(57)【要約】【課題】活性層におけるＩｎ偏析による発光特性の低下が抑制されたＧａＮ系半導体発光素子を提供する。【解決手段】ＧａＮ系半導体光素子１１ａでは、テンプレート１３の主面１３ａは、この第１のＧａＮ系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸Ｃｘ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。ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、主面１３ａ上に設けられる。ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５上には、活性層１７が設けられる。活性層１７は、ＩｎＧａＮからなる少なくとも一つの半導体エピタキシャル層１９を含む。半導体エピタキシャル層１９の膜厚方向は、基準軸Ｃｘに対して傾斜している。この基準軸Ｃｘは、第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸の方向に向いている。【選択図】図１
2011023536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体光素子であって、
窒化ガリウム系半導体と異なる材料から成る主面を有する支持体と、開口を有し前記主面を覆うマスクと、該マスクの前記開口において前記支持体に設けられ第１及び第２の側面を有する凹部と、前記第２の側面を覆う絶縁体と、前記第１及び第２の側面上に設けられると共に前記マスクを埋め込む半導体領域とを含むテンプレートと、
前記テンプレート上に設けられた窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域と、
前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域上に設けられ、活性層のための半導体エピタキシャル層と
を備え、
前記半導体領域は、第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向は前記第１の側面の面方位によって規定され、
前記テンプレートの前記半導体領域の主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体の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、
記第１の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、前記支持体の前記主面と前記第１の側面との交差角は、６３度以上８０度未満の範囲にあり、
前記第２の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、
前記半導体エピタキシャル層は、構成元素としてインジウムを含む第２の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記第２の窒化ガリウム半導体のｃ軸は前記半導体領域の前記主面の法線軸に対して傾斜しており、
前記基準軸の向きは、前記第１の窒化ガリウム系半導体の［０００１］軸及び［０００−１］軸のいずれかの方向である、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項２】
前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７０度以上の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項３】
前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７１度以上７９度以下の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項４】
前記第１の窒化ガリウム系半導体のａ軸方向のオフ角は有限の値であり、また−３度以上＋３度以下の範囲にある、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窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項５】
前記活性層上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体層を備え、
前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記活性層は、所定の軸の方向に交互に配置された井戸層及び障壁層を含み、
前記井戸層は前記半導体エピタキシャル層からなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、前記半導体エピタキシャル層は、歪みを内包するＩｎＧａＮからなり、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記第２導電型ガリウム系半導体層は、前記所定の軸の方向に配列されると共に、前記基準軸の方向は前記所定の軸の方向と異なる、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窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項６】
前記活性層は、３７０ｎｍ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〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項７】
前記活性層は、４５０ｎｍ以上６００ｎｍ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〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項８】
前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体の｛２０−２１｝面及び｛２０−２−１｝面のいずれかから−３度以上＋３度以下の範囲の角度で傾斜した半導体面である、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窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項９】
前記基準軸は前記［０００１］軸の方向に向く、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窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１０】
前記基準軸は前記［０００−１］軸の方向に向く、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窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１１】
前記半導体領域はＧａＮからなる、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窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１２】
前記半導体領域の前記主面の表面モフォロジは複数のマイクロステップを有しており、該マイクロステップの主要な構成面は、少なくともｍ面及び｛１０−１１｝面を含む、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窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１３】
前記支持体は、スピネル、サファイア、酸化亜鉛、炭化シリコン、シリコン及び酸化ガリウムのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１４】
前記半導体領域は、前記凹部の前記第１の側面上において前記第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向にエピタキシャルに成長された半導体を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体光素子。
【請求項１５】
窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体と異なる材料から成る主面を有する支持体と、開口を有し前記主面を覆うマスクと、該マスクの前記開口において前記主面に設けられ第１及び第２の側面を有する凹部と、前記第２の側面を覆う絶縁体と、前記第１及び第２の側面上に設けられると共に前記マスクを埋め込む半導体領域とを含むテンプレートを準備する工程と、
前記テンプレートの主面上に、窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域の主面上に、活性層のための半導体エピタキシャル層を形成する工程と
を備え、
前記半導体領域は、第１の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記テンプレートの前記半導体領域の主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体の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、
前記支持体の前記主面と前記第１の側面と交差角は６３度以上８０度未満の範囲にあり、前記第１の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、
前記第２の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、
前記半導体エピタキシャル層は、構成元素としてインジウムを含む第２の窒化ガリウム系半導体からなり、
前記第２の窒化ガリウム半導体のｃ軸は前記半導体領域の前記主面の法線軸に対して傾斜しており、
前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、
前記第２の窒化ガリウム系半導体のｃ軸は前記基準軸に対して傾斜しており、
前記基準軸は、前記第１の窒化ガリウム系半導体の［０００１］軸及び［０００−１］軸のいずれかの方向に向いている、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記半導体領域の前記主面は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７０度以上の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項１５に記載された方法。
【請求項１７】
前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７１度以上７９度以下の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載された方法。
【請求項１８】
前記活性層は、所定の軸の方向に交互に配置された井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、
前記半導体エピタキシャル層は前記井戸層であり、
前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、
当該方法は、
前記半導体エピタキシャル層上に前記障壁層を形成する工程と、
前記活性層上に、第２導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は、所定の軸の方向に配列されると共に、前記基準軸の方向は前記所定の軸の方向と異なる、ことを特徴とする請求項１５〜請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１９】
前記第１の窒化ガリウム系半導体のａ軸方向のオフ角は有限の値であり、また−３度以上＋３度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１５〜請求項１８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２０】
前記半導体領域の前記主面における前記傾斜角は、該第１の窒化ガリウム系半導体の｛２０−２１｝面及び｛２０−２−１｝面のいずれかの結晶面から−３度以上＋３度以下の範囲で分布している、ことを特徴とする請求項１５〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２１】
前記半導体領域はＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ＜１）からなる、ことを特徴とする請求項１５〜請求項２０のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２２】
前記半導体領域はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１５〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２３】
前記半導体領域の前記主面の表面モフォロジは複数のマイクロステップを有しており、該マイクロステップの主要な構成面は、少なくともｍ面及び｛１０−１１｝面を含む、ことを特徴とする請求項１５〜請求項２２のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２４】
前記支持体は、スピネル、サファイア、酸化亜鉛、炭化シリコン、シリコン及び酸化ガリウムのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１５〜請求項２３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２５】
前記半導体領域は、前記凹部の前記第１の側面上において前記第２の側面に対して選択的に、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向にエピタキシャル成長された半導体を含む、ことを特徴とする請求項１５〜請求項２４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、ＧａＮ系半導体光素子、及びＧａＮ系半導体光素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、III−Ｖ族窒化物系半導体自立基板を製造する方法が記載されている。この方法によれば、III−Ｖ族窒化物系半導体のエピタキシャル成長に好適な所定のオフ角を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板を製造できる。ｃ面からａ軸方向またはｍ軸方向に０．０７度〜２０度の角度で傾いた表面を持つサファイア基板上にIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶のエピタキシャル層を成長した後に、エピタキシャル層を前記異種基板から剥離する。
【０００３】
特許文献２には、異種基板上に形成される窒化ガリウム系半導体層からなる窒化物半導体発光素子が記載されている。基板にバッファ層を介して形成される。ｎ型半導体層にエッチッグ加工を行ってＣ面に対して異なるＡ面の面方位の表面を形成する。Ａ面及びＣ面に接合させて活性層を成長する。２種の面方位で接する活性層を形成するとき、成長速度の差により量子井戸の幅（活性層）の膜厚が互いに異なるものになる。これ故に、発光波長のピークが異なる複数色の発色が得られる。
【０００４】
特許文献３には、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上に窒化物半導体を成長した後に、この窒化物半導体に部分的に凹部を形成する。凹部側面に窒化物半導体の横方向の成長が可能な面を露出させた後に、該窒化物半導体上に別の窒化物半導体を成長する。この別の窒化物半導体上に、ｎ型窒化物半導体、活性層及びｐ型窒化物半導体を成長する。
【０００５】
非特許文献１及び２には、ピエゾ電界の計算について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３４３７１３号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９９０５号公報
【特許文献３】特開２００５−２００３４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics vol.39 (2000) pp.413
【非特許文献２】Journal of Applied Physics vol.91 No.12 (2002) pp.9904
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明者らの知見によれば、上記の特許文献の方法とは異なる基板、例えば自立ＧａＮ基板上に長波長の発光素子を作製するとき、ＧａＮ基板の表面の面方位を調整することができる。現時点において、自立ＧａＮ基板のコストが高く、また自立ＧａＮ基板のサイズを大口径にすることは容易ではない。さらに、所望の面方位を有する実用的なサイズの自立ＧａＮ基板を得ることを多大なる技術開発を必要とする。
【０００９】
特許文献１のようにｃ面から５度〜２０度程度の角度で傾斜した結晶面は、所望のインジウム取り込み性能を示さない。これ故に、長波長の発光を提供できるインジウム組成を得るために、ＩｎＧａＮ層の成長温度を下げる必要がある。成長温度の低下は、ＩｎＧａＮ層の高品質化を困難にする。
【００１０】
特許文献２のようにａ面といった無極性面上では、成長表面のステップ密度は小さく、テラスが大きい。この面方位のインジウム取り込み性能は優れるけれども、Ｉｎの偏析が起こりやすく、Ｉｎ偏析の可能性は、大きなインジウム組成において高まる。
【００１１】
一方、ＧａＮ系半導体光素子の発光は、広い波長範囲で変更可能である。発光層には、インジウムを含むＧａＮ系半導体層を用いることができる。発光波長の変更は、発光層におけるインジウム組成を調整することによって行われる。このＧａＮ系半導体層の一つとして、例えばＩｎＧａＮが挙げられる。ＩｎＧａＮは強い非混和性を示し、このため、ＩｎＧａＮ成長においては自発的にＩｎ組成の揺らぎが生じ、Ｉｎの偏析が起こる。Ｉｎの偏析は、ＩｎＧａＮだけでなく、この他のインジウム含有のＧａＮ系半導体でも観測される。また、Ｉｎの偏析は、発光波長の変更のためにＩｎ組成を増加させるとき、顕著である。
【００１２】
発光層におけるＩｎの偏析は、例えば半導体レーザではしきい値電流を増加させる。また、発光層におけるＩｎの偏析は、例えば発光ダイオードでは面発光の不均一の原因となる。故に、いずれの発光素子においても、Ｉｎ偏析を低減することが望ましい。
【００１３】
発明者らは、異種基板上にＩｎＧａＮ系発光素子を作製することを検討している。異種基板上のｃ面ＧａＮにおいて所望のＩｎＧａＮ井戸層を得るためには、井戸層のインジウム組成を調整する。ＩｎＧａＮ層の結晶品質は、Ｉｎ組成の増加と伴って低下して、この結果、発光強度の低下及び発光スペクトル半値幅の増大になる。
【００１４】
本発明は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、窒化ガリウム系半導体と異なる材料の異種基板上に設けられ、Ｉｎ偏析による発光特性の低下を抑制可能な窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することを目的とし、またこの窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する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】
【００１５】
本発明の一側面に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、（ａ）窒化ガリウム系半導体と異なる材料から成る主面を有する支持体と、開口を有し前記主面を覆うマスクと、該マスクの前記開口において前記主面に設けられ第１及び第２の側面を有する凹部と、前記第２の側面を覆う絶縁体と、前記第１及び第２の側面上に設けられると共に前記マスクを埋め込む半導体領域とを含むテンプレートと、（ｂ）前記テンプレート上に設けられた窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域上に設けられ、活性層のための半導体エピタキシャル層とを備える。前記半導体領域は、第１の窒化ガリウム系半導体からなり、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向は前記第１の側面の方位によって規定され、前記テンプレートの前記半導体領域の主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体の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、前記第１の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、前記支持体の前記主面と前記第１の側面との交差角は、６３度以上８０度未満の範囲にあり、前記第２の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、前記半導体エピタキシャル層は、構成元素としてインジウムを含む第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第２の窒化ガリウム半導体のｃ軸は前記半導体領域の前記主面の法線軸に対して傾斜しており、前記基準軸の向きは、前記第１の窒化ガリウム系半導体の［０００１］軸及び［０００−１］軸のいずれかの方向である。
【００１６】
この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、支持体の主面が第１の側面に対して６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜すると共に絶縁体が第２の側面を覆うので、第２の側面上の絶縁膜、第１の側面、及びマスクを埋め込むように半導体領域を支持体上に設けるとき、半導体領域の主面もまた、第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面から第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜する。上記の傾斜角のテンプレートでは、その半導体領域の主面のモフォロジも、幅の狭い複数のテラスからなる。また、テンプレート上にはＧａＮ系半導体エピタキシャル領域が設けられているので、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域は、テンプレートの半導体領域の結晶軸を引き継ぐ。これ故に、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域は、そのｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜する平面に沿って延在する。したがって、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域の主面のモフォロジも幅の狭い複数のテラスを有する。このテラス配列はマイクロステップを構成する。上記の角度範囲においてテラス幅が狭いので、複数のテラスにわたってＩｎ組成の不均一は生じにくい。故に、Ｉｎ偏析に起因する発光特性の低下が抑制される。また、テラス構造がｃ軸からの傾斜角によって規定されるので、該傾斜角が第１のＧａＮ系半導体の｛０００１｝面を基準に規定されるテンプレート、及び該傾斜角が第１のＧａＮ系半導体の｛０００−１｝面を基準に規定されるテンプレートのいずれにおいても、発光特性の低下が抑制される。つまり、基準軸が第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸及び［０００−１］軸のいずれかの方向に向いていても、発光特性の低下が抑制される。
【００１７】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７０度以上の角度で傾斜していることが好ましい。このＧａＮ系半導体光素子では、この角度範囲の基板主面は、更に幅の狭い複数のテラスを有する。故に、Ｉｎ偏析が低減される。
【００１８】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７１度以上７９度以下の角度で傾斜していることが好ましい。このＧａＮ系半導体光素子によれば、ステップ端成長とテラス上成長のバランスが良好である。故に、Ｉｎ偏析が低減される。
【００１９】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記第１の窒化ガリウム系半導体のａ軸方向のオフ角は有限の値であり、また−３度以上＋３度以下の範囲にあることができる。このＧａＮ系半導体光素子によれば、ａ軸方向のオフ角は、エピタキシャル領域の表面モフォロジを良好にすると共に、Ｉｎ偏析が低減される。
【００２０】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、前記活性層上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体層を備えることができる。前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記活性層は、所定の軸の方向に交互に配置された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層は前記半導体エピタキシャル層からなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、前記半導体エピタキシャル層は、歪みを内包するＩｎＧａＮからなり、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記第２導電型ガリウム系半導体層は、前記所定の軸の方向に配列されると共に、前記基準軸の方向は前記所定の軸の方向と異なる。
【００２１】
このＧａＮ系半導体光素子によれば、小さいＩｎ偏析は、単層膜からなる半導体エピタキシャル層だけでなく、量子井戸構造の活性層において達成される。
【００２２】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記活性層は、３７０ｎｍ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。このＧａＮ系半導体光素子によれば、３７０ｎｍ以上の発光波長を発生する活性層を達成するインジウム組成の範囲において、Ｉｎ偏析を小さくできる。また、前記活性層は、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。このＧａＮ系半導体光素子によれば、６５０ｎｍ以上の発光波長を発生する活性層では、半導体エピタキシャル層のインジウム組成が大きいので、所望の結晶品質の半導体エピタキシャル層が得られにくい。
【００２３】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記活性層は４８０ｎｍ以上である発光波長を生成するように設けられていることが好ましい。また、本発明に係るＧａＮ系半導体光素子では、前記活性層は６００ｎｍ以下である発光波長を生成するように設けられていることが好ましい。このＧａＮ系半導体光素子によれば、Ｉｎ偏析が低減される。また、６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角は、４８０ｎｍ以上で６００ｎｍ以下の発光波長の範囲において有効である。
【００２４】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体の｛２０−２１｝面及び｛２０−２−１｝面のいずれかから−３度以上＋３度以下の範囲の角度で傾斜した半導体面であることができる。この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、｛２０−２１｝面及び｛２０−２−１｝面は、基準軸に直交する面から約７５度で傾斜している。この角度近傍で良好な発光特性を示している。また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体の｛２０−２１｝面及び｛２０−２−１｝面のいずれかの半導体面であることができる。これらの面方位では、Ｉｎ偏析が低減される。
【００２５】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、前記基準軸は前記［０００１］軸の方向に向いている。或いは、本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、前記基準軸は前記［０００−１］軸の方向に向いている。
【００２６】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記テンプレートの前記半導体層はＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ＜１）からなることができる。また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記テンプレートの前記半導体層はＧａＮからなることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、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半導体主面とが提供される。
【００２７】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記基板の前記主面の表面モフォロジは複数のマイクロステップを有する。該マイクロステップの主要な構成面は、少なくともｍ面及び｛１０−１１｝面を含む。このＧａＮ系半導体光素子では、上記の構成面及びステップ端においては、Ｉｎの取り込みが良好である。また、Ｉｎ偏析が低減される。
【００２８】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子では、前記支持体は、スピネル、サファイア、酸化亜鉛、炭化シリコン、シリコン及び酸化ガリウムのいずれかからなることができる。この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、これらの材料は、６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜する主面の半導体領域をテンプレートに提供できる。
【００２９】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体光素子は、前記半導体領域は、前記凹部の前記第１の側面上において前記第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向にエピタキシャルに成長されたエピタキシャル膜である。この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、支持体の第１の側面と支持体の主面との成す角度によって、半導体領域の主面に面方位が規定される。
【００３０】
本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体と異なる材料から成る主面を有する支持体と、開口を有し前記主面を覆うマスクと、該マスクの前記開口において前記主面に設けられ第１及び第２の側面を有する凹部と、前記第２の側面を覆う絶縁体と、前記第１及び第２の側面上に設けられると共に前記マスクを埋め込む半導体領域とを含むテンプレートを準備する工程と、（ｂ）前記主面上に、窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域を成長する工程と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域の主面上に、活性層のための半導体エピタキシャル層を形成する工程とを備える。前記半導体領域は、第１の窒化ガリウム系半導体からなり、前記テンプレートの前記半導体領域の主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体の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、前記支持体の前記主面と前記第１の側面と交差角は６３度以上８０度未満の範囲にあり、前記第１の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、前記第２の側面は、前記支持体の前記主面に対して傾斜しており、前記半導体エピタキシャル層は、構成元素としてインジウムを含む第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第２の窒化ガリウム半導体のｃ軸は前記半導体領域の前記主面の法線軸に対して傾斜しており、前記半導体エピタキシャル層は第２の窒化ガリウム系半導体からなり、前記第２の窒化ガリウム系半導体は構成元素としてインジウムを含み、前記第２の窒化ガリウム系半導体のｃ軸は前記基準軸に対して傾斜しており、前記基準軸は、前記第１の窒化ガリウム系半導体の［０００１］軸及び［０００−１］軸のいずれかの方向に向いている。
【００３１】
この方法によれば、支持体の主面が第１の側面に対してｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜すると共に絶縁体が第２の側面を覆うので、半導体領域が、第２の側面上の絶縁膜、第１の側面、及びマスクを埋め込むように支持体上に成長される。これ故に、半導体領域の主面もまた、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜する。半導体領域の主面が上記の傾斜角を成すとき、半導体領域の主面は、幅の狭い複数のテラスからなる。また、半導体領域の主面上には窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域が設けられているので、窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域の結晶軸は、半導体領域の結晶軸を引き継ぐ。これ故に、窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域の主面も、そのｃ軸に沿って延びる基準軸から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。したがって、窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域の主面も幅の狭い複数のテラスを有する。これらのテラスの配列により、マイクロステップが構成される。上記の角度範囲ではテラスの幅が狭い。狭いテラス幅ゆえに、各テラスに付着したＩｎ原子のマイグレーションによる移動が妨げられる。故に、複数のテラスにわたってＩｎ組成の不均一は生じにくい。したがって、Ｉｎ偏析による発光特性の低下が抑制される。また、テラス構造がｃ軸からの傾斜角によって規定されるので、第１のＧａＮ系半導体の｛０００１｝面を基準に規定されるテンプレート及び第１のＧａＮ系半導体の｛０００−１｝面を基準に規定されるテンプレートのいずれにおいても、発光特性の低下が抑制される。つまり、基準軸の方向が第１の窒化ガリウム系半導体の［０００１］軸及び［０００−１］軸のいずれかの方向であるとき、発光特性の低下が抑制される。
【００３２】
本発明に係る方法では、前記半導体領域の前記主面は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７０度以上の範囲の角度で傾斜していることが好ましい。この方法では、この角度範囲のテンプレート主面は、更に幅の狭い複数のテラスを有する。本発明に係る方法では、前記半導体領域の前記主面は、該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に前記基準軸に直交する面から７１度以上７９度以下の角度で傾斜していることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体光素子によれば、ステップ端成長とテラス上成長のバランスが良好である。
【００３３】
本発明に係る方法では、前記活性層は、所定の軸の方向に交互に配置された井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、前記半導体エピタキシャル層は前記井戸層であり、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。当該方法は、前記半導体エピタキシャル層上に前記障壁層を形成する工程と、前記活性層上に、第２導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程とを更に備えることができる。前記窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は、所定の軸の方向に配列されると共に、前記基準軸の方向は前記所定の軸の方向と異なる。
【００３４】
この方法では、単層膜からなる半導体エピタキシャル層の成長だけでなく、量子井戸構造の活性層の成長においても、小さいＩｎ偏析が達成されている。
【００３５】
本発明に係る方法では、前記第１の窒化ガリウム系半導体のａ軸方向のオフ角は有限の値であり、また−３度以上＋３度以下の範囲にあることが好ましい。この方法によれば、ａ軸方向からのオフ角により、良好な表面モフォロジのエピタキシャル領域を成長できる。
【００３６】
本発明に係る方法では、前記半導体領域の前記主面における前記傾斜角は、該第１の窒化ガリウム系半導体の｛２０−２１｝面及び｛２０−２−１｝面のいずれかの結晶面から−３度以上＋３度以下の範囲で分布している。この方法によれば、｛２０−２１｝面及び｛２０−２−１｝面は、基準軸から７５．０９度で傾斜している。この角度近傍で良好な発光特性を示している。
【００３７】
本発明に係る方法では、前記半導体領域はＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ＜１）からなることができる。また、本発明に係る方法では、前記半導体領域はＧａＮからなることが好ましい。この方法によれば、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半導体主面とが提供される。
【００３８】
本発明に係る方法では、前記半導体領域の前記主面の表面モフォロジは複数のマイクロステップを有しており、該マイクロステップの主要な構成面は、少なくともｍ面及び｛１０−１１｝面を含む。この方法では、上記の構成面及びステップ端においては、Ｉｎの取り込みが良好である。このため、Ｉｎの偏析が低減される。
【００３９】
本発明に係る方法では、前記支持体は、スピネル、サファイア、酸化亜鉛、炭化シリコン、シリコン及び酸化ガリウムのいずれかからなることができる。この方法によれば、これらの材料は、６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜する主面の半導体領域をテンプレートに提供できる。
【００４０】
本発明に係る方法では、前記半導体領域は、前記凹部の前記第１の側面上において前記第２の側面に対して選択的に、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向にエピタキシャル成長された半導体を含むことができる。この方法によれば、支持体の第１の側面と支持体の主面との交差角によって、半導体領域の主面に面方位を規定できる。
【００４１】
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】
【００４２】
以上説明したように、窒化ガリウム系半導体と異なる材料の異種基板上に設けられＩｎ偏析による発光特性の低下を抑制可能な窒化ガリウム系半導体発光素子が提供される。また、本発明によれば、この窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本実施の形態に係るＧａＮ系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るＧａＮ系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、図１及び図２に示されたＧａＮ系半導体光素子におけるテンプレートの構造を示す図面である。
【図４】図４は、テンプレートの作製における主要な工程を含む工程フローを示す図面である。
【図５】図５は、テンプレートの作製における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、テンプレートの作製における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、所望の傾斜角のテンプレートを得るための異種基板の主面の傾斜角を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、実施例１に係るエピタキシャル基板Ｅ１、Ｅ２を示す図面である。
【図９】図９は、Ｘ線回折結果及び理論計算の結果を示す図面である。
【図１０】図１０は、本実施の形態に係るＧａＮ系半導体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１１】図１１は、実施例２に係る発光ダイオード構造（ＬＥＤ１、ＬＥＤ２）を示す図面である。
【図１２】図１２は、発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２のエレクトロルミネッセンススペクトルを示す図面である。
【図１３】図１３は、エピタキシャル基板Ｅ３、Ｅ４におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図面である。
【図１４】図１４は、発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２において発光波長と電流注入量との関係の測定を示す図面である。
【図１５】図１５は、ピエゾ電界に関する計算結果を示す図面である。
【図１６】図１６は、異なるＩｎ組成を有する井戸層の発光ダイオード構造のエレクトロルミネッセンスを示す図面である。
【図１７】図１７は、ＩｎＧａＮ井戸層の発光ダイオード及びＡｌＧａＩｎＰ井戸層の外部量子効率並びに人間の視感度曲線を示す図面である。
【図１８】図１８は、実施例４に係るレーザダイオード構造（ＬＤ１）を示す図面である。
【図１９】図１９は、ｍ軸方向へｃ軸から取られた様々な傾斜角（オフ角）を有するＧａＮ主面上に堆積されたＩｎＧａＮのＩｎ組成とオフ角との関係を示す図面である。
【図２０】図２０は、ｃ面及びオフ角βを有するＧａＮ系半導体面上へのＩｎ含有のＧａＮ系半導体の堆積を模式的に示す図面である。
【図２１】図２１は、実施例６における半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図２２】図２２はｍ面＋７５度オフＧａＮ基板上の量子井戸構造のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルＰＬ＋７５、及びｍ面−７５度オフＧａＮ基板上の量子井戸構造のＰＬスペクトルＰＬ−７５を示す図面である。
【図２３】図２３は、成長温度が高いときの成長モード及び成長温度が低いときの成長モードを模式的に示す図面である。
【図２４】図２４は、ステップフローな成長及びテラス上成長により成長されたＧａＮの成長表面のＡＦＭ像を示す図面である。
【図２５】図２５は、非安定面におけるＧａＮ及びＩｎＧａＮの高温成長におけるステップフローな成長の成長機構、及び非安定面におけるＧａＮ及びＩｎＧａＮの低温成長におけるテラス上成長及びステップ端成長の成長機構を模式的に示す図面である。
【図２６】図２６は、ｃ面からｍ軸方向に様々な傾斜角度で傾斜したＧａＮ基板上に、摂氏７６０度ですべて同条件でＩｎＧａＮを成長する実験結果を示す図面である。
【図２７】図２７は、例として｛１０−１１｝面の表面原子配列を示す図面である。
【図２８】図２８は、例としてｍ軸方向に４５度程度傾けた面の成長表面の原子配列を示す図面である。
【図２９】図２９は、｛１０−１１｝面とｍ面から形成されるミクロなステップからなる成長表面を示す図面である。
【図３０】図３０は、例としてｃ面をｍ軸方向にオフ角７５度で傾けた面の表面原子配列を示す図面である。
【図３１】図３１は、Ｉｎ取り込みとオフ角との関係を示す図面である。
【図３２】図３２は、Ｉｎ取り込み、Ｉｎ偏析、及びピエゾ電界について、各面及び角度範囲の特徴を示す図面である。
【図３３】図３３は、Ｉｎ取り込み、Ｉｎ偏析、及びピエゾ電界について、詳細な各面及び角度範囲の特徴を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
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ＧａＮ系半導体光素子、ＧａＮ系半導体光素子を作製する方法、エピタキシャル基板及びＧａＮ系半導体領域を成長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。なお、本記述においては、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。
【００４５】
図１は本実施の形態に係るＧａＮ系半導体光素子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。図２は、本実施の形態に係るＧａＮ系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。ＧａＮ系半導体光素子１１ｂとしては、例えば半導体レーザ等がある。図３は、図１及び図２に示されたＧａＮ系半導体光素子におけるテンプレートの構造を示す図面である。
【００４６】
図１及び図２を参照すると、ＧａＮ系半導体光素子１１ａ、１１ｂは、テンプレート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。テンプレート１３は、支持体１３１と、マスク１３３と、凹部１３５と、半導体領域１３９とを含む。支持体１３１は、窒化ガリウム系半導体と異なる材料から成ると共に、主面１３１ａを有する。支持体１３１上には半導体領域１３９が設けられており、その主面１３９ａは、テンプレート１３の主面１３ａを提供する。テンプレート１３の半導体領域１３９の主面１３９ａは、該第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸Ｃｘに直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体の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。
【００４７】
テンプレート１３において、マスク１３３は、開口１３３ａ及びストライプ１３３ｂを有する。ストライプ１３３ｂは、例えばシリコン酸化物といったシリコン系無機絶縁物からなることができる。マスク１３３は主面１３１ａを覆い、マスク１３３の開口１３３ａには凹部１３５が位置している。凹部１３５は、マスク１３３の開口１３３ａに設けられ、また第１及び第２の側面１３５ａ、１３５ｂを有する。第１及び第２の側面１３５ａ、１３５ｂは主面１３１ａに対して傾斜している。本実施例では、マスク１３３のストライプ１３３ｂ及び凹部１３５は隣接しており、またストライプ１３３ｂ及び凹部１３５並びに第１及び第２の側面１３５ａ、１３５ｂは、一方向（例えばＸ軸方向）に延在している。この方向は、例えばｃ軸の傾斜方向に直交する方向であることが良い。絶縁体１３７は、第２の側面１３５ｂを覆う。絶縁体１３７は、例えばシリコン酸化物といったシリコン系無機絶縁物からなることができる。また、半導体領域１３９は、第１及び第２の側面１３５ａ、１３５ｂ上に設けられると共にマスク１３３及び絶縁体１３７を埋め込む。これ故に、半導体領域１３９はマスク１３３の側面１３３ｃ及び上面１３３ｄを覆うと共に、絶縁体１３７及び第１の側面１３５ａを覆う。半導体領域１３９は、第２の側面１３５ｂに対して選択的に、凹部１３５の第１の側面１３５ａに対しておいて成長されるので、半導体領域１３９が第１の側面１３５ａを覆う。半導体領域１３９は、第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向にエピタキシャル成長された半導体領域を含むことができる。支持体１３１の第１の側面１３５ａと支持体１３１の主面１３１ａとの交差角ＡＧによって、半導体領域１３９の主面１３９ａに面方位を規定できる。
【００４８】
支持体１３１は、ウルツ鉱型構造（六方晶系結晶体）、閃亜鉛鉱型構造、ダイヤモンド構造、三斜晶系構造、スピネル型結晶構造等の結晶構造を有する材料からなることができる。支持体１３１は、スピネル、サファイア、酸化亜鉛、炭化シリコン、シリコン及び酸化ガリウムのいずれかからなることができる。これらの材料は、６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜する主面の半導体領域をテンプレートに提供できる。
【００４９】
支持体１３１が例えばサファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、ＺｎＯ等の異種基板からなるとき、第１の側面１３５ａは｛０００１｝面であることができる。半導体領域１３９は、例えばサファイア｛０００１｝面上にエピタキシャルに成長する。第１の側面１３５ａの法線軸が、第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に向いている。また、支持体１３１が例えばシリコン、３Ｃ−ＳｉＣ、スピネル（例えばＭｇＡｌ２Ｏ４）等の異種基板からなるとき、第１の側面１３５ａは｛１１１｝面であることができる。半導体領域１３９は、異種基板｛１１１｝面上にエピタキシャルに成長する。第１の側面１３５ａの法線軸が、第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に向いている。さらに、支持体１３１が例えば酸化ガリウム（例えばβ−Ｇａ２Ｏ３）等の異種基板からなるとき、第１の側面１３５ａは酸化ガリウムａ面であることができる。半導体領域１３９は、異種基板ａ面上にエピタキシャルに成長する。第１の側面１３５ａには、第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に成長する。
【００５０】
支持体１３１の主面１３１ａに沿って延在する参照平面と第１の側面１３５ａとの成す角は、基準軸Ｃｘに直交する面から該第１の窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲にある。
【００５１】
開口１３３ａの短辺Ｌ１の長さは０．５マイクロメートル以上であることができる。エピタキシャル成長のための第１の側面を規定できる。また、短辺Ｌ１の長さは５マイクロメートル以下にあることができる。マスク１３３の開口１３３ａのサイズによれば、６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜する主面１３９ａの半導体領域１３９をテンプレート１３に提供できる。
【００５２】
マスク１３３の短辺Ｌ２は０．５マイクロメートル以上であることができる。エピタキシャル成長のための第１及び第２の側面を区画する。また、マスク１３３の短辺Ｌ２は５マイクロメートル以下の範囲にあることができる。マスク１３３のカバーのサイズは、隣接する開口１３３ａからストライプ１３３ｂを覆って成長してきた窒化ガリウム結晶体が一体に連結されて形成された半導体領域１３９をテンプレート１３に提供できるように決定される。このテンプレート１３では、半導体領域１３９の主面１３９ａは、６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角でそのｃ軸に対して傾斜する。
【００５３】
マスク１３３の開口１３３ａは周期的に配列されることができる。また、マスク１３３のストライプ１３３ｂ周期的に配列されることができる。
【００５４】
半導体領域１３９は、ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ＜１）からなることができる。半導体領域１３９は、第１のＧａＮ系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等であることが良い。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テンプレート主面とを提供できる。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。
【００５５】
図１を参照すると、テンプレート１３のｃ面は平面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。テンプレート１３の主面１３ａは、この第１のＧａＮ系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸Ｃｘ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。傾斜角αは、テンプレート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、本実施例では、ベクトルＶＣ＋とベクトルＶＮとの成す角に等しい。
【００５６】
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は一又は複数の半導体層を含むことができる。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、少なくとも一つの半導体エピタキシャル層１９を含む。半導体エピタキシャル層１９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。半導体エピタキシャル層１９は、インジウムを含む第２のＧａＮ系半導体からなり、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。半導体エピタキシャル層１９の膜厚方向は、基準軸Ｃｘに対して傾斜している。この基準軸Ｃｘは、第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸の方向、或いは［０００−１］軸の方向に向いていることができる。本実施例では、基準軸Ｃｘは、ベクトルＶＣ＋で示される方向に向いており、この結果、ベクトルＶＣ−は［０００−１］軸の方向に向いている。
【００５７】
このＧａＮ系半導体光素子１１ａによれば、上記の傾斜角のテンプレート１３では、その主面１３ａは、図１に示されるような幅の狭い複数のテラスを含む表面モフォロジＭ１からなる。また、半導体領域１３９上にはＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５が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、テンプレート１３の半導体領域１３９における結晶軸を引き継いでいる。これ故に、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おり、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５の主面１５ａも、幅の狭い複数のテラスを含む表面モフォロジＭ２を有する。これらのテラスの配列はマイクロステップを構成する。上記の角度範囲のテラスの幅が狭いので、複数のテラスにわたってＩｎ組成の不均一は生じにくい。故に、Ｉｎ偏析による発光特性の低下が抑制される。
【００５８】
また、テラス構造がｃ軸からの傾斜角に関係しているので、該傾斜角が第１のＧａＮ系半導体の｛０００１｝面を基準に規定されるテンプレート、及び該傾斜角が第１のＧａＮ系半導体の｛０００−１｝面を基準に規定されるテンプレートのいずれにおいても、発光特性の低下が抑制される。つまり、基準軸Ｃｘは第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸及び［０００−１］軸のいずれかの方向に向いていても、発光特性の低下が抑制される。
【００５９】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａでは、テンプレート１３の主面１３ａは、該第１のＧａＮ系半導体のｍ軸の方向に基準軸に直交する面から７０度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜していることが好ましい。この角度範囲の基板主面１３ａは、更に幅の狭い複数のテラスを有する。
【００６０】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａによれば、活性層１７におけるＩｎ偏析による発光特性の低下が抑制される。
【００６１】
図１を参照すると、座標系Ｓが示されている。テンプレート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。
【００６２】
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。本実施例では、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５は、Ｚ方向に配列されたｎ型ＧａＮ半導体層２３及びｎ型ＩｎＧａＮ半導体層２５を含んでいる。ｎ型ＧａＮ半導体層２３及びｎ型ＩｎＧａＮ半導体層２５が、テンプレート１３の主面１３ａにエピタキシャル成長されるので、ｎ型ＧａＮ半導体層２３の主面２３ａ及びｎ型ＩｎＧａＮ半導体層２５の主面２５ａ（本実施例では、表面１５ａと等価）も、それぞれ、テラス構造を有するモフォロジＭ３、Ｍ２を有する。
【００６３】
モフォロジＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、ｃ軸傾斜の方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、これらのマイクロステップは、傾斜方向に交差する方向に延びている。マイクロステップの主要な構成面は、少なくともｍ面及び｛１０−１１｝面を含む。上記の構成面及びステップ端においては、Ｉｎの取り込みが良好である。
【００６４】
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を備えることができる。ＧａＮ系半導体領域２１は、一又は複数の第２導電型ＧａＮ系半導体層を含むことができる。ＧａＮ系半導体領域２１は、Ｚ方向に配列された電子ブロック層２７及びコンタクト層２９を含む。電子ブロック層２７は、例えばＡｌＧａＮからなることができ、またコンタクト層２９は、例えばｐ型ＧａＮまたはｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。
【００６５】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａでは、活性層１７は、３７０ｎｍ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。３７０ｎｍ以上の波長の光を発生する活性層を達成するインジウム組成の範囲において、Ｉｎ偏析を小さくできる。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、半導体エピタキシャル層のインジウム組成が大きいので、所望の結晶品質の半導体エピタキシャル層が得られにくい。
【００６６】
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。本実施例では、井戸層３３は半導体エピタキシャル層１９からなり、井戸層３３は例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。また、障壁層３５はＧａＮ系半導体からなり、ＧａＮ系半導体は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。ｎ型ＧａＮ系半導体層２３、２５、活性層１７及びＧａＮ系半導体層２７、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。
【００６７】
このＧａＮ系半導体光素子１１ａによれば、小さいＩｎ偏析は、単層膜からなる半導体エピタキシャル層だけでなく、量子井戸構造３１において達成されている。
【００６８】
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。テンプレート１３の支持体１３１が導電性を有するとき、ＧａＮ系半導体光素子１１ａは、テンプレート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。テンプレート１３の支持体１３１が導電性を持たないとき、第２の電極３９は、エッチング等により部分的に露出された半導体領域１３９の露出面にオーミック接触を成すように設けられる。
【００６９】
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ＬＢ１を生成し、本実施例ではＧａＮ系半導体光素子１１ａは面発光素子を含む。この活性層１７において、ピエゾ電界が小さい。
【００７０】
テンプレート１３の半導体領域１３９におけるａ軸方向のオフ角ＡＯＦＦは有限の値であることが好ましい。ａ軸方向のオフ角ＡＯＦＦは、エピタキシャル領域の表面モフォロジを良好にする。このオフ角ＡＯＦＦはＸＺ面内における角度である。オフ角ＡＯＦＦの範囲が、例えば−３度以上＋３度以下の範囲にあることができ、具体的には、オフ角ＡＯＦＦの範囲は、例えば−３度以上−０．１度以下及び＋０．１度以上＋３度以下の範囲にあることが好ましい。オフ角ＡＯＦＦの範囲が例えば−０．４度以上−０．１度以下及び＋０．１度以上＋０．４度以下の範囲にあるとき、表面モフォロジがさらに良好になる。
【００７１】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａでは、活性層１７は４８０ｎｍ以上である発光波長を生成するように設けられていることが好ましい。また、活性層１７は６００ｎｍ以下である発光波長を生成するように設けられていることが好ましい。６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角は、４８０ｎｍ以上で６００ｎｍ以下の発光波長の範囲において有効である。この波長範囲にあるような長波長では、大きなＩｎ組成が井戸層に必要であり、大きなＩｎ偏析を示す面、例えばｃ面やｍ面及び｛１０−１１｝面等では、発光強度が大きく低下する。一方、本実施の形態の角度範囲では、Ｉｎ偏析が小さいため、４８０ｎｍ以上の長波長領域でも発光強度の低下が小さい。
【００７２】
図２を参照すると、ＧａＮ系半導体光素子１１ｂは、ＧａＮ系半導体光素子１１ａと同様に、テンプレート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。テンプレート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上には、座標系ＣＲ（ｃ軸、ａ軸、ｍ軸）が示されている。テンプレート１３の主面１３ａは、この第１のＧａＮ系半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸Ｃｘ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。傾斜角αは、テンプレート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、この角度は、本実施例では、ベクトルＶＣ＋とベクトルＶＮとの成す角に等しい。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。活性層１７は、少なくとも一つの半導体エピタキシャル層１９を含む。半導体エピタキシャル層１９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。半導体エピタキシャル層１９は第２のＧａＮ系半導体からなり、第２のＧａＮ系半導体は構成元素としてインジウムを含む。半導体エピタキシャル層１９の膜厚方向は、基準軸Ｃｘに対して傾斜している。この基準軸Ｃｘは、第１のＧａＮ系半導体の［０００１］軸の方向、或いは［０００−１］軸の方向に向いていることができる。本実施例では、基準軸Ｃｘは、ベクトルＶＣ＋で示される方向に向いており、この結果、ベクトルＶＣ−は、［０００−１］軸の方向に向いている。また、図２にも、オフ角ＡＯＦＦが示されており、このオフ角ＡＯＦＦはＸＺ面内における角度である。
【００７３】
このＧａＮ系半導体光素子１１ｂによれば、テンプレート１３では、その主面１３ａ（図３に示された半導体領域１３９の主面１３９ａ）は、図２に示されるような幅の狭い複数のテラスを含む表面モフォロジＭ１からなる。また、テンプレート１３の半導体領域１３９上にはＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５が設けられている。ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５の結晶軸は、テンプレート１３における半導体領域１３９の結晶軸を引き継いでいる。これ故に、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。したがって、ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域１５の主面１５ａも、幅の狭い複数のテラスを含む表面モフォロジＭ２を有する。これらのテラスの配列はマイクロステップを構成する。上記の角度範囲のテラスの幅が狭いので、複数のテラスにわたってＩｎ組成の不均一は生じにくい。故に、Ｉｎ偏析による発光特性の低下が抑制される。
【００７４】
ＧａＮ系半導体光素子１１ｂの一実施例では、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またはＧａＮ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、テンプレート１３の主面１３ａ（図３に示された半導体領域１３９の主面１３９ａ）にエピタキシャル成長されるので、ｎ型クラッド層４１の主面４１ａ及び光ガイド層４３ａの主面４３ｃ（本実施例では、表面１５ａと等価）も、それぞれ、テラス構造を有する表面モフォロジを有する。上記の表面モフォロジは、ｃ軸の傾斜方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、これらのマイクロステップは、傾斜方向に交差する方向に延びている。マイクロステップの主要な構成面は、少なくともｍ面及び｛１０−１１｝面等を含む。上記の構成面及びステップ端においては、Ｉｎの取り込みが良好である。
【００７５】
ＧａＮ系半導体光素子１１ｂは、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。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、例えばＡｌＧａＮからなることができ、クラッド層４７は、例えばｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＧａＮからなることができ、またコンタクト層４９は、例えばｐ型ＧａＮまたはｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。
【００７６】
ＧａＮ系半導体光素子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５３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。テンプレート１３の支持体１３１が導電性を有するとき、ＧａＮ系半導体光素子１１ｂは、テンプレート１３の裏面１３ｂ上に設けられた第２の電極５５（例えば、カソード）を含むことができ、第２の電極５５は、例えばＴｉ／Ａｌから成る。テンプレート１３の支持体１３１が導電性を持たないとき、第２の電極５５は、エッチング等により部分的に露出された半導体領域１３９の露出面にオーミック接触を成すように設けられる。
【００７７】
活性層１７は、電極５１、５５の両端に印加された外部電圧に応答して光ＬＢ２を生成し、本実施例ではＧａＮ系半導体光素子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４３ａ、４５、４７、４９からｎ型ＧａＮ系半導体層４１、４３ａへ向かう方向と逆向きである。このＧａＮ系半導体光素子１１ｂによれば、ピエゾ電界のＺ成分が、電極５１、５５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。
【００７８】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａ、１１ｂでは、テンプレート１３におけるａ軸方向のオフ角ＡＯＦＦは有限の値であることが好ましい。ａ軸方向のオフ角ＡＯＦＦは、エピタキシャル領域の表面モフォロジを良好にする。オフ角ＡＯＦＦの範囲が、例えば−３度以上＋３度以下の範囲にあることができ、具体的には、オフ角ＡＯＦＦの範囲は、例えば−３度以上−０．１度以下及び＋０．１度以上＋３度以下の範囲にあることが好ましい。オフ角ＡＯＦＦの範囲が例えば−０．４度以上−０．１度以下及び＋０．１度以上＋０．４度以下の範囲にあるとき、表面モフォロジがさらに良好になる。
【００７９】
ＧａＮ系半導体光素子１１ａ、１１ｂでは、活性層１７は４８０ｎｍ以上である発光波長を生成するように設けられていることが好ましい。また、活性層１７は６００ｎｍ以下である発光波長を生成するように設けられていることが好ましい。６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角は、４８０ｎｍ以上で６００ｎｍ以下の発光波長の範囲において有効である。このぐらいの波長になってくると、だいぶ井戸層のＩｎ組成が大きくなり、ｃ面やｍ面及び｛１０−１１｝面等のＩｎ偏析の大きな面では、発光強度が大きく低下する。一方、この角度範囲では、Ｉｎ偏析が小さいため、４８０ｎｍ以上の長波長領域でも発光強度の低下が小さい。また、井戸層の厚さの範囲は、例えば０．５ｎｍ〜１０ｎｍであることができる。ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層のＩｎ組成Ｘの範囲は、例えば０．０１〜０．５０であることができる。
【００８０】
引き続き、テンプレートの作製について説明する。図４は、テンプレートの作製における主要な工程を含む工程フローを示す図面である。図５及び図６は、テンプレートの作製における主要な工程を模式的に示す図面である。図７は、所望の傾斜角のテンプレートを得るための異種基板の主面の傾斜角を模式的に示す図面である。
【００８１】
工程Ｓ１２０では、異種基板１４１を準備する。引き続く説明では、異種基板１４１は例えばサファイアからなる。図５（ａ）に示されるように、異種基板１４１の主面１４１ａの法線Ｎは、そのｃ軸と角度γを成す。実施例では、角度γは角度αの範囲内で選択される。
【００８２】
工程Ｓ１２１では、マスクのための誘電体膜を異種基板１４１の主面１４１ａ上に成長する。この誘電体膜の膜厚は例えば１０ナノメートル以上であることができ、また５００ナノメートルであることができる。次いで、図５（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１２２では、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、誘電体膜の加工によりマスク１４３を形成する。本実施例では、マスク１４３はストライプ１４３ａを含む。好適な実施例では、ストライプ１４３ａは、テンプレート上に成長される窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する方向に延在し、また該ｃ軸の傾斜方向に配列されている。工程Ｓ１２３では、マスク１４３を用いて異種基板１４１をエッチングして、支持体１４５を形成する。エッチングはドライエッチングを用いることができる。このエッチングにより異種基板１４１の主面１４１ａに凹部１４７が形成される。支持体１４５には、ストライプ１４３ａ及び凹部１４７が交互に配列されている。ストライプ１４３ａは支持体１４５の主面１４５ａを覆っている。凹部１４７は、テンプレート上に成長される窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する方向に延在し、また該ｃ軸の傾斜方向に配列されている。凹部１４７は、第１及び第２の側面１４７ａ、１４７ｂを含み、第１の側面１４７ａは所定の面方位を有し、第２の側面１４７ｂは、第１の側面１４７ａに所定の面方位が形成されるような面方位に形成される。第１の側面１４７ａの面方位は、後の工程において成長される窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜角を規定する。異種基板１４１がサファイアからなるとき、第１の側面１４７ａは｛０００１｝面からなり、第２の側面１４７ｂはファセット面からなる。図５（ｃ）に示されるように、第１の側面１４７ａはｃ軸Ｃｘと交差し、本実施例ではｃ軸Ｃｘにほぼ直交する。
【００８３】
工程Ｓ１２４では、図６（ａ）に示されるように、第２の側面１４７ｂを覆うように第２の側面１４７ｂ上に絶縁膜１４９を形成すると共に、第１の側面１４７ａを覆うこと無く第１の側面１４７ａを露出させる。この絶縁膜１４９の選択形成は、例えば膜の堆積、フォトリソグラフィ及びエッチングにより行われる。この絶縁膜の膜厚は例えば１０ナノメートル以上であることができ、また５００ナノメートル以下であることができる。
【００８４】
工程Ｓ１２５では、支持体１４５上にマスク１４３を覆うように一体の窒化ガリウム系半導体を成長して、単結晶の半導体領域を形成する。この半導体領域の形成は、凹部１４７の第１の側面１４７ａへのエピタキシャル成長によって行われる。工程Ｓ１２５−１では、図６（ｂ）に示されるように、比較的低温、例えば摂氏５００度程度で、凹部１４７を埋める程度に窒化ガリウム系半導体を成長する。この成長では、個々の凹部１４７において、窒化ガリウム系半導体は側面１４７ａにエピタキシャルに成長されるので、この窒化ガリウム系半導体のｃ軸は支持体１４５の主面に対して角度γ程度で傾斜している。次いで、工程Ｓ１２５−２では、図６（ｃ）に示されるように、比較的高温、例えば摂氏１１００度程度で、凹部１４７を埋めた窒化ガリウム系半導体の結晶軸を引き継いで、同じ種類の窒化ガリウム系半導体を成長する。この成長は、工程Ｓ１２５−１における成長に比べて、窒化ガリウム系半導体の横方向成長を促進する条件で行われる。これらの工程によって、支持体１４５上にマスク１４３及び絶縁膜１４９を覆うように単結晶の半導体領域１５１を形成する。望ましい実施例では、単結晶の半導体領域１５１はＧａＮからなることができ、このテンプレートをＧａＮテンプレートと呼ぶ。
【００８５】
異種基板１４１の材料は、サファイアに限定されることなく、スピネル、酸化亜鉛、炭化シリコン、シリコン及び酸化ガリウムのいずれかからなることができる。これらの材料は、６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜する主面の半導体領域をテンプレートに提供できる。図７は、異種基板の主面とその材料の結晶軸との関係を示す図面である。図７（ａ）を参照すると、シリコンでは、結晶軸＜１１１＞が主面の法線Ｎと角度γを成す。結晶軸＜１１１＞は＜−１０１＞軸の方向に角度γで傾斜される。シリコンに凹部を形成するためにエッチャントは例えばＫＯＨであることができる。図７（ｂ）を参照すると、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣでは、結晶軸＜０００１＞が主面の法線Ｎと角度γを成す。結晶軸＜０００１＞は＜１−１００＞軸の方向に角度γで傾斜される。４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣに凹部を形成するためにドライエッチングを施すことができる。図７（ｃ）を参照すると、３Ｃ−ＳｉＣでは、結晶軸＜１１１＞が主面の法線Ｎと角度γを成す。結晶軸＜１１１＞は＜−１０１＞軸の方向に角度γで傾斜される。３Ｃ−ＳｉＣに凹部を形成するためにドライエッチングを施すことができる。図７（ｄ）を参照すると、ＺｎＯでは、結晶軸＜０００１＞が主面の法線Ｎと角度γを成す。結晶軸＜０００１＞は＜１−１００＞軸の方向に角度γで傾斜される。ＺｎＯに凹部を形成するためにエッチャントは例えば硝酸であることができる。図７（ｅ）を参照すると、スピネルでは、結晶軸＜１１１＞が主面の法線Ｎと角度γを成す。結晶軸＜１１１＞は＜−１０１＞軸の方向に角度γで傾斜され。スピネルに凹部を形成するためにドライエッチングを施すことができる。図７（ｆ）を参照すると、β−Ｇａ２Ｏ３では、そのｃ軸が主面と角度γを成す。ｃ軸はａ軸に対して１０３．７度の角度を成す。β−Ｇａ２Ｏ３に凹部を形成するためにエッチャントは例えばフッ酸であることができる。
【００８６】
このテンプレートを用いて、窒化ガリウム系半導体光素子のためのエピタキシャル基板が提供される。エピタキシャル基板は、上記の窒化ガリウム系半導体光素子のためのテンプレートと、このテンプレート上に設けられた窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域と、この窒化ガリウム系半導体エピタキシャル領域上に設けられ活性層のための半導体エピタキシャル層とを備える。テンプレートを用いて、窒化ガリウム系半導体と異なる材料の異種基板上に設けられＩｎ偏析による発光特性の低下を抑制可能な窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
【００８７】
（実施例１）
実施例１では、予備的な実験としてＧａＮテンプレートに替えて、ＧａＮウエハを用いた。発明者らの知見によれば、ＧａＮウエハを用いた実験は、ＧａＮテンプレートを用いた実験と同様な結果を提供できる。ＧａＮウエハＳ１及びＧａＮウエハＳ２を準備した。ＧａＮウエハＳ１の主面は六方晶系ＧａＮにおけるｃ面からなる。ＧａＮウエハＳ２の主面は、六方晶系ＧａＮにおけるｍ軸方向にｃ面から７５度の角度で傾斜しており、この傾斜面は（２０−２１）面として示される。いずれの主面も鏡面研磨されている。ウエハＳ２の主面では、−３度以上＋３度以下の範囲の角度で（２０−２１）面からオフ角が分布している。
【００８８】
ＧａＮウエハＳ１及びＧａＮウエハＳ２上に、有機金属気相成長法により、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層及びアンドープＩｎＧａＮ層をエピタキシャルに成長して、図８に示されるエピタキシャル基板Ｅ１、Ｅ２を作製した。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）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）を用いた。
【００８９】
成長炉内にウエハＳ１、Ｓ２を設置した。これらのウエハ上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。摂氏１０５０度の温度及び２７ｋＰａの炉内圧力において、ＮＨ３とＨ２を流しながら１０分間熱処理を行った。この熱処理温度として、例えば摂氏８５０度以上１１５０度以下の温度を用いることができる。また、熱処理の雰囲気として、ＮＨ３とＨ２等の組み合わせを用いることができる。この熱処理による表面改質によって、ウエハＳ２の表面に、オフ角によって規定されるテラス構造が形成される。
【００９０】
この熱処理の後に、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、摂氏１０００度においてＳｉドープしたＧａＮ層６１ａ、６１ｂを成長した。ＧａＮ層６１ａ、６１ｂの厚さは例えば２マイクロメートルである。次いで、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、摂氏７５０度の基板温度でアンドープＩｎＧａＮ層６３ａ、６３ｂを成長した。ＩｎＧａＮ層６３ａ、６３ｂの厚さは２０ｎｍである。また、モル比はＶ／III＝７３２２であり、成長炉圧力は１００ｋＰａである。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャル基板Ｅ１、Ｅ２を作製した。
【００９１】
エピタキシャル基板Ｅ１、Ｅ２のＸ線回折測定を行った。スキャンはω−２θ法を用いて行われた。Ｘ線の回折角が結晶の格子定数を反映するので、例えばＩｎＧａＮ３元混晶の各元素のモル分率を測定できる。
【００９２】
また、エピタキシャル基板Ｅ１、Ｅ２では、ウエハの主面のオフ角が互いに異なるので、Ｘ線回折測定を行う際に、それぞれのウエハの主面のオフ角に合わせた位置に、Ｘ線入射装置、試料台、Ｘ線検出装置を配置した。
【００９３】
具体的には、エピタキシャル基板Ｅ１では［０００１］方向に軸立てを行った。回折結果を理論計算とフィッティングして、ＩｎＧａＮ中のＩｎ組成が決定される。この面方位では、ウエハ主面の法線方向［０００１］と測定の軸立て方向［０００１］が一致するので、理論計算から得られた値がそのまま実際の組成として使用できる。
【００９４】
エピタキシャル基板Ｅ２では［１０−１０］方向に軸立てを行う。この軸立てで、ウエハ主面｛２０−２１｝面に対して１５度だけ傾斜してＸ線が入射するので、Ｘ線回折からの値は、Ｉｎ組成を過小に見積もっている。このため、実験結果を理論計算とフィッティングする際に、［１０−１０］方向からの傾きに応じて測定値を補正する必要がある。この補正により、ＩｎＧａＮ中のＩｎ組成が決定される。
【００９５】
図９は、Ｘ線回折結果及び理論計算の結果を示す図面である。図９（ａ）を参照すると、エピタキシャル基板Ｅ１の実験結果ＥＸ１及び理論計算結果ＴＨ１が示されている。図９（ｂ）を参照すると、エピタキシャル基板Ｅ２の実験結果ＥＸ２及び理論計算結果ＴＨ２が示されている。エピタキシャル基板Ｅ１のＩｎ組成は２０．５パーセントであり、一方、エピタキシャル基板Ｅ２のＩｎ組成は１９．６パーセントである。この実験結果は、ＧａＮのｃ面に比べてＧａＮ（２０−２１）面が同等のＩｎ取り込みであることを示している。このことは、例えば発光ダイオードや、半導体レーザダイオード等の光デバイスの作製において、高いＩｎ組成を必要とする長波長の発光素子に好適である。また、同じＩｎ組成であれば、ＩｎＧａＮの成長温度を高めることが可能であり、発光層の結晶性を向上できる。
【００９６】
（実施例２）
図１０に示される工程に従って、有機金属気相成長法により、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）にそれぞれ示される発光ダイオード構造（ＬＥＤ１、ＬＥＤ２）のエピタキシャル基板をＧａＮテンプレートＳ３及びＧａＮテンプレートＳ４上に作製した。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）を用いた。
【００９７】
ＧａＮテンプレートＳ３及びＳ４を準備した。本実施例では、ＧａＮテンプレートＳ３及びＳ４の支持体の導電性材料は、例えばシリコンからなる。工程Ｓ１０１では、六方晶系ＧａＮにおけるｃ面からなる主面を有するＧａＮテンプレートＳ３が準備された。工程Ｓ１０２では、６３度から８０度未満の傾斜角の範囲内の傾斜角に該当するＧａＮテンプレートＳ４が準備された。本実施例では、ＧａＮテンプレートＳ４は、六方晶系ＧａＮにおけるｍ軸方向にｃ面から７５度の角度で傾斜したＧａＮ主面を有しており、この傾斜面は（２０−２１）面として示される。
【００９８】
テンプレートＳ３、Ｓ４上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。まず、工程Ｓ１０３では、テンプレートＳ３、Ｓ４を成長炉内に設置した。工程Ｓ１０４では、ＧａＮ系半導体領域が成長される。例えば、摂氏１１００度において、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ＳｉドープＧａＮ層６５ｂを成長した。ＧａＮ層６５ｂの厚さは例えば５マイクロメートルである。次いで、摂氏８５０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ＳｉドープＩｎＧａＮ層６７ｂを成長した。ＩｎＧａＮ層６７ｂの厚さは１００ｎｍである。ＩｎＧａＮ層６７ｂのＩｎ組成は例えば０．０２である。
【００９９】
工程Ｓ１０５では、活性層を成長する。工程Ｓ１０６では、摂氏８７０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給して、この成長温度Ｔ１でアンドープＧａＮ障壁層６９ｂを成長した。ＧａＮ層６９ｂの厚さは１５ｎｍである。工程Ｓ１０７では、成長後に、成長を中断して、摂氏８７０度から摂氏７６０度に基板温度を変更する。変更後に、工程Ｓ１０８では、この成長温度Ｔ２で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層７１ｂを成長した。ＩｎＧａＮ井戸層７１ｂの厚さは３ｎｍである。ＩｎＧａＮ層７１ｂのＩｎ組成は例えば０．２５である。井戸層７１ｂにおいては、発光波長に応じてＩｎ流量を変更している。ＩｎＧａＮ井戸層７１ｂの成長後に、ＴＭＩの供給を停止した。工程Ｓ１０９では、ＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給しながら、摂氏７６０度から摂氏８７０度に基板温度を変更した。この変更中にも、アンドープＧａＮ障壁層７３ｂの一部が成長されている。変更後に、工程Ｓ１１０で、アンドープＧａＮ障壁層７３ｂの残りを成長した。ＧａＮ障壁層７３ｂの厚さは１５ｎｍである。工程Ｓ１１１では、障壁層の成長、温度変更、井戸層の成長、を繰り返して、ＩｎＧａN井戸層（７５ｂ、７９ｂ）、ＧａＮ障壁層（７７ｂ、８１ｂ）を形成した。
【０１００】
工程Ｓ１１２では、ＧａＮ系半導体領域が成長される。例えば、ＧａＮ障壁層８１ｂの成長後に、ＴＭＧの供給を停止して、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層８３ｂを成長した。電子ブロック層８３ｂのＡｌ組成は例えば０．１８であり、電子ブロック層８３ｂは例えば２０ｎｍであった。この後に、ＴＭＡの供給を停止して、ｐ型ＧａＮコンタクト層８５ｂを成長した。ｐ型ＧａＮコンタクト層８５ｂは例えば５０ｎｍであった。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャル基板Ｅ４を作製した。本実施例におけるｐ型領域の成長温度は、ｃ面上へのｐ型領域の成長に最適な成長温度に比べて１００度ほど低い。発明者らの実験により、以下のことが確認されている：本オフ角範囲内の基板上に成膜した活性層はｐ層成長時の昇温に敏感で劣化しやすく、ｃ面へのｐ型領域の成長に最適な温度では、特に長波長の活性層を成長した際にマクロな暗領域が広がる。ここで、暗領域は蛍光顕微鏡像における非発光領域を意味する。ｐ層成長温度を下げることにより、ｐ層成長時の昇温による暗領域の広がりを防ぐことができた。
【０１０１】
次いで、テンプレートＳ３についても同じ成膜条件を用いて、ＳｉドープＧａＮ層（厚さ：５マイクロメートル）６５ａ、ＳｉドープＩｎＧａＮ層（厚さ：１００ｎｍ）６７ａ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（厚さ：２０ｎｍ）８３ａ及びｐ型ＧａＮコンタクト層（厚さ：５０ｎｍ）８５ａを成長した。活性層は、ＩｎＧａｎ井戸層（厚さ：３ｎｍ）７１ａ、７５ａ、７９ａ、ＧａＮ障壁層（厚さ：１５ｎｍ）６９ａ、７３ａ、７７ａ、８１ａを含む。コンタクト層の成長後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャル基板Ｅ３を作製した。
【０１０２】
工程Ｓ１１３では、エピタキシャル基板Ｅ３、Ｅ４上に電極を形成した。まず、エッチング（例えば、ＲＩＥ）によりメサ形状を形成した。メサ形状のサイズは例えば一辺４００μｍ角である。次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層８５ａ、８５ｂ上にｐ透明電極（Ｎｉ／Ａｕ）８７ａ、８７ｂを形成した。この後に、ｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成した。テンプレートＳ３、Ｓ４のＳｉドープＧａＮ層６５ａ、６５ｂは、エッチングによる除去によって形成された露出面６５ｃ、６５ｄにｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）８９ａ、８９ｂを形成した。電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）の手順で行った。これの工程により、発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２が得られた。
【０１０３】
発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２に電流を印加して、エレクトロルミネッセンススペクトルを測定した。電極サイズは４００マイクロメートル角であり、印加電流は１２０ｍＡである。図１２は、発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２のエレクトロルミネッセンススペクトルを示す図面である。スペクトルＥＬＣ、ＥＬＭ７５が示されている。これらのスペクトルのピーク波長は同程度であり、スペクトルＥＬＭ７５のピーク強度がスペクトルＥＬＣのピーク強度の２倍以上であり、またスペクトルＥＬＭ７５の半値全幅がスペクトルＥＬＣの半値全幅の半分以下である。発光ダイオード構造ＬＥＤ２の光出力が高く、また半値全幅が小さい。これらは、優れた色純度を示すと共に、また他の色の発光と混ぜ合わせた際の演色性を高めることができる。ＬＥＤモードにおける発光の半値全幅が小さく、これは、レーザダイオードのしきい値を低くすることに非常に有効である。
【０１０４】
図１３は、エピタキシャル基板Ｅ３、Ｅ４のカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図面である。図１３（ａ）を参照すると、エピタキシャル基板Ｅ３のカソードルミネッセンス像が示されている。図１３（ａ）の発光像にはムラがあり、発光に寄与していない暗領域が広いことがわかる。この発光の不均一は、エピタキシャル基板Ｅ３の活性層におけるＩｎ偏析に因ると考えられる。ｃ面基板を用いるエピタキシャル基板では、発光波長が長くになるにつれて、発光の不均一の程度は顕著になる。これ故に、ｃ面基板を用いる発光素子では、発光が長波長になるほど、光出力が低下し、また発光スペクトルの半値全幅も大きくなる。
【０１０５】
図１３（ｂ）を参照すると、エピタキシャル基板Ｅ４のカソードルミネッセンス像が示されている。図１３（ｂ）の発光像は、図１３（ａ）の発光像に比べて発光の均一性に優れる。故に、エピタキシャル基板Ｅ４では、ＩｎＧａＮ層のＩｎ偏析が小さいと考えられる。このため、発光素子の発光強度が大きく、発光半値幅も小さくなる。また、テンプレートＳ４上に作製された発光素子では、長波長の発光における光出力の低下が小さく、また長波長の発光スペクトルにおける半値幅の増大も小さい。
【０１０６】
図１４は、発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２において発光波長と電流注入量との関係の測定を示す図面である。図１４を参照すると、発光ダイオード構造ＬＥＤ１では、電流注入量を増やすにつれて発光波長が次第に短波長にシフトする。これに対して、発光ダイオード構造ＬＥＤ２では、少ない電流注入量のとき僅かに発光波長が短波長にシフトした後は、発光波長は、ほとんど電流量の増加に対して変化しない。このことは、発光ダイオードへの印加電流量を変えて発光ダイオードの発光強度を変更する際に、発光波長の変動がほとんどないことを示している。つまり、発光ダイオード構造ＬＥＤ２では、ＬＥＤモードにおける発光ピーク波長の電流依存性が低減される。
【０１０７】
光励起による発光測定では、発光ダイオード構造ＬＥＤ１（ｃ面）の発光波長は５５０ｎｍであり、発光ダイオード構造（７５度オフ）ＬＥＤ２の発光波長は５０５ｎｍであった。光励起されている発光ダイオード構造の内部状態は、非常に少ない電流が注入されている発光ダイオード構造の内部状態に相当する。
【０１０８】
電流注入に対する発光波長の依存性と光励起による発光測定結果から、以下のことを意味している：発光ダイオード構造ＬＥＤ２では、印加電圧を徐々に大きくしていったときに、非常に小さい発光（実用的な面では「光り出す前」）において発光波長のシフトが実質的に完了しており、十分な強度の発光が生じた後にはほとんど発光波長がシフトしない。
【０１０９】
ｃ面上の活性層におけるピエゾ電界は、ＧａＮ系半導体のｍ軸の方向にｃ面から６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜したＧａＮ系半導体面上に設けられた活性層におけるピエゾ電界に比べて大きい。図１４に示される特性から、発光ダイオード構造ＬＥＤ２におけるピエゾ電界の向きは、発光ダイオード構造ＬＥＤ１におけるピエゾ電界の向きと逆である。また、電流注入の際の電界方向は、発光ダイオード構造ＬＥＤ２におけるピエゾ電界の方向と反対である。図１５は、非特許文献１及び２に示された計算結果を示す図面である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）におけるピエゾ電界を表す曲線において正負が異なるのは、電界の方向の定義の問題である。また、曲線の傾きや曲率が異なるのは、計算に用いたパラメータが異なるためである。
【０１１０】
（実施例３）
ｃ面からｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した主面を有するＧａＮテンプレートＳ５、Ｓ６上に、発光ダイオード構造ＬＥＤ３、ＬＥＤ４を作製した。発光ダイオード構造ＬＥＤ３、ＬＥＤ４の発光波長は互いに異なる。発光ダイオード構造ＬＥＤ３、ＬＥＤ４における発光波長の変更は、井戸層のＩｎ組成を変更することによって行った。Ｉｎ組成の変更のために、井戸層の成長時にＩｎ原料（例えばＴＭＩ）の流量を変えた。この活性層の変更を除いて、発光ダイオード構造ＬＥＤ３、ＬＥＤ４の作製は発光ダイオード構造ＬＥＤ２と同じである。
【０１１１】
図１６は、異なるＩｎ組成を有する井戸層の発光ダイオード構造のエレクトロルミネッセンスを示す図面である。発光ダイオード構造ＬＥＤ３の井戸層は例えばＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎであり、発光ダイオード構造ＬＥＤ４の井戸層は例えばＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎである。発光ダイオード構造ＬＥＤ３（ピーク波長：４６０ｎｍ）及び発光ダイオード構造ＬＥＤ４（ピーク波長：４８２ｎｍ）を比べると、これらの波長において発光強度の差や半値全幅の差が観察されない。これは、高効率の長波長の発光素子を作製するために非常に好適なことである。
【０１１２】
図１７は、ＩｎＧａＮ井戸層の発光ダイオード及びＡｌＧａＩｎＰ井戸層の発光ダイオードにおける外部量子効率並びに人間の視感度曲線を示す図面である。長波長の光を発生する発光ダイオード構造を得るために、大きなＩｎ組成の井戸層を作製する。発明者らの知見によれば、図１７に示されるように、ｃ面ＧａＮ基板上の発光ダイオード構造では、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成の増加に伴ってＩｎＧａＮの結晶性が低下する。この結晶性の低下により、発光強度は低下すると共に、スペクトルの半値全幅も大きくなる。特に５００ｎｍを越える長波長領域では、高い外部量子効率の発光ダイオードといった発光素子を作製できない。
【０１１３】
既に説明したように、発光素子はＩｎ元素を含むＧａＮ系半導体井戸層を含んでおり、このＧａＮ系半導体井戸層は、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ｃ面を基準にして傾斜したＧａＮ系半導体面上に成長されている。この発光素子によれば、発光強度の差や半値全幅の差が観察されない。これは、高効率の長波長の発光素子を作製するために非常に好適なことである。
【０１１４】
（実施例４）
ＧａＮテンプレートＳ４と同等の品質のＧａＮテンプレートＳ５上に、図１８に示されるレーザダイオード構造（ＬＤ１）のエピタキシャル基板を作製した。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）を用いた。
【０１１５】
６３度から８０度未満の傾斜角の範囲内の傾斜角に該当するＧａＮテンプレートＳ５が準備された。ＧａＮテンプレートＳ５は、六方晶系ＧａＮにおけるｍ軸方向にｃ軸に直交する平面から７５度の角度で傾斜した主面を有しており、この傾斜面は（２０−２１）面として示される。テンプレートＳ５上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。
【０１１６】
まず、テンプレートＳ５を成長炉内に設置した。このテンプレート上にＧａＮ系半導体領域が成長される。例えば、摂氏１１５０度において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ｎ型クラッド層８９を成長した。ｎ型クラッド層８９は、例えばＳｉドープＡｌＧａＮ層である。ＡｌＧａＮ層の厚さは例えば２マイクロメートルであり、そのＡｌ組成は例えば０．０４であった。
【０１１７】
次いで、摂氏８３０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、光ガイド層９１ａを成長した。光ガイド層９１ａは、例えばアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層からなり、その厚さは１００ｎｍである。
【０１１８】
次いで、活性層９３を成長する。摂氏８７０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給して、この成長温度Ｔ１でＧａＮ系半導体障壁層９３ａを成長した。障壁層９３ａは、例えばアンドープＧａＮであり、その厚さは１５ｎｍである。障壁層の成長後に、成長を中断して、摂氏８７０度から摂氏８３０度に基板温度を変更する。変更後の成長温度Ｔ２で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層９３ｂを成長した。その厚さは３ｎｍである。井戸層の成長後に、ＴＭＩの供給を停止すると共に、ＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給しながら、摂氏８３０度から摂氏８７０度に基板温度を変更した。この変更中にも、アンドープＧａＮ障壁層９３ａの一部が成長されている。温度の変更が完了した後に、アンドープＧａＮ障壁層９３ａの残りを成長した。ＧａＮ障壁層９３ａの厚さは１５ｎｍである。続けて、障壁層の成長、温度変更、井戸層の成長、を繰り返して、ＩｎＧａＮ井戸層９３ｂ、ＧａＮ障壁層９３ａを形成した。
【０１１９】
摂氏８３０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、活性層９３上に光ガイド層９１ｂを成長した。光ガイド層９１ｂは、例えばアンドープのＩｎＧａＮ層からなる。光ガイド層９１ｂの厚さは１００ｎｍであり、そのＩｎ組成は０．０２であった。
【０１２０】
光ガイド層９１ｂ上に、ＧａＮ系半導体領域が成長される。光ガイド層９１ｂの成長後に、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止して、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、電子ブロック層９５及びｐ型クラッド層９７を成長した。電子ブロック層９５は例えばＡｌＧａＮであった。電子ブロック層９５の厚さは例えば２０ｎｍであり、Ａｌ組成は０．１２であった。ｐ型クラッド層９７は例えばＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎであった。ｐ型クラッド層９７の厚さは例えば４００ｎｍであり、そのＡｌ組成は０．０６であった。この後に、ＴＭＡの供給を停止して、ｐ型コンタクト層９９を成長した。ｐ型コンタクト層９９は例えばＧａＮからなり、その厚さ例えば５０ｎｍであった。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャル基板Ｅ５を作製した。
【０１２１】
エピタキシャル基板Ｅ５上に電極を形成した。まず、シリコン酸化膜といった絶縁膜１０１を堆積し、この絶縁膜にフォトリソグラフィ及びエッチングによりコンタクト窓を形成した。コンタクト窓は、例えばストライプ形状であり、その幅は例えば１０マイクロメートルである。次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層９９上にｐ電極（Ｎｉ／Ａｕ）１０３ａを形成した。この後に、ｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成した。ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）１０３ｂをエピタキシャル基板Ｅ５の裏面に形成した。電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）の手順で行って基板生産物を作製した。これの工程の後に、８００マイクロメートル間隔で基板生産物を切断して、ゲインガイド型レーザダイオードＬＤ５が得られた。しきい値電流は５ｋAｃｍ−２であった。そのときの発振波長は４０５ｎｍであった。この半導体レーザでは、ＬＥＤモードにおける発光のスペクトルの半値全幅が小さい。また、この半導体レーザのＩｎＧａＮ層のＩｎ偏析は小さい。なお、テンプレートＳ５の支持体が導電性を持たないとき、ｎ電極１０３ｂは、エッチング等により部分的に露出されたテンプレートＳ５の露出面にオーミック接触を成すように設けられる。
【０１２２】
（実施例５）
実施例５では、予備的な実験としてＧａＮテンプレートに替えて、再びＧａＮウエハを用いた。発明者らの知見によれば、ＧａＮウエハを用いた実験は、ＧａＮウエハの面方位と同じ面方位のＧａＮテンプレートを用いた実験と同様な結果を提供できる。様々なオフ角のＧａＮウエハ上にＩｎＧａＮを堆積して、そのＩｎＧａＮのＩｎ組成を測定した。図１９は、ｍ軸方向へｃ軸から取られた様々な傾斜角（オフ角）を有するＧａＮ主面上に堆積されたＩｎＧａＮのＩｎ組成とオフ角との関係を示す図面である。プロットＰ１〜Ｐ４におけるオフ角を示す：
プロットＰ１：６３度
プロットＰ２：７５度
プロットＰ３：９０度（ｍ面）
プロットＰ４：４３度
プロットＰ５：０度（ｃ面）
Ｉｎ組成は、プロットＰ５（ｃ面）からプロットＰ４までオフ角の増加と共に単調に減少している。一方、プロットＰ１、Ｐ２では、プロットＰ５（ｃ面）と同等のＩｎ取り込みを示している。プロットＰ３（ｍ面）も、優れたＩｎ取り込みを示すけれども、８０度以上のオフ角ではＩｎ偏析が大きくなり、長波長化に伴う発光強度の低下という不具合がある。
【０１２３】
図２０（ａ）を参照しながら、６３度以上８０度未満の範囲内のオフ角βを有するＧａＮ系半導体面上へのＩｎ含有のＧａＮ系半導体の堆積を模式的に説明する。上記の傾斜角範囲のオフ角の半導体表面、例えば｛２０−２１｝面付近の表面には、｛１０−１１｝面からなるテラスＴ１とｍ面からなるテラスＴ２とが現れている。半導体表面はこれらのテラスＴ１、Ｔ２からなる微細なステップで構成される。発明者らの実験によると、ｍ面だけでなく｛１０−１１｝面におけるＩｎ取り込みは、ｃ面におけるＩｎ取り込みと同等、或いはｃ面におけるＩｎ取り込みより優れている。また、Ｉｎ取り込みを高めるためには、ＩｎＮの島状成長が可能になる十分な大きさのテラス幅が必要である。
【０１２４】
１０度から５０度の範囲のオフ角では、｛１０−１１｝面からなるテラスＴ４とｃ面からなるテラスＴ５とが現れている。半導体表面はこれらのテラスＴ４、Ｔ５からなる微細なステップで構成される。この角度範囲では、オフ角が大きくなるほどテラスＴ４、Ｔ５の幅が小さくなり、これ故に、図１９に示されるように、１０度から５０度の範囲のオフ角の半導体表面では、Ｉｎの取り込みが小さい。これは、ｃ面と｛１０−１１｝面からなるステップが半導体表面に形成されていると、テラスＴ４、Ｔ５上でＩｎが取り込まれる。しかしながら、テラスＴ４、Ｔ５から構成されるテラスエッジ（ステップ端）Ｔ６に現れる化学結合のボンドの視点から検討すると、テラスエッジＴ６ではＩｎ原子が取り込まれない。
【０１２５】
一方、発明者らの実験によれば、テラスＴ１、Ｔ２からなるマイクロステップ構造ではＩｎの取込能が良好である。これはテラスＴ１、Ｔ２上だけではなく、テラスＴ１、Ｔ２から構成されるテラスエッジ（ステップ端）Ｔ３でもＩｎが効率よく取り込まれる。テラスエッジＴ３に現れる化学結合のボンドの視点からの検討によって裏付けられる。取り込まれたＩｎは、アンモニア雰囲気中における熱処理（井戸層の成長と障壁層の成長との間の温度上昇）工程において、半導体表面から脱離する可能性が下がる。故に、例えばＩｎＧａＮからなる井戸層を成膜温度Ｔ１で成長した後に障壁層の成長温度Ｔ２に昇温する際に井戸層の表面を炉内の雰囲気に露出させても、井戸層の表面から脱離するＩｎ量を低減できる。
【０１２６】
５０度を越えるオフ角の範囲であり実施例の｛２０−２１｝面に代表される半導体表面は、優れたＩｎ取り込み能力を示す。また、この半導体表面に成長された活性層からの発光像は、良好な均一性を有する。その発光スペクトルの半値幅は狭く、発光素子の光出力も高い。また、長波長の発光を可能にするためにＩｎ組成を増加した井戸層を作製しても、発光効率の低下が小さい。故に、本実施の形態に係る光素子及びその作製方法は、ＩｎＧａＮ層を含む光素子を実現する際に、非常に有効な特性を持つ。
【０１２７】
ＧａＮ系半導体膜を成長する方法は、図２０（ａ）に示されるように、複数のマイクロステップを有する表面を有するＧａＮ系半導体領域Ｂを準備する工程と、構成元素としてＩｎを含むＧａＮ系半導体膜Ｆをマイクロステップ表面上に成長する。マイクロステップは、主要な構成面として少なくともｍ面及び｛１０−１１｝面を含む。或いは、ＧａＮ系半導体膜を成長する方法は、ＧａＮ系半導体からなり主面を有する半導体エピタキシャル領域Ｂを成長する工程と、構成元素としてＩｎを含むＧａＮ系半導体膜Ｆを半導体エピタキシャル領域Ｂの主面上に成長する。半導体エピタキシャル領域Ｂの主面は、ＧａＮ系半導体のｃ軸に沿って延び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。
【０１２８】
マイクロステップ構造の一例を示す。マイクロステップ構造の高さは、例えば０．３ｎｍ以上であり、例えば１０ｎｍ以下である。その幅は、例えば０．３ｎｍ以上であり、例えば５００ｎｍ以下である。その密度は、例えば２×１０４ｃｍ−１以上であり、例えば３．３×１０７ｃｍ−１以下である。
【０１２９】
６３度以上８０度未満の範囲のオフ角では、小さいＩｎ偏析が実現される理由を以下のように説明できる。ｃ面、ｍ面（非極性面）、｛１１−２２｝面及び｛１０−１１｝面等の安定面からなる大きなテラスでは、Ｉｎのマイグレーションが可能である。それ故に、原子半径の大きなＩｎ原子がマイグレーションにより集まり、この結果、Ｉｎ偏析が生じる。図１３（ａ）に示されるように、ｃ面上のカソードルミネッセンス像は不均一な発光を示す。一方、６３度以上８０度未満の範囲内のオフ角に対応する結晶面、例えば｛２０−２１｝面ではテラスＴ１、Ｔ２のテラス幅が狭いので、ＩｎがテラスＴ１、Ｔ２上で取り込まれたとき十分なＩｎマイグレーションは生じない。また、テラスエッジＴ３で取り込まれたときも同様に、十分なＩｎマイグレーションは生じない。このため、原子の堆積時にＩｎが吸着された場所で結晶に取り込まれる。堆積において、Ｉｎがランダムに吸着されるので、図１３（ｂ）に示されるように、｛２０−２１｝面上のカソードルミネッセンス像は均一な発光を示す。
【０１３０】
ｃ面及びｍ面では、図１９に示されるように、良好なＩｎ取り込みを示す。しかしながら、大きなＩｎ偏析が生じ、特に大きなＩｎ組成においてＩｎ偏析が増加して、不均一な発光像に起因する非発光領域が増加する。活性層のＩｎ組成の増加により、発光スペクトルの半値全幅が広くなる。一方、ｃ面と｛１０−１１｝面との間のオフ角では、図１９に示されるように、Ｉｎ取り込みがｃ面に比べて低下する。しかしながら、｛１０−１１｝面とｍ面との間のオフ角では、図１９に示されるように、Ｉｎ取り込みがｃ面に比べて良好であり、またＩｎ偏析も小さい。
【０１３１】
以上説明したように、｛２０−２１｝面によって代表される結晶面のオフ角の範囲は、良好なＩｎ取り込み性を示し、小さなＩｎ偏析を示す。故に、非常に結晶性の良いＩｎＧａＮを成長することができ、発光波長に応じて、これまでに比べて広い範囲でＩｎ組成を変更できる。故に、良好な光素子を作製することができる。
【０１３２】
上記の説明は、｛２０−２１｝面を参照しながら行われたけれども、｛２０−２−１｝面についても同様に当てはまる。また、上記の説明に記載された｛２０−２１｝面、｛１０−１１｝面、ｍ面といった結晶面及び結晶方位は、その記載自体により特定されるものだけでなく、結晶学的に等価な面及び方位ものも示している。例えば｛２０−２１｝面とは（０２−２１）面、（０−２２１）面、（２−２０１）面、（−２０２１）面、（−２２０１）面の結晶学的に等価な面も代表する。
【０１３３】
（実施例６）
図２１は、本実施例における半導体レーザを概略的に示す図面である。図２１に示される半導体レーザを以下のように作製した。まず、（２０−２１）面を有するＧａＮテンプレート１１０を準備した。このＧａＮテンプレートのＧａＮ半導体領域の主面（２０−２１）面上に以下の半導体層をエピタキシャル成長した。
ｎ型クラッド層１１１：ＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ、成長温度９００度、厚さ２μｍ、Ａｌ組成０．１４、Ｉｎ組成０．０３；
光ガイド層１１２ａ：アンドープＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ２５０ｎｍ；
光ガイド層１１２ｂ：アンドープＩｎＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ１００ｎｍ、Ｉｎ組成０．０３；
活性層１１３；
障壁層１１３ａ：アンドープＧａＮ、成長温度８７０度、厚さ１５ｎｍ；
井戸層１１３ｂ：アンドープＩｎＧａＮ、成長温度７３０度、厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成０．３０；
光ガイド層１１４ｂ：アンドープＩｎＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ１００ｎｍ、Ｉｎ組成０．０３；
電子ブロック層１１５：ＭｇドープＡｌＧａＮ、成長温度１０００度、厚さ２０ｎｍ、Ａｌ組成０．１２；
光ガイド層１１４ａ：アンドープＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ２５０ｎｍ；
ｐ型クラッド層１１６：ＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ、成長温度９００度、厚さ４００ｎｍ、Ａｌ組成０．１４、Ｉｎ組成０．０３；
ｐ型コンタクト層１１７：ＭｇドープＧａＮ、成長温度９００度、厚さ５０ｎｍ。
【０１３４】
ｐ型コンタクト層１１７上に、シリコン酸化膜といった絶縁膜１１８を堆積した後に、フォトリソグラフィ及びウエットエッチングを用いて幅１０μｍのストライプ窓を形成した。このストライプ窓を介してｐ型コンタクト層１１７に接触するｐ−電極（Ｎｉ／Ａｕ）１１９ａを形成すると共に、パッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を蒸着した。ＧａＮテンプレート１１０の裏面には、ｎ−電極（Ｎｉ／Ａｌ）１１９ｂを形成すると共に、パッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を蒸着した。これらの工程によって作製された基板生産物を８００μｍ間隔で、共振器のための端面を形成した。共振器のための端面にはＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜からなる反射膜を形成して、ゲインガイド型レーザダイオードを作製した。このレーザダイオードの発振波長は５２０ｎｍで発振した。そのしきい値電流は７ｋＡ／ｃｍ２であった。なお、テンプレートＳ５の支持体が導電性を持たないとき、ｎ電極１０３ｂは、エッチング等により部分的に露出されたテンプレートＳ５の露出面にオーミック接触を成すように設けられる。
【０１３５】
再び予備的な実験としてＧａＮテンプレートに替えて、ＧａＮウエハを用いた。発明者らの知見によれば、ＧａＮウエハを用いた実験は、ＧａＮウエハの面方位と同じ面方位のＧａＮテンプレートを用いた実験と同様な結果を提供できる。｛２０−２１｝面を有するＧａＮ基板（ｍ面＋７５度オフＧａＮ基板）及び｛２０−２−１｝面を有するＧａＮ基板（ｍ面−７５度オフＧａＮ基板）を成長炉のサセプタ上に配置した。これらのＧａＮ基板上に同時に、発光素子のための半導体積層を成長した。活性層は量子井戸構造を有し、井戸層はＩｎＧａＮからなり、障壁層はＧａＮからなる。活性層の成長温度は８００度を用いた。
【０１３６】
図２２はｍ面＋７５度オフＧａＮ基板上の量子井戸構造のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルＰＬ＋７５、及びｍ面−７５度オフＧａＮ基板上の量子井戸構造のＰＬスペクトルＰＬ−７５を示す図面である。ＰＬスペクトルＰＬ＋７５のピーク波長は４２４ｎｍであり、ＰＬスペクトルＰＬ−７５のピーク波長は４５５ｎｍである。ピーク波長差は３０ｎｍ程度であり、これは、Ｎ面から傾斜を取った｛２０−２−１｝面のＩｎ取り込みが、Ｇａ面から傾斜を取った｛２０−２１｝面に比べて大きいことを示している。図１に示された基準軸Ｃｘの向きとして選ばれた［０００−１］軸に対して、基板主面の法線がｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角を成すとき、この基板主面は、良好なＩｎ取り込み能を示す。
【０１３７】
引き続き、ＧａＮ系半導体の成長について説明する。
１．ＧａＮ及びＩｎＧａＮの成長機構（安定面）
ＧａＮ及びＩｎＧａＮの成長機構について説明する。ＧａＮ系半導体の成長においては、結晶成長中に原子レベルで平坦な成長表面が形成されるような面方位、例えばｃ面があり、この面方位は「安定面」と呼ばれる。安定面へのＧａＮの成長機構は以下のようなものである。安定面上のＧａＮ成長では、成長表面は数１００ｎｍオーダーの大きなテラス幅を持ったマクロな原子層ステップから形成される。このＧａＮの成長機構は、その成長温度の点から３種類に分類される。
【０１３８】
図２３は、成長温度が高いときの成長モード及び成長温度が低いときの成長モードを模式的に示す図面である。成長炉における摂氏９００度を超える成長温度では、図２３（ａ）に示される成長モードが生じる。高い成長温度では、成長表面でのＧａＮ分子のマイグレーションが大きいので、テラス上で結晶中に取り込まれることはほとんどなく、ＧａＮ分子がキンクと呼ばれる活性化エネルギの大きいステップ端に到達した時点で初めて結晶中に取り込まれる。その結果、その成長では、ステップ端が積層状に伸びていく。この成長モードをいわゆる「ステップフローな成長」と呼ぶ。図２４は、ＧａＮの成長表面のＡＦＭ像を示す図面である。図２４（ａ）を参照すると、原子層ステップがある一定の方向に形成していっている様子が良くわかる。
【０１３９】
一方、成長炉における摂氏７００度から摂氏９００度程度の成長温度では、図２３（ｂ）に示される成長モードが生じる。低い成長温度では、成長表面での分子のマイグレーションは小さいので、分子はステップ端に到達することなく、大きなテラス上で結晶に取り込まれる。分子が取り込まれた部分が核となり、ステップが広がるような成長をする。この成長モードを「テラス上成長」と呼ぶ。図２４（ｂ）は、テラス上成長により成長されたＧａＮの成長表面のＡＦＭ像を示す図面である。この成長におけるモフォロジでは、多数の生成核が形成され、また多数の核からステップが広がる。これ故に、ステップが一方向に伸びるのではなく、全方位に形成されていく。
【０１４０】
摂氏７００度以下の成長温度では、上記の成長モードと異なる成長モードが生じる。非常に低い成長温度では、分子のマイグレーションがほとんどないので、ＧａＮ分子が成長表面に到達した時点で即座に結晶中に取り込まれる。これ故に、結晶欠陥が非常に導入されやすく、高品質なＧａＮ膜を成長することは難しい。この成長モードを「島状成長」と呼ぶ。
【０１４１】
次いで、ｃ面からｍ軸方向に傾斜した様々な面方位の結晶面における成長を説明する。ｃ面からｍ軸方向に傾斜した様々な面方位の結晶面に、摂氏１１００度の成長温度でＧａＮを成長した。その表面をＡＦＭで観察したところ、図２３（ａ）に示すようなマクロな原子層ステップが観察された面方位は、以下の３種類の面からなるステップだけであることを見いだした。つまり、これらの面は、ｃ面、ｍ面、及びｃ面から約６２度で傾斜した｛１０−１１｝面である。すなわち、ｃ面をｍ軸方向に傾けた結晶面での成長では、安定面といえる面は上記３つの面だけである。３種類の安定面以外の面を総称して「非安定面」と呼ぶ。
【０１４２】
続いて、安定面上へのＩｎＧａＮの成長機構を説明する。ＩｎＧａＮの成長機構は基本的にＧａＮと同じであると考えられる。異なる点は、ＩｎＧａＮ成長では、ＩｎＮの成長表面での滞在時間はＧａＮと比べて短く、ＩｎＮの脱離が容易に生じる。これ故に、ある程度の大きさのＩｎ組成のＩｎを結晶中に添加したいとき、成長温度を下げる必要があり、おおよそその温度は摂氏９００度以下となる。すなわち、安定面上のＩｎＧａＮの成長は、テラス上成長となる。
【０１４３】
２．ＧａＮ及びＩｎＧａＮの成長機構（非安定面）
非安定面におけるＧａＮ及びＩｎＧａＮの成長機構を説明する。摂氏１１００度における成長温度で非安定面の面上に成長したＧａＮ表面のＡＦＭ観察によれば、安定面からの比較的小さい傾斜角（「サブオフ角」と呼ぶ）の面方位上への成長では、そのオフ角に近い安定面から形成される細かなステップが観察された。そのテラス幅は、安定面ジャストの面方位への成長に比較して小さく、サブオフ角が大きいほどさらに小さくなる。安定面に対しておよそ角度２度程度の傾斜をさせると、ＡＦＭ像では原子層ステップは観察されなくなった。これらの結果より、安定面近傍では成長中に安定面が出やすく、比較的テラス幅の大きいステップが形成される。図２５（ａ）は、非安定面におけるＧａＮ及びＩｎＧａＮの高温成長におけるステップフローな成長の成長機構を模式的に示す図面である。図２５において、矢印は成長方向を示す。
【０１４４】
一方、安定面から大きく傾斜するとき、テラス幅は小さくなると共に、ＡＦＭ像では観察できないようなミクロなステップが形成されていることが考えられる。また、安定面は上記３種類しかないので、このミクロなステップも安定面からなるミクロなテラスで形成されており、高温で成長されたＧａＮの表面では、ある方向にステップが伸びるような成長をしていると考えられる。
【０１４５】
成長温度が低い場合のＧａＮの成長機構を説明する。安定面近傍では、安定面からなる広いテラスが形成されやすく、成長表面での分子のマイグレーションは小さいので、テラス上成長が支配的になる。図２５（ｂ）は、非安定面におけるＧａＮ及びＩｎＧａＮの低温成長におけるテラス上成長の成長機構を模式的に示す図面である。
【０１４６】
一方、安定面からのサブオフ角が大きな面方位の結晶面への成長では、表面のステップ密度が高まり、テラス幅が数ｎｍオーダーまでミクロなものとなる。安定面からのサブオフ角が大きいとき、狭いテラス幅の故にテラス上成長の成長機構は起こりにくい。成長表面での分子のマイグレーションが小さい成長温度のときでも、活性化エネルギの高いステップ端に原子が到達しやすくなる。すなわち、安定面からのサブオフ角が大きくなると、より低温までステップ端が伸びていくような成長をすることが考えられる。この成長は、ステップフロー成長に比べるとテラス幅のスケールが２桁近く小さいので、ここでは「ステップ端成長」と呼ぶ。図２５（ｃ）は、非安定面におけるＧａＮ及びＩｎＧａＮの低温成長におけるステップ端成長の成長機構を模式的に示す図面である。
【０１４７】
上記の説明から以下のように考えられる。成長温度が低い場合、安定面及び安定面近傍ではテラス上成長が支配的である。安定面からのサブオフ角が大きくなると、次第にテラス上成長は弱まり、ステップ端成長が支配的になってくる。また、このことは成長温度が低いＩｎＧａＮの成長機構とも一致する。
【０１４８】
３．Ｉｎ取り込みに関して
ＩｎＧａＮ成長における各成長面でのＩｎ取り込みを説明する。Ｉｎ組成を調べるために、ｃ面からｍ軸方向に様々な傾斜角度で傾斜したＧａＮ基板上に、摂氏７６０度ですべて同条件でＩｎＧａＮを成長する実験を行った。図２６は、その実験結果を示しており、横軸はｃ軸からｍ軸方向への傾斜角（オフ角）を示し、縦軸は、成長されたＩｎＧａＮのＩｎ組成を示す。
角度    In組成
0      21.6
10      11.2
16.6    9.36
25.9    7.54
35      4.33
43      4.34
62      22.7
68      29
75      19.6
78      18.5
90      23.1
角度の単位は「度」である。
図２６を参照すると、ｃ面におけるＩｎ取り込みは良好である。ｃ面からオフ角を大きくしていくと、Ｉｎの取り込みが低下していく。さらにオフ角を大きくしていくと、傾斜角４０度を越えたあたりからＩｎ取り込みが向上し始める。安定面である｛１０−１１｝面のＩｎ取り込みはｃ面と同程度になっている。さらにオフ角を大きくしていくと、Ｉｎ取り込みは向上し、６８度付近で極大値を示す。この角度を超えるとき、Ｉｎ取り込みは減少に転じる。Ｉｎ取り込みは、オフ角８０度あたりを極小値を示す。この角度を超えてｍ面に近づくとき、Ｉｎ取り込みは向上する。ｍ面はｃ面と同等程度のＩｎ取り込みを示す。
【０１４９】
このＩｎ取り込みの振る舞いを項目１及び２におけるＩｎＧａＮの成長機構に基づき説明する。
【０１５０】
まず、図２３（ｂ）に示したように、安定面近傍でテラス上成長が支配的な場合には、図２６に示されるようにＩｎが良く取り込まれる。安定面からなるテラス上でＩｎ取り込みが良い理由を、結晶表面の原子配列から以下のように説明できる。図２７は、例として（１０−１１）面の表面原子配列を示す。図２７を参照すると、ｃ面ｃ０及び（１０−１１）面が示されている。図２７に示されるように、Ｉｎ原子は矢印Ｙ（Ｉｎ）で示したＮ原子２個と２本の結合手で結合する。Ｎ原子２個は図２７における直交座標系ＴにおけるＸ軸方向に並んでいる。それら２個のＮ原子が、図２７における直交座標系ＴにおけるＸ軸の正（手前）方向及び負（奥行き）方向に変位でき、この配置は、原子半径の大きなＩｎ原子を取り込みやすい状況にある。この原子配列が、テラス上成長でＩｎ取り込みやすい理由を示すと考えられる。
【０１５１】
同様の考え方でステップ端成長する場合のＩｎ取り込みを説明する。図２８は、例としてｍ軸方向に４５度程度傾けた面の成長表面の原子配列を示す。図２８を参照すると、ｃ面ｃ０、ｃ面から４５度傾斜面ｍ４５及び（１０−１１）面が示されている。ステップ端に着目してみると、Ｉｎ原子は、矢印Ｂ１（Ｉｎ）で示したＮ原子２個とは２本の結合手で結合し、矢印Ｒ（Ｉｎ）で示したＮ原子１個とは１本の結合手で結合する。この場合、Ｉｎ原子との結合に関わる矢印Ｂ１（Ｉｎ）で示したＮ原子と矢印Ｒ（Ｉｎ）で示したＮ原子の変位できる方向が垂直の関係にあり、また原子半径の大きなＩｎを取り込むためには３つのＮ原子が変位する必要があり、この原子配列はＩｎを取り込みにくいような状態にある。これ故に、ステップ端成長ではＩｎ取り込みが悪いと考えられる。これらを考え合わせると、図２６の結果の一部が良く説明できる。すなわち、ｃ面と｛１０−１１｝面の間の面方位では、安定面近傍ではテラス上成長が支配的でＩｎの取り込みは良好である。一方、安定面からのサブオフ角が大きくなるにつれて、テラス上成長が弱まりステップ端成長が支配的になることでＩｎ取り込みが小さくなる。
【０１５２】
一方、｛１０−１１｝面とｍ面の間でも同様の考え方が成り立つと考えられる。
【０１５３】
しかしながら、｛１０−１１｝面とｍ面との間のうちの｛１０−１１｝面寄りのｃ面からのオフ角が６３度以上８０度未満の範囲では、上記のような説明では理解できない振る舞いを示している。そこで、この角度範囲における表面原子配列をさらに検討するとき、この角度範囲でのみステップ端でもＩｎが良く取り込まれることを見出した。図２９は、例としてｃ面をｍ軸方向にオフ角７５度で傾けた面の表面のステップの状態を模式的に示したものである。上記の角度範囲では、図２９に示したように、成長表面は（１０−１１）面とｍ面とから形成されるミクロなステップからなっている。そのステップ端がｍ軸方向に伸びるようなステップ端成長をする。図３０は、例としてｍ軸方向に７５度程度傾けた面の成長表面の原子配列を示す。図３０を参照すると、ｍ面ｍ０、ｃ面から７５度傾斜面ｍ７５及び（１０−１１）面が示されている。この場合、矢印Ｒ２（Ｉｎ）で示したＮ原子１個とは１本の結合手で結合し、矢印Ｂ２（Ｉｎ）で示したＮ原子１個とは１本の結合手で結合する。この配置では、２つのＮ原子の変位できる方向が対向するような状態にあり、また原子半径の大きなＩｎを取り込むためには２つのＮ原子のみが変位すればよく、これ故に、このステップ端ではＩｎ原子を取り込みやすいことが考えられる。また、他の角度範囲のステップ端についてもその表面原子配列を検討した。良いＩｎ取り込みを示すステップ端での成長が可能である角度が、上記範囲のみであることを発明者らは見出した。
【０１５４】
以上の考察に基づいて、Ｉｎ取り込みのオフ角依存性を見積もった。図３１は、Ｉｎ取り込みとオフ角との関係を示す図面である。Ｉｎ取り込みは、テラス上成長成分とステップ端成長成分との両方を見積もり、トータルＩｎ取り込みは、これらの和によって示される。縦軸において、Ｉｎ取り込み量をｃ面上におけるＩｎ取り込みに規格化している。実線Ｔはテラス上成長によって取り込まれるＩｎ量を示し、実線Ｓはステップ端成長によって取り込まれるＩｎ量を示し、実線ＳＵＭはその和を示す。このようにテラス上成長では、テラス上成長が支配的な安定面近傍でＩｎ取り込みが高く、安定面から離れるほどテラス上成長が支配的でなくなりＩｎは取り込まれなくなる。
【０１５５】
一方、ステップ端成長は安定面から離れるほどステップ密度が高まって支配的になる。しかしながら、ｃ面から傾斜角６３度以上８０度未満の角度範囲の外側では、ステップ端成長によるＩｎ取り込みはほとんどない。傾斜角６３度以上８０度未満の角度範囲でのみ、大きなＩｎ取り込みがステップ端で生じるので、ステップ端成長が活発になるにつれてＩｎ取り込みが大きくなるような振る舞いを示す。その結果、実線ＳＵＭで示したようなオフ角依存性となり、図３１に示された見積もりは、図２６に示された実験結果を良く説明している。
【０１５６】
４．Ｉｎ偏析に関して
以上の結果を踏まえて、ＩｎＧａＮ膜中のＩｎ偏析を説明する。ｃ面基板上のＩｎＧａＮ活性層を有する光素子では、特に活性層の発光波長が長波長になるほど、すなわちＩｎＧａＮ結晶中のＩｎ組成が高くなるほど、ＩｎＧａＮ結晶中のＩｎ偏析が大きくなる。この結果、ＩｎＧａＮの結晶品質が低下して、発光強度の低下や発光波長半値幅の増大が観察される。一方、発明者らの実験によれば、ｍ軸方向へのｃ軸の傾斜角６３度以上８０度未満の範囲では、長波長領域を発光するＩｎＧａＮ層の発光強度低下は、ｃ面やその他の安定面上におけるＩｎＧａＮ層に比べて小さく、また、半値幅の増大も小さい。
【０１５７】
発明者らは、この理由を成長機構やＩｎ取り込みに基づき検討した。安定面上に成長したＩｎＧａＮ膜が大きなＩｎ偏析を示す理由は以下のものと考えられる。図２３（ｂ）に示されるように、テラス上成長におけるＩｎ取り込みでは、ＧａＮ及びＩｎＮの分子は、テラス上に到達した後に結晶中に取り込まれる前に、広いテラス上でマイグレーションしている。そのマイグレーションの際に、ＧａＮとＩｎＮの非混和性によってＩｎＮが自発的に凝集する。この凝集によって、ＩｎＧａＮ結晶中でＩｎの偏析が生じると考えられる。
【０１５８】
一方、図３１に示されるように、安定面からのサブオフ角が大きいとき、ステップ端でＩｎが取り込まれる。成長表面に達したＧａＮ及びＩｎＮの分子は、狭いテラス上ではほとんどマイグレーションせず、直ちに結晶中に取り込まれる。これ故に、ＩｎＧａＮ結晶中において、取り込まれたＩｎは、ほとんどランダムに分布して、Ｉｎ偏析は小さいと考えられる。この傾向は、ステップ密度が大きいほど顕著であると考えられる。このため、安定面からのサブオフ角が大きいほど、均一なＩｎＧａＮ膜が得られる。しかしながら、既に説明したように、ステップ端成長では、特定の角度範囲を除いた傾斜角ではＩｎ取り込みが悪い。これ故に、所望のＩｎ組成を得るためには、成長温度を下げる必要がある。成長温度の低下において、支配的な成長モードが、ステップ端成長から島状成長に変化して、この結果、結晶欠陥等が増え、ＩｎＧａＮ膜質が著しく悪化する。
【０１５９】
上記説明のように、Ｉｎ取り込みとＩｎ偏析はトレードオフの関係にあることが考えられる。発明者らは、Ｉｎ取り込みとＩｎ偏析が両立する範囲を見出した。この角度範囲は、ｃ軸からｍ軸方向に傾斜角６３度以上８０度未満である。この角度範囲では、ステップ端成長でもＩｎが効率的に取り込まれ、またＩｎＧａＮ膜におけるＩｎ偏析は小さい。特に、７０度以上８０度未満の角度範囲では、ステップ密度が高まるので、よりＩｎ偏析の小さく且つ均質性の高いＩｎＧａＮ膜を成長可能である。さらに、Ｉｎ取り込みを考慮すると、特に７１度以上７９度以下の角度範囲において、ステップ端成長とテラス上成長のバランスが良好である。その中でも、７２度以上７８度以下の角度で、ステップ端成長とテラス上成長のバランスが最も良い。これ故に、所望の組成を得るためにＩｎＧａＮ膜の成長温度を高めることが可能であり、また、結晶欠陥の少ない均一なＩｎＧａＮ膜を成長することが可能である。
【０１６０】
図３２及び図３３は、以上説明したＩｎ取り込み、Ｉｎ偏析、及びピエゾ電界の点から、各面及び角度範囲の特徴を示す図面である。図３２及び図３３において、二重丸のシンボルは特に良好な特性を示し、一重丸のシンボルは良好な特性を示し、三角のシンボルは特に通常の特性を示し、クロスのシンボルは劣る特性を示す。特徴的な角度として、ｃ軸からｍ軸の方向への傾斜角６３度、７０度、７１度、７２度、７８度、７９度、８０度が示される。ｍ方向６３度以上８０度未満の角度範囲が、特には７０度以上８０度未満の角度範囲が、更には７１度以上７９度以下、その中でも７２度以上７８度以下の角度範囲が、長波長領域での光素子、特に発光ダイオード素子やレーザダイオード素子を作製する上で、その発光効率と発光半値幅の小さいことから非常に有利である。
【０１６１】
上記の説明において、例えば面方位（２０−２１）や（１０−１１）のような記法を用いている。本実施の形態に説明を考慮するとき、結晶学的に等価な面において、当業者は、本実施の形態に記載された発明の効果が得られると考える。したがって、例えば「（２０−２１）」という面方位は、等価な（２−２０１）、（−２２０１）、（２０−２１）、（−２０２１）、（０２−２１）、（０−２２１）を含むと考えることができる。
【０１６２】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
近年、ＧａＮ系の発光素子において、長波長の発光が望まれており、ｃ面から傾斜角を取った半極性面や、ｍ面及びａ面に代表される非極性面が注目されている。その理由は、以下のものである。長波長の発光を得るために井戸層のＩｎ組成が増えるので、井戸層と障壁層との格子定数差が大きくなり、発光層に大きな歪みが生じる。このとき、ｃ面のような極性面では、ピエゾ電界の働きにより、発光素子の量子効率が低下する。これを避けるために、非極性面（ａ面やｍ面）等の様々な結晶面における研究が進められている。しかし、いまだｃ面上の効率を超えるものは出来ていないのが現状である。発明者らは、基板の主面が、ｃ面からｍ軸方向に約６２度の角度で傾斜された｛１０−１１｝面とｍ面からなるマイクロステップ構造を形成するために、ｃ面からｍ軸方向に６３度以上８０度未満の角度で傾けた面に注目した。特に、ｃ面からｍ軸方向に７５度の傾斜面である｛２０−２１｝面と、この面を中心とするｃ面からｍ軸方向への傾斜角６３度さらには７０度以上８０度未満の領域に注目した。この領域は、基板の主面に｛１０−１１｝面からなるテラスの幅とｍ面からなるテラスの幅が小さく、ステップ密度が大きくなり、Ｉｎ偏析が小さくなる。
【符号の説明】
【０１６４】
１１ａ、１１ｂ…ＧａＮ系半導体光素子、ＶＮ…法線ベクトル、ＶＣ＋…［０００１］軸方向のベクトル、ＶＣ−…［０００−１］軸方向のベクトル、Ｓｃ…平面、Ｃｘ…基準軸、Ａｘ…所定の軸、１３…テンプレート、１３ａ…テンプレートの主面、１５…ＧａＮ系半導体エピタキシャル領域、１７…活性層、α…主面傾斜角、１９…半導体エピタキシャル層、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３…表面モフォロジ、２１…ＧａＮ系半導体領域、２３…ｎ型ＧａＮ半導体層、２５…ｎ型ＩｎＧａＮ半導体層、２７…電子ブロック層、２９…コンタクト層、３１…量子井戸構造、３３…井戸層、３５…障壁層、３７…第１の電極、３９…第２の電極、ＡＯＦＦ…ａ軸方向のオフ角、４１…ｎ型クラッド層、４３ａ…光ガイド層、４３ｂ…光ガイド層、４５…電子ブロック層、４７…クラッド層、４９…コンタクト層、５１…第１の電極、５３…絶縁膜、５５…第２の電極、１３１…支持体、１３１ａ…支持体主面、１３３…マスク、１３３ａ…開口、１３５ａ…凹部、１３３ｂ…ストライプ、１３５ａ、１３５ｂ…側面、１３７…絶縁体、１３９…半導体領域、１３９ａ…半導体領域の主面、１４１…異種基板、１４１ａ…異種基板の主面、１４３…マスク、１４３ａ…ストライプ、１４３ｂ…開口、１４５…支持体、１４５ａ…支持体の主面、１４７…凹部、１４７ａ、１４７ｂ…凹部の側面、１４９…絶縁膜、１５１…半導体領域  
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２９】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図１３】
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【図２４】
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【図２７】
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【図２８】
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【図３０】
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