(57)【要約】【課題】偏光度を高めることが可能な構造を有する窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。【解決手段】発光ダイオード１１ａは、半導体領域１３と、ＩｎＧａＮ層１５と、活性層１７とを備える。半導体領域１３は半極性を示す主面１３ａを有し、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる。半導体領域１３の主面１３ａは、該主面１３ａにおける［０００１］軸方向の基準軸Ｃｘに直交する平面Ｓｃに対して角度αで傾斜する。半導体領域１３の厚さＤ１３はＩｎＧａＮ層１７の厚さＤＩｎＧａＮより大きく、ＩｎＧａＮ層１５の厚さＤＩｎＧａＮは１５０ｎｍ以上を有する。ＩｎＧａＮ層１５は半導体領域１３の主面１３ａの直上に設けられて、主面１３ａに接している。活性層１７は、ＩｎＧａＮ層１５の主面１５ａ上に設けられ、この主面１５ａに接触している。活性層１７は、ＩｎＧａＮ井戸層２１を含む。【選択図】図１
2010114418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体発光素子であって、
窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域と、
前記半導体領域の前記主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、
ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記ＩｎＧａＮ層の主面上に設けられた活性層と、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下で傾斜した主面を有する支持基体と
を備え、
前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、
前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、
各窒化ガリウム系半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなり、
前記半導体領域の前記主面の材料は、前記ＩｎＧａＮ層と異なっており、
前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、
前記ＩｎＧａＮ層は１００ｎｍ以上の厚さを有し、
前記半導体領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、
前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、
前記支持基体は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、
前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なる、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＮ層は１５０ｎｍ以上の厚さを有する、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項３】
当該窒化ガリウム系半導体発光素子は、半導体レーザを含み、
前記半導体レーザの光ガイド層は、前記ＩｎＧａＮ層を含み、
当該窒化ガリウム系半導体発光素子は、前記活性層の主面上に設けられ別のＩｎＧａＮ層を含む別の光ガイド層を更に備える、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体領域の前記主面はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板の前記主面の傾斜角は６３度以上８０度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体領域と前記ＩｎＧａＮ層との界面にミスフィット転位が発生して、前記ＩｎＧａＮ層に格子緩和が生じている、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窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項７】
該ミスフィット転位により、前記ＩｎＧａＮ層には異方的な格子緩和が生じており、前記基準軸の傾斜する方向に関して格子緩和が生じ、該方向と前記基準軸とに直交する向きに関して格子緩和がない、ことを特徴とする請求項６に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項８】
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．０２以上０．１０以下であり、
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は前記井戸層のインジウム組成より小さい、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項９】
前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体レーザを含み、
該半導体レーザにおける光導波路は前記ｃ軸の傾斜方向に延在する、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１０】
前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１１】
前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１２】
前記支持基体の貫通転位密度は、ｃ面において１×１０７ｃｍ−２以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１３】
前記ＩｎＧａＮ層の厚さは３００ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１４】
前記ＩｎＧａＮ層の厚さは１０００ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１５】
前記発光層からの発光における偏光度が０より大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１６】
窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハであって、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する基板と、
一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる半導体領域と、
前記半導体領域の主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、
ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記支持基体の前記主面上に設けられた活性層と、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下で傾斜した主面を有する支持基体と
を備え、
前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、
前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、
各窒化ガリウム系半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなり、
前記半導体領域の前記主面の材料は、前記ＩｎＧａＮ層と異なっており、
前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、
前記ＩｎＧａＮ層は１００ｎｍ以上の厚さを有し、
前記半導体領域は前記基板の前記主面上に搭載されており、
前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、
前記基板は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、
前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なる、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項１７】
窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法であって、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下で傾斜した主面を有する基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなり半極性を示す主面を有する半導体領域を前記基板上に成長する工程と、
異方的な格子緩和を内包する１００ｎｍ以上の厚さのＩｎＧａＮ層を前記半導体領域の前記主面の直上に成長する工程と、
前記ＩｎＧａＮ層の主面上に活性層を成長する工程と
を備え、
前記活性層はＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜し、
前記半導体領域は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなり、
前記半導体領域の前記主面の材料は、前記ＩｎＧａＮ層と異なっており、
前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、
前記基板は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、
前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なり、
前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きい、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域と、
前記半導体領域の前記主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、
ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記ＩｎＧａＮ層の主面上に設けられた活性層と
を備え、
前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、
前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、
各窒化ガリウム系半導体層はＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、
前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、
前記ＩｎＧａＮ層は１５０ｎｍ以上の厚さを有する、ことを特徴とする窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項１９】
前記半導体領域の前記主面はＧａＮからなり、
前記傾斜の角度は１０度以上８０度以下である、ことを特徴とする請求項１８に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２０】
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する支持基体を更に備え、
前記半導体領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、
前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、
前記支持基体は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、
前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、
前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なる、ことを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２１】
前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項１８〜請求項２０のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２２】
前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項１８〜請求項２１のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２３】
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．０２以上０．１０以下であり
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は前記井戸層のインジウム組成より小さい、ことを特徴とする請求項１８〜請求項２２のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２４】
前記半導体領域と前記ＩｎＧａＮ層との界面にミスフィット転位が発生して、前記ＩｎＧａＮ層に格子緩和が生じている、ことを特徴とする請求項１８〜請求項２３のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２５】
該ミスフィット転位により、前記ＩｎＧａＮ層には異方的な格子緩和が生じており、前記基準軸の傾斜する方向に関して格子緩和が生じ、該方向と前記基準軸とに直交する向きに関して格子緩和がない、ことを特徴とする請求項２４に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２６】
前記支持基体の貫通転位密度は、ｃ面において１×１０７ｃｍ−２以下である、ことを特徴とする請求項２４又は請求項２５に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２７】
前記ＩｎＧａＮ層の厚さは３００ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１８〜請求項２６のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２８】
前記ＩｎＧａＮ層の厚さは１０００ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１８〜請求項２６のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２９】
窒化ガリウム系発光ダイオードのためのエピタキシャルウエハであって、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する基板と、
一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる半導体領域と、
前記半導体領域の主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、
ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記支持基体の前記主面上に設けられた活性層と
を備え、
前記半導体領域は前記支持基体と前記ＩｎＧａＮ層との間に設けられ、
前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
各窒化ガリウム系半導体層はＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、
前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、
前記ＩｎＧａＮ層は１５０ｎｍ以上の厚さを有する、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項３０】
窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域の半極性を示す主面の直上に、１５０ｎｍ以上の厚さを有するＩｎＧａＮ層を成長する工程と、
前記ＩｎＧａＮ層の主面上に活性層を成長する工程と
を備え、
前記ＩｎＧａＮ層は異方的な格子緩和を内包し、
前記活性層はＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜し、
前記半導体領域の前記ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、
前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きい、ことを特徴とする方法。
【請求項３１】
前記ＩｎＧａＮ層の主面は、前記基準軸の傾斜方向に交差する方向に延びる筋状のモフォロジを有する、ことを特徴とする請求項３０に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体発光素子、窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法、窒化ガリウム系発光ダイオード、エピタキシャルウエハ、及び窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、非極性面を有するＧａＮ基板上に設けられた窒化ガリウム系半導体発光素子が記載されている。ＧａＮ基板の主面として以下のものが記載されている。例えば、ＧａＮ基板の主面は｛１１−２０｝面、｛１−１００｝面、又は、｛１１−２０｝面若しくは｛１−１００｝面から−５度〜＋５度の範囲内で傾いた面である。また、ＧａＮ基板の主面は｛１１−２０｝面及び｛１−１００｝面のいずれかの面に対してオフ角θ（但し、０°≦θ≦１０°）だけオフした面である。さらに、ＧａＮ基板の主面は｛１１−２０｝面、｛１１−２０｝面から−５度〜＋５度の範囲内で傾いた面、又は｛１１−２０｝面に対して１０度以下のオフ角θでオフした面である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３５５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
窒化ガリウム系の発光ダイオードでは、出射光の偏光は、歪みの異方性に関係性している。このため、大きな偏光度の発光ダイオードを作製するためには、歪みの異方性を大きくすることが求められる。発明者らの知見によれば、ＧａＮ基板の半極性主面上に活性層のコヒーレント成長を行ったとき、偏光度は、ほぼオフ角で決まる値となる。このため、歪みの異方性を変化させることは容易ではない。発明者らの検討によれば、異方的な格子緩和を生じさせることによって、歪みの異方性を大きくすることが考えられる。この方針に基づき、発明者らが検討を行った結果、異方的に格子緩和を引き起こす構造を発見した。
【０００５】
窒化ガリウム系のレーザダイオードでは、活性層の歪みによりレーザ発振可能なバンド間遷移が異なる。また、バンド間遷移はレーザ発振のしきい値と関連している。窒化ガリウム系のレーザダイオードにおいて、しきい値電流密度の低減が求められている。発明者らの知見によれば、窒化ガリウム系レーザダイオードのＬＥＤモード（レーザ発振が生じる前の発光）における偏光度は、そのレーザダイオードのしきい値電流密度の大きさと関連している。ＬＥＤモードでは、レーザ発振可能なバンド間遷移だけでなく、他のバンド間遷移も発光している。ＬＥＤモードにおける発光の偏光度は、異なる複数のバンド間遷移からの光の混合により規定される。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、偏光度を高めることが可能な構造を有する窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することを目的とし、この窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを提供することを目的とし、さらに窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、偏光度を高めることが可能な構造を有する窒化ガリウム系発光ダイオードを提供することを目的とし、この窒化ガリウム系発光ダイオード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し、さらに窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、（ａ）窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域と、（ｂ）前記半導体領域の前記主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、（ｃ）ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記ＩｎＧａＮ層の主面上に設けられた活性層と、（ｄ）六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下で傾斜した主面を有する支持基体とを備える。前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、各窒化ガリウム系半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなり、前記半導体領域の前記主面の材料は、前記ＩｎＧａＮ層と異なっており、前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、前記ＩｎＧａＮ層は１００ｎｍ以上の厚さを有し、前記半導体領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、前記支持基体は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なる。
【０００８】
この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、厚さ１００ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層を半導体領域上に形成するので、ＩｎＧａＮ層に異方的な格子緩和が生じ、このＩｎＧａＮ層は異方的な歪みを内包する。故に、ＩｎＧａＮ層の主面上の活性層における歪みの異方性が大きくなる。窒化ガリウム系半導体レーザにおいては、ＬＥＤモードにおける発光の偏光度を高めることが可能になり、この結果、低しきい値の遷移のレーザ発振が可能になる。また、窒化ガリウム系発光ダイオードの偏光度を高めることが可能になる。
【０００９】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記ＩｎＧａＮ層は１５０ｎｍ以上の厚さを有することができる。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、このＩｎＧａＮ層の歪みにおける異方性を強めることができる。
【００１０】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記ＩｎＧａＮ層は光ガイド層であり、当該窒化ガリウム系半導体発光素子は、前記活性層の主面上に設けられ、別のＩｎＧａＮ層を含む別の光ガイド層を更に備えることができる。窒化ガリウム系半導体発光素子は窒化ガリウム系半導体レーザを含み、光ガイド層の異方性歪みによりＬＥＤモードにおける発光の偏光度を高めることが可能になる。この結果、低しきい値の遷移のレーザ発振が可能になる。
【００１１】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記発光層からの発光における偏光度が０より大きい。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、非負値の偏光度を提供できる。
【００１２】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記半導体領域の前記主面はＧａＮからなる。本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記傾斜の角度は６３度以上８０度以下である。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、ＩｎＧａＮ層のＩｎ偏析を低減でき、Ｉｎ偏析による応力分布を低減できる。
【００１３】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体レーザを含み、該半導体レーザにおける光導波路は前記ｃ軸の傾斜方向に延在する。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、低しきい値のレーザ発振を可能にする共振器を提供できる。
【００１４】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記半導体領域と前記ＩｎＧａＮ層との界面にミスフィット転位が発生して、前記ＩｎＧａＮ層に格子緩和が生じている。窒化ガリウム系半導体発光素子において、ＩｎＧａＮ層の格子緩和により、活性層の歪みが変更される。
【００１５】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、該ミスフィット転位により、前記ＩｎＧａＮ層には異方的な格子緩和が生じており、前記基準軸の傾斜する方向に関して格子緩和が生じ、該方向と前記基準軸とに直交する向きに関して格子緩和がない。窒化ガリウム系半導体発光素子において、ＩｎＧａＮ層の異方的な格子緩和により、活性層は異方的な歪みを内包する。
【００１６】
本発明の一側面に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子は、（ａ）窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する半導体領域と、（ｂ）前記半導体領域の前記主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、（ｃ）ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記ＩｎＧａＮ層の主面上に設けられた活性層とを備える。前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、各窒化ガリウム系半導体層はＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、前記ＩｎＧａＮ層は１５０ｎｍ以上の厚さを有する。
【００１７】
この窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる半導体領域上に、厚さ１５０ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層を形成するので、ＩｎＧａＮ層に異方的な格子緩和が生じ、このＩｎＧａＮ層は異方的な歪みを内包する。故に、ＩｎＧａＮ層の主面上の活性層における歪みの異方性が大きくなる。したがって、窒化ガリウム系発光ダイオードの偏光度を高めることが可能になる。
【００１８】
本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記半導体領域の主面はＧａＮからなり、前記傾斜の角度は１０度以上８０度以下であることができる。
【００１９】
この窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、上記の角度の範囲でｃ面が主面から傾斜するので、ｃ面がすべり面となってミスフィット転位が発生して、ＩｎＧａＮ層に格子緩和が生じている。
【００２０】
本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子は、六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する支持基体を更に備えることができる。前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、前記支持基体は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なることができる。
【００２１】
この窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、好適な異方的な格子緩和では、互いに直交する２方向のうち一方向に関して格子緩和がなく、他方向に関する格子緩和が生じる。より具体的には、基板主面から［０００１］軸方向の基準軸の傾斜する第１の方向に関して格子緩和が生じ、基準軸と第１の方向に直交する第２の方向に関して、格子緩和がない。
【００２２】
本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜していることができる。この窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、＜１−１００＞方向に主要な格子緩和が生じる。また、本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜していることができる。この窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、＜１１−２０＞方向に主要な格子緩和が生じる。
【００２３】
本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成はは前記井戸層のインジウム組成より小さい。また、本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．０２以上であることが好ましい。小さすぎるインジウム組成は、異方的な格子緩和の生成に有効ではない。前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．１０以下であることが好ましい。大きすぎるインジウム組成はＩｎＧａＮ層の結晶品質を悪化させる。
【００２４】
本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子は、六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する支持基体を更に備えることができる。前記半導体領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、前記半導体領域と前記ＩｎＧａＮ層との界面にミスフィット転位が発生して前記ＩｎＧａＮ層に格子緩和が生じる。
【００２５】
この窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、窒化ガリウムからなる支持基体上に半導体領域及びＩｎＧａＮ層が設けられるので、半導体領域の結晶品質は良好である。この半導体領域上に、異方的な歪みを内包するＩｎＧａＮ層を形成できる。故に、下地の結晶の欠陥等に起因して、ＩｎＧａＮ層における異方的な格子緩和が弱められることが防げる。
【００２６】
本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子において、前記ＩｎＧａＮ層は該ミスフィット転位により異方的な格子緩和が生じている。この窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、基準軸の傾斜する方向に関して格子緩和が生じ、該方向と前記基準軸とに直交する向きに関して格子緩和がない。
【００２７】
本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記支持基体の貫通転位密度は、ｃ面において１×１０７ｃｍ−２以下であることができる。この支持基体によれば、低欠陥の半導体層が提供される。また、本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記ＩｎＧａＮ層の厚さは３００ｎｍ以上であることができる。さらに、本発明に係る窒化ガリウム系発光ダイオードでは、前記ＩｎＧａＮ層の厚さは１０００ｎｍ以上であることができる。
【００２８】
本発明の別の側面は、窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子のためにエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する基板と、（ｂ）一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる半導体領域と、（ｃ）前記半導体領域の主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、（ｄ）ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記支持基体の前記主面上に設けられた活性層と、（ｅ）六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下で傾斜した主面を有する支持基体とを備える。前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、各窒化ガリウム系半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなり、前記半導体領域の前記主面の材料は、前記ＩｎＧａＮ層と異なっており、前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、前記ＩｎＧａＮ層は１００ｎｍ以上の厚さを有し、前記半導体領域は前記基板の前記主面上に搭載されており、前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、前記基板は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なる。
【００２９】
本発明の別の側面は、窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子のためにエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する基板と、（ｂ）一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる半導体領域と、（ｃ）前記半導体領域の主面の直上に設けられたＩｎＧａＮ層と、（ｄ）ＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記支持基体の前記主面上に設けられた活性層とを備える。前記半導体領域は前記支持基体と前記ＩｎＧａＮ層との間に設けられ、前記ＩｎＧａＮ層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、各窒化ガリウム系半導体層はＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きく、前記ＩｎＧａＮ層は１５０ｎｍ以上の厚さを有する。
【００３０】
このエピタキシャルウエハによれば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる半導体領域の厚さがＩｎＧａＮ層の厚さより大きいと共に、ＩｎＧａＮ層の厚さが１５０ｎｍ以上であるので、ＩｎＧａＮ層は歪みを内包すると共にこのＩｎＧａＮ層に異方的な格子緩和が生じる。故に、ＩｎＧａＮ層の主面上の活性層における歪みの異方性が大きくなる。したがって、異方的な歪みを内包する活性層を有するエピタキシャルウエハが提供される。
【００３１】
本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸に直交する平面に対して１０度以上８０度以下で傾斜した主面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体からなり半極性を示す主面を有する半導体領域を前記基板上に成長する工程と、（ｃ）異方的な格子緩和を内包する１００ｎｍ以上の厚さのＩｎＧａＮ層を前記半導体領域の前記主面の直上に成長する工程と、（ｄ）前記ＩｎＧａＮ層の主面上に活性層を成長する工程とを備える。前記活性層はＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜し、前記半導体領域は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなり、前記半導体領域の前記主面の材料は、前記ＩｎＧａＮ層と異なっており、前記ＩｎＧａＮ層は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＩｎＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＩｎＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１の方向は前記第２の方向に直交しており、前記基板は、前記基準軸に直交する第１の方向における第１のＧａＮ格子定数と前記基準軸に直交する第２の方向における第２のＧａＮ格子定数とを有しており、前記第１のＩｎＧａＮ格子定数は前記第１のＧａＮ格子定数と等しく、前記第２のＩｎＧａＮ格子定数は前記第２のＧａＮ格子定数と異なり、前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きい。
【００３２】
本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系発光ダイオード及び窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域の半極性を示す主面の直上に、１５０ｎｍ以上の厚さを有するＩｎＧａＮ層を成長する工程と、（ｂ）前記ＩｎＧａＮ層の主面上に活性層を成長する工程とを備えることができる。前記ＩｎＧａＮ層は異方的な格子緩和を内包し、前記活性層はＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、前記半導体領域の前記主面は、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜し、前記半導体領域の前記ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、前記半導体領域の厚さは前記ＩｎＧａＮ層の厚さより大きい。
【００３３】
この方法によれば、半導体領域とＩｎＧａＮ層との間に大きな格子定数差がある。この半導体領域上に、１５０ｎｍ以上の厚さを有するＩｎＧａＮ層を成長するとき、ＩｎＧａＮ層と半導体領域との界面に、ミスフィット転位が生成される。該ミスフィット転位は、半導体領域の主面の傾斜方向に応じた異方的な格子緩和をＩｎＧａＮ層に生じさせる。
【００３４】
本発明に係る方法では、前記ＩｎＧａＮ層の主面は、前記基準軸の傾斜方向に交差する方向に延びる筋状のモフォロジを有することができる。この方法によれば、上記のモフォロジはミスフィット転位の滑り面と関連している。
【００３５】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、偏光度を高めることが可能な構造を有する窒化ガリウム系半導体発光素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。さらに、本発明の更なる別の側面によれば、該窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法が提供される。また、本発明の一側面によれば、偏光度を高めることが可能な構造を有する窒化ガリウム系発光ダイオードが提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化ガリウム系発光ダイオードのためのエピタキシャルウエハが提供される。さらに、本発明の更なる別の側面によれば、該窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系発光ダイオードの構造を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す図面である。
【図３】図３は、無歪みＩｎＧａＮ、ｃ面上のＩｎＧａＮ及びその歪みについて説明する図面である。
【図４】図４は、ａ面上における無緩和ＩｎＧａＮ及び緩和ＩｎＧａＮの歪みについて説明する図面である。
【図５】図５は、半極性面上における無緩和ＩｎＧａＮ及び緩和ＩｎＧａＮの歪みについて説明する図面である。
【図６】図６は、窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図７】図７は、窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図８】図８は、窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図９】図９は、倍率１０００倍にして比較的高倍率で観察したエピタキシャルウエハの表面の微分干渉顕微鏡像を示す図面である。
【図１０】図１０は、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＮ層とＧａＮとのＸ線回折の測定結果を示す図面である。
【図１１】図１１は、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＮ層とＧａＮとのＸ線回折の測定結果を示す図面である。
【図１２】図１２は、厚さ１０００ｎｍのＩｎＧａＮ層とＧａＮとのＸ線回折の測定結果を示す図面である。
【図１３】図１３は、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＮ層を含む発光ダイオード構造におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図面である。
【図１４】図１４は、３ｋＶ、５ｋＶ及び１０ｋＶの加速電圧におけるＣＬ像を示す図面である。
【図１５】図１５は、１５０ｎｍ以上の厚さにおいて下地ＩｎＧａＮ格子緩和層の厚さと偏光度との関係、及び発光強度に対する偏光子の回転角度の依存性を示す図面である。
【図１６】図１６は、実施例２において作製したレーザダイオードの構造を示す図面である。
【図１７】図１７は、ＩｎＧａＮ層の厚さとしきい値及び偏光度との関係を示す図面である。
【図１８】図１８は、ＩｎＧａＮ膜の厚さ８０ｎｍ及び２００ｎｍおける逆格子マッピングを示す図面である。
【図１９】図１９は、この試料をａ面方向から観察した透過電子顕微鏡像を示す図面である。
【図２０】図２０は、本実施例におけるエピタキシャル基板のカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルを示す図面である。
【図２１】図２１は、加速電圧１５ｋＶおけるＣＬ像と２０ｋＶにおけるＣＬ像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化ガリウム系発光ダイオード、窒化ガリウム系半導体発光素子、これらの素子のためのエピタキシャルウエハ、並びにエピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体発光素子及び窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。引き続く説明では、例えば＜０００１＞軸に対して逆向きの結晶軸は、＜０００−１＞で表される。
【００３９】
図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系発光ダイオードの構造を示す図面である。図２は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す図面である。図１及び図２には、ｃ面Ｓｃが描かれており、ｃ軸、ａ軸およびｍ軸の示す結晶座標系ＣＲ並びにＸ１軸、Ｘ２軸およびＸ３軸の示す位置座表系ＳＰが示されている。Ｘ３軸が半導体層の積層方向であり、この方向はｃ軸の方向と異なる。窒化ガリウム系発光ダイオードはＸ３軸の正方向又は負方向に光Ｌを放出する面発光素子である。窒化ガリウム系半導体発光素子としては、例えば窒化ガリウム系発光ダイオード（以下、単に「発光ダイオード」と記す）１１ａ及び窒化ガリウム系レーザダイオード（以下、単に「レーザダイオード」と記す）１１ｂが例示される。
【００４０】
発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂは、窒化ガリウム系半導体領域（以下、単に「半導体領域」と記す）１３と、ＩｎＧａＮ層１５と、活性層１７とを備える。半導体領域１３は、半極性を示す主面１３ａを有する。半導体領域１３は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、各窒化ガリウム系半導体層はＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる。ＩｎＧａＮ層１５は活性層１７と半導体領域１３との間に設けられている。半導体領域１３の主面１３ａは、該主面１３ａにおける［０００１］軸方向に延びる基準軸Ｃｘに直交する平面（例えばＳｃ）に対して角度αで傾斜している。ＩｎＧａＮ層１５の厚さＤＩｎＧａＮは１５０ｎｍ以上を有する。ＩｎＧａＮ層１５は半導体領域１３の主面１３ａの直上に設けられて、主面１３ａに接している。活性層１７は、ＩｎＧａＮ層１５の主面１５ａ上に設けられ、この主面１５ａに接触している。また、活性層１７は、ＩｎＧａＮからなる井戸層２１を含む。半導体領域１３の厚さＤ１３がＩｎＧａＮ層１７の厚さＤＩｎＧａＮより厚いので、半導体領域１３からＩｎＧａＮ層１７へ応力が加わる。
【００４１】
この発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂによれば、ＧａＮ又はＡｌＧａＮからなる半導体領域１３上に、厚さＤＩｎＧａＮが１５０ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層１５を設けることによって、ＩｎＧａＮ層１５に異方的な格子緩和が生じて、ＩｎＧａＮ層１５は歪みを内包する。また、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなる半導体領域１３上に、厚さＤＩｎＧａＮが１５０ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層１５を設けることによって、ＩｎＧａＮ層１５に異方的な格子緩和が生じて、ＩｎＧａＮ層１５は歪みを内包する。この異方的格子緩和の方向は主面１３ａの傾斜方向に関連している。このため、ＩｎＧａＮ層１５の主面１５ａ上の活性層１７における歪みの異方性が大きくなる。したがって、発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂの偏光度を高めることが可能になる。また、厚さＤＩｎＧａＮが１００ｎｍ以上であってもよい。このＩｎＧａＮ層の膜厚でも異方的な格子緩和が生じて、ＩｎＧａＮ層は異方的な歪みを内包する。
【００４２】
発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂでは、ＩｎＧａＮ層１５のインジウム組成は井戸層２１のインジウム組成より小さい。活性層１７は、複数の障壁層２３を含み、井戸層２１は障壁層２３の間に設けられている。
【００４３】
この発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂによれば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる半導体領域１３上に、厚さＤＩｎＧａＮが１５０ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層１５を設けることによって、ＩｎＧａＮ層１５に異方的な格子緩和が生じて、ＩｎＧａＮ層１５は歪みを内包する。この異方的格子緩和の方向は主面１３ａの傾斜方向に関連している。このため、ＩｎＧａＮ層１５の主面１５ａ上の活性層１７における歪みの異方性が大きくなる。したがって、発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂのＬＥＤモードにおける偏光度を高めることが可能になる。
【００４４】
支持基体２５は、六方晶系の窒化ガリウムからなる。支持基体２５の主面２５ａは、該窒化ガリウムの［０００１］軸方向の基準軸Ｃｘに直交する平面Ｓｃに対して傾斜している。主面２５ａは、半極性を示す。支持基体２５は、半導体領域１３、ＩｎＧａＮ層１５及び活性層１７を搭載している。主面２５ａ上には、半導体領域１３、ＩｎＧａＮ層１５及び活性層１７が所定の軸Ａｘに沿って配置されている。
【００４５】
図３及び図４を参照しながら、活性層の歪みについて説明する。図３（ａ）は、無歪みのＧａＮの単位格子ＬＧａＮ及び無歪みのＩｎＧａＮの単位格子ＬＩｎＧａＮを示している。ＩｎＧａＮの単位格子ＬＩｎＧａＮのａ軸及びｃ軸は、ＧａＮに対してインジウム原子が追加されて、ＧａＮの単位格子ＬＧａＮのａ軸及びｃ軸よりも大きい。
【００４６】
図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、六方晶系ＧａＮのｃ面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子ＳＬ０ＩｎＧａＮを示している。ｃ面ＧａＮ上のＩｎＧａＮ単位格子ＳＬ０ＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮのａ軸がＧａＮのａ軸に合わせて歪み、この歪みに応じてＩｎＧａＮがｃ軸方向に伸びる。ｃ軸方向の結晶軸の変化がピエゾ電界ＥＰＺを引き起こす。この六方晶系ＩｎＧａＮは歪みを内包するけれども、六回対称性は保たれる。故に、歪みＩｎＧａＮのａ軸及びｍ軸は、ＧａＮのａ軸及びｍ軸に合わせて同様に歪む。したがって、歪みの異方性に大きな変化はない。図３（ｃ）にはｃ軸方向を示すベクトルＣが示されており、六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢ上のＩｎＧａＮは、六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢの主面に平行な方向に関するＩｎＧａＮ格子定数（ａ軸、ｍ軸）が六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢの主面に平行な方向のＧａＮ格子定数（ａ軸、ｍ軸）に合うように歪んでいる。
【００４７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、六方晶系ＧａＮのａ面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子ＳＬＡＩｎＧａＮを示している。ａ面ＧａＮ上のＩｎＧａＮ単位格子ＳＬＡＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮのｃ軸及びｍ軸が、それぞれ、ＧａＮのｃ軸及びｍ軸に合わせて歪み、この歪みに応じてＩｎＧａＮは、ａ軸方向に変化する。この六方晶系ＩｎＧａＮは、ｃ軸、ｍ軸に圧縮歪みを、及びａ軸の方向に引張歪みを内包している。この歪みＩｎＧａＮは、ｃ軸に関して二回対称性を有する。ｍ面上のＩｎＧａＮ単位格子も、ａ面と同様の二回対称性を有する。図４（ｂ）にはｃ軸方向を示すベクトルＣが示されており、六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢ上のＩｎＧａＮは、六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢの主面に平行な方向に関するＩｎＧａＮ格子定数（ｃ軸）が六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢの主面に平行な方向のＧａＮ格子定数（ｃ軸）に合うように歪んでいる。
【００４８】
図５（ａ）及び図５（ｃ）は、ａ軸方向に傾斜した六方晶系ＧａＮ半極性面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子ＳＬＳＩｎＧａＮを示している。ａ軸傾斜のＧａＮ半極性面上のＩｎＧａＮ単位格子ＳＬＳＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの成長方向に垂直な方向の格子定数がＧａＮの成長方向に垂直な方向の格子定数に合うように歪む。この六方晶系ＩｎＧａＮはｃ軸、ｍ軸及びａ軸の方向に歪みを内包している。この歪みＩｎＧａＮは、ｃ軸に関して二回対称性を有する。ＩｎＧａＮ単位格子ＳＬＳＩｎＧａＮは、ａ軸方向に歪みＳＴＡを有し、ｍ軸方向に歪みＳＴＭを有する。図５（ｃ）を参照すると、無歪みの六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子ＩＮＨＩｎＧａＮが描かれている。ＩｎＧａＮが六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢの半極性面上に成長されるとき、単位格子ＩＮＨＩｎＧａＮは変形してＩｎＧａＮ単位格子ＳＬＳＩｎＧａＮに歪む。
【００４９】
図５（ｂ）及び図５（ｄ）は、ａ軸方向に傾斜した六方晶系ＧａＮ半極性面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子ＬＳＩｎＧａＮを示している。ａ軸傾斜のＧａＮ半極性面上のＩｎＧａＮ単位格子ＬＳＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの成長方向に垂直な方向の格子定数がＧａＮの成長方向に垂直な方向の格子定数に合うように歪む。ＩｎＧａＮ層１５が格子緩和するので、この六方晶系ＩｎＧａＮはｃ軸及びｍ軸の方向に歪みを内包しているけれども、ａ軸方向に関する格子歪みの一部または全部が緩和されている。この歪みＩｎＧａＮは、ｃ軸に関して二回対称性を有する。図５（ｂ）に示されたＩｎＧａＮ単位格子ＬＳＩｎＧａＮは、ａ軸方向に歪みＲＴＡを有し、ｍ軸方向に歪みＲＴＭを有する。ＩｎＧａＮ層１５の格子緩和の働きにより、井戸層では歪み比（ＲＴＭ／ＲＴＡ）は歪み比（ＳＴＭ／ＳＴＡ）よりも十分に小さい。このため、井戸層における歪み比（ＲＴＭ／ＲＴＡ）が、格子緩和により大きくなる。また、格子緩和によりｃ軸方向の歪みは小さくなるので、ピエゾ電界が小さくなる。図５（ｄ）を参照すると、無歪みの六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子ＩＮＨＩｎＧａＮ及びＩｎＧａＮ単位格子ＬＳＩｎＧａＮ描かれている。ＩｎＧａＮが六方晶系ＧａＮ結晶ＳＵＢの半極性面上に成長されるとき、単位格子ＩＮＨＩｎＧａＮは変形すると共に、上記のように歪み緩和されてＩｎＧａＮ単位格子ＬＳＩｎＧａＮになる。
【００５０】
図５（ｂ）に示されるＩｎＧａＮ層では、互いに直交する２方向のうち一方向に関する格子緩和が他方向に関する格子緩和よりも大きい。好適な実施例について格子定数に基づいて説明する。発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂでは、ＩｎＧａＮ層１５は、それぞれ直交する第１及び第２の方向（例えばａ軸及びｍ軸）における第１及び第２のＩｎＧａＮ格子定数ｄａ１及びｄｍ１を有する。第１及び第２のＩｎＧａＮ格子定数ｄａ１及びｄｍ１は、基準軸Ｃｘに直交する方向に規定される。支持基体２５は、それぞれ直交する第１及び第２の方向（例えばａ軸及びｍ軸）における第１及び第２のＧａＮ格子定数ｄａ０及びｄｍ０を有している。第２のＩｎＧａＮ格子定数ｄｍ１は第２のＧａＮ格子定数ｄｍ０と等しく、第１のＩｎＧａＮ格子定数ｄａ１は第１のＧａＮ格子定数ｄａ０と異なっている。好適な異方的な格子緩和では、互いに直交する２方向のうち一方向に関して実効的に格子緩和がなく、他方向に関して実効的に格子緩和が生じる。
【００５１】
発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂでは、半導体領域１３の主面１３ａは例えばＧａＮまたはＡｌＧａＮからなるとき、傾斜の角度は１０度以上８０度以下であることができる。半導体領域１３の主面１３ａは例えばＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなるとき、傾斜の角度は１０度以上８０度以下であることができ、このＩｎＧａＮはＩｎＧａＮ層１５の組成と異なる。また、支持基体２５の主面２５ａの傾斜角は１０度以上８０度以下であることができる。発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂでは上記の角度の範囲でｃ面が主面１３ａから傾斜するので、ｃ面がすべり面となってミスフィット転位が発生してＩｎＧａＮ層１５に格子緩和が生じている。ミスフィット転位の密度は、例えば５×１０＋２ｃｍ−１以上であることができる。この値以下の密度では、格子緩和による歪みの変化は小さく、偏光度への影響はほとんど無いからである。ミスフィット転位の密度は、例えば１×１０＋６ｃｍ−１以下であることができる。この値以上の密度では、結晶品質の悪化の影響が大きく、発光強度の低下が生じるからである。ＧａＮに代えてＡｌＧａＮが用いられるとき、ＡｌＧａＮ格子定数はＧａＮの格子定数より小さいので、ＩｎＧａＮはＡｌＧａＮから大きな応力を受ける。
【００５２】
半導体領域１３の主面１３の傾斜角は６３度以上８０度以下であることができる。また、支持基体２５の主面２５ａの傾斜角は６３度以上８０度以下であることができる。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、ＩｎＧａＮ層のＩｎ偏析を低減でき、Ｉｎ偏析による応力分布を低減できる。
【００５３】
支持基体２５の貫通転位密度は、ｃ面において１×１０７ｃｍ−２以下であることができる。この支持基体２５によれば、低欠陥の半導体層が提供される。
【００５４】
再び図１を参照すると、半導体領域１３は支持基体２５の主面２５ａ上に搭載されており、半導体領域１３とＩｎＧａＮ層１５との界面Ｊ１にミスフィット転位が発生して、ＩｎＧａＮ層１５に格子緩和が生じている。この発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂによれば、ＧａＮからなる支持基体２５上に半導体領域１３及びＩｎＧａＮ層１５が設けられるので、半導体領域１３の結晶品質は良好である。故に、下地の結晶の欠陥等に起因して、ＩｎＧａＮ層１５における異方的な格子緩和が弱められることが防げる。
【００５５】
一実施例では、半導体領域１３及びＩｎＧａＮ層１５はｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７を構成する。活性層１７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７とｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９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２７及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９からそれぞれ電子及び正孔が、活性層１７に注入される。この注入に応答して、活性層１７は、偏光した光Ｌを生成する。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９は、例えば電子ブロック層３１及びコンタクト層３３を含むことができる。電子ブロック層３１は、ｐ型ＡｌＧａＮからなることができる、また、コンタクト層３３は、例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７は例えばｎ型ＧａＮからなる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７は、例えば支持基体２５の表面を覆うｎ型ＡｌＧａＮ層を含むことができる。
【００５６】
図１を参照すると、発光ダイオード１１ａは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７、活性層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９に電流を流すための一対の電極３５、３７を有する。本実施例では、電極３５は支持基体２５の裏面２５ｂに接触するように形成されており、例えばカソードである。電極３７はコンタクト層３３の表面に接触するように形成されており、例えばアノードである。
【００５７】
図２を参照すると、レーザダイオード１１ｂでは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７は、ｎ型バッファ層２６ａ及びｎ型クラッド層２６ｂを含むことができる。ｎ型バッファ層２６ａは、例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ等からなることができる。ｎ型クラッド層２６ｂは、例えばｎ型ＩｎＡｌＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ等からなることができる。光ガイド層１６ａは、ＩｎＧａＮ層１５及びＧａＮ層１４を含む。光ガイド層１６ｂは、ＩｎＧａＮ層２８ａ及びＧａＮ層２８ｂを含むことができ、必要な場合には電子ブロック層３１がＩｎＧａＮ層２８ａとＧａＮ層２８ｂとの間に位置する。活性層１７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７とｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９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２７及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９からそれぞれ電子及び正孔が、活性層１７に注入される。レーザダイオード１１ｂのＬＥＤモードでは、この注入に応答して、活性層１７は、偏光した光を生成する。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９は、例えばｐ型クラッド層３２及びコンタクト層３３を含むことができ、必要な場合には電子ブロック層３１を更に含むことができる。電子ブロック層３１は、ｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型クラッド層３２は、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ等からなることができる。また、コンタクト層３３は、例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７は例えばｎ型ＧａＮからなる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７は、例えば支持基体２５の表面を覆うｎ型ＡｌＧａＮ層を含むことができる。
【００５８】
レーザダイオード１１ｂは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７、活性層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９に電流を流すための電極３５、３７（アノード及びカソード）を有する。本実施例では、電極３５は支持基体２５の裏面２５ｂに接触するように形成されており、例えばカソードである。電極３７はコンタクト層３３の表面に接触するように形成されており、例えばアノードである。
【００５９】
レーザダイオード１１ｂにおける光導波路はｃ軸の傾斜方向に延在する。このレーザダイオード１１ｂによれば、低しきい値のレーザ発振を可能にする共振器を提供できる。光導波路は電極３７の延在方法又はリッジ構造の延在方向等によって規定される。光導波路の両端には、共振器ミラーが設けられている。このとき、共振器ミラー作製は以下のように行われる。ｃ軸の傾斜方向にレーザストライプが延在するように、ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製できる。基板裏側に押圧によりブレイクすることによって、レーザバーを作製する。なお、共振ミラーは、割断又は劈開というような方法でなくても、ドライエッチングによって、活性層を露出させることによっても形成することが可能である。
【００６０】
レーザダイオード１１ｂでは、半導体領域１３とＩｎＧａＮ層１５との界面にミスフィット転位が発生して、ＩｎＧａＮ層１５に格子緩和が生じている。ＩｎＧａＮ層１５の格子緩和により、活性層１７の歪みが変更される。
【００６１】
レーザダイオード１１ｂでは、該ミスフィット転位により、ＩｎＧａＮ層１５には異方的な格子緩和が生じており、基準軸Ｃｘの傾斜する方向に関して格子緩和が生じ、この傾斜方向と基準軸Ｃｘとに直交する向きに関して格子緩和がない。ＩｎＧａＮ層１５の異方的な格子緩和により、活性層１７は異方的な歪みを内包する。
【００６２】
再び図１及び図２を参照すると、偏光度を規定するための直交座標系ＳＰが示されている。直交座標系ＳＰは、互いに直交するＸ１軸、Ｘ２軸及びＸ３軸からなる。この直交座標系ＳＰにおいて、Ｘ２軸は該III族窒化物のｃ軸の傾斜方向を示している。Ｘ３軸の方向には、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域２７、活性層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域２９が配列されており、またこの方向に障壁層２３及び井戸層２１が配列されている。
【００６３】
また、既に説明されたように、発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂでは、活性層１７は異方的に緩和したＩｎＧａＮ層１５上に設けられている。これ故に、ＩｎＧａＮ層１５は、井戸層２１に加わる一方向の歪みとこの方向に直交する他方向の歪みの比を大きくするように働く。井戸層２１は、この異方的な歪みを障壁層２３を介して受ける。この異方的な歪みによって、光Ｌの偏光度を大きくできる。
【００６４】
この発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂによれば、図５（ｂ）に示されるように、井戸層２１への異方的な圧縮歪みは、偏光度Ｐを高めるために有効である。井戸層２１への歪み異方性が大きい量子井戸構造によって、オフ角により規定される偏光度よりも大きな偏光を有する光を生成する。
【００６５】
発光ダイオード１１ａでは、基準軸Ｃｘは、支持基体２５の窒化ガリウムの＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜していることができる。これによれば、＜１−１００＞方向に主要な格子緩和が生じる。或いは、基準軸Ｃｘは、支持基体２５の窒化ガリウムの＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜していることができる。これによれば、＜１１−２０＞方向に主要な格子緩和が生じる。上記のような傾斜では、例えば合成オフ角θが用いられ、合成オフ角θ＝（θＡ２＋θＭ２）１／２で与えられる。記号θＡは、ａ軸方向の傾斜角を示し、記号θＭはｍ軸方向の傾斜角を示す。
【００６６】
発光ダイオード１１ａ及びレーザダイオード１１ｂでは、ＩｎＧａＮ層１５のインジウム組成は０．０２以上であることが好ましい。小さすぎるインジウム組成では、異方的な格子緩和が生じにくい。ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．１０以下であることが好ましい。大きすぎるインジウム組成では、ＩｎＧａＮ層の結晶品質が悪化する。
【００６７】
図６〜図８を参照しながら、窒化ガリウム系発光ダイオード及びレーザダイオードといった窒化物系半導体光素子を作製する方法及び窒化物系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程と説明する。図６（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０１では、窒化物系半導体光素子及びエピタキシャルウエハを製造するための基板５１を準備する。基板５１は、例えば六方晶系半導体ＧａＮからなることができる。また、基板５１はＧａＮからなるので、良好な結晶品質のエピタキシャル成長が可能である。基板５１は主面５１ａ及び裏面５１ｂを有する。図６（ａ）を参照すると、基板５１の六方晶系半導体のｃ軸方向を示すベクトルＶＣ及び主面５１ａの法線ベクトルＶＮが記載されており、ベクトルＶＣは｛０００１｝面の向きを示している。この基板５１によれば、成長用の主面が傾斜角（オフ角）βを有する半極性を提供できる。基板５１の主面５１ａの傾斜方向が窒化ガリウム系半導体のａ軸及びｍ軸のいずれかの方向であることができる。基板５１の主面５１ａの傾斜角は、該六方晶系半導体の｛０００１｝面を基準にして、１０度以上８０度以下の範囲である。主面５１ａの傾斜角が１０度以下であるとき、｛０００１｝を滑り面とするミスフィット転位の導入が促進され易く、格子緩和が生じ易い。
【００６８】
基板５１のエッジ上に２点間の距離の最大値Ｄｉａは４５ｍｍ以上であることができる。最大値Ｄｉａは、例えば基板の直径である。このような基板５１は例えばウエハと呼ばれている。基板５１の裏面５１ｂは、基板５１と実質的に平行であることができる。
【００６９】
引き続く工程では、基板５１の主面５１ａ上に半導体結晶がエピタキシャルに成長される。基板５１の主面５１ａのオフ角は、所定の膜厚を超えるＩｎＧａＮ層とＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層との界面に異方性格子緩和を引き起こす程度のミスフィット転位を発生させるように選択される。上記の傾斜角の主面５１ａの基板５１は、活性層内の井戸層に内包される歪みの異方性が大きくなるように、エピタキシャル半導体領域を形成することを可能にする。
【００７０】
基板５１を成長炉１０に配置する。成膜に先立って、成長炉１０にガスを供給しながら基板５１に熱処理を行う。この熱処理によって、改質された主面が形成される。この熱処理は、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で行われることができる。熱処理温度は、例えば摂氏１０００度であることができる。熱処理時間は、例えば１０分程度である。この工程によれば、主面５１ａの傾斜によって、半極性の主面にはｃ面主面とは異なる表面構造が形成される。成膜に先立つ熱処理を基板５１の主面５１ａに施すことによって、ｃ面主面では得られない半導体主面に改質が生じる。窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル成長膜が、基板５１の改質された主面上に堆積される。この成長のために有機金属気相成長法が用いられる。成長用の原料ガスとしては、ガリウム源、インジウム源、アルミニウム源及び窒素源が使用される。ガリウム源、インジウム源及び窒素源は、それぞれ、例えばＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＮＨ３である。
【００７１】
図６（ｂ）に示されるように、熱処理の後に、工程Ｓ１０２では、成長炉１０に原料ガスＧ１を供給して、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域５３を基板５１の表面上にエピタキシャルに成長する。第１導電型窒化ガリウム系半導体領域５３は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。各窒化ガリウム系半導体層はＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる。本実施例では、この成長のために、原料ガスＧ１を成長炉１０に供給する。基板５１上にｎ型ＧａＮ層を摂氏９５０度で成長される。ｎ型ＧａＮ層は例えばｎ型キャリアを供給するための層であり、ｎ型ＧａＮ層の厚さは２０００ｎｍである。ｎ型ＧａＮ層の主面は半極性を示す。
【００７２】
必要な場合には、熱処理の後に、基板５１上にｎ型ＡｌＧａＮ層が成長される。ｎ型ＡｌＧａＮ層の成長に替えて、ＧａＮバッファ層を成長することができる。ｎ型ＡｌＧａＮ層は例えば基板５１の全表面を覆う中間層であり、例えば摂氏１１００度で成長される。ｎ型ＡｌＧａＮ層の例えば厚さは５０ｎｍである。このとき、窒化ガリウム系半導体領域５３は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層として、ｎ型ＡｌＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層を含むことができる。ｎ型ＡｌＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層は、基板５１の半極性主面上に順にエピタキシャルに成長される。窒化ガリウム系半導体領域５３の主面５３ａは、基板５１の主面５１ａのオフ角を反映したオフ角を有しており、また半極性を示す。窒化物系半導体光素子がレーザダイオードであるとき、バッファ層及び中間層の成長の後に、ｎ型クラッド層を成長する。また、ｎ型クラッド層としてＡｌＧａＮ層又はＩｎＡｌＧａＮ層を用いることができる。
【００７３】
次いで、図６（ｃ）に示されるように、成長炉１０に原料ガスＧ２を供給して、工程Ｓ１０３では、ｎ型ＧａＮ層５３の半極性主面の直上にｎ型ＩｎＧａＮ層５５を摂氏８４０度で成長される。ｎ型ＩｎＧａＮ層５５は、例えば異方性格子緩和を引き起こすためには格子緩和層であり、好ましくはこの格子緩和層の直上に活性層が成長される。このために、ｎ型ＩｎＧａＮ層５５の厚さは１５０ｎｍ以上である。また、ｎ型ＩｎＧａＮ層５５の厚さは、好ましくは１００ｎｍ以上である。ｎ型ＩｎＧａＮ層５５に成長中に十分な応力を与えるために、半導体領域５３の厚さはＩｎＧａＮ層の厚さより大きい。ＩｎＧａＮ層５５のインジウム組成は０．０２以上であることが好ましい。小さすぎるインジウム組成では、異方的な格子緩和が生じにくい。ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．１０以下であることが好ましい。大きすぎるインジウム組成では、ＩｎＧａＮ層５５の結晶品質が悪化して活性層の成長に好ましくない。ＩｎＧａＮ層５５と窒化ガリウム系半導体領域５３との界面Ｊ２に所定の密度以上でミスフィット転位を発生させるように、ＩｎＧａＮ層５５のインジウム組成及び厚さが選択される。ＩｎＧａＮ層５５のミスフィット転位は例えば５×１０＋２ｃｍ−１以上であることができ、この値以下の密度では、格子緩和による歪みの変化は小さく、偏光度への影響はほとんど無いからである。また、ＩｎＧａＮ層５５のミスフィット転位は例えば１×１０＋６ｃｍ−１以下であることができ、この値以上の密度では、結晶品質の悪化の影響が大きく、発光強度の低下が生じるからである。窒化ガリウム系半導体領域５３の主面５３ａは、該主面における［０００１］軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜しており、この傾斜は、ミスフィット転位のためのすべり面を生成可能にする。窒化物系半導体光素子がレーザダイオードであるとき、ＩｎＧａＮ層５５は光ガイド層として働く。また、光ガイド層としてＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層の組み合わせを用いることができる。この構造において、光ガイド層のＧａＮ層はＩｎＧａＮ層５５とクラッド層との間に位置しており、基板のＧａＮ又はクラッド層からの応力は光ガイド層のＧａＮ層を介してＩｎＧａＮ層５５に加わる。
【００７４】
次の工程では、図７に示されるように、窒化物系半導体発光ダイオード又はレーザダイオードの活性層を形成する。活性層は、例えば４４０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられる。
【００７５】
この方法によれば、半導体領域５３とＩｎＧａＮ層５５との間に大きな格子定数差がある。この半導体領域５３上に、１５０ｎｍ以上の厚さを有するＩｎＧａＮ層５５を成長するとき、ＩｎＧａＮ層５５と半導体領域５３との界面Ｊ２に、ミスフィット転位が生成される。該ミスフィット転位は、半導体領域５３の主面５３ａの傾斜方向に応じた異方的な格子緩和をＩｎＧａＮ層５５に生成される。ＩｎＧａＮ層５５上に活性層を成長するとき、活性層には異方性の大きな応力が加えられる。
【００７６】
また、ＩｎＧａＮ層５５の主面５５ａは、基準軸Ｃｘの傾斜方向に交差する方向に延びる筋状のモフォロジを有することができる。この表面モフォロジはミスフィット転位の滑り面と関連している。
【００７７】
工程Ｓ１０４では、図７（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０４では、成長炉１０に原料ガスＧ３を供給して、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層５７を形成する。成長炉１０に原料ガスＧ２を供給して、障壁層５７はＩｎＧａＮ層５３層上に成長温度ＴＢで成長される。成長温度ＴＢは、例えば摂氏７００度以上摂氏９００度以下である。この障壁層５７はＩｎＹＧａ１−ＹＮ（インジウム組成Ｙ：０≦Ｙ≦０．０２、Ｙは歪み組成）からなり、例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮである。本実施例では、ガリウム源及び窒素源を含む原料ガスＧ３を成長炉１０に供給してアンドープＧａＮを摂氏９００度で成長する。ＧａＮ障壁層の厚さは例えば１５ｎｍである。障壁層５７の厚さは、例えば４ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲である。障壁層５７は、主面５５ａ上に成長されるので、障壁層５７の表面も半極性を示す。
【００７８】
障壁層５７の成長終了後に、ガリウム原料の供給を停止して窒化ガリウム系半導体の堆積を停止させる。障壁層５７を成長した後に、井戸層を成長する前に成長温度ＴＢから成長温度ＴＷに成長炉の温度を変更する。この変更期間中に、例えばアンモニアといった窒素源ガスを成長炉１０に供給する。
【００７９】
工程Ｓ１０５では、図７（ｂ）に示されるように、成長炉１０の温度を井戸層成長温度ＴＷに保ちながら、障壁層５７上に量子井戸構造のための井戸層５９を成長する。井戸５７はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（インジウム組成Ｘ：０＜Ｘ＜１、Ｘは歪み組成）といった、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。井戸層５９は、障壁層５７のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有する。成長温度ＴＷは、例えば摂氏６５０度以上摂氏８５０度以下であり、井戸層５９の成長温度ＴＷは成長温度ＴＢより低い。本実施例では、ガリウム源、インジウム源及び窒素源を含む原料ガスＧ４を成長炉１０に供給してアンドープＩｎＧａＮを成長する。井戸層５９の膜厚は、１．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることができる。また、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層５９のインジウム組成Ｘは、０．１３より大きいことができる。井戸層５９のＩｎＸＧａ１−ＸＮは０．３より小さいことができる。この範囲のインジウム組成のＩｎＧａＮの成長が可能となり、波長４４０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の発光素子を得ることができる。井戸層５９の成長温度ＴＷは、例えば摂氏７００度である。ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは例えば３ｎｍである。井戸層５９の主面は、障壁層５７の主面上にエピタキシャルに成長されるので、井戸層５９の表面は、障壁層５７の表面と同様に半極性を示す。
【００８０】
工程Ｓ１０６で同様に繰り返し成長を行って、図７（ｃ）に示されるように量子井戸構造の活性層６１を成長する。活性層６１は例えば３つの井戸層５９と４つの障壁層５７を含む。この後に、必要な半導体層を成長して発光層を形成する。
【００８１】
次いで、活性層６１上に第２導電型窒化ガリウム系半導体領域をエピタキシャルに成長する。図８（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０７では、成長炉１０に原料ガスＧ５を供給して、活性層６１上に、電子ブロック層６３を成長する。本実施例では、電子ブロック層６３は例えばＡｌＧａＮからなることができる。このＡｌＧａＮの厚さは例えば２０ｎｍである。ｐ型ＡｌＧａＮ層の主面は半極性を示す。電子ブロック層６３の成長温度は、例えば摂氏１０００度である。窒化物系半導体光素子がレーザダイオードであるとき、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域に先立って、ＩｎＧａＮ層５５を含む光ガイド層を成長する。また、光ガイド層はＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層の組み合わせを含むことができる。この構造において、光ガイド層のＧａＮ層はＩｎＧａＮ層と活性層６１との間に位置している。光ガイド層の形成の後に、電子ブロック層を形成することができる。或いは、光ガイド層のＩｎＧａＮ層を成長した後に、光ガイド層のＧａＮ層の成長に先立って、電子ブロック層を成長することができる。
【００８２】
図８（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０８では、成長炉１０に原料ガスＧ６を供給して、電子ブロック層６３上に、ｐ型コンタクト層６５を成長する。本実施例では、ｐ型コンタクト層６５は例えばｐ型ＧａＮからなることができる。このＧａＮの厚さは例えば５０ｎｍである。ｐ型ＧａＮ層の主面は半極性を示す。ｐ型コンタクト層６５の成長温度は、例えば摂氏１０００度である。窒化物系半導体光素子がレーザダイオードであるとき、ｐ型コンタクト層６５の成長先立ってｐ型クラッド層を成長する。ｐ型クラッド層としては、例えばＡｌＧａＮ層ＩｎＡｌＧａＮ層を用いることができる。
【００８３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域６７の形成の後に、図８（ｃ）に示されるエピタキシャルウエハＥが完成する。エピタキシャルウエハＥにおいて、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域５３、ＩｎＧａＮ層５５、活性層６１、及びｐ型窒化ガリウム系半導体層６７は、基板５１の主面５１ｃの法線軸の方向に配列されている。基板５１の六方晶系半導体のｃ軸の方向は基板５１の主面５１ｃの法線軸の方向と異なる。エピタキシャル成長の成長方向はｃ軸方向である一方で、ｃ軸方向は、基板５１の主面５１ｃの法線軸である半導体層５３、５５、６１、６７の積層方向と異なる。
【００８４】
次の工程では、エピタキシャウエハＥ上に電極を形成する。第１の電極（例えば、アノード電極）がコンタクト層６５上に形成されると共に、第２の電極（例えば、カソード電極）が基板裏面５１ｂ上に形成される。
【００８５】
基板５１の主面５１ａの傾斜の方向に関しては、主面５１ａが基板５１の六方晶系半導体のａ軸方向に傾斜するとき、基板５１上に作製されたエピタキシャル基板は、ａ軸方向に格子緩和が生じ、ｍ軸方向に偏光した光を増加させることが可能であり、端面をａ軸およびｍ軸方向のダイシングで形成した四角形に切り出したＬＥＤチップの端面のｍ軸方向と偏光方向を一致させることができる。また、基板５１の主面５１ａが基板５１の六方晶系半導体のｍ軸方向に傾斜するとき、ｍ軸方向に格子緩和が生じ、ａ軸方向に偏光した光を増加させることが可能であり、端面をａ軸およびｍ軸方向のダイシングで形成した四角形に切り出したＬＥＤチップの端面のａ軸方向と偏光方向を一致させることができる。このようなＬＥＤ動作の測定からの知見は、レーザダイオードのＬＥＤモードにおける動作に適用される
【００８６】
このエピタキシャルウエハＥでは、半導体領域５３がＩｎＧａＮ層５５の格子定数より小さいＧａＮまたはＡｌＧａＮからなると共に、半導体領域５３の厚さがＩｎＧａＮ層５５の厚さより大きい。また、半導体領域５３がＩｎＧａＮ層５５の格子定数より小さいＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなると共に、半導体領域５３の厚さがＩｎＧａＮ層５５の厚さより大きい。ＩｎＧａＮ層５５の厚さが１５０ｎｍ以上であるとき、ＩｎＧａＮ層５５は歪みを内包すると共にこのＩｎＧａＮ層５５に異方的な格子緩和が生じる。故に、ＩｎＧａＮ層５５の主面５５ａ上の活性層６１における歪みの異方性が大きくなる。したがって、異方的な歪みを内包する活性層６１を有するエピタキシャルウエハＥが提供される。
【００８７】
（実施例１）
ＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板の主面は、ｃ面からａ軸方向へのオフ角１６．３度〜１６．７度の範囲で傾斜している。
【００８８】
有機金属化学気相成長法により、以下の手順でＬＥＤ構造を有するエピタキシャルウエハを作製した。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）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、シラン（ＳｉＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）を用いた。反応炉内のサセプタ上にＧａＮ基板を配置した後に、炉内圧力を１０１ｋＰａにコントロールしながら成長炉内にＮＨ３とＨ２を供給して、摂氏１０５０度の基板温度でＧａＮ基板の熱処理を行った。この熱処理の時間は例えば１０分間である。その後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ４を供給して、ＳｉドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎバッファ層を成長した。ｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎバッファ層の厚さは例えば５０ｎｍであった。ＴＭＡの供給を停止して、ＳｉドープＧａＮ層を成長した。このｎ型ＧａＮ層の厚さは２０００ｎｍであった。ＴＭＧ、ＳｉＨ４の供給を停止した後に、摂氏７８０度まで基板温度を下げた。ＴＭＧとＴＭＩを成長炉に供給して、Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層を１００ｎｍ、３００ｎｍ、１０００ｎｍの厚さで成長した。このＩｎＧａＮ層上に、ＧａＮ障壁層１４ｎｍ及びＩｎＧａＮ井戸層４ｎｍからなる３周期の多重量子井戸構造の活性層を成長した。その後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を停止し、摂氏１０００度まで基板温度を上昇させた後に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３及びＣｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層を成長した。この後に、ＴＭＡの供給を停止して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長した。
【００８９】
成長完了の後に、エピタキシャルウエハの温度を室温まで降温して、エピタキシャルウエハを反応炉から取り出した。エピタキシャルウエハの表面をノマルスキー微分干渉顕微鏡で観察した。図９は、倍率１０００倍にして比較的高倍率で観察したエピタキシャルウエハの表面の微分干渉顕微鏡像を示す。矢印ＡＯＦＦはｃ軸の傾斜方向を示す。
【００９０】
図９（ａ）を参照すると、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＮ層では、ＩｎＧａＮ層の表面は平坦であった。図９（ｂ）を参照すると、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＮ層では、ｃ軸からの傾斜方向に垂直な方向に直線状に伸びる筋状の形態が表面モフォロジに観察された。ミスフィット転位により成長モードが変化する。このモフォロジは、成長モードの変化がミスフィット転位に沿うように形成されていることを示している。図９（ｃ）を参照すると、厚さ１０００ｎｍのＩｎＧａＮ層では、ｃ軸からの傾斜方向に垂直な方向に直線状に伸びる筋状の形態が表面モフォロジに観察された。このモフォロジは、成長モードの変化がミスフィット転位に沿うように形成されていることを示している。
【００９１】
３種類の膜厚のエピタキシャルウエハを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、横０．２ｍｍ×縦２ｍｍとした。
【００９２】
Ｘ線回折の測定では、オフ方向に垂直な方向にＸ線を入射させた観測とオフ方向に平行な方向にＸ線を入射させた観測を行った。垂直入射及び平行入射の測定面は、それぞれ、（２０−２４）面及び（１１−２４）面である。図１０〜図１２は、Ｘ線回折の測定結果を示す図面である。
【００９３】
図１０を参照すると、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＮ層のＸ線回折像では、（２０−２４）面および（１１−２４）面の測定の両方において、ＧａＮ基板のピークとＩｎＧａＮ層のピークとが線分Ｌ０上に縦に並んでおり、この並びは、ＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ層がコヒーレントに成長していることを示している。
【００９４】
一方、図１１を参照すると、厚さ３００ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層における（２０−２４）面では、ＧａＮ基板のピークとＩｎＧａＮ層のピークが縦に並んでおり、この並びは、ＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ層がコヒーレントに成長していることを示している。しかしながら、厚さ３００ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層における（１１−２４）面では、ＧａＮ基板のピークとＩｎＧａＮバッファ層のピークが縦に並んでおらず、ＧａＮピークは線分Ｌ０上に位置し、ＩｎＧａＮピークは線分Ｌ１上に位置する。この並びは、ＩｎＧａＮ層が格子緩和していることを示している。
【００９５】
更に、図１２を参照すると、厚さ１０００ｎｍのＩｎＧａＮバッファ層では、(１１−２４)面のＩｎＧａＮ層のピークがＧａＮ基板のピークを通る２θ−ωスキャンのラインよりも左上に位置している。ＧａＮピークは線分Ｌ０上に位置し、ＩｎＧａＮピークは線分Ｌ１上に位置する。これは、オフ方向に引っ張り歪みが加わっていることを示しており、また、このエピタキシャルウエハではｃ軸方向へ弾性的に伸張するよりもオフ方向への伸張がエネルギに安定であることを示している。
【００９６】
これらの実験、更に追加の実験から、ＩｎＧａＮ層を１５０ｎｍ以上の厚さに成長することによって、格子緩和に異方性が生じることが理解される。異方性格子緩和は、下地の窒化ガリウム系半導体のｃ軸オフ方向にのみに促進される。
【００９７】
図１３は、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＮ層を含む発光ダイオード構造におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す。ＣＬ評価によって、格子緩和が生じている層に関する情報を得ることができる。
【００９８】
このＣＬ評価では、加速電圧に応じて電子線の侵入長が変化するので、活性層におけるＣＬ発光とＩｎＧａＮ層におけるＣＬ発光を分離して得ることができる。具体的には、特性線ＣＬ３、ＣＬ５、ＣＬ１０は、それぞれ、３ｋＶ、５ｋＶ及び１０ｋＶの加速電圧におけるＣＬ強度を示す。３ｋＶの加速電圧では、電子線侵入長は約３０ｎｍ〜６０ｎｍであり、５ｋＶの加速電圧では、電子線侵入長は約５０ｎｍ〜２００ｎｍであるので、この深さの活性層における発光を得ることができる。１０ｋＶの加速電圧では電子線侵入長は約３００ｎｍ〜６００ｎｍであるので、ＩｎＧａＮ層における発光を得ることができる。
【００９９】
図１４は、３ｋＶ、５ｋＶ及び１０ｋＶの加速電圧におけるＣＬ像を示す。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）を参照すると、３ｋＶ及び５ｋＶの加速電圧では、直線状の暗領域は観察されなかった。図１４（ｃ）を参照すると、１０ｋＶの加速電圧では、オフ方向に垂直に伸びる暗線が観察された。図１４に示されるように、ＩｎＧａＮ層に横方向に伸びる転位が存在することが理解される。故に、エピタキシャルウエハのＩｎＧａＮ層とＧａＮ層との界面でミスフィット転位が発生していると考えられる。加速電圧３ｋＶのＣＬ像に示されるように、直線状欠陥は活性層を貫いてはいない。これ故に、ＩｎＧａＮ層のミスフィット転位は発光強度を悪化させる主要因になっていない。
【０１００】
上記エピタキシャルウウエハにデバイスプロセスを施した。デバイスプロセスの工程は以下の手順で行った。ドライエッチング（例えばＲＩＥ）による深さ５００ｎｍのメサ形成、ｐ透明電極（Ｎｉ／Ａｕ）形成、ｐパッド電極（Ａｕ）形成、ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）形成、電極アニール（摂氏５５０度、１分）。各工程の間では、フォトリソグラフィおよび超音波洗浄等を行っている。
【０１０１】
半導体チップに分離することなくオンウエハの素子に通電を行い、電気的および光学的特性を評価した。４００μｍ×４００μｍのチップに対して１２０ｍＡ（電流密度７５Ａ／ｃｍ２）の電流を印加して、発光波長、光出力、動作電圧の特性を得た。１００ｎｍ、３００ｎｍ及び１０００ｎｍのＬＥＤチップにおいて、発光波長、光出力、動作電圧の特性は、ほぼ同等であった。
下地ＩｎＧａＮ
格子緩和層      ：１００ｎｍ、３００ｎｍ、１０００ｎｍ
発光波長（ｎｍ）：５００ｎｍ、５０２ｎｍ、５０３ｎｍ
光出力（ｍＷ）  ：１．１    、２．１    、２．０
動作電圧（Ｖ）  ：３．９    、３．８    、３．７
偏光度          ：０．３３  、０．４０  、０．５０。
【０１０２】
偏光度に関する測定結果では、図１５（ａ）に示されるように、１５０ｎｍ以上の厚さにおいて下地ＩｎＧａＮ格子緩和層の厚さの増加と共に、偏光度は単調に増加する。つまり、厚さ１６０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ１５０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。厚さ１７０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ１６０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。厚さ１８０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ１７０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。厚さ１９０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ１８０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ１９０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。厚さ２５０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。厚さ３５０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。厚さ４５０ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度は厚さ４００ｎｍのＩｎＧａＮ格子緩和層の偏光度より大きい。
【０１０３】
また、図１５（ｂ）は、発光強度に対する偏光子の回転角度の依存性である。回転角度に依存して発光強度の強弱が現れるので、光Ｌは偏光を有する。偏光度は式（１）で示される。
Ｐ＝（ＩＭＡＸ−ＩＭＩＮ）／（ＩＭＡＸ＋ＩＭＩＮ）                        （１）
ＩＭＡＸ：発光強度の最大値
ＩＭＩＮ：発光強度の最小値
によって規定される。
ＩｎＧａＮ格子緩和層を１５０ｎｍ以上に厚くすることによって、偏光度が０．３３から０．４に増加し、ＩｎＧａＮ格子緩和層を３００ｎｍ以上に厚くすることによって、偏光度が０．３３から０．５に増加する。これは、格子緩和によってオフ方向の格子定数が無歪み時の値に近づき、光学異方性が高まったことによって偏光度が増加した。なお、本実施例では、ＬＥＤ構造について説明するけれども、ＬＥＤ構造の実験から得られるＩｎＧａＮ層に関する知見は、レーザ（ＬＤ）構造における活性層とＩｎＧａＮ光ガイド層との関係にも適用される。
【０１０４】
（実施例２）
図１６は、実施例２において作製したレーザダイオード構造７０を示す図面である。以下の通り、図１６に示されるレーザダイオードのためのエピタキシャル基板ＥＰＬＤを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）を用いた。ＨＶＰＥ法で厚く成長した（０００１）ＧａＮインゴットからｍ軸方向に７５度の角度でＧａＮ基板のためのＧａＮ片を切り出した。切り出されたＧａＮ片の表面研磨をして、半極性｛２０−２１｝ＧａＮ基板７１を作製した。
【０１０５】
このＧａＮ基板７１を反応炉内のサセプタ上に配置した後に、以下の成長手順でエピタキシャル層を成長した。まず、厚さ１．１μｍのｎ型ＧａＮ層７２をＧａＮ基板７１上に成長した。次に、厚さ１．２μｍのｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７３をｎ型ＧａＮ層７２上に成長した。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７３上に、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮガイド層７４を成長した。ｎ型ＧａＮガイド層７４上に、アンドープＩｎＧａＮガイド層７５を成長した。異なる厚さのアンドープＩｎＧａＮガイド層７５を有するエピタキシャル基板を作製した。ガイド層７４、７５を成長した後に、ＩｎＧａＮガイド層７５の直上に活性層７６を成長した。この活性層７６は、ＧａＮ厚さ１０ｎｍ／ＩｎＧａＮ厚さ３ｎｍから構成される３周期ＭＱＷを含む。活性層７５上に、厚さ０．０６５μｍのｐ型ＩｎＧａＮガイド層７６、厚さ０．０２０μｍのｐ型ＡｌＧａＮブロック層７７及び厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮガイド層７８を順に成長した。ＧａＮガイド層７８上に、厚さ０．４μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７９を成長した。ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７９上に、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８０を成長した。これらの工程により、エピタキシャル基板ＥＰＬＤが得られた。
【０１０６】
シリコン酸化膜（例えばＳｉＯ２）の絶縁膜８１をコンタクト層８０上に成膜した後に、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを用いて幅１０μｍのストライプ窓を形成した。レーザストライプの延在方向は、ｃ軸の傾斜方向（オフ方向）に平行である。ストライプ窓を形成した後に、Ｎｉ／Ａｕから成るｐ側電極８２とＴｉ／Ａｌから成るパッド電極を蒸着した。次いで、ＧａＮ基板（ＧａＮウエハ）の裏面をダイヤモンドスラリーを用いて研磨し、裏面がミラー状態の基板生産物を作製した。ＧａＮ基板（ＧａＮウエハ）の裏面（研磨面）にはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから成るｎ側電極８３を蒸着により形成した。
【０１０７】
共振器ミラーの作製を以下のように行った。波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザを用いるレーザスクライバを用いた。スクライブ溝の形成条件として以下のものを用いた：レーザ光出力１００ｍＷ；走査速度は５ｍｍ／ｓ。形成されたスクライブ溝は、例えば、長さ３０μｍ、幅１０μｍ、深さ４０μｍの溝であった。８００μｍピッチで基板の絶縁膜開口箇所を通してエピ表面に直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を形成した。共振器長は６００μｍとした。電極を形成した基板生産物上に、ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製した。
【０１０８】
共振器ミラーの作製について説明する。レーザストライプはｃ軸の傾斜方向に延在するので、通常のａ面、ｃ面、ｍ面等の劈開により共振ミラーのための端面を得ることができない。しかしながら、上記のようなスクライブ溝の形成をした後に、基板裏面に押圧によりブレイクすることによって一対の割断面を作製できた。ブレイクによって作製されたバー状の半導体片の割断面は、共振ミラーに適用可能な程度に、平坦性を有すると共にレーザストライプの向きに対して垂直性を有していた。この平坦性及び垂直性は、活性層の端面付近における少なくとも一部分で達成されていた。引き続く説明では、ブレイクによって作製されたバー状の半導体片をレーザバーと呼ぶ。なお、共振ミラーは、割断又は劈開というような方法でなくても、ドライエッチングによって、活性層を露出させることによっても形成することが可能である。
【０１０９】
レーザバーの端面（割断面）に真空蒸着法によって誘電体多層膜をコーティングした。誘電体多層膜は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層して構成した。膜厚はそれぞれ、５０〜１００ｎｍの範囲で調整して、反射率の中心波長が５００〜５３０ｎｍの範囲になるように形成した。一方の端面における反射膜として１０周期分の多層膜を積層し、これによって本実施例における反射率は設計上約９５％である。他方の反射膜として６周期分の多層膜を積層し、これによって本実施例における反射率は設計上約約８０％であった。
【０１１０】
このような工程により作製されたレーザダイオードに通電を行った。通電による評価は室温で行われた。通電のためにパルス電源を用いて、デューティ比０．１％及びパルス幅５００ｎｓのパルスをレーザダイオードに印加した。印加のために、レーザダイオード表面の電極に針を接触させた。光出力測定の際には、レーザバー端面からの発光をフォトダイオードによって検出して、電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を調べた。発光波長を測定する際には、レーザバー端面からの発光を光ファイバに介して検出器（例えばスペクトルアナライザ）に導き、レーザダイオードからの発光のスペクトル測定を行った。偏光状態を調べる際には、レーザバーと検出器との間に偏光板を配置して、偏光板の回転により、レーザバーからの発光の偏光状態を調べた。ＬＥＤモード光を測定する際には、レーザバーの上面に対向して光ファイバの一端を配置することによって、レーザバーの端面でなくレーザバーの表面から放出される光を測定した。
【０１１１】
全てのレーザバーで発振後の偏光状態を測定したところ、レーザバーからのレーザ光はａ軸方向に偏光していることがわかった。発振波長は５００〜５３０ｎｍであった。
【０１１２】
全てのレーザでＬＥＤモード（自然放出光）の偏光状態を測定した。ａ軸の方向の偏光成分Ｉ１、及びｍ軸を主面に投影した方向の偏光成分Ｉ２とするとき、実施例２の偏光度ρは以下の式により規定される：
ρ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）。
求めた偏光度ρとしきい値電流密度の最小値の関係を調べた。図１７は、ＩｎＧａＮ層の厚さとしきい値及び偏光度との関係を示す図面である。
ＩｎＧａＮ厚み、  偏光度Ｐ、閾値Ｊｔｈ
50、               0.2、      15；
80、               0.22、    12；
115、              0.25、      7；
150、              0.28、      6.5；
200、              0.32、      6.2；
300、              0.33、      6.5；
500、              0.34、      6.5；
700、              0.35、      8；
1000、             0.34、      10。
図１７は、ＩｎＧａＮ層の膜厚が１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲において閾値電圧が低いことを示している。また、図１７は、偏光度の変化に関して、ＩｎＧａＮ層の厚さが１００ｎｍ以上であるとき、偏光度が増加していることを示す。このことから、ＩｎＧａＮ層を厚く成長して偏光度を増加させることで、閾値を低減させることができる。本実施例では、発光層からの発光における偏光度が０より大きく、このレーザダイオードによれば、非負値の偏光度を提供できる。
【０１１３】
基板に対して歪み緩和がどうのように生じているかを評価するために、｛２０−２４｝面の逆格子マッピング測定をおこなった。図１８は、ＩｎＧａＮ膜の厚さ８０ｎｍ及び２００ｎｍおける逆格子マッピングを示す図面である。図１８（ａ）及び図１８（ｂ）の逆格子マッピングにおいて、矢印ＡＶは、成長方向の格子定数の逆数の座標軸を示し、矢印ＡＨは、面内（半導体層の延在する平面）方向の格子定数の逆数の座標軸を示す。異なる組成の半導体層の逆格子マッピング像においては、これら半導体層の各々からの信号にそれぞれ対応してマッピング像の複数のピーク信号が現れる。これらのピーク信号の位置が、縦軸に平行な直線Ｌ１上に配列されるとき、これら半導体層のエピタキシャル膜は、基板に対してコヒーレントである（歪み緩和が生じていない）。逆に、ピーク信号の位置が縦軸に平行な直線Ｌ２上に配列されないとき、これら半導体層のエピタキシャル膜は基板に対してコヒーレントではない（歪み緩和が生じている）。図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、それぞれ、膜厚８０ｎｍ及び２００ｎｍのＩｎＧａＮ層の逆格子マッピングを示している。これらを比較すると、膜厚８０ｎｍのＩｎＧａＮ層はコヒーレントであるけれども、膜厚２００ｎｍのＩｎＧａＮ層はコヒーレントでないことがわかった。ＩｎＧａＮ層が厚い場合に、格子緩和が生じることがわかった。
【０１１４】
次に、格子緩和が半導体積層のどの界面で生じているかを調べるために、厚み１１５ｎｍのＩｎＧａＮ層を含む半導体積層を試料として、断面からの透過電子顕微鏡観察を行った。図１９は、この試料をａ面方向から観察した透過電子顕微鏡像を示す図面である。この断面ＴＥＭ像は、１００ｎｍ以上に厚いＩｎＧａＮ層においてはＩｎＧａＮガイド層／ｎ−ＧａＮガイド層界面にミスフィット転位（三カ所の矢印）ＤＭＦが発生していることを示す。ミスフィット転位の延在方向は、＜１１−２０＞であり、その線密度は、３μｍ−１であった。ＩｎＧａＮ層を１００ｎｍ以上に厚くすると、そのＩｎＧａＮ層の接する界面にミスフィット転位が導入されて歪み緩和が生じる。その結果、ＩｎＧａＮ層に格子変形が生じ、格子変形したＩｎＧａＮ層が偏光度を高くしている。
【０１１５】
また、格子緩和で発生した転位を別の方法で観察するために、ＩｎＧａＮ層が１１５ｎｍの試料において、表面側からカソードルミネッセンス（ＣＬ）法による評価を行った。ＣＬ法は、電子線で励起したキャリアの発光像を観察することが可能であり、透過電子顕微鏡像で得られた欠陥の発光への影響を調べることができる。また、加速電圧を増加させると、電子線の侵入深さが深くなるため、試料表面からの深さ情報のデータも得ることができる。図２０は、本実施例におけるエピタキシャル基板のカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルを示す図面である。図２０を参照すると、加速電圧１５キロボルトのＣＬ１５特性線及び加速電圧２０キロボルトのＣＬ２０特性線が示されている。
【０１１６】
図２０に示された加速電圧１５ｋＶのＣＬ測定と２０ｋＶのＣＬ測定における電子線侵入深さは、それぞれ約０．８μｍ、約１．４μｕｍと見積もられる。図２１は、加速電圧１５ｋＶおけるＣＬ像と２０ｋＶにおけるＣＬ像を示す。図２０を参照すると、加速電圧１５ｋＶの発光スペクトルのピーク波長が５３６ｎｍであるので、ＭＱＷ層のＣＬ発光の測定値を示す。図２１（ａ）は、加速電圧１５ｋＶのＣＬ像を示す。ＭＱＷ層の位置おけるＣＬ像は、均一は発光を示す。一方、図２０を参照すると、加速電圧２０ｋＶの発光スペクトルのピーク波長が３７０ｎｍであるので、ＩｎＧａＮ光ガイド層のＣＬ発光の測定値を示す。図２１（ｂ）は、加速電圧２０ｋＶのＣＬ像を示す。ＩｎＧａＮ光ガイド層の位置おけるＣＬ像には、＜１１−２０＞方向への暗線が観察された。このＣＬ像は、ＩｎＧａＮ光ガイド層内又は界面に欠陥が存在し、その欠陥が＜１１−２０＞方向に伝播する、すなわち、この＜１１−２０＞方向に直交する方向への格子緩和が生じたことを示している。このように、ＣＬ法によっても、格子緩和の有無を調べることが可能である。
【０１１７】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
ＧａＮ基板にコヒーレント成長したＩｎＧａＮ井戸層を用いて発光素子を作製するとき、コヒーレント成長したＩｎＧａＮでは、面内のＩｎＧａＮ格子定数がＧａＮの格子定数に等しく、ＩｎＧａＮは弾性的に歪んでいる。偏光度はＩｎＧａＮの歪みで規定される。このため、半極性基板を用いるときは、偏光度はオフ角によってほぼ決まる。したがって、低オフ角では偏光度を高くすることが難しい。偏光度は六方晶の対称性が低くなると大きくなるので、異方的な格子緩和を生じさせることができれば、偏光度を高めることができる。
【０１１９】
例えば、半極性ＧａＮ基板上に厚さ１５０ｎｍ以上のＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．０２≦Ｘ≦０．１０）層を成長すると、このＩｎＧａＮ層とＧａＮ領域との界面にミスフィット転位が生成される。ミスフィット転位の伝播方向は、ｃ軸の傾斜方向に垂直である。一方、このＩｎＧａＮ層の上に活性層を成長すると、活性層を構成する個々の層の膜厚は臨界膜厚以下であり、活性層は、下地ＩｎＧａＮ層にコヒーレントに成長する。故に、活性層において歪みの異方性が増すので、偏光度が大きくなる。また、活性層とＩｎＧａＮ層との間の格子不整合が低減されるので、エピタキシャル成長が容易になる。さらに、活性層と下地ＩｎＧａＮ層との間の格子不整合が低減されるので、ピエゾ電界を小さくできる。
【０１２０】
ｃ面ＧａＮ基板上の活性層と比較するとき、半極性面ＧａＮ基板上では、格子不整合に起因して格子緩和が生じ易いようであり、（０００１）面が転位の滑り面となっていると考えられる。格子欠陥が発生すると発光効率が低下すると考えられる。本実施の形態では、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ領域との界面にミスフィット転位が発生するけれども、ミスフィット転位のほとんどは活性層を貫かない。格子緩和のモデルは次のようなものである。エピタキシャル成長中に表面から転位のハーフループが滑り面に沿って形成され、滑った転位はＩｎＧａＮ層とＧａＮ領域との界面にミスフィット転位を形成するが、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が０．０２よりも大きければ、ミスフィット転位はＩｎＧａＮ層とＧａＮ領域との界面まで移動するので、活性層を貫かない。また、ハーフループの端部は、試料の端まで到達していると考えられるので、貫通転位は活性層を貫かない。
【０１２１】
ａ軸方向にオフ角１８度のオフＧａＮ基板を用いて、ｐ型ＧａＮ系半導体層／ＭＱＷ活性層／ＩｎＧａＮ緩和層／ｎ型ＧａＮ層というエピタキシャル構造のＬＥＤを作製した。Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎの組成では、５０ｎｍのＩｎＧａＮ層では格子緩和が生じなかった。３００ｎｍのＩｎＧａＮ層では格子緩和が生じた。格子緩和度は２５パーセントであった。１０００ｎｍのＩｎＧａＮ層では格子緩和が生じた。格子緩和度は１００パーセントを超えた。これは、オフ方向の格子定数が無歪みＩｎＧａＮよりも大きくなっており、ｃ軸に弾性的に伸びようとしたＩｎＧａＮがオフ方向にも伸張していると考えられる。それぞれ、偏光度を測定すると、緩和層の膜厚を増加するほど偏光度は、上記のように増加した。
【符号の説明】
【０１２２】
１１…窒化ガリウム系発光ダイオード（発光ダイオード）、１３…窒化ガリウム系半導体領域（半導体領域）、１３ａ…半導体領域主面、１５…ＩｎＧａＮ層、１５ａ…ＩｎＧａＮ層主面、１７…活性層、α…ｃ軸の傾斜角、Ｄ１３…半導体領域厚さ、ＤＩｎＧａＮ…ＩｎＧａＮ層の厚さ、２１…井戸層、２３…障壁層、２５…支持基体、２５ａ…支持基体主面、ＬＧａＮ…無歪みのＧａＮの単位格子、ＬＩｎＧａＮ…無歪みのＩｎＧａＮの単位格子、ＳＬ０ＩｎＧａＮ…ｃ面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子、ＳＬＡＩｎＧａＮ…ａ面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子、ＳＬＳＩｎＧａＮ…ａ軸方向に傾斜した六方晶系ＧａＮ半極性面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子、ＬＳＩｎＧａＮ…ａ軸方向に傾斜した六方晶系ＧａＮ半極性面上に成長された六方晶系ＩｎＧａＮの単位格子、ｄａ０、ｄｍ０…ＧａＮ格子定数、ｄａ１、ｄｍ１…ＩｎＧａＮ格子定数、２７…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、２９…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、３１…電子ブロック層、３３…コンタクト層、３５、３７…電極、７１…ＧａＮ基板、７２…ｎ型ＧａＮ層、７３…ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層、７４…ｎ型ＧａＮガイド層、７５…アンドープＩｎＧａＮガイド層、７６…活性層、７６…ｐ型ＩｎＧａＮガイド層、７７…ｐ型ＡｌＧａＮブロック層、７８…ｐ型ＧａＮガイド層、７９…ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層、８０…ｐ型ＧａＮコンタクト層、ＥＰＬＤ…エピタキシャル基板、
【図１】
2010114418.tif 000003
【図２】
2010114418.tif 000004
【図３】
2010114418.tif 000005
【図４】
2010114418.tif 000006
【図５】
2010114418.tif 000007
【図６】
2010114418.tif 000008
【図７】
2010114418.tif 000009
【図８】
2010114418.tif 000010
【図１３】
2010114418.tif 000011
【図１５】
2010114418.tif 000012
【図１６】
2010114418.tif 000013
【図１７】
2010114418.tif 000014
【図２０】
2010114418.tif 000015
【図９】
2010114418.tif 000016
【図１０】
2010114418.tif 000017
【図１１】
2010114418.tif 000018
【図１２】
2010114418.tif 000019
【図１４】
2010114418.tif 000020
【図１８】
2010114418.tif 000021
【図１９】
2010114418.tif 000022
【図２１】
2010114418.tif 000023