WO2009125731A1 - Iii族窒化物半導体素子及びエピタキシャルウエハ - Google Patents

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plane
gallium nitride
nitride semiconductor
wafer
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祐介 善積
陽平 塩谷
上野　昌紀
中西　文毅
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a group III nitride semiconductor device and an epitaxial wafer.
  • Patent Document 1 describes a semiconductor light emitting element.
  • the semiconductor light-emitting element has a semiconductor layer that reduces the threshold current density necessary for laser oscillation and is unlikely to generate kinks, and in the surface-emitting semiconductor laser, fixes the vibration surface of light and suppresses fluctuations of the vibration surface.
  • Patent Document 2 describes a light-emitting diode element, a semiconductor laser element, a light-receiving element, and a transistor manufactured from a group III nitride semiconductor.
  • group III nitride semiconductors an AlGaN layer having a large Al composition and a high carrier concentration is required.
  • the surface diffusion of Al atoms is small, the surface diffusion of Al atoms is promoted.
  • An AlGaN layer having a large Al composition and a high carrier concentration can be grown on a substrate having a GaN inclined surface of 1 to 20 degrees without impairing the crystal quality.
  • the active layer is made of a semiconductor having uniaxial anisotropy, and the film thickness direction of the active layer is different from the axis of uniaxial anisotropy.
  • This semiconductor light emitting device is fabricated on a substrate having a (11-20) plane or a (1-100) plane main surface. Further, although the main surface of the substrate can be tilted from these planes with an off angle of 0 degrees or more, the upper limit of the tilt angle is 10 degrees in order to suppress the generation of twins and the like. That is, the main surface is a surface that forms a slight off-angle from the a-plane and the m-plane and the a-plane and the m-plane.
  • the crystal plane inclined from the c-plane at an angle larger than the off-angle described in Patent Document 1 exhibits a so-called semipolarity different from the c-plane, a-plane, and m-plane.
  • semipolarity In order to use semipolarity in a gallium nitride semiconductor, it is required to make the inclination angle with respect to the c-plane larger than the angle range described in Patent Document 1.
  • the gallium nitride based semiconductor layer depends on the difference between the lattice constant of the hexagonal compound and the lattice constant of the gallium nitride based semiconductor layer. Distortion occurs. When strain relaxation occurs in the gallium nitride based semiconductor layer during the growth of the gallium nitride based semiconductor layer, dislocations are generated.
  • a gallium nitride semiconductor device utilizing semipolarity is different from a typical crystal plane of a hexagonal compound, specifically, growth on a c-plane, a-plane, and m-plane. Then, there is a possibility that the relaxation of strain is suppressed and the occurrence of dislocations can be reduced.
  • An object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor device in which generation of dislocations due to strain relaxation is suppressed in a gallium nitride semiconductor using semipolarity, and for the group III nitride semiconductor device. It is an object to provide an epitaxial wafer.
  • the group III nitride semiconductor device is inclined at an off angle of greater than 10 degrees and less than 80 degrees with respect to the c-plane of the (a) hexagonal compound.
  • a support base having a main surface comprising: (b) a semiconductor region provided on the main surface of the support base and including a semiconductor layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor different from the hexagonal compound; Is provided.
  • the tilt angle between the (0001) plane of the hexagonal compound of the support substrate and the (0001) plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer is +0.05 degrees or more, and the tilt angle is +2
  • the tilt angle is ⁇ 0.05 degrees or less, the tilt angle is ⁇ 2 degrees or more, and the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer is either AlGaN or InGaN. .
  • the inclination angle between the (0001) plane of the support base and the (0001) plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor is 0.05.
  • strain relaxation is suppressed in the hexagonal gallium nitride semiconductor, and an increase in dislocation density in the hexagonal gallium nitride semiconductor is suppressed.
  • the ⁇ 0001> direction of the support base is different from the ⁇ 0001> direction of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is elastically distorted in a plane parallel to the main surface of the support base, the occurrence of strain relaxation is suppressed, and the ⁇ 0001> direction of GaN Is different from the ⁇ 0001> direction of hexagonal gallium nitride semiconductors.
  • the group III nitride semiconductor device of the present invention has a main surface made of the hexagonal compound that is inclined at an off angle of greater than 10 degrees and less than 80 degrees with respect to the c-plane of the hexagonal compound (a).
  • a supporting base ; and (b) a semiconductor region provided on the main surface of the supporting base and including a semiconductor layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor different from the hexagonal compound.
  • a first axis indicating the ⁇ 0001> direction of the hexagonal compound of the support base is a second axis indicating the ⁇ 0001> direction of the hexagonal gallium nitride semiconductor. It extends in different directions.
  • the first axis indicating the ⁇ 0001> direction of the support base is the ⁇ 0001> direction of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the semiconductor stack includes an active layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor, and the active layer has a peak wavelength of light from the active layer of 400 nm to 550 nm.
  • the active layer may include an InGaN well layer, and the group III nitride semiconductor device may be a light emitting diode or a semiconductor laser.
  • the light emission characteristics of the group III nitride semiconductor device are improved by suppressing the increase in dislocation density.
  • the support base can be made of any of sapphire, SiC, and GaN.
  • the supporting base made of the above-described material can utilize strain relaxation suppression.
  • the support base may be made of a gallium nitride based semiconductor.
  • the main surface is semipolar. According to this group III nitride semiconductor device, since the support base and the semiconductor layer are both made of a gallium nitride semiconductor, it is possible to deposit a gallium nitride semiconductor of good crystal quality on the support base of the gallium nitride semiconductor.
  • the support base may have a gallium nitride based semiconductor region having a threading dislocation density of 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less.
  • the gallium nitride semiconductor can be deposited on the low dislocation gallium nitride semiconductor region, and since there are few dislocations inherited from the substrate, the occurrence of strain relaxation hardly occurs.
  • the hexagonal compound of the support base is GaN, and the inclination angle is such that the GaN (0001) plane of the support base and the hexagonal nitride of the semiconductor layer It is defined by the (0001) plane of the gallium semiconductor.
  • a high-quality GaN wafer can be used, and therefore, strain relaxation due to dislocations inherited from the substrate is unlikely to occur.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer may be InGaN.
  • the inclination angle is defined by the GaN (0001) plane of the support base and the InGaN (0001) plane of the semiconductor layer. According to this group III nitride semiconductor device, the occurrence of strain relaxation in the InGaN layer is reduced.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer may be AlGaN. The inclination angle is defined by the GaN (0001) plane of the support base and the AlGaN (0001) plane of the semiconductor layer. According to this group III nitride semiconductor device, occurrence of strain relaxation in the AlGaN layer is reduced.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is elastically distorted in a plane parallel to the main surface of the support base.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is elastically distorted in a plane parallel to the main surface of the support base, so that the relaxation of the strain is suppressed.
  • the support base may include a sapphire substrate, a SiC substrate, and the like.
  • the support base may include an A-plane sapphire substrate and a GaN layer grown on the sapphire substrate.
  • An epitaxial wafer is: (a) a wafer having a main surface made of the hexagonal compound that is inclined with respect to the c-plane of the hexagonal compound at an off angle greater than 10 degrees and less than 80 degrees. And (b) a semiconductor region provided on the main surface of the wafer and including a semiconductor layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor different from the hexagonal compound.
  • the inclination angle between the (0001) plane of the hexagonal compound of the wafer and the (0001) plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer is +0.05 degrees or more, and the inclination angle is +2 degrees.
  • the inclination angle is ⁇ 0.05 degrees or less, the inclination angle is ⁇ 2 degrees or more, and the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer is either AlGaN or InGaN.
  • the inclination angle (absolute value) between the (0001) plane of the support base and the (0001) plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor is 0.05 degrees.
  • the angle is in the range of 2 degrees or less, strain relaxation is suppressed in the hexagonal gallium nitride semiconductor, and an increase in dislocation density in the hexagonal gallium nitride semiconductor is avoided.
  • the ⁇ 0001> direction of the hexagonal compound of the wafer is different from the ⁇ 0001> direction of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is elastically distorted in a plane parallel to the main surface of the wafer, the occurrence of strain relaxation is suppressed, and the ⁇ 0001> direction of the hexagonal compound is hexagonal. It differs from the ⁇ 0001> direction of the crystalline gallium nitride semiconductor.
  • the epitaxial wafer of the present invention includes (a) a wafer having a major surface made of the hexagonal compound, which is inclined at an off angle greater than 10 degrees and less than 80 degrees with the c-plane of the hexagonal compound, and (b) And a semiconductor region provided on the main surface of the wafer and including a semiconductor layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor different from the hexagonal compound.
  • the first axis indicating the ⁇ 0001> direction of the hexagonal compound of the wafer is different from the second axis indicating the ⁇ 0001> direction of the hexagonal gallium nitride semiconductor. Extending in the direction.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor Strain relaxation is suppressed in, and an increase in dislocation density in the hexagonal gallium nitride semiconductor is suppressed.
  • the semiconductor region includes an active layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor, and a peak wavelength of a photoluminescence spectrum of the active layer is in a wavelength range of 400 nm to 550 nm. it can.
  • an epitaxial wafer for a group III nitride semiconductor device having good light emission characteristics is provided by suppressing an increase in dislocation density.
  • the wafer can be made of any of sapphire, SiC and GaN. According to this epitaxial wafer, a wafer made of the above-described material can utilize strain relaxation suppression.
  • the wafer is made of a gallium nitride semiconductor, and the main surface is semipolar. According to this epitaxial wafer, since the support base and the semiconductor layer are both made of a gallium nitride semiconductor, it is possible to deposit a gallium nitride semiconductor having a good crystal quality on the support base of the gallium nitride semiconductor.
  • the wafer may have a gallium nitride based semiconductor region having a threading dislocation density of 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less.
  • the gallium nitride semiconductor can be deposited on the low dislocation gallium nitride semiconductor region, and since there are few dislocations inherited from the wafer, the occurrence of strain relaxation hardly occurs.
  • the hexagonal compound of the wafer is GaN, and the tilt angle is (0001) of the GaN of the wafer and (0001) of the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer. ) Surface.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer is InGaN, and the tilt angle is such that the GaN (0001) plane of the wafer and the InGaN (0001) plane of the semiconductor layer are Can be defined by According to this epitaxial wafer, the occurrence of strain relaxation in the InGaN layer is reduced.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer is AlGaN, and the inclination angle is (0001) plane of GaN of the wafer and AlGaN (0001) of the semiconductor layer. Can be defined by the face. According to this epitaxial wafer, occurrence of strain relaxation of the AlGaN layer is reduced.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is elastically distorted in a plane parallel to the main surface of the wafer.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is elastically distorted in a plane parallel to the main surface of the support base, so that the relaxation of the strain in the epitaxial wafer is suppressed.
  • a group III nitride semiconductor device in which generation of dislocations is suppressed by relaxation of strain in a gallium nitride semiconductor using semipolarity. Further, according to another aspect of the present invention, an epitaxial wafer for the group III nitride semiconductor device is provided.
  • FIG. 1 is a drawing showing the relationship between the lattice constant of a hexagonal compound and the lattice constant of a hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • FIG. 2 is a drawing showing a semiconductor layer of a hexagonal gallium nitride semiconductor grown on a support base of a hexagonal compound.
  • FIG. 3 is a drawing showing the relationship between the lattice constant of a hexagonal compound and the lattice constant of a hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • FIG. 4 is a drawing showing a semiconductor layer of a hexagonal gallium nitride semiconductor grown on a support base of a hexagonal compound.
  • FIG. 5 is a drawing schematically showing a structure of a light emitting diode to which the present embodiment is applied.
  • FIG. 6 is a drawing schematically showing a structure of a semiconductor laser to which the present embodiment is applied.
  • FIG. 7 is a drawing showing a process flow including main steps of a method for manufacturing a light emitting diode.
  • FIG. 8 is a drawing showing a process flow including main steps of a method for manufacturing a light emitting diode.
  • FIG. 9 is a drawing showing a typical PL spectrum.
  • FIG. 10 is a drawing showing a reciprocal lattice mapping image obtained by measurement.
  • FIG. 11 is an enlarged view of the vicinity of the active layer in the LED structure shown in FIG. FIG.
  • FIG. 12 is a drawing showing the structure of the epitaxial wafer E26 and the measurement points associated with this structure.
  • FIG. 13 is a drawing showing diffraction patterns obtained at three measurement points.
  • FIG. 14 is a drawing showing an electron beam diffraction image on an epitaxial wafer.
  • FIG. 15 is an enlarged view of electron beam diffraction on an epitaxial wafer.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating examples of calculated values of tilt angles in InGaN and AlGaN.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is grown on a main surface of a substrate made of a hexagonal compound, and the main surface of the substrate is greater than 10 degrees and less than 80 degrees with respect to the c-plane of the hexagonal compound. It is inclined at.
  • a group III nitride semiconductor device includes a support base having the above-described off angle, and a semiconductor region provided on the main surface of the support base.
  • the semiconductor region can be a semiconductor stack including a semiconductor layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • An epitaxial wafer for a group III nitride semiconductor device according to the present embodiment includes a wafer having the above-described off angle and a semiconductor region provided on the main surface of the wafer.
  • the semiconductor region includes a semiconductor film made of a hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the lattice constant of the hexagonal compound is the lattice constant of the hexagonal gallium nitride semiconductor (for example, , The lattice constant in the c-axis direction).
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor contains a strain caused by a difference in lattice constant. Strain is relaxed by structural defects (eg, dislocations) in the crystal. However, an increase in dislocation results in a decrease in the crystal quality of the hexagonal gallium nitride semiconductor. Therefore, it is desired to suppress the increase in dislocations.
  • FIG. 1 is a drawing showing the relationship between the lattice constant of a hexagonal compound and the lattice constant of a hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the lattice constant of the hexagonal compound is smaller than that of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • a vector C shown in (a) to (c) of FIG. 1 indicates the direction of the c-axis of the hexagonal compound.
  • Reference sign SSUB C indicates the c-plane in the hexagonal compound.
  • Reference sign SLAY C1 indicates the c-plane in a hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • Reference numerals 11a, 11b, and 11c indicate wafers made of hexagonal compounds, and reference numerals 13a, 13b, and 13c indicate semiconductor layers made of hexagonal gallium nitride semiconductors.
  • the maximum value of the distance between two points on the edges of the wafers 11a, 11b, and 11c is 45 mm or more.
  • the area of the main surface of the wafers 11a, 11b, 11c is, for example, 15 cm 2 or more.
  • a wafer 11a having a c-plane principal surface showing polarity is prepared.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 13a is to be deposited on the wafer 11a.
  • Lattice constant DLAY P1-specific to hexagonal gallium nitride-based semiconductor 13a is larger than the hexagonal compound specific lattice constant DSUB P of the wafer 11a. This lattice constant is defined in the a-axis direction or the m-axis direction.
  • a wafer 11b having an a-plane main surface (or m-plane main surface) showing nonpolarity is prepared.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 13b is to be deposited on the wafer 11b.
  • Lattice constant DLAY N1 of the hexagonal gallium nitride-based semiconductor 13b is larger than the lattice constant DSUB N of hexagonal compound of the wafer 11b. This lattice constant is defined in the c-axis direction.
  • a wafer 11c having a main surface showing semipolarity is prepared.
  • the wafer 11c has a main surface made of the hexagonal compound, and the main surface is inclined with an off angle of greater than 10 degrees and less than 80 degrees with respect to the c-plane of the hexagonal compound.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 13c is to be deposited on the wafer 11c.
  • the lattice constant cannot be shown as shown in the parts (a) and (b) of FIG. 1 by using the axial direction in the basic grating associated with the basic grating.
  • the relationship between the basic lattice size DLAY H1 of the crystalline gallium nitride semiconductor 13c and the basic lattice size DSUB H of the hexagonal compound of the wafer 11c is the same as the (a) and (b) portions of FIG.
  • the relationship DLAY H1 > DSUB H is satisfied.
  • FIG. 2 is a drawing showing a semiconductor layer of a hexagonal gallium nitride semiconductor grown on a support base of a hexagonal compound.
  • the lattice constant of the hexagonal compound is smaller than that of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • a vector C shown in (a) to (c) of FIG. 2 indicates the c-axis direction of the hexagonal compound and the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the lattice constant inherent to the hexagonal gallium nitride semiconductors 13a, 13b, and 13c depends on the lattice constant of the wafers 11a, 11b, and 11c.
  • hexagonal gallium nitride semiconductors 15a, 15b, and 15c are formed. Therefore, the hexagonal gallium nitride semiconductors 15a, 15b and 15c contain strain.
  • lattice defects such as dislocations are generated during crystal growth, distortion is relaxed by this generation and the crystal quality is deteriorated. Therefore, relaxation of strain is not desired.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 15c exhibiting semipolarity also contains strain.
  • the crystal of the wafer 11c surface for example, the c-plane SSUB C
  • the corresponding crystal plane of the hexagonal gallium nitride-based semiconductor 15c for example not parallel to the c-plane SLAY C1
  • it extends parallel to the reference plane S R1.
  • the angle difference between these c-planes can be estimated from the results of X-ray diffraction measurement, as will be described later.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is strained so that the crystal plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor, for example, the c-plane SLAY C1 extends in parallel with a predetermined crystal plane of the wafer 11b, for example, the c-plane SSUB C. Deforms as a result of relaxation.
  • the hexagonal compound is GaN
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is InGaN, InAlGaN, or the like.
  • the lattice constant of InGaN depends on the indium composition, it is larger than the lattice constant of GaN.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 15c also includes strain, that is, the generation of dislocations is very small.
  • the tilt angle alpha (absolute value) form of the hexagonal gallium nitride-based semiconductor 15c and the c-plane SLAY C1 to the reference plane S R1 is 0.05 degree or more is there.
  • the inclination angle ⁇ (absolute value) is 2 degrees or less.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is InGaN and the wafer 11c is made of GaN
  • this inclination angle depends on, for example, the GaN (0001) plane of the wafer 11c and the InGaN (0001) plane of the semiconductor layer. It is prescribed.
  • the occurrence of strain relaxation in the InGaN layer is reduced, and the number of dislocations increased during the growth of the hexagonal gallium nitride semiconductor 15c is very small.
  • the above relationship of the inclination angle is satisfied over the entire main surface of the wafer 11c.
  • the In composition is preferably 0.07 or more and 0.35 or less.
  • FIGS. 1 and 2 Although the description made with reference to FIGS. 1 and 2 was performed by exemplifying a single semiconductor layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor deposited on the wafer 11c, The same applies to a structure in which a semiconductor stack including a plurality of semiconductor layers is grown on the wafer 11c.
  • the inclination angle (absolute value) between the (0001) plane of the wafer 11c and the (0001) plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor 15c Is 0.05 degrees or more and 2 degrees or less, strain relaxation is suppressed in the hexagonal gallium nitride semiconductor 15c, and dislocations in the hexagonal gallium nitride semiconductor 15c of this group III nitride semiconductor element are suppressed. Increase in density is suppressed.
  • the ⁇ 0001> direction of the hexagonal gallium nitride-based semiconductor 15c it is illustrated as an axis A R.
  • ⁇ 0001> direction of the wafer 11c is different from the axis A R.
  • the auxiliary axis AR is shown in accordance with the c-axis vector C of the wafer 11c so that the angle difference becomes clear.
  • the angle ⁇ formed by the auxiliary axis AR and the vector C is related to the strain inclusion, and the value of the angle ⁇ is substantially equal to the angle ⁇ .
  • FIG. 3 is a drawing showing the relationship between the lattice constant of a hexagonal compound and the lattice constant of a hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the lattice constant of the hexagonal compound is larger than that of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the vector C shown in the parts (a) to (c) of FIG. 3 indicates the direction of the c-axis of the hexagonal compound, and the reference signs SSUB P and SLAY P denote the hexagonal compound and the hexagonal crystal, respectively.
  • the c-plane in a gallium nitride based semiconductor is shown.
  • Reference numerals 11a, 11b, and 11c represent support bases made of hexagonal compounds, and reference signs 17a, 17b, and 17c represent semiconductor layers made of hexagonal gallium nitride semiconductors.
  • a wafer 11a having a c-plane principal surface showing polarity is prepared.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 17a is to be deposited on the wafer 11a.
  • Hexagonal specific lattice constant gallium nitride-based semiconductor 17a DLAY P2 is smaller than the lattice constant DSUB P inherent hexagonal compound of the wafer 11a. This lattice constant is defined in the a-axis direction or the m-axis direction.
  • a wafer 11b having an a-plane main surface (or m-plane main surface) showing nonpolarity is prepared.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 17b is to be deposited on the wafer 11b.
  • Hexagonal specific lattice constant gallium nitride-based semiconductor 17b DLAY N2 is smaller than the lattice constant DSUB N of hexagonal compound of the wafer 11b. This lattice constant is defined in the c-axis direction.
  • a wafer 11c having a main surface showing semipolarity is prepared.
  • the wafer 11c has a main surface made of the hexagonal compound, and the main surface is inclined with an off angle of greater than 10 degrees and less than 80 degrees with respect to the c-plane of the hexagonal compound.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 17c is to be deposited on the wafer 11c.
  • the lattice constant cannot be shown as shown in the parts (a) and (b) of FIG. 3 by using the axial direction of the basic grating associated with the basic grating.
  • the relationship between the basic lattice size DLAY H2 of the crystalline gallium nitride semiconductor 17c and the basic lattice size DSUB H of the hexagonal compound of the wafer 11c is the same as the portions (a) and (b) of FIG. .
  • FIG. 4 is a drawing showing a semiconductor layer of a hexagonal gallium nitride semiconductor grown on a support base of a hexagonal compound.
  • the lattice constant of the hexagonal compound is smaller than that of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • a vector C shown in (a) to (c) of FIG. 4 indicates the c-axis direction of the hexagonal compound and the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the lattice constants inherent to the hexagonal gallium nitride semiconductors 17a, 17b, and 17c vary depending on the lattice constants of the wafers 11a, 11b, and 11c. Therefore, the hexagonal gallium nitride semiconductors 19a, 19b, and 19c contain strain. However, when lattice defects such as dislocations are generated during crystal growth, this relaxes the strain and degrades the crystal quality. Therefore, relaxation of strain is not desired.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 19c exhibiting semipolarity also includes strain.
  • a-plane and m-plane when the strain remains in the hexagonal gallium nitride-based semiconductor 19c without relaxation, the crystal of the wafer 11c surface, for example, the c-plane SSUB C, the corresponding crystal plane of the hexagonal gallium nitride-based semiconductor 19c, not parallel to, for example, c-plane SLAY C1, extends parallel to the reference plane S R2. This angular difference is understood from the result of X-ray diffraction measurement, as will be described later.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor When dislocations are generated in the hexagonal gallium nitride semiconductor grown on the wafer 11c and the strain is relaxed, that is, when the generation of dislocations is very large, the crystal plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is deformed as a result of strain relaxation so that the c-plane SLAY C1 extends parallel to the crystal plane of the wafer 11b, for example, the c-plane SSUB C.
  • the hexagonal compound is GaN
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor is AlGaN, InAlGaN, or the like.
  • the lattice constant of AlGaN depends on the aluminum composition, it is smaller than the lattice constant of GaN.
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor 19c also includes strain, that is, when the generation of dislocations or cracks is very small, the hexagonal gallium nitride semiconductor 19c is judged from the results of X-ray diffraction measurement.
  • tilt angle gamma absolute value formed between the reference plane S R2 c-plane SLAY C1 is not less than 0.05 degrees.
  • the inclination angle ⁇ absolute value is 2 degrees or less. The above relationship of the inclination angle is satisfied over the entire main surface of the wafer 11c.
  • FIGS. 3 and 4 Although the description made with reference to FIGS. 3 and 4 is given by way of example to illustrate a single semiconductor layer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor deposited on the wafer 11c, The same applies to a structure in which a semiconductor stack including a plurality of semiconductor layers is grown on the wafer 11c.
  • the inclination angle between the (0001) plane of the wafer 11c and the (0001) plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor 19c is 0.05.
  • strain relaxation is suppressed in the hexagonal gallium nitride semiconductor 19c, and an increase in dislocation density in the hexagonal gallium nitride semiconductor 19c of the group III nitride semiconductor element is increased. It is suppressed.
  • the inclination angle is defined by the GaN (0001) plane of the wafer 11c and the AlGaN (0001) plane of the semiconductor layer.
  • the occurrence of strain relaxation in the AlGaN layer is reduced.
  • the Al composition is preferably 0.2 or less.
  • the ⁇ 0001> direction of the hexagonal gallium nitride-based semiconductor 19c it is illustrated as an axis A R.
  • ⁇ 0001> direction of the wafer 11c is different from the axis A R.
  • the auxiliary axis AR is shown in accordance with the c-axis vector C of the wafer 11c so that the angle difference becomes clear.
  • the angle ⁇ formed by the auxiliary axis AR and the vector C is related to the distortion inclusion, and the value of the angle ⁇ is substantially equal to the angle ⁇ .
  • the hexagonal gallium nitride semiconductor for semiconductor lamination is not limited to the above InGaN and AlGaN, but may be InAlGaN or the like.
  • the above relationship of the inclination angle is satisfied over the entire main surface of the wafer 11c.
  • the group III nitride semiconductor device can be a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a semiconductor laser.
  • the peak wavelength of the photoluminescence spectrum of the active layer can be in the wavelength range of 400 nm to 550 nm.
  • the group III nitride semiconductor light-emitting device fabricated from these epitaxial wafers E1 and E2 has good light-emitting properties because the increase in dislocation density is suppressed by the action of the elastically deformed semiconductor layer.
  • the wafer product can be separated to produce a large number of semiconductor light emitting devices.
  • an active layer is included in a semiconductor stack on a support base formed by separating the wafer 11c.
  • an active layer is provided so as to include electroluminescence having an emission peak in a wavelength range of 400 nm to 550 nm.
  • the active layer may have a quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
  • the active layer includes, for example, an InGaN well layer.
  • the indium composition range of the well layer is preferably 0.07 or more, and the indium composition range of the well layer is 0.35 or less. Is good.
  • the range of the thickness of the well layer is preferably 1.5 nm or more, and the range of the thickness of the well layer is preferably 10 nm or less.
  • the wafer 11c may be made of sapphire or SiC.
  • the support substrate made of the above-described material can utilize the suppression of strain relaxation already described.
  • the support substrate can include an A-plane sapphire substrate and a GaN layer grown on the sapphire substrate.
  • GaN with (10-12) as the main surface grows.
  • the effect of the present invention may be exerted between the underlying n-type GaN layer and the InGaN layer.
  • the wafer 11c can be a gallium nitride based semiconductor.
  • the main surface of the wafer 11c is semipolar.
  • both the wafer 11c and the semiconductor layers 15c and 19c are made of a gallium nitride semiconductor, it is possible to deposit a gallium nitride semiconductor having a good crystal quality on the gallium nitride semiconductor support base.
  • the gallium nitride based semiconductor support base preferably has a gallium nitride based semiconductor region having a threading dislocation density of 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less.
  • the threading dislocation density can be defined, for example, on the c-plane of the gallium nitride based semiconductor support substrate.
  • the deposition of the gallium nitride semiconductor can be performed on the low dislocation gallium nitride semiconductor region, and since there are few dislocations inherited from the wafer, the occurrence of strain relaxation hardly occurs.
  • the inclination angles ⁇ and ⁇ are defined by the GaN (0001) plane of the support base 11c and the hexagonal gallium nitride semiconductor (0001) plane of the semiconductor layers 15c and 19c.
  • the off-angle is distributed over the entire main surface. Regardless of the presence or absence of the off-angle distribution, the regulations regarding the inclination angles ⁇ and ⁇ are satisfied.
  • FIG. 5 is a drawing schematically showing the structure of a light emitting diode to which the present embodiment is applied.
  • the light emitting diode 21 a includes a support base 23 and a semiconductor stack 25 a provided on the main surface 23 a of the support base 23.
  • the main surface 23a of the support base 23 is inclined at an off angle of greater than 10 degrees and less than 80 degrees with respect to the c-plane.
  • the support base 23 can be made of a single crystal.
  • the semiconductor stack 25a includes an active layer 27 having an emission peak within a wavelength range of 400 nm or more and 550 nm or less.
  • the active layer 27 is provided between the n-type gallium nitride semiconductor region 29 and the p-type gallium nitride semiconductor region 31.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor region 29 includes a buffer layer 33a and an n-type GaN layer 33b.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor region 31 includes an electron block layer 35a and a contact layer 35b.
  • the active layer 27 has a multi-quantity well structure including well layers 37a and barrier layers 37b arranged alternately.
  • a first electrode 39a such as an anode is provided on the contact layer 35b, and a second electrode 39b such as a cathode is provided on the back surface 23b of the support base 23.
  • Support base 23 n-type GaN substrate buffer layer 33a: Si-doped n-type Al 0.06 Ga 0.94 N, 50 nm n-type GaN layer 33b: Si-doped n-type GaN, 2 ⁇ m Well layer 37a: undoped In 0.18 Ga 0.82 N layer, 5 nm, three-layer barrier layer 37b: undoped GaN layer, 13 nm Electron blocking layer 35a: Mg-doped p-type Al 0.08 Ga 0.92 N layer, 20 nm Contact layer 35b: Mg-doped p-type GaN, 50 nm.
  • Support base 23 n-type GaN substrate buffer layer 33a: Si-doped n-type Al 0.06 Ga 0.94 N, 50 nm n-type GaN layer 33b: Si-doped n-type GaN, 2 ⁇ m
  • Well layer 37a undoped In 0.18 Ga 0.82 N layer, 5 nm
  • three-layer barrier layer 37b undoped
  • FIG. 5 shows an axis AR3 indicating the direction of the c-axis of the GaN support base.
  • the inclination angle A between the (0001) plane of the GaN support substrate (reference plane S R3 shown in FIG. 5) and the (0001) plane of the AlGaN buffer layer 33a is 0.05 degrees or more, and the inclination angle A is 2 degrees. It is as follows. Further, the inclination angle B between the (0001) plane of the GaN support base (reference plane S R4 shown in FIG. 5) and the (0001) plane of the well layer 37a is 0.05 ° or more, and the inclination angle B is 2 Less than or equal to degrees.
  • the inclination angle A and the inclination angle B are inclined in directions opposite to each other with respect to the c-plane of the GaN support base. The relationship of the inclination angle is satisfied over the entire main surface of the support base 23.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the structure of a semiconductor laser to which the present embodiment is applied.
  • the semiconductor laser 21 b includes a support base 23 and a semiconductor laminate 25 b provided on the main surface 23 a of the support base 23.
  • the support base 23 can have a single crystal region provided in accordance with the position of the light emitting region of the active layer.
  • the semiconductor stack 25 b includes an n-type gallium nitride semiconductor region 41, an optical waveguide region 45, and a p-type gallium nitride semiconductor region 51.
  • the optical waveguide region 45 is provided between the n-type gallium nitride semiconductor region 41 and the p-type gallium nitride semiconductor region 51.
  • the optical waveguide region 45 includes an active layer 47a, and the active layer 47a is provided between the light guide layers 47b and 47c.
  • the active layer 47a has an oscillation wavelength within a wavelength range of 400 nm or more and 550 nm or less.
  • the active layer 27 has a multi-quantity well structure including well layers 49a and barrier layers 49b arranged alternately.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor region 41 includes an n-type cladding layer 43.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor region 51 includes an electron block layer 53a, a p-type cladding layer 53b, and a p-type contact layer 53c.
  • a first electrode 55 a such as an anode is provided on the contact layer 53 c
  • a second electrode 55 b such as a cathode is provided on the back surface 23 b of the support base 23.
  • Support base 23 n-type GaN substrate n-type cladding layer 43: Si-added n-type Al 0.03 Ga 0.97 N layer, 2 ⁇ m n-side light guide layer 47b: undoped In 0.02 Ga 0.98 N layer, 100 nm Well layer 49a: undoped In 0.08 Ga 0.92 N layer, 5 nm, three-layer barrier layer 49b: undoped GaN layer, 15 nm p-side light guide layer 47c: undoped In 0.02 Ga 0.98 N layer, 100 nm Electron blocking layer 53a: Mg-doped p-type Al 0.18 Ga 0.82 N layer, 20 nm p-type cladding layer 53b: Mg-doped p-type Al 0.06 Ga 0.94 N layer, 400 nm Contact layer 53c: Mg-doped p-type GaN, 50 nm.
  • Support base 23 n-type GaN substrate n-type cladding layer 43: Si-added n-type Al 0.03
  • FIG. 6 shows an axis AR4 indicating the direction of the c-axis of the GaN support base.
  • the inclination angle C between the (0001) plane of the GaN support substrate and the (0001) plane of the n-type cladding layer 43a (reference plane S R5 shown in FIG. 6) is 0.05 ° or more, and the inclination angle C is 2 Less than or equal to degrees.
  • the inclination angle D between the (0001) plane of the GaN support base (reference plane S R6 shown in FIG. 6) and the (0001) plane of the light guide layers 49a and 49b is 0.05 ° or more, and the inclination angle D is 2 degrees or less.
  • the inclination angle A and the inclination angle B are inclined in directions opposite to each other with respect to the c-plane of the GaN support base. The relationship of the inclination angle is satisfied over the entire main surface of the support base 23.
  • TMG Trimethyl gallium
  • TMA trimethyl aluminum
  • TMI trimethyl indium
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 silane
  • CP 2 Mg biscyclopentadienyl magnesium
  • GaN wafer As shown in step S101 of the process flow 100, the following GaN wafer was prepared. GaN wafer, m-axis direction off angle, a-axis direction off angle m16, 16.4 degrees, 0.2 degrees m26, 26.4 degrees, and 0.1 degree off angles were determined by X-ray diffraction.
  • GaN wafers m16 and m26 were placed on the susceptor in the growth furnace. Growth was performed according to the following procedure.
  • step S102 NH 3 and H 2 were supplied to the growth furnace while the inside of the growth furnace was controlled to a pressure of 101 kPa, and heat treatment was performed at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius. The heat treatment was for cleaning and the time was 10 minutes.
  • step S103 NH 3 , TMA, TMG, and SiH 4 were supplied to grow an AlGaN buffer layer by 50 nm.
  • the supply of TMA was stopped and NH 3 , TMG, and SiH 4 were continuously supplied to grow a Si-doped GaN layer having a thickness of 2000 nm, and then the supply of NH 3 , TMG, and SiH 4 was stopped.
  • the substrate temperature was lowered to around 700 degrees Celsius. At this temperature, NH 3 , TMG, TMI, and SiH 4 were supplied to grow a Si-doped InGaN layer buffer layer having a thickness of 50 nm. Subsequently, a light emitting layer was grown.
  • the light emitting layer has a three-cycle multiple quantum well structure including a GaN barrier layer having a thickness of 15 nm and an InGaN well layer having a thickness of 5 nm.
  • the substrate temperature was raised to 1000 degrees Celsius.
  • TMG, TMA, NH 3 and CP 2 Mg were introduced into the growth furnace to grow Mg-doped p-type AlGaN having a thickness of 20 nm.
  • the supply of TMA was stopped and TMG, NH 3 , CP 2 Mg was supplied to the growth reactor to grow a p-type GaN layer having a thickness of 50 nm.
  • the structures of the epitaxial wafers E16 and E26 produced using the GaN wafers m16 and m26 are the same as the epitaxial structure of the LED shown in FIG.
  • the photoluminescence (PL) spectra of the epitaxial wafers E16 and E26 were evaluated at room temperature. As the excitation light, a 325 nm He—Cd laser was used. The laser power at the sample position was 1 mW, and the spot diameter was about 200 ⁇ m. FIG. 9 shows representative PL spectra PL m16 and PL m16 .
  • the emission peak wavelength of the epitaxial wafer E16 was 500 nm
  • the emission peak wavelength of the epitaxial wafer E26 was 495 nm.
  • step S104 the epitaxial wafer E16 was evaluated by the X-ray diffraction method.
  • the slit size of incident X-rays is 0.2 mm long and 2 mm wide.
  • the height of the stage was adjusted, the axis was set using the (20-25) plane, and the offset angle of the (0002) plane was set to zero.
  • step S105 reciprocal lattice mapping measurement of the (0002) plane was performed.
  • FIG. 10 shows the reciprocal lattice mapping of m16 obtained by measurement.
  • the vertical axis represents the reciprocal of the lattice constant of the c axis multiplied by a coefficient
  • the horizontal axis represents the reciprocal of the lattice constant of the a axis multiplied by the coefficient.
  • the reciprocal lattice mapping included diffraction points of the GaN substrate, diffraction points of the InGaN layer, and diffraction points of the AlGaN layer.
  • step S106 the reciprocal lattice mapping image was analyzed.
  • the reciprocal lattice mapping image shows that the diffraction points of the InGaN layer and the AlGaN layer do not exist in the ⁇ -2 ⁇ plane with respect to the GaN substrate peak. That is, the ⁇ 0001> direction of GaN is different from the ⁇ 0001> direction of InGaN, and the ⁇ 0001> direction of GaN is different from the ⁇ 0001> direction of AlGaN.
  • step S107 the (0001) plane of the InGaN layer and the (0001) plane of the GaN layer form an angle of about 0.45 degrees and are not parallel. Further, the (0001) plane of the AlGaN layer and the (0001) plane of the GaN layer form an angle of about 0.1 degrees and are not parallel.
  • FIG. 11 is an enlarged view of the vicinity of the active layer in the m26 LED structure shown in FIG.
  • a transmission electron microscope image showed that a three-period quantum well structure having a well width of about 5 nm was formed. Moreover, there was no dislocation and a high quality active layer was formed.
  • FIG. 12 is a drawing showing the structure of the epitaxial wafer E26 and the measurement points associated with this structure.
  • FIG. 13 is a drawing showing diffraction patterns obtained at three measurement points. Referring to FIG. 13A, the ⁇ 0001> direction of the substrate is tilted from the direction immediately above to the left by an angle of about 26 degrees as designed. Referring to part (b) of FIG. 13, the n-GaN layer shows a similar pattern. From the patterns of the (a) part and (b) part of FIG. 13, it was found that the GaN layer was epitaxially grown on the GaN wafer.
  • Parts (a) and (b) of FIG. 14 show electron beam diffraction images at the measurement points SAD2 and SAD3.
  • Parts (a) and (b) of FIG. 15 show enlarged images of electron diffraction images at the measurement points SAD2 and SAD3 shown in parts (a) and (b) of FIG. 14, respectively.
  • FIGS. 15A and 15B in the enlarged image of FIG. 15B showing the observation area including the active layer, there is a skirt extending perpendicular to the substrate surface direction at the reciprocal lattice point. Was. This is considered to be diffraction from InGaN and AlGaN.
  • step S108 From the measurement data obtained by measuring the X-ray diffraction image and / or the transmission electron microscope image, in the epitaxial wafer, the direction of the predetermined crystal plane and crystal axis of GaN and a gallium nitride semiconductor different from GaN (for example, A predetermined crystal plane of InGaN, AlGaN, and AlInGaN) is compared with the direction of the crystal axis, and the distortion of the crystal of the gallium nitride semiconductor is estimated.
  • step S108 it is determined whether the relaxation of the distortion is within a desired range. When this strain relaxation is less than or equal to a desired value, the epitaxial wafer is determined to be non-defective.
  • step S109 a device fabrication process is subsequently performed. For example, in step S110, an electrode for a semiconductor element is formed. When the strain relaxation is larger than a desired value in step S111, the processing of the epitaxial wafer is stopped.
  • the tilt angle between the (0001) plane of the hexagonal compound of the supporting substrate and the (0001) plane of the hexagonal gallium nitride semiconductor of the semiconductor layer is 2 degrees or less, Strain relaxation is suppressed, and a light-emitting element with favorable characteristics is provided. If the inclination angle is 0.05 degrees or more, it can be reliably verified by X-ray diffraction.
  • (A) part of FIG. 16 shows an example of the calculated value of the tilt angle in InGaN.
  • Arrow Angle indicates an off-angle range.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates the inclination in the m-axis direction and the In composition 0.35
  • the symbol “ ⁇ ” indicates the inclination in the a-axis direction and the In composition 0.35
  • the symbol “ ⁇ ” indicates the a-axis direction.
  • the inclination and the inclination angle in the In composition 0.07 are shown.
  • the In composition is preferably, for example, about 0.07 or more and 0.35 or less.
  • the lower limit of the tilt angle is, for example, about 0.05 degree in the a direction off angle of 10 degrees and In composition of 0.07. This is the minimum value that can be verified by X-ray diffraction.
  • the upper limit of the tilt angle is, for example, about 1.6 degrees when the off angle in the m direction is 43 degrees and the In composition is 0.35.
  • (B) part of FIG. 16 shows the illustration of the calculated value of the inclination angle in AlGaN.
  • Arrow Angle indicates an off-angle range.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates the inclination angle in the m-axis direction and the Al composition 0.2
  • the symbol “ ⁇ ” indicates the inclination angle in the a-axis direction and the Al composition 0.2
  • the symbol “ ⁇ ” indicates the a-axis direction.
  • the inclination and the inclination angle in Al composition 0.02 are shown.
  • the Al composition is preferably about 0.02 or more and 0.2 or less, for example.
  • the lower limit of the tilt angle is, for example, about 0.005 degrees when the off angle is 10 degrees in the a direction and the Al composition is 0.02. The value is below the verification limit by X-ray diffraction.
  • the upper limit of the tilt angle is, for example, about 0.3 degrees when the off angle is 43 degrees in the m direction and the Al composition is 0.2.
  • the calculation of the tilt angle is performed by the following procedure, for example.
  • (2) Obtain the c-axis lattice constant of strained InGaN or AlGaN.
  • the difference between the (hikl) plane angle of the epitaxial film and the (hikl) plane angle of the hexagonal crystal wafer is obtained. As a result, the value of the inclination angle is obtained.
  • the inclination angle ⁇ (epitaxial film (0001) ⁇ wafer (0001)) is defined as an inclination angle [epitaxial film (epitaxial film (0001)] on an index crystal plane of the epitaxial film grown on the c-plane. hki) ⁇ wafer (hkil)], the approximate calculation is performed. Similar calculations can be performed for InAlGaN according to this procedure.
  • the device efficiency is deteriorated such that the light emission efficiency is lowered by 20% or more, the leakage current at a low current is increased, and the device life is shortened. Therefore, it is important not to cause strain relaxation in devices on semipolar surfaces.
  • hexagonal GaN has a dislocation slip surface of (0001).
  • the sliding surface and the growth surface are parallel, new dislocation growth during the device operation hardly occurs.
  • the growth plane and (0001) intersect, it is assumed that proliferation of new dislocations during the device operation is more likely than the device on the c plane. Therefore, it is necessary to suppress strain relaxation of the epitaxial growth layer.
  • nitride light emitting devices are preceded by research and development of devices using c-plane substrates. Compared to that case, it is necessary to greatly change the growth conditions of the epitaxial film in the fabrication of a device using a semipolar plane. Specifically, the In composition decreases in InGaN, and the Al composition decreases in AlGaN. Therefore, compared to the growth conditions on the c-plane, InGaN growth is optimally low with a temperature difference of about 50 to 150 degrees (degrees Celsius) compared to the temperature of crystal growth on the c-plane.
  • a high value is optimal with a temperature difference of about 10 to 50 degrees (degrees Celsius) compared to the temperature of crystal growth on the c-plane.
  • the temperature sequence for growing the light emitting device structure is greatly different from that of the semipolar plane as compared to the case of the c plane.
  • a group III nitride semiconductor device is provided.
  • this group III nitride semiconductor device in the gallium nitride semiconductor utilizing semipolarity, the occurrence of dislocation is suppressed by the relaxation of strain.
  • an epitaxial wafer for the group III nitride semiconductor device is provided.

Abstract

発光ダイオード２１ａの支持基体２３の主面２３ａは、ｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜する。半導体積層２５ａは、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光ピークを有する活性層２７を含む。ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ３）とバッファ層３３ａの（０００１）面との傾斜角Ａは０．０５度以上であり、傾斜角Ａは２度以下である。また、ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ４）と井戸層３７ａの（０００１）面との傾斜角Ｂは０．０５度以上であり、傾斜角Ｂは２度以下である。傾斜角Ａ及び傾斜角Ｂは、ＧａＮ支持基体のｃ面に対して互いに逆方向に傾斜している。

Description

III族窒化物半導体素子及びエピタキシャルウエハ
　本発明は、III族窒化物半導体素子及びエピタキシャルウエハに関する。
　特許文献１には、半導体発光素子が記載されている。半導体発光素子は、レーザ発振に必要な閾値電流密度を低減し、キンクの発生し難い半導体層を有するとともに、面発光半導体レーザにおいては光の振動面を固定し且つ振動面の変動を抑制する。
　特許文献２には、III族窒化物半導体から作製された発光ダイオード素子、半導体レーザ素子、受光素子、トランジスタが記載されている。これらのIII族窒化物半導体では、大きなＡｌ組成及び高キャリア濃度を有するＡｌＧａＮ層が求められている。ＡｌＧａＮ層の成長においてはＡｌ原子の表面拡散が小さいけれども、Ａｌ原子の表面拡散を促進させている。結晶品質を損なうことなく、大きなＡｌ組成及び高キャリア濃度のＡｌＧａＮ層を１度から２０度のＧａＮ傾斜面の基板上に成長可能にしている。
特開平１０－１３５５７６号公報 特開２００２－１６０００号公報
　特許文献１では、活性層は一軸異方性を有する半導体よりなり、また活性層の膜厚方向は一軸異方性の軸とは異なる方向である。この半導体発光素子は、（１１－２０）面または（１－１００）面の主面を有する基板上に作製されている。また、基板の主面はこれらの面から０度以上のオフ角で傾斜することができるけれども、双晶等の発生を抑制するために、傾斜角の上限は１０度である。つまり、上記の主面は、ａ面及びｍ面、並びにａ面及びｍ面から僅かなオフ角を成す面である。
　半極性面は優れた特性を示す発光素子を提供することが理論的に予測されているけれども、大口径のウエハが供給されていない。特許文献２に記載されているオフ角の範囲において、限られた成膜実験の結果が報告されている。
　特許文献１に記載されたオフ角よりも大きな角度でｃ面から傾斜した結晶面は、ｃ面、ａ面及びｍ面と異なる、いわゆる半極性を示す。窒化ガリウム系半導体において半極性を利用するためには、特許文献１に記載された角度範囲よりもｃ面に対する傾斜角を大きくすることが求められる。
　しかしながら、ＧａＮ基板といった六方晶系化合物からなる基板上に窒化ガリウム系半導体層を成長するとき、六方晶系化合物の格子定数と窒化ガリウム系半導体層の格子定数との差により、窒化ガリウム系半導体層に歪みが生じる。窒化ガリウム系半導体層の成長において窒化ガリウム系半導体層に歪みの緩和が生じると、転位が生成される。発明者らの検討によれば、六方晶系化合物の典型的な結晶面、具体的にはｃ面、ａ面及びｍ面上への成長と異なって、半極性を利用する窒化ガリウム系半導体素子では、歪みの緩和が抑制され転位の発生を低減できる可能性がある。
　本発明は、半極性を利用する窒化ガリウム系半導体において、歪みの緩和による転位の発生を抑制されたIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。
課題を解決するための最良の手段
　本発明の一側面によれば、III族窒化物半導体素子は、（ａ）六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有する支持基体と、（ｂ）前記支持基体の前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。前記支持基体の前記六方晶系化合物の（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は＋０．０５度以上であり、前記傾斜角は＋２度以下であり、前記傾斜角は－０．０５度以下であり、前記傾斜角は－２度以上であり、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかである。
　このIII族窒化物半導体素子によれば、上記のオフ角の範囲の支持基体では、支持基体の（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は０．０５度以上であり、２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が抑制される。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、透過型電子線回折像において、前記支持基体の＜０００１＞方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。このIII族窒化物半導体素子では、六方晶系窒化ガリウム系半導体が支持基体の主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、ＧａＮの＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。
　本発明のIII族窒化物半導体素子は、（ａ）六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有する支持基体と、（ｂ）前記支持基体の前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。透過型電子線回折像において、前記支持基体の前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びている。
　このIII族窒化物半導体素子によれば、上記のオフ角の範囲の支持基体では、支持基体の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びているとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が避けられる。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記半導体積層は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含み、前記活性層は、前記活性層からの光のピーク波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に含まれるように設けられており、前記活性層は、ＩｎＧａＮ井戸層を含み、当該III族窒化物半導体素子は、発光ダイオード又は半導体レーザであることができる。このIII族窒化物半導体素子では、転位密度の増加の抑制により、III族窒化物半導体素子の発光特性が良好になる。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、サファイア、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかからなることができる。このIII族窒化物半導体素子では、上記の材料からなる支持基体は、歪みの緩和抑制を利用可能である。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、窒化ガリウム系半導体からなることができる。前記主面は半極性を示す。このIII族窒化物半導体素子によれば、支持基体及び半導体層が、共に窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体の支持基体上に良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体を堆積できる。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ－２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、窒化ガリウム系半導体の堆積を低転位の窒化ガリウム系半導体領域上に行うことができ、基板から引き継ぐ転位が少ないので、歪みの緩和の発生が生じにくい。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体の前記六方晶系化合物はＧａＮであり、前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される。
　このIII族窒化物半導体素子によれば、良質なＧａＮウエハが利用可能であり、これ故に、基板から引き継ぐ転位に起因する歪み緩和の発生が生じにくい。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮであることができる。前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定される。このIII族窒化物半導体素子によれば、ＩｎＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。或いは、本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであることができる。前記傾斜角は、前記支持基体のＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定される。このIII族窒化物半導体素子によれば、ＡｌＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体は前記支持基体の前記主面に平行な面内で弾性的に歪んでいる。このIII族窒化物半導体素子は、六方晶系窒化ガリウム系半導体が支持基体の主面に平行な面内において弾性的に歪むことによって、歪みの緩和が抑制される。
　本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記支持基体は、サファイア基板、ＳｉＣ基板等を含むことができる。例えば、前記支持基体は、Ａ面のサファイア基板と、該サファイア基板上に成長されたＧａＮ層とを含むことができる。
　本発明の別の側面に係るエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系化合物のｃ面と１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有するウエハと、（ｂ）前記ウエハの前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。前記ウエハの前記六方晶系化合物の（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は＋０．０５度以上であり、前記傾斜角は＋２度以下であり、前記傾斜角は－０．０５度以下であり、前記傾斜角は－２度以上であり、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかである。
　このエピタキシャルウエハによれば、上記のオフ角の範囲のウエハでは、支持基体の（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角（絶対値）は０．０５度以上２度以下の範囲であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が避けられる。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、透過型電子線回折像において、前記ウエハの前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。このエピタキシャルウエハでは、六方晶系窒化ガリウム系半導体がウエハの主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、六方晶系化合物の＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なる。
　本発明のエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系化合物のｃ面と１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜しており該六方晶系化合物からなる主面を有するウエハと、（ｂ）前記ウエハの前記主面上に設けられており、前記六方晶系化合物と異なる六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体領域とを備える。透過型電子線回折像において、前記ウエハの前記六方晶系化合物の＜０００１＞方向を示す第１の軸は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向を示す第２の軸と異なる方向に延びている。
　このエピタキシャルウエハによれば、上記のオフ角の範囲のウエハでは、六方晶系化合物の＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体の＜０００１＞方向と異なるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体において歪みの緩和が抑制されて、六方晶系窒化ガリウム系半導体における転位密度の増加が抑制される。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、前記半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含み、前記活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内にあることができる。この発明によれば、転位密度の増加の抑制により、良好な発光特性のIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは、サファイア、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかからなることができる。このエピタキシャルウエハによれば、上記の材料からなるウエハは歪みの緩和抑制を利用可能である。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは窒化ガリウム系半導体からなり、前記主面は半極性を示す。このエピタキシャルウエハによれば、支持基体及び半導体層が、共に窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体の支持基体上に良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体を堆積できる。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは、貫通転位密度１×１０７ｃｍ－２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することができる。このエピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム系半導体の堆積を低転位の窒化ガリウム系半導体領域上に行うことができ、ウエハから引き継ぐ転位が少ないので、歪みの緩和の発生が生じにくい。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハの前記六方晶系化合物はＧａＮであり、前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される。
　このエピタキシャルウエハのために、良質なＧａＮウエハが利用可能であり、これ故に、ウエハから引き継ぐ転位に起因する歪み緩和の発生が生じにくい。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮであり、前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定されることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ＩｎＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。或いは、本発明のエピタキシャルウエハでは、前記半導体層の前記六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであり、前記傾斜角は、前記ウエハのＧａＮの（０００１）面と前記半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定されることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ＡｌＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。
　本発明のエピタキシャルウエハでは、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体は前記ウエハの前記主面に平行な面内で弾性的に歪んでいる。このエピタキシャルウエハは、六方晶系窒化ガリウム系半導体が支持基体の主面に平行な面内において弾性的に歪むことによって、エピタキシャルウエハにおける歪みの緩和が抑制される。
　本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の下記の実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
　以上説明したように、本発明の一側面によれば、半極性を利用する窒化ガリウム系半導体において、歪みの緩和により転位の発生を抑制された、III族窒化物半導体素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、このIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。
図１は、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。 図２は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。 図３は、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。 図４は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。 図５は、本実施の形態を適用した発光ダイオードの構造を概略的に示す図面である。 図６は、本実施の形態を適用した半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。 図７は、発光ダイオードの作製方法の主要な工程を含む工程フローを示す図面である。 図８は、発光ダイオードの作製方法の主要な工程を含む工程フローを示す図面である。 図９は、代表的なＰＬスペクトルを示す図面である。 図１０は、測定によって得られた逆格子マッピング像を示す図面である。 図１１は、図５に示されたＬＥＤ構造における活性層付近の拡大像を示す図面である。 図１２は、エピタキシャルウエハＥ２６の構造と、この構造に対応づけられた測定点とを示す図面である。 図１３は、３つの測定点において得られた回折パターンを示す図面である。 図１４は、エピタキシャルウエハにおける電子線回折像を示す図面である。 図１５は、エピタキシャルウエハにおける電子線回折の拡大像を示す図面である。 図１６は、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮにおける傾斜角の計算値の例示を示す図面である。
　本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体素子及びエピタキシャルウエハに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
　ａ面及びｍ面、並びにａ面及びｍ面から僅かなオフ角を成す面に係る結晶成長については、これまで様々な検討が為されてきた。しかしながら、窒化ガリウム系半導体の半極性を利用する半導体素子のための六方晶系窒化ガリウム系半導体における歪みの緩和についての知見が望まれている。この六方晶系窒化ガリウム系半導体は、六方晶系化合物からなる基板主面上に成長され、この基板主面は、六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜している。
　本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子は、上記のオフ角を有する支持基体と、支持基体の主面上に設けられた半導体領域とを備える。この半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を含む半導体積層であることができる。また、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハは、上記のオフ角を有するウエハと、ウエハの主面上に設けられた半導体領域を備える。この半導体領域は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体膜を含む。
　六方晶系化合物が半導体層の六方晶系窒化ガリウム系半導体と異なるとき、六方晶系化合物の格子定数（例えば、ｃ軸方向の格子定数）は、六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数（例えば、ｃ軸方向の格子定数）と異なっている。このとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体は、格子定数差に起因する歪みを内包することになる。歪みは、結晶内に構造的な欠陥（例えば転位）によって緩和される。しかし、転位の増加は、結果的に、六方晶系窒化ガリウム系半導体の結晶品質を低下させる。故に、転位の増加を抑制することが望まれている。
　図１は、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。図１に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも小さい。図１の（ａ）部～（ｃ）部に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物のｃ軸の方向を示している。参照符合ＳＳＵＢＣは、六方晶系化合物におけるｃ面を示す。参照符合ＳＬＡＹＣ１は、六方晶系窒化ガリウム系半導体におけるｃ面を示す。参照符合１１a、１１ｂ、１１ｃは、六方晶系化合物からなるウエハを示し、参照符合１３a、１３ｂ、１３ｃは、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を示す。ウエハ１１a、１１ｂ、１１ｃのエッジ上の２点間の距離の最大値は、４５ｍｍ以上である。ウエハ１１a、１１ｂ、１１ｃの主面の面積は例えば１５ｃｍ２以上である。
　図１の（ａ）部を参照すると、極性を示すｃ面主面を有するウエハ１１ａを準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ａは、このウエハ１１ａ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ａに固有の格子定数ＤＬＡＹＰ１は、ウエハ１１ａの六方晶系化合物固有の格子定数ＤＳＵＢＰよりも大きい。この格子定数は、ａ軸方向またはｍ軸方向に規定される。
　図１の（ｂ）部を参照すると、非極性を示すａ面主面（又はｍ面主面）を有するウエハ１１ｂが準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｂは、このウエハ１１ｂ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｂの格子定数ＤＬＡＹＮ１は、ウエハ１１ｂの六方晶系化合物の格子定数ＤＳＵＢＮよりも大きい。この格子定数は、ｃ軸方向に規定される。
　図１の（ｃ）部を参照すると、半極性を示す主面を有するウエハ１１ｃが準備されている。ウエハ１１ｃは、該六方晶系化合物からなる主面を有しており、その主面は、六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜している。六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｃは、このウエハ１１ｃ上に堆積されるべきものである。傾斜主面を有するウエハ１１ｃでは、基本格子に関連づけられた基本格子における軸方向を用いて格子定数を図１の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように示すことができないけれども、六方晶系窒化ガリウム系半導体１３ｃの基本格子のサイズＤＬＡＹＨ１とウエハ１１ｃの六方晶系化合物の基本格子のサイズＤＳＵＢＨとの関係は図１の（ａ）部及び（ｂ）部と同様であり、関係ＤＬＡＹＨ１＞ＤＳＵＢＨが満たされる。
　図２は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。図１に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも小さい。図２の（ａ）部～（ｃ）部に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物及び六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の方向を示す。六方晶系窒化ガリウム系半導体がウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ上に堆積されると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１３a、１３ｂ、１３ｃ固有の格子定数は、ウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの格子定数に応じて変化して、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５a、１５ｂ、１５ｃが形成される。これ故に、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５a、１５ｂ、１５ｃは歪みを内包している。しかしながら、転位といった格子欠陥が結晶成長中に生成されるとき、この生成により歪みが緩和されて結晶品質を劣化させる。故に、歪みの緩和は望まれていない。
　図２の（ｃ）部を参照すると、半極性を示す六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃも歪みを内包する。歪みが緩和されずに六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃ内に残るとき、ｃ面、ａ面及びｍ面上へ成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ａ、１５ｂとは異なり、ウエハ１１ｃの結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣは、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの対応結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１には平行ではなく、参照面ＳＲ１に平行に延びる。これらのｃ面の角度差は、後ほど説明されるように、Ｘ線回折測定による結果から見積もられる。
　ウエハ１１ｃ上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体に転位が生成されて歪みが緩和されてしまったとき、成長中に生成された転位の数が非常に多い。このとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体の結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１がウエハ１１ｂの所定の結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣに平行に延びるように、六方晶系窒化ガリウム系半導体が、歪み緩和の結果として変形する。例えば、六方晶系化合物がＧａＮであるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等である。ＩｎＧａＮの格子定数は、インジウム組成に依存するけれども、ＧａＮの格子定数よりも大きい。
　六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃも歪みを内包するとき、つまり、転位の生成が非常に少ない。このとき、Ｘ線回折測定による結果から判断して、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおいてｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ１との成す傾斜角α（絶対値）は、０．０５度以上である。また、傾斜角α（絶対値）は２度以下である。例えば、六方晶系窒化ガリウム系半導体がＩｎＧａＮであると共に、ウエハ１１ｃがＧａＮから成るとき、この傾斜角は、例えばウエハ１１ｃのＧａＮの（０００１）面と半導体層のＩｎＧａＮの（０００１）面とによって規定される。ＩｎＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減されており、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの成長中に増加した転位の数は非常に少ない。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。傾斜角の関係を満たすためには、Ｉｎ組成は０．０７以上であることが良く、また０．３５以下であることが良い。
　図１及び図２を参照しながら行われた説明は、ウエハ１１ｃ上に堆積された六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる単一の半導体層を例示的に示して行われたけれども、歪みの内包は、複数の半導体層を含む半導体積層をウエハ１１ｃ上に成長する構造においても当てはまる。
　上記の説明から理解されるように、上記のオフ角の範囲のウエハ１１ｃでは、ウエハ１１ｃの（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの（０００１）面との傾斜角（絶対値）は０．０５度以上であり２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおける転位密度の増加が抑制される。
　また、図２の（ｃ）部を参照すると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの＜０００１＞方向が、軸ＡＲとして示されている。透過型電子線回折像において、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向は、軸ＡＲと異なっている。角度差が明らかになるように、ウエハ１１ｃのｃ軸ベクトルＣに合わせて補助軸ＡＲが示されている。補助軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度βは歪みの内包に関連づけられ、角度βの値は角度αに実質的に等しい。これらの角度（絶対値）は０．０５度以上であり、２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃにおける転位密度の増加が抑制される。また、六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃがウエハ１１ｃの主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体１５ｃの＜０００１＞方向と異なることになる。上記の角度の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
　図３は、六方晶系化合物の格子定数と六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数との関係を示す図面である。図３に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも大きい。図３の（ａ）部～（ｃ）部に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物のｃ軸の方向を示しており、参照符合ＳＳＵＢＰ、ＳＬＡＹＰは、六方晶系化合物、六方晶系窒化ガリウム系半導体におけるｃ面を示す。参照符合１１a、１１ｂ、１１ｃは、六方晶系化合物からなる支持基体を示し、参照符合１７a、１７ｂ、１７ｃは、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層を示す。
　図３の（ａ）部を参照すると、極性を示すｃ面主面を有するウエハ１１ａを準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ａは、このウエハ１１ａ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ａに固有の格子定数ＤＬＡＹＰ２は、ウエハ１１ａの六方晶系化合物固有の格子定数ＤＳＵＢＰよりも小さい。この格子定数は、ａ軸方向またはｍ軸方向に規定される。
　図３の（ｂ）部を参照すると、非極性を示すａ面主面（又はｍ面主面）を有するウエハ１１ｂが準備されている。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｂは、このウエハ１１ｂ上に堆積されるべきものである。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｂに固有の格子定数ＤＬＡＹＮ２は、ウエハ１１ｂの六方晶系化合物の格子定数ＤＳＵＢＮよりも小さい。この格子定数は、ｃ軸方向に規定される。
　図３の（ｃ）部を参照すると、半極性を示す主面を有するウエハ１１ｃが準備されている。ウエハ１１ｃは該六方晶系化合物からなる主面を有しており、その主面は、六方晶系化合物のｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜している。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｃは、このウエハ１１ｃ上に堆積されるべきものである。傾斜主面を有するウエハ１１ｃでは、基本格子に関連づけられた基本格子における軸方向を用いて格子定数を図３の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように示すことができないけれども、六方晶系窒化ガリウム系半導体１７ｃの基本格子のサイズＤＬＡＹＨ２とウエハ１１ｃの六方晶系化合物の基本格子のサイズＤＳＵＢＨとの関係は、図３の（ａ）部及び（ｂ）部と同様である。
　図４は、六方晶系化合物の支持基体上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体の半導体層を示す図面である。図３に示される材料では、六方晶系化合物の格子定数は六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数よりも小さい。図４の（ａ）部～（ｃ）部に示されたベクトルＣは、六方晶系化合物及び六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の方向を示す。六方晶系窒化ガリウム系半導体がウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ上に堆積されると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９a、１９ｂ、１９ｃが形成される。六方晶系窒化ガリウム系半導体１７a、１７ｂ、１７ｃ固有の格子定数は、ウエハ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの格子定数に応じて変化する。これ故に、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９a、１９ｂ、１９ｃは歪みを内包している。しかしながら、転位といった格子欠陥が結晶成長中に生成されるとき、これにより歪みが緩和されて結晶品質を劣化させる。故に、歪みの緩和は望まれていない。
　図４の（ｃ）部を参照すると、半極性を示す六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃも歪みを内包する。歪みが緩和されずに六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃ内に残るとき、ｃ面、ａ面及びｍ面上へ成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ａ、１９ｂとは異なり、ウエハ１１ｃの結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣは、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの対応結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１に平行ではなく、参照面ＳＲ２に平行に延びる。この角度差は、後ほど説明されるように、Ｘ線回折測定による結果から理解される。
　ウエハ１１ｃ上に成長された六方晶系窒化ガリウム系半導体に転位が生成されて歪みが緩和されてしまったとき、つまり、転位の生成が非常に多いとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体の結晶面、例えばｃ面ＳＬＡＹＣ１がウエハ１１ｂの結晶面、例えばｃ面ＳＳＵＢＣに平行に延びるように、六方晶系窒化ガリウム系半導体が歪み緩和の結果として変形する。例えば、六方晶系化合物がＧａＮであるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等である。ＡｌＧａＮの格子定数は、アルミニウム組成に依存するけれども、ＧａＮの格子定数よりも小さい。
　六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃも歪みを内包するとき、つまり、転位の生成やクラックの発生が非常に少ないとき、Ｘ線回折測定による結果から判断して、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおいてｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ２との成す傾斜角γ（絶対値）は０．０５度以上である。また、傾斜角γ（絶対値）は２度以下である。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
　図３及び図４を参照しながら行われた説明は、ウエハ１１ｃ上に堆積された六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる単一の半導体層を例示的に示して行われたけれども、歪みの内包は、複数の半導体層を含む半導体積層をウエハ１１ｃ上に成長する構造においても当てはまる。
　上記の説明から理解されるように、上記のオフ角の範囲のウエハ１１ｃでは、ウエハ１１ｃの（０００１）面と六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの（０００１）面との傾斜角は０．０５度以上であり２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおける転位密度の増加が抑制される。例えば、六方晶系窒化ガリウム系半導体がＡｌＧａＮであると共にウエハ１１ｃがＧａＮから成るとき、この傾斜角は、ウエハ１１ｃのＧａＮの（０００１）面と半導体層のＡｌＧａＮの（０００１）面とによって規定される。ＡｌＧａＮ層の歪み緩和の発生が低減される。傾斜角の関係を満たすためには、Ａｌ組成は０．２以下であることが良い。
　また、図４の（ｃ）部を参照すると、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの＜０００１＞方向が、軸ＡＲとして示されている。透過型電子線回折像において、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向は、軸ＡＲと異なっている。角度差が明らかになるように、ウエハ１１ｃのｃ軸ベクトルＣに合わせて補助軸ＡＲが示されている。補助軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度δは歪みの内包に関連づけられ、角度δの値は角度γに実質的に等しい。これらの角度が０．０５度以上であり２度以下であるとき、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおいて歪みの緩和が抑制されて、このIII族窒化物半導体素子の六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃにおける転位密度の増加が抑制される。また、六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃがウエハ１１ｃの主面に平行な面内で弾性的に歪んでいるので、歪み緩和の発生が抑制され、ウエハ１１ｃの＜０００１＞方向が六方晶系窒化ガリウム系半導体１９ｃの＜０００１＞方向と異なる。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
　半導体積層のための六方晶系窒化ガリウム系半導体としては、上記のＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮに限定されることなく、ＩｎＡｌＧａＮ等であってもよい。上記の傾斜角の関係が、ウエハ１１ｃの主面の全体にわたって満たされている。
　上記のエピタキシャルウエハＥ１、Ｅ２の半導体積層が、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる活性層を含むとき、III族窒化物半導体素子は、発光ダイオード又は半導体レーザといった半導体発光素子であることができる。活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内にあることができる。これらのエピタキシャルウエハＥ１、Ｅ２から作製されるIII族窒化物半導体発光素子は、弾性的に変形した半導体層の働きにより転位密度の増加が抑制されて、良好な発光特性を有する。
　III族窒化物半導体発光素子用に作製されたエピタキシャルウエハ上に電極等を作製してウエハ生産物を形成した後に、このウエハ生産物を分離して多数の半導体発光素子を作製できる。半導体発光素子では、ウエハ１１ｃの分離により形成された支持基体上の半導体積層内に活性層を含む。発光ダイオード又は半導体レーザといった半導体発光素子では、活性層が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光ピークを有するエレクトロルミネッセンスを含むように設けられる。転位密度の増加の抑制により、III族窒化物半導体発光素子の発光特性が良好になる。一実施例は、活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有することができる。一実施例では、活性層は例えばＩｎＧａＮ井戸層を含む。４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光のためには、井戸層のインジウム組成の範囲は、０．０７以上であることが良く、井戸層のインジウム組成の範囲は、０．３５以下であることが良い。また、井戸層の厚さの範囲は１．５ｎｍ以上であることが良く、井戸層の厚さの範囲は１０ｎｍ以下であることが良い。
　ウエハ１１ｃは、サファイアまたはＳｉＣ等からなるようにしてもよい。このIII族窒化物半導体素子では、上記の材料からなる支持基体は、既に説明された歪み緩和の抑制を利用可能である。例えば、支持基体は、Ａ面のサファイア基板と、該サファイア基板上に成長されたＧａＮ層とを含むことができる。Ａ面サファイア基板を用いると、（１０－１２）を主面とするＧａＮが成長する。転位密度１×１０＋８ｃｍ－２程度以下のＧａＮエピタキシャル膜では、下地のｎ型ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との間において、本発明の効果が出てくる可能性があると考えられる。
　ウエハ１１ｃは、窒化ガリウム系半導体なることができる。ウエハ１１ｃの主面は半極性を示す。このIII族窒化物半導体素子によれば、ウエハ１１ｃ及び半導体層１５ｃ、１９ｃが、共に窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体支持基体上に良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体を堆積できる。窒化ガリウム系半導体支持基体は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ－２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することが良い。貫通転位密度は、例えば窒化ガリウム系半導体支持基体のｃ面において規定されることができる。窒化ガリウム系半導体の堆積を低転位の窒化ガリウム系半導体領域上に行うことができ、ウエハから引き継ぐ転位が少ないので、歪みの緩和の発生が生じにくい。
　また、ウエハ１１ｃがＧａＮからなるとき、傾斜角α、γは、支持基体１１ｃのＧａＮの（０００１）面と半導体層１５ｃ、１９ｃの六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面とによって規定される。良質且つ大口径のＧａＮウエハが利用可能であるので、このＧａＮウエハから引き継ぐ転位に起因する歪み緩和の発生が生じにくい。半極性を示す主面を有するＧａＮウエハでは、主面の全体にわたってオフ角が分布している。オフ角の分布の有無に関係なく、傾斜角α、γに関する規定が満たされる。
　図５は、本実施の形態を適用した発光ダイオードの構造を概略的に示す図面である。発光ダイオード２１ａは、支持基体２３と、支持基体２３の主面２３ａ上に設けられた半導体積層２５ａとを含む。支持基体２３の主面２３ａは、ｃ面に対して１０度より大きく８０度未満のオフ角で傾斜する。支持基体２３は、単結晶からなることができる。半導体積層２５ａは、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内の発光ピークを有する活性層２７を含む。活性層２７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２９とｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１との間に設けられている。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２９は、バッファ層３３ａと、ｎ型ＧａＮ層３３ｂを含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１は、電子ブロック層３５ａ及びコンタクト層３５ｂを含む。活性層２７は、交互に配列された井戸層３７ａ及び障壁層３７ｂを含む多重量井戸構造を有する。コンタクト層３５ｂ上には、アノードといった第１の電極３９ａが設けられており、支持基体２３の裏面２３ｂ上には、カソードといった第２の電極３９ｂが設けられている。
　一例の発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造を以下に示す。
支持基体２３：ｎ型ＧａＮ基板
バッファ層３３ａ：Ｓｉ添加ｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、５０ｎｍ
ｎ型ＧａＮ層３３ｂ：Ｓｉ添加ｎ型ＧａＮ、２μｍ
井戸層３７ａ：アンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層、５ｎｍ、３層
障壁層３７ｂ：アンドープＧａＮ層、１３ｎｍ
電子ブロック層３５ａ：Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層、２０ｎｍ
コンタクト層３５ｂ：Ｍｇ添加ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ。
　図５には、ＧａＮ支持基体のｃ軸の方向を示す軸ＡＲ３が示されている。ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ３）とＡｌＧａＮバッファ層３３ａの（０００１）面との傾斜角Ａは０．０５度以上であり、傾斜角Ａは２度以下である。また、ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図５において示された参照面ＳＲ４）と井戸層３７ａの（０００１）面との傾斜角Ｂは０．０５度以上であり、傾斜角Ｂは２度以下である。傾斜角Ａ及び傾斜角Ｂは、ＧａＮ支持基体のｃ面に対して互いに逆方向に傾斜している。傾斜角の関係が、支持基体２３の主面の全体にわたって満たされている。
　図６は、本実施の形態を適用した半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。半導体レーザ２１ｂは、支持基体２３と、支持基体２３の主面２３ａ上に設けられた半導体積層２５ｂとを含む。支持基体２３は、活性層の発光領域の位置に合わせて設けられた単結晶領域を有することができる。半導体積層２５ｂは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４１、光導波領域４５及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域５１を含む。光導波領域４５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４１とｐ型窒化ガリウム系半導体領域５１との間に設けられている。光導波領域４５は、活性層４７ａを含み、活性層４７ａは光ガイド層４７ｂ、４７ｃとの間に設けられている。活性層４７ａは、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に発振波長を有する。活性層２７は、交互に配列された井戸層４９ａ及び障壁層４９ｂを含む多重量井戸構造を有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４１は、ｎ型クラッド層４３を含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５１は、電子ブロック層５３ａ、ｐ型クラッド層５３ｂ及びｐ型コンタクト層５３ｃを含む。コンタクト層５３ｃ上には、アノードといった第１の電極５５ａが設けられており、支持基体２３の裏面２３ｂ上には、カソードといった第２の電極５５ｂが設けられている。
　一例の半導体レーザ（ＬＤ）の構造を以下に示す。
支持基体２３：ｎ型ＧａＮ基板
ｎ型クラッド層４３：Ｓｉ添加ｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層、２μｍ
ｎ側光ガイド層４７ｂ：アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層、１００ｎｍ
井戸層４９ａ：アンドープＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層、５ｎｍ、３層
障壁層４９ｂ：アンドープＧａＮ層、１５ｎｍ
ｐ側光ガイド層４７ｃ：アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層、１００ｎｍ
電子ブロック層５３ａ：Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層、２０ｎｍ
ｐ型クラッド層５３ｂ：Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層、４００ｎｍ
コンタクト層５３ｃ：Ｍｇ添加ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ。
　図６には、ＧａＮ支持基体のｃ軸の方向を示す軸ＡＲ４が示されている。ＧａＮ支持基体の（０００１）面とｎ型クラッド層４３ａの（０００１）面（図６において示された参照面ＳＲ５）との傾斜角Ｃは０．０５度以上であり、傾斜角Ｃは２度以下である。また、ＧａＮ支持基体の（０００１）面（図６において示された参照面ＳＲ６）と光ガイド層４９ａ、４９ｂの（０００１）面との傾斜角Ｄは０．０５度以上であり、傾斜角Ｄは２度以下である。傾斜角Ａ及び傾斜角Ｂは、ＧａＮ支持基体のｃ面に対して互いに逆方向に傾斜している。傾斜角の関係が、支持基体２３の主面の全体にわたって満たされている。
　（実施例）
有機金属気相成長法により発光ダイオードを作製した。図７及び図８は、発光ダイオードの作製方法の主要な工程を含む工程フローを示す図面である。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いた。
　工程フロー１００の工程Ｓ１０１に示すように、下記のようなＧａＮウエハを準備した。
ＧａＮウエハ、　ｍ軸方向オフ角、　ａ軸方向オフ角
ｍ１６、　　　　１６．４度、　　　０．２度
ｍ２６、　　　　２６．４度、　　　０．１度
オフ角はＸ線回折法により決定された。
　成長炉内のサセプタ上に、ＧａＮウエハｍ１６、ｍ２６を配置した。以下の手順で成長を行った。工程Ｓ１０２では、成長炉内を圧力１０１ｋＰａにコントロールしながら、成長炉にＮＨ３とＨ２を供給して、摂氏１０５０度の基板温度で熱処理を行った。熱処理はクリーニングのためであり、その時間は１０分であった。次いで、工程Ｓ１０３では、ＮＨ３、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＳｉＨ４を供給して、ＡｌＧａＮバッファ層を５０ｎｍ成長した。続いて、ＴＭＡの供給を停止すると共にＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４を続けて供給して、厚さ２０００ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を成長した後に、ＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４の供給を停止した。基板温度を摂氏７００度近辺まで下げた。この温度で、ＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ４を供給して厚さ５０ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ層バッファ層を成長させた。続いて、発光層を成長した。発光層は、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層及び厚さ５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層からなる３周期の多重量子井戸構造からなる。その後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を停止した後に、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを成長炉に導入して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮを成長した。その後に、ＴＭＡの供給を停止すると共にＴＭＧ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを成長炉に供給して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長した。その後、室温まで降温して、エピタキシャルウエハを成長炉にから取り出した。ＧａＮウエハｍ１６、ｍ２６を用いて作製されたエピタキシャルウエハＥ１６、Ｅ２６の構造は、図５に示されたＬＥＤのエピタキシャル構造と同じである。
　エピタキシャルウエハＥ１６、Ｅ２６のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを室温で評価した。励起光には３２５ｎｍのＨｅ－Ｃｄレーザを用いた。試料位置でのレーザーパワーは１ｍＷであり、スポット径は約２００μｍであった。図９は、代表的なＰＬスペクトルＰＬｍ１６、ＰＬｍ１６を示す。エピタキシャルウエハＥ１６の発光ピーク波長は５００ｎｍであり、エピタキシャルウエハＥ２６の発光ピーク波長は４９５ｎｍであった。
　工程Ｓ１０４では、エピタキシャルウエハＥ１６のＸ線回折法による評価を行った。入射Ｘ線のスリットサイズは、縦０．２ｍｍ横２ｍｍである。オフ方向をＸ線の入射方向に合わせた後、ステージの高さ調整し、（２０－２５）面を用いた軸立てを行い、（０００２）面のオフセット角をゼロにセットした。
　工程Ｓ１０５では、（０００２）面の逆格子マッピング測定を行った。図１０は、測定によって得られたｍ１６の逆格子マッピングを示す。縦軸はｃ軸の格子定数の逆数に係数を乗じたものを示し、横軸はａ軸の格子定数の逆数に係数を乗じたものを示す。逆格子マッピングには、ＧａＮ基板の回折点、ＩｎＧａＮ層の回折点、ＡｌＧａＮ層の回折点を含んでいた。
　工程Ｓ１０６では、逆格子マッピング像の解析を行った。逆格子マッピング像によれば、ＧａＮ基板ピークに対して、ＩｎＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層の回折点はω－２θ面内に存在しないことを示された。すなわち、ＧａＮの＜０００１＞方向はＩｎＧａＮの＜０００１＞方向と異なり、またＧａＮの＜０００１＞方向はＡｌＧａＮの＜０００１＞方向と異なる。更に、工程Ｓ１０７では、ＩｎＧａＮ層の（０００１）面とＧａＮ層の（０００１）面とは、約０．４５度の角度を成しており、平行ではない。また、ＡｌＧａＮ層の（０００１）面とＧａＮ層の（０００１）面とは、約０．１度の角度を成しており、平行でない。
　次に、エピタキシャルウエハＥ２６について、透過電子線顕微鏡を使用した評価を行った。試料の加工は、フォーカス・イオン・ビーム（ＦＩＢ）法によって行い、イオンミリング法によってダメージを除去した。電子線の入射方向は、角度のオフ方向に直交する＜１１－２０＞方向（ａ軸方向）であった。電子線の加速電圧は２００ｋＶであった。図１１は、図５に示されたｍ２６のＬＥＤ構造における活性層付近の拡大像を示す図面である。透過電子線顕微鏡像によれば、約５ｎｍの井戸幅の３周期量子井戸構造が形成できていることを示していた。また、転位はなく、高品質な活性層が形成されていた。
　次いで、格子面に関する情報を得るために、制限視野電子線回折を行った。制限視野絞りの直径は０．１μｍであった。図１２は、エピタキシャルウエハＥ２６の構造と、この構造に対応づけられた測定点とを示す図面である。図１３は、３つの測定点において得られた回折パターンを示す図面である。図１３の（ａ）部を参照すると、基板の＜０００１＞方向は、設計通り約２６度の角度だけ直上方向から左へ傾いていることを示している。図１３の（ｂ）部を参照すると、ｎ－ＧａＮ層でも同様のパターンを示している。図１３の（ａ）部及び（ｂ）部のパターンから、ＧａＮ層は、ＧａＮウエハに対してエピタキシャルに成長されたことがわかった。図１３の（ｃ）部に示されるように、活性層を含む領域でも同様の観察を行った。図１４の（ａ）部及び（ｂ）部は、測定点ＳＡＤ２、ＳＡＤ３における電子線回折像を示す。図１５の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、図１４の（ａ）部及び（ｂ）部に示された、測定点ＳＡＤ２、ＳＡＤ３における電子線回折像の拡大像を示す。図１５の（ａ）部及び（ｂ）部を参照すると、活性層を含む観察エリアを示す図１５の（ｂ）部の拡大像では、逆格子点に基板表面方向に垂直に伸びる裾が存在していた。これは、ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮからの回折であると考えられる。これらの裾は、ＧａＮの＜０００１＞方向にはＩｎＧａＮの＜０００１＞方向が一致していないことを示していた。故に、ＩｎＧａＮ層の（０００１）面は、ＧａＮ層の（０００１）面と平行でないことがわかった。
　Ｘ線回折像の測定及び／または透過電子線顕微鏡像の測定を行った測定データから、エピタキシャルウエハにおいて、ＧａＮの所定の結晶面及び結晶軸の向きと、ＧａＮと異なる窒化ガリウム系半導体（例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の所定の結晶面及び結晶軸の向きとを比較して、窒化ガリウム系半導体の結晶の歪みを見積もる。工程Ｓ１０８では、この歪みの緩和が所望の範囲内にあるかを判断する。この歪みの緩和が所望の値以下のとき、エピタキシャルウエハが良品と判断される。工程Ｓ１０９で、引き続いて、デバイス作製のためのプロセスを行う。例えば、工程Ｓ１１０では、半導体素子のための電極の形成を行う。工程Ｓ１１１で、この歪みの緩和が所望の値より大きいとき、エピタキシャルウエハの処理は停止される。
　上記の実施例及び他の実験から、支持基体の六方晶系化合物の（０００１）面と半導体層の六方晶系窒化ガリウム系半導体の（０００１）面との傾斜角は２度以下であれば、歪みの緩和が抑制されて、良好な特性の発光素子が提供される。傾斜角は０．０５度以上であれば、Ｘ線回折で確実に検証することが可能である。
　図１６の（ａ）部は、ＩｎＧａＮのおける傾斜角の計算値の例示を示す。矢印Ａｎｇｌｅは、オフ角範囲を示す。符号「□」はｍ軸方向傾斜及びＩｎ組成０．３５における傾斜角を示し、符号「◆」はａ軸方向傾斜及びＩｎ組成０．３５における傾斜角を示し、符号「△」はａ軸方向傾斜及びＩｎ組成０．０７における傾斜角を示す。４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に含まれるピーク波長の光の発生を得るためのエピタキシャル積層において、Ｉｎ組成は例えば約０．０７以上であり０．３５以下の範囲であることが良い。傾斜角の下限は、例えばａ方向のオフ角１０度及びＩｎ組成０，０７において約０．０５度である。Ｘ線回折で検証可能な最小値がこの程度の値である。傾斜角の上限は、例えばｍ方向のオフ角４３度及びＩｎ組成０．３５において約１．６度となる。
　図１６の（ｂ）部は、ＡｌＧａＮのおける傾斜角の計算値の例示を示す。矢印Ａｎｇｌｅは、オフ角範囲を示す。符号「□」はｍ軸方向傾斜及びＡｌ組成０．２における傾斜角を示し、符号「◆」はａ軸方向傾斜及びＡｌ組成０．２における傾斜角を示し、符号「△」はａ軸方向傾斜及びＡｌ組成０．０２における傾斜角を示す。４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲内に含まれるピーク波長の光の発生を得るためのエピタキシャル積層において、Ａｌ組成は例えば約０．０２以上であり０．２以下の範囲であることが良い。ＡｌＧａＮについて、ＩｎＧａＮと同要領で傾斜角を求めると、傾斜角の下限は、例えばａ方向にオフ角１０度及びＡｌ組成０，０２のときに約０．００５度である。Ｘ線回折で検証限界を下回るような値である。傾斜角の上限は、例えばｍ方向にオフ角４３度及びＡｌ組成０．２のときに、約０．３度となる。
　傾斜角の計算は、例えば以下の手順で行われる。（１）ＩｎＧａＮエピタキシャル膜のＩｎ組成またはＡｌＧａＮエピタキシャル膜のＡｌ組成を一つ決める。（２）歪んだＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮのｃ軸の格子定数を求める。（３）上記のエピタキシャル膜と六方晶系結晶ウエハでそれぞれの（ｈｉｋｌ）面の角度を（０００１）面を基準にして求める。（４）エピタキシャル膜の（ｈｉｋｌ）面の角度と六方晶系結晶ウエハの（ｈｉｋｌ）面の角度との差を求める。これによって傾斜角の値が得られる。なお、複雑な計算を避けるために、傾斜角△θ（エピタキシャル膜（０００１）－ウエハ（０００１））は、ｃ面上に成長されたエピタキシャル膜のある指数の結晶面における傾斜角［エピタキシャル膜（ｈｋｉｌ）－ウエハ（ｈｋｉｌ）］と同じであるとして近似的な計算を行っている。この手順に従って、ＩｎＡｌＧａＮについても同様の計算を行うことができる。
　歪み緩和が生じた発光素子では、発光効率が２割以上も低下し、低電流時のリーク電流が増加し、デバイス寿命が短くなるなど、デバイス特性悪化が認められる。故に、半極性面上のデバイスにおいて歪み緩和を生じさせないことは重要である。
　特に、通電中のデバイス寿命について、六方晶のＧａＮは転位の滑り面が（０００１）である。そのため、ｃ面上デバイスでは、滑り面と成長面が平行であるので、デバイス動作中の新たな転位の増殖は起こりにくい。しかし、半極性面上デバイスでは、成長面と（０００１）が交差するので、デバイス動作中の新たな転位の増殖がｃ面上のデバイスよりも起こりやすいことが想定される。故に、エピ成長層の歪み緩和を抑制することが必要である。
　一般的に窒化物発光素子は、ｃ面基板を用いたデバイスでの研究・開発が先行している。その場合と比較して、半極性面を用いたデバイスの作製では、エピタキシャル膜の成長条件を大きく変更する必要がある。具体的には、ＩｎＧａＮではＩｎ組成が低下し、ＡｌＧａＮではＡｌ組成が低下する。そのため、ｃ面上での成長条件と比較して、ＩｎＧａＮの成長では、ｃ面における結晶成長の温度に比べて５０～１５０度（摂氏の温度単位系）程度の温度差で低い値が最適であり、ＡｌＧａＮの成長では、ｃ面における結晶成長の温度に比べて１０～５０度（摂氏の温度単位系）程度の温度差で高い値が最適である。この点で、発光素子構造を成長する温度シーケンスは、ｃ面の場合と比較して、半極性面の場合と大きく異なる。
　上記の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。
　以上説明したように、本発明の一側面によればIII族窒化物半導体素子が提供される。このIII族窒化物半導体素子では、半極性を利用する窒化ガリウム系半導体において、歪みの緩和により転位の発生を抑制される。また、本発明の別の側面によれば、このIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。
Ｃ…六方晶系化合物のｃ軸の方向、ＳＳＵＢＣ…六方晶系化合物におけるｃ面、ＳＬＡＹＣ…六方晶系窒化ガリウム系半導体におけるｃ面、ＤＳＵＢＮ…極性面ウエハの六方晶系化合物の格子定数、ＤＬＡＹＮ１…六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数、ＤＳＵＢＰ…非極性面ウエハの六方晶系化合物の格子定数、ＤＬＡＹＰ１、ＤＬＡＹＰ２…六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数、ＤＳＵＢＨ…半極性面ウエハの六方晶系化合物の格子定数、ＤＬＡＹＨ１、ＤＬＡＹＨ２…六方晶系窒化ガリウム系半導体の格子定数、ＳＳＵＢＣ…ウエハのｃ面、ＳＬＡＹＣ１、ＳＬＡＹＣ２…六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面、ＳＲ１、ＳＲ２…参照面、α…ｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ１との成す傾斜角、ＡＲ…補助軸、β…軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度、γ…ｃ面ＳＬＡＹＣ１と参照面ＳＲ２との成す傾斜角、δ…補助軸ＡＲとベクトルＣとが成す角度、１１a、１１ｂ、１１ｃ…六方晶系化合物からなるウエハ、１３a、１３ｂ、１３ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層、１５a、１５ｂ、１５ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体、１７a、１７ｂ、１７ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる半導体層、１９a、１９ｂ、１９ｃ…六方晶系窒化ガリウム系半導体、２１ａ…発光ダイオード、２１ｂ…半導体レーザ、２３…支持基体、２５ａ、２５ｂ…半導体積層、２７…活性層、２９…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、３１…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、３３ａ…バッファ層、３３ｂ…ｎ型ＧａＮ層、３５ａ…電子ブロック層、３５ｂ…コンタクト層、３７ａ…井戸層、３７ｂ…障壁層、４１…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、４３…ｎ型クラッド層、４５…光導波領域、４７ａ…活性層、４７ｂ…ｎ側光ガイド層、４７ｃ…ｐ側光ガイド層、４９ａ…井戸層、４９ｂ…障壁層、５１…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、５３ａ…電子ブロック層、５３ｂ…ｐ型クラッド層、５３ｃ…コンタクト層　

Claims (23)

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