(57)【要約】【課題】活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能な、半導体発光素子を作製する方法を提供する。【解決手段】工程Ｓ１０４では、選択された一又は複数の傾斜角で発光層のための量子井戸構造並びにｐ型及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長して形成された基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行って、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る。工程Ｓ１０５では、バイアス依存性から、基板主面の選択された傾斜角の各々において発光層におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う。工程Ｓ１０６では、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を見積りに基づき判断して、半導体発光素子の作製のための成長基板の面方位を選択する。半導体発光素子のための半導体積層を成長基板の主面上に形成する。【選択図】図１
2011205161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子を作製する方法であって、
発光層におけるピエゾ分極の向きを見積もるために、III族窒化物半導体からなる基板主面のための一又は複数の傾斜角を選択する工程と、
前記選択された傾斜角を有しIII族窒化物半導体からなる基板主面の基板を準備する工程と、
前記選択された傾斜角で前記発光層のための量子井戸構造並びにｐ型及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長して、基板生産物を準備する工程と、
前記基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を前記基板生産物にバイアスを印加しながら行って、前記基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る工程と、
前記測定されたバイアス依存性から、前記基板主面の前記選択された傾斜角の各々において前記発光層におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う工程と、
前記基板主面に対応する傾斜角及び前記基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を前記見積りに基づき判断して、前記半導体発光素子の作製のための成長基板の面方位を選択する工程と、
前記半導体発光素子のための半導体積層を前記成長基板の主面上に形成する工程と
を備え、
前記成長基板の前記主面は前記III族窒化物半導体からなり、
前記傾斜角は、前記基板主面と前記III族窒化物半導体の（０００１）面との成す角度によって規定され、
前記半導体積層は、第１のIII族窒化物半導体領域、発光層及び第２のIII族窒化物半導体領域を含み、
前記発光層は、前記第１のIII族窒化物半導体領域と前記第２のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記発光層は井戸層及び障壁層を含み、
前記井戸層及び前記障壁層の各々は、前記III族窒化物半導体のｃ軸に延びる基準軸に直交する面から傾斜した基準平面に沿って延びており、
前記井戸層は第１の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記障壁層は前記第１の窒化ガリウム系半導体と異なる第２の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記井戸層は歪みを内包し、
前記第１のIII族窒化物半導体領域は一又は複数のｎ型III族窒化物半導体層を含み、
前記第２のIII族窒化物半導体領域は一又は複数のｐ型III族窒化物半導体層を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ピエゾ分極の向きの見積もりから、前記ピエゾ分極の正負の符号に応じて前記複数の傾斜角を含む角度範囲の区分けを行う工程を更に備え、
前記判断は、前記区分けに基づき行われる、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記基板生産物はIII族窒化物基板を用いて作製される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載された方法。
【請求項４】
前記発光層の発光波長が４６０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
前記複数の傾斜角を選択する前記工程では、２つ以上の面方位を示す角度が選択される、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
前記成長基板の前記面方位は、前記傾斜角が４０度以上１４０度以下である角度範囲に含まれる、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層はＩｎＧａＮ又はＧａＮからなり、
前記井戸層の圧縮歪みは前記障壁層からの応力によるものであり、
前記基板生産物はＧａＮ基板を用いて作製される、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記成長基板の主面は、前記井戸層におけるピエゾ分極の向きが前記ｎ型III族窒化物半導体層から前記ｐ型III族窒化物半導体層へ向くように選択される、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方法。
【請求項９】
前記発光層は多重量子井戸構造を有し、
前記障壁層のバンドギャップエネルギと前記井戸層のバンドギャップエネルギとの差は０．７ｅＶ以上である、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方法。
【請求項１０】
前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｎ型III族窒化物半導体層から前記ｐ型III族窒化物半導体層へ向かう正方向であることを前記見積もりが示すとき、前記正方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備える、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方法。
【請求項１１】
前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層へ向かう負方向であることを前記見積もりが示すとき、前記負方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備える、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方法。
【請求項１２】
前記成長基板の面方位は、４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の角度範囲にあり
前記基板生産物はＧａＮ基板を用いて作製される、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方法。
【請求項１３】
前記成長基板の面方位は、｛１０−１２｝面、｛１１−２−２｝面、｛１０−１−１｝面、及び｛２０−２−１｝面のいずれかである、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１４】
前記成長基板の主面は、前記井戸層におけるピエゾ分極の向きが前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層へ向くように選択される、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方法。
【請求項１５】
前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｎ型III族窒化物半導体層から前記ｐ型III族窒化物半導体層へ向かう正方向であることを前記見積もりが示すとき、前記正方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項７及び請求項１４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１６】
前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層へ向かう負方向であることを前記見積もりが示すとき、前記負方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項７、請求項１４及び請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１７】
前記第２のIII族窒化物半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、
前記窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層を含み、
前記成長基板の主面は、６３度以上８０度以下の角度範囲であり、
前記基板生産物はＧａＮ基板を用いて作製される、ことを特徴とする請求項１〜請求項７及び請求項１４〜請求項１６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１８】
前記成長基板の面方位は、｛２０−２１｝面である、ことを特徴とする請求項１７に記載された方法。
【請求項１９】
前記傾斜角は、前記III族窒化物半導体のｃ軸をｍ軸の方向に傾斜させた角度として規定される、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方法。
【請求項２０】
前記傾斜角は、前記III族窒化物半導体のｃ軸をａ軸の方向に傾斜させた角度として規定される、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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＮ基板を用いた発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、ＧａＮ基板の（１１−２−２）面上に形成される。この（１１−２−２）面は半極性を示す。発光ダイオードは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる単一量子井戸構造の発光層を有し、発光波長が６００ｎｍである。
【０００３】
非特許文献２には、ＧａＮ基板を用いたレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードは、ＧａＮ基板の（１０−１−１）面上に形成される。この（１０−１−１）面は半極性を示す。レーザダイオードは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸構造の発光層を有し、発光波長が４０５．９ｎｍ（青紫色）である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Mitsuru  FUNATO  et.al.  “Blue,  Green,  and  Amber  InGaN/GaN  Light-Emitting  Diodes  on  Semipolar  {11-22}GaN  Bulk  Substrates”,  Japanese  Journal  of  Applied  Physics,  Vol.45,  No.26,  2006,  pp.L659-L662,
【非特許文献２】Anurag  TYAGI  et.al,  “Semipolar  (10-1-1)  InGaN/GaN  Laser  Diodes  on  Bulk  GaN  Substrates,”  Japanese  Journal  of  Applied  Physics,  Vol.46,  No.19,  2007,  pp.L444-L445
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１及び非特許文献２に示されるように、ＧａＮ基板の半極性面上に窒化ガリウム系半導体発光素子が作製される。窒化ガリウム系半導体はピエゾ分極を示し、その影響が発光特性の様々な面に及ぶ。
【０００６】
一方、ｃ面上に作成される発光素子では、ピエゾ分極は、ブルーシフトに代表される発光波長のシフトを引き起こし、正孔の波動関数と電子の波動関数との空間分離を引き起こして発光効率を低下させる。しかしながら、発明者らの知見によれば、ピエゾ分極は一概にゼロであることが発光素子にとって好ましい訳ではなく、ピエゾ分極の利用により発光特性を改善できることもある。つまり、ピエゾ分極の影響は、発光特性において単一の側面だけではなくいくつかの側面に現れることもあり、このとき、いくつかの発光特性のうちのある特性を優れたものにすることが望まれることがあり、トレードオフの関係にあるいくつかの発光特性のそれぞれを好適なものに調整することが望まれることもある。
【０００７】
ピエゾ分極は結晶に内包される歪みと関係している。発光素子の発光層における応力は、半導体発光素子のための基板主面の面方位や、その基板主面上に成長される半導体積層の構造に依存する。また、発光特性は、例えば発光層におけるピエゾ分極の向きに関連している。これ故に、ピエゾ分極の向きに関しては、発光素子に適用される実際の半導体積層において、ピエゾ分極の向きを実験的に見積もることは容易ではない。
【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、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能な、半導体発光素子を作製する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面は、半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）発光層におけるピエゾ分極の向きを見積もるために、III族窒化物半導体からなる基板主面のための一又は複数の傾斜角を選択する工程と、（ｂ）III族窒化物半導体からなり前記選択された傾斜角を有する基板主面を提供する基板を準備する工程と、（ｃ）前記選択された傾斜角で前記発光層のための量子井戸構造並びにｐ型及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長して、基板生産物を準備する工程と、（ｄ）前記基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を前記基板生産物にバイアスを印加しながら行って、前記基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る工程と、（ｅ）前記測定されたバイアス依存性から、前記基板主面の前記選択された傾斜角の各々において前記発光層におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う工程と、（ｆ）前記基板主面に対応する傾斜角及び前記基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を前記見積りに基づき判断して、前記半導体発光素子の作製のための成長基板の面方位を選択する工程と、（ｇ）前記半導体発光素子のための半導体積層を前記成長基板の主面上に形成する工程とを備える。前記成長基板の前記主面は前記III族窒化物半導体からなり、前記傾斜角は、前記基板主面と前記III族窒化物半導体の（０００１）面との成す角度によって規定され、前記半導体積層は、第１のIII族窒化物半導体領域、発光層及び第２のIII族窒化物半導体領域を含み、前記発光層は、前記第１のIII族窒化物半導体領域と前記第２のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、前記発光層は井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層及び前記障壁層の各々は、前記III族窒化物半導体のｃ軸に延びる基準軸に直交する面から傾斜した基準平面に沿って延びており、前記井戸層は第１の窒化ガリウム系半導体からなり、前記障壁層は前記第１の窒化ガリウム系半導体と異なる第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記井戸層は歪みを内包し、前記第１のIII族窒化物半導体領域は一又は複数のｎ型III族窒化物半導体層を含み、前記第２のIII族窒化物半導体領域は一又は複数のｐ型III族窒化物半導体層を含む。
【００１０】
この方法によれば、基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行うので、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得ることができる。フォトルミネッセンスのバイアス依存性は、ピエゾ分極の向きに関する情報を含む。ピエゾ分極の向きの見積りに基づき、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を判断できる。この後に、半導体発光素子の作製のための成長基板の面方位を選択する。この成長基板の主面上に半導体発光素子のための半導体積層を形成するので、半導体発光素子の作製において、発光層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能になる。
【００１１】
本発明に係る方法は、前記ピエゾ分極の向きの見積もりから、前記ピエゾ分極の正負の符号に応じて前記複数の傾斜角を含む角度範囲の区分けを行う工程を更に備えることができる。前記判断は、前記区分けに基づき行われる。
【００１２】
この方法によれば、ピエゾ分極の向きの見積りでは、ピエゾ分極の正負の符号が明らかになる。この符号から、複数の傾斜角を含む角度範囲は、正のピエゾ分極を示す角度範囲及び／又は負のピエゾ分極を示す角度範囲に区分けされる。
【００１３】
本発明に係る方法では、前記基板生産物はIII族窒化物基板を用いて作製されることができる。この方法によれば、III族窒化物基板と発光層との関係に係るピエゾ分極の符号を判別できる。
【００１４】
本発明に係る方法では、前記発光層の発光波長が４６０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることができる。この方法によれば、上記の波長範囲において、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能になる。
【００１５】
本発明に係る方法では、前記複数の傾斜角を選択する前記工程において、２つ以上の面方位を示す角度が選択されることができる。２つの角度の各々におけるピエゾ分極の向きから、当該２つの角度の間の範囲におけるピエゾ分極の向きの符号を見積もることができる。或いは、本発明に係る方法では、前記複数の傾斜角を選択する前記工程において、３つ以上の面方位を示す角度が選択されることができる。３つの角度の各々におけるピエゾ分極の向きから、隣接する２つの角度の間の範囲の各々におけるピエゾ分極の向きの符号を見積もることができる。例えば、一方の角度範囲が正のピエゾ分極であり一方の角度範囲が負のピエゾ分極であること；両方の角度範囲は正のピエゾ分極であること；両方の角度範囲が負のピエゾ分極であること。
【００１６】
本発明に係る方法では、前記成長基板の前記面方位は、前記傾斜角が４０度以上１４０度以下である角度範囲に含まれることができる。この方法においては、極性面から離れた実用的な面方位を示す角度範囲において、ピエゾ分極の符号を判別できる。
【００１７】
本発明に係る方法では、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層はＩｎＧａＮ又はＧａＮからなり、前記井戸層の圧縮歪みは前記障壁層からの応力によるものであり、前記基板生産物はＧａＮ基板を用いて作製されることができる。この方法によれば、活性層のための実用的な材料であるＩｎＧａＮ及びＧａＮの活性層において、ピエゾ分極の符号を判別できる。
【００１８】
本発明に係る方法では、前記成長基板の主面は、前記井戸層におけるピエゾ分極の向きが前記ｎ型III族窒化物半導体層から前記ｐ型III族窒化物半導体層へ向くように選択されることができる。
【００１９】
この方法によれば、ピエゾ分極の向きの関する見積もりに基づき基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を調整して、所望のピエゾ分極を井戸層に提供できる。
【００２０】
本発明に係る方法では、前記発光層は多重量子井戸構造を有し、前記障壁層のバンドギャップエネルギと前記井戸層のバンドギャップエネルギとの差は０．７ｅＶ以上であることができる。
【００２１】
この方法によれば、上記バンドギャップエネルギ差が０．７ｅＶ以上である発光層においては、多重量子井戸構造の全体にわたって電子を供給できる。
【００２２】
本発明に係る方法は、前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｎ型III族窒化物半導体層から前記ｐ型III族窒化物半導体層へ向かう正方向であることを前記見積もりが示すとき、前記正方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備えることができる。
【００２３】
この方法によれば、所望のピエゾ分極が正方向であるとき、準備されるべき成長基板は、正方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面を有する。
【００２４】
本発明に係る方法は、前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層へ向かう負方向であることを前記見積もりが示すとき、前記負方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備えることができる。
【００２５】
この方法によれば、所望のピエゾ分極が正方向であるとき、準備されるべき成長基板は、負方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面を有する。
【００２６】
本発明に係る方法では、前記成長基板の面方位は、４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の角度範囲にあることができる。この方法によれば、正のピエゾ分極を利用して、多重量子井戸構造の全体にわたって電子を供給できる。また、本発明に係る方法では、前記成長基板の面方位は、例えば｛１０−１２｝面、｛１１−２−２｝面、｛１０−１−１｝面、及び｛２０−２−１｝面のいずれかであることができる。
【００２７】
本発明に係る方法では、前記成長基板の主面は、前記井戸層におけるピエゾ分極の向きが前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層へ向くように選択されることができる。
【００２８】
この方法によれば、ピエゾ分極の向きの関する見積もりに基づき基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を調整して、所望のピエゾ分極を井戸層に提供できる。
【００２９】
本発明に係る方法は、前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｎ型III族窒化物半導体層から前記ｐ型III族窒化物半導体層へ向かう正方向であることを前記見積もりが示すとき、前記正方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備えることができる。
【００３０】
この方法によれば、所望のピエゾ分極が負方向であるとき、準備されるべき成長基板は、正方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面を有する。
【００３１】
本発明に係る方法は、前記複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部において前記ピエゾ分極の向きが前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層へ向かう負方向であることを前記見積もりが示すとき、前記負方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面の基板を前記成長基板として準備する工程を更に備えることができる。
【００３２】
この方法によれば、所望のピエゾ分極が負方向であるとき、準備されるべき成長基板は、負方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面を有する。
【００３３】
本発明に係る方法では、前記第２のIII族窒化物半導体領域は、前記障壁層のバンドギャップよりも大きな窒化ガリウム系半導体層を含み、前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層に隣接しており、前記窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層を含み、前記成長基板の主面は、６３度以上８０度以下の角度範囲であり、前記基板生産物はＧａＮ基板を用いて作製されることができる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体層が発光層に隣接しているので、電子ブロック層は発光層に圧縮歪みを加えることができる。幅広い波長範囲における発光波長の選択を可能にすると共に、負のピエゾ分極を利用して発光層からの電子の漏れを低減できる。上記の角度範囲においては良好なインジウム取り込みを提供できる。また、本発明に係る方法では、前記半極性主面は、例えば｛２０−２１｝面であることができる。
【００３４】
本発明に係る方法では、前記傾斜角は、前記III族窒化物半導体のｃ軸をｍ軸の方向に傾斜させた角度として規定されることができる。或いは、本発明に係る方法では、前記傾斜角は、前記III族窒化物半導体のｃ軸をａ軸の方向に傾斜させた角度として規定されることができる。
【００３５】
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】
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、半導体発光素子を作製する方法が提供されることができ、この方法は、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を形成する方法及びエピタキシャルウエハを形成する方法における主要な工程を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を形成する方法及びエピタキシャルウエハを形成する方法における主要な工程を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を形成する方法及びエピタキシャルウエハを形成する方法における主要な工程を示す図面である。
【図６】図６は、バイアス依存性のＰＬ測定を説明する図面である。
【図７】図７は、デバイス１〜デバイス９のＬＥＤ構造を示す図である。
【図８】図８は、デバイス１〜デバイス９のおける主面の面方位、オフ角（角度α）及び発光波長に一覧が示す図面である。
【図９】図９は、ＰＬ測定時におけるバイアス印加によるバンドダイアグラムの変化を示す図面である。
【図１０】図１０は、ＰＬ測定時におけるバイアス印加によるバンドダイアグラムの変化を示す図面である。
【図１１】図１１は、代表的なＰＬスペクトルのバイアス依存性測定結果を示す図面である。
【図１２】図１２は、ＰＬピーク波長のシフト量とオフ角との関係を示す図面である。
【図１３】図１３は、デバイス７及びデバイス５の電圧−電流特性の測定結果を示す図面である。
【図１４】図１４は、デバイス９及びデバイス８の電圧−電流特性の測定結果を示す図面である。
【図１５】図１５は、発光層のエネルギーバンドを示す図面である。
【図１６】図１６は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ電界の向きを説明する図面である。
【図１７】図１７は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ電界の向きを説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
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。
【００３９】
図１及び図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能な、半導体発光素子を作製する方法を説明する。図１及び図２を参照すると、工程Ｓ１０１〜工程Ｓ１１１には、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択する手順が示されており、工程Ｓ１１２には、III族窒化物半導体発光素子を形成する方法が示されている。まず、工程Ｓ１１２に示されたIII族窒化物半導体発光素子の形成を説明した後に、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択する手順を説明する。
【００４０】
図３〜図５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子を形成する方法及びエピタキシャルウエハを形成する方法における主要な工程を示す図面である。図３（ａ）に示されるように、工程Ｓ２０１では、窒化物系半導体光素及びエピタキシャルウエハを形成するための成長基板１１を準備する。成長基板１１は、例えば六方晶系半導体ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなることができ、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等であることができる。成長基板１１は主面１１ａ及び裏面１１ｂを有する。図３（ａ）を参照すると、成長基板１１の六方晶系半導体のｃ軸方向を示すベクトルＶＣ２及び主面１１ａの法線ベクトルＶＮが記載されており、ベクトルＶＣ２は｛０００１｝面の向きを示している。この成長基板１１によれば、成長用の主面が傾斜角（オフ角）βを有する半極性を提供できる。
【００４１】
成長基板１１の主面１１ａの傾斜角は、該六方晶系半導体の｛０００１｝面を基準にして規定される。ＧａＮ基板を用いる実施例では、成長基板１１の傾斜角βが４０度以上１４０度以下である角度範囲に含まれるとき、極性面から離れた実用的な面方位を示す角度範囲において、所望のピエゾ分極符号を得ることができる。また、成長基板１１の面方位が４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の角度範囲にあるとき、正のピエゾ分極を利用して、多重量子井戸構造の全体にわたって電子を供給できる。主面１１ａの面方位は、例えば｛１０−１２｝面、｛１１−２−２｝面、｛１０−１−１｝面、及び｛２０−２−１｝面のいずれかであることができる。さらに、成長基板１１の面方位が１００度以上１１７度以下の角度範囲にあるとき、発光層において良好なインジウム取り込みを提供できる。さらに、成長基板１１の主面１１ａが６３度以上８０度以下の角度範囲にあるとき、負のピエゾ分極を利用して発光層からの電子の漏れを低減できることに加え、良好なインジウム取り込みを提供できる。主面１１ａの面方位は、例えば｛２０−２１｝面であることができる。
【００４２】
基板１１のエッジ上に２点間の距離の最大値Ｄｉａは４５ｍｍ以上であることができる。このような基板は例えばウエハと呼ばれている。基板１１の裏面１１ｂは、基板１１と実質的に平行であることができる。また、基板１１はＧａＮからなるとき、良好な結晶品質のエピタキシャル成長が可能である。
【００４３】
引き続く工程では、井戸層に負のピエゾ分極を発生させるように選択されたオフ角を有する基板１１の主面１１ａ上に、半導体結晶がエピタキシャルに成長される。上記の傾斜角の主面１１ａの基板１１は、活性層内に井戸層がｃ面から上記の角度範囲内で傾斜するように、エピタキシャル半導体領域を形成することを可能にする。
【００４４】
また、基板１１の主面１１ａの傾斜の方向に関しては、主面１１ａが基板１１の六方晶系半導体のａ軸方向に傾斜するとき、基板１１上に作製されたエピタキシャル基板は、ｍ面における劈開が可能になる。また、基板１１の主面１１ａが基板１１の六方晶系半導体のｍ軸方向に傾斜するとき、基板１１上に作製されたエピタキシャル基板は、ａ面における劈開が可能になる。また、主面１１ａが基板１１の六方晶系半導体のａ軸方向に傾斜するときのｍ軸方向のオフ角は−３度以上＋３度以下の範囲にあることが好ましい。また、主面１１ａが基板１１の六方晶系半導体のｍ軸方向に傾斜するときのａ軸方向のオフ角は−３度以上＋３度以下の範囲にあることが好ましい。この範囲であれば、窒化物系半導体光素子ＬＤ１におけるレーザキャビティの端面傾斜による反射率低下が小さいので、発振しきい値を小さくすることができる。
【００４５】
図３（ｂ）に示されるように、基板１１を成長炉１０に配置する。工程Ｓ２０２では、成膜に先立って、成長炉１０にガスＧ０を供給しながら基板１１に熱処理を行って、改質された主面１１ｃを形成する。この熱処理は、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で行われることができる。熱処理温度Ｔ０は、例えば摂氏８００度以上１２００度以下であることができる。熱処理時間は、例えば１０分程度である。この工程によれば、主面１１ａの傾斜によって、半極性の主面にはｃ面主面とは異なる表面構造が形成される。成膜に先立つ熱処理を基板１１の主面１１ａに施すことによって、ｃ面主面では得られない半導体主面に改質が生じる。窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル成長膜が、基板１１の改質された主面１１ｃ上に堆積される。
【００４６】
図３（ｃ）に示されるように、工程Ｓ２０３では、熱処理の後に、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３を基板１１の表面１１ｃ上にエピタキシャルに成長する。この成長のために有機金属気相成長法が用いられる。成長用の原料ガスとしては、ガリウム源、インジウム源、アルミニウム源及び窒素源が使用される。ガリウム源、インジウム源及び窒素源は、それぞれ、例えばＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＮＨ３である。この成長のために、原料ガスＧ１を成長炉１０に供給する。窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ面からほぼ傾斜角βで傾斜している。第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３ａは、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層（例えば窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９）を含むことができる。例えば、窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９は、それぞれ、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層およびｎ型ＩｎＧａＮ層であることができる。窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９は、基板１１の主面１１ｃ上に順にエピタキシャルに成長される。ｎ型ＡｌＧａＮ層２５は例えば基板１１の全表面を覆う中間層であり、例えば摂氏１１００度で成長される。ｎ型ＡｌＧａＮ層２５の厚さは例えば５０ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＮ層２５上にｎ型ＧａＮ層２７を摂氏９５０度で成長される。ｎ型ＧａＮ層２７は例えばｎ型キャリアを供給するための層であり、ｎ型ＧａＮ層２７の厚さは２０００ｎｍである。ｎ型ＧａＮ層２７上にｎ型ＩｎＧａＮ層２９が摂氏８４０度で成長される。ｎ型ＩｎＧａＮ層２９は例えば活性層のための緩衝層であり、ｎ型ＩｎＧａＮ層２９の厚さは１００ｎｍである。
【００４７】
次の工程では、図４及び図５に示されるよう手順に従って、窒化物系半導体発光素子の活性層１５を作製する。活性層１５は、４６０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられる。上記の波長範囲において、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能になる。
【００４８】
工程Ｓ２０４では、図４（ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体からなり活性層１５の量子井戸構造のための障壁層１７を形成する。成長炉１０に原料ガスＧ２を供給して、障壁層１７は緩衝層上に成長温度ＴＢで成長される。この障壁層１７はＩｎＹＧａ１−ＹＮ（インジウム組成Ｙ：０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成）からなる。障壁層１７の成長は、例えば摂氏７００度以上摂氏１０００度以下の温度範囲内の成長温度ＴＢで行われる。本実施例では、ガリウム源及び窒素源を含む原料ガスＧ２を成長炉１０に供給してアンドープＧａＮを成長温度ＴＢで成長する。ＧａＮ障壁層の厚さは例えば１５ｎｍである。障壁層１７は、主面１３ａ上に成長されるので、障壁層１７の表面は、主面１３ａの表面構造を引き継ぐ。
【００４９】
障壁層１７の成長終了後に、ガリウム原料の供給を停止して窒化ガリウム系半導体の堆積を停止させる。障壁層１７を成長した後に、井戸層を成長する前に成長温度ＴＢから成長温度ＴＷに成長炉の温度を変更する。この変更期間中に、例えばアンモニアといった窒素源ガスを成長炉１０に供給する。
【００５０】
工程Ｓ２０５では、図４（ｂ）に示されるように、成長炉１０の温度を井戸層成長温度ＴＷに保ちながら、障壁層１７上に量子井戸構造のための井戸層１９を成長する。井戸層１９はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（インジウム組成Ｘ：０＜Ｘ＜１、Ｘは歪み組成）といった、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。井戸層１９は、障壁層１７のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有する。井戸層１９の成長温度ＴＷは、成長温度ＴＢ以下であることができ、或いは成長温度ＴＢより低いことができる。本実施例では、ガリウム源、インジウム源及び窒素源を含む原料ガスＧ３を成長炉１０に供給してアンドープＩｎＧａＮを成長する。井戸層１９の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることができる。また、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層１９のインジウム組成Ｘは、０．１０より大きいことができる。井戸層１９のインジウム組成Ｘは０．５より小さいことができる。この範囲のインジウム組成のＩｎＧａＮの成長が可能となり、波長４４０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の発光素子を得ることができる。井戸層１９の成長は、例えば摂氏６００度以上摂氏９００度以下の温度範囲内の成長温度ＴＷで行われる。ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは例えば３ｎｍである。井戸層１９の主面は、障壁層１７の主面上にエピタキシャルに成長されるので、井戸層１９の表面は、障壁層１７の表面構造を引き継ぐ。また、障壁層１７の主面の傾斜角に応じて、窒化ガリウム系半導体のｃ面から所定の範囲の角度で傾斜する。
【００５１】
井戸層１９の成長が完了した後に、障壁層を成長する前に成長温度ＴＷから成長温度ＴＢに成長炉１０の温度を変更する。この変更期間中に、例えばアンモニアといった窒素源ガスを成長炉１０に供給する。成長炉１０の昇温が完了した後に、図４（ｃ）に示されるように、工程Ｓ２０６では、成長炉１０の温度を成長温度ＴＢに保ち、原料ガスＧ４を成長炉１０に供給しながら、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２１を成長する。本実施例では、障壁層２１は例えばＧａＮからなり、障壁層２１の厚さは例えば１５ｎｍである。障壁層２１の主面は、井戸層１９の主面上にエピタキシャルに成長されるので、障壁層２１の表面は、井戸層１９の表面構造を引き継ぐ。井戸層１９は障壁層２１からの応力による歪みを内包し、この歪みは例えば圧縮的である。活性層１５は交互に配列された井戸層１９及び障壁層１７、２１を含むことができる。活性層１５は単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を含み、或いはバルク半導体層からなることができる。
【００５２】
工程Ｓ２０７で同様に繰り返し成長を行って、図５（ａ）に示されるように、量子井戸構造の活性層１５を成長する。活性層１５は３つの井戸層１９と４つの障壁層１７、２１を含む。この後に、工程Ｓ２０８では、図５（ｂ）に示されるように、原料ガスＧ５を供給して発光層２３等の必要な半導体層を成長する。活性層１５と第２導電型窒化ガリウム系半導体領域３１との間にある発光層２３内の半導体層のバンドギャップは、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域３１内にあり発光層２３に隣接する窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップより小さい。
【００５３】
図５（ｃ）に示されるように、工程Ｓ２０９では、発光層２３上に、原料ガスＧ６を供給して第２導電型窒化ガリウム系半導体領域３１をエピタキシャルに成長する。この成長は、成長炉１０を用いて行われる。第２導電型窒化ガリウム系半導体領域３１は、例えば電子ブロック層３３、ｐ型クラッド層３５及びｐ型コンタクト層３７を含むことができる。電子ブロック層は例えばＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型クラッド層はｐ型ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型コンタクト層３７はｐ型ＧａＮからなることができる。本実施例では、電子ブロック層３３、ｐ型クラッド層３５、ｐ型コンタクト層３７の成長温度は、例えば摂氏１１００度である。第２導電型窒化ガリウム系半導体領域３１の形成の後に、図５（ｃ）に示されるエピタキシャルウエハＥが完成する。必要な場合には、半導体レーザの光ガイドのために一対の光ガイド層を成長することができる。一対の光ガイド層は活性層を挟む。これらの光ガイド層は、例えばＩｎＧａＮまたはＧａＮからなることができる。
【００５４】
エピタキシャルウエハＥにおいて、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域１３、発光層２３、及び第２導電型窒化ガリウム系半導体領域３１は、基板１１の主面１１ａの法線軸の方向に配列されていることができる。該六方晶系半導体のｃ軸の方向は基板１１の主面１１ａの法線軸の方向と異なる。
【００５５】
次の工程では、エピタキシャウエハＥ上に電極を形成する。第１の電極（例えば、アノード電極）が上記のコンタクト層上に形成されると共に、第２の電極（例えば、カソード電極）が基板裏面１１ｂ上に形成される。
【００５６】
電極の形成の後に、共振器面を形成するために加工を行うと共にレーザバーを形成することができる。共振器面を形成するために加工は、例えば劈開、ドライエッチング等によって形成された端面を共振器面とする半導体レーザの作製が可能となる。なお、基板１１の主面１１ａの傾斜の方向が窒化ガリウム系半導体のａ軸（ｍ軸）の方向であれば、ｍ面（ａ軸）を劈開面として使用できる。
【００５７】
上記の発光素子形成に使用した面方位又は角度範囲は以下のように決定される。活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択する手順を説明する。
【００５８】
工程Ｓ１０１では、発光層におけるピエゾ分極の向きを見積もるために、III族窒化物半導体からなる基板主面のための一又は複数の傾斜角を選択する。
【００５９】
工程Ｓ１０２では、選択された傾斜角を有する基板主面を提供する基板を準備する。基板主面はIII族窒化物半導体からなる。
【００６０】
工程Ｓ１０３では、選択された傾斜角で発光層のための量子井戸構造並びにｐ型及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長して基板生産物を準備する。基板生産物の形成には、上記の発光素子形成に使用した装置及びプロセスを適用することができる。
【００６１】
工程Ｓ１０４では、基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行って、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る。具体的に説明すると、工程Ｓ１０４で、作製したデバイスにバイアスを印加しながらＰＬスペクトルを測定可能なＰＬ測定装置を準備する。図６（ａ）は、ＰＬ測定装置の一構造例を示す図面である。ＰＬ測定装置は、デバイスＤＥＶに励起光を照射する励起光源９３、デバイスＤＥＶからのフォトルミネッセンスを検出するＰＬ検出器９５、デバイスＤＥＶに可変バイアスを印加する装置９７を含む。基板生産物にバイアスを印加しながら、フォトルミネッセンスのバイアス依存性を測定した。バイアス依存性の測定結果は、例えば図６（ｂ）に示されるグラフ上の特性線になる。ある程度の大きさの順方向のバイアス電圧が印加されると、デバイスＤＥＶは、エレクトロルミネッセンスを発する。エレクトロルミネッセンスは、小さい順バイアス及び逆バイアスの電圧では生じない。
【００６２】
ある範囲のオフ角を有する半極性面及びＧａＮウエハのｃ面上に作製されるデバイスは、発光層に正のピエゾ分極が生じる。このデバイスの特性は、図６（ｂ）の特性線ＰＬＢ（＋）によって表される。ＰＬ発光のピーク波長は、ＥＬ発光電圧まではバイアスが増加するにつれて長波長にシフトする。ＥＬ発光電圧を超えると、バイアスが増加するにつれて短波長にシフトする。
【００６３】
ＧａＮウエハの無極性面上に作製されるデバイスは、発光層のピエゾ分極はゼロである。このデバイスの特性は、図６（ｂ）の特性線ＰＬＢ（ＮＰ）によって表される。ＰＬ発光のピーク波長は、ゼロバイアス電圧までは、わずかであるがバイアスが増加するにつれて短波長にシフトする。正のバイアスでは、ピーク波長のシフトはほとんど生じない。
【００６４】
本実施の形態に係る特定のオフ角範囲を有する半極性面上に作製されるデバイスは、発光層に負のピエゾ分極が生じる。このデバイスの特性は、図６（ｂ）の特性線ＰＬＢ（−）によって表される。ＰＬ発光のピーク波長は、ＥＬ発光電圧までは、バイアスが増加するにつれて僅かに短波長にシフトする。
【００６５】
工程Ｓ１０５では、測定されたバイアス依存性から、基板主面における選択された傾斜角の各々において発光層におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う。発光層におけるピエゾ分極の向きは、図６（ｂ）における測定結果に基づいて判定される。
【００６６】
工程Ｓ１０６では、ピエゾ分極の向きの見積もりから、複数の傾斜角を含む角度範囲の区分けをピエゾ分極の正負の符号に応じて行う。区分けに基づき、上記の判定が行われる。ピエゾ分極の向きの見積りでは、ピエゾ分極の正負の符号が明らかになる。この符号から、複数の傾斜角を含む角度範囲は、正のピエゾ分極を示す角度範囲及び／又は負のピエゾ分極を示す角度範囲に区分けされる。III族窒化物基板を用いて基板生産物を作製するとき、III族窒化物基板と発光層との関係に関連するピエゾ分極の符号を判別できる。
【００６７】
工程Ｓ１０７では、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を見積りに基づき判断して、半導体発光素子の作製のための成長基板１１の面方位を選択する。
【００６８】
例えば、井戸層のおけるピエゾ分極の向きがｎ型窒化物系半導体層からｐ型窒化物系半導体層へ向く（正方向のピエゾ分極）ように、成長基板１１の主面１１ａを選択できる。この選択により、ピエゾ分極の向きの関する見積もり基づき基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を調整して、所望のピエゾ分極を井戸層に提供できる。
【００６９】
工程Ｓ１０８では、複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部においてピエゾ分極の向きがｎ型III族窒化物半導体層からｐ型III族窒化物半導体層へ向かう正方向であることを見積もりが示すとき、正方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面の基板を成長基板として準備する。所望のピエゾ分極が正方向であるとき、準備されるべき成長基板は、正方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面を有する。
【００７０】
工程Ｓ１０９では、複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部においてピエゾ分極の向きがｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層へ向かう負方向であることを見積もりが示すとき、負方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面の基板を成長基板として準備する。所望のピエゾ分極が正方向であるとき、準備されるべき成長基板は、負方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面を有する。
【００７１】
また、例えば、井戸層のおけるピエゾ分極の向きがｐ型窒化物系半導体層からｎ型窒化物系半導体層へ向く（負方向のピエゾ分極）ように、成長基板１１の主面１１ａを選択することができる。この選択により、ピエゾ分極の向きの関する見積もり基づき基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を調整して、所望のピエゾ分極を井戸層に提供できる。
【００７２】
工程Ｓ１１０では、複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部においてピエゾ分極の向きがｎ型III族窒化物半導体層からｐ型III族窒化物半導体層へ向かう正方向であることを見積もりが示すとき、正方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面の基板を成長基板１１として準備することができる。所望のピエゾ分極が負方向であるとき、準備されるべき成長基板は、正方向のピエゾ分極を示す傾斜角の面方位の裏面を提供する主面を有する。
【００７３】
工程Ｓ１１１では、複数の傾斜角による角度範囲の一部若しくは全部においてピエゾ分極の向きがｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層へ向かう負方向であることを見積もりが示すとき、負方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面の基板を成長基板１１として準備することができる。所望のピエゾ分極が負方向であるとき、準備されるべき成長基板は、負方向のピエゾ分極を示す傾斜角を提供する主面を有する。
【００７４】
工程Ｓ１１２では、半導体発光素子のための半導体積層を成長基板１１の主面１１ａ上に形成する。
【００７５】
（実施例１）
発光ダイオード（ＬＥＤ）を有するデバイス１〜デバイス９を作製した。図７は、デバイス１〜デバイス９のＬＥＤ構造を示す図である。但し、デバイス２及び６は、例えば極性面および無極性面上に作製される。図７に示されるＬＥＤ構造のために、デバイス１〜デバイス９のための面方位をそれぞれ有する複数のＧａＮ基板７１を準備した。また、各ＧａＮ基板７１の主面７１ａは、図８に示される面方位及びオフ角を有している。オフ角αは、ｃ軸方向に延在する基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃと基板主面との成す角度として規定される。ＧａＮ基板７１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を成長炉に供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板７１を１０分間保持した。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ように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。
【００７６】
まず、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層７２を摂氏１１００度で成長した。厚さ１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ歪み緩和層７３を摂氏８００度で成長した。緩和層７３のインジウム組成は０．０２であった。続いて、発光層７４を成長した。発光層７４は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造を有する。ＧａＮ基板７１のオフ角によって、井戸層のＩｎの取り込み易さは異なる。そのため、井戸層が所望の組成となり、所望の発光波長となるように、井戸層とバリア層の成長温度を調節した。井戸層とバリア層の成長を繰り返して、３層の井戸層を成長した。続いて、２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層７５を発光層７４上に摂氏１０００度で成長した。電子ブロック層７５のアルミニウム組成は、０．１８であった。次いで、５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層７６を電子ブロック層７５上に摂氏１０００度で成長した。ｐ型ＧａＮコンタクト層７６上には、Ｎｉ／Ａｕからなるアノード電極７７を形成すると共に、Ｔｉ／Ａｌからなるカソード電極７９をＧａＮ基板７１の裏面に形成した。また、アノード電極７７上には、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極７８を形成した。
【００７７】
図８を参照すると、デバイス１〜デバイス９のおける主面の面方位、オフ角（角度α）、及び発光波長が示されている。図８に示すように、デバイス１〜デバイス９の面方位は、それぞれ（１０−１２）、（０００１）、（１１−２２）、（１０−１１）、（２０−２１）、（１０−１０）、（２０−２−１）、（２０−２１）、（２０−２−１）である。また、デバイス１〜デバイス９のオフ角は、ｍ軸又はａ軸の方向に、それぞれ４３度（ｍ軸方向）、０度、５８度（ａ軸方向）、６２度（ｍ軸方向）、７５度（ｍ軸方向）、９０度（ｍ軸方向）。１０５度（ｍ軸方向）、７５度（ｍ軸方向）、１０５度（ｍ軸方向）であった。デバイス１〜デバイス９の発光波長は、約５００ｎｍ又は約４００ｎｍであった。
【００７８】
次に、デバイス１〜デバイス９について、バイアス印加しながら、各ＬＥＤに対してアノード電極７７の上から励起光を照射し、ＰＬ（フォトルミネッセンス）のバイアス依存性を測定することにより、それぞれの井戸層のピエゾ分極の向きを決定した。このようなバイアス印加におけるバンドダイアグラムの変化を図９及び図１０を参照しながら説明する。
【００７９】
図９及び図１０は、井戸層及び障壁層におけるバンドダイアグラムを示している。図９は、正の強いピエゾ分極を示す井戸層のエネルギーバンドを表しており、図１０は、正の弱いピエゾ分極又は負のピエゾ分極を示す井戸層のエネルギーバンドを表す。これらの図における横軸の正の向きは、ｎ型窒化物系半導体層からｐ型窒化物系半導体層に向かう方向と一致する。図９（ａ）及び図１０（ａ）は、バイアスが印加されていない発光層におけるバンドダイアグラムを示しており、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）は、順バイアスが印加された発光層におけるバンドダイアグラムを示している。
【００８０】
図９に示されるように強い正のピエゾ分極を示す井戸層では、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖの傾きの方向が変化する。これ故に、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃ内の最低エネルギレベルと価電子帯Ｅｖ内の最高エネルギーレベルとの差Ｇｗが小さくなる。その結果、順バイアス印加によって、ＰＬ波長のバイアス依存性はレッドシフトを示すことになる。
【００８１】
一方、図１０に示されるように、非常に小さいピエゾ分極及び負のピエゾ分極を示す井戸層では、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖの傾きの方向は同じであるけれども、伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖの傾きの大きさが小さくなる。これにより、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃの最低エネルギーレベルと価電子帯Ｅｖ内の最高エネルギーレベルの差Ｇｗが大きくなる。その結果、順バイアス印加によって、ＰＬ波長のバイアス依存性はブルーシフトを示すことになる。同様の測定（ＰＬ／ＥＬスペクトルのバイアス依存性の測定）をデバイス１〜デバイス９について絶対温度１００Ｋで行った。
【００８２】
図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は、代表的なＰＬスペクトルのバイアス依存性測定結果を示す図であり、具体的にはそれぞれデバイス２、デバイス１及びデバイス５のＰＬ／ＥＬスペクトルのバイアス依存性測定結果を示す図である。図１１において、横軸は、スペクトルピーク（例えばＰＬスペクトル）の波長を示し、縦軸は規格化したＰＬ強度とＥＬ強度を示している。印加バイアスが負値からゼロそしてわずかな正値の範囲では、ＥＬ発光は生じていない。この電圧範囲において、デバイス２ではＰＬピーク波長はレッドシフトを示し、デバイス１ではＰＬピーク波長はほとんど変化しなかった。この結果は、デバイス２及びデバイス１において井戸層のピエゾ分極の符号は正であることを示す。また、上記の電圧範囲において、デバイス５では、ＰＬピーク波長はブルーシフトを示した。この結果は、デバイス５においては井戸層のピエゾ分極の符号は負であることを示す。
【００８３】
図１２は、ＰＬピーク波長のシフト量とオフ角との関係を示す図面である。基板主面のオフ角に対する波長シフト量の依存性は、デバイス１〜デバイス９におけるバイアス印加ＰＬ測定結果から見積もられた。ＰＬピークの波長のシフト量は、バイアス印加無し又はバイアス印加ゼロボルトにおける測定のＰＬピーク波長と、ＥＬ発光開始直後のＰＬピークの波長との差として規定される。図１２において、デバイス５（面方位（１０−１０）、オフ角９０度（ｍ軸方向））の主面がｍ面であるので、デバイス５の井戸層における内部電界がゼロとなる。これ故に、図１２の結果から理解されるように、デバイス５の波長シフト量よりも大きな波長シフト量を示す他のデバイスは、正のピエゾ分極を有し、デバイス５の波長シフト量よりも小さい波長シフト量の他のデバイスは、負のピエゾ分極を有する。図１２に示されるように、デバイス１及びデバイス２におけるピエゾ分極の向きが正であり、デバイス３〜５における井戸層のピエゾ分極の向きが負である。なお、図１２には、デバイス１０及びデバイス１１のＰＬピーク波長のシフト量に対応するプロットを示している。デバイス１０はデバイス３と同一の条件で作製され、またデバイス１１はデバイス５と同一の条件で作製された。
【００８４】
基板面方位の選択では、１つ以上の面方位を示す角度が選択されることができる。１つの面方位におけるピエゾ分極の向きから、該面方位に対応する角度及びこの角度近傍におけるピエゾ分極の向きの符号を見積もることができる。また、基板面方位の選択では、２つ以上の面方位を示す角度が選択されることができる。２つの角度の各々におけるピエゾ分極の向きから、当該２つの角度の間の範囲におけるピエゾ分極の向きの符号を見積もることができる。さらに、基板面方位の選択では、３つ以上の面方位を示す角度が選択されることができる。３つの角度の各々におけるピエゾ分極の向きから、隣接する２つの角度の間の範囲の各々におけるピエゾ分極の向きの符号を見積もることができる。例えば、一方の角度範囲が正のピエゾ分極であり一方の角度範囲が負のピエゾ分極であること；両方の角度範囲は正のピエゾ分極であること；両方の角度範囲が負のピエゾ分極であること。
【００８５】
図１２に示されたデバイス１〜６のためのピエゾ分極の向きの見積もりデータの全部又は一部を用いて、ピエゾ分極の正負の符号に応じて角度範囲の区分けを行うことができる。基板の選択のための判断は上記の区分けに基づき行われる。
【００８６】
角度範囲の区分けによれば、例えば、デバイス３〜５の井戸層は負のピエゾ分極を示す。負のピエゾ分極を利用した効果を得るときは、デバイス３〜５の面方位に対応する角度範囲の基板主面を用いる。一方、正のピエゾ分極を利用した効果を得るときは、デバイス３〜５の面方位に対応する角度範囲の裏面に対応する基板を用いる。
【００８７】
角度範囲の区分けによれば、例えば、デバイス１の井戸層は正のピエゾ分極を示す。正のピエゾ分極を利用した効果を得るときは、デバイス１の面方位に対応する角度の近傍に対応する基板主面を用いる。一方、負のピエゾ分極を利用した効果を得るときは、デバイス１の面方位に対応する角度近傍の裏面に対応する基板を用いる。ＧａＮ基板の表面及び裏面を使い分けて同様のＬＥＤを作製した場合、井戸層のピエゾ分極として設計通りの符号を得ることができる。したがって、（１１−２−２）面（デバイス３のＧａＮ基板の裏面に相当）、（１０−１−１）面（デバイス４のＧａＮ基板の裏面に相当）、及び、（２０−２−１）面（デバイス５のＧａＮ基板の裏面に相当、デバイス７のＧａＮ基板の主面）を主面とするＧａＮ基板を用いて同様のＬＥＤを作製するとき、井戸層のピエゾ分極の符号を正にできる。
【００８８】
正のピエゾ分極を有する井戸層の利用による技術的な寄与の一つは、発光素子の駆動電圧の低減である。次に、デバイス７の電圧−電流特性をデバイス５の電圧−電流特性と比較した。デバイス５のＧａＮ基板の裏面は、デバイス７のＧａＮ基板の主面に相当する。既に説明したように、デバイス７における井戸層のピエゾ分極の向きは正方向であり、デバイス５の井戸層のピエゾ分極の向きは負方向である。図１３は、デバイス７及びデバイス５の電圧−電流特性の測定結果を示す図面である。図１３に示されるように、デバイス７の駆動電圧は、デバイス５の駆動電圧より低くなった。これは、井戸層のピエゾ分極の符号が正であるとき、駆動電圧の低減が可能になることを示す。
【００８９】
同様に、デバイス９における電圧−電流特性をデバイス８における電圧−電流特性と比較するとき、デバイス８のＧａＮ基板の裏面は、デバイス９のＧａＮ基板の主面に相当する。上述のように、デバイス９の井戸層のピエゾ分極の向きは正方向であり、デバイス８の井戸層のピエゾ分極の向きは負方向である。図１４は、デバイス９及びデバイス８の電圧−電流特性の測定結果を示す図面である。図１４に示されるように、デバイス９の駆動電圧が、デバイス８の駆動電圧より低くなった。これは、井戸層のピエゾ分極の符号が正であるとき、駆動電圧の低減が可能になることを示す。図１４における４００ｎｍ波長帯の発光ダイオードにおける駆動電圧の低減の大きさは、図１３に示された５００ｎｍ波長帯における発光ダイオードにおける駆動電圧の低減の大きさに比べて小さい。駆動電圧の低減の手程度が小さい理由：デバイス８及び９における井戸層の伝導帯のポテンシャルが浅いので、井戸層のピエゾ分極の向きが負方向であるデバイス８においても、電子が井戸層から隣接する井戸層に比較的容易に移動できると考えられる。これより、駆動電圧を低下させる効果は井戸層のピエゾ分極の向きを正方向にすることによって得られるが、井戸層の伝導帯のポテンシャルが深いときにより顕著に発揮されると考えられる。この井戸層の深さは、見積もりによれば、０．７エレクトロンボルト以上である。井戸層のピエゾ分極の向きが正方向であるとき、図１５に示されるように、井戸層とバリア層のバンドギャップエネルギ差が０．７ｅＶ以上である発光層においても、多重量子井戸構造の全体にわたって電子を供給できる。
【００９０】
図１６は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ電界の向きを説明する図面である。図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、極性面（ｃ面）上に形成された発光層におけるピエゾ電界を説明する図面である。図１６（ｄ）〜図１６（ｅ）は、無極性面（ａ面、ｍ面）上に形成された発光層におけるピエゾ電界を説明する図面である。図１６（ｆ）〜図１６（ｇ）は、半極性面上に形成された発光層におけるピエゾ電界を説明する図面である。
【００９１】
図１６（ａ）を参照すると、発光層Ｐは、極性面（ｃ面）上に形成された障壁層Ｂ１、Ｂ２及び井戸層Ｗ１を含む。井戸層Ｗ１は障壁層Ｂ１、Ｂ２に挟まれている。井戸層Ｗ１におけるピエゾ電界ＥＰＺの向きは、ｐ層からｎ層への方向を向いている。井戸層では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底がｎ層からｐ層への方向に下がっている。記号ＥＣ０は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示している。図１６（ｂ）を参照すると、発光層Ｐに小さな順方向電圧が印加されている。この発光層Ｐでは、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が電圧印加により大きくなっている。記号ＥＣ１は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差ＥＣ０は、エネルギ差ＥＣ１よりも大きい。図１６（ｃ）を参照すると、発光層Ｐに大きな順方向電圧が印加されている。この発光層Ｐでは、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が、スクリーニングにより小さくなっている。記号ＥＣ２は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差ＥＣ２は、エネルギ差ＥＣ０よりも大きい。印加電圧により引き起こされるエネルギ差の変化が、ブルーシフトの原因である。
【００９２】
図１６（ｄ）を参照すると、発光層ＮＰは、無極性面（ａ面、ｍ面）上に形成された障壁層Ｂ３、Ｂ４及び井戸層Ｗ２を含む。井戸層Ｗ２は障壁層Ｂ３、Ｂ４に挟まれている。井戸層Ｗ２が無極性面上に形成されているので、ピエゾ電界ＥＰＺはゼロである。井戸層Ｗ２では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底がｐ層からｎ層への方向に下がっている。記号ＥＮＰ０は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示している。図１６（ｅ）を参照すると、発光層ＮＰに順方向電圧が印加されている。この発光層ＮＰでは、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が電圧印加によりほとんどなくなっている。記号ＥＮＰ１は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差ＥＮＰ０はエネルギ差ＥＮＰ１よりも小さい。発光層ＮＰにはピエゾ電界がゼロであるので、井戸層のキャリア量が増加しても、スクリーニングが生じることもない。故に、印加電圧により引き起こされるエネルギ差の変化が無いので、ブルーシフトが観測されない。
【００９３】
図１６（ｆ）を参照すると、発光層ＳＰ−は、特定のオフ角で傾斜した半極性面上に形成された障壁層Ｂ５、Ｂ６及び井戸層Ｗ３を含む。井戸層Ｗ３は障壁層Ｂ５、Ｂ６に挟まれている。井戸層Ｗ３が半極性面上に形成されているので、ピエゾ電界ＥＰＺは極性面上における値よりも小さい。井戸層Ｗ３では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底がｐ層からｎ層への方向に下がっている。記号ＥＳＰ０は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示している。図１６（ｇ）を参照すると、発光層ＳＰ−に順方向電圧が印加されている。この発光層ＳＰ−では、伝導帯のバンド底及び価電子のバンド底の傾斜が電圧印加により小さくなっている。記号ＥＮＰ１は、伝導帯のバンド底と価電子のバンド底との間のエネルギ差を示しており、エネルギ差ＥＳＰ０はエネルギ差ＥＳＰ１よりも小さい。発光層ＳＰ−のピエゾ電界はｐ層からｎ層への方向と逆方向の成分を有し、その値は極性面上の値よりも小さいので、スクリーニングの度合いも小さい。故に、印加電圧により引き起こされるエネルギ差の変化が小さいので、ブルーシフトが非常に小さい。
【００９４】
本実施の形態に係る傾斜角の面方位を有する井戸層（発光層ＳＰ−）は、図１６（ｆ）及び図１６（ｇ）に示されるように振る舞う。一方、本実施の形態に係る傾斜角の面方位と異なる半極性面上の井戸層（発光層ＳＰ＋）は、図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に示されるように振る舞う。
【００９５】
次いで、半極性面上に形成された発光層について更に説明する。図１７は、歪みを内包する発光層におけるピエゾ分極の向きを説明する図面である。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は正のピエゾ分極を有する発光層ＳＰ＋を示している。発光層ＳＰ＋は、障壁層Ｂ７、Ｂ８及び井戸層Ｗ４を含む。井戸層Ｗ４は障壁層Ｂ７、Ｂ８に挟まれている。発光層ＳＰ＋に隣接して、障壁層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体層Ｐが示されている。窒化ガリウム系半導体層Ｐは、例えばｐ型電子ブロック層またはｐ型クラッド層であることができる。井戸層Ｗ４におけるピエゾ電界の向きはｐ層からｎ層への方向であり、窒化ガリウム系半導体層Ｐにおけるピエゾ電界の向きはｎ層からｐ層への方向である。このため、発光層ＳＰ＋と窒化ガリウム系半導体層Ｐとの界面には、伝導帯にディップＤＩＰ１が形成される。故に、ディップＤＩＰ１により、窒化ガリウム系半導体層Ｐの電子障壁が低くなる。ディップＤＩＰ１の大きさは、例えば０．２ｅＶ程度である。
【００９６】
一方、図１７（ｃ）及び図１７（ｄ）は負のピエゾ分極を有する発光層ＳＰ−を示している。発光層ＳＰ−に隣接して、障壁層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体層Ｐが示されている。井戸層Ｗ３におけるピエゾ電界の向きはｎ層からｐ層への方向であり、窒化ガリウム系半導体層Ｐにおけるピエゾ電界の向きはｐ層からｎ層への方向である。このため、発光層ＳＰ−と窒化ガリウム系半導体層Ｐとの界面には、伝導帯ではなく価電子帯にディップが形成される。故に、発光層からの電子に対する障壁が伝導帯のディップＤＩＰ２により低くなることなく、窒化ガリウム系半導体層Ｐは、発光層からの電子を十分に阻止できる。ディップＤＩＰ２の大きさは例えば０．１ｅＶ程度である。
【００９７】
III族窒化物光素子においてピエゾ分極に係る特性の利用は有用であることが示された。上記の説明におけるピエゾ分極の寄与は例示であり、これらに限定されるものではない。
【００９８】
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】
【００９９】
１０…成長炉、１１…成長基板、１３…窒化ガリウム系半導体領域、１５…活性層、１７…障壁層、１９…井戸層、２１…障壁層、２３…発光層、２５、２７、２９…窒化ガリウム系半導体層、３１…第２導電型窒化ガリウム系半導体領域、３３…電子ブロック層、３５…ｐ型クラッド層、３７…ｐ型コンタクト層、Ｅ…エピタキシャルウエハ、７１…ＧａＮ基板、７２…ｎ型ＧａＮガイド層、７３…ｎ型ＩｎＧａＮ歪み緩和層、７４…発光層、７５…ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、７６…ｐ型ＧａＮコンタクト層、７７…絶縁膜、７８…アノード電極、７９…カソード電極  
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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