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CN101661986A - 制造氮化物半导体光学器件和外延晶片的方法 - Google Patents

制造氮化物半导体光学器件和外延晶片的方法 Download PDF

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CN101661986A CN200910170459A CN200910170459A CN101661986A CN 101661986 A CN101661986 A CN 101661986A CN 200910170459 A CN200910170459 A CN 200910170459A CN 200910170459 A CN200910170459 A CN 200910170459A CN 101661986 A CN101661986 A CN 101661986A
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Abstract

本发明涉及制造氮化物半导体光学器件和外延晶片的方法。其中，在步骤S106中，在将生长炉内的温度保持为TW的同时，在时刻t4和t5之间在半极性主面上生长InXGa1－XN阱层。在步骤S107中，在所述阱层的生长完成之后，立即在温度TW下开始生长保护层以覆盖所述阱层的主面。所述保护层由氮化镓基半导体构成，所述氮化镓基半导体的带隙能量大于所述阱层的带隙能量且等于或小于阻挡层的带隙能量。在步骤S108中，在生长所述阻挡层之前，将所述炉子的温度由温度TW变化至TB。在将所述炉子的温度保持为温度TB的同时，在时刻t8和t9之间在所述保护层上生长由氮化镓基半导体构成的阻挡层。

Description

制造氮化物半导体光学器件和外延晶片的方法
技术领域
[0001]本发明涉及制造氮化物半导体光学器件的方法和制造外延晶片的方法。
背景技术
[0002]日本未审查专利申请公报2002-43618号公开了氮化物半导体发光器件。在其实施方案中，在c面蓝宝石衬底和GaN衬底上制造了发光二极管。在氮化物半导体发光器件的制造中，在750℃下生长2nm厚的In0.15Ga0.85N阱层之后，在将温度从750℃升至1050℃的同时生长3nm厚的GaN阻挡层。然后，在1050℃下生长12nm厚的GaN阻挡层。所述发光二极管的峰值波长为约460nm。
[0003]日本未审查专利申请公报10-12922号公开了III族氮化物发光器件。III族氮化物发光器件的发光层形成在c面蓝宝石衬底上，并且包括AlGaN阻挡层和InGaN阱层。所述AlGaN阻挡层在1100℃下生长。所述InGaN阱层在800℃下生长。
[0004]日本未审查专利申请公报10-135514号公开了III族氮化物发光器件。III族氮化物发光器件的发光层形成在a面蓝宝石衬底上，并且包括GaN阻挡层和InGaN阱层。所述GaN阻挡层在900℃下生长。所述InGaN阱层在750℃下生长。
[0005]日本未审查专利申请公报06-268257号公开了在c面蓝宝石衬底上形成的发光二极管。在所述发光二极管有源层的制造中，InGaN阱层的生长温度与InGaN阻挡层的生长温度相同，为800℃。
[0006]日本未审查专利申请公报11-224972号公开了在c面蓝宝石衬底上形成的发光二极管。在所述发光二极管有源层的制造中，InGaN阱层的生长温度与InGaN阻挡层的生长温度相同，为750℃。
发明内容
[0007]在日本未审查专利申请公报06-268257号和11-224972号中所公开的各种发光二极管中，InGaN阱层和InGaN阻挡层在相同温度下生长。在各个日本未审查专利申请公报10-12922号和10-135514号中，InGaN阱层和InGaN阻挡层在不同温度下生长。不幸地是，在生长阱层之后在将温度从阱层生长温度升至阻挡层生长温度的期间内，构成阱层的半导体晶体发生分解。所述分解导致阱层的晶体品质发生劣化。
[0008]在日本未审查专利申请公报2002-43618号中所公开的方法中，在生长阱层之后，在将温度从阱层生长温度升至阻挡层生长温度的同时生长GaN阻挡层。在温度达到阻挡层生长温度之后，生长另一个GaN阻挡层。
[0009]根据本发明人的发现，在氮化镓基半导体的c面主面上生长阱层的情况下，在将温度从阱层生长温度升至阻挡层生长温度和在阻挡层生长温度下生长阻挡层的期间内，构成阱层的半导体晶体发生分解。当在半极性氮化镓基半导体上生长由含铟的氮化镓基半导体构成的阱层时，未观察到这种现象。这是由本发明人获得的实验结果。
[0010]本发明的目的是提供通过在氮化镓基半导体区域的半极性主面上生长半导体而制造具有令人满意的发光性能的氮化物半导体光学器件的方法。本发明的另一个目的是提供制造用于氮化物半导体光学器件的外延晶片的方法。
[0011]根据本发明的一个方面，制造氮化物半导体光学器件的方法包括如下步骤：(a)在将生长炉内的温度保持为阱层生长温度的同时，在具有半极性主面的氮化镓基半导体区域上生长阱层，所述阱层构成有源层的一部分；(b)在所述阱层的生长完成之后立即生长覆盖所述阱层主面的保护层；以及(c)在生长所述保护层之后，在阻挡层生长温度下在所述保护层的主面上生长阻挡层，所述阻挡层构成有源层的一部分。所述保护层的厚度小于所述阻挡层的厚度。所述阻挡层生长温度高于所述阱层生长温度。所述阻挡层生长温度等于或高于第一温度，所述第一温度高于所述阱层生长温度。当生长炉内的温度达到第一温度时，开始阻挡层的生长。所述保护层的生长温度为阱层生长温度以上且低于第一温度。所述阱层由含铟的氮化镓基半导体构成。所述阻挡层由带隙能量比阱层的带隙能量高的氮化物半导体构成。所述保护层由带隙能量比阱层的带隙能量高的氮化镓基半导体构成。所述阱层的主面具有半极性面。所述保护层的主面具有半极性面。所述阻挡层的主面具有半极性面。
[0012]根据该方法，在氮化镓基半导体区域的主面(半极性面)上生长阱层。在主面上阱层的生长完成之后，立即生长保护层，从而覆盖所述阱层的主面。然后，在阻挡层生长温度下在保护层上生长阻挡层，所述阻挡层生长温度高于所述阱层生长温度。
与在半极性面上生长的阱层相比，构成在c面主面上生长的阱层的半导体晶体易于发生分解。因而，在半极性面上生长的阱层的使用导致具有令人满意的发光性能的氮化物半导体光学器件。在阻挡层生长温度下生长阻挡层的情况下，覆盖有保护层的阱层的分解程度比在c面主面上生长的阱层的分解程度低，因为所述阱层被保护层覆盖，所述阻挡层生长温度高于阱层生长温度。
[0013]本发明的方法还可以包括在生长保护层之后，在不生长半导体的情况下将生长炉内的温度从阱层生长温度升至第一温度的步骤。在生长炉内的温度开始变化之前，可以在与阱层生长温度相同的温度下生长保护层。
[0014]在这种情况下，在生长炉内的温度开始变化之前，生长保护层。即，在阱层上生长保护层之后，开始升高生长炉内的温度。所述阱层被保护层覆盖，然后暴露于比阱层生长温度更高的温度下。
[0015]在本发明的方法中，可以在将生长炉内的温度从阱层生长温度升高的同时，生长保护层。
[0016]在这种情况下，在阱层的生长完成之后，立即生长保护层。在生长炉内的温度从阱层生长温度升高的同时，进行生长。即，随着开始升温，同时开始生长保护层。因而，在高于阱层生长温度的温度下用保护层覆盖阱层。与未被保护层覆盖的阱层相比，所得到的由保护层覆盖的阱层不易发生分解。此外，如上所述，与在c面主面上生长的阱层相比，构成具有半极性主面的阱层的半导体晶体的分解不易发生。因而，本发明的氮化物半导体光学器件具有令人满意的发光性能，所述氮化物半导体光学器件包括在半极性面上生长的阱层。
此外，在升温期间生长保护层；因此，随着生长进行，保护层的结晶度提高。
[0017]在本发明的方法中，在生长炉内的温度从阱层生长温度变化至第一温度的期间内，生长保护层，并可以在生长保护层之后，立即生长阻挡层。
[0018]在这种情况下，在生长阱层之后，立即在将生长炉内的温度从阱层生长温度升至第一温度的同时生长保护层，所述第一温度等于或低于所述阻挡层生长温度。部分在相对低的温度下生长的保护层也提供保护层的效果(保护阱层的效果)。即使用生长半导体的期间来代替温度变化而不进行生长操作的期间的剩余时间，也不会损失保护效果。即，在生长保护层的同时升高生长炉内的温度。因而，当将阱层暴露于高于阱层生长温度的温度下时，由保护层覆盖阱层。而且，与构成在c面主面上生长的阱层的半导体晶体相比，构成具有半极性主面的阱层的半导体晶体不易分解。此外，在升温期间生长保护层；因此，随着生长进行，保护层的结晶度提高。
[0019]在本发明的方法中，可以在将生长炉内的温度从阱层生长温度升至第二温度的同时生长保护层，所述第二温度低于阻挡层生长温度。
所述方法还可以包括在不生长氮化镓基半导体的情况下生长保护层之后，将生长炉内的温度从第二温度升至第一温度的步骤。从阱层生长温度至第二温度的平均升温速度可以高于从第二温度至第一温度的平均升温速度。
[0020]在这种情况下，在生长保护层之后，升高生长炉内的温度。在一部分升温期间内实施保护层的生长。此外，在升温期间，温度变化速度高。因而，随着生长进行，在更高温度下生长保护层，由此导致具有令人满意的晶体品质的保护层。
[0021]在本发明的方法中，可以将阻挡层生长温度保持恒定。在这种情况下，在与充分获得阻挡层的效果的温度相等或更高的温度下生长整个阻挡层。所得到的阻挡层实现了高性能。此外，通过将阻挡层生长温度保持恒定，阻挡层生长温度和阱层生长温度之差不会变大。
[0022]在本发明的方法中，可以在将温度从第一温度变化至第三温度的同时生长至少一部分阻挡层，所述第三温度高于第一温度。
[0023]在这种情况下，在变化生长炉内的温度的同时，生长至少一部分阻挡层。然而，在与充分获得阻挡层的效果的温度相等或更高的温度下生长整个阻挡层。
[0024]在本发明的方法中，从阱层生长温度至第一温度的平均升温速度可以高于从第一温度至第三温度的平均升温速度。
[0025]在这种情况下，从阱层生长温度至阻挡层生长温度的升温主要在保护层生长期间内进行。因而，当开始生长阻挡层时，能够将生长炉设定在足够高的温度下。
[0026]在本发明的方法中，用于生长保护层的镓源的供给量可以小于用于生长阻挡层的镓源的供给量。在这种情况下，根据镓源的供给量来调节保护层和阻挡层的生长速度。
[0027]本发明的方法还可以包括准备由六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤1，0≤T≤1，且0≤S+T≤1)构成的衬底的步骤。衬底的主面可以相对于六方晶系半导体的{0001}或{000-1}面以10°～85°的角度倾斜。在这种情况下，为了提供半极性面，优选对用于生长的衬底主面的倾斜角进行限定。
[0028]本发明的方法还可以包括在成膜步骤(在衬底的主面上形成半导体的步骤)之前对衬底主面进行热处理以在衬底上形成改性主面的步骤。可以在含氨和氢的气氛中进行热处理。可以在衬底的改性主面上提供氮化镓基半导体区域。
[0029]在这种情况下，调节主面的倾斜角导致半极性主面的形成。半极性主面的表面结构与c面主面的表面结构不同。通过在成膜步骤之前对衬底主面进行热处理，在半极性主面上发生改性，而这种改性不会发生在c面主面上。
[0030]本发明的方法还可以包括在衬底上外延生长第一导电型氮化镓基半导体区域的步骤。所述第一导电型氮化镓基半导体区域的主面可以相对于氮化镓基半导体的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°的角度倾斜。
[0031]在这种情况下，通过倾斜衬底主面，能够形成第一导电型氮化镓基半导体区域的主面结构。相对于六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN衬底的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°的角度即相对高的倾斜角倾斜的主面，适合用于生长含铟的氮化镓基半导体。
[0032]在本发明的方法中，所述衬底可以包括多个第一区域和多个第二区域，在所述第一区域中，朝着c轴方向延伸的贯穿位错密度高于第一贯穿位错密度，在所述第二区域中，朝着c轴方向延伸的贯穿位错密度低于所述第一贯穿位错密度。所述第一区域和第二区域可以交替布置。所述第一区域和第二区域可以在所述衬底的主面上露出。在这种情况下，能够将各个具有更低贯穿位错密度的第二区域用于制造半导体器件。
[0033]在本发明的方法中，各个第二区域的贯穿位错密度可以小于1×107cm-2。在这种情况下，能够生长具有低位错密度的有源层。
[0034]在本发明的方法中，衬底可以由GaN构成。在这种情况下，能够进行外延生长而具有令人满意的晶体品质。
[0035]在本发明的方法中，氮化镓基半导体区域的主面可以朝着氮化镓基半导体区域的a轴方向倾斜。在这种情况下，能够沿m面劈开。而且，在本发明的方法中，氮化镓基半导体区域的主面可以朝着氮化镓基半导体区域的m轴方向倾斜。在这种情况下，提供了令人满意的铟掺入效率，因而导致令人满意的发光性能。而且，在本发明的方法中，氮化镓基半导体区域的主面可以朝着氮化镓基半导体区域的<12-30>轴方向倾斜。
[0036]根据本发明的另一个方面，制造用于氮化物半导体光学器件的外延晶片的方法包括如下步骤：(a)准备由六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤1，0≤T≤1且0≤S+T≤1)构成且具有半极性主面的衬底；(b)在所述衬底的主面上形成氮化镓基半导体区域，所述氮化镓基半导体区域具有半极性主面；(c)在将生长炉内的温度保持为阱层生长温度的同时在所述氮化镓基半导体区域上生长阱层，所述阱层构成有源层的一部分；(d)生长保护层，所述保护层覆盖所述阱层的主面；以及(e)在生长所述保护层之后，在阻挡层生长温度下在所述保护层的主面上生长阻挡层，所述阻挡层构成所述有源层的一部分。所述保护层的厚度小于所述阻挡层的厚度。所述阻挡层生长温度高于阱层生长温度。所述阻挡层生长温度等于或高于第一温度，所述第一温度高于所述阱层生长温度。当所述生长炉内的温度达到所述第一温度时，开始生长所述阻挡层。所述保护层的生长温度在所述阱层生长温度以上且低于所述第一温度。所述阱层由含铟的氮化镓基半导体构成。所述阻挡层由氮化物半导体构成，所述氮化物半导体的带隙能量高于所述阱层的带隙能量。所述保护层由氮化镓基半导体构成，所述氮化镓基半导体的带隙能量高于所述阱层的带隙能量。所述阱层的主面具有半极性面。所述保护层的主面具有半极性面。所述阻挡层的主面具有半极性面。
[0037]根据这种方法，在氮化镓基半导体的主面(半极性面)上生长阱层。在主面上的阱层生长完成之后，立即生长保护层以覆盖所述阱层的主面。然后，在阻挡层生长温度下在保护层上生长阻挡层，所述阻挡层生长温度高于阱层生长温度。
与在c面主面上生长的阱层相比，构成在半极性主面上生长的阱层的半导体晶体不易分解。在高于阱层生长温度的阻挡层生长温度下生长阻挡层的情况下，构成在半极性面上生长且由保护层覆盖的阱层的半导体晶体的分解程度低于在c面主面上生长的阱层。
相比之下，与在半极性主面上生长的阱层相比，在c面主面上生长的阱层易于分解。
因此，根据这种方法，可制造具有令人满意的发光性能的氮化物半导体光学器件。
[0038]本发明的方法还可以包括在成膜步骤(在衬底上形成半导体的步骤)之前对衬底主面进行热处理以形成改性主面的步骤。所述热处理可以在含氨和氢的气氛中进行。所述衬底的主面可以相对于六方晶系半导体的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°的角度倾斜。
[0039]在这种情况下，可以调节主面的倾斜角以形成半极性主面。所述半极性主面的表面结构与c面主面不同。可以对衬底的主面进行热处理以对所述主面进行改性。注意，未在c面主面上发生改性。而且，通过倾斜衬底的主面能够形成氮化镓基半导体区域的主面结构。相对于六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°的角度即相对高的倾斜角倾斜的主面适合用于生长含铟的氮化镓基半导体。
[0040]参考附图，通过对本发明优选实施方案的详细描述，本发明前述目的、其它目的、特征和优点将容易显而易见。
[0041]如上所述，根据本发明，提供一种在氮化镓基半导体区域的半极性主面上制造具有令人满意的发光性能的氮化物半导体光学器件的方法。此外，提供一种制造用于氮化物半导体光学器件的外延晶片的方法。
附图说明
[0042]图1A～1C显示了本发明实施方案制造氮化物半导体光学器件的方法和制造外延晶片的方法的主要步骤；
[0043]图2A～2C显示了本发明实施方案制造氮化物半导体光学器件的方法和制造外延晶片的方法的主要步骤；
[0044]图3A～3C显示了本发明实施方案制造氮化物半导体光学器件的方法和制造外延晶片的方法的主要步骤；
[0045]图4A和4B显示了本发明实施方案制造氮化物半导体光学器件的方法和制造外延晶片的方法的主要步骤；
[0046]图5为显示在根据实施方案1形成有源层期间原料气体的流动和生长炉内的温度变化的时间图；
[0047]图6显示了能够用于实施方案中的GaN衬底的示例性结构；
[0048]图7为显示实施例1中主要制造条件的表；
[0049]图8显示了实施例1中发光二极管的结构；
[0050]图9为显示实施例1中PL光谱的图；
[0051]图10为显示实施例2中主要制造条件的表；
[0052]图11显示了实施例2中激光二极管的结构；
[0053]图12为显示在根据实施方案2形成有源层期间原料气体的流动和生长炉内的温度变化的时间图；
[0054]图13A和13B为显示实施例3中PL光谱的图；
[0055]图14为显示实施例4中PL光谱的图；
[0056]图15为显示在根据实施方案3形成有源层期间原料气体的流动和生长炉内的温度变化的时间图；
[0057]图16为显示实施例5中PL光谱的图；以及
[0058]图17为显示In组成和InGaN的倾斜角(斜角)之间关系的图，所述InGaN沉积在相对于c轴以指定斜角朝着m轴方向倾斜的GaN主面上。
具体实施方式
[0059]参考所附的说明图，根据下列详细说明，能够容易地理解本发明的发现。下面将通过参考附图，对本发明实施方案制造氮化物半导体光学器件和外延晶片的方法进行说明。如果可能，相同元件用相同的附图标记表示。例如在下列说明中，<000-1>表示与<0001>轴相反的方向。
实施方案1
[0060]图1A～4B显示了该实施方案制造氮化物半导体光学器件和外延晶片的方法的主要步骤。
参考图1A，在步骤S101中，准备用于制造氮化物半导体光学器件和外延晶片的衬底11。例如，衬底11可以由六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN(0≤S≤1，0≤T≤1，0≤S+T≤1)构成。衬底11具有主面11a和底面11b。图1A显示了表示衬底11的六方晶系半导体c轴方向的矢量VC+和主面11a的法向矢量VN。所述矢量VC+表示{0001}面的方向。矢量VC-的方向与矢量VC+相反且表示{000-1}面的方向。在衬底11中，用于沉积的主面具有倾斜角(斜角)α；因此，衬底11能够具有半极性主面11a。衬底11的主面11a相对于六方晶系半导体的{0001}或{000-1}面以10°～85°的角度倾斜。所述六方晶系半导体可以为例如GaN或AlN。10°以上的主面11a的倾斜角导致充分降低压电场的效果。85°以下的主面11a的倾斜角导致在其上生长的晶体的令人满意的品质。因此，能够提供具有优异发光性能的氮化物半导体光学器件和外延晶片。
[0061]衬底11的边缘上的两个点之间的最大距离为45mm以上。这样的衬底称作例如晶片。衬底11的底面11b可以与衬底11的主面11a基本上平行。使用由GaN构成的衬底11允许外延生长具有良好品质的晶体。
[0062]在随后的步骤中，在衬底11的主面11a上外延生长半导体晶体(下述步骤S103)。在具有倾斜角的主面11a上形成的外延半导体区域用作用于生长有源层的底层(underlying layer)。形成外延半导体区域使得其主面相对于氮化镓基半导体的c面以10°～85°的角度倾斜。
[0063]主面11a可以相对于六方晶系半导体的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°的角度倾斜。主面11a的结构取决于主面的倾斜。相对于六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN衬底的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°即相对高的倾斜角倾斜的主面11a，适合用于生长含铟的氮化镓基半导体区域。具体地，当主面11a的倾斜角超过50°时，在其上生长的充当阱层的半导体晶体不易分解。小于80°的主面11a的倾斜角导致铟掺入到在所述主面上生长的晶体中的效率提高。
[0064]下面将说明主面11a的倾斜方向。主面11a朝着构成衬底11的六方晶系半导体的a轴倾斜，使得在衬底11上形成的外延衬底能够沿m面劈开。主面11a朝着构成衬底11的六方晶系半导体的m轴倾斜导致铟掺入到在所述主面上生长的晶体中的效率提高，由此提供令人满意的发光性能。主面11a朝着构成衬底11的六方晶系半导体的<12-30>轴倾斜进一步提高了铟的掺入效率。
[0065]参考图1B，将衬底11放入生长炉10内。在步骤S102中，在向生长炉10供给气体G0的同时对衬底11进行热处理，由此改性主面11a以形成改性主面11c。所述热处理可以在含氨和氢的气氛中或含氮的气氛中进行。所述热处理温度T0可以在例如800℃～1200℃的范围内。所述热处理时间为例如约10分钟。在该步骤中，由于主面11a的倾斜而形成具有与c面的主面的表面结构不同的表面结构的半极性主面。可以在沉积之前对主面11a进行热处理以改性所述半导体主面。在c面的主面上未观察到这种改性。然后在改性主面11c上形成由氮化镓基半导体构成的外延层。
[0066]通过在衬底11的主面11c上进行热处理来形成微台阶(microstep)。所述微台阶包括多个平台。微台阶的密度可以为例如2.0×104cm-1以上，且可以为3.3×107cm-1。各个微台阶的高度可以在例如0.3nm～10nm的范围内。所述微台阶的长度可以为例如0.3nm以上，且可以为500nm。
[0067]参考图1C，在步骤S103中，在衬底11的主面11c上外延生长第一导电型氮化镓基半导体区域13。对于所述生长，将原料气体G1供应到生长炉10内。氮化镓基半导体区域13的主面13a相对于氮化镓基半导体区域的c面以10°～85°的角度倾斜。因为主面13a继承了衬底11的主面11c的结构，所以主面13a具有类似于衬底11主面11c的结构的微台阶。第一导电型氮化镓基半导体区域13具有单个或多个氮化镓基半导体层(例如，氮化镓基半导体层15、17和19)。例如，氮化镓基半导体层15、17和19可以分别为n型AlGaN层、n型GaN层和n型InGaN层。在衬底11的主面11c上依次外延生长氮化镓基半导体层15、17和19。所述n型AlGaN层充当例如覆盖衬底11的整个表面的中间层。所述n型GaN层充当例如用于供给n型载流子而构造的层。所述n型InGaN充当有源层的缓冲层。
[0068]第一导电型氮化镓基半导体区域的主面结构造成衬底主面的倾斜。因而，在第一导电型氮化镓基半导体区域13的外延生长中，下层衬底11的主面结构被主面13a继承。主面13a相对于氮化镓基半导体的{0001}或{000-1}面以与衬底11的斜角相对应的角度倾斜。例如，大于50°且小于80°的衬底11的主面11c的倾斜角，即相对大的倾斜角，适合用于在衬底上生长含铟的氮化镓基半导体。
[0069]参考图2A～图3C和图5，在接下来的步骤中，形成图5所示的氮化物半导体发光器件的有源层21。形成有源层21以显示峰值波长为370～650nm的电致发光光谱。
下面将参考图5对形成有源层21的量子阱结构的方法进行详细描述。图5为显示在形成有源层期间原料气体的流动和生长炉内的温度变化的时间图。监控生长炉内的温度作为生长炉内的部件如感受器的温度。作为源气体，使用镓源、铟源和氮源。所述镓源、铟源和氮源为例如三甲基镓(TMG)、三乙基铟(TMI)和NH3。
[0070]如图5中所示，在时刻t0，完成了氮化镓基半导体的沉积，所述氮化镓基半导体将由有源层覆盖。在时刻t0和t1之间将生长炉10的温度变化至生长构成有源层的半导体的温度。
[0071]如图2A中所示，在步骤S104中，形成由氮化镓基半导体构成的外延半导体区域23。在缓冲层(氮化镓基半导体层19)上生长外延半导体区域23。所述外延半导体区域23充当例如用于有源层21的量子阱结构的阻挡层。所述阻挡层由InYGa1-YN(铟组成Y：0≤Y≤0.05；Y表示应变组成(strain composition))构成。所述阻挡层可以由GaN、InGaN或AlGaN等构成。在700℃～900℃的生长温度TB下生长所述阻挡层。在该实施方案中，向生长炉10内供应含镓源和氮源的原料气体G2以生长GaN。在图5中所示的时刻t1和t2之间的生长温度TB下实施这种生长。GaN阻挡层DB1的厚度为例如15nm。
在时刻t2，停止供给镓源以停止氮化镓基半导体的沉积。
[0072]在主面13a上生长外延半导体区域23。因而，外延半导体区域23的表面继承了主面13a的表面结构。即，外延半导体区域23具有相对于氮化镓基半导体的c面以10°～85°的角度倾斜的主面23a。
[0073]如图2B中所示，在步骤S105中，将生长炉内的温度从生长温度TB变化至生长温度TW。在图5中所示的时刻t2和t4之间变化温度。在这种变化期间，向生长炉10内供应氮源气体G3如氨。在用于生长阻挡层的氮源供给量与用于生长阱层的氮源供给量不同的情况下，将氮源的供给量变化至用于生长阱层的氮源供给量。在至少一部分变化期间，变化所述氮源的流量。具体地，将用于生长阻挡层的氮源流量变化至用于生长阱层的氮源流量。在图5中所示的时刻t2和t3之间完成这种变化。
[0074]在时刻t4，生长炉10的温度达到阱层的生长温度TW。
如图2C中所示，在步骤S106中，在将生长炉10的温度保持为阱层生长温度TW的同时，在时刻t4和t5之间在外延半导体区域23的半极性主面23a上生长用于量子阱结构的阱层25a。所述阱层25a由含铟的氮化镓基半导体如InXGa1-XN(铟组成X：0＜X＜1，X表示应变组成)构成。所述阱层25a的带隙能量低于阻挡层23的带隙能量。如图5中所示，阱层25a的生长温度TW低于生长温度TB。在该实施方案中，向生长炉10内供应含镓源、铟源和氮源的原料气体G4以生长InGaN。所述阱层25a外延生长在外延半导体区域23的主面上。因而，阱层25a的表面继承了外延半导体区域23的表面结构。此外，阱层25a的表面相对于氮化镓基半导体的c面以10°～85°的角度倾斜，这与外延半导体区域23的主面的倾斜角相对应。在生长温度TW为例如650℃～850℃下生长阱层25a。InGaN阱层的厚度DW为例如2.5nm。
[0075]在时刻t5，完成阱层25a的生长。
如图3A中所示，在步骤S107中，在阱层25a的生长完成之后，立即在温度Tp下在所述阱层25a的主面上生长保护层27a以覆盖所述主面。所述保护层27a由带隙能量高于阱层25a的带隙能量的氮化镓基半导体构成。所述保护层27a可以由例如GaN、InGaN、AlGaN等构成。例如，保护层27a由InZGa1-ZN(铟组成Z：0≤Z＜1，Z表示应变组成)构成。或者，所述保护层27a可以由带隙能量等于或低于阻挡层23的带隙能量的氮化镓基半导体构成。
[0076]在该实施方案中，使用阱层生长温度TW作为温度Tp。因而，在将生长炉10的温度保持为生长温度TW的同时，在时刻t5和t6之间在阱层25a的半极性主面上生长保护层27a。在阱层25a的生长完成之后，立即开始生长保护层27a。这排除了在未形成保护层期间，阱层25a的表面暴露于生长炉中的气氛。如图5中所示，保护层27a的生长温度TW与阱层25a的生长温度TW相同。根据该方法，在生长炉10的温度变化之前，生长保护层27a。即，在阱层25a上生长保护层27a之后，开始升高生长炉10的温度。在用保护层27a覆盖之后，将阱层25a暴露于高温下。
[0077]在该实施方案中，向生长炉10内供应含镓源和氮源的原料气体G5以生长GaN。保护层27a外延生长在阱层25a的主面上。因而，保护层27a的表面继承了阱层25a的表面结构。保护层27a的表面相对于氮化镓基半导体的c面以10°～85°的角度倾斜，这与阱层25a的主面的倾斜角相对应。在生长温度Tw为例如650℃～850℃下生长保护层27a。保护层27a的厚度Dp小于阻挡层23的厚度DB。而且，保护层27a的厚度Dp小于阱层25a的厚度DW。所述保护层27a的厚度Dp为例如1.0nm。
[0078]在时刻t6，停止镓源的供给以终止氮化镓基半导体的沉积。
如图3B中所示，在步骤S108中，将生长炉10的温度从生长温度TW变化至生长温度TB。在图5中所示的时刻t6和t8之间变化温度。在所述变化期间，向生长炉10内供应氮源气体G6如氨。在用于生长保护层27a的氮源供给量与用于生长阻挡层的氮源供给量不同的情况下，将氮源的供给量变化至用于生长阻挡层的氮源供给量。在至少一部分的变化期间，将氮源的流量从用于生长保护层的氮源流量变化至用于生长阻挡层的氮源流量。在图5中所示的时刻t6和t7之间完成这种变化。在所述变化期间的温度变化中，升温速度随时间而降低，因此在时刻t6和t7之间的温度曲线向上凸起。根据这种升温曲线，用于将温度升至生长温度TB并稳定所述温度所需要的时间缩短，由此阻止了阱层的劣化。例如，在所述升温期间内时刻之前的期间内平均温度变化速度高于所述时刻之后的期间内平均温度变化速度。此处，通过用直线连接各个周期的起点和终点而完成近似以得到平均速度。
[0079]根据该方法，在半极性主面23a上生长阱层25a。在主面23a上的阱层25a生长完成之后，立即生长保护层27a以覆盖所述阱层25a的主面。然后，为了生长阻挡层，将生长炉10的温度变化至高于阱层生长温度TW的阻挡层生长温度TB。同时，在c面的主面上生长的阱层的半导体晶体的分解即阱层晶体和保护层晶体的混合或阱层晶体中铟的偏析，比在半极性面表面上生长的阱层更容易发生。因而，在生长阱层25a之后在生长温度TB下生长阻挡层的情况下，由保护层27a覆盖的阱层25a的半导体晶体的分解程度小于在c面主面上的阱层。从而，在氮化镓基半导体区域的半极性面上制造了具有令人满意的发光性能的氮化物半导体光学器件。
[0080]在时刻t8，完成生长炉10的温度的升高。
如图3C中所示，在步骤S109中，在将生长炉10的温度保持为生长温度TB的同时，在时刻t8和t9之间生长由氮化镓基半导体构成的阻挡层29a。
生长温度TB高于生长温度TW。此外，生长温度TB等于或高于第一温度TR，所述第一温度TR使得能够生长具有令人满意的晶体品质的阻挡层。当生长炉内的温度达到第一温度TR时，开始生长阻挡层29a。
保护层27a、保护层27b和保护层27c的生长温度Tp在阱层生长温度TW至第一温度TR的范围内。在该实施方案中，生长温度Tp等于生长温度TW。阻挡层29a的厚度DB2大于保护层27a的厚度Dp。通过减小保护层27a的厚度，可以增大阻挡层29a的厚度，所述保护层27a不充当阱层或阻挡层。在该实施方案中，阻挡层29a由例如GaN构成。所述阻挡层29a的厚度DB2为例如14nm。阻挡层29a外延生长在保护层27a的主面上。因而，保护层29a的主面相对于氮化镓基半导体的c面以10°～85°的角度倾斜。保护层29a的表面继承了阱层25a的表面结构。
[0081]如图4A中所示，以与上述相同的方式形成了有源层21。在重复步骤S110中，重复从生长温度TB至生长温度TW的降温(时刻t9和t11之间)、阱层的生长(时刻t11和t12之间)、保护层的生长(时刻t12和t13之间)、从生长温度TW至生长温度TB的升温(时刻t13和t15之间)和阻挡层的生长(时刻t15和t16之间)，以完成量子阱结构。如图5中所示，所述量子阱结构包括：阻挡层23和29a及阻挡层29b和29c、阱层25a及阱层25b和25c以及保护层27a及保护层27b和27c。
[0082]各个保护层27a～27c的厚度Dp可以为0.5nm～5nm。各个阱层25a～25c的厚度可以为1nm～10nm。各个InXGa1-XN阱层25a、25b和25c的铟组成X可以为大于0.01。各个InXGa1-XN阱层25a、25b和25c的铟组成X可以为小于0.4。因而，能够生长具有该范围内铟组成的InGaN，由此制造发射370nm～650nm波长的发光器件。或者，所述保护层27a～27c可以由GaN构成，且阻挡层23、29a、29b和29c可以由InYGa1-YN(铟组成Y：0≤Y＜1，Y表示应变组成)构成。
[0083]参考图4B，在步骤S111中，在有源层21上外延生长第二导电型氮化镓基半导体区域31。利用生长炉来进行这种生长。第二导电型氮化镓基半导体区域31的生长温度T2高于阱层25a～25c的生长温度TW。例如在生长第二导电型氮化镓基半导体区域31的区域中，可以提供电子阻挡层33、第一p型接触层35和第二p型接触层37。所述电子阻挡层33可以由例如AlGaN构成。所述p型接触层35和37可以由p型GaN构成。所述第二p型接触层37的掺杂剂浓度N37高于第一p型接触层35中的掺杂剂浓度N35。在该实施方案中，电子阻挡层33及p型接触层35和37的生长温度为例如1100℃。在沉积所述第二导电型氮化镓基半导体区域31的步骤中，完成了图4B中所示的外延晶片E。根据需要，可以生长用于引导源于半导体激光器的光而设置的一对光导层。所述一对光导层之间夹有有源层。所述光导层可以由例如InGaN或GaN构成。
[0084]所述p型接触层35和37的生长速度高于阱层25a～25c及阻挡层23和29a～29c的生长速度，因而缩短了在形成有源层21之后用于在高于阱层25a～25c的生长温度TW的温度下进行生长p型接触层35和37所需要的时间。
[0085]在外延晶片E中，可以在衬底11的主面11a的法线方向上布置第一导电型氮化镓基半导体区域13、有源层21和第二导电型氮化镓基半导体区域31。衬底11的六方晶系半导体的c轴方向与衬底11的主面11a的法线方向不同。外延生长方向为c轴方向。所述生长方向与堆叠在法线方向上的半导体层13、21和31的堆叠方向不同。
[0086]在接下来的步骤中，在外延晶片E上形成电极。在接触层37上形成第一电极(例如阳极)。在衬底的底面11b上形成第二电极(例如阴极)。
[0087]在电极形成之后，沿m面或a面会进行劈开以形成调谐表面(resonating surface)。即，能够制造具有通过劈开而形成的m面或a面的半导体激光器，所述m面或a面用作调谐表面。此外，由相对于c轴倾斜的衬底11的方向和衬底11的氮化镓基半导体区域的m轴或a轴的方向所限定的角度可以在89°～91°的范围内。在衬底的主面11a相对于c面朝着m轴或a轴倾斜的角度在-1°～+1°范围之外的情况下，所得到的激光器的性能明显降低。在外延半导体区域23的半极性主面23a的倾斜方向与氮化镓基半导体的m面的方向相同的情况下，能够将a面用作劈开面。或者，在半极性主面23a的倾斜方向与氮化镓基半导体的a面的方向相同的情况下，能够将更易于劈开的m面用作劈开面。
[0088]图6显示了能够用于实施方案中的GaN衬底的示例性结构。衬底11可以包括多个第一区域12a和多个第二区域12b，在所述第一区域12a中朝着c轴方向延伸的贯穿位错的密度高于第一贯穿位错密度，在所述第二区域12b中朝着c轴方向延伸的贯穿位错的密度低于所述第一贯穿位错密度。所述第一区域12a和第二区域12b在衬底11的主面11a上露出。在衬底11的主面11a上，第一区域12a的宽度为例如30μm，且第二区域12b的宽度为例如370μm。所述第一区域12a和第二区域12b沿预定方向交替布置。在衬底由氮化镓构成的情况下，所述预定方向为构成衬底的氮化镓的a轴方向。
[0089]各个第一区域12a为具有高位错密度的富集缺陷区域的半导体部分。各个第二区域12b为具有低位错密度的低缺陷区域的半导体部分。在衬底11的具有低位错密度的区域中制造氮化物半导体发光器件的情况下，所得到的发光器件具有提高的发光效率和可靠性。小于1×107cm-2的第二区域12b的贯穿位错密度导致具有实用有效的可靠性的半导体激光器。
实施例1
斜角
[0090]下面将说明该实施方案的实施例。通过金属有机气相外延制造了发光二极管(LED)。将三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)和氨分别用作在金属有机气相外延中所使用的镓源、铟源、铝源和氮源。将SiH4和Cp2Mg分别用作n型掺杂剂和p型掺杂剂。图7显示了主要的制造条件。准备GaN晶片41。
下面将参考图7和8对LED结构的制造进行说明。GaN晶片41的主面相对于GaN晶片41的c面以75°的角度倾斜。在将GaN晶片41放入生长炉内之后，在含氨和氢的气氛中进行热处理。热处理温度为1050℃。热处理时间为约10分钟。
[0091]在热处理之后，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)、TMA(4.3μmol/分钟)、NH3(5slm)和SiH4以在1100℃下在GaN晶片41上生长n型AlGaN层43。所述n型AlGaN层43的厚度为50nm。所述n型AlGaN层43的生长速度为9.8nm/分钟。所述n型AlGaN层43的Al组成为0.12。
[0092]然后，向生长炉内供应TMG(243.8μmol/分钟)、NH3(7.5slm)和SiH4以在950℃下在n型AlGaN层43上生长n型GaN层45。所述n型GaN层45的厚度为2000nm。所述n型GaN层45的生长速度为129.6nm/分钟。
[0093]向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)、TMI(2.1μmol/分钟)、NH3(6slm)和SiH4以在840℃下在n型GaN层上生长n型InGaN层47。所述n型InGaN层47的厚度为100nm。所述n型InGaN层47的生长速度为6.7nm/分钟。所述n型InGaN层47的In组成为0.02。
[0094]然后，生长有源层49。向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以在870℃下在n型InGaN层47上生长未掺杂的GaN层49a。所述未掺杂的GaN层49a的厚度为15nm。所述未掺杂的GaN层49a的生长速度为6.7nm/分钟。
[0095]接下来，将生长炉内的温度从870℃变化至745℃。向生长炉内供应TMG(15.6μmol/分钟)、TMI(58.0μmol/分钟)和NH3(8slm)以在745℃下在未掺杂的GaN层49a上生长未掺杂的InGaN层49b。所述未掺杂的InGaN层49b的厚度为2.5nm。所述未掺杂的InGaN层49b的生长速度为3.6nm/分钟。所述未掺杂的InGaN层49b的In组成为0.20。
[0096]在将生长炉内的温度保持为745℃的同时，向生长炉内供应TMG(15.6μmol/分钟)和NH3(8slm)以在745℃下在未掺杂的InGaN层49b上生长未掺杂的GaN层49c。所述GaN层49c的厚度为1nm。所述GaN层49c的生长速度为例如3.6nm/分钟。
[0097]在生长未掺杂的GaN层49c之后，将生长炉内的温度从745℃变化至870℃。然后，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以在870℃下在未掺杂GaN层49c上生长未掺杂GaN层49d。所述GaN层49d的厚度为14nm。所述GaN层49d的生长速度为6.7nm/分钟。
[0098]重复生长阱层49b、保护层49c和阻挡层49d形成有源层49。然后，向生长炉内供应TMG(13.0μmol/分钟)和NH3(6slm)以在870℃下在有源层49上生长未掺杂的GaN层(N2-GaN层)51。所述GaN层51的厚度为3nm。所述GaN层51的生长速度为4.5nm/分钟。然后，向生长炉内供应TMG(98.7μmol/分钟)和NH3(5slm)以在1100℃下在GaN层51上生长未掺杂的GaN层53。所述GaN层53的厚度为10nm。所述GaN层53的生长速度为60.0nm/分钟。
[0099]随后，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)、TMA(2.3μmol/分钟)、NH3(6slm)和Cp2Mg以在1100℃下在GaN层53上生长p型AlGaN层55。所述AlGaN层55的厚度为20nm。所述AlGaN层55的生长速度为5.9nm/分钟。所述p型AlGaN层55的Al组成为0.07。
[0100]向生长炉内供应TMG(98.7μmol/分钟)、NH3(5slm)和Cp2Mg以在1100℃下在p型AlGaN层55上生长p型GaN层57。所述p型GaN层57的厚度为25nm。所述GaN层57的生长速度为58.2nm/分钟。
然后，向生长炉内供应TMG(67.0μmol/分钟)、NH3(5slm)和Cp2Mg以在1100℃下在p型GaN层57上生长p型GaN层59。所述p型GaN层59的厚度为25nm。所述GaN层59的生长速度为36.3nm/分钟。
实施这些步骤以制造外延晶片。在所述外延晶片上形成阳极61a和阴极61b。由此，制造图8中所示的LED。图8显示了：具有75°斜角的c面Sc；由c轴、a轴和m轴表示的晶体坐标系CR；以及由X轴、Y轴和Z轴表示的位置坐标系S。Z轴表示半导体层的堆叠方向且与c轴的方向不同。
[0101]单独地由GaN晶片41准备蓝宝石(0001)衬底。在适当制造条件下，在蓝宝石衬底上形成与使用GaN晶片的外延晶片结构相同的堆叠半导体结构。下面将对使用蓝宝石衬底制造外延晶片的主要条件进行说明。在将蓝宝石衬底放入生长炉内之后，在氢气氛中进行热处理。热处理温度为1100℃。热处理时间为约10分钟。在所述热处理之后，向生长炉内供应TMG(49μmol/分钟)和NH3(5slm)以在500℃下在蓝宝石衬底上生长未掺杂的GaN层。然后，向生长炉内供应TMG(243.8μmol/分钟)、NH3(5.0slm)和SiH4以在950℃下在未掺杂GaN层上生长n型GaN层。所述n型GaN层的厚度为5000nm。所述n型GaN层的生长速度为129.6nm/分钟。在760℃下生长阱层和保护层。其它制造条件与GaN衬底的条件相同。
[0102]使用GaN晶片的外延晶片和使用蓝宝石衬底的外延晶片具有相同的结构，因为各个厚度薄(约1nm)的保护层布置在与相对应的各个阱层上。然而，这些外延晶片的阱层相互不同，因为使用GaN晶片的外延晶片的各个阱层具有半极性面(斜角为75°)，而使用蓝宝石衬底的外延晶片的各个阱层具有c面表面。测量了这些外延晶片的光致发光(PL)光谱。图9显示了在代表性条件下制造的发光器件的PL光谱PL1和PL2。下面显示了这些PL光谱和阱层的形成条件。
Figure A20091017045900301
在该实施方案的生长方法中，图9中所示的结果表明，保护层的厚度薄，因而在升温期间对阱层的保护效果差。因而，在c面上提供的阱层中，半导体晶体发生分解，由此增大了PL光谱的半高全宽。相反，与在c面上提供的阱层相比，布置在具有75°斜角的GaN晶片上的阱层不易发生分解并展示了令人满意的发光性能。
实施例2
激光器结构
[0103]准备GaN晶片41。在将GaN晶片41放入生长炉内之后，在含氨和氢的气氛中进行热处理。所述热处理温度为1100℃。所述热处理时间为约10分钟。
图10显示了主要的制造条件。
[0104]在热处理之后，向生长炉内供应TMG(98.7μmol/分钟)、TMA(8.2μmol/分钟)、NH3(6slm)和SiH4以在1150℃下在GaN晶片41上生长用于覆盖层的n型AlGaN层81。所述n型AlGaN层81的厚度为2000nm。所述n型AlGaN层81的生长速度为46.0nm/分钟。所述n型AlGaN层81的Al组成为0.04。
[0105]然后，向生长炉内供应TMG(98.7μmol/分钟)、NH3(5slm)和SiH4以在1150℃下在n型AlGaN层81上生长n型GaN层83。所述n型GaN层83的厚度为50nm。所述n型GaN层83的生长速度为58.0nm/分钟。
[0106]向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)、TMI(4.6μmol/分钟)和NH3(6slm)以在840℃下在n型GaN层83上生长用于光导层的未掺杂的InGaN层85a。所述未掺杂的InGaN层85a的厚度为50nm。所述未掺杂的InGaN层85a的生长速度为6.7nm/分钟。所述未掺杂的InGaN层85a的In组成为0.05。
[0107]然后，生长有源层87。向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)、TMI(1.6μmol/分钟)和NH3(6slm)以在870℃下在未掺杂的InGaN层85a上生长用于阻挡层的未掺杂的InGaN层87a。所述未掺杂的InGaN层87a的厚度为15nm。所述未掺杂的InGaN层87a的生长速度为6.7nm/分钟。所述未掺杂的InGaN层87a的In组成为0.01。
[0108]接下来，将生长炉内的温度从870℃变化至745℃。向生长炉内供应TMG(15.6μmol/分钟)、TMI(29.0μmol/分钟)和NH3(8slm)以在745℃下在未掺杂的InGaN层87a上生长未掺杂的InGaN层87b。所述未掺杂的InGaN层87b的厚度为3nm。所述未掺杂的InGaN层87b的生长速度为3.1nm/分钟。所述未掺杂的InGaN层87b的In组成为0.25。
[0109]在将生长炉内的温度保持为745℃的同时，向生长炉内供应TMG(15.6μmol/分钟)、TMI(0.3μmol/分钟)和NH3(8slm)以在745℃下在未掺杂的InGaN层87b上生长未掺杂的InGaN层87c。所述未掺杂的InGaN层87c的厚度为1nm。所述未掺杂的InGaN层87c的生长速度为例如3.1nm/分钟。
[0110]在生长未掺杂的InGaN层87c之后，将生长炉内的温度从745℃变化至870℃。然后，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)、TMI(1.6μmol/分钟)和NH3(6slm)以在870℃下在未掺杂InGaN层87c上生长未掺杂的InGaN层87d。所述未掺杂的InGaN层87d的厚度为14nm。所述未掺杂InGaN层87d的生长速度为6.7nm/分钟。
[0111]重复生长阱层87b、保护层87c和阻挡层87d形成有源层87。然后，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)、TMI(4.6μmol/分钟)和NH3(6slm)以在840℃下在有源层87上生长用于光导层的未掺杂的InGaN层85b。所述未掺杂的InGaN层85b的厚度为50nm。所述未掺杂的InGaN层85b的生长速度为6.7nm/分钟。然后，向生长炉内供应TMG(98.7μmol/分钟)和NH3(5slm)以在1100℃下在未掺杂的InGaN层85b上生长未掺杂的GaN层(未掺杂的GaN层)89。所述未掺杂的GaN层89的厚度为50nm。所述GaN层89的生长速度为58.0nm/分钟。
[0112]随后，向生长炉内供应TMG(16.6μmol/分钟)、TMA(2.8μmol/分钟)、NH3(6slm)和Cp2Mg以在1100℃下在未掺杂的GaN层89上生长p型AlGaN层91。所述p型AlGaN层91的厚度为20nm。所述p型AlGaN层91的生长速度为4.9nm/分钟。所述p型AlGaN层91的Al组成为0.18。
[0113]向生长炉内供应TMG(36.6μmol/分钟)、TMA(3.0μmol/分钟)、NH3(6slm)和Cp2Mg以在1100℃下在p型AlGaN层91上生长p型AlGaN层93。所述AlGaN层93的厚度为400nm。所述AlGaN层93的生长速度为13.0nm/分钟。然后，向生长炉内供应TMG(34.1μmol/分钟)、NH3(5slm)和Cp2Mg以在1100℃下在p型AlGaN层93上生长p型GaN层95。所述p型GaN层95的厚度为50nm。所述p型GaN层95的生长速度为18.0nm/分钟。实施这些步骤以制造外延晶片。在所述外延晶片上形成阳极97a和阴极97b。
通过上述步骤制造了图11中所示的半导体二极管。将阳极97a与p型GaN层95进行电连接，在所述两极之间提供有绝缘膜，所述绝缘膜具有宽度为10μm的条状窗口。所述阳极97a由Ni/Au构成。所述阴极97b由Ti/Al/Au构成。图11显示了：具有75°斜角的c面Sc；由c轴、a轴和m轴表示的晶体坐标系CR；以及由X轴、Y轴和Z轴表示的位置坐标系S。所述Z轴表示半导体层的堆叠方向且与所述c轴的方向不同。沿a面实施劈开以形成长度为600μm的激光棒。振荡波长为520nm。阈电流为900mA。
实施方案2
[0114]参考图12，图12为显示在形成有源层期间原料气体的流动和生长炉内的温度变化的时间图。在该实施方案中，形成了氮化物半导体发光器件的有源层21a。下面将参考附图对形成有源层21a的量子阱结构的方法进行说明。
生长炉内的温度是指生长炉内的元件如感受器的温度。在时刻s0，完成氮化镓基半导体的沉积，所述氮化镓基半导体被有源层覆盖。在时刻s0和s1之间将生长炉10的温度变化至生长构成有源层的半导体的温度。类似于实施方案1，在步骤S104中，在时刻s1和s2之间在生长温度TB下形成由氮化镓基半导体构成的外延半导体区域23。GaN阻挡层DB1的厚度为例如15nm。外延半导体区域23的表面继承了主面13a的表面结构。在时刻s2，停止镓源的供给以终止氮化镓基半导体的沉积。在步骤S105中，在生长阱层之前，将生长炉内的温度从生长温度TB变化至生长温度TW。
在时刻t2和t4之间变化温度。在用于生长阻挡层的氮源供给量与用于生长阱层的氮源供给量不同的情况下，在时刻s2和s3之间将氮源的供给量变化至用于生长阱层的氮源供给量。在时刻s4，生长炉10的温度达到阱层的生长温度TW。类似于实施方案1，在步骤S106中，在将生长炉10的温度保持为阱层生长温度TW的同时，在时刻s4和s5之间在半极性主面23a上生长用于量子阱结构的阱层65a。阱层65a外延生长在外延半导体区域23的主面上。因而，阱层65a的表面继承了外延半导体区域23的表面结构。阱层65a的主面相对于氮化镓基半导体的c面的倾斜角反映了外延半导体区域23的主面的倾斜角，且在10°～85°的范围内。所述InGaN阱层的厚度DW为例如4nm。
[0115]在时刻s5，完成阱层65a的生长。在步骤S207中，将温度从生长温度TW变化至第二阻挡层69a的生长温度TB。在例如时刻s5和s6之间实施这种升温。为了阻止在升温期间阱层65a发生劣化，生长保护层67a以覆盖所述阱层65a的表面。在阱层65a的生长完成之后，立即开始生长保护层67a以覆盖所述阱层65a。通过随时间而降低升温速度来实施在保护层67a生长期间的温度变化，因此时刻s5和s6之间的温度曲线向上凸起。根据这种升温曲线，用于将温度升至生长温度TB然后稳定该温度所需要的时间缩短，由此阻止了阱层的劣化。
[0116]类似于保护层27a，保护层67a由带隙能量比构成阱层65a的材料高的氮化镓基半导体构成。在时刻s5～s6之间的期间内，外延生长上述由氮化镓基半导体构成的保护层67a。所述保护层67a的厚度小于阻挡层69a。此外，保护层67a的厚度小于阱层65a。以低于阻挡层69a的生长速度生长保护层67a。例如，在时刻s5～s6之间，通过降低镓源的供给量和氮源的供给量来调节生长速度。在该实施方案中，保护层67a由GaN构成，所述GaN为与构成外延半导体区域23的材料相同的材料。保护层67a可以由GaN构成，阻挡层23可以由InYGa1-YN(铟组成Y：0≤Y＜1，Y表示应变组成)构成。保护层67a的厚度Dp为例如2.5nm。在阱层65a的主面上外延生长保护层67a。因而，保护层67a的表面继承了阱层65a的表面结构。
[0117]在步骤S208中，在生长保护层67a之后生长阻挡层69a。在时刻s6，完成生长炉内的温度的升高。在生长保护层27a之后，在将生长炉10的温度保持为生长温度TB的同时，在时刻s6和s7之间，生长由氮化镓基半导体构成的阻挡层69a。生长温度TB等于或高于第一温度TR，所述第一温度TR使得能够生长具有令人满意的晶体品质的阻挡层。用于保护层67a～67c的生长温度Tp在阱层生长温度TW至第一温度TR的范围内。在该实施方案中，保护层67a～67c的生长温度Tp高于生长温度TW。各个第二阻挡层69a的厚度DB2和阱层65a的厚度DW大于保护层67a的厚度Dp。通过降低保护层67a的厚度，可以增大阻挡层69a的厚度，所述保护层67a不充当阱层或阻挡层。在该实施方案中，阻挡层69a由例如GaN构成。所述阻挡层69a的厚度DB2为例如12.5nm。在所述保护层67a的主面上外延生长阻挡层69a。因而，阻挡层69a的表面继承了阱层65a的表面结构。
[0118]如图12中所示，以与上述相同的方式继续形成有源层21a。在步骤S209中，重复从生长温度TB至生长温度TW的降温(在时刻t7和t9之间)、生长阱层(在时刻t9和t10之间)、从生长温度TW至生长温度TB的升温和生长保护层(在时刻s10和s11之间)以及生长阻挡层(在时刻s11和s12之间)以完成量子阱结构。如图12中所示，所述量子阱结构包括：阻挡层23和69a及阻挡层69b和69c；阱层65a及阱层65b和65c；以及保护层67a及保护层67b和67c。各个保护层67a～67c的厚度Dp为例如0.5nm～5nm。
[0119]根据该方法，在阱层65a的生长完成之后，立即生长保护层67a。在将生长炉10的温度从生长温度TW升至生长温度TB的同时，进行所述生长。在生长保护层67a～67c的同时，升高生长炉10的温度。因而，与在c面主面上生长的阱层相比，构成具有半极性主面的阱层65a～65c的半导体晶体不易分解。此外，在升温的同时，生长保护层67a～67c，由此降低了将阱层65a～65c暴露在高温下的时间。
[0120]根据实施方案1，在阱层25a～25c的生长完成之后，立即在与阱层生长温度TW相同的温度下生长薄的保护层27a～27c。在相对低的温度下生长的保护层67a能够保护阱层65a。因而，无论是否在升温期间的后半段内生长保护层，所述保护层都显示了保护效果。
[0121]例如，可以在将生长炉10的温度从生长温度TW升至中间温度TM的同时，生长保护层，所述中间温度TM低于生长温度TB。该方法还可以包括，在生长保护层之后，将生长炉10的温度从中间温度TM升至生长温度TB而不生长氮化镓基半导体的步骤。在该温度曲线中，从生长温度TW至中间温度TM的平均升温速度高于从中间温度TM至生长温度TB的平均升温速度。根据该方法，在生长保护层的期间内温度变化速度高。因而，保护层的生长温度随时间而升高，从而提供具有令人满意的晶体品质的保护层。
实施例3
斜角：75°
[0122]准备GaN晶片。所述GaN晶片的主面相对于GaN晶片的c面以75°的角度倾斜。在将所述GaN晶片放入生长炉内之后，在含氨和氢的气氛中进行热处理。所述热处理温度为1050℃。所述热处理时间为约10分钟。除了有源层的生长条件之外，使用与图7中所示的那些条件相同的制造条件。
[0123]下面描述有源层的生长条件。向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以在860℃下在n型InGaN层上生长未掺杂的GaN层(阻挡层)。所述GaN阻挡层的厚度为15nm。所述GaN层的生长速度为6.7nm/分钟。
[0124]然后，将生长炉内的温度从860℃变化至750℃。在温度变化完成之后，向生长炉内供应TMG(15.6μmol/分钟)、TMI(58.0μmol/分钟)和NH3(8slm)以在750℃下在GaN阻挡层上生长未掺杂的InGaN层(阱层)。所述InGaN层的厚度为4nm。所述InGaN阱层的生长速度为5nm/分钟。所述n型InGaN阱层47的In组成为0.20。
[0125]在生长InGaN阱层之后，在将生长炉内的温度从750℃升至860℃的同时，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以生长GaN保护层。所述GaN保护层的厚度为2.5nm。所述GaN保护层的平均生长速度为0.8nm/分钟。
[0126]在生长GaN保护层之后，在将生长炉内的温度保持为860℃的同时，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以生长GaN阻挡层。所述GaN阻挡层的厚度为12.5nm。所述GaN阻挡层的平均生长速度为6.7nm/分钟。
[0127]重复生长InGaN阱层、GaN保护层和GaN阻挡层形成有源层。然后，按实施例1沉积p型氮化镓基半导体区域。
[0128]类似于实施例1，单独地由GaN晶片准备蓝宝石(0001)衬底。在适当的制造条件下，在蓝宝石衬底上形成与使用GaN晶片的外延晶片的结构相同的堆叠半导体结构。下面将描述使用蓝宝石衬底制造外延晶片的主要条件。在将蓝宝石衬底放入生长炉内之后，在氢气氛中进行热处理。所述热处理温度为1100℃。所述热处理时间为约10分钟。在热处理之后，向生长炉内供应TMG(49μmol/分钟)和NH3(5slm)以在500℃下在蓝宝石衬底上生长未掺杂的GaN层。然后，向生长炉内供应TMG(243.8μmol/分钟)、NH3(5.0slm)和SiH4以在950℃下在未掺杂的GaN层上生长n型GaN层。所述n型GaN层的厚度为5000nm。所述n型GaN层的生长速度为129.6nm/分钟。在760℃下生长阱层。其它制造条件与用于GaN衬底的条件相同。
[0129]使用GaN晶片的外延晶片和使用蓝宝石衬底的外延晶片具有相同的结构，因为在各个阱层上布置了在升温期间内生长的保护层(厚度为2.5nm)。然而，这些外延晶片的阱层相互不同，因为使用GaN晶片的外延晶片的各个阱层具有半极性面(斜角为75°)，而使用蓝宝石衬底的外延晶片的各个阱层具有c面表面。测量了这些外延晶片的光致发光(PL)光谱。图13A和13B显示了在代表性条件下制造的发光器件的PL光谱PL3和PL4。下面显示这些PL光谱和阱层的形成条件。
参考图13A，在该实施例的生长方法中，PL1和PL3之间的比较表明，随着温度升高，保护层的厚度增大提高了保护效果。
PL3的半高全宽小于PL1。PL3的PL光谱的形状比PL1陡峭。此外，PL3的PL强度增大。参考图13B，PL3和PL4之间的比较表明，构成布置在c面上的阱层的半导体晶体发生分解，从而增大了PL光谱的半高全宽。相反，与布置在c面上的阱层相比，构成布置在具有75°斜角的GaN晶片上的阱层的半导体晶体不易分解并展示了令人满意的发光性能。
实施例4
斜角：58°
[0130]准备GaN晶片。所述GaN晶片的主面相对于GaN晶片的c面以58°的角度倾斜。在将所述GaN晶片放入生长炉内之后，在含氨和氢的气氛中进行热处理。所述热处理温度为1050℃。所述热处理时间为约10分钟。除了有源层的生长条件之外，使用与图7中所示的那些条件相同的制造条件。
[0131]下面描述有源层的生长条件。向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以在860℃下在n型InGaN层上生长未掺杂的GaN层(阻挡层)。所述GaN阻挡层的厚度为15nm。GaN层的生长速度为6.7nm/分钟。
[0132]然后，将生长炉内的温度从860℃变化至770℃。在温度变化完成之后，向生长炉内供应TMG(15.6μmol/分钟)、TMI(29.0μmol/分钟)和NH3(8slm)以在770℃下在GaN阻挡层上生长未掺杂的InGaN层(阱层)。所述InGaN层的厚度为2.7nm。所述InGaN阱层的生长速度为5nm/分钟。所述n型InGaN阱层47的In组成为0.20。
[0133]在生长InGaN阱层之后，在将生长炉内的温度从750℃升至860℃的同时，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以生长GaN保护层。所述GaN保护层的厚度为2.5nm。所述GaN保护层的平均生长速度为0.8nm/分钟。
[0134]在生长GaN保护层之后，在将生长炉内的温度保持为860℃的同时，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以生长GaN阻挡层。所述GaN阻挡层的厚度为12.5nm。所述GaN阻挡层的平均生长速度为6.7nm/分钟。
[0135]重复生长InGaN阱层、GaN保护层和GaN阻挡层形成有源层。然后，按实施例1沉积p型氮化镓基半导体区域。图14显示了PL光谱。
Figure A20091017045900391
在该实施例的生长方法中，PL1和PL5之间的比较表明，随着温度升高，保护层的厚度增大提高了保护效果。PL5的半高全宽小于PL4。PL5的PL光谱的形状比PL4陡峭。此外，PL5的PL强度增大。PL4和PL5之间的比较表明，构成布置在c面上的阱层的半导体晶体发生分解，从而增大了PL光谱的半高全宽。相反，与布置在c面上的阱层相比，布置在具有58°斜角的GaN晶片上的阱层不易分解并展示了令人满意的发光性能。
实施方案3
[0136]在该实施方案中，形成氮化物半导体发光器件的有源层21b。下面将参考图15详细描述形成有源层21b的量子阱结构的方法。图15为显示在形成有源层期间原料气体的流动和生长炉内的温度变化的时间图。
生长炉内的温度是指生长炉内的元件如感受器的温度。在时刻u0，完成氮化镓基半导体的沉积，所述氮化镓基半导体被有源层覆盖。在时刻u0和u1之间，将生长炉10的温度变化至生长构成有源层的半导体的温度。类似于实施方案1，在步骤S104中，在时刻u1和u2之间在生长温度TB下形成由氮化镓基半导体构成的外延半导体区域23。GaN阻挡层DB1的厚度为例如15nm。外延半导体区域23的表面继承了主面13a的表面结构。在时刻u2，停止镓源的供给以终止氮化镓基半导体的沉积。在步骤S105中，在生长阱层之前，将生长炉内的温度从生长温度TB变化至生长温度TW。
在时刻u2和u4之间变化温度。在时刻u2和u3之间，将氮源的供给量变化至用于生长阱层的氮源供给量。在时刻u4，生长炉10的温度达到阱层的生长温度TW。类似于实施方案1，在步骤S106中，在将生长炉10的温度保持为阱层生长温度TW的同时，在时刻u4和u5之间在半极性主面23a上生长用于量子阱结构的阱层75a。阱层75a外延生长在外延半导体区域23的主面上。因而，阱层75a的表面继承了外延半导体区域23的表面结构。InGaN阱层的厚度DW为例如3nm。
[0137]在时刻u5，完成阱层75a的生长。在步骤S307中，将温度从生长温度TW变化至第二阻挡层79a的生长温度TB。在例如时刻u5和u7之间实施这种升温。为了阻止在升温期间阱层75a发生劣化，在时刻u5和u6之间生长保护层77a以覆盖所述阱层75a的表面。在阱层75a的生长完成之后，立即开始生长保护层77a以覆盖所述阱层75a。通过随时间而降低升温速度来实施在保护层77a生长期间内的温度变化，因此时刻u5和u6之间的温度曲线向上凸起。根据这种升温曲线，升高达到生长温度TB所需的温度然后稳定该温度所需要的时间缩短，由此阻止了阱层的劣化。类似于保护层27a，保护层77a由带隙能量比构成阱层75a的材料高的氮化镓基半导体构成。在时刻u5和u6之间的期间内外延生长保护层77a。所述保护层77a的厚度小于阻挡层79a。此外，保护层77a的厚度小于阱层75a。保护层77a以低于阻挡层79a的生长速度生长。例如，通过降低时刻u5和u7之间镓源的供给量和氮源的供给量来调节生长速度。在该实施方案中，保护层77a由GaN构成，所述GaN为与构成外延半导体区域23的材料相同的材料。保护层77a的厚度Dp为例如1.1nm。保护层77a外延生长在阱层75a的主面上。因而，保护层77a的表面继承了阱层75a的表面结构。
[0138]在步骤S308中，在生长保护层77a之后生长阻挡层79a。也在时刻u6，继续升高生长炉10的温度。在生长保护层77a之后，在将生长炉10的温度升至生长温度TB的同时，在时刻u6和u7之间生长由氮化镓基半导体构成的阻挡层79a。生长温度TB等于或高于第一温度TR，所述第一温度TR使得能够生长具有令人满意的晶体品质的阻挡层。保护层77a、77b和77c的生长温度Tp在阱层生长温度TW至第一温度TR的范围内。在该实施方案中，保护层77a～77c的生长温度Tp高于生长温度TW。阻挡层79a的厚度DB2大于保护层77a的厚度Dp。通过降低保护层77a的厚度，可以增大阻挡层79a的厚度，所述保护层77a不充当阱层或阻挡层。在该实施方案中，阻挡层79a由例如GaN构成。所述阻挡层79a的厚度DB2为例如13.9nm。阻挡层79a外延生长在所述保护层77a的主面上。因而，阻挡层79a的表面继承了阱层75a的表面结构。
[0139]如图15中所示，以与上面相同的方式继续形成有源层21b。在步骤S309中，重复从生长温度TB至生长温度TW的降温(在时刻u7和u9之间)、生长阱层(在时刻u9和u10之间)、从生长温度TW至生长温度TB的升温和生长保护层(在时刻u10和u11之间及在时刻u13和u14之间)以及生长阻挡层(在时刻u11和u12之间及在时刻u14和u15之间)，以完成量子阱结构。如图15中所示，所述量子阱结构包括：阻挡层23和79a及阻挡层79b和79c；阱层75a及阱层75b和75c；以及保护层77a及保护层77b和77c。各个保护层77a～77c的厚度Dp可以为例如0.5nm～5nm。
[0140]在阱层75a～75c的生长完成之后，在将温度从生长温度TW升至生长温度TB的同时，立即生长各个保护层77a～77c。在生长各个保护层77a～77c的同时，升高生长炉10的温度。因而，与在c面主面上生长的阱层相比，具有半极性主面的阱层75a～75c不易分解。此外，在升温的同时，生长保护层77a～77c和阻挡层79a～79c，由此缩短将阱层75a～75c暴露在高温下的时间。在该实施方案的温度曲线中，从生长温度TW至温度TR的平均升温速度高于从温度TR至生长温度TB的平均升温速度。根据该方法，在生长保护层期间内，温度变化速度高。因而，保护层的生长温度随时间而升高，从而提供具有令人满意的晶体品质的保护层。
实施例5
斜角：75°
[0141]准备GaN晶片。所述GaN晶片的主面相对于GaN晶片的c面以75°的角度倾斜。在将所述GaN晶片放入生长炉内之后，在含氨和氢的气氛中进行热处理。所述热处理温度为1050℃。所述热处理时间为约10分钟。除了有源层的生长条件之外，使用与图7中所示的那些条件相同的制造条件。
[0142]下面描述有源层的生长条件。向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以在870℃下在n型InGaN层上生长未掺杂的GaN层(阻挡层)。所述GaN阻挡层的厚度为15nm。GaN层的生长速度为6.7nm/分钟。
[0143]然后，将生长炉内的温度从870℃变化至745℃。在温度变化完成之后，向生长炉内供应TMG(15.6μmol/分钟)、TMI(58.0μmol/分钟)和NH3(8slm)以在745℃下在GaN阻挡层上生长未掺杂的InGaN层(阱层)。所述InGaN层的厚度为4nm。所述InGaN阱层的生长速度为3.6nm/分钟。所述InGaN阱层的In组成为0.20。
[0144]在生长InGaN阱层之后，在将生长炉内的温度从745℃升至850℃的同时，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以生长GaN保护层。所述GaN保护层的厚度为1.1nm。所述GaN保护层的平均生长速度为1.1nm/分钟。
[0145]在生长GaN保护层之后，在将生长炉内的温度从850℃升至870℃的同时，向生长炉内供应TMG(24.4μmol/分钟)和NH3(6slm)以生长GaN阻挡层。所述GaN阻挡层的厚度为13.9nm。所述GaN阻挡层的平均生长速度为6.7nm/分钟。
[0146]重复生长InGaN阱层、GaN保护层和GaN阻挡层形成有源层。然后，按实施例1沉积p型氮化镓基半导体区域。
[0147]类似于实施例1，单独地由GaN晶片准备蓝宝石(0001)衬底。在适当的制造条件下，在蓝宝石衬底上形成与使用GaN晶片的外延晶片的结构相同的堆叠半导体结构。下面将描述使用蓝宝石衬底制造外延晶片的主要条件。在将蓝宝石衬底放入生长炉内之后，在氢气氛中进行热处理。所述热处理温度为1100℃。所述热处理时间为约10分钟。在热处理之后，向生长炉内供应TMG(49μmol/分钟)和NH3(5slm)以在500℃下在蓝宝石衬底上生长未掺杂的GaN层。然后，向生长炉内供应TMG(243.8μmol/分钟)、NH3(5.0slm)和SiH4以在950℃下在未掺杂的GaN层上生长n型GaN层。所述n型GaN层的厚度为5000nm。所述n型GaN层的生长速度为129.6nm/分钟。在760℃下生长阱层。其它制造条件与GaN衬底的条件相同。
[0148]使用GaN晶片的外延晶片和使用蓝宝石衬底的外延晶片具有相同的结构，因为在各个阱层上布置了保护层。然而，这些外延晶片的阱层相互不同，因为使用GaN晶片的外延晶片的各个阱层具有半极性面(斜角为75°)，而使用蓝宝石衬底的外延晶片的各个阱层具有c面表面。测量了这些外延晶片的光致发光(PL)光谱。图16显示了在代表性条件下制造的发光器件的PL光谱PL6和PL7。下面显示这些PL光谱和阱层的形成条件。
在该实施例的生长方法中，PL1和PL6之间的比较表明，随着温度升高，保护层的厚度增大提高了保护效果。参考图16，PL6的半高全宽小于PL7。PL6的PL光谱的形状比PL7陡峭。此外，PL6的PL强度增大。参考图16，PL6和PL7之间的比较表明，构成布置在c面上的阱层的半导体晶体发生分解，从而增大了PL光谱的半高全宽。相反，与布置在c面上的阱层相比，构成布置在具有75°斜角的GaN晶片上的阱层的半导体晶体不易分解并展示了令人满意的发光性能。在升温的同时生长阻挡层，由此缩短了外延生长所需要的时间且抑制了构成阱层的半导体晶体的分解。部分阻挡层在等于或低于温度TR的温度下生长，导致构成布置在c面衬底上的量子阱结构的晶体的不令人满意的品质，因而降低了发光性能。此外，使用半极性面降低了压电场的效果。
[0149]图17显示了铟组成对斜角的依赖性。
Figure A20091017045900451
在具有相对于c面倾斜的主面的GaN晶片中，铟组成随斜角而变化。根据本发明人的发现，50°以上且小于80°的斜角导致大的铟组成。因而，即使当将InGaN阱层暴露在高温下时，构成阱层的半导体晶体也不易分解。
[0150]在NH3气氛中外延生长期间在顶面上，NHx好像与III族原子结合。在c面上，NHx仅与单一III族原子结合；因此，在c面上生长的InGaN的热分解易于发生。相反，在半极性面上，NHx能够与两个以上的III族原子结合。此外，与两个以上III族原子结合的NHx的比例明显高于在c面上。因而，在半极性面上，构成元素之间的结合强度高；因此，与在c面上生长的InGaN相比，在半极性面上生长的InGaN的热分解不易发生。因此，在半极性面上生长的InGaN阱层的表面与在c面上生长的InGaN阱层的表面不同。
[0151]在与大于50°且小于80°的斜角相对应的半极性面如(20-21)面上，各个平台的宽度小。因而，当在所述平台上掺入In时，铟未明显迁移。因此，即使将生长中断时，In原子也倾向于保持在沉积时In原子被吸收的位置处。因此，阱层的分解不易发生。
[0152]关于能够使用的物质，阱层/保护层/阻挡层的组合的实例包括InGaN/InGaN/GaN、InGaN/GaN/InGaN和InGaN/InGaN/InGaN。
[0153]根据优选实施方案，已经对本发明的原理进行了说明和描述。然而，本领域的技术人员应当理解，能够完成排列和细节的变化而不会违背本发明的原理。本发明不限于那些实施方案中所描述的具体构造。因而，本发明涵盖了权利要求书和其主旨范围内的各种修改和变化。

Claims (20)

1.一种制造氮化物半导体光学器件的方法，包括如下步骤：
在将生长炉内的温度保持为阱层生长温度的同时，在具有半极性主面的氮化镓基半导体区域上生长阱层，所述阱层构成有源层的一部分；
在所述阱层的生长完成之后立即生长保护层，所述保护层覆盖所述阱层的主面；以及
在生长所述保护层之后于阻挡层生长温度下在所述保护层的主面上生长阻挡层，所述阻挡层构成所述有源层的一部分，
其中所述保护层的厚度小于所述阻挡层的厚度，
所述阻挡层生长温度等于或高于第一温度，所述第一温度高于所述阱层生长温度，
当所述生长炉内的温度达到所述第一温度时，开始所述阻挡层的生长，
所述保护层的生长温度等于或高于所述阱层生长温度且低于所述第一温度，
所述阱层由含铟的氮化镓基半导体构成，
所述阻挡层由氮化物半导体构成，所述氮化物半导体的带隙能量比所述阱层的带隙能量高，
所述保护层由氮化镓基半导体构成，所述氮化镓基半导体的带隙能量比所述阱层的带隙能量高，
所述阱层的主面具有半极性面，
所述保护层的主面具有半极性面，以及
所述阻挡层的主面具有半极性面。
2.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
在生长所述保护层之后，在不实施生长操作的情况下将所述生长炉内的温度从所述阱层生长温度升至所述第一温度，
其中在所述生长炉内的温度开始变化之前，在与所述阱层生长温度相同的温度下生长所述保护层。
3.如权利要求1所述的方法，其中在将所述生长炉内的温度从所述阱层生长温度升高的同时，生长所述保护层。
4.如权利要求3所述的方法，
其中在将所述生长炉内的温度从所述阱层生长温度变化至所述第一温度的期间内生长所述保护层，以及
在生长所述保护层之后立即生长所述阻挡层。
5.如权利要求3所述的方法，还包括如下步骤：
在不生长氮化镓基半导体的情况下生长所述保护层之后，将所述生长炉内的温度从第二温度升至所述第一温度，所述第二温度低于所述阻挡层生长温度，
其中在将所述生长炉内的温度从所述阱层生长温度升至所述第二温度的期间中的至少一部分期间内生长所述保护层，以及
从所述阱层生长温度至所述第二温度的平均升温速度高于从所述第二温度至所述第一温度的平均升温速度。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述阻挡层的生长温度保持恒定。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中在将温度从所述第一温度变化至高于所述第一温度的第三温度的同时，生长至少一部分所述阻挡层。
8.如权利要求7所述的方法，其中从所述阱层生长温度至所述第一温度的平均升温速度高于从所述第一温度至所述第三温度的平均升温速度。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中用于生长所述保护层的镓源的供给量小于用于生长所述阻挡层的镓源的供给量。
10.如权利要求1或2所述的方法，还包括如下步骤：
准备由六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN构成的衬底，其中0≤S≤1，0≤T≤1，且0≤S+T≤1，
其中所述衬底的主面相对于所述六方晶系半导体的{0001}或{000-1}面以10°～85°的角度倾斜。
11.如权利要求10所述的方法，还包括如下步骤：
在所述衬底上形成半导体之前，对所述衬底的主面进行热处理以在所述衬底上形成改性主面，
其中在含氨和氢的气氛中进行所述热处理，以及
在所述衬底的所述改性主面上提供氮化镓基半导体区域。
12.如权利要求10所述的方法，还包括如下步骤：
在所述衬底上外延生长第一导电型氮化镓基半导体区域，
其中所述第一导电型氮化镓基半导体区域的主面相对于所述氮化镓基半导体区域的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°的角度倾斜。
13.如权利要求10所述的方法，
其中所述衬底包括多个第一区域和多个第二区域，在所述第一区域中，朝着c轴方向延伸的贯穿位错的密度高于第一贯穿位错密度，在所述第二区域中，朝着c轴方向延伸的贯穿位错的密度低于所述第一贯穿位错密度，
所述第一区域和第二区域交替布置，以及
所述第一区域和第二区域在所述衬底的所述主面上露出。
14.如权利要求10所述的方法，其中各个所述第二区域的贯穿位错密度小于1×107cm-2。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述衬底由GaN构成。
16.如权利要求1或2所述的方法，其中所述氮化镓基半导体区域的主面朝着所述氮化镓基半导体区域的a轴方向倾斜。
17.如权利要求1或2所述的方法，其中所述氮化镓基半导体区域的主面朝着所述氮化镓基半导体区域的m轴方向倾斜。
18.如权利要求1或2所述的方法，其中所述氮化镓基半导体区域的主面朝着所述氮化镓基半导体区域的<12-30>轴方向倾斜。
19.一种制造用于氮化物半导体光学器件的外延晶片的方法，包括如下步骤：
准备由六方晶系半导体InSAlTGa1-S-TN构成且具有半极性主面的衬底，其中0≤S≤1，0≤T≤1，且0≤S+T≤1；
在所述衬底的主面上形成氮化镓基半导体区域，所述氮化镓基半导体区域具有半极性主面；
在将生长炉内的温度保持为阱层生长温度的同时在所述氮化镓基半导体区域上生长阱层，所述阱层构成有源层的一部分；
生长保护层，所述保护层覆盖所述阱层的主面；以及
在生长所述保护层之后于阻挡层生长温度下在所述保护层的主面上生长阻挡层，所述阻挡层构成所述有源层的一部分，
其中所述保护层的厚度小于所述阻挡层的厚度，
所述阻挡层生长温度等于或高于第一温度，所述第一温度高于所述阱层生长温度，
当所述生长炉内的温度达到所述第一温度时，开始所述阻挡层的生长，
所述保护层的生长温度等于或高于所述阱层生长温度且低于所述第一温度，
所述阱层由含铟的氮化镓基半导体构成，
所述阻挡层由氮化物半导体构成，所述氮化物半导体的带隙能量高于所述阱层的带隙能量，
所述保护层由氮化镓基半导体构成，所述氮化镓基半导体的带隙能量高于所述阱层的带隙能量，
所述阱层的主面具有半极性面，
所述保护层的主面具有半极性面，以及
所述阻挡层的主面具有半极性面。
20.如权利要求19所述的方法，还包括如下步骤：
在所述衬底上形成半导体之前，对所述衬底的主面进行热处理以在所述衬底上形成改性主面，
其中在含氨和氢的气氛中进行所述热处理，以及
所述衬底的所述主面相对于所述六方晶系半导体的{0001}或{000-1}面以大于50°且小于80°的角度倾斜。
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