(57)【要約】【課題】低いピエゾ効果と共に良好な結晶品質を示すＩｎ含有窒化ガリウム系半導体層を含む窒化ガリウム系半導体光素子を提供する。【解決手段】窒化ガリウム系半導体光素子１１ａは、ＧａＮ支持体１３、ＧａＮ系半導体領域１５及び井戸層１９を備える。主面１３ａは、ＧａＮのｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する面からＧａＮのｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に傾斜する。傾斜の角度ＡＯＦＦは０．０５度以上１５度未満の範囲である。角度ＡＯＦＦは、ベクトルＶＭとベクトルＶＮとの成す角に等しい。主面の傾斜は、代表的なｍ面ＳＭ及びｍ軸ベクトルＶＭが示されている。ＧａＮ系半導体領域１５は、主面１３ａ上に設けられる。活性層１７の井戸層１９は、井戸層１９のｍ面及びａ面のいずれも主面１３ａの法線軸ＡＮに対して傾斜する。井戸層１９のインジウム組成は０．１より大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体光素子であって、
第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する基準面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に０．０５度以上１５度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有する支持体と、
前記主面上に設けられた第１導電型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられ、活性層のための半導体エピタキシャル層と
を備え、
前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、
前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は０．１より大きく、
前記第２の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記主面の法線の法線方向に延びる法線軸に対して傾斜する、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体光素子。 
【請求項２】
第３の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた障壁層を更に備え、
前記半導体エピタキシャル層は前記活性層のための井戸層であり、
前記井戸層の前記第２の窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層の前記第３の窒化ガリウム系半導体はＧａＮ又はＩｎＧａＮであり、
前記第３の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記法線軸に対して傾斜する、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光素子。 
【請求項３】
前記傾斜角は０．０８度以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。 
【請求項４】
前記傾斜角は０．１度以上１度以下未満の範囲にある、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。 
【請求項５】
前記活性層上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第１の電極と、
前記支持体の裏面上に設けられた第２の電極と
を備え、
前記支持体は導電性ＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項６】
前記活性層は、３７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている、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光素子。 
【請求項７】
前記活性層は、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。 
【請求項８】
当該窒化ガリウム系半導体光素子は半導体レーザであり、
前記支持体の前記主面に平行な軸に交差し、該半導体レーザの共振器のための端面を更に備え、
前記端面は、前記共振器の光導波の方向に直交する面に対して−１度以上＋１度以下の範囲の角度で傾斜している、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光素子。 
【請求項９】
当該窒化ガリウム系半導体光素子は、前記支持体の前記主面に平行な軸に交差する第１及び第２の劈開面を更に備え、
前記第１及び第２の端面は半導体レーザの共振器を構成する、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光素子。
【請求項１０】
前記基準軸は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に延びる、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１１】
前記基準軸は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に延びる、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１２】
窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法であって、
第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に０．０５度以上１５度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有するウエハを準備する工程と、
第１導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記主面上に成長する工程と、
活性層のための半導体エピタキシャル層を前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域上に成長する工程と
を備え、
前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、
前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は０．１より大きく、
前記第２の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記主面の法線方向に延びる法線軸に対して傾斜する、ことを特徴とする方法。 
【請求項１３】
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域上に前記活性層のための障壁層を成長する工程を更に備え、
前記障壁層は第３の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記半導体エピタキシャル層は前記活性層のための井戸層であり、
前記井戸層の前記第２の窒化ガリウム系半導体は、ＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層の前記第３の窒化ガリウム系半導体は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮであり、
前記活性層は、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている、ことを特徴とする請求項１２に記載された方法。 
【請求項１４】
前記傾斜角は０．０８度以上である、ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載された方法。 
【請求項１５】
前記傾斜角は、前記ウエハの前記主面に亘って分布している、ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載された方法。 
【請求項１６】
第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記活性層上に成長する工程と、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域上に第１の電極を形成すると共に前記ウエハの裏面上に第２の電極を形成して、基板生産物を作製する工程と、
前記基板生産物をへき開して、共振器のための劈開面を形成する工程と
を備え、
前記ウエハは導電性ＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１７】
窒化ガリウム系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハであって、
第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に０．０５度以上１５度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有するウエハと、
前記主面上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域と、
前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられ、活性層のための半導体エピタキシャル層と
を備え、
前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、
前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は０．１より大きく、
前記第２の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記主面の法線方向に延びる法線軸に対して傾斜し、
前記傾斜角は、前記ウエハの前記主面に亘って分布している、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項１８】
前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた障壁層を更に備え、
前記半導体エピタキシャル層は前記活性層のための井戸層であり、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層はＧａＮ又はＩｎＧａＮである、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。 
【請求項１９】
前記傾斜角は０．０８度以上である、ことを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項２０】
前記活性層は４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有するフォトルミネッセンススペクトルを有する、ことを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載されたエピタキシャルウエハ。 
【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光素子、窒化ガリウム系半導体光素子を製造する方法、及びエピタキシャルウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＮ系発光ダイオードが記載されている。このＧａＮ系発光ダイオードは、ｍ面ＧａＮ基板上に作製されており、またｎ型ＧａＮ層の表面モフォロジは、ｍ軸からｃ軸への方向にオフ角を増加させることによって改善される。非特許文献２には、ｍ面ｎ型ＧａＮ膜におけるヒルロックについて記載されている。
【０００３】
特許文献１には、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの非極性面（ｍ面又はａ面）を利用した半導体レーザ等について記載されている。特許文献２には、ＧａＮ系半導体に固有のピエゾ電界の影響を低減する発光素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３８１６１７６号公報
【特許文献２】米国特許番号６８４９４７２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H. Yamada et. al. CRYS-D-08-00657、ＵＣＳＢ
【非特許文献２】A. Hirai et al., Applied Physics Letter, Vol. 91, 191906, (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１によれば、ｍ面に対してｃ軸方向に３度から１０度程度の角度で傾斜されたＧａＮ上にＩｎＧａＮを成長するとき、ｎ型ＧａＮ層の表面モフォロジが改善される。ｍ面基板上に作製した発光素子からの発光は、大きく偏光している。適切な劈開面による共振器を得ることができれば、レーザダイオードを作製できる。しかしながら、ｃ軸方向への傾斜では、適切な劈開面が提供されない。基板の主面とｃ面とが垂直と異なる角度を成すので、ｃ面へき開端面が導波路方向と直交しない。
【０００７】
非特許文献２によれば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ（８ｎｍ／１８ｎｍ）、ＡｌＧａＮブロック層及びｐ型ＧａＮ層を含む発光ダイオード構造をｍ面ＧａＮ基板上に作製しており、またこの発光ダイオード構造の表面モフォロジを観察している。ａ軸方向及びｃ−軸方向へのミスカット角度と表面モフォロジとの関係に言及されている。しかしながら、窒化ガリウム系半導体のインジウムの取り込みには言及されていない。
【０００８】
特許文献１には、非極性面ＧａＮを利用した半導体レーザ、発光ダイオード及び面発光レーザが記載されている。特許文献２には、ピエゾ電界の影響の低減に言及されている。しかしながら、特許文献１及び２のいずれも、窒化ガリウム系半導体のインジウムの取り込みに言及していない。
【０００９】
窒化ガリウム系半導体のｍ面は非極性を示す。しかし、ＩｎＧａＮの成長に関しては、例えばｍ面ＧａＮは、ｃ面ＧａＮ上への成長に比べて低いＩｎ取り込み能力を示す。これ故に、あるＩｎ組成のＩｎＧａＮをｍ面ＧａＮ上に成長するとき、以下のような対応により、Ｉｎ取り込み能力の低下を補っている。例えば、ｍ面上へのＩｎＧａＮ成長の成長温度をｃ面上へのＩｎＧａＮ成長の成長温度に比べて低くする。また、ｍ面上へのＩｎＧａＮ成長の有機Ｉｎ原料ガスの気相比をｃ面上へのＩｎＧａＮ成長の気相比に比べて増大する。これらの対応のいずれも、ＩｎＧａＮの結晶品質を低下させる。
【００１０】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、低いピエゾ効果を示すと共に良好な結晶品質を示すＩｎ含有窒化ガリウム系半導体層を含む窒化ガリウム系半導体光素子を提供することを目的とし、またこの窒化ガリウム系半導体光素子を製造する方法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光素子のためのエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する基準面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に０．０５度以上１５度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有する支持体と、（ｂ）前記主面上に設けられ、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられ、活性層のための半導体エピタキシャル層とを備える。前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は０．１より大きく、前記第２の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記主面の法線方向に延びる法線軸に対して傾斜する。 
【００１２】
この窒化ガリウム系半導体光素子では、半導体エピタキシャル層の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含む。この半導体エピタキシャル層の成長では、ジャストｍ面及びジャストａ面のＩｎ取り込み能力は、ｃ面のＩｎ取り込み能力に比べて小さいけれども、０．０５度以上１５度未満の範囲の角度で傾斜する主面のＩｎ取り込み能力は、ジャストｍ面及びジャストａ面に比べて大きい。故に、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるので、支持体は、良好な結晶品質を示すＩｎ含有の半導体エピタキシャル層を提供できる。また、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるので、活性層のための半導体エピタキシャル層は、低いピエゾ効果を有する。
【００１３】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、第３の窒化ガリウム系半導体からなり前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた障壁層を更に備えることができる。前記半導体エピタキシャル層は前記活性層のための井戸層であり、前記井戸層の前記第２の窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層の前記第３の窒化ガリウム系半導体はＧａＮ又はＩｎＧａＮであり、前記第３の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記主面の法線の法線方向に延びる法線軸に対して傾斜する。
【００１４】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるので、支持体は、良好な結晶品質を示すＩｎＧａＮ井戸層を提供できる。また、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるので、活性層のためのＩｎＧａＮ井戸層は低いピエゾ効果を有する。
【００１５】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記傾斜角は０．０８度以上であることができる。
【００１６】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、０．０８度以上の傾斜角の主面は、ｃ面上への成長におけるＩｎ取り込み能力に比べて大きい。
【００１７】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記傾斜角は０．１度以上１度以下未満の範囲にあることができる。
【００１８】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、支持体の主面の傾斜角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．１度以上であるので、半導体エピタキシャル層は、構成元素としてインジウムを含有すると共に良好な結晶品質を示す。また、支持体の主面の傾斜角は１度以下であるので、活性層におけるピエゾ効果の影響が小さい。
【００１９】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、前記活性層上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体領域と、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第１の電極と、前記支持体の裏面上に設けられた第２の電極とを備えることができる。前記支持体は導電性ＧａＮからなる。
【００２０】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、導電性ＧａＮからなる支持体は、良好の結晶品質の半導体エピタキシャル層を提供することに加えて、支持体の裏面上の第２の電極への電流経路を提供する。また、第２の電極が支持体の裏面上に設けられるので、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域への電極を形成するために、支持体の主面上の半導体積層を加工することがない。
【００２１】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記活性層は、３７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている。この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、上記波長範囲に発光ピーク波長を有する発光素子が得られる。 
【００２２】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記活性層は、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている。この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、上記波長範囲に発光ピーク波長を有する発光素子が得られる。
【００２３】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は半導体レーザであることができる。該窒化ガリウム系半導体光素子は、前記支持体の前記主面に平行な軸に交差し半導体レーザの共振器のための端面を更に備えることができる。前記端面は、前記共振器の光導波の方向に直交する面に対して−１度以上＋１度以下の範囲の角度で傾斜している。
【００２４】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、半導体レーザの共振器のための端面の傾斜によりレーザ特性が低下することを避けることができる。 
【００２５】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は半導体レーザであることができる。当該窒化ガリウム系半導体光素子は前記支持体の前記主面に平行な軸に交差する第１及び第２の劈開面を更に備えることができる。前記第１及び第２の端面は該半導体レーザの共振器を構成する。
【００２６】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、ｃ面を劈開面として利用可能である。
【００２７】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記基準軸は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に延びることができる。或いは、本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記基準軸は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に延びることができる。
【００２８】
本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に０．０５度以上１５度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有するウエハを準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体領域を前記主面上に成長する工程と、（ｃ）活性層のための半導体エピタキシャル層を前記窒化ガリウム系半導体領域上に成長する工程とを備えることができる。前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は０．１より大きく、前記第２の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記主面の法線方向に延びる法線軸に対して傾斜する。 
【００２９】
この方法では、半導体エピタキシャル層の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含む。この半導体エピタキシャル層の成長では、ジャストｍ面及びジャストａ面のＩｎ取り込み能力は、ｃ面のＩｎ取り込み能力に比べて小さいけれども、０．０５度以上１５度未満の範囲の角度で傾斜する主面のＩｎ取り込み能力は、ジャストｍ面及びジャストａ面に比べて大きい。故に、支持体の主面のオフ角がジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるとき、この主面上に、良好な結晶品質を示すＩｎ含有の半導体エピタキシャル層を成長できる。また、支持体の主面のオフ角はジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるとき、この主面上に、低いピエゾ効果を有する活性層のための半導体エピタキシャル層を成長できる。
【００３０】
本発明に係る方法は、前記窒化ガリウム系半導体領域上に前記活性層のための障壁層を成長する工程を更に備えることができる。前記半導体エピタキシャル層は前記活性層のための井戸層であり、前記井戸層の前記第２の窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮであり、前記障壁層の前記第３の窒化ガリウム系半導体はＧａＮ又はＩｎＧａＮであり、前記活性層は、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている。
【００３１】
この方法によれば、ウエハの主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるので、ウエハ上に、良好な結晶品質を示すＩｎＧａＮ井戸層を成長できる。また、ウエハの主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるので、この主面上に、低いピエゾ効果を有する活性層のためのＩｎＧａＮ井戸層を成長できる。さらに、大きなインジウム組成のＩｎＧａＮ層を成長できるので、活性層は４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成できる。
【００３２】
本発明に係る方法では、前記傾斜角は０．０８度以上であることができる。この方法によれば、０．０８度以上のオフ角の主面上への成長におけるＩｎ取り込み能力は、ｃ面上への成長におけるＩｎ取り込み能力に比べて大きい。
【００３３】
本発明に係る方法では、前記傾斜角は、前記ウエハの前記主面に亘って分布している。この方法によれば、分布する傾斜角の下限が０．０５度以上であるとき、支持体上に、良好な結晶品質を示すＩｎＧａＮ井戸層を成長できる。分布する傾斜角の上限が１５度未満であるとき、低いピエゾ効果を有する活性層のためのＩｎＧａＮ井戸層をウエハの主面上に成長できる。
【００３４】
本発明に係る方法は、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記活性層上に成長する工程と、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体領域上に第１の電極を形成すると共に前記ウエハの裏面上に第２の電極を形成して、基板生産物を作製する工程と、前記基板生産物をへき開して、共振器のための劈開面を形成する工程とを備えることができる。前記ウエハは導電性ＧａＮからなる。
【００３５】
この方法によれば、導電性ＧａＮからなるウエハは、良好の結晶品質の半導体エピタキシャル層を提供することに加えて、ウエハの裏面上の第２の電極への電流経路を提供する。また、第２の電極をウエハの裏面上に設けることができるので、ウエハの主面上の半導体積層を加工する工程を用いすに、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域と第２の電極とを接続する電気経路を形成できる。さらに、主面の傾斜方向がａ軸またはｍ軸の方向であるので、ｃ面へき開が可能になる。
【００３６】
本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に０．０５度以上１５度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有するウエハと、（ｂ）前記主面上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられ、活性層のための半導体エピタキシャル層とを備える。前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は０．１より大きく、前記第２の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも前記主面の法線方向に延びる法線軸に対して傾斜し、前記傾斜角は、前記ウエハの前記主面に亘って分布している。
【００３７】
このエピタキシャルウエハによれば、半導体エピタキシャル層の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含む。この半導体エピタキシャル層の成長では、ジャストｍ面及びジャストａ面のＩｎ取り込み能力は、ｃ面のＩｎ取り込み能力に比べて小さいけれども、０．０５度以上１５度未満の範囲の角度で傾斜する主面のＩｎ取り込み能力は、ジャストｍ面及びジャストａ面に比べて大きい。故に、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるので、支持体は、良好な結晶品質を示すＩｎ含有の半導体エピタキシャル層を提供できる。また、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるので、活性層のための半導体エピタキシャル層は、低いピエゾ効果を有する。
【００３８】
本発明に係るエピタキシャルウエハは、前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた障壁層を更に備えることができる。前記半導体エピタキシャル層は前記活性層のための井戸層であり、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層はＧａＮ又はＩｎＧａＮである。
【００３９】
このエピタキシャルウエハによれば、ウエハの主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるので、ウエハは、良好な結晶品質を示すＩｎＧａＮ井戸層を提供できる。また、ウエハの主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるので、活性層のためのＩｎＧａＮ井戸層は低いピエゾ効果を有する。
【００４０】
本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記活性層は４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有するフォトルミネッセンススペクトルを有することができる。
【００４１】
このエピタキシャルウエハによれば、半導体エピタキシャル層は、大きなインジウム組成のＩｎＧａＮ層であるので、活性層は４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成できる。
【００４２】
本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記傾斜角は０．０８度以上であることができる。このエピタキシャルウエハによれば、０．０８度以上のオフ角の主面上への成長におけるＩｎ取り込み能力は、ｃ面上への成長におけるＩｎ取り込み能力に比べて大きい。
【００４３】
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】
【００４４】
以上説明したように、本発明に係る一側面によれば、低いピエゾ効果を示すと共に良好な結晶品質を示すＩｎ含有窒化ガリウム系半導体層を含む窒化ガリウム系半導体光素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化ガリウム系半導体光素子を製造する方法が提供される。さらに、本発明の更なる別の側面によれば、窒化ガリウム系半導体光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、図１及び図２に示される半導体発光素子の構造をエピタキシャルウエハをＧａＮウエハ上に作製する工程図を示す。
【図４】図４は、発光ダイオード及び半導体レーザのためのエピタキシャルウエハＥの構造を示す図面である。
【図５】図５は、実施例における発光ダイオードの構造を示す図面である。
【図６】図６は、ａ方向のオフ角と発光波長及び発光強度との関係を示す図面である。
【図７】図７は、エピタキシャルウエハＥＭＡ、ＥＭ０、ＥＭ１、ＥＣを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
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半導体光素子、エピタキシャルウエハ、並びに窒化ガリウム系半導体光素子及びエピタキシャルウエハを製造する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４７】
図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。窒化ガリウム系半導体光素子としては、例えば半導体レーザ、発光ダイオード等が示される。図１を参照すると、導波路構造を有する発光素子、例えば半導体レーザを示す。図１には、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する直交座標系Ｓ、ａ軸、ｍ軸及びｃ軸方位を示すための結晶座標系ＣＲが示されている。
【００４８】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ａは、支持体１３と、窒化ガリウム系半導体領域１５と、活性層１７のための一又は複数の半導体エピタキシャル層１９とを備える。支持体１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。支持体１３は第１の窒化ガリウム系半導体からなり、第１の窒化ガリウム系半導体は例えばＧａＮ等からなる。支持体１３の主面１３ａは、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸（図１では、ｍ軸）の方向に延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸（図１では、ａ軸）の方向に傾斜する。傾斜の角度ＡＯＦＦは０．０５度以上であることができる。また、角度ＡＯＦＦは１５度未満の範囲である。この角度ＡＯＦＦは、本実施例では、ベクトルＶＭとベクトルＶＮとの成す角に等しい。図１には、代表的なｍ面ＳＭ及びｍ軸ベクトルＶＭが示されており、主面１３ａへの法線ベクトルＶＮも示されている。第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１５は、主面１３ａ上に設けられる。活性層１７の半導体エピタキシャル層１９は、窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられている。半導体エピタキシャル層１９は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、第２の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも主面１３ａの法線方向に延びる法線軸ＡＮに対して傾斜する。法線軸ＡＮはベクトルＶＮによって規定される。この第２の窒化ガリウム系半導体は、構成元素としてインジウムを含む。半導体エピタキシャル層１９のインジウム組成は、０．１より大きい。
【００４９】
この窒化ガリウム系半導体光素子１１ａでは、半導体エピタキシャル層１９の窒化ガリウム系半導体は、構成元素としてインジウムを含む。半導体エピタキシャル層１９の成長では、０．０５度以上１５度未満の範囲の角度で傾斜する主面１３ａのＩｎ取り込み能力は、ジャストｍ面及びジャストａ面に比べて大きい。第１の窒化ガリウム系半導体のジャストｍ面及びジャストａ面上への半導体エピタキシャル層１９の成長におけるＩｎ取り込み能力は、ｃ面のＩｎ取り込み能力に比べて小さい。しかしながら、支持体１３の主面１３ａのオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるので、支持体１３は、良好な結晶品質を示すＩｎ含有の半導体エピタキシャル層１９を提供できる。また、支持体１３の主面１３ａのオフ角ＡＯＦＦは、ジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるので、活性層１７のための半導体エピタキシャル層１９は、低いピエゾ効果を有する。
【００５０】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ａでは基準軸は第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に延びる。しかしながら、この基準軸は第１の窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に延びることができる。
【００５１】
窒化ガリウム系半導体領域１５は第１導電型を有しており、また例えばクラッド層を含むことができる。窒化ガリウム系半導体領域１５は、例えばｎ型ＡｌＧａＮ等からなることができる。また、窒化ガリウム系半導体光素子１１ａは、活性層１９上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域２１を備える。窒化ガリウム系半導体領域２１は、第２導電型を有しており、また例えば電子ブロック層２３、ｐ型クラッド層２５、及びｐ型コンタクト層２７を含むことができる。電子ブロック層２３は、例えばＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型クラッド層２５は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型コンタクト層２７は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＧａＮ等からなることができる。
【００５２】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ａは、第１及び第２の光閉じ込め層２９、３１を含む。第１の光閉じ込め層２９は窒化ガリウム系半導体領域１５と活性層１７との間に設けられており、第２の光閉じ込め層３１は窒化ガリウム系半導体領域２１と活性層１７との間に設けられている。第１及び第２の光閉じ込め層２９、３１は、例えばアンドープＩｎＧａＮ等からなることができる。発光層３３は、第１及び第２の光閉じ込め層２９、３１及び活性層１７を含む。また、窒化ガリウム系半導体光素子１１ａは第１の電極３５ａ及び第２の電極３７ａを備えることができる。第１の電極３５ａは窒化ガリウム系半導体領域２１上に設けられ、第２の電極３７ａは支持体１３の裏面１３ｂ上に設けられる。支持体１３は導電性ＧａＮからなる。
【００５３】
この窒化ガリウム系半導体光素子１１ａによれば、導電性ＧａＮからなる支持体１３は、良好の結晶品質の半導体エピタキシャル層１９を提供することに加えて、支持体１３の裏面１３ｂ上の第２の電極３７ａへの電流経路を提供する。また、第２の電極３７ａを支持体１３の裏面１３ｂ上に設けることができるので、窒化ガリウム系半導体領域１５への電極を形成するために支持体１３の主面１３ａ上の半導体積層３９ａを加工することがない。半導体積層３９ａ上には、保護膜４１が設けられており、第１の電極３５ａは保護膜４１の開口を介してｐ型コンタクト層２７に接触しており、第２の電極３７ａは導電性の裏面１３ｂの全体に接触している。
【００５４】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ａは、端面４１ａ、４１ｂを更に備えることができる。端面４１ａ、４１ｂは、支持体１３の主面１３ａに平行な軸Ａｘに交差する。端面４１ａ、４１ｂは、第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸の方向（例えばＸ軸の方向）に交差する。第１及び第２の端面４１ａ、４１ｂは該半導体レーザの共振器を構成する。また、端面４１ａ、４１ｂはへき開面であることができる。これらの劈開面としてｃ面を利用可能である。端面４１ａ、４１ｂは、共振器の光導波の方向（Ｘ軸の方向）に直交する面に対して−１度以上＋１度以下の範囲の角度で傾斜している。この窒化ガリウム系半導体光素子１１ａによれば、レーザ特性が、半導体レーザの共振器のための端面の傾斜により低下することを避けることができる。窒化ガリウム系半導体光素子１１ａは、端面４１ａから光Ｌ１を出射する。
【００５５】
活性層１７は量子井戸構造を有することができる。窒化ガリウム系半導体光素子１１ａでは、半導体エピタキシャル層１９は活性層１７のための井戸層（以下、「井戸層１９」として参照する）であることができる。活性層１７は、障壁層２０をさらに更に備えることができる。活性層１７では、これらの井戸層１９及び障壁層２０は交互に配列されている。障壁層２０は、窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられ、また第３の窒化ガリウム系半導体からなる。第３の窒化ガリウム系半導体は、井戸層１９のための第２の窒化ガリウム系半導体と異なる。井戸層１９の第２の窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮからなり、障壁層２０の第３の窒化ガリウム系半導体はＧａＮ又はＩｎＧａＮである。第３の窒化ガリウム系半導体のｍ面及びａ面のいずれも主面１３ａの法線方向に延びる法線軸に対して傾斜する。
【００５６】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ａでは、井戸層１９及び障壁層２０は、３７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている。活性層１７は、上記波長範囲内のピーク波長の光を発生する井戸層を有する。 
【００５７】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ａでは、井戸層１９及び障壁層２０は、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている。活性層１７は、上記波長範囲内のピーク波長の光を発生する井戸層を有する。
【００５８】
図２は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。図２を参照すると、光Ｌ２を提供する面発光構造を有する発光素子、例えば発光ダイオードを示す。図２には、直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが示されている。直交座標系Ｓは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する。結晶座標系ＣＲはａ軸、ｍ軸及びｃ軸の方位を示す。
【００５９】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ｂは、支持体１３と、窒化ガリウム系半導体領域１５と、活性層１７のための一又は複数の半導体エピタキシャル層１９とを備える。窒化ガリウム系半導体領域１５は、例えばｎ型半導体領域４５及びｎ型緩衝層４７を含むことができる。ｎ型半導体領域４５は、例えばｎ型ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。ｎ型緩衝層４７、例えばｎ型ＩｎＧａＮ等からなることができる。また、窒化ガリウム系半導体光素子１１ｂは、活性層１９上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域２１を備える。窒化ガリウム系半導体領域２１は、第２導電型を有しており、また例えば電子ブロック層２３、及びｐ型コンタクト層２７を含むことができる。電子ブロック層２３は、例えばＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型コンタクト層２７は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＧａＮ等からなることができる。
【００６０】
窒化ガリウム系半導体光素子１１ｂは第１の電極３５ｂ及び第２の電極３７ｂを備えることができる。第１の電極３５ｂは窒化ガリウム系半導体領域２１上に設けられ、第２の電極３７ｂは支持体１３の裏面１３ｂ上に設けられる。支持体１３は導電性ＧａＮからなる。
【００６１】
この窒化ガリウム系半導体光素子１１ｂによれば、導電性ＧａＮからなる支持体１３は、良好の結晶品質の半導体エピタキシャル層１９を提供することに加えて、支持体１３の裏面１３ｂ上の第２の電極３７ｂへの電流経路を提供する。また、第２の電極３７ｂを支持体１３の裏面１３ｂ上に設けることができるので、窒化ガリウム系半導体領域１５への電極を形成するために、支持体１３の主面１３上の半導体積層３９ｂを加工することがない。第１の電極３５ｂはｐ型コンタクト層２７の表面に接触しており、また透明電極であることができる。第２の電極３７ｂは導電性の裏面１３ｂの全体に接触している。
【００６２】
図３に示される工程フローに従って、図１及び図２に示される半導体発光素子の構造をＧａＮウエハ上に作製する。エピタキシャル成長は、有機金属気相成長法により行われ、エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。以下の工程を行って、図４に示されたエピタキシャルウエハを作製する。
【００６３】
工程Ｓ１０１では、ＧａＮウエハ５１を準備する。ＧａＮウエハ５１の主面５１ａは、ＧａＮのｍ軸及びａ軸のうちの一方の結晶軸の方向に延びる基準軸に直交する基準面からＧａＮのｍ軸及びａ軸のうちの他方の結晶軸の方向に０．０５度以上１５度未満の範囲の傾斜角で傾斜する。この主面５１ａは鏡面研磨されている。
【００６４】
ＧａＮウエハ５１上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。まず、工程Ｓ１０２ではＧａＮウエハ５１を成長炉１０内に設置する。工程Ｓ１０３では、ＧａＮウエハの熱処理を行う。熱処理は、摂氏１０５０度の温度及び２７ｋＰａの成長炉内圧力において、ＮＨ３とＨ２を流しながら行われる。
【００６５】
この熱処理の後に、工程Ｓ１０４では、ＧａＮ系半導体領域５３が成長される。例えば、摂氏１０００度において、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ＳｉドープＧａＮ層を成長した。ＧａＮ層の厚さは例えば２マイクロメートルである。次いで、摂氏８５０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ＳｉドープＩｎＧａＮ層を成長した。ＩｎＧａＮ層の厚さは１００ｎｍである。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は例えば０．０２である。
【００６６】
工程Ｓ１０５では、発光層または活性層５５を成長する。工程Ｓ１０６では、摂氏８７０度のウエハ温度でＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給して、この成長温度でアンドープＧａＮ障壁層７３を成長した。このＧａＮ層の厚さは１５ｎｍである。ＧａＮ層の成長後に成長を中断して、摂氏８７０度から摂氏７６０度にウエハ温度を変更する。変更後に、工程Ｓ１０７では、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、摂氏７６０度の成長温度でアンドープＩｎＧａＮ井戸層７１を成長した。ＩｎＧａＮ井戸層７１の厚さは３ｎｍである。このＩｎＸＧａ１−ＸＮのＩｎ組成Ｘは例えば０．２５である。ＩｎＧａＮ井戸層７１においては、発光波長に応じてＩｎ流量を変更している。ＩｎＧａＮ井戸層７１の成長後に、ＴＭＩの供給を停止した。次いで、ＮＨ３を成長炉１０に供給しながら、摂氏７６０度から摂氏８７０度にウエハ温度を変更した。変更後に、工程Ｓ１０８で、アンドープＧａＮ障壁層７３を成長した。ＧａＮ障壁層７３の厚さは１５ｎｍである。工程Ｓ１０９では、井戸層の成長、温度変更、障壁層の成長を繰り返して、ＩｎＧａN井戸層７１及びＧａＮ障壁層７３を形成した。
【００６７】
多重量子井戸構造の活性層５５では、３７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように井戸層７１及び障壁層７３の配列が形成される。上記波長範囲において発光ピーク波長を調整するために、井戸層７１のインジウム組成及び井戸層７１の厚さが規定される。また、多重量子井戸構造の活性層５５では、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように井戸層７１及び障壁層７３の配列が形成される。上記波長範囲において発光ピーク波長を調整するために、井戸層７１のインジウム組成及び井戸層７１の厚さが規定される。
【００６８】
必要な場合には、発光層の形成では、最初の障壁層７３の成長に先立って、或いは該障壁層７３の成長に代えて、第１の光閉じ込め層を成長することができる。第１の光閉じ込め層は、例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮからなることができる。また、最後の障壁層７３の成長の後に、或いは該障壁層７３の成長に代えて、第２の光閉じ込め層を成長することができる。第２の光閉じ込め層は、例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮからなることができる。
【００６９】
工程Ｓ１１０では、発光層上にｐ型ＧａＮ系半導体領域が成長される。例えば、ＧａＮ障壁層７３の成長後に、ＴＭＧの供給を停止して、ウエハ温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ電子ブロック層５７を成長した。この電子ブロック層５７は例えば２０ｎｍであった。この後に、ＴＭＡの供給を停止して、ｐ型ＧａＮコンタクト層５９を成長した。ｐ型ＧａＮコンタクト層５９は例えば５０ｎｍであった。成膜後に、成長炉１０の温度を室温まで降温して、エピタキシャルウエハＥを作製した。
【００７０】
図４（ａ）は、発光ダイオードのためのエピタキシャルウエハＥの構造を示す図面である。エピタキシャルウエハＥは、ＧａＮウエハ５１の主面５１ａ上に順に成長されたＧａＮ系半導体領域５３、活性層５５、電子ブロック層５７及びコンタクト層５９を含む。また、図４（ｂ）は、半導体レーザのためのエピタキシャルウエハＥの構造を示す図面である。エピタキシャルウエハは、ＧａＮウエハ５１の主面５１ａ上に順に成長された第１導電型クラッド層６１、発光層６３、電子ブロック層６５、第２導電型クラッド層６７及び第２導電型コンタクト層６９を含む。活性層５５は、主面５１ａの法線方向に交互に配列された井戸層７１及び障壁層７３を含む。発光層６３は、光閉じ込め層７５、活性層５５及び光閉じ込め層７７を含む。
【００７１】
再び図３を参照する。工程Ｓ１１１では、エピタキシャルウエハＥ上に電極を形成する。まず、エッチング（例えば、ＲＩＥ）により、メサ形状を形成する。メサ形状のサイズは例えば一辺５００μｍ角である。次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にｐ透明電極（Ｎｉ／Ａｕ）を形成する。この後に、ｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成する。ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）をＧａＮウエハの裏面に形成する。この後に、電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）を行う。これの工程により、半導体発光素子の基板生産物が得られた。
【００７２】
必要な場合には、工程Ｓ１１２では、基板生産物のへき開を行って、半導体発光素子を作製した。半導体発光素子は、互いに対向するへき開面を有している。へき開面は、半導体レーザの共振器を構成する。
【００７３】
（実施例１）：発光ダイオード
実施例１では、図４に示される発光ダイオードを作製した。六方晶系ＧａＮのｍ軸方向からａ軸方向に規定された角度θＡでｍ面に対して傾斜された主面を有するいくつかの窒化ガリウムウエハを準備した。傾斜角θは、０度以上０．１２度以下の範囲にあった。また、ｃ方向のオフ角θＣは、いずれの基板も０．６度であった。これらのウエハ上に、有機金属気相成長法により発光ダイオード構造を作製した。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）、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。
【００７４】
反応炉内のサセプタにＧａＮウエハのすべてを配置し、摂氏１０５０度の温度及び２７ｋＰａの炉内圧力で、ＮＨ３とＨ２を流しながらＧａＮウエハの熱処理を行った。熱処理時間は例えば１０分間であった。その後に、ウエハ温度を摂氏１１００度に変更した後に、厚さ２μｍのＳｉドープＧａＮ層を成長した。次いで、ウエハ温度を摂氏８５０度に変更した後に、ＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、厚さ１００ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層を成長した。
【００７５】
その後、ウエハ温度を摂氏８７０度に変更して、ＴＭＧ及びＮＨ３を供給して、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層を成長した。成長中断して、ウエハ温度を摂氏７６０度に下げた後に、ＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩを成長炉に供給して、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を成長した。ＴＭＩの供給を停止してＩｎＧａＮ井戸層の成長を終了する共に、ＴＭＧの流量を減らしてＧａＮを低成長速度で成長しながら摂氏８７０度にウエハ温度を上昇させた。温度変更の完了後にＴＭＧの流量を増加して、ＧａＮ障壁層を成長した。これらのＧａＮ層の合計は１５ｎｍである。さらに、厚さ３ｎｍの井戸層と厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層とを繰り返してさらに２周期成長して、３つの井戸層を含む多重量子井戸構造を作製した。
【００７６】
その後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を停止し、ウエハ温度を摂氏１０００度に上昇して、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを導入して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層を成長した。この後、ＴＭＡの供給を停止して、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から取り出した。
【００７７】
続いて、このエピタキシャルウエハに電極Ａ１、Ｃ１を形成した。引き続く工程では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）による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）を順に行った。
【００７８】
図６は、ａ方向のオフ角と発光強度との関係を示す図面である。図６は、ａ方向オフ角に応じて発光波長が大きく異なることを示している。これは、ａ方向オフ角の大きさに依存して、ＩｎＧａＮ成膜の際のＩｎ取り込み能力が異なることを示している。ａ方向オフ角が大きくなるにつれてＩｎ取り込み能力が大きくなる。この増加は、長波長の発光波長を有する発光素子を作製するために有利である。ＧａＮウエハの主面がａ方向に０．０５度以上のオフ角を有するとき、この範囲のオフ角のＩｎ取り込み能力が、オフ角０．０５度未満のＧａＮ主面におけるＩｎＧａＮ成長と比べて良くなる。さらに、同じ成膜条件でｃ面ＧａＮウエハ上に同様なＬＥＤ構造を作製するとき、発光波長は４７６ｎｍであった。ＧａＮウエハの主面がａ方向に０．０８度以上のオフ角を有するとき、この範囲のオフ角のＩｎ取り込み能力がｃ面上におけるＩｎＧａＮ成長と比べて優れている。
【００７９】
一方、発光強度は、発光波長の大きな変化に比べてほぼ一定である。発明者らの知見によれば、長波長の発光波長を得るために成長条件の変更を行うとき、発光強度が大きく減少する。この実験により、ａ方向オフをつけると、ＩｎＧａＮの膜質をほとんど落とさずに、長波長化が可能となることがわかった。すなわち、ａ方向に０．１度程度のオフ角をつけたＧａＮウエハを用いるとき、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮを高品質に成膜することができる。発明者らの実験によれば、１５度の大きさのオフ角においても、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮを高品質に成膜することが明らかになった。
【００８０】
また、傾斜角は０．１度以上１度以下未満の範囲にあることができる。ＧａＮウエハの主面のオフ角がジャストｍ面及びジャストａ面から０．１度以上であるとき、半導体エピタキシャル層は構成元素としてインジウムを含有すると共に良好な結晶品質を示す。また、オフ角が１度以下であるとき、ピエゾ効果が非常に小さい。
【００８１】
実施例１では、発光ダイオード構造を作製したけれども、ＧａＮウエハ主面をａ方向に傾斜させるとき、ＧａＮウエハのｃ面は常にウエハ主面に対して垂直である。故に、ＧａＮウエハのｃ面をへき開面として用いることができるので、本実施例におけるオフ角の方向は、半導体レーザの作製に有効である。
【００８２】
（実施例２）：発光ダイオード
４種類のＧａＮウエハＭａ、Ｍ０、Ｍ１、Ｃを準備した。ＧａＮウエハＭａでは、六方晶系ＧａＮにおけるｍ面がｍ軸方向からａ軸方向に０．１度のオフ角で傾いており、ＧａＮウエハＭａの主面はｍ面に対して０．１度のオフ角で傾いている。ＧａＮウエハＭ０、Ｍ１はｍ面ジャストの主面を有する。ＧａＮウエハＣはｃ面ジャストの主面を有する。これらのＧａＮウエハの主面上に、有機金属気相成長法により発光ダイオード構造を作製した。原料は、実施例１と同じである。
【００８３】
反応炉のサセプタ上にＧａＮウエハＭａ、Ｍ０、Ｃを配置した後に、摂氏１０５０度の温度で、２７ｋＰａの炉内圧力でＮＨ３とＨ２を流しながら、１０分間の熱処理を行った。その後に、摂氏１１００度の温度で、厚さ２０００ｎｍのＳｉドープＧａＮ層を成長した。続けて、ウエハ温度を摂氏８５０度に下げて、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、厚さ１００ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層を成長した。
【００８４】
次いで、ＧａＮウエハＭａ、Ｍ０、Ｃのウエハ温度を摂氏８７０度に上げて、ＮＨ３とＴＭＧを成長炉に供給して、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層を成長した。ＴＭＧの供給を停止してウエハ温度を摂氏７５０度に下げた後に、ＮＨ３とＴＭＧを成長炉に供給して、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を成長した。ＩｎＧａＮ井戸層の成長完了後に、ＴＭＩの供給を停止すると共にＴＭＧの流量を減少させて、低成長速度でＧａＮ障壁層を成長しながらウエハ温度を摂氏８７０度に上昇させる。摂氏８７０度のウエハ温度でＴＭＧの流量を増加して、引き続き、ＧａＮ障壁層を成長した。ＧａＮ障壁層の厚さは、計１５ｎｍであった。引き続き、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層との成長を２回繰り返して、３周期の多重量子井戸構造を作製した。
【００８５】
続けて、ＴＭＧとＴＭＩの供給を停止すると共にウエハ温度を摂氏１１００度に上昇した後に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを成長炉に供給して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層を成長した。ＴＭＡの供給を停止して厚さ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から取り出した。
【００８６】
ＧａＮウエハＭ１に関しては、活性層の成長条件の他は、上記の成膜条件が使用された。ＧａＮウエハＭ１の活性層の成長条件としては、ＩｎＧａＮ緩衝層の成長温度は摂氏８２０度であり、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は摂氏７２０度であった。ＧａＮウエハＭ１の活性層の成長条件では、発光波長を長くするために、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度を下げた。
【００８７】
図７は、エピタキシャルウエハＥＭＡ、ＥＭ０、ＥＭ１、ＥＣを示す図面である。これらのエピタキシャルウエハＥＭＡ、ＥＭ０、ＥＭ１、ＥＣに電極の形成を行って、発光ダイオードＤＭＡ、ＤＭ０、ＤＭ１、ＤＣを作製した。電極の形成のために以下の工程が行われた：ＲＩＥによる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）。
【００８８】
発光ダイオードＤＭＡ、ＤＭ０、ＤＭ１、ＤＣに電流を印加して発光の測定を行った。チップサイズは４００μｍ角であり、印加電流は１２０ｍＡであった。測定結果を以下に示す。
デバイス、発光波長、光出力
ＤＭＡ：  ５２３ｎｍ、１９ｍＷ
ＤＭ０：  ４５６ｎｍ、２１ｍＷ
ＤＭ１：  ５１５ｎｍ、  ９ｍＷ
ＤＣ  ：  ５１２ｎｍ、１４ｍＷ
【００８９】
発光ダイオードＤＭＡの発光波長は、ジャストｍ面ウエハ上の発光ダイオードＤＭ０よりも長い波長であるけれども、発光ダイオードＤＭＡ及びＤＭ０の光出力は、ほぼ同程度であった。一方、同じジャストｍ面ウエハ上の発光ダイオードＤＭ１は、成長温度を下げることによって長い波長を得ているので、発光ダイオードＤＭ１の光出力は、発光ダイオードＤＭＡ、ＤＭ０の光出力に比べて半分以下の値であった。この低下は成長温度を下げたことによるＩｎＧａＮ膜質の劣化によると考えられる。
【００９０】
発光ダイオードＤＭＡの発光波長は、発光ダイオードＤＣよりも長波長であるけれども、発光ダイオードＤＭＡの光出力は、他の発光ダイオードよりも高い。この理由は以下のものである：ｍ面にａ方向へ傾斜させたことによって、高いＩｎ取り込み能力が得られた；ＩｎＧａＮ井戸層の膜質が改善されると共にＩｎＧａＮのピエゾ電界が小さいことによって、内部量子効率が改善された。
【００９１】
（実施例３）：半導体レーザ
ＧａＮウエハを準備した。このＧａＮウエハでは、六方晶系ＧａＮにおけるｍ面がｍ軸方向からａ軸方向に０．１度のオフ角で傾いており、ＧａＮウエハの主面はｍ面に対して０．１度のオフ角で傾いている。
【００９２】
ＧａＮウエハの表面に熱処理を施した後に、摂氏１１５０度のウエハ温度でｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を成長した。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上に、摂氏８４０度のウエハ温度で、下側光閉じ込め層、活性層及び上側光閉じ込め層を成長した。摂氏１０００度のウエハ温度で、上側光閉じ込め層上にｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を成長すると共に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層上にｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。ｐ型ＧａＮコンタクト層上に、シリコン酸化膜といった絶縁膜を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを用いて１０μｍ幅のストライプ窓を絶縁膜に形成した。ストライプ窓及び絶縁膜上にアノード電極（Ｎｉ／Ａｕ）を形成し、さらにパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を蒸着により成長した。ＧａＮウエハの裏面にはカソード電極（Ｔｉ／Ａｌ）を形成し、さらにパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を蒸着により成長した。これらにより基板生産物が作製された。
【００９３】
８００μｍの間隔でｃ面において、基板生産物のへき開を行って、ゲインガイド型レーザを作製した。へき開端面の一方には反射率８０％の高反射膜を形成すると共に、へき開端面の他方には反射率９５％の高反射膜を形成した。
【００９４】
ゲインガイド型レーザは、波長４８０ｎｍ及びしきい値電流１．５ｋＡｃｍ−２で発振した。ゲインガイド型レーザの特性は良好であった。この理由は以下のものである：ｍ面にａ方向オフをつけたことによって高いＩｎ取り込み能力が得られた；ＩｎＧａＮ井戸層の膜質が改善されると共にＩｎＧａＮ井戸層のピエゾ電界が非常に小さいことによって、内部量子効率が改善された。自然放出光が直線偏光性を有し、その方向がレーザーのＴＥモードと一致するため、光増幅効率が高い。
【００９５】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から０．０５度以上であるので、支持体は、良好な結晶品質を示すＩｎＧａＮ井戸層を提供できる。また、支持体の主面のオフ角は、ジャストｍ面及びジャストａ面から１５度未満であるので、活性層のためのＩｎＧａＮ井戸層は低いピエゾ効果を有する。
【００９６】
本実施の形態では、例えばｍ面のａ軸方向へのオフによるＩｎ取り込み特性の改善を説明したけれども、発明者らの実験によれば、ａ面のｍ軸方向への傾斜によってもＩｎ取り込み特性の改善が得られる。
【００９７】
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。
【符号の説明】
【００９８】
１１ａ、１１ｂ…窒化ガリウム系半導体光素子、１３…支持体、１５…窒化ガリウム系半導体領域、１７…活性層、１９…半導体エピタキシャル層（井戸層）、２０…障壁層、１３ａ…支持体主面、１３ｂ…支持体裏面、ＡＯＦＦ…オフ角（傾斜角）、２１…窒化ガリウム系半導体領域、２３…電子ブロック層、２５…ｐ型クラッド層、２７…ｐ型コンタクト層、２９、３１…光閉じ込め層、３３…発光層、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂ…電極、４１ａ、４１ｂ…端面、Ｌ１、Ｌ２…光、Ｅ…エピタキシャルウエハ、５１…ＧａＮウエハ、５３…ＧａＮ系半導体領域、５５…活性層、５７…電子ブロック層、５９…コンタクト層、６１…第１導電型クラッド層、６３…発光層、６５…電子ブロック層、６７…第２導電型クラッド層、６９…第２導電型コンタクト層、７１…井戸層、７３…障壁層、７５、７７…光閉じ込め層  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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