JP2009249236A - Ｉｉｉ族窒化物半導体素子及びエピタキシャルウエハ - Google Patents

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Abstract

【課題】半極性を利用する窒化ガリウム系半導体において、歪みの緩和により転位の発生を抑制されたIII族窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】発光ダイオード２１ａの支持基体２３の主面２３ａは、ｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜する。半導体積層２５ａは、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光ピークを有する活性層２７を含む。ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ３）とバッファ層３３ａの（０００１）面との傾斜角Ａは０．０５度以上であり、傾斜角Ａは２度以下である。また、ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ４）と井戸層３７ａの（０００１）面との傾斜角Ｂは０．０５度以上であり、傾斜角Ｂは２度以下である。傾斜角Ａ及び傾斜角Ｂは、ＧａＮ支持基体のｃ面に対して互いに逆方向に傾斜している。
【選択図】図５

Description

本発明は、III族窒化物半導体素子及びエピタキシャルウエハに関する。
特許文献１には、半導体発光素子が記載されている。半導体発光素子は、レーザ発振に必要な閾値電流密度を低減し、キンクの発生し難い半導体層を有するとともに、面発光半導体レーザにおいては光の振動面を固定し且つ振動面の変動を抑制する。
特許文献２には、III族窒化物半導体から作製された発光ダイオード素子、半導体レーザ素子、受光素子、トランジスタが記載されている。これらのIII族窒化物半導体では、大きなＡｌ組成及び高キャリア濃度を有するＡｌＧａＮ層が求められている。ＡｌＧａＮ層の成長においては、Ａｌ原子の表面拡散が小さいけれども、Ａｌ原子の表面拡散を促進させている。結晶品質を損なうことなく、大きなＡｌ組成及び高キャリア濃度のＡｌＧａＮ層を１度から２０度のＧａＮ傾斜面の基板上に成長可能にしている。
特開平１０−１３５５７６号公報 特開２００２−１６０００号公報
特許文献１では、活性層は一軸異方性を有する半導体よりなり、また活性層の膜厚方向は一軸異方性の軸とは異なる方向である。この半導体発光素子は、（１１−２０）面または（１−１００）面の主面を有する基板上に作製されている。また、基板の主面はこれらの面から０度以上のオフ角で傾斜することができるけれども、双晶等の発生を抑制するために、傾斜角の上限は１０度である。つまり、上記の主面は、ａ面及びｍ面、並びにａ面及びｍ面から僅かなオフ角を成す面である。
半極性面は優れた特性を示す発光素子を提供することが理論的に予測されているけれども、大口径のウエハが供給されていない。特許文献２に記載されているオフ角の範囲において、限られた成膜実験の結果が報告されている。
特許文献１に記載されたオフ角よりも大きな角度でｃ面から傾斜した結晶面は、ｃ面、ａ面及びｍ面と異なる、いわゆる半極性を示す。窒化ガリウム系半導体において半極性を利用するためには、特許文献１に記載された角度範囲よりもｃ面に対する傾斜角を大きくすることが求められる。
しかしながら、ＧａＮ基板といった六方晶系化合物からなる基板上に窒化ガリウム系半導体層を成長するとき、六方晶系化合物の格子定数と窒化ガリウム系半導体層の格子定数との差により、窒化ガリウム系半導体層に歪みが生じる。窒化ガリウム系半導体層の成長において窒化ガリウム系半導体層に歪みの緩和が生じると、転位が生成される。発明者らの検討によれば、六方晶系化合物の典型的な結晶面、具体的にはｃ面、ａ面及びｍ面上への成長と異なって、半極性を利用する窒化ガリウム系半導体素子では、歪みの緩和が抑制され転位の発生を低減できる可能性がある。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、半極性を利用する窒化ガリウム系半導体において、歪みの緩和による転位の発生を抑制されたIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。
本発明の一側面によれば、III族窒化物半導体素子は、（ａ）六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有する支持基体と、（ｂ）前記支持基体の前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。前記支持基体の前記六方晶系化合物の（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は＋０．０５度以上であり、前記傾斜角は＋２度以下であり、前記傾斜角は−０．０５度以下であり、前記傾斜角は−２度以上であり、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかである。
このIII族窒化物半導体素子によれば、上記のオフ角の範囲の支持基体では、支持基体の（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は０．０５度以上であり、２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が抑制される。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、透過型電子線回折像において、前記支持基体の＜０００１＞方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。このIII族窒化物半導体素子では、六方晶系窒化ガリウム系半導体が支持基体の主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、ＧａＮの＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。
本発明のIII族窒化物半導体素子は、（ａ）六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有する支持基体と、（ｂ）前記支持基体の前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。透過型電子線回折像において、前記支持基体の前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びている。
このIII族窒化物半導体素子によれば、上記のオフ角の範囲の支持基体では、支持基体の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びているとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が避けられる。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記半導体積層は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含み、前記活性層は、前記活性層からの光のピーク波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に含まれるように設けられており、前記活性層は、ＩｎＧａＮ井戸層を含み、当該III族窒化物半導体素子は、発光ダイオード又は半導体レーザであることが好ましい。このIII族窒化物半導体素子では、転位密度の増加の抑制により、III族窒化物半導体素子の発光特性が良好になる。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、サファイア、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかからなることができる。このIII族窒化物半導体素子では、上記の材料からなる支持基体は、歪みの緩和抑制を利用可能である。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。前記主面は半極性を示す。このIII族窒化物半導体素子によれば、支持基体及び半導体層が、共に窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体の支持基体上に良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体を堆積できる。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することが好ましい。このIII族窒化物半導体素子によれば、窒化ガリウム系半導体の堆積を低転位の窒化ガリウム系半導体領域上に行うことができ、基板から引き継ぐ転位が少ないので、歪みの緩和の発生が生じにくい。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体の前記六方晶系化合物はＧａＮであり、前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される。
このIII族窒化物半導体素子によれば、良質なＧａＮウエハが利用可能であり、これ故に、基板から引き継ぐ転位に起因する歪み緩和の発生が生じにくい。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮであることができる。前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定される。このIII族窒化物半導体素子によれば、ＩｎＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。或いは、本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであることができる。前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定される。このIII族窒化物半導体素子によれば、ＡｌＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体は前記支持基体の前記主面に平行な面内で弾性的に歪んでいる。このIII族窒化物半導体素子は、六方晶系窒化ガリウム系半導体が支持基体の主面に平行な面内において弾性的に歪むことによって、歪みの緩和が抑制される。
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、サファイア基板、ＳｉＣ基板上基板等を含むことができる。例えば、前記支持基体は、Ａ面のサファイア基板と、該サファイア基板上に成長されたＧａＮ層とを含むことができる。
本発明の別の側面に係るエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系化合物のｃ面と１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有するウエハと、（ｂ）前記ウエハの前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。前記ウエハの前記六方晶系化合物の（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は＋０．０５度以上であり、前記傾斜角は＋２度以下であり、前記傾斜角は−０．０５度以下であり、前記傾斜角は−２度以上であり、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかである。
このエピタキシャルウエハによれば、上記のオフ角の範囲のウエハでは、支持基体の（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角（絶対値）は０．０５度以上２度以下の範囲であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が避けられる。
本発明のエピタキシャルウエハでは、透過型電子線回折像において、前記ウエハの前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。このエピタキシャルウエハでは、六方晶系窒化ガリウム系半導体がウエハの主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、六方晶系化合物の＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。
本発明のエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系化合物のｃ面と１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有するウエハと、（ｂ）前記ウエハの前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。透過型電子線回折像において、前記ウエハの前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びている。
このエピタキシャルウエハによれば、上記のオフ角の範囲のウエハでは、六方晶系化合物の＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が抑制される。
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含み、前記活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内にあることができる。この発明によれば、転位密度の増加の抑制により、良好な発光特性のIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは、サファイア、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかからなることができる。このエピタキシャルウエハによれば、上記の材料からなるウエハは歪みの緩和抑制を利用可能である。
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは窒化ガリウム系半導体からなり、前記主面は半極性を示す。このエピタキシャルウエハによれば、支持基体及び半導体層が、共に窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体の支持基体上に良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体を堆積できる。
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することができる。このエピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム系半導体の堆積を低転位の窒化ガリウム系半導体領域上に行うことができ、ウエハから引き継ぐ転位が少ないので、歪みの緩和の発生が生じにくい。
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハの前記六方晶系化合物はＧａＮであり、前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される。
このエピタキシャルウエハのために、良質なＧａＮウエハが利用可能であり、これ故に、ウエハから引き継ぐ転位に起因する歪み緩和の発生が生じにくい。
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮであり、前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定されることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ＩｎＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。或いは、本発明のエピタキシャルウエハでは、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであり、前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定されることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ＡｌＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体は前記ウエハの前記主面に平行な面内で弾性的に歪んでいる。このエピタキシャルウエハは、六方晶系窒化ガリウム系半導体が支持基体の主面に平行な面内において弾性的に歪むことによって、エピタキシャルウエハにおける歪みの緩和が抑制される。
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、本発明の一側面によれば、半極性を利用する窒化ガリウム系半導体において、歪みの緩和により転位の発生を抑制された、III族窒化物半導体素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、このIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。
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族窒化物半導体素子及びエピタキシャルウエハ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。
ａ面及びｍ面、並びにａ面及びｍ面から僅かなオフ角を成す面に係る結晶成長については、これまで様々な検討が為されてきた。しかしながら、窒化ガリウム系半導体の半極性を利用する半導体素子のための六方晶系窒化ガリウム系半導体における歪みの緩和についての知見が望まれている。この六方晶系窒化ガリウム系半導体は、六方晶系化合物からなる基板主面上に成長され、この基板主面は、六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜している。
本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子は、上記のオフ角を有する支持基体と、支持基体の主面上に設けられた半導体領域とを備える。この半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体積層であることができる。また、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハは、上記のオフ角を有するウエハと、ウエハの主面上に設けられた半導体領域を備える。この半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体膜を含む。
六方晶系化合物が半導体層の六方晶系窒化ガリウム系半導体と異なるとき、六方晶系化合物の格子定数（例えば、ｃ軸方向の格子定数）は、六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数（例えば、ｃ軸方向の格子定数）と異なっている。このとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体は、格子定数差に起因する歪みを内包することになる。歪みは、結晶内に構造的な欠陥（例えば転位）によって緩和される。しかし、転位の増加は、結果的に、六方晶系窒化ガリウム系半導体の結晶品質を低下させる。故に、転位の増加を抑制することが望まれている。
図１は、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。図１に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも小さい。図１（ａ）〜図１（ｃ）に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物のｃ軸の方向を示している。参照符合ＳＳＵＢＰ、ＳＳＵＢＨ、ＳＳＵＢＮは、六方晶系化合物におけるｃ面を示す。参照符合ＳＬＡＹＰ１、ＳＬＡＹＨ１、ＳＬＡＹＮ１は、六方晶系窒化ガリウム系半導体におけるｃ面を示す。参照符合１１a、１１ｂ、１１ｃは、六方晶系化合物からなるウエハを示し、参照符合１３a、１３ｂ、１３ｃは、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を示す。ウエハ１１a、１１ｂ、１１ｃのエッジ上の２点間の距離の最大値は、４５ｍｍ以上である。
図１（ａ）を参照すると、極性を示すｃ面主面を有するウエハ１１ａを準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ａは、このウエハ１１ａ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ａに固有の格子定数ＤＬＡＹＰ１は、ウエハ１１ａの六方晶系化合物固有の格子定数ＤＳＵＢＰよりも大きい。この格子定数は、ａ軸方向またはｍ軸方向に規定される。
図１（ｂ）を参照すると、非極性を示すａ面主面（又はｍ面主面）を有するウエハ１１ｂが準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｂは、このウエハ１１ｂ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｂの格子定数ＤＬＡＹＮ１は、ウエハ１１ｂの六方晶系化合物の格子定数ＤＳＵＢＮよりも大きい。この格子定数は、ｃ軸方向に規定される。
図１（ｃ）を参照すると、半極性を示す主面を有するウエハ１１ｃが準備されている。ウエハ１１ｃ該六方晶系化合物からなる主面を有しており、その主面は、六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜している。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｃは、このウエハ１１ｃ上に堆積されるべきものである。傾斜主面を有するウエハ１１ｃでは、基本格子に関連づけられた基本格子における軸方向を用いて格子定数を図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように示すことができないけれども、六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｃの基本格子のサイズＤＬＡＹＨ１とウエハ１１ｃの六方晶系化合物の基本格子のサイズＤＳＵＢＨとの関係は図１（ａ）及び図１（ｂ）と同様であり、関係ＤＬＡＹＨ１＞ＤＳＵＢＨが満たされる。
図２は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。図１に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも小さい。図２（ａ）〜図２（ｃ）に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物及び六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の方向を示す。六方晶系窒化ガリウム系半導体がウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ上に堆積されると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１３a、１３ｂ、１３ｃ固有の格子定数は、ウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの格子定数に応じて変化して、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５a、１５ｂ、１５ｃが形成される。これ故に、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５a、１５ｂ、１５ｃは歪みを内包している。しかしながら、転位といった格子欠陥が結晶成長中に生成されるとき、生成により歪みが緩和されて結晶品質を劣化させる。故に、歪みの緩和は望まれていない。
図２（ｃ）を参照すると、半極性を示す六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃも歪みを内包する。歪みが緩和されずに六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃ内に残るとき、ｃ面、ａ面及びｍ面上へ成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ａ、１５ｂとは異なり、ウエハ１１ｃの結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣは、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの対応結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１には平行ではなく、参照面ＳＲ１に平行に延びる。この角度差は、後ほど説明されるように、Ｘ線回折測定による結果から理解される。
ウエハ１１ｃ上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体に転位が生成されて歪みが緩和されてしまったとき、成長中に生成された転位の数が非常に多い。このとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体の結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１がウエハ１１ｂの所定の結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣに平行に延びるように、六方晶系窒化ガリウム系半導体が、歪み緩和の結果として変形する。例えば、六方晶系化合物がＧａＮであるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等である。ＩｎＧａＮの格子定数は、インジウム組成に依存するけれども、ＧａＮの格子定数よりも大きい。
六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃも歪みを内包するとき、つまり、転位の生成が非常に少ない。このとき、Ｘ線回折測定による結果から判断して、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおいてｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ１との成す傾斜角α（絶対値）は、０．０５度以上である。また、傾斜角α（絶対値）は２度以下である。例えば、六方晶系窒化ガリウム系半導体がＩｎＧａＮであると共に、ウエハ１１ｃがＧａＮから成るとき、この傾斜角は、例えばウエハ１１ｃのＧａＮの（０００１）面と半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定される。ＩｎＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減されており、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの成長中に増加した転位の数は非常に少ない。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。傾斜角の関係を満たすためには、Ｉｎ組成は０．０７以上であることが好ましく、また０．３５以下であることが好ましい。
図１及び図２を参照しながら行われた説明は、ウエハ１１ｃ上に堆積された六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる単一の半導体層を例示的に示して行われたけれども、歪みの内包は、複数の半導体層を含む半導体積層をウエハ１１ｃ上に成長する構造においても当てはまる。
上記の説明から理解されるように、上記のオフ角の範囲のウエハ１１ｃでは、ウエハ１１ｃの（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの（０００１）面との傾斜角（絶対値）は０．０５度以上であり、２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおける転位密度の増加が抑制される。
また、図２（ｃ）を参照すると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの＜０００１＞方向が、軸ＡＲとして示されている。透過型電子線回折像において、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向は、軸ＡＲと異なっている。角度差が明らかになるように、ウエハ１１ｃのｃ軸ベクトルＣに合わせて補助軸ＡＲが示されている。補助軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度βは歪みの内包に関連づけられ、角度βの値は角度αに実質的に等しい。これらの角度（絶対値）は０．０５度以上であり、２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおける転位密度の増加が抑制される。また、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃがウエハ１１ｃの主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの＜０００１＞方向と異なることになる。上記の角度の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
図３は、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。図３に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも小さい。図３（ａ）〜図３（ｃ）に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物のｃ軸の方向を示しており、参照符合ＳＳＵＢＰ、ＳＬＡＹＰは、六方晶系化合物、六方晶系窒化ガリウム系半導体におけるｃ面を示す。参照符合１１a、１１ｂ、１１ｃは、六方晶系化合物からなる支持基体を示し、参照符合１７a、１７ｂ、１７ｃは、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を示す。
図３（ａ）を参照すると、極性を示すｃ面主面を有するウエハ１１ａを準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ａは、このウエハ１１ａ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ａに固有の格子定数ＤＬＡＹＰ２は、ウエハ１１ａの六方晶系化合物固有の格子定数ＤＳＵＢＰよりも小さい。この格子定数は、ａ軸方向またはｍ軸方向に規定される。
図３（ｂ）を参照すると、非極性を示すａ面主面（又はｍ面主面）を有するウエハ１１ｂが準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｂは、このウエハ１１ｂ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｂに固有の格子定数ＤＬＡＹＮ２は、ウエハ１１ｂの六方晶系化合物の格子定数ＤＳＵＢＮよりも小さい。この格子定数は、ｃ軸方向に規定される。
図３（ｃ）を参照すると、半極性を示す主面を有するウエハ１１ｃが準備されている。ウエハ１１ｃ該六方晶系化合物からなる主面を有しており、その主面は、六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜している。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｃは、このウエハ１１ｃ上に堆積されるべきものである。傾斜主面を有するウエハ１１ｃでは、基本格子に関連づけられた基本格子における軸方向を用いて格子定数を図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように示すことができないけれども、六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｃの基本格子のサイズＤＬＡＹＨ２とウエハ１１ｃの六方晶系化合物の基本格子のサイズＤＳＵＢＨとの関係は、図３（ａ）及び図３（ｂ）と同様である。
図４は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。図３に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも小さい。図４（ａ）〜図４（ｃ）に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物及び六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の方向を示す。六方晶系窒化ガリウム系半導体がウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ上に堆積されると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９a、１９ｂ、１９ｃが形成される。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７a、１７ｂ、１７ｃ固有の格子定数は、ウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの格子定数に応じて変化する。これ故に、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９a、１９ｂ、１９ｃは歪みを内包している。しかしながら、転位といった格子欠陥が結晶成長中に生成されるとき、これにより歪みが緩和されて結晶品質を劣化させる。故に、歪みの緩和は望まれていない。
図４（ｃ）を参照すると、半極性を示す六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃも歪みを内包する。歪みが緩和されずに六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃ内に残るとき、ｃ面、ａ面及びｍ面上へ成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ａ、１９ｂとは異なり、ウエハ１１ｃの結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣは、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの対応結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１に平行ではなく、参照面ＳＲ２に平行に延びる。この角度差は、後ほど説明されるように、Ｘ線回折測定による結果から理解される。
ウエハ１１ｃ上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体に転位が生成されて歪みが緩和されてしまったとき、つまり、転位の生成が非常に多いとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体の結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１がウエハ１１ｂの結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣに平行に延びるように、六方晶系窒化ガリウム系半導体が歪み緩和の結果として変形する。例えば、六方晶系化合物がＧａＮであるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等である。ＡｌＧａＮの格子定数は、アルミニウム組成に依存するけれども、ＧａＮの格子定数よりも小さい。
六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃも歪みを内包するとき、つまり、転位の生成やクラックの発生が非常に少ないとき、Ｘ線回折測定による結果から判断して、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおいてｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ２との成す傾斜角γ（絶対値）は０．０５度以上である。また、傾斜角γ（絶対値）は２度以下である。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
図３及び図４を参照しながら行われた説明は、ウエハ１１ｃ上に堆積された六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる単一の半導体層を例示的に示して行われたけれども、歪みの内包は、複数の半導体層を含む半導体積層をウエハ１１ｃ上に成長する構造においても当てはまる。
上記の説明から理解されるように、上記のオフ角の範囲のウエハ１１ｃでは、ウエハ１１ｃの（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの（０００１）面との傾斜角は０．０５度以上であり、２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおける転位密度の増加が抑制される。例えば、六方晶系窒化ガリウム系半導体がＡｌＧａＮであると共に、ウエハ１１ｃがＧａＮから成るとき、この傾斜角は、ウエハ１１ｃのＧａＮの（０００１）面と半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定される。ＡｌＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。傾斜角の関係を満たすためには、Ａｌ組成は０．２以下であることが好ましい。
また、図４（ｃ）を参照すると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの＜０００１＞方向が、軸ＡＲとして示されている。透過型電子線回折像において、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向は、軸ＡＲと異なっている。角度差が明らかになるように、ウエハ１１ｃのｃ軸ベクトルＣに合わせて補助軸ＡＲが示されている。補助軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度δは歪みの内包に関連づけられ、角度δの値は角度γに実質的に等しい。これらの角度が０．０５度以上であり、２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおける転位密度の増加が抑制される。また、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃがウエハ１１ｃの主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの＜０００１＞方向と異なる。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
半導体積層のための六方晶系窒化ガリウム系半導体としては、上記のＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮに限定されることなく、ＩｎＡｌＧａＮ等であってもよい。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
上記のエピタキシャルウエハＥ１、Ｅ２の半導体積層が、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含むとき、III族窒化物半導体素子は、発光ダイオード又は半導体レーザといった半導体発光素子であることができる。活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内にあることができる。これらのエピタキシャルウエハＥ１、Ｅ２がから作製されるIII族窒化物半導体発光素子は、弾性的に変形した半導体層の働きにより転位密度の増加が抑制されて、良好な発光特性を有する。
III族窒化物半導体発光素子用に作製されたエピタキシャルウエハ上に電極等を作製してウエハ生産物を形成した後に、このウエハ生産物を分離して多数の半導体発光素子を作製できる。半導体発光素子では、ウエハ１１ｃの分離により形成された支持基体上の半導体積層内に活性層を含む。発光ダイオード又は半導体レーザといった半導体発光素子では、活性層が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光ピークを有するエレクトロルミネッセンスを含むように設けられる。転位密度の増加の抑制により、III族窒化物半導体発光素子の発光特性が良好になる。一実施例は、活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有することができる。一実施例では、活性層は例えばＩｎＧａＮ井戸層を含む。４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光のためには、井戸層のインジウム組成の範囲は、０．０７以上であることが好ましく、井戸層のインジウム組成の範囲は、０．３５以下であることが好ましい。また、井戸層の厚さの範囲は１．５ｎｍ以上であることが好ましく、井戸層の厚さの範囲は１０ｎｍ以下であることが好ましい。
ウエハ１１ｃは、サファイアまたはＳｉＣ等からなるようにしてもよい。このIII族窒化物半導体素子では、上記の材料からなる支持基体は、既に説明された歪み緩和の抑制を利用可能である。例えば、支持基体は、Ａ面のサファイア基板と、該サファイア基板上に成長されたＧａＮ層とを含むことができる。Ａ面サファイア基板を用いると、（１０−１２）を主面とするＧａＮが成長する。転位密度１×１０＋８ｃｍ−２程度以下のＧａＮエピタキシャル膜では、下地のｎ型ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との間において、本発明の効果が出てくる可能性があると考えられる。
ウエハ１１ｃは、窒化ガリウム系半導体なることができる。ウエハ１１ｃの主面は半極性を示す。このIII族窒化物半導体素子によれば、ウエハ１１ｃ及び半導体層１５ｃ、１９ｃが、共に窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体支持基体上に良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体を堆積できる。窒化ガリウム系半導体支持基体は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することが好ましい。貫通転位密度は、例えば窒化ガリウム系半導体支持基体のｃ面において規定されることができる。窒化ガリウム系半導体の堆積を低転位の窒化ガリウム系半導体領域上に行うことができ、ウエハから引き継ぐ転位が少ないので、歪みの緩和の発生が生じにくい。
また、ウエハ１１ｃがＧａＮからなるとき、傾斜角α、γは、支持基体１１ｃのＧａＮの（０００１）面と半導体層１５ｃ、１９ｃの六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される。良質且つ大口径のＧａＮウエハが利用可能であるので、このＧａＮウエハから引き継ぐ転位に起因する歪み緩和の発生が生じにくい。半極性を示す主面を有するＧａＮウエハでは、主面の全体にわたってオフ角が分布している。オフ角の分布の有無に関係なく、傾斜角α、γに関する規定が満たされる。
図５は、本実施の形態を適用した発光ダイオードの構造を概略的に示す図面である。発光ダイオード２１ａは、支持基体２３と、支持基体２３の主面２３ａ上に設けられた半導体積層２５ａとを含む。支持基体２３の主面２３ａは、ｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜する。支持基体２３は、単結晶からなることができる。半導体積層２５ａは、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光ピークを有する活性層２７を含む。活性層２７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２９とｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１との間に設けられている。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２９は、バッファ層３３ａと、ｎ型ＧａＮ層３３ｂを含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１は、電子ブロック層３５ａ及びコンタクト層３５ｂを含む。活性層２７は、交互に配列された井戸層３７ａ及び障壁層３７ｂを含む多重量井戸構造を有する。コンタクト層３５ｂ上には、アノードといった第１の電極３９ａが設けられており、支持基体２３の裏面２３ｂ上には、カソードといった第２の電極３９ｂが設けられている。
一例の発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造を以下に示す。
支持基体２３：ｎ型ＧａＮ基板
バッファ層３３ａ：Ｓｉ添加ｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、５０ｎｍ
ｎ型ＧａＮ層３３ｂ：Ｓｉ添加ｎ型ＧａＮ、２μｍ
井戸層３７ａ：アンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層、５ｎｍ、３層
障壁層３７ｂ：アンドープＧａＮ層、１３ｎｍ
電子ブロック層３５ａ：Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層、２０ｎｍ
コンタクト層３５ｂ：Ｍｇ添加ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ。
図５には、ＧａＮ支持基体のｃ軸の方向を示す軸ＡＲ３が示されている。ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ３）とＡｌＧａＮバッファ層３３ａの（０００１）面との傾斜角Ａは０．０５度以上であり、傾斜角Ａは２度以下である。また、ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ４）と井戸層３７ａの（０００１）面との傾斜角Ｂは０．０５度以上であり、傾斜角Ｂは２度以下である。傾斜角Ａ及び傾斜角Ｂは、ＧａＮ支持基体のｃ面に対して互いに逆方向に傾斜している。傾斜角の関係が、支持基体２３の主面の全体にわたって満たされている。
図６は、本実施の形態を適用した半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。半導体レーザ２１ｂは、支持基体２３と、支持基体２３の主面２３ａ上に設けられた半導体積層２５ｂとを含む。支持基体は、活性層の発光領域の位置に合わせて設けられた単結晶領域を有することができる。半導体積層２５ｂは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４１、光導波領域４５及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域５１を含む。光導波領域４５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４１とｐ型窒化ガリウム系半導体領域５１との間に設けられている。光導波領域４５は、活性層４７ａを含み、活性層４７ａは光ガイド層４７ｂ、４７ｃとの間に設けられている。活性層４７ａは、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に発振波長を有する活性層２７は、交互に配列された井戸層４９ａ及び障壁層４９ｂを含む多重量井戸構造を有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４１は、ｎ型クラッド層４３を含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５１は、電子ブロック層５３ａ、ｐ型クラッド層５３ｂ及びｐ型コンタクト層５３ｃを含む。コンタクト層５３ｃ上には、アノードといった第１の電極５５ａが設けられており、支持基体２３の裏面２３ｂ上には、カソードといった第２の電極５５ｂが設けられている。
一例の半導体レーザ（ＬＤ）の構造を以下に示す。
支持基体２３：ｎ型ＧａＮ基板
ｎ型クラッド層４３：Ｓｉ添加ｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層、２μｍ
ｎ側光ガイド層４７ｂ：アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層、１００ｎｍ
井戸層４９ａ：アンドープＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層、５ｎｍ、３層
障壁層４９ｂ：アンドープＧａＮ層、１５ｎｍ
ｐ側光ガイド層４７ｃ：アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層、１００ｎｍ
電子ブロック層５３ａ：Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層、２０ｎｍ
ｐ型クラッド層５３ｂ：Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層、４００ｎｍ
コンタクト層５３ｃ：Ｍｇ添加ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ。
図６には、ＧａＮ支持基体のｃ軸の方向を示す軸ＡＲ４が示されている。ＧａＮ支持基体の（０００１）面とｎ型クラッド層４３ａの（０００１）面（図６において示された参照面ＳＲ５）との傾斜角Ｃは０．０５度以上であり、傾斜角Ｃは２度以下である。また、ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図６において示された参照面ＳＲ６）と光ガイド層４９ａ、４９ｂの（０００１）面との傾斜角Ｄは０．０５度以上であり、傾斜角Ｄは２度以下である。傾斜角Ａ及び傾斜角Ｂは、ＧａＮ支持基体のｃ面に対して互いに逆方向に傾斜している。傾斜角の関係が、支持基体２３の主面の全体にわたって満たされている。
（実施例）
有機金属気相成長法により発光ダイオードを作製した。図７及び図８は、発光ダイオードの作製方法の主要な工程を含む工程フローを示す図面である。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いた。
工程フロー１００の工程Ｓ１０１に示すように、下記のようなＧａＮウエハを準備した。
ＧａＮウエハ、 ｍ軸方向オフ角、 ａ軸方向オフ角
ｍ１６、 １６．４度、 ０．２度
ｍ２６、 ２６．４度、 ０．１度
オフ角はＸ線回折法により決定された。
反応炉内のサセプタ上に、ＧａＮウエハｍ１６、ｍ２６を配置した。以下の手順で成長を行った。工程Ｓ１０２では、成長炉内を圧力１０１ｋＰａにコントロールしながら、成長炉にＮＨ３とＨ２を供給して、摂氏１０５０度の基板温度で熱処理を行った。熱処理はクリーニングのためであり、その時間は１０分間を行った。次いで、工程Ｓ１０３では、ＮＨ３、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＳｉＨ４を供給して、ＡｌＧａＮバッファ層を５０ｎｍ成長した。続いて、ＴＭＡの供給を停止すると共にＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４を続けて供給して、厚さ２０００ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を成長した後に、ＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４の供給を停止した。基板温度を摂氏７００度近辺まで下げた。この温度で、ＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ４を供給して厚さ５０ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ層バッファ層を成長させた。続いて、発光層を成長した。発光層は、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層及び厚さ５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層からなる３周期の多重量子井戸構造からなる。その後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を停止した後に、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを導入して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮを成長した。その後に、ＴＭＡの供給を停止すると共にＴＭＧ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを成長炉に供給して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長した。その後、室温まで降温して、エピタキシャルウエハを反応炉から取り出した。ＧａＮウエハｍ１６、ｍ２６を用いて作製されたエピタキシャルウエハＥ１６、Ｅ２６の構造は、図５に示されたＬＥＤのエピタキシャル構造と同じである。
エピタキシャルウエハＥ１６、Ｅ２６のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを室温で評価した。励起光には３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。試料位置でのレーザーパワーは１ｍＷであり、スポット径は約２００ｕｍであった。図９は、代表的なＰＬスペクトルＰＬｍ１６、ＰＬｍ１６を示す。エピタキシャルウエハＥ１６の発光ピーク波長は５００ｎｍであり、エピタキシャルウエハＥ２６の発光ピーク波長は４９５ｎｍであった。
工程Ｓ１０４では、エピタキシャルウエハＥ１６のＸ線回折法による評価を行った。入射Ｘ線のスリットサイズは、縦０．２ｍｍ横２ｍｍである。オフ方向をＸ線の入射方向に合わせた後、ステージの高さ調整し、（２０−２５）面を用いた軸立てを行い、（０００２）面のオフセット角をゼロにセットした。
工程Ｓ１０５では、（０００２）面の逆格子マッピング測定を行った。図１０は、測定によって得られたｍ１６の逆格子マッピングを示す。縦軸はｃ軸の格子定数の逆数に係数を乗じたものを示し、横軸はａ軸の格子定数の逆数に係数を乗じたものを示す。逆格子マッピングには、ＧａＮ基板の回折点、ＩｎＧａＮ層の回折点、ＡｌＧａＮ層の回折点を含んでいた。
工程Ｓ１０６では、逆格子マッピング像の解析を行った。逆格子マッピング像によれば、ＧａＮ基板ピークに対して、ＩｎＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層の回折点はω−２θ面内に存在しないことを示された。すなわち、ＧａＮの＜０００１＞方向はＩｎＧａＮの＜０００１＞方向と異なり、またＧａＮの＜０００１＞方向はＡｌＧａＮの＜０００１＞方向と異なる。更に、工程Ｓ１０７では、ＩｎＧａＮ層の（０００１）面とＧａＮ層の（０００１）面とは、約０．４５度の角度を成しており、平行ではない。また、ＡｌＧａＮ層の（０００１）面とＧａＮ層の（０００１）面とは、約０．１度の角度を成しており、平行でない。
次に、エピタキシャルウエハＥ２６について、透過電子線顕微鏡を使用した評価を行った。試料の加工は、フォーカス・イオン・ビーム（ＦＩＢ）法によって行い、イオンミリング法によってダメージを除去した。電子線の入射方向は、角度のオフ方向に直交する＜１１−２０＞方向（ａ軸方向）であった。電子線の加速電圧は２００ｋＶであった。図１１は、図５に示されたｍ２６のＬＥＤ構造における活性層付近の拡大像を示す図面である。透過電子線顕微鏡像によれば、約５ｎｍの井戸幅の３周期量子井戸構造が形成できていることを示していた。また、転位はなく、高品質な活性層が形成されていた。
次いで、格子面に関する情報を得るために、制限視野電子線回折を行った。制限視野絞りの直径は０．１μｍであった。図１２は、エピタキシャルウエハＥ２６の構造と、この構造に対応づけられた測定点とを示す図面である。図１３は、３つの測定点において得られた回折パターンを示す図面である。図１３（ａ）を参照すると、基板の＜０００１＞方向は、設計通り約２６度の角度だけ直上方向から左へ傾いていることを示している。図１３（ｂ）を参照すると、ｎ−ＧａＮ層でも同様のパターンを示している。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のパターンから、ＧａＮ層は、ＧａＮウエハに対してエピタキシャルに成長されたことがわかった。図１３（ｃ）に示されるように、活性層を含む領域でも同様の観察を行った。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、測定点ＳＡＤ２、ＳＡＤ３における電子線回折像を示す。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、それぞれ、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示された、測定点ＳＡＤ２、ＳＡＤ３における電子線回折像の拡大像を示す。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照すると、活性層を含む観察エリアを示す図１５（ｂ）の拡大像では、逆格子点に基板表面方向に垂直に伸びる裾が存在していた。これは、ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮからの回折であると考えられる。これらの裾は、ＧａＮの＜０００１＞方向にはＩｎＧａＮの＜０００１＞方向が一致していないことを示していた。故に、ＩｎＧａＮ層の（０００１）面は、ＧａＮ層の（０００１）面と平行でないことがわかった。
Ｘ線回折像の測定及び／または透過電子線顕微鏡像の測定を行った測定データから、エピタキシャルウエハにおいて、ＧａＮの所定の結晶面、結晶軸の向きと、ＧａＮと異なる窒化ガリウム系半導体（例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の所定の結晶面、結晶軸の向きとを比較して、窒化ガリウム系半導体の結晶の歪みを見積もる。工程Ｓ１０８では、この歪みの緩和が所望の範囲内にあるかを判断する。この歪みの緩和が所望の値以下のとき、エピタキシャルウエハが良品と判断される。工程Ｓ１０９で、引き続いて、デバイス作製のためのプロセスを行う。例えば、工程Ｓ１１０では、半導体素子のための電極の形成を行う。工程Ｓ１１１で、この歪みの緩和が所望の値より大きいとき、エピタキシャルウエハの処理は停止される。
上記の実施例及び他の実験から、支持基体の六方晶系化合物の（０００１）面と半導体層の六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は２度以下であれば、歪みの緩和が抑制されて、良好な特性の発光素子が提供される。傾斜角は０．０５度以上であれば、Ｘ線回折で確実に検証することが可能である。
図１６（ａ）は、ＩｎＧａＮのおける傾斜角の計算値の例示を示す。矢印Ａｎｇｌｅは、オフ角範囲を示す。符号「□」はｍ軸方向傾斜及びＩｎ組成０．３５における傾斜角を示し、符号「◆」はａ軸方向傾斜及びＩｎ組成０．３５における傾斜角を示し、符号「△」はａ軸方向傾斜及びＩｎ組成０．０７における傾斜角を示す。４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に含まれるピーク波長の光の発生を得るためのエピタキシャル積層において、Ｉｎ組成は例えば約０．０７以上であり０．３５以下の範囲であることが好ましい。傾斜角の下限は、例えばａ方向にオフ角１０度及びＩｎ組成０，０７のときに約０．０５度である。Ｘ線回折で検証可能な最小値がこの程度の値である。傾斜角の上限は、例えばｍ方向にオフ角４３度及びＩｎ組成０．３５のときに、約１．６度となる。
図１６（ｂ）は、ＡｌＧａＮのおける傾斜角の計算値の例示を示す。矢印Ａｎｇｌｅは、オフ角範囲を示す。符号「□」はｍ軸方向傾斜及びＡｌ組成０．２における傾斜角を示し、符号「◆」はａ軸方向傾斜及びＡｌ組成０．２における傾斜角を示し、符号「△」はａ軸方向傾斜及びＡｌ組成０．０２における傾斜角を示す。４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に含まれるピーク波長の光の発生を得るためのエピタキシャル積層において、Ａｌ組成は例えば約０．０２以上であり０．２以下の範囲であることが好ましい。ＡｌＧａＮについて、ＩｎＧａＮと同要領で傾斜角を求めると、傾斜角の下限は、例えばａ方向にオフ角１０度及びＡｌ組成０，０２のときに約０．００５度である。Ｘ線回折で検証限界を下回るような値である。傾斜角の上限は、例えばｍ方向にオフ角４３度及びＡｌ組成０．２のときに、約０．３度となる。
傾斜角の計算は、例えば以下の手順で行われる。（１）ＩｎＧａＮエピタキシャル膜のＩｎ組成またはＡｌＧａＮエピタキシャル膜のＡｌ組成を一つ決める。（２）歪んだＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮのｃ軸の格子定数を求める。（３）上記のエピタキシャル膜と六方晶系結晶ウエハでそれぞれの（ｈｉｋｌ）面の角度を（０００１）面を基準にして求める。（４）エピタキシャル膜の（ｈｉｋｌ）面の角度と六方晶系結晶ウエハの（ｈｉｋｌ）面の角度との差を求める。これによって傾斜角の値が得られる。なお、複雑な計算を避けるために、傾斜角△θ（エピタキシャル膜（０００１）−ウエハ（０００１））は、ｃ面上に成長されたエピタキシャル膜のある指数の結晶面における傾斜角［エピタキシャル膜（ｈｋｉｌ）−ウエハ（ｈｋｉｌ）］と同じであるとして近似的な計算を行っている。この手順に従って、ＩｎＡｌＧａＮについても同様の計算を行うことができる。
歪み緩和が生じた発光素子では、発光効率が２割以上も低下し、低電流時のリーク電流が増加し、デバイス寿命が短くなるなど、デバイス特性悪化が認められる。故に、半極性面上のデバイスにおいて歪み緩和を生じさせないことは重要である。
特に、通電中のデバイス寿命について、六方晶のＧａＮは転位の滑り面が（０００１）である。そのため、ｃ面上デバイスでは、滑り面と成長面が平行であるので、デバイス動作中の新たな転位の増殖は起こりにくい。しかし、半極性面上デバイスでは、成長面と（０００１）が交差するので、デバイス動作中の新たな転位の増殖がｃ面上のデバイスよりも起こりやすいことが想定される。故に、エピ成長層の歪み緩和を抑制することが必要である。
一般的に窒化物発光素子は、ｃ面基板を用いたデバイスでの研究・開発が先行している。その場合と比較して、半極性面を用いたデバイスの作製では、エピタキシャル膜の成長条件を大きく変更する必要がある。具体的には、ＩｎＧａＮではＩｎ組成が低下し、ＡｌＧａＮではＡｌ組成が低下する。そのため、ｃ面上での成長条件と比較して、ＩｎＧａＮの成長では、ｃ面における結晶成長の温度に比べて５０〜１５０度（摂氏の温度単位系）程度の温度差で低い値が最適であり、ＡｌＧａＮの成長では、ｃ面における結晶成長の温度に比べて１０〜５０度（摂氏の温度単位系）程度の温度差で高い値が最適である。この点で、発光素子構造を成長する温度シーケンスは、ｃ面の場合と比較して、半極性面の場合と大きく異なる。
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、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。 図２は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。 図３は、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。 図４は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。 図５は、本実施の形態を適用した発光ダイオードの構造を概略的に示す図面である。 図６は、本実施の形態を適用した半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。 図７は、発光ダイオードの作製方法の主要な工程を含む工程フローを示す図面である。 図８は、発光ダイオードの作製方法の主要な工程を含む工程フローを示す図面である。 図９は、代表的なＰＬスペクトルを示す図面である。 図１０は、測定によって得られた逆格子マッピング像を示す図面である。 図１１は、図５に示されたＬＥＤ構造における活性層付近の拡大像を示す図面である。 図１２は、エピタキシャルウエハＥ２６の構造と、この構造に対応づけられた測定点とを示す図面である。 図１３は、３つの測定点において得られた回折パターンを示す図面である。 図１４は、エピタキシャルウエハにおける電子線回折像を示す図面である。 図１５は、エピタキシャルウエハにおける電子線回折の拡大像を示す図面である。 図１６は、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮにおける傾斜角の計算値の例示を示す図面である。
符号の説明
Ｃ…六方晶系化合物のｃ軸の方向、ＳＳＵＢＰ、ＳＳＵＢＨ、ＳＳＵＢＮ…六方晶系化合物におけるｃ面、ＳＬＡＹＰ１、ＳＬＡＹＨ１、ＳＬＡＹＮ１…六方晶系窒化ガリウム系半導体におけるｃ面、ＤＳＵＢＮ…極性面ウエハの六方晶系化合物の格子定数、ＤＬＡＹＮ１…六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数、ＤＳＵＢＰ…非極性面ウエハの六方晶系化合物の格子定数、ＤＬＡＹＰ１、ＤＬＡＹＰ２…六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数、ＤＳＵＢＨ…半極性面ウエハの六方晶系化合物の格子定数、ＤＬＡＹＨ１、ＤＬＡＹＨ２…六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数、ＳＳＵＢＣ…ウエハのｃ面、ＳＬＡＹＣ１、ＳＬＡＹＣ２…六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面、ＳＲ１、ＳＲ２…参照面、α…ｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ１との成す傾斜角、ＡＲ…補助軸、β…軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度、γ…ｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ２との成す傾斜角、δ…補助軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度、１１a、１１ｂ、１１ｃ…六方晶系化合物からなるウエハ、１３a、１３ｂ、１３ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層、１５a、１５ｂ、１５ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体、１７a、１７ｂ、１７ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層、１９a、１９ｂ、１９ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体、２１ａ…発光ダイオード、２１ｂ…半導体レーザ、２３…支持基体、２５ａ、２５ｂ…半導体積層、２７…活性層、２９…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、３１…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、３３ａ…バッファ層、３３ｂ…ｎ型ＧａＮ層、３５ａ…電子ブロック層、３５ｂ…コンタクト層、３７ａ…井戸層、３７ｂ…障壁層、４１…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、４３…ｎ型クラッド層、４５…光導波領域、４７ａ…活性層、４７ｂ…ｎ側光ガイド層、４７ｃ…ｐ側光ガイド層、４９ａ…井戸層、４９ｂ…障壁層、５１…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、５３ａ…電子ブロック層、５３ｂ…ｐ型クラッド層、５３ｃ…コンタクト層

Claims (23)

  1. 六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有する支持基体と、
    前記支持基体の前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域と
    を備え、
    前記支持基体の前記六方晶系化合物の（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は＋０．０５度以上＋２度以下、−０．０５度以下−２度以上であり、
    前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかである、ことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
  2. 前記半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含み、
    前記活性層は、前記活性層からの光のピーク波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に含まれるように設けられており、
    前記活性層は、ＩｎＧａＮ井戸層を含み、
    当該III族窒化物半導体素子は、発光ダイオード又は半導体レーザである、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  3. 前記支持基体は、サファイア、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  4. 前記支持基体は、窒化ガリウム系半導体からなり、
    前記主面は半極性を示す、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族窒化物半導体素子。
  5. 前記支持基体は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  6. 前記支持基体の前記六方晶系化合物はＧａＮであり、
    前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される、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族窒化物半導体素子。
  7. 前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮであり、
    前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定される、ことを特徴とする請求項６に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  8. 前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであり、
    前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定される、ことを特徴とする請求項６に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  9. 透過型電子線回折像において、前記支持基体の前記ＧａＮの＜０００１＞方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる、ことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  10. 前記六方晶系窒化ガリウム系半導体は前記支持基体の前記主面に平行な面内で弾性的に歪んでいる、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族窒化物半導体素子。
  11. 前記支持基体は、Ａ面のサファイア基板と、該サファイア基板上に成長されたＧａＮ層とを含む、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族窒化物半導体素子。
  12. 六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有するウエハと、
    前記ウエハの前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域と
    を備え、
    前記ウエハの前記六方晶系化合物の（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は＋０．０５度以上＋２度以下、−０．０５度以下−２度以上であり、
    前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかである、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
  13. 前記半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含み、
    前記活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内にある、ことを特徴とする請求項１２に記載されたエピタキシャルウエハ。
  14. 前記ウエハは、サファイア、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載されたエピタキシャルウエハ。
  15. 前記ウエハは窒化ガリウム系半導体からなり、
    前記主面は半極性を示す、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  16. 前記ウエハは、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有する、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  17. 前記ウエハのエッジ上の２点間の距離の最大値は４５ｍｍ以上であり、
    前記ウエハの前記六方晶系化合物はＧａＮであり、
    前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  18. 前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮであり、
    前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定される、ことを特徴とする請求項１７に記載されたエピタキシャルウエハ。
  19. 前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであり、
    前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定される、ことを特徴とする請求項１７に記載されたエピタキシャルウエハ。
  20. 透過型電子線回折像において、前記ウエハの前記ＧａＮの＜０００１＞方向は前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる、ことを特徴とする請求項１７〜請求項１９のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  21. 前記六方晶系窒化ガリウム系半導体は前記ウエハの前記主面に平行な面内で弾性的に歪んでいる、ことを特徴とする請求項１２〜請求項２０のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  22. 六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有する支持基体と、
    前記支持基体の前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域と
    を備え、
    透過型電子線回折像において、前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びている、ことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
  23. 六方晶系化合物のｃ面と１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有するウエハと、
    前記ウエハの前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域と
    を備え、
    透過型電子線回折像において、前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びている、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
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