(57)【要約】【課題】井戸層へのキャリアの注入効率が向上された窒化物系半導体発光素子を提供すること。【解決手段】六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる基板５と、基板５の主面Ｓ１に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域７と、このｎ型窒化ガリウム系半導体領域７上に設けられた単一量子井戸構造の発光層１１と、発光層１１上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９とを備える。発光層１１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９との間に設けられており、発光層１１は、井戸層１５とバリア層１３及びバリア層１７とを含み、井戸層１５は、ＩｎＧａＮであり、主面Ｓ１は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系半導体発光素子であって、
六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる基板と、
前記基板の主面に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた単一量子井戸構造の発光層と、
前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域と
を備え、
前記発光層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられており、
前記発光層は、井戸層及び障壁層を含み、
前記井戸層は、ＩｎＧａＮであり、
前記主面は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びている、
ことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域から前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域に向かう方向と一致する、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記障壁層のバンドギャップエネルギーと前記井戸層のバンドギャップエネルギーとの差は０．７ｅＶ以上である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層は、４５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内にあるピーク波長の光を発光する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
ＩｎＧａＮ層を更に備え、
前記ＩｎＧａＮ層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記発光層との間に設けられ、
前記ＩｎＧａＮ層の前記基板側の第１の界面に直交し前記ｃ軸を含む面と前記第１の界面とが共有する第１の軸の方向に沿った前記ＩｎＧａＮ層の格子定数は、前記主面に直交し前記ｃ軸を含む面と前記主面とが共有する第２の軸の方向に沿った前記基板の格子定数よりも大きく、前記第１の軸と前記ｃ軸とに直交する第３の軸の方向に沿った前記ＩｎＧａＮ層の格子定数は、前記第２の軸と前記ｃ軸とに直交する第４の軸の方向に沿った前記基板の格子定数に等しい、ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記ＩｎＧａＮ層は前記第１の界面に生じたミスフィット転位を含み、当該ミスフィット転位は前記第３の軸の方向に延びており、当該ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲内にある、ことを特徴とする請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域はｎ型のＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
前記ＩｎＡｌＧａＮ層の前記基板側の第２の界面に直交し前記ｃ軸を含む面と前記第２の界面とが共有する第５の軸の方向に沿った前記ＩｎＡｌＧａＮ層の格子定数は、前記第２の軸の方向に沿った前記基板の格子定数よりも大きく、前記第５の軸と前記ｃ軸とに直交する第６の軸の方向に沿った前記ＩｎＡｌＧａＮ層の格子定数は、前記第４の軸の方向に沿った前記基板の格子定数に等しい、ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
前記ＩｎＡｌＧａＮ層は前記第２の界面に生じたミスフィット転位を含み、当該ミスフィット転位は前記第６の軸の方向に延びており、当該ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲内にある、ことを特徴とする請求項７に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２及び非特許文献１には、二つの窒化物半導体層と、この二つの窒化物半導体層の間に設けられＩｎＧａＮの単一量子井戸構造を有する活性層とがＧａＮ基板上に設けられた窒化物系半導体発光素子が開示されている。特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子は、ｎ型の窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、ｐ型の窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層と、このｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられ少なくともＩｎを含む窒化物半導体よりなる活性層とを有し、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とはいずれも活性層より小さい熱膨張係数を有し、活性層は単一量子井戸構造（または多重量子井戸構造）を有し、活性層を構成する窒化物半導体の本来のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光を発光する。特許文献２に記載のＬＥＤは、ＧａＮ基板の｛１１−２２｝面上にＩｎＧａＮの単一量子井戸構造を有する。特許文献３に記載の窒化物半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＮからなる層を含む窒化物半導体層と、この窒化物半導体層上に形成されたＩｎＧａＮからなる層を含む活性層とを備え、活性層が単一量子井戸構造（または多重量子井戸構造）を有し、窒化物半導体層の成長面がＧａＮ基板のｃ面から傾いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３１６５２８号公報
【特許文献２】特開２００９−７１１２７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】”Japanese Journal of Applied Physics”, Vol. 45, No. 26, 2006, pp.L659-L662
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の窒化物半導体発光素子における発光波長の長波長化は、ＧａＮ基板上に設けられたＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比を増加させることによって実現されるが、このＩｎ組成比の増加によってＩｎＧａＮ井戸層の歪みも増大する。そして、このＩｎＧａＮ井戸層の歪みによって生じるピエゾ電界によって、ＩｎＧａＮ井戸層へのキャリアの注入効率が影響を受ける。そこで本発明の目的は、井戸層へのキャリアの注入効率が向上された窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、窒化物系半導体発光素子であって、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる基板と、前記基板の主面に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた単一量子井戸構造の発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域とを備え、前記発光層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられており、前記発光層は、井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層は、ＩｎＧａＮであり、前記主面は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びている、ことを特徴とする。更に、本発明の窒化物系半導体発光素子は、前記井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域から前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域に向かう方向と一致するのが好ましい。
【０００７】
従って、基板の主面が、基板の六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びているので、主面がｃ軸に直交する場合に比較して井戸層に生じるピエゾ分極を低減できる。また、この傾斜角の範囲はＩｎ取り込みに優れるため、可視域で発光波長が長い発光素子に有利である。そして、井戸層に生じるピエゾ分極が小さいと、井戸からキャリア（特に電子）が抜け出にくい方向に発光層の井戸構造が歪み、井戸が多いほど井戸へのキャリア（特に電子）の注入効率が低下するが、発光層の井戸構造が単一量子井戸構造なので、井戸層へのキャリア（特に電子）の注入効率が多重量子井戸構造の場合に比較して向上される。
【０００８】
本発明の窒化物系半導体発光素子は、前記障壁層のバンドギャップエネルギーと前記井戸層のバンドギャップエネルギーとの差は０．７ｅＶ以上であるのが好ましく、前記発光層は、４５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内にあるピーク波長の光を発光するのが好ましい。前記障壁層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる。多重量子井戸構造と比較した場合の発光層における電子のキャリア（特に電子）の注入効率の向上は、井戸層のバンドギャップエネルギーとバリア層のバンドギャップエネルギーとの差が０．７ｅＶ以上であり、バンドギャップエネルギーの差が比較的大きいので、より顕著となる。また、多重量子井戸構造と比較した場合の発光層における電子のキャリア（特に電子）の注入効率の向上は、発光層が発する光のピーク波長が４５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にあるとき、井戸層のバンドギャップエネルギーとバリア層のバンドギャップエネルギーとの差が比較的大きくなり、より顕著となる。
【０００９】
本発明の窒化物系半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ層を更に備え、前記ＩｎＧａＮ層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記発光層との間に設けられ、前記ＩｎＧａＮ層の前記基板側の第１の界面に直交し前記ｃ軸を含む面と前記第１の界面とが共有する第１の軸の方向に沿った前記ＩｎＧａＮ層の格子定数は、前記主面に直交し前記ｃ軸を含む面と前記主面とが共有する第２の軸の方向に沿った前記基板の格子定数よりも大きく、前記第１の軸と前記ｃ軸とに直交する第３の軸の方向に沿った前記ＩｎＧａＮ層の格子定数は、前記第２の軸と前記ｃ軸とに直交する第４の軸の方向に沿った前記基板の格子定数に等しいのが好ましい。従って、発光層が、主面上に設けられたＩｎＧａＮ層を第１の軸に沿った方向（オフと平行方向）にのみ格子緩和させた上でＩｎＧａＮ層上において設けられているので、発光層の井戸層の歪みが緩和され、更に、ピエゾ分極を低減できる。また、発光層が単一量子井戸構造の場合、多重量子井戸構造と比較して井戸層にかかる歪みが大きくなる傾向にあるが、ＩｎＧａＮ層が第１の軸に沿った方向（オフと平行方向）にのみ格子緩和し発光層の井戸層の歪みが緩和されているので、単一量子井戸構造においても井戸層で格子不整合に起因する欠陥発生を低減することができる。
【００１０】
更に、本発明に係る窒化物系半導体発光素子において、前記ＩｎＧａＮ層は前記第１の界面に生じたミスフィット転位を含み、当該ミスフィット転位は前記第３の軸の方向に延びており、当該ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲内にあるのが好ましい。この範囲内であれば、ＩｎＧａＮ層とＩｎＧａＮ層上に設けられた層の歪みを効果的に緩和できる。ミスフィット転位は発光層から離れた第１の界面に存在するので、このミスフィット転位が窒化物系半導体発光素子の特性に及ぼす影響は比較的小さい。
【００１１】
本発明の窒化物系半導体発光素子では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域はｎ型のＩｎＡｌＧａＮ層を含み、前記ＩｎＡｌＧａＮ層の前記基板側の第２の界面に直交し前記ｃ軸を含む面と前記第２の界面とが共有する第５の軸の方向に沿った前記ＩｎＡｌＧａＮ層の格子定数は、前記第２の軸の方向に沿った前記基板の格子定数よりも大きく、前記第５の軸と前記ｃ軸とに直交する第６の軸の方向に沿った前記ＩｎＡｌＧａＮ層の格子定数は、前記第４の軸の方向に沿った前記基板の格子定数に等しいのが好ましい。従って、発光層が、主面上に設けられたＩｎＡｌＧａＮ層を第５の軸に沿った方向（オフと平行方向）にのみ格子緩和させた上でＩｎＡｌＧａＮ層上において設けられているので、発光層の井戸層の歪みが緩和され、更に、ピエゾ分極を低減できる。また、発光層が単一量子井戸構造の場合、多重量子井戸構造と比較して井戸層にかかる歪みが大きくなる傾向にあるが、ＩｎＡｌＧａＮ層が第５の軸に沿った方向（オフと平行方向）にのみ格子緩和し発光層の井戸層の歪みが緩和されているので、単一量子井戸構造においても井戸層で格子不整合に起因する欠陥発生を低減することができる。
【００１２】
更に、本発明に係る窒化物系半導体発光素子において、前記ＩｎＡｌＧａＮ層は前記第２の界面に生じたミスフィット転位を含み、当該ミスフィット転位は前記第６の軸の方向に延びており、当該ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲内にあるのが好ましい。この範囲内であれば、ＩｎＡｌＧａＮ層とＩｎＡｌＧａＮ層上に設けられた層の歪みを効果的に緩和できる。ミスフィット転位は発光層から離れた第２の界面に存在するので、このミスフィット転位が窒化物系半導体発光素子の特性に及ぼす影響は比較的小さい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、井戸層へのキャリアの注入効率が向上された窒化物系半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るＬＥＤの構成を説明するための図である。
【図２】実施形態に係るＬＥＤの効果を説明するための図である。
【図３】実施形態に係るＬＤの構成を説明するための図である。
【図４】ピエゾ分極に応じた井戸構造を説明するための図である。
【図５】ＰＬ特性の温度依存性のグラフを示す図である。
【図６】ＥＬ特性の温度依存性のグラフを示す図である。
【図７】ＰＬ波長の印加電圧依存性のグラフを示す図である。
【図８】ＰＬ強度の印加電圧依存性のグラフを示す図である。
【図９】図７及び図８のグラフに示す結果を説明するための図である。
【図１０】井戸層におけるピエゾ分極の向きの決定方法を説明するための図である。
【図１１】井戸層におけるピエゾ分極の向きの決定方法を説明するための図である。
【図１２】ＣＬ観察の観察結果を示す図である。
【図１３】ＣＬ観察の観察結果を示す図である。
【図１４】ＣＬ観察の観察結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態に係るＬＥＤ１の構成の概略を示す。ＬＥＤ１は、発光ダイオード（窒化物系半導体発光素子）であり、所定のｚ軸方向に沿って順次設けられたｎ電極２９、基板５、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７、緩衝層９、発光層１１、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９、ｐ電極２５及びパッド電極２７を備える。基板５、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７、緩衝層９、発光層１１及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる。基板５の主面Ｓ１は、ｚ軸に垂直な面（ｘ軸及びｙ軸を含む面）に沿って延びている。主面Ｓ１は、基板５の六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角θで傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びている半極性面である。図１には、一例としてｃ軸がｍ軸方向に傾斜した場合を示してある。
【００１７】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７は、主面Ｓ１に設けられており、主面Ｓ１を介して基板５に接している。緩衝層９は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７と発光層１１との間に設けられており、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７と発光層１１（特にバリア層１３）とに接している。
【００１８】
本発明の一側面では、緩衝層９の基板５側の界面Ｓ３に直交しｃ軸を含む面と界面Ｓ３とが共有する第１の軸の方向（略ｘ軸方向）に沿った緩衝層９の格子定数は、基板５の主面Ｓ１に直交しｃ軸を含む面と主面Ｓ１とが共有する第２の軸の方向（略ｘ軸方向）に沿った基板５の格子定数よりも大きくすることができる。第１の軸とｃ軸とに直交する第３の軸の方向（略ｙ軸方向）に沿った緩衝層９の格子定数は、第２の軸とｃ軸とに直交する第４の軸の方向（略ｙ軸方向）に沿った基板５の格子定数に等しい（ここでの格子定数は、物質固有のものではなく、ＬＥＤ１に設けられた状態の基板５や緩衝層９の有する格子定数である。）。このように、緩衝層９が格子緩和されているので、緩衝層９において歪みが開放され、よって、井戸層１５において生じる歪みが低減される。この場合、緩衝層９は界面Ｓ３に生じたミスフィット転位を含み、当該ミスフィット転位は第３の軸の方向に延びており、当該ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲内にある。
【００１９】
発光層１１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９との間であって、緩衝層９と電子ブロック層２１との間に設けられており、緩衝層９と電子ブロック層２１とに接している。発光層１１は、単一量子井戸構造を有しており、緩衝層９上においてｚ軸方向に沿って順次設けられたバリア層１３、井戸層１５及びバリア層１７を含む。発光層１１は、４５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内にあるピーク波長の光を発光する。
【００２０】
バリア層１３は、緩衝層９と井戸層１５との間に設けられており、緩衝層９と井戸層１５とに接している。井戸層１５は、バリア層１３とバリア層１７との間に設けられており、バリア層１３とバリア層１７とに接している。バリア層１７は、井戸層１５と電子ブロック層２１との間に設けられており、井戸層１５と電子ブロック層２１とに接している。バリア層１３及びバリア層１７のバンドギャップエネルギーと井戸層１５のバンドギャップエネルギーとの差は、０．７ｅＶ以上である。
【００２１】
主面Ｓ１が、基板５の六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びている場合、井戸層１５に生じるピエゾ分極は負となり、この場合のピエゾ分極の向きは、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９からｎ型窒化ガリウム系半導体領域７に向かう方向と一致する。井戸層１５におけるピエゾ分極が負の場合、図４（Ｃ）に示すように、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９側における井戸層１５に対する障壁の高さは、井戸層１５におけるピエゾ分極が正の場合（図４（Ａ）に示す井戸構造）及び井戸層１５におけるピエゾ分極がゼロの場合（図４（Ｂ）に示す井戸構造）に比較して、高い。したがって、このような井戸を複数有する多重量子井戸構造の場合、単一井戸構造を有するＬＥＤ１の場合に比較して、井戸層に対する電子の注入効率は低下する。この効果は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９側における井戸に対する障壁の高さが高い（発光波長が長い）ほど顕著となる。
【００２２】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９は、発光層１１上においてｚ軸方向に沿って順次設けられた電子ブロック層２１及びコンタクト層２３を有する。電子ブロック層２１は、バリア層１７とコンタクト層２３との間に設けられており、バリア層１７とコンタクト層２３とに接している。ｐ電極２５は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１９上（特に、コンタクト層２３の表面）に設けられており、コンタクト層２３に接している。ｐ電極２５には、ｐ電極２５の表面からコンタクト層２３の表面に貫通するコンタクトホールが設けられている。パッド電極２７は、ｐ電極２５上に設けられており、ｐ電極２５に接している。パッド電極２７は、ｐ電極２５のコンタクトホールを介してコンタクト層２３に接している。ｎ電極２９は、主面Ｓ１の反対側にある基板５の表面に設けられており、基板５に接している。
【００２３】
次に、第１の実施形態に係るＬＥＤ１の実施例について説明する。基板５は、半極性の主面Ｓ１を有するＧａＮからなり、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７は、ｎ型ドープされたＧａＮからなる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７の厚みは２μｍ程度である。緩衝層９は、ｎ型ドープされたＩｎＧａＮからなる。緩衝層９のＩｎの組成比は０．０２であり、緩衝層９のＧａの組成比は０．９８である。緩衝層９の厚みは１００ｎｍ程度である。
【００２４】
バリア層１３及びバリア層１７は、何れも、ＧａＮからなり、バリア層１３の厚み及びバリア層１７の厚みは、何れも、１５ｎｍ程度である。井戸層１５は、ＩｎＧａＮからなり、井戸層１５のＩｎの組成比は０．３０であり、井戸層１５のＧａの組成比は０．７０である。井戸層１５の厚みは、３ｎｍ程度である。井戸層１５のバンドギャップエネルギーとバリア層１３及びバリア層１７のバンドギャップエネルギーとの差は１ｅＶ程度である。
【００２５】
電子ブロック層２１は、ｐ型ドープされたＡｌＧａＮからなり、電子ブロック層２１のＡｌの組成比は０．１８であり、電子ブロック層２１のＧａの組成比は０．８２である。電子ブロック層２１の厚みは、２０ｎｍ程度である。コンタクト層２３は、ｐ型ドープされたＧａＮからなり、コンタクト層２３の厚みは５０ｎｍ程度である。ｐ電極２５はＮｉ／Ａｕからなり、パッド電極２７はＴｉ／Ａｕからなり、ｎ電極２９はＴｉ／Ａｌからなる。
【００２６】
次にＬＥＤ１の作製方法を説明する。ｍ軸方向に７５度オフした面に相当する（２０−２１）面を主面Ｓ１とする基板５に５２０ｎｍ帯のＬＥＤ構造を作製した。まず、基板５を摂氏１０５０度程度のＮＨ３及びＨ２の雰囲気中において１０分程度の間保持し、前処理（サーマルクリーニング）を行った後に、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７を摂氏１１００度程度において２μｍ程度だけ成長させた。次に、雰囲気温度を摂氏８４０度程度に下げ、緩衝層９を１００ｎｍ程度だけ成長させ、この後、発光層１１を成長させた。発光層１１のバリア層１３及びバリア層１７は、何れも、摂氏８４０度程度の成長温度で１５ｎｍ程度成長させ、井戸層１５は摂氏７４０度程度の成長温度で３ｎｍ程度だけ成長させた。次に、雰囲気温度を摂氏１０００度程度に上昇させ、電子ブロック層２１を２０ｎｍ程度成長させ、更にこの後に、コンタクト層２３を５０ｎｍ程度成長させた。次に、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極２５、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極２７、及び、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ電極２９の蒸着を行った。
【００２７】
図２は、ＬＥＤ１の動作を説明するための図である。図２（Ａ）の図中符号Ｇ１に示すグラフは、実施例に係るＬＥＤ１の場合の駆動電流に対する発光出力を示し、図中符号Ｇ２に示すグラフは、他のＬＥＤの場合の駆動電流に対する発光出力を示す。上記他のＬＥＤは、発光層の構成が実施例に係るＬＥＤ１と異なっており、三つの井戸を含む多重量子井戸構造を有するものとなっているが、上記他のＬＥＤの他の構成は実施例に係るＬＥＤ１と同様である。グラフＧ１，Ｇ２によれば、単一量子井戸構造を有する実施例に係るＬＥＤ１のほうが、多重量子井戸構造を有する上記他のＬＥＤに比較して、高い発光出力を有することがわかる。また、図２（Ｂ）の図中符号Ｇ３に示すグラフは、実施例に係るＬＥＤ１の場合の駆動電圧に対する駆動電流を示し、図中符号Ｇ４に示すグラフは、上記他のＬＥＤの場合の駆動電圧に対する駆動電流を示す。グラフＧ３，Ｇ４によれば、単一量子井戸構造を有する実施例に係るＬＥＤ１のほうが、多重量子井戸構造を有する上記他のＬＥＤに比較して、駆動電圧が低いことがわかる。
【００２８】
以上説明した構成を有するＬＥＤ１において、基板５の主面Ｓ１が、基板５の六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角θで傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びているので、主面Ｓ１がｃ軸に直交する場合に比較して井戸層１５に生じるピエゾ分極を低減できる。そして、井戸層１５に生じるピエゾ分極が小さいと、井戸からキャリア（特に電子）が抜け出にくい方向に発光層１１の井戸構造が歪み、井戸が多いほど井戸へのキャリア（特に電子）の注入効率が低下するが、発光層１１の井戸構造が単一量子井戸構造なので、井戸層へのキャリア（特に電子）の注入効率が多重量子井戸構造の場合に比較して向上される。多重量子井戸構造と比較した場合の発光層１１におけるキャリア（特に電子）の注入効率の向上は、井戸層１５のバンドギャップエネルギーとバリア層１３及びバリア層１７のバンドギャップエネルギーとの差が０．７ｅＶ以上であり、バンドギャップエネルギーの差が比較的大きいので、より顕著となる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図３に、第２の実施形態に係るＬＤ３１の構成の概略を示す。ＬＤ３１は、レーザダイオード（窒化物系半導体発光素子）であり、所定のｚ軸方向に沿って順次設けられたｎ電極６５、基板３３、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域３５、ガイド層４１、発光層４３、ガイド層５１、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３、絶縁膜６１及びｐ電極６３を備える。基板３３、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域３５、ガイド層４１、発光層４３、ガイド層５１、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる。基板３３の主面Ｓ７は、ｚ軸に垂直な面（ｘ軸及びｙ軸を含む面）に沿って延びている。主面Ｓ７は、基板３３の六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角θで傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びている半極性面である。図３には、一例としてｃ軸がｍ軸方向に傾斜した場合を示してある。
【００３０】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域３５（特に、ｎ型半導体層３７）は、主面Ｓ７に設けられており、主面Ｓ７を介して基板３３に接している。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域３５は、基板３３の主面Ｓ７上においてｚ軸方向に沿って順次設けられたｎ型半導体層３７及びクラッド層３９を含む。ｎ型半導体層３７は、基板３３とクラッド層３９との間に設けられており、基板３３とクラッド層３９とに接している。
【００３１】
クラッド層３９は、ｎ型半導体層３７とガイド層４１との間に設けられており、ｎ型半導体層３７とガイド層４１とに接している。クラッド層３９の格子定数と基板３３の格子定数との関係を、上記した第１の実施形態に係るＬＥＤ１の緩衝層９の格子定数と基板５の格子定数との関係と同様にすることができる。本発明の一側面では、クラッド層３９の基板３３側の界面Ｓ９に直交しｃ軸を含む面と界面Ｓ９とが共有する第５の軸の方向（略ｘ軸方向）に沿ったクラッド層３９の格子定数は、基板３３の主面Ｓ７に直交しｃ軸を含む面と主面Ｓ７とが共有する軸（この軸を、第１の実施形態と同様に第２の軸という）の方向（略ｘ軸方向）に沿った基板３３の格子定数よりも大きくすることができる。第５の軸とｃ軸とに直交する第６の軸の方向（略ｙ軸方向）に沿ったクラッド層３９の格子定数は、第２の軸とｃ軸とに直交する軸（この軸を、第１の実施形態と同様に第４の軸という）の方向（略ｙ軸方向）に沿った基板３３の格子定数に等しい（ここでの格子定数は、物質固有のものではなく、ＬＤ３１に設けられた状態の基板３３やクラッド層３９の有する格子定数である。）。このように、クラッド層３９が格子緩和されているので、クラッド層３９において歪みが開放され、よって、井戸層４７において生じる歪みが低減される。この場合、クラッド層３９は界面Ｓ９に生じたミスフィット転位を含み、当該ミスフィット転位は第６の軸の方向に延びており、当該ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲内にある。
【００３２】
ガイド層４１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域３５（特にクラッド層３９）と発光層４３（特にバリア層４５）との間に設けられており、クラッド層３９と発光層４３とに接している。ガイド層４１の格子定数と基板３３の格子定数との関係は、上記した第１の実施形態に係るＬＥＤ１の緩衝層９の格子定数と基板５の格子定数との関係と同様である。発光層４３は、単一量子井戸構造を有しており、ガイド層４１上においてｚ軸方向に沿って順次設けられたバリア層４５、井戸層４７及びバリア層４９を有する。発光層４３は、４５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内にあるピーク波長の光を発光する。
【００３３】
バリア層４５は、ガイド層４１と井戸層４７との間に設けられており、ガイド層４１と井戸層４７とに接している。井戸層４７は、バリア層４５とバリア層４９との間に設けられており、バリア層４５とバリア層４９とに接している。バリア層４９は、井戸層４７とガイド層５１との間に設けられており、井戸層４７とガイド層５１とに接している。ガイド層５１は、発光層４３（特にバリア層４９）とｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３（特に電子ブロック層５５）との間に設けられており、バリア層４９と電子ブロック層５５とに接している。バリア層４５及びバリア層４９のバンドギャップエネルギーと井戸層４７のバンドギャップエネルギーとの差は、０．７ｅＶ以上である。バリア層４５とガイド層４１、およびバリア層４９とガイド層５１を同じ条件にし、ガイド層とバリア層を一体化しても良い。
【００３４】
主面Ｓ７が、基板３３の六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びている場合、井戸層４７に生じるピエゾ分極は負となり、この場合のピエゾ分極の向きは、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３からｎ型窒化ガリウム系半導体領域３５に向かう方向と一致する。井戸層４７におけるピエゾ分極が負の場合、図４（Ｃ）に示すように、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３側における井戸層４７の井戸に対する障壁の高さは、井戸層４７におけるピエゾ分極が正の場合（図４（Ａ）に示す井戸構造）及び井戸層４７におけるピエゾ分極がゼロの場合（図４（Ｂ）に示す井戸構造）に比較して、高い。したがって、このような井戸を複数有する多重量子井戸構造の場合、単一井戸構造を有するＬＤ３１の場合に比較して、井戸層に対する電子の注入効率は低下する。この効果は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３側における井戸に対する障壁の高さが高い（発光波長が長い）ほど顕著となる。
【００３５】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３は、ガイド層５１上においてｚ軸方向に沿って順次設けられた電子ブロック層５５、クラッド層５７及びコンタクト層５９を有する。電子ブロック層５５は、ガイド層５１とコンタクト層５９との間に設けられており、ガイド層５１とコンタクト層５９とに接している。クラッド層５７は、電子ブロック層５５とコンタクト層５９との間に設けられており、電子ブロック層５５とコンタクト層５９とに接している。
【００３６】
絶縁膜６１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３（特にコンタクト層５９）上に設けられており、コンタクト層５９に接している。絶縁膜６１には、絶縁膜６１の表面からコンタクト層５９の表面に貫通するコンタクトホールが設けられている。ｐ電極６３は、絶縁膜６１上に設けられており、絶縁膜６１に接している。ｐ電極６３は、絶縁膜６１のコンタクトホールを介してコンタクト層５９に接している。ｎ電極６５は、主面Ｓ７の反対側にある基板３３の表面に設けられており、基板３３に接している。
【００３７】
次に、第２の実施形態に係るＬＤ３１の実施例について説明する。基板３３は、半極性の主面Ｓ７を有するＧａＮからなり、ｎ型半導体層３７は、ｎ型ドープされたＧａＮからなる。ｎ型半導体層３７の厚みは、５００ｎｍ程度である。クラッド層３９は、ｎ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる。クラッド層３９のＩｎの組成比は０．０２であり、クラッド層３９のＡｌの組成比は０．０９であり、クラッド層３９のＧａの組成比は０．８９である。クラッド層３９の厚みは、１．５μｍ程度である。
【００３８】
ガイド層４１及びガイド層５１は、何れもＩｎＧａＮからなり、ガイド層４１の厚み及びガイド層５１の厚みは、何れも２００ｎｍ程度である。ガイド層４１及びガイド層５１のＩｎの組成比は何れも０．０３であり、ガイド層４１及びガイド層５１のＧａの組成比は何れも０．９７である。バリア層４５及びバリア層４９は、何れも、ＧａＮからなり、バリア層４５の厚み及びバリア層４９の厚みは、何れも、１５ｎｍ程度である。井戸層４７は、ＩｎＧａＮからなり、井戸層４７の厚みは３ｎｍ程度である。井戸層４７のＩｎの組成比は０．３０であり、井戸層４７のＧａの組成比は０．７０である。井戸層４７のバンドギャップエネルギーとバリア層４５及びバリア層４９のバンドギャップエネルギーとの差は１ｅＶ程度である。
【００３９】
電子ブロック層５５は、ｐ型ドープされたＡｌＧａＮからなる。電子ブロック層５５のＡｌの組成比は０．１２であり、電子ブロック層５５のＧａの組成比は０．８８である。電子ブロック層５５の厚みは２０ｎｍ程度である。クラッド層５７は、ｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる。クラッド層５７のＩｎの組成比は０．０２であり、クラッド層５７のＡｌの組成比は０．０９であり、クラッド層５７のＧａの組成比は０．８９である。クラッド層５７の厚みは４００ｎｍ程度である。
【００４０】
コンタクト層５９は、ｐ型ドープされたＧａＮからなる。コンタクト層５９の厚みは５０ｎｍ程度である。絶縁膜６１は、例えばＳｉＯ２からなる。ｐ電極６３は、Ｎｉ／ＡｕとＮｉ／Ａｕ表面に設けられたＴｉ／Ａｕからなるパッド電極とで構成されている。ｎ電極６５は、Ｔｉ／ＡｌとＴｉ／Ａｌ表面に設けられたＴｉ／Ａｕからなるパッド電極とで構成されている。
【００４１】
次にＬＤ３１の作製方法を説明する。ｍ軸方向に７５度オフした面に相当する（２０−２１）面を主面Ｓ７とする基板３３に５２０ｎｍ帯のＬＤ構造を作製した。まず、基板３３を摂氏１０５０度程度のＮＨ３及びＨ２の雰囲気中において１０分程度の間保持し、前処理（サーマルクリーニング）を行った後に、ｎ型半導体層３７を摂氏１０５０度程度において５００ｎｍ程度だけ成長させた。次に、雰囲気温度を摂氏８４０度程度に下げ、クラッド層３９を１．５μｍ程度だけ成長させた。
【００４２】
次に、ガイド層４１、発光層４３及びガイド層５１を順次成長させた。ガイド層４１及びガイド層５１は、何れも摂氏８４０度程度の成長温度で２００ｎｍ程度だけ成長させ、バリア層４５及びバリア層４９は、何れも摂氏８４０度程度の成長温度で１５ｎｍ程度だけ成長させ、井戸層４７は、摂氏７４０度程度の成長温度で３ｎｍ程度だけ成長させた。次に、雰囲気温度を摂氏１０００度程度に上昇させ、電子ブロック層５５を２０ｎｍ程度だけ成長させた。
【００４３】
更にこの後に、雰囲気温度を再び摂氏８４０度程度に下げて、クラッド層５７を４００ｎｍ程度だけ成長させ、更に、この温度でコンタクト層５９も５０ｎｍ程度だけ成長させた。次に、絶縁膜６１を成膜し、幅１０μｍ程度のストライプ窓をウェットエッチングにより形成した。この後、Ｎｉ／ＡｕおよびＴｉ／Ａｕパッド電極からなるｐ電極６３と、Ｔｉ／ＡｌおよびＴｉ／Ａｕパッド電極からなるｎ電極６５との蒸着を行った。
【００４４】
そして、この後、基板３３とこの基板３３上に成長させたｎ型窒化ガリウム系半導体領域３５、ガイド層４１、発光層４３、ガイド層５１及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域５３とを８００μｍ程度の間隔でへき開し、へき開面にＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層膜を形成し、ゲインガイド型レーザが作製された。
【００４５】
なお、実施例に係るＬＤ３１の比較例として、三つの井戸を含む多重量子井戸構造の発光層を有する他のＬＤ（第１比較例ＬＤという）を作製した。第１比較例ＬＤの他の構成は、このような発光層の構成を除き、実施例に係るＬＤ３１の構成と同様である。第１比較例ＬＤにパルス幅５００ｎｓｅｃ、ｄｕｔｙ０．１％でパルス通電を行った。実施例に係るＬＤ３１の閾値電流は８００ｍＡであったが、第１比較例ＬＤの閾値１１００ｍＡであった。発振波長は、実施例に係るＬＤ３１及び第１比較例ＬＤの何れも５２０ｎｍであった。また、実施例に係るＬＤ３１は、屈折率の高いＩｎＧａＮ井戸層（井戸層４７）が一本しかないので、光閉じ込めは第１比較例ＬＤに比較して若干不利ではあるが、発光効率の向上と単位井戸あたりのキャリア密度の向上とが低閾値化に寄与したものと考えられる。
【００４６】
また、実施例に係るＬＤ３１の他の比較例として、ガイド層をＩｎＧａＮ（Ｉｎの組成比は０．０１であり、Ｇａの組成比は０．９９である）とした単一井戸構造のＬＤ（第２比較例ＬＤという）を作製した。第２比較例ＬＤの他の構成は、このようなガイド層の構成を除き、実施例に係るＬＤ３１と同様である。断面ＴＥＭ観察によれば、実施例に係るＬＤ３１においては、ｎ側にあるガイド層４１とクラッド層３９との界面Ｓ１１に２×１０４ｃｍ−１のミスフィット転位が認められた。井戸層４７にはミスフィット転位は認められなかった。第２比較例ＬＤにおいては、ｎ側にあるガイド層（Ｉｎの組成比が０．０１であり、Ｇａの組成比が０．９９であるＩｎＧａＮからなる）とクラッド層（クラッド層３９と同様の構成）との界面には欠陥は認められなかったが、発光層（発光層４３と同様の構成）において、井戸層（井戸層４７と同様の構成）とバリア層（バリア層４５，４９と同様の構成）との界面からコンタクト層（コンタクト層５９と同様の構成）の表面に貫通する欠陥が１×１０８ｃｍ−２の密度で発生していた。実施例に係るＬＤ３１の場合には、ガイド層４１が歪みを緩和していたために、波長が長くＩｎの組成比の高い井戸層４７においても発光層４３での欠陥発生が抑制されたものと考えられる。また、第２比較例ＬＤに通電したところ、発振しなかった。この理由としては、発光層での欠陥発生による発光効率の低下とガイド層のＩｎの組成比が低いことに起因して光閉じ込め効率が低下したと考えられる。
【００４７】
以上説明した構成を有するＬＤ３１において、基板３３の主面Ｓ７が、基板３３の六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角θで傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びているので、主面Ｓ７がｃ軸に直交する場合に比較して井戸層４７に生じるピエゾ分極を低減できる。そして、井戸層４７に生じるピエゾ分極が小さいと、井戸からキャリア（特に電子）が抜け出にくい方向に発光層４３の井戸構造が歪み、井戸が多いほど井戸へのキャリア（特に電子）の注入効率が低下するが、発光層４３の井戸構造が単一量子井戸構造なので、井戸層へのキャリア（特に電子）の注入効率が多重量子井戸構造の場合に比較して向上される。多重量子井戸構造と比較した場合の発光層４３における電子のキャリア（特に電子）の注入効率の向上は、井戸層４７のバンドギャップエネルギーとバリア層４５及びバリア層４９のバンドギャップエネルギーとの差が０．７ｅＶ以上であり、バンドギャップエネルギーの差が比較的大きいので、より顕著となる。発光層４３が、主面Ｓ７上に設けられたガイド層４１を第１の軸に沿った方向（オフと平行方向）にのみ格子緩和させた上でガイド層４１上においてコヒーレントに設けられているので、発光層４３の井戸層４７の歪みが緩和され、更に、ピエゾ分極を低減できる。加えて、井戸層４７のＩｎ組成が高くバリア層４５及びバリア層４９との格子不整合が大きい状況においても、井戸層での欠陥発生を抑制することができる。ミスフィット転位はガイド層４１の界面Ｓ１１に存在するので、このミスフィット転位がＬＤ３１の特性に及ぼす影響は比較的小さい。
【００４８】
次に、第１の実施形態の実施例に係るＬＥＤ１（実施例に係るＬＥＤ１を、簡単のため、以下では特に、実施例ＬＥＤ、という）の効果について更に述べる。この実施例ＬＥＤは上述のように単一量子井戸構造を有する。実施例ＬＥＤの比較例として、三つの井戸を含む多重量子井戸構造の発光層を有する他のＬＥＤ（第１比較例ＬＥＤという）を作製した。第１比較例ＬＥＤの構成は、多重量子井戸構造の発光層を有している、という点を除いて、実施例ＬＥＤと同様であった。第１比較例ＬＥＤは、実施例ＬＥＤと同様に、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に７５度オフした面上に発光層を含むエピタキシャル層が設けられた構成を有していた。なお、以下において、単一の量子井戸層を有する単一量子井戸構造をＳＱＷといい、三つの量子井戸層を含む多重量子井戸構造を３ＱＷという。
【００４９】
まず、実施例ＬＥＤ（ＳＱＷ）と第１比較例ＬＥＤ（３ＱＷ）のＰＬ特性の温度依存性を評価した。この評価結果を図５に示す。図５の符号Ｇ５に示すグラフは実施例ＬＥＤに対する測定結果を示しており、図５の符号Ｇ６に示すグラフは第１比較例ＬＥＤに対する測定結果を示している。図５に示すＰＬ特性はＡｒＳＨＧレーザ（波長２４４ｎｍ）で励起しており、エピタキシャル層全体でキャリアが励起された。すなわち、発光層に含まれる井戸層の数（ＳＱＷの単一の量子井戸層であるか、又は、３ＱＷの三つの量子井戸層であるか）にかかわらず、励起キャリア密度はほぼ同等と考えられる。温度を低下させると非発光プロセスが抑制されＰＬ強度が向上していることがわかる。例えば温度が１５０Ｋ以下の場合、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤの両者のＰＬ強度はほぼ同等であった。これは、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤの両者の発光層の発光効率が同等であることを意味している。
【００５０】
また、実施例ＬＥＤ（ＳＱＷ）と第１比較例ＬＥＤ（３ＱＷ）のＥＬ特性の温度依存性も評価した。この評価結果を図６に示す。図６の符号Ｇ７に示すグラフは実施例ＬＥＤに対する測定結果を示しており、図６の符号Ｇ８に示すグラフは第１比較例ＬＥＤに対する測定結果を示している。図６に示すＥＬ特性は電流値２ｍＡで測定した測定結果である。図６に示す全温度域（５００Ｋ以下の温度範囲）にわたって実施例ＬＥＤ（ＳＱＷ）のＥＬ強度の方が第１比較例ＬＥＤのＥＬ強度を上回っていた。比較的低温では、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤは、ほぼ同等のＰＬ強度を有していたが、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤのＥＬ強度では差異が見られた。このような実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤのＥＬ強度に差異が見られた、ということは、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤのキャリアの注入効率が異なっている、ことを示唆している。以上により、ＳＱＷの実施例ＬＥＤの方が、３ＱＷの第１比較例ＬＥＤよりも、キャリアの注入が改善されている、ことがわかった。
【００５１】
また、実施例ＬＥＤの比較例として、六方晶系窒化ガリウム系半導体のＧａＮ基板のｃ面上に設けられた３ＱＷの発光層を有する他のＬＥＤ（第２比較例ＬＥＤという）を更に作製した。この第２比較例ＬＥＤの構成は、発光層を含むエピ層が六方晶系窒化ガリウム系半導体のＧａＮ基板のｃ面上に設けれれている、という点を除いて、第１比較例ＬＥＤと同様であった。実施例ＬＥＤ、第１比較例ＬＥＤ及び第２比較例ＬＥＤそれぞれのバイアス印加によるＰＬを、温度１００Ｋにおいて評価し、ピエゾ分極の向きとキャリア注入との関連を測定した。図７には、実施例ＬＥＤ、第１比較例ＬＥＤ及び第２比較例ＬＥＤそれぞれのＰＬ波長の印加電圧依存性の測定結果が示されている。図７の符号Ｇ９に示すグラフは実施例ＬＥＤに対する測定結果を示しており、図７の符号Ｇ１０に示すグラフは第１比較例ＬＥＤに対する測定結果を示しており、図７の符号Ｇ１１に示すグラフは第２比較例ＬＥＤに対する測定結果を示している。
【００５２】
図７に示す測定結果によれば、印加電圧の増加に伴い、第２比較例ＬＥＤの場合にはＰＬ波長がレッドシフトしているのに対し、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤの場合には何れもＰＬ波長がブルーシフトしていることがわかる。このようなＰＬ波長の測定結果は、井戸層のピエゾ分極が、第２比較例ＬＥＤの場合「正」であり、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤの場合「負」である、ことに対応している。
【００５３】
また、図８には、実施例ＬＥＤ、第１比較例ＬＥＤ及び第２比較例ＬＥＤそれぞれのＰＬ強度の印加電圧依存性の測定結果が示されている。図８の符号Ｇ１２に示すグラフは実施例ＬＥＤに対する測定結果を示しており、図８の符号Ｇ１３に示すグラフは第１比較例ＬＥＤに対する測定結果を示しており、図８の符号Ｇ１４に示すグラフは第２比較例ＬＥＤに対する測定結果を示している。図８に示すＰＬ強度の測定結果を見ると、比較的低い印加電圧において、第２比較例ＬＥＤのＰＬ強度の変化は比較的小さいが、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤのＰＬ強度は比較的大きく低下していることがわかる。このようなＰＬ強度と印加電圧との相関は、３ＱＷの第１比較例ＬＥＤよりもＳＱＷの実施例ＬＥＤの方が、特に顕著であった。
【００５４】
図７及び図８に示す測定結果が得られた理由を、図９を参照して以下のように説明する。井戸層内の電子は、印加電圧が小さいほどｎ側へ引っ張られる。第２比較例ＬＥＤのように六方晶系窒化ガリウム系半導体のＧａＮ基板のｃ面上に発光層を含むエピタキシャル層が設けられた構成のＬＥＤは、井戸層のピエゾ分極が「正」となっており、バンドが図９（Ａ）に示すように曲がるので、このバンドに含まれている井戸層Ｑ１にトラップされた電子Ｅ１はｎ側に抜けにくいことがわかる。図９（Ａ）に示す井戸層Ｑ１において、電子Ｅ１に対するｎ側の壁の高さ（井戸層Ｑ１のｎ側の壁の高さは、井戸層Ｑ１内のエネルギー準位Ｖ１に対する相対値Ｖ２である。）は、電子Ｅ１に対するｐ側の壁の高さ（井戸層Ｑ１のｐ側の壁の高さは、井戸層Ｑ１内のエネルギー準位Ｖ１に対する相対値Ｖ３である。）よりも高い。このような理由によって、第２比較例ＬＥＤの場合には、印加電圧が比較的小さい場合でもＰＬ強度が強かった、と考えられる。
【００５５】
これに対し、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤのように六方晶系窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に７５度オフした面上に発光層を含むエピタキシャル層が設けられた構成のＬＥＤでは、井戸層のピエゾ分極が「負」であり、バンドが図９（Ｂ）に示すように曲がるので、このバンドに含まれている井戸層Ｑ２にトラップされた電子Ｅ１はｎ側に抜けやすい。図９（Ｂ）に示す井戸層Ｑ２において、電子Ｅ１に対するｎ側の壁の高さ（井戸層Ｑ２のｎ側の壁の高さは、井戸層Ｑ２内のエネルギー準位Ｖ４に対する相対値Ｖ５である。）は、電子Ｅ１に対するｐ側の壁の高さ（井戸層Ｑ２のｐ側の壁の高さは、井戸層Ｑ２内のエネルギー準位Ｖ４に対する相対値Ｖ６である。）よりも高い。このような理由によって、実施例ＬＥＤ及び第１比較例ＬＥＤの場合は、印加電圧を比較的小さくするとＰＬ強度が減少した、と考えられる。特にＳＱＷの実施例ＬＥＤの場合は、ｎ側に一度抜け出た電子が隣接する次の井戸層で再びトラップされることがないので、ＰＬ強度が極端に低下した、と考えられる。
【００５６】
なお、順バイアスを印加してＥＬ発光させる場合には、電子をｐ側に向けて移動させることになるので、上記したような印加電圧が比較的小さい場合に生じた現象とは異なる下記のような現象が生じる。すなわち、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に７５度オフした面上に発光層を含むエピタキシャル層が設けられた構成のＬＥＤでは、電子がｐ側に抜けにくくなる。従って、第１比較例ＬＥＤにおいては、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に７５度オフした面上に発光層を含むエピタキシャル層が設けられた構成を有しており井戸層が複数存在するので、各井戸層の注入電子密度が不均一になる。よって、ＳＱＷの実施例ＬＥＤのほうが、第１比較例ＬＥＤよりも、発光効率向上や電圧低減に有効となる。
【００５７】
ここで、井戸層におけるピエゾ分極（厳密には自発分極を加えた内部電界）の向きの決定方法を図１０及び図１１を用いて説明する。第１の実施形態の実施例及び比較例に対し、バイアス印加ＰＬを用いて、井戸層におけるピエゾ分極の向きを決定した。バイアス印加ＰＬは、実施例ＬＥＤや第１及び第２比較例ＬＥＤに外部電圧を加えながら、Ｎｉ／Ａｕ電極（ｐ電極２５等）の上から励起光を照射し、ＰＬを検出する測定である。井戸層のピエゾ分極が「正」に強い場合には、順バイアスの印加によって、図１０（Ａ）に示すエネルギーギャップＶ７が、図１０（Ｂ）に示すように、エネルギーギャップＶ７よりも小さい値のエネルギーギャップＶ８（エネルギーギャップＶ７＞エネルギーギャップＶ８）に減少するので、レッドシフトが観測される。従って、順バイアスの印加によってレッドシフトが観測された場合には、井戸層のピエゾ分極は「正」である、と決定できる。また、井戸層のピエゾ分極が「負」に強い場合には、順バイアスの印加によって、図１１（Ａ）に示すエネルギーギャップＶ９が、図１１（Ｂ）に示すように、エネルギーギャップＶ９よりも大きい値のエネルギーギャップＶ１０（エネルギーギャップＶ９＜エネルギーギャップＶ１０）に増加するので、ブルーシフトが観測される。従って、順バイアスの印加によってブルーシフトが観測された場合には、井戸層のピエゾ分極は「負」である、と決定できる。
【００５８】
次に、ＳＱＷの発光層を含むエピタキシャル層がサファイア基板のｃ面上に設けられたＬＥＤ（４７０ｎｍ帯の波長の光を発光し、第３比較例ＬＥＤという）と、３ＱＷの発光層を含むエピタキシャル層がサファイア基板のｃ面上に設けられたＬＥＤ（４７０ｎｍ帯の波長の光を発光し、第４比較例ＬＥＤという）と作製し、第３及び第４比較例ＬＥＤと実施例ＬＥＤのそれぞれに対するＣＬ観察（ＣＬ：カソードルミネッセンス）を行った。図１２には、第３比較例ＬＥＤに対して行われたＣＬ観察の観察結果が示され、図１３には、第４比較例ＬＥＤに対して行われたＣＬ観察の観察結果が示され、図１４には、実施例ＬＥＤに対して行われたＣＬ観察の観察結果が示される。
【００５９】
３ＱＷの第４比較例ＬＥＤに対するＣＬ観察の観察結果（図１３に示す観察結果）によれば、発光は比較的均一となっているが、これに対し、ＳＱＷの第３比較例ＬＥＤに対するＣＬ観察の観察結果（図１２に示す観察結果）には、非発光領域が認められた。ｃ面上ではＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成や膜厚の均一成長が難しく、よって、このｃ面内の歪み分布が不均一となるので、非発光領域が増加する。このような理由から、ＳＱＷの第３比較例ＬＥＤでは、非発光領域が認めれれた、と考えられる。
【００６０】
これに対し、３ＱＷの第４比較例ＬＥＤの場合には、第３比較例ＬＥＤと同様にｃ面上に発光層を含むエピタキシャル層が設けられているが、複数の井戸層が互いに緩衝効果を発揮するので、発光の不均一性が改善され、従って、発光が比較的均一となる。このような理由から、３ＱＷの第４比較例ＬＥＤでは、発光が比較的均一であった、と考えられる。
【００６１】
一方、ＳＱＷの実施例ＬＥＤに対するＣＬ観察の観察結果（図１４に示す観察結果）によれば、発光の均一性が高い、ということがわかった。実施例ＬＥＤは、上述したように六方晶系窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に７５度オフした面上にＳＱＷの発光層を含むエピタキシャル層が設けられた構成のＬＥＤであり、このような六方晶系窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に７５度オフした面上に形成されたＩｎＧａＮ井戸層の結晶構造の均一性は比較的高い、という理由によって、実施例ＬＥＤでは、発光が比較的均一であった、と考えられる。よって、第１の実施形態の実施例に係るＳＱＷの効果は、ＩｎＧａＮ井戸層の均一成長が可能となる面方位や成長条件において特に大きいと言える。基板主面がｃ軸に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲で傾斜している場合Ｉｎが取り込まれやすくなり、ＩｎＧａＮ井戸層の均一性が優れたものになる。
【００６２】
以上、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】
【００６３】
１…ＬＥＤ、１１，４３…発光層、１３，１７，４５，４９…バリア層、１５，４７…井戸層、１９…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、２１，５５…電子ブロック層、２３，５９…コンタクト層、２５，６３…ｐ電極、２７…パッド電極、２９，６５…ｎ電極、３１…ＬＤ、３３，５…基板、３５…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、３７…ｎ型半導体層、３９，５７…クラッド層、４１，５１…ガイド層、５３…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、６１…絶縁膜、７…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、９…緩衝層、Ｓ１，Ｓ７…主面、Ｓ１１，Ｓ３，Ｓ９…界面、Ｓ５…基準平面
【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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