JP2008218746A - Ｉｉｉ族窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧を低減可能なIII族窒化物系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】活性層１７が設けられた半導体表面１９は、（０００１）面に等しい第１の面１９ａと、該第１の面１９ａに対して傾斜したファセット面から成る第２の面１９ｂとを有する。ＩｎＧａＮ井戸層２１は、ファセット面１９ｂ上に位置する第１の部分２１ａと、第１の面１９ａ上に位置する第２の部分２１ｂとを含む。同様に、ＩｎＧａＮ障壁層２３は、ファセット面１９ｂ上に位置する第１の部分２３ａと、第１の面１９ａ上に位置する第２の部分２３ｂとを含む。ＩｎＧａＮ井戸層２１において、第２の部分２１ｂの厚さｄ_２１ｂは第１の部分２１ａの厚さｄ_２１ａより薄く、ファセット面を有する半導体表面１９上に活性層１７を成長することによってＩｎＧａＮ井戸層２１が部分的に薄くなっている。半導体表面１９におけるファセット面はＶピットによって提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物系半導体発光素子に関する。

特許文献１には、窒化物半導体素子が記載されている。窒化物半導体素子は、
基板上に順に設けられたｎ型窒化物半導体層、活性層およびｐ型窒化物半導体層を有する。この窒化物半導体素子において、活性層は、Ｉｎを有する窒化物半導体井戸層を含む多重量子井戸構造を有する。井戸層又は障壁層の単一層中にｎ型不純物を変調ドープすることによって順方向電圧を低減する。

特許文献２には、窒化物半導体発光素子が記載されている。この窒化物半導体発光素子では、量子井戸構造の活性層は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に設けられており、またインジウムを含む窒化物半導体井戸層を有する。障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きいＡｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０．３０≦ｄ≦１）中間層をすべての井戸層上に形成する。これにより、窒化物半導体発光素子の闘値電圧又は駆動電圧が低減される。
特開２００３−１７９２６０号公報 特開２００４−２９７０９８号公報

特許文献１の窒化物半導体素子のように、障壁層に不純物をドーピングすると、結晶品質の劣化が生じることがある。この結果、発光効率の悪化を招く。発光層に不純物をドーピングすると、吸収損失が生じることがある。

特許文献２の窒化物半導体発光素子の作製のために、井戸層上にＡｌＧａＮ中間層を成膜している。しかしながら、ＩｎＧａＮ活性層と同じような温度域で、ＡｌＧａＮを成膜することは容易ではない。ＩｎＧａＮは、摂氏８００度付近においてＮ_２雰囲気中で成長され、ＡｌＧａＮは摂氏１０００度以上でＨ_２雰囲気中で成長される。このため、両者の成長温度域は大きく異なる。このように背景により、ＡｌＧａＮ中間層の結晶品質を高めることが困難である。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、駆動電圧を下げることが可能なIII族窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、（ａ）第１導電型窒化ガリウム系半導体領域と第２導電型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、第１の面と該第１の面に対して傾斜したファセット面から成る第２の面とを有する半導体表面上に設けられた活性層を備える。前記活性層は、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）からなる井戸層およびＩｎ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２＜Ｘ１）からなる障壁層を含み、前記井戸層は第１および第２の部分を含み、前記第１の部分は前記第１の面上に位置し、前記第２の部分は前記ファセット面上に位置し、前記井戸層の前記第２の部分の厚さは、前記井戸層の前記第１の部分の厚さより薄い。

井戸層は、第１の面および第２の面（傾斜したファセット面）上にそれぞれ形成された第１および第２の部分を有しており、井戸層の第２の部分の厚さは井戸層の第１の部分の厚さより薄い。井戸層が部分的に薄くなっているので、III族窒化物系半導体発光素子の駆動電圧が低減される。これは、井戸層が薄くなっている部分ではピエゾ電界が弱く、注入されたキャリアが再結合しやすいためと考えられる。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記井戸層の前記第２の部分の厚さは、前記井戸層の前記第１の部分の厚さの０．７５倍の厚さ以下であることが好ましい。井戸層において、第１の部分の厚さが第２の部分の幅の７５％以下であれば、駆動電圧の低減が得られる。

また、このIII族窒化物系半導体発光素子では、井戸層の第２の部分の厚さは井戸層の第１の部分の厚さの０．２倍の厚さ以上であることが好ましい。第１の部分の厚さが第２の部分の厚さの２０％未満になると、層厚が薄くなり井戸層として機能しにくくなる。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記障壁層は、前記第１の面上に位置する第１の部分と、前記ファセット面上に位置する第２の部分とを含み、前記障壁層の前記第２の部分の厚さは、前記障壁層の前記第１の部分の厚さより薄い。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記障壁層の前記第１の部分の厚さは前記障壁層の前記第２の部分の厚さの０．２倍の厚さ以上であることが好ましい。

また、このIII族窒化物系半導体発光素子では、障壁層の第２の部分の厚さが障壁層の第１の部分の厚さの０．７５倍の厚さ以下であることが好ましい。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記井戸層の前記第２の部分のインジウム組成は前記井戸層の前記第１の部分のインジウム組成よりも小さい。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記半導体表面に対して前記第１の面の割合が０．９５以下であることが好ましい。半導体表面の面積（Ｓ０）に対して第１の面の面積（Ｓ１）の比（Ｓ０−Ｓ１）／Ｓ０が０．０５より大きいとき、駆動電圧の低減が得られる。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記半導体表面に対して前記第１の面の割合が０．８以上であることが好ましい。面積比（Ｓ０−Ｓ１）／Ｓ０が０．２を越えるとき、発光スペクトルの半値幅が増大したり、或いは発光出力の低下が顕著になる。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記活性層の表面は、前記半導体表面の前記ファセット面に起因する段差を有しており、前記III族窒化物系半導体発光素子は、前記活性層上に設けられており前記段差を埋め込む窒化ガリウム系半導体層を更に備えることができる。

結晶成長によりファセット面に起因する段差を埋め込むことができ、活性層上に設けられる半導体層および電極を実質的に平坦な下地層の上形成できる。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子では、前記活性層における前記ＩｎＧａＮ井戸層の数は３以上であることが好ましい。井戸層の数は３以上である量子井戸構造でも、駆動電圧を下げることができる。また、前記活性層における前記ＩｎＧａＮ井戸層の数は１０以下であることが好ましい。ＩｎＧａＮ井戸層の数が１０を越えると、活性層が多くの半導体層から成り活性層の結晶品質を維持することが容易でない。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域および前記活性層を搭載する基板を更に備えることができる。前記基板はIII族窒化物半導体と異なる材料から成り、前記半導体表面における前記ファセット面は、Ｖピットによって提供される。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、Ｖピットを構成するファセット面を利用して、駆動電圧を下げることができる。

本発明のIII族窒化物系半導体発光素子は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域および前記活性層を搭載する基板と、前記基板上に設けられ前記半導体表面を提供する窒化ガリウム系半導体領域とを更に備えることができる。前記基板の主面は段差を有しており、前記半導体表面における前記ファセット面は、前記主面における前記段差に関連している。窒化ガリウム系半導体領域は、段差を有する基板上に成長されたので、半導体表面には段差に関連したファセット面が形成される。このファセット面を利用して、駆動電圧を下げることができる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、駆動電圧を下げることが可能なIII族窒化物系半導体発光素子が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物系半導体発光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物系半導体発光素子の構造を概略的に示す図面である。III族窒化物系半導体発光素子としては、例えば発光ダイオード等がある。図１（ａ）を参照すると、III族窒化物系半導体発光素子１１の特徴を表す一断面が示されている。III族窒化物系半導体発光素子１１は、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３と、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域１５と、これらの半導体領域１３、１５の間に設けられた活性層１７とを備える。活性層１７は、半導体表面１９上に設けられており、この半導体表面１９は、所定の結晶面（例えば、実質的に（０００１）面に等しい面）を有する第１の面１９ａと、該第１の面１９ａに対して傾斜したファセット面から成る第２の面１９ｂとを有する。活性層１９は量子井戸構造を有しており、またＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）からなる井戸層２１およびＩｎ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２＜Ｘ１）からなる障壁層２３を含む。これら井戸層２１および障壁層２３は交互に配置されており、また障壁層２３のバンドギャップは井戸層２１のバンドギャップより大きい。具体的には、井戸層２１はＩｎＧａＮからなり、障壁層２３はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる。

図１（ｂ）を参照すると、半導体表面１９上に成長された２周期分の井戸層２１および障壁層２３が示されている。ＩｎＧａＮ井戸層２１は、第１の面１９ａ上に位置する第１の部分２１ａと、ファセット面１９ｂ上に位置する第２の部分２１ｂとを含む。同様に、障壁層２３は、第１の面１９ａ上に位置する第１の部分２３ａと、ファセット面１９ｂ上に位置する第２の部分２３ｂとを含む。第１の部分２１ａおよび第１の部分２３ａは交互に配列されており、第２の部分２１ｂおよび第２の部分２３ｂは交互に配列されている。ＩｎＧａＮ井戸層２１において、第２の部分２１ｂの厚さｄ_２１ｂは第１の部分２１ａの厚さｄ_２１ａより薄い。井戸層および障壁層の厚さは、下地の半導体表面１９に対して垂直な方向に規定される。

ファセット面を有する半導体表面１９上に活性層１７を成長することによってＩｎＧａＮ井戸層２１が部分的に薄くなっているので、III族窒化物系半導体発光素子１１の駆動電圧が低減される。このIII族窒化物系半導体発光素子１１によれば、駆動電圧の低減のために障壁層へのドーピングやＡｌＧａＮ中間層を用いること無く、駆動電圧を下げることが可能になる。

III族窒化物系半導体発光素子１１は、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３、活性層１７および第２導電型窒化ガリウム系半導体領域１５を搭載する基板を更に備えることができる。基板２５はIII族窒化物半導体と異なる材料から成ることができる。半導体表面１９におけるファセット面１９ｂは、Ｖピットによって提供される。

基板２５として六方晶系の材料（例えば、サファイア等）を用いた場合には、窒化ガリウム系半導体は、基板２５のＣ面（０００１面）、或いはこの面から所望のオフ角を有する面上に成長される。このように異種基板上に窒化ガリウム系半導体を成長すると、格子不整に起因して多数の貫通転位が形成される。貫通転位に対応してＶピットが形成される。このとき、ファセット面としては、例えば（１１−２２）面（「−２」は２バーを示す）等が現れる。例えば、基板２５は、サファイアに限定されることなく、ＳｉＣ等でもよい。

図１（ａ）に示されるように、活性層１７の成長の後でも、活性層１７の表面１７ａは、半導体表面１９のファセット面１９ｂに起因する段差を有している。活性層１７の表面１７ａは、ファセット面１７ｂを有する。このため、III族窒化物系半導体発光素子１１は、活性層１７上に設けられており段差を埋め込む窒化ガリウム系半導体層２６を更に備えることが好ましい。結晶成長によりファセット面に起因する段差を埋め込むことができ、活性層１７上に設けられる半導体層および電極を実質的に平坦な下地層の上形成できる。窒化ガリウム系半導体層２６としては、ＩｎＧａＮを除いた窒化ガリウム系半導体、例えばアンドープＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ等を用いることができる。また、Ｍｇ等をドーピングし、ｐ型のＧａＮ、あるいはＡｌＧａＮとしても良い。

III族窒化物系半導体発光素子１１では、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域１５は、例えば一または複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層である。ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、ｐ型電子ブロック層２７およびｐ型コンタクト層２９により構成されることができる。ｐ型電子ブロック層２７は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ半導体からなることができる。ｐ型コンタクト層２９は、例えばｐ型ＧａＮ半導体からなることができる。第２導電型窒化ガリウム系半導体領域１５上には、第１の電極３１が設けられる。

第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３は、例えば一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体領域である。ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ファセット面を提供するｎ型下地半導体層３３とｎ型コンタクト半導体層３５とによって構成されることができる。下地のｎ型窒化ガリウム系半導体層３３は、例えばｎ型ＩｎＧａＮ、ｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮからなることができる。半導体層３３は、窒化ガリウム系半導体の内において成長時のマイグレーションが小さいの材料からなることが好ましい。これによって、下地の欠陥や段差等によりファセット面が形成されやすい。ｎ型コンタクト半導体層３５は、例えばｎ型ＧａＮからなることができる。ｎ型コンタクト半導体層３５上には第２の電極３７が設けられる。

ファセット面を有する半導体表面１９は、例えば貫通転位に起因して形成される、いわゆるＶピットを有するものによって提供される。図２（ａ）は、Ｖピットを模式的に示す図面である。窒化ガリウム系半導体領域４１は、例示的に示された貫通転位４３を含み、窒化ガリウム系半導体領域４１上に、窒化ガリウム系半導体の内において成長時のマイグレーションが小さい材料からなる膜４５、例えばＩｎＧａＮ膜、を成長することによって、下地の転位を伴うＶピット４７が形成されやすい。膜４５は半導体表面４５ａを提供し、半導体表面４５ａは、第１の面４５ｂと、第１の面４５ｂに対して傾斜した第２の面４５ｃとを含み、第２の面４５ｃはファセット面である。Ｖピット４７は、当該半導体材料が示す結晶対称性を有する。

（実施例１）
図２（ｂ）に示される構造の発光ダイオードを作製した。有機金属気相成長炉内にサファイア基板５３をセットした。摂氏１１００度の温度で、１０分間、水素（Ｈ_２）雰囲気中で、サファイア基板５３のＣ面５３ａをサーマルクリーニングを行った。クリーニングの後に、厚さ２５ｎｍのＧａＮ層を摂氏４７５度で成長した。この後に、厚さ５μｍのｎ型（シリコン添加）ＧａＮ膜５５を成長した。ｎ型ＧａＮ膜５５は、多数の貫通転位（例えば、転位密度１×１０^９ｃｍ^−２程度）を含む。摂氏８００度の成長温度で、厚さ５００ｎｍのｎ型（シリコン添加）Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ膜５７をｎ型ＧａＮ膜５５上に成長した。Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ膜５７の表面５７ａには、貫通転位に対応した図２（ａ）に示されるＶピットが形成される。Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ膜５７上に活性層５９を成長した。活性層５９は、厚さ３ｎｍのＩｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ井戸層５９ａと厚さ１５ｎｍのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層５９ｂが交互に配置された多重量子井戸構造を有する。ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造は、摂氏８００度という低温であり、この温度では、原子のマイグレーションが抑制される。このような成長条件で、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造が成長されるので、ファセットは維持されたまま成長が進行する。

この活性層５９上に、摂氏１１００度の成長温度に昇温した後に、１０ｎｍのアンドープＧａＮ層６０を成長した。この昇温中の表面原子のマイグレーションとアンドープＧａＮの成長によってファセットは埋められ、アンドープＧａＮ層６０の表面は平坦になる。ファセット部のステップ密度は高いので、マイグレーションしてきた原子が結晶として取り込まれやすい。また、アンドープＧａＮは摂氏１１００度という高温で成長するので、原子のマイグレーションが促進され、ステップ密度の高いファセット部に優先的に取り込まれ、この結果、平坦化が成される。

次いで、アンドープＧａＮ層６０上に、順に、厚さ２０ｎｍのｐ型（Ｍｇ添加）ＡｌＧａＮ電子ブロック層６１、厚さ５０ｎｍの（Ｍｇ添加）ＧａＮコンタクト層６３を成長した。この後に、ｐ側電極（Ｎｉ／Ａｕ）６５を形成した。また、エッチングにより部分的にｎ型ＧａＮ膜５５を露出させた後に、ｎ側電極（Ｔｉ／Ａｌ）６７を形成した。これらの工程により、発光ダイオードＡが完成した。比較のために、ＩｎＧａＮ層５７を含まない発光ダイオードＢも作製した。

まず、発光ダイオードＡの評価試料を作製して、この試料の透過型電子顕微鏡像（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像）を撮影した。図３は、試料のＶピット部の透過型電子顕微鏡像を示す図面である。この像によれば、Ｖピット斜面では井戸層とバリア層の膜厚が薄くなっている。また、Ｖピット斜面上の井戸層のコントラストが平坦面上の井戸層のコントラストに比べて弱いので、Ｖピット上の井戸層のインジウム組成は、平坦面上の井戸層のインジウム組成に比べて小さい。窒化ガリウム系半導体の成長において、ステップ密度が高い半導体エリアでは、インジウムは取り込まれにくく、成長速度も遅くなるので、インジウム組成の振る舞いは妥当である。さらに、活性層の多層膜は、平坦面およびＶピットの斜面に沿って伸びているので、Ｖピットに対応した凹みが、活性層の表面にも形成される。活性層上に窒化ガリウム系半導体、例えばアンドープＧａＮまたはアンドープＡｌＧａＮ、を堆積させると、活性層の窪みは埋め込まれ、平坦化される。上記の実施例では、成長温度によって、ファセット成長或いは埋込成長を制御した。これら成長の制御は、温度に限定されることなく、ファセットのサイズや密度によっては、成長圧力を下げる、アンモニアの流量を下げる、といった横方向成長を促進する方向に成長条件を変化させることによっても達成される。

この発光ダイオードの電気特性を評価した。図４は、発光ダイオードＡ、Ｂの電流−電圧特性Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂを示すグラフである。発光ダイオードＡの駆動電圧は、発光ダイオードＢの駆動電圧に比べて低下した。井戸層の厚みが小さいほど、駆動電圧は下がるので、実施例における発光ダイオードＡの井戸層では、薄い部分と厚い部分とが並列回路を構成していると考えられる。発光ダイオードＡ、Ｂ共に、４５０ｎｍの波長で発光し、その発光出力もほぼ同等であった。すなわち、発光ダイオードＡのようなＶピットの利用は発光出力へ悪影響を与えないと考えられる。

（実施例２）
ＩｎＧａＮ層の膜厚に依存してＶピットのサイズが変化する様子を調べるために、図５（ａ）に示される構造の評価試料を作製した。評価試料は、発光ダイオードＡの作製工程において活性層の成長が完了した後に、成長炉がエピタキシャルウエハを取り出した。Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層５７の膜厚が、１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍの３種類の試料を作製し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて活性層の表面を観察した。

図５（ｂ）、図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層５７の膜厚の増加に伴い、六角錘状の穴が拡大していく。この穴は貫通転位に対応しており、その垂直断面の形状からＶピットと呼ばれる。ｎ型ＧａＮの堆積では、貫通転位を引き継ぎながらＧａＮの成長が進行するので、ＧａＮにＶピットは形成されない。一方、低温（例えば、摂氏９００度以下の成長温度）でマイグレーションが生じにくいＩｎＧａＮを厚く堆積すると、Ｖピットが拡大した。ＩｎＧａＮ層５７上に成長されたＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造も低温で成長するので、Ｖピットは埋まることなくファセット面上に薄膜が成膜される。これ故に、活性層の表面を撮影したＳＴＥＭ像（図３）にもＶピットが観測される。

実施の形態は、上記の実施例等に基づくものに限定されない。III族窒化物系半導体発光素子１１では、ＩｎＧａＮ井戸層２１の第２の部分２１ｂの厚さはＩｎＧａＮ井戸層の第１の部分２１ａの厚さの０．７５倍の厚さ以下であることが好ましい。このとき、駆動電圧の低減が得られる。また、第１の部分２１ａの幅が第２の部分２１ｂの厚さの２０％未満になると、層厚が極端に薄くなり井戸層として機能しにくくなる。さらに、ＩｎＧａＮ井戸層２１において、第２の部分２１ｂのインジウム組成は第１の部分２１ａのインジウム組成よりも小さい。この点もピエゾ電界低下につながるため、駆動電圧低減に有利に働くという利点がある。

障壁層２３の第２の部分２３ｂの厚さは第１の部分２３ａの厚さより薄い。ファセット面上では、ＩｎＧａＮ井戸層２１および障壁層２３の厚さは共に薄い。

障壁層２３の第１の部分２３ａの厚さは、障壁層２３の第２の部分２３ｂの厚さの０．２倍の厚さ以上であることが好ましい。この範囲であれば障壁層として機能する。また、Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ障壁層の第１の部分の厚さがＩｎ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ障壁層の第２の部分の厚さの０．７５倍の厚さ以下であることが好ましい。

半導体表面１９の面積（Ｓ０）に対して第１の面１９ａの面積（Ｓ１）の比（Ｓ０−Ｓ１）／Ｓ０が０．０５以下であれば、駆動電圧の低減が得られる。また、面積比（Ｓ０−Ｓ１）／Ｓ０が０．８未満になると、発光スペクトルの半値幅が増大したり、或いは発光出力の低下が顕著になる。

活性層１７におけるＩｎＧａＮ井戸層２１の数は３以上であることが好ましい。井戸層２１の数は３以上である量子井戸構造でも、駆動電圧を下げることができる。また、活性層１７におけるＩｎＧａＮ井戸層２１の数は１０以下であることが好ましい。ＩｎＧａＮ井戸層２１の数が１０を越えると、活性層１７が、多層半導体膜から成り、活性層１７の結晶品質を維持することが容易でない。

図７は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物系半導体発光素子の変形例を示す図面である。III族窒化物系半導体発光素子１１ａでは、ファセット面を提供する半導体表面は、窒化ガリウム系半導体層７３の半導体表面７５によって提供される。半導体表面７５は、所定の結晶面（例えば、実質的に（０００１）面に等しい面）を有する第１の面７５ａと、該第１の面７５ａに対して傾斜したファセット面から成る第２の面７５ｂとを有する。このような半導体表面７５を形成するために、III族窒化物系半導体発光素子１１ａは、III族窒化物基板７７を含む。III族窒化物基板７７は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等からなる。また、III族窒化物基板７７は、商業的に入手可能なウエハであることができ、或いはこのようなウエハ上に結晶成長したエピタキシャルウエハであってもよい。III族窒化物基板７７は、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３、活性層１９および第２導電型窒化ガリウム系半導体領域１５を搭載する。本実施例では、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３は窒化ガリウム系半導体層７３を含む。

III族窒化物基板７７の主面７７ａは段差７９を有する。半導体表面７３におけるファセット面７５ｂは、主面７７ａにおける段差７９に関連している。段差７９の傾斜角ＴＨＥＴＡは、III族窒化物基板７７上に窒化ガリウム系半導体層７３をエピタキシャル成長した際に半導体表面７５がファセット面を提供できるような範囲である。この段差７９は、例えばマスクを用いてIII族窒化物基板７７をエッチングして形成される。この場合、段差７９の傾斜角ＴＨＥＴＡは、III族窒化物基板７７の主面７７ａに対してほぼ９０度である。一例を示せば、傾斜角ＴＨＥＴＡの範囲は、角度７５度以上であることが好ましく、また角度９０度以下であることが好ましい。段差７９は、基板７７の主面７７ａ上に設けられた側面７９ａを有する。段差７９の形成は、図７に示された具体的な形状に限定されることはない。下地のｎ型窒化ガリウム系半導体層７３は、例えばｎ型ＩｎＧａＮ、ｎ型ＧａＮからなることができる。半導体層７３は、マイグレーションが小さくなる条件で成長できる窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。

段差７９を有する基板７７上に、窒化ガリウム系半導体層７３が成長されたので、半導体表面７５には段差７９に関連したファセット面７５ｂが形成される。このファセット面７５ｂを利用して、駆動電圧を下げることができる。

（実施例３）
ＧａＮ基板上に発光ダイオードを作製した。ＧａＮ基板の転位密度が、例えば１０^６ｃｍ^−２以下であるので、多数のＶピットは形成されない。そこで、塩素およびアルゴンを含むエッチングガスで、マスクを用いてＧａＮ基板のドライエッチング（反応性イオンエッチング）を行った。マスクのパターンは、ストライプ、円形等である。ＧａＮ基板をエッチングによって加工して、ＧａＮ基板の表面にファセット面を形成した。この加工により、溝や凹みといった形状によって提供される段差が形成される。段差の大きさは、例えば１μｍ程度である。

加工されたＧａＮ基板を有機金属気相成長炉内にセットした。摂氏１０５０度で、１０分間、アンモニアおよび水素を含む雰囲気に保持して、前処理としてサーマルクリーニングを行った。摂氏１１５０度の成長温度で、厚さ２μｍのｎ型（シリコン添加）ＧａＮを成長した。ＧａＮ基板の段差が完全には埋まらない成長条件では、このＧａＮが、ファセット面を有する半導体表面を提供する。実施例１と同様にして、活性層等を成長した。活性層の表面にもファセット面が形成された。活性層の表面の段差は、アンドープＧａＮ層とそれに続くｐ型ＧａＮ層により埋め込んだ。このエピタキシャル基板に電極を形成して、発光ダイオードＣを作製した。なお、段差を形成しないＧａＮ基板上にも、同じ条件で窒化ガリウム系エピタキシャル膜の構造を形成した。このエピタキシャル基板に電極を形成して、発光ダイオードＤを作製した。

発光ダイオードＣの駆動電圧は、発光ダイオードＤの駆動電圧より低かった。この駆動電圧差は、例えば２０ｍＡの駆動電流において０．３ボルトであった。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物系半導体発光素子の構造を概略的に示す図面である。 図２（ａ）は、Ｖピットを模式的に示す図面である。図２（ｂ）は発光ダイオードの構造の一例を示す図面である。 図３は、試料のＶピット部の透過型電子顕微鏡像を示す図面である。 図４は、発光ダイオードＡ、Ｂの電流−電圧特性Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂを示すグラフである。 図５（ａ）は、ＩｎＧａＮ層の膜厚に依存してＶピットのサイズが変化する様子を調べるため評価試料の構造を示す図面である。図５（ｂ）は、厚さ１００ｎｍのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層のＶピットの形成を示す図面である。 図６（ａ）は、厚さ３００ｎｍのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層のＶピットの形成を示す図面である。図６（ｂ）は、厚さ５００ｎｍのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層のＶピットの形成を示す図面である。 図７は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物系半導体発光素子の変形例を示す図面である。

符号の説明

１１、１１ａ…III族窒化物系半導体発光素子、１３…第１導電型窒化ガリウム系半導体領域、１５…第２導電型窒化ガリウム系半導体領域、１７…活性層、１７ａ…活性層の表面、１７ｂ…活性層のファセット面、１９…半導体表面、１９ａ…半導体表面の第１の面、１９ｂ…半導体表面の第２の面（ファセット面）、２１…井戸層、２３…障壁層、２１ａ…井戸層の第１の部分、２１ｂ…井戸層の第２の部分、２３ａ…障壁層の第１の部分、２３ｂ…障壁層の第２の部分、ｄ_２１ｂ…第２の部分の厚さ、ｄ_２１ａ…第１の部分の厚さ、２５…基板、２７…ｐ型電子ブロック層、２９…ｐ型コンタクト層、３１…第１の電極、３３…ｎ型下地半導体層、３５…ｎ型コンタクト半導体層、４１…窒化ガリウム系半導体領域、４３…貫通転位、４７…Ｖピット、４５ａ…半導体表面、４５ｂ…半導体表面の第１の面、４５ｃ…半導体表面の第２の面、５３…サファイア基板、５５…ｎ型（シリコン添加）ＧａＮ膜、５７…ｎ型（シリコン添加）Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ膜、５９…活性層、５９ａ…Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ井戸層、５９ｂ…Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層、６１…ＡｌＧａＮ電子ブロック層、６３…（Ｍｇ添加）ＧａＮコンタクト層、６５…ｐ側電極（Ｎｉ／Ａｕ）、６７…ｎ側電極（Ｔｉ／Ａｌ）、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…発光ダイオード、７３…窒化ガリウム系半導体層、７５…半導体表面、７５ａ…半導体表面の第１の面、７５ｂ…半導体表面の第２の面、７７…III族窒化物基板、７９…III族窒化物基板の段差、ＴＨＥＴＡ…傾斜角

Claims (11)

1. 第１導電型窒化ガリウム系半導体領域と第２導電型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、第１の面と該第１の面に対して傾斜したファセット面から成る第２の面とを有する半導体表面上に設けられた活性層を備え、
   前記活性層は、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）からなる井戸層およびＩｎ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎからなる（０≦Ｘ２＜Ｘ１）障壁層を含み、
   前記井戸層は第１および第２の部分を含み、前記第１の部分は前記第１の面上に位置し、前記第２の部分は前記ファセット面上に位置し、
   前記井戸層の前記第２の部分の厚さは、前記井戸層の前記第１の部分の厚さより薄い、ことを特徴とするIII族窒化物系半導体発光素子。
2. 前記井戸層の前記第２の部分の厚さは、前記井戸層の前記第１の部分の厚さの０．７５倍の厚さ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
3. 前記井戸層の前記第２の部分のインジウム組成は、前記井戸層の前記第１の部分のインジウム組成よりも小さい、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
4. 前記障壁層は第１および第２の部分を含み、前記第１の部分は前記第１の面上に位置し、前記第２の部分は前記ファセット面上に位置し、
   前記障壁層の前記第２の部分の厚さは、前記障壁層の前記第１の部分の厚さより薄い、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
5. 前記障壁層の前記第２の部分の厚さは、前記障壁層の前記第１の部分の厚さの０．２倍の厚さ以上である、ことを特徴とする請求項４に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
6. 前記半導体表面に対して前記第１の面の割合が０．９５以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
7. 前記半導体表面に対して前記第１の面の割合が０．８以上である、ことを特徴とする、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
8. 前記活性層の表面は、前記半導体表面の前記ファセット面に起因する段差を有しており、
   前記III族窒化物系半導体発光素子は、前記活性層上に設けられており前記段差を埋め込む窒化ガリウム系半導体層を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
9. 前記活性層における前記井戸層の数は３以上１０以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
10. 前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域および前記活性層を搭載する基板を更に備え、
    前記基板はIII族窒化物半導体と異なる材料から成り、
    前記半導体表面における前記ファセット面は、Ｖピットによって提供される、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
11. 前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域および前記活性層を搭載する基板を更に備え、
    前記半導体基板の主面は段差を有しており、
    前記半導体表面における前記ファセット面は、前記基板の前記主面における前記段差に関連している、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。