(57)【要約】【課題】高い発光効率を示す窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子は、（０００１）面に対して０．４°以上のオフ角を有してなる主面を含む窒化物半導体基板と、前記主面上に形成された、ｎ型又はｐ型の窒化物半導体からなる第一半導体層と、第一半導体層の上層に形成され、Ｉｎ組成が２％以上の窒化物半導体からなる第二半導体層と、第二半導体層の上層に形成され、第二半導体層よりもＩｎ組成の高い窒化物半導体からなる井戸層、及び窒化物半導体からなる障壁層が積層されてなる活性層と、活性層の上層に形成され、第一半導体層とは導電型の異なる第三半導体層とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（０００１）面に対して０．４°以上のオフ角を有してなる主面を含む窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の前記主面上に形成された、ｎ型又はｐ型の窒化物半導体からなる第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成され、Ｉｎ組成が２％以上の窒化物半導体からなる第二半導体層と、
前記第二半導体層の上層に形成され、前記第二半導体層よりもＩｎ組成の高い窒化物半導体からなる井戸層、及び窒化物半導体からなる障壁層が積層されてなる活性層と、
前記活性層の上層に形成され、前記第一半導体層とは導電型の異なる第三半導体層と、を備えたことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記オフ角が０．５°以上１．０°以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第二半導体層は、１００ｎｍ以上の膜厚を有してなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第二半導体層は、前記活性層と接触する面を有してなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体基板の前記主面と前記第一半導体層との間に形成され、Ｉｎ組成が２％以上であって、且つ前記井戸層よりもＩｎ組成の低い、窒化物半導体からなる第四半導体層を備えたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体基板は、（０００１）面に対して＜１−１００＞方向に傾斜した前記主面を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記障壁層は、Ｉｎ及びＧａを含む窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第二半導体層は、前記活性層の前記窒化物半導体基板に近い側の面から、前記窒化物半導体基板に向かって５００ｎｍ以内の位置に形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記井戸層は、Ｉｎ組成が１０％以上である窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記井戸層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記窒化物半導体発光素子がレーザ素子であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の、窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、窒化物半導体基板を備えた窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体を含む素子であり、原理的には紫外域から可視光域までの波長範囲をカバーできる発光素子として知られている。窒化物半導体のうち、ＧａＮはバンドギャップが３．４ｅＶであり、ＩｎＮはバンドギャップは０．８ｅＶである。このため、活性層をＩｎＮとＧａＮの混晶であるＩｎＧａＮで構成し、そのＩｎ組成を変化させることで、原理的には、３６５ｎｍから１５５０ｎｍまでの発光波長の発光素子を実現することができる。すなわち、発光波長を３６５ｎｍから長波長側にシフトするためには、活性層を構成する窒化物半導体層のＩｎ組成を高める必要がある。
【０００３】
しかし、Ｉｎ組成を高めた窒化物半導体層を成長させると、当該窒化物半導体層の結晶品質が劣化してしまい、活性層内における発光効率が低下してしまうという課題が知られている。このような課題に対し、例えば、下記非特許文献１には、活性層の下地層として、ＩｎＧａＮ層を成長させ、このＩｎＧａＮ層の上層に活性層を成長させる技術が提案されている（例えば、下記非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T. Akasaka et al., ''High luminescent efficiency of InGaN multiple quantum wells grown on InGaN underlying layers'', Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 3089-3091
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高いＩｎ組成の窒化物半導体を含む活性層を備えた窒化物半導体発光素子において、現時点では未だ高い発光効率が実現されておらず、改善の余地がある。本発明は、高い発光効率を示す窒化物半導体発光素子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】
【０００６】
本発明者らは、高いＩｎ組成を示す窒化物半導体を含む活性層を備えた窒化物半導体発光素子を製造したところ、当該活性層内に面状欠陥が発生していることを確認した。この面状欠陥の発生した箇所は、蛍光顕微鏡によって暗点として確認された。本発明者らは、かかる観点から、面状欠陥の発生密度を低下させることで、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができるのではないかと推察し、本発明に至った。
【０００７】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、
（０００１）面に対して０．４°以上のオフ角を有してなる主面を含む窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の前記主面上に形成された、ｎ型又はｐ型の窒化物半導体からなる第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成され、Ｉｎ組成が２％以上の窒化物半導体からなる第二半導体層と、
前記第二半導体層の上層に形成され、前記第二半導体層よりもＩｎ組成の高い窒化物半導体からなる井戸層、及び窒化物半導体からなる障壁層が積層されてなる活性層と、
前記活性層の上層に形成され、前記第一半導体層とは導電型の異なる第三半導体層と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記の構成のように、（０００１）面に対して０．４°以上のオフ角を有してなる主面上にＩｎを含む第二半導体層を形成し、更にその上層に、高いＩｎ組成の井戸層を含む活性層を形成することで、活性層内における暗点の発生が抑制できる。このオフ角を、０．５°以上１．０°以下とすることで、暗点の発生を更に抑制できる。
【０００９】
本明細書内において、「層Ｘの上層に層Ｙが形成されている」という表現は、層Ｘの面上に直接層Ｙが形成されている場合はもちろん、層Ｘの面上に他の層を介して層Ｙが形成されている場合も含む意図である。
【００１０】
本明細書内において、「ＡｌＧａＮ」という記述は、ＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０＜ｍ＜１）という記述と同義であり、ＡｌとＧａの組成比（混晶比）の記述を単に省略して記載したものであって、ＡｌとＧａの組成比が１：１である場合に限定する趣旨ではない。「ＩｎＧａＮ」「ＡｌＩｎＧａＮ」などの記述についても同様である。
【００１１】
本明細書内において、ミラー指数を示すカッコ内の数字の直前に付された符号「−」はその指数の反転を示しており、図面内における「バー」と同義である。また、＜１−１００＞方向とは、［１−１００］方向、及びこの［１−１００］方向と結晶学的に等価な方向、すなわち［１０−１０］方向、［０１−１０］方向、［−１１００］方向、［−１０１０］方向、及び［０−１１０］方向を含む概念である。
【００１２】
前記第二半導体層は、１００ｎｍ以上の膜厚を有してなるものとすることができる。これにより、第二半導体層を構成する結晶の表面エネルギーが低下するため、その後に形成される活性層内の欠陥の発生を抑制する効果が高められる。
【００１３】
前記第二半導体層は、前記活性層と接触する面を有してなるものとしても構わない。これにより、結晶の表面エネルギーが低下した状態を引き継いで活性層が成長されるため、活性層内の欠陥の発生を抑制する効果が高められる。
【００１４】
前記窒化物半導体発光素子は、前記窒化物半導体基板の前記主面と前記第一半導体層との間に形成され、Ｉｎ組成が２％以上であって、且つ前記井戸層よりもＩｎ組成の低い、窒化物半導体からなる第四半導体層を備えるものとしても構わない。これにより、基板の反りが低減すると共に、部分的な結晶の緩和の導入により、活性層、第二半導体層及び第五半導体層の成長中におけるＩｎの偏析の抑制に繋がるという効果が得られる。
【００１５】
前記窒化物半導体基板は、（０００１）面に対して＜１−１００＞方向に傾斜した前記主面を有するものとすることができる。
【００１６】
前記障壁層は、Ｉｎ及びＧａを含む窒化物半導体からなるものとしても構わない。前記障壁層は、前記井戸層よりもＩｎ組成が低い窒化物半導体からなるものとして構わない。
【００１７】
前記第二半導体層は、前記活性層の前記窒化物半導体基板に近い側の面から、前記窒化物半導体基板に向かって５００ｎｍ以内の位置に形成されているものとしても構わない。これにより、前記活性層は、前記第二半導体層の成長後の表面の近くに形成されることになるため、結晶の表面エネルギーが低下した状態を引き継ぐことができ、活性層内の欠陥の発生を抑制する効果が高められる。
【００１８】
前記井戸層は、Ｉｎ組成が１０％以上である窒化物半導体からなるものとしても構わない。言い換えれば、前記窒化物半導体発光素子は、主たる発光波長が４３０ｎｍ以上であるものとしても構わない。更に、前記井戸層は、Ｉｎ組成が１０％以上である３０％以下の窒化物半導体からなるものとしても構わない。言い換えれば、前記窒化物半導体発光素子は、主たる発光波長が４３０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下の窒化物半導体からなるものとしても構わない。
【００１９】
前記井戸層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなるものとしても構わない。具体的には、前記井戸層は、ＡｌＩｎＧａＮの四元混晶からなるものとすることができる。井戸層にＡｌを含めることで、結晶成長時にＩｎの表面拡散長が低下し、Ｉｎの偏析に伴う暗点の発生を抑制する効果が更に高められる。
【００２０】
前記窒化物半導体発光素子は、レーザ素子とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、活性層内における面状欠陥の発生を抑制できるため、高い発光効率を示す窒化物半導体発光素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の窒化物半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】窒化物半導体発光素子が備える窒化物半導体基板の構造を模式的に示す断面図である。
【図３Ａ】前記窒化物半導体基板の主面の模式的な拡大図である。
【図３Ｂ】前記窒化物半導体基板の主面の模式的な拡大図である。
【図３Ｃ】前記窒化物半導体基板の主面の模式的な拡大図である。
【図４】活性層の構造を模式的に示す断面図の一例である。
【図５】窒化物半導体基板のオフ角θを０．３３°、０．４°、０．５°と異ならせて製造された窒化物半導体発光素子の蛍光顕微鏡写真である。
【図６】オフ角θが０．３３°である窒化物半導体基板の上面に成長された活性層の蛍光顕微鏡写真である。
【図７Ａ】オフ角を有しない窒化物半導体基板の主面の上層に活性層が形成された場合の、活性層の成長表面を模式的に示す図面である。
【図７Ｂ】オフ角を有する窒化物半導体基板の主面の上層に活性層が形成された場合の、活性層の成長表面を模式的に示す図面である。
【図８】オフ角θを０．４４°、０．５°とした窒化物半導体基板を含む窒化物半導体発光素子を半導体レーザ素子として実現した場合の、Ｌ−Ｉ（光−電流）特性を示すグラフである。
【図９】窒化物半導体発光素子を半導体レーザ素子として実現した場合の模式的な断面図の一例である。
【図１０】窒化物半導体発光素子を半導体レーザ素子として実現した場合の模式的な断面図の別の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の窒化物半導体発光素子につき、図面を参照して説明する。なお、各図において、図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
【００２４】
［構造］
図１は、窒化物半導体発光素子の一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子１は、窒化物半導体基板１０と、第一半導体層１３と、第二半導体層１５と、活性層１７と、第三半導体層２３とを備える。
【００２５】
なお、図１に示す例では、窒化物半導体素子１は、更に、第四半導体層１１、第五半導体層１９、第六半導体層２１、及び第七半導体層２５を備える。
【００２６】
（窒化物半導体基板１０）
窒化物半導体基板１０は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮからなり、好ましくはＧａＮからなる。図２に示すように、窒化物半導体基板１０は、主面１０ａと、主面１０ａとは反対側の裏面１０ｂとを含む。
【００２７】
窒化物半導体基板１０は、主面１０ａがｃ面、すなわち（０００１）面に対してオフ角θだけ傾いている。図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、窒化物半導体基板１０の主面１０ａの模式的な拡大図である。図３Ｂ及び図３Ｃには、窒化物半導体基板１０の主面１０ａが、（０００１）面に対して［１−１００］方向（紙面奥行き方向）にオフ角θだけ傾いている場合が図示されている。
【００２８】
図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、主面１０ａに直交する方向１０ａＬは、［０００１］方向に対してオフ角θだけ傾いている。図３Ｂは、［０００１］方向を紙面上向きに図示した図面であり、図３Ｃは、窒化物半導体基板１０の主面１０ａに直交する方向１０ａＬを紙面上向きに図示した図面である。図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、窒化物半導体基板１０の主面１０ａには、微細なステップが形成されている。
【００２９】
なお、窒化物半導体基板１０とは異なり、オフ角θを有しない（０００１）面基板を主面とする窒化物半導体基板においても、微視的には微細なステップが不可避的に発生する。
【００３０】
窒化物半導体基板１０の主面１０ａに形成されるオフ角θは、０．４°以上であり、好ましくは０．５°以上である。また、前記オフ角θは、好ましくは５°以下であり、より好ましくは１°以下である。
【００３１】
本実施形態において、窒化物半導体基板１０は、ｎ型不純物がドープされていても構わないし、ｐ型不純物がドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。
【００３２】
オフ角θを有してなる主面１０ａを含む窒化物半導体基板１０は、種々の方法で製造される。一例として、（０００１）面を成長面とする窒化物半導体基板１０を準備した上で、（０００１）面から［１−１００］方向にオフ角θだけ傾けた平面で窒化物半導体基板１０を切断し、この切断面を主面１０ａとする方法が採用できる。
【００３３】
別の例として、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉなどの異種基板に上記オフ角θを形成した後、同異種基板上に窒化物半導体層（例えばＧａＮ層）を成長させ、異種基板を除去する方法が採用できる。更に別の方法としては、窒化物半導体基板１０の主面１０ａに対して微小な傾斜角θがつくようにエッチングする方法や、主面１０ａに対して微小な傾斜角θがつくように研磨やレーザ照射による表面処理を施す方法が採用できる。
【００３４】
（第四半導体層１１）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、窒化物半導体基板１０の主面１０ａ上に、第四半導体層１１を備える。第四半導体層１１は、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなる。第四半導体層１１に含まれるＩｎの組成比は、２％以上、１５％以下であり、好ましくは、２％以上、１０％以下である。第四半導体層１１に含まれるＩｎの組成比は、少なくとも、後述する井戸層１７ａのＩｎの組成比よりも低い。
【００３５】
第四半導体層１１の膜厚は、５０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下であり、好ましくは、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以下である。一例として、第四半導体層１１は、膜厚１５０ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる。
【００３６】
第四半導体層１１は、ｎ型不純物がドープされていても構わないし、ｐ型不純物がドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。
【００３７】
（第一半導体層１３）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、第四半導体層１１の上面に形成された、第一半導体層１３を備える。上述したように、第四半導体層１１は、オフ角θを有する窒化物半導体基板１０の主面１０ａ上に形成されているため、この第一半導体層１３も、このオフ角θを引き継いで成長される。なお、以下の半導体層についても同様である。
【００３８】
第一半導体層１３は、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなる。第一半導体層１３に含まれるＡｌの組成比は、１％以上、１５％以下であり、好ましくは、３％以上、１０％以下である。
【００３９】
本実施形態において、第一半導体層１３は、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、又はＴｅなどのｎ型不純物がドープされており、好ましくは、ドーパントがＳｉである。第一半導体層１３の不純物濃度は、１×１０17／ｃｍ3以上、５×１０19／ｃｍ3以下であり、好ましくは、３×１０17／ｃｍ3以上、２×１０19／ｃｍ3以下である。
【００４０】
第一半導体層１３の膜厚は、３００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であり、好ましくは、５００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である。一例として、第一半導体層１３は、膜厚１０００ｎｍ（１μｍ）のｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる。
【００４１】
（第二半導体層１５）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、第一半導体層１３の上面に形成された、第二半導体層１５を備える。第二半導体層１５は、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなる。第二半導体層１５に含まれるＩｎの組成比は、２％以上、１５％以下であり、好ましくは、２％以上、１０％以下である。第二半導体層１５に含まれるＩｎの組成比は、少なくとも、後述する井戸層１７ａに含まれるＩｎの組成比よりも低い。
【００４２】
第二半導体層１５の膜厚は、好ましくは１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であり、更に好ましくは、１５０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である。一例として、第二半導体層１５は、膜厚２５０ｎｍのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる。
【００４３】
第二半導体層１５は、ｎ型不純物がドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。
【００４４】
（活性層１７）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、第二半導体層１５の上面に形成された、活性層１７を備える。活性層１７は、量子井戸構造を有し、多重量子井戸構造でも単一量子井戸構造でも構わないが、好ましくは多重量子井戸構造である。
【００４５】
図４は、活性層１７の構造を模式的に示す断面図の一例である。図４に示す例では、活性層１７は、井戸層１７ａと障壁層１７ｂとが２周期積層されてなる、多重量子井戸構造を示す。なお、活性層１７が多重量子井戸構造を示す場合において、ｎ型半導体層側の端部、及び／又はｐ型半導体層側の端部は、井戸層１７ａであっても構わないし、障壁層１７ｂであっても構わない。また、２つの井戸層１７ａに挟まれた障壁層１７ｂは、１層に限定されず、組成や含有不純物の量が異なる２層以上の層で構成されていても構わない。
【００４６】
井戸層１７ａは、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなる。井戸層１７ａの構成材料のＩｎの組成比により、窒化物半導体発光素子１の発光波長が決定される。本実施形態においては、井戸層１７ａのＩｎ組成比は、好ましくは１０％以上３０％以下である。この場合、窒化物半導体発光素子１の発光波長は、４３０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下である。
【００４７】
井戸層１７ａは、ｎ型不純物がドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。また、井戸層１７ａの膜厚は任意であるが、好ましくは２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であり、更に好ましくは、２．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下である。
【００４８】
障壁層１７ｂは、ＧａＮ、又は井戸層１７ａよりＩｎ組成比の低いＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮからなる。本実施形態においては、障壁層１７ｂのＩｎ組成比は、好ましくは０％以上、５％以下であり、更に好ましくは、２％以上、５％以下である。
【００４９】
障壁層１７ｂは、ｎ型不純物がドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。また、障壁層１７ｂの膜厚は任意であるが、好ましくは１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であり、更に好ましくは、３ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。
【００５０】
（第五半導体層１９）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、活性層１７の上面に形成された、第五半導体層１９を備える。第五半導体層１９は、第二半導体層１５と同様に、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなる。第五半導体層１９に含まれるＩｎの組成比は、２％以上、１５％以下であり、好ましくは、２％以上、１０％以下である。第五半導体層１９に含まれるＩｎの組成比は、少なくとも、井戸層１７ａに含まれるＩｎの組成比よりも低い。
【００５１】
第五半導体層１９の膜厚は、好ましくは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であり、更に好ましくは、１５０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である。一例として、第五半導体層１９は、膜厚２５０ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなる。
【００５２】
第五半導体層１９は、ｐ型不純物がドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。
【００５３】
（第六半導体層２１）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、第五半導体層１９の上面に形成された、第六半導体層２１を備える。
【００５４】
第六半導体層２１は、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなる。第六半導体層２１に含まれるＡｌの組成比は、好ましくは５％以上、３０％以下であり、更に好ましくは、５％以上、１５％以下である。
【００５５】
第六半導体層２１は、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、又はＣなどのｐ型不純物がドープされており、好ましくは、ドーパントがＭｇである。第六半導体層２１の不純物濃度は、７×１０18／ｃｍ3以上、５×１０19／ｃｍ3以下であり、好ましくは、１×１０19／ｃｍ3以上、３×１０19／ｃｍ3以下である。
【００５６】
第六半導体層２１の膜厚は、５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であり、好ましくは、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下である。一例として、第六半導体層２１は、膜厚１０ｎｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる。第一半導体層１３をｎ型半導体層とし、第三半導体層２３をｐ型半導体層とする場合において、第六半導体層２１は、電子が第三半導体層２３内へと流入するのを抑制するブロック層として機能する。
【００５７】
（第三半導体層２３）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、第六半導体層２１の上面に形成された、第三半導体層２３を備える。
【００５８】
第三半導体層２３は、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなる。第三半導体層２３に含まれるＡｌの組成比は、第六半導体層２１よりは低く、好ましくは１％以上、１５％以下であり、更に好ましくは、３％以上、１０％以下である。
【００５９】
第三半導体層２３は、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、又はＣなどのｐ型不純物がドープされており、好ましくは、ドーパントがＭｇである。第三半導体層２３の不純物濃度は、７×１０18／ｃｍ3以上、５×１０19／ｃｍ3以下であり、好ましくは、１×１０19／ｃｍ3以上、３×１０19／ｃｍ3以下である。
【００６０】
第三半導体層２３の膜厚は、１００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であり、好ましくは、２００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である。一例として、第三半導体層２３は、膜厚３００ｎｍのｐ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなる。
【００６１】
（第七半導体層２５）
本実施形態の窒化物半導体素子１は、第三半導体層２３の上面に形成された、第七半導体層２５を備える。
【００６２】
第七半導体層２５は、ｐ型不純物がドープされた、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮからなり、好ましくはｐ型ＧａＮからなる。第七半導体層２５の不純物濃度は、第三半導体層２３の不純物濃度よりは高く、５×１０19／ｃｍ3以上、３×１０20／ｃｍ3以下であり、好ましくは、８×１０19／ｃｍ3以上、２×１０20／ｃｍ3以下である。
【００６３】
第七半導体層２５の膜厚は、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、好ましくは、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下である。一例として、第七半導体層２５は、膜厚１５ｎｍのｐ型ＧａＮからなる。第七半導体層２５は、その上層に電極を形成する場合において、電極とのオーミック接触を形成するための層として機能する。ただし、例えば、第三半導体層２３の不純物濃度が高いなど、第三半導体層２３と電極とのオーミック接触が形成できる場合には、第七半導体層２５の形成は省略可能である。
【００６４】
各半導体層（１１，１３，１５，１７，１９，２１，２３，２５）は、例えば、ＭＯＣＶＤ装置内において、所定のキャリアガスと、各半導体層の組成に応じた原料ガスとを、膜厚に応じた所定時間だけ、順次供給することで形成される。
【００６５】
［検証］
以下、窒化物半導体発光素子１によれば、発光効率が向上する点につき、実施例を参照して説明する。
【００６６】
（検証１）
図５は、窒化物半導体基板１０のオフ角θを０．３３°、０．４°、０．５°と異ならせて製造された窒化物半導体発光素子１の蛍光顕微鏡写真である。より詳細には、活性層１７に対して、蛍光顕微鏡からの出射光を入射させて活性層１７を励起し、活性層１７での発光の様子を撮像した写真である。
【００６７】
図５によれば、オフ角θが大きくなるに連れ、斑状又は線状の黒っぽい領域（暗点領域）が減少していることが分かる。このことから、窒化物半導体基板１０のオフ角θを大きくすることで、活性層１７内の暗点数を減少できていることが確認される。なお、再現性を確認するため、別の基板を用いて合計３回の実験を繰り返したが、同様の結果が確認された。なお、図６は、オフ角θが０．３３°である場合の活性層１７の蛍光顕微鏡写真であるが、線状の暗点領域８１が確認される。なお、前述した「斑状又は線状の」暗点領域は、紙面奥行き方向に延びており、面状の暗点領域（欠陥）を形成している。
【００６８】
本発明者らは、この現象が生じた理由につき、以下のように推察している。
【００６９】
窒化物半導体基板（例えばＧａＮ基板）にオフ角θを設けなかった場合、図７Ａに示すように、活性層１７の成長面は、水平方向に広いテラス幅を有する。なお、図７Ａにおいて、テラス幅の広い領域Ａ１と、狭い領域Ａ２とが存在する理由は、窒化物半導体基板の主面には、ランダムに形成された微視的な凹凸が存在し、半導体層を成長させる過程でこの凹凸を引き継ぐためである。
【００７０】
主面を（０００１）面とする窒化物半導体基板の上層に半導体層を成長させた場合、凹凸が形成されていない箇所には、テラス幅の広い領域Ａ１が形成される。この領域Ａ１内に活性層１７が成長すると、活性層１７の構成原子の水平方向に係る移動速度ｖ１が速くなる。この結果、凹凸が形成されていた箇所におけるテラス幅の狭い領域Ａ２との境界位置において、ステップが形成されている方向に対して直交する方向に、Ｉｎが過剰に取り込まれる領域が形成される。この結果、暗点箇所が形成される。
【００７１】
これに対し、オフ角θを有する主面１０ａを備えた窒化物半導体基板１０上に、半導体層を成長させた場合、図７Ｂに示すように、（０００１）面に平行なテラス幅Ｂ１は、図７Ａと比較して狭くなる。つまり、もともと窒化物半導体基板１０上に凹凸が形成されていた箇所と、形成されていなかった箇所とで、テラス幅の差は小さくなる。よって、活性層１７の構成原子は、テラス幅の広い領域Ｂ１上を移動する速度ｖ２と、テラス幅の広い領域Ｂ２上を移動する速度との間で差が小さくなる。これにより、Ｉｎが過剰に取り込まれる領域の形成が抑制される。
【００７２】
上述した実施形態では、窒化物半導体基板１０の主面１０ａが、（０００１）面に対して、ｍ軸方向、すなわち［１−１００］方向にオフ角θだけ傾けた場合について説明したが、ａ軸方向、すなわち［１１−２０］方向に傾けた場合においても同様の説明が可能である。
【００７３】
なお、この効果は、活性層１７（特に井戸層１７ａ）にＡｌを含有させることで、より顕著化される。すなわち、活性層１７をＡｌＩｎＧａＮで形成すると、活性層１７の成長時に、原料ガスに含まれるＡｌ原子によってＩｎ原子の拡散長を低下させる効果が得られる。この作用は、活性層１７の成長時において、Ｉｎ原子の移動速度を低下させる方向に働くため、オフ角θを設けてテラス幅を狭くしたことと相まって、Ｉｎの偏析を更に緩和させる効果が得られる。
【００７４】
（検証２）
更に、本実施形態の半導体発光素子１によれば、活性層１７の下層、すなわち窒化物半導体基板１０側に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第二半導体層１５を備えている。この第二半導体層１５を成長させることで、格子不整合が緩和されて結晶の表面エネルギーが低下し、表面のＩｎ組成の均一性が高められる。すなわち、この上層に活性層１７を成長させることで、活性層１７に取り込まれるＩｎの偏析が緩和される結果、Ｉｎが過剰に取り込まれる現象が更に抑制できたものと推察される。この効果を発揮させるためには、上述したように、第二半導体層１５のＩｎ組成は２％以上であることが好ましく、膜厚は１００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００７５】
比較例として、第二半導体層１５に代えてＧａＮ層を成長させた後、活性層１７を成長させて得られた窒化物半導体発光素子に対して、弱い励起エネルギーを与えた場合と、強い励起エネルギーを与えた場合とで、フォトルミネセンス波長の推移を比較した。この結果、弱励起時は４８０ｎｍであるのに対し、強励起時は４５０ｎｍであった。これに対し、実施例として、ＩｎＧａＮからなる第二半導体層１５を成長させた後、活性層１７を成長させて得られた窒化物半導体発光素子１に対して、同様の検証を行うと、弱励起時は４５５ｎｍであるのに対し、強励起時は４５０ｎｍであった。
【００７６】
弱励起時と強励起時で波長のシフト量が大きいことは、活性層１７内にＩｎ組成の大きい領域とＩｎ組成の小さい領域とが混在していることを意味する。すなわち、ＧａＮ層を成長させた後に活性層１７を成長させた場合と比較して、ＩｎＧａＮからなる第二半導体層１５を成長させた後に活性層１７を成長させることで、活性層１７内のＩｎの組成揺らぎが緩和されていることが分かる。
【００７７】
ただし、この効果は、必ずしも第二半導体層１５の直上に活性層１７を備える必要はなく、第二半導体層１５の形成後、その上面から５００ｎｍ以内の近傍に活性層１７が形成されていればよい。
【００７８】
なお、第二半導体層１５を備えない場合であっても、窒化物半導体基板１０の主面１０ａが、（０００１）面に対して０．４°以上のオフ角θを有していれば、主面に平行な面に係るテラス幅を狭めることができるため、Ｉｎの過剰取り込みを緩和させる効果が得られる。
【００７９】
（検証３）
図８は、オフ角θを０．４４°、０．５°とした窒化物半導体発光素子１を、半導体レーザ素子として実現した場合の、Ｌ−Ｉ（光−電流）特性を示すグラフである。図９は、この検証に利用した半導体レーザ素子の構成例である。
【００８０】
図９において、第一半導体層１３の上層には第一電極３１が形成されており、第七半導体層２５の上層には第二電極３２が形成されている。各電極（３１，３２）の上層には、通電用のパッド電極（４１，４２）が形成されている。また、第六半導体層２１、第三半導体層２３、第七半導体層２５、及び第二電極３２の積層体が、リッジ部を構成しており、このリッジ部の外側面、及び活性層１７を含む半導体層（１５，１７，１９）の外側面を覆うように絶縁層５１が形成されている。絶縁層５１は、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3などからなる。
【００８１】
図９に示すように、第一半導体層１３は、活性層１７よりも窒化物半導体基板１０の主面１０ａに平行な方向に係る幅が広く形成されている。第一半導体層１３の上面のうち、活性層１７が形成されていない領域の一部において、第一電極３１が形成されている。図９に示す窒化物半導体発光素子１において、第一電極３１は、ｎ側電極を構成する。第一電極３１は、例えば、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで形成することができる。第一電極３１の膜厚は任意であるが、例えば、１００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下である。
【００８２】
第七半導体層２５の上層には、第二電極３２が形成されている。本実施形態において、第二電極３２は、ｐ側電極を構成する。第二電極３２は、例えば、ＩＴＯや、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕなどで形成することができる。特に、第二電極３２を、ＩＴＯなどの、可視光に対して透光性が高く、屈折率の低い透明電極材料で構成することで、ｐ側のクラッド層の一部として機能させることができる。第二電極３２の膜厚は任意であるが、例えば、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である。
【００８３】
第一電極３１の上面、及び第二電極３２の上面には、それぞれ、通電のためのパッド電極（４１，４２）が形成されている。パッド電極（４１，４２）は、いずれもＮｉ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ａｕや、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕなどで形成される。パッド電極（４１，４２）の膜厚は任意であるが、例えば、１μｍ以上、１０μｍ以下である。
【００８４】
図８は、窒化物半導体基板１０のオフ角θを０．４４°、０．５°として図９に示すような半導体レーザ素子を形成した場合において、各パッド電極（４１，４２）間に供給される電流密度と、光出力との関係をグラフ化したものである。発振波長はいずれも４５０ｎｍである。図８によれば、オフ角θが０．５°の場合、０．４４°と比較して閾値電流密度が低下していることが分かる。この結果からも、オフ角θを大きくしたことで、活性層１７内の暗点の形成が抑制され、内部損失が低下したことが確認される。
【００８５】
なお、窒化物半導体発光素子１を図９に示すような半導体レーザ素子として実現する場合、発振用導波路を構成する活性層１７の傾斜が大きくなり過ぎると、活性層１７の端面における光の反射時に内部損失が発生してしまうことから、オフ角θは５°以下であることが好ましく、１°以下であることが更に好ましく、０．７°以下であることが特により好ましい。
【００８６】
なお、窒化物半導体発光素子１を半導体レーザ素子として実現する場合において、図１０に例示されるように、一方の電極３１を窒化物半導体基板１０の裏面１０ｂ側に形成し、他方の電極３２を窒化物半導体基板１０の主面１０ａ側に形成しても構わない。
【００８７】
［別実施形態］
以下、窒化物半導体発光素子１の別実施形態について説明する。
【００８８】
〈１〉窒化物半導体発光素子１は、第四半導体層１１を備えないものとしても構わない。この場合、オフ角θを有する窒化物半導体基板１０の主面１０ａ上に、第一半導体層１３が形成される。
【００８９】
〈２〉窒化物半導体発光素子１は、第二半導体層１５を備えないものとしても構わない。この場合、第一半導体層１３の上面に活性層１７が形成される。
【００９０】
〈３〉窒化物半導体発光素子１は、第五半導体層１９を備えないものとしても構わない。この場合、活性層１７の上面に、第六半導体層２１又は第三半導体層２３が形成される。
【００９１】
〈４〉窒化物半導体発光素子１は、第六半導体層２１を備えないものとしても構わない。この場合、活性層１７の上面には、第五半導体層１９を介して、又は直接、第三半導体層２３が形成される。ただし、第六半導体層２１を備えることで、活性層１７内における再結合確率が更に高められるため、発光特性が更に向上する。
【００９２】
〈５〉窒化物半導体発光素子１を半導体レーザ素子として実現した場合の例を、図９及び図１０に図示したが、この構造はあくまで一例である。
【００９３】
例えば、図９に示す例において、第一電極３１の下方の半導体層（１３，１１）がエッチングにより除去されており、第一電極３１が窒化物半導体基板１０の上面に形成されていても構わない。また、窒化物半導体基板１０と第一半導体層１３との間に、別の窒化物半導体層（Ａ）が形成されていると共に、第一電極３１の下方の第一半導体層１３がエッチングにより除去されており、第一電極３１がこの窒化物半導体層（Ａ）の上面に形成されていても構わない。
【００９４】
〈６〉上記実施形態において、第一半導体層１３をｎ型半導体層とし、第三半導体層２３をｐ型半導体層として説明したが、導電型を反転させても構わない。
【符号の説明】
【００９５】
１      ：    窒化物半導体素子
１０      ：    窒化物半導体基板
１０ａ    ：    窒化物半導体基板の主面
１０ｂ    ：    窒化物半導体基板の裏面
１１      ：    第四半導体層
１３      ：    第一半導体層
１５      ：    第二半導体層
１７      ：    活性層
１７ａ    ：    井戸層
１７ｂ    ：    障壁層
１９      ：    第五半導体層
２１      ：    第六半導体層
２３      ：    第三半導体層
２５      ：    第七半導体層
３１      ：    第一電極
３２      ：    第二電極
４１，４２      ：    パッド電極
５１      ：    絶縁層
８１      ：    暗点領域
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
2019186262.tif 000009
【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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