载流子阻挡层、p型覆层、p型引导层和p型接触层。
此外，在根据实施例3的发光二极管芯片200中，在n型GaN基板10的预定区域中，形成类似于实施例1中的凹陷部2(雕刻区域3)。此外，在实施例3中，作为氮化物半导体层20形成于n型GaN基板10的主生长面10a上的结果，梯度厚度区域5和发射部形成区域6形成于未雕刻区域4上方的氮化物半导体层20中。
这里，与发射部形成区域6相比，梯度厚度区域5具有较弱的抑制亮点化发射的效果，而是允许EL发射发生。此外，梯度厚度区域5以比发射部形成区域6短的波长发光。因而，在根据实施例3的发光二极管芯片200中，作为透明电极的p侧电极131a和131b分别被形成于发射部形成区域6和梯度厚度区域5二者上。p侧电极131a和131b相互独立地形成使得可以分开控制发射部形成区域6中和梯度厚度区域5中的发光。
在n型GaN基板10的背面，形成n侧电极32作为公共电极。
根据实施例3的氮化物半导体晶片形成为包括根据上述实施例3的多个发光二极管芯片200。
在实施例3中，如上所述，发光区域形成在梯度厚度区域5和发射部形成区域6二者中，这使得可以在单个芯片中获得具有二个或者更多的发射峰的发光芯片(发光二极管芯片)。
在实施例3中，采用允许分开控制发射部形成区域6中和梯度厚度区域5中的发光的结构，这使得可以获得在非常宽的发射波长范围内发光的新型发光芯片(发光二极管芯片)。
应当理解，在此公开的实施例在各方面都是示意性的而非限制性的。本发明的范围不在上面给出的实施例的描述中而是在所附权利要求书中，并且包涵在等效于这些权利要求的意义和范围内的任何变更和修改。
例如，尽管上述实施例1至3涉及其中本发明应用于作为氮化物半导体芯片的示例的氮化物半导体发光芯片(氮化物半导体激光器芯片，发光二极管芯片)的示例，但是这不意味着限制本发明；本发明可以应用于氮化物半导体发光芯片之外的半导体芯片。例如，本发明可以应用于电子器件(半导体芯片)，例如IC(集成电路)、LSI(大规模集成电路)和晶体管。在这样的情形中，器件可以形成在未雕刻区域上方除梯度厚度区域之外的区域中(也就是，在对应于发射部形成区域的区域中)。利用该结构，可以获得具有极佳特性的电子器件。
尽管上述实施例1至3涉及其中a轴方向上的偏角被设定为大于0.1度的示例，但是这不意味着限制本发明；a轴方向上的偏角可以小于或者等于0.1度。但是，考虑到给予抑制亮点化发射的效果和表面形态，优选a轴方向上的偏角大于0.1度。
尽管上述实施例1至3涉及其中a轴方向上的偏角被设定为小于或者等于10度的示例，但是这不意味着限制本发明；a轴方向上的偏角可以大于或者等于10度。但是，a轴方向上的偏角过大会劣化表面形态，因而优选a轴方向上的偏角小于或者等于10度。
在上述实施例1至3中，基板的主生长面仅必须在a轴方向上具有偏角，并且不必在c轴方向上具有偏角。
在上述实施例1至3中，对于作为晶体在基板顶部上生长的单独的氮化物半导体层，其相应的厚度、成分等可以不同地结合或者适当地改变以适合期望的特性。例如，半导体层可以被添加或者被删除，或者半导体层的顺序可以被部分改变。对于另一示例，例如GaN缓冲层的层可以形成在GaN基板和n型覆层之间。半导体层的导电类型可以被部分改变。即，任何变化和修改都是可能的，只要获得氮化物半导体芯片的基本特性。
在上述实施例1至3中，形成于基板上的凹陷部的开口宽度和深度可以根据需要而改变。但是，优选凹陷部的开口宽度是大于或者等于1μm但是小于或者等于50μm。具有小于1μm的凹陷部的开口宽度，尤其难以获得抑制裂纹的效果。另一方面，采用大于50μm的凹陷部的开口宽度，凹陷部(雕刻区域)占据晶片表面区域的部分过大。由于不期望在凹陷部(雕刻区域)上方形成脊部，所以这减少了从单个晶片获得的芯片的数量。优选凹陷部的深度是大于或者等于0.1μm但是小于或者等于15μm。采用小于0.1μm的凹陷部的深度，凹陷部太容易被充满。另一方面，采用大于15μm的凹陷部的深度，则花费过长时间来形成凹陷部。
在上述实施例1至3中，凹陷部的截面形状可以根据需要被改变。例如，凹陷部可以形成为具有如图43所示的矩形截面形状。在该情形中，凹陷部可以与凹陷部502一样形成为开口宽度g大于深度f，或者凹陷部可以与凹陷部512一样形成为开口宽度g和深度f几乎相等；它甚至可以如同凹陷部522和532被形成为深度f大于开口宽度g。凹陷部可以形成为其侧表面部是如图44所示的倾斜表面。在该情形中，凹陷部可以如同凹陷部542被形成为具有V形(倒三角形)截面形状，或者可以如同凹陷部552和562被形成为具有梯形截面形状。在该情形中，凹陷部可以如同凹陷部552被形成为开口宽度g和深度f几乎相等，或者可以如同凹陷部562被形成为开口宽度g大于深度f。也就是，形成于基板上的凹陷部(雕刻区域)只不过产生凹陷部分和***部分之间的高度差。对于凹陷部的开口宽度和深度之间的关系，优选开口宽度大于深度。对于开口宽度等于或者小于深度，当形成生长抑制膜时，其在凹陷部的底表面部上的部分会形成得较薄。相反，对于开口宽度大于深度，可以以稳定的厚度形成生长抑制膜。
尽管上述实施例1至3涉及其中通过以直线形状形成具有恒定开口宽度的凹陷部而在基板上形成雕刻区域的示例，但是这不意味着限制本发明；雕刻区域可以通过以任何其它形状形成凹陷部而在基板上形成。例如，如同在图45中所示出的，雕刻区域3可以通过以锯齿形状形成凹陷部580，或者以波纹形状形成凹陷部583而在基板上形成；雕刻区域可以通过形成开口宽度变化的凹陷部581或者582而形成在基板上。利用以这些方式形成的任何雕刻区域，都可以获得本发明的效果。
尽管上述实施例1至3涉及其中GaN基板用作氮化物半导体基板的示例，但是这不意味着限制本发明；任何GaN基板之外的氮化物半导体基板都可以被使用。作为氮化物半导体基板，可以使用例如GaN、AlN、InN、BN、TlN，或者这些中任何的混晶的氮化物半导体基板。还可以使用其中具有雕刻区域和未雕刻区域的氮化物半导体层形成于氮化物半导体基板的顶部上或者在除氮化物半导体之外的基板的顶部上的基板。例如，可以使用通过首先在例如GaN基板、蓝宝石基板或者SiC基板的基础基板的顶部上形成氮化物半导体底层(primer layer)且随后在该底层中形成凹陷部而获得的基板。根据本发明的“氮化物半导体基板”概念上包括这样的基板。
尽管上述实施例1至3涉及其中多个凹陷部以相等的间隔形成的示例，但是这不意味着限制本发明；多个凹陷部可以以相邻凹陷部之间变化的间隔形成。可以在单个基板上形成不同截面形状的凹陷部。
尽管上述实施例1至3涉及其中凹陷部的周期被设定为大约400μm的示例，但是凹陷部的周期可以根据氮化物半导体激光器芯片的芯片宽度而被确定：在芯片宽度被设定为例如大约200μm的情形中，凹陷部的周期可以被设定为大约200μm。优选凹陷部(雕刻区域)(之间的间隔)的周期小于或者等于1mm，并且更加优选小于或者等于400μm。采用该结构，即使晶片(基板)具有缺陷部分并且这导致厚度变化，凹陷部上方的凹度也切断横向生长并且由此抑制缺陷引起的厚度变化的扩展。另一方面，对于小于或者等于5μm的凹陷部(雕刻区域)(之间的间隔)的周期，难以形成脊部，因而优选凹陷部(雕刻区域)(之间的间隔)的周期大于5μm。
尽管上述实施例1至3涉及其中凹陷部(雕刻区域)形成为如平面图所示在平行于c轴方向的方向上延伸的示例，但是这不意味着限制本发明；凹陷部(雕刻区域)可以形成为如同在主生长面上所观察到的以预定角度在与c轴方向交叉的方向上延伸。例如，凹陷部(雕刻区域)可以形成为在与c轴方向交叉的方向上以小于或者等于±15度的角度延伸。而且，具有以这种方式形成的凹陷部(雕刻区域)，可以容易地在氮化物半导体层中形成梯度厚度区域。
在上述实施例1至3中，凹陷部(雕刻区域)可以在首先在基板上生长例如GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN或者InAlN的氮化物半导体层之后而形成。也就是，本说明书的内容也适用于首先进行生长并且随后形成凹陷部(雕刻区域)的情形。
在上述实施例1至3中，在氮化物半导体芯片(氮化物半导体激光器芯片，发光二极管芯片)的制造工艺中使用的蚀刻方法可以是气相蚀刻或者液相蚀刻。
尽管上述实施例1至3涉及其中氮化物半导体晶片被分割为使得氮化物半导体芯片(氮化物半导体激光器芯片，发光二极管芯片)包括一个凹陷部(雕刻区域)的示例，但是这不意味着限制本发明；氮化物半导体晶片可以被分割为使得氮化物半导体芯片(氮化物半导体激光器芯片，发光二极管芯片)不包括凹陷部(雕刻区域)。或者，氮化物半导体晶片可以被分割为使得氮化物半导体芯片(氮化物半导体激光器芯片，发光二极管芯片)包括多个凹陷部(雕刻区域)。或者，氮化物半导体晶片可以被分割为使得氮化物半导体芯片(氮化物半导体激光器芯片，发光二极管芯片)包括凹陷部(雕刻区域)的部分。利用这些结构中的任何一个，可以以满意的良率获得具有极佳的芯片特性的氮化物半导体芯片(氮化物半导体激光器芯片，发光二极管芯片)。
尽管上述实施例1和2涉及其中氮化物半导体晶片被分割为使得氮化物半导体芯片至少包括部分梯度厚度区域的示例，但是这不意味着限制本发明；氮化物半导体晶片可以被分割为使得氮化物半导体芯片不包括梯度厚度区域的部分。
尽管上述实施例1至3涉及其中有源层的量子阱结构是DQW结构的示例，但是这不意味着限制本发明；有源层可以形成为具有除DQW结构之外的量子阱结构。例如，有源层的量子阱结构可以是SQW(单量子阱)结构。具体地，例如，如同在图46中所示出的，在n型引导层22上，可以形成具有SQW结构的有源层43，该有源层43具有交替堆叠的一个InGaN的阱层43a和二个InGaN的势垒层43b。阱层43a被给予大约3nm至大约4nm的厚度，势垒层43b被给予大约70nm的厚度。在根据上述实施例1至3的结构中，给予有源层SQW结构与给予其DQW结构相比帮助减小驱动电压。具体地，采用具有SQW结构的有源层，当50mA的电流被注入时所观察到的驱动电压与具有DQW结构的有源层相比低大约0.1V至0.25V。这被认为可能源自于下列事实：在DQW结构中，夹置在二个阱层之间的势垒层中的载流子的耗尽在势垒层中产生强电场。除了SQW结构之外，有源层可以被给予MQW结构。此外，在有源层被给予SQW或者MQW结构的情形中，可以获得抑制亮点化发射的效果。有源层(阱层、势垒层)的组成、厚度等可以根据需要被改变。
尽管上述实施例1至3涉及其中阱层中In的组成比是0.2至0.28的示例，但是这不意味着限制本发明；阱层中In的组成比可以根据需要在大于或者等于0.15但是小于或者等于0.45的范围内改变。阱层中In的组成比可以小于0.15。阱层可以包含Al只要其含量小于或者等于5％。
尽管上述实施例1至3涉及其中势垒层中In的组成比是0.04至0.05的示例，但是这不意味着限制本发明；势垒层中的In的组成比可以根据需要在小于阱层中In的组成比的范围内改变。
尽管上述实施例1至3涉及其中势垒层由InGaN形成的示例，但是这不意味着限制本发明；势垒层可以由GaN形成。以这种方式形成由GaN形成的势垒层帮助抑制当阱层中In的组成比增加时在平行于c轴方向的方向上发展的位错(并且在EL发射图案中作为暗线出现)。在势垒层由GaN形成的情形中，为了有效的光限制，例如，引导层等中的In组成比增加。
尽管上述实施例1至3涉及其中载流子阻挡层和阱层之间的距离被制造得等于第三势垒层的厚度的示例，但是也可以在载流子阻挡层和阱层(阱层中最靠近载流子阻挡层侧的一个阱层)之间形成多个不同组成的氮化物半导体层。还优选利用诸如Mg的p型杂质掺杂载流子阻挡层和阱层(阱层中最靠近载流子阻挡层侧的一个阱层)之间的界面的部分到p型。在上述实施例1至3中，没有进行这样的掺杂。
尽管上述实施例1至3涉及其中载流子阻挡层被给予小于或者等于40nm的厚度的示例，但是这不意味着限制本发明；载流子阻挡层可以被给予大于40nm的厚度。既便当载流子阻挡层包含大约3％的In时，也可以获得本发明的效果。为了减小驱动电压的目的，优选载流子阻挡层中的Al组成比高于p型覆层中的Al组成比。
尽管上述实施例1至3涉及其中载流子阻挡层形成为用于防止注入有源层的载流子(电子)流入p型半导体层的层的示例，但是这不意味着限制本发明；在氮化物半导体激光器芯片中，包含Al的覆层可以被用作阻挡这样的载流子的层。在该情形中，优选覆层中Al的组成比大于或者等于0.08。
尽管上述实施例1至3涉及其中Si被用作n型杂质的示例，但是这不意味着限制本发明；作为除Si之外的n型杂质，可以使用例如O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg或者Be。具体地，优选的n型杂质是Si、O和Cl。
在上述实施例1至3中，作为除MOCVD工艺之外的外延生长工艺，可以使用例如HVPE(氢化物气相外延)工艺、MBE(分子束外延)工艺等。
尽管上述实施例1和2涉及其中绝缘层由SiO2形成的示例，但是这不意味着限制本发明；绝缘层可以由SiO2之外的绝缘材料形成。例如，绝缘层可以由SiN、Al2O3、ZrO2等形成。
尽管上述实施例2涉及其中AlN生长抑制膜形成于雕刻区域中的示例，但是这不意味着限制本发明；只要氮化物半导体的晶体生长可以被抑制，任何AlN之外的材料都可以用于在雕刻区域中形成生长抑制膜。作为生长抑制膜，优选使用铝(Al)的氮化物的膜、铝(Al)的氧氮化物的膜或者铝(Al)和镓(Ga)的氮化物的膜。这些材料在下列所有方面提供有力的效果：裂纹的抑制；表面形态的改善；和氮化物半导体层的组成变化的抑制。此外，那些材料可以具有类似于氮化物半导体的晶体结构的晶体结构，因而在生长抑制膜和生长抑制膜未被形成的区域之间获得连续的晶体结构。这使得那些材料适于生长抑制膜。用于生长抑制膜的材料的第二选择包括硅(Si)的氧化物、氮化物和氧氮化物；铝(Al)的氧化物；钛(Ti)的氧化物；锆(Zr)的氧化物；钇(Y)的氧化物；铌(Nb)的氧化物；铪(Hf)的氧化物；钽(Ta)的氧化物；和这些材料中任意的氧氮化物和氮化物。材料的第三选择包括高熔点金属，例如，钼(Mo)、钨(W)和钽(Ta)。在抑制氮化物半导体生长的效果方面，氧化物膜是最为有效的，按照效果减小的顺序接着是氧氮化物膜和氮化物膜。因而，更加优选形成氧化物的膜作为凹陷部内部的生长抑制膜。
尽管上述实施例2涉及其中生长抑制膜通过使用ECR溅射装置的溅射工艺形成的示例，但是这不意味着限制本发明；生长抑制膜可以通过除上面具体地介绍的方法之外的任何方法形成。例如，生长抑制膜可以通过磁控溅射装置、EB(电子束)气相沉积工艺、等离子体CVD工艺等的溅射工艺而形成。
生长抑制膜可以以除上面对于实施例2具体介绍的形状之外的任何形状形成，只要它被成形为允许凹度形成于凹陷部(雕刻区域)上方的氮化物半导体层的表面上。
尽管上述实施例3涉及在梯度厚度区域和发射部形成区域两者中都具有发光区域的发光二极管芯片，但是这不意味着限制本发明；发光二极管芯片可以仅在梯度厚度区域和发射部形成区域之一中具有发光区域。在发光二极管芯片仅在发射部形成区域中具有发光区域的情形中，氮化物半导体晶片可以被分割为使得发光二极管芯片不包括梯度厚度区域。

Claims (22)

1.一种氮化物半导体晶片，包括：
氮化物半导体基板，具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；和
氮化物半导体层，形成在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上，
其中所述氮化物半导体基板包括雕刻区域和未雕刻区域，所述雕刻区域是在厚度方向上从所述主生长面被雕刻的区域，所述未雕刻区域是未被雕刻的区域。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体晶片，
其中所述氮化物半导体层包括梯度厚度区域，该梯度厚度区域形成于所述未雕刻区域上方并且其厚度以梯度方式朝所述雕刻区域减小。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体晶片，
其中，在平面图中看，所述雕刻区域形成为在c轴方向上延伸。
4.一种通过使用根据权利要求1或2所述的氮化物半导体晶片形成的氮化物半导体芯片。
5.一种氮化物半导体芯片，包括：
氮化物半导体基板，具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；和
氮化物半导体层，形成在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上，
其中所述氮化物半导体基板包括雕刻区域和未雕刻区域，所述雕刻区域是在厚度方向上从所述主生长面雕刻的区域，所述未雕刻区域是未被雕刻的区域。
6.根据权利要求5所述的氮化物半导体芯片，
其中所述氮化物半导体层包括梯度厚度区域，该梯度厚度区域形成于所述未雕刻区域上方并且其厚度以梯度方式朝所述雕刻区域减小。
7.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，
其中，在平面图中看，所述雕刻区域形成为在c轴方向上延伸。
8.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，其中所述氮化物半导体基板中在所述a轴方向上的所述偏角的绝对值大于0.1度。
9.根据权利要求8所述的氮化物半导体芯片，
其中所述氮化物半导体基板中在所述a轴方向上的所述偏角的绝对值是0.5度以上。
10.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，其中所述氮化物半导体基板除了在所述a轴方向上具有偏角之外还在c轴方向上具有偏角，并且
在所述a轴方向上的所述偏角比在所述c轴方向上的所述偏角大。
11.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，其中所述氮化物半导体层具有包含In的有源层，并且
在所述有源层中In的组成比是0.15以上、0.45以下。
12.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，其中所述氮化物半导体层具有包含Al的p型半导体层，并且
在所述p型半导体层中Al的组成比是0.08以上、0.35以下。
13.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，其中所述氮化物半导体层包括光波导区域，并且所述光波导区域位于所述未雕刻区域上方。
14.根据权利要求13所述的氮化物半导体芯片，其中，在平面图中看，所述光波导区域形成为在c轴方向上延伸。
15.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，其中所述氮化物半导体层包括发光区域，并且所述发光区域位于所述未雕刻区域上方。
16.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体芯片，其中所述氮化物半导体基板由GaN形成。
17.一种氮化物半导体芯片的制造方法，包括：
制备氮化物半导体基板的步骤，该氮化物半导体基板具有相对于m面在a轴方向上具有偏角的面作为主生长面；
形成雕刻区域的步骤，该雕刻区域是通过在厚度方向上雕刻所述氮化物半导体基板的所述主生长面的预定区域从而雕刻成凹陷形状的区域；和
在所述氮化物半导体基板的所述主生长面上形成氮化物半导体层的步骤。
18.根据权利要求17所述的氮化物半导体芯片的制造方法，其中
形成所述雕刻区域的步骤包括：在所述主生长面的所述雕刻区域之外的区域中形成未雕刻区域的步骤，该未雕刻区域是未被雕刻的区域，并且
形成所述氮化物半导体层的步骤包括：在所述未雕刻区域上方的区域中形成梯度厚度区域的步骤，该梯度厚度区域的厚度以梯度方式朝向所述雕刻区域减小。
19.根据权利要求17或18所述的氮化物半导体芯片的制造方法，
其中形成所述雕刻区域的步骤包括：形成所述雕刻区域使得在平面图中看所述雕刻区域在c轴方向上延伸的步骤。
20.根据权利要求17或18所述的氮化物半导体芯片的制造方法，
其中所述氮化物半导体基板中在所述a轴方向上的偏角的绝对值大于0.1度。
21.根据权利要求20所述的氮化物半导体芯片的制造方法，
其中所述氮化物半导体基板中在所述a轴方向上的偏角的绝对值是0.5度以上。
22.根据权利要求17或18所述的氮化物半导体芯片的制造方法，其中
所述氮化物半导体基板除了在所述a轴方向上具有偏角之外在c轴方向上还具有偏角，并且
在所述a轴方向上的偏角比在所述c轴方向上的偏角大。
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