窒化物半導体発光素子、及び、窒化物半導体発光素子の作製方法
【課題】半極性面上に設けられ発光に必要なバイアス電圧の上昇が抑制された窒化物半導体発光素子と、この窒化物半導体発光素子の作製方法とを提供すること。
【解決手段】半極性面の主面１３ａを有する六方晶系窒化物半導体からなる支持基体上に設けられた発光層１７の多重量子井戸構造は、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃとバリア層１７ｂとからなり、バリア層１７ｂは、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃの間に設けられ、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃは、ＩｎＧａＮからなり、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃは、０．１５以上０．５０以下の範囲にあるインジウム組成を有し、六方晶系窒化物半導体のｃ面に対する主面１３ａの傾斜角αは、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、バリア層１７ｂの膜厚の値Ｌは、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある。
【解決手段】半極性面の主面１３ａを有する六方晶系窒化物半導体からなる支持基体上に設けられた発光層１７の多重量子井戸構造は、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃとバリア層１７ｂとからなり、バリア層１７ｂは、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃの間に設けられ、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃは、ＩｎＧａＮからなり、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃは、０．１５以上０．５０以下の範囲にあるインジウム組成を有し、六方晶系窒化物半導体のｃ面に対する主面１３ａの傾斜角αは、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、バリア層１７ｂの膜厚の値Ｌは、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、発光素子の量子井戸構造（ＭＱＷ構造、ＳＱＷ構造）における正孔の注入・拡散状態を改善し、発光効率を改善するための技術が開示されている。発光層がＭＱＷ構造の場合、正孔がｐ型半導体層の側からｎ型半導体層の側へと、該ＭＱＷ構造中をより遠く移り易いように、ＭＱＷ構造中の複数の障壁層のうちの少なくとも２層のバンドギャップが互いに異なるように、好ましくは多層で段階的にｐ型側からｎ型側に向かって低くなっていく部分が存在するように、ＭＱＷ構造を構成する。発光層がＳＱＷ構造の場合には、ｐ型側の障壁層を組成傾斜させ、バンドギャップがｐ型側からｎ型側に向かって低くなっていくように形成する。
【０００３】
特許文献２には、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能な、半導体発光素子を作製する方法が開示されている。まず、選択された一又は複数の傾斜角で発光層のための量子井戸構造並びにｐ型及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長して形成された基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行って、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る。次に、バイアス依存性から、基板主面の選択された傾斜角の各々において発光層におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う。次に、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を見積りに基づき判断して、半導体発光素子の作製のための成長基板の面方位を選択する。半導体発光素子のための半導体積層を成長基板の主面上に形成する。
【０００４】
特許文献３には、井戸層へのキャリアの注入効率が向上された窒化物系半導体発光素子が開示されている。特許文献３の窒化物半導体発光素子は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる基板と、基板の主面に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、このｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた単一量子井戸構造の発光層と、発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域とを備える。発光層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域とｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられており、井戸層とバリア層及びバリア層とを含む。
井戸層は、ＩｎＧａＮである。基板の主面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びている。
【０００５】
非特許文献１には、青緑色レーザを発する多重量子井戸構造を有するＬＥＤが開示されている。非特許文献１のＬＥＤは、ｍ面上に形成されている。非特許文献２には、緑色レーザを発する多重量子井戸構造を有するＬＤが開示されている。非特許文献２のＬＤは、（２０−２１）面上に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２７０８９４号公報
【特許文献２】特開２０１１−７７３９５号公報
【特許文献３】特開２０１１−４０７０９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Characterization of blue-green m-plane InGaN light emitting diodes”、You-Da Lin, Arpan Chakraborty, Stuart Brinkley, Hsun Chih Kuo, Thiago Melo, Kenji Fujito, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura、Applied Physics Letters 94、261108 (2009)。
【非特許文献２】“High Quality InGaN/AlGaN Multiple Quantum Wells for Semipolar InGaN Green Laser Diodes”、You-Da Lin, Shuichiro Yamamoto, Chia-Yen Huang, Chia-Lin Hsiung, Feng Wu, Kenji Fujito, Hiroaki Ohta, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura、Applied Physics Express 3、(2010) 082001。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１〜３、及び、非特許文献１，２等には、多様な複数の量子井戸構造が示されている。しかしながら、半極性面の上に設けられる量子井戸構造は、ｃ面の上に設けられる量子井戸構造とは異なった歪や極性を有する。このような量子井戸構造の性質の違いは、半極性面の上に設けられる量子井戸構造のバンド構造に、ｃ面上とは異なる歪みを与えるので、量子井戸構造における電子の注入効率が低下する場合がある。電子の注入効率の低下は、発光に必要なバイアス電圧の上昇を招く。そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、半極性面上に設けられ発光に必要なバイアス電圧の上昇が抑制された窒化物半導体発光素子と、この窒化物半導体発光素子の作製方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
六方晶系窒化物半導体のｃ面の上に設けられる従来のＩｎＧａＮの量子井戸構造には、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の膜厚のバリア層が用いられる。特に、比較的に長い波長の光を発する発光素子の場合、井戸層のインジウム組成も比較的に高いので、バリア層の膜厚が比較的に厚い方が好ましい。井戸層の結晶品質は、インジウム組成が比較的に高い場合に低下するが、バリア層の成長に伴って、結晶表面の性状が整えられる等によって、結晶品質が回復されるからである。このような事情によって、発明者は、半極性面の上に量子井戸構造を有する発光素子を作製する場合に、当初、ｃ面の上に量子井戸構造を有する発光素子と同様に、１５ｎｍ程度の厚みのバリア層を有する多重量子井戸構造の発光層を形成した。しかし、半極性面の上に量子井戸構造を有する発光素子の場合には、比較的に高いバイアス電圧が発光に必要となることが判明した。
【００１０】
そこで、発明者は、このような比較的に高いバイアス電圧が発光に必要となる原因を解明するために、バイアス電圧を印加している状態においてＰＬ（Photo Luminescence）を測定する等の方法によって、ＩｎＧａＮの量子井戸構造の結晶面の光物性を調べた。この結果、発明者は、当該半極性面の上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造の井戸層のピエゾ分極の向きは、ｃ面の上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造の井戸層のピエゾ分極の向きと反対になっていることを見出した。そして、発明者は、半極性面の上に設けられたＩｎＧａＮの井戸層のピエゾ分極の向きがｃ面の上に設けられたＩｎＧａＮの井戸層のピエゾ分極の向きと反対になっている、という現象が、ＩｎＧａＮの量子井戸構造内における電子の注入効率を低下させ、よって、発光に必要なバイアス電圧の上昇を招く、ということを見出した。なお、このようなＩｎＧａＮの量子井戸構造内における電子の注入効率についての課題は、従来のｃ面上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造においては、ｃ面上に設けられたＩｎＧａＮの井戸層のピエゾ分極の向きがＩｎＧａＮの量子井戸構造内における電子の注入を低下させる向きではないこと、及び、正孔は、元々、バンドオフセットが小さいので、このようなピエゾ分極が関連する注入効率に対する影響が比較的に小さいこと、等の理由によって、一般には認識されていなかった。
【００１１】
一方、発明者は、ある傾斜角の半極性面上に設けられるＩｎＧａＮの多重量子井戸構造の場合、インジウムの取り込みやＩｎＧａＮの成長モードが高品質化に有利に働き、比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しても、結晶品質を大きく低下させずに成長できる、というＩｎＧａＮ結晶の特質を見出した。発明者は、このＩｎＧａＮ結晶の特質によって、ｃ面の上では結晶性の回復効果が不十分で発光効率が劣化するような薄い膜厚のバリア層を有するＩｎＧａＮの量子井戸構造であっても、半極性面上であれば、発光効率の劣化が生じない比較的に高い結晶品質の量子井戸構造を成長させることができることを見出した。発明者は、半極性面上に設けられたＩｎＧａＮの多重量子井戸構造のバリア層の膜厚と、この量子井戸構造の結晶品質との関係を、鋭意、検証した。この検証の結果、発明者は、井戸層の膜厚と同オーダーの比較的に薄い膜厚のバリア層でも、半極性面上に設けられている場合には、結晶性を反映するＰＬ発光強度が低下せずに、良好な結晶品質を維持できることを確認した。更に発明者は、井戸層の膜厚と同オーダーの比較的に薄い膜厚のバリア層を有し半極性面上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造の発光素子を実際に作製し、発光に必要なバイアス電圧の低減、発光波長の半値幅の低減、発光効率の向上、等の効果が発現し、キャリア注入効率が改善されたことを確認した。
【００１２】
本発明の下記の複数の側面は、半極性面の上に設けられたＩｎＧａＮの多重量子井戸構造に対し発明者が得た上記の知見に基づいてなされた。
【００１３】
本発明に係る第１の側面は、窒化物半導体発光素子に関する発明であり、六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する支持基体と、前記支持基体の前記主面上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、を備え、前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、前記多重量子井戸構造は、少なくとも二つの井戸層と、少なくとも一つのバリア層とからなり、前記バリア層は、前記二つの井戸層の間に設けられ、前記二つの井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、前記二つの井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の支持基体の主面は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子は、この主面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、ｃ面上に設けられた井戸層に生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、ｃ面上とは異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層における電子の注入効率が低下する。しかし、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子のバリア層の膜厚は、比較的に薄く、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるので、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなり、バンド構造に歪みが生じていても、発光層における電子の注入効率が改善できる。
【００１５】
更に、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の二つの井戸層は、比較的に高い、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しては、バリア層の結晶性を低下させないようにするために比較的に厚い膜厚のバリア層が望ましいと考えられるが、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の発光層（多重量子井戸構造）はＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層であっても結晶性を整えることができ、発光層の結晶品質は維持できる。なお、バリア層の膜厚が１．０ｎｍ未満の場合、結晶性の回復が不十分となり、発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００１６】
本発明の第１の側面では、前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことが好ましい。バリア層の膜厚は、井戸層の膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００１７】
本発明の第１の側面では、前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、ことが好ましい。バリア層の第２のインジウム組成が０．０１以上０．１０以下の範囲にあるので、バリア層のバンドギャップが低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。バリア層の第２のインジウム組成が０．１０を超えるとき、バリア層及び発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００１８】
本発明の第１の側面では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記支持基体側の表面にミスフィット転位が存在し、前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことが好ましい。支持基体と発光層との間にＩｎＧａＮ層が設けられており、このＩｎＧａＮ層の支持基体側の表面には比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このＩｎＧａＮ層によって、支持基体上の歪が緩和されるので、井戸層が内包する歪も、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が１×１０５ｃｍ−１を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。
【００１９】
本発明の第１の側面では、前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことが好ましい。支持基体と発光層との間に設けられ、支持基体上の歪を緩和するＩｎＧａＮ層のインジウム組成が０．０３以上０．０５以下の範囲にあるので、支持基体上の歪が十分に緩和される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。ＩｎＧａＮ層の第３のインジウム組成が０．０５を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。
【００２０】
本発明の第１の側面では、前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側からｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって増加しているので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成がｐ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層のバンドギャップが、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側において、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００２１】
本発明の第１の側面では、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことが好ましい。主面の傾斜角が６３度以上８０度以下の範囲にあるとき、特にＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。
【００２２】
本発明の第１の側面では、前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことが好ましい。井戸層のインジウム組成が０．２４以上０．４０以下の範囲にあるので、発光層は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の光を発する。このように、井戸層のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層とバリア層とのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。
【００２３】
本発明の第１の側面では、前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成が０．０１以上０．０６以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。
【００２４】
本発明の第１の側面では、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層の膜厚が１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。
【００２５】
本発明の第２の側面は、窒化物半導体発光素子の製造方法に関する発明であり、六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する基板を用意する工程と、前記基板の前記主面上にｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に、窒化ガリウム系半導体からなる発光層を成長する工程と、前記発光層上にｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、を備え、前記発光層は、少なくとも第１の井戸層及び第２の井戸層と、少なくとも一つのバリア層とを有し、前記発光層を成長する工程では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上において、前記第１の井戸層、前記バリア層、前記第２の井戸層を順に成長し、前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする。
【００２６】
本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の支持基体の主面は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子は、この主面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、ｃ面上に設けられた井戸層に生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、ｃ面上とな異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層における電子の注入効率が低下する。しかし、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子のバリア層の膜厚は、比較的に薄く、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるので、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなり、バンド構造に歪みが生じていても、発光層における電子の注入効率が改善できる。
【００２７】
更に、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の二つの井戸層は、比較的に高い、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しては、バリア層の結晶性を低下させないようにするために比較的に厚い膜厚のバリア層が望ましいと考えられるが、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の発光層（多重量子井戸構造）はＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層であっても結晶性を整えることができ、発光層の結晶品質は維持できる。なお、バリア層の膜厚が１．０ｎｍ未満の場合、結晶性の回復が不十分となり、発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００２８】
本発明の第２の側面では、前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことが好ましい。バリア層の膜厚は、井戸層の膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００２９】
本発明の第２の側面では、前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、ことが好ましい。バリア層の第２のインジウム組成が０．０１以上０．１０以下の範囲にあるので、バリア層のバンドギャップが低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。バリア層の第２のインジウム組成が０．１０を超えるとき、バリア層及び発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００３０】
本発明の第２の側面では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記基板側の表面にミスフィット転位が存在し、前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことが好ましい。基板と発光層との間にＩｎＧａＮ層が設けられており、このＩｎＧａＮ層の基板側の表面には比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このＩｎＧａＮ層によって、基板上の歪が緩和されるので、井戸層が内包する歪も、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が１×１０５ｃｍ−１を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。
【００３１】
本発明の第２の側面では、前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことが好ましい。基板と発光層との間に設けられ、基板上の歪を緩和するＩｎＧａＮ層のインジウム組成が０．０３以上０．０５以下の範囲にあるので、基板上の歪が十分に緩和される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。ＩｎＧａＮ層の第３のインジウム組成が０．０５を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。
【００３２】
本発明の第２の側面では、前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側からｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって増加しているので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成がｐ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層のバンドギャップが、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側において、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００３３】
本発明の第２の側面では、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことが好ましい。主面の傾斜角が６３度以上８０度以下の範囲にあるとき、特にＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。
【００３４】
本発明の第２の側面では、前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことが好ましい。井戸層のインジウム組成が０．２４以上０．４０以下の範囲にあるので、発光層は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の光を発する。このように、井戸層のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層とバリア層とのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。
【００３５】
本発明の第２の側面では、前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成が０．０１以上０．０６以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。
【００３６】
本発明の第２の側面では、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層の膜厚が１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、半極性面上に設けられ発光に必要なバイアス電圧の上昇が抑制された窒化物半導体発光素子と、この窒化物半導体発光素子の作製方法とが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、実施形態に係る発光素子の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施形態に係る発光素子の効果を説明するための図である。
【図３】図３は、実施形態に係る発光素子の作製方法を説明するための図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る発光素子の作製方法の主要な工程における生産物を模式的に示す図である。
【図５】図５は、実施形態に係る発光素子の実施例の構成を示す図である。
【図６】図６は、実施例及び比較例に対するＰＬ発光波長の測定結果を示す図である。
【図７】図７は、実施例及び比較例に対する発光波長の電流密度依存性の測定結果を示す図である。
【図８】図８は、実施例及び比較例に対する発光出力の電流密度依存性の測定結果を示す図である。
【図９】図９は、実施例及び比較例に対する発光波長の半値幅の電流密度依存性の測定結果を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施の形態に係る窒化物半導体発光素子である発光素子１１の構造及び発光素子１１のためのエピタキシャル基板の構造を概略的に示す図面である。図１に示す発光素子１１は、レーザダイオード（ＬＤ）向けのエピタキシャル構造（ＬＤに適用されるエピタキシャル構造）の自然放出光を評価するための発光ダイオード（ＬＥＤ）として例示されているが、ＬＤであることもできる。
【００４０】
図１の（ａ）部に発光素子１１が示され、図１の（ｂ）部に発光素子１１のためのエピタキシャル基板ＥＰ１が示される。エピタキシャル基板ＥＰ１は、発光素子１１が有するエピタキシャル層構造（支持基体１３、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１９）と同様のエピタキシャル層構造を有する。引き続く説明では、発光素子１１を構成する半導体層を説明する。エピタキシャル基板ＥＰ１は、これらの発光素子１１を構成する半導体層に対応する半導体層（半導体膜）を含み、対応する半導体層には、発光素子１１のための説明が適用される。
【００４１】
図１には、座標系Ｓと結晶座標系ＣＲとが示されている。結晶座標系ＣＲは、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体の結晶軸（ｃ軸，ａ軸，ｍ軸）を示すための座標系である。Ｘ軸は、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のａ軸と同方向であり、ＹＺ平面は、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｍ軸と、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｃ軸とによって規定される面と平行である。
【００４２】
図１の（ａ）部に示されるように、発光素子１１は、支持基体１３、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９、ｐ側電極２１、絶縁膜２３及びｎ側電極２５を備える。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は、ｎ型ＧａＮ層１５ａ、ｎ型クラッド層１５ｂ及びｎ型ガイド層１５ｃを有する。発光層１７は、井戸層１７ａ、バリア層１７ｂ及び井戸層１７ｃからなる多重量子井戸構造を有する。なお、発光層１７は、三つ以上の井戸層を含む多重量子井戸構造を有していてもよい。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、ｐ型ガイド層１９ａ、ｐ型クラッド層１９ｂ及びｐ型コンタクト層１９ｃを有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、支持基体１３の上においてエピタキシャル成長によって形成されている。支持基体１３の主面１３ａ上において、ｎ型ＧａＮ層１５ａ、ｎ型クラッド層１５ｂ、ｎ型ガイド層１５ｃ、井戸層１７ａ、バリア層１７ｂ、井戸層１７ｃ、ｐ型ガイド層１９ａ、ｐ型クラッド層１９ｂ、ｐ型コンタクト層１９ｃが順次設けられている。
【００４３】
支持基体１３のｃ面は、面ＳＣに沿って延びている。支持基体１３の主面１３ａは、Ｚ軸の方向を向いており、ＸＹ面が延びる方向に延びている。主面１３ａは、ｃ面から予め規定された方向に傾斜している。主面１３ａの傾斜角αは、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｃ面（（０００１）面であり、図１に示す面ＳＣ）を基準にして規定される。主面１３ａは、例えば、ｃ面に対応する面ＳＣを基準にして、支持基体１３のｍ軸に向けて、傾斜角αで傾斜することができる。傾斜角αは、支持基体１３の主面１３ａの法線ベクトルＶＮと、ｃ軸を示すｃ軸ベクトルＶＣとの成す角度によって規定される。傾斜角αは、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にある。傾斜角αは、特に、６３度以上８０度以下の範囲にあることもできる。主面１３ａは、例えば、ｃ面からｍ軸に向かって傾斜したものであることができ、特に、ｍ軸に向かうｃ面からの傾斜角αが７５度の場合、主面１３ａは、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体の（２０−２１）面に対応することができる。ｃ軸ベクトルＶＣは、（０００１）面の法線ベクトルに対応する。
【００４４】
主面１３ａの上において、発光層１７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５とｐ型窒化ガリウム系半導体層１９との間に設けられている。主面１３ａの上において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。主面１３ａの上において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５に含まれているｎ型ＧａＮ層１５ａ、ｎ型クラッド層１５ｂ及びｎ型ガイド層１５ｃが法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。主面１３ａの上において、発光層１７に含まれている井戸層１７ａ、バリア層１７ｂ及び井戸層１７ｃが法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。主面１３ａの上において、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９に含まれているｐ型ガイド層１９ａ、ｐ型クラッド層１９ｂ及びｐ型コンタクト層１９ｃが、法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。
【００４５】
支持基体１３は、ＧａＮからなる。ＧａＮは、二元化合物である窒化ガリウム系半導体であるので、良好な結晶品質と安定した基板主面とを提供できる。支持基体１３は、ＧａＮ以外にも、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の六方晶系窒化物半導体からなることができる。
【００４６】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は、ｎ型の窒化ガリウム系半導体からなる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ドーパントは、例えばシリコン（Ｓｉ）である。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は、支持基体１３上に設けられる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ＧａＮ層１５ａは、主面１３ａを介して支持基体１３に接している。ｎ型ＧａＮ層１５ａは、ｎ型のＧａＮからなる。ｎ型クラッド層１５ｂは、ｎ型ＧａＮ層１５ａに接している。ｎ型クラッド層１５ｂは、例えば、ｎ型のＩｎＡｌＧａＮ等のｎ型の窒化物系半導体からなる。ｎ型ガイド層１５ｃは、ｎ型クラッド層１５ｂに接している。ｎ型ガイド層１５ｃは、例えば、ｎ型のＧａＮや、ｎ型のＩｎＧａＮ等のｎ型の窒化ガリウム系半導体からなることができる。
【００４７】
ｎ型ガイド層１５ｃは、二つの層からなることができる。この二つの層のうち、一つ目の層は、ｎ型のＧａＮからなるｎ型ＧａＮガイド層１５ｄであり、二つ目の層は、ｎ型のＩｎＧａＮからなるｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅであり、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄは、ｎ型クラッド層１５ｂに接し、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅは、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄ上に設けられ、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅは、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄに接している。ｎ型ガイド層１５ｃの内部におけるｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの支持基体１３側の表面１５ｆ（ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄとｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅとの界面）は、ミスフィット転位を含む。このミスフィット転位は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの表面１５ｆに直交しｃ軸を含む基準面（ａ面に沿って延びる面）と表面１５ｆとが共有する基準軸と、ｃ軸と、に直交する方向に（ａ軸に沿って）延びている。このミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある。ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅのインジウム組成（第３のインジウム組成）は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある。
【００４８】
発光層１７は、多重量子井戸構造を有する。発光層１７は、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層１７ａは、ｎ型ガイド層１５ｃのｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに接している。井戸層１７ａは、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。バリア層１７ｂは、井戸層１７ａに接している。バリア層１７ｂは、井戸層１７ａと井戸層１７ｃとの間に設けられている。バリア層１７ｂは、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層１７ｃは、バリア層１７ｂに接している。井戸層１７ｃは、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層１７ａのバンドギャップと井戸層１７ｃのバンドギャップとは、何れも、バリア層１７ｂのバンドギャップよりも小さい。なお、発光層１７は、三つ以上の井戸層と、二つ以上のバリア層とを含むことができる。
【００４９】
井戸層１７ａのインジウム組成（第１のインジウム組成）は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある。井戸層１７ａのインジウム組成は、例えば、０．３０程度であるが、０．２５程度、０．３５程度の何れかであることができる。井戸層１７ａの膜厚は、例えば２．５ｎｍ程度である。
【００５０】
バリア層１７ｂのインジウム組成（第２のインジウム組成）は、０．０１以上０．１０以下の範囲にあるが、０．０１以上０．０６以下の範囲にあることができる。バリア層１７ｂの膜厚は、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚に０．５ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚から０．５ｎｍを差し引いた値以上であることができる。バリア層１７ｂの膜厚は、具体的には、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるが、バリア層１７ｂの膜厚の上限値を、４．０ｎｍ、３．５ｎｍ、３．０ｎｍ、の何れかの値とすることもできる。例えば、バリア層１７ｂの膜厚を、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるようにすることができる。なお、バリア層１７ｂは、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側から、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側に向かって増加するインジウム組成を有することもできる。
【００５１】
井戸層１７ｃのインジウム組成（第１のインジウム組成）は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある。井戸層１７ｃのインジウム組成は、例えば、０．３０程度であるが、０．２５程度、０．３５程度の何れかであることができる。井戸層１７ｃの膜厚は、例えば２．５ｎｍ程度である。
【００５２】
発光層１７の発光波長は、発光層１７の井戸層（井戸層１７ａ、井戸層１７ｃ）のインジウム組成が０．１５以上０．５０以下の範囲にあるので、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。なお、発光層１７の発光波長を、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下とすることもできる。５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の場合、発光層１７の井戸層（井戸層１７ａ、井戸層１７ｃ）のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある。
【００５３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体からなる。
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９のｐ型ドーパントは、例えばマグネシウム（Ｍｇ）である。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、発光層１７の井戸層１７ｃに接している。ｐ型ガイド層１９ａは、発光層１７上に設けられ、発光層１７に接している。ｐ型ガイド層１９ａは、一又は複数のｐ型の窒化ガリウム系半導体層を含む。ｐ型ガイド層１９ａは、アンドープ（ｕｄ）のＩｎＧａＮ層を含む。このアンドープのＩｎＧａＮ層は、井戸層１７ｃに接している。ｐ型ガイド層１９ａは、このアンドープのＩｎＧａＮ層上に設けられたｐ型のＩｎＧａＮ層を含む。このｐ型のＩｎＧａＮ層は、アンドープのＩｎＧａＮ層に接している。ｐ型ガイド層１９ａは、このｐ型のＩｎＧａＮ層上に設けられたｐ型のＧａＮ層を含む。このｐ型のＧａＮ層は、ｐ型のＩｎＧａＮ層に接している。
【００５４】
ｐ型クラッド層１９ｂは、例えば、ｐ型のＩｎＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型クラッド層１９ｂは、ｐ型ガイド層１９ａに含まれているｐ型のＧａＮ層上に設けられ、このｐ型のＧａＮ層に接している。
【００５５】
ｐ型コンタクト層１９ｃは、ｐ型クラッド層１９ｂ上に設けられ、ｐ型クラッド層１９ｂに接している。ｐ型コンタクト層１９ｃは、例えば、ｐ型のＧａＮからなることができる。
【００５６】
発光素子１１がＬＥＤの場合、図１に示すように、ｐ型コンタクト層１９ｃ上にｐ側電極２１及が設けられている。ｐ側電極２１は、例えば、Ｐｄからなることができる。ｎ側電極２５は、支持基体１３の裏面１３ｂに設けられている。ｎ側電極２５は、裏面１３ｂを覆っている。ｎ側電極２５は、裏面１３ｂを介して支持基体１３に接している。
【００５７】
なお、発光素子１１がＬＤの場合、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９はリッジ形状部を含み、ｐ側電極２１は、例えば、Ｎｉ／Ａｕからなる電極と、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極とを含むことができ、ｎ側電極２５は、例えば、Ｔｉ／Ａｌからなる電極と、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極とを含むことができる。そして、共振器端面には、誘電体多層膜が設けられる。この誘電体多層膜は、例えば、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなることができる。
【００５８】
以上説明した構成を有する発光素子１１において、支持基体１３の主面１３ａは、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、発光素子１１は、主面１３ａの上に設けられた多重量子井戸構造の発光層１７を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層１７に生じるピエゾ分極の向きは、ｃ面上に設けられた井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃに生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、ｃ面上とは異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層１７における電子の注入効率が低下する。図２に示すバンドダイヤグラムを参照すると、ピエゾ分極によるバンド構造の歪みに起因して、井戸層１７ａのｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側（ｐ側）の障壁Ｖ２（量子準位Ｑ１を基準とする値）が、井戸層１７ａのｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側（ｎ側）の障壁Ｖ１（量子準位Ｑ１を基準とする値）よりも高いので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５からの電子Ｅがバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ａから井戸層１７ｃに移動しにくくなり、発光層１７における注入効率が低下することがわかる。しかし、発光素子１１のバリア層１７ｂの膜厚は、比較的に薄く、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるので、バンド構造に歪みが生じていても、発光層１７における電子の注入効率が改善できる。図２に示すバンドダイヤグラムを参照すると、バリア層１７ｂの膜厚の値Ｌが、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあり、比較的に薄いので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５からの電子Ｅが井戸層１７ａからバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ｃに移動しやすくなり、発光層１７における注入効率の低減が抑制できる。
【００５９】
更に、発光素子１１の二つの井戸層（井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃ）は、比較的に高い、０．１５以上０．５０以下の範囲にあるインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃに対しては、井戸層の成長で悪化しかける結晶性をバリア層１７ｂの成長中に回復させるために比較的に厚い膜厚のバリア層１７ｂが望ましいと考えられるが、発光素子１１の発光層１７はＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層１７ｂであっても結晶性を整えることができ、発光層１７の結晶品質は維持できる。
【００６０】
なお、バリア層１７ｂの膜厚が１．０ｎｍ未満の場合、結晶成長時にバリア層１７ｂで結晶性を回復しきれず、発光層１７の結晶性が低下する場合がある。また、図２を参照すると、正孔Ｈは、ピエゾ分極に起因してバンド構造に歪みが生じた場合であっても、バンドオフセットは比較的に小さいので、注入効率対する影響は比較的に小さい。
【００６１】
また、バリア層１７ｂの膜厚の値Ｌは、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことができる。この場合、バリア層１７ｂの膜厚は、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層１７のバンド構造がｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ａから隣の井戸層１７ｂに移動しやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００６２】
また、バリア層１７ｂは、ＩｎＧａＮからなり、バリア層１７ｂは、０．０１以上０．１以下の範囲にあるインジウム組成を有する、ことができる。この場合、バリア層１７ｂのインジウム組成が０．０１以上０．１０以下の範囲にあるので、バリア層１７ｂのバンドギャップが低減される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層１７ｂのバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。なお、バリア層１７ｂのインジウム組成が０．１０を超えるとき、バリア層１７ｂ及び発光層１７の結晶性が低下する場合がある。
【００６３】
また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ガイド層１５ｃは、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅを有し、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅ上に発光層１７が設けられることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の内部におけるｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの支持基体１３側の表面１５ｆにミスフィット転位が存在し、このミスフィット転位は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの表面１５ｆに直交し支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と表面１５ｆとが共有する基準軸と、ｃ軸とに直交する方向に延びており、このミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことができる。この場合、支持基体１３と発光層１７との間にｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅが設けられており、このｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの支持基体１３の側の表面１５ｆには比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅによって、支持基体１３上の歪が緩和されるので、発光層１７が内包する歪も、低減される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が１×１０５ｃｍ−１を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層１７にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。
【００６４】
また、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅは、０．０３以上０．０５以下の範囲にあるインジウム組成を有する、ことができる。支持基体１３と発光層１７との間に設けられ、支持基体１３上の歪を緩和するｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅのインジウム組成が０．０３以上０．０５以下の範囲にあるので、支持基体１３上の歪が十分に緩和される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層１７における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。なお、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅのインジウム組成が０．０５を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。
【００６５】
また、バリア層１７ｂのインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側から、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側に向かって、増加している、ことができる。発光層１７のインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側からｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側に向かって増加しているので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側のインジウム組成がｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層１７ｂのバンドギャップが、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側において、低減される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層１７のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００６６】
また、ｃ面に対する主面１３ａの傾斜角αは、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことができる。主面１３ａの傾斜角αが６３度以上８０度以下の範囲にあるとき、特にＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。
【００６７】
また、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃのインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことができる。井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃのインジウム組成が０．２４以上０．４０以下の範囲にあるので、発光層１７は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の光を発する。このように、発光層１７のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃとバリア層１７ｂとのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層１７における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。
【００６８】
また、バリア層１７ｂのインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことができる。バリア層１７ｂのインジウム組成が０．０１以上０．０６以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。
【００６９】
また、バリア層１７ｂの膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことができる。バリア層１７ｂの膜厚が１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ａから隣の井戸層１７ｂに移動しやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。
【００７０】
図１の（ｂ）部に示すように、発光素子１１のエピタキシャル基板ＥＰ１は、発光素子１１の上記の各半導体層に対応する半導体層（半導体膜）を含み、対応する半導体層には、上記の発光素子１１のための説明が当てはまる。エピタキシャル基板ＥＰ１の表面粗さは、例えば、１０μｍ角の範囲で１ｎｍ以下の算術平均粗さを有する。
【００７１】
次に、図３及び図４を参照して、実施形態に係る発光素子１１の作製方法を説明する。図３は、実施形態に係る発光素子１１の製造方法の主要な工程を示す図面である。図４は、実施形態に係る発光素子１１の作製方法の主要な工程における生産物を模式的に示す図面である。図４に示すエピタキシャル基板ＥＰは、図１の（ｂ）部に示すエピタキシャル基板ＥＰ１に対し、ｐ側電極及びｎ側電極等が形成された基板生産物である。エピタキシャル基板ＥＰ１から更にエピタキシャル基板ＥＰが作製され、このエピタキシャル基板ＥＰから発光素子１１が分離される。
【００７２】
図３に示される工程フローに従って、有機金属気相成長法により、発光素子１１の構造のエピタキシャル基板ＥＰと、発光素子１１とを作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、及び、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）が用いられる。
【００７３】
工程Ｓ１では、窒化ガリウム系半導体からなる主面１３ａ＿１（主面１３ａに対応）を有する基板１３＿１（支持基体１３に対応）を用意する。基板１３＿１は、図４の（ａ）部等に示される。基板１３＿１は、裏面１３ｂ＿１（裏面１３ｂに対応）を有する。裏面１３ｂ＿１は、主面１３ａ＿１の反対側にある。主面１３ａ＿１は鏡面研磨されている（以上、工程Ｓ１）。
【００７４】
次に、基板１３＿１の上に以下の条件でエピタキシャル成長を行う。まず、工程Ｓ３では、基板１３＿１を反応炉１０内に設置する。反応炉１０内には、例えば石英フローチャネル等の石英製の治具が配置されている。必要な場合には、摂氏１０５０度程度の温度及び２７ｋＰａ程度の炉内圧力において、ＮＨ３とＨ２を含む熱処理ガスを反応炉１０に供給しながら、１０分間程度、熱処理を行う。この熱処理により、主面１３ａ＿１等において表面改質が生じる（以上、工程Ｓ３）。
【００７５】
この熱処理の後に、工程Ｓ５では、基板１３＿１の上に窒化ガリウム半導体層を成長してエピタキシャル基板ＥＰ及びエピタキシャル基板ＥＰ１を形成する。雰囲気ガスは、キャリアガス及びサブフローガスを含む。雰囲気ガスは、例えば、Ｎ２及びＨ２の少なくとも一方を含むことができる。工程Ｓ５は、下記の工程Ｓ５１、工程Ｓ５２及び工程Ｓ５３を含む。
【００７６】
工程Ｓ５１では、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉１０に供給して、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５＿１（ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５に対応）をエピタキシャルに成長して形成する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５＿１は、図４の（ａ）部等に示される。工程Ｓ５１において用いられる原料ガスは、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素のための原料と、ｎ型ドーパントとを含む。まず、ｎ型ＧａＮ層１５ａ＿１（ｎ型ＧａＮ層１５ａに対応）を主面１３ａ＿１上に成長し、次に、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｂ＿１（ｎ型クラッド層１５ｂに対応）をｎ型ＧａＮ層１５ａ＿１上に成長し、次に、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１（ｎ型ガイド層１５ｃに対応）をｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｂ＿１上に成長する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５＿１の表面１５＿１ａ（ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１の表面）の傾斜角は、主面１３ａ＿１の傾斜角（傾斜角αに対応）に対応している（以上、工程Ｓ５１）。また、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１は、二つの層（それぞれ、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄ及びｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応）からなることができる。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層のうちｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応する層の基板１３＿１の側の表面（ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層の界面）は、ミスフィット転位を含む。このミスフィット転位は、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層の界面に直交しｃ軸を含む基準面（ａ面に沿って延びる面）とｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層の界面とが共有する基準軸と、ｃ軸と、に直交する方向に（ａ軸に沿って）延びている。このミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層のうちｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応する層のインジウム組成は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある。
【００７７】
工程Ｓ５２では、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉１０に供給して、ＧａＮ系量子井戸層１７＿１（発光層１７に対応）をエピタキシャルに成長して形成する。ＧａＮ系量子井戸層１７＿１は、図４の（ｂ）部等に示される。工程Ｓ５２において用いられる原料ガスは、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素のための原料を含む。工程Ｓ５２は、下記の工程Ｓ５２ａ、工程Ｓ５２ｂ及び工程５２ｃを含む。工程Ｓ５２ａでは、ＧａＮ系井戸層１７ａ＿１（井戸層１７ａに対応）を、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１上に成長して形成する。工程Ｓ５２ｂでは、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１（バリア層１７ｂに対応）を、ＧａＮ系井戸層１７ａ＿１上に成長して形成する。工程Ｓ５２ｃでは、ＧａＮ系井戸層１７ｃ＿１（井戸層１７ｃに対応）を、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１上に成長して形成する（以上、工程Ｓ５２）。
【００７８】
次に、工程Ｓ５３において、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉１０に供給して、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１（ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９に対応）をエピタキシャルに成長して形成する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１は、図４の（ｃ）部等に示される。工程Ｓ５３において用いられる原料ガスは、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素のための原料と、ｐ型ドーパントとを含む。まず、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ａ＿１（ｐ型ガイド層１９ａに対応）をＧａＮ系井戸層１７ｃ＿１上に成長し、次に、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｂ＿１（ｐ型クラッド層１９ｂに対応）をｐ型ＧａＮ系半導体層１９ａ＿１上に成長し、次に、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｃ＿１（ｐ型コンタクト層１９ｃに対応）をｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｂ＿１上に成長する（以上、工程Ｓ５３）。以上の工程Ｓ５１、工程Ｓ５２及び工程Ｓ５３が全て実施されることによって、エピタキシャル基板ＥＰ１が形成され、工程Ｓ５が終了する。
【００７９】
そして、工程Ｓ７及び工程Ｓ９において、ｎ側電極及びｐ側電極を形成する。まず、ＬＥＤの発光素子１１を作製する場合の工程Ｓ７及び工程Ｓ８について説明する。工程Ｓ７において、エピタキシャル基板ＥＰ１に対し、ｎ側電極及びｐ側電極を形成し、エピタキシャル基板ＥＰを形成する。まず、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１の表面１９＿１ａに絶縁膜（絶縁膜２３に対応）を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって絶縁膜に開口（開口２３ａに対応）を設けて、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｃ＿１の表面１９＿１ａを露出する。次に、絶縁膜上に、ｐ側電極（ｐ側電極２１に対応）を、真空蒸着によって形成する。次に、基板１３＿１の裏面１３ｂ＿１を研磨した後、裏面１３ｂ＿１上にｎ側電極（ｎ側電極２５に対応）を、真空蒸着によって形成する。ｎ側電極は、研磨後の裏面１３ｂ＿１を覆う。以上によって、エピタキシャル基板ＥＰが形成される（以上、工程Ｓ７）。そして、工程Ｓ９において、エピタキシャル基板ＥＰから、発光素子１１を分離する（工程Ｓ９）。
【００８０】
次に、ＬＤの発光素子１１を作製する場合の工程Ｓ７及び工程Ｓ９について説明する。工程Ｓ７では、まず、ドライエッチングによって、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１にリッジ形状部を形成する。次に、リッジ形状部の側面にＳｉＯ２の絶縁膜（絶縁膜２３に対応）を形成し、リッジ形状部の上面は露出する。次に、露出したリッジ形状部の上面にＮｉ／Ａｕの電極を真空蒸着によって形成し、更に、絶縁膜及びＮｉ／Ａｕ電極上に、Ｔｉ／Ａｕのパッド電極を真空蒸着によって形成する。Ｔｉ／Ａｕのパッド電極は、絶縁膜及びＮｉ／Ａｕ電極を覆う。Ｎｉ／Ａｕの電極とＴｉ／Ａｕのパッド電極とは、ｐ側電極（ｐ側電極２１に対応）を構成する。次に、基板１３＿１の裏面１３ｂ＿１を、例えば、エピタキシャル基板ＥＰ１の厚みが８０μｍ程度となるまで研磨した後に、裏面１３ｂ＿１上に、Ｔｉ／Ａｌの電極を真空蒸着によって形成し、このＴｉ／Ａｌの電極上に、Ｔｉ／Ａｕのパッド電極を真空蒸着によって形成する。Ｔｉ／Ａｌの電極とＴｉ／Ａｕのパッド電極とは、ｎ側電極（ｎ側電極２５に対応）を構成する。ｎ側電極は、研磨後の裏面１３ｂ＿１を覆う（以上、ＬＤの場合の工程Ｓ７）。そして、工程Ｓ９では、レーザバーをエピタキシャル基板ＥＰから分離し、このレーザバーの共振器端面に、誘電体多層膜（例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２）からなる反射膜を成膜した後に、発光素子１１に分離する（以上、ＬＤの場合の工程Ｓ９）。
【００８１】
（実施例）
次に、実施形態に係る発光素子１１の実施例について説明する。図５は、発光素子１１の実施例の構成を示す図である。図５に示す構成は、エピタキシャル基板ＥＰ１の構成に対応する。まず、半極性の主面（主面１３ａ＿１及び主面１３ａに対応）を有するＧａＮ基板（基板１３＿１及び支持基体１３に対応）を用意した。ＧａＮ基板の主面は、ｃ面からＧａＮ基板のｍ軸に向けて７５度だけ傾斜している（２０−２１）面に沿って、延びていた。そして、ＧａＮ基板をＮＨ３及びＨ２の雰囲気中において、摂氏１０５０度程度のもとで１０分程度の間だけ保持し、前処理(サーマルクリーニング)を行う。
【００８２】
次に、サーマルクリーニングの後、ｎ−ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層１５ａ＿１及びｎ型ＧａＮ層１５ａに対応）を、摂氏１０５０度程度のもとでエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏８４０度程度に下げ、２μｍ程度の膜厚のｎ−Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層（ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｂ＿１及びｎ型クラッド層１５ｂに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、摂氏８４０度程度の温度のもとで、２００ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、摂氏８４０度程度の温度のもとで、１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層（ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応）をエピタキシャルに成長した。
【００８３】
次に、温度を摂氏７９０度程度に下げて、２．５ｎｍ程度の膜厚のＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層（ＧａＮ系井戸層１７ａ＿１及び井戸層１７ａに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏８４０度程度に上げて、Ｌ（ｎｍ）の膜厚のＩｎＫＧａ１−ＫＮ層（ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏７９０度程度に下げて、２．５ｎｍ程度の膜厚のＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層（ＧａＮ系井戸層１７ｃ＿１及び井戸層１７ｃに対応）をエピタキシャルに成長した。
【００８４】
次に、温度を摂氏８４０度程度に上げて、５０ｎｍ程度の膜厚のアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層をエピタキシャルに成長し、この後、１００ｎｍ程度の膜厚のｐ−Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層をエピタキシャルに成長し、この後、２００ｎｍ程度の膜厚のｐ−ＧａＮ層をエピタキシャルに成長した。この５０ｎｍ程度の膜厚のアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層と、１００ｎｍ程度の膜厚のｐ−Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層と、２００ｎｍ程度の膜厚のｐ−ＧａＮ層とからなる領域は、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ａ＿１及びｐ型ガイド層１９ａに対応する。次に、摂氏８４０度程度の温度のもとで、４００ｎｍ程度の膜厚のｐ−Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層（ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｂ＿１及びｐ型クラッド層１９ｂに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏１０００度程度に上げて、５０ｎｍ程度の膜厚のｐ−ＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｃ＿１及びｐ型コンタクト層１９ｃに対応）をエピタキシャルに成長した。
【００８５】
以下、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例１とする。
【００８６】
ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが０．０４であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例２とする。実施例２と実施例１との相違点は、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋの値のみである。
【００８７】
ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが、ｐ側からｎ側に向かって０．０２から０．０４に連続的に変化する（増加する）値であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例３とする。実施例３と実施例１との相違点は、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋの値のみである。
【００８８】
ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０４であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例４とする。実施例４と実施例１との相違点は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊの値のみである。
【００８９】
更に、実施例１に対し、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌを０．５ｎｍとした場合に作製される発光素子を、比較例１とする。実施例１に対し、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌを５ｎｍとした場合に作製される発光素子を、比較例２とする。実施例１に対し、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌを１０ｎｍとした場合に作製される発光素子を、比較例３とする。
【００９０】
図６を参照して、実施例１に対する考察を行う。図６は、実施例及び比較例に対するＰＬ発光波長の測定結果を示す図である。図中符号Ｇ１ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ１ｂは、比較例１に対する結果であり、図中符号Ｇ１ｃは、比較例２に対する結果であり、図中符号Ｇ１ｄは、比較例３に対する結果である。図６を参照すると、実施例１、及び、比較例１〜３は、何れも、井戸層のインジウム組成は同じだが、実施例１のＰＬ発光波長は、比較例１〜３に比べて、大幅に短くなった。この原因としては、次のことが考えられる。支持基体の主面が（２０−２１）面のような半極性面に対応する場合、井戸層のピエゾ分極が負であるために、図２に示すように発光層のバンド構造に歪が生じ、電子Ｅの波動関数は、井戸層のｎ側に偏り、正孔の波動関数は井戸層のｐ側に偏る。しかしながら、実施例１の場合のように、隣接する二つの井戸層の間に設けられたバリア層の膜厚が比較的に薄いと、このバリア層の両側にある隣接する二つの井戸層の間の波動関数にも重なりが生じ、同一井戸層において電子と正孔とが結合して発光が生じるだけでなく、バリア層を介してバリア層の一方の側の井戸層の電子と他方の側の井戸層の正孔とが結合して発光が生じる現象も生じるため、大幅に短いＰＬ発光波長が検出されたものと考えられる。一方、図中符号Ｇ１ｂに示すように、バリア層の膜厚が、実施例１のような２．５ｎｍよりも更に薄く、比較例１のような０．５ｎｍの場合には、井戸層の膜厚が厚い単一量子井戸構造とほぼ等価となるので、ＰＬ発光波長は比較的に長くなる。なお、図示しないが、実施例及び比較例に対し、ＰＬ発光強度の測定も行った。ＰＬ発光強度についての測定結果については、実施例１、比較例２，３の場合、すなわち、バリア層の膜厚が２．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の場合には、ＰＬ発光強度に有意な差が見られなかったが、比較例１の場合、すなわち、バリア層の膜厚が０．５ｎｍの場合のＰＬ発光強度は、実施例１、比較例２，３の場合のＰＬ発光強度の６０％程度と低かった。このような比較例１に対するＰＬ発光強度に対する測定結果は、バリア層の膜厚が比較的に薄く、結晶性の回復が不十分なまま、このバリア層上に新たな井戸層が成長されているために、発光層の全体的な結晶品質が低下したことが原因と考えられる。
【００９１】
次に、図７〜図１１を参照して、実施例１に対する考察を行う。図７は、実施例１及び比較例２に対する発光波長の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図８は、実施例１及び比較例２に対する発光出力の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図９は、実施例１及び比較例２に対する発光波長の半値幅の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図１０及び図１１は、実施例１及び比較例２に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。図１２は、実施例２、実施例３及び下記の比較例４に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。図１１は、図１０の縦軸（電流密度）を対数で表示した図であり、図１３は、図１２の縦軸（電流密度）を対数で表示した図である。図７〜図１３に示す測定結果は、１００μｍ×１００μｍのサイズのＰｄ電極がｐ側の電極に用いられており、裏面全面に設けられたＴｉ/Ａｌ/Ｔｉ/Ａｕ電極がｎ側電極に用いられたＬＥＤの実施例１、実施例２、実施例３、比較例２及び比較例４によって得られた。図７〜図９に示す結果は、実施例１及び比較例２に対しパルス電流の印加によって得られた。図１０〜図１３に示す結果は、実施例１、実施例２、実施例３、比較例２及び比較例４に対し直流電流の印加によって得られた。比較例４の発光素子は、実施例１の構造のうち、多重量子井戸構造の発光層が、単一量子井戸構造の発光層となっているＬＥＤであった。
【００９２】
図７において、図中符号Ｇ２ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ２ｂは、比較例２に対する結果である。電流密度が小さい場合には、実施例１の方が比較例２よりも発光波長が短く、ＰＬ発光波長に対する図６に示す測定結果と一致していた。しかし、電流密度が大きくなり比較的に高い電流注入が行われた段階では、実施例１の発光波長と比較例２の発光波長との波長差は縮まり、ほぼ同等となった。このことは、電流注入に伴ってピエゾ分極が弱まり、実施例１においても、スクリーニングにより、隣接する井戸層間における遷移確率が低下したためと考えられる。なお、バリア層の膜厚が２．５ｎｍ程度の場合、ｃ面上に形成された発光素子であれば、発光効率は低下するが、（２０−２１）面のような半極性面上にＩｎＧａＮ層を成長する実施例１の場合には、ＩｎＧａＮ層の成長が均質で高品質となる傾向があるので、バリア層の膜厚が極端に薄くとも発光効率を維持できると考えられる。
【００９３】
図８において、図中符号Ｇ３ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ３ｂは、比較例２に対する結果である。図８に示す測定結果によれば、実施例１の方が比較例２よりも発光出力が高かった。上述の通り、実施例１と比較例２のＰＬ発光強度は同等であったため、井戸層の品質に大きな違いはないはずであるので、電流注入によって図８に示すような実施例１と比較例２との間に生じた発光出力の差異の原因は、実施例１の方が比較例２よりもキャリア注入効率に優れる点にあると考えられる。
【００９４】
図９において、図中符号Ｇ４ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ４ｂは、比較例２に対する結果である。図８に示す測定結果によれば、実施例１の方が比較例２よりも半値幅（ＦＷＨＭ）が狭く、特に、実施例１と比較例２との半値幅の差は、電流密度が比較的に低く電子の注入が比較的に小さい段階において顕著であった。比較例２の場合、キャリア注入効率が悪く、井戸間のキャリア密度が不均一なために、半値幅が広がったと考えられる。電流密度を増加させると、キャリア密度の不均一性が多少とも緩和されるので、実施例１と比較例２との半値幅の差は小さくなるが、同等になるまでには至らなかった。
【００９５】
図１０において、図中符号Ｇ５ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ５ｂは、比較例２に対する結果である。図１１において、図中符号Ｇ６ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ６ｂは、比較例２に対する結果である。図１０を参照すると、実施例１の方が比較例２よりも、拡散電流が流れ始める電流密度の立ち上がりが早く、この結果も、実施例１がキャリア注入効率に優れていることを裏付けている。図１１を参照すると、拡散電流が流れ始める電流密度の立ち上がり電圧は、実施例１の場合には２．４ボルトであり、比較例２の場合には２．６ボルトであった。
【００９６】
以上の図７〜図１１に示す測定結果によれば、バリア層の膜厚を比較的に薄く（例えば、２．５ｎｍ程度に）することによって、井戸層のピエゾ分極が負の場合であっても、発光層における電子の注入効率を改善できることが、わかった。この現象は、弱励起の発光波長が短くなる点にも反映されている（弱励起は、図７に示す測定結果において、０．０５ｋＡ／ｃｍ２以下の電流密度に対応）。また、この現象は拡散電流が流れ始める立ち上がり電圧が低くなる点にも反映されており、例えば立ち上がり電圧を２．５Ｖ以下にすることができる。なお、キャリア注入効率と発光効率とを両立させる観点から、井戸層の膜厚とバリア層の膜厚とを同程度にすることが特に好適である。すなわち、弱励起の発光波長が短くなるときに、キャリア注入効率と発光効率の両方に優れた発光層を得ることができる。
【００９７】
次に、図１２及び図１３を参照して、実施例２と実施例３とに対する考察を行う。図１２において、図中符号Ｇ７ａは、実施例２に対する結果であり、図中符号Ｇ７ｂは、実施例３に対する結果であり、図中符号Ｇ７ｃは、比較例４に対する結果である。図１３において、図中符号Ｇ８ａは、実施例２に対する結果であり、図中符号Ｇ８ｂは、実施例３に対する結果であり、図中符号Ｇ８ｃは、比較例４に対する結果である。拡散電流が流れ始める立ち上がり電圧は、実施例２で２．３ボルトであり、実施例３で２．２ボルトとなっており、２．４ボルト（図１０を参照）の実施例１よりも、実施例２と実施例３の立ち上がり電圧は改善されており、単一量子井戸構造の比較例４の２．２ボルトとは、ほぼ同等であった。図１２に示す結果及び図１３に示す結果は、実施例２についてはバリア層全体のバンドギャップエネルギーを下げた効果、及び、実施例３についてはピエゾ分極によるバンド曲がりを緩和するようなバンド構造を組成傾斜によって形成し電子に対する障壁の高さを低くした効果によって、キャリア注入効率が改善された、ということを示唆する結果である。
【００９８】
また、実施例１及び実施例４については、断面ＴＥＭ観察を行って、ミスフィット転位の測定を行った。断面ＴＥＭ観察を行ったところ、実施例４においては、ｎ側のガイド層に含まれている１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＧａＮ層と２００ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＧａＮ層との界面に、２×１０４ｃｍ−１程度のミスフィット転位が認められた。これに対し、実施例１における同じ箇所には、ミスフィット転位は認められなかった。これより、実施例４においては、ｎ側のガイド層のインジウム組成が比較的に高くされていることによって、ｎ側のガイド層に含まれている１５０ｎｍ程度の膜厚のＩｎＧａＮ層が支持基体に対して緩和しているために、発光層が内包する歪が緩和されていることが、わかる。
【００９９】
次に、実施例４に対する考察を行う。ＬＤの場合の実施例１とＬＤの場合の実施例４とに対し、パルス電流印加によって、レーザ特性を評価した。実施例１のＩｔｈ（電流閾値）が８５ｍＡであり、実施例４のＩｔｈが６０ｍＡであった。実施例４のＩｔｈの方が実施例１のＩｔｈよりも、低い値であった。実施例４の場合、ガイド層に含まれる１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＧａＮ層の緩和によって井戸層のピエゾ分極が若干小さくなり、よって、キャリア注入効率が改善された、ということが予想される。各井戸層にキャリアが均一に注入されることによって、発光効率の改善だけでなく、内部ロスの低減も実現されているものと考えられる（キャリア注入が不均一な場合は、複数の井戸層のうち、キャリア密度が低く透明化していない井戸層が、光の吸収源として働く。）。更に、実施例４の場合、ガイド層に含まれる１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＧａＮ層のインジウム組成が比較的に高いので、光閉じ込めの効果が比較的に大きい、ということも、実施例４のＩｔｈの方が実施例１のＩｔｈよりも低い値であったことの一因であると、考えられる。
【０１００】
なお、実施例４の場合、測定の結果、ＰＬ発光波長が５２７ｎｍであったのに対して発振波長は５２２ｎｍであったが、実施例１の場合、測定の結果、ＰＬ発光波長が５２５ｎｍであったのに対して発振波長は５１７ｎｍであった。（２０−２１）面のような半極性面の主面上に設けられている発光素子の場合、ピエゾ分極がゼロではないが、ピエゾ分極の発生にもかかわらず、このように、ＰＬ発光波長と、発振波長との差が比較的に小さい、ということは、少なくとも実施例１及び実施例４の場合においては、ＰＬ発光波長の測定時にはバリア層の膜厚が比較的に薄いことによって隣接する井戸層間において遷移確率が増大するメカニズム（図６に示す結果を参照）が作用している、ということを示唆している。このメカニズムが作用するときに、キャリア注入効率が向上する。このように、実施例１及び実施例４によって実際に確認されているように、発光素子がキャリア注入効率に優れる構造を有する場合、電流密度が０．０５ｋＡ／ｃｍ２程度におけるＥＬ発光波長（ＥＬ：Electro Luminescence）のピーク値、又は、このＥＬ発振波長のピーク値に相当する励起密度におけるＰＬ発光波長のピーク値から、発振波長までのブルーシフト量は、１５ｎｍ以下であった。
【０１０１】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…反応炉、１１…発光素子、１３…支持基体、１３＿１…基板、１３ａ，１３ａ＿１…主面、１３ｂ，１３ｂ＿１…裏面、１５，１５＿１…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、１５＿１ａ，１５ｆ，１７＿１ａ，１９＿１ａ…表面、１５ａ，１５ａ＿１…ｎ型ＧａＮ層、１５ｂ…ｎ型クラッド層、１５ｂ＿１…ｎ型ＧａＮ系半導体層、１５ｃ…ｎ型ガイド層、１５ｃ＿１…ｎ型ＧａＮ系半導体層、１５ｄ…ｎ型ＧａＮガイド層、１５ｅ…ｎ型ＩｎＧａＮガイド層、１７…発光層、１７＿１…ＧａＮ系量子井戸層、１７ａ，１７ｃ…井戸層、１７ａ＿１，１７ｃ＿１…ＧａＮ系井戸層、１７ｂ…バリア層、１７ｂ＿１…ＧａＮ系バリア層、１９，１９＿１…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、１９ａ…ｐ型ガイド層、１９ａ＿１…ｐ型ＧａＮ系半導体層、１９ｂ…ｐ型クラッド層、１９ｂ＿１…ｐ型ＧａＮ系半導体層、１９ｃ…ｐ型コンタクト層、１９ｃ＿１…ｐ型ＧａＮ系半導体層、２１…ｐ側電極、２５…ｎ側電極、ＡＸ…法線軸、ＣＲ…結晶座標系、ＥＰ，ＥＰ１…エピタキシャル基板、Ｓ…座標系、ＳＣ…面、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、ＶＮ…法線ベクトル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、発光素子の量子井戸構造（ＭＱＷ構造、ＳＱＷ構造）における正孔の注入・拡散状態を改善し、発光効率を改善するための技術が開示されている。発光層がＭＱＷ構造の場合、正孔がｐ型半導体層の側からｎ型半導体層の側へと、該ＭＱＷ構造中をより遠く移り易いように、ＭＱＷ構造中の複数の障壁層のうちの少なくとも２層のバンドギャップが互いに異なるように、好ましくは多層で段階的にｐ型側からｎ型側に向かって低くなっていく部分が存在するように、ＭＱＷ構造を構成する。発光層がＳＱＷ構造の場合には、ｐ型側の障壁層を組成傾斜させ、バンドギャップがｐ型側からｎ型側に向かって低くなっていくように形成する。
【０００３】
特許文献２には、活性層におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能な、半導体発光素子を作製する方法が開示されている。まず、選択された一又は複数の傾斜角で発光層のための量子井戸構造並びにｐ型及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長して形成された基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行って、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る。次に、バイアス依存性から、基板主面の選択された傾斜角の各々において発光層におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う。次に、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を見積りに基づき判断して、半導体発光素子の作製のための成長基板の面方位を選択する。半導体発光素子のための半導体積層を成長基板の主面上に形成する。
【０００４】
特許文献３には、井戸層へのキャリアの注入効率が向上された窒化物系半導体発光素子が開示されている。特許文献３の窒化物半導体発光素子は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる基板と、基板の主面に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、このｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた単一量子井戸構造の発光層と、発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域とを備える。発光層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域とｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられており、井戸層とバリア層及びバリア層とを含む。
井戸層は、ＩｎＧａＮである。基板の主面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に直交する面から６３度以上８０度以下または１００度以上１１７度以下の範囲内の傾斜角で傾斜した基準平面に沿って延びている。
【０００５】
非特許文献１には、青緑色レーザを発する多重量子井戸構造を有するＬＥＤが開示されている。非特許文献１のＬＥＤは、ｍ面上に形成されている。非特許文献２には、緑色レーザを発する多重量子井戸構造を有するＬＤが開示されている。非特許文献２のＬＤは、（２０−２１）面上に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２７０８９４号公報
【特許文献２】特開２０１１−７７３９５号公報
【特許文献３】特開２０１１−４０７０９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Characterization of blue-green m-plane InGaN light emitting diodes”、You-Da Lin, Arpan Chakraborty, Stuart Brinkley, Hsun Chih Kuo, Thiago Melo, Kenji Fujito, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura、Applied Physics Letters 94、261108 (2009)。
【非特許文献２】“High Quality InGaN/AlGaN Multiple Quantum Wells for Semipolar InGaN Green Laser Diodes”、You-Da Lin, Shuichiro Yamamoto, Chia-Yen Huang, Chia-Lin Hsiung, Feng Wu, Kenji Fujito, Hiroaki Ohta, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura、Applied Physics Express 3、(2010) 082001。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１〜３、及び、非特許文献１，２等には、多様な複数の量子井戸構造が示されている。しかしながら、半極性面の上に設けられる量子井戸構造は、ｃ面の上に設けられる量子井戸構造とは異なった歪や極性を有する。このような量子井戸構造の性質の違いは、半極性面の上に設けられる量子井戸構造のバンド構造に、ｃ面上とは異なる歪みを与えるので、量子井戸構造における電子の注入効率が低下する場合がある。電子の注入効率の低下は、発光に必要なバイアス電圧の上昇を招く。そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、半極性面上に設けられ発光に必要なバイアス電圧の上昇が抑制された窒化物半導体発光素子と、この窒化物半導体発光素子の作製方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
六方晶系窒化物半導体のｃ面の上に設けられる従来のＩｎＧａＮの量子井戸構造には、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の膜厚のバリア層が用いられる。特に、比較的に長い波長の光を発する発光素子の場合、井戸層のインジウム組成も比較的に高いので、バリア層の膜厚が比較的に厚い方が好ましい。井戸層の結晶品質は、インジウム組成が比較的に高い場合に低下するが、バリア層の成長に伴って、結晶表面の性状が整えられる等によって、結晶品質が回復されるからである。このような事情によって、発明者は、半極性面の上に量子井戸構造を有する発光素子を作製する場合に、当初、ｃ面の上に量子井戸構造を有する発光素子と同様に、１５ｎｍ程度の厚みのバリア層を有する多重量子井戸構造の発光層を形成した。しかし、半極性面の上に量子井戸構造を有する発光素子の場合には、比較的に高いバイアス電圧が発光に必要となることが判明した。
【００１０】
そこで、発明者は、このような比較的に高いバイアス電圧が発光に必要となる原因を解明するために、バイアス電圧を印加している状態においてＰＬ（Photo Luminescence）を測定する等の方法によって、ＩｎＧａＮの量子井戸構造の結晶面の光物性を調べた。この結果、発明者は、当該半極性面の上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造の井戸層のピエゾ分極の向きは、ｃ面の上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造の井戸層のピエゾ分極の向きと反対になっていることを見出した。そして、発明者は、半極性面の上に設けられたＩｎＧａＮの井戸層のピエゾ分極の向きがｃ面の上に設けられたＩｎＧａＮの井戸層のピエゾ分極の向きと反対になっている、という現象が、ＩｎＧａＮの量子井戸構造内における電子の注入効率を低下させ、よって、発光に必要なバイアス電圧の上昇を招く、ということを見出した。なお、このようなＩｎＧａＮの量子井戸構造内における電子の注入効率についての課題は、従来のｃ面上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造においては、ｃ面上に設けられたＩｎＧａＮの井戸層のピエゾ分極の向きがＩｎＧａＮの量子井戸構造内における電子の注入を低下させる向きではないこと、及び、正孔は、元々、バンドオフセットが小さいので、このようなピエゾ分極が関連する注入効率に対する影響が比較的に小さいこと、等の理由によって、一般には認識されていなかった。
【００１１】
一方、発明者は、ある傾斜角の半極性面上に設けられるＩｎＧａＮの多重量子井戸構造の場合、インジウムの取り込みやＩｎＧａＮの成長モードが高品質化に有利に働き、比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しても、結晶品質を大きく低下させずに成長できる、というＩｎＧａＮ結晶の特質を見出した。発明者は、このＩｎＧａＮ結晶の特質によって、ｃ面の上では結晶性の回復効果が不十分で発光効率が劣化するような薄い膜厚のバリア層を有するＩｎＧａＮの量子井戸構造であっても、半極性面上であれば、発光効率の劣化が生じない比較的に高い結晶品質の量子井戸構造を成長させることができることを見出した。発明者は、半極性面上に設けられたＩｎＧａＮの多重量子井戸構造のバリア層の膜厚と、この量子井戸構造の結晶品質との関係を、鋭意、検証した。この検証の結果、発明者は、井戸層の膜厚と同オーダーの比較的に薄い膜厚のバリア層でも、半極性面上に設けられている場合には、結晶性を反映するＰＬ発光強度が低下せずに、良好な結晶品質を維持できることを確認した。更に発明者は、井戸層の膜厚と同オーダーの比較的に薄い膜厚のバリア層を有し半極性面上に設けられたＩｎＧａＮの量子井戸構造の発光素子を実際に作製し、発光に必要なバイアス電圧の低減、発光波長の半値幅の低減、発光効率の向上、等の効果が発現し、キャリア注入効率が改善されたことを確認した。
【００１２】
本発明の下記の複数の側面は、半極性面の上に設けられたＩｎＧａＮの多重量子井戸構造に対し発明者が得た上記の知見に基づいてなされた。
【００１３】
本発明に係る第１の側面は、窒化物半導体発光素子に関する発明であり、六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する支持基体と、前記支持基体の前記主面上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、を備え、前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、前記多重量子井戸構造は、少なくとも二つの井戸層と、少なくとも一つのバリア層とからなり、前記バリア層は、前記二つの井戸層の間に設けられ、前記二つの井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、前記二つの井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の支持基体の主面は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子は、この主面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、ｃ面上に設けられた井戸層に生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、ｃ面上とは異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層における電子の注入効率が低下する。しかし、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子のバリア層の膜厚は、比較的に薄く、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるので、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなり、バンド構造に歪みが生じていても、発光層における電子の注入効率が改善できる。
【００１５】
更に、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の二つの井戸層は、比較的に高い、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しては、バリア層の結晶性を低下させないようにするために比較的に厚い膜厚のバリア層が望ましいと考えられるが、本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の発光層（多重量子井戸構造）はＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層であっても結晶性を整えることができ、発光層の結晶品質は維持できる。なお、バリア層の膜厚が１．０ｎｍ未満の場合、結晶性の回復が不十分となり、発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００１６】
本発明の第１の側面では、前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことが好ましい。バリア層の膜厚は、井戸層の膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００１７】
本発明の第１の側面では、前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、ことが好ましい。バリア層の第２のインジウム組成が０．０１以上０．１０以下の範囲にあるので、バリア層のバンドギャップが低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。バリア層の第２のインジウム組成が０．１０を超えるとき、バリア層及び発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００１８】
本発明の第１の側面では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記支持基体側の表面にミスフィット転位が存在し、前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことが好ましい。支持基体と発光層との間にＩｎＧａＮ層が設けられており、このＩｎＧａＮ層の支持基体側の表面には比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このＩｎＧａＮ層によって、支持基体上の歪が緩和されるので、井戸層が内包する歪も、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が１×１０５ｃｍ−１を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。
【００１９】
本発明の第１の側面では、前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことが好ましい。支持基体と発光層との間に設けられ、支持基体上の歪を緩和するＩｎＧａＮ層のインジウム組成が０．０３以上０．０５以下の範囲にあるので、支持基体上の歪が十分に緩和される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。ＩｎＧａＮ層の第３のインジウム組成が０．０５を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。
【００２０】
本発明の第１の側面では、前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側からｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって増加しているので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成がｐ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層のバンドギャップが、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側において、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００２１】
本発明の第１の側面では、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことが好ましい。主面の傾斜角が６３度以上８０度以下の範囲にあるとき、特にＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。
【００２２】
本発明の第１の側面では、前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことが好ましい。井戸層のインジウム組成が０．２４以上０．４０以下の範囲にあるので、発光層は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の光を発する。このように、井戸層のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層とバリア層とのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。
【００２３】
本発明の第１の側面では、前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成が０．０１以上０．０６以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。
【００２４】
本発明の第１の側面では、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層の膜厚が１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。
【００２５】
本発明の第２の側面は、窒化物半導体発光素子の製造方法に関する発明であり、六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する基板を用意する工程と、前記基板の前記主面上にｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に、窒化ガリウム系半導体からなる発光層を成長する工程と、前記発光層上にｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、を備え、前記発光層は、少なくとも第１の井戸層及び第２の井戸層と、少なくとも一つのバリア層とを有し、前記発光層を成長する工程では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上において、前記第１の井戸層、前記バリア層、前記第２の井戸層を順に成長し、前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする。
【００２６】
本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の支持基体の主面は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子は、この主面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の井戸層に生じるピエゾ分極の向きは、ｃ面上に設けられた井戸層に生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、ｃ面上とな異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層における電子の注入効率が低下する。しかし、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子のバリア層の膜厚は、比較的に薄く、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるので、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなり、バンド構造に歪みが生じていても、発光層における電子の注入効率が改善できる。
【００２７】
更に、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の二つの井戸層は、比較的に高い、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層に対しては、バリア層の結晶性を低下させないようにするために比較的に厚い膜厚のバリア層が望ましいと考えられるが、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の発光層（多重量子井戸構造）はＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層であっても結晶性を整えることができ、発光層の結晶品質は維持できる。なお、バリア層の膜厚が１．０ｎｍ未満の場合、結晶性の回復が不十分となり、発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００２８】
本発明の第２の側面では、前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことが好ましい。バリア層の膜厚は、井戸層の膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００２９】
本発明の第２の側面では、前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、ことが好ましい。バリア層の第２のインジウム組成が０．０１以上０．１０以下の範囲にあるので、バリア層のバンドギャップが低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。バリア層の第２のインジウム組成が０．１０を超えるとき、バリア層及び発光層の結晶性が低下する場合がある。
【００３０】
本発明の第２の側面では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記基板側の表面にミスフィット転位が存在し、前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことが好ましい。基板と発光層との間にＩｎＧａＮ層が設けられており、このＩｎＧａＮ層の基板側の表面には比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このＩｎＧａＮ層によって、基板上の歪が緩和されるので、井戸層が内包する歪も、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が１×１０５ｃｍ−１を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。
【００３１】
本発明の第２の側面では、前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことが好ましい。基板と発光層との間に設けられ、基板上の歪を緩和するＩｎＧａＮ層のインジウム組成が０．０３以上０．０５以下の範囲にあるので、基板上の歪が十分に緩和される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。ＩｎＧａＮ層の第３のインジウム組成が０．０５を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。
【００３２】
本発明の第２の側面では、前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側からｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって増加しているので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成がｐ型窒化ガリウム系半導体層の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層のバンドギャップが、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側において、低減される。よって、発光層のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００３３】
本発明の第２の側面では、前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことが好ましい。主面の傾斜角が６３度以上８０度以下の範囲にあるとき、特にＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。
【００３４】
本発明の第２の側面では、前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことが好ましい。井戸層のインジウム組成が０．２４以上０．４０以下の範囲にあるので、発光層は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の光を発する。このように、井戸層のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層とバリア層とのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。
【００３５】
本発明の第２の側面では、前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層のインジウム組成が０．０１以上０．０６以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。
【００３６】
本発明の第２の側面では、前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことが好ましい。バリア層の膜厚が１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層のエネルギー障壁を乗り越えて隣の井戸層に移動しやすくなるので、発光層における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、半極性面上に設けられ発光に必要なバイアス電圧の上昇が抑制された窒化物半導体発光素子と、この窒化物半導体発光素子の作製方法とが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、実施形態に係る発光素子の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施形態に係る発光素子の効果を説明するための図である。
【図３】図３は、実施形態に係る発光素子の作製方法を説明するための図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る発光素子の作製方法の主要な工程における生産物を模式的に示す図である。
【図５】図５は、実施形態に係る発光素子の実施例の構成を示す図である。
【図６】図６は、実施例及び比較例に対するＰＬ発光波長の測定結果を示す図である。
【図７】図７は、実施例及び比較例に対する発光波長の電流密度依存性の測定結果を示す図である。
【図８】図８は、実施例及び比較例に対する発光出力の電流密度依存性の測定結果を示す図である。
【図９】図９は、実施例及び比較例に対する発光波長の半値幅の電流密度依存性の測定結果を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例及び比較例に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施の形態に係る窒化物半導体発光素子である発光素子１１の構造及び発光素子１１のためのエピタキシャル基板の構造を概略的に示す図面である。図１に示す発光素子１１は、レーザダイオード（ＬＤ）向けのエピタキシャル構造（ＬＤに適用されるエピタキシャル構造）の自然放出光を評価するための発光ダイオード（ＬＥＤ）として例示されているが、ＬＤであることもできる。
【００４０】
図１の（ａ）部に発光素子１１が示され、図１の（ｂ）部に発光素子１１のためのエピタキシャル基板ＥＰ１が示される。エピタキシャル基板ＥＰ１は、発光素子１１が有するエピタキシャル層構造（支持基体１３、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１９）と同様のエピタキシャル層構造を有する。引き続く説明では、発光素子１１を構成する半導体層を説明する。エピタキシャル基板ＥＰ１は、これらの発光素子１１を構成する半導体層に対応する半導体層（半導体膜）を含み、対応する半導体層には、発光素子１１のための説明が適用される。
【００４１】
図１には、座標系Ｓと結晶座標系ＣＲとが示されている。結晶座標系ＣＲは、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体の結晶軸（ｃ軸，ａ軸，ｍ軸）を示すための座標系である。Ｘ軸は、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のａ軸と同方向であり、ＹＺ平面は、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｍ軸と、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｃ軸とによって規定される面と平行である。
【００４２】
図１の（ａ）部に示されるように、発光素子１１は、支持基体１３、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９、ｐ側電極２１、絶縁膜２３及びｎ側電極２５を備える。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は、ｎ型ＧａＮ層１５ａ、ｎ型クラッド層１５ｂ及びｎ型ガイド層１５ｃを有する。発光層１７は、井戸層１７ａ、バリア層１７ｂ及び井戸層１７ｃからなる多重量子井戸構造を有する。なお、発光層１７は、三つ以上の井戸層を含む多重量子井戸構造を有していてもよい。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、ｐ型ガイド層１９ａ、ｐ型クラッド層１９ｂ及びｐ型コンタクト層１９ｃを有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、支持基体１３の上においてエピタキシャル成長によって形成されている。支持基体１３の主面１３ａ上において、ｎ型ＧａＮ層１５ａ、ｎ型クラッド層１５ｂ、ｎ型ガイド層１５ｃ、井戸層１７ａ、バリア層１７ｂ、井戸層１７ｃ、ｐ型ガイド層１９ａ、ｐ型クラッド層１９ｂ、ｐ型コンタクト層１９ｃが順次設けられている。
【００４３】
支持基体１３のｃ面は、面ＳＣに沿って延びている。支持基体１３の主面１３ａは、Ｚ軸の方向を向いており、ＸＹ面が延びる方向に延びている。主面１３ａは、ｃ面から予め規定された方向に傾斜している。主面１３ａの傾斜角αは、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｃ面（（０００１）面であり、図１に示す面ＳＣ）を基準にして規定される。主面１３ａは、例えば、ｃ面に対応する面ＳＣを基準にして、支持基体１３のｍ軸に向けて、傾斜角αで傾斜することができる。傾斜角αは、支持基体１３の主面１３ａの法線ベクトルＶＮと、ｃ軸を示すｃ軸ベクトルＶＣとの成す角度によって規定される。傾斜角αは、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にある。傾斜角αは、特に、６３度以上８０度以下の範囲にあることもできる。主面１３ａは、例えば、ｃ面からｍ軸に向かって傾斜したものであることができ、特に、ｍ軸に向かうｃ面からの傾斜角αが７５度の場合、主面１３ａは、支持基体１３の六方晶系窒化物半導体の（２０−２１）面に対応することができる。ｃ軸ベクトルＶＣは、（０００１）面の法線ベクトルに対応する。
【００４４】
主面１３ａの上において、発光層１７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５とｐ型窒化ガリウム系半導体層１９との間に設けられている。主面１３ａの上において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層１７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。主面１３ａの上において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５に含まれているｎ型ＧａＮ層１５ａ、ｎ型クラッド層１５ｂ及びｎ型ガイド層１５ｃが法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。主面１３ａの上において、発光層１７に含まれている井戸層１７ａ、バリア層１７ｂ及び井戸層１７ｃが法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。主面１３ａの上において、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９に含まれているｐ型ガイド層１９ａ、ｐ型クラッド層１９ｂ及びｐ型コンタクト層１９ｃが、法線ベクトルＶＮの向き（Ｚ軸方向）に順に配列されている。
【００４５】
支持基体１３は、ＧａＮからなる。ＧａＮは、二元化合物である窒化ガリウム系半導体であるので、良好な結晶品質と安定した基板主面とを提供できる。支持基体１３は、ＧａＮ以外にも、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の六方晶系窒化物半導体からなることができる。
【００４６】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は、ｎ型の窒化ガリウム系半導体からなる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ドーパントは、例えばシリコン（Ｓｉ）である。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は、支持基体１３上に設けられる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ＧａＮ層１５ａは、主面１３ａを介して支持基体１３に接している。ｎ型ＧａＮ層１５ａは、ｎ型のＧａＮからなる。ｎ型クラッド層１５ｂは、ｎ型ＧａＮ層１５ａに接している。ｎ型クラッド層１５ｂは、例えば、ｎ型のＩｎＡｌＧａＮ等のｎ型の窒化物系半導体からなる。ｎ型ガイド層１５ｃは、ｎ型クラッド層１５ｂに接している。ｎ型ガイド層１５ｃは、例えば、ｎ型のＧａＮや、ｎ型のＩｎＧａＮ等のｎ型の窒化ガリウム系半導体からなることができる。
【００４７】
ｎ型ガイド層１５ｃは、二つの層からなることができる。この二つの層のうち、一つ目の層は、ｎ型のＧａＮからなるｎ型ＧａＮガイド層１５ｄであり、二つ目の層は、ｎ型のＩｎＧａＮからなるｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅであり、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄは、ｎ型クラッド層１５ｂに接し、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅは、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄ上に設けられ、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅは、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄに接している。ｎ型ガイド層１５ｃの内部におけるｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの支持基体１３側の表面１５ｆ（ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄとｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅとの界面）は、ミスフィット転位を含む。このミスフィット転位は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの表面１５ｆに直交しｃ軸を含む基準面（ａ面に沿って延びる面）と表面１５ｆとが共有する基準軸と、ｃ軸と、に直交する方向に（ａ軸に沿って）延びている。このミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある。ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅのインジウム組成（第３のインジウム組成）は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある。
【００４８】
発光層１７は、多重量子井戸構造を有する。発光層１７は、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層１７ａは、ｎ型ガイド層１５ｃのｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに接している。井戸層１７ａは、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。バリア層１７ｂは、井戸層１７ａに接している。バリア層１７ｂは、井戸層１７ａと井戸層１７ｃとの間に設けられている。バリア層１７ｂは、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層１７ｃは、バリア層１７ｂに接している。井戸層１７ｃは、インジウムを含み、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体からなることができる。井戸層１７ａのバンドギャップと井戸層１７ｃのバンドギャップとは、何れも、バリア層１７ｂのバンドギャップよりも小さい。なお、発光層１７は、三つ以上の井戸層と、二つ以上のバリア層とを含むことができる。
【００４９】
井戸層１７ａのインジウム組成（第１のインジウム組成）は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある。井戸層１７ａのインジウム組成は、例えば、０．３０程度であるが、０．２５程度、０．３５程度の何れかであることができる。井戸層１７ａの膜厚は、例えば２．５ｎｍ程度である。
【００５０】
バリア層１７ｂのインジウム組成（第２のインジウム組成）は、０．０１以上０．１０以下の範囲にあるが、０．０１以上０．０６以下の範囲にあることができる。バリア層１７ｂの膜厚は、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚に０．５ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚から０．５ｎｍを差し引いた値以上であることができる。バリア層１７ｂの膜厚は、具体的には、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるが、バリア層１７ｂの膜厚の上限値を、４．０ｎｍ、３．５ｎｍ、３．０ｎｍ、の何れかの値とすることもできる。例えば、バリア層１７ｂの膜厚を、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるようにすることができる。なお、バリア層１７ｂは、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側から、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側に向かって増加するインジウム組成を有することもできる。
【００５１】
井戸層１７ｃのインジウム組成（第１のインジウム組成）は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある。井戸層１７ｃのインジウム組成は、例えば、０．３０程度であるが、０．２５程度、０．３５程度の何れかであることができる。井戸層１７ｃの膜厚は、例えば２．５ｎｍ程度である。
【００５２】
発光層１７の発光波長は、発光層１７の井戸層（井戸層１７ａ、井戸層１７ｃ）のインジウム組成が０．１５以上０．５０以下の範囲にあるので、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。なお、発光層１７の発光波長を、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下とすることもできる。５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の場合、発光層１７の井戸層（井戸層１７ａ、井戸層１７ｃ）のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある。
【００５３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体からなる。
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９のｐ型ドーパントは、例えばマグネシウム（Ｍｇ）である。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９は、発光層１７の井戸層１７ｃに接している。ｐ型ガイド層１９ａは、発光層１７上に設けられ、発光層１７に接している。ｐ型ガイド層１９ａは、一又は複数のｐ型の窒化ガリウム系半導体層を含む。ｐ型ガイド層１９ａは、アンドープ（ｕｄ）のＩｎＧａＮ層を含む。このアンドープのＩｎＧａＮ層は、井戸層１７ｃに接している。ｐ型ガイド層１９ａは、このアンドープのＩｎＧａＮ層上に設けられたｐ型のＩｎＧａＮ層を含む。このｐ型のＩｎＧａＮ層は、アンドープのＩｎＧａＮ層に接している。ｐ型ガイド層１９ａは、このｐ型のＩｎＧａＮ層上に設けられたｐ型のＧａＮ層を含む。このｐ型のＧａＮ層は、ｐ型のＩｎＧａＮ層に接している。
【００５４】
ｐ型クラッド層１９ｂは、例えば、ｐ型のＩｎＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型クラッド層１９ｂは、ｐ型ガイド層１９ａに含まれているｐ型のＧａＮ層上に設けられ、このｐ型のＧａＮ層に接している。
【００５５】
ｐ型コンタクト層１９ｃは、ｐ型クラッド層１９ｂ上に設けられ、ｐ型クラッド層１９ｂに接している。ｐ型コンタクト層１９ｃは、例えば、ｐ型のＧａＮからなることができる。
【００５６】
発光素子１１がＬＥＤの場合、図１に示すように、ｐ型コンタクト層１９ｃ上にｐ側電極２１及が設けられている。ｐ側電極２１は、例えば、Ｐｄからなることができる。ｎ側電極２５は、支持基体１３の裏面１３ｂに設けられている。ｎ側電極２５は、裏面１３ｂを覆っている。ｎ側電極２５は、裏面１３ｂを介して支持基体１３に接している。
【００５７】
なお、発光素子１１がＬＤの場合、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９はリッジ形状部を含み、ｐ側電極２１は、例えば、Ｎｉ／Ａｕからなる電極と、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極とを含むことができ、ｎ側電極２５は、例えば、Ｔｉ／Ａｌからなる電極と、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極とを含むことができる。そして、共振器端面には、誘電体多層膜が設けられる。この誘電体多層膜は、例えば、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなることができる。
【００５８】
以上説明した構成を有する発光素子１１において、支持基体１３の主面１３ａは、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲の何れかの範囲にある半極性面であり、発光素子１１は、主面１３ａの上に設けられた多重量子井戸構造の発光層１７を有する。このような半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造の発光層１７に生じるピエゾ分極の向きは、ｃ面上に設けられた井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃに生じるピエゾ分極の向きと逆向きになっており、よって、半極性面の上に設けられた多重量子井戸構造のバンド構造には、ｃ面上とは異なる歪みが生じる。このバンド構造の歪みによって、発光層１７における電子の注入効率が低下する。図２に示すバンドダイヤグラムを参照すると、ピエゾ分極によるバンド構造の歪みに起因して、井戸層１７ａのｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側（ｐ側）の障壁Ｖ２（量子準位Ｑ１を基準とする値）が、井戸層１７ａのｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側（ｎ側）の障壁Ｖ１（量子準位Ｑ１を基準とする値）よりも高いので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５からの電子Ｅがバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ａから井戸層１７ｃに移動しにくくなり、発光層１７における注入効率が低下することがわかる。しかし、発光素子１１のバリア層１７ｂの膜厚は、比較的に薄く、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあるので、バンド構造に歪みが生じていても、発光層１７における電子の注入効率が改善できる。図２に示すバンドダイヤグラムを参照すると、バリア層１７ｂの膜厚の値Ｌが、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にあり、比較的に薄いので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５からの電子Ｅが井戸層１７ａからバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ｃに移動しやすくなり、発光層１７における注入効率の低減が抑制できる。
【００５９】
更に、発光素子１１の二つの井戸層（井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃ）は、比較的に高い、０．１５以上０．５０以下の範囲にあるインジウム組成を有する。このように比較的に高いインジウム組成の井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃに対しては、井戸層の成長で悪化しかける結晶性をバリア層１７ｂの成長中に回復させるために比較的に厚い膜厚のバリア層１７ｂが望ましいと考えられるが、発光素子１１の発光層１７はＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となる角度範囲の半極性面の上に設けられているので、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲のように比較的に薄い膜厚のバリア層１７ｂであっても結晶性を整えることができ、発光層１７の結晶品質は維持できる。
【００６０】
なお、バリア層１７ｂの膜厚が１．０ｎｍ未満の場合、結晶成長時にバリア層１７ｂで結晶性を回復しきれず、発光層１７の結晶性が低下する場合がある。また、図２を参照すると、正孔Ｈは、ピエゾ分極に起因してバンド構造に歪みが生じた場合であっても、バンドオフセットは比較的に小さいので、注入効率対する影響は比較的に小さい。
【００６１】
また、バリア層１７ｂの膜厚の値Ｌは、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことができる。この場合、バリア層１７ｂの膜厚は、井戸層１７ａ又は井戸層１７ｃの膜厚と同程度の厚みを有する。よって、発光層１７のバンド構造がｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ａから隣の井戸層１７ｂに移動しやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００６２】
また、バリア層１７ｂは、ＩｎＧａＮからなり、バリア層１７ｂは、０．０１以上０．１以下の範囲にあるインジウム組成を有する、ことができる。この場合、バリア層１７ｂのインジウム組成が０．０１以上０．１０以下の範囲にあるので、バリア層１７ｂのバンドギャップが低減される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層１７ｂのバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。なお、バリア層１７ｂのインジウム組成が０．１０を超えるとき、バリア層１７ｂ及び発光層１７の結晶性が低下する場合がある。
【００６３】
また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ガイド層１５ｃは、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅを有し、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅ上に発光層１７が設けられることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の内部におけるｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの支持基体１３側の表面１５ｆにミスフィット転位が存在し、このミスフィット転位は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの表面１５ｆに直交し支持基体１３の六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と表面１５ｆとが共有する基準軸と、ｃ軸とに直交する方向に延びており、このミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことができる。この場合、支持基体１３と発光層１７との間にｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅが設けられており、このｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅの支持基体１３の側の表面１５ｆには比較的に高い密度のミスフィット転位が生じている。従って、このｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅによって、支持基体１３上の歪が緩和されるので、発光層１７が内包する歪も、低減される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、ピエゾ分極が低減されるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。ミスフィット転位の密度が１×１０５ｃｍ−１を超えるとき、欠陥の悪影響が発光層１７にも及び発光効率の低下を招く恐れがある。
【００６４】
また、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅは、０．０３以上０．０５以下の範囲にあるインジウム組成を有する、ことができる。支持基体１３と発光層１７との間に設けられ、支持基体１３上の歪を緩和するｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅのインジウム組成が０．０３以上０．０５以下の範囲にあるので、支持基体１３上の歪が十分に緩和される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、発光層１７における電子の注入効率の低減が効果的に抑制される。なお、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅのインジウム組成が０．０５を超えるとき、ミスフィット転位の密度が高くなりすぎ、発光効率の低下を招く恐れがある。
【００６５】
また、バリア層１７ｂのインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側から、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側に向かって、増加している、ことができる。発光層１７のインジウム組成は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側からｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側に向かって増加しているので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側のインジウム組成がｐ型窒化ガリウム系半導体層１９の側のインジウム組成と同様の場合に比較して、バリア層１７ｂのバンドギャップが、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の側において、低減される。よって、発光層１７のバンド構造にｃ面上とは逆向きのピエゾ分極による歪が生じていても、その歪を緩和するようにバリア層１７のバンドギャップを変化させることで、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が抑制される。
【００６６】
また、ｃ面に対する主面１３ａの傾斜角αは、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことができる。主面１３ａの傾斜角αが６３度以上８０度以下の範囲にあるとき、特にＩｎＧａＮの成長に対してインジウムの取り込みや成長モードが好適となるため、膜厚の薄いバリア層でも結晶性を回復させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光効率の低下を招くことなく、優れた電子の注入効率を提供することができる。
【００６７】
また、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃのインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことができる。井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃのインジウム組成が０．２４以上０．４０以下の範囲にあるので、発光層１７は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の発光波長の光を発する。このように、発光層１７のインジウム組成が比較的に大きい場合、井戸層１７ａ及び井戸層１７ｃとバリア層１７ｂとのバンドオフセットが比較的大きいので、ピエゾ分極によるバンド構造の歪の影響が顕著となるが、このような場合においても、発光層１７における電子の注入効率の低減を十分に抑制できる。
【００６８】
また、バリア層１７ｂのインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことができる。バリア層１７ｂのインジウム組成が０．０１以上０．０６以下の範囲にあるので、結晶性の低下が十分に抑制される。
【００６９】
また、バリア層１７ｂの膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことができる。バリア層１７ｂの膜厚が１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にあるので、比較的に薄い。よって、バンド構造に歪みが生じていても、電子がバリア層１７ｂのエネルギー障壁を乗り越えて井戸層１７ａから隣の井戸層１７ｂに移動しやすくなるので、発光層１７における電子の注入効率の低減が十分に抑制できる。
【００７０】
図１の（ｂ）部に示すように、発光素子１１のエピタキシャル基板ＥＰ１は、発光素子１１の上記の各半導体層に対応する半導体層（半導体膜）を含み、対応する半導体層には、上記の発光素子１１のための説明が当てはまる。エピタキシャル基板ＥＰ１の表面粗さは、例えば、１０μｍ角の範囲で１ｎｍ以下の算術平均粗さを有する。
【００７１】
次に、図３及び図４を参照して、実施形態に係る発光素子１１の作製方法を説明する。図３は、実施形態に係る発光素子１１の製造方法の主要な工程を示す図面である。図４は、実施形態に係る発光素子１１の作製方法の主要な工程における生産物を模式的に示す図面である。図４に示すエピタキシャル基板ＥＰは、図１の（ｂ）部に示すエピタキシャル基板ＥＰ１に対し、ｐ側電極及びｎ側電極等が形成された基板生産物である。エピタキシャル基板ＥＰ１から更にエピタキシャル基板ＥＰが作製され、このエピタキシャル基板ＥＰから発光素子１１が分離される。
【００７２】
図３に示される工程フローに従って、有機金属気相成長法により、発光素子１１の構造のエピタキシャル基板ＥＰと、発光素子１１とを作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、及び、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）が用いられる。
【００７３】
工程Ｓ１では、窒化ガリウム系半導体からなる主面１３ａ＿１（主面１３ａに対応）を有する基板１３＿１（支持基体１３に対応）を用意する。基板１３＿１は、図４の（ａ）部等に示される。基板１３＿１は、裏面１３ｂ＿１（裏面１３ｂに対応）を有する。裏面１３ｂ＿１は、主面１３ａ＿１の反対側にある。主面１３ａ＿１は鏡面研磨されている（以上、工程Ｓ１）。
【００７４】
次に、基板１３＿１の上に以下の条件でエピタキシャル成長を行う。まず、工程Ｓ３では、基板１３＿１を反応炉１０内に設置する。反応炉１０内には、例えば石英フローチャネル等の石英製の治具が配置されている。必要な場合には、摂氏１０５０度程度の温度及び２７ｋＰａ程度の炉内圧力において、ＮＨ３とＨ２を含む熱処理ガスを反応炉１０に供給しながら、１０分間程度、熱処理を行う。この熱処理により、主面１３ａ＿１等において表面改質が生じる（以上、工程Ｓ３）。
【００７５】
この熱処理の後に、工程Ｓ５では、基板１３＿１の上に窒化ガリウム半導体層を成長してエピタキシャル基板ＥＰ及びエピタキシャル基板ＥＰ１を形成する。雰囲気ガスは、キャリアガス及びサブフローガスを含む。雰囲気ガスは、例えば、Ｎ２及びＨ２の少なくとも一方を含むことができる。工程Ｓ５は、下記の工程Ｓ５１、工程Ｓ５２及び工程Ｓ５３を含む。
【００７６】
工程Ｓ５１では、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉１０に供給して、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５＿１（ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５に対応）をエピタキシャルに成長して形成する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５＿１は、図４の（ａ）部等に示される。工程Ｓ５１において用いられる原料ガスは、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素のための原料と、ｎ型ドーパントとを含む。まず、ｎ型ＧａＮ層１５ａ＿１（ｎ型ＧａＮ層１５ａに対応）を主面１３ａ＿１上に成長し、次に、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｂ＿１（ｎ型クラッド層１５ｂに対応）をｎ型ＧａＮ層１５ａ＿１上に成長し、次に、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１（ｎ型ガイド層１５ｃに対応）をｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｂ＿１上に成長する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５＿１の表面１５＿１ａ（ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１の表面）の傾斜角は、主面１３ａ＿１の傾斜角（傾斜角αに対応）に対応している（以上、工程Ｓ５１）。また、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１は、二つの層（それぞれ、ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄ及びｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応）からなることができる。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層のうちｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応する層の基板１３＿１の側の表面（ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層の界面）は、ミスフィット転位を含む。このミスフィット転位は、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層の界面に直交しｃ軸を含む基準面（ａ面に沿って延びる面）とｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層の界面とが共有する基準軸と、ｃ軸と、に直交する方向に（ａ軸に沿って）延びている。このミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１を構成する二つの層のうちｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応する層のインジウム組成は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある。
【００７７】
工程Ｓ５２では、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉１０に供給して、ＧａＮ系量子井戸層１７＿１（発光層１７に対応）をエピタキシャルに成長して形成する。ＧａＮ系量子井戸層１７＿１は、図４の（ｂ）部等に示される。工程Ｓ５２において用いられる原料ガスは、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素のための原料を含む。工程Ｓ５２は、下記の工程Ｓ５２ａ、工程Ｓ５２ｂ及び工程５２ｃを含む。工程Ｓ５２ａでは、ＧａＮ系井戸層１７ａ＿１（井戸層１７ａに対応）を、ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｃ＿１上に成長して形成する。工程Ｓ５２ｂでは、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１（バリア層１７ｂに対応）を、ＧａＮ系井戸層１７ａ＿１上に成長して形成する。工程Ｓ５２ｃでは、ＧａＮ系井戸層１７ｃ＿１（井戸層１７ｃに対応）を、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１上に成長して形成する（以上、工程Ｓ５２）。
【００７８】
次に、工程Ｓ５３において、原料ガスと雰囲気ガスとを反応炉１０に供給して、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１（ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９に対応）をエピタキシャルに成長して形成する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１は、図４の（ｃ）部等に示される。工程Ｓ５３において用いられる原料ガスは、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素のための原料と、ｐ型ドーパントとを含む。まず、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ａ＿１（ｐ型ガイド層１９ａに対応）をＧａＮ系井戸層１７ｃ＿１上に成長し、次に、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｂ＿１（ｐ型クラッド層１９ｂに対応）をｐ型ＧａＮ系半導体層１９ａ＿１上に成長し、次に、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｃ＿１（ｐ型コンタクト層１９ｃに対応）をｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｂ＿１上に成長する（以上、工程Ｓ５３）。以上の工程Ｓ５１、工程Ｓ５２及び工程Ｓ５３が全て実施されることによって、エピタキシャル基板ＥＰ１が形成され、工程Ｓ５が終了する。
【００７９】
そして、工程Ｓ７及び工程Ｓ９において、ｎ側電極及びｐ側電極を形成する。まず、ＬＥＤの発光素子１１を作製する場合の工程Ｓ７及び工程Ｓ８について説明する。工程Ｓ７において、エピタキシャル基板ＥＰ１に対し、ｎ側電極及びｐ側電極を形成し、エピタキシャル基板ＥＰを形成する。まず、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１の表面１９＿１ａに絶縁膜（絶縁膜２３に対応）を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって絶縁膜に開口（開口２３ａに対応）を設けて、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｃ＿１の表面１９＿１ａを露出する。次に、絶縁膜上に、ｐ側電極（ｐ側電極２１に対応）を、真空蒸着によって形成する。次に、基板１３＿１の裏面１３ｂ＿１を研磨した後、裏面１３ｂ＿１上にｎ側電極（ｎ側電極２５に対応）を、真空蒸着によって形成する。ｎ側電極は、研磨後の裏面１３ｂ＿１を覆う。以上によって、エピタキシャル基板ＥＰが形成される（以上、工程Ｓ７）。そして、工程Ｓ９において、エピタキシャル基板ＥＰから、発光素子１１を分離する（工程Ｓ９）。
【００８０】
次に、ＬＤの発光素子１１を作製する場合の工程Ｓ７及び工程Ｓ９について説明する。工程Ｓ７では、まず、ドライエッチングによって、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１９＿１にリッジ形状部を形成する。次に、リッジ形状部の側面にＳｉＯ２の絶縁膜（絶縁膜２３に対応）を形成し、リッジ形状部の上面は露出する。次に、露出したリッジ形状部の上面にＮｉ／Ａｕの電極を真空蒸着によって形成し、更に、絶縁膜及びＮｉ／Ａｕ電極上に、Ｔｉ／Ａｕのパッド電極を真空蒸着によって形成する。Ｔｉ／Ａｕのパッド電極は、絶縁膜及びＮｉ／Ａｕ電極を覆う。Ｎｉ／Ａｕの電極とＴｉ／Ａｕのパッド電極とは、ｐ側電極（ｐ側電極２１に対応）を構成する。次に、基板１３＿１の裏面１３ｂ＿１を、例えば、エピタキシャル基板ＥＰ１の厚みが８０μｍ程度となるまで研磨した後に、裏面１３ｂ＿１上に、Ｔｉ／Ａｌの電極を真空蒸着によって形成し、このＴｉ／Ａｌの電極上に、Ｔｉ／Ａｕのパッド電極を真空蒸着によって形成する。Ｔｉ／Ａｌの電極とＴｉ／Ａｕのパッド電極とは、ｎ側電極（ｎ側電極２５に対応）を構成する。ｎ側電極は、研磨後の裏面１３ｂ＿１を覆う（以上、ＬＤの場合の工程Ｓ７）。そして、工程Ｓ９では、レーザバーをエピタキシャル基板ＥＰから分離し、このレーザバーの共振器端面に、誘電体多層膜（例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２）からなる反射膜を成膜した後に、発光素子１１に分離する（以上、ＬＤの場合の工程Ｓ９）。
【００８１】
（実施例）
次に、実施形態に係る発光素子１１の実施例について説明する。図５は、発光素子１１の実施例の構成を示す図である。図５に示す構成は、エピタキシャル基板ＥＰ１の構成に対応する。まず、半極性の主面（主面１３ａ＿１及び主面１３ａに対応）を有するＧａＮ基板（基板１３＿１及び支持基体１３に対応）を用意した。ＧａＮ基板の主面は、ｃ面からＧａＮ基板のｍ軸に向けて７５度だけ傾斜している（２０−２１）面に沿って、延びていた。そして、ＧａＮ基板をＮＨ３及びＨ２の雰囲気中において、摂氏１０５０度程度のもとで１０分程度の間だけ保持し、前処理(サーマルクリーニング)を行う。
【００８２】
次に、サーマルクリーニングの後、ｎ−ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層１５ａ＿１及びｎ型ＧａＮ層１５ａに対応）を、摂氏１０５０度程度のもとでエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏８４０度程度に下げ、２μｍ程度の膜厚のｎ−Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層（ｎ型ＧａＮ系半導体層１５ｂ＿１及びｎ型クラッド層１５ｂに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、摂氏８４０度程度の温度のもとで、２００ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮガイド層１５ｄに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、摂氏８４０度程度の温度のもとで、１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層（ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応）をエピタキシャルに成長した。
【００８３】
次に、温度を摂氏７９０度程度に下げて、２．５ｎｍ程度の膜厚のＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層（ＧａＮ系井戸層１７ａ＿１及び井戸層１７ａに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏８４０度程度に上げて、Ｌ（ｎｍ）の膜厚のＩｎＫＧａ１−ＫＮ層（ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏７９０度程度に下げて、２．５ｎｍ程度の膜厚のＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層（ＧａＮ系井戸層１７ｃ＿１及び井戸層１７ｃに対応）をエピタキシャルに成長した。
【００８４】
次に、温度を摂氏８４０度程度に上げて、５０ｎｍ程度の膜厚のアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層をエピタキシャルに成長し、この後、１００ｎｍ程度の膜厚のｐ−Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層をエピタキシャルに成長し、この後、２００ｎｍ程度の膜厚のｐ−ＧａＮ層をエピタキシャルに成長した。この５０ｎｍ程度の膜厚のアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層と、１００ｎｍ程度の膜厚のｐ−Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層と、２００ｎｍ程度の膜厚のｐ−ＧａＮ層とからなる領域は、ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ａ＿１及びｐ型ガイド層１９ａに対応する。次に、摂氏８４０度程度の温度のもとで、４００ｎｍ程度の膜厚のｐ−Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層（ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｂ＿１及びｐ型クラッド層１９ｂに対応）をエピタキシャルに成長した。次に、温度を摂氏１０００度程度に上げて、５０ｎｍ程度の膜厚のｐ−ＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ系半導体層１９ｃ＿１及びｐ型コンタクト層１９ｃに対応）をエピタキシャルに成長した。
【００８５】
以下、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例１とする。
【００８６】
ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが０．０４であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例２とする。実施例２と実施例１との相違点は、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋの値のみである。
【００８７】
ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが、ｐ側からｎ側に向かって０．０２から０．０４に連続的に変化する（増加する）値であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例３とする。実施例３と実施例１との相違点は、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋの値のみである。
【００８８】
ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊが０．０４であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層のインジウム組成Ｋが０．０２であり、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌが２．５ｎｍの場合に作製される発光素子１１を、実施例４とする。実施例４と実施例１との相違点は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５ｅに対応するｎ−ＩｎＪＧａ１−ＪＮ層のインジウム組成Ｊの値のみである。
【００８９】
更に、実施例１に対し、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌを０．５ｎｍとした場合に作製される発光素子を、比較例１とする。実施例１に対し、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌを５ｎｍとした場合に作製される発光素子を、比較例２とする。実施例１に対し、ＧａＮ系バリア層１７ｂ＿１及びバリア層１７ｂに対応するＩｎＫＧａ１−ＫＮ層の膜厚の値Ｌを１０ｎｍとした場合に作製される発光素子を、比較例３とする。
【００９０】
図６を参照して、実施例１に対する考察を行う。図６は、実施例及び比較例に対するＰＬ発光波長の測定結果を示す図である。図中符号Ｇ１ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ１ｂは、比較例１に対する結果であり、図中符号Ｇ１ｃは、比較例２に対する結果であり、図中符号Ｇ１ｄは、比較例３に対する結果である。図６を参照すると、実施例１、及び、比較例１〜３は、何れも、井戸層のインジウム組成は同じだが、実施例１のＰＬ発光波長は、比較例１〜３に比べて、大幅に短くなった。この原因としては、次のことが考えられる。支持基体の主面が（２０−２１）面のような半極性面に対応する場合、井戸層のピエゾ分極が負であるために、図２に示すように発光層のバンド構造に歪が生じ、電子Ｅの波動関数は、井戸層のｎ側に偏り、正孔の波動関数は井戸層のｐ側に偏る。しかしながら、実施例１の場合のように、隣接する二つの井戸層の間に設けられたバリア層の膜厚が比較的に薄いと、このバリア層の両側にある隣接する二つの井戸層の間の波動関数にも重なりが生じ、同一井戸層において電子と正孔とが結合して発光が生じるだけでなく、バリア層を介してバリア層の一方の側の井戸層の電子と他方の側の井戸層の正孔とが結合して発光が生じる現象も生じるため、大幅に短いＰＬ発光波長が検出されたものと考えられる。一方、図中符号Ｇ１ｂに示すように、バリア層の膜厚が、実施例１のような２．５ｎｍよりも更に薄く、比較例１のような０．５ｎｍの場合には、井戸層の膜厚が厚い単一量子井戸構造とほぼ等価となるので、ＰＬ発光波長は比較的に長くなる。なお、図示しないが、実施例及び比較例に対し、ＰＬ発光強度の測定も行った。ＰＬ発光強度についての測定結果については、実施例１、比較例２，３の場合、すなわち、バリア層の膜厚が２．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の場合には、ＰＬ発光強度に有意な差が見られなかったが、比較例１の場合、すなわち、バリア層の膜厚が０．５ｎｍの場合のＰＬ発光強度は、実施例１、比較例２，３の場合のＰＬ発光強度の６０％程度と低かった。このような比較例１に対するＰＬ発光強度に対する測定結果は、バリア層の膜厚が比較的に薄く、結晶性の回復が不十分なまま、このバリア層上に新たな井戸層が成長されているために、発光層の全体的な結晶品質が低下したことが原因と考えられる。
【００９１】
次に、図７〜図１１を参照して、実施例１に対する考察を行う。図７は、実施例１及び比較例２に対する発光波長の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図８は、実施例１及び比較例２に対する発光出力の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図９は、実施例１及び比較例２に対する発光波長の半値幅の電流密度依存性の測定結果を示す図であり、図１０及び図１１は、実施例１及び比較例２に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。図１２は、実施例２、実施例３及び下記の比較例４に対するＩＶ特性の測定結果を示す図である。図１１は、図１０の縦軸（電流密度）を対数で表示した図であり、図１３は、図１２の縦軸（電流密度）を対数で表示した図である。図７〜図１３に示す測定結果は、１００μｍ×１００μｍのサイズのＰｄ電極がｐ側の電極に用いられており、裏面全面に設けられたＴｉ/Ａｌ/Ｔｉ/Ａｕ電極がｎ側電極に用いられたＬＥＤの実施例１、実施例２、実施例３、比較例２及び比較例４によって得られた。図７〜図９に示す結果は、実施例１及び比較例２に対しパルス電流の印加によって得られた。図１０〜図１３に示す結果は、実施例１、実施例２、実施例３、比較例２及び比較例４に対し直流電流の印加によって得られた。比較例４の発光素子は、実施例１の構造のうち、多重量子井戸構造の発光層が、単一量子井戸構造の発光層となっているＬＥＤであった。
【００９２】
図７において、図中符号Ｇ２ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ２ｂは、比較例２に対する結果である。電流密度が小さい場合には、実施例１の方が比較例２よりも発光波長が短く、ＰＬ発光波長に対する図６に示す測定結果と一致していた。しかし、電流密度が大きくなり比較的に高い電流注入が行われた段階では、実施例１の発光波長と比較例２の発光波長との波長差は縮まり、ほぼ同等となった。このことは、電流注入に伴ってピエゾ分極が弱まり、実施例１においても、スクリーニングにより、隣接する井戸層間における遷移確率が低下したためと考えられる。なお、バリア層の膜厚が２．５ｎｍ程度の場合、ｃ面上に形成された発光素子であれば、発光効率は低下するが、（２０−２１）面のような半極性面上にＩｎＧａＮ層を成長する実施例１の場合には、ＩｎＧａＮ層の成長が均質で高品質となる傾向があるので、バリア層の膜厚が極端に薄くとも発光効率を維持できると考えられる。
【００９３】
図８において、図中符号Ｇ３ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ３ｂは、比較例２に対する結果である。図８に示す測定結果によれば、実施例１の方が比較例２よりも発光出力が高かった。上述の通り、実施例１と比較例２のＰＬ発光強度は同等であったため、井戸層の品質に大きな違いはないはずであるので、電流注入によって図８に示すような実施例１と比較例２との間に生じた発光出力の差異の原因は、実施例１の方が比較例２よりもキャリア注入効率に優れる点にあると考えられる。
【００９４】
図９において、図中符号Ｇ４ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ４ｂは、比較例２に対する結果である。図８に示す測定結果によれば、実施例１の方が比較例２よりも半値幅（ＦＷＨＭ）が狭く、特に、実施例１と比較例２との半値幅の差は、電流密度が比較的に低く電子の注入が比較的に小さい段階において顕著であった。比較例２の場合、キャリア注入効率が悪く、井戸間のキャリア密度が不均一なために、半値幅が広がったと考えられる。電流密度を増加させると、キャリア密度の不均一性が多少とも緩和されるので、実施例１と比較例２との半値幅の差は小さくなるが、同等になるまでには至らなかった。
【００９５】
図１０において、図中符号Ｇ５ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ５ｂは、比較例２に対する結果である。図１１において、図中符号Ｇ６ａは、実施例１に対する結果であり、図中符号Ｇ６ｂは、比較例２に対する結果である。図１０を参照すると、実施例１の方が比較例２よりも、拡散電流が流れ始める電流密度の立ち上がりが早く、この結果も、実施例１がキャリア注入効率に優れていることを裏付けている。図１１を参照すると、拡散電流が流れ始める電流密度の立ち上がり電圧は、実施例１の場合には２．４ボルトであり、比較例２の場合には２．６ボルトであった。
【００９６】
以上の図７〜図１１に示す測定結果によれば、バリア層の膜厚を比較的に薄く（例えば、２．５ｎｍ程度に）することによって、井戸層のピエゾ分極が負の場合であっても、発光層における電子の注入効率を改善できることが、わかった。この現象は、弱励起の発光波長が短くなる点にも反映されている（弱励起は、図７に示す測定結果において、０．０５ｋＡ／ｃｍ２以下の電流密度に対応）。また、この現象は拡散電流が流れ始める立ち上がり電圧が低くなる点にも反映されており、例えば立ち上がり電圧を２．５Ｖ以下にすることができる。なお、キャリア注入効率と発光効率とを両立させる観点から、井戸層の膜厚とバリア層の膜厚とを同程度にすることが特に好適である。すなわち、弱励起の発光波長が短くなるときに、キャリア注入効率と発光効率の両方に優れた発光層を得ることができる。
【００９７】
次に、図１２及び図１３を参照して、実施例２と実施例３とに対する考察を行う。図１２において、図中符号Ｇ７ａは、実施例２に対する結果であり、図中符号Ｇ７ｂは、実施例３に対する結果であり、図中符号Ｇ７ｃは、比較例４に対する結果である。図１３において、図中符号Ｇ８ａは、実施例２に対する結果であり、図中符号Ｇ８ｂは、実施例３に対する結果であり、図中符号Ｇ８ｃは、比較例４に対する結果である。拡散電流が流れ始める立ち上がり電圧は、実施例２で２．３ボルトであり、実施例３で２．２ボルトとなっており、２．４ボルト（図１０を参照）の実施例１よりも、実施例２と実施例３の立ち上がり電圧は改善されており、単一量子井戸構造の比較例４の２．２ボルトとは、ほぼ同等であった。図１２に示す結果及び図１３に示す結果は、実施例２についてはバリア層全体のバンドギャップエネルギーを下げた効果、及び、実施例３についてはピエゾ分極によるバンド曲がりを緩和するようなバンド構造を組成傾斜によって形成し電子に対する障壁の高さを低くした効果によって、キャリア注入効率が改善された、ということを示唆する結果である。
【００９８】
また、実施例１及び実施例４については、断面ＴＥＭ観察を行って、ミスフィット転位の測定を行った。断面ＴＥＭ観察を行ったところ、実施例４においては、ｎ側のガイド層に含まれている１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＧａＮ層と２００ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＧａＮ層との界面に、２×１０４ｃｍ−１程度のミスフィット転位が認められた。これに対し、実施例１における同じ箇所には、ミスフィット転位は認められなかった。これより、実施例４においては、ｎ側のガイド層のインジウム組成が比較的に高くされていることによって、ｎ側のガイド層に含まれている１５０ｎｍ程度の膜厚のＩｎＧａＮ層が支持基体に対して緩和しているために、発光層が内包する歪が緩和されていることが、わかる。
【００９９】
次に、実施例４に対する考察を行う。ＬＤの場合の実施例１とＬＤの場合の実施例４とに対し、パルス電流印加によって、レーザ特性を評価した。実施例１のＩｔｈ（電流閾値）が８５ｍＡであり、実施例４のＩｔｈが６０ｍＡであった。実施例４のＩｔｈの方が実施例１のＩｔｈよりも、低い値であった。実施例４の場合、ガイド層に含まれる１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＧａＮ層の緩和によって井戸層のピエゾ分極が若干小さくなり、よって、キャリア注入効率が改善された、ということが予想される。各井戸層にキャリアが均一に注入されることによって、発光効率の改善だけでなく、内部ロスの低減も実現されているものと考えられる（キャリア注入が不均一な場合は、複数の井戸層のうち、キャリア密度が低く透明化していない井戸層が、光の吸収源として働く。）。更に、実施例４の場合、ガイド層に含まれる１５０ｎｍ程度の膜厚のｎ−ＩｎＧａＮ層のインジウム組成が比較的に高いので、光閉じ込めの効果が比較的に大きい、ということも、実施例４のＩｔｈの方が実施例１のＩｔｈよりも低い値であったことの一因であると、考えられる。
【０１００】
なお、実施例４の場合、測定の結果、ＰＬ発光波長が５２７ｎｍであったのに対して発振波長は５２２ｎｍであったが、実施例１の場合、測定の結果、ＰＬ発光波長が５２５ｎｍであったのに対して発振波長は５１７ｎｍであった。（２０−２１）面のような半極性面の主面上に設けられている発光素子の場合、ピエゾ分極がゼロではないが、ピエゾ分極の発生にもかかわらず、このように、ＰＬ発光波長と、発振波長との差が比較的に小さい、ということは、少なくとも実施例１及び実施例４の場合においては、ＰＬ発光波長の測定時にはバリア層の膜厚が比較的に薄いことによって隣接する井戸層間において遷移確率が増大するメカニズム（図６に示す結果を参照）が作用している、ということを示唆している。このメカニズムが作用するときに、キャリア注入効率が向上する。このように、実施例１及び実施例４によって実際に確認されているように、発光素子がキャリア注入効率に優れる構造を有する場合、電流密度が０．０５ｋＡ／ｃｍ２程度におけるＥＬ発光波長（ＥＬ：Electro Luminescence）のピーク値、又は、このＥＬ発振波長のピーク値に相当する励起密度におけるＰＬ発光波長のピーク値から、発振波長までのブルーシフト量は、１５ｎｍ以下であった。
【０１０１】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…反応炉、１１…発光素子、１３…支持基体、１３＿１…基板、１３ａ，１３ａ＿１…主面、１３ｂ，１３ｂ＿１…裏面、１５，１５＿１…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、１５＿１ａ，１５ｆ，１７＿１ａ，１９＿１ａ…表面、１５ａ，１５ａ＿１…ｎ型ＧａＮ層、１５ｂ…ｎ型クラッド層、１５ｂ＿１…ｎ型ＧａＮ系半導体層、１５ｃ…ｎ型ガイド層、１５ｃ＿１…ｎ型ＧａＮ系半導体層、１５ｄ…ｎ型ＧａＮガイド層、１５ｅ…ｎ型ＩｎＧａＮガイド層、１７…発光層、１７＿１…ＧａＮ系量子井戸層、１７ａ，１７ｃ…井戸層、１７ａ＿１，１７ｃ＿１…ＧａＮ系井戸層、１７ｂ…バリア層、１７ｂ＿１…ＧａＮ系バリア層、１９，１９＿１…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、１９ａ…ｐ型ガイド層、１９ａ＿１…ｐ型ＧａＮ系半導体層、１９ｂ…ｐ型クラッド層、１９ｂ＿１…ｐ型ＧａＮ系半導体層、１９ｃ…ｐ型コンタクト層、１９ｃ＿１…ｐ型ＧａＮ系半導体層、２１…ｐ側電極、２５…ｎ側電極、ＡＸ…法線軸、ＣＲ…結晶座標系、ＥＰ，ＥＰ１…エピタキシャル基板、Ｓ…座標系、ＳＣ…面、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、ＶＮ…法線ベクトル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する支持基体と、
前記支持基体の前記主面上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、
前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
を備え、
前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、
前記多重量子井戸構造は、少なくとも二つの井戸層と、少なくとも一つのバリア層とからなり、
前記バリア層は、前記二つの井戸層の間に設けられ、
前記二つの井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記二つの井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、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】
前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、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ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、
前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記支持基体側の表面にミスフィット転位が存在し、
前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、
前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する基板を用意する工程と、
前記基板の前記主面上にｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に、窒化ガリウム系半導体からなる発光層を成長する工程と、
前記発光層上にｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、
を備え、
前記発光層は、少なくとも第１の井戸層及び第２の井戸層と、少なくとも一つのバリア層とを有し、
前記発光層を成長する工程では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上において、前記第１の井戸層、前記バリア層、前記第２の井戸層を順に成長し、
前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１２】
前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１３】
前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１４】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、
前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記基板側の表面にミスフィット転位が存在し、
前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、
前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１３の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１５】
前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１６】
前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１７】
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１６の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１８】
前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１７の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１９】
前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項２０】
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１９の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１】
六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する支持基体と、
前記支持基体の前記主面上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、
前記発光層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
を備え、
前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、
前記多重量子井戸構造は、少なくとも二つの井戸層と、少なくとも一つのバリア層とからなり、
前記バリア層は、前記二つの井戸層の間に設けられ、
前記二つの井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記二つの井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、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】
前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、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ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、
前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記支持基体側の表面にミスフィット転位が存在し、
前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、
前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
六方晶系窒化物半導体からなり、前記六方晶系窒化物半導体のｃ面から予め規定された方向に傾斜した主面を有する基板を用意する工程と、
前記基板の前記主面上にｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に、窒化ガリウム系半導体からなる発光層を成長する工程と、
前記発光層上にｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と、
を備え、
前記発光層は、少なくとも第１の井戸層及び第２の井戸層と、少なくとも一つのバリア層とを有し、
前記発光層を成長する工程では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上において、前記第１の井戸層、前記バリア層、前記第２の井戸層を順に成長し、
前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記第１の井戸層及び前記第２の井戸層は、０．１５以上０．５０以下の範囲にある第１のインジウム組成を有し、
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、５０度以上８０度以下の範囲、及び、１３０度以上１７０度以下の範囲、の何れかの範囲にあり、
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の範囲にある、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１２】
前記バリア層の膜厚は、前記井戸層の膜厚に０．５０ｎｍを足し合わせた値以下であり、且つ、前記井戸層の膜厚から０．５０ｎｍを差し引いた値以上である、ことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１３】
前記バリア層は、ＩｎＧａＮからなり、
前記バリア層は、０．０１以上０．１０以下の範囲にある第２のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１４】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、ＩｎＧａＮ層を有し、
前記ＩｎＧａＮ層上に前記発光層が設けられ、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の内部における前記ＩｎＧａＮ層の前記基板側の表面にミスフィット転位が存在し、
前記ミスフィット転位は、前記ＩｎＧａＮ層の前記表面に直交し前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸を含む基準面と前記ＩｎＧａＮ層の前記表面とが共有する基準軸と、前記ｃ軸とに直交する方向に延びており、
前記ミスフィット転位の密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１３の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１５】
前記ＩｎＧａＮ層は、０．０３以上０．０５以下の範囲にある第３のインジウム組成を有する、ことを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１６】
前記第２のインジウム組成は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の側から、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の側に向かって、増加している、ことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１７】
前記ｃ面に対する前記主面の傾斜角は、６３度以上８０度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１６の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１８】
前記第１のインジウム組成は、０．２４以上０．４０以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１７の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項１９】
前記第２のインジウム組成は、０．０１以上０．０６以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【請求項２０】
前記バリア層の膜厚は、１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１９の何れか一項に記載の窒化物半導体発光素子の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−９８４２９（Ｐ２０１３−９８４２９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１５２３（Ｐ２０１１−２４１５２３）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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