(57)【要約】【課題】無極性面の主面を有する窒化物系半導体結晶基板を含む窒化物系半導体発光素子の動作特性を改善する。【解決手段】窒化物系半導体発光素子は、窒化物系半導体結晶の基板とこの基板の一主面上に形成された窒化物系半導体結晶の半導体積層構造とを含み、この半導体積層構造はｎ型層とｐ型層とに挟まれた発光層を含み、基板の主面は窒化物系半導体結晶の｛１０−１０｝面を基準として＜０００１＞軸の周りに−０．５°以上−０．０５°以下または＋０．０５°以上＋０．５°以下の角度だけ回転させられた傾斜面を有していることを特徴としている。【選択図】図６
2010016092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系半導体結晶の基板と、この基板の一主面上に形成された窒化物系半導体結晶の半導体積層構造とを含み、
前記半導体積層構造はｎ型層とｐ型層とに挟まれた発光層を含み、
前記基板の前記主面は窒化物系半導体結晶の｛１０−１０｝面を基準として＜０００１＞軸の周りに−０．５°以上−０．０５°以下または＋０．０５°以上＋０．５°以下の角度だけ回転させられた傾斜面を有していることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記窒化物系半導体発光素子は共振器を含むレーザ素子であって、前記共振器の長手方向が＜０００１＞方向に平行であり、前記共振器の両端面は｛０００１｝面であることを特徴とする積層構造に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系半導体発光素子に関し、特に窒化物系半導体結晶の基板を含む窒化物系半導体発光素子の特性改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、大容量記録を目的として窒化物系半導体レーザを利用する光ディスクシステムが実用段階に入っている。これらの光ディスクシステムにおいては、高密度記録（二層ディスク対応）や２倍速以上の高速書込みを可能とするために、信頼性の高い高出力青色発光半導体レーザが必要とされている。また、光照明またはプロジェクタ等のディスプレイにおいても、窒化物半導体を利用した発光素子が求められている。光ディスク用としては波長４０５ｎｍ近傍の青紫色レーザが適し、ディスプレイ用としては波長４４５ｎｍ近傍の純青および波長５５０ｎｍ近傍の純緑のレーザおよびＬＥＤ（発光ダイオード）が適しており、そして照明用としては波長４０５ｎｍ近傍および４５０ｎｍ近傍のレーザおよびＬＥＤが適している。
【０００３】
このような状況において、例えば非特許文献１のＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７−Ｌ６５０は、窒化物系半導体結晶基板上に形成されていて波長４０５ｎｍの光を射出し得る窒化物系半導体レーザを開示している。また、特許文献１の特開２００４−８７５６５号公報においては、窒化物系半導体結晶基板上に形成されていて波長４５０ｎｍの光を射出し得る窒化物系半導体レーザが開示されている。
【０００４】
図１は窒化物系半導体結晶基板を含む窒化物系半導体レーザ素子における典型的な積層構造の一例を示す正面図であり、図２は図１のレーザ素子の左側面図である。このレーザ素子において、ｎ型ＧａＮ基板上１０１には、ｎ型ＧａＮ層１０２、光閉じ込め作用を担うｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、活性層近傍へ光を分布させるｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、互いにＩｎ組成比（III族元素中のＩｎの比率）の異なるＩｎＧａＮからなる複数の量子井戸層と複数の障壁層とを含む多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層１０５、この活性層へのキャリア閉じ込め効率を向上させるｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０６、活性層近傍へ光を分布させるｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７、光閉じ込め作用を担うｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が順次エピタキシャル成長によって積層されている。
【０００５】
また、図１と図２に示されたレーザ素子は、通常はＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングによって形成されるストライプ状リッジ１１０を含んでいる。このストライプ状リッジは、共振器の横方向内に光を閉じ込める作用を生じる。エッチングによって露出されたｐ型クラッド層１０８の上面とリッジ１１０の側面は、絶縁膜１１１によって覆われている。そして、リッジ１１０の頂面におけるｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を覆うように正電極１１２が真空蒸着され、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面上には負電極１１３が真空蒸着されている。
【０００６】
これらの正電極１１２と負電極１１３が形成された後において、図１に見られる積層体は、共振器の両端面を形成するように、その奥行き方向に数百μｍの長さで劈開されている。図２に示されているように、その共振器の前方端面には反射率を調整するための誘電体多層膜からなるＡＲ（反射防止）コート膜１１４が真空蒸着によって形成され、共振器の後方端面には誘電体多層膜からなるＨＲ（高反射）コート膜１１５が真空蒸着によって形成されている。レーザ光は、共振器端面のうちでＡＲコート膜１１４が形成されている前方端面から射出される。
【０００７】
共振器の両端面上にコート膜が形成された後にチップ化されて、図１および図２に示されているようなレーザチップが得られる。このようなレーザチップは、通常は動作時の放熱のために熱伝導率の高いサブマウント上にマウントされ、さらにステム上に封入されて半導体レーザ装置が完成する。
【０００８】
ところで、ディスプレイ用や照明用の光源としては、青から緑に渡る比較的長波長の領域において、高出力、高効率、および長寿命で発光し得る半導体発光素子が求められている。これらの用途の半導体発光素子においては、光ディスク用途の半導体発光素子に比べて長波長で発光させるので、窒化物系半導体の発光層（活性層）中のＩｎ組成比を高くする必要がある。また、高出力化および高効率化のためには、発光層中において非発光中心となる欠陥の低減や駆動電圧の低減などが必要となる。
【０００９】
図３の模式的斜視図は、発光素子に利用される六方晶の窒化物系半導体結晶の主要な結晶軸と結晶面を示している。この図において、六角柱の上面と下面は結晶学的な｛０００１｝面であり、Ｃ面とも略称される。この｛０００１｝面に垂直な軸は＜０００１＞軸であり、Ｃ軸とも略称される。六角柱の側面は｛１０−１０｝面であり、Ｍ面とも略称される。この｛１０−１０｝面に直交する軸は＜１０−１０＞軸であり、Ｍ軸とも略称される。六角形のＣ面の中心から頂点を通る軸は＜１１−２０＞軸であり、Ａ軸とも略称される。そして、この＜１１−２０＞軸に直交する面は｛１１−２０｝面であり、Ａ面とも略称される。図６から分かるように、六方晶の窒化物系半導体結晶おいて、Ｃ軸、Ｍ軸、およびＡ軸は互いに直交している。
【００１０】
図４は、Ｃ面の主面を有する慣用的な窒化物系半導体結晶基板を模式的斜視図で示している。このようなＣ面の主面を有する慣用的なＧａＮ基板（Ｃ面ＧａＮ基板とも略称される）上にＩｎを含む発光層を有する窒化物系半導体発光素子が形成されている場合、発光層内の格子歪によってピエゾ電界が生じることが知られている。このピエゾ電界が生じる原因は、Ｃ面に平行な原子面としてIII族元素の原子面とＶ族元素の原子面とがＣ軸方向へ交互に積層されていることによる。このことから、窒化物系半導体結晶のＣ面は極性面と呼ばれる。
【００１１】
極性を有するＣ面ＧａＮ基板を利用した窒化物系半導体発光素子においては、その出力、効率、および信頼性が低下する傾向にある。この原因として、発光層における結晶品質の影響とピエゾ電界による空間的なキャリア分離が考えられている。より具体的には、窒化物系半導体層間の組成比の相違に起因する格子不整合による応力で生じるピエゾ電界は、発光層において価電子帯と伝導帯を傾斜させる。したがって、発光層に注入されたキャリアである電子と正孔は、それぞれに対して最も低いポテンシャルの領域へ空間的に分離された状態で局在し、キャリアの発光再結合の効率低下を招く。また、発光層内の注入キャリア密度の増大に伴ってピエゾ電界が遮蔽され、これによって発光波長のシフトを生じる問題がある。
【特許文献１】特開２００４−８７５６５号公報
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７−Ｌ６５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のような極性ＧａＮ基板に由来する問題を回避するために、最近では無極性ＧａＮ基板を利用する窒化物系半導体レーザ素子が研究されて開発されている。無極性ＧａＮ基板としては、極性面であるＣ面に直交する無極性面であるＭ面の主面を有する窒化物系半導体結晶基板（Ｍ面基板とも略称する）を利用することができる。
【００１３】
図５は、Ｍ面の主面を有する窒化物系半導体結晶基板を模式的斜視図で示している。本発明者達は、図５に示されているような先行技術による無極性Ｍ面基板上に発光素子用の窒化物系半導体積層構造を結晶成長させた場合に、その上面が平坦化せずに比較的大きな凹凸を含みやすい傾向があることを見出した。より具体的には、Ｍ面基板上に発光素子用の窒化物系半導体積層構造を結晶成長させた場合に、その上面において算術平均粗さＲａが２０ｎｍ程度から２００ｎｍ程度に及ぶ大きな凹凸を生じ得る。レーザ素子表面におけるこのような凹凸は共振器内の光散乱を生じさせる原因になり得て、レーザ素子の閾値電流やスロープ効率（電流増加分ΔＩによる光出力増加分ΔＰの比率ΔＰ／ΔＩ）を悪化させる要因となり得る。したがって、無極性窒化物系半導体結晶基板を利用して窒化物系半導体発光素子を作製する場合、その発光素子の上面における平坦性の改善が望まれる。
【００１４】
このような先行技術における状況に鑑み、本発明は、無極性面の主面を有する窒化物系半導体結晶基板を含む窒化物系半導体発光素子の動作特性を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明による窒化物系半導体発光素子は、窒化物系半導体結晶の基板とこの基板の一主面上に形成された窒化物系半導体結晶の半導体積層構造とを含み、この半導体積層構造はｎ型層とｐ型層とに挟まれた発光層を含み、基板の主面は窒化物系半導体結晶の｛１０−１０｝面を基準として＜０００１＞軸の周りに−０．５°以上−０．０５°以下または＋０．０５°以上＋０．５°以下の角度だけ回転させられた傾斜面を有していることを特徴としている。
【００１６】
なお、このような窒化物系半導体発光素子は共振器を含むレーザ素子であり得て、その共振器の長手方向が＜０００１＞方向に平行であり、共振器の両端面は｛０００１｝面であり得る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、窒化物系半導体発光素子の上面の凹凸発生を抑制して、その発光素子の動作特性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
図６は、本発明の実施形態１による窒化物系半導体発光素子の作製に利用し得る窒化物系半導体結晶基板の一例を模式的斜視図で示している。この基板の上側主面は、｛１０−１０｝面（Ｍ面）を基準として＜０００１＞軸（Ｃ軸）の周りに微小角θだけ回転された傾斜面（以下、これをＭθ面と称す）を有している。このような基板は、以下においてＭθ面窒化物系半導体結晶基板とも称される。
【００１９】
図１と図２は、本発明の実施形態１による窒化物系半導体発光素子の積層構造に関しても参照することができる。本実施形態１による発光素子の作製においては、ｎ型のＭθ面ＧａＮ基板１０１上に、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮ層１０２、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド１０３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層１０４、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＮ障壁層と厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とが交互にそれぞれ４層と３層まで積層されたＭＱＷ活性層１０５、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０６、厚さ０．０８μｍのｐ型ＧａＮガイド層１０７、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層１０８、および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９がＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）によって順次に積層される。
【００２０】
なお、ＭＱＷ活性層１０５は、本実施形態１では障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で形成されるが、井戸層と障壁層の積層数は特に限定されず、井戸層／障壁層／井戸層／障壁層・・・／井戸層のように井戸層で始まって井戸層で終了する構造を採用することもできる。
【００２１】
窒化物系半導体結晶成長用の原料としては、Ｖ族である窒素源としてＮＨ3（アンモニア）を用いた。またIII族元素であるＧａ、ＩｎおよびＡｌの原料として、それぞれＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いた。各窒化物系半導体層に関して、結晶成長速度はIII族原料の供給量の調整によって制御可能であり、混晶組成比（混晶中のIII族元素間の比率）は２種以上のIII族元素原料の供給比率の調整によって制御可能である。
【００２２】
例えば、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎの混晶を成長させる場合、原理的には気相比２ＴＭＡ／（２ＴＭＡ＋ＴＭＧ）を０．０５にすればよい。実際には、気相中での反応および原料利用効率などに影響されて、目的とするＡｌ組成比に対して原理的気相比より大きな気相比が必要となる。また、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎを得る場合には、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ用の原料供給条件に対して、気相比２ＴＭＡ／（２ＴＭＡ＋ＴＭＧ）を倍にすればよい。この場合も、実際の結晶成長では、気相反応などの影響によって、原理的気相比より大きな気相比が必要となる。なお、気相比の式においてＴＭＡ供給量をＴＭＧに比べて２倍する理由は、ＴＭＡが２量体であることによる。ＴＭＩの場合には、原理的な気相比はＴＭＩ／（ＴＭＩ＋ＴＭＧ）で表される。また、気相比と混晶組成比は比例関係にあるが、通常は、それらの関係を示すグラフにおいて混晶組成比に対して切片を持つ。これは、ほとんどの場合に、気相反応によって混晶組成として取り込まれない原料部分が存在することによる。すなわち、気相反応によって消費される量以上に原料を供給して初めて混晶組成として取り込まれる。
【００２３】
窒化物系半導体用のｎ型不純物としては通常はＳｉが用いられ、その不純物濃度は通常では１０18ｃｍ-3のオーダである。窒化物系半導体結晶中のｎ型不純物は結晶成長したままの状態において常温下でほぼ１００％活性化していることが知られており、ｎ型キャリア濃度はほぼ不純物濃度に等しい。ｎ型不純物としては、Ｓｉの他にもＣ、ＧｅおよびＯを用いることができる。また、窒化物系半導体用のｐ型不純物としては通常はＭｇが用いられるが、ＺｎまたはＢｅであってもよく、これらの混合であってもよい。Ｍｇは、通常はＣｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）またはＥｔＣｐ2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）として結晶成長中に供給される。
【００２４】
窒化物半導体結晶中のｐ型不純物は、結晶成長したままではＨが結合して不活性化されている。したがって、ｐ型不純物を活性化するために、結晶成長後に熱処理または電子線処理が施される。ｐ型不純物の一般的な活性化はより生産に適した熱処理によって行われ、熱処理温度は８００℃〜９００℃程度であって、熱処理時間は最大で３０分程度である。その熱処理の雰囲気は、Ｎ2ガスまたはＮ2とＯ2の混合ガスである。この混合ガスを用いる場合、Ｏ2濃度は最大でも一桁％オーダである。
【００２５】
ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層１０８とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９はＲＩＥまたはＩＣＰ（誘導結合プラズマ）などによって部分的にドライエッチングされ、ストライプ状リッジ１１０が形成される。エッチングによって露出されたｐ型クラッド層１０８の上面とリッジ１１０の側面は、絶縁膜（ＳｉＯ2、ＺｒＯ2など）１１１によって覆われる。そして、リッジ１１０の頂面におけるｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を覆うように正電極１１２が真空蒸着される。
【００２６】
その後、Ｍθ面ＧａＮ基板１０１が１００μｍ程度の厚さになるまで、その下面が研削または研磨される。この研削または研磨によってＭθ面ＧａＮ基板１０１の下面にできたダメージ層は、ＲＩＥなどの気相エッチングで除去される。そして、基板１０１のエッチングされた下面上に、負電極（Ｔｉ／Ａｌ）１１３がＥＢ（電子ビーム）蒸着によって形成される。負電極１１３が形成されたウエハは、共振器の両端面を形成するようにバー状に切断される。こうして得られた共振器の両端面上に、図２に見られるようなＡＲコート膜１１４とＨＲコート膜１１５とが形成される。
【００２７】
本実施形態で使用されたＭθ面基板においては、図６に示された回転角θが０．５°に設定された。すなわち、本実施形態で使用されたＭθ面基板は、Ｃ軸に直交する方向においてＭ面に対して０．５°傾斜された上側主面を有している。このように極性面のＣ面に直交する非極性面のＭ面に対して小さな傾斜角を有するＭθ面も、Ｍ面と同様に非極性面である。なお、本実施形態による窒化物系半導体発光素子は、発振波長が４５０ｎｍの純青色光になるように設計された。このために必要な井戸層のＩｎ組成比は２０％程度である。
【００２８】
本実施形態においてＭθ面基板を用いて得られた窒化物系半導体発光素子の特性は、先行技術によるＭ面基板と従来から慣用的なＣ面基板とを用いて作製された窒化物系半導体発光素子の特性と比較された。この場合に、異なる基板を用いて作製される窒化物系半導体発光素子は、それぞれ個別のＭＯＣＶＥによって作製された。なぜならば、基板の主面方位に依存して各窒化物系半導体層の成長速度と混晶組成が影響を受けるので、同一反応室内における同時のＭＯＣＶＤ結晶成長では設計通りの窒化物系半導体積層構造を形成することが困難だからである。
【００２９】
以上のようにして、Ｍθ面基板、Ｍ面基板、およびＣ面基板を用いて形成された窒化物系半導体積層構造に関して、各半導体積層構造に含まれる井戸層の平均Ｉｎ組成比をＸ線によって求めたところ、いずれの基板を用いた場合でも設計通りに２０％のＩｎ組成比であった。
【００３０】
また、各窒化物系半導体積層構造の上面の凹凸を段差計によって評価したところ、算術平均粗さＲａは、Ｍθ面基板を用いた場合に３ｎｍ程度であり、Ｍ面基板を用いた場合に５６ｎｍ程度であり、そしてＣ面基板を用いた場合に３ｎｍ程度であった。このことから、先行技術による非極性Ｍ面基板を用いた場合には従来から慣用的な極性Ｃ面基板を用いた場合に比べて非常に大きな平均粗さＲａを生じるのに対して、本実施形態による非極性Ｍθ面基板を用いた場合には従来から慣用的な極性Ｃ面基板を用いた場合と同等の小さな平均粗さＲａを示すことが分かる。すなわち、窒化物系半導体結晶基板の主面としてＭ面から微小角だけ傾斜した面を利用することによって、その上に形成される窒化物系半導体積層構造の上面の凹凸を抑制することができる。
【００３１】
Ｍ面基板上に成長させた窒化物系半導体積層構造の上面状態を微分干渉顕微鏡によって観察したところ、特徴的な複数の筋状の凹凸が発生しており、それらの筋状凹凸の長手方向がＣ軸にほぼ平行であった。他方、Ｍθ面基板上に成長させた窒化物系半導体積層構造の上面では、Ｍ面基板を用いた場合に見られた筋状の凹凸がほぼ消滅しており、Ｒａ値の改善とよく対応していた。このようにＭθ面基板を用いることによって窒化物系半導体積層構造の上面の凹凸が抑制される機構は、Ｍ面から微小角だけ傾斜させた基板面に形成される原子的ステップが整然とした横方向のステップフロー成長を生じるからであると考えられる。
【００３２】
図７は、図６の基板のＭθ面における原子的ステップを模式的断面図で示している。これらのステップの上面は原子密度が高くて安定な｛１０−１０｝面（Ｍ面）で形成されている。他方、これらのステップの側面は、原子的な微小な段差を生じている。このような状況において、それらの微小な段差部に気相からの原子が付着してステップが横方向にフロー成長していく。このような、ステップフロー成長によって結晶層が成長する場合に、良質の結晶層を成長させるためには、Ｍθ面基板の主面の傾斜角には一定の限界が存在することが予想される。
【００３３】
上述のようにＭθ面基板、Ｍ面基板、およびＣ面基板上に成長させた窒化物系半導体積層構造は、Ｎ2雰囲気にて９００℃で１０分間熱処理されてＭｇの活性化が行なわれた。別途に実験を行なったところ、ｐ型ＧａＮとｐ型ＡｌＧａＮのいずれにおいても、７００℃から９５０℃の範囲内で３０分以内の熱処理を行なうことによって、ｐ型の伝導性を示すことが分かった。これらの場合の熱処理雰囲気は、５％を上限にＯ2を混合したＮ2雰囲気であった。
【００３４】
以上のようにＭθ面基板、Ｍ面基板、およびＣ面基板を用いて得られた窒化物系半導体積層構造に対してその後の通常のプロセスを施してチップ分割し、各チップをステムにマウントして窒化物系半導体発光素子が作製された。こうして得られた窒化物系半導体発光素子に関して、特性評価が行なわれた。
【００３５】
なお、Ｃ面基板を含む発光素子の共振器の長手方向は、Ｍ軸方向に平行に設定された。これは、Ｃ面基板の劈開面がＭ軸に直交するＭ面であって、共振器端面を劈開によって形成し得ることによる。他方、Ｍθ面基板を含む発光素子とＭ面基板を含む発光素子においては、共振器の長手方向がＣ軸方向に平行に設定されて、共振器端面がＣ面で形成された。これは、光の偏波面がＣ軸に平行であってそれに直交するＣ面から光が射出される場合に比べて、他の面から射出される場合の光の強度が低いからである。
【００３６】
なお、Ｃ面は劈開面ではないが、Ｃ面からなる共振器端面はＩＣＰやＲＩＥによって形成され得る。また、擬似劈開的にＣ面に沿った共振器端面を形成することもできる。この場合には、例えば基板１０１側からリッジ１１０に達しないように広範囲にＣ面に沿った割り溝を形成し、その割り溝に沿って擬似劈開することによって共振器端面を形成することができる。
【００３７】
以上のようにして作製された３種類の発光素子について発振閾値電流を測定したところ、Ｍθ面基板を含む発光素子、Ｍ面基板を含む発光素子、およびＣ面基板を含む発光素子において、それぞれ２０ｍＡ、４０ｍＡ、および６０ｍＡであった。
【００３８】
また、それら３種類の発光素子についてスロープ効率をも評価したところ、Ｍθ面基板を含む発光素子、Ｍ面基板を含む発光素子、およびＣ面基板を含む発光素子において、それぞれ１．５Ｗ／Ａ、０．８５Ｗ／Ａ、および０．６Ｗ／Ａであった。
【００３９】
極性Ｃ面基板を含む発光素子に比べて非極性Ｍ面基板を含む発光素子において閾値電流とスロープ効率のいずれもが改善されている理由は、極性Ｃ面基板上で結晶成長している活性層に注入されたキャリアがピエゾ電界の影響を受けて空間分離していることによると考えられる。すなわち、活性層内におけるキャリアの空間分離は、キャリアの発光再結合効率を低下させる。
【００４０】
他方、非極性Ｍ面基板を含む発光素子に比べて本実施形態による非極性Ｍθ面基板を含む発光素子において閾値電流とスロープ効率のいずれもがさらに改善されている理由は、Ｍθ面基板上で成長した窒化物系半導体積層構造の上面の凹凸が抑制されて活性層が均一になったこと、およびリッジ内に存在して光の散乱源となり得る表面凹凸が低減したことよって、内部損失が低減した結果であると考えられる。
【００４１】
（実施形態２）
本発明の実施形態２においては、多数の窒化物系半導体発光素子が作製された。本実施形態２において作製された発光素子は、実施形態１の場合に比べて、Ｍθ面基板の傾斜角θが０°〜０．７°の範囲内で種々に変更されたことのみにおいて異なっている。
【００４２】
図８のグラフは、本実施形態２で作製された多数の発光素子におけるＭθ面基板の傾斜角度［°］と発振閾値電流Ｉｔｈ［ｍＡ］との関係を示している。このグラフから、Ｍθ面基板の傾斜角θが０．０５°以上０．５°以下の範囲内にある場合に低い閾値電流の結果が得られることが分かる。
【００４３】
また、図９のグラフは、本実施形態２で作製された多数の発光素子におけるＭθ面基板の傾斜角度［°］とスロープ効率ＳＥ［Ｗ／ｍＡ］との関係を示している。このグラフにおいても、Ｍθ面基板の傾斜角θが同じく０．０５°以上０．５°以下の範囲内にある場合に高いスロープ効率の結果が得られることが分かる。
【００４４】
以上のように、閾値電流とスロープ効率とのいずれにおいてもＭθ面基板の傾斜角θが０．０５°以上０．５°以下の範囲内にある場合に改善効果が得られる理由としては、以下のように考えることができる。すなわち、図７に示されている傾斜角θが０．０５°未満の場合には、基板表面に形成される原子的ステップの間隔（ステップ上面の幅）が広く、ステップの段差部における横方向の結晶成長に比べてステップ上面における縦方向の結晶成長が優勢になるために表面の凹凸が拡大すると考えられる。他方、傾斜角θが０．５°より大きい場合には、基板表面の原子的ステップの間隔が極端に狭くなるので、良好な横方向結晶成長を維持できなくなる。すなわち、ステップの段差部を起点とする横方向成長は、次のステップの段差部までの距離が短いために、隣り合うステップ段差部からの成長と結合し、横方向成長の先端を覆うようにステップ上面からの縦方向の不規則な成長を生じる。この不規則な成長は、やはり表面の凹凸を拡大させる。
【００４５】
換言すれば、傾斜角θが０．０５°以上０．５°以下の領域では、基板表面の原子的ステップが適切な密度となっており、個々の原子的ステップを基点とした横方向成長が隣り合うステップに到達した段階で次の横方向成長が進行し始めるために、整然としたステップフロー成長が維持される。ステップフロー成長が進行する状態では表面の平坦性が維持され、傾斜角θが０．０５°以上０．５°以下のＭθ面基板においても従来の慣用的Ｃ面基板と同等の平坦性が実現され得る。
【００４６】
なお、Ｍ面を基準とする傾斜角θの回転方向を反転させて−０．７°〜０°の範囲においても０°〜０．７°の範囲の場合と同様に発光素子の特性評価を行なったところ、負の傾斜角θの場合においても正の傾斜角θの場合と同じ結果が得られた。このことから、ステップフロー成長の進行が傾斜角θの正負によらず、傾斜角θの絶対値すなわち基板表面の原子的ステップの密度にのみ依存していると考えられる。
【００４７】
（実施形態３）
本発明の実施形態３においては、傾斜角θ＝０．３°のＭθ面基板を用いて、結晶方位に関して異なる方向の共振器を含む複数の発光素子が作製された。すなわち、本実施形態３における複数の発光素子は、共振器がＣ軸に平行であって共振器端面がＣ面に設定されているか、または共振器がＡ軸に平行（Ｃ軸に垂直）であって共振器端面がＡ面に設定されていること以外において実施形態１の場合と同様である。
【００４８】
本実施形態３における複数の発光素子に関して、それぞれの閾値電流およびスロープ効率を測定したところ、Ｃ軸に平行な光共振器を含む発光素子の場合には、閾値電流が２０ｍＡであってスロープ効率が１．５Ｗ／Ａであった。他方、Ｃ軸に垂直な光共振器を含む発光素子の場合には、閾値電流が４０ｍＡでスロープ効率が０．９Ｗ／Ａであって、いずれの特性もＣ軸に平行な光共振器を含む発光素子に比べて劣っていた。
【００４９】
このように光共振器の方向によって発光素子の特性に違いを生じる理由は、以下のように考えることができる。Ｃ軸に平行に光共振器を設定した場合、半導体積層構造の表面における前述の複数の筋状凹凸の長手方向がＣ軸にほぼ平行であるので、傾斜基板を用いることで平坦化された効果が共振器に関して顕著に反映され、共振器の長手方向に伝搬する光の散乱損失が低減し得る。他方、Ｃ軸に垂直な共振器を含む発光素子では、僅かに残留する筋状表面凹凸の長手方向が共振器の長手方向にほぼ垂直となり、共振器内を伝搬する光に対して散乱源となり得ると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明によれば、窒化物系半導体発光素子の上面の凹凸発生を抑制することによって、動作特性の改善された窒化物系半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】典型的な窒化物系半導体発光素子の積層構造を示す模式的正面図である。
【図２】図１の発光素子の左側面図である。
【図３】六方晶の窒化物系半導体結晶の代表的な結晶軸と結晶面を示す模式的斜視図である。
【図４】Ｃ面の主面を有する窒化物系半導体結晶基板を示す模式的斜視図である。
【図５】Ｍ面の主面を有する窒化物系半導体結晶基板を示す模式的斜視図である。
【図６】Ｍ面を基準にしてＣ軸の周りに微小角θだけ回転されたＭθ面の主面を有する窒化物系半導体結晶基板を示す模式的斜視図である。
【図７】図６のＭθ面基板の傾斜主面における原子的ステップを示す模式的断面部分図である。
【図８】図６のＭθ面基板の傾斜角度θがその基板を用いて作製された窒化物系半導体発光素子の閾値電流に及ぼす影響を示すグラフである。
【図９】図６のＭθ面基板の傾斜角度θがその基板を用いて作製された窒化物系半導体発光素子のスロープ効率に及ぼす影響を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０１  基板、１０２  ｎ型ＧａＮ層、１０３  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０４  ｎ型ＧａＮガイド層、１０５  ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、１０６  ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層、１０７  ｐ型ＧａＮガイド層、１０８  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０９  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１０  リッジ、１１１  絶縁膜、１１２  ｐ型コンタクト、１１３  ｎ型コンタクト、１１４  ＡＲコート膜、１１５  ＨＲコート膜。
【図１】
2010016092.tif 000003
【図２】
2010016092.tif 000004
【図３】
2010016092.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010016092.tif 000007
【図６】
2010016092.tif 000008
【図７】
2010016092.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010016092.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月25日(2009.6.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
図３の模式的斜視図は、発光素子に利用される六方晶の窒化物系半導体結晶の主要な結晶軸と結晶面を示している。この図において、六角柱の上面と下面は結晶学的な｛０００１｝面であり、Ｃ面とも略称される。この｛０００１｝面に垂直な軸は＜０００１＞軸であり、Ｃ軸とも略称される。六角柱の側面は｛１０−１０｝面であり、Ｍ面とも略称される。この｛１０−１０｝面に直交する軸は＜１０−１０＞軸であり、Ｍ軸とも略称される。六角形のＣ面の中心から頂点を通る軸は＜１１−２０＞軸であり、Ａ軸とも略称される。そして、この＜１１−２０＞軸に直交する面は｛１１−２０｝面であり、Ａ面とも略称される。図３から分かるように、六方晶の窒化物系半導体結晶おいて、Ｃ軸、Ｍ軸、およびＡ軸は互いに直交している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
また、図９のグラフは、本実施形態２で作製された多数の発光素子におけるＭθ面基板の傾斜角度［°］とスロープ効率ＳＥ［Ｗ／Ａ］との関係を示している。このグラフにおいても、Ｍθ面基板の傾斜角θが同じく０．０５°以上０．５°以下の範囲内にある場合に高いスロープ効率の結果が得られることが分かる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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