(57)【要約】【課題】  発光出力を大幅に向上させ得るエピタキシャルウエハを提供する。【解決手段】  本発明のエピタキシャルウエハは、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、を備え、前記発光層のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層のＰＬ半値幅は、条件式（１）を満たす。Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）【選択図】図１７
2017139247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、
前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、
を備え、
前記発光層のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、
前記発光層のＰＬ半値幅は、条件式（１）を満たす
ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【請求項２】
前記発光層の室温２５℃における前記発光層のＰＬ寿命は、１．３ｎｓｅｃ以上２０ｎｓｅｃ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記発光層の励起光強度を１０００倍変化させた場合の前記ＰＬピーク波長の変動は、０ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層を含む
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記発光層は、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなり、
前記量子井戸層及び前記障壁層間の少なくとも一方側の界面に、前記量子井戸層と前記障壁層との中間の格子定数を有し、前記量子井戸層及び前記障壁層間の歪を緩衝する界面歪緩衝層、を備える
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項６】
前記ＧａＮ基板の暗点密度は、２×１０8ｃｍ-2以下である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項７】
前記ＧａＮ基板の他方側の主表面は、粗面化されている
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項８】
ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、
前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、
前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、
を備え、
前記発光層の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、
前記発光層のＰＬ半値幅は、条件式（１）を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【請求項９】
ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、
前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、
前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、
を有し、
前記発光層のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、
前記発光層のＰＬ半値幅は、条件式（１）を満たす半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、
を備えることを特徴とする発光装置。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【請求項１０】
ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上にＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層を成長させる第１ステップと、
前記第１ステップにおいて成長させた前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に発光層を成長させる第２ステップと、
を備え、
前記第２ステップでは、Ｖ族原料のモル供給量とＩＩＩ族原料のモル供給量との比であるＶ／ＩＩＩ比が５００以上４０００以下となるように、Ｖ族原料及びＩＩＩ族原料を供給する
ことを特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１１】
前記第２ステップでは、前記発光層として、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を成長させ、前記量子井戸層の成長時に、前記Ｖ／ＩＩＩ比が５００以上４０００以下となるように、Ｖ族原料及びＩＩＩ族原料を供給する
ことを特徴とする請求項１０に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１２】
前記第２ステップでは、前記量子井戸層として、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層を成長させる
ことを特徴とする請求項１１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１３】
前記第２ステップでは、前記ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層の成長時に、前記ＩＩＩ族原料の総供給量におけるインジウム原料の供給量の比が５０％以上９０％以下となるように、ＩＩＩ族原料を供給する
ことを特徴とする請求項１２に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１４】
前記第２ステップでは、前記量子井戸層を１ｎｍ／ｍｉｎ以上８ｎｍ／ｍｉｎの成長速
度で成長させる
ことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの
製造方法。
【請求項１５】
前記発光層を大気中で熱処理する第３ステップ、をさらに備える
ことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１６】
前記第１及び第２ステップでは、ＭＯＣＶＤによって、前記ｎ型導電層及び前記発光層を成長させる
ことを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料は、半導体発光素子（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの発光素子を作製するために現在広く用いられている。従来の青色発光素子では、主としてサファイア基板を用いてｃ（＋）方向（[０００１]軸方向）にｎ型層、ｐ型層を形成し、当該ｎ型層及びｐ型層間にＩｎＧａＮ系量子井戸発光層を作製したものが用いられてきた。このようにして作製された発光素子は、例えば、白色光源に応用されており、より高効率な光源を実現するために以下のような課題を解決することが求められている。
【０００３】
サファイア基板を用いた発光素子は、基板とＧａＮ系材料との格子定数のミスマッチのために貫通転位の発生が避けられないという課題と、もう一つは材料の特性として、ｃ軸方向に沿って内部電界が発生するために、発光に寄与する電子と正孔の波動関数の重なりが小さく、発光効率が低下するという課題を有している。このため、サファイア基板を用いた発光素子は、量子井戸層の厚みを２ｎｍ程度と極めて薄く作製せざるを得ないという事情を有している（非特許文献１）。
【０００４】
内部電界の影響は、Ｉｎ組成が高いほど大きく、そのために青以上の長波領域では特に発光効率が低下する。さらに、ドループ現象も深刻な問題であり高注入領域での効率低下の原因となっている。ドループ現象の原因については盛んに議論されているが、「キャリア密度の増加によるオージェ再結合」、「キャリアが量子井戸に捕獲されずに通過するスピルオーバー現象」、「ＭＱＷ領域外へのキャリアのオーバーフロー」などが主な原因として考えられている（非特許文献２）。
【０００５】
以上のような課題を解決するためには、基板として格子定数差のないＧａＮ基板を用いることと、ピエゾ電界が発生しない面方位、またその結果として厚膜の量子井戸層の形成が可能なｍ面（１０−１０）面を用いることが有効と考えられてきた。
【０００６】
例えば、特許文献１によれば、ｍ面において１０ｎｍを越える厚膜のＩｎＧａＮ量子井戸層を作製することが可能で、実際に低ドループ特性のＬＥＤも報告されている。
【０００７】
また、紫波長（４０７ｎｍ）のｍ面ＧａＮ基板上におけるＩｎＧａＮ量子井戸層の高発光効率化については、特許文献２に検討結果がある。そこでは、ｍ面において発光効率の低下の原因となっているのは、結晶のすべり面に存在する酸素とＩＩＩ族（ガリウム）の複合体であり、発光効率の向上のためには、結晶すべり面近傍を低Ｉｎ組成領域とすることが効果的と述べられている。そのための成長条件の導出は複雑である。重要なポイントとしては、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長条件を超高Ｖ／ＩＩＩ比（１００００〜３００００）とすることが望ましいとされている（特許文献２段落０１０１欄参照）。
【０００８】
他方、特許文献１では、４００ｎｍといった短波長(紫)での発光特性はｃ面と比較してｍ面では１２０％以上の良好な発光出力が得られ、ドループも極めて小さいことが分かっている。すなわち、ｍ面での高発光効率のポテンシャルは高く、従来では実現できなかった高効率、低ドループ特性のＬＥＤが得られる期待がある。
【０００９】
以上から、紫から青波長、さらにそれ以上の長波領域で、ｍ面ＧａＮ基板を利用した高効率発光のＬＥＤを作製する試みが広く行われている。
【００１０】
しかしながら、ピエゾ電界の影響を排除でき、自立基板により貫通転位を低減できるｍ面ＧａＮ基板上では、長波領域の発光効率が向上するはずが、期待に反して逆に長波長化に伴って出力が急激に低下する問題が報告されている（非特許文献３）。非特許文献３では、発光波長が４００ｎｍで発光出力が最大となり、４２０ｎｍ程度まで急激に発光出力が低下し、４４０ｎｍでは４００ｎｍでの半分以下の発光出力しか得られていない。この現象は量子井戸層厚みを変えても同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１２３８０３号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／０４２２９７号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】A. Chakraborty et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 44, No. 5, 2005, pp. L 173-L 175.
【非特許文献２】J. Piprek, Phys. Status Solidi A 207, No. 10, 2010, pp.2217-2225.
【非特許文献３】H. Yamada et al., Appl. Phys. Express 1, 2008, 041101.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
非特許文献２に記載の通り、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有するｍ面ＧａＮ上ＬＥＤにおいては、発光波長が４００ｎｍで発光出力が最大となり、その後、ＩｎＧａＮ量子井戸層中のＩｎ組成が増加するにつれて急激に発光出力が低下するという課題があった。
【００１４】
本発明者らも、ｍ面ＧａＮ自立基板を用いたＬＥＤについて、オフ角などの基板の仕様及びＩｎＧａＮ多重量子井戸層を含む各層構造を形成したときの成長温度、成長圧力や成長速度などの成長条件依存性及びＩｎＧａＮ量子井戸層の厚み、多重量子井戸層を形成した場合の障壁層の厚み、障壁層の組成などの構造依存性を調査した。しかしながら、非特許文献２と同様に、発光波長が４００ｎｍで発光出力が最大となり、その後、急激に発光出力が低下し、結果として青領域（波長４５０ｎｍ付近）では極性基板に比較しても低い発光出力しか得られなかった。
【００１５】
また、ｍ面ＧａＮ基板のオフ角については、各軸方向に±５°程度のオフ角の基板を調査した。その結果、０°の基板からｃ軸（−）方向に徐々に−５°程度に傾斜させたオフ角の基板までは、同様の発光効率の波長依存性を示した。また、それ以外のオフ角を有するｍ面ＧａＮ基板(例えばａ軸方向に傾斜した基板や、ｃ軸（＋）方向に傾斜した基板、またはその両方に傾斜した基板）では、紫波長を含め、さらに低い発光特性しか得られなかった。
【００１６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、発光出力を大幅に向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを主たる目的とする。
【００１７】
なお、これ以降、本明細書でオフ角について言及する場合は、ｃ（＋）方向への傾斜角を示す。また、オフ角の数値の精度としては、小数点以下は結晶品質への影響は実質上小さく、面内でもばらつきがあるため、有効数字を一桁とした。例えば、ｃ（＋）方向に−５．２°、ａ軸方向に０．１°のオフ角を有する場合には、−５°のオフ角基板と記載している。同様に、オフ角が小さい場合、例えば、ｃ方向に＋０．２４°、a軸方向に＋０．１３°のオフ角を有する場合には、０°の基板と記載している。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハは、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、を備え、前記発光層のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層のＰＬ半値幅は、条件式（１）を満たす。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【００１９】
また、本発明のエピタキシャルウエハは、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、を備え、前記発光層のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層の室温２５℃における前記発光層のＰＬ寿命は、１．３ｎｓｅｃ以上２０ｎｓｅｃ以下である。
【００２０】
さらに、本発明のエピタキシャルウエハは、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、を備え、前記発光層のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層の励起光強度を１０００倍変化させた場合の前記ＰＬピーク波長の変動は、０ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００２１】
さらに、本発明のエピタキシャルウエハは、発光層が量子井戸構造であり、量子井戸層と隣接する障壁層の間の少なくとも片側に界面歪緩衝層を形成する。
【００２２】
また、上記の目的を達成するべく、本発明の半導体発光素子は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を備え、前記発光層の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層のＰＬ半値幅は、条件式（１）を満たす。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【００２３】
また、本発明の半導体発光素子は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を備え、前記発光層の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層の室温２５℃における前記発光層のＰＬ寿命は、１．３ｎｓｅｃ以上２０ｎｓｅｃ以下である。
【００２４】
さらに、本発明の半導体発光素子は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を備え、前記発光層の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層の１ｍＡ以上３５０ｍＡ以下の発光ピーク波長の変動は、６ｎｍ以下である。
【００２５】
さらに、上記の目的を達成するべく、本発明の発光装置は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を有し、前記発光層のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層のＰＬ半値幅は、条件式（１）を満たす半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【００２６】
また、本発明の発光装置は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を有し、前記発光層の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層の室温２５℃における前記発光層のＰＬ寿命は、１．３ｎｓｅｃ以上２０ｎｓｅｃ以下である半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。
【００２７】
さらに、本発明の発光装置は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を有し、前記発光層の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記発光層の１ｍＡ以上３５０ｍＡ以下の発光ピーク波長の変動は、６ｎｍ以下である半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。
【００２８】
さらに、上記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上にＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層を成長させる第１ステップと、前記第１ステップにおいて成長させた前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に発光層を成長させる第２ステップと、を備え、前記第２ステップでは、Ｖ族原料のモル供給量とＩＩＩ族原料のモル供給量との比であるＶ／ＩＩＩ比が５００以上４０００以下となるように、Ｖ族原料及びＩＩＩ族原料を供給する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、発光出力を大幅に向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、従来条件で作製した半導体発光素子の光出力の波長依存性を評価した結果を示すグラフである。
【図２】図２は、従来条件で作製したＭＱＷ構造の基板面内のＰＬマッピング結果を示すグラフである。
【図３】図３は、図２で示した位置におけるＰＬスペクトルを、全偏光成分を受光した場合と偏光分離した場合とに分けてそれぞれ重ね書きした結果を示すグラフである。
【図４】図４は、図３で偏光分離したＰＬスペクトルを２成分のガウシアンピークでフィッティングした結果を示すグラフである。
【図５】図５は、図４で得られたそれぞれのＰＬピーク波長を、図３のＸの位置を横軸にしてプロットした結果を示すグラフである。
【図６】図６は、図２の各位置でのＸＲＤ回折結果であり、その０次サテライトピークの角度の位置依存性を示すグラフである。
【図７】図７は、従来条件で作製したＭＱＷ構造の断面ＴＥＭ像を示す写真である。
【図８】図８は、従来条件で作製したｍ面上半導体発光素子への注入電流の電流値を変えたときの、ＥＬ発光スペクトルを重ね書きした結果を示すグラフである。
【図９】図９は、図８のＥＬ発光スペクトルを２成分のガウシアンピークでフィッティングした結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、陽電子消滅実験で用いたサンプルＢ及びサンプルＣのＰＬ発光スペクトルの結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、陽電子消滅実験で得られたサンプルＢ及びサンプルＣのＳ−Ｗプロットを示すグラフである。
【図１２】図１２は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの断面図である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係る発光層の断面図である。
【図１４】図１４は、本実施形態に係る半導体発光素子の模式図であり、図１４（ａ）は上面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１５】図１５は、本実施形態に係る発光装置の模式図である。
【図１６】図１６は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法のフローチャートである。
【図１７】図１７は、実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子に３５０ｍＡを通電した場合の全放射束の波長依存性を示すグラフである。
【図１８】図１８は、実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子から得られるＰＬ半値幅のＰＬピーク波長依存性及びＰＬ寿命を示すグラフである。
【図１９】図１９は、実施例１及び比較例１の半導体発光素子におけるＥＬ発光スペクトル、ＥＬ発光ピーク波長の電流値依存性及び全放射束の電流値依存性を示すグラフである。
【図２０】図２０は、ＬＥＤ構造及びＭＱＷ構造の成長条件を変えて測定したＰＬピーク波長とＰＬ半値幅の関係を示すグラフである。
【図２１】図２１は、ＬＥＤ構造及びＭＱＷ構造の成長条件を変えて測定したＰＬピーク波長とＰＬ寿命の関係を示すグラフである。
【図２２】図２２は、ＰＬピーク波長の励起光強度(相対値)依存性である。
【図２３】図２３は、実施例６のＭＱＷ構造の励起光強度を変化させたときの室温における励起光強度とＰＬ寿命の関係を示すグラフである。
【図２４】図２４は、実施例７−１のＭＱＷ構造から得られるＣＬスペクトル半値幅のマッピングデータである。
【図２５】図２５は、実施例７−１のＭＱＷ構造から得られるＣＬスペクトル波長のマッピングデータである。
【図２６】図２６は、比較例７−１のＭＱＷ構造から得られるＣＬスペクトル半値幅のマッピングデータである。
【図２７】図２７は、比較例７−１のＭＱＷ構造から得られるＣＬスペクトル波長のマッピングデータである。
【図２８】図２８は、図２６で１、２、３と図示した部分におけるＣＬ発光スペクトルである。
【図２９】図２８は、図２４で１、２、３と図示した部分におけるＣＬ発光スペクトルである。
【図３０】図３０は、実施例８−１のＩｎＧａＮ単層上のＡＦＭによる表面モホロジーであり、左側は表面形状像で、右側は位相像である。
【図３１】図３１は、比較例８−１のＩｎＧａＮ単層上のＡＦＭによる表面モホロジーであり、左側は表面形状像で、右側は位相像である。
【図３２】図３２は、実施例９のＭＱＷ構造のＰＬ寿命の温度依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（経緯）
本発明者らが本開示に至った主要な動機として、非極性面であるｍ面ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ量子井戸層からの発光スペクトルが複数のピークを有することに注目した点を以下に説明する。ここで対象にしているＩｎＧａＮ量子井戸層は波長が４００ｎｍから４６０ｎｍの発光が得られるもので、Ｉｎ組成としては概ね５％から２０％の範囲となっている。
【００３２】
まず、本発明者らがｍ面ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ量子井戸層を従来条件、すなわち、通常用いられる高Ｖ／ＩＩＩ比条件を用いて半導体発光素子を作製し、光出力の波長依存性を評価した結果を図１に示す。ここでは、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時におけるＶ／ＩＩＩ比として８３４０から１５４８０といった高Ｖ／ＩＩＩ比条件を用いている。層構造、成長条件は、表１及び表２に示したとおりである。なお、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ障壁層は、３周期繰り返して積層した。基板、チップ構造、実装形態、評価条件は、後述する実施例１と同様とした。
【００３３】
ＩｎＧａＮ量子井戸層からの発光波長を制御するためには種々の方法があるが、ここでは、ＩｎＧａＮ量子井戸層成長時のＩＩＩ族中のＩｎモル供給量比((ＴＭＩの１分当たりのモル供給量)／(ＴＭＩの１分当たりのモル供給量＋ＴＭＧの１分当たりのモル供給量))を変化させること及び発光層の成長温度の調整により制御した。
【００３４】
本明細書に示した実施例及び比較例は、本発明者らが行った全体の実験結果のうちの一部であるが、どの条件でも成長温度の低下及びＩｎモル供給量比の増加のどちらの条件を用いても発光波長を長波化させることができた。つまり、ある波長を実現するための成長温度とＩｎモル供給量比の組み合わせは複数存在する。しかし、Ｉｎモル供給量比が５０％以上の範囲では、これから述べる発光効率や発光層品質は波長によって支配されていた。すなわち、どのような成長温度とＩｎモル供給量比の組み合わせを用いても、それ以外の条件と波長が同じであれば特性、品質は同等であることを確かめている。
【００３５】
ここで、図１からわかるように、発光出力は長波化するに従い急激に低下する。この傾向は、上述した非特許文献３とまったく同様であった。
【００３６】
【表１】
2017139247.tif 000003
【００３７】
【表２】
2017139247.tif 000004
【００３８】
課題で述べたように、今まで成長条件の変更やオフ角などの基板種類の変更では、ｍ面上ＬＥＤ発光出力の改善は見られなかった。そこで、本発明者らは、Ｉｎ組成が高くなるにつれて発光層自体の品質が低下していると考え、発光層の品質を直接、正確に観測するために、ｐ型導電層の手前で成長を止めたＭＱＷ構造により、品質低下の原因及び改善手法の検討を行った。
【００３９】
ｍ面ＧａＮ基板のオフ角については０°から５°付近まで検討したが、品質低下状況はほぼ同様であった。ここではオフ角が０°のｍ面ＧａＮ基板上のＬＥＤについて説明する。ここで検討した層構造を表３に示す。なお、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ障壁層は、３周期繰り返して積層した。ＩｎＧａＮ量子井戸層でのＶ／ＩＩＩ比は８３４０と高い値を用いた。
【００４０】
【表３】
2017139247.tif 000005
【００４１】
成長終了後、基板全体に対してＰＬマッピング測定を実施した。ＰＬマッピング測定は、励起光源として３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用い、基板全面を０．５ｍｍピッチで評価した。図２にＰＬピーク波長、ＰＬピーク強度、ＰＬ半値幅のマッピング結果を示す。
【００４２】
図２からわかるように、図面の左下から右上にかけてＰＬピーク波長が長波化し、同時にＰＬピーク強度も低下している。ＰＬ半値幅は、長波化につれて一旦広がり、４４０ｎｍ付近で最も広く、さらに図面の右上の端付近では再度狭くなっている。
【００４３】
また、ここで得られたＰＬ発光スペクトルは、強度ピークが２つある場合や、強度ピークは一つであっても、スペクトル形状が左右対称ではなく、片側にふくらみ（肩と呼ぶこともある）がみられるいびつな形状の場合などがみられた。
これらのスペクトル形状の異常は強度ピークが少なくとも２つあるためであり、２種類以上の発光の重ね合わせであることからきている。ここでは、この現象を指して発光のマルチピークという。
【００４４】
上記マッピング結果の詳細を調査するために基板上に「Ｘ」で示したポイントで、再度、別の光学系を用いてＰＬ発光スペクトルを評価した。ここでの励起光としては、３８５ｎｍ波長のピコ秒パルスレーザを用い、スポット径は１００μｍφとした。励起光の詳細条件は、ＰＬ寿命測定で使用したものと同様である。測定ポイントの表示は、基板上の短波側（図２の下側から）順に、Ｘ１、Ｘ２・・・Ｘ１０とした。
【００４５】
上記のＰＬ発光スペクトルの評価は、発光をすべて受光した場合（偏光なし）、ＰＬ発光スペクトルの受光側に偏光フィルターを挿入して電界ベクトルがa軸方向に偏光している成分(E//a)のみを受光した場合、及び電界ベクトルがc軸方向に偏光している成分(E//c)のみを受光した場合の３条件でスペクトルを測定した。
【００４６】
偏光分離して評価した目的は、ＰＬ発光スペクトルのマルチピークがバンド構造起因かどうかを調べるためである。ｍ面ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ量子井戸層の価電子帯は、面内異方性歪の影響で分裂しており、基底準位である最も低エネルギー準位のＡバンドに由来する発光(長波側の発光)ではE//a偏光であり、高次準位に由来する発光（Ｂバンド）ではE//c偏光であることが分かっている。そこで、マルチピークがバンド構造起因であるならば、それは偏光の異なる二つのシングルピークの重ね合わせであり、偏光分離することでシングルピークに分離できるはずである。
【００４７】
これら３種類の条件で測定したＰＬ発光スペクトルを偏光条件ごとにわけて、各位置でのＰＬ発光スペクトルを重ね書きしたものを図３に示す。
【００４８】
図３からわかるように、E//a成分及びE//c成分は、両方とも、シングルピークではなくマルチピークになっている。つまり、これらのマルチピークの原因は、価電子帯のバンド構造起因ではないと考えられる。なお、縦軸のスケールは、見やすくするために適宜拡大、縮小しており、グラフごとに異なる。
【００４９】
次に、これらのマルチピークがどのような成分から構成されているか調べるために、サンプルＡのE//a成分及びE//c成分のそれぞれのＰＬスペクトルについて、２成分のガウシアンピークの重ね合わせを仮定して、各ＰＬピーク強度をフィッティングした。結果を図４に示す。縦軸はＰＬピーク強度、横軸はエネルギー表示（フォトンエネルギー（ｅＶ））である。
【００５０】
図４からわかるように、ＰＬ発光スペクトルが２成分の重ね合わせとすると、E//a成分及びE//c成分のそれぞれのピークの形状を精度よく再現できる。すなわち、これらのＰＬ発光スペクトルは、短波側の発光モード（Ｅhigh）と長波側の発光モード（Ｅlow）の重ね合わせになっている。
【００５１】
さらに、図４でピーク分離したそれぞれのＰＬ発光スペクトルのピークを位置ごとにプロットしたものを図５に示す。
【００５２】
図５からわかるように、E//a成分及びE//c成分の両方とも、元のＰＬ発光スペクトルのピーク（白抜き□及び△）は、紫波長に近い側では短波側のＰＬ発光スペクトルとピークが近く（短波側のピークがメインとなっていることを意味する)、長波化するにつれてより長波側のスペクトルとピークが近くなっている（長波側発光がメインとなっている）。
【００５３】
短波側から長波側にピーク位置が移るポイントは、E//a成分とE//c成分とで異なるが、どちらも４３０ｎｍ付近である。
【００５４】
さらに元のＰＬ発光スペクトルのピーク波長は、Ｘ６からＸ７にかけてＰＬピーク波長のとびがみられているが、Ｉｎ組成がそれらに対応して変化しているか調査するために、各位置での（３００）反射ＸＲＤ回折評価を行った。
【００５５】
ここでは、Ｘ２、Ｘ４、Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８、Ｘ９及びＸ１０の位置について測定した。その結果を図６に示す。また、図６中に０次ピークの角度の位置依存性を示した。図６からわかるように、Ｘ６からＸ７、Ｘ８にかけてＩｎ組成を反映するサテライトピークの変化は緩やかである。すなわち、ＰＬピーク波長のとびは、Ｉｎ組成の変動によるものではない。
【００５６】
さらに、このような波長変動やマルチピークの発生が、特許文献２にみられるような結晶のすべり面や積層欠陥、貫通転位などの結晶欠陥によるものが調査するために、断面ＨＡＡＤＦ−ＴＥＭ評価を実施した。結果を図７に示す。図７からわかるように、ＩｎＧａＮ量子井戸層の断面には欠陥がみられず、量子井戸構造の境界面も平坦、Ｉｎ揺らぎも目立たず大きな問題は見当たらなかった。
【００５７】
さらに、本発明者らは、実際の発光素子に電流注入したときの発光特性ではどのような発光スペクトルが得られるかを調査した。電流注入による発光スペクトルをＥＬ発光スペクトルと呼ぶ。ここでは、ＰＬピーク波長変動（後述）で使用した素子構造と同様のものに、ｐ型導電層を形成した基板を作製し、半導体発光素子を作製して評価した。結果を図８及び図９に示す。
【００５８】
図８に示すように、ＥＬ発光スペクトルの形状は、注入電流に応じて変化する。また、その形状は、ＰＬ発光スペクトルと同様に、２つのガウシアンピークの重ね合わせで良好にフィッティングすることができる。図９に示すように、長波側発光は、低キャリア密度（低電流値）ではメインであるが、キャリア密度が上がるとともに短波側発光がメインとなる。すなわち、キャリア密度が高い場合には、長波側発光の相対的な発光効率は低い。
【００５９】
ＩｎＧａＮ量子井戸層の品質低下の原因を追及する試みの中で、さらに本発明者らは発光波長の異なるサンプルを用いて、陽電子消滅実験により、点欠陥の状況及びその種類を評価した。陽電子消滅実験による点欠陥の評価とＳ−Ｗプロットを用いた欠陥種の推定については、例えば、Uedono et al., Journal of Crystal Growth 311, 2009, pp.3075-3079.に説明されている。
【００６０】
点欠陥評価については、評価の感度を上げるために全体の膜厚を厚くする必要があった。今回、そのために作製したサンプルは、ｍ面ＧａＮ自立基板上にＩｎＧａＮ量子井戸層４ｎｍとＧａＮ障壁層４ｎｍとを交互に２５周期積層した。サンプルは、サンプルＢとサンプルＣの２種類を作成した。サンプルＢとサンプルＣは、Ｉｎ組成のみが異なり、サンプルＢではＩｎ組成は約１０％、サンプルＣでは約２０％となっている。
【００６１】
ここでの成長条件は、表２に示したものと類似であり、表２との相違点は、上記のＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ障壁層の厚み及び周期数を変えたものである。ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時のＶ／ＩＩＩ比は、８３４０〜１８０８０といった高Ｖ／ＩＩＩ条件を用いている。
【００６２】
サンプルＢは発光波長が３９３ｎｍであり、サンプルＣは発光波長が４２０ｎｍである。サンプルＢ及びサンプルＣをＨｅ−Ｃｄレーザ励起光を用いて評価したときのＰＬ発光スペクトルを図１０に示す。マルチピークを検討した前述のサンプルＡと構造は異なるが、サンプルＢのＰＬは単峰性で半値幅が狭く、サンプルＣではＰＬスペクトルいびつで、マルチピークが発生している。サンプルＢはＩｎ組成が低い場合の良好な品質を、サンプルＣはＩｎ組成が高い場合にマルチピークが発生し、品質が低下した場合の状況を再現している。
【００６３】
図１１に陽電子消滅実験によって得られたＳ−Ｗプロットを示す。Ｓ−Ｗプロットでは、点欠陥の大小及び欠陥種を示すことができる。図１１からわかるように、サンプルＢでは、点欠陥がほぼ見られない良好な品質であり、一方、サンプルＣでは、点欠陥が発生しており、その欠陥の種類としてはＶGa−（ＶN）3  、すなわち、Ｇａ空孔とＮ空孔の複合体の可能性が示唆されている。
【００６４】
また、図１１には酸素と関連する欠陥種のポイントも同時に表示されているが、（例えば、ＶGAＯNなど）サンプルＣのプロット位置から、酸素関連の欠陥とは関係が小さいことがわかる。
【００６５】
ｍ面ＧａＮ基板のエピタキシャル成長膜中には、一般に、酸素の含有量が多いことが分かっているが、波長がわずかに異なるサンプルＢとサンプルＣで極端に酸素濃度が異なるとは考えられず、このことからも欠陥は酸素起因でないと考えられる。
【００６６】
以上をまとめると、ｍ面ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ量子井戸層からの発光は、ＰＬ、ＥＬともに２成分の発光スペクトルの重なりとなっており、バンド構造、Ｉｎ組成変動や格子欠陥や酸素不純物の影響では説明できない。
【００６７】
ＥＬ発光スペクトルの電流値依存性から、長波側の発光は低キャリア密度条件では、メインの発光となっているが、キャリア密度が増加した場合には効率低下が顕著となる。
【００６８】
また、長波側発光が発生する状況では、点欠陥密度が増大している。この長波側発光を抑制することが、発光特性改善に必須である。紫から青紫の波長では、長波側発光の存在によりＰＬ発光スペクトルの半値幅が広がってしまうことから、成長条件および構造の改善でＰＬ半値幅を狭化することが品質改善の指標になることがわかる。
【００６９】
さらに、ＰＬ寿命も同様に発光層の品質の指標となる。室温でのＰＬ寿命は非輻射再結合によって支配されており、結晶中のキャリア（電子及びホール）が欠陥による消滅しやすさを表している。ＰＬ寿命は、結晶の極性によっても大きく変動するが、ｍ面ＧａＮ基板上では極性の影響は排除できるため、同種基板の比較ではＰＬ寿命が長い方が発光層の品質が良いといえる。
【００７０】
上記に加えて、ＰＬピーク波長の励起光強度依存性も発光品質の指標となる。ＥＬ発光特性から見られたように、長波側発光は高注入側で発光効率が低いため、電流値が増加するにつれて、長波側発光から短波側のピークに移行し、結果としてピーク波長の励起光強度依存性が大きくなる。ＰＬ発光スペクトル測定でも同様の現象が起きており、このような波長とびが観測されるキャリア密度は、概ね１×１０16ｃｍ-3から５×１０20ｃｍ-3程度の範囲である。励起光強度をこの範囲で相対値で１０００倍変化させた場合のＰＬピーク波長の変化量を抑制することは、発光層品質の改善の良い指標となる。
【００７１】
上述したＰＬ半値幅、ＰＬ寿命、ＰＬピーク波長の励起光強度依存性についての検討は、発光素子の構造でも可能であるが、ｐ型導電層のないＭＱＷ構造でも可能である。そこで、発光素子の発光特性以外の検討については、本発明者らは主にＭＱＷ構造で上記の検討を行った。
【００７２】
量子井戸層の光学品質を改善するために、以下の観点で検討した。従来、主に用いられているｃ面ＧａＮ基板では、窒素抜けによる結晶性劣化を懸念して高Ｖ／ＩＩＩ比条件が通常用いられる。実際に、原子モデルから、ｃ（＋）面ではＮ原子が結晶表面に付着した場合には、Ｇａの１本のダングリングボンドに付着しており、不安定で抜けやすいことが予想される。それ故、高Ｖ／ＩＩＩ比条件が有効に機能していると考えられる。
【００７３】
逆に、ｃ（−）面では、逆の原子の結合構造を示す。すなわち、窒素原子は、表面のＧａからの３本のダングリングボンドで結合しており、より安定である。一方、表面に付着したＩＩＩ族原子は、１本のダングリングボンドで付着しており、より不安定と考えられる。ｍ面ＧａＮ基板について同様の検討を行う場合、オフ角によって状況は異なる。例えば、ｃ（−）側に傾斜した面を持つ場合、表面にはｃ（−）面からなるステップが存在し、ステップ端の窒素原子は３本のダングリングボンドでＧａ原子と結合している。そのため、窒素原子の安定性はよく、逆に、ＩＩＩ族原子の安定性が悪いと考えられる。
【００７４】
オフ角が０°のｍ面ＧａＮ基板もしくはｃ（＋）側のオフ角を有するｍ面ＧａＮ基板の場合には、表面にファセットが発生しやすく、その結果、ｃ（＋）側のステップ端に加えて、ｃ（−）側のステップ端も表面に現れる。結果的に、ｃ（−）側のオフ角を有する場合と同様の現象がみられている。
【００７５】
このような観点から、ｍ面ＧａＮ基板では、従来、ｃ面ＧａＮ基板で行われてきたように、Ｖ／ＩＩＩ比を上げる必要はなく、逆に下げた方が結晶性が向上すると考えた。Ｖ／ＩＩＩ比を下げることで、ＩＩＩ族原子のマイグレーションが向上して良好なステップフロー成長が期待できる。その結果、空孔などの非輻射再結合中心となり得る結晶欠陥や、長波側の発光ピークを抑制できると考えられる。
【００７６】
ただし、ステップフロー成長では、成長表面は平坦になって、結果的に界面が極めて急峻となる。そのため、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ障壁層との界面では、組成が急激に変化し、互いに格子定数が異なるために、局所的に歪が蓄積する。その結果、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時に、表面原子のマイグレーションが局所歪の影響を受けて阻害される懸念がある。
【００７７】
局所歪の影響を避けるには、量子井戸層と障壁層の間に界面歪緩衝層を設けることが効果的である。界面歪制御層は、量子井戸層と障壁層の中間の格子定数を有する層によって実現することができる。
【００７８】
以上より、Ｖ／ＩＩＩ比を下げてステップフロー成長を実現し、さらに、界面歪緩衝層を導入することで、より表面平坦性に優れ、局所歪の小さい構造を実現することができる。その結果、ＰＬ半値幅が狭く、非発光再結合中心の少ない良好な発光層を実現することができる。
【００７９】
（本実施形態に係るエピタキシャルウエハの構成）
以下、図面及び表を参照し、本発明の実施形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態及び実施例は、本発明を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施形態及び実施例で用いる様々な数値及び数量は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。
【００８０】
図１２は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの断面図である。エピタキシャルウエハ１は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板（ｍ面ＧａＮ基板）と、上記ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されているｎ型導電層と、上記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、上記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層とを有する。なお、主表面上とは、必ずしも直上という意味でなく、当該主表面の上側に位置していれば良いという意味である。
【００８１】
具体的に、エピタキシャルウエハ１は、図１２に示すように、ｍ面ＧａＮ基板２、第１のアンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型導電層）４、ＡｌＧａＮ層５、第２のアンドープＧａＮ層６、発光層７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０を有している。ｍ面ＧａＮ基板２及び各層３〜１０は上記に記載されている順に積層されている。
【００８２】
ｍ面ＧａＮ基板２は、０°のＧａＮ基板であってもよいし、オフ角が付与されたＧａＮ基板であってもよい。オフ角は、通常１０°以内、好ましくは６°以内である。ｍ面ＧａＮ基板２上に形成された各層の厚さ方向と、各層を構成するＧａＮ系半導体のｍ軸との間でなす角度は、ｍ面ＧａＮ基板２のオフ角に等しい。また、ｍ面ＧａＮ基板２は、一般に結晶性が良好な自立基板がより望ましい。
【００８３】
第１のアンドープＧａＮ層３は、例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ3（アンモニア）を原料として作製される。第１のアンドープＧａＮ層３の厚さは、例えば、１〜１０００ｎｍ、好ましくは２〜２０ｎｍである。第１のアンドープＧａＮ層３の成長温度は、通常９００℃〜１１００℃程度である。第１のアンドープＧａＮ層３は、ｍ面ＧａＮ基板２の表面を安定化し、その上面の各層の品質を良好にする働きがある。
【００８４】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）のようなｎ型不純物でドープされている。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は、例えば、ＳｉＨ4（シラン）、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。ｎ型ＧａＮコンタクト層４の厚さは、例えば、１〜６μｍ、好ましくは２〜４μｍであり、成長温度は第１のアンドープＧａＮ層３と同様である。ｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０18〜２×１０19ｃｍ-3、好ましくは５×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。
【００８５】
ＡｌＧａＮ層５は、例えば、ＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ＮＨ3を原料として作製される。ＡｌＧａＮ層５の厚さは、例えば、５〜１００ｎｍ、好ましくは５〜２０ｎｍである。
【００８６】
ＡｌＧａＮ層５は、特にオフ角が２°以上のｍ面ＧａＮ基板上のＭＯＣＶＤ成長で発生しやすい、結晶欠陥を低減する効果があり、その上部に作製する発光層の品質を良好にする働きがある。
【００８７】
第２のアンドープＧａＮ層６は、例えば、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。第２のアンドープＧａＮ層６の厚さは、例えば、２０〜１０００ｎｍ、好ましくは５０〜２００ｎｍである。
【００８８】
なお、第１のアンドープＧａＮ層３、ＡｌＧａＮ層５、第２のアンドープＧａＮ層６は、場合によっては省略しても良い。すなわち、ｍ面ＧａＮ基板２の直上にｎ型ＧａＮコンタクト層４を設けることが可能であり、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の直上に発光層７を設けることが可能である。またＡｌＧａＮ層５はアンドープであってもよいし、ドーピングされていてもよい。
【００８９】
発光層７は、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなる単層であってもよいが、好ましくは、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された構造を有する多重量子井戸層（ＭＱＷ）が良い。量子井戸層は、好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのような、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体で形成される。発光層７をＩｎＧａＮ量子井戸層／ＧａＮ障壁層とした場合、ＩｎＧａＮ量子井戸層は、例えば、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。ＧａＮ障壁層は、例えば、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。量子井戸層の厚さは、例えば、２〜１５ｎｍ、好ましくは３〜１０ｎｍである。障壁層の厚さは、例えば、２〜３０ｎｍ、好ましくは４〜２０ｎｍである。また、量子井戸層と障壁層の繰り返し周期数は通常２周期から１２周期までの範囲が用いられる。
【００９０】
発光層７の量子井戸層と障壁層の作製時には、ガリウム原料として、ＴＭＧの替わりにＴＥＧ（トリエチルガリウム）、もしくはＴＭＧとＴＥＧの混合ガスを用いてもよい。
また、障壁層は量子井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きなＧａＮ系半導体であればよく、ＧａＮ層あるいは、Ｉｎ組成が量子井戸層より小さいＩｎＧａＮ層などを用いることができる。
【００９１】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は、例えば、発光層７とｐ型ＧａＮコンタクト層９のいずれに対してもより大きなバンドギャップエネルギーを有するＡｌyＧａ1-yＮ（好ましくは０．０４≦ｙ≦０.２）で形成される。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）のようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さは、例えば、１０〜２００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。ｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０19〜５×１０20ｃｍ-3である。
【００９２】
なお、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は省略することができる。すなわち、発光層７の直上にｐ型ＧａＮコンタクト層９を設けることが可能である。
【００９３】
ｐ型ＧａＮコンタクト層９は、Ｍｇ、Ｚｎのようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＧａＮコンタクト層９の厚さは、例えば、４０〜２００ｎｍである。ｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０19〜５×１０20ｃｍ-3であり、内部で不純物濃度を意図的に変化させることも行われる。ｐ型ＧａＮコンタクト層９にＡｌを混入させて、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ（好ましくは０．０１≦ｘ≦０．０５）コンタクト層とすることも可能である。
【００９４】
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０は、例えば、ＩｎxＧａ1-xＮ（好ましくは０．０１≦ｘ≦０．０５）で形成され、Ｍｇ、Ｚｎのようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０の厚さは、例えば、１〜２０ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ以下、特に好ましくは５ｎｍ以下である。ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０の組成は、好ましくは、そのバンドギャップエネルギーが発光層７のバンドギャップエネルギー（活性層がＭＱＷの場合には、井戸層のバンドギャップエネルギー）よりも大きくなるように定められる。
【００９５】
なお、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０は省略することができる。すなわち、ｐ型ＧａＮコンタクト層９でエピタキシャル成長を終了させることが可能である。
【００９６】
また、上記に記載されていない層を追加してもよい。具体的には、第２のアンドープＧａＮ層６と発光層７の間にｎ型層を追加してもよい。あるいは発光層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８の間にアンドープまたはＭｇ濃度の低いｐ型層を追加してもよい。これらのような層を入れることで信頼性を向上させることができる場合がある。
【００９７】
上記に記載したように、ｐ型導電層、ｎ型導電層及び発光層の構成はＬＥＤ素子やレーザ素子を作製するためには不可欠であるが、本特許で問題にしている発光層の品質を改善する、あるいは品質の確認をするためには、ｐ型導電層がない方がより望ましい。なぜなら、ｐ型導電層がある場合にはフォトルミネッセンス測定（以下、ＰＬ測定という。）を行うときに励起光をｐ型導電層を通して照射する必要があり、ｐ型導電層の構造に依存して励起光が減衰してしまうからである。また、発光層から発生したフォトルミネッセンス光（以下、ＰＬ光という。）もｐ型導電層を通して受光することになるため、ｐ型導電層の構造に依存して減衰してしまうことになるからである。
【００９８】
本明細書では、上記のことに鑑み、実験検討は主にｐ型導電層のない構造で検討を行っている。そこでは、多重量子井戸層（ＭＱＷ層）で結晶成長を終了させている。以降、ｐ型導電層を形成していない構造をＭＱＷ構造と呼び、ｐ型導電層まで形成した構造をＬＥＤ構造と呼ぶ。
【００９９】
ただし、本明細書では、ｐ型導電層での減衰の影響を受けるＰＬ光の強度は問題にせず、ＰＬ発光スペクトルの形状のみを問題にするため、ＭＱＷ構造とＬＥＤ構造は互いに比較可能である。
【０１００】
かかる構成に加えて、発光層７のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、発光層７のＰＬ半値幅Δｌは、以下の条件式（１）を満たす。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【０１０１】
ＰＬ発光スペクトルの形状は、励起光強度に依存するため、光学品質をより敏感に反映する弱励起条件を用いることが必要である。ここでは、使用方法が簡便なＨｅ−Ｃｄレーザ（波長３２５ｎｍ）を用い、基板上での放射束を毎秒０．７ミリジュール／秒（０．７ｍＷ）に調整し、照射サイズを約０．１ｍｍφとして評価した。面積当たりでは８．９Ｗ／ｃｍ2となっており、発光層中のＩｎＧａＮ量子井戸層中に生成されるキャリア密度は、概ね５×１０17ｃｍ-3以下と考えられるため、弱励起条件となり望ましい。
【０１０２】
ＰＬ発光スペクトルの評価は、上記励起光強度と同等以下の励起光強度で評価することが必要である。また、ＰＬ発光スペクトルは、ＰＬ光を分光器で分散したのち受光装置により測定することにより得られた。発光層７のＰＬ半値幅とは、上記ＰＬ発光スペクトルの半値全幅のことをいう。
【０１０３】
参考のために、条件式（１）を満たすＰＬピーク波長とＰＬ半値幅の関係の一例を示す。例えば、ＰＬピーク波長が４２０ｎｍの場合には、式（１）を満たすＰＬ半値幅は１８ｎｍ以下である。また、ＰＬピーク波長が４３０ｎｍの場合には、式（１）を満たすＰＬ半値幅は２２ｎｍ以下である。さらに、ＰＬピーク波長が４４０ｎｍの場合には、式（１）を満たすＰＬ半値幅は２６ｎｍ以下である。
【０１０４】
また、発光層７のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、室温における発光層７の時間分解ＰＬ測定によるＰＬ寿命は、１．３ｎｓｅｃ以上２０ｎｓｅｃ以下である。なお、ＰＬ寿命は、好ましくは１．５ｎｓｅｃ以上１５ｎｓｅｃ以下、より好ましくは１．７ｎｓｅｃ以上１０ｎｓｅｃ以下である。
【０１０５】
ここでは、時間分解ＰＬ測定は、時間相関単一光子係数法を用い、室温において測定を行った。光源は、モードロックＴｉ：サファイアレーザーおよび高調波発生結晶により構成した波長可変パルスレーザを用いた。パルスの繰り返し周波数は８０ＭＨｚ、パルス幅は２ｐｓとした。
【０１０６】
活性層構造に内在する単層又は複数の層を有する量子井戸層の光学的品質を直接評価するためには、選択励起による時間分解ＰＬ測定が有効である。量子井戸層を選択励起するためには、本実施例の構造では、ＩｎＧａＮ量子井戸層のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有し、なおかつ、その他の層を構成する材料（ここではＧａＮとＡｌＧａＮ）のバンドギャップよりも小さいエネルギーを有する励起光を選ぶ必要がある。そこで、波長可変パルスレーザの波長は、３８５ｎｍとした。
【０１０７】
続いて、パルスエネルギーを紫外用ＮＤフィルタにより調整した後、ステージに取り付けられた試料に照射した。試料からのＰＬ光を、集光レンズを通して分光器で分散した後にフォトマルチプライヤーに導いた。 
【０１０８】
試料に照射されるパルスエネルギーは、パワーメータによりパワー測定し、繰り返し周波数で除算することにより求めた。レーザーのビーム径は試料位置でφ０．１ｍｍであった。これにより、単位面積当たりのパルスエネルギー密度は、１．６μＪ/ｃｍ2であり、励起される過剰キャリア密度は、おおよそ１×１０17ｃｍ-3と見積もられる。
【０１０９】
本条件は、量子井戸層の発光品質を評価するためには十分な低励起条件であり、発光品質を評価するには、これと同等以下の励起条件を用いることが必要である。
【０１１０】
ここではまず、ＰＬ発光スペクトルの測定を行い、次にＰＬ発光スペクトルのピーク波長を分光器により選択し、時間分解ＰＬ測定を行った。続いて、パルス励起後のＰＬ強度の時間に対する過渡応答（減衰曲線）からＰＬ寿命を求めた。ＰＬ強度の減衰曲線において最大強度から最大強度の１／ｅの強度となるまでの時間をＰＬ寿命と定義する。一般に時間分解ＰＬ測定における減衰曲線は、単一指数関数形とならない場合が多いが、ここではＰＬ寿命を上記のように定義する。実際に、本実施例で得られた減衰曲線は、単一指数関数に近い曲線を示した。
【０１１１】
さらに、発光層７のＰＬピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、発光層７は、励起密度依存性により励起強度を変更した場合の波長変動が０ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。なお、励起密度依存性により励起強度を変更した場合の波長変動は、好ましくは０ｎｍ以上８ｎｍ以下、より好ましくは０ｎｍ以上６ｎｍ以下である。ここでの波長変動は、ＩｎＧａＮ量子井戸層の中に生成されるキャリア密度が概ね１×１０16ｃｍ-3から５×１０20ｃｍ-3程度の範囲で励起光強度を１倍から１０００倍まで変動させた時のＰＬピーク波長の変化分を指す。測定にあたっては励起光を対物レンズで集光させ高いエネルギー密度とした上で、ＮＤフィルターを用いてエネルギー密度（相対値）を１〜１０００の大きさに変化させる。
【０１１２】
図１３は、本実施形態に係る発光層７の断面図である。発光層７は、好ましくはＩｎＧａＮ層を含む。また、発光層７は、図２に示すように、好ましくは量子井戸層７Ａと障壁層７Ｂとが交互に積層された多重量子井戸層からなり、量子井戸層７Ａ及び障壁層７Ｂ間の少なくとも一方側の界面に、量子井戸層７Ａと障壁層７Ｂとの中間の格子定数を有し、量子井戸層７Ａ及び障壁層７Ｂ間の歪を制御する界面歪緩衝層７Ｃを有する。界面歪緩衝層７Ｃは、好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのような、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体で形成される。界面歪緩衝層７ＣのＩｎ組成は量子井戸層７Ａと障壁層７Ｂの間の組成とし、厚さは、例えば、０．１〜３ｎｍ、好ましくは０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。また、単一の組成の層であっても、組成が段階的に変化してもよい。
【０１１３】
なお、界面歪緩衝層７Ｃは省略することができる。すなわち、発光層７は、量子井戸層７Ａと障壁層７Ｂとが交互に積層された多重量子井戸層のみであっても良い。
【０１１４】
さらに、ｍ面ＧａＮ基板２の暗点密度は、２×１０8ｃｍ-2以下である。より好ましくは２×１０7ｃｍ-2以下であり、さらに好ましくは２×１０6ｃｍ-2以下である。ここで、ｍ面ＧａＮ基板２の暗点密度とは、結晶中のミスフィット転位などの格子欠陥がカソードルミネッセンス像で暗点状に観察されるときの密度をいう。このような低い暗点密度を実現するためには異種基板ではなく、ＧａＮ自立基板を使用することで実現できる。
【０１１５】
さらに、ｍ面ＧａＮ基板２の他方側の主表面は、粗面化されている。ここで、ｍ面ＧａＮ基板２の粗面化とは、光取出し効率を向上させることのできる表面の凹凸形状であり、基板の表面処理やドライエッチングを用いてその形状を付与することができる。ｍ面ＧａＮ基板２の表面粗さは、本来の面方位を持つ平坦面の比率が５０％以下であることが好ましい。
【０１１６】
（本実施形態に係る半導体発光素子の構成）
図１４は、本実施形態に係る半導体発光素子２０の模式図である。図１４（ａ）は上面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【０１１７】
半導体発光素子２０は、上述したエピタキシャルウエハ１に対して、エッチング、電極形成、素子分離等の処理を行って作成したものである。半導体発光素子２０は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ系半導体層からなるｎ型導電層と、上記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、上記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層とを有している。
【０１１８】
そして、上記発光層の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、上記発光層のＰＬ半値幅は、以下の条件式（１）を満たす範囲である。
Δｌ  ≦  Ｌ×０．４  −  １５０        （１）
Ｌ：ＰＬピーク波長（単位：ｎｍ）  Δｌ：ＰＬ半値幅（単位：ｎｍ）
【０１１９】
また、発光層７の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、室温における発光層７の時間分解ＰＬ測定によるＰＬ寿命は、１．３ｎｓｅｃ以上２０ｎｓｅｃ以下である。
【０１２０】
さらに、本実施形態に係る半導体発光素子２０は、電流注入による波長変動が小さい。例えば、発光ピーク波長が４２０ｎｍで３５０ｍＡまでの電流注入による波長変動は、６ｎｍ以下であり、好ましくは測定系の分解能(約１ｎｍ）以下である。
【０１２１】
具体的に、半導体発光素子２０は、図１４（ｂ）に示すように、ｍ面ＧａＮ基板２、第１のアンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型導電層）４、ＡｌＧａＮ層５、第２のアンドープＧａＮ層６、発光層７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層（ｐ型導電層）９、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０、ｎ側メタル電極１１、ｐ側コンタクト電極１２及びｐ側メタル電極１３を有している。なお、ｍ面ＧａＮ基板２は、剥離等により除去されていても良い。
【０１２２】
ｎ側メタル電極１１は、図１４（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の一部露出した表面に形成されている。また、ｐ側コンタクト電極１２は、図１４（ｂ）に示すように、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０の上面に形成されている。ｐ側コンタクト電極１２は、例えば、ＩＴＯ、ニッケル、プラチナ、チタン、銀、タングステン、クロム、或いはこれら金属が含まれる合金であってもよい。また、ｐ側メタル電極１３は、パッド電極として、ｐ側コンタクト電極１２上の一部に形成されている。
【０１２３】
本実施形態に係る半導体発光素子２０は、電流注入により４１０ｎｍ以上で高出力性を示すことができる。３５０ｍＡを注入したときの発光ピーク波長と発光出力の関係は以下のとおりである。例えば、発光ピーク波長が約４２０ｎｍの場合には、発光出力は４９０ｍＷ以上である。また、発光ピーク波長が約４３０ｎｍの場合には、発光出力は３７０ｍＷ以上である。さらに、発光ピーク波長が約４４０ｎｍの場合には、発光出力は３５０ｍＷ以上である。
【０１２４】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子２０は、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の一部露出した表面にｎ側コンタクト電極１１を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、ｍ面ＧａＮ基板２の他方側の主表面にｎ側コンタクト電極１１を形成しても良く、この他種々の半導体発光素子に適用することができる。
【０１２５】
（本実施形態に係る発光装置の構成）
図１５は、本実施形態に係る発光装置３０の断面図である。発光装置３０は、上述した半導体発光素子２０と、当該半導体発光素子２０が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質とを有する。具体的に、発光装置３０は、半導体発光素子２０と、半導体発光素子２０を収容するパッケージ２１、透光性材料２２及び波長変換部２３を有する。
【０１２６】
半導体発光素子２０は、本実施形態に係る半導体発光素子２０と同様の構成であり、例えば、発光ピーク波長が４１０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の青紫光〜青色光を発する半導体発光素子である。
【０１２７】
パッケージ２１は、公知のパッケージであり、例えば、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の耐熱性樹脂をリードフレームと一体成形したタイプの他、種々のタイプのパッケージを適用することができる。透光性材料２２は、例えば、シリコーン樹脂やガラスなどを用いることができる。また、透光性材料２２は、省略しても良く、半導体発光素子２０及び波長変換部２３間は空洞であって良い。
【０１２８】
波長変換部２３は、例えば、黄色蛍光体を含有しており、半導体発光素子２０が発する青紫光〜青色光の一部を黄色光に変換する。そして、波長変換部２３は、表面青色光と黄色光が混成して生じる白色光を外部に向けて放出する。
【０１２９】
本実施形態に係る発光装置３０の用途は、照明、ディスプレイ、液晶表示装置のバックライト、インジケータ等を含むが、これらに限定されるものではない。
【０１３０】
（本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法）
図１６は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１の製造方法のフローチャートである。本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１の製造方法は、ｍ面に対して０°以上１０°以下のオフ角を有する面を主表面とするＧａＮ基板の一方側の主表面上にｎ型導電層を成長させる第１ステップと、上記第１ステップにおいて成長させた前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に発光層を成長させる第２ステップとを有する。
【０１３１】
具体的に、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、まず、ｍ面ＧａＮ基板２の一方側の主表面上に第１のアンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４、ＡｌＧａＮ層５、第２のアンドープＧａＮ層６を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ１）。
【０１３２】
続いて、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、第２のアンドープＧａＮ層６の一方側の主表面上にＶ／ＩＩＩ比が５００以上４０００以下となるようにＶ族原料及びＩＩＩ族原料を供給して成長させた量子井戸層７Ａと、障壁層７Ｂ界面歪緩衝層７Ｃの繰り返し構造を有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させて、発光層７を形成する（ステップＳＰ２）。
【０１３３】
ここで、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、量子井戸層７Ａとして、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層を成長させることが好ましい。さらに、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層の成長時に、ＩＩＩ族原料の総供給量におけるインジウム原料の供給量の比が５０％以上９０％以下となるように、ＩＩＩ族原料を供給することが好ましい。ここでのインジウム原料の供給量の比は、好ましくは７０％以上９０％以下であり、より好ましくは８０％以上９０％以下である。
【０１３４】
さらに、発光層７の成長条件としては、成長速度を１ｎｍ／ｍｉｎ以上８ｎｍ／ｍｉｎ以下の比較的低速で成長することが望ましい。ここでの成長速度は、好ましくは１ｎｍ／ｍｉｎ以上７ｎｍ／ｍｉｎ以下である。
【０１３５】
続いて、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、発光層７の一方側の主表面上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層１０を、有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ３）。
【実施例】
【０１３６】
以下に、本発明者等が行った実験の結果を記す。ただし、これらの実験で用いられた方法やサンプルの構造によって、本発明は何らの限定を受けるものではない。
【０１３７】
（実施例１）
実施例１のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、図１３〜図１５に示したエピタキシャルウエハ１及び半導体発光素子２０と同じ構成である。実施例１のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、次の手順に従い作製した。
【０１３８】
（エピタキシャル成長）
まず、縦×横×厚さが８ｍｍ×２０ｍｍ×３３０μｍのｍ面ＧａＮ基板をＭＯＶＰＥ装置内に準備した。このｍ面ＧａＮ基板はキャリア濃度が１．０×１０17ｃｍ-3〜５．０×１０17ｃｍ-3の範囲内であり、＋ｃ方向へのオフ角は−５°であった。上記準備したｍ面ＧａＮ基板のポリッシング仕上げされたおもて面上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて半導体積層体をエピタキシャル成長させた。すなわち、ｍ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に、第１のアンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ＡｌＧａＮ層、第２のアンドープＧａＮ層、発光層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層を順次エピタキシャル成長させた。
【０１３９】
第１のアンドープＧａＮ層は、基板温度を９００℃とし、原料にＴＭＧ、ＮＨ3を用いて、１０ｎｍの厚さに成長させた。このときの成長速度は、１５ｎｍ／分である。さらにｎ型ＧａＮコンタクト層は、基板温度を９００℃とし、原料にＴＭＧ、ＮＨ3、シランを用いて、Ｓｉ濃度が約７×１０18ｃｍ-3、かつ、１５００ｎｍの厚さに成長させた。この時の成長速度は１７ｎｍ／分であった。ＡｌＧａＮ層は基板温度を９００℃とし、原料にＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3を用いて、６ｎｍの厚さに成長させた。第２のアンドープＧａＮ層は、基板温度を８１５℃とし、原料にＴＭＧ、ＮＨ3を用いて、１００ｎｍの厚さに成長させた。
【０１４０】
発光層は、原料にＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3を用いて、最下層および最上層が障壁層となるように、４層のＧａＮ障壁層と、３層のＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に成長させることにより形成した。また、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の間には、界面歪緩衝層を挿入した。量子井戸層と界面歪緩衝層の成長の間には５秒間の待機時間を設けた。成長温度は、界面歪緩衝層とＩｎＧａＮ量子井戸層では成長温度一定で、７５０℃〜７７０℃の範囲とした。ＧａＮ障壁層の成長温度は、７９０℃〜８１０℃の範囲とし、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長温度に対して４０℃高い温度を採用した。界面歪制御層と障壁層の間で成長温度を変えるときには２分間の待機時間を設けた。ここでは温度を調整することで波長の異なる複数の構造を作製した。ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さは３．６ｎｍ、ＧａＮ障壁層の厚さは１８ｎｍ、界面歪緩衝層の厚さは１ｎｍとし、そのＩｎ組成は約４％とした。発光層には不純物を添加しなかった。
【０１４１】
発光層の成長中は、ＮＨ3流量を毎分２．８Ｌと一定にした。ＩｎＧａＮ量子井戸層でのＴＭＩ、ＴＭＧの供給モル流量はそれぞれ、毎分６１μモル、毎分１４μモルであり、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料との供給モル流量の比であるＶ／ＩＩＩ比は１６７０であった。ＩｎＧａＮ界面歪緩衝層でのＴＭＩ、ＴＭＧの供給モル流量はそれぞれ、毎分１０μモル、毎分１４μモルであり、Ｖ／ＩＩＩ比は５１６０であった。ＧａＮ障壁層でのＴＭＧの供給モル流量は毎分１４μモルであり、Ｖ／ＩＩＩ比は８９３０であった。
【０１４２】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、基板温度を９００℃とし、原料にＴＭＧ、ＴＭＡ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ＮＨ3を用いて、４０ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度が約２×１０19ｃｍ-3である。ＴＭＧとＴＭＡの流量は、結晶組成がＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとなるように調節した。
【０１４３】
ｐ型ＧａＮコンタクト層は、基板温度を９００℃とし、原料にＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、４０ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＧａＮコンタクト層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度が約７×１０19ｃｍ-3である。ｐ型ＧａＮコンタクト層の成長が完了したら、直ちに、ＮＨ3の供給を停止し、基板加熱も停止して８２０℃まで冷却した。
【０１４４】
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層は、基板温度を８２０℃とし、原料にＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、１ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層は、ＭｇでドープされているがＭｇ濃度は表面層のため不明である。
【０１４５】
以上の結晶成長は、すべてキャリアガスとして窒素を用いて成長させた。これにより実施例１のエピタキシャルウエハを作成した。
【０１４６】
結晶成長が終了すると、直ちに、エピタキシャルウエハの加熱を停止して冷却し、エピタキシャルウエハが冷却するまで、キャリアガスとして窒素のフローを継続させた。
【０１４７】
表４は、実施例１のエピタキシャルウエハの各層の構成、アンモニアの供給量、原料の供給量、Ｖ／ＩＩＩ比、基板温度、厚さ及びドーパントを示している。
【０１４８】
【表４】
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【０１４９】
（メサ及びｐ側電極の形成）
上記手順により得たエピタキシャルウエハのｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層上の全面に、ｐ型コンタクト層として厚さ２１０ｎｍのＩＴＯ層を形成した。その後、石英加熱炉を用いて大気雰囲気中において５２０℃で２０分間熱処理を行った。その後、ＲＩＥドライエッチング装置により、ｎ型ＧａＮコンタクト層に達するまでエッチングして、メサを形成した。
【０１５０】
（ｎ側電極の形成）
次に、メサ形成により部分的に露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層２の表面に、ｎ側メタル電極を形成した。ｎ側メタル電極は、Ａｌ層（厚さ１００ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）をこの順に含む積層膜とした。ｎ側メタル電極のパターニングは、通常のリフトオフ法により行った。
【０１５１】
（ｐ側電極の形成）
次に、パッド電極として、ｎ側コンタクト電極とｐ側コンタクト電極上にＴｉ−Ｗ層（厚さ１０８ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）をこの順に含むｐ側メタル電極を形成し、その後、熱処理炉を用いて、窒素雰囲気中において５００℃で１分間熱処理（アロイ処理）した。
【０１５２】
（基板の他方側の主表面の粗面化）
ｍ面ＧａＮ基板の他方側の主表面の粗面化のために、厚さ１．０ｕｍで直径２．０ｕｍの円形のＳｉＯ2製マスクを、隣り合うマスク同士の中心間距離を６．０ｕｍとして三角格子状に作製した。その後、塩素ガスを用いてドライエッチングを行い、高さ４．０ｕｍの突起を形成した。
【０１５３】
最後に、ダイヤモンドスクライバを用いてエピタキシャルウエハを５５０μｍ×５５０μｍ角に分断することにより、実施例１の半導体発光素子を作成した。
【０１５４】
（実施例２）
実施例２のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の間にＩｎＧａＮ界面歪緩衝層を挿入していない点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同様に作成した。
【０１５５】
（比較例１）
比較例１のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、主に、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時にアンモニア流量を多くし発光層のＶ／ＩＩＩ比を高くした点、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の間にＩｎＧａＮ界面歪制御層を挿入していない点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同様に作成した。
【０１５６】
比較例１の発光層は、原料にＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3を用いて、最下層および最上層が障壁層となるように、４層のＧａＮ障壁層と、３層のＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に成長させることにより形成した。成長温度は、ＧａＮ障壁層では７９０℃〜８１０℃、ＩｎＧａＮ量子井戸層では７５０℃〜７７０℃とした。ＧａＮ障壁層の成長温度は、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長温度に対して４０℃高い温度を採用した。ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さは３．６ｎｍ、ＧａＮ障壁層の厚さは１８ｎｍとした。発光層には不純物を添加しなかった。
【０１５７】
発光層の成長中は、ＮＨ3流量を毎分１４Ｌと一定にした。ＩｎＧａＮ量子井戸層でのＴＭＩ、ＴＭＧの供給モル流量はそれぞれ、毎分６１μモル、毎分１４μモルであり、Ｖ／ＩＩＩ比は８３４０であった。ＧａＮ障壁層でのＴＭＧの供給モル流量は毎分１４μモルであり、Ｖ／ＩＩＩ比は４３５２０であった。
【０１５８】
実施例１及び実施例２でのエピ終了後のエピタキシャルウエハについては光学顕微鏡の観察では表面は平坦であった。また、水銀ランプを用いた蛍光顕微鏡による評価でも視野内は均一で特別な構造は見られなかった。上記の結果から、実施例１及び実施例２においては、結晶欠陥がみられず、面内のＩｎの濃度は比較的均一であると考えられる。
【０１５９】
（評価）
図１７は、実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子に３５０ｍＡを通電した場合の全放射束の波長依存性を示す。
【０１６０】
図１７からわかるように、実施例１及び実施例２の量子井戸層のＶ／ＩＩＩ比は共通で１６７０であり、ＩＩＩ族原料中のＴＭＩモル供給量比は８１％である。実施例１及び実施例２の半導体発光素子の発光出力は、発光ピーク波長が同様の場合には、比較例１の半導体発光素子の発光出力に比して、１００ｍＷ以上も高い。
【０１６１】
図１８は実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子から得られるＰＬ半値幅のＰＬピーク依存性を示す。
【０１６２】
図１８からわかるように、実施例１及び実施例２の半導体発光素子のＰＬ半値幅は、発光ピーク波長が同様の場合には、比較例１の半導体発光素子のＰＬ半値幅に比して、著しく小さい。また、実施例１及び実施例２の半導体発光素子のＰＬ寿命は、発光ピーク波長が同様の場合には、比較例１の半導体発光素子のＰＬ寿命に比して、著しく長い。
【０１６３】
図１９は、実施例１及び比較例１の半導体発光素子におけるＥＬ発光スペクトル、ＥＬ発光ピーク波長の電流値依存性、及び全放射束の電流値依存性を示す。
【０１６４】
実施例１及び実施例２の量子井戸層のＶ／ＩＩＩ比は共通で１６７０であり、ＩＩＩ族原料中のＴＭＩモル供給量比は８１％である。図１９からわかるように、実施例１ではＥＬ発光スペクトルが単峰性であるのに対し、比較例１では短波側に肩を持つマルチピーク発光を示している。また、実施例１では１ｍＷ〜３５０ｍＷまでの電流注入で発光ピーク波長が変化していないのに対し、比較例１では電流注入が増加するにつれて１０ｎｍ以上短波化した。
【０１６５】
効率の低い長波側発光が発生している比較例１では、低電流域ではＥＬ発光ピークが長波側発光の影響を強く受けるが、注入電流値が大きくなると、相対的に短波側発光が強くなり、ＥＬ発光ピークが短波側発光の影響を強く受ける。電流注入により波長が急激に短波化する。
【０１６６】
比較例１のＥＬ発光スペクトルは、発光ピークが長波側から短波側に移り変わる途中の状況であり、スペクトル形状の短波側にふくらみがみられる。ところが、結晶性が良好となった実施例１は長波側発光が低減されているため、ＥＬスペクトル形状はほぼ単峰性を示しており、発光モードは電流値を変えても単一のままである。その結果波長の電流密度依存性が極めて小さくなる。
【０１６７】
（実施例３）
実施例３では、ＬＥＤ構造及びＭＱＷ構造の成長条件を変えて測定したＰＬピーク波長とＰＬ半値幅の関係を図２０にプロットした。
【０１６８】
実施例３−１は、実施例１の半導体発光素子であり、実施例３−２は、実施例２の半導体発光素子である。実施例３−３は、実施例１の半導体発光素子の類似構造で、ｐ型導電層まで形成したＬＥＤ構造であり、実施例３−４は、実施例１の半導体発光素子の類似構造で、ｐ型導電層を形成せず多重量子井戸層まで形成したＭＱＷ構造である。
【０１６９】
実施例３−３のＬＥＤ構造及び実施例３−４のＭＱＷ構造で用いたｍ面ＧａＮ基板は、２インチのｍ面ＧａＮ基板上に作成されており、実施例１の小片長方形のｍ面ＧａＮ基板とは基板の作成方法が異なっている（後述）。実施例３−３のＬＥＤ構造及び実施例３−４のＭＱＷ構造のＩｎＧａＮ量子井戸層成長時のＶ／ＩＩＩ比は、実施例１と同様に１６７０である。
【０１７０】
実施例３−５は、実施例１の半導体発光素子の構造から発光層成長時のＮＨ3流量を変更したＭＱＷ構造であり、流量は５．６ＬでＶ／ＩＩＩ比は３３４０である。実施例３−６は、実施例２の半導体発光素子の類似構造で、ＭＱＷ構造であり、さらにＴＭＩモル供給量を減らして７４％としたものであり、ＩｎＧａＮ量子井戸層成長時Ｖ／ＩＩＩ比は、２２８０である。
【０１７１】
実施例３−３〜実施例３−６のＭＱＷ構造のＰＬ半値幅は、実施例１及び実施例２の半導体発光素子のＰＬ半値幅に比して、全て、波長に応じて増加しているものの、全体に狭い。
【０１７２】
比較例３−１は、比較例１の半導体発光素子の類似構造で、ＭＱＷ構造とし、ＩｎＧａＮ量子井戸層成長時のＮＨ3流量は１４Ｌであり、Ｖ／ＩＩＩ比は１５４８０である。比較例３−２は、上述の経緯の表２で示したＭＱＷ構造である。ＩｎＧａＮ量子井戸層成長時のＮＨ3流量は１４Ｌであり、Ｖ／ＩＩＩ比は８３４０である。比較例３−２で使用したｍ面ＧａＮ基板のオフ角は０°であり、それに伴って、−５°のオフ角を有する基板とは下地の成長条件が異なっている。
【０１７３】
比較例３−３は、実施例１の半導体発光素子の類似構造で、ＭＱＷ構造とし、ＩｎＧａＮ量子井戸層成長時のＴＭＩ供給量を実施例１の１／４に低減し、Ｖ／ＩＩＩ比を４２４０に増加させたものである
【０１７４】
比較例３−１〜比較例３−３のＭＱＷ構造のＰＬ半値幅は、実施例１及び実施例２の半導体発光素子のＰＬ半値幅に比して、全て、明らかに広い値を示している。
【０１７５】
実施例１及び実施例２（表４）の半導体発光素子からの構造または成長条件の変更点を表５に示す。
【０１７６】
【表５】
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【０１７７】
図２０からわかるように、実施例と比較例両方とも波長が長くなる程半値幅も広くなっているが、実施例と比較例とでは明らかに異なった分布をしており、条件式（１）のラインを境界にして２分割されている。
【０１７８】
実施例３−１〜実施例３−６では、ＰＬ半値幅の波長依存性はほぼ同等であった。
【０１７９】
以下に、実施例３−３及び実施例３−４で用いた２インチｍ面ＧａＮ基板の作成方法を示す。２インチｍ面ＧａＮ基板は、下記手順によって製造した。
（i）主表面にマスクパターンを形成したＣ面サファイア上ＧａＮテンプレートをシードに用いて、ＨＶＰＥ法により一次ＧａＮ結晶を成長させ、その一次ＧａＮ結晶から−ｃ面基板（一次基板）を切り出した。
（ii）一次基板をシードに用いて、アモノサーマル法により二次ＧａＮ結晶を成長させ、その二次ＧａＮ結晶からｍ面ＧａＮ基板（二次基板）を切り出した。
（iii）二次基板をシードに用いて、アモノサーマル法により三次ＧａＮ結晶を成長させ、その三次ＧａＮ結晶からｍ面ＧａＮ基板（三次基板）を切り出した。
（iv）三次基板をシードに用いて、ＨＶＰＥ法により目的の２インチｍ面ＧａＮ基板（四次基板）を作成した。
【０１８０】
（実施例４）
実施例４では、ＬＥＤ構造及びＭＱＷ構造の成長条件を変えて測定したＰＬピーク波長とＰＬ寿命の関係を図２１にプロットした。
【０１８１】
実施例４−１は、実施例１の半導体発光素子であり、実施例４−２は、実施例２の半導体発光素子の類似構造で、ＭＱＷ構造とした。実施例４−３〜実施例４−６は、実施例３−３〜実施例３−６のＬＥＤ構造及びＭＱＷ構造と同じである。比較例４−１及び比較例４−２は、比較例３−１及び比較例３−２のＭＱＷ構造と同じである。
【０１８２】
比較例４−３は、実施例２の半導体発光素子の類似構造で、ＭＱＷ構造であり、ＩｎＧａＮ量子井戸層成長時のＴＭＧ流量を増加させて成長速度８．４ｎｍ／ｍｉｎに増加させるとともに、成長時間を調整して、量子井戸層の厚みを同等としたものであり、Ｖ／ＩＩＩ比は２７４０、ＴＭＩモル供給比は２７４０である。
【０１８３】
図２１からわかるように、実施例４−１〜実施例４−６は、全てＰＬ寿命が１．３ｎｓｅｃよりも十分に長く、光学品質が良好であることを示している。一方、比較例４−３は、ＰＬ半値幅は狭いもののＰＬ寿命は短くなっており、ＴＭＩモル供給量比が低い場合、光学品質が低下する。比較例４−１〜比較例４−３は、ＰＬ寿命が短く、光学品質が悪い
【０１８４】
（実施例５）
実施例５では、ＬＥＤ構造及びＭＱＷ構造の成長条件を変えて測定したＰＬピーク波長の励起強度依存性を図２２にプロットした。
【０１８５】
実施例５−１及び実施例５−２は、実施例３−６のＭＱＷ構造と同じであり、面内のＰＬピーク波長の異なる部分を採用している。実施例５−３は、実施例３−４のＭＱＷ構造と同じである。比較例５−１は、比較例３−２のＭＱＷ構造と同じである。
【０１８６】
図２２からわかるように、実施例５−１〜実施例５−３ではＰＬピーク波長の励起強度依存性がほとんどないのに対し、比較例５−１ではＰＬピーク強度が高くなるにつれて、ＰＬピーク波長が大きく変動している。
【０１８７】
（実施例６）
実施例６では、ＭＱＷ構造の励起光強度を変化させたときの室温における励起光強度とＰＬ寿命の関係をを図２３にプロットした。
【０１８８】
実施例６−１は、実施例４−４のＭＱＷ構造と同じである。比較例６−１は、比較例４−２のＭＱＷ構造と同じである。
【０１８９】
測定は、上述した時間分解ＰＬ測定と実質的に同じ条件及び方法を用いて行い、広範囲の弱励起強度でのＰＬ寿命の挙動を調べるために、ＮＤフィルターを用い、単位面積当たりのパルスエネルギー密度を１．６nＪ/ｃｍ2から１．６μＪ/ｃｍ2まで変化させた。
【０１９０】
比較例６−１では、全測定範囲で１ｎｓｅｃ程度と短いＰＬ寿命を示すのに対し、実施例６−１では、０．１６μＪ/ｃｍ2で最大値を有しそれより励起光強度が小さい場合、若干ＰＬ寿命が減少する傾向が認められる。しかしながら、実施例６−１では、それでもなお、２ｎｓｅｃ以上の長いＰＬ寿命を示した。励起された過剰キャリアに対し、非発光再結合過程の影響が強い弱励起条件においても、このような長いＰＬ寿命を示すことから実施例６−１の光学品質が良好であることが示された。
【０１９１】
（実施例７）
実施例７−１では、実施例３−４と類似の低Ｖ／ＩＩＩ比のＭＱＷ構造であり、最上部の障壁層がＧａＮ障壁層であるＭＱＷ構造のカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルマッピングを図２４及び図２５にプロットした。
【０１９２】
図２４は、面内の各ポイントで得られたＣＬスペクトルの半値幅を示す図であり、図２５は、面内の各ポイントで得られたＣＬスペクトルのピーク波長を示す図である。測定は、ＳＥＭ−ＣＬ装置を用いて室温で行い、加速電圧は５ｋＶ、ビーム電流値は１ｎＡ、ＳＥＭ観察倍率は２００００倍、測定間隔は５０ｎｍピッチで、８０×８０点測定した。
【０１９３】
比較例７−１では、比較例３−１と類似の高Ｖ／ＩＩＩ比の構造であるが、基板は０°のＯＦＦ角のものを用いている、量子井戸層が単一層である構造のＣＬマッピングを図２６及び図２７にプロットした。
【０１９４】
図２６は、面内の各ポイントで得られたCLスペクトルの半値幅を示す図であり、図２７は、面内の各ポイントで得られたＣＬスペクトルのピーク波長を示す図である。測定は、実施例６と同じ条件及び方法を用いて行った。
【０１９５】
図２４〜図２７からわかるように、実施例７−１では、面内のピーク波長は均一で、ＣＬ半値幅も狭く均一であるのに対し、比較例７−１では、ピーク波長の分布が大きく、半値幅も全体に広く、さらに一部に極めて広い半値幅の領域がある。また、半値幅の分布は波長分布と相関しているが、半値幅の分布の方が大きい。以上より、実施例６−１では微小領域であっても全体に均一でシャープなスペクトルが得られているのに対し、比較例６−２では、波長も不均一であるが、それ以上に半値幅がサブミクロンのスケールで不均一で、一部に極めて広い領域がある。
【０１９６】
図２８は、図２６で図示した１〜３のポイントで得られたＣＬ発光スペクトルである。図２８からわかるように、比較例７−１では、半値幅が狭いポイントではほぼ左右対称のガウシアン形状の発光スペクトルを示しているのに対し、半値幅が広いポイントではスペクトル上の長波側に肩がみられ、そのために半値幅が広がっていることがわかった。以上より、比較例７−１で半値幅が広がっている原因は、局所的に低エネルギー(長波)の発光ピークが現れたからであることがわかった。
【０１９７】
図２９は、図２４で図示した１〜３のポイントで得られたＣＬ発光スペクトルである。図２９からわかるように、実施例７−１ではどのポイントでも比較例７−１の最も狭いスペクトルよりもさらに狭いガウシアン形状の発光スペクトルを示す、高均一な発光特性が得られていることがわかった。
【０１９８】
（実施例８）
実施例８−１では、実施例３−４と類似の低Ｖ／ＩＩＩ比のＭＱＷ構造であり、１層目のＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させた後に、続くＧａＮ障壁層を成長せず、そのまま温度を下げたものを用いている。この表面像を図３０に示した。測定は、ＡＦＭ装置を用い２μｍ四方について行った。図中の左側はＡＦＭ像であり、右側は位相像である。
【０１９９】
比較例８−１では、比較例３−１と類似の高Ｖ／ＩＩＩ比のＭＱＷ構造であり、実施例７−１と同様ＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させた後に、続くＧａＮ障壁層を成長せず、そのまま温度を下げたときの表面像を図３１に示した。測定は、ＡＦＭ装置を用い２μｍ四方について行った。図中の左側はＡＦＭ像であり、右側は位相像である。
【０２００】
図３０及び図３１からわかるように、実施例８−１では表面に凸部が多数発生しており、その下地はステップがバンチングしているのに対し、比較例８−１では表面が平坦で原子レベルで平坦であった。
【０２０１】
実施例７−１の凸部はＩｎを主体としたＩＩＩ族金属のドロップレットが固化したものと考えられる。Ｖ／ＩＩＩ比が低いために、Ｉｎの取り込みが低下し、表面に金属として残っていたものが基板温度の低下とともに固化したものとみられるが、成長中にドロップレットとなっていたか、それとも表面全体を覆っていたかは不明である。これらのドロップレットは障壁層成長時に基板温度を上げること及び成長待機時間を設けることによって、再蒸発し、消滅することが分かっている。そのため実際のデバイス特性にこれらのドロップレットが影響を及ぼすことはほとんどない。
【０２０２】
（実施例９）
実施例９では、ＭＱＷ構造のＰＬ寿命の温度依存性を図３２にプロットした。
【０２０３】
実施例９−１では、実施例３−４と類似の低Ｖ／ＩＩＩ比のＭＱＷ構造であり、この基板をクライオスタットに投入して、ＰＬ寿命のサンプル温度依存性を測定した。温度調整は冷凍機とヒーターを用い、２．３Ｋから３００Ｋまで変化させた。ＰＬ寿命測定条件は上述したものと同じである。
【０２０４】
比較例９−２では、比較例３−１と類似の高Ｖ／ＩＩＩ比のＭＱＷ構造であり、実施例８−１と同様の測定を行った。
【０２０５】
図３２からわかるように、実施例８−１では、極低温（２．３Ｋ）でＰＬ寿命は０．７７ｎｓｅｃと短いがサンプル温度の上昇とともにＰＬ寿命が増加し、３００Ｋ(室温)でＰＬ寿命は１．８７ｎｓｅｃとなっている。
【０２０６】
一方、比較例９−１では、極低温でのＰＬ寿命も実施例８−１に比較して短く０．６２ｎｓｅｃであるが、温度上昇に対してＰＬ寿命はほとんど変化せず、室温でもＰＬ寿命は０．７９ｎｓｅｃと極めて短い。
【０２０７】
以上より考察すると、極低温では非発光再結合過程による影響は小さく、ＰＬ寿命は主に発光再結合寿命で決まっていると考えられる。そのため、ＰＬ寿命は極めて短いが、温度上昇とともに、フォノン散乱の影響でｋ空間でのΓ点の底における過剰キャリアの存在確率が減少するため、発光寿命が長寿命化する。
【０２０８】
一方、極低温では影響の小さかった非発光再結合過程は温度上昇とともにその影響度合いが大きくなる。結果的にサンプル温度上昇とともに、徐々にＰＬ寿命の支配要因は非発光再結合過程に移っていく。
【０２０９】
実施例８−１では、非発光再結合過程の影響が小さかったために、温度上昇とともに発光再結合過程の影響を主に受けてＰＬ寿命が延びたと考えられ、一方、比較例８−２では、温度上昇とともに非発光再結合過程の影響が増大し、ＰＬ寿命が短いまま一定となったと考えられる。
【０２１０】
（考察）
実施例１及び実施例２が比較例１に対して出力が向上した原因は、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時に低Ｖ／ＩＩＩ比条件に変更したことでＩｎＧａＮ量子井戸層の品質が向上したためである。低Ｖ／ＩＩＩ比成長条件により長波側の発光が抑制され、発光スペクトルにみられるマルチピークが単峰化し、発光効率が劇的に向上した。
【０２１１】
特に、従来の発光出力の波長依存性では、紫波長（４０５ｎｍ）を越えたところで急激に発光出力が低下していたが、実施例１の４２０ｎｍの結果からわかるように、本発明では４０５ｎｍから４２０ｎｍ程度までまったく出力低下がみられないことが特筆的である。
【０２１２】
界面緩衝層のない実施例２からも十分高い発光出力を得ることができているが、実施例１の発光出力の波長依存性を内挿して実施例２と同波長で比較すると、実施例１の方がさらに高出力が得られていると推定される。これは界面歪緩衝層があることで、より高出力化に適した構造となっているといえる。
【０２１３】
経緯の項でもマルチピークの特徴を説明したが、本来の発光は短波側の発光であり、長波側の発光は派生的なものである。しかし励起密度が小さい場合には、バンドギャップが小さい長波側の発光準位にキャリアが流れ込み、長波側の発光がメインとなる。
【０２１４】
長波側発光は、基板のオフ角などに対応して、本来の発光波長からの波長差が決まっている。また両方のモードで発光してしまうことにより、ＰＬ及びＥＬ発光スペクトルの半値幅が増加する。
【０２１５】
また、長波側発光は、キャリア密度（電流）の増加で本来のＩｎＧａＮ量子井戸からの発光に対して相対的に発光効率が低下するため、電流注入により、本来の発光波長の影響が大きくなりその結果発光波長が短波化する。
【０２１６】
比較例１の発光波長に関しては短波側の肩として見えているものが本来のＩｎＧａＮ量子井戸からの発光であり、実施例１のスペクトルのピーク波長とほぼ同じ波長である。そのため、高電流注入時に比較例１と実施例１が同じピーク波長となっている。
【０２１７】
このような特異的な長波側の発光スペクトルが発生している状況では、点欠陥密度の増加、非発光再結合中心の増加に対応したＰＬ寿命が減少し、発光効率が低下する。
【０２１８】
まとめると、長波側発光の発生が、発光スペクトルの半値幅の増加、発光効率の低下、点欠陥密度と非発光再結合中心の増加とＰＬ寿命の減少、キャリア密度を変えた時のピーク波長変動のすべてと関係している。
【０２１９】
これらの種々の物性は、一つの本質を別の角度からあらわしているだけである。従って、どの指標をとっても発光品質を反映させることができる。
【０２２０】
実施例３の結果では、比較例３−１及び３−２のＰＬ半値幅が広い。中でも比較例３−１の方がより半値幅が広い。これは、上述した通り長波側発光が発生すると半値幅が広がるが、基板のオフ角によって、本来の発光スペクトルのピーク波長とのエネルギー差が異なるためである。比較例３−１の０°ＯＦＦ基板では長波側発光はＩｎＧａＮ量子井戸本来の発光から大きく離れており、比較例３−２の−５°ＯＦＦ基板では長波側発光は本来の発光により近い。
【０２２１】
しかしながら、どちらにしても図中直線よりも半値幅が広い場合、マルチピークが発生していると言え、それ以上で大小の差があっても発光効率低下の状況に変わりはない。ＰＬ評価時に、例えば、波長分解能を低く設定するなどして、測定の条件によってはマルチピークが分離して見えないこともありうるが、この直線以上の半値幅であれば、マルチピークが発生していることを示し、特性は低下する。
【０２２２】
実施例３−１及び実施例３−２から、ＩｎＧａＮ量子井戸層成長時のＶ／ＩＩＩ比を下げることでＰＬ半値幅を狭めることができることが明白である。実施例３−３及び実施例３−４では、基板としては製法が異なる２”基板を用いているが、半値幅の波長依存性に変化はない、言い換えると、ｍ面であれば基板の製法には依存しないといえる。
【０２２３】
さらに、実施例３−５については、ＮＨ3をやや増加させて３３４０とやや高いＶ／ＩＩＩ比を採用しているが、そこではごくわずかＰＬ半値幅は増加しているものの、十分狭いスペクトルが得られている。しかし、さらにＶ／ＩＩＩ比を上げていくと、長波側発光が急激に発生して、ＰＬスペクトルの半値幅が増大することが分かっている。
【０２２４】
逆に、ＮＨ3を減らしてＶ／ＩＩＩ比を低下した下限についても実験を行っている。この場合は、Ｉｎの結晶中への取り込みが悪くなり、長波化が難しいことと、基板表面にＩｎドロップレットができやすくなることが問題である。ただし、Ｉｎドロップレットが発生したとしても、それはＨＣｌ溶液で容易に除去できるものであり、全体の結晶性は良好であった。
【０２２５】
また、実施例３−６ではＩｎモル供給量比を下げているがこの範囲（７４−８１％）では大きな差は見られず、半値幅は狭いままであった。
【０２２６】
実施例４の結果については、Ｖ／ＩＩＩ比の低い実施例４−１から４−６のすべてで長いＰＬ寿命が得られている。室温のＰＬ寿命は非発光再結合に支配されており、ＰＬ寿命が長いほど欠陥の影響が小さいことを意味する。比較例１及び比較例２と同構造の比較例４−１及び比較例４−２については、マルチピークの発生がみられており、このような状況では例外なく品質が低下するため、ＰＬ寿命も短くなる。
【０２２７】
一方、比較例４−３は、Ｖ／ＩＩＩ比だけをみれば２７４０と低いが成長速度を速くしている。ｍ面のＩｎＧａＮ品質を最も大きく支配するのはＶ／ＩＩＩ比であるが、それさえクリアすればほかの条件は全て許容されるという訳ではなく、成長速度やＩｎモル供給量比もある範囲の適切な値を用いる必要があるといえる。
【０２２８】
実施例５の示す内容は、実施例１で述べたＥＬ発光スペクトルのピーク波長の電流値依存性とメカニズムは同様である。ここで問題にしているｍ面の品質低下は、長波側発光の発生を伴っており、この発光が発生する場合には、低キャリア濃度ではこの長波側発光がメインとなる。高キャリア密度となると、本来の発光中心である短波側の発光にメインのピーク波長が移っていくため、発光ピーク波長のキャリア密度依存性が大きくなる。
【０２２９】
品質が良くＩｎＧａＮ量子井戸からの本来の発光のみがみられている実施例５−１及び実施例５−２では、ＰＬ励起強度を変えても発光波長は単一で波長変化も小さいが、長波側発光が発生している比較例５−１では、低励起側では長波側発光がメインとなり、励起強度を上げることで本来の短波側発光に移行していくため、波長が変動する。
【０２３０】
品質が良くＩｎＧａＮ量子井戸からの本来の発光のみがみられている実施例７−１ででは、面内全域で、本来のＩｎＧａＮからの発光スペクトルが得られており、波長、半値幅ともに均一であるが、長波側発光が発生している比較例７−１では、部分的に長波側ピークが発生していた。そのため、半値幅の広い領域が局所的にみられている。これらの良く書的な長波発光の起源は明らかではないが、この状況と光学品質が低下している状況が密接に関連しているのは明らかである。
【０２３１】
実施例８−１、比較例８−１からは、光学的品質の低下した比較例８−１の方が、表面モホロジーが平坦であることが判明した。すなわち、長波ピークの発生は表面あれとは関係なく原子レベルでの何らかの異常であり、ＡＦＭにより検知できないものであると考えられる。
【０２３２】
実施例９−１、比較例９−１からは光学的品質を反映したＰＬ寿命の温度特性が得られている。一般的にはサンプル温度の上昇とともにキャリアの面内拡散が生じやすくなり、非発光再結合中心の影響が大きくなると考えられている。比較例８−１では、非発光再結合中心の影響が強く見られており、一方、実施例８−１では、理想的な物理現象である、温度上昇とともにフォノン散乱の影響を受けてＰＬ寿命が長くなるという状況がみられた。
【符号の説明】
【０２３３】
１……エピタキシャルウエハ、２……ｍ面ＧａＮ基板、３……第１のアンドープＧａＮ層、４……ｎ型ＧａＮコンタクト層、５……ＡｌＧａＮ層、６……第２のアンドープＧａＮ層、７……発光層、７Ａ……量子井戸層、７Ｂ……障壁層、７Ｃ……界面歪緩衝層、８……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、９……ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０……ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層、１１……ｎ側メタル電極、１２……ｐ側コンタクト電極、１３……ｐ側メタル電極、２０……半導体発光素子、２１……パッケージ、２２……透光性材料、２３……波長変換部、３０……発光装置
【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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【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２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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