(57)【要約】【課題】低いＩｎ組成揺らぎのＩｎＧａＮ井戸層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、ｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜するので、その主面１３ａはマイクロステップ構造を有する。このマイクロステップ構造は、ＩｎＧａＮの非混和性を弱めて井戸層１９ｂのＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面１３ａのステップ密度が高くなり井戸層のＩｎ組成の揺らぎの小さい。３０度を越える傾斜角では、該主面１３ａがｃ面とは異なる性質の結晶面に近づいて、主面１３ａのステップ密度が低くなり、Ｉｎ組成の揺らぎが低減される。ＰＬスペクトルのピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は絶対温度Ｔを用いてＥ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）で表される。符号α、βは定数である。【選択図】図１
2010010300.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、
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域と
を備え、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されており、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、該主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、
前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に形成されており、
当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの光のスペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する、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】
前記スペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表される式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）
で近似され、ここで符号α、βは定数である、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】
前記マイクロステップの幅は２５ｎｍ以下である、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発光素子。
【請求項４】
六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる基板を更に備え、
前記基板の主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する、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】
前記井戸層の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ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】
前記井戸層のインジウム組成は０．０５以上であり、０．３０以下である、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】
当該窒化ガリウム系半導体発光素子は、前記活性層を有する半導体レーザを含み、
当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの前記光は、前記半導体レーザのＬＥＤモードにおける光である、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発光素子。
【請求項８】
前記ｃ軸は、前記窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に傾斜している、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発光素子。
【請求項９】
前記スペクトルの前記極大値のレッドシフトは、絶対温度３００Ｋから３８０Ｋの範囲において０．０１５ｅＶ以上である、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】
前記スペクトルの前記極大値のレッドシフトは、絶対温度１００Ｋから３００Ｋの範囲において０．０３ｅＶ以上である、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発光素子。
【請求項１１】
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系半導体からなるウエハと、
前記ウエハ上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域と
を備え、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されており、
前記ウエハの主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ウエハの主面の表面モフォロジは、所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、
前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に形成されており、
当該エピタキシャルウエハの前記活性層からのフォトルミネッセンススペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項１２】
前記スペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表される式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）
で近似され、ここで符号α、βは定数である、ことを特徴とする請求項１１に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
前記ウエハの主面の前記マイクロステップの幅は２５ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１１または請求項１２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発光素子及びエピタキシャルウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、窒化ガリウム系半導体からなる半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、ＦＩＥＬＯ法で（０００１）面サファイア基板上に作製されたＧａＮ基板を用いて作製されており、そのしきい値電流密度は低減されている。
【０００３】
非特許文献１〜３には、窒化ガリウム系半導体の発光ダイオードが記載されている。非特許文献１の発光ダイオードは、オフ角５８度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献２の発光ダイオードは、オフ角３２度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献３の発光ダイオードは、オフ角６２度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献４には、窒化ガリウム系半導体のレーザダイオードが記載されており、このレーザダイオードは、オフ角６２度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献５には、Ｉｎ組成の揺らぎを評価する方法が説明されている。
【特許文献１】特開２００２−７６５２２号公報
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics vo1.45 No.26 (2006) pp.L659
【非特許文献２】Applied Physics Letter vol.87 231110 (2005)
【非特許文献３】Japanese Journal of Applied Physics vo1.46 No.7 (2007) pp.L129
【非特許文献４】Japanese Journal of Applied Physics vo1.46 No.19 (2007) pp.L444
【非特許文献５】Applied Physics Letter vol.78 no.18 p.2617 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＩｎＧａＮは強い非混和性を示し、このため、ＩｎＧａＮ成長においては自発的にＩｎ組成の揺らぎが生じる。特許文献１における半導体レーザ特性はＩｎ組成の揺らぎに関係している。特許文献１の半導体レーザは（０００１）面ＧａＮ基板上に作製されたものである。また、特許文献１には、半導体レーザに関して量子井戸一個あたりのしきい値モード利得が１２ｃｍ−２以下であること、及びバンドギャップエネルギの微視的揺らぎの標準偏差が７５−２００ｍｅＶであることが記載されている。一方、ＩｎＧａＮにおけるＩｎ組成の揺らぎは、特許文献１にも記載されているように高い発光効率に寄与していると考えられている。例えば、非特許文献１や非特許文献３に記載された発光ダイオード（ＬＥＤ）のＬＥＤ特性は、これらのＬＥＤの出力が大きいを示している。
【０００５】
この組成揺らぎにより局在準位がＩｎＧａＮ井戸層に形成される。局在準位はキャリアトラップを形成するので、多数の局在準位によって理想的なバンド構造に対してバンドテイルが生じる。また、発光に関係するバンドギャップの温度特性は様々な原因で理論値からずれるが、バンドテイルは、このバンドギャップの理論上の温度特性に追加の寄与を生じさせる。つまり、その温度特性は理論値と異なる振る舞いをする。
【０００６】
ＩｎＧａＮ井戸層におけるＩｎ組成の揺らぎは、半導体レーザにおいてはしきい値電流を増加させる。また、この揺らぎは、発光ダイオードにおいてはピーク波長の電流依存性の一因となる。故に、いずれの発光素子においても、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成の揺らぎを低減することが望ましい。
【０００７】
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Ｉｎ組成揺らぎのＩｎＧａＮ井戸層を含む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、また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する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は、窒化ガリウム系半導体発光素子に係る。窒化ガリウム系半導体発光素子は、（ａ）ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、（ｃ）前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域とを備える。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されている。前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなる。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以下３０度以下の角度で傾斜すると共に、該主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に形成されており、当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの光は、単一のピーク波長において極大値を有するスペクトルを示している。
【０００９】
この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜するので、その主面は、上記の傾斜方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。これらのマイクロステップは、ＩｎＧａＮの非混和性を弱めてＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面表面のステップ密度が高くなり、この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮが形成される。３０度を越える傾斜角では、該主面が、ｃ面とは異なる性質の結晶面に近づくので、主面表面のステップ密度が低くなり、この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの大きいＩｎＧａＮが形成される。
【００１０】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記スペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表される式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）      （１）
で近似されることが好ましい。ここで、符号α、βは定数である。この窒化ガリウム系半導体発光素子では、Ｉｎ組成の揺らぎ低減により、井戸層のエネルギＥ（Ｔ）が、ＩｎＧａＮ中の局在準位の作用を示す項を無視した式（１）で実質的に近似される。
【００１１】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記マイクロステップの幅は２５ｎｍ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では、井戸層の下地となるｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面をｃ面に対して傾斜させることによって、その主面にマイクロステップが構築されるようになる。
【００１２】
本発明の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系半導体からなる基板を更に備えることができる。前記基板の主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有することができる。
【００１３】
この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の下地となる基板の主面がｃ面に対して傾斜することによって、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面にマイクロステップが引き継がれる。上記の傾斜角範囲の基板主面によって、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面のマイクロステップが、Ｉｎ組成の揺らぎ低減に好適なステップ密度になる。
【００１４】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記井戸層の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、上記の膜厚範囲のＩｎＧａＮ薄膜でＩｎ組成の揺らぎの影響が顕著である。
【００１５】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記井戸層のインジウム組成は０．０５以上であり、０．３０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、上記の組成範囲のＩｎＧａＮ薄膜でＩｎ組成の揺らぎの影響が顕著である。
【００１６】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子は、前記活性層を有する半導体レーザを含む。当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの前記光は、前記半導体レーザのＬＥＤモードにおける光である。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、半導体レーザのしきい値電流が低減される。
【００１７】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記ｃ面は、前記窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に傾斜していることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、Ｉｎ組成の揺らぎ低減に好適なマイクロステップが得られると共に、半導体レーザの共振面が劈開により形成可能である。
【００１８】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記スペクトルの前記極大値のレッドシフトは、絶対温度３００Ｋから３８０Ｋの範囲において０．０１５ｅＶ以上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、局在準位の数の低減により、室温から高温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。
【００１９】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記スペクトルの前記極大値のレッドシフトは、絶対温度１００Ｋから３００Ｋの範囲において０．０３ｅＶ以上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、局在準位の数の低減により、低温から室温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。
【００２０】
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記基板はＧａＮからなることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子のＧａＮ基板によれば、マイクロステップの制御が容易である。
【００２１】
本発明の別の側面は、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に係る。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系半導体からなるウエハと、（ｂ）前記ウエハ上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、（ｄ）前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域とを備える。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されている。前記ウエハの主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以下３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ウエハの主面の表面モフォロジは、所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなる。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に順に形成されている。当該エピタキシャルウエハの前記活性層からのフォトルミネッセンススペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する。
【００２２】
このエピタキシャルウエハによれば、ウエハの主面は、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜するので、ウエハ主面は、上記の傾斜方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。ウエハ主面のマイクロステップ構造を引き継いで、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜する。これ故に、その主面は、上記の傾斜方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有する。マイクロステップ構造は、ＩｎＧａＮの非混和性が発現し難い成長を可能にしてＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面表面のステップ密度が高くなる。この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮが形成される。３０度を越える傾斜角では、該主面が、ｃ面とは異なる性質の結晶面に近づくので、主面表面のステップ密度が低くなる。この結果、Ｉｎ組成の揺らぎ低減の作用が低下する。
【００２３】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ＰＬスペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表された式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）
で近似される。ここで、符号α、βは定数である。このエピタキシャルウエハでは、Ｉｎ組成の揺らぎ低減により、ＰＬスペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）が、局在準位の影響を示す項を含まない式を実質的に満すことができる。
【００２４】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハの主面の前記マイクロステップの幅は２５ｎｍ以下であることができる。このエピタキシャルウエハでは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の下地となる基板主面の主面がｃ面に対して傾斜することによって、その主面にマイクロステップが構築されるようになる。
【００２５】
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】
【００２６】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、低いＩｎ組成揺らぎのＩｎＧａＮ井戸層を含む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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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発光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。
【００２８】
図１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概略的に示す図面である。図１を参照すると、窒化ガリウム系半導体発光素子１１（以下、「ＧａＮ系発光素子１１」と記す）に加えて、ＧａＮ系発光素子１１の構造を示すための直交座標系Ｓ及び結晶系を示すための結晶座標系ＳＣが示されている。結晶座標系ＳＣは、六法晶系窒化ガリウム半導体のｃ軸、ａ軸及びｍ軸を表すために描かれている。ＧａＮ系発光素子１１は例えば半導体レーザであることができる。ＧａＮ系発光素子１１はＸ軸方向に交差する一対の端面１１ａ、１１ｂを含む。ＧａＮ系発光素子１１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３と、活性層１５と、ｐ型半導体領域１７とを備える。
【００２９】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の窒化ガリウム系半導体のｃ軸（ベクトルＣＶ１）に対して１０度以上の角度で傾斜しており、また３０度以下の角度で傾斜しており、この傾斜は、主面１３ａの法線ベクトルＶＮとベクトルＣＶ１との交差角によって表される。傾斜の方向は、例えば、本実施例ではａ軸方向である。図１を参照すると、該主面１３ａの表面モフォロジＭ１は、傾斜の方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有している。本実施例では、配列方向は例えばａ軸方向であり、各ステップは例えばｍ軸方向に沿っている。
【００３０】
ＧａＮ系発光素子１１では、マイクロステップＭ１の幅は２５ｎｍ以下であることができ、また０．５ｎｍ以上であることができる。井戸層の下地となるｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａがｃ面に対して傾斜するので、その主面１３ａにマイクロステップを構築できる。
【００３１】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３、活性層１５及びｐ型半導体領域１７は、座標系ＳのＺ軸方向に配列されている。活性層１５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３上に設けられている。ｐ型半導体領域１７は、活性層１５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体からなる。活性層１５は量子井戸構造１９を有する。量子井戸構造１９は障壁層１９ａ及び井戸層１９ｂを含んでおり、障壁層１９ａ及び井戸層１９ｂは交互に配列されている。井戸層１９ｂ及び障壁層１９ａは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａのマイクロステップ上に順に形成されている。井戸層１９ｂはＩｎＧａＮからなると共に、障壁層１９ａは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなる。当該ＧａＮ系発光素子１１からの光は、単一のピーク波長において極大値を有するスペクトルを示す。本実施例のようにＧａＮ系発光素子１１が半導体レーザであるとき、窒化ガリウム系半導体発光素子からの光Ｌは、半導体レーザのＬＥＤモードにおける光（レーザ発振に先立つ発光）である。
【００３２】
このＧａＮ系発光素子１１によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、そのｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜するので、その主面１３ａはマイクロステップ構造を有する。上記の傾斜角範囲におけるマイクロステップ構造は、ＩｎＧａＮの非混和性を弱めてＩｎＧａＮ井戸層１９ｂのＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面１３ａの表面のステップ密度が高くなり、この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮが形成される。３０度を越える傾斜角では、主面１３ａがｃ面とは異なる性質の結晶面に近づき、主面１３ａの表面のステップ密度が低くなる。この結果、Ｉｎ組成揺らぎの大きいＩｎＧａＮが形成される。
【００３３】
図２は、ＩｎＧａＮの電子状態密度及びバンドエネルギを示す図面である。図２（ａ）を参照すると、局在準位の影響を無視できるＩｎＧａＮにおける理想的な関係ＢＩＤＥＡＬを示しており、図２（ｂ）を参照すると、局在準位の影響を無視できないＩｎＧａＮにおける関係を示している。バンドテイルＢＴＡＩＬは、低い状態密度の領域で、理想的な関係で示されるバンドエネルギよりも低い多数の局在準位により形成される。
【００３４】
Ｉｎ組成の揺らぎはＩｎＧａＮ成長中に形成されるものであり、本実施の形態では、マイクロステップ構造の働きより、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成の空間的な均一性が高められて、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成揺らぎが低減されている。バンドテイルＢＴＡＩＬの状態密度を構成する局在準位は、室温における発光特性に影響するだけでなく、発光特性の温度特性にも影響する。実施例を参照しながら後ほど説明されるが、ＧａＮ系発光素子１１では、スペクトルのピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表される式、
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）      （１）
を満すことが好ましい。ここで、符号α、βは定数である。これは、バンドギャップの温度依存性を表す経験式のひとつでＶａｒｓｈｎｉ式と呼ばれている。このＧａＮ系発光素子１１では、Ｉｎ組成の揺らぎ低減により、エネルギＥ（Ｔ）が、理論値を示す関係式（１）を実質的に満すことができる。一方、局在準位の影響が大きいＩｎＧａＮ井戸層の発光では、スペクトルのピーク波長は
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）−σ２／ｋＢＴ      （２）
で良く表されることが、例えば非特許文献５に記載されている。式（２）は、局在準位の深さに対応する第３項が式（１）に追加されている。局在準位が主要な発光源であるとき、スペクトルのピーク波長の温度特性は式（２）に従う。ここで、符号σは定数である。
【００３５】
井戸層のようなＩｎＧａＮ薄膜は、バルクのＩｎＧａＮ膜よりも局在準位の影響を受けやすい。ＧａＮ系発光素子１１では、井戸層１９ｂの厚さＤＷは、１ｎｍ以上であることが好ましく、また１０ｎｍ以下であることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、上記の膜厚範囲においてＩｎ組成揺らぎの影響が顕著である。
【００３６】
井戸層１９ｂのＩｎ組成は０．０５以上であることができ、０．０５以上のＩｎ組成では、局在準位の影響が無視できない程度に現れる。故に、ｃ面から傾斜したオフ面上にＩｎＧａＮを成長することによって、Ｉｎ組成の揺らぎが低減される。また、Ｉｎ組成は０．３０以下であることができる。ｃ面から傾斜したオフ面上にＩｎＧａＮを成長する際にミスフィット転位が導入されやすく、０．３０以下のＩｎ組成の範囲ではミスフィット転位の発生が抑制される。更には、井戸層１９ｂのＩｎ組成は０．１５以上であることが好ましい。また、井戸層１９ｂのＩｎ組成は０．２５以下であることが好ましい。このＧａＮ系発光素子１１によれば、上記の組成範囲においてＩｎ組成の揺らぎの影響が特に顕著である。
【００３７】
図１を再び参照すると、ＧａＮ系発光素子１１は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる基板２３を更に備えることができる。基板２３は、例えばｎ型ＧａＮ等からなることができる。基板２３の代表的なＣ面ＣＳは一点鎖線で示されている。基板２３の主面２３ａは、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜する。この主面２３ａも、図１に示されるように、該傾斜の方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップＭ２を有する。このＧａＮ系発光素子１１によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａのマイクロステップ構造は、基板２３のｃ軸の傾斜によって提供される。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の下地となる基板２３の主面２３ａがｃ面に対して傾斜することによって、その主面にマイクロステップが構築される。
【００３８】
ＧａＮ系発光素子１１では、マイクロステップＭ２の幅は２５ｎｍ以下であることができ、また０．５ｎｍ以上であることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の下地となる基板主面２３ａがｃ面に対して傾斜するので、その主面２３ａのマイクロステップは、揺らぎ低減に好適なステップ密度になる。また、ＧａＮ系発光素子１１では、マイクロステップＭ２の高さは０．２ｎｍ以上であることができ、また１．５ｎｍ以下であることができる。マイクロステップＭ１、Ｍ２の形状は、例えば原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡等によって観測される。
【００３９】
ＧａＮ系発光素子１１は、光ガイド層２５ａ、２５ｂを更に備えることができる。光ガイド層２５ａはｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３と活性層１９との間に設けられている。光ガイド層２５ａは窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮからなる。光ガイド層２５ｂはｐ型半導体領域１３と活性層１９との間に設けられている。光ガイド層２５ｂは窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮからなる。
【００４０】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３が基板２３のオフ角主面上に成長される。その成長においてマイクロステップ構造が引き継がれて、主面１３ａにも複数のマイクロステップが形成される。また、光ガイド層２５ａが形成されるときには、光ガイド層２５ａがｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の傾斜主面上に成長される。その成長においてマイクロステップ構造が引き継がれて、同様に、光ガイド層２５ａの主面にも複数のマイクロステップが形成される。また、障壁層１９ａが、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の傾斜主面上に成長されるときは、その成長においてマイクロステップ構造が引き継がれて、同様に、障壁層１９ａの主面にも複数のマイクロステップが形成される。井戸層１９ｂは障壁層１９ａの主面上に形成されて、そのマイクロステップ構造により、井戸層１９ｂにおけるＩｎ組成の揺らぎが低減される。
【００４１】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３は、例えばｎ型クラッド層を含むことができ、ｎ型クラッド層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮからなることができる。ｐ型半導体領域１９は、例えばｐ型クラッド層２９、ｐ型コンタクト層３１を含むことができる。ｐ型クラッド層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮからなることができ、ｐ型コンタクト層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮからなることができる。ＧａＮ系発光素子１１は、ｐ型クラッド層２９と活性層１９（光ガイド層２５ｂが成長されるときには光ガイド層２５ｂ）との間に設けられた電子ブロック層２７を含むことができる。
【００４２】
ｐ型半導体領域１９の表面は絶縁膜３３で覆われている。絶縁膜３３は、Ｘ軸方向に延びる開口を有している。第１の電極３７ａは、絶縁膜３３の開口を会してｐ型半導体領域１９に接続される。基板１３の裏面１３ｂには、第２の電極３７ｂが形成されて、ｎ型半導体に接続される。これらの接続はオーミック接触である。例えば、第１及び第２の電極３７ａ、３７ｂは、それぞれ、アノード及びカソードであることができる。
【００４３】
（実施例１）
図３及び図４は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。ＬＤ構造を有するエピタキシャルウエハを作製する。まず、図３（ａ）に示されるように、ＧａＮウエハ４１を準備する。ＧａＮウエハ４１の主面４１ａは、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜する。本実施例では、傾斜の方向はａ軸方向であり、傾斜角は１８度である。図３（ａ）には、ベクトルＶＣ２及びベクトルＶＮが示されており、これらのベクトルの交差角度が上記の傾斜角を示している。
【００４４】
図３（ｂ）に示されるように、ＧａＮウエハ４１を成長炉１０に配置する。成長炉１０は、例えば有機金属気相成長炉であることができる。成長炉１０を用いてＧａＮウエハ４１の熱処理を行う。熱処理の雰囲気は、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含むことができる。熱処理の温度は、例えば摂氏１０５０度であることができる。熱処理温度として、例えば摂氏９５０度以上摂氏１１５０度以下の温度を用いることが好ましい。この熱処理を、上記の傾斜角の範囲のＧａＮ主面に施すことによって、ウエハ４１の主面４１ａを改質して、主面４１ｂを生成する。この主面４１ｂに、図１に示されるようなマイクロステップ構造が構築されている。複数のマイクロステップは、該傾斜方向（例えばａ軸）により規定される方向（例えばａ軸）に配列されている。ウエハ主面の傾斜角の範囲とマイクとステップの形成は重要な関連を有しており、上記角度範囲では、Ｉｎ組成揺らぎの低減に好適なステップ密度のマイクロステップが形成される。このステップ密度は、例えば４０μｍ−１以上であることができる。また、このステップ密度は、例えば２０００μｍ−１以下であることができる。
る。
【００４５】
図３（ｃ）に示されるように、ＧａＮウエハ４１の主面４１ｂ上にｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３を成長する。この成長は成長炉１０を用いて行われる。基板主面４１ｂのマイクロステップ構造を引き継いで、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面にもマイクロステップが形成される。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３は、例えばｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層を含む。ＡｌＧａＮは、例えばクラッドのために成長される。ＡｌＧａＮの成長温度は摂氏１１５０度である。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の厚さは、例えば２０００ｎｍである。
【００４６】
次いで、図３（ｄ）に示されるように、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａ上に第１の光ガイド層４５を成長する。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａのマイクロステップ構造を引き継いで、第１の光ガイド層４５主面にもマイクロステップが形成される。第１の光ガイド層４５はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることができる。第１の光ガイド層４５は、例えばアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるとき、ＩｎＧａＮの成長温度は摂氏８３０度であり、アンドープＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば１００ｎｍである。
【００４７】
図４（ａ）に示されるように、第１の光ガイド層４５上に障壁層４７ａを成長する。障壁層４７ａの主面のマイクロステップ構造を引き継いで、障壁層４７ａの主面にもマイクロステップが形成される。障壁層４７ａはＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることができる。また、障壁層４７ａは、例えばアンドープＧａＮからなることができる。ＧａＮの成長温度は摂氏８３０度である。アンドープＧａＮ層の厚さは、例えば１５ｎｍである。
【００４８】
図４（ｂ）に示されるように、障壁層４７ａ上にＩｎＧａＮ井戸層４９ａを成長する。ＩｎＧａＮ井戸層４９ａは例えばアンドープＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなることができる。Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層の成長温度は摂氏８３０度である。ＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば３ｎｍである。次いで、井戸層４９ａ上に障壁層４７ｂを障壁層４７ａと同様に成長する。井戸層４９ｂ〜４９ｆ、障壁層４７ｃ〜４７ｇの成長を交互に所望の回数だけ繰り返して、活性層５１を成長する。
【００４９】
図４（ｃ）に示されるように、障壁層４７ａ上に第２の光ガイド層５３を成長する。第２の光ガイド層５３はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることができる。また、第２の光ガイド層５３は、例えばアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなることができる。ＩｎＧａＮの成長温度は摂氏８３０度である。アンドープＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば１００ｎｍである。
【００５０】
図４（ｄ）に示されるように、第２の光ガイド層５３上にｐ型窒化ガリウム系半導体領域５５を成長する。この成長は成長炉１０を用いて行われる。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５５は、例えば電子ブロック層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を含むことができる。電子ブロック層は例えばＭｇドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎからなる。ＡｌＧａＮの成長温度は摂氏１１００度である。ｐ型ＡｌＧａＮク電子ブロック層の厚さは、例えば２０ｎｍである。ｐ型クラッド層は例えばＭｇドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる。ＡｌＧａＮの成長温度は摂氏１１００度である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の厚さは、例えば４００ｎｍである。ｐ型コンタクト層は例えばＭｇドープＧａＮからなる。ＧａＮの成長温度は摂氏１１００度である。ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００５１】
これらの工程により、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Ｅ１が作製された。このエピタキシャルウエハＥ１は、六方晶系のＧａＮウエハ４１と、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３と、活性層５１とを備えることができる。ＧａＮウエハ４１の主面４１ｂは、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で所定の方向（例えばａ軸方向）に傾斜する。ＧａＮウエハ４１の主面４１ｂの表面モフォロジは、該傾斜の方向により規定される方向（例えばａ軸方向）に配列された複数のマイクロステップを有する。活性層５１は、井戸層４９ａ〜４９ｆ及び障壁層４７ａ〜４７ｇを含む量子井戸構造を有する。井戸層４９ａ〜４９ｆはＩｎＧａＮからなると共に、障壁層４７ａ〜４７ｇはＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａは、ＧａＮウエハ４１の傾斜を引き継いで、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜する。このため、主面４３ａの表面モフォロジも、傾斜の方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有する。井戸層４９ａ〜４９ｆ及び障壁層４７ａ〜４７ｇは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａのマイクロステップ構造上に形成されている。エピタキシャルウエハＥ１の活性層５１からのフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する。
【００５２】
このエピタキシャルウエハによれば、ウエハ４１の主面４１ｂは、そのｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜するので、その主面４１ｂは、上記の傾斜方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。ウエハ主面４１ｂのマイクロステップ構造を引き継いで、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａは、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜する。これ故に、その主面４３ａは、上記の傾斜方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有する。マイクロステップ構造は、ＩｎＧａＮの非混和性を弱めてＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面表面のステップ密度が高くなるので、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮがエピタキシャル成長される。３０度を越える傾斜角では、該主面がｃ面とは異なる性質の結晶面に近づくので、主面表面のステップ密度が低くなる。この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの大きいＩｎＧａＮが形成される。したがって、このエピタキシャルウエハＥ１において、ＰＬスペクトルのピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表された式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）      （１）
で近似される。ここで、符号α、βは定数である。ＰＬスペクトルのピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）に関して、局在準位が主要な発光源でないとき、は式（２）ではなく、式（１）がエネルギＥ（Ｔ）の良好に近似式となる。そして、マイクロステップを用いたＩｎ組成揺らぎの低減により、局在準位の発光への寄与が小さくできる。局在準位の発光への寄与が小さい発光素子では、発光スペクトルの温度依存性は、式（２）よりも式（１）に近い振る舞いをする。
【００５３】
絶縁膜をエピタキシャルウエハＥ１上に形成した後に、幅１０マイクロメートル幅のストライプ窓を絶縁膜にウェットエッチングにより形成した。絶縁膜は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。絶縁膜及びｐ型コンタクト層上にアノード電極を形成した。アノード電極は例えばＮｉ／Ａｕから成る。また、パッド電極を形成した。アノード電極のためのパッド電極は例えばＴｉ／Ａｕから成る。ウエハの裏面にカソード電極を形成した。カソード電極は例えばＴｉ／Ａｌから成る。カソード電極のためのパッド電極は例えばＴｉ／Ａｕから成る。これらの工程により、基板生産物が作製された。この半導体レーザでは、ｃ面は、窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に傾斜しているので、好適なマイクロステップが得られると共に、半導体レーザの共振面がへき開により形成可能である。例えば共振器長８００マイクロメートルになるように基板生産物をｍ面でへき開して、ゲインガイド型半導体レーザを作製した。ゲインガイド型半導体レーザに電流を印加したとき、しきい値電流２６０ｍＡにおいて発振波長４０５ｎｍで発振した。
【００５４】
（実施例２）
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるようなエピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２を作製した。エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２は、以下のように作製された。有機金属成長炉を用いて、ｃ面ＧａＮウエハ６１の熱処理を行った。熱処理の条件は、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含む雰囲気中、摂氏１０５０度の温度で、熱処理時間１０分であった。エピタキシャルウエハＣ１の成長では、ｃ面ＧａＮウエハ６１上に、２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層６３を成長した。この後に、ＧａＮ層６３上に、厚さ１００ｎｍの単層のＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層６５を摂氏８３０度の成膜温度で成長した。エピタキシャルウエハＣ２の成長では、ｃ面ＧａＮウエハ６１上に２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層６３を成長した後に、ＧａＮ層６３上に、厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ層６７ａを摂氏８３０度の成膜温度で成長した。厚さ３ｎｍのアンドープＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層６７ｂを摂氏８３０度の成膜温度で成長した。これらの成長により、６層のＩｎＧａＮ井戸層６７ｂを含む量子井戸（ＱＷ）構造６７を作製した。
【００５５】
本実施例において用いられたエピタキシャルウエハの構造は、発光素子のための活性層を含んでいるけれども、レーザ発振が生じることはない。故に、半導体レーザのＬＥＤモードにおける光或いは発光ダイオードからの光である。
【００５６】
エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルの温度依存性を測定した。ＰＬ励起光源として３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。図６は、エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルの温度依存性Ｅ１（Ｔ）、Ｅ２（Ｔ）並びにＧａＮ理論値の温度依存性を示す図面である。
温度依存性、            レッドシフト１、レッドシフト２
Ｅ０（Ｔ）（理論）：０．０３６ｅＶ、０．０３６ｅＶ
Ｅ１（Ｔ）（単層）：０．０３７ｅＶ、０．０５５ｅＶ
Ｅ２（Ｔ）（ＱＷ）：０．０１０ｅＶ、０ｅＶ。
レッドシフト１は、絶対温度３００Ｋと３８０Ｋとの間のレッドシフトを示しており、レッドシフト２は、絶対温度１００Ｋと３００Ｋとの間のレッドシフトを示している。図６を参照すると、温度上昇に伴うレッドシフト量に関しては、多重量井戸構造のエピタキシャルウエハＣ２に比べて、バルクＩｎＧａＮ単層のエピタキシャルウエハＣ１におけるレッドシフト量が大きいことを示している。ＩｎＧａＮ単層はＧａＮの理論計算と同様な温度依存性を示している。これによれば、ＩｎＧａＮ単層では局在準位の寄与が小さいと考えられる。しかしながら、ＩｎＧａＮ単層では発光層内のキャリア密度を上げることが難しい。
【００５７】
また、図７に示されるようなエピタキシャルウエハＣ３、Ｅ２を作製した。エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３は、以下のように作製された。有機金属成長炉を用いて、ｃ面に対して１８度傾斜の主面を有するＧａＮウエハ７１の熱処理を行った。熱処理の条件は、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｎ２）を含む雰囲気中、摂氏１０５０度の温度で、熱処理時間１０分であった。エピタキシャルウエハＥ２の成長では、ＧａＮウエハ７１上に２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層７３を成長した後に、ＧａＮ層７３上に、厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ層７７ａを摂氏８５０度の成膜温度で成長した。厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層７７ｂを摂氏７５０度の成膜温度で成長した。これらの成長により、６層のＩｎＧａＮ井戸層７７ｂを含む量子井戸構造７７を作製した。
エピタキシャルウエハＣ３の成長では、ｃ面ＧａＮウエハ６１上に、２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層６３を成長した後に、厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ層７９ａを摂氏８５０度の成膜温度で成長した。厚さ３ｎｍのアンドープＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層７９ｂを摂氏７５０度の成膜温度で成長した。これらの成長により、６層のＩｎＧａＮ井戸層７９ｂを含む量子井戸構造７９を作製した。
【００５８】
エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３のＰＬスペクトルの温度依存性を測定した。ＰＬ励起光源として３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。図８は、エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３のＰＬスペクトルの温度依存性Ｅ３（Ｔ）、Ｅ２（Ｅ）の温度依存性を示す図面である。Ｅ３（Ｔ）に対してＶａｒｓｈｎｉ式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）      （１）
を当てはめると、定数αは例えば０．７ｍｅＶ程度であり、定数βは６１７Ｋ程度である。
温度依存性、            レッドシフト１、レッドシフト２
Ｅ３（Ｔ）（オフ）：０．０１７ｅＶ、０．０６０ｅＶ
Ｅ４（Ｔ）（ｃ面）：０．０１０ｅＶ、０．００１ｅＶ
図８を参照すると、温度上昇に伴うレッドシフト量に関しては、オフ角ウエハを用いたエピタキシャルウエハＥ２に比べて、ｃ面ウエハを用いたエピタキシャルウエハＣ３におけるレッドシフト量が小さいことを示している。オフ角ウエハの使用によれば局在準位を低減できると考えられる。また、本実施例では、ＧａＮウエハを用いたので、マイクロステップの制御が容易である。
【００５９】
発光において、バンドテイル内の局在準位のエネルギが低いので、活性層に注入されたキャリアはバンドテイルの局在準位を満たす。さらにキャリア注入量が増加するとき、バンドフィリング効果により発光波長が長波長にシフトする。
【００６０】
上記の実験を含む様々な実験結果から、ＰＬスペクトルの極大値のレッドシフト１は、絶対温度３００Ｋから３８０Ｋの範囲において０．０１５ｅＶ以上であることができる。局在準位の数の低減により、室温から高温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。また、ＰＬスペクトルの極大値のレッドシフト２は、絶対温度１００Ｋから３００Ｋの範囲において０．０３ｅＶ以上であることができる。局在準位の数の低減により、低温から室温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。
【００６１】
図９は、エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３のカソードルミネセンス（ＣＬ）像を示す図面である。ＣＬ像の比較によれば、１８度オフ角のＧａＮウエハを用いたエピタキシャル構造のエピタキシャルウエハＥ２が均一に発光しており、Ｉｎ組成揺らぎが小さいことと考えられる。故に、活性層への注入電流の大きさによらず活性層が、均一に発光可能な構造を有している。また、エピタキシャルウエハＥ２では、局在準位の数が少なく、また局在準位のレベルが浅い。したがって、オフ角基板の表面のマイクロステップの働きにより、ＩｎＧａＮ成長においてインジウム原子が不均一に分布することが抑制されていると考えられる。これらの作用は、量子井戸構造を有する発光素子に適用される。
【００６２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１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概略的に示す図面である。
【図２】図２は、ＩｎＧａＮの状態密度及びバンドエネルギを示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２の構造を示す図面である。
【図６】図６は、エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルの温度依存性Ｅ１（Ｔ）、Ｅ２（Ｔ）並びにＧａＮ理論値の温度依存性を示す図面である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２の構造を示す図面である。
【図８】図８は、エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルの温度依存性Ｅ３（Ｔ）、Ｅ４（Ｔ）の温度依存性を示す図面である。
【図９】図９は、エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３のカソードルミネセンス像を示す図面である。
【符号の説明】
【００６４】
ＶＮ…法線ベクトル、ＣＶ１、ＶＣ２…ｃ軸ベクトル、Ｍ１、Ｍ２…表面モフォロジ、１０…成長炉、１１…窒化ガリウム系半導体発光素子（ＧａＮ系発光素子）、１３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１３ａ…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域主面、１５…活性層、１７…ｐ型半導体領域、１９…量子井戸構造、１９ａ…障壁層、１９ｂ…井戸層、２３…基板、２３ａ…基板主面、２５ａ、２５ｂ…光ガイド層、２７…電子ブロック層、２９…ｐ型クラッド層、３１…ｐ型コンタクト層、３３…絶縁膜、３７ａ、３７ｂ…第１及び第２の電極、４１…ＧａＮウエハ、４１ａ、４１ｂ…ウエハ主面、４３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、４５…第１の光ガイド層、４９ａ〜４９ｆ…井戸層、４７ａ〜４７ｇ…障壁層、５１…活性層、５３…第２の光ガイド層、５５…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域  
【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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【図８】
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【図９】
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