(57)【要約】【課題】良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むIII族窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】III族窒化物半導体光素子１１ａは、III族窒化物半導体支持体１３、ＧａＮ系半導体領域１５、活性層１７及びＧａＮ系半導体領域１９を備える。III族窒化物半導体支持体１３の主面１３ａは、基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃに対して傾斜する非極性を示しており、基準軸ＣｘはIII族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる。ＧａＮ系半導体領域１５は半極性主面上１３ａに設けられる。ＧａＮ系半導体領域１５のＧａＮ系半導体層２１は例えばｎ型ＧａＮ系半導体からなり、ｎ型ＧａＮ系半導体にはシリコンが添加されている。ＧａＮ系半導体層２３の酸素濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上であるとき、ＧａＮ系半導体層２３の主面上に引き続き成長される活性層１７の結晶品質が良好になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体支持体と、
５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、前記III族窒化物半導体支持体の前記主面上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域と
を備え、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記窒化ガリウム系半導体領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含む、ことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記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た第２導電型窒化ガリウム系半導体層と
を更に備え、
前記活性層は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記活性層における酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記活性層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項２に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記活性層の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記活性層の酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上である、ことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記活性層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
前記井戸層の酸素濃度は６×１０１７ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項８】
別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層を更に備え、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記活性層の酸素濃度よりも大きく、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられており、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層と接合を形成する、ことを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記活性層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられ窒化ガリウム系半導体からなる光ガイド層を更に備え、
前記活性層は、前記基準平面に対して傾斜する平面に沿って延在しており、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層である、ことを特徴とする請求項２〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１０度以上１７０度以下である、ことを特徴とする請求項２〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は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２〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にある、請求項２〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項１３】
III族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハであって、
III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、
５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、前記III族窒化物半導体基板の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層と、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体層と
を備え、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示す、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層を更に備え、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記発光層の酸素濃度よりも大きく、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電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ており、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層と接合を形成する、ことを特徴とする請求項１３に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層であり、
前記発光層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を有する活性層を含み、
前記発光層は、窒化ガリウム系半導体からなる光ガイド層を更に備え、該光ガイド層は、前記活性層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられ、
前記発光層の前記光ガイド層は、前記基準平面に対して傾斜する平面に沿って延在している、ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１０度以上１７０度以下である、ことを特徴とする請求項１３〜請求項１５のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１７】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は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１３〜請求項１６のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１８】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は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１３〜請求項１７のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１９】
III族窒化物半導体素子を作製する方法であって、
III族窒化物半導体からなり、主面を有するIII族窒化物半導体基板を準備する工程と、
III族原料及び窒素原料を成長炉に供給して、５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有する第１導電型窒化ガリウム系半導体層を前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に成長する工程と、
III族原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に発光層を成長する工程と、
III族原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、第２導電型窒化ガリウム系半導体層を前記発光層上に成長する工程と
を備え、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素は、前記III族原料及び前記窒素原料の少なくともいずれか一つに含まれる不純物として提供され、
前記III族窒化物半導体基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす、ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記窒素原料はアンモニアを含み、
前記窒素原料は不純物として水を含み、
前記発光層における平均酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記発光層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記発光層の酸素濃度よりも大きい、ことを特徴とする請求項１９に記載された方法。
【請求項２１】
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度は前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度よりも低い、ことを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載された方法。
【請求項２２】
前記発光層はＩｎＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項１９〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２３】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１０度以上１７０度以下である、ことを特徴とする請求項１９〜請求項２２のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２４】
前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は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１９〜請求項２３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２５】
前記窒素原料の原料源と前記成長炉との間に設けられた精製装置を用いて前記窒素原料の水分濃度を調整した後に、前記成長炉に前記窒素原料を供給し、
前記窒素原料はアンモニアからなる、ことを特徴とする請求項１９〜請求項２４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２６】
前記窒素原料として、水分含有量５００ｐｐｂ％以下のアンモニアを用いる、ことを特徴とする請求項１９〜請求項２５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２７】
前記窒素原料として、水分含有量５０ｐｐｂ％以下のアンモニアを用いる、ことを特徴とする請求項１９〜請求項２６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２８】
前記窒素原料として、水分含有量１ｐｐｂ％以下のアンモニアを用いる、ことを特徴とする請求項１９〜請求項２７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２９】
前記窒素原料の前記水分濃度は１ｐｐｂ％以下である、ことを特徴とする請求項２５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、III族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びIII族窒化物半導体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、酸素濃度に比例したｎ型キャリアをもつｎ型ＧａＮが記載されている。酸素を原料ガスに含ませてＧａＡｓ基板の上にＧａＮをエピタキシャル成長させる。ＧａＡｓ基板を除去してＧａＮ自立膜を得る。
【０００３】
特許文献２には、窒化ガリウム単結晶を成長する方法が記載されている。この方法によれば、酸素をｎ型ドーパントとして取り込むことができる。
【０００４】
特許文献３には、ＧａＮ系化合物半導体の製造方法が記載されている。充填容器内に少なくとも一部が液体となるようにＧａＮ系化合物半導体製造用アンモニアを充填する。該液相のアンモニア中の水分濃度がフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）で測定して０．５ｖｏｌｐｐｍ以下である。このアンモニアを原料として、基板を収容した反応室内にガス状態で導入して、ＧａＮ系化合物からなる層を基板上に形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−０４４４００号公報
【特許文献２】特開２００２−３７３８６４号公報
【特許文献３】特開２００４−３６３６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者の知見によれば、窒化ガリウムの非ｃ面にはドナーとして働く酸素が取り込まれやすい。この現象は、半極性や無極性を有する主面を有する窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系半導体を堆積するとき、酸素の思わぬ取り込みによりデバイス特性を損ねないように酸素濃度を制御する必要があることを示している。一方、ファセット面に酸素が取り込まれやすいことは、酸素の添加により、窒化ガリウム系半導体の成長中において非ｃ面の生成を安定化できる可能性を示唆している。このとき、窒化ガリウム基板の半極性や無極性を有する主面上への窒化ガリウム系半導体の成長では、窒化ガリウム系半導体はその酸素濃度により異なる結晶品質を有することになる。
【０００７】
デバイス特性の見地からは、エピタキシャル膜が、ｎ型のＧａＮ基板のときに用いられる酸素濃度を有するとき、酸素が窒化ガリウム系半導体においてｎ型ドーパントであることを考慮するならば、半導体素子の電気特性が変わることを無視できないと推測される。例えば半導体光素子では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層、発光層及びｐ型窒化ガリウム系半導体への酸素ドープ量に応じてデバイスの発光効率及び電気特性が変わることを無視できないと推測される。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とし、また、III族窒化物半導体素子を作製する方法を提供する目的とし、さらに、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むエピタキシャル基板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】
【０００９】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体支持体と、（ｂ）５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、前記III族窒化物半導体支持体の前記主面上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域とを備える。前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示しており、前記窒化ガリウム系半導体領域は第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含む。
【００１０】
このIII族窒化物半導体素子によれば、窒化ガリウム系半導体領域が半極性面又は無極性面上に設けられると共に窒化ガリウム系半導体領域が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域の表面モフォロジが平坦になる。窒化ガリウム系半導体領域の表面も、基板主面の半極性面又は無極性面に応じてそれぞれ半極性又は無極性を示す。窒化ガリウム系半導体領域が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えて酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域の結晶品質が良好ではなくなる。また、窒化ガリウム系半導体領域が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域の表面モフォロジがさらに平坦になる。
【００１１】
本発明に係るIII族窒化物半導体素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体支持体と、（ｂ）５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、前記III族窒化物半導体支持体の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た活性層と、（ｄ）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層とを備える。前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示しており、前記窒化ガリウム系半導体領域は第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記活性層は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられる。
【００１２】
このIII族窒化物半導体素子によれば、窒化ガリウム系半導体領域が半極性面又は無極性面上に設けられると共に窒化ガリウム系半導体領域が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域の表面モフォロジが平坦になる。窒化ガリウム系半導体領域の表面も、基板主面の半極性面又は無極性面に応じてそれぞれ半極性又は無極性を示す。窒化ガリウム系半導体領域が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えて酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域の結晶品質が良好ではなくなる。上記範囲の酸素濃度によれば、良好な表面モフォロジの第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に活性層を設けることができる。また、窒化ガリウム系半導体領域が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域の表面モフォロジがさらに平坦になる。
【００１３】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記活性層における酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、活性層が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、活性層の表面モフォロジが平坦になる。また、酸素はドナーとして働くため、活性層が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、素子の駆動電圧が低減する、活性層のピエゾ電界が低減する、といった効果もある。さらに、本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記活性層における酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、活性層が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、活性層の表面モフォロジがさらに平坦になる。
【００１４】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記活性層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、活性層が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えて酸素を含むとき、活性層の結晶品質が良好ではなくなる。また、活性層が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えて酸素を含むとき、活性層における自由キャリア吸収による光学ロスが増加する。
【００１５】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、第２導電型窒化ガリウム系半導体層の表面モフォロジが平坦になる。また、本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、第２導電型窒化ガリウム系半導体層の表面モフォロジがさらに平坦になる。
【００１６】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えて酸素を含むとき、第２導電型窒化ガリウム系半導体層の結晶品質が良好ではなくなる。また、第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えて酸素を含むとき、第２導電型窒化ガリウム系半導体層の導電性が良好ではなくなる。
【００１７】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、前記活性層の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、成長中に不可避的に窒化ガリウム系半導体に取り込まれる炭素濃度が高いとき、安定なｃ面ファセットが出現しやすくなる。窒化ガリウム系半導体の炭素濃度を下げることにより、窒化ガリウム系半導体にファセットの発生を避けることができる。ただし、ここでいう炭素濃度からは窒化ガリウム系半導体を成長後に表面に形成されるコンタミネーションを除外する。
【００１８】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子は、別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層を更に備えることができる。前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップよりも大きく、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記活性層の酸素濃度よりも大きく、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられており、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層と接合を形成する。
【００１９】
このIII族窒化物半導体素子によれば、第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度が活性層の酸素濃度よりも大きいので、第２導電型窒化ガリウム系半導体層と別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層との接合面が平坦になり、これ故に、この界面における散乱ロスが低減される。
【００２０】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子は、前記活性層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられ窒化ガリウム系半導体からなる光ガイド層を更に備えることができる。前記活性層は、前記基準平面に対して傾斜する平面に沿って延在しており、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層である。
【００２１】
このIII族窒化物半導体素子によれば、半極性面や無極性面上に、活性層、光ガイド層及び第２導電型窒化ガリウム系半導体層を設けるので、これらの半導体層におけるピエゾ電界はｃ面上における半導体層におけるピエゾ電界に比べて小さい。小さいピエゾ分極により該主面上ではキャリアオーバーフローが発生しにくいので、ドナーして働く酸素をｐ型半導体層に添加して平坦化の効果を得ることができる。これ故に、酸素添加による平坦な表面モフォロジを有するｐ型半導体層に加えて、高いキャリア注入効率を提供できる。
【００２２】
本発明のIII族窒化物半導体素子では、前記活性層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層の酸素濃度は６×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、活性層の酸素濃度が高いとき、自由キャリア吸収による光学的ロスが増加する。井戸層の酸素濃度が６×１０１７ｃｍ−３以下であるので、実効的な光学的ロスを避けることができ、また、井戸層の結晶品質の低下による発光効率の低下を避けることができる。
【００２３】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１０度以上１７０度以下であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、非極性による寄与が適切に発揮される。この非極性は半極性及び無極性を表す。
【００２４】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１０度以上８０度以下であり、或いは前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１００度以上１７０度以下であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、半極性や無極性による寄与が適切に発揮される。
【００２５】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は６３度以上８０度以下であり、或いは前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１００度以上１１７度以下であることができる。このIII族窒化物半導体素子によれば、オフ角が上記の範囲にあるとき、ピエゾ分極が特に小さくなる。これ故に、キャリアオーバーフローが生じにくい。
【００２６】
本発明の別の側面は、III族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハである。エピタキシャルウエハは、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、（ｂ）５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、前記III族窒化物半導体基板の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層と、（ｃ）前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に設けられた発光層と、（ｄ）前記発光層上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体層とを備える。前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示す。
【００２７】
このエピタキシャルウエハによれば、第１導電型窒化ガリウム系半導体層が半極性面や無極性面上に設けられると共に第１導電型窒化ガリウム系半導体層が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、第１導電型窒化ガリウム系半導体層の表面モフォロジが平坦になる。良好な表面モフォロジの第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に発光層を設けることができる。また、第１導電型窒化ガリウム系半導体層の表面も非極性を示す。第１導電型窒化ガリウム系半導体層が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えて酸素を含むとき、第１導電型窒化ガリウム系半導体層の結晶品質が良好ではなくなる。
【００２８】
本発明の別の側面に係るエピタキシャルウエハは、別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層を更に備えることができる。前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップよりも大きく、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記発光層の酸素濃度よりも大きく、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電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ており、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層と接合を形成する。
【００２９】
このエピタキシャルウエハによれば、第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップが別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップよりも大きいと共に第２導電型窒化ガリウム系半導体層が別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層と発光層との間に設けられるので、第２導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層として働き、また別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層はクラッド層として働く。第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度が発光層の酸素濃度よりも大きいので、第２導電型窒化ガリウム系半導体層と別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層との接合の平坦性が優れる。これ平坦性により、第２導電型窒化ガリウム系半導体層と別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層との界面による光散乱が低減される。
【００３０】
本発明の別の側面に係るエピタキシャルウエハでは、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下である。前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層であり、前記発光層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を有する活性層を含み、前記発光層は、窒化ガリウム系半導体からなる光ガイド層を更に備え、該光ガイド層は、前記活性層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられ、前記発光層の前記光ガイド層は、前記基準平面に対して傾斜する平面に沿って延在している。また、本発明の別の側面に係るエピタキシャルウエハでは、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。
【００３１】
このエピタキシャルウエハによれば、半極性面や無極性面上に、活性層、光ガイド層及び第２導電型窒化ガリウム系半導体層を設けるので、これらの半導体層におけるピエゾ電界はｃ面上の半導体層におけるピエゾ電界に比べて小さい。キャリア補償の観点からドナー不純物の酸素をｐ型半導体層に添加しないことが良いが、半極性面や無極性面による小さいピエゾ分極のため本基板主面ではキャリアオーバーフローが低減される。これ故に、第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であるけれども、キャリア注入効率の低下を避けることができる。
【００３２】
本発明の別の側面に係るエピタキシャルウエハでは、前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１０度以上８０度以下であり、或いは前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は１００度以上１７０度以下であることができる。或いは、本発明の別の側面に係るエピタキシャルウエハでは、前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は前記基準平面に対して６３度以上８０度以下であり、或いは前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は前記基準平面に対して１００度以上１１７度以下である。
【００３３】
本発明の更なる別の側面は、III族窒化物半導体素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、主面を有するIII族窒化物半導体基板を準備する工程と、（ｂ）III族原料及び窒素原料を成長炉に供給して、５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有する第１導電型窒化ガリウム系半導体層を前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に成長する工程と、（ｃ）III族原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に発光層を成長する工程と、（ｄ）III族原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、第２導電型窒化ガリウム系半導体層を前記発光層上に成長する工程とを備える。前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素は、前記III族原料及び前記窒素原料の少なくともいずれか一つに含まれる不純物として提供され、前記III族窒化物半導体基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす。
【００３４】
この方法によれば、半極性面や無極性面上に成長された窒化ガリウム系半導体層が、５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、この窒化ガリウム系半導体層の表面モフォロジが平坦になる。このため、第１導電型窒化ガリウム系半導体層の表面にｃ面が現れることなく、窒化ガリウム系半導体層の表面も基板主面に応じた極性を示す。半極性面上に成長された窒化ガリウム系半導体層が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超える酸素を含むとき、この窒化ガリウム系半導体層の結晶品質が良好ではなくなる。良好な表面モフォロジの第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に発光層の成長を行うことができる。また、窒化ガリウム系半導体層が、１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、この窒化ガリウム系半導体層の表面モフォロジがより平坦になる。
【００３５】
本発明に係る方法では、前記窒素原料はアンモニアを含み、前記窒素原料は不純物として水を含む。前記発光層における酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記発光層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下である。前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記発光層の酸素濃度よりも大きいことが良い。
【００３６】
この方法によれば、酸素を含む窒化ガリウム系半導体の成長を主面上に行う際に、該主面の極性の向きに合わない特定のファセット面が成長中に出現することを抑制できる。このため、表面モフォロジが平坦になる。また、本発明に係る方法では、前記発光層における酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。さらに、本発明に係る方法では、前記発光層における酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。これらの方法によれば、表面モフォロジがさらに平坦になる。
【００３７】
本発明に係る方法では、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度は前記１導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度よりも低いことが良い。この方法によれば、第２導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度を下げるので、発光層への熱ストレスが低減される。
【００３８】
本発明に係る方法では、前記発光層はＩｎＡｌＧａＮ層を含むことができる。ＩｎＡｌＧａＮ層では、アルミニウム組成により酸素濃度を調整可能であり、Ｉｎ組成の調整により適切なバンドギャップを得ることができる。或いは、本発明に係る方法では、前記発光層はＩｎＧａＮ層を含むことができる。
【００３９】
本発明に係る方法では、前記窒素原料として、水分含有量５００ｐｐｂ％以下のアンモニアを用いることができる。また、本発明に係る方法では、前記窒素原料として、水分含有量５０ｐｐｂ％以下のアンモニアを用いることができる。さらに、前記窒素原料として、水分含有量１ｐｐｂ％以下のアンモニアを用いることができる。
【００４０】
本発明に係る方法では、前記窒素原料の原料源と前記成長炉との間に設けられた精製装置を用いて前記窒素原料の水分濃度を調整した後に、前記成長炉に前記窒素原料を供給し、前記窒素原料はアンモニアからなることができる。この発明に係る方法では、前記窒素原料の前記水分濃度は１ｐｐｂ％以下であることができる。窒素原料中の水分濃度を調整することによって、半導体層中の酸素濃度を制御することができる。同様にして、半導体層中の酸素濃度を制御するのに、III族原料中の水分濃度を調整してもよい。
【００４１】
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】
【００４２】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むIII族窒化物半導体素子を提供できる。また、本発明の別の側面によれば、このIII族窒化物半導体素子を作製する方法を提供できる。さらに、本発明の更なる別の側面によれば、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むエピタキシャル基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子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III族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、ｃ面及び半極性面上における、活性層、光ガイド層及びｐ型窒化ガリウム系半導体層におけるバンドダイアグラムを示す図面である。
【図４】図４は本実施の形態の作製方法における主要な工程における生産物を示す図面である。
【図５】図５は本実施の形態の作製方法における主要な工程における生産物を示す図面である。
【図６】図６は本実施の形態の作製方法における主要な工程における生産物を示す図面である。
【図７】図７は本実施の形態の作製方法における主要な工程における生産物を示す図面である。
【図８】図８は、実施例１における半導体レーザＬＤ１を示す図面である。
【図９】図９は、半導体レーザＬＤ１及び半導体レーザＬＤＣ１におけるレーザ構造のｐ型コンタクト層の表面モフォロジを表す微分干渉顕微鏡像を示す図面である。
【図１０】図１０は、実施例２における半導体レーザＬＤ２を示す図面である。
【図１１】図１１は、絶対温度３００度及び絶対温度１０度において測定したＥＬスペクトルを示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例３における発光ダイオードを示す図面である。
【図１３】図１３は、実施例４におけるレーザダイオードの構造を示す図面である。
【図１４】図１４は、実施例４および比較例のｐ型コンタクト層における表面モフォロジを示す図面である。
【図１５】図１５は、実施例５におけるレーザダイオードの構造を示す図面である。
【図１６】図１６は、実施例４及びその比較例におけるレーザダイオードのＩ−Ｖ特性を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
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III族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、並びにエピタキシャル基板及びIII族窒化物半導体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。引き続く説明では、半導体素子の一例として半導体光素子を説明する。
【００４５】
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。図１に示されたIII族窒化物半導体光素子は、例えば発光ダイオードに適用可能な構造を有する。III族窒化物半導体光素子１１ａは、III族窒化物半導体支持体１３と、窒化ガリウム系半導体領域１５と、活性層１７と、窒化ガリウム系半導体領域１９とを備える。III族窒化物半導体支持体１３は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮといったIII族窒化物半導体からなる。III族窒化物半導体支持体１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを含む。III族窒化物半導体支持体１３の主面１３ａは、非極性を示す。この非極性は、半極性及び無極性のいずれかを表す。
【００４６】
III族窒化物半導体支持体１３が無極性の主面１３ａを有するとき、主面１３ａは、III族窒化物半導体のａ面、ｍ面であることができ、或いはｃ軸の回りに関する回転によりａ面又はｍ面から傾斜した面であることができる。III族窒化物半導体支持体１３が半極性の主面１３ａを有するとき、III族窒化物半導体支持体１３の主面１３ａは、基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃに対して傾斜する半極性を示しており、基準軸ＣｘはIII族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる。
【００４７】
基準平面Ｓｃは例えば代表的なｃ面を示している。基準平面Ｓｃはｃ軸ベクトルＶＣに直交しており、主面１３ａには法線ベクトルＶＮが示されている。ｃ軸ベクトルＶＣは法線ベクトルＶＮに対して角度Ａｏｆｆの角度を成す。この角度Ａｏｆｆはｃ面に対するオフ角と呼ばれる。図１を参照すると、III族窒化物半導体の六法晶系の結晶軸ａ軸、ｍ軸及びｃ軸を示す結晶座標系ＣＲが示されており、六法晶におけるｃ面を「（０００１）」を表記し、「（０００−１）」と表記される面方位は（０００１）面に対して反対を向く。また、直交座標系Ｓは、幾何学座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚを示す。傾斜の方向は例えばａ軸またはｍ軸であることができる。窒化ガリウム系半導体領域１５、活性層１７及び窒化ガリウム系半導体領域１９は非極性主面上に軸Ａｘに沿って配列されている。主面１３ａの法線ベクトルＶＮと基準軸Ｃｘとの成す角度は基準平面Ｓｃに対して１０度以上１７０度以下であることができる。
【００４８】
窒化ガリウム系半導体領域１５は主面上１３ａに設けられている。窒化ガリウム系半導体領域１５は、５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度を有する。酸素濃度は、例えば原料中の不純物濃度、基板のオフ角、成長温度、混晶の組成等により制御可能である。また、窒化ガリウム系半導体領域１５の酸素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であることがさらに好ましい。窒化ガリウム系半導体領域１５は一または複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。本実施例では、窒化ガリウム系半導体領域１５は第１導電型窒化ガリウム系半導体層２１及び窒化ガリウム系半導体層２３からなる。窒化ガリウム系半導体層２１は例えばｎ型半導体層であり、窒化ガリウム系半導体層２３は例えば緩衝層であることができる。第１導電型窒化ガリウム系半導体層２１は例えばｎ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｎ型窒化ガリウム系半導体には、例えばシリコンといったｎ型ドーパントが添加されている。ｎ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。窒化ガリウム系半導体層２３は例えばアンドープ窒化ガリウム系半導体からなる。窒化ガリウム系半導体は、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなることができる。窒化ガリウム系半導体層２３が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素濃度を有するとき、窒化ガリウム系半導体層２３の主面上に引き続き成長される活性層１７の結晶品質が良好になる。また、窒化ガリウム系半導体層２３とこの半導体層の主面上に成長される窒化ガリウム系半導体との界面が良好になる。また、窒化ガリウム系半導体層２３が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素濃度を有するとき、窒化ガリウム系半導体層２３の主面上に引き続き成長される活性層１７の結晶品質がさらに良好になる。
【００４９】
また、窒化ガリウム系半導体領域１９は一または複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことができ、本実施例では、窒化ガリウム系半導体領域１９は窒化ガリウム系半導体層２５及び第２導電型窒化ガリウム系半導体層２７からなる。窒化ガリウム系半導体層２５は例えばアンドープまたはｐ型窒化ガリウム系半導体からなることができる。第２導電型窒化ガリウム系半導体層２７は例えばｐ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｐ型窒化ガリウム系半導体には、例えばマグネシウムといったｐ型ドーパントが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなることができる。第２導電型窒化ガリウム系半導体層２５は例えば電子ブロック層であり、窒化ガリウム系半導体層２７は例えばｐ型コンタクト層であることができる。窒化ガリウム系半導体層２１と窒化ガリウム系半導体層２７との間には、活性層１７が設けられる。活性層１７は窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられており、窒化ガリウム系半導体領域１９は活性層１７上に設けられる。
【００５０】
このIII族窒化物半導体光素子１１ａによれば、窒化ガリウム系半導体領域１５が主面１３ａ上に設けられると共に窒化ガリウム系半導体領域１５が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域１５の主面１５ａにおける表面モフォロジが平坦になる。また、窒化ガリウム系半導体領域１５が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、主面１５ａにおける表面モフォロジがさらに平坦になる。このため、窒化ガリウム系半導体領域１５の表面１５ａにｃ面ファセットが現れることなく、窒化ガリウム系半導体領域１５の表面１５ａの全体が、基板主面１３ａの極性特性（半極性、無極性）に応じた極性特性を示す。窒化ガリウム系半導体領域１５が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えた酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域１５の結晶品質が良好ではなくなる。上記の酸素濃度の範囲では、良好な表面モフォロジの窒化ガリウム系半導体領域１５上に活性層１７を設けることができる。これ故に、窒化ガリウム系半導体領域１５と活性層１７との界面３１ａが平坦になる。
【００５１】
酸素の添加は、非ｃ面の生成を安定化させていると考えられる。これ故に、主面上への窒化ガリウム系半導体領域１５の成長では成長面の非極性（半極性及び無極性のいずれか）を保ちながら結晶成長を行うことができる。この結果、表面モフォロジが良好になる。酸素の供給源としては、意図的にドーパントとして添加することを排除するものではないが、原料ガスに含まれている不純物量を管理することによって、原料ガスの不純物を利用できる。半極性面や無極性面に取り込まれる酸素量を制御することによって、活性層１７の下地となる窒化ガリウム系半導体領域の表面モフォロジを平坦にできる。
【００５２】
活性層１７が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、活性層１７の表面モフォロジが平坦になる。活性層１７が５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素を含むとき、活性層１７の結晶品質が良好である。活性層１７の表面の平坦性の向上により、発光ダイオードでは発光の不均一が低減可能になる。また、活性層１７が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、活性層１７の表面モフォロジがさらに平坦になる。この更なる平坦性向上により、発光ダイオードでは発光の不均一がさらに低減可能になる。
【００５３】
III族窒化物半導体光素子１１ａの活性層１７は、交互に配列された井戸層２９ａ及び障壁層２９ｂを含む量子井戸構造２９を有することができる。井戸層２９ａは、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、障壁層２９ｂは、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。活性層１７の井戸層２９ａの酸素濃度は、６×１０７ｃｍ−３以下であることができる。井戸層２９ａの酸素濃度が高いとき、自由キャリア吸収による光学的ロスが増加する。井戸層２９ａの酸素濃度が６×１０７ｃｍ−３以下であるので、光学的ロスを避けることができ、また、井戸層２９ａの結晶品質の低下による発光効率の低下を避けることができる。また、障壁層２９ｂの酸素濃度は井戸層２９ａの酸素濃度以上であるとき、障壁層２９ｂの表面モフォロジが良好になる。良好な表面モフォロジの障壁層２９ｂ上に井戸層２９ａを成長できる。
【００５４】
活性層１７はＩｎＡｌＧａＮ層を含むことができ、このＩｎＡｌＧａＮ層は、井戸層２９ａ及び／又は障壁層２９ｂとして用いられる。ＩｎＡｌＧａＮ層では、アルミニウム組成により酸素濃度を調整可能であり、Ｉｎ組成の調整により適切なバンドギャップを得ることができる。或いは、活性層１７はＩｎＧａＮ層を含むことができ、このＩｎＧａＮ層は、井戸層２９ａ及び／又は障壁層２９ｂとして用いられる。ＩｎＧａＮ層ではバンドギャップの調整が容易であり、酸素濃度の調整は原料の不純物濃度や成長温度といった成長条件によって行う。
【００５５】
活性層１７の酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であるとき、引き続き活性層１７の主面上に成長される第２導電型窒化ガリウム系半導体層２５、２７の結晶品質が良好になる。また、活性層１７とこの半導体層の主面上に成長される窒化ガリウム系半導体との界面が平坦になる。さらに、活性層１７の酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であるとき、第２導電型窒化ガリウム系半導体層２５、２７の結晶品質および上記の界面平坦性がさらに優れたものになる。
【００５６】
窒化ガリウム系半導体層２５が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体層２５の表面モフォロジが平坦になる。また、窒化ガリウム系半導体層２５が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体層２５の表面モフォロジがさらに平坦になる。窒化ガリウム系半導体層２５の酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。５×１０１８ｃｍ−３を越える酸素濃度は窒化ガリウム系半導体層２５の結晶品質を低下させる可能性がある。
【００５７】
また、窒化ガリウム系半導体層２７が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体層２７の表面モフォロジが平坦になる。また、窒化ガリウム系半導体層２７が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体層２７の表面モフォロジがさらに平坦になる。窒化ガリウム系半導体層２７の酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。５×１０１８ｃｍ−３を越える酸素濃度は、窒化ガリウム系半導体層２７の結晶品質を低下させる。窒化ガリウム系半導体層２５の酸素濃度が窒化ガリウム系半導体層２７の酸素濃度より大きいとき、窒化ガリウム系半導体層２５の表面モフォロジが平坦になるため、その上に形成される窒化ガリウム系半導体層２７の結晶品質が優れたものになる。窒化ガリウム系半導体層２５の酸素濃度が窒化ガリウム系半導体層２７の酸素濃度より小さいとき、窒化ガリウム系半導体層２５において酸素によるｐ型電導の補償の影響が低減され、キャリア注入効率が優れたものになる。
【００５８】
半極性面や無極性面上に設けられる窒化ガリウム系半導体では、窒化ガリウム系半導体に取り込まれる炭素濃度が高いとき、安定なｃ面ファセットが出現しやすくなる。窒化ガリウム系半導体の炭素濃度を下げることにより、窒化ガリウム系半導体にファセットの発生を避けることができる。これ故に、窒化ガリウム系半導体層２１、２３の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることが良い。窒化ガリウム系半導体層２５、２７の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であり、活性層１７の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。炭素は例えば有機金属原料から供給される。炭素濃度は、原料中の不純物濃度、炭素をドープするための原料ガス、基板のオフ角、成長温度、成長圧力等により制御可能である。
【００５９】
このIII族窒化物半導体光素子１１ａによれば、窒化ガリウム系半導体層（例えば、電子ブロック層）２５のバンドギャップは窒化ガリウム系半導体層（例えば、ｐ型コンタクト層）２７のバンドギャップよりも大きく、また窒化ガリウム系半導体層２５は窒化ガリウム系半導体層２７と活性層１７との間に設けられている。窒化ガリウム系半導体層２５は窒化ガリウム系半導体層２７と接合３１ｂを形成する。窒化ガリウム系半導体層２５の酸素濃度は、活性層１７の酸素濃度よりも大きいので、接合面３１ｂが平坦になる。
【００６０】
III族窒化物半導体光素子１１ａでは、窒化ガリウム系半導体層２７上には、第１の電極（例えばアノード）３３が設けられる。窒化ガリウム系半導体層２５が平坦な接合面３１ａ上に設けられるので、窒化ガリウム系半導体層２５が良好な結晶品質を有する。これ故に、良好なコンタクト特性が提供される。
【００６１】
III族窒化物半導体光素子１１ａでは、主面１３ａの角度Ａｏｆｆは基準平面Ｓｃに対して１０度以上８０度以下であることができる。主面１３ａの角度Ａｏｆｆは基準平面Ｓｃに対して１００度以上１７０度以下であることができる。このIII族窒化物半導体光素子１１ａによれば、半極性による寄与が適切に発揮される。支持基体１３の裏面１３ｂ上には、第２の電極（例えばカソード）３５が設けられる。また、III族窒化物半導体光素子１１ａでは、主面１３ａが無極性面であることができる。このIII族窒化物半導体光素子１１ａによれば、無極性による寄与が適切に発揮される。
【００６２】
III族窒化物半導体光素子１１ａでは、このIII族窒化物半導体光素子１１ａによれば、主面１３ａ上に、活性層１７及び窒化ガリウム系半導体層２７を設けるので、これらの半導体層におけるピエゾ電界はｃ面上における半導体層におけるピエゾ電界に比べて小さい。酸素はドナーして働くので、ｐ型半導体層に添加しないことが好ましいけれども、適切な範囲の酸素の添加により、良好なコンタクト特性が提供される。
【００６３】
III族窒化物半導体光素子１１ａでは、傾斜の角度Ａｏｆｆは基準平面Ｓｃに対して６３度以上８０度以下であることができる。また、角度Ａｏｆｆは基準平面Ａｏｆｆに対して１００度以上１１７度以下であることができる。このIII族窒化物半導体光素子１１ａによれば、オフ角が上記の範囲にあるとき、ピエゾ分極が特に小さくなる。
【００６４】
図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。図２に示されたIII族窒化物半導体光素子は、例えば半導体レーザに適用可能な構造を有する。III族窒化物半導体光素子１１ｂは、III族窒化物半導体支持体１３と、窒化ガリウム系半導体領域１５と、発光層３７と、窒化ガリウム系半導体領域１９とを備える。本実施例では、発光層３７は、活性層１７と、第１及び第２の光ガイド層３９、４１を含むことができる。活性層１７は、第１の光ガイド層３９と第２の光ガイド層４１との間に設けられている。光ガイド層３９、４１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アンドープであることができる。
【００６５】
このIII族窒化物半導体光素子１１ｂによれば、半極性面や無極性面上に、活性層１７、光ガイド層３９、４１及び窒化ガリウム系半導体層１９を設けるので、これらの半導体層におけるピエゾ電界は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、ｃ面上における半導体層におけるピエゾ電界に比べて小さい。酸素はドナーして働くので、ｐ型半導体層に添加しないことが好ましいけれども、小さいピエゾ分極により半極性面や無極性面上ではキャリアオーバーフローが発生しにくい。これ故に、酸素濃度が高めであるけれども、キャリア注入効率の低下が抑制される。
【００６６】
第１及び第２の光ガイド層３９、４１の各々は、既に説明した理由に基づき、５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素濃度を有することが良い。第１及び第２の光ガイド層３９、４１の各々は、既に説明した理由に基づき、５×１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度であることが良い。
【００６７】
窒化ガリウム系半導体領域１９は、窒化ガリウム系半導体層２５、２７に加えて、更なる別の第２導電型窒化ガリウム系半導体層４３を含むことができる。窒化ガリウム系半導体層４３は例えばｐ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｐ型窒化ガリウム系半導体には、例えばマグネシウムといったｐ型ドーパントが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。窒化ガリウム系半導体層４３は例えばｐ型クラッド層であることができる。
【００６８】
窒化ガリウム系半導体領域１５は、窒化ガリウム系半導体層４５を含むことができる。窒化ガリウム系半導体層４５は例えばｎ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｎ型窒化ガリウム系半導体には、例えばシリコンといったｎ型ドーパントが添加されている。ｎ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。窒化ガリウム系半導体層４５は例えばｎ型クラッド層であることができる。
【００６９】
窒化ガリウム系半導体層（例えばｎ型クラッド層）４５と窒化ガリウム系半導体層（例えばｐ型クラッド層）４３との間には、発光層３７が設けられる。窒化ガリウム系半導体層４５及び窒化ガリウム系半導体層４３の屈折率は、光ガイド層３９、４１の屈折率よりも小さい。窒化ガリウム系半導体層４５及び窒化ガリウム系半導体層４３は、発光層３７に光を閉じ込める。
【００７０】
窒化ガリウム系半導体層２５のバンドギャップは窒化ガリウム系半導体層４３のバンドギャップよりも大きい。窒化ガリウム系半導体層２５は窒化ガリウム系半導体層４３と接合４５ａを形成する。窒化ガリウム系半導体層２５の酸素濃度は、発光層３７の酸素濃度よりも大きいとき、接合面４５ａが平坦になり、これ故に、この界面４５ａにおける散乱ロスが低減される。また、発光層３７は窒化ガリウム系半導体領域１９と接合４５ｃを成す。
【００７１】
また、窒化ガリウム系半導体領域１５は発光層３７と接合４５ｂを形成する。窒化ガリウム系半導体領域１５の酸素濃度は、発光層３７の酸素濃度よりも大きくするので、窒化ガリウム系半導体領域１５の表面モフォロジが良好であり、また接合４５ｂが平坦になる。これ故に、この界面４５ｂにおける散乱ロスが低減される。
【００７２】
III族窒化物半導体光素子１１ｂでは、窒化ガリウム系半導体層２７上には、保護のための絶縁膜４７が設けられている。絶縁膜４７は、ストライブ状の開口４７ａを有する。絶縁膜４７及び開口４７ａ上に第１の電極（例えばアノード）４９ａが設けられる。支持基体１３の裏面１３ｂ上には、第２の電極（例えばカソード）４９ｂが設けられる。窒化ガリウム系半導体層２７が平坦なモフォロジの窒化ガリウム系半導体層４３上に設けられるので、窒化ガリウム系半導体層２７が良好な結晶品質を有し、良好なコンタクト特性が提供される。窒化ガリウム系半導体層４３は窒化ガリウム系半導体層２７と接合４５ｄを形成する。この接合面４５ｄが平坦である。
【００７３】
III族窒化物半導体光素子１１ｂでは、傾斜の角度Ａｏｆｆは基準平面Ｓｃに対して６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲であるとき、キャリアオーバーフローが生じにくい。
【００７４】
このIII族窒化物半導体光素子１１ｂは例えば利得ガイド型レーザダイオードの構造を有する。III族窒化物半導体光素子１１ｂは、一対の端面５０ａ、５０ｂを有することができる。端面５０ａ、５０ｂは、共振器を形成するために劈開面であることが良い。III族窒化物半導体光素子１１ｂによるレーザ光Ｌは、端面５０ａ、５０ｂの一方から出射される。
【００７５】
次いで、エピタキシャル基板及びIII族窒化物半導体光素子を作製する方法を説明する。図４〜図７は、上記の作製方法における主要な工程における生産物を示す図面である。
【００７６】
有機金属気相成長法により発光素子のエピタキシャル構造を作製した。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）を用いた。ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ４）及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いた。引き続く説明では、例えば半極性主面を有するIII族窒化物半導体基板として、六方晶系半極性窒化ガリウム基板を用いることができる。また、例えば無極性主面を有するIII族窒化物半導体基板として、六方晶系無極性窒化ガリウム基板を用いることができる。以下の説明において、ｎ型ドーパントとしての酸素は、III族原料及び窒素原料の少なくともいずれか一つに含まれる不純物として提供される。引き続く説明では、六方晶系半極性窒化ガリウム基板を参照しながら説明する。
【００７７】
工程Ｓ１０１では、図４（ａ）に示されるように、窒化ガリウム基板を準備した。窒化ガリウム基板の主面はｃ面からｍ面方向又はａ面方向に１０〜８０度の角度で傾斜している。窒化ガリウム基板の主面の面積は、例えば２５平方ミリメートル以上であり、このサイズは例えば５ミリメートル角に相当する。窒化ガリウム基板５１の主面５１ａのサイズは、例えば２インチ以上であることが良い。反応炉１０内にＧａＮ基板５１を設置した後に、工程Ｓ１０２では、図４（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板５１のサーマルクリーニングを成長炉１０を用いて行う。摂氏１０５０度の温度で、ＮＨ３とＨ２を含むガスＧ０を成長炉１０に流しながら、１０分間の熱処理を行う。
【００７８】
工程Ｓ１０３では、図４（ｃ）に示されるように、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ１を成長炉１０に供給して、ＧａＮ基板５１の主面５１ａ上に、ｎ型の窒化ガリウム系半導体領域５３をエピタキシャルに成長する。原料ガスＧ１は、例えばＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を含む。窒化ガリウム系半導体領域５３として、例えば摂氏１０５０度の温度でＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層を成長する。このＡｌＧａＮ層の厚さは例えば２μｍである。窒化ガリウム系半導体領域５３の酸素濃度は、例えば５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲である。この方法によれば、酸素を含む窒化ガリウム系半導体の成長を半極性面上に行う際に、半極性面に合わない特定のファセット面が成長中に出現することを抑制する。このため、表面モフォロジが平坦になる。引き続く成長においても、酸素の添加により、特定のファセット面が成長中に出現することを抑制できる。また、窒化ガリウム系半導体領域５３の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であるとき、窒化ガリウム系半導体にファセットの発生を避けることができる。また、窒化ガリウム系半導体領域５３の酸素濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上であるとき、より平坦な表面モフォロジ及びファセット面の抑制が提供される。
【００７９】
次いで、摂氏８４０度に基板温度を下げた後に、工程Ｓ１０４では、図５（ａ）に示されるように、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ２を成長炉１０に供給して、アンドープＩｎＧａＮ光ガイド層５５ａをエピタキシャルに成長する。原料ガスＧ２は、例えばＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を含む。ＩｎＧａＮ光ガイド層５５ａの酸素濃度は、例えば５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲である。ＩｎＧａＮ光ガイド層５５ａの厚さは、１００ｎｍである。また、ＩｎＧａＮ光ガイド層５５ａの酸素濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上であることが好適である。
【００８０】
引き続き、量子井戸構造を有する活性層を成長する。この活性層における平均酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、活性層における平均酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下である。また、この平均酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。工程Ｓ１０５では、図５（ｂ）に示されるように、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ３を成長炉１０に供給して、摂氏８４０度の基板温度で、ＧａＮ障壁層５７をＩｎＧａＮ光ガイド層５５ａ上に成長する。原料ガスＧ２は、例えばＴＭＧ、ＮＨ３を含む。このＧａＮ層５７の厚さは例えば１５ｎｍである。
【００８１】
この後に摂氏７９０度に基板温度を下げた後に、工程Ｓ１０６では、図５（ｃ）に示されるように、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ４を成長炉１０に供給して、ＧａＮ障壁層５７上に、アンドープＩｎＧａＮ井戸層５９をエピタキシャルに成長する。原料ガスＧ４は、例えばＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を含む。ＩｎＧａＮ井戸層５９の酸素濃度は、例えば６×１０１７ｃｍ−３以下であることが良い。井戸層５９の厚さは例えば３ｎｍである。
【００８２】
その後、摂氏８４０度まで基板温度を上げた後に、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層５７を成長する。必要な場合には、障壁層５７の成長及び井戸層５９の成長を繰り返す。さらに、工程Ｓ１０７で、摂氏８４０度の基板温度で、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ５を成長炉１０に供給して、光ガイド層５５ａと同様に、アンドープＩｎＧａＮ光ガイド層５５ｂをエピタキシャルに成長して、図６（ａ）に示されるように、活性層６１及び発光層６３を作製する。発光層６３の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であるとき、窒化ガリウム系半導体にファセットの発生を避けることができる。
【００８３】
次いで、III族原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を発光層６３上に成長する。このために、工程Ｓ１０８では、基板温度を摂氏１０００度に上昇した後に、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ６を成長炉１０に導入して、図６（ｂ）に示されるように、発光層６３上に、電子ブロック層６５をエピタキシャルに成長する。原料ガスＧ６は、例えばＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを含む。電子ブロック層６５の厚さは例えば２０ｎｍである。
【００８４】
次いで、工程Ｓ１０９において、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ７を成長炉１０に導入して、図７（ａ）に示されるように、電子ブロック層６５上に、ｐ型クラッド層６７をエピタキシャルに成長する。原料ガスＧ７は、例えばＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを含む。ｐ型クラッド層６７の厚さは例えば４００ｎｍである。
【００８５】
続けて、工程Ｓ１１０において、III族原料及び窒素原料を含む原料ガスＧ８を成長炉１０に導入して、図７（ｂ）に示されるように、ｐ型クラッド層６７上にｐ型コンタクト層６９をエピタキシャルに成長する。原料ガスＧ８は、例えばＴＭＧ、ＮＨ３、ＣＰ２Ｍｇを含む。ｐ型コンタクト層６９の厚さは例えば５０ｎｍである。
【００８６】
窒化ガリウム系半導体層６５、６７、６９の酸素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上であり、窒化ガリウム系半導体層６５、６７、６９の酸素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下である。また、酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。窒化ガリウム系半導体層６５、６７、６９の酸素濃度は、発光層６３の酸素濃度よりも大きいことが良い。また、窒化ガリウム系半導体領域７０の炭素濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であるとき、窒化ガリウム系半導体にファセットの発生を避けることができる。
【００８７】
ここで、発光層とｎ型窒化ガリウム系半導体層のモフォロジと酸素ドーピングについて説明する。ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は低く、原子がマイレーションしにくいので、島状に成長する傾向にある。一方、ｎ型ＧａＮ、ＡｌＧａＮといった窒化ガリウム系半導体の成長温度は高いので、ステップフロー成長を得やすい。酸素ドーピングによってモフォロジが平坦化する効果は、上述の島状、ステップフロー成長といった成長モードとは異なる。酸素のドーピングにより、半極性面が安定化される。例えば窒化ガリウムの結晶成長においてｃ面は安定な面であると考えられており、半極性面上への窒化ガリウムの結晶成長において、ファセット面としてｃ面が生成されやすい。ｃ面の生成は、半極性面上でのエピタキシャル成長において、モフォロジを悪化させる。酸素のドーピングにより、半極性面上でのエピタキシャル成長においてモフォロジを悪化させるファセット面の生成を抑制できる。
【００８８】
基板温度を室温まで降温した後に、エピタキシャル基板ＥＰ１を成長炉から取り出す。エピタキシャル基板ＥＰ１は、III族窒化物半導体基板５１と、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域５３と、発光層６３と、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域７０とを備える。このエピタキシャル基板ＥＰ１によれば、窒化ガリウム系半導体領域５３、７０が５×１０１６ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域５３、７０の表面モフォロジが平坦になる。このため、窒化ガリウム系半導体領域５３、７０の表面にｃ面が現れることなく、窒化ガリウム系半導体領域５３、７０の表面も半極性を示す。窒化ガリウム系半導体領域５３、７０が１×１０１７ｃｍ−３以上の酸素を含むとき、上記の技術的な寄与が優れたものになる。窒化ガリウム系半導体領域５３、７０が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲を超えた酸素を含むとき、窒化ガリウム系半導体領域５３、７０の結晶品質が良好ではなくなる。良好な表面モフォロジの窒化ガリウム系半導体領域５３上に発光層６３を設けることができる。
【００８９】
エピタキシャル基板ＥＰ１のｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０上にアノード電極を形成してｐ型コンタクト層６９に電気的な接続を成すと共に基板５１の裏面５１ｂを必要に応じて研磨した後に研磨裏面にカソード電極を形成する。これらの電極は、例えば蒸着により作製される。
【００９０】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域５３の酸素濃度が、発光層６３及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の酸素濃度よりも大きいとき、発光素子のエピタキシャル膜積層において半導体領域５３が最も厚いので、モフォロジ改善への寄与が大きい。酸素がｎ型ドーパントであるので、酸素の添加によりキャリアの補償が生じることがない。発光層６３の酸素濃度が低いとき、発光層６３の発光効率が向上される。酸素濃度がｎ型ドーパントであるので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の酸素濃度が低いとき、酸素の添加によるキャリアの補償の影響が小さい。
【００９１】
発光層６３の酸素濃度がｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の酸素濃度よりも大きいとき、発光層６３のモフォロジ改善はｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の結晶品質の改善に寄与する。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の酸素濃度が低いとき、キャリア濃度が大きい。
【００９２】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の酸素濃度が、発光層６３の酸素濃度よりも小さいとき、マグネシウム（Ｍｇ）の添加により平坦性が損なわれやすいけれども、酸素の添加により、この半導体領域７０の平坦性が改善できる。発光層６３の酸素濃度が低いとき、発光層６３の発光効率が良好になる。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の成長温度を下げてこの半導体領域７０の酸素濃度を高めるとき、発光層６３への熱的ストレスが低減される。
【００９３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の酸素濃度が、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域５３よりも大きいとき、酸素の添加により、この半導体領域７０の平坦性が改善できる。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０のＡｌ増加により酸素濃度を高めるとき、レーザダイオードにおける光閉じ込め性が向上される。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７０の成長温度を下げてこの半導体領域７０の酸素濃度を高めるとき、発光層６３への熱的ストレスが低減される。
【００９４】
（実施例１）
レーザダイオードＬＤ１を作製した。m軸方向に７５度の角度θ１で傾斜させた半極性主面を有するＧａＮ基板７１を準備した。この半極性主面は（２０−２１）面に相当する。ＧａＮ基板７１を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板７１を保持した。保持時間は１０分であった。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のレーザ構造を作製した。まず、ｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層７２を摂氏１０５０度で成長した。摂氏８４０度に基板温度を下げた後にＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層７３ａを成長した。Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層７３ａ上に量子井戸活性層７４を成長した。さらに、摂氏８４０度に基板温度で、この活性層７４上にＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層７３ｂを成長した。摂氏１０００度に基板温度を上昇した後に、Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層７８、ｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層７５及びｐ型ＧａＮコンタクト層７６を成長した。このレーザ構造のフォトルミネッセンス波長は４５０ｎｍ帯にあった。このレーザ構造において表面モフォロジに最も大きく影響するものは、ＧａＮ基板７１の直上に位置しかつ大きな膜厚のクラッド層である。この実施例ではクラッド層７２の酸素濃度は３×１０１７ｃｍ−３であった。コンタクト層７６には絶縁膜７７の開口を介してアノードを形成すると共にＧａＮ基板７１の裏面７１ｂにカソードを形成して、図８に示される半導体レーザＬＤ１を作製した。
【００９５】
摂氏１１５０度の成長温度でｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層を成長して、半導体レーザＬＤ０を作製した。このクラッド層の酸素濃度を９×１０１６ｃｍ−３であった。図９（ａ）は、半導体レーザＬＤ１におけるレーザ構造のｐ型ＧａＮコンタクト層の表面モフォロジを示す。図９（ｂ）は、半導体レーザＬＤ０におけるレーザ構造のｐ型コンタクト層も表面モフォロジを示す。半導体レーザＬＤ０におけるレーザ構造のｐ型コンタクト層は、良好な表面モフォロジを示す。高い酸素濃度のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を含む半導体レーザＬＤ１では、半極性面が安定化されたと考えられる。これらのレーザ構造の比較により、半導体レーザＬＤ１におけるレーザ構造はより平坦なモフォロジを示した。
【００９６】
（実施例２）
レーザダイオードを作製した。m軸方向に７５度の角度θ２で傾斜させた半極性主面を有するＧａＮ基板８１を準備した。この半極性主面は（２０−２１）面に相当する。ＧａＮ基板８１を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板８１を保持した。保持時間は１０分であった。このサーマルクリーニングの後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のレーザ構造を作製した。まず、ｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層８２を摂氏１０５０度で成長した。摂氏８４０度に基板温度を下げた後に、厚さ１００ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ光ガイド層８３ａを成長した。光ガイド層８３上に量子井戸活性層８４を成長した。さらに、摂氏８４０度に基板温度で、この活性層８４上にＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ光ガイド層８３ｂを成長した。摂氏１０００度に基板温度を上昇した後に、Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層８５、ｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層８６及びｐ型ＧａＮコンタクト層８７を成長した。このレーザ構造のフォトルミネッセンス波長は４０５ｎｍ帯にあった。
【００９７】
コンタクト層８７には絶縁膜（例えばＳｉＯ２）８８のストライプ窓（幅１０μｍ）を介してアノード８９ａを形成すると共にＧａＮ基板８１の裏面８１ａにカソード８９ｂを形成した。この後に、８００μｍ間隔でａ面でへき開して、図１０に示されるゲインガイド型半導体レーザＬＤ２を作製した。
【００９８】
この実施例では、ｎ型クラッド層の酸素濃度は３×１０１７ｃｍ−３であった。量子井戸活性層８４の酸素濃度は２×１０１７ｃｍ−３であった。ｐ型電子ブロック層８５の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。ｐ型クラッド層８６の酸素濃度は７×１０１７ｃｍ−３であった。この構造では、ｐ層の酸素濃度が発光層よりも高い。
【００９９】
比較のために、同じ成膜条件で、ｃ面ＧａＮ基板上にもＬＤ構造を作製した。同じ成膜条件でｃ面上への成長においては、ＧａＮ系半導体への酸素の取り込み量が異なり、酸素濃度は全エピタキシャル層で１×１０１７ｃｍ−３以下であった。また、m面でへき開を行って、共振器ミラーを有するゲインガイド型半導体レーザＬＤＣ２を作製した。
【０１００】
これらの半導体レーザＬＤ２、ＬＤＣ２に電流２ｍＡを印加して、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を絶対温度３００度（３００Ｋ）と絶対温度１０度（１０Ｋ）において測定した。図１１（ａ）は、絶対温度３００度において測定したＥＬスペクトルを示し、図１１（ｂ）は、絶対温度１０度において測定したＥＬスペクトルを示す。ＥＬスペクトルＥＬＳ（３００）及びＥＬＳ（１０）は実施例の半導体レーザＬＤ２において測定され、ＥＬスペクトルＥＬＣ（３００）及びＥＬＣ（１０）は、比較例の半導体レーザＬＤＣ２において測定された。温度３００Ｋ及び１０ＫにおけるＥＬスペクトルを比較した。温度３００Ｋでは、いずれの半導体レーザＬＤ２、ＬＤＣ２のＥＬスペクトルＥＬＳ（３００）及びＥＬＣ（３００）は、４０５ｎｍ付近にＭＱＷに起因するピークを有する。一方、測定温度１０Ｋでは、実施例の半導体レーザＬＤ２のＥＬスペクトルは単一のピークを示したが、比較例の半導体レーザＬＤＣ２は、MQWピークの他にｐ型半導体層におけるドナーアクセプタ対（ＤＡＰ）発光を有する。これは、比較例ではホールが枯渇する低温において電子がｐ型半導体層へオーバーフローしていることを示す。
【０１０１】
本実施例の半導体レーザＬＤ２では、ｐ型半導体層にドナーとして働く酸素を発光層よりも高い濃度でドープしているけれども、良好なキャリア注入効率を示す。ｐ型半導体層の平坦性はＭｇ添加によって損なわれやすい。しかし、適正な範囲で酸素を添加することによって、表面平坦性とキャリア注入効率の両方が提供される。ｐ型半導体層の平坦性を改善し、電子ブロック層／クラッド層の界面の急峻性を高めることは、半導体レーザの共振器を伝搬する光の散乱ロス低減につながる。
【０１０２】
（実施例３）
発光ダイオードを作製した。ａ軸方向に１８度の角度θ３で傾斜させた半極性主面を有するＧａＮ基板９１を準備した。ＧａＮ基板９１を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板９１を保持した。保持時間は１０分であった。このサーマルクリーニングの後に、原料ガスを成長炉に供給して以下の発光ダイオード構造を作製した。まず、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層９２を摂氏１０５０度で成長した。摂氏８４０度に基板温度を下げた後にＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ緩衝層９３を成長した。厚さ１００ｎｍの緩衝層９３上に量子井戸活性層９４を成長した。具体的には、摂氏８４０度の基板温度で厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層９４ａを成長すると共に摂氏７００度の基板温度で厚さ３ｎｍのＩｎＡｌＧａＮ井戸層９４ｂを成長して、活性層９４を形成した。摂氏１０００度に基板温度を上昇した後に、この活性層９４上に厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ電子ブロック層９５及び厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９６を成長した。コンタクト層９６にはアノード（Ｎｉ／Ａｕ）９７とパッド電極９９ａを形成すると共に基板９１の裏面９１ｂにカソード（Ｔｉ／Ａｌ）を形成して、図１２に示される発光ダイオードＬＥＤ１を作製した。異なるインジウム組成のＩｎＡｌＧａＮ井戸層を有する発光ダイオード構造を作製した。井戸層の酸素濃度と光出力との関係を調べた。
ＬＥＤ構造、Ｉｎ組成、Ａｌ組成、酸素濃度（ｃｍ−３）、光出力
ＬＥＤ１  ：０．１８、０、      ２×１０１７、        １
ＬＥＤ２  ：０．１９、０．０３、４×１０１７、        ０．８５
ＬＥＤ３  ：０．２０、０．０６、１×１０１８、        ０．５４。
４５０ｎｍ付近の発光波長を得るように、井戸層のＩｎ組成を変更した。井戸層中の酸素濃度が増加するに従い、発光出力は低下した。これは、酸素の添加が井戸層の結晶品質を低下させたと考えられる。井戸層のＡｌは酸素を吸着しやすくまた低温（井戸層にＩｎが取り込まれるような温度）で吸着した酸素が脱離しにくいことを利用して、井戸層の酸素濃度を制御した。
【０１０３】
（実施例４）
ｍ面主面を有するＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板上にレーザダイオードＬＤ３を作製した。図１３は、実施例４におけるレーザダイオードの構造を示す図面である。ＧａＮ基板１０１を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気でサーマルクリーニングを行った後に、実施例１と同様にして、以下のレーザ構造をＧａＮ基板１０１の無極性主面１０１ａ上に作製した。
Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層１０２：ｎ型、２μｍ、
Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層１０３ａ：アンドープ、１００ｎｍ、
活性層１０４：Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ井戸層（厚さ３ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（厚さ１５ｎｍ）、
Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層１０３ｂ：アンドープ、１００ｎｍ、
Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層１０５：ｐ型、２０ｎｍ、
Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層１０６：ｐ型、４００ｎｍ、
ＧａＮコンタクト層１０７：ｐ型、５０ｎｍ。
ストライプ窓（幅１０μｍ）を有する絶縁膜（例えばＳｉＯ２）１０８及びコンタクト層１０７上にアノード１０９ａを形成すると共に、ＧａＮ基板１０１の裏面１０１ｂにカソード１０９ｂを形成した。この後に、へき開によりゲインガイド型半導体レーザＬＤ３を作製した。
【０１０４】
測定の結果、このレーザ構造のｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層１０２の酸素濃度は１×１０１７ｃｍ−３であった。この値は、比較のためのＬＤ構造における酸素濃度２×１０１６ｃｍ−３に比べて大きい。図１４は、実施例４のｐ型コンタクト層１０７および比較例のｐ型コンタクト層における表面モフォロジを示す図面である。図１４（ａ）に示されたｐ型コンタクト層表面を図１４（ｂ）に示されたｐ型コンタクト層表面と比較すると、実施例４のエピタキシャル膜の表面は比較的平坦なモフォロジを示した。一方、比較例のエピタキシャル膜の表面にはｃ軸に直交する方向に延びる多数のファセットが見られた。実施例４によれば、無極性面でも酸素による安定化の効果があるものと考えられる。
【０１０５】
（実施例５）
レーザダイオードＬＤ４を作製した。図１５は、実施例５におけるレーザダイオードの構造を示す図面である。m軸方向に６８度の角度θ４で傾斜させた半極性主面を有するＧａＮ基板１１１を準備した。ＧａＮ基板１１１を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板１１１を保持した。この前処理の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のレーザ構造を作製した。まず、ｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層１１２を摂氏１０５０度で成長した。摂氏８４０度に基板温度を下げた後にＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層１１３ａを成長した。Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層１１３ａ上に活性層１１４を成長した。さらに、摂氏８４０度に基板温度で、この活性層１１４上にＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ光ガイド層１１３ｂを成長した。摂氏１０００度に基板温度を上昇した後に、Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層１１５、ｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層１１６及びｐ型ＧａＮコンタクト層１１７を成長した。このレーザ構造のフォトルミネッセンス波長は４５０ｎｍ帯にあった。
【０１０６】
アンモニアといった窒素原料の水分濃度を調整するために、窒素原料の供給源と成長炉との間に精製装置を設けた。この精製装置を用いて、精製されて窒素原料としてアンモニアを成長炉に供給した。精製装置を用いて、窒素原料として、水分含有量５００ｐｐｂ％以下のアンモニアを成長炉に供給できる。また、精製装置を用いて、窒素原料として水分含有量５０ｐｐｂ％以下のアンモニアを用いることができる。さらに、精製装置を用いて、窒素原料として、水分含有量１ｐｐｂ％以下のアンモニアを成長炉に供給できる。この実施例において、水分濃度５０ｐｐｂ％のアンモニアを窒素原料として成長炉に供給した。
【０１０７】
測定によれば、ｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎクラッド層の酸素濃度は２×１０１７ｃｍ−３であった。比較のために、水分濃度１ｐｐｍ％のアンモニアを窒素原料として用いた。測定によれば、このｐ型ＡｌＧａＮ層の酸素濃度は８×１０１８ｃｍ−３であった。
【０１０８】
実施例のＬＤ構造におけるｐ型ＧａＮコンタクト層１１７の表面にＳｉＯ２膜を成膜し、この後に幅１０μｍのストライプ窓をウェットエッチングにより形成して保護膜１１８を設けた。Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極１１９ａとＴｉ／Ａｕから成るパッド電極を蒸着により形成した。基板裏面１１１ｂにはＴｉ／Ａｌから成るｎ電極１１９ｂとＴｉ／Ａｕから成るパッド電極を蒸着により形成した。比較例のＬＤ構造にも、本実施例と同様に、ＳｉＯ２膜及び電極を形成した。この後に、８００μｍ間隔でａ面へき開して、ゲインガイド型レーザを作製した。
【０１０９】
図１６は、実施例４及び比較例におけるレーザダイオードのＩ−Ｖ特性を示す図面である。特性線ＩＶ１、ＩＶＣは、それぞれ、実施例５及び比較例のためのＩ−Ｖ特性を示す。比較例のレーザダイオードにおける駆動電圧は、実施例５のレーザダイオードにおける駆動電圧に比べて著しく高い。これは、比較例のレーザダイオードでは、低いアンモニア純度に起因してｐ型コンタクト層中の酸素濃度が高くなり、ｐ型導電性が損なわれたためと考えられる。
【０１１０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むIII族窒化物半導体光素子を提供できる。また、本実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体光素子を作製する方法を提供できる。さらに、本実施の形態によれば、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むエピタキシャル基板を提供できる。
【０１１１】
以上の説明では、半導体光素子を参照しながら本実施の形態を説明したが、本発明は、半導体素子の一例としてIII族窒化物半導体電子デバイスにも適用可能である。したがって、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むIII族窒化物半導体電子デバイスを提供できる。また、本実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法を提供できる。さらに、本実施の形態によれば、良好な表面モフォロジを有する窒化ガリウム系半導体膜を含むエピタキシャル基板を提供できる。
【０１１２】
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。本実施の形態では、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。また、本実施の形態では、有機金属気相成長法を用いる窒化物半導体の成長について例示的に説明しているけれども、本発明は、酸素の取り込みがある分子線エピタキシ法を用いる窒化物半導体の成長にも適用できる。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】
【０１１３】
１１ａ、１１ｂ…III族窒化物半導体光素子、１３…III族窒化物半導体支持体、１５…窒化ガリウム系半導体領域、１７…活性層、１９…窒化ガリウム系半導体領域、Ｓｃ…基準平面、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、ＶＮ…法線ベクトル、Ａｏｆｆ…傾斜角、２１…第１導電型窒化ガリウム系半導体層、２３…窒化ガリウム系半導体層、２５…窒化ガリウム系半導体層、２７…第２導電型窒化ガリウム系半導体層、２９ａ…井戸層、２９ｂ…障壁層、２９…量子井戸構造、３１ａ、３１ｂ…接合面、３３…第１の電極、３５…第２の電極  
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図９】
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【図１４】
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