(57)【要約】【課題】発光効率の低下および結晶欠陥の発生を抑制することが可能な窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】この窒化物半導体素子は、基板と、基板上に形成されると共にウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む発光層とを備え、基板の結晶構造におけるｃ軸と、発光層の結晶構造におけるｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されている。【選択図】図１
2018037580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に結晶成長されると共に、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む発光層と
を備え、
前記基板の結晶構造におけるｃ軸と、前記発光層の結晶構造におけるｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されている
窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記基板の結晶構造のａ軸に沿った方向における格子定数をａ１とし、前記発光層の前記ｃ軸に沿った方向における格子定数をｃ１としたとき、以下の条件式（１）を満足する
請求項１に記載の窒化物半導体素子。
√３・ａ１＝ｃ１      ………（１）
【請求項３】
前記条件式（１）における格子不整合度は、−３．２％以上＋３．２％以下である
請求項２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記基板はｃ面ＧａＮ基板またはｃ面サファイア基板により構成され、
前記発光層は、Ｇａ(1-x)ＩｎxＮ（ｘは０．２５以上０．８６以下）を含んで構成されている
請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記基板はｃ面ＡｌＮ基板により構成され、
前記発光層は、Ｇａ(1-y)ＩｎyＮ（ｙは０．０６以上０．６６以下）を含んで構成されている
請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
半導体レーザ素子である
請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
発光ダイオード素子である
請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体レーザ素子では、例えば、ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＧａＩｎＮ量子井戸発光層、ｐ型ＡｌＧａＮ−ＧａＮ超格子クラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層等の半導体層が形成され、ｐ側およびｎ側には各々電極が形成される。このような構成において、半導体層は、ｃ面ＧａＮ基板の上にｃ軸配向した結晶により形成される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４０６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記特許文献１の手法では、基板のｃ軸方向に沿って生じるピエゾ電界に起因して発光効率が低下し易い。また、発光層におけるインジウム組成が大きくなると、格子不整合度が大きくなり、結晶欠陥を発生し易い。
【０００５】
発光効率の低下および結晶欠陥の発生を抑制することが可能な窒化物半導体素子を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一実施形態の窒化物半導体素子は、基板と、基板上に形成されると共にウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む発光層とを備え、基板の結晶構造におけるｃ軸と、発光層の結晶構造におけるｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されているものである。
【０００７】
本開示の一実施形態の窒化物半導体素子では、基板のｃ軸と、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む発光層のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置される。ここで、ｃ面基板上に発光層が形成される場合、ｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が生じるが、この基板のｃ軸に対して発光層のｍ軸が平行に配置されることで、発光層では無極性面が形成され、ピエゾ電界の影響を受けにくい。また、基板と発光層との間で格子整合し易くなる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一実施形態の窒化物半導体素子では、基板のｃ軸と、この基板上に形成されると共にウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む発光層のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置される。これにより、発光層では、無極性面が形成され、基板のｃ軸方向におけるピエゾ電界の影響を受けにくくなる。このため、発光効率の低下を抑制できる。また、基板と発光層との間で格子整合し易くなることから、発光層における結晶欠陥を抑制することができる。よって、発光効率の低下および結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。
【０００９】
尚、本開示の効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されず、本明細書中に記載されたいずれの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一実施の形態に係る窒化物半導体素子（半導体レーザ素子）の構成例を表す断面図である。
【図２】ウルツ鉱型の結晶構造における軸方向を説明するための模式図である。
【図３】図２に示した結晶構造における極性面（ｃ面）および無極性面（ｍ面，ａ面）を表す模式図である。
【図４】図１に示した基板のＸＹ面内における結晶構造を表した模式図である。
【図５】図１に示した発光層のＸＹ面内における結晶構造を表した模式図である。
【図６】図１に示した基板および発光層のＹＺ面内における結晶構造を表した模式図である。
【図７】比較例に係る半導体レーザ素子の構成例を表す断面図である。
【図８】極性面基板成長の場合のＧａＩｎＮ／ＧａＮのエネルギーバンド構造を表す図である。
【図９】無極性面基板成長の場合のＧａＩｎＮ／ＧａＮのエネルギーバンド構造を表す図である。
【図１０】変形例１に係る窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）の構成例を表す断面図である。
【図１１】変形例２に係る窒化物半導体素子（半導体レーザ素子）の構成例を表す断面図である。
【図１２】変形例３に係る窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）の構成例を表す断面図である。
【図１３】実施例に係るＡｌＮ／Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎの透過電子顕微鏡像を表す図である。
【図１４】図１３に示したＡｌＮ／Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎの模式図とＦＦＴ像を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置、寸法および寸法比などについても、それらに限定されるものではない。なお、説明は、以下の順序で行う。
１．実施の形態（基板（ｃ面ＧａＮ）のｃ軸と、発光層のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置された半導体レーザ素子の例）
２．変形例１（基板（ｃ面サファイア）を用いた発光ダイオード素子の例）
３．変形例２（基板（ｃ面ＡｌＮ）を用いた半導体レーザ素子の例）
４．変形例３（基板（ｃ面ＡｌＮ）を用いた発光ダイオード素子の例）
５．実施例（ｃ面ＡｌＮ基板上にＧａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層を形成した場合の実施例）
【００１２】
＜実施の形態＞
[構成]
図１は、本開示の一実施の形態に係る窒化物半導体素子（半導体レーザ素子１）の構成例を表したものである。半導体レーザ素子１は、例えば、高密度光ディスク装置、レーザビームプリンタおよびフルカラーディスプレイ等の光源として好適に用いられるものである。この半導体レーザ素子１は、例えば、基板１０と、この基板１０上に結晶成長により形成された半導体層１Ａとを有している。半導体層１Ａの上には、上部電極１５が設けられている。基板１０には、下部電極１６が電気的に接続されている。ここでは、下部電極１６は、例えば、基板１０の裏面に形成されている。
【００１３】
この半導体レーザ素子１は、例えば端面発光型の半導体レーザであり、例えば半導体層１Ａの一部（例えば、後述の上部クラッド層１３の上面側の一部）が突条部とされ、この突条部の延在方向を共振器方向（Ｙ方向）とする一対の端面を有する。半導体レーザ素子１では、半導体層１Ａが、一対の端面の間に挟まれることで共振器構造が形成されている。これらのうちの一方の端面は、レーザ光を射出する発光領域を含む面であり、その表面には多層反射膜（低反射膜）が形成されている。もう一方の端面は、レーザ光を反射する面であり、その表面には多層反射膜（高反射膜）が形成されている。
【００１４】
基板１０は、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体、例えばIII−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている。ここで、「III−Ｖ族窒化物半導体」とは、短周期型周期率表における３Ｂ族元素群のうちの少なくとも１種と、短周期型周期率表における５Ｂ族元素のうちの少なくともＮとを含むものを指している。III−Ｖ族窒化物半導体としては、例えば、ＧａとＮとを含んだ窒化ガリウム系化合物が挙げられる。窒化ガリウム系化合物には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどが含まれる。III−Ｖ族窒化物半導体には、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、ＳｅなどのＩＶ族またはＶＩ族元素のｎ型不純物、または、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣなどのＩＩ族またはＩＶ族元素のｐ型不純物がドープされていてもよい。本実施の形態では、基板１０は、ＧａＮを含んで構成され、例えばｃ面ＧａＮ基板により構成されている。
【００１５】
半導体層１Ａは、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体、例えばIII−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている。III−Ｖ族窒化物半導体としては、上述のものと同様のものが挙げられる。半導体層１Ａは、基板１０の側から順に、例えば、下部クラッド層（例えばｎ型クラッド層）１１、発光層１２、上部クラッド層（例えばｐ型クラッド層）１３およびコンタクト層（例えばｐ型コンタクト層）１４等を有している。下部クラッド層１１は、例えばｎ型ＡｌＧａＮにより構成されている。発光層１２は、量子井戸構造を有すると共に、例えば、Ｇａ(1-x)ＩｎxＮを含んで構成されている。ここで、Ｉｎ組成比ｘは、例えば０．２５以上０．８６以下である。上部クラッド層１３は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ−ＧａＮ超格子クラッド層により構成されている。コンタクト層１４は、例えばｐ型ＧａＮにより構成されている。尚、半導体層１Ａには、上記の層以外の層（例えば、バッファ層やガイド層など）がさらに設けられていてもよい。
【００１６】
この半導体層１Ａは、基板１０上に、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、ＭＥＥ（Migration-Enhanced Epitaxy）、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）またはスパッタ等により形成することができる。
【００１７】
図２は、ウルツ鉱型の結晶構造（六方晶構造）Ｓｃにおける各軸を表したものである。図３は、ウルツ鉱型の結晶構造Ｓｃにおける各面を表したものである。ウルツ鉱型の結晶構造Ｓｃでは、図２に示したように、各軸が配置されると共に、図３に示したように、ｃ面が極性面となり、ｍ面およびａ面が無極性面となっている。
【００１８】
半導体レーザ素子１では、基板１０の結晶構造Ｓｃにおけるｃ軸と、発光層１２の結晶構造Ｓｃにおけるｍ軸とが、互いに平行な方向に沿って配置されている（基板１０の結晶構造Ｓｃにおけるｃ面と発光層１２の結晶構造Ｓｃにおけるｍ面とが互いに平行な方向に沿って配置されている）。このように、発光層１２は、基板１０のｃ面を結晶成長面として、ｍ軸に沿った結晶成長（ｍ軸配向）により形成されている（ｃ面基板１０上に、ｍ面発光層１２が形成されている）。尚、図１では、半導体層１Ａの各層に、基板１０のｃ軸に平行な軸方向を矢印で模式的に示している。半導体層１Ａのうち下部クラッド層１１および上部クラッド層１３は、ｃ軸配向であるのに対し、発光層１２ではｍ軸配向となっている。
【００１９】
図４に、基板１０のｃ軸に直交する面内（図１のＸＹ平面内）における結晶構造Ｓｃ１について示す。図５には、発光層１２のｍ軸に直交する面内（図１のＸＹ平面内）における結晶構造Ｓｃ２について示す。図６には、基板１０および発光層１２の積層面内（図１のＸＺ面内）における結晶構造Ｓｃ１，Ｓｃ２について示す。上記のように、ｃ面基板１０上に、発光層１２がｍ軸に沿って配向する場合、図４に示した基板１０の結晶構造Ｓｃ１と、図５に示した発光層１２の結晶構造Ｓｃ２とが互いに対向する。これらの結晶構造Ｓｃ１，Ｓｃ２間で格子整合することが望ましい。
【００２０】
具体的には、発光層１２において、図４に示した領域Ｄａと、図５に示した領域Ｄｃとのサイズが一致するように、Ｉｎ組成比が選択されることが望ましい。基板１０の結晶構造Ｓｃ１における領域Ｄａは、基板１０のａ軸に沿った長さ（格子定数）をａ１とすると、短辺をａ１、長辺を√３ａ１（√３・ａ１）とする矩形状の領域に相当する。基板１０（ｃ面ＧａＮ基板）の格子定数ａ１は、例えば０．３１９ｎｍである。発光層１２の結晶構造Ｓｃ２における領域Ｄｃは、発光層１２のｃ軸に沿った長さ（格子定数）をｃ１とすると、短辺をａ１、長辺をｃ１とする矩形状の領域に相当する。これらの領域Ｄａ，Ｄｃのサイズを一致させるために、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
√３・ａ１＝ｃ１      ………（１）
【００２１】
また、上記条件式（１）における左辺（√３・ａ１）と右辺（ｃ１）との間の格子不整合度は０％であることが理想的であるが、実際には、例えば−３．２％以上＋３．２％以下の範囲において許容される。換言すると、領域Ｄａ，Ｄｃの間のサイズの差が、−３．２％以上＋３．２％以下の範囲であれば、条件式（１）を満たす場合とほぼ同程度の効果を得ることができる。格子不整合度がこの範囲内にあれば、後述の実施例において、ｃ面基板上にｍ面発光層が形成されることが確認されている。
【００２２】
例えば、基板１０がｃ面ＧａＮを含んで構成され、発光層１２が基板１０のｃ面を結晶成長面としてｍ軸配向により形成される場合、上記格子不整合度の許容範囲内で条件式（１）を満たす発光層１２のＩｎ組成比ｘは、０．２５以上０．８６以下である。発光層１２に、このようなＩｎ組成比を有するＧａＩｎＮが用いられることにより、図６に示した結晶構造Ｓｃ１，Ｓｃ２のように、基板１０（ｃ面ＧａＮ基板）上に、ｍ軸配向の発光層１２を形成することができる。
【００２３】
上部電極１５は、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を含む積層膜により構成されている。下部電極１６は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を含む積層膜により構成されている。
【００２４】
[作用、効果]
本実施の形態の半導体レーザ素子１では、上部電極１５と下部電極１６との間に所定の電圧が印加されると、半導体層１Ａの発光層１２に電流が注入され、これにより電子と正孔が再結合して発光を生じる。発光層１２において発生した光は、例えば一対の共振器ミラーを構成する端面において繰り返し反射された後、一方の端面から所定の発振波長λで出射する（レーザ発振する）。
【００２５】
ここで、図７に、本実施の形態の比較例に係る半導体レーザ素子（半導体レーザ素子１００）の断面構成について示す。このように、比較例の半導体レーザ素子１００では、例えばｃ面ＧａＮよりなる基板１０１上に、下部クラッド層１０２、発光層１０３、上部クラッド層１０４およびコンタクト層１０５が順に形成されている。コンタクト層１０５上には上部電極１０６が設けられ、基板１０１の裏面には下部電極１０７が設けられている。
【００２６】
比較例に係る半導体レーザ素子１００では、下部クラッド層１０２、発光層１０３および上部クラッド層１０４の全ての層が、極性面基板上にｃ軸に沿った結晶成長により形成されている。つまり、比較例では、基板１０１のｃ軸と、発光層１０３のｃ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されている。
【００２７】
ここで、図８に、極性面基板（ｃ面基板）成長の場合のＧａＩｎＮ／ＧａＮバンド構造を示す。図９には、無極性面基板（ｍ面基板，ａ面基板）成長の場合のＧａＩｎＮ／ＧａＮバンド構造を示す。
【００２８】
図８に示したように、ウルツ鉱型構造を有するｃ面ＧａＮ基板を用いた結晶成長の場合、c軸方向にピエゾ電界が発生する。このため、ＧａＩｎＮ発光層では、そのピエゾ電界の影響を受けて遷移確率が低下し、発光効率が低下する。また、ＧａＩｎＮ発光層におけるＩｎ組成比が高くなると、ＧａＩｎＮとＧａＮとの格子不整合度が大きくなり、結晶品質が悪化する。この結果、非発光再結合中心が発生し、発光低下につながる。
【００２９】
一方で、無極性であるａ面ＧａＮ基板やｍ面ＧａＮ基板を用いることで、図９に示したように、ピエゾ電界の影響が抑制され、効率的な発光が可能となる。ところが、この場合には、発光層が基板と同軸配向の結晶成長により形成される。このため、ＧａＩｎＮ発光層におけるＩｎ組成比が高くなり、ＧａＩｎＮとＧａＮとの格子不整合度が大きくなると、上記と同様に結晶品質が悪化してしまう。
【００３０】
これに対し、本実施の形態では、基板１０のｃ軸と、発光層１２のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置される。即ち、ｃ面基板１０上に、ｍ面発光層１２が形成されている。これにより、発光層１２では無極性面が形成され、上述したようなピエゾ電界の影響を受けにくくなる。また、これにより、基板１０と発光層１２との間で格子整合し易くなる。具体的には、基板１０の格子定数ａ１と、発光層１２の格子定数ｃ１とが、上述の条件式（１）を満足することで、結晶欠陥の発生を抑制しつつ良好な配向状態を実現できる。
【００３１】
更に、本実施の形態では、無極性面を有する発光層１２が形成されることから、いわゆるブルーシフト（電流値の増加に伴って、発光スペクトルが短波長側にシフトする現象）が生じにくい。
【００３２】
以上のように本実施の形態では、ウルツ鉱型構造を有する基板１０のｃ軸と、この基板１０上に形成される発光層１２のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されることで、発光層１２では、無極性面が形成される。これにより、発光層１２では、基板１０のｃ軸方向におけるピエゾ電界の影響を受けにくくなる。このため、発光効率の低下を抑制できる。また、基板１０と発光層１２との間で格子整合し易くなることから、発光層１２における結晶欠陥を抑制することができる。よって、発光効率の低下および結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。
【００３３】
次に、上記実施の形態の変形例について説明する。尚、上記実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００３４】
＜変形例１＞
図１０は、変形例１に係る窒化物半導体素子（ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子２）の構成例を表す断面図である。上記実施の形態では、本開示の窒化物半導体素子の一例として、半導体レーザ素子を例に挙げたが、本変形例のようなＬＥＤ素子２においても、上記と同等の効果を得ることができる。
【００３５】
ＬＥＤ素子２は、例えば、基板２０と、この基板２０上に結晶成長により形成された半導体層２Ａとを有している。半導体層２Ａは、基板２０の側から順に、例えば、下部ＧａＮ層（例えばｎ型ＧａＮ層）２１、発光層２２および上部ＧａＮ層（例えばｐ型ＧａＮ層）２３等を有している。この半導体層２Ａの上には、上部電極２４が設けられている。半導体層２Ａの下部ＧａＮ層２１には、下部電極２５が電気的に接続されている。
【００３６】
このＬＥＤ素子２は、例えば発光ダイオード素子である。このＬＥＤ素子２は、例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Superluminescent diode）等の端面発光型のダイオード素子であってもよい。
【００３７】
基板２０は、例えばｃ面サファイア基板により構成されている。半導体層２Ａは、上記実施の形態の半導体層１Ａと同様のウルツ鉱型構造を有するIII−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている。この半導体層２Ａは、また、基板２０上に、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、ＭＥＥ（Migration-Enhanced Epitaxy）、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）またはスパッタ等により形成することができる。
【００３８】
本変形例においても、基板２０のｃ軸と、発光層２２のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されている（ｃ面基板２０上に、ｍ面発光層２２が形成されている）。また、発光層２２は、例えば、Ｇａ(1-x)ＩｎxＮを含んで構成される量子井戸構造を有し、そのＩｎ組成比ｘは、上記実施の形態と同様、例えば０．２５以上０．８６以下である。基板２０と発光層２２とにおいて、格子不整合度が−３．２％以上＋３．２％以下の範囲内で、上述した条件式（１）を満足することができるためである。
【００３９】
＜変形例２＞
図１１は、変形例２に係る窒化物半導体素子（半導体レーザ素子３）の構成例を表す断面図である。上記実施の形態の半導体レーザ素子１では、ｃ面ＧａＮ基板を用いた場合を例示したが、本変形例のようにｃ面ＡｌＮ基板が用いられてもよい。
【００４０】
半導体レーザ素子３は、上記実施の形態の半導体レーザ素子１と同様、例えば端面発光型の半導体レーザであり、例えば、基板３０と、この基板３０上に結晶成長により形成された半導体層３Ａとを有している。半導体層３Ａの上には、上部電極３５が設けられている。基板３０には、下部電極３６が電気的に接続されている。ここでは、下部電極３６は、例えば、基板３０の裏面に形成されている。
【００４１】
基板３０は、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体（例えば上述したようなIII−Ｖ族窒化物半導体）として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んで構成され、例えばｃ面ＡｌＮ基板により構成されている。半導体層３Ａは、例えば上述したようなウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含んで構成されている。この半導体層３Ａは、基板３０の側から順に、例えば、下部クラッド層（例えばｎ型クラッド層）３１、発光層３２、上部クラッド層（例えばｐ型クラッド層）３３およびコンタクト層（例えばｐ型コンタクト層）３４等を有している。下部クラッド層３１は、例えばｎ型ＡｌＮにより構成されている。発光層３２は、例えば、Ｇａ(1-y)ＩｎyＮにより構成された量子井戸構造を有している。ここで、Ｉｎ組成比ｙは、例えば０．０６以上０．６６以下である。上部クラッド層３３は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ−ＧａＮ超格子クラッド層である。コンタクト層３４は、例えばｐ型ＧａＮにより構成されている。尚、半導体層３Ａには、上記の層以外の層（例えば、バッファ層やガイド層など）がさらに設けられていてもよい。
【００４２】
この半導体層３Ａは、基板１０上に、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、ＭＥＥ（Migration-Enhanced Epitaxy）、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）またはスパッタ等により形成することができる。
【００４３】
本変形例においても、基板３０のｃ軸と、発光層３２のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されている（ｃ面基板３０上に、ｍ面発光層３２が形成されている）。また、発光層３２は、例えば、Ｇａ(1-y)ＩｎyＮにより構成される量子井戸構造を有し、そのＩｎ組成比ｙは、例えば０．０６以上０．６６以下である。基板３０と発光層３２とにおいて、格子不整合度が−３．２％以上＋３．２％以下の範囲内で、上述した条件式（１）を満足することができるためである。
【００４４】
このような基板３０（ｃ面ＡｌＮ基板）を用いた場合にも、ｍ軸配向の発光層３２を形成することができ、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。
【００４５】
＜変形例３＞
図１２は、変形例３に係る窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子４）の構成例を表す断面図である。上記実施の形態では、本開示の窒化物半導体素子の一例として、半導体レーザ素子を例に挙げたが、本変形例のようなＬＥＤ素子４においても、上記と同等の効果を得ることができる。
【００４６】
ＬＥＤ素子４は、例えば、基板４０と、この基板４０上に結晶成長により形成された半導体層４Ａとを有している。半導体層４Ａは、基板４０の側から順に、例えば、下部ＡｌＮ層（例えばｎ型ＡｌＮ層）４１、発光層４２および上部ＡｌＮ層（例えばｐ型ＡｌＮ層）４３等を有している。この半導体層４Ａの上には、上部電極４４が設けられている。半導体層４Ａの下部ＡｌＮ層４１には、下部電極４５が電気的に接続されている。
【００４７】
このＬＥＤ素子４は、例えば発光ダイオード素子である。このＬＥＤ素子２は、例えばスーパールミネッセントダイオード等の端面発光型のダイオード素子であってもよい。
【００４８】
基板４０は、例えばｃ面ＡｌＮ基板により構成されている。半導体層４Ａは、ウルツ鉱型構造を有するIII−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている。この半導体層２Ａは、また、基板２０上に、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、ＭＥＥ（Migration-Enhanced Epitaxy）、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）またはスパッタ等により形成することができる。
【００４９】
本変形例においても、基板４０のｃ軸と、発光層４２のｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されている（ｃ面基板４０上に、ｍ面発光層４２が形成されている）。また、発光層４２は、例えばＧａ(1-y)ＩｎyＮにより構成される量子井戸構造を有し、そのＩｎ組成比ｙは、例えば０．０６以上０．６６以下である。基板４０と発光層４２とにおいて、格子不整合度が−３．２％以上＋３．２％以下の範囲内で、上述した条件式（１）を満足することができるためである。
【００５０】
＜実施例＞
上記実施の形態等の窒化物半導体素子の実施例として、ｃ面ＡｌＮ基板上に、Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層を形成し、それらの配向状態を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）にて観察した。図１３に、高分解ＴＥＭ像について示す。また、図１４に、これらのＡｌＮ層／Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層の配向状態を模式的に示し、この模式図の上下に、ＧａＩｎＮ層およびＡｌＮ層のＦＦＴ（Fast Fourier Transformation)）像をそれぞれ示す。ｃ面ＡｌＮ基板上に、Ｉｎ組成比が０．０７のＧａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層を形成することで、Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層がｍ軸配向となり、ｃ面ＡｌＮ基板のｃ軸と、Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層のｍ軸とが互いに略平行な方向に沿って配置されることが確認された。また、結晶欠陥が抑制されることも確認された。
【００５１】
ここで、ＡｌＮの格子定数（ａ軸方向に沿った長さ）ａ１は、０．３１１２ｎｍであり、Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎの格子定数（ｃ軸方向に沿った長さ）ｃ１は、０．５２２４ｎｍである。ＡｌＮ層／Ｇａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層に歪みがかかっていない状態では、上述の条件式（１）における格子不整合度（Ｚ）は、以下の式（２）のように表すことができる。
Ｚ＝（ｃ１−√３・ａ１）／√３・ａ１      ………（２）
【００５２】
この式（２）に、ａ１＝０．３１１２、ｃ１＝０．５２２４を代入すると、Ｚは−０．０３１（−３．１％）となる。また、Ｉｎ組成比を０．０６とすると、Ｚは−０．０３２（−３．２％）となる。これらのことから、条件式（１）における格子不整合度の範囲を、−３．２％以上＋３．２％以下とした。
【００５３】
以上、実施の形態および変形例を挙げて説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
【００５４】
また、例えば、本開示は以下のような構成を取ることができる。
（１）
基板と、
前記基板上に結晶成長されると共に、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む発光層と
を備え、
前記基板の結晶構造におけるｃ軸と、前記発光層の結晶構造におけるｍ軸とが互いに平行な方向に沿って配置されている
窒化物半導体素子。
（２）
前記基板の結晶構造のａ軸に沿った方向における格子定数をａ１とし、前記発光層の前記ｃ軸に沿った方向における格子定数をｃ１としたとき、以下の条件式［１］を満足する
上記（１）に記載の窒化物半導体素子。
√３・ａ１＝ｃ１      ………［１］
（３）
前記条件式（１）における格子不整合度は、−３．２％以上＋３．２％以下である
上記（２）に記載の窒化物半導体素子。
（４）
前記基板はｃ面ＧａＮ基板またはｃ面サファイア基板により構成され、
前記発光層は、Ｇａ(1-x)ＩｎxＮ（ｘは０．２５以上０．８６以下）を含んで構成されている
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
（５）
前記基板はｃ面ＡｌＮ基板により構成され、
前記発光層は、Ｇａ(1-y)ＩｎyＮ（ｙは０．０６以上０．６６以下）を含んで構成されている
上記（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
（６）
半導体レーザ素子である
上記（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
（７）
発光ダイオード素子である
上記（１）ないし（６）のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【符号の説明】
【００５５】
１，３…半導体レーザ素子、２，４…ＬＥＤ素子、１Ａ〜４Ａ…半導体層、１０，２０，３０，４０…基板、１１，３１…下部クラッ
ド層、１２，２２，３２，４２…発光層、１３，３３…上部クラッド層、１４，３４…コンタクト層、１５，２４，３５，４４…上部電極、１６，２５，３６，４５…下部電極、２１…下部ＧａＮ層、２３…上部ＧａＮ層、４１…下部ＡｌＮ層、４３…上部ＡｌＮ層、Ｓｃ，Ｓｃ１，Ｓｃ２…結晶構造。
【図１】
2018037580.tif 000003
【図２】
2018037580.tif 000004
【図３】
2018037580.tif 000005
【図４】
2018037580.tif 000006
【図５】
2018037580.tif 000007
【図６】
2018037580.tif 000008
【図７】
2018037580.tif 000009
【図８】
2018037580.tif 000010
【図９】
2018037580.tif 000011
【図１０】
2018037580.tif 000012
【図１１】
2018037580.tif 000013
【図１２】
2018037580.tif 000014
【図１３】
2018037580.tif 000015
【図１４】
2018037580.tif 000016