(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長面を有し、窒化物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層の成長面上に形成され、量子井戸構造を有する活性層を含む窒化物半導体層とを備え、
前記活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる量子井戸層を含み、
前記半導体層の成長面が、ｍ面に対して、ａ軸方向とｃ軸方向にオフ角度を有する面から構成されているとともに、前記ａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きいことを特徴とする、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ａ軸方向のオフ角度、および、前記ｃ軸方向のオフ角度が、それぞれ、０．１度より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ａ軸方向のオフ角度が、０．１度より大きく、かつ、１０度以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ａ軸方向のオフ角度が、１度より大きく、かつ、１０度以下であ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素子。
【請求項５】
前記量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）の組成式で表される半導体から構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記量子井戸層のＡｌ組成比Ｘ１が、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記量子井戸層のＩｎ組成比ｙ１が、０．００≦ｙ１≦０．１２の範囲にあることを特徴とする、請求項５または６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記半導体層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、
前記半導体層のＡｌ組成比が、前記量子井戸層のＡｌ組成比よりも大きく、かつ、そのＡｌ組成比が、０．２０以上１．００以下であ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素子。
【請求項９】
前記活性層は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）の組成式で表される半導体からなる障壁層を含み、
前記障壁層のＡｌ組成比ｘ２が、前記量子井戸層のＡｌ組成比よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記障壁層のＡｌ組成比ｘ２が、０．２０≦ｘ２≦１．００の範囲にあることを特徴とする、請求項９に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）の組成式で表される半導体から構成される場合において、
前記障壁層のＩｎ組成比ｙ２が、前記量子井戸層のＩｎ組成比ｙ１よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８の範囲にあることを特徴とする、請求項９または１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記障壁層が、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮからなることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記量子井戸層が、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮからなることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記半導体層の成長面上に、前記成長面と接するように、ＡｌＮ層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１５】
前記半導体層の成長面上に形成される前記窒化物半導体層は、前記活性層に対して前記半導体層側に形成されるｎ側窒化物半導体層と、前記活性層に対して前記ｎ側窒化物半導体層とは反対側に形成されるｐ側窒化物半導体層とをさらに備え、
前記ｎ側窒化物半導体層が、ＧａＮ層を含まない構成とされていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１６】
前記活性層から放出される光の波長が、２４０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１７】
前記活性層から放出される光の波長が、２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１８】
前記成長面を有する前記半導体層が、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮおよびＡｌＮのいずれかから構成されていることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１９】
前記成長面を有する前記半導体層を構成する基板を備え、
前記基板が、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板およびＡｌＮ基板のいずれかから構成されていることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２０】
前記成長面を有する前記半導体層を構成する基板を備え、
前記基板が、ＧａＮ基板から構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素子。
【請求項２１】
下地基板上に前記半導体層が形成されたテンプレート基板を備え、
前記テンプレート基板上に、前記活性層を含む前記窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子を備えることを特徴とする、半導体光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子、および、窒化物半導体素子を搭載した半導体光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
【０００３】
また、近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、その発光波長を短波長化することにより、殺菌・浄水、各種医療分野、公害物質の高速分解処理などの非常に幅広い分野での応用が期待される、紫外領域で発光する半導体発光素子の研究開発が各研究機関で精力的に行われている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、一般的に、基板として、サファイア基板が用いられている。また、その成長面には、極性面であるｃ面（（０００１）面）が利用されている。そして、このｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層が積層されることによって窒化物半導体発光素子が形成されている。
【０００５】
しかしながら、上記のような半導体発光素子においては、これまでのところ、ＡｌＮやＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ結晶の高品質化を図るのが困難であるという不都合があった。このため、発光素子の発光効率を向上させることが困難であるという問題があった。この原因の一つとして、Ａｌ原子の表面マイグレーションが不十分であることが示唆されている。そして、その対策として、原料供給手法の工夫（たとえば、非特許文献１参照）および高温度成長の有効性（たとえば、非特許文献２参照）などが提唱されている。
【０００６】
具体的には、上記非特許文献１では、ＡｌＮ層や高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層を形成する際に、ＩＩＩ族原子の原料とＶ族原子の原料とを同時に供給するのではなく、これらの原料を交互に供給する手法を用いている。また、上記非特許文献２では、ｃ面サファイア基板上にＡｌＮ層を成長させる際に、１４００℃の高温で成長させることにより、ＡｌＮ層の結晶品質が改善されることを開示している。
【０００７】
また、極性面であるｃ面を主面とする基板を用いた場合、主面の法線方向（ｃ軸方向）に極性を有するため、このｃ面上に、活性層を含む窒化物半導体層を積層すると、活性層内に自発分極が生じる。このため、ｃ面を主面とする基板を用いた場合には、自発分極によって、発光効率が低下するという問題もある。そのため、ｃ面を主面とする基板に代えて、非極性面であるｍ面を主面とする基板を用いた窒化物半導体レーザ素子も提唱されている（たとえば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１５８９５５号公報
【特許文献２】特開２００９−１２３９６９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｈｉｒｏｋｉ  ａｎｄ  Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，"Ｆｌａｔ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ  ａｎｄ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ  ｉｎ  ＡｌＮ／ＧａＮ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  Ｆｌｏｗ−Ｒａｔｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｅｐｉｔａｘｙ"，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４２（２００３）２３０５．
【非特許文献２】Ｍ．Ｉｍｕｒａ，Ｋ．Ｎａｋａｎｏ，Ｎ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，Ｎ．Ｏｋａｄａ，Ｋ．Ｂａｌａｋｒｉｓｈｎａｎ，Ｍ．Ｉｗａｙａ，Ｓ．Ｋａｍｉｙａｍａ，Ｈ．Ａｍａｎｏ，Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ，Ｔ．Ｎｏｒｏ，Ｔ．Ｔａｋａｇｉ，ａｎｄ  Ａ．Ｂａｎｄｏ，"Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ＡｌＮ  Ｅｐｉｌａｙｅｒｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｂｙ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ"，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４６（２００７）１４５８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１および２で提唱されているような手法を用いた場合でも、その発光効率は十分高いとはいえず、依然として、発光効率改善の余地が残されている。また、非特許文献２で提唱されているような高温度での結晶成長は、成長炉への温度負荷が大きいという問題点もある。
【００１１】
また、特許文献１および２においても、その発光効率は十分高いとはいえず、発光効率のさらなる向上が要求される。
【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体素子、および、その窒化物半導体素子を備えた半導体光学装置を提供することである。
【００１３】
この発明のもう１つの目的は、平坦性の良好な窒化物半導体層が形成された窒化物半導体素子、および、その窒化物半導体素子を備えた半導体光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明者らが、上記の問題に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長面とする半導体層上に窒化物半導体層を形成することにより、結晶品質を向上させることが可能となることを見出した。
【００１５】
すなわち、この発明の第１の局面による窒化物半導体素子は、成長面を有し、窒化物半導体からなる半導体層と、半導体層の成長面上に形成され、量子井戸構造を有する活性層を含む窒化物半導体層とを備えている。上記活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる量子井戸層を含んでいる。また、上記半導体層の成長面は、ｍ面に対して、少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面から構成されている。そして、ａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きくなるように構成されている。
【００１６】
この第１の局面による窒化物半導体素子では、上記のように、ｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面を半導体層の成長面とすることによって、その成長面上に形成される窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができる。このため、窒化物半導体層に含まれる量子井戸層においても、その結晶品質を向上させることができる。これにより、発光効率を向上させることができる。
【００１７】
また、第１の局面では、成長面におけるａ軸方向のオフ角度を、ｃ軸方向のオフ角度よりも大きくすることによって、成長面上に形成される窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。このため、これによっても、発光効率を向上させることができる。また、窒化物半導体層の平坦性を向上させることによって、面内層厚分布を均一化することができるので、面内層厚分布が不均一になることに起因する、クラックの発生、素子抵抗のバラツキ、電流注入の不均一などを抑制することもできる。
【００１８】
さらに、第１の局面では、上記のように構成することによって、窒化物半導体層を高温度で成長させることなく、窒化物半導体層の結晶品質および平坦性を向上させることができる。このため、成長炉への温度負荷を低減することもできる。
【００１９】
なお、第１の局面では、半導体層の成長面をｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面から構成することによって、ｃ面を成長面とした場合とは異なり、活性層内に自発分極が生じるのを抑制することができる。このため、自発分極に起因する発光効率の低下を抑制することもできる。
【００２０】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、ａ軸方向のオフ角度、および、ｃ軸方向のオフ角度は、それぞれ、０．１度より大きい。このように構成すれば、容易に、窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができるとともに、容易に、平坦性を向上させることができる。
【００２１】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、ａ軸方向のオフ角度が、０．１度より大きく、かつ、１０度以下であればより好ましい。ａ軸方向のオフ角度をこのような範囲内の角度とすることにより、効果的に、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果を得ることができる。
【００２２】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、ａ軸方向のオフ角度が、１度より大きく、かつ、１０度以下であればさらに好ましい。このように、ａ軸方向のオフ角度を１度より大きい角度とすることにより、より効果的に、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果を得ることができる。
【００２３】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、上記量子井戸層は、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）の組成式で表される半導体から構成されているのが好ましい。
【００２４】
この場合において、量子井戸層のＡｌ組成比Ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあるのが好ましい。量子井戸層のＡｌ組成比Ｘ１をこのような範囲とすれば、発光効率をより効果的に向上させることができる。なお、量子井戸層のＡｌ組成比Ｘ１は、０．３以上であればより好ましく、０．５以上であればさらに好ましい。このように、量子井戸層のＡｌ組成比Ｘ１を、０．１５以上とすることにより、ｍ面に対して、少なくともａ軸方向にオフ角度を有し、そのａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きくなるように構成されている成長面を用いると、上記の面以外の他の面（たとえば、ｃ面）を用いたものと比較した場合、他の面（たとえば、ｃ面）に対する発光効率の向上効果を大きくすることができる。また、量子井戸層のＡｌ組成比Ｘ１を、０．３以上とすれば、他の面（たとえば、ｃ面）に対する発光効率の向上効果をより大きくすることができ、０．５以上とすれば、他の面（たとえば、ｃ面）に対する発光効率の向上効果をさらに大きくすることができる。また、量子井戸層のＡｌ組成比Ｘ１を、０．９以下とすることにより、キャリア閉じ込めを可能とすることができる。
【００２５】
また、上記量子井戸層がＡｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎの組成式で表される半導体から構成される場合、量子井戸層のＩｎ組成比ｙ１は、０．００≦ｙ１≦０．１２の範囲にあるのが好ましい。すなわち、上記量子井戸層は、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。上記量子井戸層がＩｎを含む場合、比較的低温で、平坦性に優れた量子井戸層を成長させることが可能となる。このため、成長炉（結晶成長装置）への温度負荷を有効に低減することができる。加えて、素子構造を形成する際に、歪みを制御するパラメータが増えるため、素子の設計自由度を高めることもできる。また、Ｉｎ組成比ｙ１を０．１２以下とすることにより、平坦性に優れた結晶を容易に実現することができる。一方、上記量子井戸層がＩｎを含まない場合、このような量子井戸層を、ａ軸方向にオフ角度を有する面を成長面とする半導体層上に形成することによって、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果を、顕著に得ることができる。
【００２６】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、成長面を有する半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されているのが好ましい。この場合、この半導体層のＡｌ組成比は、量子井戸層のＡｌ組成比よりも大きく、かつ、そのＡｌ組成比が、０．２０以上１．００以下であるのが好ましい。このように構成すれば、窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができるとともに、活性層からの光がこの半導体層で吸収されるのを抑制することができる。なお、上記半導体層のＡｌ組成比は、０．３以上であればより好ましく、０．５以上であればさらに好ましい。
【００２７】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、上記活性層は、Ａｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）の組成式で表される半導体からなる障壁層を含み、この障壁層のＡｌ組成比ｘ２が、量子井戸層のＡｌ組成比よりも大きい。このように構成すれば、障壁層のバンドギャップが、量子井戸層のバンドギャップよりも大きくなる。
【００２８】
この場合において、上記障壁層のＡｌ組成比ｘ２は、０．２０≦ｘ２≦１．００の範囲にあるのが好ましい。このように構成すれば、障壁層のバンドギャップが、量子井戸層のバンドギャップよりも大きくなり、効果的にキャリアを量子井戸に閉じ込めることができるとともに、活性層で発せられた光の吸収を抑制することができる。なお、上記障壁層のＡｌ組成比ｘ２は、０．３以上であればより好ましく、０．５以上であればさらに好ましい。
【００２９】
また、上記障壁層がＡｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎの組成式で表される半導体から構成され、上記量子井戸層が、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）の組成式で表される半導体から構成される場合、上記障壁層のＩｎ組成比ｙ２は、量子井戸層のＩｎ組成比ｙ１よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８の範囲にあるのが好ましい。すなわち、上記障壁層は、Ｉｎを含むように構成されていてもよいし、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。いずれの場合も、上記障壁層のバンドギャップが上記量子井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように構成されていると良い。上記障壁層がＩｎを含む場合、比較的低温で、平坦性に優れた障壁層を成長させることが可能となる。このため、成長炉（結晶成長装置）への温度負荷を有効に低減することができる。加えて、素子構造を形成する際に、歪みを制御するパラメータが増えるため、設計自由度を高めることもできる。また、Ｉｎ組成比ｙ１を０．０８以下とすることにより、平坦性に優れた結晶を容易に実現することができる。さらに、障壁層のＩｎ組成比ｙ２を、量子井戸層のＩｎ組成比ｙ１より小さくすることによって、上記障壁層のバンドギャップが上記量子井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように構成される。このため、活性層における光吸収の影響を抑制することができる。一方、上記障壁層がＩｎを含まない場合、このような量子井戸層を、ａ軸方向にオフ角度を有する面を成長面とする半導体層上に形成することによって、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果を、顕著に得ることができる。
【００３０】
上記活性層が障壁層を含む構成において、上記障壁層は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから構成されているのが好ましい。
【００３１】
また、上記第１の局面による窒化物半導体素子において、上記量子井戸層は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから構成されているのが好ましい。
【００３２】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、半導体層の成長面上に、この成長面と接するように、ＡｌＮ層が形成されていてもよい。このように、半導体層の成長面と接するようにＡｌＮ層を形成することにより、結晶性および平坦性に優れたＡｌＮ層を形成することができる。このため、このＡｌＮ層上に半導体層を積層することにより、ＡｌＮ層上に積層される半導体層の結晶性および平坦性を向上させることができる。
【００３３】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、半導体層の成長面上に形成される窒化物半導体層は、活性層に対して半導体層側に形成されるｎ側窒化物半導体層と、活性層に対してｎ側窒化物半導体層とは反対側に形成されるｐ側窒化物半導体層とをさらに備え、ｎ側窒化物半導体層が、ＧａＮ層を含まない構成とされている。このように構成すれば、良好な表面モフォロジーを得ることができる。
【００３４】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、活性層から放出される光の波長が、２４０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下であるのが好ましい。このように構成すれば、紫外領域の光を発する、発光効率の高い発光素子を得ることができる。
【００３５】
この場合において、活性層から放出される光の波長が２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であればより好ましい。
【００３６】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、成長面を有する半導体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮおよびＡｌＮのいずれかから構成されているのが好ましい。
【００３７】
また、上記第１の局面による窒化物半導体素子において、成長面を有する半導体層を構成する基板を備えていてもよい。この場合、上記基板は、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板およびＡｌＮ基板のいずれかから構成されているのが好ましい。このように構成すれば、基板上に形成される窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができるとともに、窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。
【００３８】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、成長面を有する半導体層を構成する基板が、ＧａＮ基板から構成されていてもよい。このように、基板にＧａＮ基板を用いれば、サファイア基板などとは異なり、基板が導電性を有するので、素子の設計自由度を高めることができる。また、基板にＧａＮ基板を用いれば、サファイア基板を用いる場合に比べて、基板上に形成される窒化物半導体層との熱膨張係数差や格子定数差を小さくすることができる。
【００３９】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、下地基板上に上記半導体層が形成されたテンプレート基板を備え、上記テンプレート基板上に、活性層を含む窒化物半導体層が形成された構成とすることもできる。
【００４０】
この発明の第２の局面による半導体光学装置は、上記第１の局面による窒化物半導体素子が搭載された半導体光学装置である。
【発明の効果】
【００４１】
以上のように、本発明によれば、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体素子、および、その窒化物半導体素子を備えた半導体光学装置を容易に得ることができる。
【００４２】
また、本発明によれば、平坦性の良好な窒化物半導体層が形成された窒化物半導体素子、および、その窒化物半導体素子を備えた半導体光学装置を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図（ユニットセルを表した図）である。
【図２】窒化物半導体層の成長面のオフ角度を説明するための模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子に用いられるテンプレート基板の断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示した断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体光学装置を模式的に示した断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子の層構造を示した断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子に用いられるテンプレート基板の断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図１３】第６実施形態の変形例による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図１４】実施例１による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図１５】実施例１による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示した断面図である。
【図１６】実施例２による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図１７】実施例２による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示した断面図である。
【図１８】実施例２による窒化物半導体発光素子の発光効率向上効果を確認するために用いた評価構造の断面図である。
【図１９】本発明の第７実施形態による半導体基板を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本願発明者らが種々検討を行うことによって得た知見について説明する。
【００４５】
本願発明者らは、ｍ面を成長面とする窒化物半導体層上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させたところ、ｃ面を成長面とする窒化物半導体上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させた場合に比べて、結晶品質が向上することを見出した。これは、ｍ面を成長面とする窒化物半導体層上の方が、ｃ面を成長面とする窒化物半導体層上に比べて、結晶表面に到達するＩＩＩ族原子のマイグレーションが延びたためであると推測される。
【００４６】
この際、成長面上に成長される窒化物半導体層のＡｌ組成比が大きいほど、ｍ面に対して、少なくともａ軸方向にオフ角度を有し、そのａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きくなるように構成されている成長面を用いると、上記の面以外の他の面（たとえば、ｃ面）を用いたものと比較した場合、その結晶品質の向上効果が大きくなる傾向が見られた。具体的には、Ａｌを含む窒化物半導体層のＡｌ組成比が１５％以上で、他の面（たとえば、ｃ面）に対する結晶品質の向上効果が大きく、３０％以上で非常に顕著となった。Ａｌ組成比が大きくなると、他の面（たとえば、ｃ面）に対する結晶品質の向上効果が大きくなる理由としては、Ａｌの拡散定数がＧａの拡散定数に比べて小さいため、Ａｌ組成比を大きくすると、Ａｌ原子の影響が大きくなり、マイグレーションを延ばす効果が大きく現れるためであると推測される。
【００４７】
しかしながら、ｍ面を成長面とする窒化物半導体層上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させると、その成長表面に、ピラミッド状の凸部が発生するという不都合が生じる。このピラミッド状の凸部は、成長面上に成長される窒化物半導体層のＡｌ組成比が大きいほど、顕著になる傾向にあった。具体的には、Ａｌ組成比が１５％（０．１５）より大きくなると、ピラミッド状の凸部が顕著にあらわれはじめ、成長表面の平坦性が悪化する。Ａｌ組成比が３０％（０．３０）以上になると、成長表面の平坦性がさらに悪化する。
【００４８】
このため、ピラミッド状の凸部によって、成長表面の凹凸が大きくなる。成長表面の凹凸が大きくなると、層厚のバラツキが大きくなるため、クラックの発生が誘発されるおそれがある。また、面内の層厚分布が悪化するため、層方向の素子抵抗がばらついたり、面内方向で電流注入が不均一になったりするなどの問題も生じる。このため、発光効率の低下、および、素子抵抗の増大などの問題が生じる。
【００４９】
このように、ｍ面を成長面とする窒化物半導体層上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させた場合、そのＡｌ組成比を大きくすると、結晶品質は向上するものの、ピラミッド状の凸部の発生により、平坦性が低下するという問題が生じることを見出した。
【００５０】
そこで、本願発明者らが、鋭意検討したところ、ｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面を成長面とすることにより、上記問題点を解決できることを見出した。すなわち、ｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面を成長面とする窒化物半導体層上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させることにより、ピラミッド状の凸部を発生させることなく、結晶品質を向上させることが可能となることを見出した。この場合、ａ軸方向のオフ角度を、ｃ軸方向のオフ角度より大きくすることにより、ピラミッド状の凸部の発生を効果的に抑制することが可能となる。
【００５１】
また、窒化物半導体層の成長面を上記のように構成すれば、その成長面上に形成される窒化物半導体層のＡｌ組成比を大きくすることにより、成長表面の良好な平坦性を維持しながら、結晶品質を向上させることが可能となることを見出した。そのため、このような成長面を有する窒化物半導体層は、Ａｌ組成比の高い窒化物半導体層を必要とする、紫外領域で発光する窒化物半導体発光素子に好適である。
【００５２】
なお、結晶品質の向上効果が得られる理由としては、上記と同様、Ａｌのマイグレーションが延びるためであると推測される。また、平坦性の向上効果が得られる理由としては、一つには、窒化物半導体層の成長面がｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を持つことで、ＩＩＩ族原子のマイグレーションの方向が変化するためであると推測される。
【００５３】
したがって、上記のように構成することにより、結晶品質および平坦性を向上させることが可能となるため、発光効率を向上させることが可能となる。加えて、クラックの発生の抑制および素子抵抗の低減を実現可能となることが分かった。
【００５４】
さらに、本願発明者らが検討を進めた結果、ｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面を成長面とする窒化物半導体層を用いて、その成長面上に素子構造を形成する場合、ｐ型窒化物半導体層の成長温度を低温化できることを見出した。
【００５５】
具体的には、本願発明者らが、９００℃より低い温度でｐ型窒化物半導体層を成長させて比較を行ったところ、極性面であるｃ面を成長面とする窒化物半導体層（たとえば、ｃ面ＧａＮ基板）を用いた場合では、ｐ型窒化物半導体層の表面に貫通転位などによる欠陥が多数発生することが確認された。この場合、表面に発生する欠陥の大きさも大きくなることが確認された。表面に発生する欠陥を観察する場合、通常は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などを用いないと観察が困難となる。しかしながら、ｃ面を成長面とするＧａＮ基板を用いた場合には、２００倍〜８００倍程度の光学顕微鏡を用いた場合でも観察することが可能なほど大きな欠陥が発生する。これは、成長温度が低いために、原子のマイグレーションが抑制されて、結晶性が悪化するためであると考えられる。また、窒化物半導体は、ｎ型伝導を示しやすい一方、ｐ型伝導を示しにくい傾向がある。このため、窒化物半導体層を低温で成長させると、結晶性の悪化から、ｐ型伝導を示さなくなる。特に、Ａｌを含むＡｌＧａＮ型窒化物半導体層などは、Ａｌを含まないＧａＮ型窒化物半導体層などと比べて高温の成長温度が要求される。加えて、Ａｌ組成比が高い場合には、結晶品質向上のために、１２００℃程度の高温成長が要求される。
【００５６】
これに対し、ｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面を成長面とする窒化物半導体層（たとえば、ｍ面ＧａＮ基板など）を用いた場合、ｃ面を成長面とする窒化物半導体層を用いた場合に比べて、平坦で、良好な結晶表面が観察された。また、電気特性を測定したところ、良好なｐ型伝導を示した。
【００５７】
なお、このような効果が得られた理由としては、成長温度を低く設定した場合でも原子のマイグレーションが充分確保されたためであると考えられる。
【００５８】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、窒化物半導体素子の一例である窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）に本発明を適用した例について説明する。また、以下の実施形態において、「窒化物半導体」とは、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる半導体を意味する。
【００５９】
（第１実施形態）
図１は、窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図である。図２は、窒化物半導体層の成長面のオフ角度を説明するための模式図である。図３は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図４〜図６は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を説明するための図である。まず、図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子５００の構成について説明する。
【００６０】
第１実施形態による窒化物半導体発光素子５００を構成する窒化物半導体は、図１に示すように、六方晶系の結晶構造を有している。この結晶構造において、六角柱とみなせる六方晶のｃ軸［０００１］を法線とする面（六角柱の上面）をｃ面（０００１）と呼び、六角柱の側壁面の各々をｍ面｛１−１００｝と呼ぶ。窒化物半導体では、ｃ軸方向に対称面が存在しないため、分極方向がｃ軸方向に沿っている。このため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示す。すなわち、＋ｃ面（（０００１）面）と−ｃ面（（０００−１）面）とは等価な面ではなく、化学的な性質も異なる。一方、ｍ面は、ｃ面に対して直角な結晶面であるため、ｍ面の法線は、分極方向に対して直交している。このため、ｍ面は、極性のない無極性面である。なお、上述のように、六角柱の側壁面の各々がｍ面となるため、ｍ面は、６種類の面方位（（１−１００）、（１０−１０）、（０１−１０）、（−１１００）、（−１０１０）、（０−１１０））で示されるが、これらの面方位は、結晶幾何学的に等価な面方位であるため、これらを総称して｛１−１００｝と示す。
【００６１】
また、第１実施形態による窒化物半導体発光素子５００は、図３および図４に示すように、成長面２０ａを有する窒化物半導体層２０を有している。この窒化物半導体層２０の成長面２０ａは、ｍ面に対してａ軸方向（［１１−２０］方向）およびｃ軸方向（ｃ軸［０００１］方向）にオフ角度を有する面からなる。また、成長面２０ａにおけるａ軸方向のオフ角度は、ｃ軸方向のオフ角度よりも大きい角度に構成されている。なお、窒化物半導体層２０は、本発明の「成長面を有する半導体層」の一例である。
【００６２】
ここで、図２を参照して、成長面２０ａを有する窒化物半導体層２０の一例としてＧａＮ層を例にとり、ａ軸方向およびｃ軸方向のオフ角度についてより詳細に説明する。まず、ｍ面に対して、ａ軸［１１−２０］方向およびｃ軸［０００１］方向の２つの結晶軸方向を定義する。これらａ軸およびｃ軸は、互いに垂直な関係となっているとともに、ｍ軸に対しても互いに垂直な関係となっている。また、ＧａＮ層５の結晶軸ベクトルが層表面（成長面５ａ）の法線ベクトルと一致する場合（全ての方向に対してオフ角度が０になった場合）に、ａ軸方向、ｃ軸方向、ｍ軸方向と平行となる方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とする。次に、Ｙ方向の法線を持つ第１面、および、Ｘ方向の法線を持つ第２面を考える。そして、結晶軸ベクトルを第１面および第２面に投影したときに現れる結晶軸ベクトルを、それぞれ、第１投影ベクトルおよび第２投影ベクトルとする。このときの第１投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θａがａ軸方向のオフ角度であり、第２投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θｃがｃ軸方向のオフ角度である。なお、ａ軸方向のオフ角度は、＋方向と−方向とで、結晶的にみて同じ表面状態になるため、＋方向と−方向とで同じ特性を有する。このため、絶対値で記載することができる。一方、ｃ軸方向は、＋方向と−方向とで、Ｇａ極性面が強くなる場合と、Ｎ極性面が強くなる場合とがあり、方向により特性が異なるため、＋方向と−方向とを区別して記載する。
【００６３】
また、第１実施形態では、図４に示すように、上記窒化物半導体層２０は、下地基板としての窒化物半導体基板１０上に形成されている。この窒化物半導体基板１０の成長面１０ａは、窒化物半導体層２０の成長面２０ａと同様、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有する面からなる。また、成長面１０ａにおけるａ軸方向のオフ角度は、ｃ軸方向のオフ角度より大きい角度に構成されている。そして、窒化物半導体層２０と窒化物半導体基板１０とにより、テンプレート基板３０が構成される。
【００６４】
窒化物半導体基板１０としては、たとえば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板、ＡｌＮ基板などを用いることができる。また、成長面２０ａを有する窒化物半導体層２０は、Ａｌを含む窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ）を用いて構成される。この場合、窒化物半導体層２０のＡｌ組成比は、後述する量子井戸層１２０ａ（図５参照）のＡｌ組成比よりも大きく、かつ、０．２０以上１．００以下の範囲にあるのが好ましい。また、窒化物半導体層２０のＡｌ組成比は、０．３０以上であればより好ましく、０．５０以上であればさらに好ましい。
【００６５】
窒化物半導体基板１０にＧａＮ基板を用いると、ＧａＮ基板は、サファイア基板などとは異なり、導電性を有するため、デバイス設計の自由度が高まる。また、サファイア基板などの異種基板を用いた場合と比べ、ＡｌＩｎＧａＮ材料との熱膨張係数差や格子定数差が小さいため、ＡｌＩｎＧａＮ層の形成に適する。ただし、ＧａＮ基板は、紫外光を吸収するため、光吸収を考慮した設計を必要とする。 
【００６６】
窒化物半導体基板１０にＡｌＧａＮ基板を用いると、ＡｌＧａＮ基板のＡｌ組成比が、量子井戸層１２０ａ（図５参照）のＡｌ組成比よりも高く設定されることで、光吸収の影響が抑制される。このため、ＧａＮ基板を用いる場合とは異なり、光吸収を考慮した設計が不要となり、素子構造の設計自由度が高くなる。さらに、発光素子を構成するＡｌＩｎＧａＮ材料と格子定数が近くなるように、ＡｌＧａＮ基板のＡｌ組成比を調整すると、クラック抑制効果も期待できる。この場合、素子構造を構成する多層膜（窒化物半導体各層）のうち、最も層厚の大きい層の格子定数に近くするとよい。
【００６７】
また、窒化物半導体基板１０にＡｌＧａＮ基板を用いると、基板の格子定数の自由度が高まるため、発光素子を構成する窒化物半導体の設計自由度が高まる。
【００６８】
さらに、窒化物半導体基板１０にＡｌＮ基板を用いると、ＡｌＧａＮ基板と同様の効果に加え、放熱性が向上するため、発光特性改善が期待できる。
【００６９】
ここで、上記窒化物半導体層２０の成長面２０ａにおいては、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度は、それぞれ、０．１度より大きい角度に構成されている。また、ａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、１０度以下の角度に構成されていればより好ましい。１．０度より大きく、１０度以下の角度に構成されていればさらに好ましい。また、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａにおいても、上記と同様に構成されていると好ましい。
【００７０】
また、窒化物半導体層２０の成長面２０ａ上には、活性層１２０を含む窒化物半導体層２００（層構造２００）が形成されている。この窒化物半導体層２００は、複数の半導体層が積層されることによって構成されており、ｎ側窒化物半導体層２１０およびｐ側窒化物半導体層２２０を含んでいる。ｎ側窒化物半導体層２１０およびｐ側窒化物半導体層２２０は、上記活性層１２０を挟むように形成されている。また、第１実施形態では、ｎ側窒化物半導体層２１０にＧａＮ層を含まない構成となっている。
【００７１】
具体的には、図３に示すように、窒化物半導体層２０の成長面２０ａ上には、たとえば、約１．５μｍ〜約２．０μｍの厚みを有するｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０が形成されている。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０上には、上記活性層１２０が形成されている。活性層１２０上には、たとえば、約１５ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるキャリアブロック層１３０が形成されている。キャリアブロック層１３０上には、たとえば、約１０ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４０が形成されている。ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４０上には、たとえば、約５０ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層１５０が形成されている。なお、ｐ型コンタクト層１５０は、ＡｌＧａＮまたはＧａＮから構成されていてもよい。
【００７２】
上記活性層１２０は、図５に示すように、障壁層１２０ｂと量子井戸層１２０ａとが交互に積層された量子井戸構造を有している。活性層１２０を構成する量子井戸層１２０ａは、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）の組成式で表される半導体層から構成されている。また、障壁層１２０ｂは、Ａｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）の組成式で表される半導体層から構成されており、そのＡｌ組成比ｘ２は、量子井戸層１２０ａのＡｌ組成比ｘ１よりも大きい。
【００７３】
上記量子井戸層１２０ａのＡｌ組成比ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあるのが好ましく、０．３０≦ｘ１≦１．００の範囲にあればより好ましい。０．５０≦ｘ１≦１．００の範囲にあればさらに好ましい。また、Ｉｎ組成比ｙ１は、０．００≦ｙ１≦０．１２の範囲にあるのが好ましい。
【００７４】
障壁層１２０ｂのＡｌ組成比ｘ２は、０．２０≦ｘ２≦１．００の範囲にあるのが好ましい。また、障壁層１２０ｂのＡｌ組成比ｘ２は、０．３０≦ｘ２≦１．００の範囲にあればより好ましい。０．５０≦ｘ２≦１．００の範囲にあればさらに好ましい。Ｉｎ組成比ｙ２は、０．００≦ｙ２≦０．０８の範囲にあるのが好ましい。
【００７５】
また、量子井戸層１２０ａは、Ｉｎを含むＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよいし、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮから構成されていてもよい。同様に、障壁層１２０ｂも、Ｉｎを含むＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよいし、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮから構成されていてもよい。障壁層１２０ｂがＩｎを含む場合、そのＩｎ組成比ｙ２は、量子井戸層１２０ａのＩｎ組成比ｙ１より小さくなるように構成されているのが好ましい。
【００７６】
なお、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０のＡｌ組成比およびＩｎ組成比は、障壁層１２０ｂと同じに設定されていてもよい。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０と障壁層１２０ｂとの組成比は異なっていてもよいが、上記のように同じに設定されていると、界面での格子不整合差がなくなるため好ましい。また、組成が異なる場合は、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０のバンドギャップが障壁層１２０ｂのバンドギャップよりも大きくなるように構成されているとよい。このように構成されていると、キャリアを活性層１２０に効果的に閉じ込めることが可能となる。
【００７７】
また、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４０のＡｌ組成比およびＩｎ組成比は、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０と同様、障壁層１２０ｂと同じに設定されていてもよい。ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４０と障壁層１２０ｂとの組成比は異なっていてもよい。
【００７８】
また、第１実施形態では、図３に示すように、窒化物半導体発光素子５００が、いわゆる横型構造の発光ダイオード素子に構成されている。このため、テンプレート基板３０上に形成された窒化物半導体層２００（層構造２００）の一部が、ドライエッチングなどによって、ｐ型コンタクト層１５０からｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０の途中の深さまで掘り込まれている。そして、掘り込まれた部分の底面（ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０）に、ｎ側電極１７０が形成されている。このｎ側電極１７０は、たとえば、Ａｌ電極、または、基板側からＡｇ層、Ｃｕ層が順次積層された多層構造のＡｇ／Ｃｕ電極からなる。一方、ｐ型コンタクト層１５０上には、ｐ側電極１６０が形成されている。このｐ側電極１６０は、たとえば、ｐ型コンタクト層１５０側からＮｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順に積層された多層構造のＮｉ／Ａｕ電極からなる。これにより、第１実施形態では、テンプレート基板３０（窒化物半導体層２０）の上面側（成長面２０ａ側）に、ｐ側電極１６０とｎ側電極１７０とが形成された状態となっている。なお、電極に用いられた金属は、一例にすぎず、上記の例に限定されない。
【００７９】
このように、第１実施形態による窒化物半導体発光素子５００では、量子井戸層１２０ａを、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することによって、紫外光（深紫外光）を発光する発光ダイオード素子に構成されている。なお、活性層１２０から放出される光の波長は、２４０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下であるのが好ましく、２５０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下であればより好ましい。また、２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であればさらに好ましい。活性層１２０から放出される光の波長が２４０ｎｍ以上では量子井戸層１２０ａや障壁層１２０ｂなどのヘテロ界面のエネルギー差がある程度大きく、キャリアの閉じ込め効果が大きくなる。また、光の波長が３６０ｎｍ以下では、活性層１２０の材料をＡｌＩｎＧａＮから構成されるため好ましい。また、光の波長が２５０ｎｍ以上では、活性層１２０とｐ型コンタクト層１５０との間に設けられるキャリアブロック層１３０の障壁を、量子井戸層１２０ａに対して比較的高く設定できるため、キャリア閉じ込め効果が大きくなる。また、光の波長が３２０ｎｍ以下では、量子井戸層１２０ａや障壁層１２０ｂのＡｌ組成比が３０％程度より高くなり、他の面（たとえば、ｃ面）に対する結晶品質の向上効果が大きくなる。活性層１２０から発せられる光の波長が、２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にあれば、キャリア閉じ込め効果などがより効果的に得られる。
【００８０】
また、上記のように構成された窒化物半導体発光素子５００は、図６に示すように、キャンタイプのパッケージ１０００ａに搭載されて、半導体光学装置１０００に構成される。
【００８１】
第１実施形態では、上記のように、窒化物半導体層２０の成長面２０ａを、ｍ面に対して、ａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有する面から構成し、かつ、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることによって、成長面２０ａ上に形成される窒化物半導体各層１１０〜１５０の結晶品質を向上させることができる。このため、窒化物半導体発光素子５００の発光効率を向上させることができる。また、上記のように構成すれば、ｍ面を成長面とする窒化物半導体層上にＡｌを含む窒化物半導体層を形成した際に観察された、ピラミッド状の凸部の発生を効果的に抑制することができる。このため、良好な表面モフォロジーを得ることができ、窒化物半導体各層１１０〜１５０の平坦性を向上させることができる。これにより、面内層厚分布を均一化することができるので、面内層厚分布が不均一になることに起因する、クラックの発生、素子抵抗のバラツキ、電流注入の不均一などを抑制することもできる。
【００８２】
なお、上記成長面２０ａを有する窒化物半導体層２０を用いることにより、その成長面２０ａ上に形成されるＡｌを含む窒化物半導体各層１１０〜１５０の平坦性および結晶性を向上させることができるので、活性層１２０のみならず、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０、キャリアブロック層１３０、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４０およびｐ型コンタクト層１５０においても、平坦性および結晶性を向上させることができる。
【００８３】
また、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１１０、キャリアブロック層１３０、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４０およびｐ型コンタクト層１５０は、そのＡｌ組成比が、０．２０以上１．００以下であるのが好ましい。キャリアブロック層１３０においては、そのＡｌ組成比は、障壁層１２０ｂのＡｌ組成比ｘ２よりも大きく、かつ、０．５０以上１．００以下の範囲にあるのが好ましい。また、キャリアブロック層１３０のＡｌ組成比は、０．７０以上１．００以下の範囲にあればより好ましい。キャリアブロック層１３０をこのように構成すれば、効果的に、キャリアを活性層１２０に閉じ込めることができる。
【００８４】
また、第１実施形態では、窒化物半導体層２０の成長面２０ａにおいて、ａ軸方向のオフ角度を０．１度より大きい角度とすることによって、結晶品質および平坦性を容易に向上させることができる。また、ａ軸方向のオフ角度を０．１度より大きい角度とすることにより、結晶品質および平坦性をより向上させることができる。なお、ａ軸方向のオフ角度が大きくなるにしたがい、Ｉｎの取り込み量が減少する傾向があるため、成長面２０ａ上にＩｎを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）を形成する場合には、原料効率などの観点から、ａ軸方向のオフ角度の絶対値は、上記のように、１０度以下であるのが好ましい。このように、成長面２０ａにおけるａ軸方向のオフ角度を、０．１度より大きく１０度以下の範囲とすることによって、ＡｌＩｎＧａＮ層から構成される窒化物半導体各層１１０〜１５０の表面モフォロジーを良好にすることができる。すなわち、表面モフォロジーの改善効果が得られる。また、窒化物半導体発光素子５００の動作電圧を低減することもできる。
【００８５】
また、本願発明者らの検討によれば、上記構成を有する窒化物半導体層２０の成長面２０ａ上に、Ａｌを含む窒化物半導体各層を形成する場合、そのＡｌ組成比が大きいほど、ｍ面に対して、少なくともａ軸方向にオフ角度を有し、そのａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きくなるように構成されている成長面を用いると、上記の面以外の他の面（たとえば、ｃ面）を用いたものに対する、その結晶品質の向上効果が大きくなる。また、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）を用いたものに対する、平坦性の向上効果が大きくなる。具体的には、Ａｌ組成比が１５％（０．１５）以上で、オフ角度の影響がより現れる。これにより、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）を用いたものに対する、表面改善効果が大きくなり、発光効率が向上する効果が大きくなる。また、Ａｌ組成比が３０％（０．３０）以上で、オフ角度の影響とともに、マイグレーションの影響が大きくなる。このため、他の面（たとえば、ｃ面）に対する結晶品質の向上効果が大きくなる。また、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）を用いたものに対する表面改善効果がより大きくなり、発光効率が向上する効果が顕著になる。さらに、Ａｌ組成比が５０％（０．５０）以上で、他の面（たとえば、ｃ面）に対する結晶品質の向上効果が大きくなる。さらに、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）を用いたものに対する表面改善効果がさらに大きくなる。
【００８６】
このため、量子井戸層１２０ａのＡｌ組成比ｘ１を、０．１５（１５％）以上とすることにより、量子井戸層１２０ａの結晶品質および平坦性の向上効果を大きくすることができる。また、量子井戸層１２０ａのＡｌ組成比ｘ１を、０．３０（３０％）以上とすれば、量子井戸層１２０ａの結晶品質および平坦性の向上効果をより大きくすることができ、Ａｌ組成比ｘ１を、０．５０（５０％）以上とすれば、量子井戸層１２０ａの結晶品質および平坦性向上効果をさらに大きくすることができる。
【００８７】
また、量子井戸層１２０ａのＡｌ組成比ｘ１を、０．９０（９０％）以下とすることにより、量子井戸層１２０ａと障壁層１２０ｂとのエネルギー差や、キャリアブロック層１３０とのエネルギー差をある程度確保することができる。これにより、キャリア閉じ込めが可能となる。
【００８８】
また、障壁層１２０ｂのＡｌ組成比ｘ２を、量子井戸層１２０ａのＡｌ組成比ｘ１よりも大きく、かつ、０．２０（２０％）以上１．００（１００％）以下とすることにより、上記障壁層１２０ｂのバンドギャップが上記量子井戸層１２０ａのバンドギャップよりも大きくなるように構成されるために、効果的にキャリアを量子井戸に閉じ込めることができる。加えて、活性層１２０からの光の吸収を抑制することができる。また、障壁層１２０ｂのＡｌ組成比ｘ２を、０．３０（３０％）以上とすれば、障壁層１２０ｂの結晶品質および平坦性をより向上させることができ、Ａｌ組成比ｘ１を、０．５０（５０％）以上とすれば、障壁層１２０ｂの結晶品質および平坦性をさらに向上させることができる。
【００８９】
なお、障壁層１２０ｂのＡｌ組成比ｘ２およびＩｎ組成比ｙ２は、障壁層１２０ｂと窒化物半導体層２０との間に形成されたｎ側窒化物半導体層２１０のうち、障壁層１２０ｂと隣接する層の組成と同じ組成とするとより好ましい。このように構成すれば、界面での格子不整合差を低減することができる。
【００９０】
また、窒化物半導体発光素子５００を構成する層構造２００（窒化物半導体各層、素子構造）は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子ビーム成長法（ＭＢＥ法）などのエピタキシャル成長法（結晶成長法）を用いて形成することができる。
【００９１】
ここで、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＮ層やＡｌＮ層を形成する場合、ＩＩＩ族原子のマイグレーションを延ばして結晶品質を向上させるために、ＭＯＣＶＤ法を用いた場合、成長温度を１２００℃以上の高い温度に設定することが多い。しかしながら、１２００℃を超える温度領域では、結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の温度負荷が大きくなる。
【００９２】
これに対し、第１実施形態では、窒化物半導体層２０の成長面２０ａを上記のように構成することによって、従来用いられている温度領域でも結晶品質を向上させることができる。また、従来用いられている温度領域より低温度領域でも、適切なマイグレーションが制御できるため、低温度化が可能となる。このため、結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）に加わる温度負荷を低減することができる。また、Ｇａの蒸発を抑制できる温度領域での成長も可能となる。加えて、従来用いられている成長温度よりも低い温度（たとえば、約１０００度）で成長を行った場合でも、平坦性の劣化を抑制することができる。
【００９３】
また、上記量子井戸層１２０ａを、Ｉｎを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）から構成すれば、より低温で平坦性に優れた層を形成することが可能となる。このため、結晶成長装置への温度負荷を考慮すると、上記量子井戸層１２０ａは、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）とするのが好ましい。また、このように、量子井戸層１２０ａを、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）から構成することにより、歪みを制御するパラメータが１つ増えるため、設計自由度を高めることもできる。また、Ｉｎ組成比ｙを１２％（０．１２）以下とすることで、平坦性に優れた結晶を実現することができる。
【００９４】
一方、上記量子井戸層１２０ａは、Ｉｎを含まない窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）から構成することもできる。このように構成すれば、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果をより大きくすることができる。すなわち、上記成長面２０ａを有する窒化物半導体層２０を用いた場合、その成長面２０ａ上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）を成長させることによって、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果をより顕著に得ることができる。また、量子井戸層１２０ａをＡｌＧａＮ層から構成することで、発光素子の動作電圧低減効果も得られるため好ましい。加えて、Ｉｎの使用量を減らすこともできるため、生産コストの観点からも好ましい。
【００９５】
また、障壁層１２０ｂを、Ｉｎを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）から構成すれば、量子井戸層１２０ａと同様、より低温で平坦性に優れた層を形成することが可能となる。このため、結晶成長装置への温度負荷を考慮すると、上記障壁層１２０ｂは、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）とするのが好ましい。
また、このように、障壁層１２０ｂを、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）から構成することにより、歪みを制御するパラメータが１つ増えるため、設計自由度を高めることもできる。なお、Ｉｎ組成比ｙを８％（０．８０）以下とすることで、平坦性に優れた結晶を実現することができる。
【００９６】
また、上記障壁層１２０ｂは、Ｉｎを含まない窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）から構成することもできる。このように構成すれば、上記量子井戸層１２０ａと同様、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果をより大きくすることができる。また、量子井戸層１２０ａとともに、障壁層１２０ｂもＡｌＧａＮ層から構成すれば、発光素子の動作電圧低減効果を効果的に得ることができるので好ましい。
【００９７】
また、第１実施形態では、ｎ側窒化物半導体層２１０にＧａＮ層を含まないように構成することによって、平坦性の低下を抑制することができる。すなわち、ｍ面に対して、ａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面を成長面２０ａとする窒化物半導体層２０上に、故意に不純物をドーピングしないＧａＮ層、もしくは、ｎ型不純物（たとえばＳｉ）をドーピングしたｎ型ＧａＮ層を、１．０μｍ程度の厚みで形成すると、結晶表面が非常に荒れる現象が観察される。一方、故意にｐ型不純物（たとえばＭｇ）をドーピングしたｐ型ＧａＮ層では、平坦な表面を実現できる。この現象は、上記構成を有する成長面特有の現象である。このため、ｎ型ＧａＮ層またはｉ型ＧａＮ層を形成しないように構成することによって、結晶表面の荒れを抑制することができるため、これによっても、平坦性を向上させることができる。また、ＧａＮ層は、紫外領域の光を吸収するため、ＧａＮ層を設けないように構成することによって、活性層１２０で発せられた光の吸収を抑制することができる。
【００９８】
なお、窒化物半導体基板１０にＧａＮ基板を用いた場合、ＧａＮ基板は紫外光を吸収するため、一般的な基板の剥離技術を用いて、ＧａＮ基板を剥離（除去）するのが好ましい。
【００９９】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。次に、図５および図７を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子６００について説明する。なお、図７において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１００】
この第２実施形態の窒化物半導体発光素子６００は、図７に示すように、いわゆる縦型構造の発光ダイオード素子に構成されている。具体的には、窒化物半導体基板１０の裏面上に、ｎ側電極１７０が形成されおり、ｐ型コンタクト層１５０上に、ｐ側電極１６０が形成されている。
【０１０１】
縦型構造の場合、テンプレート基板３０は導電性基板から構成されるため、テンプレート基板３０を構成する窒化物半導体基板１０には、たとえば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板などの導電性基板を用いるのが好ましい。
【０１０２】
窒化物半導体基板１０にＧａＮ基板を用いると、ＧａＮ基板は、サファイア基板などとは異なり、導電性を有するため、デバイス設計の自由度が高まる。また、サファイア基板などの異種基板を用いた場合と比べ、ＡｌＩｎＧａＮ材料との熱膨張係数差や格子定数差が小さいため、ＡｌＩｎＧａＮ層の形成に適する。ただし、ＧａＮ基板は、紫外光を吸収するため、光吸収を考慮した設計を必要とする。
【０１０３】
窒化物半導体基板１０にＡｌＧａＮ基板を用いると、ＡｌＧａＮ基板のＡｌ組成比が、量子井戸層１２０ａ（図５参照）のＡｌ組成比よりも高く設定されることで、光吸収の影響が抑制されて、ＧａＮ基板を用いる場合とは異なり、光吸収を考慮した設計が不要となる。このため、素子構造の設計自由度が高くなる。さらに、発光素子を構成するＡｌＩｎＧａＮ材料と格子定数が近くなるように、ＡｌＧａＮ基板のＡｌ組成比を調整すると、クラック抑制効果も期待できる。この場合、素子構造を構成する多層膜（窒化物半導体各層）のうち、最も層厚の大きい層の格子定数に近くするとよい。
【０１０４】
また、窒化物半導体基板１０にＡｌＧａＮ基板を用いると、基板の格子定数の自由度が高まるため、発光素子を構成する窒化物半導体の設計自由度が高まる。
【０１０５】
なお、窒化物半導体基板１０が導電性を示す場合、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に形成される窒化物半導体層２０（テンプレート基板３０を構成する窒化物半導体層２０）は、導電性の観点から、ＡｌＧａＮもしくはＡｌＩｎＧａＮから構成されているとよい。ＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮは、ＡｌＮに比べて、比較的良好な導電性を示すため、窒化物半導体層２００（層構造２００（素子構造））の上下に電極を形成して、縦型構造の窒化物半導体発光素子６００を実現することが可能となる。
【０１０６】
また、テンプレート基板３０上に形成される層構造２００（窒化物半導体各層１１０〜１５０（窒化物半導体層２００））は、上記第１実施形態と同様、ＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよいし、上記第１実施形態とは異なり、ＡｌＧａＮから構成されていてもよい。また、ＡｌＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとが混在された構成であってもよい。たとえば、活性層１２０をＡｌＧａＮ層から構成する場合、活性層１２０を挟む、ｎ側窒化物半導体層２１０およびｐ側窒化物半導体層２２０も、ＡｌＧａＮ層から構成されていると好ましい。
【０１０７】
なお、窒化物半導体基板１０にＡｌＮ基板を用いることや、窒化物半導体層２０をＡｌＮ層から構成することも可能である。その場合、ＡｌＮ基板やＡｌＮ層を剥離（除去）すれば、縦型構造の窒化物半導体発光素子を作製することが可能となる。
【０１０８】
第２実施形態のその他の構成および効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１０９】
（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子の層構造を示した断面図である。次に、図８を参照して、本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。
【０１１０】
この第３実施形態による窒化物半導体発光素子は、図８に示すように、テンプレート基板３０を構成する窒化物半導体層２０が、ＧａＮ層２１から構成されている。また、第３実施形態では、上記ＧａＮ層２１（窒化物半導体層２０）の厚みが、０．７μｍ以下の厚みに形成されている。なお、上記ＧａＮ層２１（窒化物半導体層２０）の厚みは、０．５μｍ以下であるのがより好ましく、０．２μｍ以下であればさらに好ましい。
【０１１１】
上述したように、ｍ面に対して、ａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面を成長面とする窒化物半導体層（窒化物半導体基板）上に、故意に不純物をドーピングしないＧａＮ層、もしくは、ｎ型不純物（たとえばＳｉ）をドーピングしたｎ型ＧａＮ層を、１．０μｍ程度の厚みで形成すると、結晶表面が非常に荒れる現象が観察される。一方、故意にｐ型不純物（たとえばＭｇ）をドーピングしたｐ型ＧａＮ層では、平坦な表面を実現できる。この現象は、上記構成を有する成長面特有の現象である。そのため、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、窒化物半導体層２０として、１．０μｍ程度のＧａＮ層を形成した場合、結晶表面に荒れが発生するおそれがある。
【０１１２】
一方、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、窒化物半導体層２０として、ＧａＮ層を形成する場合でも、その厚みを小さくすることによって、オフ角度による影響（表面荒れ）を小さくすることが可能となる。この場合、上記ＧａＮ層２１（窒化物半導体層２０）の厚みを０．５μｍ以下とすれば、その影響をより小さくすることができる。また、上記ＧａＮ層２１（窒化物半導体層２０）の厚みを０．２μｍ以下とすれば、その影響をさらに小さくすることができる。
【０１１３】
なお、テンプレート基板３０の成長面２０ａ上に形成される素子構造（窒化物半導体各層１１０〜１５０（窒化物半導体層２００））は、上記第１および第２実施形態と同様である。また、第３実施形態による窒化物半導体発光素子は、縦型構造および横型構造のいずれであってもよい。その際、ｎ側電極およびｐ側電極は、上記第１および第２実施形態で示した電極と同様の構成とすることができる。
【０１１４】
また、第３実施形態の効果は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【０１１５】
（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図１０は、本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子に用いられるテンプレート基板の断面図である。次に、図９および図１０を参照して、本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子７００について説明する。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１１６】
この第４実施形態では、図９および図１０に示すように、テンプレート基板３０を構成する下地基板７１０が、窒化物半導体基板以外の基板から構成されている。具体的には、第４実施形態では、下地基板７１０が、たとえば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などから構成されている。
【０１１７】
下地基板７１０の成長面７１０ａ上には、第１窒化物半導体層７２０が形成されている。この第１窒化物半導体層７２０は、たとえば、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層などから構成されている。この第１窒化物半導体層７２０は、ＡｌＮ層から構成されているとより好ましい。また、第１窒化物半導体層７２０の成長面７２０ａは、上記第１〜第３実施形態と同様、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面からなる。なお、ａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、１０度以下の角度に構成されていればより好ましい。１．０度より大きく、１０度以下の角度に構成されていればさらに好ましい。
【０１１８】
また、第４実施形態では、第１窒化物半導体層７２０の成長面７２０ａ上に、第２窒化物半導体層７３０がさらに形成されている。この第２窒化物半導体層７３０は、たとえば、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層などから構成されている。なお、第１窒化物半導体層７２０および第２窒化物半導体層７３０は、それぞれ、本発明の「成長面を有する半導体層」の一例である。
【０１１９】
ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面からなる成長面７２０ａ上に形成される窒化物半導体層（第２窒化物半導体層７３０）は、そのＡｌ組成比が大きいほど、他の面に対する結晶性および平坦性の向上効果を大きくすることができる。このため、第２窒化物半導体層７３０をＡｌＮ層とすることにより、結晶品質および平坦性の向上効果が大きくなる。
【０１２０】
また、第１窒化物半導体層７２０の成長面７２０ａ上に形成された第２窒化物半導体層７３０の成長面７３０ａも、成長面７２０ａと同様、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面からなる。
【０１２１】
また、テンプレート基板３０の成長面７３０ａ上には、上記第１〜第３実施形態と同様の素子構造（窒化物半導体各層１１０〜１５０（窒化物半導体層２００））が形成されている。なお、窒化物半導体各層１１０〜１５０は、ＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよいし、ＡｌＧａＮから構成されていてもよい。
【０１２２】
第４実施形態では、上記のように、サファイア基板やＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などの下地基板７１０上に形成された窒化物半導体テンプレートの成長面７３０ａを、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面とすることによって、この成長面７３０ａ上に形成される窒化物半導体各層１１０〜１５０の結晶品質および平坦性を向上させることができる。このため、窒化物半導体発光素子を作製した際に、その発光効率を向上させることができる。
【０１２３】
なお、第４実施形態におけるテンプレート基板３０は、第２窒化物半導体層７３０を有さない構成とすることもできる。
【０１２４】
また、下地基板７１０にサファイア基板を用いる場合、図９に示すように、窒化物半導体発光素子７００を横型構造とすることができる。また、第１窒化物半導体層７２０および第２窒化物半導体層７３０の少なくとも一方をＡｌＮ層から構成した場合、ＡｌＮ層は、ＡｌＧａＮ層やＡｌＩｎＧａＮ層などに比べて、導電性が劣るため、図９に示すように、窒化物半導体発光素子７００を横型構造にするとよい。
【０１２５】
一方、テンプレート基板３０が導電性を有する場合、窒化物半導体発光素子７００を縦型構造にすることもできる。
【０１２６】
第４実施形態のその他の構成および効果は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【０１２７】
（第５実施形態）
図１１は、本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。次に、図１１を参照して、本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子８００について説明する。なお、図１１において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１２８】
この第５実施形態では、図１１に示すように、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、直接、層構造２００（窒化物半導体各層１１０〜１５０）が形成されている。この窒化物半導体基板１０は、たとえば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板、ＡｌＮ基板などから構成されている。また、その成長面１０ａは、上記第１〜第４実施形態と同様、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面からなる。ａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、１０度以下の角度に構成されていればより好ましい。１．０度より大きく、１０度以下の角度に構成されていればさらに好ましい。なお、第５実施形態における窒化物半導体基板１０は、本発明の「成長面を有する半導体層」の一例である。
【０１２９】
また、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上には、上記第１〜第４実施形態と同様の素子構造（窒化物半導体各層１１０〜１５０）が形成されている。なお、窒化物半導体基板１０が導電性基板から構成されている場合、図１１に示したように、窒化物半導体発光素子８００を縦型構造とすることができる。また、窒化物半導体基板１０がＡｌＮ基板から構成されている場合、ＡｌＮ基板は、ＧａＮ基板やＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板などと比べて、導電性に劣るため、窒化物半導体発光素子を横型構造にするとよい。
【０１３０】
第５実施形態では、上記のように、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａを、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面とすることによって、この成長面１０ａ上に形成される窒化物半導体各層１１０〜１５０の結晶品質および平坦性を向上させることができる。このため、窒化物半導体発光素子８００を作製した際に、その発光効率を向上させることができる。
【０１３１】
第５実施形態のその他の構成および効果は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【０１３２】
（第６実施形態）
図１２は、本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。次に、図１２を参照して、本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子９００（９００Ａ）について説明する。なお、図１２において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１３３】
この第６実施形態では、上記第５実施形態の構成において、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、この成長面１０ａと接するように、ＡｌＮ層９１０が形成されている。すなわち、第６実施形態では、第５実施形態の構成において、窒化物半導体基板１０と素子構造（窒化物半導体層２００）との間に、ＡｌＮ層９１０が形成された構成となっている。
【０１３４】
このように、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、ＡｌＮ層９１０を形成することで、他の面（たとえば、ｃ面）に形成したＡｌＮ層に比べ結晶性が非常に向上する。また、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）に形成したＡｌＮ層に比べ、平坦性が非常に向上する。そのため、このＡｌＮ層９１０上に、素子構造（層構造２００（窒化物半導体各層１１０〜１５０））を形成することで、素子構造（層構造２００（窒化物半導体各層１１０〜１５０））の結成品質および平坦性をより向上させることができる。
【０１３５】
したがって、このように構成することにより、発光効率がより向上された窒化物半導体発光素子９００（９００Ａ）を得ることができる。
【０１３６】
なお、ＡｌＮ層９１０は、ＡｌＧａＮ層やＡｌＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層などに比べて、導電性に劣るため、図１２に示したように、窒化物半導体発光素子を横型構造にするとよい。また、基板とともに、ＡｌＮ層９１０をも剥離（除去）すれば、縦型構造の窒化物半導体発光素子を実現することも可能である。その場合、素子構造を構成するｎ側窒化物半導体層２１０が、本発明の「成長面を有する半導体素子」の一例となる。
【０１３７】
第６実施形態のその他の構成および効果は、上記第５実施形態と同様である。
【０１３８】
（第６実施形態の変形例）
図１３は、第６実施形態の変形例による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図１３を参照して、第６実施形態の変形例による窒化物半導体発光素子９００（９００Ｂ）は、上記第１〜第４実施形態で示したテンプレート基板３０の成長面上に、ＡｌＮ層９１０が形成された構成となっている。すなわち、上記第６実施形態では、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、直接、ＡｌＮ層９１０が形成された構成を示したが、この第６実施形態の変形例では、テンプレート基板３０の成長面上に、直接、ＡｌＮ層９１０が形成された構成となっている。
【０１３９】
第６実施形態の変形例におけるその他の構成は、上記第６実施形態と同様である。
【実施例１】
【０１４０】
図１４は、実施例１による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図１５は、実施例１による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示した断面図である。図１４および図１５を参照して、実施例１による窒化物半導体発光素子８５０について説明する。
【０１４１】
この実施例１では、図１４に示すように、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、約０．１μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎ層１１０を形成した。また、ｎ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎ層１００上には、活性層１２０を形成した。活性層１２０上には、約１５ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎからなるキャリアブロック層１３０、約２０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ層１４０、約５０ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＮ層１５０を順次形成した。
【０１４２】
また、活性層１２０は、図１５に示すように、障壁層１２０ｂと量子井戸層１２０ａとを交互に積層することによって、量子井戸構造に構成した。量子井戸層１２０ａの層数は２層とした。なお、実施例２では、量子井戸層１２０ａをＡｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎとし、障壁層１２０ｂをＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎとした。また、実施例１では、窒化物半導体基板１０にＧａＮ基板を用いた。
【０１４３】
また、実施例１では、窒化物半導体基板１０の上面側に２つの電極（ｐ側電極１６０、ｎ側電極１７０）を形成することにより、窒化物半導体発光素子８５０を横型構造に構成した。ｐ側電極１６０およびｎ側電極１７０は、上記した実施形態と同様である。ただし、実施例１では、窒化物半導体基板１０の上面側および下面側に電極を形成することにより、窒化物半導体発光素子８５０を縦型構造に構成することも可能である。
【０１４４】
次に、ａ軸方向のオフ角度が１度以下であるＧａＮ基板（基板１）と、１度より大きいＧａＮ基板（基板２）とを用いて、上記実施例１と同様の窒化物半導体発光素子を作製した。基板１の具体的なオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度が０．８度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．５度であり、基板２の具体的なオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度が１．８５度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．２度であった。そして、これらの素子を用いて、動作電圧および電流注入による発光強度の比較を行った。
【０１４５】
その結果、ａ軸方向のオフ角度が１度より大きいＧａＮ基板（基板２）を用いた素子で、ａ軸方向のオフ角度が１度以下であるＧａＮ基板（基板１）を用いた素子よりも、動作電圧が約０．８Ｖ低減された。また、電流注入による発光強度を比較したところ、基板２を用いた素子の発光強度は、基板１を用いた素子の発光強度に比べて、３倍程度強い発光を得ることができた。これは、ａ軸方向のオフ角度を１度より大きくすることによって、平坦性がより向上したためであると考えられる。平坦性がより向上されることで、層厚揺らぎにより生じる所定の発光波長以外での発光が抑制される効果や、電流注入の均一化などの効果により、発光強度が高くなったものと考えられる。
【実施例２】
【０１４６】
図１６は、実施例２による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図１７は、実施例２による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示した断面図である。図１６および図１７を参照して、実施例２による窒化物半導体発光素子８６０について説明する。
【０１４７】
この実施例２では、図１６に示すように、窒化物半導体基板１０の成長面１０ａ上に、約０．１μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層１１０を形成した。また、ｎ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層１１０上には、活性層１２０、約１５ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．８０Ｇａ０．２０Ｎからなるキャリアブロック層１３０、約１０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層１４０、約５０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなるｐ型コンタクト層１５０を順次形成した。
【０１４８】
また、活性層１２０は、図１７に示すように、障壁層１２０ｂと量子井戸層１２０ａとを交互に積層することによって、量子井戸構造に構成した。量子井戸層１２０ａの層数は５層とした。なお、実施例２では、量子井戸層１２０ａをＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎとし、障壁層１２０ｂをＡｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎとした。また、実施例２では、窒化物半導体基板１０にＧａＮ基板を用いた。
【０１４９】
また、実施例２では、実施例１と同様、窒化物半導体基板１０の上面側に２つの電極（ｐ側電極１６０、ｎ側電極１７０）を形成することにより、窒化物半導体発光素子８６０を横型構造に構成した。ｐ側電極１６０およびｎ側電極１７０は、上記した実施形態と同様である。ただし、実施例２でも、窒化物半導体基板１０の上面側および下面側に電極を形成することにより、窒化物半導体発光素子８６０を縦型構造に構成することが可能である。
【０１５０】
図１８は、実施例２による窒化物半導体発光素子の発光効率向上効果を確認するために用いた評価構造の断面図である。
【０１５１】
図１８に示すように、この評価構造（実施例２）は、窒化物半導体基板１０、ｎ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層１１０、および、活性層１２０までは、図１６に示した実施例２の構成と同じであり、活性層１２０上に形成された半導体層が実施例２の構成と異なる。具体的には、この評価構造では、キャリアブロック層１３０、ｐ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層１４０、ｐ型コンタクト層１５０に代えて、活性層１２０上に、約２０ｎｍの厚みを有するＡｌＮキャップ層８１０を形成した。なお、窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）１０のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度が２．０５度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．１５度である。また、この評価構造は、ｎ側電極およびｐ側電極が形成されておらず、半導体の層構造のみからなる。そして、この評価構造を用いて、ＰＬ（フォトルミネッセンス）強度の測定を行った。
【０１５２】
なお、比較用の評価構造として、ｃ面を成長面とするＧａＮ基板上に同様の層構造を形成した試料（比較例１）と、ａ軸方向のオフ角度よりｃ軸方向のオフ角度が大きい面を成長面とするＧａＮ基板上に同様の層構造を形成した試料（比較例２）とを作製した。比較例２の具体的なオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度が０．０８度、ｃ軸方向のオフ角度が−１．２度である。そして、これらの試料（比較例１、比較例２）についても、同様にＰＬ強度を測定し、実施例２との比較を行った。
【０１５３】
その結果、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長面とするＧａＮ基板を用いた評価構造（実施例２、比較例２）は、ｃ面を成長面とするＧａＮ基板上に同様の層構造を形成した評価構造（比較例２）に比べて、ＰＬ強度が３倍以上強くなることが確認された。これは、ＩＩＩ族原子のマイグレーションが延び、それによって、結晶品質が向上したためであると推測される。また、自発分極の影響を抑制する効果によることも理由の一つと考えられる。
【０１５４】
ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長面とするＧａＮ基板を用いた評価構造（実施例２、比較例２）同士を比較すると、実施例２の評価構造では、比較例２の評価構造に比べて、ＰＬ強度が２倍程度強い結果となった。これは、実施例２の評価構造では、平坦性が改善されることで、層厚揺らぎにより生じる所定の発光波長以外での発光が抑制されるために、発光強度が高くなったものと考えられる。
【０１５５】
また、上記の結果より、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることによって、結晶品質および平坦性を向上させる効果が大きくなることが確認された。
【０１５６】
（第７実施形態）
図１９は、本発明の第７実施形態による半導体基板を示した断面図である。次に、図１９を参照して、この第７実施形態では、窒化物半導体発光素子に用いられる半導体基板について説明する。
【０１５７】
第７実施形態による半導体基板３００は、図１９に示すように、下地基板３１０と、この下地基板３１０の成長面３１０ａ上に形成された窒化物半導体層３２０とを備えている。半導体基板３００を構成する窒化物半導体層３２０は、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有する面からなる成長面３２０ａを有している。この成長面３２０ａは、ａ軸方向のオフ角度の方が、ｃ軸方向のオフ角よりも大きい。また、ａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、１０度以下に設定されている。なお、ａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、１０度以下であればより好ましい。また、窒化物半導体層３２０は、本発明の「成長面を有する半導体層」の一例である。
【０１５８】
また、半導体基板３００（窒化物半導体層３２０）の成長面３２０ａ上には、たとえば、Ａｌを含む窒化物半導体層４００が形成される。具体的には、この第７実施形態では、窒化物半導体層３２０の成長面３２０ａ上に、約１．０μｍの厚みを有する、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなる窒化物半導体層４００が形成されている。
【０１５９】
なお、上記下地基板３１０には、たとえば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などを用いることができる。また、上記窒化物半導体層３２０には、たとえば、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＮ層などを用いることができる。
【０１６０】
また、上述したように、上記成長面３２０ａを有する窒化物半導体層３２０上に、Ａｌを含む窒化物半導体層４００を形成する場合、そのＡｌ組成比が大きいほど、ｍ面に対して、少なくともａ軸方向にオフ角度を有し、そのａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きくなるように構成されている成長面を用いると、上記の面以外の他の面（たとえば、ｃ面）を用いたものに対する、その結晶品質の向上効果が大きくなる。また、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）を用いたものに対する、平坦性の向上効果が大きくなる。なお、具体的な窒化物半導体発光素子を形成する場合、成長面３２０ａ上に形成される窒化物半導体層４００のＡｌ組成比ｘは、０．１５≦ｘ≦１．００の範囲にあるのが好ましく、０．３０≦ｘ≦１．００の範囲にあればより好ましい。また、Ｉｎ組成比ｙは、０．００≦ｙ≦０．１２の範囲にあるのが好ましい。
【０１６１】
Ａｌ組成比ｘを１５％（０．１５）以上とすることで、オフ角度の影響がより現れるため、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）を用いたものに対する、表面改善効果がより大きくなる。また、Ａｌ組成比ｘを３０％（０．３０）以上とすることで、オフ角度の影響とともに、マイグレーションの影響が大きくなるため、その効果が大きくなり、他の面（たとえば、ｃ面）に対する結晶品質向上効果がさらに大きくなる。加えて、上記ｍ面の規定外のオフ角を有する面（たとえば、a軸方向にオフ角度を有さない面や、ｃ軸方向のオフ角度がa軸方向のオフ角度よりも大きい面など）を用いたものに対する平坦性も向上する。Ａｌ組成比ｘを５０％（０．５０）以上とすると、さらに他の面（たとえば、ｃ面）に対する向上効果が大きくなるため好ましい。
【０１６２】
そして、このように構成された半導体基板３００を用いることにより、その成長面３２０ａ上に形成されるＡｌを含む窒化物半導体層の結晶品質および平坦性を向上させることが可能となる。このことは、ＰＬ（フォトルミネッセンス）特性の測定結果からも確認される。具体的には、第７実施形態による窒化物半導体層３２０（たとえば、ＡｌＧａＮ層）の成長面３２０ａ上に、上記窒化物半導体層４００を形成した試料と、ｃ面を成長面とする窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）上に、上記窒化物半導体層４００と同様の半導体層を形成した試料とを作製し、ＰＬ特性の比較を行ったところ、第７実施形態による窒化物半導体層３２０（半導体基板３００）を用いた試料で、発光効率が向上する結果が得られた。これより、第７実施形態による窒化物半導体層３２０（半導体基板３００）を用いることで、発光効率を向上させることが可能となる。これは、基板表面（窒化物半導体層３２０の成長面３２０ａ）に到達したＩＩＩ族原子の表面マイグレーションが延びたためであると考えられる。
【０１６３】
また、第７実施形態では、このような半導体基板３００を用いることによって、成長面３２０ａ上に窒化物半導体層４００を形成する際に、その成長温度を、結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）にとって温度負荷が大きい高温度（たとえば、１２００度以上）に設定しなくても、結晶品質を向上させることが可能となる。このため、このような半導体基板３００を用いることにより、結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）に加わる温度負荷を低減することができる。加えて、従来用いられている成長温度よりも低い温度（たとえば、約１０００度）で成長を行った場合でも、平坦性の劣化を抑制することができる。
【０１６４】
さらに、成長面３２０ａ上に形成される窒化物半導体層４００を、Ｉｎを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）とすることにより、より低温で平坦性に優れた層を形成することが可能となる。このため、結晶成長装置への温度負荷を考慮すると、成長面３２０ａ上に形成される窒化物半導体層４００は、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層とするのが好ましい。また、このように、窒化物半導体層４００を、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層）から構成することにより、成長面３２０ａ上に、素子構造を形成する際に、歪みを制御するパラメータが１つ増えるため、設計自由度を高めることもできる。なお、Ｉｎ組成比ｙを１２％（０．１２）以下とすることで、平坦性に優れた結晶を実現することができる。
【０１６５】
一方、成長面３２０ａ上に形成される窒化物半導体層４００を、Ｉｎを含まない窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）とすることもできる。このように構成すれば、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果をより大きくすることができる。すなわち、上記成長面３２０ａを有する窒化物半導体層４００を用いた場合、その成長面３２０ａ上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）を成長させることによって、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果をより顕著に得ることができる。
【０１６６】
また、成長面３２０ａにおけるａ軸方向のオフ角度を、０．１度より大きく、１０度以下に設定することによって、ピラミッド状の凸部の発生を抑制することができるので、平坦性を向上させることができる。また、良好な表面モフォロジーが得られるために、層厚のバラツキを抑制することができる。これにより、クラックの発生を抑制することができるとともに、発光効率の向上および素子抵抗の低減を実現することができる。また、ａ軸方向のオフ角度を、１度より大きく、１０度以下に設定することによって、より大きな上記効果を得ることができる。
【０１６７】
なお、成長面３２０ａ上に形成される窒化物半導体層４００は、ＡｌＮ層とすることもできる。
【０１６８】
このように、第７実施形態による半導体基板３００は、その成長面３２０ａ上に形成される、Ａｌを含む窒化物半導体層４００の結晶性および平坦性を向上させることができる。そのため、このような半導体基板３００を用いて、具体的な素子構造を形成すれば、発光効率の高い窒化物半導体発光素子を形成することができる。
【０１６９】
また、このような半導体基板３００は、窒化物半導体基板を形成するための種基板として非常に有用である。たとえば、半導体基板３００の窒化物半導体層３２０を種層として、その成長面３２０ａ上にＡｌを含む窒化物半導体層４００を自立できる程度の厚み（たとえば、３５０μｍ程度）に形成することにより、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板、ＡｌＮ基板などの窒化物半導体基板を得ることができる。この場合、種層となる窒化物半導体層３２０と、その成長面３２０ａ上に形成される窒化物半導体層４００とは、同じ組成であるのが好ましい。また、その際、半導体基板３００部分は、研磨、エッチング、レーザリフトオフ法などを用いて剥離してもよいし、剥離をせずに残しておいてもよい。また、半導体基板３００の下地基板３１０のみを剥離してもよい。
【０１７０】
さらに、窒化物半導体層４００が形成された状態の半導体基板３００を、基板として用いることもできる。たとえば、半導体基板３００における窒化物半導体層３２０の成長面３２０ａ上に、ＡｌＮ層を形成し、そのＡｌＮ層の主面上に、素子構造を形成することもできる。成長面３２０ａ上に形成されたＡｌＮ層の主面も、成長面３２０ａと同様、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向にオフ角度を有し、かつ、ａ軸方向のオフ角度がｃ軸方向のオフ角度より大きい面に構成される。このため、ＡｌＮ層の主面上に形成される、Ａｌを含む窒化物半導体層においても、結晶品質および平坦性を向上させることができる。このため、このような基板を用いて発光素子を形成した場合に、その発光効率を向上させることができるとともに、動作電圧を低減することができる。
【０１７１】
また、上記半導体基板３００は、その成長面が、窒化物半導体層３２０の成長面３２０ａと同様の構成を有する窒化物半導体基板（たとえば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＩｎＧａＮ基板、ＡｌＮ基板）のみから構成されていてもよい。
【０１７２】
なお、半導体基板３００の下地基板３１０をＧａＮ基板とした場合、サファイア基板などとは異なり、導電性を有するため、デバイスの設計自由度を高めることができる。また、サファイア基板などの異種基板を用いた場合と比べ、ＡｌＩｎＧａＮとの熱膨張係数差や格子定数差が小さいため、結晶性の良好なＡｌＩｎＧａＮ層を形成することができる。
【０１７３】
また、半導体基板３００の下地基板３１０をＡｌＧａＮ基板とした場合、紫外光に対する光の吸収を抑制することができる。また、半導体基板３００の下地基板３１０をＡｌＩｎＧａＮ基板とした場合、格子定数の自由度が増えるため、デバイスを構成する層構造の設計自由度を高めることができる。さらに、半導体基板３００の下地基板３１０をＡｌＮ基板とした場合、ＡｌＧａＮ基板と同様の効果に加えて、放熱性を向上させることができる。
【０１７４】
また、半導体基板３００の下地基板３１０には、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などの窒化物半導体基板以外の基板を用いることもできる。この場合でも、下地基板３１０上に形成される窒化物半導体層３２０の成長面３２０ａを上記のように構成することによって、結晶品質の向上効果および平坦性の向上効果を得ることができる。この場合、上記第４実施形態で示したように、下地基板３１０上に、複数の窒化物半導体層を積層した構成としてもよい。
【実施例３】
【０１７５】
実施例３では、半導体基板の一例として、ＧａＮ基板を用い、その成長面上に、約０．１μｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層を形成した。成長面のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度が−１．９９度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．２０度であった。また、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を、５％、１０％、１８％、３５％とした試料を作製し、ＰＬ強度の測定を行った。
【０１７６】
なお、比較用試料１として、ｃ面を成長面とするＧａＮ基板上に同様のＡｌＧａＮ層を形成した試料を作製した。また、比較用試料２として、ａ軸方向のオフ角度よりｃ軸方向のオフ角度が大きい面を成長面とするＧａＮ基板上に同様のＡｌＧａＮ層を形成した試料を作製した。具体的なオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度が−０．０７度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．３５度である。これらの試料についても、同様にＰＬ強度を測定し、実施例３との比較を行った。
【０１７７】
ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長面とするＧａＮ基板を用いた試料（実施例３、比較用試料２）は、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が５％から１０％では、ｃ面を成長面とするＧａＮ基板を用いた試料（比較用試料１）とほぼ同等のＰＬ強度を示したが、Ａｌ組成比が１８％から３５％では、比較用試料１に比べてＰＬ強度が増加した。また、比較用試料１に対するＰＬ強度の増加の割合は、Ａｌ組成比が１８％の場合に対して、３５％の場合で２倍程度大きかった。これより、Ａｌ組成比が高いほど、Ａｌのマイグレーションの影響が大きくなり、また、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長面とするＧａＮ基板で、マイグレーションを延ばす効果がより現れるものと推測される。
【０１７８】
また、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長面とするＧａＮ基板を用いた試料（実施例３、比較用試料２）同士を比較すると、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が５％から１０％では、ほぼ同等のＰＬ強度が得られたのに対し、Ａｌ組成比が１８％、３５％では、比較用試料２に比べて、実施例３で、ＰＬ強度が１．５倍程度強くなった。また、実施例３では、比較用試料２に比べて、層表面の平坦性が良好であった。また、その影響は、Ａｌ組成比が高い、１８％、３５％で顕著であった。そして、この平坦性の改善により、層厚揺らぎにより生じる所定の発光波長以外での発光が抑制されるために、発光強度が高くなったものと考えられる。
【０１７９】
また、上記の結果より、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることによって、結晶品質および平坦性を向上させる効果が大きくなることが確認された。
【０１８０】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【０１８１】
たとえば、上記第１〜第７実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を基板上に結晶成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＭＯＣＶＤ法以外の他の結晶成長法を用いて、窒化物半導体各層を基板上に結晶成長させてもよい。たとえば、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ；分子線エピタキシ法）や、ＨＤＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ハイドライドＶＰＥ法）などを用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。
【０１８２】
また、上記第１〜第７実施形態では、窒化物半導体層（窒化物半導体基板）の成長面を、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向の両方向にオフ角度を有する面から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体層（窒化物半導体基板）の成長面は、ｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角度を有する面から構成されていればよい。すなわち、ｃ軸方向のオフ角度は、０度であってもよい。
【０１８３】
また、上記第１〜第６実施形態では、窒化物半導体素子の一例である発光ダイオード素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード素子以外の窒化物半導体発光素子に本発明を適用することもできる。たとえば、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用することもできる。なお、基板にＧａＮ基板を用いる場合、ＧａＮ基板は紫外光を吸収するため、基板への光の漏れを低減するために、たとえば、多層膜反射鏡などを基板と活性層との間に形成するのが好ましい。また、発光ダイオード素子に応用する際に、基板側での光取り出しを行う場合、ＧａＮ基板の剥離を行ったり、ＧａＮ基板における光取り出し箇所をエッチングなどで除去したりするのが好ましい。このようにすれば、基板側での光取り出しを容易にすることができる。また、活性層に対して基板と反対側から光を取り出す場合、コンタクト層として、ＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ層）を形成すると、ＧａＮ層で光吸収が生じるため、ｐ型ＧａＮ層における光取り出し箇所をエッチングなどで除去する構成とするのが好ましい。
【０１８４】
また、本発明は、発光ダイオード素子や半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子に限らず、電子デバイスなどの窒化物半導体を用いたデバイス（たとえば、パワートランジスタやＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）など）全般に適用することができる。
【０１８５】
なお、上記実施形態において、成長面を有する窒化物半導体層は、基板上に成長させることによって形成されるが、ここでいう「基板上に成長させる」とは、基板の成長面上に直接成長させる場合や、基板上に、成長面を有する窒化物半導体を形成し、その上に、窒化物半導体層を形成する場合を含む。また、窒化物半導体層の成長面は、主面に限らず、マスクなどを利用して横方向成長などをさせた際に生じるファセットを成長面とすることもできる。すなわち、上記「基板上に成長させる」とは、このような成長面上に窒化物半導体層を成長させる場合をも含む。
【０１８６】
また、上記実施形態において、窒化物半導体層の成長面上に形成される素子構造（窒化物半導体各層）については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、たとえば、図３における窒化物半導体層２０とｎ型窒化物半導体層１１０（たとえば、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層）との間に超格子構造からなる半導体層が形成されていてもよい。この場合、窒化物半導体層の成長面上に超格子構造を形成することで、平坦性に優れた超格子構造を形成することが出来るので好ましい。さらに、導電型を一部の半導体層について変更してもよい。すなわち、窒化物半導体素子（窒化物半導体レーザ素子および発光ダイオード素子を含む）としての基本特性が得られる限り自由に変更可能である。
【０１８７】
また、基板上に積層される窒化物半導体層の格子定数と、基板の格子定数との差が大きな場合、積層される窒化物半導体層にクラックが発生する場合がある。この場合、基板に溝（凹部）を形成することで、クラックの発生を抑制することが可能となる。
【０１８８】
また、上記第１〜第６実施形態では、発光ダイオード素子の一例として、紫外波長領域（深紫外波長領域）で発光する発光ダイオード素子について説明したが、本発明はこれに限らず、紫外（深紫外）以外の波長領域で発光する発光素子とすることもできる。
【０１８９】
また、上記第１実施形態では、キャンタイプのパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記実施形態で示したパッケージ以外のパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載することもできる。また、第２〜第６実施形態で示した窒化物半導体発光素子においても、第１実施形態と同様、パッケージに搭載することで、半導体光学装置に構成することができる。
【０１９０】
また、上記実施形態では、基板上に、１層または２層の窒化物半導体層が形成されたテンプレート基板について説明したが、本発明はこれに限らず、基板上に、３層以上の複数の窒化物半導体層を形成することでテンプレート基板を構成することもできる。この際、基板上に形成される各窒化物半導体層は、互いに異なる組成であってもよいし、同じ組成であってもよい。
【０１９１】
なお、上記で開示された技術（構成）を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１９２】
１０                              窒化物半導体基板（成長面を有する半導体層）
１０ａ、２０ａ、３１０ａ、３２０ａ、７１０ａ、
７２０ａ、７３０ａ                成長面
２０                              窒化物半導体層（成長面を有する半導体層）
２１                              ＧａＮ層（成長面を有する半導体層）
３０                              テンプレート基板
１１０                            ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層
１２０                            活性層
１２０ａ                          量子井戸層
１２０ｂ                          障壁層
１３０                            キャリアブロック層
１４０                            ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層
１５０                            ｐ型コンタクト層
１６０                            ｐ側電極
１７０                            ｎ側電極
２００                            窒化物半導体層、層構造
２１０                            ｎ側窒化物半導体層
２２０                            ｐ側窒化物半導体層
３００                            半導体基板
３１０                            下地基板（成長面を有する半導体層）
３２０                            窒化物半導体層（成長面を有する半導体層）
４００                            窒化物半導体層（成長面を有する半導体層）
５００、６００、７００、８００、
８５０、８６０、９００            窒化物半導体発光素子
７１０                            下地基板
７２０                            第１窒化物半導体層（成長面を有する半導体層）
７３０                            第２窒化物半導体層（成長面を有する半導体層）
９１０                            ＡｌＮ層
１０００                          半導体光学装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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