JP2012109624A - Ｉｉｉ族窒化物発光素子、及びｉｉｉ族窒化物系半導体発光素子を作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有しており半極性面上に設けられた量子井戸構造の発光層を含むIII族窒化物発光素子を提供する。
【解決手段】発光層１５は、窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａ上に設けられる。量子井戸構造１７は、波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有するように形成されている。井戸層１９ａの厚さＤ_Ｗは４ｎｍ以上である。また、井戸層１９ａの厚さＤ_Ｗは１０ｎｍ以下である。井戸層１９ａはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１５≦Ｘ＜１、Ｘは歪み組成）からなる。窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、六方晶系III族窒化物の｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上の傾斜角で傾斜している。また、窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準に８５度以下の傾斜角αで傾斜する。この範囲内の主面１３ａは半極性面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物発光素子、及びIII族窒化物系半導体発光素子を作製する方法に関する。

非特許文献１には、ＩｎＧａＮ発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、半極性（１１−２２）面（ｃ面からａ軸方向に５６°オフ）ＧａＮ基板上に作製された。発光ダイオードは、幅３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層からなる単一量子井戸構造を有する。以下の特性が得られた：青色（波長４３０ｎｍ）で光出力は１．７６ｍＷであり、外部量子効率が３．０％であった。緑色（波長５３０ｎｍ）で光出力が１．９１ｍＷであり、外部量子効率が４．１％であった。アンバー（波長５８０ｎｍ）で光出力が０．５４ｍＷであり、外部量子効率が１．３％であった。出射光には［１−１００］方向への偏光が確認された。

非特許文献２には、半導体レーザが記載されている。半導体レーザは、転位密度５×１０^６ｃｍ^−２以下の半極性（１０−１−１）面（｛０００−１｝面からｍ軸方向に６２度オフ）ＧａＮ基板上に作製された。半導体レーザは、５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層及び８ｎｍのＧａＮ障壁層からなる５周期の多重量子井戸構造の発光層を有する。発光波長は４０５．９ｎｍであり、しきい値電流密度１８ｋＡ／ｃｍ^２でレーザ発振が確認された。

非特許文献３には、５周期の多重量子井戸構造の発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、半極性（１０−１−１）面のＧａＮテンプレート、半極性（１０−１−３）面のＧａＮテンプレート上に作製された。半極性（１０−１−１）面は｛０００−１｝面からｍ軸の方向に６２度の角で傾斜しており、半極性（１０−１−３）面は｛０００−１｝面からｍ軸の方向に３２度の角で傾斜している。５周期の多重量子井戸構造では、ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは４ｎｍであり、インジウム組成は０．１４である。ＳｉドープＧａＮ障壁層の厚さは１５ｎｍである。半極性（１０−１−１）面のＧａＮテンプレート上の発光ダイオードの発光波長は４３９ｎｍであった。オンウエハにおける光出力は、電流２０ｍＡで０．１９ｍＷであり、外部量子効率は電流５０ｍＡで０．４１％であった。

非特許文献４には、５周期の多重量子井戸構造の発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、半極性（１０−１−３）面のＧａＮテンプレート上に作製された。発光ダイオードは、厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と、厚さ８ｎｍのＧａＮ障壁層とを含む。発光波長は、電流２０ｍＡで５２７．１ｎｍであり、電流２５０ｍＡで５２０．４ｎｍであった。オンウエハにおける光出力は、電流２０ｍＡにおいて０．２６４ｍＷであり、外部量子効率は電流２０ｍＡで０．０５２％であった。

特許文献１には、非導電性の基板上に形成されたIII族窒化物量子井戸層を含む発光半導体デバイスを作製する方法は記載されている。このIII族窒化物量子井戸層は、ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向に対して１０度以上の角度で傾斜したファセット配向を有するように成長される。傾斜角は、３０度から５０度の範囲、８０度から１００度の範囲、１３０度から１５０度の範囲であることができる。

特許文献２には、基板上に形成された半導体発光素子が記載されている。半導体発光素子は、｛１−１００｝面及びこの面から−５度から＋５度の範囲内のオフ角で傾斜した面、或いは｛１１−２０｝面及びこの面から−５度から＋５度の範囲内のオフ角で傾斜した面上に形成される。

特開平１０−１３５５７６号公報 特開２００３−１５８２９７号公報

Japanese Journal of Applied Physics Vol.45, No. 26, 2006, pp. L659-L662 Japanese Journal of Applied Physics Vol.46, No. 19, 2007, pp. L444-L445 Japanese Journal of Applied Physics Vol.44. No. 30 2005 pp. L945-L947 Applied Physics Letter Vol. 87. 2005 p.231110 Japanese Journal of Applied Physics Vol.46, No. 7, 2007, pp.L129-L131

非特許文献３、４ではＧａＮテンプレートが用いられており、非特許文献１、２、５ではＧａＮ基板が用いられている。非特許文献３を除いて他の非特許文献には、井戸層のインジウム組成が記載されていない。非特許文献１ではａ軸方向への傾斜面が利用されており、非特許文献２−５ではｍ軸方向への傾斜面が利用されている。非特許文献１、２、５に記載された発光素子は、小さいサイズのＧａＮ基板を用いており、大口径のＧａＮウエハの使用を指向していない。

特許文献１は、ピエゾ分極の影響のみに着目しており、ピエゾ分極の低減と所望の波長及び発光特特性との関係に着目していない。特許文献２では所望の発光波長が達成されていない。

半極性面のピエゾ分極が（０００１）面のピエゾ分極に比べて小さいので、井戸層のバンドベンディングによる長波長化が期待できない。故に、非特許文献１、５に記載されるような薄い井戸層を含む発光素子では、例えば４１０ｎｍ以上の長波長の発光波長を有する発光素子を形成するために、インジウム組成を高める必要がある。しかしながら、高いインジウム組成の井戸層の結晶品質は低下し、この結果、発光特性が劣化することになる。また、井戸層のインジウム組成が比較的高いとき、井戸層の厚みが大きくなるにつれて、井戸層に内包する歪みが増大する。これ故に、井戸層の厚みとインジウム組成の関係は、量子井戸構造の発光層の発光特性に大きく影響する。

本発明は、波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有しており半極性面上に設けられた量子井戸構造の発光層を含むIII族窒化物発光素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物系半導体発光素子を作製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III族窒化物発光素子は、（ａ）主面を有するIII族窒化物支持基体と、（ｂ）前記III族窒化物支持基体の前記主面上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有するように前記窒化ガリウム系半導体領域の主面上に設けられ交互の配置された井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造の発光層とを備える。前記井戸層の厚さは４ｎｍ以上であると共に、前記井戸層の厚さは１０ｎｍ以下であり、前記井戸層は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１５≦Ｘ＜１、Ｘは歪み組成）からなり、前記障壁層は、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙ＜Ｘ、Ｙは歪み組成）からなり、前記主面は、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上８５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した半極性面である。

このIII族窒化物発光素子によれば、１５度未満の傾斜角では半極性面の効果が得られないので、ピエゾ電界が低減されない。これ故に、発光効率の向上効果が得られず、電流注入にともなう波長のブルーシフトが顕著になる。８５度を超える傾斜角では、ＩｎＧａＮ井戸層の成長が困難となる。

半極性面ではピエゾ電界が抑制されているので、量子井戸発光層のバンドベンディングによる長波長化が期待できない。このため、厚み４ｎｍ未満の井戸層では、波長４１０ｎｍ以上の発光波長を得るためのインジウム組成が非常に高くなり、この結果、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下し、発光特性が悪化する。厚さ１０ｎｍを超えるＩｎＧａＮ井戸層では、結晶品質が低下し、発光特性が悪化する。井戸層の厚さの範囲を４ｎｍ以上１０ｎｍ以下にするので、井戸層のインジウム組成を０．１５以上０．４以下の範囲にできる。

上記の傾斜角の半極性面上に形成される発光素子の膜厚の井戸層は、ｃ面上に形成される発光素子の井戸層の厚さに比べて厚い４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるけれども、ピエゾ電界の低減によって、電流の増大に伴う波長の顕著なブルーシフトや発光効率の低下が低減される。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記主面は、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の角度で傾斜していることが好ましい。

このIII族窒化物発光素子によれば、傾斜角が４５度以下であれば、大口径のIII族窒化物ウエハの作製が容易になる。また、この範囲の傾斜角の主面であるとき、ＩｎＧａＮ井戸層の成長が比較的容易になる。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記主面は、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の角度で傾斜しており、前記井戸層のインジウム組成Ｘは０．４以下であることが好ましい。

このIII族窒化物発光素子によれば、この範囲の傾斜角の主面であるとき、ＩｎＧａＮ井戸層の成長が比較的容易になる。また、インジウム組成が０．４を超えると、ＩｎＧａＮの結晶品質が低下し、発光特性が悪化する。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記発光層の前記量子井戸構造は、波長５５０ｎｍ以下の発光ピーク波長を有するように前記主面上に設けられていることができる。

波長４１０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光を発する窒化物系半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ井戸層に歪みが加わってピエゾ電界が誘起され、発光効率の低下や発光波長のブルーシフトの増大の原因となっている。このIII族窒化物発光素子によれば、上記の発光波長の範囲において、ＩｎＧａＮの結晶品質を向上させ、発光特性の劣化を小さくできると共に、顕著なブルーシフトを低減できる。

本発明に係るIII族窒化物発光素子は、前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第２の電極とを更に備えることができる。前記窒化ガリウム系半導体領域はｎ導電性を有しており、前記III族窒化物支持基体の主面は、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上８５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜しており、前記窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、前記III族窒化物支持基体の前記主面上に位置しており、前記III族窒化物支持基体はＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる。

このIII族窒化物発光素子によれば、テンプレートを用いることなく、傾斜した主面のIII族窒化物支持基体上に発光素子を作製できる。

本発明に係るIII族窒化物発光素子は、前記III族窒化物支持基体の裏面に設けられた第１の電極を更に備えることができる。前記III族窒化物支持基体はｎ型導電性を有することが好ましい。

このIII族窒化物発光素子によれば、III族窒化物支持基体は導電性を有しているので、基板の裏面に電極を形成できる。このため、III族窒化物支持基体の主面上に成長されるエピタキシャル積層上に、ｐ型及びｎ型電極の両方を形成するための加工を不要になり、またIII族窒化物発光素子の構造を簡素にできる。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記傾斜角は、前記III族窒化物支持基体のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるａ軸の方向に規定され、前記傾斜角のオフ角は、ｍ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にある。

このIII族窒化物発光素子によれば、Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}ＮからなるIII族窒化物支持基体の主面は｛０００１｝面からａ軸方向に傾いているので、ｍ軸方向への傾斜に比べて、ＩｎＧａＮ井戸層へのインジウム原子の取り込みが大きくなる。このため、より高い成長温度においてＩｎＧａＮ井戸層を成長することが可能となり、この結果、発光特性を向上できる。

本発明に係るIII族窒化物発光素子は、前記III族窒化物支持基体のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるｍ軸の方向に交差する第１及び第２の端面を更に備えることができる。前記III族窒化物発光素子は半導体レーザを含み、前記第１及び第２の端面は劈開面を含む。

このIII族窒化物発光素子によれば、Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎからなる基板のヘキ開によって、半導体レーザのための共振器面が形成され、この共振器面はｍ面である。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記傾斜角は、前記III族窒化物支持基体のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるｍ軸の方向に規定され、前記傾斜角のオフ角は、ａ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にあることができる。

このIII族窒化物発光素子によれば、傾斜角を規定する方向の管理が容易になる。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記発光層と前記III族窒化物支持基体との間に設けられたＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０＜Ｚ＜０．１、Ｚは歪み組成）層を更に備えることが好ましい。このIII族窒化物発光素子によれば、量子井戸構造とIII族窒化物ウエハとの間にＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層を設けることによって、量子井戸構造における井戸層の数を減らしても、良好な発光特性が得られる。発光特性の向上のために量子井戸構造における井戸層の数を増やすこともできる。しかしながら、半極性面上に作製された発光層の井戸層のインジウム組成は、ｃ面上に作製された発光層に比べて高いので、発光層における歪みが強くなりＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下することになる。Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層のインジウム組成が０．１以上になると、Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層の歪みが大きくなり、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下して発光特性は悪化する。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記III族窒化物支持基体における貫通転位はｃ軸に沿って延びており、前記III族窒化物支持基体は、所定の貫通転位密度以上の貫通転位密度を有する第１の領域と、前記所定の貫通転位密度未満の貫通転位密度を有する第２の領域とを有しており、前記III族窒化物支持基体の前記第１及び第２の領域は前記主面に現れている。

このIII族窒化物発光素子によれば、基板の低転位領域である第２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、信頼性を向上できる。

本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記第２の領域の貫通転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２未満であることができる。このIII族窒化物発光素子の貫通転位密度によれば、実用に十分な信頼性をもつ半導体レーザが得られる。

本発明の別の側面は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した主面を有するIII族窒化物ウエハを準備する工程と、（ｂ）前記III族窒化物ウエハの前記主面上に第１導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と、（ｃ）波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有するように前記主面上に設けられた量子井戸構造の発光層を形成する工程と、（ｄ）前記発光層上に第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程とを備える。前記III族窒化物ウエハは、Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなり、前記発光層を形成する前記工程では、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１５≦Ｘ＜１、Ｘは歪み組成）からなる第１の半導体層を第１の温度で成長する工程と、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙ＜Ｘ、Ｙは歪み組成）からなる第２の半導体層を第２の温度で成長する工程とを含む。前記第１の温度は前記第２の温度より低く、前記第１の温度と前記第２の温度との差は９５度以上である。

この方法では、半極性面上に窒化物系半導体発光素子を作製する際に、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度を障壁層の成長温度から９５度以上の差で低くすることによって、井戸層におけるインジウム原子の取り込みを増加させることができる。このため、波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有する発光層の形成が容易になる。また、障壁層の成長温度を井戸層の成長温度の９５度以上に差で高くすることによって、障壁層の結晶品質を向上させることができる。このため、発光素子の発光効率を向上できる。したがって、量子井戸構造全体としての結晶品質を向上できる。

本発明の方法では、前記III族窒化物ウエハは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した軸の方向に成長された六方晶系Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）の結晶からスライスされており、前記III族窒化物ウエハの前記主面は、研磨処理されていると共に、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準面に沿って延びることができる。この方法によれば、傾斜角で傾斜した主面を有するIII族窒化物ウエハの作製が容易である。

本発明の方法では、前記III族窒化物ウエハにおける貫通転位はｃ軸に沿って延びており、前記III族窒化物ウエハは、所定の貫通転位密度以上の貫通転位密度を有する第１の領域と、前記所定の貫通転位密度未満の貫通転位密度を有する第２の領域とを有していおり、前記III族窒化物ウエハの前記第１及び第２の領域は前記主面に現れている。この方法によれば、基板の低転位領域である第２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。

本発明の方法では、前記第２の領域の前記貫通転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２未満であることができる。このIII族窒化物発光素子の貫通転位密度によれば、実用に十分な信頼性をもつ半導体レーザ及び発光ダイオードといった発光素子が得られる。

本発明の方法では、前記傾斜角は、前記基板のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるａ軸の方向に規定され、前記傾斜角のオフ角は、ｍ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にあることが好ましい。この方法によれば、Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎからなる基板をヘキ開する工程によって、半導体レーザのための共振器面を形成できる。この共振器面はｍ面である。

本発明の方法では、前記傾斜角は、前記基板のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるｍ軸の方向に規定され、前記傾斜角のオフ角は、ａ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にあることができる。この方法によれば、傾斜角を規定する方向の管理が容易になる。

本発明の方法では、前記III族窒化物ウエハのエッジ上の２点の間隔の最大値は４５ｍｍ以上であることができる。この方法によれば、半極性面を有する大口径のウエハ上に発光素子を策積できる。

本発明の方法は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成するに先だって、アンモニアおよび水素を含むガスを供給しながら、前記III族窒化物ウエハの前記主面を熱処理する工程を更に備えることができる。

この方法によれば、成長前にIII族窒化物ウエハをアンモニアと水素を含む混合ガス中で熱処理すると平坦な半極性面が得られる。これ故に、さらに良好な発光特性を持つ半導体発光素子が得られる。

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、本発明によれば、波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有しており半極性面上に設けられた量子井戸構造の発光層を含むIII族窒化物発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発光素子を作製する方法が提供される。

図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光素子の構造の一例を概略的に示す図面である。 図２は、例示的な傾斜方向に傾斜した主面を有する基板とエピタキシャル積層膜とを含むエピタキシャルウエハを示す図面である。 図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光素子の構造の別の例を示す図面である。 図４は、発光素子を作製する主要な工程を示す図面である。 図５（ａ）は、本実施例におけるＬＥＤの発光波長と電流との関係を示す図面である。図５（ｂ）は、本実施例における発光スペクトルの半値全幅と電流との関係を示す図面である。 図６は、半導体レーザ素子を作製する主要な工程を示す図面である。 図７は、半導体レーザ素子のエピタキシャルウエハを示す図面である。 図８は、ウエハ主面における傾斜角とピーク発光波長との関係を示す図面である。

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III族窒化物発光素子、及び窒化物系半導体発光素子を作製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III族窒化物発光素子の構造の一例を概略的に示す図面である。III族窒化物発光素子としては、例えば半導体レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）等がある。

図１（ａ）を参照すると、III族窒化物発光素子１１は、窒化ガリウム系半導体領域１３及び発光層１５を備える。発光層１５は、窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａ上に設けられている。発光層１５は、例えば量子井戸構造１７を有しており、量子井戸構造１７は、交互の配置された井戸層１９ａ及び障壁層１９ｂを含む。量子井戸構造１７は、波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有するように形成されている。井戸層１９ａの厚さＤ_Ｗは４ｎｍ以上である。また、井戸層１９ａの厚さＤ_Ｗは１０ｎｍ以下である。井戸層１９ａはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１５≦Ｘ、Ｘは歪み組成）からなる。窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、六方晶系III族窒化物の｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上の傾斜角で傾斜している。また、窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして８５度以下の傾斜角αで傾斜している。主面１３ａは、この範囲内の角度の半極性面である。また、発光層１５の主面は半極性面である。井戸層１９ａ及び障壁層１９ｂの主面も半極性面である。主面１３ａの全体が半極性面である。

このIII族窒化物発光素子１１によれば、１５度未満の傾斜角では半極性面の効果が得られないので、ピエゾ電界が低減されない。これ故に、発光効率の向上効果が得られず、電流注入にともなう波長のブルーシフトが顕著になる。８５度を超える傾斜角では、ＩｎＧａＮ井戸層１９ａの成長が困難となる。

半極性面ではピエゾ電界が抑制されているので、量子井戸構造の発光層においてバンドベンディングによる長波長化が期待できない。このため、厚み４ｎｍ未満の井戸層では、波長４１０ｎｍの発光波長を得るためのインジウム組成が非常に高くなり、この結果、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下し、発光特性が悪化する。厚さ１０ｎｍを超えるＩｎＧａＮ井戸層では、結晶品質が低下し、発光特性が悪化する。井戸層の厚さの範囲を４ｎｍ以上１０ｎｍ以下にするので、井戸層のインジウム組成を０．１５以上０．４以下の範囲にできる。

また、上記の傾斜角の半極性面上に形成される発光素子の膜厚の井戸層は、ｃ面上に形成される発光素子の井戸層の厚さに比べて厚い４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるけれども、ピエゾ電界の低減によって、電流の増大に伴う波長の顕著なブルーシフトや発光効率の低下が低減される。

また、障壁層１９ｂはＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙ＜Ｘ、Ｙは歪み組成）からなる。井戸層１９ａはＩｎＧａＮからなるけれども、障壁層１９ｂはＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることができる。障壁層１９ｂの厚みＤ_Ｂは７ｎｍ以上であることが好ましく、良好なキャリア閉じ込めが得られるからである。また、障壁層１９ｂの厚みＤ_Ｂは２０ｎｍ以下であることが好ましく、駆動電圧の上昇を防ぐとともに、膜厚増加に伴う発光層の結晶品質低下を防ぐことができるからである。

さらに、井戸層１９ａの厚さは５ｎｍ以上であることが好ましく、井戸層のインジウム組成を０．３５以下にでき、またより良好な結晶品質が得られるからである。

窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして４５度以下の範囲内の角度で傾斜していることが好ましい。傾斜角αが４５度以下であれば、大口径のIII族窒化物ウエハの作製が容易になる。また、この範囲の傾斜角の主面であるとき、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶成長が比較的容易になる。また、この主面１３ａ上に成長される井戸層１９ａのインジウム組成Ｘは、０．４以下であることが好ましい。上記の傾斜角の範囲であるとき、ＩｎＧａＮ井戸層の成長が比較的容易になる。また、インジウム組成が０．４を超えると、ＩｎＧａＮの結晶品質が低下し、発光特性が悪化する。さらに、発光層１５の量子井戸構造１７は、波長５５０ｎｍ以下の発光ピーク波長を有するように主面１３ａ上に設けられていることができる。

４１０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光を発する窒化物系半導体発光素子１１では、ＩｎＧａＮ井戸層に歪みが加わってピエゾ電界が誘起され、これが、発光効率の低下や発光波長のブルーシフトの増大の原因となっている。このIII族窒化物発光素子１１によれば、上記の発光波長の範囲において、ＩｎＧａＮの結晶品質を抑制し、発光特性の劣化を抑制できると共に、顕著なブルーシフトの発現を抑制できる。

III族窒化物支持基体２１の主面２１ａは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上８５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜していることができる。このため、テンプレートを用いることなく、傾斜した主面のIII族窒化物支持基体上に発光素子を作製できる。

III族窒化物発光素子１１では、窒化ガリウム系半導体領域１３はIII族窒化物支持基体２１の主面２１ａ上に設けられていることができる。III族窒化物支持基体２１は、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。III族窒化物支持基体２１の材料は、窒化ガリウム系半導体またはＡｌＮ等からなることができ、窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等であることができる。III族窒化物発光素子１１のための支持基体は、III族窒化物支持基体２１のIII族窒化物に限定されることなく、サファイア、酸化ガリウム等からなることができる。

III族窒化物発光素子１１では、窒化ガリウム系半導体領域１３は、例えば第１導電型（例えば、ｎ導電性）を有する。III族窒化物発光素子１１は、発光層１５に設けられた窒化ガリウム系半導体領域２５を更に備えることができ、窒化ガリウム系半導体領域２５の表面は半極性面である。窒化ガリウム系半導体領域２５は、例えば第２導電型（例えば、ｐ導電性）を有する。第２の電極２７が窒化ガリウム系半導体領域２５上に設けられている。

一実施例では、III族窒化物支持基体２１はｎ導電性を有することができる。III族窒化物支持基体２１の裏面２１ｂの全体は半極性面であり、裏面２１ｂには電極２３が設けられていることができる。このため、III族窒化物支持基体２１の主面２１ａ上に成長されるエピタキシャル積層上に、ｎ型及びｐ型電極の両方を形成するための加工が不要になり、またIII族窒化物発光素子１１の構造を簡素にできる。第１の電極２３は、例えば支持基体２１の裏面２１ｂにオーミック接触を成すカソードであり、支持基体２１の裏面２１ｂの全面を覆っており、また第２の電極２７は、例えば窒化ガリウム系半導体領域２５にオーミック接触を成すアノードである。

III族窒化物発光素子１１の主面全面に設けられたバッファ層３５を含むことができる。一実施例では、バッファ層３５はＡｌＧａＮからなることが好ましい。ＧａＮ基板上でのエピタキシャル層の異常成長を抑制することができるからである。また、窒化ガリウム系半導体領域１３は、発光層１５に対するヘテロ障壁を提供するｎ導電性の窒化ガリウム系半導体層３７（例えば、ｎ型クラッド層）を含むことができる。一実施例では、窒化ガリウム系半導体層３７は、例えばｎ型ＧａＮまたはｎ型ＡｌＧａＮからなることが好ましい。

窒化ガリウム系半導体領域２５は、発光層１３からの電子をブロックするための電子ブロック層２９を含むことができる。電子ブロック層２９は、例えばＡｌＧａＮからなることができるが、このＡｌＧａＮは例えばｐ導電性を有することができる。また、窒化ガリウム系半導体領域２５は、ｐ型キャリアを発光層１３に提供する窒化ガリウム系半導体層３１（例えば、ｐ型クラッド層）を含むことができる。窒化ガリウム系半導体層３１は、例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ等からなることができる。また、窒化ガリウム系半導体領域２５は、ｐ型コンタクト層３３を含むことができる。ｐ型コンタクト層３３は、例えばｐ型ＧａＮからなることができる。III族窒化物発光素子１１がＬＥＤであるとき、窒化ガリウム系半導体領域２５は発光層１５から光を吸収しないバンドギャップの材料からなる。

必要な場合には、III族窒化物発光素子１１は、発光層１５と窒化ガリウム系半導体領域２５との間に設けられた第１及び第２の窒化ガリウム系半導体層３９ａ、３９ｂを含むことができる。第１の窒化ガリウム系半導体層３９ａは、発光層１３と窒化ガリウム系半導体領域２５との間に設けられている。第１の窒化ガリウム系半導体層３９ａは、例えばアンドープＩｎＧａＮからなり、また光ガイドのために設けられている。第２の窒化ガリウム系半導体層３９ｂは、例えばアンドープＧａＮからなり、また窒化ガリウム系半導体領域２５の結晶品質向上のために設けられている。

図１（ｂ）を参照すると、III族窒化物発光素子１１のためのエピタキシャルウエハ４１が示されている。エピタキシャルウエハ４１は、III族窒化物支持基体２１に対応するIII族窒化物ウエハ４３と、III族窒化物ウエハ４３の主面４３ａ上に成長されたエピタキシャル積層膜４５を含む。その主面４３ａは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上８５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜していることができ、或いは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜していることができる。III族窒化物ウエハ４３のエッジ上の２点の間隔の最大値は４５ｍｍ以上であり、例えば２インチサイズのウエハが使用可能である。エピタキシャル積層膜４５は、III族窒化物発光素子１１のためのエピタキシャル成長層に対応する積層構造を含み、この積層構造を示すために、III族窒化物発光素子１１のエピタキシャル成長層の参照番号が用いられる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されたベクトルＣは、III族窒化物支持基体２１のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるｃ軸の方向を示している。III族窒化物支持基体２１における貫通転位はｃ軸に沿って延びている。

III族窒化物支持基体２１は、主面２１ａから裏面２１ｂまでｃ軸に沿って延びる第１の領域と、該第１の領域に沿って延びる第２の領域とを含むことができる。このため、III族窒化物支持基体２１の第１及び第２の領域は主面２１ａに現れて、それぞれ第１及び第２のエリアを形成する。また、III族窒化物支持基体２１の第１及び第２の領域は裏面２１ｂに現れて、それぞれ第３及び第４のエリアを形成する。第１の領域は、所定の貫通転位密度以上の貫通転位密度を有する高転位領域であり、第２の領域は所定の貫通転位密度未満の貫通転位密度を有する低転位領域である。III族窒化物ウエハ４３では、第１及び第２の領域が交互に配列されている。このIII族窒化物発光素子１１によれば、支持基体２１の低転位領域である第２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１及び第２の領域は、例えばストライプ状に延びることができる。ｃ軸に直交する平面においては、第２の領域の貫通転位密度は、例えば１×１０^７ｃｍ^−２未満であることができる。この貫通転位密度によれば、実用に十分な信頼性をもつ半導体レーザ等が得られる。

図２は、例示的な傾斜方向に傾斜した主面を有する基板とエピタキシャル積層膜とを含むエピタキシャルウエハを示す図面である。図２を参照すると、傾斜したｃ面に沿って延びる参照面Ｒ_Ｃ１が示されている。参照面Ｒ_Ｃ１上において、六方晶系の結晶軸Ｓが示されている。軸ａ１、ａ２、ａ３が参照面Ｒ_Ｃ１内において規定されており、軸ａ１、ａ２、ａ３は互いに１２０度の角度を成す。軸ｃが参照面Ｒ_Ｃ１に直交する。破線の矢印Ｎ１は、基板４３の主面４３ａの法線を示すベクトルである。この法線ベクトルＮ１は、軸ｃに対して角度αで傾斜している。この実施例では、傾斜の方向は、ベクトルＡで示されるａ１軸の方向である。つまり、傾斜角αは、III族窒化物支持基体２１のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるａ軸の方向にとられる。傾斜角αは、ｍ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にあることが好ましい。図２に示された面４７ａ、４７ｂは、劈開可能なｍ面である。Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎからなる基板のヘキ開によりIII族窒化物発光素子１１を作製するとき、III族窒化物発光素子１１は、III族窒化物支持基体２１のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおける（ベクトルＭで示される）ｍ軸の方向に交差する第１及び第２の端面（上記の面４７ａ、４７ｂに対応する）を有しており。これらの第１及び第２の端面は半導体レーザのための共振器を形成するために好適である。

また、この形態において、Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}ＮからなるIII族窒化物支持基体２１の主面２１ａは｛０００１｝面または｛０００−１｝面からａ軸方向に傾いているので、ｍ軸方向への傾斜に比べて、ＩｎＧａＮ井戸層へのインジウム原子の取り込みが大きくなる。このため、ｍ軸方向への傾斜面における成長温度（例えば摂氏６５０度以上摂氏７５０度以下）より高い成長温度（例えば摂氏６５０度以上摂氏７８０度以下）で、ａ軸方向への傾斜面上にＩｎＧａＮ井戸層を成長することが可能となり、この結果、発光特性を向上できる。

この実施例の変形例として、ａ軸方向への傾斜に替えて、ｍ軸の方向に傾斜をとることができる。このときも、傾斜角αは、ａ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にあることができる。このIII族窒化物発光素子によれば、傾斜角を規定する方向の管理が容易になる。

図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光素子の構造の別の例を示す図面である。III族窒化物発光素子１１ａでは、発光層１５ａとIII族窒化物支持基体２１との間に設けられたＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０＜Ｚ＜０．１、Ｚは歪み組成）層４９を更に備えることが好ましい。Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層４９のインジウム組成は井戸層１９ａのインジウム組成より小さい。このIII族窒化物発光素子１１ａによれば、量子井戸構造１７ａとｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３との間にＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層４９を設けられている。Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層４９の主面は半極性面である。発光強度は、量子井戸構造における井戸層の数を増やすことによって向上させることができるけれども、半極性面上に作製された発光層の井戸層１９ａのインジウム組成はｃ面上に作製された発光層に比べて高いので、発光層内の歪みが強い。このため、ＩｎＧａＮ井戸層１９ａの結晶品質は、ｃ面上に作製された発光層に比べて低下する傾向にある。量子井戸構造１７ａ内の井戸層１９ａの数は、量子井戸構造１７内の井戸層１９ａの数に比べて少ない。しかしながら、Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層４９は、量子井戸構造１７ａにおける歪みを低減して、良好な発光特性を提供する。故に、量子井戸構造１７ａにおける井戸層１９ａの数を減らすことができる。或いは、井戸層の数を維持したまま、結晶品質を向上できる。

Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層４９のインジウム組成が０．１以上になると、Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層の歪みが大きくなり、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下して発光特性は悪化する傾向になる。

（実施例１）
図４を参照しながら、発光素子を作製する主要な工程のフロー１００ａを説明する。工程Ｓ１０１では、ＧａＮウエハを準備した。このＧａＮウエハはｎ導電性を示し、ｃ面からｍ軸の方向に傾斜角２５度で傾斜した主面を有する。ＧａＮウエハは以下のように作製された。２インチサイズのＧａＡｓウエハを準備した。（１００）方向に２５度オフの（１１１）面を有するＧａＡｓウエハ上に、シリコン酸化物からなるストライプ状の絶縁膜マスクを形成した後に、このウエハ上にＨＶＰＥ法によってＧａＮ厚膜を成長した。ＧａＮ厚膜は、交互に配置された低欠陥密度領域及び高欠陥密度領域を含む。低欠陥密度領域及び高欠陥密度領域の各々は、例えばストライプ状を成す。低欠陥密度領域の貫通転位はｃ軸の方向に延びており、その貫通転位密度は、ｃ面において１×１０^６ｃｍ^−２未満であった、このＧａＮ厚膜をスライスしてＧａＮ薄板を形成すると共に、この薄板の表面を研磨等の処理をすることによって、鏡面を有するＧａＮウエハを作製した。このＧａＮウエハは、ｃ面からｍ軸の方向に傾斜角２５度で傾斜した主面を有していた。

ＧａＮウエハ上に有機金属気相成長法で、以下の手順により青色発光素子を作製した。有機金属気相成長の原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、モノシラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。工程Ｓ１０２では、ＧａＮウエハを成長炉のサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０ｋＰａにコントロールしながら炉内にアンモニアと水素を導入し、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間のサマールクリーニングを行った。その後、一旦成長を中断して摂氏１１００度の基板温度に上昇させた後に、工程Ｓ１０３では、ｎ型ＧａＮ系半導体領域を成長した。キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（４．３μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２２ｍｏｌ／分）及びモノシランを成長炉に供給して、膜厚５０ｎｍのｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層を成長した。次に、成長を一旦中断して、摂氏１１５０度の基板温度に上昇させた後に、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(２４４μｍｏｌ／分)、アンモニア(０．２２ｍｏｌ／分)及びモノシランを成長炉に供給して、膜厚２μｍのｎ型ＧａＮ層を成長した。

次に、工程Ｓ１０４では、以下のように発光層を成長した。まず、成長を一旦中断して、摂氏８５０度に基板温度を低下させた後に、工程Ｓ１０４−１では、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルインジウム（１．６μｍｏｌ／分）及びアンモニア（０．２７ｍｏｌ／分）を成長炉に供給して、厚さ１５ｎｍのアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層を成長した。この後に、成長を中断して、摂氏７２０度に基板温度を低下させ、工程Ｓ１０４−２では、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルインジウム（２４μｍｏｌ／分）及びアンモニア（０．３６ｍｏｌ／分）を成長炉に供給して、膜厚５ｎｍのＩｎ_０．３０Ｇａ_０．７０Ｎ井戸層を成長した。工程Ｓ１０４−３では、これらの工程Ｓ１０４−１、Ｓ１０４−２を繰り返して、例えば６層の井戸層を含む量子井戸構造を形成した。

井戸層の成長のために好適な温度Ｔ_Ｗは、障壁層の成長のために好適な温度Ｔ_Ｂより低く、温度Ｔ_Ｗと温度Ｔ_Ｂとの差は９５度以上であることが好ましい。この方法では、半極性面上に窒化物系半導体発光素子を作製する際に、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度Ｔ_Ｗを障壁層の成長温度Ｔ_Ｂから９５度以上の差で低くすることによって、井戸層の成長におけるインジウム原子の取り込みを増加させることができる。このため、波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有する発光層を形成できる。また、障壁層の成長温度を井戸層の成長温度の９５度以上に差で高くすることによって、障壁層の結晶品質を向上させることができる。このため、発光素子の発光効率を向上できる。したがって、量子井戸構造全体としての結晶品質を向上できる。障壁層の成長温度を下げすぎると障壁層の結晶品質が悪化するので、温度Ｔ_Ｂは摂氏７４５度以上であることが好ましい。障壁層の成長温度を上げすぎると障壁層成長中に井戸層の結晶品質が悪化するので、温度Ｔ_Ｂは摂氏９００度以下であることが好ましい。また、井戸層の成長温度を下げすぎると井戸層の結晶品質が悪化するので、温度Ｔ_Ｗは摂氏６５０度以上であることが好ましい。井戸層の成長温度を上げすぎるとＩｎの取り込みが悪くなるので、温度Ｔ_Ｗは摂氏８０５度以下であることが好ましい。
必要な場合には、工程Ｓ１０５では、温度Ｔ_Ｂ、キャリアガスを主に窒素として、アンドープＧａＮ層（Ｎ２−ＧａＮ）を成長することができる。例えば膜厚は３ｎｍで、後の基板温度を上昇する工程での発光層の品質低下を防ぐために成長する。
必要な場合には、工程Ｓ１０６では、温度Ｔ_Ｂよりも高い温度、キャリアガスを主に水素として、アンドープＧａＮ層（ＨＴ−ＧａＮ）。例えば膜厚は１０ｎｍで、後に成長するｐ型ＧａＮ系半導体の結晶品質を向上させるために成長する。

次に、再度成長を中断して摂氏１０５０度に基板温度を上昇した後に、工程Ｓ１０７では、ｐ型ＧａＮ系半導体領域を成長した。キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（２．３μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２２ｍｏｌ／分）及びシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、膜厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ電子ブロック層を成長した。この後に、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（９９μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２２ｍｏｌ／分）及びシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、厚さ２５ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長した。この後に、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（６７μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２２ｍｏｌ／分）及びシクロペンタジエニルマグネシウムを導入し、厚さ２５ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。これによって、ＬＥＤエピタキシャル構造を含む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を炉内から取り出した。工程Ｓ１０８では、エピタキシャルウエハのｐ型ＧａＮ層上に４００μｍ角の半透明ｐ側電極（電極面積：１．６×１０^−３ｃｍ^２）を形成すると共に、ＧａＮウエハの裏面にｎ側電極を形成して、基板生産物を作製した。この基板生産物は、アレイ状に配列されたＬＥＤ素子を含む。

こうして作製された基板生産物のまま、ＬＥＤ素子の電気的な特性を測定した。室温でパルス電流印加を行ったところ、ピーク波長４６６ｎｍの純青色で発光した。電流値２０ｍＡ（電流密度：１２．５Ａ／ｃｍ^２）で、光出力１．０ｍＷ、外部量子効率１．６％であった。電流値２００ｍＡ（電流密度：１２５Ａ／ｃｍ^２）で、光出力７．０W、外部量子効率１．２％であった。基板生産物からＬＥＤチップを作製して、これをエポキシ樹脂でモールドし、ＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプでは、電流値２０ｍＡ（電流密度：１２．５Ａ／ｃｍ^２）で、ピーク発光波長４６６ｎｍであり、光出力が３．０ｍＷ、外部量子効率が４．８％であった。

上記の作製方法と同様にして、傾斜角３２度の半極性面を有するＧａＮウエハ上にＬＥＤ構造を作製すると共に、電極を形成した。

図５（ａ）は、本実施例におけるＬＥＤの発光波長と電流との関係を示す図面である。図５（ｂ）は、本実施例における発光スペクトルの半値全幅と電流との関係を示す図面である。半極性面上の発光素子の井戸層の厚さは５ｎｍである。

図５（ａ）を参照すると、非極性面のｍ面上の発光素子ほどではないが、極性面のｃ面上の発光素子に比べて、半極性面上の発光素子のブルーシフトが小さい。半極性面上ではピエゾ電界が抑制されているので、電流の増大に伴うピエゾ電界の遮蔽が原因の発光波長のブルーシフトが小さくなる。
図５（ｂ）を参照すると、非極性面のｍ面上の発光素子及び極性面のｃ面上の発光素子と同程度に、半極性面上の発光素子の半値全幅は小さい。このことから半極性面上でｍ面、ｃ面と同程度の発光層品質が得られることがわかる。

（実施例２）
再び図４を参照しながら、発光素子を作製する主要な工程を説明する。本実施例の作製方法では、工程Ｓ１０３の後であって工程Ｓ１０４に先立って工程Ｓ１０９を行う。このＧａＮウエハは、ｃ面からｍ軸の方向に傾斜角２５度で傾斜した主面を有していた。

工程Ｓ１０９では、ｎ型ＧａＮ層上にＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層を成長した。工程Ｓ１０４では、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層上に３層の井戸層を含む量子井戸構造を形成した。発光層の井戸層及び障壁層は、それぞれ、５ｎｍ及び１５ｎｍの厚みであった。次いで、実施例１と同様に工程を用いてｐ型ＧａＮ系半導体領域を成長して、ＬＥＤエピタキシャル構造を含むエピタキシャルウエハを作製した。

このエピタキシャルウエハを炉内から取り出した。工程Ｓ１０８では、エピタキシャルウエハのｐ型ＧａＮ層上に４００μｍ角の半透明ｐ側電極を形成すると共に、ＧａＮウエハの裏面にｎ側電極を形成して、基板生産物を作製した。この基板生産物は、アレイ状に配列されたＬＥＤ素子を含む。

こうして作製された基板生産物のまま、ＬＥＤ素子の電気的な特性を測定した。室温でパルス電流印加を行ったところ、ピーク波長４６６ｎｍの純青色で発光した。電流値２０ｍＡ（電流密度：１２．５Ａ／ｃｍ^２）で、光出力２．０ｍＷ、外部量子効率３．２％であった。電流値２００ｍＡ（電流密度：１２５Ａ／ｃｍ^２）で、光出力１４．０ｍW、外部量子効率２．４％であった。基板生産物からＬＥＤチップを作製して、これをエポキシ樹脂でモールドし、ＬＥＤランプを作製した。このＬＥＤランプでは、電流値２０ｍＡ（電流密度：１２．５Ａ／ｃｍ^２）で、ピーク発光波長４６６ｎｍであり、光出力６．０ｍＷ、外部量子効率９．６％であった。

（実施例３）
図６を参照しながら、半導体レーザ素子を作製する主要な工程を説明する。実施例１と同様に作製されたＧａＮウエハを準備した。このＧａＮウエハはｃ面からａ軸の方向に傾斜角２５度で傾斜した主面を有していた。ＧａＮウエハは、交互に配置された低欠陥密度領域及び高欠陥密度領域を含む。低欠陥密度領域及び高欠陥密度領域の各々はストライプ状を成す。低欠陥密度領域の貫通転位はｃ軸の方向に延びており、その貫通転位密度はｃ面において１×１０^６ｃｍ^−２未満であった。ＧａＮウエハ上に有機金属気相成長法で以下の手順により半導体レーザ素子を作製した。工程Ｓ１０２では、ＧａＮウエハを成長炉のサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０ｋＰａにコントロールしながら炉内にアンモニアと水素を導入して、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間のサマールクリーニングを行った。

その後、一旦成長を中断して摂氏１１００度の基板温度に上昇させた、この後に、工程Ｓ１１０では、ｎ型ＧａＮ系半導体クラッド層を成長した。キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（１１８μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（５．７μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２７ｍｏｌ／分）及びモノシランを成長炉に供給して、膜厚２３００ｎｍのｎ型Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層を成長した。

工程Ｓ１１１では、ＧａＮ系半導体光ガイド層を成長した。この光ガイド層の主面は半極性面である。成長を一旦中断して、温度を摂氏１１００度の基板温度に保ったまま、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(９９μｍｏｌ／分)、アンモニア(０．２２ｍｏｌ／分)及びモノシランを成長炉に供給して、膜厚５０ｎｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層を成長した。次に、成長を一旦中断して、摂氏８００度の基板温度に変更した後に、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(１６μｍｏｌ／分)、トリメチルインジウム(０．８７μｍｏｌ／分)、及びアンモニア(０．３６ｍｏｌ／分)を成長炉に供給して、膜厚５０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９２Ｎ光ガイド層を成長した。

次に、工程Ｓ１０４では、発光層を成長した。成長を一旦中断して、摂氏８７０度に基板温度を変更した後に、工程Ｓ１０４−１では、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルインジウム（１．６μｍｏｌ／分）及びアンモニア（０．２７ｍｏｌ／分）を成長炉に供給して、厚さ１５ｎｍのアンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ障壁層を成長した。この後に、成長を中断して、摂氏７２０度に基板温度を低下させ、工程Ｓ１０４−２では、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルインジウム（２４μｍｏｌ／分）及びアンモニア（０．３６ｍｏｌ／分）を成長炉に供給して、膜厚５ｎｍのＩｎ_０．３０Ｇａ_０．７０Ｎ井戸層を成長した。これらの工程を工程Ｓ１０４−３で繰り返して、３層の井戸層を含む量子井戸構造を形成した。キャリアガスを主に窒素とすることにより、ＩｎＧａＮ膜中へのインジウムの取り込み効率を上昇させることができる。

井戸層の成長のために好適な温度Ｔ_Ｗは、障壁層の成長のために好適な温度Ｔ_Ｂより低く、温度Ｔ_Ｗと温度Ｔ_Ｂとの差は９５度以上であることが好ましい。この方法では、半極性面上に窒化物系半導体発光素子を作製する際に、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度Ｔ_Ｗを障壁層の成長温度Ｔ_Ｂから９５度以上の差で低くすることによって、井戸層の成長におけるインジウム原子の取り込みを増加させることができる。このため、波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有する発光層を形成できる。また、障壁層の成長温度を井戸層の成長温度の９５度以上に差で高くすることによって、障壁層の結晶品質を向上させることができる。このため、発光素子の発光効率を向上できる。したがって、量子井戸構造全体としての結晶品質を向上できる。

次に、再度成長を中断して摂氏８００度に基板温度を変更した後に、工程Ｓ１１２では、ＧａＮ系半導体光ガイド層を成長した。この光ガイド層の主面は半極性面である。キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(１５．６μｍｏｌ／分)、トリメチルインジウム(０．８７μｍｏｌ／分)、及びアンモニア(０．３６ｍｏｌ／分)を成長炉に供給して、膜厚５０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９２Ｎ光ガイド層を成長した。次に、成長を一旦中断して、温度を摂氏１０５０度の基板温度に変更した後に、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(９９μｍｏｌ／分)及びアンモニア(０．２２ｍｏｌ／分)を成長炉に供給して、膜厚５０ｎｍのアンドープＧａＮ光ガイド層を成長した。

再度成長を中断して摂氏１０５０度に基板温度を保ったまま、工程Ｓ１１３では、電子ブロック層を成長した。キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（２．３μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２２ｍｏｌ／分）及びシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、膜厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ電子ブロック層を成長した。

この後に、工程Ｓ１１４では、ｐ型クラッド層を成長した。ｐ型クラッド層の表面は半極性面である。キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（４９μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（４．０μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２７ｍｏｌ／分）及びシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、厚さ４００ｎｍのｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層を成長した。

次いで、工程Ｓ１１５では、ｐ型コンタクト層を成長した。ｐ型コンタクト層の表面は半極性面である。キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（３４μｍｏｌ／分）、アンモニア（０．２２ｍｏｌ／分）及びシクロペンタジエニルマグネシウムを導入し、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長した。

これによって、半導体レーザエピタキシャル構造を含むエピタキシャルウエハＥ１が作製された。図７は、半導体レーザ素子のためのエピタキシャルウエハの構造を示す。エピタキシャルウエハＥ１は、半極性面のＧａＮウエハ５１上に設けられた以下のエピタキシャル多層膜５３を含む。エピタキシャル多層膜５３は、ｎ型クラッド層５５、ｎ側光ガイド層５７（ｎ型ＧａＮ層５７ａ、アンドープＩｎＧａＮ層５７ｂ）、発光層５９（ＩｎＧａＮ井戸層５９ａ、ＩｎＧａＮ障壁層５９ｂ）、ｐ側光ガイド層６１（アンドープＩｎＧａＮ層６１ａ、アンドープＧａＮ層６１ｂ）、電子ブロック層６３、ｐ型クラッド層６５及びｐ型コンタクト層６７を含む。

シリコン酸化膜といった絶縁膜でｐ型コンタクト層を覆った後に、絶縁膜にストライプ状の窓を形成した。ｐ型コンタクト層及び絶縁膜上に、ｐ側電極（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）を形成すると共に、ＧａＮウエハを減厚した後に、減厚したウエハ裏面のｎ側電極（例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）を形成して、基板生産物を作製した。この基板生産物は、アレイ状に配列された半導体レーザ素子を含む。工程Ｓ１１７では、この基板生産物からレーザバーを劈開で形成して、共振器のための端面ミラーを形成した。レーザバーの長さは例えば８００μｍであった。こうして作製されたレーザバーの電気的な特性を測定した。室温でパルス電流印加を行ったところ、ピーク波長４９０ｎｍの青緑色でレーザ発振した。

発明者らの様々な実験から、更に以下のことが示された。図８は、ウエハ主面における傾斜角とピーク発光波長との関係を示す図面である。測定点Ｐ１〜Ｐ４に示される発光素子は、ａ軸方向へ傾斜させたウエハ主面上に作製されており、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は摂氏７２０度である。測定点Ｐ５、Ｐ６に示される発光素子は、ｍ軸方向へ傾斜させたウエハ主面上に作製されており、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は摂氏７２０度である。測定点Ｐ７〜Ｐ１１に示される発光素子は、ａ軸方向へ傾斜させたウエハ主面上に作製されており、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は摂氏７５０度である。

特性線Ｗ_ａ７２０及びＷ_ａ７５０を参照すると、井戸層の成長温度の低下に伴って、ピーク発光波長が長波長にシフトしている。故に、井戸層の成長温度を低くすると、インジウムの取り込む量が増大される。

特性線Ｗ_ａ７２０及びＷ_ｍ７２０を参照すると、ａ軸方向への傾斜によってピーク発光波長が長波長にシフトしている。ｍ軸方向への傾斜角に比べてａ軸方向への傾斜角を大きくすることによって、長波長の発光波長を得ることができる。
測定点 傾斜角 発光波長
Ｐ１： １０ ５３９
Ｐ２： ３２ ４７４
Ｐ３： ４５ ５０６
Ｐ４： ９０ ５２４
Ｐ５： ２５ ４６９
Ｐ６： ３２ ４５２
Ｐ７： ５ ４９０
Ｐ８： １０ ４３５
Ｐ９： ３２ ４０７
Ｐ１０：４５ ４１０
Ｐ１１：９０ ４３１
である。傾斜角は「度（ｄｅｇ）」単位で表され、発光波長は「ｎｍ」単位で表されている。

１５度以上４５度未満の傾斜角を有するＧａＮウエハ主面上の発光素子では、１５度未満の傾斜角のＧａＮウエハ主面上の発光素子に比べて、ピーク発光波長が短くなった。このため、２０度以上４５度未満の傾斜角を有するＧａＮウエハ主面上の発光素子では、ピエゾ電界の影響が低減されていると考えられる。

また、同じ成長温度でＩｎＧａＮ井戸層を成長するとき、ｍ軸方向にＧａＮウエハ主面を傾斜させたＧａＮウエハ上の発光素子のピーク発光波長に比べて、ａ軸方向にＧａＮウエハ主面を傾斜させたＧａＮウエハ上の発光素子のピーク発光波長が長い。ａ軸方向への傾斜によって、井戸層の成長においてインジウムの取り込みが促進されると考えられる。

III族窒化物ウエハ、特にIII族窒化物ウエハの低転位密度領域に発光素子を作製することによって、結晶品質を向上させることができ、発光素子の発光効率、信頼性を向上させることができる。
半極性面上の発光波長４１０ｎｍ以上の発光素子では、発光波長４１０ｎｍ未満の発光素子に比べて、井戸層のインジウム組成が非常に高くなるが、井戸層の厚さの範囲を４ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることにより、井戸層のインジウム組成を０．１５以上０．４以下の範囲にでき、井戸層の結晶品質の低下に伴う発光特性の悪化を抑制することができる。

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。

１１…III族窒化物発光素子、１３…窒化ガリウム系半導体領域、１３ａ…窒化ガリウム系半導体領域主面、１５…発光層、１７、１７ａ…量子井戸構造、１９ａ…井戸層、１９ｂ…障壁層、２１…III族窒化物支持基体、２１ａ…III族窒化物支持基体主面、２１ｂ…III族窒化物支持基体裏面、２３…第１の電極、２５…窒化ガリウム系半導体領域、２７…第２の電極、２９…電子ブロック層、３１…窒化ガリウム系半導体層、３３…ｐ型コンタクト層、３５…バッファ層、３７…窒化ガリウム系半導体層、４１…エピタキシャルウエハ、４３…III族窒化物ウエハ、４５…エピタキシャル積層膜、４９…Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ層 、５３…エピタキシャル多層膜

Claims (20)

1. III族窒化物支持基体と、
   前記III族窒化物支持基体上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域と、
   波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有するように前記窒化ガリウム系半導体領域の主面上に設けられ交互の配置された井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造の発光層と
   を備え、
   前記井戸層の厚さは４ｎｍ以上であると共に、前記井戸層の厚さは１０ｎｍ以下であり、
   前記井戸層は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１５≦Ｘ＜１、Ｘは歪み組成）からなり、
   前記障壁層は、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙ＜Ｘ、Ｙは歪み組成）からなり、
   前記主面は、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上８５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した半極性面である、ことを特徴とするIII族窒化物発光素子。
2. 前記主面は｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準に１５度以上４５度以下の範囲内の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物発光素子。
3. 前記主面は、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の角度で傾斜しており、
   前記井戸層のインジウム組成Ｘは０．４未満（０．１５≦Ｘ＜０．４）である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物発光素子。
4. 前記発光層の前記量子井戸構造は、波長５５０ｎｍ以下の発光ピーク波長を有するように前記主面上に設けられている、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族窒化物発光素子。
5. 前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、
   前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第１の電極と
   を更に備え、
   前記窒化ガリウム系半導体領域はｎ導電性を有しており、
   前記III族窒化物支持基体の主面は、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上８５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜しており、
   前記窒化ガリウム系半導体領域、前記発光層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、前記III族窒化物支持基体の前記主面上に位置しており、
   前記III族窒化物支持基体は、Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる、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族窒化物発光素子。
6. 前記III族窒化物支持基体の裏面に設けられた第２の電極を更に備え、
   前記III族窒化物支持基体はｎ型導電性を有する、ことを特徴とする請求項５に記載されたIII族窒化物発光素子。
7. 前記傾斜角は、前記III族窒化物支持基体のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるａ軸の方向に規定され、
   前記傾斜角のオフ角は、ｍ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載されたIII族窒化物発光素子。
8. 前記III族窒化物支持基体のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるｍ軸の方向に交差する第１及び第２の端面を更に備え、
   前記III族窒化物発光素子は半導体レーザを含み、
   前記第１及び第２の端面は劈開面を含む、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III族窒化物発光素子。
9. 前記傾斜角は、前記III族窒化物支持基体のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるｍ軸の方向に規定され、
   前記傾斜角のオフ角は、ａ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載されたIII族窒化物発光素子。
10. 前記発光層と前記III族窒化物支持基体との間に設けられたＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０＜Ｚ＜０．１、Ｚは歪み組成）を更に備える、ことを特徴とする請求項５〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光素子。
11. 前記III族窒化物支持基体における貫通転位はｃ軸に沿って延びており、
    前記III族窒化物支持基体は、所定の貫通転位密度以上の貫通転位密度を有する第１の領域と、前記所定の貫通転位密度未満の貫通転位密度を有する第２の領域とを有しており、
    前記III族窒化物支持基体の前記第１及び第２の領域は前記主面に現れている、ことを特徴とする請求項５〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光素子。
12. 前記第２の領域の貫通転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２未満である、ことを特徴とする請求項１１に記載されたIII族窒化物発光素子。
13. III族窒化物系半導体発光素子を作製する方法であって、
    ｛０００１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した主面を有するIII族窒化物ウエハを準備する工程と、
    前記III族窒化物ウエハの前記主面上に第１導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と、
    波長４１０ｎｍ以上の発光ピーク波長を有するように前記主面上に設けられた量子井戸構造の発光層を形成する工程と、
    前記発光層上に第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と
    を備え、
    前記III族窒化物ウエハは、Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなり、
    前記発光層を形成する前記工程では、
    Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１５≦Ｘ＜０．４、Ｘは歪み組成）からなる第１の半導体層を第１の温度で成長する工程と、
    Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙ＜Ｘ、Ｙは歪み組成）からなる第２の半導体層を第２の温度で成長する工程と
    を含み、
    前記第１の温度は前記第２の温度より低く、前記第１の温度と前記第２の温度との差は９５度以上である、ことを特徴とする方法。
14. 前記III族窒化物ウエハは、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した軸の方向に成長された六方晶系Ｉｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）の結晶からスライスされており、
    前記III族窒化物ウエハの前記主面は、研磨処理されていると共に、｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準にして１５度以上４５度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準面に沿って延びる、ことを特徴とする請求項１３に記載された方法。
15. 前記III族窒化物ウエハにおける貫通転位はｃ軸に沿って延びており、
    前記III族窒化物ウエハは、所定の貫通転位密度以上の貫通転位密度を有する第１の領域と、前記所定の貫通転位密度未満の貫通転位密度を有する第２の領域とを有しており、
    前記III族窒化物ウエハの前記第１及び第２の領域は前記主面に現れている、ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載された方法。
16. 前記第２の領域の前記貫通転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２未満である、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方法。
17. 前記傾斜角は、前記III族窒化物ウエハのＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるａ軸の方向に規定され、
    前記傾斜角のオフ角は、ｍ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にある、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方法。
18. 前記傾斜角は、前記基板のＩｎ_ＳＡｌ_ＴＧａ_{１−Ｓ−Ｔ}Ｎにおけるｍ軸の方向に規定され、
    前記傾斜角のオフ角は、ａ軸に関して−１度以上＋１度以下の範囲にある、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方法。
19. 前記III族窒化物ウエハのエッジ上の２点の間隔の最大値は４５ｍｍ以上である、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方法。
20. 前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成するに先だって、アンモニアおよび水素を含むガスを供給しながら、前記III族窒化物ウエハの前記主面を熱処理する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１３〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。

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