JP2010067952A - 窒化物系半導体光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含みこの発光層からの電子の溢れを低減できる窒化物系半導体光素子を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体光素子ＬＥ１では、歪みを内包した井戸層２１は、ｃ軸方向に延びる基準軸に直交する面に対して傾斜角αで傾斜した基準平面ＳＲ１に沿って延びる。傾斜角αは５９度より大きく８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲である。負のピエゾ電界を有する発光層ＳＰ−に隣接して、障壁層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体層Ｐが示されている。井戸層Ｗ３におけるピエゾ電界の向きはｎ層からｐ層への方向であり、窒化ガリウム系半導体層Ｐにおけるピエゾ電界の向きはｐ層からｎ層への方向である。このため、発光層ＳＰ−と窒化ガリウム系半導体層Ｐとの界面には、伝導帯ではなく価電子帯にディップが形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物系半導体光素子、窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハ、及び半導体発光素子を製造する方法に関する。

特許文献１には、半導体光素子が記載されている。半導体光素子では、［０００１］方向と約４０度、９０度、１４０度の角度を成す方向では、歪層内のピエゾ電界が全く発生しない。そこで、角度３０度−５０度、８０度−１００度、及び１３０度−１５０度の範囲に、面方位を選択している。このために、歪み量子井戸構造内にピエゾ電界が殆ど発生しない基板の面上に、エピタキシャル成長を行っている。

特許文献２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、非極性面上に作製されている。非極性面は、｛１１−２０｝面、｛１１−２０｝面から−５度以上＋５度の範囲で傾いた面等、或いは｛１−１００｝面、｛１−１００｝面から−５度以上＋５度の範囲で傾いた面である。

非特許文献１には、ウルツ鉱構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造におけるピエゾ効果の結晶方位依存性の理論的研究が記載されている。（０００１）から３９度及び９０度のオフ角において結晶方位に沿って成長された歪み層には、縦成分のピエゾ電界が誘起されない。また、非特許文献２には、ウルツ鉱構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の電気的な特性に関する結晶方位効果が記載されている。オフ角を増加すると、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造の内部電界は、５５度のオフ角あたりで符号を変える。

特開平０９−２６３５１１号公報 特開平１０−１３５５７６号公報

Jpn. J. Appl. Phys., vol.39 (2000) pp. 413-416. Part 1. No. 2A, Feb. J. Appl. Phys., Vol. 91, No. 12, 15 June 2002, pp. 9904-416.

窒化ガリウム系半導体の（０００１）面上に成長されたＩｎＧａＮ井戸層には、非常に大きなピエゾ電界が発生する。このピエゾ電界は、活性層内で電子と正孔の波動関数を空間的に分離させる。このため、発光素子の発光効率が低下する。また、この発光素子では、印加電流の増加に伴い、注入キャリアが、活性層内のピエゾ電界をスクリーニングする。このスクリーニングにより、印加電流の増加に伴い、発光波長のブルーシフトが生ずる。

特許文献２では、大きなブルーシフトを回避するために、（０００１）面と９０°をなす角である、｛１１−２０｝面、｛１−１００｝面上に活性層を形成している。

特許文献１では、大きなブルーシフトを回避するために、活性層の内部電界がゼロになる角度である４０度、１４０度のオフ角を用いる。非特許文献１では、内部電界がゼロになるオフ角を理論的な計算により見積もっている。

しかしながら、｛１１−２０｝面及び｛１０−１０｝面からなる主面、つまり、非極性の主面のウエハを作製するためには、（０００１）面方向に厚く成長したインゴットから、上記面方位の主面を得るように切り出して結晶片を作製する。この切り出しは、インゴットを縦方向に行われるので、切り出された結晶片の幅はたかだか１０ｍｍ程度である。

特許文献１及び２では、ピエゾ電界をゼロまたはゼロに近づける面方位を利用している。特許文献１及び２の発明とは異なって、発明者らの検討によれば、有限な大きさのピエゾ電界を利用することによって、半導体発光素子の特性を向上できる。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含みこの発光層からの電子のオーバーフローを低減できる窒化物系半導体光素子を提供することを目的とし、またこの窒化物系半導体光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。さらに、本発明は、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含む半導体発光素子を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る窒化物系半導体光素子は、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）歪みを内包する六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含む発光層と、（ｃ）第２の窒化ガリウム系半導体領域とを備え、前記発光層は、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸方向に延びる基準軸に直交する面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びており、前記発光層におけるピエゾ電界は、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、電子ブロック層及びクラッド層のいずれか一方である。

この窒化物系半導体光素子によれば、井戸層及び障壁層が上記の角度範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びるので、発光層におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域から第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有する。一方、この窒化ガリウム系半導体層におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域から第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と同じ向きの成分を有する。第２の窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体層は発光層に隣接しているので、この窒化ガリウム系半導体層と発光層との界面では、伝導帯ではなく価電子帯にディップが生じる。したがって、ディップが伝導帯ではなく価電子帯に生じるので、電子のオーバフローを低減できる。

本発明に係る窒化物系半導体光素子では、前記井戸層はＩｎＧａＮであり、前記障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮであることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、ＩｎＮのａ軸及びｃ軸方向の格子定数はＧａＮのａ軸及びｃ軸方向の格子定数より大きいので、ＩｎＧａＮ井戸層は障壁層から応力を受けて、歪みを内包することになる。

本発明に係る窒化物系半導体光素子は、前記傾斜角は、６２度以上８０度未満の範囲にあることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、ブルーシフトを小さくできる。或いは、本発明に係る窒化物系半導体光素子では、前記傾斜角は、１５０度より大きく１７０度以下の範囲にあることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、ブルーシフトを小さくできる。

本発明に係る窒化物系半導体光素子は、六方晶系半導体Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる基板を更に備えることができる。前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のｃ軸に直交する平面から５９度より大きく８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した平面に沿って延びており、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層、及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上において所定の軸の方向に配列されている。

この窒化物系半導体光素子によれば、この基板を用いることによって、発光層におけるピエゾ電界が第２の窒化ガリウム系半導体領域から第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有する。

本発明に係る窒化物系半導体光素子では、前記基板は、ｃ軸方向に伸びる貫通転位の密度が第１の貫通転位密度より大きい複数の第１の領域と、ｃ軸方向に伸びる貫通転位の密度が第１の貫通転位密度より小さい複数の第２の領域とを含み、前記第１および第２の領域は交互に配置されており、前記基板の前記主面には前記第１および第２の領域が現れている。

この窒化物系半導体光素子によれば、発光層が第２の領域上に設けられるので、貫通転位密度が発光特性に与える影響を低減できる。

本発明に係る窒化物系半導体光素子は、前記第２の領域の前記貫通転位の密度は１×１０^７ｃｍ^−２未満であることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、良好な発光特性の発光層が提供される。

本発明に係る窒化物系半導体光素子では、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上に搭載された半導体積層を構成し、前記基板は導電性を有する。当該六方晶系窒化物系半導体光素子は、前記半導体積層に設けられた第１の電極と、前記基板の裏面に設けられた第２の電極とを備えることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、エピタキシャル積層の上面にアノード及びカソードの両電極を配置しない。

本発明に係る窒化物系半導体光素子では、前記発光層は、第１及び第２の光ガイド層と量子井戸構造の活性層とを含み、前記量子井戸構造は前記井戸層及び前記障壁層を含み、前記活性層は、前記第１の光ガイド層と前記第２の光ガイド層との間に設けられていることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、半導体レーザが提供される。

本発明に係る窒化物系半導体光素子は、前記基準平面はａ軸の方向に傾斜していることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、傾斜がａ軸の方向なので、ｍ面劈開が可能である。

本発明に係る窒化物系半導体光素子は、前記基準平面はｍ軸の方向に傾斜していることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、傾斜がｍ軸の方向であるので、ａ面劈開が可能である。

本発明に係る窒化物系半導体光素子は、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、少なくともＡｌを含むｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０＜Ｘ≦１、0≦Ｙ≦１、０＜Ｘ＋Ｙ≦１）からなることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、キャリアを効率よく発光層内に閉じ込めることができる。

本発明の別の側面に係る発明は、窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）歪みを内包する六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含む発光層と、（ｃ）第２の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｄ）六方晶系半導体Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなるウエハとを備え、前記発光層は、前記ウエハ上において前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸方向に延びる基準軸に直交する面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びており、前記発光層におけるピエゾ電界は、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、電子ブロック層及びクラッド層のいずれか一方であり、前記障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮである。

このエピタキシャルウエハによれば、井戸層及び障壁層が上記の角度範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びるので、発光層におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域から第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有する。一方、この窒化ガリウム系半導体層におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域から第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と同じ向きの成分を有する。第２の窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体層は発光層に隣接しているので、この窒化ガリウム系半導体層と発光層との界面では、伝導帯ではなく価電子帯にディップが生じる。したがって、ディップが伝導帯ではなく価電子帯に生じるので、電子の溢れを低減できる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記ウエハの前記主面は、該六方晶系半導体のｃ軸に直交する平面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１７０度以下の範囲の傾斜角で傾斜した平面に沿って延びていることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ウエハ主面の傾斜角を適切に選択することによって、上記の角度範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びるように井戸層及び障壁層が設けられる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記ウエハのエッジの２点間の距離の最大値は４５ｍｍ以上であることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ａ面やｍ面の主面と異なり、大口径のウエハが提供される。また、本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは導電性ＧａＮからなることができる。

本発明に係る方法では、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層、及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記ウエハの前記主面上において所定の軸の方向に配列されており、前記基準軸は前記所定の軸と異なる方向に向いている。この方法によれば、積層の方向は所定の軸の方向であり、エピタキシャル成長は基準軸の方向に行われる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記傾斜角は６２度以上８０度未満の範囲にあることができる。このエピタキシャルウエハによれば、小さいブルーシフトの窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。或いは、本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記傾斜角は１５０度より大きく１７０度未満の範囲にあることができる。このエピタキシャルウエハによれば、同じく小さいブルーシフトの窒化物系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。

本発明の更なる別の側面は、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含む半導体発光素子を製造する方法である。この方法は、（ａ）前記発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もるために発光層の面方位を選択する工程と、（ｂ）前記発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もるための量子井戸構造を前記選択された面方位で形成すると共にｐ型及びｎ型窒化ガリウム半導体を成長して、基板生産物を準備する工程と、（ｃ）前記基板生産物にバイアスを印加しながら、フォトルミネッセンスのバイアス依存性を測定する工程と、（ｄ）前記測定されたバイアス依存性から、前記発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もる工程と、（ｅ）前記選択された面方位で前記発光層を成長可能な主面を有するウエハを準備する工程と、（ｆ）前記半導体発光素子のための半導体積層を、前記ウエハの前記主面上に形成する工程とを備える。前記半導体積層は、第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び第２の窒化ガリウム系半導体領域を含み、前記発光層は窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含み、前記発光層は、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、 前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸、ａ軸及びｍ軸方向に延びる基準軸に直交する面から傾斜した基準平面に沿って延びており、前記ピエゾ電界の向きは、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向を基準にして規定される。

この方法によれば、バイアスを印加しながらフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルのバイアス依存性を測定するので、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルにより発光が生じる印加電圧よりも小さい正及び負の電圧範囲におけるＰＬスペクトルを測定可能である。ＰＬスペクトルのバイアス依存性を用いて、発光層内の内部電界の大きさ及び向きを見積もることができる。これに基づき、所望のピエゾ電界の向き等を有する発光素子を作製できる。

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、本発明の一側面によれば、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含みこの発光層からの電子のオーバーフローを低減できる窒化物系半導体光素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。さらに、本発明の更なる別の側面によれば、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含む半導体発光素子を製造する方法が提供される。

図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。 図２は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ電界の向きを説明する図面である。 図３は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ電界の向きを説明する図面である。 図４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。 図５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を製造する方法及びエピタキシャルウエハを製造する方法における主要な工程を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を製造する方法及びエピタキシャルウエハを製造する方法における主要な工程を示す図面である。 図７は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を製造する方法及びエピタキシャルウエハを製造する方法における主要な工程を示す図面である。 図８は、実施の形態において使用可能なＧａＮ基板の一構造を示す図面である。 図９は、井戸層のピエゾ電界の向き及び大きさの見積もり手順を示す工程フローを示す図面である。 図１０は、バイアス依存性のＰＬ測定を説明する図面である。 図１１は、実施例において作製された半導体発光素子のＥＬスペクトルの測定結果を示す図面である。 図１２は、積分強度の温度依存性を示すグラフである。 図１３は、温度３００Ｋにおいて測定されたエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを示すグラフである。 図１４は、温度１０Ｋにおいて測定されたＥＬスペクトルを示すグラフである。 図１５は、実施例において作製された半導体レーザの構造を示す図面である。

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、本発明の窒化物系半導体光素子、窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハ、及び半導体発光素子を製造する方法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窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。窒化物系半導体光素子としては、例えば半導体レーザ、発光ダイオード等がある。図１を参照すると、座標系Ｓが示されている。基板１１の主面１１ａは、Ｚ軸の方向を向いており、またＸ方向及びＹ方向に延びている。Ｘ軸はａ軸の方向に向いている。引き続く説明では、例えば＜０００１＞軸に対して逆向きの結晶軸は、＜０００−１＞で表される。

窒化物系半導体光素子ＬＥ１は、発光ダイオードに好適な構造を有する。窒化物系半導体光素子ＬＥ１は、第１の窒化ガリウム系半導体領域１３と、発光領域１５と、第２の窒化ガリウム系半導体領域１７を備える。発光層１５は、活性層１９を含み、活性層１９は、交互に配列された井戸層２１及び障壁層２３とを含む。発光層１５は、第１の窒化ガリウム系半導体領域１３と第２の窒化ガリウム系半導体領域１７との間に設けられている。第１の窒化ガリウム系半導体領域１３は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９）を含むことができる。第２の窒化ガリウム系半導体領域１７は、障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層３１と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、窒化ガリウム系半導体層３３、３５）とを含む。

窒化物系半導体光素子ＬＥ１では、井戸層２１は、ｃ軸方向に延びる基準軸（ベクトルＶＣ１で示される）に直交する面に対して傾斜角αで傾斜した基準平面ＳＲ１に沿って延びている。傾斜角αは５９度以上８０度未満の範囲であることができる。また、傾斜角αは１５０度より大きく１８０度未満の範囲であることができる。井戸層２１は歪みを内包しており、井戸層２１におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向と逆向きの成分を有する。第２の窒化ガリウム系半導体領域１７の窒化ガリウム系半導体層３１は発光層１５に隣接している。井戸層２１は六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなり、井戸層２１は例えばＩｎＧａＮといった、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなることができる。障壁層２３は
窒化ガリウム系半導体からなり、障壁層２３は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等であることができる。

この窒化物系半導体光素子ＬＥ１によれば、井戸層２１及び障壁層２３が上記の角度範囲の傾斜角αで傾斜した基準平面ＳＲ１に沿って延びるので、井戸層２１におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向と逆向きの成分（Ｚ軸の正の方向）を有する。一方、第２の窒化ガリウム系半導体領域１７の窒化ガリウム系半導体層３１におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向と同じ向き（Ｚ軸の負の方向）の成分を有する。窒化ガリウム系半導体層３１は発光層１５に隣接しているので、この窒化ガリウム系半導体層３１と発光層１５との界面でＪ１では、伝導帯ではなく価電子帯にディップが生じる。したがって、ディップが伝導帯ではなく価電子帯に生じるので、電子のオーバフローを低減できる。

第２の窒化ガリウム系半導体領域１７内の窒化ガリウム系半導体層３１は、電子ブロック層及びクラッド層のいずれか一方である。電子ブロック層は活性層からの電子をブロックし、クラッド層はキャリアの閉じ込め及び光の閉じ込めを行う。第２の窒化ガリウム系半導体領域１７の窒化ガリウム系半導体層３１は例えばｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。

ＩｎＮのａ軸及びｃ軸方向の格子定数はＧａＮのａ軸及びｃ軸方向の格子定数より大きいので、井戸層２１がＩｎＧａＮからなるとき、ＩｎＧａＮ井戸層は障壁層から応力（圧縮歪み）を受けて、歪みを内包することになる。

傾斜角αは、６２度以上８０度未満の範囲にあることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、ブルーシフトを小さくできる。また、傾斜角αは、１５０度より大きく１７０度以下の範囲にあることができる。この窒化物系半導体光素子によれば、ブルーシフトを小さくできる。

図２は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ電界の向きを説明する図面である。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、極性面（ｃ面）上に形成された発光層におけるピエゾ電界を説明する図面である。図２（ｄ）〜図２（ｅ）は、非極性面（ａ面、ｍ面）上に形成された発光層におけるピエゾ電界を説明する図面である。図２（ｆ）〜図２（ｇ）は、半極性面上に形成された発光層におけるピエゾ電界を説明する図面である。

図２（ａ）を参照すると、発光層Ｐは、極性面（ｃ面）上に形成された障壁層Ｂ１、Ｂ２及び井戸層Ｗ１を含む。井戸層Ｗ１は障壁層Ｂ１、Ｂ２に挟まれている。井戸層Ｗ１におけるピエゾ電界Ｅ_ＰＺの向きは、ｐ層からｎ層への方向を向いている。井戸層では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底がｎ層からｐ層への方向に下がっている。記号Ｅ_Ｃ０は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示している。図２（ｂ）を参照すると、発光層Ｐに小さな順方向電圧が印加されている。この発光層Ｐでは、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が電圧印加により大きくなっている。記号Ｅ_Ｃ１は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差Ｅ_Ｃ０は、エネルギ差ＥＣ１よりも大きい。図２（ｃ）を参照すると、発光層Ｐに大きな順方向電圧が印加されている。この発光層Ｐでは、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が、スクリーニングにより小さくなっている。記号Ｅ_Ｃ２は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差Ｅ_Ｃ２は、エネルギ差Ｅ_Ｃ０よりも大きい。印加電圧により引き起こされるエネルギ差の変化が、ブルーシフトの原因である。

図２（ｄ）を参照すると、発光層ＮＰは、非極性面（ａ面、ｍ面）上に形成された障壁層Ｂ３、Ｂ４及び井戸層Ｗ２を含む。井戸層Ｗ２は障壁層Ｂ３、Ｂ４に挟まれている。井戸層Ｗ２が非極性面上に形成されているので、ピエゾ電界Ｅ_ＰＺはゼロである。井戸層Ｗ２では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底がｐ層からｎ層への方向に下がっている。記号Ｅ_ＮＰ０は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示している。図２（ｅ）を参照すると、発光層ＮＰに順方向電圧が印加されている。この発光層ＮＰでは、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が電圧印加によりほとんどなくなっている。記号Ｅ_ＮＰ１は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差Ｅ_ＮＰ０はエネルギ差Ｅ_ＮＰ１よりも小さい。発光層ＮＰにはピエゾ電界がゼロであるので、井戸層のキャリア量が増加しても、スクリーニングが生じることもない。故に、印加電圧により引き起こされるエネルギ差の変化が無いので、ブルーシフトが観測されない。

図２（ｆ）を参照すると、発光層ＳＰ−は、特定のオフ角で傾斜した半極性面上に形成された障壁層Ｂ５、Ｂ６及び井戸層Ｗ３を含む。井戸層Ｗ３は障壁層Ｂ５、Ｂ６に挟まれている。井戸層Ｗ３が半極性面上に形成されているので、ピエゾ電界Ｅ_ＰＺは極性面上における値よりも小さい。井戸層Ｗ３では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底がｐ層からｎ層への方向に下がっている。記号Ｅ_ＳＰ０は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示している。図２（ｇ）を参照すると、発光層ＳＰ−に順方向電圧が印加されている。この発光層ＳＰ−では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が電圧印加により小さくなっている。記号Ｅ_ＮＰ１は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差Ｅ_ＳＰ０はエネルギ差Ｅ_ＳＰ１よりも大きい。発光層ＳＰ−のピエゾ電界がｐ層からｎ層への方向と逆方向の成分を有するので、スクリーニングが生じることもない。故に、印加電圧により引き起こされるエネルギ差の変化が小さいので、ブルーシフトが非常に小さい。

本実施の形態に係る傾斜角の面方位を有する井戸層（発光層ＳＰ−）は、図２（ｆ）及び図２（ｇ）に示されるように振る舞う。一方、本実施の形態に係る傾斜角の面方位と異なる半極性面上の井戸層（発光層ＳＰ＋）は、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示されるように振る舞う。

次いで、半極性面上に形成された発光層について更に説明する。図３は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ電界の向きを説明する図面である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は正のピエゾ電界を有する発光層ＳＰ＋を示している。発光層ＳＰ＋は、障壁層Ｂ７、Ｂ８及び井戸層Ｗ４を含む。井戸層Ｗ４は障壁層Ｂ７、Ｂ８に挟まれている。発光層ＳＰ＋に隣接して、障壁層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体層Ｐが示されている。窒化ガリウム系半導体層Ｐは、例えばｐ型電子ブロック層またはｐ型クラッド層であることができる。井戸層Ｗ４におけるピエゾ電界の向きはｐ層からｎ層への方向であり、窒化ガリウム系半導体層Ｐにおけるピエゾ電界の向きはｎ層からｐ層への方向である。このため、発光層ＳＰ＋と窒化ガリウム系半導体層Ｐとの界面には、伝導帯にディップＤＩＰ１が形成される。故に、ディップＤＩＰ１により、窒化ガリウム系半導体層Ｐの電子障壁が低くなる。ディップＤＩＰ１の大きさは、例えば０．２ｅＶ程度である。

一方、図３（ｃ）及び図３（ｄ）は負のピエゾ電界を有する発光層ＳＰ−を示している。発光層ＳＰ−に隣接して、障壁層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体層Ｐが示されている。井戸層Ｗ３におけるピエゾ電界の向きはｎ層からｐ層への方向であり、窒化ガリウム系半導体層Ｐにおけるピエゾ電界の向きはｐ層からｎ層への方向である。このため、発光層ＳＰ−と窒化ガリウム系半導体層Ｐとの界面には、伝導帯ではなく価電子帯にディップが形成される。故に、発光層からの電子に対する障壁が伝導帯のディップＤＩＰ２により低くなることなく、窒化ガリウム系半導体層Ｐは、発光層からの電子を十分に阻止できる。ディップＤＩＰ２の大きさは例えば０．１ｅＶ程度である。

再び、図１を参照しながら、半導体発光素子ＬＥ１を説明する。第１の窒化ガリウム系半導体領域１３内のｎ型窒化ガリウム系半導体層２５は、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮバッファ層であり、その厚さは例えば５０ｎｍである。ｎ型窒化ガリウム系半導体層２７は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層であり、その厚さは例えば２０００ｎｍである。ｎ型窒化ガリウム系半導体層２９は、Ｓｉドープｎ型ＩｎＧａＮ緩衝層であり、インジウム組成は例えば０．０２である。ｎ型窒化ガリウム系半導体層２９の厚さは例えば１００ｎｍである。

また、第２の窒化ガリウム系半導体領域１７のｐ型窒化ガリウム系半導体層３１は、例えばＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層であり、アルミニウム組成は例えば０．０７である。ｐ型窒化ガリウム系半導体層３１の厚さは例えば２０ｎｍである。ｐ型窒化ガリウム系半導体層３３は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層であり、その厚さは例えば２５ｎｍである。ｐ型窒化ガリウム系半導体層３５は、Ｍｇドープｐ^＋型ＧａＮコンタクト層であり、その厚さは例えば２５ｎｍである。

活性層１９上には、アンドープＧａＮ層３７を成長する。ＧａＮ層３７の厚さは例えば１５ｎｍである。

半導体積層（１３、１５、１７）上に電極を形成する。第１の電極（例えば、アノード電極）４１ａがコンタクト層３５上に形成されると共に、第２の電極（例えば、カソード電極）４１ｂが基板裏面１１ｂ上に形成される。これらの電極を介して活性層１９にキャリアが注入されると、光Ｌが生成される。活性層１９のピエゾ電界は小さいので、ブルーシフトが小さい。また、発光層１９と窒化ガリウム系半導体３１との界面において伝導帯にディップが形成されないので、発光素子ＬＥ１は、電子の閉じ込め性に優れる。

窒化物系半導体光素子ＬＥ１は基板１１を更に備えることができる。基板１１は、六方晶系半導体Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる。六方晶系半導体としては、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等であることができる。基板１１の主面１１ａは、該六方晶系半導体のｃ軸（例えばベクトルＶＣ２で示される）に直交する平面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角βで傾斜した平面に沿って延びている。傾斜角βは、発光層１５の歪みによる結晶軸のわずかな傾斜を除けば、傾斜角αに実質的に等しい。また、ベクトルＶＣ２は、発光層１５の歪みによる結晶軸のわずかな傾斜を除けば、ベクトルＶＣ１に実質的に等しい。

第１の窒化ガリウム系半導体領域１３、発光層１５、及び第２の窒化ガリウム系半導体領域１７は、基板１１の主面１１ａ上において所定の軸Ａｘの方向（例えばＺ軸の方向）に配列されている。所定の軸Ａｘの方向は、基板１１のｃ軸の方向と異なる。

この基板１１を用いることによって、井戸層２１におけるピエゾ電界が第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向と逆向きの成分を有するように、発光層１５内の井戸層の面方位を向きづけることができる。

図４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。窒化物系半導体光素子ＬＤ１としては、例えば半導体レーザ等がある。図４を参照すると、座標系Ｓが示されている。基板１３の主面１３ａは、Ｚ軸の方向を向いており、またＸ方向及びＹ方向に延びている。Ｙ軸はｍ軸の方向に向いている。

窒化物系半導体光素子ＬＤ１は、半導体レーザに好適な構造を有する。窒化物系半導体光素子ＬＤ１は、第１の窒化ガリウム系半導体領域１３と、発光領域１５と、第２の窒化ガリウム系半導体領域１７を備える。発光層１５は、活性層１９を含み、活性層１９は、交互に配列された井戸層２１及び障壁層２３とを含む量子井戸構造を有する。発光層１５は、第１の窒化ガリウム系半導体領域１３と第２の窒化ガリウム系半導体領域１７との間に設けられている。第１の窒化ガリウム系半導体領域１３は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、窒化ガリウム系半導体層５５、５７）を含むことができる。第２の窒化ガリウム系半導体領域１７は、障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層３１と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、窒
化ガリウム系半導体層５１、５３）とを含む。

窒化物系半導体光素子ＬＤ１では、井戸層２１は、ｃ軸方向に延びる基準軸（ベクトルＶＣ１で示される）に直交する面に対して傾斜角αで傾斜した基準平面ＳＲ１に沿って延びている。傾斜角αは５９度以上８０度未満の範囲であることができる。また、傾斜角αは１５０度より大きく１８０度未満の範囲であることができる。井戸層２１は歪みを内包しており、井戸層２１におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向と逆向きの成分を有する。第２の窒化ガリウム系半導体領域１７の窒化ガリウム系半導体層３１は発光層１５に隣接している。

この窒化物系半導体光素子ＬＤ１によれば、井戸層２１及び障壁層２３が上記の角度範囲の傾斜角αで傾斜した基準平面ＳＲ１に沿って延びるので、井戸層２１におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向と逆向きの成分（Ｚ軸の正の方向）を有する。一方、この窒化ガリウム系半導体層３１におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向と同じ向き（Ｚ軸の負の方向）の成分を有する。第２の窒化ガリウム系半導体領域１７の窒化ガリウム系半導体層３１は発光層１５に隣接しているので、この窒化ガリウム系半導体層３１と発光層１５との界面でＪ２では、伝導帯ではなく価電子帯にディップが生じる。したがって、ディップが伝導帯ではなく価電子帯に
生じるので、電子の溢れを低減できる。

半導体発光素子ＬＤ１では、第１の窒化ガリウム系半導体領域１３内のｎ型窒化ガリウム系半導体層５５は、例えばＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層であり、その厚さは例えば２３００ｎｍである。そのＡｌ組成は例えば０．０４である。ｎ型窒化ガリウム系半導体層５５は例えばＳｉドープｎ型ＧａＮ層であり、その厚さは例えば５０ｎｍである。発光層１５は、第１及び第２の光ガイド層５９ａ、５９ｂを含むことができる。活性層１９は光ガイド層５９ａ、５９ｂの間に設けられている。光ガイド層５９ａ、５９ｂは、例えばアンドープＩｎＧａＮからなることができ、インジウム組成は例えば０．０６である。光ガイド層５９ａ、５９ｂの厚さは、例えば１００ｎｍである。

また、第２の窒化ガリウム系半導体領域１７のｐ型窒化ガリウム系半導体層３１は、例えばＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層であり、アルミニウム組成は例えば０．１８である。ｐ型窒化ガリウム系半導体層３１の厚さは例えば２０ｎｍである。ｐ型窒化ガリウム系半導体層５１は、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層であり、アルミニウム組成は例えば０．０６である。Ｍｇドープｐ型窒化ガリウム系半導体層５１の厚さは例えば４００ｎｍである。ｐ型窒化ガリウム系半導体層５３はＭｇドープｐ^＋型ＧａＮコンタクト層であり、その厚さは例えば５０ｎｍである。

活性層１９上には、アンドープＧａＮ層６１を成長する。ＧａＮ層６１の厚さは例えば５０ｎｍである。半導体積層（１３、１５、１７）上に、ストライプ窓を有する絶縁膜６３を形成する。絶縁膜６３及び半導体積層（１３、１５、１７）上に電極を形成する。第１の電極（例えば、アノード電極）６５がコンタクト層５３上に形成されると共に、第２の電極（例えば、カソード電極）６７が基板裏面１３ｂ上に形成される。これらの電極を介するキャリアの注入に応答して活性層１９はレーザ光を生成する。活性層１９のピエゾ電界は小さいので、ブルーシフトが小さい。また、発光層１９と窒化ガリウム系半導体３１との界面において伝導帯にディップが形成されないので、発光素子ＬＤ１は、電子の閉じ込め性に優れる。

窒化物系半導体光素子ＬＥ１、ＬＤ１では、基準平面ＳＲ１はａ軸の方向に傾斜していることができる。傾斜がａ軸の方向なので、ｍ面劈開が可能である。また、基準平面ＳＲ１はｍ軸の方向に傾斜していることができる。傾斜がｍ軸の方向であれば、ａ面劈開が可能である。

図５〜図７は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を製造する方法及びエピタキシャルウエハを製造する方法における主要な工程を示す図面である。図５（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０１では、窒化物系半導体光素及びエピタキシャルウエハを製造するための基板７１を準備する。基板７１は、例えば六方晶系半導体Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなることができる。基板７１は主面７１ａ及び裏面７１ｂを有する。図５（ａ）を参照すると、基板７１の六方晶系半導体のｃ軸方向を示すベクトルＶＣ及び主面７１ａの法線ベクトルＶＮが記載されており、ベクトルＶＣ２は｛０００１｝面の向きを示している。この基板７１によれば、成長用の主面が傾斜角（オフ角）βを有する半極性を提供できる。基板７１の主面７１ａの傾斜角は、該六方晶系半導体の｛０００１｝面を基準にして、５９度より大きく８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲である。主面７１ａの傾斜角が５９度以上８０度未満であるとき、または、１５０度より大きく、１８０度未満であるとき、基板７１の主面上に形成された窒化物系半導体光素子内の井戸層におけるピエゾ電界が第２の窒化ガリウム系半導体領域から第1の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有し、第２の窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体層におけるピエゾ電界は第２の窒化ガリウム系半導体領域から第1の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と同じ向きの成分を有するので、電子の閉じ込め性に優れる窒化物系半導体光素子を製造可能である。

基板７１のエッジ上に２点間の距離の最大値Ｄｉａは４５ｍｍ以上であることができる。このような基板は例えばウエハと呼ばれている。基板７１の裏面１１ｂは、基板７１と実質的に平行であることができる。また、基板７１はＧａＮからなるとき、良好な結晶品質のエピタキシャル成長が可能である。

引き続く工程では、井戸層に負のピエゾ電界を発生させるように選択されたオフ角を有する基板７１の主面７１ａ上に、半導体結晶がエピタキシャルに成長される。上記の傾斜角の主面７１ａの基板７１は、活性層内に井戸層がｃ面から上記の角度範囲内で傾斜するように、エピタキシャル半導体領域を形成することを可能にする。

また、基板７１の主面７１ａの傾斜の方向に関しては、主面７１ａが基板７１の六方晶系半導体のａ軸方向に傾斜するとき、基板７１上に作製されたエピタキシャル基板は、ｍ面における劈開が可能になる。また、基板７１の主面７１ａが基板７１の六方晶系半導体のｍ軸方向に傾斜するとき、基板７１上に作製されたエピタキシャル基板は、ａ面における劈開が可能になる。また、主面７１ａが基板７１の六方晶系半導体のａ軸方向に傾斜するときのｍ軸方向のオフ角は−３度以上＋３度以下の範囲にあることが好ましい。また、主面７１ａが基板７１の六方晶系半導体のｍ軸方向に傾斜するときのａ軸方向のオフ角は−３度以上＋３度以下の範囲にあることが好ましい。この範囲であれば、窒化物系半導体光素子ＬＤ１におけるレーザキャビティの端面傾斜による反射率低下が小さいため、発振しきい値を小さくすることが出来る。

基板７１を成長炉１０に配置する。図５（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０２では、成膜に先立って、成長炉１０にガスＧ０を供給しながら基板７１に熱処理を行って、改質された主面７１ｃを形成する。この熱処理は、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で行われることができる。熱処理温度Ｔ０は、例えば摂氏８００度以上１２００度以下であることができる。熱処理時間は、例えば１０分程度である。この工程によれば、主面７１ａの傾斜によって、半極性の主面にはｃ面主面とは異なる表面構造が形成される。成膜に先立つ熱処理を基板７１の主面７１ａに施すことによって、ｃ面主面では得られない半導体主面に改質が生じる。窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル成長膜が、基板７１の改質された主面７１ｃ上に堆積される。

図５（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０３では、熱処理の後に、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域７３を基板７１の表面７１ｃ上にエピタキシャルに成長する。この成長のために有機金属気相成長法が用いられる。成長用の原料ガスとしては、ガリウム源、インジウム源、アルミニウム源及び窒素源が使用される。ガリウム源、インジウム源及び窒素源は、それぞれ、例えばＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＮＨ_３である。この成長のために、原料ガスＧ１を成長炉１０に供給する。窒化ガリウム系半導体領域７３の主面７３ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ面から５９度以上８０度未満、または１５０度より大きく１８０度未満の範囲の角度で傾斜している。第１導電型窒化ガリウム系半導体領域７３ａは、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層（例えば窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９）を含むことができる。例えば、窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９は、それぞれ、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層およびｎ型ＩｎＧａＮ層であることができる。窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９は、基板７１の主面７１ｃ上に順にエピタキシャルに成長される。ｎ型ＡｌＧａＮ層２５は例えば基板７１の全表面を覆う中間層であり、例えば摂氏１１００度で成長される。ｎ型ＡｌＧａＮ層２５の例えば厚さは５０ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＮ層２５上にｎ型ＧａＮ層２７を摂氏９５０度で成長される。ｎ型ＧａＮ層２７は例えばｎ型キャリアを供給するための層であり、ｎ型ＧａＮ層２７の厚さは２０００ｎｍである。ｎ型ＧａＮ層２７上にｎ型ＩｎＧａＮ層２９を摂氏８４０度で成長される。ｎ型ＩｎＧａＮ層２９は例えば活性層のための緩衝層であり、ｎ型ＩｎＧａＮ層２９の厚さは１００ｎｍである。

次の工程では、図６〜図７に示されるように、窒化物系半導体発光素子の活性層７５を作製する。活性層７５は、３７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられる。

工程Ｓ１０４では、図６（ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体からなり活性層７５の量子井戸構造のための障壁層７７を形成する。成長炉１０に原料ガスＧ２を供給して、障壁層７７は緩衝層上に成長温度Ｔ_Ｂで成長される。この障壁層７７はＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（インジウム組成Ｙ：０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成）からなる。障壁層７７の成長は、例えば摂氏７００度以上摂氏１０００度以下の温度範囲内の成長温度Ｔ_Ｂで行われる。本実施例では、ガリウム源及び窒素源を含む原料ガスＧ２を成長炉１０に供給してアンドープＧａＮを成長温度Ｔ_Ｂで成長する。ＧａＮ障壁層の厚さは例えば１５ｎｍである。障壁層７７は、主面７３ａ上に成長されるので、障壁層７７の表面は、主面７３ａの表面構造を引き継ぐ。

障壁層７７の成長終了後に、ガリウム原料の供給を停止して窒化ガリウム系半導体の堆積を停止させる。障壁層７７を成長した後に、井戸層を成長する前に成長温度Ｔ_Ｂから成長温度Ｔ_Ｗに成長炉の温度を変更する。この変更期間中に、例えばアンモニアといった窒素源ガスを成長炉１０に供給する。

工程Ｓ１０５では、図５（ｂ）に示されるように、成長炉１０の温度を井戸層成長温度Ｔ_Ｗに保ちながら、障壁層７７上に量子井戸構造のための井戸層７９を成長する。井戸層７９はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（インジウム組成Ｘ：０＜Ｘ＜１、Ｘは歪み組成）といった、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。井戸層７９は、障壁層７７のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有する。井戸層７９の成長温度Ｔ_Ｗは成長温度Ｔ_Ｂより低い。本実施例では、ガリウム源、インジウム源及び窒素源を含む原料ガスＧ３を成長炉１０に供給してアンドープＩｎＧａＮを成長する。井戸層７９の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることができる。また、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ井戸層７９のインジウム組成Ｘは、０．０５より大きいことができる。井戸層７９のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮは０．５より小さいことができる。この範囲のインジウム組成のＩｎＧａＮの成長が可能となり、波長３７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の発光素子を得ることができる。井戸層７９の成長は、例えば摂氏６００度以上摂氏９００度以下の温度範囲内の成長温度Ｔ_Ｗで行われる。ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは例えば３ｎｍである。井戸層７９の主面は、障壁層７７の主面上にエピタキシャルに成長されるので、井戸層７９の表面は、障壁層７７の表面構造を引き継ぐ。また、障壁層７７の主面の傾斜角に応じて、窒化ガリウム系半導体のｃ面から所定の範囲の角度で傾斜する。

井戸層７９の成長が完了する後に、障壁層を成長する前に成長温度Ｔ_Ｗから成長温度Ｔ_Ｂに成長炉１０の温度を変更する。この変更期間中に、例えばアンモニアといった窒素源ガスを成長炉１０に供給する。成長炉１０の昇温が完了した後に、図５（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０６では、成長炉１０の温度を成長温度Ｔ_Ｂに保ち、原料ガスＧ４を成長炉１０に供給しながら、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層８１を成長する。本実施例では、障壁層８１は例えばＧａＮからなり、障壁層８１の厚さは例えば１５ｎｍである。障壁層８１の主面は、井戸層７９の主面上にエピタキシャルに成長されるので、障壁層８１の表面は、井戸層７９の表面構造を引き継ぐ。

工程Ｓ１０７で同様に繰り返し成長を行って、図７（ａ）に示されるように量子井戸構造の活性層７５を成長する。活性層７５は３つの井戸層７９と４つの障壁層７７、８１を含む。この後に、工程Ｓ１０８では、原料ガスG５を供給して必要な半導体層を成長して発光層８３を形成する。活性層７５と第２導電型窒化ガリウム系半導体領域８５との間にある発光層８３内の半導体層のバンドギャップは、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域８５内にあり発光層８３に隣接する窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップより小さい。

図７（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０９では、発光層８３上に、原料ガスG６を供給して第２導電型窒化ガリウム系半導体領域８５をエピタキシャルに成長する。この成長は、成長炉１０を用いて行われる。第２導電型窒化ガリウム系半導体領域８４は、例えば電子ブロック層３１、第１のｐ型コンタクト層３３及び第２のｐ型コンタクト層３５を含むことができる。電子ブロック層３１は例えばＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型コンタクト層３３、３５はｐ型ＧａＮからなることができる。第２のｐ型コンタクト層３５のドーパント濃度Ｎ_３７は第１のｐ型コンタクト層３３のドーパント濃度Ｎ_３５よりも大きい。本実施例では、電子ブロック層３１、ｐ型コンタクト層３３、３５の成長温度は、例えば摂氏１１００度である。第２導電型窒化ガリウム系半導体領域３１の形成の後に、図７（ｃ）に示されるエピタキシャルウエハＥが完成する。必要な場合には、半導体レーザの光ガイドのために一対の光ガイド層を成長することができる。一対の光ガイド層は活性層を挟む。これらの光ガイド層は、例えばＩｎＧａＮまたはＧａＮからなることができる。

エピタキシャルウエハＥにおいて、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域７３、発光層８３、及び第２導電型窒化ガリウム系半導体層８５は、基板７１の主面７１ａの法線軸の方向に配列されていることができる。該六方晶系半導体のｃ軸の方向は基板７１の主面７１ａの法線軸の方向と異なる。エピタキシャル成長の成長方向はｃ軸方向である一方で、この成長方向は半導体層７３、８３、８５の積層方向と異なる。

次の工程では、エピタキシャウエハＥ上に電極を形成する。第１の電極（例えば、アノード電極）がコンタクト層３５上に形成されると共に、第２の電極（例えば、カソード電極）が基板裏面７１ｂ上に形成される。

電極の形成の後に、劈開を行って共振器面として作製することができる。劈開によって形成された端面を共振器面とする半導体レーザの作製が可能となる。なお、基板７１の主面７１ａの傾斜の方向が窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向であれば、ｍ面を劈開面として使用できる。また、基板７１の主面７１ａの傾斜の方向が窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向であれば、a面を劈開面として使用できる。

図８は、実施の形態において使用可能なＧａＮ基板の一構造を示す図面である。基板１１は、ｃ軸方向に伸びる貫通転位密度が第１の貫通転位密度より大きい複数の第１の領域１２ａと、ｃ軸方向に伸びる貫通転位密度が第１の貫通転位密度より小さい複数の第２の領域１２ｂとを含むことができる。基板１１の主面１１ａには第１および第２の領域１２ａ、１２ｂが現れている。基板１１の主面１１ａにおいて、第１および第２の領域１２ａ、１２ｂの幅は、例えば５００マイクロメートル、５０００マイクロメートルである。第１および第２の領域１２ａ、１２ｂは所定の方向に交互に配置されている。基板が窒化ガリウムからなるとき、所定の方向は該窒化ガリウムのａ軸の方向であることができる。

第１の領域１２ａは高転位密度の欠陥集中領域の半導体部であり、第２の領域１２ｂは低転位密度の欠陥低減領域の半導体部である。基板１１の低転位密度の領域に窒化物系半導体発光素子を作製することによって、発光素子の発光効率、信頼性を向上させることができる。第２の領域１２ｂの貫通転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２未満であると、実用に十分な信頼性をもつ半導体レーザが得られる。

（実施例１）
いくつのかオフ角を有する主面の窒化ガリウム系半導体ウエハを準備して、発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もる方法を行った。図９は、井戸層のピエゾ電界の向き及び大きさの見積もり手順を示す工程フローを示す図面である。

引き続く説明では、ＧａＮウエハを用いる。工程Ｓ２０１では、発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もるために発光層の面方位を選択する。

工程Ｓ２０２では、発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もるための量子井戸構造を、選択された面方位で形成すると共にｐ型及びｎ型窒化ガリウム半導体を成長して、エピタキシャルウエハを作製した。これらのウエハ上に、該成長の後にカソード電極及びアノード電極を形成して基板生産物を作製した。

例えば、ＧａＮのｃ面（デバイス名：Ｃ）、ｍ軸方向に７５度オフ面（デバイス名：Ｍ７５＿１、Ｍ７５＿２）、ａ軸方向に５８度オフ面（デバイス名：Ａ５８＿１、Ａ５８＿２、Ａ５８＿３）のＧａＮウエハ上に、図１に示される構造の発光素子を成長した。ｍ軸方向に７５度オフ面は（２０−２１）面である。ａ軸方向に５８度オフ面は（１１−２２）面である。
作製された基板生産物の構造例ウエハ：ｎ型ＧａＮ単結晶
ＳｉドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ：５０ｎｍ、
ＳｉドープＧａＮ層：２０００ｎｍ、
ＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層：１００ｎｍ、
アンドープＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ井戸層：３ｎｍ
アンドープＧａＮ障壁層：１５ｎｍ、
ＭｇドープＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層：２０ｎｍ、
ＭｇドープＧａＮ層：２５ｎｍ、
高ＭｇドープＧａＮ層：２５ｎｍ。

工程Ｓ２０３で、作製したデバイスにバイアスを印加しながらＰＬスペクトルを測定可能なＰＬ測定装置を準備した。図１０（ａ）は、ＰＬ測定装置の一構造例を示す図面である。ＰＬ測定装置は、デバイスＤＥＶに励起光を照射する励起光源９３、デバイスＤＥＶからのフォトルミネッセンスを検出するＰＬ検出器９５、デバイスＤＥＶに可変バイアスを印加する装置９７を含む。

工程Ｓ２０４では、基板生産物にバイアスを印加しながら、フォトルミネッセンスのバイアス依存性を測定した。バイアス依存性を測定結果は、例えば図１０（ｂ）に示されるグラフ上の特性線になる。ある程度の大きさの順方向のバイアス電圧が印加されると、デバイスＤＥＶは、エレクトロルミネッセンスを発する。エレクトロルミネッセンスは、小さい順バイアス及び逆バイアスの電圧では生じない。

ある範囲のオフ角を有する半極性面及びＧａＮウエハのｃ面上に作製されるデバイスは、発光層に正のピエゾ電界が生じる。このデバイスの特性は、図９（ｂ）の特性線ＰＬＢ（＋）によって表される。ＰＬ発光のピーク波長は、ＥＬ発光電圧まではバイアスが増加するにつれて長波長にシフトする。ＥＬ発光電圧を超えると、バイアスが増加するにつれて短波長にシフトする。

ＧａＮウエハの非極性面上に作製されるデバイスは、発光層のピエゾ電界はゼロである。このデバイスの特性は、図１０（ｂ）の特性線ＰＬＢ（ＮＰ）によって表される。ＰＬ発光のピーク波長は、ゼロバイアス電圧までは、わずかであるがバイアスが増加するにつれて短波長にシフトする。正のバイアスでは、ピーク波長のシフトはほとんど生じない。

本実施の形態に係る特定のオフ角範囲を有する半極性面上に作製されるデバイスは、発光層に負のピエゾ電界が生じる。このデバイスの特性は、図１０（ｂ）の特性線ＰＬＢ（−）によって表される。ＰＬ発光のピーク波長は、ＥＬ発光電圧までは、バイアスが増加するにつれて僅かに短波長にシフトする。

工程２０５では、測定されたバイアス依存性から、発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もる。発光層におけるピエゾ電界の向きは、図１０（ｂ）に基づいて判定される。

工程２０６では、選択されや面方位で発光層を作製可能な主面を有するウエハを準備する。工程Ｓ２０７では、このウエハ主面上に、半導体発光素子のための半導体積層を形成する。半導体積層は、図１及び図４に示されるように、第１の窒化ガリウム系半導体領域１３、発光層１５及び第２の窒化ガリウム系半導体領域１７を含むことができる。発光層１５は井戸層及び障壁層とを含む。井戸層及び障壁層の各々は、ｃ軸、ａ軸及びｍ軸方向に延びる基準軸に直交する面から傾斜した基準平面に沿って延びている。発光層１５は、第１の窒化ガリウム系半導体領域１３と第２の窒化ガリウム系半導体領域１７との間にある。ピエゾ電界の向きは、第２の窒化ガリウム系半導体領域１７から第１の窒化ガリウム系半導体領域１３へ向かう方向を基準にして規定される。バイアスを印加しながらＰＬスペクトルのバイアス依存性を測定するので、エレクトロルミネッセンスにより発光が生じる印加電圧よりも小さい正及び負の電圧範囲におけるフォトルミネッセンスを測定可能である。フォトルミネッセンスのバイアス依存性を用いて、発光層内の内部電界の大きさ及び向きを見積もることができる。

図１１は、実施例において作製された半導体発光素子のＥＬスペクトルの測定結果を示す。図１１を参照すると、ＧａＮｃ面（デバイス名：Ｃ）の１２０ｍＡまでのブルーシフト量は３０ｎｍ程度であり、ｍ軸方向に７５度オフ面（デバイス名：Ｍ７５＿１、Ｍ７５＿２）のブルーシフト量は４〜７ｎｍ程度である。ａ軸方向に５８度オフ面（デバイス名：Ａ５８＿１、Ａ５８＿２、Ａ５８＿３）のブルーシフト量は７〜１６ｎｍ程度である。

ｃ面上のデバイスは非常に大きなブルーシフトを示すのに対し、ｍ方向７５度オフ面上やａ方向５８度オフ面上のブルーシフト量は小さい。ｍ方向７５度オフ面上では、特にブルーシフトを小さくできる。したがって発光ダイオードの色調が電流によって変化しないことや、レーザダイオードの発振波長を長波化する上で有利である。

ｃ面、ｍ軸方向７５度オフ面、ａ軸方向５８度オフ面を準備し、上記同様の発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。ＬＥＤに通電しながらＬＥＤの温度を変化させ、ＥＬスペクトルを測定した。

図１２に示されるように、積分強度の温度依存性では、ｃ面上ＬＥＤ（特性線：ｃ）においては温度１５０Ｋ以下で急激に減少する。一方、ｍ軸方向７５度オフ面上のＬＥＤ（特性線：ｍ７５）とａ軸方向５８度オフ面上のＬＥＤ（特性線：ａ５０）では、低温における積分強度の低下は見られない。ＥＬスペクトルを比較すると、図１３に示されるように、温度３００Ｋでは３種類（図１３における３つの特性線をｍ７５（３００）、ａ５８（３００）、ｃ（３００）として参照する）とも発光層での発光のみのシングルピークを示す。これに対し、図１４に示されるように、温度１０Ｋでも３種類（図１４における３つの特性線をｍ７５（１０）、ａ５８（１０）、ｃ（１０）として参照する）が示されており、ｃ面上ＬＥＤのみ３８０ｎｍ付近に別のピークが現れる。このピークは、発光層からオーバーフローした電子がｐ型層でホールと再結合して発光が生ずることを示している。すなわち、ｃ面上ＬＥＤでは低温でアクセプタの活性化率が下がるので、発光層とｐ型層の界面における伝導体のディップがより深くなり、電子のオーバーフローが顕著となっている。ｍ軸方向７５度オフ面上ＬＥＤとａ軸方向５８度オフ面上のＬＥＤでは、このような現象は観測されず、電子のオーバーフローが少ない。

（実施例２）
図１５に示す構造を有する半導体レーザＬＤ０を作製した。ｍ軸方向に７５度オフしたＧａＮウエハ９０を準備した。ＧａＮウエハ９０を成長炉に配置した後に、アンモニア及び水素の雰囲気中で熱処理を行った。熱処理温度は摂氏１１００度であり、熱処理時間は約１０分であった。

熱処理の後に、ＴＭＧ（９８．７μｍｏｌ／分）、ＴＭＡ（８．２μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（６ｓｌｍ）、ＳｉＨ_４を成長炉に供給して、クラッド層のためのｎ型ＡｌＧａＮ層９１をＧａＮウエハ９０上に摂氏１１５０度で成長した。ｎ型ＡｌＧａＮ層９１の厚さは２３００ｎｍであった。ｎ型ＡｌＧａＮ層９１の成長速度は４６．０ｎｍ／分であった。ｎ型ＡｌＧａＮ層９１のＡｌ組成は０．０４であった。

次いで、ＴＭＧ（９８．７μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（５ｓｌｍ）、ＳｉＨ_４を成長炉に供給して、ｎ型ＡｌＧａＮ層９１上にｎ型ＧａＮ層９２を摂氏１１５０度で成長した。ｎ型ＧａＮ層９２の厚さは５０ｎｍであった。ｎ型ＧａＮ層９２の成長速度は５８．０ｎｍ／分であった。

ＴＭＧ（２４．４μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（４．６μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（６ｓｌｍ）を成長炉に供給して、光ガイド層のためのアンドープＩｎＧａＮ層９３ａをｎ型ＧａＮ層９４上に摂氏８４０度で成長した。ｎ型ＩｎＧａＮ層９３ａの厚さは６５ｎｍであった。ｎ型ＩｎＧａＮ層９３ａの成長速度は６．７ｎｍ／分であった。アンドープＩｎＧａＮ層９３ａのＩｎ組成は０．０５であった。

次いで活性層９４を形成した。ＴＭＧ（１５．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（２９．０μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（８ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層を摂氏７４５度で成長した。ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍであった。ＩｎＧａＮ層の成長速度は３．１ｎｍ／分であった。

次いで、成長炉の温度を摂氏７４５度に維持しながら、ＴＭＧ（１５．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（０．３μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（８ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＧａＮ層をＩｎＧａＮ層上に摂氏７４５度で成長した。ＧａＮ層の厚さは１ｎｍであった。ＧａＮ層の成長速度は３．１ｎｍ／分であった。アンドープＧａＮ層を成長した後に、成長炉の温度を摂氏７４５度から摂氏８７０度に変更した。ＴＭＧ（２４．４μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（１．６μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（６ｓｌｍ）を成長炉に供給して、障壁層のためのアンドープＩｎＧａＮ層をアンドープＩｎＧａＮ井戸層上に摂氏８７０度で成長した。ＩｎＧａＮ層の厚さは１５ｎｍであった。ＩｎＧａＮ層の成長速度は６．７ｎｍ／分であった。アンドープＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．０２であった。

次いで、成長炉の温度を摂氏８７０度から摂氏７４５度に変更した。この後に、ＴＭＧ（１５．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（２９．０μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（８ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層をＩｎＧａＮ層上に摂氏７４５度で成長した。ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍであった。ＩｎＧａＮ層の成長速度は３．１ｎｍ／分であった。アンドープＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．２５であった。

井戸層、保護層及び障壁層の成長を２回繰り返し３回目は保護層まで形成した。この後に、ＴＭＧ（１３．０μｍｏｌ／分）、ＴＭＩ（４．６μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（６ｓｌｍ）を成長炉に供給して、光ガイド層のためのアンドープＩｎＧａＮ層９３ｂを活性層９４上に摂氏８４０度で成長した。ＩｎＧａＮ層９３ｂの厚さは６５ｎｍであった。ＩｎＧａＮ層９３ｂの成長速度は６．７ｎｍ／分であった。次いで、ＴＭＧ（９８．７μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（５ｓｌｍ）を成長炉に供給して、アンドープＧａＮ層９６をＩｎＧａＮ層９３ｂ上に摂氏１１００度で成長した。ＧａＮ層９６の厚さは５０ｎｍであった。ＧａＮ層９６の成長速度は５８．０ｎｍ／分であった。アンドープＩｎＧａＮ層９３ｂのＩｎ組成は０．０５であった。

次いで、ＴＭＧ（１６．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＡ（２．８μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（６ｓｌｍ）、Ｃｐ_２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ層９７をＧａＮ層９６上に摂氏１１００度で成長した。ＡｌＧａＮ層９７の厚さは２０ｎｍであった。ＡｌＧａＮ層９７の成長速度は４．９ｎｍ／分であった。ｐ型ＡｌＧａＮ層９７のＡｌ組成は０．１５であった。

ＴＭＧ（３６．６μｍｏｌ／分）、ＴＭＡ（３．０μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（６ｓｌｍ）、Ｃｐ_２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ層９８をｐ型ＡｌＧａＮ層９７上に摂氏１１００度で成長した。ＡｌＧａＮ層９８の厚さは４００ｎｍであった。Ａｌの組成は０．０６であった。ＡｌＧａＮ層９８の成長速度は１３．０ｎｍ／分であった。また、ＴＭＧ（３４．１μｍｏｌ／分）、ＮＨ_３（５ｓｌｍ）、Ｃｐ_２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＧａＮ層９９をｐ型ＡｌＧａＮ層９８上に摂氏１１００度で成長した。ＧａＮ層９９の厚さは５０ｎｍであった。ｐ型ＧａＮ層９９の成長速度は１８．０ｎｍ／分であった。これらの工程によってエピタキシャルウエハが作製された。このエピタキシャルウエハ上にアノード及びカソードを形成した。図に示される半導体ダイオードが得られた。アノード電極は、１０マイクロメートル幅のストライプ窓を有する絶縁膜を介してｐ型ＧａＮ層に電気的に接続される。アノード電極はＮｉ／Ａｕからなり、カソードはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる。ａ面において劈開して、６００マイクロメートル長のレーザバーを作製した。発振波長は５２０ｎｍであり、しきい値電流は９００ｍＡ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。

ＬＥ１、ＬＤ１…窒化物系半導体光素子、１３…第１の窒化ガリウム系半導体領域、１５…発光領域、１７…第２の窒化ガリウム系半導体領域、１９…活性層、２１…井戸層、２３…障壁層、２５、２７、２９…窒化ガリウム系半導体層、３１…窒化ガリウム系半導体層、３３、３５…窒化ガリウム系半導体層、α、β…傾斜角、ＳＲ１…基準平面、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６…障壁層、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…井戸層、Ｐ、ＮＰ、ＳＰ＋、ＳＰ−…発光層、３７…アンドープＧａＮ層（Ｎ_２−ＧａＮ層）、３９…アンドープＧａＮ層、４１ａ、４１ｂ…電極、ＶＣ１、ＶＣ２…ｃ軸方向のベクトル、５１、５３…窒化ガリウム系半導体層、５５、５７…窒化ガリウム系半導体層、５９ａ、５９ｂ…光ガイド層、６１…アンドープＧａＮ層、６３…絶縁膜、６５、６７…電極

本発明の一側面に係る窒化物系半導体光素子は、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）歪みを内包する六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含む発光層と、（ｃ）第２の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｄ）六方晶系半導体Ｉｎ _Ｓ Ａｌ _Ｔ Ｇａ _{１−Ｓ−Ｔ} Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる基板と、（ｅ）第１の電極と、（ｆ）前記基板の裏面に設けられた第２の電極とを備える。前記井戸層はＩｎＧａＮであり、前記障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮであり、前記発光層は、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸方向に延びる基準軸に直交する面から７５度以上８０度未満及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びており、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層、及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上において前記主面の法線方向を示す第１のベクトルの向きに配列されており、前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のｃ軸方向を示す第２のベクトルに直交する平面から７５度以上８０度未満及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した平面に沿って延びており、該傾斜角は前記第１のベクトルと前記第２のベクトルとの成す角によって規定され、前記基準平面はｍ軸及びａ軸のいずれかの方向に傾斜しており、前記発光層におけるピエゾ電界は、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、電子ブロック層であり、前記窒化ガリウム系半導体層はＡｌＧａＮからなり、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上に搭載された半導体積層を構成し、前記基板は導電性を有し、前記第１の電極は前記半導体積層に設けられ、当該窒化物系半導体光素子は半導体レーザである。

本発明は、窒化物系半導体光素子に関する。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含みこの発光層からの電子のオーバーフローを低減できる窒化物系半導体光素子を提供することを目的とする。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含みこの発光層からの電子のオーバーフローを低減できる窒化物系半導体光素子が提供される。

本発明によれば、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含みこの発光層からの電子のオーバーフローを低減できる窒化物系半導体光素子が提供される。また、本発明によれば、この窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。さらに、本発明によれば、歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含む半導体発光素子を製造する方法が提供される。
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。

本発明の一側面に係る窒化物系半導体光素子は、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）歪みを内包する六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含む発光層と、（ｃ）第２の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｄ）六方晶系半導体Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる基板と、（ｅ）第１の電極と、（ｆ）前記基板の裏面に設けられた第２の電極とを備える。前記井戸層はＩｎＧａＮであり、前記障壁層は前記井戸層のＩｎＧａＮの組成と異なる三元ＩｎＧａＮからなり、前記発光層は、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸方向に延びる基準軸に直交する面から７５度以上８０度未満及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びており、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層、及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上において前記主面の法線方向を示す第１のベクトルの向きに配列されており、前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のｃ軸方向を示す第２のベクトルに直交する平面から７５度以上８０度未満及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した平面に沿って延びており、該傾斜角は前記第１のベクトルと前記第２のベクトルとの成す角によって規定され、前記基準平面はｍ軸及びａ軸のいずれかの方向に傾斜しており、前記発光層におけるピエゾ電界は、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、電子ブロック層であり、前記窒化ガリウム系半導体層はＡｌＧａＮからなり、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上に搭載された半導体積層を構成し、前記基板は導電性を有し、前記第１の電極は前記半導体積層に設けられ、当該窒化物系半導体光素子は半導体レーザである。

Claims (20)

1. 窒化物系半導体光素子であって、
   第１の窒化ガリウム系半導体領域と、
   歪みを内包する六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含む発光層と、
   第２の窒化ガリウム系半導体領域と
   を備え、
   前記発光層は、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、
   前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、
   前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、
   前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸方向に延びる基準軸に直交する面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びており、
   前記発光層におけるピエゾ電界は、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有しており、
   前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、
   前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、電子ブロック層及びクラッド層のいずれか一方である、ことを特徴とする窒化物系半導体光素子。
2. 前記井戸層はＩｎＧａＮであり、
   前記障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮである、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物系半導体光素子。
3. 前記傾斜角は、６２度以上８０度未満の範囲にある、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物系半導体光素子。
4. 前記傾斜角は、１５０度より大きく１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物系半導体光素子。
5. 六方晶系半導体Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる基板を更に備え、
   前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のｃ軸に直交する平面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した平面に沿って延びており、
   前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層、及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上において所定の軸の方向に配列されている、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窒化物系半導体光素子。
6. 前記基板は、ｃ軸方向に伸びる貫通転位の密度が第１の貫通転位密度より大きい複数の第１の領域と、ｃ軸方向に伸びる貫通転位の密度が第１の貫通転位密度より小さい複数の第２の領域とを含み、
   前記第１および第２の領域は交互に配置されており、
   前記基板の前記主面には前記第１および第２の領域が現れている、ことを特徴とする請求項５に記載された窒化物系半導体光素子。
7. 前記第２の領域の前記貫通転位の密度は１×１０^７ｃｍ^−２未満である、ことを特徴とする請求項６に記載された窒化物系半導体光素子。
8. 前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の前記主面上に搭載された半導体積層を構成し、
   前記基板は導電性を有し、
   当該六方晶系窒化物系半導体光素子は、
   前記半導体積層に設けられた第１の電極と、
   前記基板の裏面に設けられた第２の電極と
   を備える、ことを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載された窒化物系半導体光素子。
9. 前記発光層は、第１及び第２の光ガイド層と量子井戸構造の活性層とを含み、
   前記量子井戸構造は前記井戸層及び前記障壁層を含み、
   前記活性層は、前記第１の光ガイド層と前記第２の光ガイド層との間に設けられている、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窒化物系半導体光素子。
10. 前記基準平面はａ軸の方向に傾斜している、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窒化物系半導体光素子。
11. 前記基準平面はｍ軸の方向に傾斜している、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窒化物系半導体光素子。
12. 前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、少なくともＡｌを含むｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０＜Ｘ≦１、0≦Ｙ≦１、０＜Ｘ＋Ｙ≦１）からなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された窒化物系半導体光素子。
13. 窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハであって、
    第１の窒化ガリウム系半導体領域と、
    歪みを内包する六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含む発光層と、
    第２の窒化ガリウム系半導体領域と、
    六方晶系半導体Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなるウエハと
    を備え、
    前記発光層は、前記ウエハ上において前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、
    前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、
    前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、
    前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸方向に延びる基準軸に直交する面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びており、
    前記発光層におけるピエゾ電界は前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向と逆向きの成分を有しており、
    前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、
    前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、電子ブロック層及びクラッド層のいずれか一方であり、
    前記障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮである、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
14. 前記ウエハの前記主面は、該六方晶系半導体のｃ軸に直交する平面から５９度以上８０度未満の範囲及び１５０度より大きく１７０度以下の範囲の傾斜角で傾斜した平面に沿って延びている、ことを特徴とする請求項１３に記載されたエピタキシャルウエハ。
15. 前記ウエハのエッジの２点間の距離の最大値は４５ｍｍ以上である、ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載されたエピタキシャルウエハ。
16. 前記ウエハは導電性ＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１３〜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. 前記第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層、及び前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記ウエハの前記主面上において所定の軸の方向に配列されており、
    前記基準軸は前記所定の軸と異なる方向に向いている、ことを特徴とする請求項１３〜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. 前記傾斜角は、６２度以上８０度未満の範囲にある、ことを特徴とする請求項１３〜請求項１７のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
19. 前記傾斜角は１５０度より大きく１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１３〜請求項１８のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
20. 歪みを内包する六方晶系III族窒化物からなる発光層を含む半導体発光素子を製造する方法であって、
    前記発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もるために発光層の面方位を選択する工程と、
    前記発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もるための量子井戸構造を前記選択された面方位で形成すると共にｐ型及びｎ型窒化ガリウム半導体を成長して、基板生産物を準備する工程と、
    前記基板生産物にバイアスを印加しながら、フォトルミネッセンスのバイアス依存性を測定する工程と、
    前記測定されたバイアス依存性から、前記発光層におけるピエゾ電界の向きを見積もる工程と、
    前記選択された面方位で前記発光層を成長可能な主面を有するウエハを準備する工程と、
    前記半導体発光素子のための半導体積層を前記ウエハの前記主面上に形成する工程と
    を備え、
    前記半導体積層は、第１の窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び第２の窒化ガリウム系半導体領域を含み、
    前記発光層は窒化ガリウム系半導体からなる井戸層と窒化ガリウム系半導体からなる障壁層とを含み、
    前記発光層は、前記第１の窒化ガリウム系半導体領域と前記第２の窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、
    前記第１の窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、
    前記第２の窒化ガリウム系半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層とを含み、
    前記第２の窒化ガリウム系半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、
    前記井戸層及び前記障壁層の各々は、ｃ軸、ａ軸及びｍ軸方向に延びる基準軸に直交する面から傾斜した基準平面に沿って延びており、
    前記ピエゾ電界の向きは、前記第２の窒化ガリウム系半導体領域から前記第１の窒化ガリウム系半導体領域へ向かう方向を基準にして規定される、ことを特徴とする方法。

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