(57)【要約】【課題】半極性面を有するＧａＮ支持基体上に設けられた発光層を含みミスフィット転位による発光効率の低下を抑制できる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子１１は、六方晶系窒化ガリウムからなる支持基体１３と、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、Ｘ１＋Ｙ１＜１）層２１を含むｎ型窒化ガリウム系半導体層１５と、発光層１７と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９とを備える。このＩｎＡｌＧａＮ層２１は半極性主面１３ａと発光層１７との間に設けられる。ＩｎＡｌＧａＮ層２１のバンドギャップＥが窒化ガリウムのバンドギャップＥ以上であるので、発光層１７へのキャリアと光の閉じ込め効果が提供される。ＩｎＡｌＧａＮ層２１のｃ面Ｓｃ２が法線軸Ａｘに対して傾斜しているけれども、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位の密度がＡｌＧａＮに比べて低減される。【選択図】図１
2010192865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸に直交する面に対して傾斜した半極性主面を有する支持基体と、
前記支持基体上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、
前記支持基体と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、Ｘ１＋Ｙ１＜１）層と、
ｐ型窒化ガリウム系半導体層と
を備え、
前記支持基体、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層、前記発光層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記支持基体の前記半極性面の法線軸に沿って順に配列されており、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層を含む量子井戸構造を有し、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の厚さは前記量子井戸構造の厚さよりも厚く、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップは六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であり、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎにはｎ型ドーパントが添加されており、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ０によって表され、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ１の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ１によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＣ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＣ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１Ｔとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０％以下であり、
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第２の結晶軸の方向と該第２の結晶軸方向の格子定数ｄ１Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ１によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＮ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項２に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第２の結晶軸の方向と該第２の結晶軸方向の格子定数ｄ１Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ１によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＮ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．１５％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸への方向である、ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのｍ軸への方向である、ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ０によって表され、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ１の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ１によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＣ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＣ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１Ｔとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０％以下であり、
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ１Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ１によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＮ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＩｎ組成Ｘ１は０．０１以上であり、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＩｎ組成Ｘ１は０．０６以下である、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物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＡｌ組成Ｙ１は０．０５以上であり、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＡｌ組成Ｙ１は０．３０以下である、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物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップエネルギは３．５１エレクトロンボルト以上であり、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップエネルギは３．６３エレクトロンボルト以下である、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物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の厚さは３μｍ以下であり、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層はｎ型クラッド層の少なくとも一部を構成する、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窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層は前記支持基体と第１の接合を成し、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層は前記発光層と第２の接合を成し、
前記第１の接合におけるミスフィット転位密度は１×１０５ｃｍ−１未満である、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物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０＜Ｘ２＜１、０＜Ｙ２＜１、Ｘ２＋Ｙ２＜１）層を更に備え、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層は電子ブロック層であり、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している、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物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ２の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ２によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＣ２は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ２Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ２Ｔとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ２Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．５％以上であり、
前記格子不整度は０．２％以下である、ことを特徴とする請求項１３に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ２Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ２によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ２は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ２ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ２ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．５％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸への方向である、ことを特徴とする請求項１３、請求項１４又は請求項１５に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのｍ軸への方向である、ことを特徴とする請求項１３、請求項１４又は請求項１５に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸と前記法線軸とに垂直な結晶軸方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のための半導体材料のｃ軸と前記法線軸とに垂直な結晶軸方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ２Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ２によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ２は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ２ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ２ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．５％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ（０＜Ｘ３＜１、０＜Ｙ３＜１、Ｘ３＋Ｙ３＜１）層を更に備え、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の厚さは３００ｎｍ以上であり、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層はｐ型クラッド層の少なくとも一部を構成する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ３の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ３によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＣ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３Ｔとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、
前記格子不整度は０．２％以下である、ことを特徴とする請求項１９に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
前記格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０％以下であり、
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第３の結晶軸の方向と該第３の結晶軸方向の格子定数ｄ３Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ３によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＮ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項２０に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第３の結晶軸の方向と該第３の結晶軸方向の格子定数ｄ３Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ３によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＮ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．１５％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項２０に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸への方向である、ことを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２４】
前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのｍ軸への方向である、ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項２１又は請求項２２に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２５】
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ０によって表され、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ３の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ３によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＣ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＣ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３Ｔとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０％以下であり、
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ３Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ３によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＮ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３ＮＴとからなり、
横方向に関する格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０％以上であり、
前記格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である、ことを特徴とする請求項２０に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２６】
前記発光層は活性層及び光ガイド層を含み、
前記光ガイド層は前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層と前記活性層との間に設けられ、
前記活性層は前記量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項２５のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２７】
前記光ガイド層はＩｎＧａＮ層を含み、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が０．０２以上０．０６以下であることを特徴とする、請求項２６に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２８】
前記光ガイド層の前記ＩｎＧａＮ層と前記支持基体板との間にある半導体層と前記ＩｎＧａＮ層との界面おけるミスフィット転位密度は１×１０５ｃｍ−１以下であることを特徴とする請求項２７に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項２９】
前記光ガイド層の前記ＩｎＧａＮ層と前記支持基体板との間にある半導体層と前記ＩｎＧａＮ層との界面おけるミスフィット転位密度は５×１０３ｃｍ−１以上であることを特徴とする請求項２７〜請求項２８のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３０】
前記発光層はさらに別の光ガイド層を含み、前記別の光ガイド層は前記Ｉｎ Ｘ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層と前記活性層との間に設けられていることを特徴とする、請求項２６〜請求項２９のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３１】
前記別の光ガイド層はＩｎＧａＮ層を含み、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が０．０２以上０．０６以下であることを特徴とする、請求項３０に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３２】
前記発光層は４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲の光を発生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３１のいずれか一項に記載された窒化物半導
体発光素子。
【請求項３３】
前記半極性主面の傾斜角は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項３２のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３４】
前記半極性主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項３３のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３５】
窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板であって、
六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸に直交する面に対して傾斜した半極性主面を有する基板と、
前記基板上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、
前記基板と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、Ｘ１＋Ｙ１＜１）層と、
ｐ型窒化ガリウム系半導体層と
を備え、
前記基板、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層、前記発光層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記基板の前記半極性面の法線軸に沿って順に配列されており、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層を含む量子井戸構造を有し、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の厚さは前記量子井戸構造の厚さよりも厚く、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップは六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であり、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎにはｎ型ドーパントが添加されており、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項３６】
前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ０によって表され、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層におけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ１の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ１によって表され、
前記格子ベクトルＬＶＣ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、
前記格子ベクトルＬＶＣ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１Ｔとからなり、
ｃ軸横方向に関する格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、
前記格子不整度は０．２％以下である、ことを特徴とする請求項３５に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項３７】
前記半極性主面の傾斜角は、１０度以上８０度以下の範囲又は１００度以上１７０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項３５又は請求項３６に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項３８】
窒化物半導体発光素子を作製する方法であって、
六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸に直交する面に対して傾斜した半極性主面を有する基板を準備する工程と、
ｎ型ドーパントを添加しながら、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎクラッド（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、Ｘ１＋Ｙ１＜１）層を前記基板の前記半極性面上に成長する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなる発光層を前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎクラッド層上に形成する工程と、
ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ電子ブロック（０＜Ｘ２＜１、０＜Ｙ２＜１、Ｘ２＋Ｙ２＜１）層を前記発光層上に成長する工程と、
ｐ型ドーパントを添加しながら、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ電子ブロック層上にＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎクラッド（０＜Ｘ３＜１、０＜Ｙ３＜１、Ｘ３＋Ｙ３＜１）層を成長する工程と
を備え、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層を含む量子井戸構造を有し、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎクラッド層の厚さは前記量子井戸構造の厚さよりも厚く、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎクラッド層のバンドギャップは六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であり、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎクラッド層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜しており、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ電子ブロック層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜しており、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎクラッド層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している、ことを特徴とする方法。
【請求項３９】
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎクラッド層上にｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備え、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ電子ブロック層の成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であり、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎクラッド層の成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下である、ことを特徴とする請求項３８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、窒化物半導体発光素子、エピタキシャル基板、及び窒化物半導体発光素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、窒化物半導体レーザが記載されている。窒化物半導体レーザは、波長３７５ｎｍ以下の紫外線領域の光を発生する活性層を有する。この活性層はＧａＮ基板上に形成されている。窒化物半導体レーザの活性層は、下部クラッド層と上部クラッド層との間に設けられている。下部クラッド層、上部クラッド層の少なくとも一方は、ＡｌＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３５０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の紫外線半導体レーザとは異なる半極性面上に、窒化物半導体発光素子を作製することができる。この窒化物半導体発光素子の作製において、窒化ガリウム系半導体層をＧａＮ基板の半極性面上に成長するとき、窒化ガリウム系半導体層のｃ面は半極性面の法線軸に対して傾斜する。
【０００５】
窒化ガリウム系半導体層が、ＧａＮ基板と異なる半導体、例えばＡｌＧａＮ層からなるとき、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子不整に起因してＡｌＧａＮは歪みを内包する。発明者らの知見によれば、歪みＡｌＧａＮは、半極性面上ではｃ面すべり面のミスフィット転位を導入して、その歪みを開放することがある。一方、特許文献１の紫外線半導体レーザのＧａＮ基板上にＡｌＩｎＧａＮ半導体層またはＡｌＧａＮ半導体層を成長するとき、これらの窒化ガリウム系半導体層のｃ面はＧａＮ基板の表面に平行に延びる。これ故に、ｃ面ＧａＮ基板上のＡｌＧａＮ半導体層では、ｃ面すべり面のミスフィット転位が生じない。
【０００６】
窒化物半導体発光素子が、ミスフィット転位により格子緩和したＡｌＧａＮ層上に設けられた発光層を含むとき、発明者らの知見によれば、その発光効率が、歪みＡｌＧａＮ層上に設けられた発光層に比べて低下する。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものである。本発明は、半極性面を有するＧａＮ支持基体上に設けられた発光層を含みミスフィット転位による発光効率の低下を抑制できる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。また、本発明は、この窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的とする。さらに、本発明は、この窒化物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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は窒化物半導体発光素子に係る。この窒化物半導体発光素子は、（ａ）六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸に直交する面に対して傾斜した半極性主面を有する支持基体と、（ｂ）前記支持基体上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、（ｃ）前記支持基体と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、Ｘ１＋Ｙ１＜１）層と、（ｄ）ｐ型窒化ガリウム系半導体層とを備える。前記支持基体、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層、前記発光層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記支持基体の前記半極性面の法線軸に沿って順に配列されており、前記発光層は、ＩｎＧａＮ層を含む量子井戸構造を有し、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の厚さは前記量子井戸構造の厚さよりも厚く、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップは六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であり、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎにはｎ型ドーパントが添加されており、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している。
【０００９】
この窒化物半導体発光素子では、発光層のＩｎＧａＮ層と支持基体との間にＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層が設けられている。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップが六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であるので、発光層へのキャリアと光の閉じ込め効果が提供される。また、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層は量子井戸構造よりも厚いので、同等のバンドギャップを有するＡｌＧａＮであればミスフィット転位が発生しやすい。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面が法線軸に対して傾斜しているけれども、四元系ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の組成に基づく格子定数の調整により、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位の密度がＡｌＧａＮに比べて低減される。
【００１０】
本発明の別の側面は、窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板に係る。このエピタキシャル基板は、（ａ）六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸に直交する面に対して傾斜した半極性主面を有する基板と、（ｂ）前記基板上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、（ｃ）前記基板と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、Ｘ１＋Ｙ１＜１）層と、（ｄ）ｐ型窒化ガリウム系半導体層とを備える。前記基板、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層、前記発光層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記基板の前記半極性面の法線軸に沿って順に配列されており、前記発光層は、ＩｎＧａＮ層を含む量子井戸構造を有し、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の厚さは前記量子井戸構造の厚さよりも厚く、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップは六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であり、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎにはｎ型ドーパントが添加されており、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している。
【００１１】
このエピタキシャル基板では、発光層のＩｎＧａＮ層と基板との間にＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層が設けられている。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップが六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であるので、発光層へのキャリアと光の閉じ込め効果が提供される。また、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層は量子井戸構造よりも厚いので、同等のバンドギャップを有するＡｌＧａＮであればミスフィット転位が発生しやすい。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面が法線軸に対して傾斜しているけれども、四元系ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の組成に基づく格子定数の調整により、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位の密度がＡｌＧａＮに比べて低減される。
【００１２】
本発明の各側面は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０＜Ｘ２＜１、０＜Ｙ２＜１、Ｘ２＋Ｙ２＜１）層を更に備えることができる。前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層は電子ブロック層であり、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している。
【００１３】
ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層は電子ブロック層であるので、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層と発光層との接合において、ミスフィット転位が低減される。
【００１４】
本発明の更なる別の側面は、窒化物半導体発光素子を作製する方法に係る。この方法は、（ａ）六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸に直交する面に対して傾斜した半極性主面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）ｎ型ドーパントを添加しながら、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎクラッド（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、Ｘ１＋Ｙ１＜１）層を前記基板の前記半極性面上に成長する工程と、（ｃ）窒化ガリウム系半導体からなる発光層を前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎクラッド層上に形成する工程と、（ｄ）ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ電子ブロック（０＜Ｘ２＜１、０＜Ｙ２＜１、Ｘ２＋Ｙ２＜１）層を前記発光層上に成長する工程と、（ｅ）ｐ型ドーパントを添加しながら、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ電子ブロック層上にＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎクラッド（０＜Ｘ３＜１、０＜Ｙ３＜１、Ｘ３＋Ｙ３＜１）層を成長する工程とを備える。前記発光層は、ＩｎＧａＮ層を含む量子井戸構造を有し、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の厚さは前記量子井戸構造の厚さよりも厚く、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップは六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップ以上であり、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜しており、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜しており、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のｃ面は前記法線軸に対して傾斜している。
【００１５】
この方法では、四元系ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層を基板上に形成する。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のｃ面が法線軸に対して傾斜しているけれども、四元系ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の組成に基づく格子定数の調整により、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位の密度がＡｌＧａＮに比べて低減される。このＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層上に発光層のＩｎＧａＮ層を形成できるので、発光層の発光効率の低下を抑制できる。
【００１６】
本発明に係る方法では、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ電子ブロック層の成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であり、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎクラッド層の成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であることができる。この方法によれば、発光層を成長した後に摂氏８００度以上摂氏９００度以下の成長温度で電子ブロック層及びクラッド層を成長するので、この成長温度はＡｌＧａＮ電子ブロック層及びＡｌＧａＮクラッド層の成長温度に比べて低い。これ故に、電子ブロック層及びクラッド層の成長中の熱的ストレスが発光層に対して低減される。
【００１７】
本発明に係る方法は、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ上にｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備えることができる。前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下である。この方法によれば、発光層を成長した後に形成されるｐ型窒化ガリウム系半導体層を摂氏８００度以上摂氏９００度以下の成長温度で成長するので、これらのｐ型窒化ガリウム系半導体の成長中の熱的ストレスが発光層に対して低減される。
【００１８】
本発明の各側面では、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ０によって表され、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ１の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ１によって表され、前記格子ベクトルＬＶＣ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、前記格子ベクトルＬＶＣ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１Ｔとからなり、ｃ軸横方向に関する格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、前記格子不整度は０．２％以下である。
【００１９】
この格子不整度を提供するＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層によれば、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎの格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００２０】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第２の結晶軸の方向と該第２の結晶軸方向の格子定数ｄ１Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ１によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、前記格子ベクトルＬＶＮ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１ＮＴとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．１５％以上であり、前記格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である。
【００２１】
この格子不整度を提供するＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層において、半極性主面の傾斜方向がａ軸及びｍ軸の一方への方向であるとき、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎのａ軸及びｍ軸の他方の格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００２２】
本発明の各側面では、前記格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔが０％以下であり、前記格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴが０％以上である。
【００２３】
ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層では、半極性主面の傾斜方向に平行の格子整合条件とオフ垂直の格子整合条件とが異なる。発明者らの知見によれば、これら２方向に関して、この格子不整度を提供するＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層において、格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上０％以下であり、また格子不整度（Ｖ１ＮＴ−ＶＮ０Ｔ）／Ｖ０ＮＴは０％以上０．２％以下である。これらの格子不整度の範囲では、良好な素子特性が提供される。
【００２４】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸への方向であることができる。或いは、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのｍ軸への方向であることができる。
【００２５】
本発明の各側面では、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ０によって表され、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ１の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ１によって表され、前記格子ベクトルＬＶＣ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、前記格子ベクトルＬＶＣ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１Ｔとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、前記格子不整度（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０％以下であり、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のための半導体材料のｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ１Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ１によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、前記格子ベクトルＬＶＮ１は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ１ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ１ＮＴとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０％以上であり、前記格子不整度（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である。
【００２６】
ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層では、半極性主面の傾斜方向に平行の格子整合条件とオフ垂直の格子整合条件とが異なる。上記の格子不整度の範囲では、良好な素子特性が提供される。
【００２７】
本発明の各側面では、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＩｎ組成Ｘ１は０．０１以上であり、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＩｎ組成Ｘ１は０．０６以下であることができる。この組成範囲によれば、ＩｎＡｌＧａＮの格子定数をＧａＮに近づけることができると共に、このＩｎ組成の範囲は、ＩｎＡｌＧａＮにクラッド層のためのバンドギャップを提供するために有用である。
【００２８】
本発明の各側面では、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＡｌ組成Ｙ１は０．０５以上であり、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＡｌ組成Ｙ１は０．３０以下であることができる。このＡｌ組成の範囲は、ＩｎＡｌＧａＮにクラッド層のためのバンドギャップを提供するために有用である。
【００２９】
本発明の各側面では、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップエネルギは３．５１エレクトロンボルト以上であり、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のバンドギャップエネルギは３．６３エレクトロンボルト以下であることができる。
【００３０】
このバンドギャップエネルギの範囲によれば、四元系ＩｎＡｌＧａＮの格子定数をＧａＮに近づけると共に、クラッドのための屈折率をＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層に提供できる。
【００３１】
本発明の各側面では、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層の厚さは３μｍ以下であり、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層はｎ型クラッド層の少なくとも一部を構成することができる。この厚さの範囲によれば、光閉じ込めに有用なクラッド層を構成できる。
【００３２】
本発明の各側面では、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層は前記支持基体（或いは前記基板）と第１の接合を成し、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層は前記発光層と第２の接合を成し、前記第１の接合におけるミスフィット転位密度は１×１０５ｃｍ−１未満であることができる。２つの接合を含む構造において、第１の接合におけるミスフィット転位を小さくできる。
【００３３】
本発明の各側面では、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ２の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ２によって表され、前記格子ベクトルＬＶＣ２は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ２Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ２Ｔとからなり、ｃ軸横方向に関する格子不整度（Ｖ２Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．５％以上であり、前記格子不整度は０．２％以下であることができる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲によりミスフィット転位の導入が低減される。
【００３４】
この格子不整度を提供するＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層によれば、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎの格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。
【００３５】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ２Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ２によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ２は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ２ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ２ＮＴとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．５％以上であり、前記格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である。
【００３６】
この格子不整度を提供するＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層において、半極性主面の傾斜方向がａ軸及びｍ軸の一方への方向であるとき、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎのａ軸及びｍ軸の他方の格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００３７】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸への方向であることができる。或いは、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのｍ軸への方向であることができる。
【００３８】
本発明の各側面では、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸と前記法線軸とに垂直な結晶軸方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層のための半導体材料のｃ軸と前記法線軸とに垂直な結晶軸方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ２Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ２によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ２は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ２ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ２ＮＴとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．５％以上であり、前記格子不整度（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である。
【００３９】
この格子不整度を提供するＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層において、半極性主面の傾斜方向に垂直な方向に関して、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎの格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００４０】
本発明の各側面は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ（０＜Ｘ３＜１、０＜Ｙ３＜１、Ｘ３＋Ｙ３＜１）層を更に備えることができる。前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の厚さは３００ｎｍ以上であり、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層はｐ型クラッド層の少なくとも一部を構成することができる。
【００４１】
ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層及びＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層を用いることによって、発光層を挟むように設けられたｐ型半導体層の界面及びｎ型半導体層の界面においてミスフィット転位が低減される。
【００４２】
本発明の各側面では、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ３の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ３によって表され、前記格子ベクトルＬＶＣ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３Ｔとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、前記格子不整度は０．２％以下である。
【００４３】
この格子不整度を提供するＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層によれば、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎの格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことによりミスフィット転位の導入が低減される。
【００４４】
本発明の各側面では、前記格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０％以下であり、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第３の結晶軸の方向と該第３の結晶軸方向の格子定数ｄ３Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ３によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、前記格子ベクトルＬＶＮ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３ＮＴとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０％以上であり、前記格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下であることができる。
【００４５】
この格子不整度を提供するＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層において、半極性主面の傾斜方向がａ軸及びｍ軸の一方への方向であるとき、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎのａ軸及びｍ軸の他方の格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００４６】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸及びｍ軸の一方への方向であり、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるａ軸及びｍ軸の他方である第１の結晶軸の方向と該第１の結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のａ軸及びｍ軸の他方である第３の結晶軸の方向と該第３の結晶軸方向の格子定数ｄ３Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ３によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、前記格子ベクトルＬＶＮ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３ＮＴとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは−０．１５％以上であり、前記格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である。
【００４７】
この格子不整度を提供するＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層において、半極性主面の傾斜方向がａ軸及びｍ軸の一方への方向であるとき、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎのａ軸及びｍ軸の他方の格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００４８】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのａ軸への方向であることができる。或いは、前記半極性主面の傾斜方向は、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸から該六方晶系窒化ガリウムのｍ軸への方向であることができる。
【００４９】
本発明の各側面では、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ０によって表され、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ３の大きさとは格子ベクトルＬＶＣ３によって表され、前記格子ベクトルＬＶＣ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、前記格子ベクトルＬＶＣ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３Ｌと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３Ｔとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは−０．１５％以上であり、前記格子不整度（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔは０％以下であり、前記六方晶系窒化ガリウムにおけるｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表され、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のための半導体材料のｃ軸と前記法線軸との垂直な結晶軸の方向とこの結晶軸方向の格子定数ｄ３Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ３によって表され、前記格子ベクトルＬＶＮ０は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ０ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなり、前記格子ベクトルＬＶＮ３は前記法線軸の方向の縦成分Ｖ３ＮＬと前記縦成分に直交する横成分Ｖ３ＮＴとからなり、横方向に関する格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０％以上であり、前記格子不整度（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴは０．２％以下である。
【００５０】
ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層では、半極性主面の傾斜方向に平行の格子整合条件とオフ垂直の格子整合条件とが異なる。上記の格子不整度の範囲では、良好な素子特性が提供される。
【００５１】
本発明の各側面では、前記発光層は活性層及び光ガイド層を含み、前記光ガイド層は前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層と前記活性層との間に設けられ、前記活性層は量子井戸構造を有することができる。この発光層の構造は、半導体レーザのために有用である。
【００５２】
本発明の各側面では、前記光ガイド層はＩｎＧａＮ層を含み、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が０．０２以上０．０６以下であることができる。
【００５３】
ｎ側のクラッド層がＡｌＧａＮからなる素子では、ＩｎＧａＮガイド層のＩｎ組成を大きくすると、発光効率が大幅に低下する。なぜなら、クラッド層とガイド層の格子不整合が大きいからであると考えられる。光ガイド層が大きなＩｎ組成の材料からなるとき、ＩｎＡｌＧａＮからクラッド層を用いることによって、発光効率を維持できるようになる。高いＩｎ組成の光ガイド層を用いることによって、光ガイド層の屈折率を高めることができ、これにより光閉じ込めが向上する。
【００５４】
本発明の各側面では、前記光ガイド層の前記ＩｎＧａＮ層と前記支持基体板との間にある半導体層と前記ＩｎＧａＮ層との界面おけるミスフィット転位密度は１×１０５ｃｍ−１以下であることができる。ｎ側クラッド層がＡｌＧａＮからなる素子では、光閉じ込めの向上を図るために光ガイド層のＩｎ組成を高めとき、上記の範囲を超える転位が導入されて、この結果、発光効率が低下する。
【００５５】
本発明の各側面では、前記光ガイド層の前記ＩｎＧａＮ層と前記支持基体板との間にある半導体層と前記ＩｎＧａＮ層との界面おけるミスフィット転位密度は５×１０３ｃｍ−１以上であることができる。光ガイド層を若干緩和させて井戸層の歪みを低減するとき、緑色の発光を可能にする高いＩｎ組成の井戸層でも、井戸層と障壁層との界面で欠陥が生じることを防ぐことができる。
【００５６】
本発明の各側面では、前記発光層はさらに別の光ガイド層を含み、前記別の光ガイド層は前記Ｉｎ Ｘ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層と前記活性層との間に設けられていることができる。この発光層の構造は、半導体レーザのために有用である。
【００５７】
本発明の各側面では、前記別の光ガイド層はＩｎＧａＮ層を含み、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が０．０２以上０．０６以下であることができる。
【００５８】
ｎ側またはｐ側のクラッド層がＡｌＧａＮからなる素子では、ＩｎＧａＮガイド層のＩｎ組成を大きくすると、発光効率が大幅に低下する。なぜなら、クラッド層とガイド層の格子不整合が大きいからであると考えられる。光ガイド層が大きなＩｎ組成の材料からなるとき、ＩｎＡｌＧａＮからクラッド層を用いることによって、発光効率を維持できるようになる。高いＩｎ組成の光ガイド層を用いることによって、光ガイド層の屈折率を高めることができ、これにより光閉じ込めが向上する。
【００５９】
本発明の各側面では、前記発光層は４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲の光を発生するように設けられていることができる。ｃ面すべり面によるミスフィット転位の発生は、半極性面に起因するｃ面の傾斜に因る。上記の波長範囲によれば、可視光の波長範囲において、四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことにより、発光効率の低下が避けられる。
【００６０】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜角は、１０度以上８０度以下の範囲又は１００度以上１７０度以下の範囲にあることができる。これらの角度範囲の歪みＡｌＧａＮは、ｃ面ＧａＮ基板上の歪みＡｌＧａＮの振る舞いと異なっており、これ故に、四元系ＩｎＡｌＧａＮが有用である。
【００６１】
本発明の各側面では、前記半極性主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲又は１００度以上１１７度以下の範囲にあることができる。これらの角度範囲では、ピエゾ電界の影響を低減できる。また、上記の角度範囲において、ｃ面すべり面によるミスフィット転位の発生が起こりやすい。これ故に、四元系ＩｎＡｌＧａＮが有用である。
【００６２】
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】
【００６３】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、半極性面を有するＧａＮ支持基体上に設けられた発光層を含みミスフィット転位による発光効率の低下を抑制できる窒化物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、この窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板が提供される。さらに、本発明に係る更なる別の側面によれば、この窒化物半導体発光素子を作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、ＧａＮとこのＧａＮ上にエピタキシャル成長されるべきＩｎＡｌＧａＮとにおいてｃ軸の傾斜方向に関する格子定数の関係を示す図面である。
【図３】図３は、ＧａＮとこのＧａＮ上にエピタキシャル成長されるべきＩｎＡｌＧａＮとにおいてｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数の関係を示す図面である。
【図４】図４は、ＧａＮとこのＧａＮ上にエピタキシャル成長されるべきＩｎＡｌＧａＮとにおいてｃ軸の傾斜方向及びこの方向に垂直な方向に関する格子定数の関係を示す図面である。
【図５】図５は、ＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ組成＝０．０２、０．０５）におけるＡｌ組成とｃ軸及びａ軸方向に関する格子不整度との関係を示す図面である。
【図６】図６は、窒化物半導体発光素子及びエピタキシャルウエハをＧａＮ基板上に作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図７】図７は、窒化物半導体発光素子及びエピタキシャルウエハをＧａＮ基板上に作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図８】図８は、窒化物半導体発光素子及びエピタキシャルウエハをＧａＮ基板上に作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図９】図９は、実施例１において、ＧａＮ基板上に作製されたｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層を含む半導体レーザ構造を概略的に示す図面である。
【図１０】図１０は、ＧａＮ基板上に作製されたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を含む半導体レーザ構造を概略的に示す図面である。
【図１１】図１１は、実施例２において、ＧａＮ基板上に作製されたｎ型及びｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層並びＩｎＡｌＧａＮ電子ブロック層を含む半導体レーザ構造を概略的に示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例３において、ＧａＮ基板上に作製されたｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層を含む半導体レーザ構造を概略的に示す図面である。
【図１３】図１３は、ＧａＮ基板上に作製されたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を含む半導体レーザ構造を概略的に示す図面である。
【図１４】図１４は、光ガイド層のＩｎ組成と自然放出光の強度との関係を示す図面である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
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、本発明の窒化物半導体発光素子及びエピタキシャル基板、並びにエピタキシャル基板及び窒化物半導体発光素子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。本記述においては、六方晶系結晶の結晶軸ａ１軸、ａ２軸、ａ３軸、ｃ軸（ｃ軸はａ１軸、ａ２軸、ａ３軸に直交する）において、各結晶軸の正方向と逆向きを示す表記に関して、例えば［０００−１］軸は［０００１］軸の逆向きであり、逆向きを示すために数字（例えば「１」）の前に負号を付する「−１」を用いる。
【００６６】
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を概略的に示す図面である。図１には、結晶座標系ＣＲ（ｃ軸、ａ軸、ｍ軸）及び直交座標系Ｓが示されている。窒化物半導体発光素子１１は、支持基体１３と、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５と、発光層１７と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９とを備える。支持基体１３は六方晶系窒化ガリウムからなり、また主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。主面１３ａは、該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸に直交する平面に対して傾斜した半極性を示す。図１を参照すると、代表的なｃ面Ｓｃ１が示されており、ｃ面Ｓｃ１はｃ軸ベクトルＶＣ０に直交しており、ベクトルＶＣ０は＜０００１＞軸及び＜０００−１＞軸のいずれかを向いている。ｃ面Ｓｃ１及びｃ軸ベクトルＶＣ０と関連づけて、結晶座標系ＣＲが示されている。裏面１３ｂも半極性を示すことができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５及び発光層１７が、支持基体１３上に設けられる。発光層１７は、窒化ガリウム系半導体からなり、この窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。また、発光層１７は、ＩｎＧａＮ層を含む量子井戸構造２３を有する。量子井戸構造２３は、交互に配列された井戸層２３ａ及び障壁層２３ｂを含み、井戸層２３ａは例えばＩｎＧａＮ層等からなり、障壁層２３ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ層等からなる。発光層１７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５とｐ型窒化ガリウム系半導体層１９との間に設けられている。基板１３の半極性主面１３ａの法線ベクトルＶＮは、基準軸Ｃｘとの成す角度αによって規定される。
【００６７】
発光層１７は、例えば４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長範囲の光を発生するように設けられていることができる。ｃ面すべり面によるミスフィット転位の発生は、半極性面に起因するｃ面の傾斜に因る。上記の波長範囲によれば、可視光の波長範囲において、四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことにより、発光効率の低下が避けられる。
【００６８】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１、０＜Ｘ１＋Ｙ１＜１）層２１を含むことができる。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（以下、単に「ＩｎＡｌＧａＮ」と記す）層２１は支持基体１３の半極性主面１３ａと発光層１７との間に設けられる。ＩｎＡｌＧａＮにはｎ型ドーパントが添加されており、ｎ型ドーパントとしては例えばＳｉ、Ｇｅ等を使用できる。支持基体１３、ＩｎＡｌＧａＮ層２１、発光層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、半極性面１３ａの法線軸Ａｘに沿って順に配列されており、法線軸Ａｘは直交座標系ＳのＺ軸の方向に延びる。ＩｎＡｌＧａＮ層２１の厚さＤ２１は量子井戸構造２３の厚さＤ２３よりも厚い。ＩｎＡｌＧａＮ層２１のバンドギャップＥ（ＩｎＡｌＧａＮ）は六方晶系窒化ガリウムのバンドギャップＥ（ＧａＮ）以上であり、またバンドギャップＥ（ＩｎＡｌＧａＮ）はバンドギャップＥ（ＧａＮ）よりも大きいことができる。ＩｎＡｌＧａＮ層２１のｃ面Ｓｃ２は法線軸Ａｘに対して傾斜している。
【００６９】
この窒化物半導体発光素子１１では、発光層１７のＩｎＧａＮ層と支持基体１３との間にＩｎＡｌＧａＮ層２１が設けられている。ＩｎＡｌＧａＮ層２１のバンドギャップＥ（ＩｎＡｌＧａＮ）が窒化ガリウムのバンドギャップＥ（ＧａＮ）以上であるので、発光層１７へのキャリアと光の閉じ込め効果が提供される。ＩｎＡｌＧａＮ層２１のｃ面Ｓｃ２が法線軸Ａｘに対して傾斜しているけれども、四元系ＩｎＡｌＧａＮ層のIII族組成に基づく格子定数の調整により、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位の密度がＡｌＧａＮに比べて低減される。
【００７０】
また、ＩｎＡｌＧａＮ層２１が量子井戸構造２３よりも厚いので、ＩｎＡｌＧａＮ層２１と同等のバンドギャップを有するＡｌＧａＮであればミスフィット転位が発生しやすい。厚さＤ２１は例えば３００ｎｍ以上であることができる。また、厚さＤ２１は３μｍ以下であることができる。窒化物半導体発光素子１１が半導体レーザを含むとき、ＩｎＡｌＧａＮ層２１はｎ型クラッド層の少なくとも一部を構成することができる。この厚さの範囲によれば、光閉じ込めに有用なクラッド層を構成できる。
【００７１】
ＩｎＡｌＧａＮ層２１は支持基体１３と第１の接合Ｊ１を成す。ＩｎＡｌＧａＮ層２１は発光層１７と第２の接合Ｊ２を成す。第１の接合Ｊ１におけるミスフィット転位密度は１×１０５ｃｍ−１未満であることができる。２つの接合Ｊ１、Ｊ２を含む構造によれば、ミスフィット転位密度を小さくできる。
【００７２】
半極性主面１３ａの法線軸Ａｘとｃ軸ベクトルＶＣ０とのなす傾斜角αは、１０度以上８０度以下の範囲又は１００度以上１７０度以下の範囲にあることができる。これらの角度範囲では、半極性面上のＡｌＧａＮは、ｃ面ＧａＮ基板上の歪みＡｌＧａＮの振る舞いと異なっている。半極性面上のＡｌＧａＮのｃ面は下地半導体層の表面に対して傾斜しており、傾斜したｃ面が下地半導体層の表面に到達している。これ故に、半極性面上のＡｌＧａＮには、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位が導入されて、半極性面上のＡｌＧａＮは格子緩和を引き起こす。これ故に、これらの角度範囲のＧａＮ系半導体の下地へのピタキシャル成長では、内包歪みを低減可能な四元系ＩｎＡｌＧａＮが利用可能である。例えば、四元系ＩｎＡｌＧａＮは、このＩｎＡｌＧａＮと同じバンドギャップのＡｌＧａＮの格子定数ｄ（ＡｌＧａＮ）よりもＧａＮの格子定数ｄ（ＧａＮ）に近い格子定数ｄ（ＩｎＡｌＧａＮ）を提供できる。また、四元系ＩｎＡｌＧａＮは、このＩｎＡｌＧａＮと同じ屈折率のＡｌＧａＮの格子定数ｄ（ＡｌＧａＮ）よりもＧａＮの格子定数ｄ（ＧａＮ）に近い格子定数ｄ（ＩｎＡｌＧａＮ）を提供できる。
【００７３】
具体的には、格子ベクトルＬＶＣ０は、支持基体１３のＧａＮにおけるｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ０の大きさとを表し、格子ベクトルＬＶＣ１は、ＩｎＡｌＧａＮ層２１のための半導体材料（無歪み）のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ１の大きさとを表す。この格子ベクトルＬＶＣ０は法線軸Ａｘの縦成分Ｖ０Ｌと該縦成分に直交する横成分Ｖ０Ｔとからなり、格子ベクトルＬＶＣ１は法線軸Ａｘの縦成分Ｖ１Ｌと該縦成分に直交する横成分Ｖ１Ｔとからなる。これらのベクトルを以下のように（縦成分、横成分）と表記する：
ＬＶＣ０＝（Ｖ０Ｌ、Ｖ０Ｔ）
ＬＶＣ１＝（Ｖ１Ｌ、Ｖ１Ｔ）。
この表記において、横方向に関する格子不整度Ｆ２１は
Ｆ２１＝（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ
として定義される。ＩｎＡｌＧａＮ層２１における格子不整度Ｆ２１は−０．１５％以上であることができる。また格子不整度Ｆ２１は０．２％以下であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ２１を提供するＩｎＡｌＧａＮ層２１によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＡｌＧａＮ層２１と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことによりミスフィット転位の導入が低減される。
【００７４】
ＩｎＡｌＧａＮは、ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮの混晶である。ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮの各々において、ａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数との比率は同じではない。これ故に、ＧａＮからなる半極性の主面上にＩｎＡｌＧａＮを成長するとき、ＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの界面において、直交する２方向に関する格子整合を同時に実現することはできない。図２は、ＧａＮとこのＧａＮ上にエピタキシャル成長されるべきＩｎＡｌＧａＮとにおいてｃ軸の傾斜方向に関する格子定数の関係を示す図面である。図２（ａ）に示されたＩｎＡｌＧａＮは無歪みの状態にあり、これ故に、ＩｎＡｌＧａＮのｃ軸、ａ軸及びｍ軸の格子定数は、該ＩｎＡｌＧａＮのＩｎ組成及びＡｌ組成により規定されるＩｎＡｌＧａＮ固有のものである。図２（ａ）を参照すると、ＧａＮのｃ軸ベクトルＶＣ１が示されており、ベクトルＶＣ１が示すようにＧａＮのｃ軸はｍ軸の方向に傾斜している。この傾斜方向に、ＧａＮのｃ面がＧａＮ主面に対して傾斜している。図２（ｂ）に示されるように、このＧａＮ上に直接に、或いはＧａＮの格子定数に合わせて歪んだ半導体上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ｃ軸の傾斜方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ２１「（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ２１≦０．２％
であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ２１を提供するＩｎＡｌＧａＮ層２１によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近く、四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことによりミスフィット転位の導入が低減される。格子不整を上記の範囲に設定してｃ軸を投影した軸を格子整合させるとき、ＩｎＡｌＧａＮはｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数はＧａＮの格子定数（傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数）より大きくなる。
【００７５】
ＧａＮのｃ軸がａ軸の方向に傾斜するときに、同様な格子不整度を規定することができ、このときにも、格子不整度Ｆ２１「（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ２１≦０．２％
であることができる。
【００７６】
半極性主面の傾斜方向がＧａＮのｃ軸からｍ軸の方向であるとき、ａ軸の方向に関する格子不整度を規定することができる。ＧａＮにおけるａ軸の方向と該ａ軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表される。この格子ベクトルＬＶＮ０は法線軸Ａｘの方向の縦成分Ｖ０ＮＬと縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなる。ＩｎＡｌＧａＮ（つまり、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ）層のための半導体材料のａ軸の方向と該ａ軸方向の格子定数ｄ１Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ１によって表される。格子ベクトルＬＶＮ１は法線軸Ａｘの方向の縦成分Ｖ１ＮＬと縦成分に直交する横成分Ｖ１ＮＴとからなる。
これらのベクトルを以下のように（縦成分、横成分）と表記する：
ＬＶＮ０＝（Ｖ０ＮＬ、Ｖ０ＮＴ）
ＬＶＮ１＝（Ｖ１ＮＬ、Ｖ１ＮＴ）。
この表記において、横方向に関する格子不整度Ｆ２１Ｎは
Ｆ２１Ｎ＝（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ
として定義される。
【００７７】
図３（ａ）を参照すると、ＧａＮのｃ軸ベクトルＶＣ１が示されており、ベクトルＶＣ１が示すようにＧａＮのｃ軸はｍ軸の方向に傾斜している。この傾斜方向に、ＧａＮのｃ面がＧａＮ主面に対して傾斜している。図３（ｂ）に示されるように、このＧａＮ上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ａ軸の方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ２１Ｎ「（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ２１Ｎ≦０．２％
であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ２１Ｎを提供するＩｎＡｌＧａＮ層２１によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近く、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００７８】
発明者らの知見によれば、半極性主面の傾斜方向に垂直な方向の格子緩和は起こりにくい。しかしながら、垂直方向の格子緩和の発生により、エピタキシャル成長のＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層に貫通転位が発生する。この転位発生は、素子特性に悪い影響を与える。また、半極性主面の傾斜方向に平行の格子整合条件とオフ垂直の格子整合条件とが、比較的高いＡｌ組成のＩｎＡｌＧａＮでは、図に示されるように異なる。これ故に、ＩｎＡｌＧａＮのＡｌ組成が高いとき、こちらの条件の方が適している。
【００７９】
ＧａＮのｃ軸はａ軸の方向に傾斜するときに、同様な格子不整度を規定することができ、このときにも、格子不整度Ｆ２１Ｎ「（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ２１Ｎ≦０．２％
であることができる。格子不整を上記の範囲に設定して、ｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数（例えばａ軸の格子定数）を格子整合させるとき、ＩｎＡｌＧａＮはｃ軸の傾斜方向に関する格子定数はＧａＮの格子定数（ｃ軸の傾斜方向に関する格子定数）より小さくなる。
【００８０】
ｃ軸の傾斜方向がｍ軸に関するわずかなオフ角が実質的にゼロであり、ｃ軸の傾斜方向がｍ軸の方向に傾斜するとき、傾斜方向に直交する格子不整度Ｆ２１Ｎは、ｃ軸と法線軸との両方に直交する方向に関する横方向成分を用いて規定できる。
【００８１】
ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮの各々において、ａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数との比率は同じではないので、ＩｎＡｌＧａＮは、ＧａＮ又はＧａＮの格子定数に合わせて歪んだ半導体とＩｎＡｌＧａＮとの界面において、直交する２方向に関する格子整合を同時に実現することはできない。しかしながら、発明者らの知見によれば、直交する２方向に関して実現可能な格子不整度の範囲がある。
【００８２】
図４に示されるように、このＧａＮ（或いはＧａＮの格子定数に合わせて歪んだ半導体）上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ｃ軸の傾斜方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ２１「（Ｖ１Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ２１≦０％
であることができる。また、ａ軸の傾斜方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ２１Ｎ「（Ｖ１ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
０％≦Ｆ２１Ｎ≦０．２％
であることができる。但し、Ｆ２１及びＦ２１Ｎは同時にゼロではない。格子不整度Ｆ２１、Ｆ２１Ｎの関係は、以下のことを示している：ｃ軸の傾斜方向に関するＩｎＡｌＧａＮの格子定数は、同方向に関するＧａＮの格子定数より小さい；ｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関するＩｎＡｌＧａＮの格子定数は、同方向に関するＧａＮの格子定数よりも大きい。
【００８３】
ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層２１のＩｎ組成Ｘ１は０．０１以上であることができる。このＩｎ組成Ｘ１は０．０６以下であることができる。この組成範囲によれば、ＩｎＡｌＧａＮの格子定数をＧａＮに近づけることができると共に、このＩｎ組成の範囲は、クラッド層のためのバンドギャップをＩｎＡｌＧａＮに提供するために有用である。
【００８４】
また、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層のＡｌ組成Ｙ１は０．０５以上であることができる。このＡｌ組成Ｙ１は０．３０以下であることができる。このＡｌ組成の範囲は、ＩｎＡｌＧａＮにクラッド層のためのバンドギャップを提供するために有用である。
【００８５】
さらに、ＩｎＡｌＧａＮ層２１のバンドギャップエネルギＥ２１は３．５１エレクトロンボルト（１ｅＶは１．６０２×１０１９ジュールで換算される）以上であることができる。このバンドギャップエネルギＥ２１は３．６３エレクトロンボルト以下であることができる。このバンドギャップエネルギ範囲によれば、四元系ＩｎＡｌＧａＮの格子定数をＧａＮに近づけると共に、クラッドのための屈折率をＩｎＡｌＧａＮ層２１に提供できる。
【００８６】
発光層１７は活性層３１及び光ガイド層３７、３９を含むことができる。光ガイド層３７は電子ブロック層２１と活性層３１との間に設けられる。光ガイド層３９はＩｎＡｌＧａＮ層２７と活性層３１との間に設けられる。この発光層１７の構造は、半導体レーザのために有用である。光ガイド層３７、３９は、例えばアンドープＩｎＧａＮ、ＧａＮ等からなることができる。
【００８７】
光ガイド層３７、３９はＩｎＧａＮ層を含むことができる。クラッド層がＡｌＧａＮからなる素子では、ＩｎＧａＮガイド層のＩｎ組成を大きくすると、発光効率が大幅に低下する。なぜなら、クラッド層とガイド層の格子不整合が大きいからであると考えられる。光ガイド層が大きなＩｎ組成の材料からなるとき、ＩｎＡｌＧａＮからクラッド層を用いることによって、発光効率を維持できるようになる。また、光ガイド層３７のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が０．０２以上０．０６以下であることができる。また、光ガイド層３９のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が０．０２以上０．０６以下であることができる。高いＩｎ組成の光ガイド層を用いることによって、光ガイド層の屈折率を高めることができ、これにより光閉じ込めが向上する。
【００８８】
光ガイド層３７のＩｎＧａＮ層と支持基体１３との間にある半導体層と光ガイド層３７のＩｎＧａＮ層との界面おけるミスフィット転位密度は１×１０５ｃｍ−１以下であることができる。ｎ側クラッド層がＡｌＧａＮからなる素子では、光閉じ込めの向上を図るために光ガイド層３７のＩｎ組成を高めとき、上記の範囲を超える転位が導入されて、この結果、発光効率が低下する。
【００８９】
光ガイド層３９のＩｎＧａＮ層と支持基体板１３との間にある半導体層と光ガイド層３７のＩｎＧａＮ層との界面おけるミスフィット転位密度は５×１０３ｃｍ−１以上であることができる。光ガイド層３９を若干緩和させて井戸層の歪みを低減するとき、緑色の発光を可能にするＩｎ組成の高い井戸層でも、井戸層と障壁層との界面で欠陥が生じることを防ぐことができる。
【００９０】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、例えば電子ブロック層２７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層２９を含むことができる。これらの半導体層２７、２９の各々におけるｃ面は、ＩｎＡｌＧａＮ層２１と同様に、法線軸Ａｘに対して傾斜している。電子ブロック層２７は、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層２９は例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなることができる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２９は、ｐ型窒化ガリウム系半導体クラッド層３３及びｐ型窒化ガリウム系半導体コンタクト層３５を含むことができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体クラッド層３３は、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体コンタクト層３５は、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなることができる。また、電子ブロック層２７とｐ型窒化ガリウム系半導体クラッド層３３との間に、さらに光ガイド層を含んでも良い。
【００９１】
電子ブロック層２７が四元系ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０＜Ｘ２＜１、０＜Ｙ２＜１、０＜Ｘ２＋Ｙ２＜１）からなるとき、このＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層（以下、「ＩｎＡｌＧａＮ層」と記す）２７の代表的なｃ面Ｓｃ３は、ｃ面Ｓｃ１と同様に法線軸Ａｘに対して傾斜している。ＩｎＡｌＧａＮ層２７と発光層１７との接合Ｊ３において、ミスフィット転位が低減される。
【００９２】
半極性面上のＡｌＧａＮには、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位が導入されて、半極性面上のＡｌＧａＮは格子緩和を引き起こす。これ故に、これらの角度範囲の半極性主面を有する発光層の下地へのピタキシャル成長では、内包歪みを低減可能な四元系ＩｎＡｌＧａＮが利用可能である。例えば、四元系ＩｎＡｌＧａＮは、このＩｎＡｌＧａＮと同じバンドギャップのＡｌＧａＮの格子定数ｄ（ＡｌＧａＮ）よりもＧａＮの格子定数ｄ（ＧａＮ）に近い格子定数ｄ（ＩｎＡｌＧａＮ）を提供できる。また、四元系ＩｎＡｌＧａＮは、このＩｎＡｌＧａＮと同じ屈折率のＡｌＧａＮの格子定数ｄ（ＡｌＧａＮ）よりもＧａＮの格子定数ｄ（ＧａＮ）に近い格子定数ｄ（ＩｎＡｌＧａＮ）を提供で
きる。
【００９３】
具体的には、格子ベクトルＬＶＣ２は、ＩｎＡｌＧａＮ層２７のための半導体材料（無歪み）のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ２の大きさとを表す。この格子ベクトルＬＶＣ２は法線軸Ａｘの方向の縦成分Ｖ２Ｌと該縦成分に直交する横成分Ｖ２Ｔとからなる。これらのベクトルを以下のように（縦成分、横成分）表記する：
ＬＶＣ２＝（Ｖ２Ｌ、Ｖ２Ｔ）。
この表記において、ｃ軸横方向に関する格子不整度Ｆ２７は
Ｆ２７＝（Ｖ２Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ
として定義される。ここで、ＬＶＣ０＝（Ｖ０Ｌ、Ｖ０Ｔ）である。
ＩｎＡｌＧａＮ層２７における格子不整度Ｆ２７は−０．５％以上であることができる。また格子不整度Ｆ２７は０．２％以下であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ２７を提供するＩｎＡｌＧａＮ層２７によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＡｌＧａＮ層２７と下地の発光層１７との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことによりミスフィット転位の導入が低減される。
【００９４】
ＧａＮのｃ軸はｍ軸の方向に傾斜しているとき、この傾斜方向に、ＧａＮのｃ面がＧａＮ主面に対して傾斜している。このＧａＮ上に直接に、或いはＧａＮの格子定数に合わせて歪んだ半導体上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ｃ軸の傾斜方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ２７「Ｆ２７＝（Ｖ２Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．５％≦Ｆ２７≦０．２％
であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ２７を提供するＩｎＡｌＧａＮ層２７によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近く、四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことによりミスフィット転位の導入が低減される。格子不整を上記の範囲に設定してｃ軸を投影した軸を格子整合させるとき、ＩｎＡｌＧａＮはｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数はＧａＮの格子定数（傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数）より大きくなる。
【００９５】
ＧａＮのｃ軸はａ軸の方向に傾斜するときに、同様な格子不整度を規定することができ、このときにも、格子不整度Ｆ２７「（Ｖ２Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．５％≦Ｆ２７≦０．２％
であることができる。
【００９６】
半極性主面の傾斜方向がＧａＮのｃ軸からｍ軸の方向であるとき、ａ軸の方向に関する格子不整度を規定することができる。ＧａＮにおけるａ軸の方向と該ａ軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表される。この格子ベクトルＬＶＮ０は法線軸Ａｘの方向の縦成分Ｖ０ＮＬと縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなる。ＩｎＡｌＧａＮ層（つまり、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層２７）のための半導体材料のａ軸の方向と該ａ軸方向の格子定数ｄ２Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ２によって表される。格子ベクトルＬＶＮ２は法線軸Ａｘの方向の縦成分Ｖ２ＮＬと縦成分に直交する横成分Ｖ２ＮＴとからなる。
これらのベクトルを以下のように（縦成分、横成分）と表記する：
ＬＶＮ０＝（Ｖ０ＮＬ、Ｖ０ＮＴ）
ＬＶＮ２＝（Ｖ２ＮＬ、Ｖ２ＮＴ）。
この表記において、横方向に関する格子不整度Ｆ２７Ｎは
Ｆ２７Ｎ＝（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ
として定義される。
【００９７】
ＧａＮ上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ａ軸の方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ２７Ｎ「（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
−０．５％≦Ｆ２７Ｎ≦０．２％
であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ２７Ｎを提供するＩｎＡｌＧａＮ層２７によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近く、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層２７と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【００９８】
発明者らの知見によれば、半極性主面の傾斜方向に垂直な方向の格子緩和は起こりにくい。しかしながら、この垂直方向の格子緩和により、エピタキシャル成長のＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層２７に貫通転位が発生する。この転位発生は、素子特性に悪い影響を与える。また、比較的高いＡｌ組成のＩｎＡｌＧａＮでは、半極性主面の傾斜方向に平行の格子整合条件とオフ垂直の格子整合条件とが異なるので、ＩｎＡｌＧａＮのＡｌ組成が高いとき、こちらの条件の方が適している。ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層２７は電子ブロック層であるので、この電子ブロック層は、比較的高いＡｌ組成のＩｎＡｌＧａＮからなる。半極性主面の傾斜方向に垂直な方向の格子不整合度の規定を満たすことが良好な素子特性の提供のために好ましい。
【００９９】
ＧａＮのｃ軸はａ軸の方向に傾斜するときに、同様な格子不整度を規定することができ、このときにも、格子不整度Ｆ２７Ｎ「（Ｖ２ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
−０．５％≦Ｆ２７Ｎ≦０．２％
であることができる。格子不整を上記の範囲に設定して、ｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数（例えばａ軸の格子定数）を格子整合させるとき、ＩｎＡｌＧａＮはｃ軸の傾斜方向に関する格子定数はＧａＮの格子定数（ｃ軸の傾斜方向に関する格子定数）より小さくなる。
【０１００】
ｃ軸の傾斜方向がｍ軸に関するわずかなオフ角がなく、ｃ軸の傾斜方向がｍ軸の方向に傾斜するとき、傾斜方向に直交する格子不整度Ｆ２７Ｎは、ｃ軸と法線軸との両方に直交する方向に関する横方向成分を用いて規定できる。
【０１０１】
図５は、ＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ組成＝０．０２、０．０５）におけるＡｌ組成とｃ軸及びａ軸方向に関する格子不整度との関係を示す図面である。図５（ａ）を参照すると、Ｉｎ組成が比較的低いＩｎＡｌＧａＮにおけるｃ軸及びａ軸方向に関する格子不整度を示している。Ｉｎ組成が低い場合、格子整合させるのに必要なＡｌ組成が低い。このとき、a軸、c軸のどちらに格子整合させても、他方の格子不整合度は小さい。図５（ｂ）を参照すると、Ｉｎ組成が比較的高いＩｎＡｌＧａＮにおけるｃ軸及びａ軸方向に関する格子不整度を示している。Ｉｎ組成が高い場合、格子整合させるのに必要なＡｌ組成が高い。この場合、一方に格子整合させると他方の格子不整合度が非常に大きくなる。a軸方向に緩和するとエピタキシャル膜を貫通する欠陥が発生する可能性があるので、a軸の格子不整合度を小さくすることが良い。
【０１０２】
ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層２７のＩｎ組成Ｘ２は０．０１以上であることができる。このＩｎ組成Ｘ２は０．０６以下であることができる。この組成範囲によれば、ＩｎＡｌＧａＮの格子定数をＧａＮに近づけることができると共に、このＩｎ組成の範囲は、ＩｎＡｌＧａＮに電子ブロック層のためのバンドギャップを提供するＡｌ組成を大きくしないために有用である。
【０１０３】
ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層２７のＡｌ組成Ｙ２は０．０５以上であることができる。このＡｌ組成Ｙ２は０．３０以下であることができる。このＡｌ組成の範囲は、ＩｎＡｌＧａＮに電子ブロック層のためのバンドギャップを提供するために有用である。
【０１０４】
ｐ型窒化ガリウム系半導体クラッド層３３はＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層２７と接合Ｊ４をなす。ｐ型クラッド層３３はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ（０＜Ｘ３＜１、０＜Ｙ３＜１、０＜Ｘ３＋Ｙ３＜１）層を含み、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層はｐ型クラッド層３３の少なくとも一部を構成する。引き続く説明では、ｐ型クラッド層３３はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層３３（以下「ＩｎＡｌＧａＮ層３３」と記す）からなる。このＩｎＡｌＧａＮ層３３の厚さは３００ｎｍ以上であることができる。また、このＩｎＡｌＧａＮ層３３の厚さは１５００ｎｍ以下であることができる。ＩｎＡｌＧａＮ層２１に加えてＩｎＡｌＧａＮ層３３を用いるとき、発光層１７を挟むように設けられたｐ型半導体層１９及びｎ型半導体層１５においてミスフィット転位が低減される。
【０１０５】
半極性面上のＡｌＧａＮには、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位が導入されて、半極性面上のＡｌＧａＮは格子緩和を引き起こす。これ故に、半極性主面を有する発光層の下地へのピタキシャル成長では、内包歪みを低減可能な四元系ＩｎＡｌＧａＮが利用可能である。例えば、四元系ＩｎＡｌＧａＮは、このＩｎＡｌＧａＮと同じバンドギャップのＡｌＧａＮの格子定数ｄ（ＡｌＧａＮ）よりもＧａＮの格子定数ｄ（ＧａＮ）に近い格子定数ｄ（ＩｎＡｌＧａＮ）を提供できる。また、四元系ＩｎＡｌＧａＮは、このＩｎＡｌＧａＮと同じ屈折率のＡｌＧａＮの格子定数ｄ（ＡｌＧａＮ）よりもＧａＮの格子定数ｄ（ＧａＮ）に近い格子定数ｄ（ＩｎＡｌＧａＮ）を提供できる。
【０１０６】
具体的には、格子ベクトルＬＶＣ３は、ＩｎＡｌＧａＮ層３３のための半導体材料（無歪み）のｃ軸方向と該ｃ軸方向の格子定数ｄ３の大きさとを表す。この格子ベクトルＬＶＣ３は法線軸Ａｘの縦成分Ｖ３Ｌと該縦成分に直交する横成分Ｖ３Ｔとからなる。このベクトルを以下のように（縦成分、横成分）表記する：
ＬＶＣ３＝（Ｖ３Ｌ、Ｖ３Ｔ）。
この表記において、ｃ軸横方向に関する格子不整度Ｆ３３は
Ｆ３３＝（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ
として定義される。格子ベクトルＬＶＣ０＝（Ｖ０Ｌ、Ｖ０Ｔ）である。ＩｎＡｌＧａＮ層３３における格子不整度Ｆ３３は−０．１５％以上であることができる。また格子不整度Ｆ３３は０．２％以下であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ３３を提供するＩｎＡｌＧａＮ層３３によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮに近いので、ＩｎＡｌＧａＮ層３３と下地の電子ブロック層２７との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮと支持基体１３のＧａＮとの格子不整を低く保つことによりミスフィット転位の導入が低減される。
【０１０７】
図２、図３及び図４を参照しながら、ＩｎＡｌＧａＮ層３３の歪みについて説明する。図２（ａ）を参照すると、ＧａＮのｃ軸ベクトルＶＣ１が示されており、ベクトルＶＣ１が示すようにＧａＮのｃ軸はｍ軸の方向に傾斜している。この傾斜方向に、ＧａＮのｃ面がＧａＮ主面に対して傾斜している。図２（ｂ）に示されるように、このＧａＮ上に直接に、或いはＧａＮの格子定数に合わせて歪んだ半導体上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ｃ軸の傾斜方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ３３「（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ３３≦０．２％
であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ３３を提供するＩｎＡｌＧａＮ層３３によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近く、四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つことによりミスフィット転位の導入が低減される。格子不整を上記の範囲に設定してｃ軸を投影した軸を格子整合させるとき、ＩｎＡｌＧａＮはｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数はＧａＮの格子定数（傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数）より大きくなる。
【０１０８】
ＧａＮのｃ軸がａ軸の方向に傾斜するときに、同様な格子不整度を規定することができ、このときにも、格子不整度Ｆ３３「（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ３３≦０．２％
であることができる。
【０１０９】
半極性主面の傾斜方向がＧａＮのｃ軸からｍ軸の方向であるとき、ａ軸の方向に関する格子不整度を規定することができる。既に説明したように、ＧａＮにおけるａ軸の方向と該ａ軸方向の格子定数ｄ０Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ０によって表される。この格子ベクトルＬＶＮ０は法線軸Ａｘの方向の縦成分Ｖ０ＮＬと縦成分に直交する横成分Ｖ０ＮＴとからなる。ＩｎＡｌＧａＮ（つまり、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ）層のための半導体材料のａ軸の方向と該ａ軸方向の格子定数ｄ３Ｎの大きさとは格子ベクトルＬＶＮ３によって表される。格子ベクトルＬＶＮ３は法線軸Ａｘの方向の縦成分Ｖ３ＮＬと縦成分に直交する横成分Ｖ３ＮＴとからなる。
これらのベクトルを以下のように（縦成分、横成分）と表記する：
ＬＶＮ０＝（Ｖ０ＮＬ、Ｖ０ＮＴ）
ＬＶＮ３＝（Ｖ３ＮＬ、Ｖ３ＮＴ）。
この表記において、横方向に関する格子不整度Ｆ３３Ｎは
Ｆ３３Ｎ＝（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ
として定義される。
【０１１０】
図３（ａ）を参照すると、ＧａＮのｃ軸ベクトルＶＣ１が示されており、ベクトルＶＣ１が示すようにＧａＮのｃ軸はｍ軸の方向に傾斜している。この傾斜方向に、ＧａＮのｃ面がＧａＮ主面に対して傾斜している。図３（ｂ）に示されるように、このＧａＮ上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ａ軸の方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ３３Ｎ「（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ３３Ｎ≦０．２％
であることができる。この範囲の格子不整度Ｆ３３Ｎを提供するＩｎＡｌＧａＮ層３３によれば、この組成のＩｎＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近く、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層と下地層との界面におけるミスフィット転位密度を低減できる。四元系ＩｎＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整を低く保つ範囲においてミスフィット転位の導入が低減される。
【０１１１】
発明者らの知見によれば、半極性主面の傾斜方向に垂直な方向の格子緩和は起こりにくい。しかしながら、垂直方向の格子緩和の発生により、エピタキシャル成長のＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層に貫通転位が発生する。この転位発生は、素子特性に悪い影響を与える。また、半極性主面の傾斜方向に平行の格子整合条件とオフ垂直の格子整合条件とが、比較的高いＡｌ組成のＩｎＡｌＧａＮでは、図に示されるように異なる。これ故に、ＩｎＡｌＧａＮのＡｌ組成が高いとき、こちらの条件の方が適している。
【０１１２】
ＧａＮのｃ軸はａ軸の方向に傾斜するときに、同様な格子不整度を規定することができ、このときにも、格子不整度Ｆ３３Ｎ「（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ３３Ｎ≦０．２％
であることができる。格子不整を上記の範囲に設定して、ｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関する格子定数（例えばａ軸の格子定数）を格子整合させるとき、ＩｎＡｌＧａＮはｃ軸の傾斜方向に関する格子定数はＧａＮの格子定数（ｃ軸の傾斜方向に関する格子定数）より小さくなる。
【０１１３】
ｃ軸の傾斜方向がｍ軸に関するわずかなオフ角が実質的にゼロであり、ｃ軸の傾斜方向がｍ軸の方向に傾斜するとき、傾斜方向に直交する格子不整度Ｆ３３Ｎは、ｃ軸と法線軸との両方に直交する方向に関する横方向成分を用いて規定できる。
【０１１４】
ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮの各々において、ａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数との比率は同じではないので、ＩｎＡｌＧａＮは、ＧａＮ又はＧａＮの格子定数に合わせて歪んだ半導体とＩｎＡｌＧａＮとの界面において、直交する２方向に関する格子整合を同時に実現することはできない。しかしながら、発明者らの知見によれば、直交する２方向に関して実現可能な格子不整度の範囲がある。
【０１１５】
図４に示されるように、このＧａＮ（或いはＧａＮの格子定数に合わせて歪んだ半導体）上にＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長したとき、ｃ軸の傾斜方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ３３「（Ｖ３Ｔ−Ｖ０Ｔ）／Ｖ０Ｔ」を用いて、
−０．１５％≦Ｆ３３≦０％
であることができる。また、ａ軸の傾斜方向に関して、このＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子不整は、既に説明された格子不整度Ｆ３３Ｎ「（Ｖ３ＮＴ−Ｖ０ＮＴ）／Ｖ０ＮＴ」を用いて、
０％≦Ｆ３３Ｎ≦０．２％
であることができる。但し、Ｆ３３及びＦ３３Ｎは同時にゼロではない。格子不整度Ｆ３３、Ｆ３３Ｎの関係は、以下のことを示している：ｃ軸の傾斜方向に関するＩｎＡｌＧａＮの格子定数は、同方向に関するＧａＮの格子定数より小さい；ｃ軸の傾斜方向に垂直な方向に関するＩｎＡｌＧａＮの格子定数は、同方向に関するＧａＮの格子定数よりも大きい。
【０１１６】
ｐ型クラッド層のためのＩｎＡｌＧａＮ層３３のＩｎ組成Ｘ３は０．０１以上であることができる。このＩｎ組成Ｘ３は０．０６以下であることができる。この組成範囲によれば、ＩｎＡｌＧａＮの格子定数をＧａＮに近づけることができると共に、このＩｎ組成範囲のＩｎＡｌＧａＮは、クラッド層のためのバンドギャップを提供するために有用である。
【０１１７】
ｐ型クラッド層のためのＩｎＡｌＧａＮ層３３のＡｌ組成Ｙ３は０．０５以上であることができる。このＡｌ組成Ｙ３は０．３０以下であることができる。このＡｌ組成の範囲のＩｎＡｌＧａＮは、クラッド層のためのバンドギャップを提供するために有用である。
【０１１８】
ｐ型窒化ガリウム系半導体コンタクト層３５は、ＩｎＡｌＧａＮ層３３と接合Ｊ５を成す。ｐ型コンタクト層３５は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなることができる。
【０１１９】
窒化物半導体光素子１１は、コンタクト層３５上に設けられた第１の電極４１（例えば、アノード）を含むことができ、第１の電極４１は、絶縁体層４３の開口４３ａを介してコンタクト層３５に接触する。開口４３ａは、Ｘ軸方向に延在するストライプ形状を成す。絶縁体層４３はコンタクト層３５を覆う。第１の電極４１としては、例えばＮｉ／Ａｕが用いられる。窒化物半導体光素子１１は、支持基体１３の裏面１３ｂ上に設けられた第２の電極４５（例えば、カソード）を含むことができ、第２の電極４５は、例えばＴｉ／Ａｌから成る。
【０１２０】
活性層１７は、電極４１、４５間に印加された外部電圧に応答して光Ｌ１を生成し、本実施例では半導体光素子１１は端面発光素子を含む。この活性層１７において、ピエゾ電界が小さい。
【０１２１】
半極性主面１３ａの傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲又は１００度以上１１７度以下の範囲にあることができる。これらの角度範囲では、発明者らの知見によれば、ｃ面すべり面によるミスフィット転位の発生が起こりたやすい。また、上記の角度範囲において、ピエゾ電界の影響を低減できる。
【０１２２】
図６、図７、図８に示される工程に従って、有機金属気相成長法により、窒化物半導体発光素子及びエピタキシャル基板をＧａＮ基板上に作製する。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）を用いた。
【０１２３】
工程Ｓ１０１では、ＧａＮ基板５１を準備する。図６（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板５１は半極性主面５１ａを有し、この傾斜角は、１０度以上８０度以下の範囲又は１００度以上１７０度以下の範囲にある。ｃ軸の傾斜の方向は、ｍ軸及びａ軸の方向のいずれかであることができる。例えば、基板主面がｍ軸の方向にｃ面から７５度の角度で傾斜するとき、この傾斜面は（２０−２１）面として示される。基板主面は鏡面研磨されている。
【０１２４】
ＧａＮ基板５１上に以下の条件でエピタキシャル成長を行う。まず、工程Ｓ１０２では、ＧａＮ基板５１を成長炉１０内に設置する。この後に、図６（ｂ）に示されるように、摂氏１０５０度の温度において、ＮＨ３及びＨ２を含むガスＧ０を成長炉１０に供給しながら熱処理を行う。
【０１２５】
この熱処理の後に、工程Ｓ１０３では、図６（ｃ）に示されるように、原料ガスＧ１を成長炉１０に供給して、ｎ型ＧａＮ系半導体領域５３が成長される。例えば、摂氏１０５０度において、原料ガスを成長炉１０に供給してＳｉドープＧａＮ層５５を成長した。この原料ガスは、例えばＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を含む。ｎ型ＧａＮ層５５の厚さは例えば５００ナノメートルである。ＧａＮ基板５１及びＧａＮ層５５は、半導体発光素子１１のための支持基体を提供できる。次いで、例えば摂氏８４０度において、原料ガスを成長炉に供給して、ＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ層５７を成長する。この原料ガスは、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を含む。ＩｎＡｌＧａＮ層５７の厚さは例えば１．５マイクロメートルである。このＩｎＡｌＧａＮ層５７は半極性面上に成長されるので、ＩｎＡｌＧａＮ層５７のｃ面は、ＧａＮ基板５１の主面５１ａの法線に対して傾斜している。しかしながら、ＩｎＡｌＧａＮ層５７が、このＩｎＡｌＧａＮ層５７と同じバンドギャップを有するＡｌＧａＮの格子定数よりＧａＮの格子定数に近い格子定数を提供するIII族組成を有する。ＩｎＡｌＧａＮ層５７の上記組成により、ミスフィット転位の導入が抑制されて、格子緩和の発生が抑制される。最良の実施例では、ＩｎＡｌＧａＮ層５７の格子定数がＧａＮに格子整合する。しかしながら、本実施例はこれに限定されるものではない。
【０１２６】
次いで、原料ガスＧ２を成長炉１０に供給して、ＩｎＡｌＧａＮ層５７上に発光層５９を形成する。まず、摂氏８４０度の基板温度で原料ガスを成長炉１０に供給して、光ガイド層６１を成長する。原料ガスは例えばＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を含む。光ガイド層６１のｃ面は、基板主面に応じて傾斜している。光ガイド層６１は例えばアンドープＩｎＧａＮ層であることができる。アンドープＩｎＧａＮ層の厚さは例えば１００ｎｍである。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は例えば０．０３である。
【０１２７】
次いで、量子井戸構造の活性層６３を成長する。障壁層成長工程では、成長温度Ｔ１の基板温度で原料ガスを成長炉に供給して、光ガイド層６１上に活性層６３の障壁層を成長する。この障壁層は例えばアンドープＧａＮからなることができ、成長温度Ｔ１は例えば摂氏８４０度であることができる。この原料ガスはＴＭＧ、ＮＨ３を含む。このＧａＮ層の厚さは１５ｎｍである。障壁層の成長後に、成長中断して温度Ｔ１から温度Ｔ２に変更する。温度Ｔ２の基板温度で原料ガスを成長炉１０に供給して、障壁層上に活性層６１の井戸層を成長する。この井戸層は例えばアンドープＩｎＧａＮからなることができ、成長温度Ｔ２は例えば摂氏７９０度であることができる。この原料ガスは、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を含むことができる。このＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍであり、Ｉｎ組成は０．１８である。この後に、障壁層及び井戸層の成長を繰り返して活性層６３の成長を完成させる。活性層６３内の井戸層及び障壁層のｃ面は、基板主面に傾斜に応じて同様に傾斜している。
【０１２８】
活性層６３の成長の後に、摂氏８４０度の基板温度で原料ガスを成長炉１０に供給して光ガイド層６５を成長する。光ガイド層６５のｃ面は、基板主面に傾斜に応じて同様に傾斜している。光ガイド層６５は例えばアンドープＩｎＧａＮ層であることができる。原料ガスは、例えば、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を含むことができる。アンドープＩｎＧａＮ層の厚さは例えば１００ｎｍである。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は例えば０．０３である。
【０１２９】
発光層５９の成長の後に、工程Ｓ１０５では、原料ガスＧ３を成長炉１０に供給して電子ブロック層６７を成長する。電子ブロック層６７は例えばＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなることができる。電子ブロック層６７がＡｌＧａＮからなるとき、基板温度は例えば摂氏１０００度であることができる。電子ブロック層６７がＩｎＡｌＧａＮからなるとき、基板温度は例えば摂氏８４０度であることができる。この基板温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であることができる。このとき、ＩｎＡｌＧａＮ電子ブロック層の成長により、活性層への熱ストレスを低減できる。
【０１３０】
工程Ｓ１０６では、原料ガスＧ４を成長炉１０に供給してｐ型クラッド層６９を成長する。ｐ型クラッド層６９は例えばＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型クラッド層６９がＡｌＧａＮからなるとき、基板温度は例えば摂氏１０００度であることができる。ｐ型クラッド層６９がＩｎＡｌＧａＮからなるとき、基板温度は例えば摂氏８４０度であることができる。この基板温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であることができる。このとき、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層６９の成長により、活性層への熱ストレスを低減できる。
【０１３１】
発光層５９を成長した後に摂氏８００度以上摂氏９００度以下の成長温度で電子ブロック層６７及びクラッド層６９を成長するので、この成長温度はＡｌＧａＮ電子ブロック層及びＡｌＧａＮクラッド層の成長温度に比べて低い。これ故に、電子ブロック層６７及びクラッド層６９の成長中の熱的ストレスが発光層５９に対して低減される。
【０１３２】
工程Ｓ１０７では、原料ガスＧ５を成長炉１０に供給してｐ型コンタクト層７１を成長する。ｐ型コンタクト層７１は例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型コンタクト層７１がＧａＮからなるとき、基板温度は例えば摂氏１０００度であることができる。電子ブロック層６７及びクラッド層６９がＩｎＡｌＧａＮからなるとき、ｐ型コンタクト層７１の基板温度は例えば摂氏８４０度であることができる。この基板温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であることができる。このとき、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮコンタクト層の成長により、活性層への熱ストレスを低減できる。
【０１３３】
ＧａＮ基板の半極性面上の活性層は、ｐ層成長時の高温に敏感であり、ｐ層成長中に劣化しやすい。ｃ面へのｐ型領域の成長に最適な温度（例えば摂氏１０００度程度）では、特に長波長の活性層を成長した際にマクロな暗領域が広がる。ここで、暗領域は蛍光顕微鏡像における非発光領域を意味する。ｐ層成長温度を下げること、或いは低いｐ層成長温度の期間を増やすことにより、ｐ層成長時の高温による暗領域の広がりを防ぐことができた。
【０１３４】
工程Ｓ１０８では、窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハＥを成長炉１０から取り出す。このエピタキシャル基板Ｅは、基板５１と、この基板５１のＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層５７と、ＩｎＡｌＧａＮ層５７上のＩｎＧａＮ層を含む発光層５９と、発光層５９上のｐ型窒化ガリウム系半導体層７１とを備える。ＩｎＡｌＧａＮ層５７のｃ面は、ＧａＮ基板５１の主面５１ａの法線軸に対して傾斜している。
【０１３５】
このエピタキシャル基板Ｅでは、発光層５９のＩｎＧａＮ層とＧａＮ基板５１との間にＩｎＡｌＧａＮ層５７が設けられている。このＩｎＡｌＧａＮ層５７のバンドギャップが六方晶系ＧａＮのバンドギャップ以上であるので、発光層６１へのキャリアと光の閉じ込め効果が提供される。また、ＩｎＡｌＧａＮ層５７の厚さが量子井戸構造よりも厚いので、ＩｎＡｌＧａＮ層５７と同等のバンドギャップを有するＡｌＧａＮであればミスフィット転位が発生しやすい。ＩｎＡｌＧａＮ層５７のｃ面が法線軸に対して傾斜しているけれども、四元系ＩｎＡｌＧａＮ層の組成に基づく格子定数の調整により、ｃ面を主とするすべり面によるミスフィット転位の密度がＡｌＧａＮに比べて低減される。
【０１３６】
このエピタキシャル基板Ｅはｐ型窒化ガリウム系半導体層７１と発光層５９との間に設けられた電子ブロック層６７を更に備えることができる。電子ブロック層６７はＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ層からなることができる。このＩｎＡｌＧａＮ層のｃ面は上記の法線軸に対して傾斜している。この四元系ＩｎＡｌＧａＮ層から電子ブロック層６７がなるので、電子ブロック層６７と発光層５９との接合において、ミスフィット転位が低減される。
【０１３７】
また、このエピタキシャル基板Ｅはｐ型窒化ガリウム系半導体層７１と発光層５９との間に設けられたｐ型クラッド層６９を更に備えることができる。ｐ型クラッド層６９はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層からなることができる。このＩｎＡｌＧａＮ層のｃ面は上記の法線軸に対して傾斜している。四元系ＩｎＡｌＧａＮ層からクラッド層６９がなるので、クラッド層６９と電子ブロック層６７との接合において、ミスフィット転位が低減される。また、電子ブロック層６７とｐ型クラッド層６９の間に、さらに光ガイド層を備えても良い。この場合、四元系ＩｎＡｌＧａＮ層からクラッド層６９がなるので、クラッド層６９と光ガイド層との接合において、ミスフィット転位が低減される。
【０１３８】
次いで、このエピタキシャル基板Ｅのｐ型ＧａＮコンタクト層７１上にｐ電極（Ｎｉ／Ａｕ）及びｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成すると共に、ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）をＧａＮ基板５１の研磨裏面に形成する。この後に、電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）で行う。これの工程により、窒化物半導体発光素子が得られる。
【０１３９】
（実施例１）
（２０−２１）面の主面を有する半極性ＧａＮ基板８０を準備した。（２０−２１）面は、ｃ面を基準にしてｍ軸方向に７５度の角度で傾斜する。このＧａＮ基板８０上に、図９に示される半導体レーザ構造のためのエピタキシャル積層構造を有機金属気相成長法で作製した。成長炉にアンモニア及び水素を供給して、摂氏１０５０度の基板温度でＧａＮ基板８０を熱処理した。熱処理時間は約１０分であった。この前処理（サーマルクリーニング）を行った後に、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を成長炉に供給して、摂氏１０５０度でＧａＮ基板８０上にＳｉドープｎ型ＧａＮ層８１を成長した。ＧａＮ層８１の表面も半極性を示す。ＧａＮ層８１の表面の法線ベクトルＶＮはｃ軸ベクトルＶＣ０に対して傾斜している。基板温度を摂氏８４０度に変更した後に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を成長炉に供給して、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層８１上にＩｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層８２を成長した。このクラッド層８２の厚さは１．５μｍであった。Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎのバンドギャップエネルギは約３．５４エレクトロンボルト（ｅＶ）である。Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９ＮはＧａＮにほぼ格子整合する。ｎ型クラッド層８２のｃ面は、ＧａＮ層８１の表面の法線ベクトルＶＮに対して傾斜している。これ故に、このクラッド層８２にはｃ面をすべり面としてミスフィット転位が生成され得る。しかしながら、四元系窒化ガリウム系半導体の利用により、ミスフィット転位が低減される。
【０１４０】
この後に、発光層を成長した。最初に、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ３を成長炉に供給して、摂氏８４０度で、ｎ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎ層８２上にアンドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層８３ａを成長した。この光ガイド層８３ａの厚さは１００ｎｍであった。この光ガイド層８３ａ上に活性層８４を形成した。まず、摂氏８４０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ層８３ａ上にＧａＮ障壁層８４ａを成長した。この障壁層８４ａの厚さは１５ｎｍであった。次に、摂氏７９０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ井戸層８４ｂをＧａＮ障壁層８４ａ上に成長した。この井戸層８４ｂの厚さは３ｎｍであった。同様にして障壁層８４ａ及び井戸層８４ｂの成長を繰り返して、活性層８４を形成した。次いで、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ３を成長炉に供給して、摂氏８４０度で、活性層８４上にアンドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層８３ｂを成長した。この光ガイド層８３ｂの厚さは１００ｎｍであった。
【０１４１】
基板温度を摂氏１０００度に変更した後に、光ガイド層８３ｂ上にｐ型窒化ガリウム系半導体領域８５を成長した。まず、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＮＨ３を成長炉に供給して、光ガイド層８３ｂ上にＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層８５ａを成長した。電子ブロック層８５ａの厚さは２０ｎｍであった。基板温度を変更することなく、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３及びＣｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、電子ブロック層８５ａ上に、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層８５ｂを成長した。また、基板温度を変更することなく、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＣｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型クラッド８５ｂ上に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層８５ｃを成長した。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＰ１が作製された。フォトルミネッセンス（ＰＬ）波長のピーク波長は４５０ｎｍ帯にあった。
【０１４２】
同様に、（２０−２１）面の主面を有する半極性ＧａＮ基板８０を準備した。このＧａＮ基板８０上に、図１０に示される半導体レーザ構造のためのエピタキシャル積層構造を有機金属気相成長法で作製した。エピタキシャル積層構造では、Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層８２に替えて、摂氏１０５０度で、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層８１上にＳｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層８９を成長した。このクラッド層８９の厚さは１．５μｍであった。ｎ型クラッド層８９のｃ面は、ＧａＮ層８１の表面の法線ベクトルＶＮに対して傾斜している。これ故に、このクラッド層８２にはｃ面をすべり面としてミスフィット転位が生成され得る。Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮとＧａＮとの格子不整合率は０．２％であった。Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのバンドギャップエネルギは約３．５４エレクトロンボルト（ｅＶ）である。
【０１４３】
この後のエピタキシャル成膜は、上記と同様の成長条件で行った。摂氏８４０度で、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８９上にアンドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層９０ａを成長した。この光ガイド層９０ａの厚さは１００ｎｍであった。この光ガイド層９０ａ上に活性層９１を形成した。ＧａＮ障壁層９１ａの成長温度は摂氏８４０度であり、この障壁層９１ａの厚さは１５ｎｍであった。井戸層９１ｂの成長温度は摂氏７９０度であり、この井戸層９１ｂの厚さは３ｎｍであった。活性層９１上にアンドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層９０ｂを成長した。この光ガイド層９０ｂの厚さは１００ｎｍであった。摂氏１０００度の基板温度で、光ガイド層９０ｂ上に、Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層９３ａ、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層９３ｂ、及びＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層９３ｃを成長した。エピタキシャル基板ＥＣ１が作製された。フォトルミネッセンス（ＰＬ）波長のピーク波長は４５０ｎｍ帯にあった。
【０１４４】
エピタキシャル基板ＥＰ１、ＥＣ１上に、１０μｍ幅のストライプ窓を有するシリコン酸化膜８６を形成した後に、Ｎｉ／Ａｕ電極をｐ型窒化ガリウム系半導体領域８５、９３の上面に形成した。また、ＧａＮ基板８０の裏面上にＴｉ／Ａｌ電極８７ｂを形成した。これらの工程により、基板生産物が作製された。
【０１４５】
電極形成の後に、この基板生産物を８００μｍの間隔でａ面へき開を行って、光共振器を形成した。また、へき開端面には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層膜を形成して、ゲインガイド型半導体レーザＬＤ１、ＬＤＣを作製した。
【０１４６】
ゲインガイド型半導体レーザＬＤ１のしきい値電流は７００ｍＡあった。一方、ゲインガイド型半導体レーザＬＤＣのしきい値電流は９００ｍＡであった。
【０１４７】
エピタキシャル基板ＥＰ１、ＥＣ１を用いて、Ｘ線逆格子マッピング測定を行った。この測定結果は、厚いｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層が格子緩和していることを示していた。格子緩和の発生により、界面ＪＣ１には、ミスフィット転位ＭＦが生成された。
【０１４８】
一方、厚いＩｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎ層には緩和は生じていなかった。この理由は、ｎ型四元系クラッド層がＧａＮに近い格子定数を有するからである。本実施例では、意図的に組成を選択して、ＧａＮにほぼ格子整合するＩｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎ層を成長した。この結果は、緩和しないｎ型クラッド層の発光層は発光効率に優れ、低いしきい値電流を示した。
【０１４９】
（実施例２）
同様に、（２０−２１）面の主面を有する半極性ＧａＮ基板８０を準備した。このＧａＮ基板８０上に、図１１に示される半導体レーザ構造のためのエピタキシャル積層構造を有機金属気相成長法で作製した。エピタキシャル積層構造では、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域８５に替えて、摂氏８４０度で発光層上にｐ型窒化ガリウム系半導体領域９４を成長した。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域９４の成長では、順に、Ｉｎ０．０２Ａｌ０．１６Ｇａ０．８２Ｎ電子ブロック層９４ａ、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層９４ｂ、及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層９４ｃを成長した。例えば、Ｉｎ０．０２Ａｌ０．１６Ｇａ０．８２Ｎの格子不整合率は約０．２７％であり、Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９ＮはＧａＮにほぼ格子整合する。電子ブロック層９４ａの厚さは２０ｎｍであり、ｐ型クラッド層９４ｂの厚さは４００ｎｍであり、ｐ型コンタクト層９４ｃの厚さは５０ｎｍであった。四元系ＩｎＡｌＧａＮを用いることによって、比較的低い成長温度で、良好な結晶性の電子ブロック層を成長できる。摂氏１０００度よりも低い成長温度でｐ型窒化ガリウム系半導体領域９４を成長できるので、発光層への熱的なストレスを低減できる。
【０１５０】
エピタキシャル基板ＥＰ２上に、１０μｍ幅のストライプ窓を有するシリコン酸化膜８６を形成した後に、Ｎｉ／Ａｕ電極をｐ型窒化ガリウム系半導体領域９４の上面に形成した。また、ＧａＮ基板８０の研磨裏面上にＴｉ／Ａｌ電極８７ｂを形成した。これらの工程により、基板生産物が作製された。電極形成の後に、この基板生産物を８００μｍの間隔でａ面へき開を行って、光共振器を形成した。また、へき開端面には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層膜を形成して、ゲインガイド型半導体レーザＬＤ２を作製した。ゲインガイド型半導体レーザＬＤ２のしきい値電流は６００ｍＡあった。低いしきい値電流の理由を以下に示す：ｐ型クラッド層をＧａＮにほぼ格子整合させることによって転位を低減できた；発光層上のｐ型半導体領域を発光層と同程度の低い成長温度で成膜して発光層への熱的なダメージを低減できた。
【０１５１】
図１０を参照しながら、ミスフィット転位について説明する。半導体レーザＬＤＣは、接合ＪＣ１〜ＪＣ６を有する。
【０１５２】
接合ＪＣ１〜ＪＣ３を説明する。ミスフィット転位は、接合ＪＣ１〜接合ＪＣ３のうち接合ＪＣ１に最も導入されやすく、接合ＪＣ３に最も導入されにくい。ヘテロ界面における格子定数差によれば接合ＪＣ２における格子定数差が接合ＪＣ１〜ＪＣ３のうち最も大きいけれども、ｎ型ＡｌＧａＮ層８９が厚いこと、ＡｌＧａＮにおけるＡｌ−Ｎ結合が強固であることにより、ミスフィット転位は、接合ＪＣ１に導入されやすい。接合ＪＣ１の転位密度は例えば１０５ｃｍ−１以上であった。
【０１５３】
半極性面上のｎ型ＡｌＧａＮ層におけるｃ軸の傾斜により、ｃ面が最も活性なすべり面となる。このため、接合ＪＣ１では、ｍ軸及びｃ軸により規定される面内において格子緩和が生じやすく、ａ軸及びｃ軸により規定される面内において格子緩和が生じ難い。これ故に、ミスフィット転位はａ軸の方向に延在する。したがって、異方的な格子緩和が生じる。
【０１５４】
ミスフィット転位の導入により、ｎ型ＡｌＧａＮ層に格子緩和が生じる。ｎ型ＡｌＧａＮ層の歪みが部分的に開放されて、このｎ型ＡｌＧａＮ層はＡｌ組成固有の格子定数に近い格子定数を有する。つまり、発光層下地のＡｌＧａＮの格子定数は、その格子緩和により小さくなる。この結果、ｎ型ＡｌＧａＮ層から発光層に加わる圧縮歪みが増大する。接合ＪＣ１にミスフィット転位が導入されるとき、発光層への圧縮歪みが発光効率を低下させていると考えられる。
【０１５５】
接合ＪＣ２及びＪＣ３は発光層に近く、接合ＪＣ２及びＪＣ３における転位は非発光中心として作用して、この結果、発光効率の低下やキャリアの注入効率を低下させる。
【０１５６】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層に替えて四元系ＩｎＡｌＧａＮ層を用いることによって、四元系ＩｎＡｌＧａＮ層と下地ＧａＮ層との接合におけるミスフィット転位密度が５×１０４ｃｍ−１以下にまで低減される。
【０１５７】
接合ＪＣ４〜ＪＣ６を説明する。ミスフィット転位は、接合ＪＣ４〜接合ＪＣ６のうち接合ＪＣ５に最も導入されやすく、接合ＪＣ６に最も導入されにくい。ヘテロ界面における格子定数差が大きいので、ミスフィット転位は、接合ＪＣ５に導入されやすい。図１０に示された電子ブロック層はＧａＮに格子整合しない。これ故に、接合ＪＣ５の転位密度は例えば１．５×１０５ｃｍ−１以上であった。
【０１５８】
ｐ型半導体領域においては、発光層の近くの接合ＪＣ５にミスフィット転位が導入される。これらの転位が非発光中心として作用するとき、発光効率の低下やキャリアの注入効率を低下させる。
【０１５９】
ＩｎＡｌＧａＮ電子ブロック層だけでなく、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層に替えてｐ型四元系ＩｎＡｌＧａＮクラッド層を用いることによってｐ型クラッド層をＧａＮの格子定数に近づけることができる。例えばｐ型クラッド層がＧａＮに格子整合するとき、ｐ型四元系ＩｎＡｌＧａＮクラッド層と四元系ＩｎＡｌＧａＮ電子ブロック層との接合におけるミスフィット転位密度を５×１０４ｃｍ−１以下にまで低減できる。また、四元系ＩｎＡｌＧａＮ電子ブロック層がＧａＮに格子整合するとき、ｐ型四元系ＩｎＡｌＧａＮクラッド層と四元系ＩｎＡｌＧａＮ電子ブロック層との接合におけるミスフィット転位密度を更に低減できる。
【０１６０】
（実施例３）
（２０−２１）面の主面を有する半極性ＧａＮ基板上に、５２０ｎｍ帯のレーザ構造を作製した。これまでの実施例と同様に、（２０−２１）面の主面を有する半極性ＧａＮ基板８０を準備した。このＧａＮ基板８０上に、図１２に示される半導体レーザ構造ＬＤ３のためのエピタキシャル積層構造ＥＰ３を有機金属気相成長法で作製した。半極性ＧａＮ基板８０を摂氏１０５０度で、アンモニア及び水素の雰囲気中、１０分間の熱処理を行った後に、以下のエピタキシャル積層構造ＥＰ３を作製した。半極性ＧａＮ基板８０上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０１を成長した。この厚さは５００ｎｍであった。次いで、基板温度を摂氏８４０度に変更した後に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０１上にＩｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層１０２を成長した。このクラッド層１０２の厚さは１．５μｍであった。Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９ＮはＧａＮにほぼ格子整合する。この後に、発光層を成長した。摂氏８４０度で、ｎ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎ層１０２上にアンドープＩｎＺＧａ１−ＺＮ光ガイド層１０３ａを成長した。いくつかのＩｎ組成の光ガイド層１０３ａを成長した。この光ガイド層１０３ａの厚さは２００ｎｍであった。この光ガイド層１０３ａ上に活性層１０４を形成した。まず、摂氏８４０度の基板温度で、アンドープＩｎＧａＮ層１０３ａ上にＧａＮ障壁層１０４ａを成長した。この障壁層１０４ａの厚さは１５ｎｍであった。次に、摂氏７４０度の基板温度で、アンドープＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ井戸層１０４ｂをＧａＮ障壁層１０４ａ上に成長した。この井戸層１０４ｂの厚さは３ｎｍであった。必要な場合には、同様にして障壁層１０４ａ及び井戸層１０４ｂの成長を繰り返して、活性層１０４を形成した。次いで、摂氏８４０度で、活性層８４上にアンドープＩｎＺＧａ１−ＺＮ光ガイド層１０３ｂを成長した。この光ガイド層１０３ｂの厚さは２００ｎｍであった。基板温度を摂氏１０００度に変更した後に、光ガイド層１０３ｂ上にｐ型窒化ガリウム系半導体領域１０５を成長した。まず、光ガイド層１０３ｂ上にＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層１０５ａを成長した。電子ブロック層１０５ａの厚さは２０ｎｍであった。基板温度を摂氏８４０に変更した後に、電子ブロック層１０５ａ上に、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層１０５ｂを成長した。この厚さは４００ｎｍであった。次いで、ｐ型クラッド１０５ｂ上に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１０５ｃを成長した。この厚さは５０ｎｍであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＰ３が作製された。
【０１６１】
さらに、ＧａＮ基板８０上に、図１３に示される半導体レーザ構造ＬＤＣ３のためのエピタキシャル積層構造ＥＰＣ３を有機金属気相成長法で作製した。このエピタキシャル積層構造ＥＰＣ３の作製において、Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層１０２に替えて、ＧａＮ基板８０上にＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層１０２ｃを成長した。また、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層１０５ｂに替えて、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層１０５ｄを電子ブロック層１０５ａ上に成長した。
【０１６２】
エピタキシャル基板ＥＰ３、ＥＰＣ３上に、１０μｍ幅のストライプ窓を有するシリコン酸化膜８６を形成した後に、Ｎｉ／Ａｕ電極をｐ型窒化ガリウム系半導体領域９４の上面に形成した。また、ＧａＮ基板８０の研磨裏面上にＴｉ／Ａｌ電極８７ｂを形成した。これらの工程により、基板生産物が作製された。電極形成の後に、この基板生産物を８００μｍの間隔でａ面へき開を行って、光共振器を形成した。また、へき開端面には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層膜を形成して、ゲインガイド型半導体レーザＬＤ３、ＬＤＣ３を作製した。
【０１６３】
半導体レーザＬＤ３、ＬＤＣ３の自然放出光（ＬＥＤモードにおける発光）を測定した。図１４は、光ガイド層のＩｎ組成と自然放出光の強度との関係を示す図面である。
Ｉｎ組成、ＬＤ３  、ＬＤＣ３
０．０１、１．００、０．８０；
０．０２、０．９３、０．４０；
０．０３、０．７９、０．４０；
０．０４、０．７９、０．２４；
０．０５、０．７１；
０．０６、０．５７。
光ガイド層のＩｎ組成を増加させたとき、自然放出光の強度が低下する。半導体レーザＬＤ３の強度低下は、半導体レーザＬＤＣ３の強度低下に比べて小さい。この差異は、以下のように理解される。半導体レーザＬＤＣ３においてはＡｌＧａＮクラッド層が格子緩和しており、ＡｌＧａＮ層では、光ガイド層のＩｎ組成の増大において格子不整がＩｎＡｌＧａＮ層に比べて大きくなることに起因すると考えられる。断面ＴＥＭにより、エピタキシャル積層構造ＥＰ３、ＥＰＣ３におけるミスフィット転位密度を測定した。
接合ＪＣ７：２×１０５ｃｍ−１；
接合ＪＣ８：２×１０５ｃｍ−１；
接合ＪＣ９：５×１０５ｃｍ−１；
接合Ｊ１０：２×１０４ｃｍ−１。
【０１６４】
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】
【０１６５】
１０…成長炉、１１…窒化物半導体発光素子、１３…支持基体、１３ａ…半極性主面、１５…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、１７…発光層、１９…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、２３…量子井戸構造、２３ａ…井戸層、２３ｂ…障壁層、ＶＮ…法線ベクトル、Ｃｘ…基準軸、α…傾斜角、２１…ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ層、２７…電子ブロック層、２９…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、Ｄ２１…ＩｎＡｌＧａＮ層の厚さ、Ｄ２３…量子井戸構造の厚さ、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３…ｃ面、Ａｘ…法線軸、３１…活性層、３３…ｐ型窒化ガリウム系半導体クラッド層、３５…ｐ型窒化ガリウム系半導体コンタクト層、３７、３９…光ガイド層、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３…接合、ＬＶＣ０、ＬＶＣ１、ＬＶＣ２、ＬＶＣ３…格子ベクトル、４１、４５…電極、４３…絶縁体層、５１…ＧａＮ基板、５１ａ…半極性主面、５３…ｎ型ＧａＮ系半導体領域、５５…ｎ型ＧａＮ層、５７…ＩｎＡｌＧａＮ層、５９…発光層、６１…光ガイド層、６３…活性層、６５…光ガイド層、６７…電子ブロック層、６９…ｐ型クラッド層、７１…ｐ型コンタクト層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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