(57)【要約】【課題】光取出効率及び信頼性に優れた発光素子を実現することのできる、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む発光素子を提供する。【解決手段】一実施の形態において、（−２０１）面である主面２１ａに凹凸を有する、β−Ｇａ２Ｏ３結晶からなるβ−Ｇａ２Ｏ３基板２１と、β−Ｇａ２Ｏ３基板２１の主面２１ａ上にエピタキシャル結晶成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層１３と、を有する半導体積層構造体２０を提供する。【選択図】図６
2014022446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（−２０１）面である主面に凹凸を有する、β−Ｇａ２Ｏ３結晶からなる基板と、
前記基板の前記主面上にエピタキシャル結晶成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、
を有する半導体積層構造体。
【請求項２】
前記凹凸の平面パターンは曲線を含む、
請求項１に記載の半導体積層構造体。
【請求項３】
（１０１）面である主面に凹凸を有する、β−Ｇａ２Ｏ３結晶からなる基板と、
前記基板の前記主面上にエピタキシャル結晶成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、
を有し、
前記凹凸の平面パターンは、［０１０］方向とのなす角が８５°以上９５°以下である直線と［０１０］方向とのなす角が２５°以上３５°以下である直線とから選択される直線のみで構成される、
半導体積層構造体。
【請求項４】
前記凹凸の平面パターンは、［０１０］方向とのなす角が９０°である直線と［０１０］方向とのなす角が３０°である直線とから選択される直線のみで構成される、
請求項３に記載の半導体積層構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層構造体を含む、発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体積層構造体及び発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光素子として、透光性基板の凹凸パターンが形成された面の上に結晶膜を成長させることにより形成されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、サファイア基板の凹凸パターン上にＧａＮ系半導体層を成長させる。
【０００３】
特許文献１のサファイア基板の凹凸パターンは、ＧａＮ系半導体層中の発光層から発せられた光がＧａＮ系半導体層中に閉じこめられることを抑える機能を有する。このため、光をサファイア基板側から効率よく取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１１２９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、光取出効率及び信頼性に優れた発光素子を実現することのできる、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［５］の半導体積層構造体を提供する。
【０００７】
［１］（−２０１）面である主面に凹凸を有する、β−Ｇａ２Ｏ３結晶からなる基板と、前記基板の前記主面上にエピタキシャル結晶成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、を有する半導体積層構造体。
【０００８】
［２］前記凹凸の平面パターンは曲線を含む、前記［１］に記載の半導体積層構造体。
【０００９】
［３］（１０１）面である主面に凹凸を有する、β−Ｇａ２Ｏ３結晶からなる基板と、前記基板の前記主面上にエピタキシャル結晶成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、を有し、前記凹凸の平面パターンは、［０１０］方向とのなす角が８５°以上９５°以下である直線と［０１０］方向とのなす角が２５°以上３５°以下である直線とから選択される直線のみで構成される、半導体積層構造体。
【００１０】
［４］前記凹凸の平面パターンは、［０１０］方向とのなす角が９０°である直線と［０１０］方向とのなす角が３０°である直線とから選択される直線のみで構成される、前記［３］に記載の半導体積層構造体。
【００１１】
また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、［６］の発光素子を提供する。
【００１２】
［５］前記［１］〜［４］のいずれか１つに記載の半導体積層構造体を含む、発光素子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光取出効率及び信頼性に優れた発光素子を実現することのできる、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る半導体積層構造体の垂直断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、β−Ｇａ２Ｏ３基板の主面の凹凸の平面パターンの例を表す平面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、ラインアンドスペースパターンの凹凸を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板の主面上に形成された窒化物半導体層を写した微分干渉顕微鏡写真である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は、ラインアンドスペースパターンの凹凸を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板の主面上に形成された窒化物半導体層を写した微分干渉顕微鏡写真である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、β−Ｇａ２Ｏ３基板の主面上に成長した窒化物半導体層の形状を模式的に表す断面図である。
【図６】図６は、第２の実施の形態に係る半導体積層構造体の垂直断面図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、β−Ｇａ２Ｏ３基板の主面の凹凸の平面パターンの例を表す平面図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は、ラインアンドスペースパターンの凹凸を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板の主面上に形成された窒化物半導体層を写した微分干渉顕微鏡写真である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は、ラインアンドスペースパターンの凹凸を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板の主面上に形成された窒化物半導体層を写した微分干渉顕微鏡写真である。
【図１０】図１０は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１の実施の形態〕
（半導体積層構造体の構造）
図１は、第１の実施の形態に係る半導体積層構造体１０の垂直断面図である。半導体積層構造体１０は、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１と、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面１１ａ上にエピタキシャル結晶成長により形成された窒化物半導体層１３を有する。また、図１に示されるように、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１と窒化物半導体層１３の格子不整合を緩和するために、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１と窒化物半導体層１３との間にバッファ層１２を設けることが好ましい。
【００１６】
β−Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β−Ｇａ２Ｏ３結晶からなる。β−Ｇａ２Ｏ３基板１１は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。β−Ｇａ２Ｏ３基板１１の厚さは、例えば、４００μｍである。
【００１７】
バッファ層１２は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる。バッファ層１２は、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１上にアイランド状に形成されてもよいし、膜状に形成されてもよい。バッファ層１２は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。
【００１８】
また、バッファ層１２は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の中でも、特にＡｌＮ結晶（ｘ＝１、ｙ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。バッファ層１２がＡｌＮ結晶からなる場合、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１と窒化物半導体層１３との密着性がより高まる。バッファ層１２の厚さは、例えば、１〜５ｎｍである。
【００１９】
窒化物半導体層１３は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなり、特に、高い品質の結晶が得られやすいＧａＮ結晶（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。窒化物半導体層１３の厚さは、例えば、５μｍである。窒化物半導体層１３は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。
【００２０】
β−Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面１１ａは、（１０１）面であり、凹凸を有する。主面１１ａの凹凸は、窒化物半導体層１３側からβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１に向かって進む光の窒化物半導体層１３とβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との界面における反射（バッファ層１２が設けられる場合はバッファ層１２とβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との界面における反射も含む。以下同様。）を低減し、より多くの光をβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１側に透過させる機能を有する。例えば、後述するような、半導体積層構造体１０を含み、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１側から光を取り出す発光素子を形成する場合、窒化物半導体層１３とβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との界面での反射を抑えることにより、発光素子の光取出効率を向上させることができる。
【００２１】
なお、このような発光素子において窒化物半導体層１３側からの光の窒化物半導体層１３とβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との界面での反射を効果的に抑えるためには、主面１１ａの凹凸の深さ（凹部の底面と凸部の上面の高さの差）が窒化物半導体層１３中の光の波長以上であることが求められる。例えば、発光素子が発する光が波長４５０ｎｍの青色光であり、窒化物半導体層１３が屈折率２．４のＧａＮ結晶からなる場合、窒化物半導体層１３中の光の波長は１８７．５ｎｍであり、主面１１ａの凹凸の深さは１８７．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２２】
β−Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面１１ａの凹凸の平面パターンは、β−Ｇａ２Ｏ３のｂ軸である［０１０］方向とのなす角が８５°以上９５°以下（９０±５°）である直線と［０１０］方向とのなす角が２５°以上３５°以下（３０±５°）である直線とから選択される直線のみ、より好ましくは、［０１０］方向とのなす角が９０°である直線と［０１０］方向とのなす角が３０°である直線とから選択される直線のみで構成される。
【００２３】
図２（ａ）〜（ｃ）は、主面１１ａの凹凸の平面パターンの例を表す平面図である。図２（ａ）は、ライン（凸部）とスペース（凹部）で構成されるラインアンドスペースパターンを表す。ラインアンドスペースパターンは、［０１０］方向とのなす角が８５°以上９５°以下である直線、又は［０１０］方向とのなす角が２５°以上３５°以下である直線から構成され、より好ましくは、［０１０］方向とのなす角が９０°である直線、又は［０１０］方向とのなす角が３０°である直線から構成される。図２には、一例として、［０１０］方向とのなす角が９０°である直線から構成されるラインアンドスペースパターンを示す。
【００２４】
図２（ｂ）は、周期的に配置された三角形から構成されるパターンを表す。この三角形は、［０１０］方向とのなす角が８５°以上９５°以下である直線と［０１０］方向とのなす角が２５°以上３５°以下である直線とから構成され、より好ましくは、［０１０］方向とのなす角が９０°である直線と［０１０］方向とのなす角が３０°である直線とから構成される。このパターンは、三角形がドット（凸部）であるドットパターン、ホール（凹部）であるホールパターンのどちらでもよい。
【００２５】
図２（ｃ）は、周期的に配置された六角形から構成されるパターンを表す。この六角形は、［０１０］方向とのなす角が８５°以上９５°以下である直線と［０１０］方向とのなす角が２５°以上３５°以下である直線とから構成され、好ましくは、［０１０］方向とのなす角が９０°である直線と［０１０］方向とのなす角が３０°である直線とから構成される。このパターンは、六角形がドット（凸部）であるドットパターン、ホール（凹部）であるホールパターンのどちらでもよい。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｄ）、及び図４（ａ）〜（ｄ）は、ラインアンドスペースパターンの凹凸を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面１１ａ上に形成された窒化物半導体層１３を写した微分干渉顕微鏡写真である。これらの微分干渉顕微鏡写真には、窒化物半導体層１３下の主面１１ａの凹凸が透けて見えている。ライン（凸部）とスペース（凹部）の幅はそれぞれ約５μｍであり、凹凸の深さは約１μｍである。
【００２７】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）に示されるラインアンドスペースパターンを構成する直線の、［０１０］方向を基準とした反時計回り方向の角度は、それぞれ０°、３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、１３５°、１５０°である。
【００２８】
図３（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、及び図４（ｂ）、図４（ｃ）に示される主面１１ａには点線のような黒い影が写っているが、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｄ）に示される主面１１ａには影が写っていない。この影は、窒化物半導体層１３を構成するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶が多結晶化している領域に現れる。
【００２９】
図５（ａ）、（ｂ）は、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面１１ａ上に成長した窒化物半導体層１３の形状を模式的に表す断面図である。図５（ａ）は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａが単結晶として得られた領域の断面図を表し、図５（ｂ）は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａが多結晶化した領域の断面図を表す。
【００３０】
図５（ａ）に示される領域では、主面１１ａの凹凸の水平面（凹部の底面、及び凸部の上面）からのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａの成長が支配的であり、水平面から垂直に成長したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａがさらに水平方向に成長し、凹凸の斜面上の領域も埋める。その結果、窒化物半導体層１３の表面は平坦になる。
【００３１】
一方、図５（ｂ）に示される領域では、主面１１ａの凹凸の斜面からのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａの成長が速く、水平面から垂直に成長したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａと斜面から斜めに成長したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａとが混在する多結晶が形成される。そして、図５（ｂ）に示されるように、斜面から斜めに成長したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａとβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との間には隙間１４が生じ、この隙間１４が影として微分干渉顕微鏡写真に写る。
【００３２】
したがって、主面１１ａの凹凸の平面パターンが図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｄ）に示される［０１０］方向を基準とした反時計回り方向の角度が３０°、９０°、１５０°である直線、すなわち［０１０］方向とのなす角が３０°、９０°である直線から構成されるラインアンドスペースパターンである場合に、多結晶化が抑制された高品質のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａからなる窒化物半導体層１３が得られることがわかる。
【００３３】
また、このことから、主面１１ａの凹凸の平面パターンが［０１０］方向とのなす角が３０°である直線と９０°である直線の組み合わせにより構成されるパターンである場合にも、高品質のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａからなる窒化物半導体層１３が得られることがわかる。
【００３４】
さらに、凹凸の平面パターンを構成する直線の±５°程度の傾きは、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａの成長に影響をほとんど与えないため、主面１１ａの凹凸の平面パターンが、［０１０］方向とのなす角が８５°以上９５°以下（９０±５°）である直線と［０１０］方向とのなす角が２５°以上３５°以下（３０±５°）である直線とから選択される直線のみで構成される場合に、高品質のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａからなる窒化物半導体層１３が得られるといえる。
【００３５】
図５（ｂ）に示されるように、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａが多結晶化し、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａとβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との間に隙間１４が存在する場合、窒化物半導体層１３からβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１への光の透過率が低下する。以下に、その理由を説明する。
【００３６】
隙間１４に存在する空気の屈折率はおよそ１であり、１．９程度のβ−Ｇａ２Ｏ３結晶の屈折率よりも低い。このため、窒化物半導体層１３側から進む光のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａ（ＧａＮ結晶である場合の屈折率は２．４程度）とβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１の界面における臨界角よりも、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａと隙間１４の界面における臨界角の方が小さく、窒化物半導体層１３側から進む光は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａとβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１の界面よりも、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａと隙間１４の界面において反射されやすい。そのため、隙間１４が存在することにより、窒化物半導体層１３からβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１への光の透過率が低下するおそれがある。
【００３７】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態に係る半導体積層構造体１０によれば、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面１１ａが凹凸を有し、また、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａとβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との間の隙間１４の発生を抑えることにより、窒化物半導体層１３側からβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１に向かって進む光の窒化物半導体層１３とβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１との界面における反射を抑えることができる。このため、半導体積層構造体１０を光取出効率に優れた発光素子の構成部材として用いることができる。
【００３８】
さらに、β−Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面１１ａ上に成長するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａの多結晶化を抑え、結晶品質が高く、表面の平坦な窒化物半導体層１３を形成することができるため、窒化物半導体層１３上に高品質の結晶を成長させることができ、半導体積層構造体１０を用いて信頼性に優れた発光素子を形成することができる。
【００３９】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、β−Ｇａ２Ｏ３基板の主面の面方位、及び主面の凹凸の平面パターンにおいて第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
【００４０】
（半導体積層構造体の構造）
図６は、第２の実施の形態に係る半導体積層構造体２０の垂直断面図である。半導体積層構造体２０は、β−Ｇａ２Ｏ３基板２１と、β−Ｇａ２Ｏ３基板２１の主面２１ａ上にエピタキシャル結晶成長により形成された窒化物半導体層１３を有する。また、図６に示されるように、β−Ｇａ２Ｏ３基板２１と窒化物半導体層１３の格子不整合を緩和するために、β−Ｇａ２Ｏ３基板２１と窒化物半導体層１３との間にバッファ層１２を設けることが好ましい。
【００４１】
β−Ｇａ２Ｏ３基板２１は、β−Ｇａ２Ｏ３結晶からなる。β−Ｇａ２Ｏ３基板２１は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。β−Ｇａ２Ｏ３基板２１の厚さは、例えば、４００μｍである。
【００４２】
β−Ｇａ２Ｏ３基板２１の主面２１ａは、（−２０１）面であり、凹凸を有する。主面２１ａの凹凸は、窒化物半導体層１３側からβ−Ｇａ２Ｏ３基板２１に向かって進む光の窒化物半導体層１３とβ−Ｇａ２Ｏ３基板２１との界面における反射を低減し、より多くの光をβ−Ｇａ２Ｏ３基板２１側に透過させる機能を有する。また、窒化物半導体層１３側からの光を効果的に透過させるために、主面２１ａの凹凸の深さは、第１の実施の形態の主面１１ａの凹凸の深さと同様に、窒化物半導体層１３中の光の波長以上であることが好ましい。
【００４３】
β−Ｇａ２Ｏ３基板２１の主面２１ａの凹凸の平面パターンは、どのようなパターンであってもよい。すなわち、平面パターンを構成する線の方向は限定されず、曲線が含まれてもよい。例えば、ラインアンドスペースパターンであれば、パターンはどの方向を向いていてもよく、ドットパターンやホールパターンであれば、ドット及びホールがどのような形状であってもよい。
【００４４】
図７（ａ）、（ｂ）は、主面２１ａの凹凸の平面パターンの例を表す平面図である。図７（ａ）は、周期的に配置された円形から構成されるパターンを表す。このパターンは、円形がドット（凸部）であるドットパターン、ホール（凹部）であるホールパターンのどちらでもよい。
【００４５】
図７（ｂ）は、周期的に配置された角の落ちた四角形から構成されるパターンを表す。このパターンは、円形がドット（凸部）であるドットパターン、ホール（凹部）であるホールパターンのどちらでもよい。
【００４６】
一般に、微細なパターンを形成する場合、リソグラフィの解像度の限界により、多角形のドットやホールの角が落ちて丸みを帯びる。そのため、第１の実施の形態のように、多結晶化が抑えられた高品質の窒化物半導体層１３を形成するために、β−Ｇａ２Ｏ３基板の主面の凹凸の平面パターンを構成する直線の方向が制限される場合は、パターンの丸みを帯びた部分の周辺でＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａの多結晶化が生じるおそれがある。
【００４７】
一方、本実施の形態によれば、（−２０１）面である主面２１ａの凹凸の平面パターンは制限されないため、図７（ｂ）のように角が落ちて丸みを帯びた微細なパターンである場合であっても、多結晶化が抑えられた高品質の窒化物半導体層１３を形成することができる。
【００４８】
図８（ａ）〜（ｄ）、及び図９（ａ）〜（ｄ）は、ラインアンドスペースパターンの凹凸を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板２１の主面２１ａ上に形成された窒化物半導体層１３を写した微分干渉顕微鏡写真である。これらの微分干渉顕微鏡写真には、窒化物半導体層１３下の主面２１ａの凹凸が透けて見えている。ライン（凸部）とスペース（凹部）の幅はそれぞれ約５μｍであり、凹凸の深さは約１μｍである。
【００４９】
図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）、図９（ｄ）に示されるラインアンドスペースパターンを構成する直線の、［０１０］方向を基準とした反時計回り方向の角度は、それぞれ０°、３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、１３５°、１５０°である。
【００５０】
図８（ａ）〜（ｄ）、及び図９（ａ）〜（ｄ）のいずれの写真にも、図３（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、及び図４（ｂ）、図４（ｃ）の写真に見られるような影が見られない。これは、主面２１ａの凹凸の平面パターンを構成する直線がどの方向を向いていても、多結晶化が抑制された高品質のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａからなる窒化物半導体層１３が得られることを示している。すなわち、主面２１ａの凹凸の平面パターンがどのようなパターンであっても、多結晶化が抑制された高品質のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａからなる窒化物半導体層１３が得られる。
【００５１】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、光取出効率及び信頼性に優れた発光素子の構成部材として用いることができる半導体積層構造体２０を得ることが出来る。
【００５２】
さらに、第２の実施の形態によれば、（−２０１）面である主面２１ａの凹凸がどのような平面パターンを有する場合であっても、β−Ｇａ２Ｏ３基板２１の主面２１ａ上に成長するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１３ａの多結晶化を抑え、結晶品質が高く、表面の平坦な窒化物半導体層１３を形成することができる。
【００５３】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、第１の実施の形態の半導体積層構造体１０又は第２の実施の形態の半導体積層構造体２０を含む発光素子についての形態である。以下に、その発光素子の一例として、ＬＥＤ素子について説明する。
【００５４】
（発光素子の構造）
図１０は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子３０の垂直断面図である。ＬＥＤ素子３０は、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１と、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１上のバッファ層３２と、バッファ層３２上のｎ型クラッド層３３と、ｎ型クラッド層３３上の発光層３４と、発光層３４上のｐ型クラッド層３５と、ｐ型クラッド層３５上のコンタクト層３６と、コンタクト層３６上のｐ型電極３７と、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１のバッファ層３２と反対側の面上のｎ型電極３８とを有する。
【００５５】
また、バッファ層３２、ｎ型クラッド層３３、発光層３４、ｐ型クラッド層３５、及びコンタクト層３６から構成される積層体の側面は、絶縁膜３９に覆われる。
【００５６】
ここで、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１、バッファ層３２、及びｎ型クラッド層３３は、第１の実施の形態の半導体積層構造体１０、又は第２の実施の形態の半導体積層構造体２０に相当する。すなわち、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１はβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１又はβ−Ｇａ２Ｏ３基板２１に相当し、バッファ層３２はバッファ層１２に相当し、ｎ型クラッド層３３は窒化物半導体層１３に相当する。β−Ｇａ２Ｏ３基板３１、バッファ層３２、及びｎ型クラッド層３３の厚さは、例えば、それぞれ４００μｍ、５ｎｍ、５μｍである。
【００５７】
発光層３４は、例えば、３層の多重量子井戸構造と、その上の厚さ１０ｎｍのＧａＮ結晶膜からなる。各多重量子井戸構造は、厚さ８ｎｍのＧａＮ結晶膜と厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ結晶膜からなる。発光層３４は、例えば、成長温度７５０℃で各結晶膜をｎ型クラッド層３３上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
【００５８】
ｐ型クラッド層３５は、例えば、厚さ１５０ｎｍの、濃度５．０×１０１９／ｃｍ３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。ｐ型クラッド層３５は、例えば、成長温度１０００℃でＭｇを含むＧａＮ結晶を発光層３４上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
【００５９】
コンタクト層３６は、例えば、厚さ１０ｎｍの、濃度１．５×１０２０／ｃｍ３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。コンタクト層３６は、例えば、成長温度１０００℃でＭｇを含むＧａＮ結晶をｐ型クラッド層３５上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
【００６０】
バッファ層３２、ｎ型クラッド層３３、発光層３４、ｐ型クラッド層３５、及びコンタクト層３６の形成においては、Ｇａ原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)ガス、Ｉｎ原料としてＴＭＩ(トリメチルインジウム)ガス、Ｓｉ原料として（Ｃ２Ｈ５）２ＳｉＨ２(ジエチルシラン)ガス、Ｍｇ原料としてＣｐ２Ｍｇ(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)ガス、Ｎ原料としてＮＨ３(アンモニア)ガスを用いることができる。
【００６１】
絶縁膜３９は、ＳｉＯ２等からなる絶縁材料からなり、例えば、スパッタリングにより形成される。
【００６２】
ｐ型電極３７及びｎ型電極３８は、それぞれコンタクト層３６及びβ−Ｇａ２Ｏ３基板３１にオーミック接合する電極であり、例えば、蒸着装置により形成される。
【００６３】
ＬＥＤ素子３０は、ウエハ状態のβ−Ｇａ２Ｏ３基板３１上に、バッファ層３２、ｎ型クラッド層３３、発光層３４、ｐ型クラッド層３５、コンタクト層３６、ｐ型電極３７、及びｎ型電極３８を形成した後、これらをダイシングによって、例えば、３００μｍ角のチップサイズに分離することにより得られる。
【００６４】
ＬＥＤ素子３０は、例えば、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１側から光を取り出すＬＥＤチップであり、キャンタイプのステムにＡｇペーストを用いて実装される。
【００６５】
（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子３０によれば、第１の実施の形態の半導体積層構造体１０及び第２の実施の形態の半導体積層構造体２０と同様に、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１が主面に凹凸を有し、また、ｎ型クラッド層３３を構成するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３基板３１との間の隙間の発生が抑えられるため、発光層３４から発せられた光のβ−Ｇａ２Ｏ３基板３１のｎ型クラッド層３３とβ−Ｇａ２Ｏ３基板３１との界面における反射が抑えられ、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１側から効率的に光を取り出すことができる。
【００６６】
また、β−Ｇａ２Ｏ３基板３１上に形成されるｎ型クラッド層３３は、第１の実施の形態のβ−Ｇａ２Ｏ３基板１１上に形成される窒化物半導体層１３、及び第２の実施の形態のβ−Ｇａ２Ｏ３基板２１上に形成される窒化物半導体層１３と同様に、結晶品質が高く、表面が平坦である。そのため、ｎ型クラッド層３３上にエピタキシャル結晶成長により形成される発光層３４、ｐ型クラッド層３５、及びコンタクト層３６も優れた結晶品質を有する。
【００６７】
また、ｎ型クラッド層３３の表面が平坦なため、発光層３４、ｐ型クラッド層３５、及びコンタクト層３６、及びｐ型電極３７にも凹凸がほとんどなく、凹凸に起因するｎ型クラッド層３３とｐ型電極３７の短絡等の問題が生じない。
【００６８】
これらの理由により、ＬＥＤ素子３０は、光取出効率及び信頼性に優れる。
【００６９】
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００７０】
また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００７１】
１０、２０…半導体積層構造体、  １１、２１、３１…β−Ｇａ２Ｏ３基板、１１ａ、２１ａ…主面、  １３…窒化物半導体層、  ３０…ＬＥＤ素子、  ３３…ｎ型クラッド層
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図９】
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