JP2014078763A - Nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing nitride semiconductor light-emitting element - Google Patents

Nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing nitride semiconductor light-emitting element Download PDF

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孝史 京野
Yohei Shioya
陽平 塩谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light-emitting element that is provided on a semipolar plane and has a suppressed increase in a bias voltage required for light emission, and to provide a method of manufacturing the nitride semiconductor light-emitting element.SOLUTION: A multiquantum well structure of a light-emitting layer 17, which is provided above a supporting substrate composed of a hexagonal nitride semiconductor having a primary surface 13a of a semipolar plane, is composed of a well layer 17a, a well layer 17c, and a barrier layer 17b. The barrier layer 17b is provided between the well layer 17a and the well layer 17c. The well layer 17a and the well layer 17c are composed of InGaN and have an indium composition ranging from 0.15 or more to 0.50 or less. A tilt angle α of the primary surface 13a with respect to the c-plane of the hexagonal nitride semiconductor is within any one of ranges from 50 or more to 80 degrees or less and from 130 or more to 170 degrees or less. A film thickness L of the barrier layer 17b ranges from 1.0 or more to 4.5 nm or less.

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device.

特許文献1には、発光素子の量子井戸構造(MQW構造、SQW構造)における正孔の注入・拡散状態を改善し、発光効率を改善するための技術が開示されている。発光層がMQW構造の場合、正孔がp型半導体層の側からn型半導体層の側へと、該MQW構造中をより遠く移り易いように、MQW構造中の複数の障壁層のうちの少なくとも2層のバンドギャップが互いに異なるように、好ましくは多層で段階的にp型側からn型側に向かって低くなっていく部分が存在するように、MQW構造を構成する。発光層がSQW構造の場合には、p型側の障壁層を組成傾斜させ、バンドギャップがp型側からn型側に向かって低くなっていくように形成する。   Patent Document 1 discloses a technique for improving the light emission efficiency by improving the hole injection / diffusion state in the quantum well structure (MQW structure, SQW structure) of the light emitting device. In the case where the light emitting layer has an MQW structure, the holes of the plurality of barrier layers in the MQW structure are more easily moved so that holes move more easily in the MQW structure from the p-type semiconductor layer side to the n-type semiconductor layer side. The MQW structure is configured such that at least two layers have band gaps different from each other, and preferably there are multiple layers that gradually decrease from the p-type side toward the n-type side. When the light emitting layer has an SQW structure, the barrier layer on the p-type side is compositionally inclined so that the band gap decreases from the p-type side toward the n-type side.

特許文献2には、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能な、半導体発光素子を作製する方法が開示されている。まず、選択された一又は複数の傾斜角で発光層のための量子井戸構造並びにp型及びn型窒化ガリウム系半導体層を成長して形成された基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行って、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る。次に、バイアス依存性から、基板主面の選択された傾斜角の各々において発光層におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う。次に、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を見積りに基づき判断して、半導体発光素子の作製のための成長基板の面方位を選択する。半導体発光素子のための半導体積層を成長基板の主面上に形成する。   Patent Document 2 discloses a method of manufacturing a semiconductor light emitting device that can select the direction of piezo polarization in an active layer in an appropriate direction. First, measurement of photoluminescence of a substrate product formed by growing a quantum well structure for a light emitting layer and p-type and n-type gallium nitride based semiconductor layers at one or more selected tilt angles is performed. The bias dependence of the photoluminescence of the substrate product is obtained by applying a bias to the substrate. Next, from the bias dependence, the direction of piezo polarization in the light emitting layer is estimated at each of the selected tilt angles of the main surface of the substrate. Next, the plane orientation of the growth substrate for the production of the semiconductor light emitting device is selected by judging the use of either the tilt angle corresponding to the main surface of the substrate or the tilt angle corresponding to the back surface of the main surface of the substrate based on the estimation. To do. A semiconductor stack for a semiconductor light emitting device is formed on the main surface of the growth substrate.

特許文献3には、井戸層へのキャリアの注入効率が向上された窒化物系半導体発光素子が開示されている。特許文献3の窒化物半導体発光素子は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる基板と、基板の主面に設けられたn型窒化ガリウム系半導体領域と、このn型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた単一量子井戸構造の発光層と、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を備える。発光層は、n型窒化ガリウム系半導体領域とp型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられており、井戸層とバリア層及びバリア層とを含む。
井戸層は、InGaNである。基板の主面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のc軸方向に直交する面から63度以上80度以下または100度以上117度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びている。
Patent Document 3 discloses a nitride-based semiconductor light-emitting device in which the efficiency of carrier injection into the well layer is improved. The nitride semiconductor light emitting device of Patent Document 3 includes a substrate made of a hexagonal gallium nitride semiconductor, an n-type gallium nitride semiconductor region provided on the main surface of the substrate, and an n-type gallium nitride semiconductor region on the n-type gallium nitride semiconductor region. A light emitting layer having a single quantum well structure provided; and a p-type gallium nitride based semiconductor region provided on the light emitting layer. The light emitting layer is provided between the n-type gallium nitride semiconductor region and the p-type gallium nitride semiconductor region, and includes a well layer, a barrier layer, and a barrier layer.
The well layer is InGaN. The main surface of the substrate extends along a reference plane inclined at an inclination angle in a range of 63 degrees to 80 degrees or 100 degrees to 117 degrees from a plane orthogonal to the c-axis direction of the hexagonal gallium nitride semiconductor. ing.

非特許文献1には、青緑色レーザを発する多重量子井戸構造を有するLEDが開示されている。非特許文献1のLEDは、m面上に形成されている。非特許文献2には、緑色レーザを発する多重量子井戸構造を有するLDが開示されている。非特許文献2のLDは、(20−21)面上に形成されている。   Non-Patent Document 1 discloses an LED having a multiple quantum well structure that emits a blue-green laser. The LED of Non-Patent Document 1 is formed on the m-plane. Non-Patent Document 2 discloses an LD having a multiple quantum well structure that emits a green laser. The LD of Non-Patent Document 2 is formed on the (20-21) plane.

特開2002−270894号公報JP 2002-270894 A 特開2011−77395号公報JP 2011-77395 A 特開2011−40709号公報JP 2011-40709 A

“Characterization of blue-green m-plane InGaN light emitting diodes”、You-DaLin, Arpan Chakraborty, Stuart Brinkley, Hsun Chih Kuo, Thiago Melo, Kenji Fujito, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura、Applied Physics Letters 94、261108 (2009)。“Characterization of blue-green m-plane InGaN light emitting diodes”, You-DaLin, Arpan Chakraborty, Stuart Brinkley, Hsun Chih Kuo, Thiago Melo, Kenji Fujito, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura, Applied Physics Letters 94, 261108 (2009). “High Quality InGaN/AlGaN Multiple Quantum Wells for Semipolar InGaN Green Laser Diodes”、You-Da Lin, Shuichiro Yamamoto, Chia-Yen Huang, Chia-Lin Hsiung, Feng Wu, Kenji Fujito, Hiroaki Ohta, JamesS. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura、AppliedPhysics Express 3、(2010) 082001。“High Quality InGaN / AlGaN Multiple Quantum Wells for Semipolar InGaN Green Laser Diodes”, You-Da Lin, Shuichiro Yamamoto, Chia-Yen Huang, Chia-Lin Hsiung, Feng Wu, Kenji Fujito, Hiroaki Ohta, JamesS. Speck, Steven P DenBaars, and Shuji Nakamura, Applied Physics Express 3, (2010) 082001.

特許文献1〜3、及び、非特許文献1,2等には、多様な複数の量子井戸構造が示されている。しかしながら、半極性面の上に設けられる量子井戸構造は、c面の上に設けられる量子井戸構造とは異なった歪や極性を有する。このような量子井戸構造の性質の違いは、半極性面の上に設けられる量子井戸構造のバンド構造に、c面上とは異なる歪みを与えるので、量子井戸構造における電子の注入効率が低下する場合がある。電子の注入効率の低下は、発光に必要なバイアス電圧の上昇を招く。そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、半極性面上に設けられ発光に必要なバイアス電圧の上昇が抑制された窒化物半導体発光素子と、この窒化物半導体発光素子の作製方法とを提供することである。   Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Documents 1 and 2 show various quantum well structures. However, the quantum well structure provided on the semipolar plane has different strain and polarity from the quantum well structure provided on the c-plane. Such a difference in properties of the quantum well structure imparts a strain different from that on the c-plane to the band structure of the quantum well structure provided on the semipolar plane, thereby reducing the electron injection efficiency in the quantum well structure. There is a case. A decrease in electron injection efficiency causes an increase in bias voltage necessary for light emission. Accordingly, an object of the present invention has been made in view of the above matters, a nitride semiconductor light-emitting element provided on a semipolar plane in which an increase in bias voltage necessary for light emission is suppressed, and the nitride semiconductor And a method for manufacturing a light-emitting element.

六方晶系窒化物半導体のc面の上に設けられる従来のInGaNの量子井戸構造には、例えば5nm以上20nm以下の膜厚のバリア層が用いられる。特に、比較的に長い波長の光を発する発光素子の場合、井戸層のインジウム組成も比較的に高いので、バリア層の膜厚が比較的に厚い方が好ましい。井戸層の結晶品質は、インジウム組成が比較的に高い場合に低下するが、バリア層の成長に伴って、結晶表面の性状が整えられる等によって、結晶品質が回復されるからである。このような事情によって、発明者は、半極性面の上に量子井戸構造を有する発光素子を作製する場合に、当初、c面の上に量子井戸構造を有する発光素子と同様に、15nm程度の厚みのバリア層を有する多重量子井戸構造の発光層を形成した。しかし、半極性面の上に量子井戸構造を有する発光素子の場合には、比較的に高いバイアス電圧が発光に必要となることが判明した。   For a conventional InGaN quantum well structure provided on the c-plane of a hexagonal nitride semiconductor, a barrier layer having a thickness of, for example, 5 nm to 20 nm is used. In particular, in the case of a light-emitting element that emits light having a relatively long wavelength, the indium composition of the well layer is also relatively high, so that the barrier layer is preferably relatively thick. The crystal quality of the well layer is lowered when the indium composition is relatively high, but the crystal quality is recovered by adjusting the properties of the crystal surface along with the growth of the barrier layer. Due to such circumstances, when the inventor manufactures a light-emitting element having a quantum well structure on a semipolar plane, the inventor initially has a thickness of about 15 nm as in the case of a light-emitting element having a quantum well structure on a c-plane. A light emitting layer having a multiple quantum well structure having a barrier layer with a thickness was formed. However, in the case of a light emitting device having a quantum well structure on a semipolar plane, it has been found that a relatively high bias voltage is required for light emission.

そこで、発明者は、このような比較的に高いバイアス電圧が発光に必要となる原因を解明するために、バイアス電圧を印加している状態においてPL(Photo Luminescence)を測定する等の方法によって、InGaNの量子井戸構造の結晶面の光物性を調べた。この結果、発明者は、当該半極性面の上に設けられたInGaNの量子井戸構造の井戸層のピエゾ分極の向きは、c面の上に設けられたInGaNの量子井戸構造の井戸層のピエゾ分極の向きと反対になっていることを見出した。そして、発明者は、半極性面の上に設けられたInGaNの井戸層のピエゾ分極の向きがc面の上に設けられたInGaNの井戸層のピエゾ分極の向きと反対になっている、という現象が、InGaNの量子井戸構造内における電子の注入効率を低下させ、よって、発光に必要なバイアス電圧の上昇を招く、ということを見出した。なお、このようなInGaNの量子井戸構造内における電子の注入効率についての課題は、従来のc面上に設けられたInGaNの量子井戸構造においては、c面上に設けられたInGaNの井戸層のピエゾ分極の向きがInGaNの量子井戸構造内における電子の注入を低下させる向きではないこと、及び、正孔は、元々、バンドオフセットが小さいので、このようなピエゾ分極が関連する注入効率に対する影響が比較的に小さいこと、等の理由によって、一般には認識されていなかった。   Therefore, in order to elucidate the reason why such a relatively high bias voltage is necessary for light emission, the inventor measures PL (Photo Luminescence) in a state where a bias voltage is applied, and the like. The optical properties of the crystal plane of the InGaN quantum well structure were investigated. As a result, the inventor found that the direction of piezo polarization of the well layer of the InGaN quantum well structure provided on the semipolar plane is the same as that of the well layer of the InGaN quantum well structure provided on the c plane. We found that it was opposite to the direction of polarization. The inventor says that the direction of piezo polarization of the InGaN well layer provided on the semipolar plane is opposite to the direction of piezo polarization of the InGaN well layer provided on the c plane. It has been found that the phenomenon reduces the efficiency of electron injection in the InGaN quantum well structure, and thus increases the bias voltage required for light emission. The problem with the electron injection efficiency in such an InGaN quantum well structure is that the conventional InGaN quantum well structure provided on the c-plane has the problem of the InGaN well layer provided on the c-plane. The direction of piezo polarization is not intended to reduce the injection of electrons in the InGaN quantum well structure, and since holes originally have a small band offset, there is an effect on the injection efficiency associated with such piezo polarization. For reasons such as being relatively small, it was not generally recognized.

一方、発明者は、ある傾斜角の半極性面上に設けられるInGaNの多重量子井戸構造の場合、インジウムの取り込みやInGaNの成長モードが高品質化に有利に働き、比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しても、結晶品質を大きく低下させずに成長できる、というInGaN結晶の特質を見出した。発明者は、このInGaN結晶の特質によって、c面の上では結晶性の回復効果が不十分で発光効率が劣化するような薄い膜厚のバリア層を有するInGaNの量子井戸構造であっても、半極性面上であれば、発光効率の劣化が生じない比較的に高い結晶品質の量子井戸構造を成長させることができることを見出した。発明者は、半極性面上に設けられたInGaNの多重量子井戸構造のバリア層の膜厚と、この量子井戸構造の結晶品質との関係を、鋭意、検証した。この検証の結果、発明者は、井戸層の膜厚と同オーダーの比較的に薄い膜厚のバリア層でも、半極性面上に設けられている場合には、結晶性を反映するPL発光強度が低下せずに、良好な結晶品質を維持できることを確認した。更に発明者は、井戸層の膜厚と同オーダーの比較的に薄い膜厚のバリア層を有し半極性面上に設けられたInGaNの量子井戸構造の発光素子を実際に作製し、発光に必要なバイアス電圧の低減、発光波長の半値幅の低減、発光効率の向上、等の効果が発現し、キャリア注入効率が改善されたことを確認した。   On the other hand, in the case of an InGaN multiple quantum well structure provided on a semipolar surface with a certain tilt angle, the inventor has a relatively high indium composition because the indium uptake and InGaN growth mode are advantageous for high quality. We have also found the characteristics of InGaN crystals that the well layer can be grown without greatly degrading the crystal quality. Due to the characteristics of this InGaN crystal, the inventor has an InGaN quantum well structure having a barrier layer with a thin film thickness so that the crystallinity recovery effect is insufficient on the c-plane and the light emission efficiency deteriorates. It has been found that a quantum well structure having a relatively high crystal quality can be grown on the semipolar plane without causing deterioration in luminous efficiency. The inventors diligently verified the relationship between the thickness of the barrier layer of the InGaN multiple quantum well structure provided on the semipolar plane and the crystal quality of the quantum well structure. As a result of this verification, the inventor found that even when a barrier layer having a relatively thin thickness of the same order as that of the well layer is provided on the semipolar plane, the PL emission intensity reflecting the crystallinity is reflected. It was confirmed that good crystal quality could be maintained without lowering. Furthermore, the inventor actually fabricated a light-emitting element having an InGaN quantum well structure having a relatively thin barrier layer of the same order as the thickness of the well layer and provided on the semipolar plane, to emit light. It was confirmed that the carrier injection efficiency was improved by producing the effects such as reduction of the required bias voltage, reduction of the half width of the emission wavelength, and improvement of the emission efficiency.

本発明の下記の複数の側面は、半極性面の上に設けられたInGaNの多重量子井戸構造に対し発明者が得た上記の知見に基づいてなされた。   The following aspects of the present invention have been made based on the above findings obtained by the inventors for an InGaN multiple quantum well structure provided on a semipolar surface.

本発明に係る第1の側面は、窒化物半導体発光素子に関する発明であり、六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のc面から予め規定された方向に傾斜した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たn型窒化ガリウム系半導体層と、前記n型窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、前記発光層上に設けられたp型窒化ガリウム系半導体層と、を備え、前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、前記多重量子井戸構造は、少なくとも二つの井戸層と、少なくとも一つのバリア層とからなり、前記バリア層は、前記二つの井戸層の間に設けられ、前記二つの井戸層は、InGaNからなり、前記二つの井戸層は、0.15以上0.50以下の範囲にある第1のインジウム組成を有し、前記c面に対する前記主面の傾斜角は、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にある、ことを特徴とする。   A first aspect according to the present invention is an invention related to a nitride semiconductor light emitting device, which is made of a hexagonal nitride semiconductor, and is a main surface inclined in a predetermined direction from the c-plane of the hexagonal nitride semiconductor. A n-type gallium nitride-based semiconductor layer provided on the main surface of the support substrate, a light-emitting layer formed on the n-type gallium nitride-based semiconductor layer and made of a gallium nitride-based semiconductor, A p-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the light emitting layer, wherein the light emitting layer has a multiple quantum well structure, and the multiple quantum well structure includes at least two well layers and at least one well layer. The barrier layer is provided between the two well layers, the two well layers are made of InGaN, and the two well layers are in the range of 0.15 to 0.50. The first in The inclination angle of the main surface with respect to the c-plane is in a range of 50 degrees or more and 80 degrees or less and a range of 130 degrees or more and 170 degrees or less, The film thickness is in the range of 1.0 nm to 4.5 nm.

本発明の第1の側面に係る窒化物半導体発光素子の支持基体の主面は、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、本発明の第1の側面に係る窒化物半導体発光素子は、この主面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、c面上に設けられた井戸層に生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、c面上とは異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層における電子の注入効率が低下する。しかし、本発明の第1の側面に係る窒化物半導体発光素子のバリア層の膜厚は、比較的に薄く、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にあるので、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなり、バンド構造に歪みが生じていても、発光層における電子の注入効率が改善できる。   The main surface of the support substrate of the nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention has a semipolarity in a range of 50 ° to 80 ° and a range of 130 ° to 170 °. The nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention has a light emitting layer having a multiple quantum well structure provided on the main surface. The direction of piezo polarization generated in the well layer of the multiple quantum well structure provided on such a semipolar plane is opposite to the direction of piezo polarization generated in the well layer provided on the c plane, Therefore, a strain different from that on the c-plane is generated in the band structure of the multiple quantum well structure provided on the semipolar plane. Due to the distortion of the band structure, the electron injection efficiency in the light emitting layer is lowered. However, since the thickness of the barrier layer of the nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention is relatively thin and is in the range of 1.0 nm to 4.5 nm, electrons are energy barriers of the barrier layer. The electron injection efficiency in the light emitting layer can be improved even when the band structure is distorted.

更に、本発明の第1の側面に係る窒化物半導体発光素子の二つの井戸層は、比較的に高い、0.15以上0.50以下の範囲にある第1のインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しては、バリア層の結晶性を低下させないようにするために比較的に厚い膜厚のバリア層が望ましいと考えられるが、本発明の第1の側面に係る窒化物半導体発光素子の発光層(多重量子井戸構造)はInGaNの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、1.0nm以上4.5nm以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層であっても結晶性を整えることができ、発光層の結晶品質は維持できる。なお、バリア層の膜厚が1.0nm未満の場合、結晶性の回復が不十分となり、発光層の結晶性が低下する場合がある。   Furthermore, the two well layers of the nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention have a relatively high first indium composition in the range of 0.15 to 0.50. For such a well layer having a relatively high indium composition, it is considered that a relatively thick barrier layer is desirable so as not to lower the crystallinity of the barrier layer. Since the light emitting layer (multiple quantum well structure) of the nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect is provided on a semipolar surface in an angular range where indium uptake and growth modes are suitable for InGaN growth. Even if the barrier layer has a relatively thin film thickness in the range of 1.0 nm to 4.5 nm, the crystallinity can be adjusted, and the crystal quality of the light emitting layer can be maintained. In addition, when the film thickness of a barrier layer is less than 1.0 nm, crystallinity recovery | restoration becomes inadequate and the crystallinity of a light emitting layer may fall.

本発明の第1の側面では、前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に0.50nmを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から0.50nmを差し引いた値以上である、ことが好ましい。バリア層の膜厚は、井戸層の膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。   In the first aspect of the present invention, the thickness of the barrier layer is not more than a value obtained by adding 0.50 nm to the thickness of the well layer, and 0.50 nm is subtracted from the thickness of the well layer. It is preferable that it is more than the value. The film thickness of the barrier layer is approximately the same as the film thickness of the well layer. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, electrons easily move over the energy barrier of the barrier layer and move to the adjacent well layer. Reduction of electron injection efficiency is suppressed.

本発明の第1の側面では、前記バリア層は、InGaNからなり、前記バリア層は、0.01以上0.10以下の範囲にある第2のインジウム組成を有する、ことが好ましい。バリア層の第2のインジウム組成が0.01以上0.10以下の範囲にあるので、バリア層のバンドギャップが低減される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。バリア層の第2のインジウム組成が0.10を超えるとき、バリア層及び発光層の結晶性が低下する場合がある。   In the first aspect of the present invention, it is preferable that the barrier layer is made of InGaN, and the barrier layer has a second indium composition in a range of 0.01 to 0.10. Since the second indium composition of the barrier layer is in the range of 0.01 to 0.10, the band gap of the barrier layer is reduced. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the electrons easily get over the energy barrier of the barrier layer, thereby suppressing the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer. Is done. When the 2nd indium composition of a barrier layer exceeds 0.10, the crystallinity of a barrier layer and a light emitting layer may fall.

本発明の第1の側面では、前記n型窒化ガリウム系半導体層は、InGaN層を有し、前記InGaN層上に前記発光層が設けられ、前記n型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記InGaN層の前記支持基体側の表面にミスフィット転位が存在し、前記ミスフィット転位は、前記InGaN層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のc軸を含む基準面と前記InGaN層の前記表面とが共有する基準軸と、前記c軸とに直交する方向に延びており、前記ミスフィット転位の密度は、5×10cm−1以上1×10cm−1以下の範囲にある、ことが好ましい。支持基体と発光層との間にInGaN層が設けられており、このInGaN層の支持基体側の表面には比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このInGaN層によって、支持基体上の歪が緩和されるので、井戸層が内包する歪も、低減される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が1×10cm−1を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。 In the first aspect of the present invention, the n-type gallium nitride based semiconductor layer has an InGaN layer, the light emitting layer is provided on the InGaN layer, and the InGaN in the n-type gallium nitride based semiconductor layer is provided. Misfit dislocations exist on the surface of the support substrate side of the layer, and the misfit dislocations are perpendicular to the surface of the InGaN layer and include a reference plane including the c-axis of the hexagonal nitride semiconductor and the InGaN layer. The surface extends in a direction perpendicular to the reference axis shared by the surface and the c-axis, and the density of the misfit dislocations is in the range of 5 × 10 3 cm −1 to 1 × 10 5 cm −1. It is preferable that there is. An InGaN layer is provided between the support substrate and the light emitting layer, and relatively high density misfit dislocations are generated on the surface of the InGaN layer on the support substrate side. Therefore, since the strain on the support substrate is relieved by this InGaN layer, the strain included in the well layer is also reduced. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezo polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the piezo polarization is reduced, and the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer is suppressed. When the density of misfit dislocations exceeds 1 × 10 5 cm −1 , the bad influence of defects may also affect the light emitting layer and cause a decrease in light emission efficiency.

本発明の第1の側面では、前記InGaN層は、0.03以上0.05以下の範囲にある第3のインジウム組成を有する、ことが好ましい。支持基体と発光層との間に設けられ、支持基体上の歪を緩和するInGaN層のインジウム組成が0.03以上0.05以下の範囲にあるので、支持基体上の歪が十分に緩和される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。InGaN層の第3のインジウム組成が0.05を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。   In the first aspect of the present invention, the InGaN layer preferably has a third indium composition in the range of 0.03 to 0.05. Since the indium composition of the InGaN layer that is provided between the support substrate and the light emitting layer and relaxes the strain on the support substrate is in the range of 0.03 to 0.05, the strain on the support substrate is sufficiently relaxed. The Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer is effectively suppressed. When the third indium composition of the InGaN layer exceeds 0.05, the density of misfit dislocations becomes too high, and the light emission efficiency may be reduced.

本発明の第1の側面では、前記第2のインジウム組成は、前記p型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記n型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成は、p型窒化ガリウム系半導体層の側からn型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって増加しているので、n型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成がp型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層のバンドギャップが、n型窒化ガリウム系半導体層の側において、低減される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。   In the first aspect of the present invention, the second indium composition increases from the p-type gallium nitride semiconductor layer side toward the n-type gallium nitride semiconductor layer side. preferable. Since the indium composition of the barrier layer increases from the p-type gallium nitride semiconductor layer side toward the n-type gallium nitride semiconductor layer side, the indium composition on the n-type gallium nitride semiconductor layer side is p-type. The band gap of the barrier layer is reduced on the n-type gallium nitride semiconductor layer side as compared with the case of the same indium composition on the gallium nitride semiconductor layer side. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, by changing the band gap of the barrier layer so as to relieve the distortion, electrons can be converted into energy of the barrier layer. Since it becomes easy to get over the barrier, reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer is suppressed.

本発明の第1の側面では、前記c面に対する前記主面の傾斜角は、63度以上80度以下の範囲にある、ことが好ましい。主面の傾斜角が63度以上80度以下の範囲にあるとき、特にInGaNの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。   In the first aspect of the present invention, it is preferable that an inclination angle of the main surface with respect to the c-plane is in a range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees. When the inclination angle of the main surface is in the range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees, indium incorporation and growth modes are particularly suitable for the growth of InGaN, so that the crystallinity can be recovered even in a thin barrier layer. And reduction in luminous efficiency can be suppressed. As a result, it is possible to provide excellent electron injection efficiency without causing a decrease in light emission efficiency.

本発明の第1の側面では、前記第1のインジウム組成は、0.24以上0.40以下の範囲にある、ことが好ましい。井戸層のインジウム組成が0.24以上0.40以下の範囲にあるので、発光層は、500nm以上570nm以下の発光波長の光を発する。このように、井戸層のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層とバリア層とのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。   In the first aspect of the present invention, it is preferable that the first indium composition is in a range of 0.24 to 0.40. Since the indium composition of the well layer is in the range of 0.24 to 0.40, the light emitting layer emits light having an emission wavelength of 500 nm to 570 nm. In this way, when the indium composition of the well layer is relatively large, the band offset between the well layer and the barrier layer is relatively large, so the influence of the distortion of the band structure due to piezo polarization becomes significant. In this case, the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer can be sufficiently suppressed.

本発明の第1の側面では、前記第2のインジウム組成は、0.01以上0.06以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成が0.01以上0.06以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。   In the first aspect of the present invention, it is preferable that the second indium composition is in a range of 0.01 to 0.06. Since the indium composition of the barrier layer is in the range of 0.01 to 0.06, the decrease in crystallinity is sufficiently suppressed.

本発明の第1の側面では、前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上3.5nm以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層の膜厚が1.0nm以上3.5nm以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。   In the first aspect of the present invention, the thickness of the barrier layer is preferably in the range of 1.0 nm to 3.5 nm. Since the thickness of the barrier layer is in the range of 1.0 nm to 3.5 nm, it is relatively thin. Therefore, even if the band structure is distorted, the electrons easily move over the energy barrier of the barrier layer and move to the adjacent well layer, so that the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer can be sufficiently suppressed.

本発明の第2の側面は、窒化物半導体発光素子の製造方法に関する発明であり、六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のc面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する基板を用意する工程と、前記基板の前記主面上にn型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、前記n型窒化ガリウム系半導体層上に、窒化ガリウム系半導体からなる発光層を成長する工程と、前記発光層上にp型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、を備え、前記発光層は、少なくとも第1の井戸層及び第2の井戸層と、少なくとも一つのバリア層とを有し、前記発光層を成長する工程では、前記n型窒化ガリウム系半導体層上において、前記第1の井戸層、前記バリア層、前記第2の井戸層を順に成長し、前記第1の井戸層及び前記第2の井戸層は、InGaNからなり、前記第1の井戸層及び前記第2の井戸層は、0.15以上0.50以下の範囲にある第1のインジウム組成を有し、前記c面に対する前記主面の傾斜角は、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にある、ことを特徴とする。   A second aspect of the present invention is an invention relating to a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, which is made of a hexagonal nitride semiconductor and is inclined in a predetermined direction from the c-plane of the hexagonal nitride semiconductor. A step of preparing a substrate having a main surface; a step of growing an n-type gallium nitride-based semiconductor layer on the main surface of the substrate; and light emission comprising a gallium nitride-based semiconductor on the n-type gallium nitride-based semiconductor layer And a step of growing a p-type gallium nitride based semiconductor layer on the light emitting layer, the light emitting layer comprising at least a first well layer and a second well layer, In the step of growing the light emitting layer, the first well layer, the barrier layer, and the second well layer are sequentially grown on the n-type gallium nitride semiconductor layer, A first well layer and said The second well layer is made of InGaN, and the first well layer and the second well layer have a first indium composition in a range of 0.15 or more and 0.50 or less, with respect to the c-plane. The inclination angle of the main surface is in the range of 50 ° to 80 ° and 130 ° to 170 °, and the thickness of the barrier layer is 1.0 nm to 4. It is characterized by being in the range of 5 nm or less.

本発明の第2の側面に係る窒化物半導体発光素子の支持基体の主面は、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、本発明の第2の側面に係る窒化物半導体発光素子は、この主面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、c面上に設けられた井戸層に生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、c面上とな異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層における電子の注入効率が低下する。しかし、本発明の第2の側面に係る窒化物半導体発光素子のバリア層の膜厚は、比較的に薄く、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にあるので、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなり、バンド構造に歪みが生じていても、発光層における電子の注入効率が改善できる。   The main surface of the support base of the nitride semiconductor light emitting device according to the second aspect of the present invention has a semipolarity in the range of 50 ° to 80 ° and the range of 130 ° to 170 °. The nitride semiconductor light emitting device according to the second aspect of the present invention has a light emitting layer having a multiple quantum well structure provided on the main surface. The direction of piezo polarization generated in the well layer of the multiple quantum well structure provided on such a semipolar plane is opposite to the direction of piezo polarization generated in the well layer provided on the c plane, Therefore, in the band structure of the multiple quantum well structure provided on the semipolar plane, different strains are generated on the c plane. Due to the distortion of the band structure, the electron injection efficiency in the light emitting layer is lowered. However, since the thickness of the barrier layer of the nitride semiconductor light emitting device according to the second aspect of the present invention is relatively thin and is in the range of 1.0 nm to 4.5 nm, electrons are energy barriers of the barrier layer. The electron injection efficiency in the light emitting layer can be improved even when the band structure is distorted.

更に、本発明の第2の側面に係る窒化物半導体発光素子の二つの井戸層は、比較的に高い、0.15以上0.50以下の範囲にある第1のインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しては、バリア層の結晶性を低下させないようにするために比較的に厚い膜厚のバリア層が望ましいと考えられるが、本発明の第2の側面に係る窒化物半導体発光素子の発光層(多重量子井戸構造)はInGaNの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、1.0nm以上4.5nm以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層であっても結晶性を整えることができ、発光層の結晶品質は維持できる。なお、バリア層の膜厚が1.0nm未満の場合、結晶性の回復が不十分となり、発光層の結晶性が低下する場合がある。   Furthermore, the two well layers of the nitride semiconductor light emitting device according to the second aspect of the present invention have a relatively high first indium composition in the range of 0.15 to 0.50. For such a well layer having a relatively high indium composition, it is considered that a relatively thick barrier layer is desirable so as not to lower the crystallinity of the barrier layer. Since the light emitting layer (multiple quantum well structure) of the nitride semiconductor light emitting device according to the second aspect is provided on a semipolar surface in an angle range in which indium incorporation and growth modes are suitable for InGaN growth. Even if the barrier layer has a relatively thin film thickness in the range of 1.0 nm to 4.5 nm, the crystallinity can be adjusted, and the crystal quality of the light emitting layer can be maintained. In addition, when the film thickness of a barrier layer is less than 1.0 nm, crystallinity recovery | restoration becomes inadequate and the crystallinity of a light emitting layer may fall.

本発明の第2の側面では、前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に0.50nmを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から0.50nmを差し引いた値以上である、ことが好ましい。バリア層の膜厚は、井戸層の膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。   In the second aspect of the present invention, the thickness of the barrier layer is not more than a value obtained by adding 0.50 nm to the thickness of the well layer, and 0.50 nm is subtracted from the thickness of the well layer. It is preferable that it is more than the value. The film thickness of the barrier layer is approximately the same as the film thickness of the well layer. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, electrons easily move over the energy barrier of the barrier layer and move to the adjacent well layer. Reduction of electron injection efficiency is suppressed.

本発明の第2の側面では、前記バリア層は、InGaNからなり、前記バリア層は、0.01以上0.10以下の範囲にある第2のインジウム組成を有する、ことが好ましい。バリア層の第2のインジウム組成が0.01以上0.10以下の範囲にあるので、バリア層のバンドギャップが低減される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。バリア層の第2のインジウム組成が0.10を超えるとき、バリア層及び発光層の結晶性が低下する場合がある。   In the second aspect of the present invention, it is preferable that the barrier layer is made of InGaN, and the barrier layer has a second indium composition in the range of 0.01 to 0.10. Since the second indium composition of the barrier layer is in the range of 0.01 to 0.10, the band gap of the barrier layer is reduced. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the electrons easily get over the energy barrier of the barrier layer, thereby suppressing the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer. Is done. When the 2nd indium composition of a barrier layer exceeds 0.10, the crystallinity of a barrier layer and a light emitting layer may fall.

本発明の第2の側面では、前記n型窒化ガリウム系半導体層は、InGaN層を有し、前記InGaN層上に前記発光層が設けられ、前記n型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記InGaN層の前記基板側の表面にミスフィット転位が存在し、前記ミスフィット転位は、前記InGaN層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のc軸を含む基準面と前記InGaN層の前記表面とが共有する基準軸と、前記c軸とに直交する方向に延びており、前記ミスフィット転位の密度は、5×10cm−1以上1×10cm−1以下の範囲にある、ことが好ましい。基板と発光層との間にInGaN層が設けられており、このInGaN層の基板側の表面には比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このInGaN層によって、基板上の歪が緩和されるので、井戸層が内包する歪も、低減される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が1×10cm−1を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。 In the second aspect of the present invention, the n-type gallium nitride based semiconductor layer has an InGaN layer, the light emitting layer is provided on the InGaN layer, and the InGaN in the n-type gallium nitride based semiconductor layer is provided. Misfit dislocations exist on the substrate-side surface of the layer, and the misfit dislocations are perpendicular to the surface of the InGaN layer and include the reference plane including the c-axis of the hexagonal nitride semiconductor and the InGaN layer The surface extends in a direction orthogonal to the reference axis shared by the surface and the c-axis, and the density of the misfit dislocations is in the range of 5 × 10 3 cm −1 to 1 × 10 5 cm −1. Is preferable. An InGaN layer is provided between the substrate and the light emitting layer, and relatively high density misfit dislocations are generated on the surface of the InGaN layer on the substrate side. Therefore, since the strain on the substrate is relieved by this InGaN layer, the strain included in the well layer is also reduced. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezo polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the piezo polarization is reduced, and the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer is suppressed. When the density of misfit dislocations exceeds 1 × 10 5 cm −1 , the bad influence of defects may also affect the light emitting layer and cause a decrease in light emission efficiency.

本発明の第2の側面では、前記InGaN層は、0.03以上0.05以下の範囲にある第3のインジウム組成を有する、ことが好ましい。基板と発光層との間に設けられ、基板上の歪を緩和するInGaN層のインジウム組成が0.03以上0.05以下の範囲にあるので、基板上の歪が十分に緩和される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。InGaN層の第3のインジウム組成が0.05を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。   In the second aspect of the present invention, it is preferable that the InGaN layer has a third indium composition in a range of 0.03 to 0.05. Since the indium composition of the InGaN layer that is provided between the substrate and the light emitting layer and relaxes the strain on the substrate is in the range of 0.03 or more and 0.05 or less, the strain on the substrate is sufficiently relaxed. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer is effectively suppressed. When the third indium composition of the InGaN layer exceeds 0.05, the density of misfit dislocations becomes too high, and the light emission efficiency may be reduced.

本発明の第2の側面では、前記第2のインジウム組成は、前記p型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記n型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成は、p型窒化ガリウム系半導体層の側からn型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって増加しているので、n型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成がp型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層のバンドギャップが、n型窒化ガリウム系半導体層の側において、低減される。よって、発光層のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。   In the second aspect of the present invention, the second indium composition increases from the p-type gallium nitride semiconductor layer side toward the n-type gallium nitride semiconductor layer side. preferable. Since the indium composition of the barrier layer increases from the p-type gallium nitride semiconductor layer side toward the n-type gallium nitride semiconductor layer side, the indium composition on the n-type gallium nitride semiconductor layer side is p-type. The band gap of the barrier layer is reduced on the n-type gallium nitride semiconductor layer side as compared with the case of the same indium composition on the gallium nitride semiconductor layer side. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, by changing the band gap of the barrier layer so as to relieve the distortion, electrons can be converted into energy of the barrier layer. Since it becomes easy to get over the barrier, reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer is suppressed.

本発明の第2の側面では、前記c面に対する前記主面の傾斜角は、63度以上80度以下の範囲にある、ことが好ましい。主面の傾斜角が63度以上80度以下の範囲にあるとき、特にInGaNの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。   In the second aspect of the present invention, it is preferable that an inclination angle of the main surface with respect to the c-plane is in a range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees. When the inclination angle of the main surface is in the range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees, indium incorporation and growth modes are particularly suitable for the growth of InGaN, so that the crystallinity can be recovered even in a thin barrier layer. And reduction in luminous efficiency can be suppressed. As a result, it is possible to provide excellent electron injection efficiency without causing a decrease in light emission efficiency.

本発明の第2の側面では、前記第1のインジウム組成は、0.24以上0.40以下の範囲にある、ことが好ましい。井戸層のインジウム組成が0.24以上0.40以下の範囲にあるので、発光層は、500nm以上570nm以下の発光波長の光を発する。このように、井戸層のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層とバリア層とのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。   In the second aspect of the present invention, it is preferable that the first indium composition is in a range of 0.24 to 0.40. Since the indium composition of the well layer is in the range of 0.24 to 0.40, the light emitting layer emits light having an emission wavelength of 500 nm to 570 nm. In this way, when the indium composition of the well layer is relatively large, the band offset between the well layer and the barrier layer is relatively large, so the influence of the distortion of the band structure due to piezo polarization becomes significant. In this case, the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer can be sufficiently suppressed.

本発明の第2の側面では、前記第2のインジウム組成は、0.01以上0.06以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成が0.01以上0.06以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。   In the second aspect of the present invention, it is preferable that the second indium composition is in a range of 0.01 to 0.06. Since the indium composition of the barrier layer is in the range of 0.01 to 0.06, the decrease in crystallinity is sufficiently suppressed.

本発明の第2の側面では、前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上3.5nm以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層の膜厚が1.0nm以上3.5nm以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。   In the second aspect of the present invention, the thickness of the barrier layer is preferably in the range of 1.0 nm to 3.5 nm. Since the thickness of the barrier layer is in the range of 1.0 nm to 3.5 nm, it is relatively thin. Therefore, even if the band structure is distorted, the electrons easily move over the energy barrier of the barrier layer and move to the adjacent well layer, so that the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer can be sufficiently suppressed.

本発明によれば、半極性面上に設けられ発光に必要なバイアス電圧の上昇が抑制された窒化物半導体発光素子と、この窒化物半導体発光素子の作製方法とが提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nitride semiconductor light-emitting device which was provided on the semipolar surface and the raise of the bias voltage required for light emission was suppressed, and the manufacturing method of this nitride semiconductor light-emitting device can be provided.

図1は、実施形態に係る発光素子の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a light emitting device according to an embodiment. 図2は、実施形態に係る発光素子の効果を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the effect of the light emitting device according to the embodiment. 図3は、実施形態に係る発光素子の作製方法を説明するための図である。FIG. 3 is a view for explaining a method for manufacturing the light-emitting element according to the embodiment. 図4は、本実施形態に係る発光素子の作製方法の主要な工程における生産物を模式的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing products in the main steps of the method for manufacturing a light emitting device according to this embodiment. 図5は、実施形態に係る発光素子の実施例の構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an example of the light-emitting element according to the embodiment. 図6は、実施例及び比較例に対するPL発光波長の測定結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the measurement results of the PL emission wavelength for the examples and comparative examples. 図7は、実施例及び比較例に対する発光波長の電流密度依存性の測定結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the measurement results of the current density dependence of the emission wavelength for the examples and comparative examples. 図8は、実施例及び比較例に対する発光出力の電流密度依存性の測定結果を示す図である。FIG. 8 is a graph showing the measurement results of the current density dependence of the light emission output for the examples and comparative examples. 図9は、実施例及び比較例に対する発光波長の半値幅の電流密度依存性の測定結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the measurement result of the current density dependence of the half-value width of the emission wavelength for the example and the comparative example. 図10は、実施例及び比較例に対するIV特性の測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing measurement results of IV characteristics for the examples and comparative examples. 図11は、実施例及び比較例に対するIV特性の測定結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing measurement results of IV characteristics for the examples and comparative examples. 図12は、実施例及び比較例に対するIV特性の測定結果を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing measurement results of IV characteristics for the examples and comparative examples. 図13は、実施例及び比較例に対するIV特性の測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing measurement results of IV characteristics for the examples and comparative examples.

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図1は、実施の形態に係る窒化物半導体発光素子である発光素子11の構造及び発光素子11のためのエピタキシャル基板の構造を概略的に示す図面である。図1に示す発光素子11は、レーザダイオード(LD)向けのエピタキシャル構造(LDに適用されるエピタキシャル構造)の自然放出光を評価するための発光ダイオード(LED)として例示されているが、LDであることもできる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, if possible, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. FIG. 1 is a drawing schematically showing a structure of a light emitting element 11 which is a nitride semiconductor light emitting element according to an embodiment and a structure of an epitaxial substrate for the light emitting element 11. The light-emitting element 11 shown in FIG. 1 is exemplified as a light-emitting diode (LED) for evaluating spontaneous emission light of an epitaxial structure (epitaxial structure applied to an LD) for a laser diode (LD). There can also be.

図1の(a)部に発光素子11が示され、図1の(b)部に発光素子11のためのエピタキシャル基板EP1が示される。エピタキシャル基板EP1は、発光素子11が有するエピタキシャル層構造(支持基体13、n型窒化ガリウム系半導体層15、発光層17及びp型窒化ガリウム系半導体層19)と同様のエピタキシャル層構造を有する。引き続く説明では、発光素子11を構成する半導体層を説明する。エピタキシャル基板EP1は、これらの発光素子11を構成する半導体層に対応する半導体層(半導体膜)を含み、対応する半導体層には、発光素子11のための説明が適用される。   A light emitting element 11 is shown in part (a) of FIG. 1, and an epitaxial substrate EP1 for the light emitting element 11 is shown in part (b) of FIG. The epitaxial substrate EP1 has an epitaxial layer structure similar to the epitaxial layer structure (the support base 13, the n-type gallium nitride semiconductor layer 15, the light emitting layer 17, and the p-type gallium nitride semiconductor layer 19) included in the light emitting element 11. In the following description, a semiconductor layer constituting the light emitting element 11 will be described. The epitaxial substrate EP1 includes a semiconductor layer (semiconductor film) corresponding to the semiconductor layers constituting these light emitting elements 11, and the description for the light emitting elements 11 is applied to the corresponding semiconductor layers.

図1には、座標系Sと結晶座標系CRとが示されている。結晶座標系CRは、支持基体13の六方晶系窒化物半導体の結晶軸(c軸,a軸,m軸)を示すための座標系である。X軸は、支持基体13の六方晶系窒化物半導体のa軸と同方向であり、YZ平面は、支持基体13の六方晶系窒化物半導体のm軸と、支持基体13の六方晶系窒化物半導体のc軸とによって規定される面と平行である。   FIG. 1 shows a coordinate system S and a crystal coordinate system CR. The crystal coordinate system CR is a coordinate system for indicating the crystal axes (c-axis, a-axis, m-axis) of the hexagonal nitride semiconductor of the support base 13. The X-axis is in the same direction as the a-axis of the hexagonal nitride semiconductor of the support base 13, and the YZ plane is the m-axis of the hexagonal nitride semiconductor of the support base 13 and the hexagonal nitridation of the support base 13. It is parallel to the plane defined by the c-axis of the physical semiconductor.

図1の(a)部に示されるように、発光素子11は、支持基体13、n型窒化ガリウム系半導体層15、発光層17、p型窒化ガリウム系半導体層19、p側電極21、絶縁膜23及びn側電極25を備える。n型窒化ガリウム系半導体層15は、n型GaN層15a、n型クラッド層15b及びn型ガイド層15cを有する。発光層17は、井戸層17a、バリア層17b及び井戸層17cからなる多重量子井戸構造を有する。なお、発光層17は、三つ以上の井戸層を含む多重量子井戸構造を有していてもよい。p型窒化ガリウム系半導体層19は、p型ガイド層19a、p型クラッド層19b及びp型コンタクト層19cを有する。n型窒化ガリウム系半導体層15、発光層17及びp型窒化ガリウム系半導体層19は、支持基体13の上においてエピタキシャル成長によって形成されている。支持基体13の主面13a上において、n型GaN層15a、n型クラッド層15b、n型ガイド層15c、井戸層17a、バリア層17b、井戸層17c、p型ガイド層19a、p型クラッド層19b、p型コンタクト層19cが順次設けられている。   As shown in FIG. 1A, the light-emitting element 11 includes a support base 13, an n-type gallium nitride semiconductor layer 15, a light-emitting layer 17, a p-type gallium nitride semiconductor layer 19, a p-side electrode 21, and an insulation. A film 23 and an n-side electrode 25 are provided. The n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 includes an n-type GaN layer 15a, an n-type cladding layer 15b, and an n-type guide layer 15c. The light emitting layer 17 has a multiple quantum well structure including a well layer 17a, a barrier layer 17b, and a well layer 17c. The light emitting layer 17 may have a multiple quantum well structure including three or more well layers. The p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 includes a p-type guide layer 19a, a p-type cladding layer 19b, and a p-type contact layer 19c. The n-type gallium nitride based semiconductor layer 15, the light emitting layer 17 and the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 are formed on the support base 13 by epitaxial growth. On the main surface 13a of the support base 13, an n-type GaN layer 15a, an n-type cladding layer 15b, an n-type guide layer 15c, a well layer 17a, a barrier layer 17b, a well layer 17c, a p-type guide layer 19a, and a p-type cladding layer 19b and a p-type contact layer 19c are sequentially provided.

支持基体13のc面は、面SCに沿って延びている。支持基体13の主面13aは、Z軸の方向を向いており、XY面が延びる方向に延びている。主面13aは、c面から予め規定された方向に傾斜している。主面13aの傾斜角αは、支持基体13の六方晶系窒化物半導体のc面((0001)面であり、図1に示す面SC)を基準にして規定される。主面13aは、例えば、c面に対応する面SCを基準にして、支持基体13のm軸に向けて、傾斜角αで傾斜することができる。傾斜角αは、支持基体13の主面13aの法線ベクトルVNと、c軸を示すc軸ベクトルVCとの成す角度によって規定される。傾斜角αは、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲、の何れかの範囲にある。傾斜角αは、特に、63度以上80度以下の範囲にあることもできる。主面13aは、例えば、c面からm軸に向かって傾斜したものであることができ、特に、m軸に向かうc面からの傾斜角αが75度の場合、主面13aは、支持基体13の六方晶系窒化物半導体の(20−21)面に対応することができる。c軸ベクトルVCは、(0001)面の法線ベクトルに対応する。   The c-plane of the support base 13 extends along the plane SC. The main surface 13a of the support base 13 faces the Z-axis direction and extends in the direction in which the XY plane extends. The main surface 13a is inclined in a predetermined direction from the c-plane. The tilt angle α of the main surface 13a is defined with reference to the c-plane ((0001) plane, plane SC shown in FIG. 1) of the hexagonal nitride semiconductor of the support base 13. For example, the main surface 13a can be inclined at an inclination angle α toward the m-axis of the support base 13 with respect to the surface SC corresponding to the c-plane. The inclination angle α is defined by an angle formed by a normal vector VN of the main surface 13a of the support base 13 and a c-axis vector VC indicating the c-axis. The inclination angle α is in a range from 50 degrees to 80 degrees and a range from 130 degrees to 170 degrees. In particular, the inclination angle α can be in the range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees. The main surface 13a can be inclined, for example, from the c-plane toward the m-axis. In particular, when the inclination angle α from the c-plane toward the m-axis is 75 degrees, the main surface 13a is the support base. This corresponds to the (20-21) plane of 13 hexagonal nitride semiconductors. The c-axis vector VC corresponds to the normal vector of the (0001) plane.

主面13aの上において、発光層17は、n型窒化ガリウム系半導体層15とp型窒化ガリウム系半導体層19との間に設けられている。主面13aの上において、n型窒化ガリウム系半導体層15、発光層17及びp型窒化ガリウム系半導体層19は、法線ベクトルVNの向き(Z軸方向)に順に配列されている。主面13aの上において、n型窒化ガリウム系半導体層15に含まれているn型GaN層15a、n型クラッド層15b及びn型ガイド層15cが法線ベクトルVNの向き(Z軸方向)に順に配列されている。主面13aの上において、発光層17に含まれている井戸層17a、バリア層17b及び井戸層17cが法線ベクトルVNの向き(Z軸方向)に順に配列されている。主面13aの上において、p型窒化ガリウム系半導体層19に含まれているp型ガイド層19a、p型クラッド層19b及びp型コンタクト層19cが、法線ベクトルVNの向き(Z軸方向)に順に配列されている。   On the main surface 13 a, the light emitting layer 17 is provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer 15 and the p-type gallium nitride semiconductor layer 19. On the main surface 13a, the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15, the light emitting layer 17, and the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 are sequentially arranged in the direction of the normal vector VN (Z-axis direction). On the main surface 13a, the n-type GaN layer 15a, the n-type cladding layer 15b, and the n-type guide layer 15c included in the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 are oriented in the direction of the normal vector VN (Z-axis direction). They are arranged in order. On the main surface 13a, the well layer 17a, the barrier layer 17b, and the well layer 17c included in the light emitting layer 17 are sequentially arranged in the direction of the normal vector VN (Z-axis direction). On the main surface 13a, the p-type guide layer 19a, the p-type cladding layer 19b, and the p-type contact layer 19c included in the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 are oriented in the normal vector VN (Z-axis direction). Are arranged in order.

支持基体13は、GaNからなる。GaNは、二元化合物である窒化ガリウム系半導体であるので、良好な結晶品質と安定した基板主面とを提供できる。支持基体13は、GaN以外にも、例えば、GaN、InGaN、AlGaN等の六方晶系窒化物半導体からなることができる。   The support base 13 is made of GaN. Since GaN is a gallium nitride semiconductor that is a binary compound, it can provide good crystal quality and a stable substrate main surface. In addition to GaN, the support base 13 can be made of, for example, a hexagonal nitride semiconductor such as GaN, InGaN, or AlGaN.

n型窒化ガリウム系半導体層15は、n型の窒化ガリウム系半導体からなる。n型窒化ガリウム系半導体層15のn型ドーパントは、例えばシリコン(Si)である。n型窒化ガリウム系半導体層15は、支持基体13上に設けられる。n型窒化ガリウム系半導体層15のn型GaN層15aは、主面13aを介して支持基体13に接している。n型GaN層15aは、n型のGaNからなる。n型クラッド層15bは、n型GaN層15aに接している。n型クラッド層15bは、例えば、n型のInAlGaN等のn型の窒化物系半導体からなる。n型ガイド層15cは、n型クラッド層15bに接している。n型ガイド層15cは、例えば、n型のGaNや、n型のInGaN等のn型の窒化ガリウム系半導体からなることができる。   The n-type gallium nitride semiconductor layer 15 is made of an n-type gallium nitride semiconductor. The n-type dopant of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is, for example, silicon (Si). The n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is provided on the support base 13. The n-type GaN layer 15a of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is in contact with the support base 13 through the main surface 13a. The n-type GaN layer 15a is made of n-type GaN. The n-type cladding layer 15b is in contact with the n-type GaN layer 15a. The n-type cladding layer 15b is made of an n-type nitride-based semiconductor such as n-type InAlGaN, for example. The n-type guide layer 15c is in contact with the n-type cladding layer 15b. The n-type guide layer 15c can be made of an n-type gallium nitride semiconductor such as n-type GaN or n-type InGaN, for example.

n型ガイド層15cは、二つの層からなることができる。この二つの層のうち、一つ目の層は、n型のGaNからなるn型GaNガイド層15dであり、二つ目の層は、n型のInGaNからなるn型InGaNガイド層15eであり、n型GaNガイド層15dは、n型クラッド層15bに接し、n型InGaNガイド層15eは、n型GaNガイド層15d上に設けられ、n型InGaNガイド層15eは、n型GaNガイド層15dに接している。n型ガイド層15cの内部におけるn型InGaNガイド層15eの支持基体13側の表面15f(n型GaNガイド層15dとn型InGaNガイド層15eとの界面)は、ミスフィット転位を含む。このミスフィット転位は、n型InGaNガイド層15eの表面15fに直交しc軸を含む基準面(a面に沿って延びる面)と表面15fとが共有する基準軸と、c軸と、に直交する方向に(a軸に沿って)延びている。このミスフィット転位の密度は、5×10cm−1以上1×10cm−1以下の範囲にある。n型InGaNガイド層15eのインジウム組成(第3のインジウム組成)は、0.03以上0.05以下の範囲にある。 The n-type guide layer 15c can be composed of two layers. Of these two layers, the first layer is an n-type GaN guide layer 15d made of n-type GaN, and the second layer is an n-type InGaN guide layer 15e made of n-type InGaN. The n-type GaN guide layer 15d is in contact with the n-type cladding layer 15b, the n-type InGaN guide layer 15e is provided on the n-type GaN guide layer 15d, and the n-type InGaN guide layer 15e is the n-type GaN guide layer 15d. Is in contact with A surface 15f (an interface between the n-type GaN guide layer 15d and the n-type InGaN guide layer 15e) of the n-type InGaN guide layer 15e on the support base 13 side inside the n-type guide layer 15c includes misfit dislocations. This misfit dislocation is orthogonal to the c-axis and the reference axis shared by the reference surface (the surface extending along the a-plane) and the surface 15f that is orthogonal to the surface 15f of the n-type InGaN guide layer 15e and includes the c-axis. It extends in the direction (along the a axis). The density of this misfit dislocation is in the range of 5 × 10 3 cm −1 to 1 × 10 5 cm −1 . The indium composition (third indium composition) of the n-type InGaN guide layer 15e is in the range of 0.03 to 0.05.

発光層17は、多重量子井戸構造を有する。発光層17は、インジウムを含み、InGaN等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層17aは、n型ガイド層15cのn型InGaNガイド層15eに接している。井戸層17aは、インジウムを含み、InGaN等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。バリア層17bは、井戸層17aに接している。バリア層17bは、井戸層17aと井戸層17cとの間に設けられている。バリア層17bは、インジウムを含み、InGaN等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層17cは、バリア層17bに接している。井戸層17cは、インジウムを含み、InGaN等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層17aのバンドギャップと井戸層17cのバンドギャップとは、何れも、バリア層17bのバンドギャップよりも小さい。なお、発光層17は、三つ以上の井戸層と、二つ以上のバリア層とを含むことができる。   The light emitting layer 17 has a multiple quantum well structure. The light emitting layer 17 includes indium and can be made of a gallium nitride based semiconductor such as InGaN. The well layer 17a is in contact with the n-type InGaN guide layer 15e of the n-type guide layer 15c. The well layer 17a contains indium and can be made of a gallium nitride based semiconductor such as InGaN. The barrier layer 17b is in contact with the well layer 17a. The barrier layer 17b is provided between the well layer 17a and the well layer 17c. The barrier layer 17b contains indium and can be made of a gallium nitride based semiconductor such as InGaN. The well layer 17c is in contact with the barrier layer 17b. The well layer 17c contains indium and can be made of a gallium nitride based semiconductor such as InGaN. The band gap of the well layer 17a and the band gap of the well layer 17c are both smaller than the band gap of the barrier layer 17b. The light emitting layer 17 can include three or more well layers and two or more barrier layers.

井戸層17aのインジウム組成(第1のインジウム組成)は、0.15以上0.50以下の範囲にある。井戸層17aのインジウム組成は、例えば、0.30程度であるが、0.25程度、0.35程度の何れかであることができる。井戸層17aの膜厚は、例えば2.5nm程度である。   The indium composition (first indium composition) of the well layer 17a is in the range of 0.15 to 0.50. The indium composition of the well layer 17a is, for example, about 0.30, but can be either about 0.25 or about 0.35. The film thickness of the well layer 17a is, for example, about 2.5 nm.

バリア層17bのインジウム組成(第2のインジウム組成)は、0.01以上0.10以下の範囲にあるが、0.01以上0.06以下の範囲にあることができる。バリア層17bの膜厚は、井戸層17a又は井戸層17cの膜厚に0.5nmを足し合わせた値以下であり、且つ、井戸層17a又は井戸層17cの膜厚から0.5nmを差し引いた値以上であることができる。バリア層17bの膜厚は、具体的には、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にあるが、バリア層17bの膜厚の上限値を、4.0nm、3.5nm、3.0nm、の何れかの値とすることもできる。例えば、バリア層17bの膜厚を、1.0nm以上3.5nm以下の範囲にあるようにすることができる。なお、バリア層17bは、p型窒化ガリウム系半導体層19の側から、n型窒化ガリウム系半導体層15の側に向かって増加するインジウム組成を有することもできる。   The indium composition (second indium composition) of the barrier layer 17b is in the range of 0.01 to 0.10, but can be in the range of 0.01 to 0.06. The thickness of the barrier layer 17b is equal to or less than the value obtained by adding 0.5 nm to the thickness of the well layer 17a or the well layer 17c, and 0.5 nm is subtracted from the thickness of the well layer 17a or the well layer 17c. Can be greater than or equal to the value. The film thickness of the barrier layer 17b is specifically in the range of 1.0 nm to 4.5 nm, but the upper limit value of the film thickness of the barrier layer 17b is 4.0 nm, 3.5 nm, 3.0 nm, Any of these values can also be used. For example, the film thickness of the barrier layer 17b can be in the range of 1.0 nm to 3.5 nm. The barrier layer 17b can also have an indium composition that increases from the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 side toward the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 side.

井戸層17cのインジウム組成(第1のインジウム組成)は、0.15以上0.50以下の範囲にある。井戸層17cのインジウム組成は、例えば、0.30程度であるが、0.25程度、0.35程度の何れかであることができる。井戸層17cの膜厚は、例えば2.5nm程度である。   The indium composition (first indium composition) of the well layer 17c is in the range of 0.15 to 0.50. The indium composition of the well layer 17c is, for example, about 0.30, but can be either about 0.25 or about 0.35. The film thickness of the well layer 17c is, for example, about 2.5 nm.

発光層17の発光波長は、発光層17の井戸層(井戸層17a、井戸層17c)のインジウム組成が0.15以上0.50以下の範囲にあるので、480nm以上600nm以下である。なお、発光層17の発光波長を、500nm以上570nm以下とすることもできる。500nm以上570nm以下の発光波長の場合、発光層17の井戸層(井戸層17a、井戸層17c)のインジウム組成は、0.24以上0.40以下の範囲にある。   The emission wavelength of the light emitting layer 17 is not less than 480 nm and not more than 600 nm because the indium composition of the well layer (well layer 17a, well layer 17c) of the light emitting layer 17 is in the range of 0.15 to 0.50. In addition, the light emission wavelength of the light emitting layer 17 can also be 500 nm or more and 570 nm or less. In the case of an emission wavelength of 500 nm or more and 570 nm or less, the indium composition of the well layer (well layer 17a, well layer 17c) of the light emitting layer 17 is in the range of 0.24 to 0.40.

p型窒化ガリウム系半導体層19は、p型の窒化ガリウム系半導体からなる。
p型窒化ガリウム系半導体層19のp型ドーパントは、例えばマグネシウム(Mg)である。p型窒化ガリウム系半導体層19は、発光層17の井戸層17cに接している。p型ガイド層19aは、発光層17上に設けられ、発光層17に接している。p型ガイド層19aは、一又は複数のp型の窒化ガリウム系半導体層を含む。p型ガイド層19aは、アンドープ(ud)のInGaN層を含む。このアンドープのInGaN層は、井戸層17cに接している。p型ガイド層19aは、このアンドープのInGaN層上に設けられたp型のInGaN層を含む。このp型のInGaN層は、アンドープのInGaN層に接している。p型ガイド層19aは、このp型のInGaN層上に設けられたp型のGaN層を含む。このp型のGaN層は、p型のInGaN層に接している。
The p-type gallium nitride semiconductor layer 19 is made of a p-type gallium nitride semiconductor.
The p-type dopant of the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 is, for example, magnesium (Mg). The p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 is in contact with the well layer 17 c of the light emitting layer 17. The p-type guide layer 19 a is provided on the light emitting layer 17 and is in contact with the light emitting layer 17. The p-type guide layer 19a includes one or more p-type gallium nitride based semiconductor layers. The p-type guide layer 19a includes an undoped (ud) InGaN layer. This undoped InGaN layer is in contact with the well layer 17c. The p-type guide layer 19a includes a p-type InGaN layer provided on the undoped InGaN layer. This p-type InGaN layer is in contact with the undoped InGaN layer. The p-type guide layer 19a includes a p-type GaN layer provided on the p-type InGaN layer. The p-type GaN layer is in contact with the p-type InGaN layer.

p型クラッド層19bは、例えば、p型のInAlGaNからなることができる。p型クラッド層19bは、p型ガイド層19aに含まれているp型のGaN層上に設けられ、このp型のGaN層に接している。   The p-type cladding layer 19b can be made of, for example, p-type InAlGaN. The p-type cladding layer 19b is provided on the p-type GaN layer included in the p-type guide layer 19a, and is in contact with the p-type GaN layer.

p型コンタクト層19cは、p型クラッド層19b上に設けられ、p型クラッド層19bに接している。p型コンタクト層19cは、例えば、p型のGaNからなることができる。   The p-type contact layer 19c is provided on the p-type cladding layer 19b and is in contact with the p-type cladding layer 19b. The p-type contact layer 19c can be made of, for example, p-type GaN.

発光素子11がLEDの場合、図1に示すように、p型コンタクト層19c上にp側電極21及が設けられている。p側電極21は、例えば、Pdからなることができる。n側電極25は、支持基体13の裏面13bに設けられている。n側電極25は、裏面13bを覆っている。n側電極25は、裏面13bを介して支持基体13に接している。   When the light emitting element 11 is an LED, as shown in FIG. 1, a p-side electrode 21 and a p-side electrode 21 are provided on the p-type contact layer 19c. The p-side electrode 21 can be made of, for example, Pd. The n-side electrode 25 is provided on the back surface 13 b of the support base 13. The n-side electrode 25 covers the back surface 13b. The n-side electrode 25 is in contact with the support base 13 through the back surface 13b.

なお、発光素子11がLDの場合、p型窒化ガリウム系半導体層19はリッジ形状部を含み、p側電極21は、例えば、Ni/Auからなる電極と、Ti/Auからなるパッド電極とを含むことができ、n側電極25は、例えば、Ti/Alからなる電極と、Ti/Auからなるパッド電極とを含むことができる。そして、共振器端面には、誘電体多層膜が設けられる。この誘電体多層膜は、例えば、SiO/TiOからなることができる。 When the light emitting element 11 is an LD, the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 includes a ridge-shaped portion, and the p-side electrode 21 includes, for example, an electrode made of Ni / Au and a pad electrode made of Ti / Au. The n-side electrode 25 can include, for example, an electrode made of Ti / Al and a pad electrode made of Ti / Au. A dielectric multilayer film is provided on the end face of the resonator. This dielectric multilayer film can be made of, for example, SiO 2 / TiO 2 .

以上説明した構成を有する発光素子11において、支持基体13の主面13aは、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、発光素子11は、主面13aの上に設けられた多重量子井戸構造の発光層17を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層17に生じるピエゾ分極の向きは、c面上に設けられた井戸層17a及び井戸層17cに生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、c面上とは異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層17における電子の注入効率が低下する。図2に示すバンドダイヤグラムを参照すると、ピエゾ分極によるバンド構造の歪みに起因して、井戸層17aのp型窒化ガリウム系半導体層19の側(p側)の障壁V2(量子準位Q1を基準とする値)が、井戸層17aのn型窒化ガリウム系半導体層15の側(n側)の障壁V1(量子準位Q1を基準とする値)よりも高いので、n型窒化ガリウム系半導体層15からの電子Eがバリア層17bのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層17aから井戸層17cに移動しにくくなり、発光層17における注入効率が低下することがわかる。しかし、発光素子11のバリア層17bの膜厚は、比較的に薄く、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にあるので、バンド構造に歪みが生じていても、発光層17における電子の注入効率が改善できる。図2に示すバンドダイヤグラムを参照すると、バリア層17bの膜厚の値Lが、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にあり、比較的に薄いので、n型窒化ガリウム系半導体層15からの電子Eが井戸層17aからバリア層17bのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層17cに移動しやすくなり、発光層17における注入効率の低減が抑制できる。   In the light emitting element 11 having the above-described configuration, the main surface 13a of the support base 13 is a semipolar surface in any of a range of 50 degrees to 80 degrees and a range of 130 degrees to 170 degrees. The light emitting element 11 has a light emitting layer 17 having a multiple quantum well structure provided on the main surface 13a. The direction of piezo polarization generated in the light emitting layer 17 having the multiple quantum well structure provided on such a semipolar plane is opposite to the direction of piezo polarization generated in the well layer 17a and the well layer 17c provided on the c plane. Therefore, in the band structure of the multiple quantum well structure provided on the semipolar plane, a strain different from that on the c plane is generated. Due to the distortion of the band structure, the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 is lowered. Referring to the band diagram shown in FIG. 2, the barrier V2 (p-side) of the well layer 17a on the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19 side (p side) due to distortion of the band structure due to piezo-polarization is used as a reference. Is higher than the barrier V1 (value based on the quantum level Q1) on the n-type gallium nitride semiconductor layer 15 side (n-side) of the well layer 17a, so that the n-type gallium nitride semiconductor layer It can be seen that the electrons E from 15 move over the energy barrier of the barrier layer 17b and do not easily move from the well layer 17a to the well layer 17c, and the injection efficiency in the light-emitting layer 17 decreases. However, since the thickness of the barrier layer 17b of the light-emitting element 11 is relatively thin and is in the range of 1.0 nm to 4.5 nm, injection of electrons into the light-emitting layer 17 even if the band structure is distorted. Efficiency can be improved. Referring to the band diagram shown in FIG. 2, the thickness L of the barrier layer 17b is in the range of 1.0 nm to 4.5 nm and is relatively thin. The electrons E easily move from the well layer 17a over the energy barrier of the barrier layer 17b to the well layer 17c, and a reduction in injection efficiency in the light emitting layer 17 can be suppressed.

更に、発光素子11の二つの井戸層(井戸層17a及び井戸層17c)は、比較的に高い、0.15以上0.50以下の範囲にあるインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層17a及び井戸層17cに対しては、井戸層の成長で悪化しかける結晶性をバリア層17bの成長中に回復させるために比較的に厚い膜厚のバリア層17bが望ましいと考えられるが、発光素子11の発光層17はInGaNの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、1.0nm以上4.5nm以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層17bであっても結晶性を整えることができ、発光層17の結晶品質は維持できる。   Furthermore, the two well layers (the well layer 17a and the well layer 17c) of the light emitting element 11 have a relatively high indium composition in the range of 0.15 to 0.50. As described above, the well layer 17a and the well layer 17c having a relatively high indium composition have a relatively thick film thickness in order to recover the crystallinity that is deteriorated by the growth of the well layer during the growth of the barrier layer 17b. Although the barrier layer 17b is considered desirable, the light-emitting layer 17 of the light-emitting element 11 is provided on a semipolar plane in an angular range in which indium incorporation and growth modes are suitable for InGaN growth. Even in the barrier layer 17b having a relatively thin film thickness in the range of 0.0 nm to 4.5 nm, the crystallinity can be adjusted, and the crystal quality of the light emitting layer 17 can be maintained.

なお、バリア層17bの膜厚が1.0nm未満の場合、結晶成長時にバリア層17bで結晶性を回復しきれず、発光層17の結晶性が低下する場合がある。また、図2を参照すると、正孔Hは、ピエゾ分極に起因してバンド構造に歪みが生じた場合であっても、バンドオフセットは比較的に小さいので、注入効率対する影響は比較的に小さい。   If the thickness of the barrier layer 17b is less than 1.0 nm, the crystallinity of the barrier layer 17b may not be recovered during crystal growth, and the crystallinity of the light emitting layer 17 may be reduced. In addition, referring to FIG. 2, even when holes H are distorted in the band structure due to piezo polarization, the band offset is relatively small, so the influence on the injection efficiency is relatively small. .

また、バリア層17bの膜厚の値Lは、井戸層17a又は井戸層17cの膜厚に0.50nmを足し合わせた値以下であり、且つ、井戸層17a又は井戸層17cの膜厚から0.50nmを差し引いた値以上である、ことができる。この場合、バリア層17bの膜厚は、井戸層17a又は井戸層17cの膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層17のバンド構造がc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層17bのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層17aから隣の井戸層17bに移動しやすくなるので、発光層17における電子の注入効率の低減が抑制される。   The value L of the thickness of the barrier layer 17b is equal to or less than the value obtained by adding 0.50 nm to the thickness of the well layer 17a or the well layer 17c, and is 0 from the thickness of the well layer 17a or the well layer 17c. It can be greater than or equal to the value minus 50 nm. In this case, the thickness of the barrier layer 17b is approximately the same as the thickness of the well layer 17a or the well layer 17c. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer 17 is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, electrons move over the energy barrier of the barrier layer 17b and move from the well layer 17a to the adjacent well layer 17b. Since it becomes easy, the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 is suppressed.

また、バリア層17bは、InGaNからなり、バリア層17bは、0.01以上0.1以下の範囲にあるインジウム組成を有する、ことができる。この場合、バリア層17bのインジウム組成が0.01以上0.10以下の範囲にあるので、バリア層17bのバンドギャップが低減される。よって、発光層17のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層17bのバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層17bのエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層17における電子の注入効率の低減が抑制される。なお、バリア層17bのインジウム組成が0.10を超えるとき、バリア層17b及び発光層17の結晶性が低下する場合がある。   The barrier layer 17b can be made of InGaN, and the barrier layer 17b can have an indium composition in the range of 0.01 to 0.1. In this case, since the indium composition of the barrier layer 17b is in the range of 0.01 to 0.10, the band gap of the barrier layer 17b is reduced. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer 17 is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the band gap of the barrier layer 17b is changed so as to relieve the distortion, whereby electrons are transferred to the barrier layer. Since it becomes easy to get over the energy barrier of 17b, reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 is suppressed. When the indium composition of the barrier layer 17b exceeds 0.10, the crystallinity of the barrier layer 17b and the light emitting layer 17 may be lowered.

また、n型窒化ガリウム系半導体層15のn型ガイド層15cは、n型InGaNガイド層15eを有し、n型InGaNガイド層15e上に発光層17が設けられることができる。n型窒化ガリウム系半導体層15の内部におけるn型InGaNガイド層15eの支持基体13側の表面15fにミスフィット転位が存在し、このミスフィット転位は、n型InGaNガイド層15eの表面15fに直交し支持基体13の六方晶系窒化物半導体のc軸を含む基準面と表面15fとが共有する基準軸と、c軸とに直交する方向に延びており、このミスフィット転位の密度は、5×10cm−1以上1×10cm−1以下の範囲にある、ことができる。この場合、支持基体13と発光層17との間にn型InGaNガイド層15eが設けられており、このn型InGaNガイド層15eの支持基体13の側の表面15fには比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このn型InGaNガイド層15eによって、支持基体13上の歪が緩和されるので、発光層17が内包する歪も、低減される。よって、発光層17のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層17における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が1×10cm−1を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層17にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。 The n-type guide layer 15c of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 has an n-type InGaN guide layer 15e, and the light emitting layer 17 can be provided on the n-type InGaN guide layer 15e. Misfit dislocations exist on the surface 15f of the n-type InGaN guide layer 15e on the support base 13 side inside the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15, and this misfit dislocation is orthogonal to the surface 15f of the n-type InGaN guide layer 15e. The reference plane including the c-axis of the hexagonal nitride semiconductor of the support base 13 and the surface 15f extend in a direction orthogonal to the c-axis and the misfit dislocation density is 5 It can exist in the range of x10 < 3 > cm < -1 > or more and 1 * 10 < 5 > cm < -1 > or less. In this case, an n-type InGaN guide layer 15e is provided between the support base 13 and the light emitting layer 17, and the surface 15f on the support base 13 side of the n-type InGaN guide layer 15e has a relatively high density. Misfit dislocations have occurred. Therefore, since the strain on the support base 13 is relaxed by the n-type InGaN guide layer 15e, the strain included in the light emitting layer 17 is also reduced. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer 17 is distorted by piezo polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the piezo polarization is reduced, so that the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 is suppressed. When the density of misfit dislocations exceeds 1 × 10 5 cm −1 , the bad influence of defects may also affect the light emitting layer 17 and cause a decrease in light emission efficiency.

また、n型InGaNガイド層15eは、0.03以上0.05以下の範囲にあるインジウム組成を有する、ことができる。支持基体13と発光層17との間に設けられ、支持基体13上の歪を緩和するn型InGaNガイド層15eのインジウム組成が0.03以上0.05以下の範囲にあるので、支持基体13上の歪が十分に緩和される。よって、発光層17のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層17における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。なお、n型InGaNガイド層15eのインジウム組成が0.05を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。   The n-type InGaN guide layer 15e can have an indium composition in the range of 0.03 to 0.05. Since the indium composition of the n-type InGaN guide layer 15e provided between the support base 13 and the light emitting layer 17 and relaxing the strain on the support base 13 is in the range of 0.03 to 0.05, the support base 13 The upper distortion is sufficiently relaxed. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer 17 is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 is effectively suppressed. Note that when the indium composition of the n-type InGaN guide layer 15e exceeds 0.05, the density of misfit dislocations becomes too high, and the light emission efficiency may be reduced.

また、バリア層17bのインジウム組成は、p型窒化ガリウム系半導体層19の側から、n型窒化ガリウム系半導体層15の側に向かって、増加している、ことができる。発光層17のインジウム組成は、p型窒化ガリウム系半導体層19の側からn型窒化ガリウム系半導体層15の側に向かって増加しているので、n型窒化ガリウム系半導体層15の側のインジウム組成がp型窒化ガリウム系半導体層19の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層17bのバンドギャップが、n型窒化ガリウム系半導体層15の側において、低減される。よって、発光層17のバンド構造にc面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層17のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層17bのエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層17における電子の注入効率の低減が抑制される。   In addition, the indium composition of the barrier layer 17b can increase from the p-type gallium nitride semiconductor layer 19 side toward the n-type gallium nitride semiconductor layer 15 side. Since the indium composition of the light emitting layer 17 increases from the p-type gallium nitride semiconductor layer 19 side toward the n-type gallium nitride semiconductor layer 15 side, indium on the n-type gallium nitride semiconductor layer 15 side is increased. Compared to the case where the composition is the same as the indium composition on the p-type gallium nitride semiconductor layer 19 side, the band gap of the barrier layer 17b is reduced on the n-type gallium nitride semiconductor layer 15 side. Therefore, even if the band structure of the light emitting layer 17 is distorted by piezoelectric polarization in the direction opposite to that on the c-plane, the band gap of the barrier layer 17 is changed so as to relieve the distortion, whereby electrons are transferred to the barrier layer. Since it becomes easy to get over the energy barrier of 17b, reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 is suppressed.

また、c面に対する主面13aの傾斜角αは、63度以上80度以下の範囲にある、ことができる。主面13aの傾斜角αが63度以上80度以下の範囲にあるとき、特にInGaNの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。   In addition, the inclination angle α of the main surface 13a with respect to the c-plane can be in the range of 63 degrees to 80 degrees. When the inclination angle α of the main surface 13a is in the range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees, since the indium uptake and growth mode are particularly suitable for the growth of InGaN, the crystallinity is recovered even in a thin barrier layer. And a decrease in luminous efficiency can be suppressed. As a result, it is possible to provide excellent electron injection efficiency without causing a decrease in light emission efficiency.

また、井戸層17a及び井戸層17cのインジウム組成は、0.24以上0.40以下の範囲にある、ことができる。井戸層17a及び井戸層17cのインジウム組成が0.24以上0.40以下の範囲にあるので、発光層17は、500nm以上570nm以下の発光波長の光を発する。このように、発光層17のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層17a及び井戸層17cとバリア層17bとのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層17における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。   The indium composition of the well layer 17a and the well layer 17c can be in the range of 0.24 to 0.40. Since the indium compositions of the well layer 17a and the well layer 17c are in the range of 0.24 to 0.40, the light emitting layer 17 emits light having an emission wavelength of 500 nm to 570 nm. As described above, when the indium composition of the light emitting layer 17 is relatively large, the band offset between the well layer 17a and the well layer 17c and the barrier layer 17b is relatively large, so that the influence of the distortion of the band structure due to piezoelectric polarization is significant. However, even in such a case, the reduction of the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 can be sufficiently suppressed.

また、バリア層17bのインジウム組成は、0.01以上0.06以下の範囲にある、ことができる。バリア層17bのインジウム組成が0.01以上0.06以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。   The indium composition of the barrier layer 17b can be in the range of 0.01 to 0.06. Since the indium composition of the barrier layer 17b is in the range of 0.01 to 0.06, a decrease in crystallinity is sufficiently suppressed.

また、バリア層17bの膜厚は、1.0nm以上3.5nm以下の範囲にある、ことができる。バリア層17bの膜厚が1.0nm以上3.5nm以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層17bのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層17aから隣の井戸層17bに移動しやすくなるので、発光層17における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。   The film thickness of the barrier layer 17b can be in the range of 1.0 nm to 3.5 nm. Since the film thickness of the barrier layer 17b is in the range of 1.0 nm to 3.5 nm, it is relatively thin. Therefore, even if the band structure is distorted, the electrons easily move over the energy barrier of the barrier layer 17b and move from the well layer 17a to the adjacent well layer 17b, so that the electron injection efficiency in the light emitting layer 17 is reduced. It can be suppressed sufficiently.

図1の(b)部に示すように、発光素子11のエピタキシャル基板EP1は、発光素子11の上記の各半導体層に対応する半導体層(半導体膜)を含み、対応する半導体層には、上記の発光素子11のための説明が当てはまる。エピタキシャル基板EP1の表面粗さは、例えば、10μm角の範囲で1nm以下の算術平均粗さを有する。   As shown in FIG. 1B, the epitaxial substrate EP1 of the light emitting element 11 includes a semiconductor layer (semiconductor film) corresponding to each of the semiconductor layers of the light emitting element 11, and the corresponding semiconductor layer includes the above-described semiconductor layers. The description for the light emitting element 11 is applicable. The surface roughness of the epitaxial substrate EP1 has, for example, an arithmetic average roughness of 1 nm or less in a 10 μm square range.

次に、図3及び図4を参照して、実施形態に係る発光素子11の作製方法を説明する。図3は、実施形態に係る発光素子11の製造方法の主要な工程を示す図面である。図4は、実施形態に係る発光素子11の作製方法の主要な工程における生産物を模式的に示す図面である。図4に示すエピタキシャル基板EPは、図1の(b)部に示すエピタキシャル基板EP1に対し、p側電極及びn側電極等が形成された基板生産物である。エピタキシャル基板EP1から更にエピタキシャル基板EPが作製され、このエピタキシャル基板EPから発光素子11が分離される。   Next, with reference to FIGS. 3 and 4, a method for manufacturing the light-emitting element 11 according to the embodiment will be described. FIG. 3 is a drawing showing main steps of the method for manufacturing the light emitting device 11 according to the embodiment. FIG. 4 is a drawing schematically showing products in main steps of the method for manufacturing the light emitting element 11 according to the embodiment. The epitaxial substrate EP shown in FIG. 4 is a substrate product in which a p-side electrode, an n-side electrode, and the like are formed with respect to the epitaxial substrate EP1 shown in part (b) of FIG. An epitaxial substrate EP is further produced from the epitaxial substrate EP1, and the light emitting element 11 is separated from the epitaxial substrate EP.

図3に示される工程フローに従って、有機金属気相成長法により、発光素子11の構造のエピタキシャル基板EPと、発光素子11とを作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH)、シラン(SiH)、及び、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)が用いられる。 According to the process flow shown in FIG. 3, the epitaxial substrate EP having the structure of the light-emitting element 11 and the light-emitting element 11 were manufactured by metal organic vapor phase epitaxy. As raw materials for epitaxial growth, trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), trimethylaluminum (TMA), ammonia (NH 3 ), silane (SiH 4 ), and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) Is used.

工程S1では、窒化ガリウム系半導体からなる主面13a_1(主面13aに対応)を有する基板13_1(支持基体13に対応)を用意する。基板13_1は、図4の(a)部等に示される。基板13_1は、裏面13b_1(裏面13bに対応)を有する。裏面13b_1は、主面13a_1の反対側にある。主面13a_1は鏡面研磨されている(以上、工程S1)。   In step S1, a substrate 13_1 (corresponding to the support base 13) having a main surface 13a_1 (corresponding to the main surface 13a) made of a gallium nitride semiconductor is prepared. The substrate 13_1 is shown in part (a) of FIG. The substrate 13_1 has a back surface 13b_1 (corresponding to the back surface 13b). The back surface 13b_1 is on the opposite side of the main surface 13a_1. Main surface 13a_1 is mirror-polished (step S1).

次に、基板13_1の上に以下の条件でエピタキシャル成長を行う。まず、工程S3では、基板13_1を反応炉10内に設置する。反応炉10内には、例えば石英フローチャネル等の石英製の治具が配置されている。必要な場合には、摂氏1050度程度の温度及び27kPa程度の炉内圧力において、NHとHを含む熱処理ガスを反応炉10に供給しながら、10分間程度、熱処理を行う。この熱処理により、主面13a_1等において表面改質が生じる(以上、工程S3)。 Next, epitaxial growth is performed on the substrate 13_1 under the following conditions. First, in step S3, the substrate 13_1 is installed in the reaction furnace 10. In the reaction furnace 10, a quartz jig such as a quartz flow channel is disposed. If necessary, heat treatment is performed for about 10 minutes while supplying a heat treatment gas containing NH 3 and H 2 to the reaction furnace 10 at a temperature of about 1050 degrees Celsius and a pressure in the furnace of about 27 kPa. By this heat treatment, surface modification occurs on the main surface 13a_1 and the like (step S3).

この熱処理の後に、工程S5では、基板13_1の上に窒化ガリウム半導体層を成長してエピタキシャル基板EP及びエピタキシャル基板EP1を形成する。雰囲気ガスは、キャリアガス及びサブフローガスを含む。雰囲気ガスは、例えば、N及びHの少なくとも一方を含むことができる。工程S5は、下記の工程S51、工程S52及び工程S53を含む。 After this heat treatment, in step S5, a gallium nitride semiconductor layer is grown on the substrate 13_1 to form an epitaxial substrate EP and an epitaxial substrate EP1. The atmospheric gas includes a carrier gas and a subflow gas. The atmospheric gas can include, for example, at least one of N 2 and H 2 . Step S5 includes the following step S51, step S52, and step S53.

工程S51では、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉10に供給して、n型窒化ガリウム系半導体層15_1(n型窒化ガリウム系半導体層15に対応)をエピタキシャルに成長して形成する。n型窒化ガリウム系半導体層15_1は、図4の(a)部等に示される。工程S51において用いられる原料ガスは、III族構成元素及びV族構成元素のための原料と、n型ドーパントとを含む。まず、n型GaN層15a_1(n型GaN層15aに対応)を主面13a_1上に成長し、次に、n型GaN系半導体層15b_1(n型クラッド層15bに対応)をn型GaN層15a_1上に成長し、次に、n型GaN系半導体層15c_1(n型ガイド層15cに対応)をn型GaN系半導体層15b_1上に成長する。n型窒化ガリウム系半導体層15_1の表面15_1a(n型GaN系半導体層15c_1の表面)の傾斜角は、主面13a_1の傾斜角(傾斜角αに対応)に対応している(以上、工程S51)。また、n型GaN系半導体層15c_1は、二つの層(それぞれ、n型GaNガイド層15d及びn型InGaNガイド層15eに対応)からなることができる。n型GaN系半導体層15c_1を構成する二つの層のうちn型InGaNガイド層15eに対応する層の基板13_1の側の表面(n型GaN系半導体層15c_1を構成する二つの層の界面)は、ミスフィット転位を含む。このミスフィット転位は、n型GaN系半導体層15c_1を構成する二つの層の界面に直交しc軸を含む基準面(a面に沿って延びる面)とn型GaN系半導体層15c_1を構成する二つの層の界面とが共有する基準軸と、c軸と、に直交する方向に(a軸に沿って)延びている。このミスフィット転位の密度は、5×10cm−1以上1×10cm−1以下の範囲にある。n型GaN系半導体層15c_1を構成する二つの層のうちn型InGaNガイド層15eに対応する層のインジウム組成は、0.03以上0.05以下の範囲にある。 In step S51, the source gas and the ambient gas are supplied to the reaction furnace 10, and the n-type gallium nitride semiconductor layer 15_1 (corresponding to the n-type gallium nitride semiconductor layer 15) is epitaxially grown and formed. The n-type gallium nitride based semiconductor layer 15_1 is shown in FIG. The source gas used in step S51 includes a source material for a group III constituent element and a group V constituent element, and an n-type dopant. First, an n-type GaN layer 15a_1 (corresponding to the n-type GaN layer 15a) is grown on the main surface 13a_1, and then an n-type GaN-based semiconductor layer 15b_1 (corresponding to the n-type cladding layer 15b) is grown on the n-type GaN layer 15a_1. Then, an n-type GaN-based semiconductor layer 15c_1 (corresponding to the n-type guide layer 15c) is grown on the n-type GaN-based semiconductor layer 15b_1. The inclination angle of the surface 15_1a of the n-type gallium nitride semiconductor layer 15_1 (the surface of the n-type GaN semiconductor layer 15c_1) corresponds to the inclination angle (corresponding to the inclination angle α) of the main surface 13a_1 (the process S51 above). ). The n-type GaN-based semiconductor layer 15c_1 can be composed of two layers (corresponding to the n-type GaN guide layer 15d and the n-type InGaN guide layer 15e, respectively). Of the two layers constituting the n-type GaN-based semiconductor layer 15c_1, the surface on the substrate 13_1 side of the layer corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e (the interface between the two layers constituting the n-type GaN-based semiconductor layer 15c_1) is Including misfit dislocations. This misfit dislocation forms the n-type GaN-based semiconductor layer 15c_1 with a reference plane (a surface extending along the a-plane) that is perpendicular to the interface between the two layers constituting the n-type GaN-based semiconductor layer 15c_1 and includes the c-axis. It extends in the direction perpendicular to the reference axis shared by the interface between the two layers and the c-axis (along the a-axis). The density of this misfit dislocation is in the range of 5 × 10 3 cm −1 to 1 × 10 5 cm −1 . Of the two layers constituting the n-type GaN-based semiconductor layer 15c_1, the indium composition of the layer corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e is in the range of 0.03 to 0.05.

工程S52では、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉10に供給して、GaN系量子井戸層17_1(発光層17に対応)をエピタキシャルに成長して形成する。GaN系量子井戸層17_1は、図4の(b)部等に示される。工程S52において用いられる原料ガスは、III族構成元素及びV族構成元素のための原料を含む。工程S52は、下記の工程S52a、工程S52b及び工程52cを含む。工程S52aでは、GaN系井戸層17a_1(井戸層17aに対応)を、n型GaN系半導体層15c_1上に成長して形成する。工程S52bでは、GaN系バリア層17b_1(バリア層17bに対応)を、GaN系井戸層17a_1上に成長して形成する。工程S52cでは、GaN系井戸層17c_1(井戸層17cに対応)を、GaN系バリア層17b_1上に成長して形成する(以上、工程S52)。   In step S52, the source gas and the atmospheric gas are supplied to the reactor 10, and the GaN-based quantum well layer 17_1 (corresponding to the light emitting layer 17) is epitaxially grown and formed. The GaN-based quantum well layer 17_1 is shown in the part (b) of FIG. The source gas used in step S52 includes source materials for the group III constituent element and the group V constituent element. Step S52 includes the following step S52a, step S52b, and step 52c. In step S52a, a GaN well layer 17a_1 (corresponding to the well layer 17a) is grown and formed on the n-type GaN semiconductor layer 15c_1. In step S52b, a GaN-based barrier layer 17b_1 (corresponding to the barrier layer 17b) is grown and formed on the GaN-based well layer 17a_1. In step S52c, the GaN-based well layer 17c_1 (corresponding to the well layer 17c) is grown and formed on the GaN-based barrier layer 17b_1 (step S52 above).

次に、工程S53において、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉10に供給して、p型窒化ガリウム系半導体層19_1(p型窒化ガリウム系半導体層19に対応)をエピタキシャルに成長して形成する。p型窒化ガリウム系半導体層19_1は、図4の(c)部等に示される。工程S53において用いられる原料ガスは、III族構成元素及びV族構成元素のための原料と、p型ドーパントとを含む。まず、p型GaN系半導体層19a_1(p型ガイド層19aに対応)をGaN系井戸層17c_1上に成長し、次に、p型GaN系半導体層19b_1(p型クラッド層19bに対応)をp型GaN系半導体層19a_1上に成長し、次に、p型GaN系半導体層19c_1(p型コンタクト層19cに対応)をp型GaN系半導体層19b_1上に成長する(以上、工程S53)。以上の工程S51、工程S52及び工程S53が全て実施されることによって、エピタキシャル基板EP1が形成され、工程S5が終了する。   Next, in step S53, the source gas and the atmospheric gas are supplied to the reactor 10, and the p-type gallium nitride semiconductor layer 19_1 (corresponding to the p-type gallium nitride semiconductor layer 19) is epitaxially grown and formed. . The p-type gallium nitride based semiconductor layer 19_1 is shown in the part (c) of FIG. The source gas used in step S53 includes a source for a group III constituent element and a group V constituent element, and a p-type dopant. First, a p-type GaN-based semiconductor layer 19a_1 (corresponding to the p-type guide layer 19a) is grown on the GaN-based well layer 17c_1, and then a p-type GaN-based semiconductor layer 19b_1 (corresponding to the p-type cladding layer 19b) is p. A p-type GaN-based semiconductor layer 19c_1 (corresponding to the p-type contact layer 19c) is grown on the p-type GaN-based semiconductor layer 19b_1 (step S53). By performing all of the above steps S51, S52, and S53, the epitaxial substrate EP1 is formed, and the step S5 is completed.

そして、工程S7及び工程S9において、n側電極及びp側電極を形成する。まず、LEDの発光素子11を作製する場合の工程S7及び工程S8について説明する。工程S7において、エピタキシャル基板EP1に対し、n側電極及びp側電極を形成し、エピタキシャル基板EPを形成する。まず、p型窒化ガリウム系半導体層19_1の表面19_1aに絶縁膜(絶縁膜23に対応)を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって絶縁膜に開口(開口23aに対応)を設けて、p型GaN系半導体層19c_1の表面19_1aを露出する。次に、絶縁膜上に、p側電極(p側電極21に対応)を、真空蒸着によって形成する。次に、基板13_1の裏面13b_1を研磨した後、裏面13b_1上にn側電極(n側電極25に対応)を、真空蒸着によって形成する。n側電極は、研磨後の裏面13b_1を覆う。以上によって、エピタキシャル基板EPが形成される(以上、工程S7)。そして、工程S9において、エピタキシャル基板EPから、発光素子11を分離する(工程S9)。   In step S7 and step S9, an n-side electrode and a p-side electrode are formed. First, step S7 and step S8 in the case of manufacturing the LED light emitting element 11 will be described. In step S7, an n-side electrode and a p-side electrode are formed on the epitaxial substrate EP1, thereby forming the epitaxial substrate EP. First, an insulating film (corresponding to the insulating film 23) is formed on the surface 19_1a of the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19_1. Next, an opening (corresponding to the opening 23a) is provided in the insulating film by photolithography and dry etching to expose the surface 19_1a of the p-type GaN-based semiconductor layer 19c_1. Next, a p-side electrode (corresponding to the p-side electrode 21) is formed on the insulating film by vacuum deposition. Next, after the back surface 13b_1 of the substrate 13_1 is polished, an n-side electrode (corresponding to the n-side electrode 25) is formed on the back surface 13b_1 by vacuum deposition. The n-side electrode covers the back surface 13b_1 after polishing. Thus, the epitaxial substrate EP is formed (step S7). In step S9, the light emitting element 11 is separated from the epitaxial substrate EP (step S9).

次に、LDの発光素子11を作製する場合の工程S7及び工程S9について説明する。工程S7では、まず、ドライエッチングによって、p型窒化ガリウム系半導体層19_1にリッジ形状部を形成する。次に、リッジ形状部の側面にSiOの絶縁膜(絶縁膜23に対応)を形成し、リッジ形状部の上面は露出する。次に、露出したリッジ形状部の上面にNi/Auの電極を真空蒸着によって形成し、更に、絶縁膜及びNi/Au電極上に、Ti/Auのパッド電極を真空蒸着によって形成する。Ti/Auのパッド電極は、絶縁膜及びNi/Au電極を覆う。Ni/Auの電極とTi/Auのパッド電極とは、p側電極(p側電極21に対応)を構成する。次に、基板13_1の裏面13b_1を、例えば、エピタキシャル基板EP1の厚みが80μm程度となるまで研磨した後に、裏面13b_1上に、Ti/Alの電極を真空蒸着によって形成し、このTi/Alの電極上に、Ti/Auのパッド電極を真空蒸着によって形成する。Ti/Alの電極とTi/Auのパッド電極とは、n側電極(n側電極25に対応)を構成する。n側電極は、研磨後の裏面13b_1を覆う(以上、LDの場合の工程S7)。そして、工程S9では、レーザバーをエピタキシャル基板EPから分離し、このレーザバーの共振器端面に、誘電体多層膜(例えばSiO/TiO)からなる反射膜を成膜した後に、発光素子11に分離する(以上、LDの場合の工程S9)。 Next, step S7 and step S9 in the case of manufacturing the LD light emitting element 11 will be described. In step S7, first, a ridge-shaped portion is formed in the p-type gallium nitride based semiconductor layer 19_1 by dry etching. Next, an SiO 2 insulating film (corresponding to the insulating film 23) is formed on the side surface of the ridge-shaped portion, and the upper surface of the ridge-shaped portion is exposed. Next, a Ni / Au electrode is formed on the upper surface of the exposed ridge-shaped portion by vacuum deposition, and a Ti / Au pad electrode is further formed on the insulating film and the Ni / Au electrode by vacuum deposition. The Ti / Au pad electrode covers the insulating film and the Ni / Au electrode. The Ni / Au electrode and the Ti / Au pad electrode constitute a p-side electrode (corresponding to the p-side electrode 21). Next, after the back surface 13b_1 of the substrate 13_1 is polished, for example, until the thickness of the epitaxial substrate EP1 is about 80 μm, a Ti / Al electrode is formed on the back surface 13b_1 by vacuum deposition, and this Ti / Al electrode A Ti / Au pad electrode is formed thereon by vacuum deposition. The Ti / Al electrode and the Ti / Au pad electrode constitute an n-side electrode (corresponding to the n-side electrode 25). The n-side electrode covers the back surface 13b_1 after polishing (step S7 in the case of LD). In step S9, the laser bar is separated from the epitaxial substrate EP, and a reflective film made of a dielectric multilayer film (for example, SiO 2 / TiO 2 ) is formed on the cavity end face of the laser bar, and then separated into the light emitting element 11. (Step S9 in the case of LD).

(実施例)
次に、実施形態に係る発光素子11の実施例について説明する。図5は、発光素子11の実施例の構成を示す図である。図5に示す構成は、エピタキシャル基板EP1の構成に対応する。まず、半極性の主面(主面13a_1及び主面13aに対応)を有するGaN基板(基板13_1及び支持基体13に対応)を用意した。GaN基板の主面は、c面からGaN基板のm軸に向けて75度だけ傾斜している(20−21)面に沿って、延びていた。そして、GaN基板をNH及びHの雰囲気中において、摂氏1050度程度のもとで10分程度の間だけ保持し、前処理(サーマルクリーニング)を行う。
(Example)
Next, examples of the light emitting element 11 according to the embodiment will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an example of the light emitting element 11. The configuration shown in FIG. 5 corresponds to the configuration of epitaxial substrate EP1. First, a GaN substrate (corresponding to the substrate 13_1 and the support base 13) having a semipolar principal surface (corresponding to the principal surface 13a_1 and the principal surface 13a) was prepared. The main surface of the GaN substrate extended along a (20-21) plane inclined by 75 degrees from the c-plane toward the m-axis of the GaN substrate. Then, the GaN substrate is held for about 10 minutes at about 1050 degrees Celsius in an atmosphere of NH 3 and H 2 to perform pretreatment (thermal cleaning).

次に、サーマルクリーニングの後、n−GaN層(n型GaN層15a_1及びn型GaN層15aに対応)を、摂氏1050度程度のもとでエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏840度程度に下げ、2μm程度の膜厚のn−In0.03Al0.14Ga0.83N層(n型GaN系半導体層15b_1及びn型クラッド層15bに対応)をエピタキシャルに成長した。次に、摂氏840度程度の温度のもとで、200nm程度の膜厚のn−GaN層(n型GaNガイド層15dに対応)をエピタキシャルに成長した。次に、摂氏840度程度の温度のもとで、150nm程度の膜厚のn−InGa1−JN層(n型InGaNガイド層15eに対応)をエピタキシャルに成長した。 Next, after thermal cleaning, an n-GaN layer (corresponding to the n-type GaN layer 15a_1 and the n-type GaN layer 15a) was epitaxially grown at about 1050 degrees Celsius. Next, the temperature is lowered to about 840 degrees Celsius, and an n-In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer having a thickness of about 2 μm (corresponding to the n-type GaN-based semiconductor layer 15b_1 and the n-type cladding layer 15b). ) Grown epitaxially. Next, an n-GaN layer (corresponding to the n-type GaN guide layer 15d) having a thickness of about 200 nm was epitaxially grown at a temperature of about 840 degrees Celsius. Then, it is grown under the temperature of about 840 degrees Celsius, n-In J Ga 1- J N layer having a thickness of about 150nm (corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e) epitaxially.

次に、温度を摂氏790度程度に下げて、2.5nm程度の膜厚のIn0.30Ga0.70N層(GaN系井戸層17a_1及び井戸層17aに対応)をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏840度程度に上げて、L(nm)の膜厚のInGa1−KN層(GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応)をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏790度程度に下げて、2.5nm程度の膜厚のIn0.30Ga0.70N層(GaN系井戸層17c_1及び井戸層17cに対応)をエピタキシャルに成長した。 Next, the temperature was lowered to about 790 degrees Celsius, and an In 0.30 Ga 0.70 N layer (corresponding to the GaN-based well layer 17a_1 and the well layer 17a) having a thickness of about 2.5 nm was epitaxially grown. Next, the temperature was raised to about 840 degrees Celsius, and an In K Ga 1-K N layer (corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b) having a thickness of L (nm) was grown epitaxially. Next, the temperature was lowered to about 790 degrees Celsius, and an In 0.30 Ga 0.70 N layer (corresponding to the GaN-based well layer 17c_1 and the well layer 17c) having a thickness of about 2.5 nm was grown epitaxially.

次に、温度を摂氏840度程度に上げて、50nm程度の膜厚のアンドープのIn0.02Ga0.98N層をエピタキシャルに成長し、この後、100nm程度の膜厚のp−In0.02Ga0.98N層をエピタキシャルに成長し、この後、200nm程度の膜厚のp−GaN層をエピタキシャルに成長した。この50nm程度の膜厚のアンドープのIn0.02Ga0.98N層と、100nm程度の膜厚のp−In0.02Ga0.98N層と、200nm程度の膜厚のp−GaN層とからなる領域は、p型GaN系半導体層19a_1及びp型ガイド層19aに対応する。次に、摂氏840度程度の温度のもとで、400nm程度の膜厚のp−In0.02Al0.07Ga0.91N層(p型GaN系半導体層19b_1及びp型クラッド層19bに対応)をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏1000度程度に上げて、50nm程度の膜厚のp−GaN層(p型GaN系半導体層19c_1及びp型コンタクト層19cに対応)をエピタキシャルに成長した。 Next, the temperature is raised to about 840 degrees Celsius, and an undoped In 0.02 Ga 0.98 N layer having a thickness of about 50 nm is epitaxially grown. Thereafter, p-In 0 having a thickness of about 100 nm is grown. A 0.02 Ga 0.98 N layer was grown epitaxially, and then a p-GaN layer with a thickness of about 200 nm was grown epitaxially. The undoped In 0.02 Ga 0.98 N layer having a thickness of about 50 nm, the p-In 0.02 Ga 0.98 N layer having a thickness of about 100 nm, and the p-GaN having a thickness of about 200 nm. The region composed of the layers corresponds to the p-type GaN-based semiconductor layer 19a_1 and the p-type guide layer 19a. Next, under a temperature of about 840 degrees Celsius, a p-In 0.02 Al 0.07 Ga 0.91 N layer (p-type GaN-based semiconductor layer 19b_1 and p-type cladding layer 19b having a thickness of about 400 nm is formed. Grown epitaxially. Next, the temperature was raised to about 1000 degrees Celsius, and a p-GaN layer (corresponding to the p-type GaN-based semiconductor layer 19c_1 and the p-type contact layer 19c) having a thickness of about 50 nm was epitaxially grown.

以下、n型InGaNガイド層15eに対応するn−InGa1−JN層のインジウム組成Jが0.02であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層のインジウム組成Kが0.02であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層の膜厚の値Lが2.5nmの場合に作製される発光素子11を、実施例1とする。 Hereinafter, the indium composition J of the n-In J Ga 1-J N layer corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e is 0.02, and the In K Ga 1-K corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b. Light emission produced when the indium composition K of the N layer is 0.02 and the film thickness value L of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b is 2.5 nm. The element 11 is referred to as Example 1.

n型InGaNガイド層15eに対応するn−InGa1−JN層のインジウム組成Jが0.02であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層のインジウム組成Kが0.04であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層の膜厚の値Lが2.5nmの場合に作製される発光素子11を、実施例2とする。実施例2と実施例1との相違点は、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層のインジウム組成Kの値のみである。 The indium composition J of the n-In J Ga 1-J N layer corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e is 0.02, and the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b The indium composition K is 0.04, and the light emitting element 11 manufactured when the value L of the film thickness of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b is 2.5 nm. Is taken as Example 2. The difference between the second embodiment and the first embodiment is only the value of the indium composition K of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b.

n型InGaNガイド層15eに対応するn−InGa1−JN層のインジウム組成Jが0.02であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層のインジウム組成Kが、p側からn側に向かって0.02から0.04に連続的に変化する(増加する)値であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層の膜厚の値Lが2.5nmの場合に作製される発光素子11を、実施例3とする。実施例3と実施例1との相違点は、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層のインジウム組成Kの値のみである。 The indium composition J of the n-In J Ga 1-J N layer corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e is 0.02, and the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b The indium composition K is a value that continuously changes (increases) from 0.02 to 0.04 from the p side to the n side, and In K Ga corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b. The light emitting element 11 manufactured when the value L of the film thickness of the 1-KN layer is 2.5 nm is referred to as Example 3. The difference between Example 3 and Example 1 is only the value of the indium composition K of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b.

n型InGaNガイド層15eに対応するn−InGa1−JN層のインジウム組成Jが0.04であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層のインジウム組成Kが0.02であり、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層の膜厚の値Lが2.5nmの場合に作製される発光素子11を、実施例4とする。実施例4と実施例1との相違点は、n型InGaNガイド層15eに対応するn−InGa1−JN層のインジウム組成Jの値のみである。 The indium composition J of the n-In J Ga 1-J N layer corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e is 0.04, and the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b The indium composition K is 0.02, and the light-emitting element 11 manufactured when the value L of the thickness of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b is 2.5 nm. This is referred to as Example 4. The difference between Example 4 and Example 1 is only the value of the indium composition J of the n-In J Ga 1-J N layer corresponding to the n-type InGaN guide layer 15e.

更に、実施例1に対し、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層の膜厚の値Lを0.5nmとした場合に作製される発光素子を、比較例1とする。実施例1に対し、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層の膜厚の値Lを5nmとした場合に作製される発光素子を、比較例2とする。実施例1に対し、GaN系バリア層17b_1及びバリア層17bに対応するInGa1−KN層の膜厚の値Lを10nmとした場合に作製される発光素子を、比較例3とする。 Further, the light-emitting element manufactured when the value L of the thickness of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b is set to 0.5 nm is compared with Example 1. Example 1. A light-emitting element manufactured when the thickness value L of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b is set to 5 nm as compared with Example 1 is referred to as Comparative Example 2. . A light emitting element manufactured when the value L of the thickness of the In K Ga 1-K N layer corresponding to the GaN-based barrier layer 17b_1 and the barrier layer 17b is set to 10 nm as compared with Example 1 is referred to as Comparative Example 3. .

図6を参照して、実施例1に対する考察を行う。図6は、実施例及び比較例に対するPL発光波長の測定結果を示す図である。図中符号G1aは、実施例1に対する結果であり、図中符号G1bは、比較例1に対する結果であり、図中符号G1cは、比較例2に対する結果であり、図中符号G1dは、比較例3に対する結果である。図6を参照すると、実施例1、及び、比較例1〜3は、何れも、井戸層のインジウム組成は同じだが、実施例1のPL発光波長は、比較例1〜3に比べて、大幅に短くなった。この原因としては、次のことが考えられる。支持基体の主面が(20−21)面のような半極性面に対応する場合、井戸層のピエゾ分極が負であるために、図2に示すように発光層のバンド構造に歪が生じ、電子Eの波動関数は、井戸層のn側に偏り、正孔の波動関数は井戸層のp側に偏る。しかしながら、実施例1の場合のように、隣接する二つの井戸層の間に設けられたバリア層の膜厚が比較的に薄いと、このバリア層の両側にある隣接する二つの井戸層の間の波動関数にも重なりが生じ、同一井戸層において電子と正孔とが結合して発光が生じるだけでなく、バリア層を介してバリア層の一方の側の井戸層の電子と他方の側の井戸層の正孔とが結合して発光が生じる現象も生じるため、大幅に短いPL発光波長が検出されたものと考えられる。一方、図中符号G1bに示すように、バリア層の膜厚が、実施例1のような2.5nmよりも更に薄く、比較例1のような0.5nmの場合には、井戸層の膜厚が厚い単一量子井戸構造とほぼ等価となるので、PL発光波長は比較的に長くなる。なお、図示しないが、実施例及び比較例に対し、PL発光強度の測定も行った。PL発光強度についての測定結果については、実施例1、比較例2,3の場合、すなわち、バリア層の膜厚が2.5nm以上10nm以下の場合には、PL発光強度に有意な差が見られなかったが、比較例1の場合、すなわち、バリア層の膜厚が0.5nmの場合のPL発光強度は、実施例1、比較例2,3の場合のPL発光強度の60%程度と低かった。このような比較例1に対するPL発光強度に対する測定結果は、バリア層の膜厚が比較的に薄く、結晶性の回復が不十分なまま、このバリア層上に新たな井戸層が成長されているために、発光層の全体的な結晶品質が低下したことが原因と考えられる。   With reference to FIG. 6, consideration is given to the first embodiment. FIG. 6 is a diagram showing the measurement results of the PL emission wavelength for the examples and comparative examples. In the figure, reference symbol G1a is a result for Example 1, reference symbol G1b is a result for Comparative Example 1, reference symbol G1c is a result for Comparative Example 2, and reference symbol G1d is a Comparative Example. This is the result for 3. Referring to FIG. 6, Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 all have the same indium composition in the well layer, but the PL emission wavelength of Example 1 is significantly larger than that of Comparative Examples 1 to 3. Became shorter. As the cause, the following can be considered. When the main surface of the support substrate corresponds to a semipolar surface such as the (20-21) surface, since the piezoelectric polarization of the well layer is negative, the band structure of the light emitting layer is distorted as shown in FIG. The wave function of electrons E is biased toward the n side of the well layer, and the wave function of holes is biased toward the p side of the well layer. However, if the thickness of the barrier layer provided between two adjacent well layers is relatively thin as in the case of Example 1, the distance between the two adjacent well layers on both sides of the barrier layer is relatively small. In addition, the wave functions of the first and second layers are overlapped, and electrons and holes are combined in the same well layer to emit light, and the electrons in the well layer on one side of the barrier layer and the other side through the barrier layer. It is considered that a significantly shorter PL emission wavelength was detected because a phenomenon that light emission occurs due to bonding with holes in the well layer also occurred. On the other hand, as indicated by reference numeral G1b in the figure, when the barrier layer is thinner than 2.5 nm as in Example 1 and 0.5 nm as in Comparative Example 1, the film of the well layer Since it is almost equivalent to a thick single quantum well structure, the PL emission wavelength is relatively long. Although not shown, PL emission intensity was also measured for the examples and comparative examples. Regarding the measurement results for PL emission intensity, in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3, that is, when the thickness of the barrier layer is 2.5 nm or more and 10 nm or less, there is a significant difference in PL emission intensity. Although not shown, the PL emission intensity in the case of Comparative Example 1, that is, the barrier layer thickness of 0.5 nm is about 60% of the PL emission intensity in the case of Example 1 and Comparative Examples 2 and 3. It was low. As a result of measurement on the PL emission intensity for Comparative Example 1, a new well layer is grown on the barrier layer while the barrier layer is relatively thin and the crystallinity is not sufficiently recovered. For this reason, it is considered that the overall crystal quality of the light emitting layer is deteriorated.

次に、図7〜図11を参照して、実施例1に対する考察を行う。図7は、実施例1及び比較例2に対する発光波長の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図8は、実施例1及び比較例2に対する発光出力の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図9は、実施例1及び比較例2に対する発光波長の半値幅の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図10及び図11は、実施例1及び比較例2に対するIV特性の測定結果を示す図である。図12は、実施例2、実施例3及び下記の比較例4に対するIV特性の測定結果を示す図である。図11は、図10の縦軸(電流密度)を対数で表示した図であり、図13は、図12の縦軸(電流密度)を対数で表示した図である。図7〜図13に示す測定結果は、100μm×100μmのサイズのPd電極がp側の電極に用いられており、裏面全面に設けられたTi/Al/Ti/Au電極がn側電極に用いられたLEDの実施例1、実施例2、実施例3、比較例2及び比較例4によって得られた。図7〜図9に示す結果は、実施例1及び比較例2に対しパルス電流の印加によって得られた。図10〜図13に示す結果は、実施例1、実施例2、実施例3、比較例2及び比較例4に対し直流電流の印加によって得られた。比較例4の発光素子は、実施例1の構造のうち、多重量子井戸構造の発光層が、単一量子井戸構造の発光層となっているLEDであった。   Next, Example 1 will be discussed with reference to FIGS. FIG. 7 is a diagram showing the measurement result of the current density dependence of the emission wavelength for Example 1 and Comparative Example 2, and FIG. 8 is the measurement result of the current density dependence of the light emission output for Example 1 and Comparative Example 2. FIG. 9 is a diagram showing the measurement results of the current density dependence of the half-value width of the emission wavelength for Example 1 and Comparative Example 2. FIGS. 10 and 11 show Example 1 and Comparative Example. FIG. 6 is a diagram showing measurement results of IV characteristics for 2; FIG. 12 is a diagram showing the measurement results of IV characteristics for Example 2, Example 3 and Comparative Example 4 below. FIG. 11 is a diagram in which the vertical axis (current density) in FIG. 10 is displayed in logarithm, and FIG. 13 is a diagram in which the vertical axis (current density) in FIG. 12 is displayed in logarithm. The measurement results shown in FIGS. 7 to 13 show that a Pd electrode having a size of 100 μm × 100 μm is used for the p-side electrode, and a Ti / Al / Ti / Au electrode provided on the entire back surface is used for the n-side electrode. The obtained LEDs were obtained by Example 1, Example 2, Example 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 4. The results shown in FIGS. 7 to 9 were obtained by applying a pulse current to Example 1 and Comparative Example 2. The results shown in FIGS. 10 to 13 were obtained by applying a direct current to Example 1, Example 2, Example 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 4. The light-emitting element of Comparative Example 4 was an LED in which the light-emitting layer having a multiple quantum well structure in the structure of Example 1 was a light-emitting layer having a single quantum well structure.

図7において、図中符号G2aは、実施例1に対する結果であり、図中符号G2bは、比較例2に対する結果である。電流密度が小さい場合には、実施例1の方が比較例2よりも発光波長が短く、PL発光波長に対する図6に示す測定結果と一致していた。しかし、電流密度が大きくなり比較的に高い電流注入が行われた段階では、実施例1の発光波長と比較例2の発光波長との波長差は縮まり、ほぼ同等となった。このことは、電流注入に伴ってピエゾ分極が弱まり、実施例1においても、スクリーニングにより、隣接する井戸層間における遷移確率が低下したためと考えられる。なお、バリア層の膜厚が2.5nm程度の場合、c面上に形成された発光素子であれば、発光効率は低下するが、(20−21)面のような半極性面上にInGaN層を成長する実施例1の場合には、InGaN層の成長が均質で高品質となる傾向があるので、バリア層の膜厚が極端に薄くとも発光効率を維持できると考えられる。   In FIG. 7, reference sign G2a in the figure is the result for Example 1, and reference sign G2b in the figure is the result for Comparative Example 2. When the current density was small, the emission wavelength of Example 1 was shorter than that of Comparative Example 2, and coincided with the measurement results shown in FIG. 6 for the PL emission wavelength. However, at the stage where the current density was increased and relatively high current injection was performed, the wavelength difference between the emission wavelength of Example 1 and the emission wavelength of Comparative Example 2 was reduced and became substantially equal. This is presumably because piezo-polarization was weakened with current injection, and also in Example 1, the transition probability between adjacent well layers was reduced by screening. In addition, when the film thickness of the barrier layer is about 2.5 nm, if the light emitting element is formed on the c-plane, the light emission efficiency is lowered, but the InGaN is formed on the semipolar plane such as the (20-21) plane. In the case of Example 1 where the layers are grown, the growth of the InGaN layer tends to be uniform and of high quality, so that it is considered that the light emission efficiency can be maintained even if the barrier layer is extremely thin.

図8において、図中符号G3aは、実施例1に対する結果であり、図中符号G3bは、比較例2に対する結果である。図8に示す測定結果によれば、実施例1の方が比較例2よりも発光出力が高かった。上述の通り、実施例1と比較例2のPL発光強度は同等であったため、井戸層の品質に大きな違いはないはずであるので、電流注入によって図8に示すような実施例1と比較例2との間に生じた発光出力の差異の原因は、実施例1の方が比較例2よりもキャリア注入効率に優れる点にあると考えられる。   In FIG. 8, the reference sign G3a in the figure is the result for Example 1, and the reference sign G3b in the figure is the result for Comparative Example 2. According to the measurement results shown in FIG. 8, the light output of Example 1 was higher than that of Comparative Example 2. As described above, the PL emission intensity of Example 1 and Comparative Example 2 were the same, so there should be no significant difference in the quality of the well layer. Therefore, Example 1 and Comparative Example as shown in FIG. It is considered that the cause of the difference in the light emission output generated between the first embodiment and the second embodiment is that the carrier injection efficiency of Example 1 is superior to that of Comparative Example 2.

図9において、図中符号G4aは、実施例1に対する結果であり、図中符号G4bは、比較例2に対する結果である。図8に示す測定結果によれば、実施例1の方が比較例2よりも半値幅(FWHM)が狭く、特に、実施例1と比較例2との半値幅の差は、電流密度が比較的に低く電子の注入が比較的に小さい段階において顕著であった。比較例2の場合、キャリア注入効率が悪く、井戸間のキャリア密度が不均一なために、半値幅が広がったと考えられる。電流密度を増加させると、キャリア密度の不均一性が多少とも緩和されるので、実施例1と比較例2との半値幅の差は小さくなるが、同等になるまでには至らなかった。   In FIG. 9, reference numeral G4a in the figure is the result for Example 1, and reference numeral G4b in the figure is the result for Comparative Example 2. According to the measurement results shown in FIG. 8, the half width (FWHM) of Example 1 is narrower than that of Comparative Example 2. In particular, the difference in half width between Example 1 and Comparative Example 2 is a comparison of the current density. In particular, the electron injection was remarkable at a relatively small stage. In the case of Comparative Example 2, it is considered that the half-value width is widened because the carrier injection efficiency is poor and the carrier density between the wells is not uniform. When the current density is increased, the non-uniformity of the carrier density is somewhat relaxed, so that the difference in the half width between Example 1 and Comparative Example 2 is reduced, but it has not reached the same level.

図10において、図中符号G5aは、実施例1に対する結果であり、図中符号G5bは、比較例2に対する結果である。図11において、図中符号G6aは、実施例1に対する結果であり、図中符号G6bは、比較例2に対する結果である。図10を参照すると、実施例1の方が比較例2よりも、拡散電流が流れ始める電流密度の立ち上がりが早く、この結果も、実施例1がキャリア注入効率に優れていることを裏付けている。図11を参照すると、拡散電流が流れ始める電流密度の立ち上がり電圧は、実施例1の場合には2.4ボルトであり、比較例2の場合には2.6ボルトであった。   In FIG. 10, reference sign G5a in the figure is the result for Example 1, and reference sign G5b in the figure is the result for Comparative Example 2. In FIG. 11, reference sign G6a in the figure is the result for Example 1, and reference sign G6b in the figure is the result for Comparative Example 2. Referring to FIG. 10, the rise in current density at which the diffusion current starts flowing in Example 1 is faster than that in Comparative Example 2, and this result also confirms that Example 1 is superior in carrier injection efficiency. . Referring to FIG. 11, the rising voltage of the current density at which the diffusion current begins to flow was 2.4 volts in the case of Example 1 and 2.6 volts in the case of Comparative Example 2.

以上の図7〜図11に示す測定結果によれば、バリア層の膜厚を比較的に薄く(例えば、2.5nm程度に)することによって、井戸層のピエゾ分極が負の場合であっても、発光層における電子の注入効率を改善できることが、わかった。この現象は、弱励起の発光波長が短くなる点にも反映されている(弱励起は、図7に示す測定結果において、0.05kA/cm以下の電流密度に対応)。また、この現象は拡散電流が流れ始める立ち上がり電圧が低くなる点にも反映されており、例えば立ち上がり電圧を2.5V以下にすることができる。なお、キャリア注入効率と発光効率とを両立させる観点から、井戸層の膜厚とバリア層の膜厚とを同程度にすることが特に好適である。すなわち、弱励起の発光波長が短くなるときに、キャリア注入効率と発光効率の両方に優れた発光層を得ることができる。 According to the measurement results shown in FIGS. 7 to 11 above, the piezoelectric layer in the well layer is negative when the thickness of the barrier layer is relatively thin (for example, about 2.5 nm). It was also found that the electron injection efficiency in the light emitting layer can be improved. This phenomenon is also reflected in the fact that the emission wavelength of weak excitation becomes shorter (weak excitation corresponds to a current density of 0.05 kA / cm 2 or less in the measurement result shown in FIG. 7). This phenomenon is also reflected in the fact that the rising voltage at which the diffusion current begins to flow is lowered. For example, the rising voltage can be set to 2.5 V or less. Note that, from the viewpoint of achieving both carrier injection efficiency and light emission efficiency, it is particularly preferable that the thickness of the well layer and the thickness of the barrier layer be approximately the same. That is, when the emission wavelength of weak excitation becomes short, a light emitting layer excellent in both carrier injection efficiency and light emission efficiency can be obtained.

次に、図12及び図13を参照して、実施例2と実施例3とに対する考察を行う。図12において、図中符号G7aは、実施例2に対する結果であり、図中符号G7bは、実施例3に対する結果であり、図中符号G7cは、比較例4に対する結果である。図13において、図中符号G8aは、実施例2に対する結果であり、図中符号G8bは、実施例3に対する結果であり、図中符号G8cは、比較例4に対する結果である。拡散電流が流れ始める立ち上がり電圧は、実施例2で2.3ボルトであり、実施例3で2.2ボルトとなっており、2.4ボルト(図10を参照)の実施例1よりも、実施例2と実施例3の立ち上がり電圧は改善されており、単一量子井戸構造の比較例4の2.2ボルトとは、ほぼ同等であった。図12に示す結果及び図13に示す結果は、実施例2についてはバリア層全体のバンドギャップエネルギーを下げた効果、及び、実施例3についてはピエゾ分極によるバンド曲がりを緩和するようなバンド構造を組成傾斜によって形成し電子に対する障壁の高さを低くした効果によって、キャリア注入効率が改善された、ということを示唆する結果である。   Next, with reference to FIG. 12 and FIG. 13, consideration is given to the second embodiment and the third embodiment. In FIG. 12, reference symbol G7a is the result for Example 2, reference symbol G7b is the result for Example 3, and reference symbol G7c is the result for Comparative Example 4. In FIG. 13, reference sign G8a in the figure is the result for Example 2, reference sign G8b in the figure is the result for Example 3, and reference sign G8c in the figure is the result for Comparative Example 4. The rising voltage at which the diffusion current begins to flow is 2.3 volts in Example 2, and 2.2 volts in Example 3, which is higher than Example 1 of 2.4 volts (see FIG. 10). The rising voltages of Example 2 and Example 3 were improved, and were substantially equivalent to 2.2 volts of Comparative Example 4 having a single quantum well structure. The results shown in FIG. 12 and the results shown in FIG. 13 show that the effect of lowering the band gap energy of the entire barrier layer in Example 2 and a band structure that alleviates band bending due to piezoelectric polarization in Example 3. This result suggests that the carrier injection efficiency is improved by the effect of reducing the height of the barrier against electrons formed by the composition gradient.

また、実施例1及び実施例4については、断面TEM観察を行って、ミスフィット転位の測定を行った。断面TEM観察を行ったところ、実施例4においては、n側のガイド層に含まれている150nm程度の膜厚のn−InGaN層と200nm程度の膜厚のn−GaN層との界面に、2×10cm−1程度のミスフィット転位が認められた。これに対し、実施例1における同じ箇所には、ミスフィット転位は認められなかった。これより、実施例4においては、n側のガイド層のインジウム組成が比較的に高くされていることによって、n側のガイド層に含まれている150nm程度の膜厚のInGaN層が支持基体に対して緩和しているために、発光層が内包する歪が緩和されていることが、わかる。 Moreover, about Example 1 and Example 4, cross-sectional TEM observation was performed and the misfit dislocation was measured. As a result of cross-sectional TEM observation, in Example 4, at the interface between the n-InGaN layer having a thickness of about 150 nm and the n-GaN layer having a thickness of about 200 nm included in the n-side guide layer, Misfit dislocations of about 2 × 10 4 cm −1 were observed. On the other hand, no misfit dislocation was observed at the same location in Example 1. Thus, in Example 4, the indium composition of the n-side guide layer is made relatively high, so that an InGaN layer having a thickness of about 150 nm contained in the n-side guide layer is formed on the support base. On the other hand, it can be seen that the strain included in the light-emitting layer is relaxed because it is relaxed.

次に、実施例4に対する考察を行う。LDの場合の実施例1とLDの場合の実施例4とに対し、パルス電流印加によって、レーザ特性を評価した。実施例1のIth(電流閾値)が85mAであり、実施例4のIthが60mAであった。実施例4のIthの方が実施例1のIthよりも、低い値であった。実施例4の場合、ガイド層に含まれる150nm程度の膜厚のn−InGaN層の緩和によって井戸層のピエゾ分極が若干小さくなり、よって、キャリア注入効率が改善された、ということが予想される。各井戸層にキャリアが均一に注入されることによって、発光効率の改善だけでなく、内部ロスの低減も実現されているものと考えられる(キャリア注入が不均一な場合は、複数の井戸層のうち、キャリア密度が低く透明化していない井戸層が、光の吸収源として働く。)。更に、実施例4の場合、ガイド層に含まれる150nm程度の膜厚のn−InGaN層のインジウム組成が比較的に高いので、光閉じ込めの効果が比較的に大きい、ということも、実施例4のIthの方が実施例1のIthよりも低い値であったことの一因であると、考えられる。   Next, consideration is given to the fourth embodiment. Laser characteristics were evaluated by applying a pulse current to Example 1 in the case of LD and Example 4 in the case of LD. The Ith (current threshold value) of Example 1 was 85 mA, and the Ith of Example 4 was 60 mA. The value of Ith of Example 4 was lower than that of Example 1. In the case of Example 4, it is expected that the piezoelectric polarization of the well layer is slightly reduced by the relaxation of the n-InGaN layer having a thickness of about 150 nm included in the guide layer, and thus the carrier injection efficiency is improved. . It is considered that not only the light emission efficiency is improved but also the internal loss is reduced by uniformly injecting carriers into each well layer (if the carrier injection is uneven, Of these, the well layer with a low carrier density and not transparent works as a light absorption source.) Furthermore, in the case of Example 4, since the indium composition of the n-InGaN layer having a thickness of about 150 nm included in the guide layer is relatively high, the effect of optical confinement is relatively large. This is considered to be a cause of the fact that Ith was lower than that of Example 1.

なお、実施例4の場合、測定の結果、PL発光波長が527nmであったのに対して発振波長は522nmであったが、実施例1の場合、測定の結果、PL発光波長が525nmであったのに対して発振波長は517nmであった。(20−21)面のような半極性面の主面上に設けられている発光素子の場合、ピエゾ分極がゼロではないが、ピエゾ分極の発生にもかかわらず、このように、PL発光波長と、発振波長との差が比較的に小さい、ということは、少なくとも実施例1及び実施例4の場合においては、PL発光波長の測定時にはバリア層の膜厚が比較的に薄いことによって隣接する井戸層間において遷移確率が増大するメカニズム(図6に示す結果を参照)が作用している、ということを示唆している。このメカニズムが作用するときに、キャリア注入効率が向上する。このように、実施例1及び実施例4によって実際に確認されているように、発光素子がキャリア注入効率に優れる構造を有する場合、電流密度が0.05kA/cm程度におけるEL発光波長(EL:Electro Luminescence)のピーク値、又は、このEL発振波長のピーク値に相当する励起密度におけるPL発光波長のピーク値から、発振波長までのブルーシフト量は、15nm以下であった。 In the case of Example 4, the measurement result showed that the PL emission wavelength was 527 nm, whereas the oscillation wavelength was 522 nm. In Example 1, the measurement result showed that the PL emission wavelength was 525 nm. In contrast, the oscillation wavelength was 517 nm. In the case of a light-emitting element provided on the main surface of a semipolar plane such as the (20-21) plane, the piezo polarization is not zero. And the difference from the oscillation wavelength is relatively small, at least in the case of Example 1 and Example 4, when the PL emission wavelength is measured, the barrier layer is relatively thin so that it is adjacent. This suggests that a mechanism for increasing the transition probability between the well layers (see the result shown in FIG. 6) is acting. When this mechanism acts, the carrier injection efficiency is improved. Thus, as actually confirmed by Example 1 and Example 4, when the light-emitting element has a structure with excellent carrier injection efficiency, the EL emission wavelength (EL at a current density of about 0.05 kA / cm 2) : Electro Luminescence) or the blue shift amount from the peak value of the PL emission wavelength at the excitation density corresponding to the peak value of the EL oscillation wavelength to the oscillation wavelength was 15 nm or less.

以上、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。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

10…反応炉、11…発光素子、13…支持基体、13_1…基板、13a,13a_1…主面、13b,13b_1…裏面、15,15_1…n型窒化ガリウム系半導体層、15_1a,15f,17_1a,19_1a…表面、15a,15a_1…n型GaN層、15b…n型クラッド層、15b_1…n型GaN系半導体層、15c…n型ガイド層、15c_1…n型GaN系半導体層、15d…n型GaNガイド層、15e…n型InGaNガイド層、17…発光層、17_1…GaN系量子井戸層、17a,17c…井戸層、17a_1,17c_1…GaN系井戸層、17b…バリア層、17b_1…GaN系バリア層、19,19_1…p型窒化ガリウム系半導体層、19a…p型ガイド層、19a_1…p型GaN系半導体層、19b…p型クラッド層、19b_1…p型GaN系半導体層、19c…p型コンタクト層、19c_1…p型GaN系半導体層、21…p側電極、25…n側電極、AX…法線軸、CR…結晶座標系、EP,EP1…エピタキシャル基板、S…座標系、SC…面、VC…c軸ベクトル、VN…法線ベクトル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Reaction furnace, 11 ... Light emitting element, 13 ... Support base | substrate, 13_1 ... Substrate, 13a, 13a_1 ... Main surface, 13b, 13b_1 ... Back surface, 15, 15_1 ... N-type gallium nitride semiconductor layer, 15_1a, 15f, 17_1a, 19_1a ... surface, 15a, 15a_1 ... n-type GaN layer, 15b ... n-type cladding layer, 15b_1 ... n-type GaN-based semiconductor layer, 15c ... n-type guide layer, 15c_1 ... n-type GaN-based semiconductor layer, 15d ... n-type GaN Guide layer, 15e ... n-type InGaN guide layer, 17 ... light emitting layer, 17_1 ... GaN-based quantum well layer, 17a, 17c ... well layer, 17a_1, 17c_1 ... GaN-based well layer, 17b ... barrier layer, 17b_1 ... GaN-based barrier Layer, 19, 19_1 ... p-type gallium nitride semiconductor layer, 19a ... p-type guide layer, 19a_1 ... p-type GaN semiconductor Layer, 19b ... p-type cladding layer, 19b_1 ... p-type GaN-based semiconductor layer, 19c ... p-type contact layer, 19c_1 ... p-type GaN-based semiconductor layer, 21 ... p-side electrode, 25 ... n-side electrode, AX ... normal axis CR, crystal coordinate system, EP, EP1, epitaxial substrate, S, coordinate system, SC, plane, VC, c-axis vector, VN, normal vector.

Claims (20)

六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のc面から予め規定された方向に傾斜した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たn型窒化ガリウム系半導体層と、
前記n型窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、
前記発光層上に設けられたp型窒化ガリウム系半導体層と、
を備え、
前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、
前記多重量子井戸構造は、少なくとも二つの井戸層と、少なくとも一つのバリア層とからなり、
前記バリア層は、前記二つの井戸層の間に設けられ、
前記二つの井戸層は、InGaNからなり、
前記二つの井戸層は、0.15以上0.50以下の範囲にある第1のインジウム組成を有し、
前記c面に対する前記主面の傾斜角は、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、
前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にある、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
A support base comprising a hexagonal nitride semiconductor and having a main surface inclined in a predetermined direction from the c-plane of the hexagonal nitride semiconductor;
An n-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the main surface of the support base;
A light emitting layer provided on the n-type gallium nitride based semiconductor layer and made of a gallium nitride based semiconductor;
A p-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the light emitting layer;
With
The light emitting layer has a multiple quantum well structure,
The multiple quantum well structure comprises at least two well layers and at least one barrier layer,
The barrier layer is provided between the two well layers;
The two well layers are made of InGaN,
The two well layers have a first indium composition in a range of 0.15 to 0.50,
The inclination angle of the principal surface with respect to the c-plane is in a range of 50 degrees or more and 80 degrees or less and a range of 130 degrees or more and 170 degrees or less,
The film thickness of the barrier layer is in the range of 1.0 nm to 4.5 nm.
A nitride semiconductor light emitting device characterized by that.
前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に0.50nmを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から0.50nmを差し引いた値以上である、ことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。   The film thickness of the barrier layer is not more than a value obtained by adding 0.50 nm to the film thickness of the well layer, and is not less than a value obtained by subtracting 0.50 nm from the film thickness of the well layer. The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1. 前記バリア層は、InGaNからなり、
前記バリア層は、0.01以上0.10以下の範囲にある第2のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
The barrier layer is made of InGaN,
3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the barrier layer has a second indium composition in a range of 0.01 or more and 0.10 or less.
前記n型窒化ガリウム系半導体層は、InGaN層を有し、
前記InGaN層上に前記発光層が設けられ、
前記n型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記InGaN層の前記支持基体側の表面にミスフィット転位が存在し、
前記ミスフィット転位は、前記InGaN層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のc軸を含む基準面と前記InGaN層の前記表面とが共有する基準軸と、前記c軸とに直交する方向に延びており、
前記ミスフィット転位の密度は、5×10cm−1以上1×10cm−1以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
The n-type gallium nitride based semiconductor layer has an InGaN layer,
The light emitting layer is provided on the InGaN layer,
Misfit dislocations exist on the surface of the InGaN layer on the side of the supporting substrate inside the n-type gallium nitride based semiconductor layer,
The misfit dislocation is orthogonal to the c-axis and a reference axis that is orthogonal to the surface of the InGaN layer and is shared by the reference plane including the c-axis of the hexagonal nitride semiconductor and the surface of the InGaN layer. Extending in the direction to
Density of the misfit dislocations, 5 × 10 3 cm -1 is in the range of 1 × 10 5 cm -1 or less than, nitride according to any one of claims 1 to 3, characterized in that Semiconductor light emitting device.
前記InGaN層は、0.03以上0.05以下の範囲にある第3のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。   5. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the InGaN layer has a third indium composition in a range of 0.03 or more and 0.05 or less. 前記第2のインジウム組成は、前記p型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記n型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。   The second indium composition increases from the p-type gallium nitride based semiconductor layer side toward the n-type gallium nitride based semiconductor layer side. Nitride semiconductor light emitting device. 前記c面に対する前記主面の傾斜角は、63度以上80度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。   7. The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein an inclination angle of the main surface with respect to the c-plane is in a range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees. 前記第1のインジウム組成は、0.24以上0.40以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the first indium composition is in a range of 0.24 to 0.40. 前記第2のインジウム組成は、0.01以上0.06以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。   4. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein the second indium composition is in a range of 0.01 to 0.06. 5. 前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上3.5nm以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項9の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。   10. The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein a thickness of the barrier layer is in a range of 1.0 nm or more and 3.5 nm or less. 六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のc面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する基板を用意する工程と、
前記基板の前記主面上にn型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、
前記n型窒化ガリウム系半導体層上に、窒化ガリウム系半導体からなる発光層を成長する工程と、
前記発光層上にp型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、
を備え、
前記発光層は、少なくとも第1の井戸層及び第2の井戸層と、少なくとも一つのバリア層とを有し、
前記発光層を成長する工程では、前記n型窒化ガリウム系半導体層上において、前記第1の井戸層、前記バリア層、前記第2の井戸層を順に成長し、
前記第1の井戸層及び前記第2の井戸層は、InGaNからなり、
前記第1の井戸層及び前記第2の井戸層は、0.15以上0.50以下の範囲にある第1のインジウム組成を有し、
前記c面に対する前記主面の傾斜角は、50度以上80度以下の範囲、及び、130度以上170度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、
前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上4.5nm以下の範囲にある、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の作製方法。
Preparing a substrate comprising a hexagonal nitride semiconductor and having a principal surface inclined in a predetermined direction from the c-plane of the hexagonal nitride semiconductor;
Growing an n-type gallium nitride based semiconductor layer on the main surface of the substrate;
Growing a light emitting layer made of a gallium nitride based semiconductor on the n-type gallium nitride based semiconductor layer;
Growing a p-type gallium nitride based semiconductor layer on the light emitting layer;
With
The light emitting layer has at least a first well layer and a second well layer, and at least one barrier layer,
In the step of growing the light emitting layer, the first well layer, the barrier layer, and the second well layer are sequentially grown on the n-type gallium nitride based semiconductor layer,
The first well layer and the second well layer are made of InGaN,
The first well layer and the second well layer have a first indium composition in a range of 0.15 to 0.50,
The inclination angle of the principal surface with respect to the c-plane is in a range of 50 degrees or more and 80 degrees or less and a range of 130 degrees or more and 170 degrees or less,
The film thickness of the barrier layer is in the range of 1.0 nm to 4.5 nm.
A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device.
前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に0.50nmを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から0.50nmを差し引いた値以上である、ことを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。   The film thickness of the barrier layer is not more than a value obtained by adding 0.50 nm to the film thickness of the well layer, and is not less than a value obtained by subtracting 0.50 nm from the film thickness of the well layer. The method for producing a nitride semiconductor light emitting device according to claim 11. 前記バリア層は、InGaNからなり、
前記バリア層は、0.01以上0.10以下の範囲にある第2のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項11又は請求項12に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
The barrier layer is made of InGaN,
13. The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting element according to claim 11, wherein the barrier layer has a second indium composition in a range of 0.01 or more and 0.10 or less.
前記n型窒化ガリウム系半導体層は、InGaN層を有し、
前記InGaN層上に前記発光層が設けられ、
前記n型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記InGaN層の前記基板側の表面にミスフィット転位が存在し、
前記ミスフィット転位は、前記InGaN層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のc軸を含む基準面と前記InGaN層の前記表面とが共有する基準軸と、前記c軸とに直交する方向に延びており、
前記ミスフィット転位の密度は、5×10cm−1以上1×10cm−1以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項11〜請求項13の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
The n-type gallium nitride based semiconductor layer has an InGaN layer,
The light emitting layer is provided on the InGaN layer,
Misfit dislocations exist on the surface of the InGaN layer on the substrate side inside the n-type gallium nitride based semiconductor layer,
The misfit dislocation is orthogonal to the c-axis and a reference axis that is orthogonal to the surface of the InGaN layer and is shared by the reference plane including the c-axis of the hexagonal nitride semiconductor and the surface of the InGaN layer. Extending in the direction to
Density of the misfit dislocations, 5 × 10 3 cm -1 in 1 × 10 5 cm -1 or less in the range of, nitride according to any one of claims 11 to claim 13, characterized in that For manufacturing a semiconductor light emitting device.
前記InGaN層は、0.03以上0.05以下の範囲にある第3のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項14に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。   The method of manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element according to claim 14, wherein the InGaN layer has a third indium composition in a range of 0.03 to 0.05. 前記第2のインジウム組成は、前記p型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記n型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。   14. The second indium composition increases from the p-type gallium nitride based semiconductor layer side toward the n-type gallium nitride based semiconductor layer side. A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device. 前記c面に対する前記主面の傾斜角は、63度以上80度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項11〜請求項16の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。   17. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 11, wherein an inclination angle of the main surface with respect to the c-plane is in a range of not less than 63 degrees and not more than 80 degrees. Method. 前記第1のインジウム組成は、0.24以上0.40以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項11〜請求項17の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。   18. The method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element according to claim 11, wherein the first indium composition is in a range of 0.24 or more and 0.40 or less. 前記第2のインジウム組成は、0.01以上0.06以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。   The method for producing a nitride semiconductor light emitting element according to claim 13, wherein the second indium composition is in a range of 0.01 to 0.06. 前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上3.5nm以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項11〜請求項19の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。   20. The method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element according to claim 11, wherein the thickness of the barrier layer is in a range of 1.0 nm to 3.5 nm.
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