(57)【要約】【課題】Ｉｎを含む活性層を備えるＧａＮ系半導体発光素子において、注入電流が大きい場合における量子効率の低下を軽減することができるＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子１１ａは、ＧａＮ系半導体からなりｃ面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角αで傾斜した主面１３ａを有する基板１３と、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５と、活性層１７と、電子ブロック層２７と、コンタクト層２９とを備える。活性層１７はＩｎを含むＧａＮ系半導体からなり、基板１３の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＧａＮ系半導体からなり、該第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸である基準軸に直交する面から該第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有する基板と、
前記主面上に設けられたＧａＮ系半導体エピタキシャル領域と、
前記ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域上に設けられる活性層と、
前記活性層上に設けられた電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に設けられたコンタクト層と
を備え、
前記活性層は第２のＧａＮ系半導体からなり、前記第２のＧａＮ系半導体はインジウムを含み、
前記電子ブロック層は第３のＧａＮ系半導体からなり、前記第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップは前記第２のＧａＮ系半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記コンタクト層は第４のＧａＮ系半導体からなり、前記第４のＧａＮ系半導体のバンドギャップは前記第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップ以下であり、
前記基板の前記第１のＧａＮ系半導体の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることを特徴とする、ＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板の前記主面の傾斜角は７０度以上であることを特徴とする、請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層は、４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層は、４４０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層は、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられていることを特徴とする、請求項４に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２のＧａＮ系半導体はＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項７】
前記第３のＧａＮ系半導体はＩｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）であり、前記第３のＧａＮ系半導体の格子定数は前記第１のＧａＮ系半導体の格子定数以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項８】
当該ＧａＮ系半導体発光素子は発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項９】
前記発光ダイオードのチップサイズは、５００μｍ角よりも小さいことを特徴とする、請求項８に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項１０】
第１のＧａＮ系半導体からなるウエハの主面上にＧａＮ系半導体エピタキシャル領域を成長させる工程と、
前記ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域上に活性層を成長させる工程と、
前記活性層上に電子ブロック層を成長させる工程と、
前記電子ブロック層上にコンタクト層を成長させる工程と
を備え、
前記ウエハの前記主面は、該第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸である基準軸に直交する面から該第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜しており、
前記活性層は第２のＧａＮ系半導体からなり、前記第２のＧａＮ系半導体はインジウムを含み、
前記電子ブロック層は第３のＧａＮ系半導体からなり、前記第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップは前記第２のＧａＮ系半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記コンタクト層は第４のＧａＮ系半導体からなり、前記第４のＧａＮ系半導体のバンドギャップは前記第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップ以下であり、
前記ウエハの前記第１のＧａＮ系半導体の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることを特徴とする、ＧａＮ系半導体光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ウエハの前記主面の傾斜角は７０度以上であることを特徴とする、請求項１０に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記活性層は、４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記活性層は、４４０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられることを特徴とする、請求項１２に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記活性層は、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられることを特徴とする、請求項１３に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第２のＧａＮ系半導体はＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）であることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第３のＧａＮ系半導体はＩｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）であり、前記第３のＧａＮ系半導体の格子定数は前記第１のＧａＮ系半導体の格子定数以下であることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
当該ＧａＮ系半導体発光素子は発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記発光ダイオードの平面形状のチップサイズは、５００μｍ角の正方形よりも小さいことを特徴とする、請求項１７に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＮ系半導体発光素子におけるドループ（ｄｒｏｏｐ）現象、すなわち注入電流量が或る大きさを超えた場合に生じる内部量子効率の低下が、主にオージェ（Ａｕｇｅｒ）過程によるものであると記載されている。この文献では、オージェ係数を実験的に測定している。
【０００３】
非特許文献２には、ＧａＮ系半導体発光素子におけるドループ現象が、主にオージェ過程によるものであると記載されている。この文献では、ＧａＮ系半導体発光素子のバンド構造に関して第一原理計算を行い、青色から緑色にわたる波長帯において、オージェ過程を共鳴的に起こす準位の存在を指摘している。
【０００４】
非特許文献３には、ＧａＮ系半導体発光素子におけるドループ現象が、電子ブロック層とコンタクト層との界面におけるホールの局在と、電子ブロック層の存在による活性層へのホール注入効率の低下とに起因すると記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Y. C. Shen et al., ”Augerrecombination in InＧａＮ measured by photoluminescence ”,Applied Physics Letters, AmericanInstitute of Physics, Vol.91, 141101 (2007)
【非特許文献２】Kris T. Delaney et al., ”Augerrecombination rates in nitrides from first principles ”,Applied Physics Letters, AmericanInstitute of Physics, Vol.94, 191109 (2009)
【非特許文献３】Sang-Heon Han et al., ”Effect ofelectron blocking layer on efficiency droop in InＧａＮ/ＧａＮ multiple quantum welllight-emitting diodes ”,Applied Physics Letters, American Institute ofPhysics, Vol.94, 231123 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、六方晶系であるＧａＮ系半導体を用いた発光素子が盛んに研究されている。この発光素子は、ＧａＮ系半導体からなる基板と、該基板の主面上に順にエピタキシャル成長された第１導電型（例えばｎ型）の半導体層、活性層、及び第２導電型（例えばｐ型）の半導体層とを備える。基板としては、ＧａＮ系半導体結晶のｃ面を主面とするものが主に用いられる。活性層は、例えばＩｎを組成中に含むＧａＮ系半導体からなる。
【０００７】
ここで、図１３は、このような発光素子における励起密度と内部量子効率との関係を示すグラフの一例である。図１３に示すように、このような発光素子においては、注入電流が小さい領域（図中のＡ領域）では注入電流を大きくするほど内部量子効率が高まるが、注入電流が或る量を超えると（図中のＢ領域）、注入電流を大きくするほど量子効率が逆に低下する（ドループ現象）。ドループ現象の原因としては次の３つが考えられる。
【０００８】
（１）オージェ過程
オージェ過程とは、電子と正孔とが再結合する際に生じる余剰エネルギーが、光エネルギーに変化するのではなく、別の電子を高エネルギー側の別の準位に遷移させるために消費されてしまう３体過程をいう。オージェ過程は、発光素子内部のキャリア密度が大きくなり、励起子間の平均距離が小さくなると、共鳴的に引き起こされる多体効果の一つである。
【０００９】
図１４は、オージェ過程を説明するための図である。通常、発光素子では、図１４（ａ）に示すように、電子ｅ１が正孔ｈｏｌｅへ落ち込むことにより、伝導帯と価電子帯との間のエネルギー準位の差Ｅｇに相当するエネルギーを光として放出する。しかし、ＧａＮ系半導体においては、図１４（ｂ）に示すように、伝導帯の底とのエネルギー差Δが青色から緑色帯発光の発光エネルギーと等しくなるエネルギー準位Ｅ３が別に存在する。そして、電子ｅ１が正孔ｈｏｌｅへ落ち込むことにより発生する、伝導帯と価電子帯との間のエネルギー準位の差Ｅｇに相当するエネルギーが、別の電子ｅ２のエネルギー準位Ｅ３への遷移のために消費されてしまう。これにより、電子及び正孔が発光に寄与することなく消失し、内部量子効率が低下する。
【００１０】
また、図１５は、半導体のバンドギャップとオージェ係数との関係を示すグラフである。上述したようなオージェ過程は、図１５に示すように、半導体が約２．５ｅＶを中心とする一定範囲内（図中の範囲Ｃ）のバンドギャップを有する場合に顕著に発生する。このバンドギャップは発光波長４４０ｎｍ〜５４０ｎｍに相当し、例えばＩｎを組成中に含むＧａＮ系半導体により実現される。すなわち、活性層にＩｎを含むＧａＮ系半導体発光素子においては、オージェ過程によって、内部量子効率が低下するという問題がある。
【００１１】
（２）電子ブロック層の存在によるホール枯渇
図１６（ａ）は、ＧａＮ系半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。このＧａＮ系半導体発光素子は、ｎ型ＧａＮ層と、該ｎ型ＧａＮ層上に設けられた多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層と、該活性層上に設けられた電子ブロック（ＥＢＬ）層と、電子ブロック層上に設けられたｐ型ＧａＮ層とを備えている。また、図１６（ｂ）は、このＧａＮ系半導体発光素子のキャリア密度の厚さ方向分布を示すグラフである。図１６（ｂ）において、グラフＧｅは電子の密度を示しており、グラフＧｈは正孔の密度を示している。
【００１２】
このような構造を備えるＧａＮ系半導体発光素子に大きな電流を注入すると、図１６（ａ）に示すように、印加電圧やピエゾ電界に起因するバンド曲がりが発生する（図中のＢ１及びＢ２）。そして、電子ブロック層とｐ型ＧａＮ層との界面におけるバンド曲がりＢ１によって、該界面に正孔が局在してしまう（図１６（ｂ）のピークＰ３）。また、電子ブロック層と活性層との界面に存在するバンド曲がりＢ２によって、活性層への正孔の注入が阻害され、量子効率が低下してしまう。
【００１３】
図１７は、図１６に示したＧａＮ系半導体発光素子における電流密度と外部量子効率との関係の一例を示すグラフである。上述したバンド曲がりＢ１及びＢ２によって、図１７に示すように、電流密度が大きくなる程、ＧａＮ系半導体発光素子の外部量子効率が低下することがわかる。
【００１４】
（３）ＧａＮ系発光素子に特有の転位密度の高さ
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、ＧａＮ系半導体発光素子への注入電流が比較的小さい場合（図１８（ａ））、及び比較的大きい場合（図１８（ｂ））のそれぞれにおける、転位Ｄの存在下でのキャリアＣａｒｒの蓄積の様子を概念的に示す図である。なお、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）において、縦軸はエネルギーの増加方向を表しており、横軸は位置を表している。
【００１５】
図１８（ａ）に示すように、ＧａＮ系半導体発光素子への注入電流が比較的小さい場合（低注入域）には、キャリアＣａｒｒが転位Ｄに捕まることなく移動し、高効率な発光が起こる。これは、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体からなる活性層において、Ｉｎ組成揺らぎによるキャリア局在効果が生じるためと考えられる。しかし、ＧａＮ系半導体発光素子への注入電流が比較的大きい場合（高注入域）には、キャリアＣａｒｒが局在サイトから溢れ、転位Ｄに捕まることで発光に寄与することなく消失してしまう。転位密度が高い傾向があるＧａＮ系半導体発光素子では、このような作用によって量子効率が低下する。
【００１６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、Ｉｎを含む活性層を備えるＧａＮ系半導体発光素子において、注入電流が大きい場合における量子効率の低下を軽減することができるＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法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】
【００１７】
上述した課題を解決するために、本発明によるＧａＮ系半導体発光素子は、（ａ）第１のＧａＮ系半導体からなり、該第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸である基準軸に直交する面から該第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した主面を有する基板と、（ｂ）主面上に設けられたＧａＮ系半導体エピタキシャル領域と、（ｃ）ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域上に設けられる活性層と、（ｄ）活性層上に設けられた電子ブロック層と、（ｅ）電子ブロック層上に設けられたコンタクト層とを備える。活性層は第２のＧａＮ系半導体からなり、第２のＧａＮ系半導体はインジウムを含む。電子ブロック層は第３のＧａＮ系半導体からなり、第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップは第２のＧａＮ系半導体のバンドギャップよりも大きい。コンタクト層は第４のＧａＮ系半導体からなり、第４のＧａＮ系半導体のバンドギャップは第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップ以下である。基板の第１のＧａＮ系半導体の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下である。
【００１８】
また、本発明によるＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、（ｆ）第１のＧａＮ系半導体からなるウエハの主面上にＧａＮ系半導体エピタキシャル領域を成長させる工程と、（ｇ）ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域上に、活性層を成長させる工程と、（ｈ）活性層上に電子ブロック層を成長させる工程と、（ｉ）電子ブロック層上にコンタクト層を成長させる工程とを備える。ウエハの主面は、該第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸である基準軸に直交する面から該第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜している。活性層は第２のＧａＮ系半導体からなり、第２のＧａＮ系半導体はインジウムを含む。電子ブロック層は第３のＧａＮ系半導体からなり、第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップは第２のＧａＮ系半導体のバンドギャップよりも大きい。コンタクト層は第４のＧａＮ系半導体からなり、第４のＧａＮ系半導体のバンドギャップは第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップ以下である。ウエハの第１のＧａＮ系半導体の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下である。
【００１９】
上述したＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法では、第１のＧａＮ系半導体からなる基板を用いている。この基板の主面は、第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸に直交する面（すなわちｃ面）から第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜している。このような半極性主面上に活性層が設けられることによって、活性層に非等方的な歪みが導入される。これにより、オージェ過程を共鳴的に引き起こす準位Ｅ３をエネルギー的に移動させ、青色から緑色帯発光の発光エネルギーに相当するエネルギー準位差Ｅｇではオージェ過程を引き起こさないようにすることができる。すなわち、青色から緑色帯発光をするＩｎを含むＧａＮ系半導体が取り得るバンドギャップの範囲でのオージェ過程の発生を回避できるので、Ｉｎを含む活性層を備えるＧａＮ系半導体発光素子において、オージェ過程に起因するドループ現象を抑制し、注入電流が大きい場合における量子効率の低下を軽減することができる。
【００２０】
また、上述したＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、基板の主面が、第１のＧａＮ系半導体のｃ面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜している。このような傾斜角の範囲では、Ｉｎを含む活性層におけるピエゾ電界が負となり、図１６（ａ）に示したバンド曲がりＢ１，Ｂ２の向きが逆になる。従って、比較的大きな電流を注入した場合でも、正孔の局在や活性層への正孔の注入の阻害が生じにくく、量子効率の低下を軽減することができる。
【００２１】
また、上述したＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、基板の第１のＧａＮ系半導体の転位密度が１×１０７ｃｍ−２以下である。そして、このように転位密度が小さい高品質なＧａＮ系半導体基板上に、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域、活性層、電子ブロック層、及びコンタクト層が設けられている。従って、ＧａＮ系半導体発光素子における転位密度を低く抑え、注入電流が比較的大きい場合であってもキャリアが転位に捕まることを抑制し、量子効率の低下を軽減することができる。
【００２２】
以上に説明したように、上述したＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法によれば、（１）オージェ過程、（２）電子ブロック層の存在によるホール枯渇、及び（３）ＧａＮ系発光素子に特有の転位密度の高さといった従来のＧａＮ系半導体発光素子における課題を解決し、注入電流が大きい場合における量子効率の低下を効果的に軽減することができる。
【００２３】
また、ＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、基板の主面の傾斜角が７０度以上であることが好ましい。
【００２４】
また、ＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、活性層が、４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられていることが好ましい。この場合、活性層は、４４０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられていることがより好ましい。更に、活性層は、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられていれば尚好適である。基板主面の６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角は、このような発光波長の範囲において特に有効である。
【００２５】
また、ＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、第２のＧａＮ系半導体がＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）であることを特徴としてもよい。これにより、活性層の格子定数を或る範囲内で自由に選択可能となり、活性層に生じる非等方歪みの大きさを好適に制御できるので、図１４（ｂ）に示したエネルギー準位Ｅ３と伝導帯の底とのエネルギー差Δを効果的に変更できる。
【００２６】
また、ＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、第３のＧａＮ系半導体がＩｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）であり、第３のＧａＮ系半導体の格子定数が第１のＧａＮ系半導体の格子定数以下であることが好ましい。
【００２７】
また、ＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、当該ＧａＮ系半導体発光素子が発光ダイオードであることを特徴としてもよい。この場合、発光ダイオードの平面形状のチップサイズは、５００μｍ角の正方形よりも小さいことが好ましい。上述したＧａＮ系半導体発光素子、及びＧａＮ系半導体発光素子の製造方法によれば、ドループ現象による量子効率の低下が効果的に軽減されるので、電流密度を上げても高効率発光が可能であり、ひいてはチップサイズの小型化が可能になる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によるＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法によれば、Ｉｎを含む活性層を備えるＧａＮ系半導体発光素子において、注入電流が大きい場合における量子効率の低下を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明に係るＧａＮ系半導体光素子の一実施形態の構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本発明に係るＧａＮ系半導体光素子の別の実施形態の構造を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、ＧａＮ系半導体光素子を作製する方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は、オージェ過程を共鳴的に引き起こす準位をエネルギー的に移動させ、伝導帯の底とのエネルギー差Δを変化させる様子を示す概念図である。
【図５】図５は、主面の傾斜角と活性層内部のピエゾ電界強度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、ＧａＮ系半導体の格子定数と、バンド端エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、第１実施例において作製された低転位半極性ＧａＮ基板を備えるＧａＮ系半導体発光素子の断面構造を示す図である。
【図８】図８は、第１実施例において作製されたｃ面サファイア基板を備えるＧａＮ系半導体発光素子の断面構造を示す図である。
【図９】図９は、第１実施例において作製されたＧａＮ系半導体発光素子に電流を注入したときの、外部量子効率の電流密度依存性を示すグラフである。図９（ａ）は電流密度（横軸）を０〜３００Ａ／ｃｍ２としており、図９（ｂ）は電流密度（横軸）を０〜１２００Ａ／ｃｍ２としている。
【図１０】図１０は、第２実施例において作製されたＧａＮ系半導体発光素子に電流を注入したときの、外部量子効率の電流密度依存性を示すグラフである。図１０（ａ）は電流密度（横軸）を０〜３００Ａ／ｃｍ２としており、図１０（ｂ）は電流密度（横軸）を０〜１２００Ａ／ｃｍ２としている。
【図１１】図１１は、第２実施例において作製されたＧａＮ系半導体発光素子に電流を注入したときの、外部量子効率の電流密度依存性を示すグラフである。図１１（ａ）は電流密度（横軸）を０〜３００Ａ／ｃｍ２としており、図１１（ｂ）は電流密度（横軸）を０〜１２００Ａ／ｃｍ２としている。
【図１２】図１２は、第２実施例において作製されたＧａＮ系半導体発光素子に電流を注入したときの、外部量子効率の電流密度依存性を示すグラフである。図１２（ａ）は電流密度（横軸）を０〜３００Ａ／ｃｍ２としており、図１２（ｂ）は電流密度（横軸）を０〜１２００Ａ／ｃｍ２としている。
【図１３】図１３は、従来の発光素子における励起密度と内部量子効率との関係を示すグラフの一例である。
【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、オージェ過程を説明するための図である。
【図１５】図１５は、半導体のバンドギャップとオージェ係数との関係を示すグラフである。
【図１６】図１６（ａ）は、従来のＧａＮ系半導体発光素子のエネルギーバンド図の一例である。また、図１６（ｂ）は、従来のＧａＮ系半導体発光素子のキャリア密度の厚さ方向分布を示すグラフである。
【図１７】図１７は、図１６に示したＧａＮ系半導体発光素子における電流密度と外部量子効率との関係の一例を示すグラフである。
【図１８】図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、ＧａＮ系半導体発光素子への注入電流が比較的小さい場合（図１８（ａ））、及び比較的大きい場合（図１８（ｂ））のそれぞれにおける、転位の存在下でのキャリアの蓄積の様子を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、以下の記述においては、六方晶系結晶の結晶軸を示すａ１軸、ａ２軸、ａ３軸、ｃ軸において、各結晶軸の正方向と逆向きを示す表記に関して、例えば［０００−１］軸は［０００１］軸の逆向きであり、逆向きを示すために数字（例えば「１」）の前に負号を付する「−１」を用いる。
【００３１】
図１は、本発明に係るＧａＮ系半導体光素子の一実施形態として、ＧａＮ系半導体光素子１１ａの構造を概略的に示す図面である。ＧａＮ系半導体光素子１１ａとしては、例えば発光ダイオード等がある。
【００３２】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａは、基板１３と、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５と、活性層１７とを備える。基板１３は、第１のＧａＮ系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等であることができる。ＧａＮは、二元化合物であるＧａＮ系半導体であるので、良好な結晶品質と安定した基板主面とを提供できる。基板１３の第１のＧａＮ系半導体の転位密度は、１×１０７ｃｍ−２以下である。また、第１のＧａＮ系半導体は、例えばＡｌＮ等からなることができる。
【００３３】
基板１３のｃ面は、図１に示された平面Ｓｃに沿って延びている。平面Ｓｃ上では、六方晶系ＧａＮ系半導体の結晶軸を示すための座標系ＣＲ（ｃ軸、ａ軸、ｍ軸）が示されている。また、図１には、第１のＧａＮ系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸Ｃｘが示されている。本実施形態において、基準軸Ｃｘは、第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸である。基準軸Ｃｘに沿ったベクトルＶＣ＋は［０００１］軸の方向に向いており、ベクトルＶＣ−は［０００−１］軸の方向に向いている。基板１３の主面１３ａは、この基準軸Ｃｘに直交する面（すなわちｃ面）から該第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角αで傾斜している。より好ましくは、傾斜角αは７０度以上である。傾斜角αは、基板１３の主面１３ａの法線ベクトルＶＮと基準軸Ｃｘとの成す角度によって規定され、この角度αは、本実施形態では、ベクトルＶＣ＋とベクトルＶＮとの成す角に等しい。傾斜角αは好ましくは７５度であり、この場合、主面１３ａは、六方晶系ＧａＮ系半導体の｛２０−２１｝面として示される。
【００３４】
ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、主面１３ａ上に設けられている。ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、一又は複数の第１導電型ＧａＮ系半導体層を含むことができる。本実施形態では、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、ｎ型ＧａＮ半導体層２３を含んでいる。
【００３５】
このＧａＮ系半導体光素子１１ａにおいては、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５が基板１３上に設けられているので、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５の結晶軸は、基板１３の結晶軸を引き継いでいる。それ故に、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５の主面１５ａも、基準軸Ｃｘに直交する面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜している。
【００３６】
ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５上には、活性層１７が設けられている。活性層１７は、インジウムを含む第２のＧａＮ系半導体からなる。好適には、第２のＧａＮ系半導体はＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）である。活性層１７の膜厚方向は、基準軸Ｃｘに対して傾斜している。
【００３７】
活性層１７はＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５上に設けられているので、活性層１７の結晶軸は、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５を介して基板１３の結晶軸を引き継いでいる。それ故に、活性層１７の主面も、基準軸Ｃｘに直交する面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜している。
【００３８】
活性層１７は、４００ｎｍ以上である発光波長を生成するように設けられることが好ましい。また、活性層１７は、６５０ｎｍ以下である発光波長を生成するように設けられることが好ましい。６５０ｎｍ以上の発光波長を発生する活性層では、インジウム組成が大きいので、所望の結晶品質が得られにくい。より好ましくは、活性層１７は、４４０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられているとよい。また、更に好ましくは、活性層１７は、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられているとよい。活性層１７の主面が有する６３度以上８０度未満の傾斜角は、このような発光波長の範囲において特に有効である。
【００３９】
活性層１７は、量子井戸構造３１を有することができ、この量子井戸構造３１は、所定の軸Ａｘの方向に交互に配置された井戸層３３及び障壁層３５を含む。井戸層３３及び障壁層３５は、インジウムを含む第２のＧａＮ系半導体、例えばＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなる。障壁層３５のバンドギャップは、井戸層３３のバンドギャップより大きい。ｎ型ＧａＮ半導体層２３、活性層１７、電子ブロック層２７及びコンタクト層２９は、所定の軸Ａｘの方向に配列される。基準軸Ｃｘの方向は所定の軸Ａｘの方向と異なる。
【００４０】
ここで、図１を参照すると、座標系Ｓが示されている。基板１３の主面１３ａは、Ｚ軸の方向を向いており、またＸ方向及びＹ方向に延びている。Ｘ軸はａ軸の方向に向いている。
【００４１】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａは、活性層１７上に設けられたＧａＮ系半導体領域２１を備える。ＧａＮ系半導体領域２１は、一又は複数の第２導電型ＧａＮ系半導体層を含む。ＧａＮ系半導体領域２１は、活性層１７上に設けられた電子ブロック層２７と、電子ブロック層２７上に設けられたコンタクト層２９とを含む。電子ブロック層２７は、第３のＧａＮ系半導体からなる。この第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップは、活性層１７の第２のＧａＮ系半導体のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。好適には、第３のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）であり、更に好適には、第３のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）である。この第３のＧａＮ系半導体の格子定数は、基板１３の第１のＧａＮ系半導体の格子定数以下であることが好ましい。
【００４２】
コンタクト層２９は、第４のＧａＮ系半導体からなる。この第４のＧａＮ系半導体のバンドギャップは、第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップ以下であることが好ましい。好適には、第４のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ４Ａｌｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１）であり、更に好適には、第４のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ４Ａｌｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ｎ（０≦ｘ４＜１、０＜ｙ４＜１）である。
【００４３】
電子ブロック層２７及びコンタクト層２９は活性層１７上に設けられているので、電子ブロック層２７及びコンタクト層２９の結晶軸は、活性層１７及びＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５を介して基板１３の結晶軸を引き継いでいる。それ故に、電子ブロック層２７及びコンタクト層２９の主面も、基準軸Ｃｘに直交する面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜している。
【００４４】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａは、コンタクト層２９上に設けられた第１の電極３７（例えば、アノード）を含むことができ、第１の電極３７は、コンタクト層２９を覆う透明電極を含むことができる。透明電極としては、例えばＮｉ／Ａｕを用いられる。ＧａＮ系半導体光素子１１ａは、基板１３の裏面１３ｂ上に設けられた第２の電極３９（例えば、カソード）を含むことができ、第２の電極３９は、例えばＴｉ／Ａｌから成る。活性層１７は、電極３７、３９の両端に印加された外部電圧に応答して光Ｌ１を生成し、本実施形態ではＧａＮ系半導体光素子１１ａは面発光素子を含む。
【００４５】
図２は、本発明に係るＧａＮ系半導体発光素子の別の実施形態として、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｂの構造を概略的に示す図面である。ＧａＮ系半導体発光素子１１ｂとしては、例えば半導体レーザ等がある。ＧａＮ系半導体発光素子１１ｂは、図１に示したＧａＮ系半導体光素子１１ａと同様に、基板１３と、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５と、活性層１７とを備える。
【００４６】
基板１３は、第１のＧａＮ系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等であることができる。基板１３の第１のＧａＮ系半導体の転位密度は、１×１０７ｃｍ−２以下である。また、第１のＧａＮ系半導体は、例えばＡｌＮ等からなることができる。
【００４７】
基板１３のｃ面は、図２に示された平面Ｓｃに沿って延びている。平面Ｓｃ上では、座標系ＣＲ（ｃ軸、ａ軸、ｍ軸）が示されている。また、図２には、基準軸Ｃｘが示されている。本実施形態において、基準軸Ｃｘは、第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸である。基準軸Ｃｘに沿ったベクトルＶＣ＋は［０００１］軸の方向に向いており、ベクトルＶＣ−は［０００−１］軸の方向に向いている。基板１３の主面１３ａは、この基準軸Ｃｘに直交する面（すなわちｃ面）から該第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角αで傾斜している。傾斜角αは、基板１３の主面１３ａの法線ベクトルＶＮと基準軸Ｃｘとの成す角度によって規定され、この角度αは、本実施形態では、ベクトルＶＣ＋とベクトルＶＮとの成す角に等しい。
【００４８】
ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、主面１３ａ上に設けられている。ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、一又は複数の第１導電型ＧａＮ系半導体層を含むことができる。本実施形態では、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、Ａｘ軸の方向（Ｚ方向）に配列されたｎ型クラッド層４１及び光ガイド層４３ａを含んでいる。ｎ型クラッド層４１は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＡｌＧａＮからなることができ、また光ガイド層４３ａは、例えばアンドープＩｎＧａＮからなることができる。ｎ型クラッド層４１及び光ガイド層４３ａが基板１３の主面１３ａ上にエピタキシャル成長されるので、ｎ型クラッド層４１及び光ガイド層４３ａの結晶軸は、基板１３の結晶軸を引き継いでいる。それ故に、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５の主面１５ａも、基準軸Ｃｘに直交する面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜している。
【００４９】
ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５上には、活性層１７が設けられている。活性層１７は、インジウムを含む第２のＧａＮ系半導体からなる。好適には、第２のＧａＮ系半導体はＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）である。活性層１７の膜厚方向は、基準軸Ｃｘに対して傾斜している。
【００５０】
活性層１７はＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５上に設けられているので、活性層１７の結晶軸は、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５を介して基板１３の結晶軸を引き継いでいる。それ故に、活性層１７の主面も、基準軸Ｃｘに直交する面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜している。
【００５１】
活性層１７は、４００ｎｍ以上である発光波長を生成するように設けられることが好ましい。また、活性層１７は、６５０ｎｍ以下である発光波長を生成するように設けられることが好ましい。６５０ｎｍ以上の発光波長を発生する活性層では、インジウム組成が大きいので、所望の結晶品質が得られにくい。より好ましくは、活性層１７は、４４０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられているとよい。また、更に好ましくは、活性層１７は、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を生成するように設けられているとよい。活性層１７の主面が有する６３度以上８０度未満の傾斜角は、このような発光波長の範囲において特に有効である。
【００５２】
活性層１７は、量子井戸構造３１を有することができ、この量子井戸構造３１は、所定の軸Ａｘの方向に交互に配置された井戸層３３及び障壁層３５を含む。井戸層３３及び障壁層３５は、インジウムを含む第２のＧａＮ系半導体、例えばＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなる。障壁層３５のバンドギャップは、井戸層３３のバンドギャップより大きい。井戸層３３の厚さの範囲は、例えば０．５ｎｍ〜１０ｎｍであることができる。井戸層３３のＩｎ組成の範囲は、例えば０．０１〜０．５０であることができる。
【００５３】
ＧａＮ系半導体発光素子１１ｂは、活性層１７上に設けられたＧａＮ系半導体領域２１を備える。ＧａＮ系半導体領域２１は、一又は複数のＧａＮ系半導体層を含む。本実施形態のＧａＮ系半導体領域２１は、Ｚ方向に配列された光ガイド層４３ｂ、電子ブロック層４５、クラッド層４７及びコンタクト層４９を含む。
【００５４】
光ガイド層４３ｂは、例えばアンドープＩｎＧａＮからなることができる。電子ブロック層４５は、第３のＧａＮ系半導体からなる。この第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップは、活性層１７の第２のＧａＮ系半導体のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。好適には、第３のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）であり、更に好適には、第３のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）である。この第３のＧａＮ系半導体の格子定数は、基板１３の第１のＧａＮ系半導体の格子定数以下であることが好ましい。クラッド層４７は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＧａＮ、またはｐ型ＩｎＡｌＧａＮからなることができる。
【００５５】
コンタクト層４９は、第４のＧａＮ系半導体からなる。この第４のＧａＮ系半導体のバンドギャップは、第３のＧａＮ系半導体のバンドギャップ以下であることが好ましい。好適には、第４のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ４Ａｌｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１）であり、更に好適には、第４のＧａＮ系半導体はｐ型Ｉｎｘ４Ａｌｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ｎ（０≦ｘ４＜１、０＜ｙ４＜１）である。
【００５６】
電子ブロック層４５、クラッド層４７及びコンタクト層４９は活性層１７上に設けられているので、電子ブロック層４５、クラッド層４７及びコンタクト層４９の結晶軸は、活性層１７及びＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５を介して基板１３の結晶軸を引き継いでいる。それ故に、電子ブロック層４５、クラッド層４７及びコンタクト層４９の主面も、基準軸Ｃｘに直交する面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜している。
【００５７】
ＧａＮ系半導体発光素子１１ｂは、コンタクト層４９上に設けられた第１の電極５１（例えば、アノード）を含むことができ、第１の電極５１は、コンタクト層４９を覆う絶縁膜５０のストライプ窓を介してコンタクト層４９に接続される。第１の電極５１としては、例えばＮｉ／Ａｕを用いられる。ＧａＮ系半導体発光素子１１ｂは、基板１３の裏面１３ｂ上に設けられた第２の電極５２（例えば、カソード）を含むことができ、第２の電極５２は、例えばＴｉ／Ａｌから成る。
【００５８】
活性層１７は、電極５１、５２の両端に印加された外部電圧に応答して光Ｌ２を生成し、本実施形態ではＧａＮ系半導体発光素子１１ｂは端面発光素子を含む。この活性層１７において、ピエゾ電界のＺ成分（所定の軸Ａｘの方向に関する成分）は、ｐ型ＧａＮ系半導体層４５、４７及び４９からｎ型クラッド層４１へ向かう方向と逆向きである。このＧａＮ系半導体発光素子１１ｂによれば、ピエゾ電界のＺ成分が、電極５１、５２の両端に印加された外部電圧による電界の方向と逆向きであるので、発光波長のシフトが低減される。
【００５９】
ここで、図１に示したＧａＮ系半導体光素子１１ａを作製する方法について説明する。図３は、ＧａＮ系半導体光素子１１ａを作製する方法を示すフローチャートである。図３に示される各工程に従って、有機金属気相成長法により、ＧａＮ系半導体光素子１１ａを作製する。なお、エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。
【００６０】
まず、工程Ｓ１０１として、第１のＧａＮ系半導体からなるウエハを準備する。このウエハの主面は、ＧａＮ系半導体における［０００１］軸又は［０００−１］軸である基準軸に直交する面、すなわちｃ面に対し６３度以上８０度未満の範囲内で傾斜角を有する。また、ウエハの第１のＧａＮ系半導体の転位密度は、１×１０７ｍ−２以下である。このウエハは、上記実施形態における基板１３に相当する。
【００６１】
次に、工程Ｓ１０１で用意されたウエハを成長炉内に設置し（工程Ｓ１０２）、ウエハの主面のサーマルクリーニングのための熱処理を行った後（工程Ｓ１０３）、該ウエハの主面上に、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５を成長させる（工程Ｓ１０４）。例えば、摂氏１０００度においてＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を成長炉に供給し、ＳｉドープＧａＮ層を成長させる。このＳｉドープＧａＮ層の厚さは、例えば２μｍである。
【００６２】
続いて、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５上に活性層１７を成長させる（工程Ｓ１０５）。まず、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５上に、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなる障壁層３５を成長させる（工程Ｓ１０６）。例えば、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＮＨ３を成長炉に供給し、アンドープＩｎＡｌＧａＮからなる障壁層３５を成長させる。この障壁層３５の厚さは、例えば１５ｎｍである。次に、障壁層３５よりバンドギャップが小さいＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなる井戸層３３を障壁層３５上に成長させる（工程Ｓ１０７）。例えば、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びＮＨ３を成長炉に供給し、アンドープＩｎＡｌＧａＮからなる井戸層３３を成長させる（工程Ｓ１０７）。この井戸層３３の厚さは、例えば３ｎｍである。なお、所望の発光波長に応じて、アンドープＩｎＡｌＧａＮ井戸層３３のＩｎ組成及びＡｌ組成が変更される。以降、障壁層３５及び井戸層３３の成長を交互に繰り返すことによって、多重量子井戸構造３１が形成される（工程Ｓ１０８）。
【００６３】
続いて、活性層１７上に、ＧａＮ系半導体領域２１を成長させる。まず、ｐ型Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）からなる電子ブロック層２７を活性層１７上に成長させる（工程Ｓ１０９）。例えば、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３及びＣｐ２Ｍｇを成長炉に供給し、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層２７を成長させる。この電子ブロック層２７の厚さは、例えば２０ｎｍである。電子ブロック層２７のバンドギャップは、活性層１７のバンドギャップより大きいことが好ましい。また、電子ブロック層２７の格子定数は、基板１３の格子定数以下であることが好ましい。次に、ｐ型Ｉｎｘ４Ａｌｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１）からなるコンタクト層２９を電子ブロック層２７上に成長させる（工程Ｓ１１０）。例えば、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＣｐ２Ｍｇを成長炉に供給し、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２９を成長させる。このコンタクト層２９の厚さは、例えば５０ｎｍである。コンタクト層２９のバンドギャップは、電子ブロック層２７のバンドギャップ以下であることが好ましい。
【００６４】
続いて、以上の工程により作製されたエピタキシャルウエハ上に、電極を形成する（工程Ｓ１１１）。まず、コンタクト層２９上に透明電極（Ｎｉ／Ａｕ）３７を形成する。その後、透明電極３７上にパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成する。また、ウエハの裏面に、電極（Ｔｉ／Ａｌ）３９を形成する。これらの電極３７及び３９に対し、熱処理（アニール）を行う。以上の工程により、上記実施形態に係るＧａＮ系半導体光素子１１ａが得られる。
【００６５】
以上に説明したＧａＮ系半導体光素子１１ａ及び１１ｂ、並びにＧａＮ系半導体光素子１１ａの製造方法による作用及び効果について説明する。
【００６６】
上述したＧａＮ系半導体発光素子１１ａ及び１１ｂ、並びにＧａＮ系半導体発光素子１１ａの製造方法では、第１のＧａＮ系半導体からなる基板１３（又はウエハ）を用いている。この基板１３の主面１３ａは、第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸又は［０００−１］軸に直交する面（すなわちｃ面）からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角αで傾斜している。このような半極性の主面１３ａ上に活性層１７が設けられることによって、活性層１７に非等方的な歪みが導入される。
【００６７】
これにより、図４に示すように、オージェ過程を共鳴的に引き起こす準位Ｅ３をエネルギー的に移動させ、伝導帯の底とのエネルギー差Δを変化させることができる。従って、当該ＧａＮ系半導体のエネルギー準位差Ｅｇではオージェ過程が起こらず、青色から緑色帯発光するＩｎを含むＧａＮ系半導体が取り得るバンドギャップの範囲でのオージェ過程の発生を回避できる。すなわち、Ｉｎを含む活性層１７を備えるＧａＮ系半導体発光素子１１ａ及び１１ｂにおいて、オージェ過程に起因するドループ現象を抑制し、注入電流が大きい場合における量子効率の低下を軽減することができる。
【００６８】
また、井戸層３３及び障壁層３５の組成を調整することによって、井戸層３３に加わる非等方的歪みの大きさを制御することが可能である。通常、井戸層３３には圧縮歪みが生じるが、このような組成の選択によって、井戸層３３に引張歪みを生じさせることも可能である。これにより、伝導帯のバンド構造を変化させ、図４及び図１４（ｂ）に示したエネルギー差Δを、例えば、Δ＝２．５±１ｅＶといった範囲で任意の値に制御することができる。したがって、例えば４４０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長範囲でドループ現象を効果的に抑制することが可能となる。
【００６９】
また、ＧａＮ系半導体発光素子１１ａ及び１１ｂ、並びにＧａＮ系半導体発光素子１１ａの製造方法においては、基板１３の主面１３ａが、第１のＧａＮ系半導体のｃ面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角αで傾斜している。ここで、図５は、主面の傾斜角αと活性層１７内部のピエゾ電界強度との関係を示すグラフである。図５に示すように、ｃ面から６３度以上８０度未満の範囲Ｒに含まれる傾斜角αで傾斜した主面１３ａ上に設けられた活性層１７におけるピエゾ電界は、ｃ面（すなわち傾斜角α＝０）上の活性層におけるピエゾ電界に比べて小さく、負の値となっている。すなわち、本実施形態の活性層１７におけるピエゾ電界の向きは、電流注入の際の電界の向きとは逆になる。従って、図１６（ａ）に示したバンド曲がりＢ１，Ｂ２の向きも逆となるので、比較的大きな電流を注入した場合であっても、正孔の局在や活性層１７への正孔の移動の阻害が生じにくく、量子効率の低下を軽減することができる。
【００７０】
また、ＧａＮ系半導体発光素子１１ａ及び１１ｂ、並びにＧａＮ系半導体発光素子１１ａの製造方法においては、基板１３の第１のＧａＮ系半導体の転位密度が１×１０７ｃｍ−２以下である。そして、このように転位密度が小さい高品質なＧａＮ系半導体基板１３上に、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５、活性層１７、電子ブロック層２７、及びコンタクト層２９が設けられている。従って、ＧａＮ系半導体発光素子１１ａにおける転位密度を低く抑え、注入電流が比較的大きい場合であってもキャリアが転位に捕まることを抑制し、量子効率の低下を軽減することができる。
【００７１】
このように、上記実施形態に係るＧａＮ系半導体発光素子１１ａ及び１１ｂ、並びにＧａＮ系半導体発光素子１１ａの製造方法によれば、（１）オージェ過程、（２）電子ブロック層の存在によるホール枯渇、及び（３）ＧａＮ系発光素子に特有の転位密度の高さといった従来のＧａＮ系半導体発光素子における課題を解決し、注入電流が大きい場合における量子効率の低下を効果的に軽減することができる。
【００７２】
また、本実施形態のように、活性層１７の第２のＧａＮ系半導体は、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）であることが好ましい。ここで、図６は、ＧａＮ系半導体の格子定数と、バンド端エネルギーとの関係を示すグラフである。図６から明らかなように、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）からなる活性層１７の格子定数は、Ｉｎの組成ｘ２及びＡｌの組成ｙ２を適宜変更することによって、或る範囲内で自由に選択可能である。したがって、活性層１７に生じる非等方歪みの大きさを好適に制御できるので、図４に示したエネルギー準位Ｅ３と伝導帯の底とのエネルギー差Δを効果的に変更できる。
【００７３】
また、本実施形態のＧａＮ系半導体発光素子１１ａのように、ＧａＮ系半導体発光素子は発光ダイオードであってもよい。この場合、発光ダイオードの平面形状のチップサイズは、５００μｍ角の正方形よりも小さいことが好ましい。本実施形態によるＧａＮ系半導体発光素子１１ａ及びその製造方法によれば、ドループ現象による量子効率の低下が効果的に軽減されるので、電流密度を上げても高効率発光が可能であり、ひいてはチップサイズの小型化が可能になる。
【００７４】
（実施例１）
転位密度が１×１０７ｃｍ−２以下であり、且つ基板主面がｃ面からｍ軸の方向に７５度傾斜したＧａＮ基板を使用し、以下の工程を経て、図７に示す断面構造を有するＧａＮ系半導体発光素子１１ｃを作製した。なお、以下の工程において、原料にはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、及びＣｐ２Ｍｇを使用した。
【００７５】
まず、ＧａＮ基板５３を１０５０℃、ＮＨ３及びＨ２雰囲気で１０分間熱処理した後、その主面５３ａ上に、１０００℃でｎ型ＧａＮバッファ層５４を２μｍ成長させた。その後、基板温度を８７０度に下げてアンドープＧａＮ障壁層５５を成長させ、基板温度を７８０℃に下げてアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層５６を成長させた。そして、これらの工程を繰り返すことにより、３周期の多重量子井戸構造を有する活性層５７を形成した。次に、基板温度を１０００℃まで上げて、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる電子ブロック層５８を活性層５７上に２０ｎｍ成長させた。最後に、ｐ型ＧａＮコンタクト層５９を電子ブロック層５８上に成長させ、降温した後、反応炉から当該エピタキシャルウエハを取り出した。
【００７６】
その後、Ｎｉ／Ａｕ電極６０をｐ型ＧａＮコンタクト層５９上に蒸着し、Ｔｉ／Ａｌ電極６１を基板５３の裏面５３ｂ上に蒸着した。そして、エピタキシャルウエハを分割してチップ化することにより、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｃを作製した。なお、厚さ方向から見た素子の形状は、一辺４００μｍの正方形であった。
【００７７】
一方、このＧａＮ系半導体発光素子１１ｃの効果と比較するために、ｃ面を主面とするサファイア基板を使用し、以下の工程を経て、図８に示す断面構造を有するＧａＮ系半導体発光素子１１ｄを作製した。
【００７８】
まず、サファイア基板７３の主面７３ａ上に、４７５℃で低温バッファ層７４を５０ｎｍ成長させ、その上に、１０５０℃でｎ型ＧａＮバッファ層７５を５μｍ成長させた。その後、基板温度を８７０度に下げてアンドープＧａＮ障壁層７６を成長させ、基板温度を７８０℃に下げてアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層７７を成長させた。そして、これらの工程を繰り返すことにより、３周期の多重量子井戸構造を有する活性層７８を形成した。次に、基板温度を１０００℃まで上げて、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる電子ブロック層７９を活性層７８上に２０ｎｍ成長させた。最後に、ｐ型ＧａＮコンタクト層８０を電子ブロック層７９上に成長させ、降温した後、反応炉から当該エピタキシャルウエハを取り出した。
【００７９】
その後、ｎ型ＧａＮバッファ層７５が一部露出するようにエッチングを施したのち、Ｎｉ／Ａｕ電極８１をｐ型ＧａＮコンタクト層８０上に蒸着し、Ｔｉ／Ａｌ電極８２をｎ型ＧａＮバッファ層７５の露出面上に蒸着した。そして、エピタキシャルウエハを分割してチップ化することにより、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｄを作製した。なお、比較の正確を期すため、取り出し効率がＧａＮ系半導体発光素子１１ｃと同等となるようにプロセスを工夫した。また、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ及び１１ｄ共に発光波長は４６０ｎｍであった。
【００８０】
こうして作製したＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ及び１１ｄに電流を注入したときの、外部量子効率の電流密度依存性を調べた。その結果を図９に示す。図９（ａ）は電流密度（横軸）を０〜３００Ａ／ｃｍ２としており、図９（ｂ）は電流密度（横軸）を０〜１２００Ａ／ｃｍ２としている。また、図９（ａ）及び図９（ｂ）において、グラフＧ１１はＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ（低転位半極性ＧａＮ基板を使用）の特性を示しており、グラフＧ１２はＧａＮ系半導体発光素子１１ｄ（ｃ面サファイア基板を使用）の特性を示している。
【００８１】
図９を参照すると、電流を１Ａ／ｃｍ２注入した時にはＧａＮ系半導体発光素子１１ｄ（ｃ面サファイア基板）のほうがＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ（低転位半極性ＧａＮ基板）より外部量子効率が高いが、３０Ａ／ｃｍ２程度注入した時点で両者の関係が逆転し、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ（低転位半極性ＧａＮ基板）のほうがＧａＮ系半導体発光素子１１ｄ（ｃ面サファイア基板）より外部量子効率が高くなる。その後、電流注入量が増すほど、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ及び１１ｄの外部量子効率の差が拡大する。例えば、１Ａ／ｃｍ２注入時点から１ｋＡ／ｃｍ２注入時点までの外部量子効率の変化を比較すると、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｄ（ｃ面サファイア基板）では半分ないし１／３程度に外部量子効率が低下している。これに対し、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ（低転位半極性ＧａＮ基板）では、２／３ないし半分程度にしか外部量子効率が低下していない。このことから、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｃでは、ドループ現象が効果的に抑制されていることがわかる。なお、低注入域において、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｄのほうがＧａＮ系半導体発光素子１１ｃより外部量子効率が高いのは、Ｉｎ組成揺らぎが大きく、局在効果が寄与するためと考えられる。
【００８２】
（実施例２）
実施例１において作製したＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ及び１１ｄの井戸層５６（図７）及び井戸層７７（図８）の組成を変更したものを作製した。一つは、井戸層５６及び７７の成長温度を７６０度とし、井戸層５６，７７の組成をＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎとしたものである（以下、実施例Ａとする）。この実施例Ａの発光波長は共に４８０ｎｍであった。また、他の一つは、井戸層５６及び７７の成長温度を７４０度とし、井戸層５６，７７の組成をＩｎ０．２２Ｇａ０．７８Ｎとしたものである（以下、実施例Ｂとする）。この実施例Ｂの発光波長は共に５００ｎｍであった。また、更に他の一つは、井戸層５６及び７７の成長温度を７２０度とし、井戸層５６，７７の組成をＩｎ０．２８Ｇａ０．７２Ｎとしたものである（以下、実施例Ｃとする）。この実施例Ｃの発光波長は共に５２０ｎｍであった。
【００８３】
図１０〜図１２は、これらのＧａＮ系半導体発光素子に電流を注入したときの、外部量子効率の電流密度依存性を示すグラフである。図１０は実施例Ａに対応しており、図１１は実施例Ｂに対応しており、図１２は実施例Ｃに対応している。これらの図において、（ａ）は電流密度（横軸）を０〜３００Ａ／ｃｍ２としており、（ｂ）は電流密度（横軸）を０〜１２００Ａ／ｃｍ２としている。また、図１０〜図１２において、グラフＧ１１はＧａＮ系半導体発光素子１１ｃ（低転位半極性ＧａＮ基板を使用）の特性を示しており、グラフＧ１２はＧａＮ系半導体発光素子１１ｄ（ｃ面サファイア基板を使用）の特性を示している。
【００８４】
図１０〜図１２を参照すると、井戸層のＩｎ組成を変化させた場合においても、第１実施例で述べた傾向が顕著に現れていることがわかる。すなわち、ＧａＮ系半導体発光素子１１ｃでは、ドループ現象が効果的に抑制されている。
【符号の説明】
【００８５】
１１ａ〜１１ｄ…ＧａＮ系半導体光素子、１３…基板、１３ａ…主面、１５…ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域、１７…活性層、２１…ＧａＮ系半導体領域、２３…ｐ型ＧａＮ半導体層、２７，４５…電子ブロック層、２９…コンタクト層、３１…多重量子井戸構造、３３…井戸層、３５…障壁層、３７，３９，５１，５２…電極、４１…ｎ型クラッド層、４３ａ，４３ｂ…光ガイド層、４５…ｐ型ＧａＮ系半導体層、４７…クラッド層、４９…コンタクト層、５０…絶縁膜、Ｃａｒｒ…キャリア、Ｄ…転位、ｅ１，ｅ２…電子、ｈｏｌｅ…正孔、α…傾斜角。
【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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【図１８】
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