ＩＩＩ族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板
【課題】低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子を提供する。
【解決手段】支持体１３の主面１３ａは、基準平面Ｓｃに対して４０度以上１４０度以下の角度ＡＬＰＨＡを成しており、基準平面Ｓｃは該III族窒化物半導体のｃ軸の方向に延びる基準軸Ｃｘに直交する。主面１３ａは半極性及び無極性のいずれか一方を示す。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５は支持体１３の主面１３ａ上に設けられる。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５、活性層１９及びｐ型ＧａＮ系半導体層１７は法線軸Ｎｘの方向に配列されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層１７にはｐ型ドーパントしてマグネシウムが添加されており、ｐ型ＧａＮ系半導体層１７はｐ型ドーパントとして炭素を含む。ｐ型ＧａＮ系半導体層１７の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【解決手段】支持体１３の主面１３ａは、基準平面Ｓｃに対して４０度以上１４０度以下の角度ＡＬＰＨＡを成しており、基準平面Ｓｃは該III族窒化物半導体のｃ軸の方向に延びる基準軸Ｃｘに直交する。主面１３ａは半極性及び無極性のいずれか一方を示す。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５は支持体１３の主面１３ａ上に設けられる。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５、活性層１９及びｐ型ＧａＮ系半導体層１７は法線軸Ｎｘの方向に配列されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層１７にはｐ型ドーパントしてマグネシウムが添加されており、ｐ型ＧａＮ系半導体層１７はｐ型ドーパントとして炭素を含む。ｐ型ＧａＮ系半導体層１７の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体光素子、及びIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、シリコン基板上に（１−１０１）面ＧａＮを一様に成長することが記載されている。このＧａＮは、７度オフの（００１）面シリコン基板上にＡｌＮ中間層を介して選択有機金属気相成長法で成長されたストライプ状ＧａＮの合体物上に成長された。３種類のサンプル（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）が作製された。サンプル（Ａ）はＬＴ−ＡｌＮ中間層上に成長されたＧａＮを含む。サンプル（Ｂ）は、３０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ上層を含む。サンプル（Ｃ）はＬＴ−ＡｌＮ中間層無しに成長されたＧａＮを含む。３種類のサンプル（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のホール測定を行った。サンプル（Ａ）はｐ導電性を示し、サンプル（Ｂ）はｎ導電性を示した。サンプル（Ｃ）の導電性は、低温から高温への３つの温度領域（８０Ｋ以下、８０Ｋ〜２００Ｋ、２００Ｋ以上）においてそれぞれｎ型、ｐ型及びｎ型を示した。非特許文献１には以下のように記載されている：サンプル（Ａ）及び（Ｂ）は、ＧａＮ／ＡｌＮ／Ｓｉヘテロ接合を含み、ヘテロ接合における伝導がサンプル（Ａ）及び（Ｂ）における伝導性の主要なものであると推測される。
【０００３】
非特許文献２には、シリコン基板上に（１−１０１）面ＧａＮを一様に成長することが記載されている。このＧａＮは、７度オフの（００１）面シリコン基板上にＡｌＮ中間層を介して選択有機金属気相成長法で成長されたストライプ状ＧａＮの合体物上に成長された。（１−１０１）面ＧａＮにはマグネシウムが添加された。マグネシウム添加のために、ドーパントガスＥｔＣｐ２Ｍｇが用いられた。ドーパントガス／ガリウム原料のモル比（ＥｔＣｐ２Ｍｇ／ＴＭＧ）が２×１０−３未満の添加領域では、ドーパントガスの添加量の増加に伴って、ＧａＮ膜中の正孔濃度は低下する。一方、モル比２×１０−３を越える添加領域では、ドーパントガスの添加量の増加に伴って、正孔濃度は増加して、１×１０１８ｃｍ−３程度に飽和する。ｃ面ＧａＮの成長では、モル比２×１０−３未満の添加領域における成長ＧａＮは、ｎ導電性を示したけれども、モル比２×１０−３を越える添加領域においてｐ導電性を示した。非特許文献２では、この現象について、（１−１０１）面ＧａＮは窒素面からなるけれども、ｃ面ＧａＮはＧａ面からなることで説明している。
【０００４】
非特許文献３には、シリコン基板上に（１−１０１）面及び（１１−２２）面ＧａＮを一様に成長することが記載されている。ドーパントガスＣ２Ｈ２を用いて、ＧａＮの成長において炭素を添加している。（１１−２２）面ＧａＮへの炭素添加は、（１−１０１）面ＧａＮへの炭素添加と異なる効果を与える。
【０００５】
非特許文献１〜３の執筆者の一部は共通している。
【０００６】
特許文献１には、炭素濃度を高めることで、ＧａＮ膜の電気抵抗を増加させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2009-21279号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Hikosaka et al., Applied Physics Letters Vol. 84, No. 23 (2004)pp.4717-4719
【非特許文献２】Nobuhiro Sawaki et al., Journal of Crystal Growth 298 2007,pp.207-210
【非特許文献３】Nobuhiro Sawaki et al., Journal of Crystal Growth 311 2009,pp.2867-2874
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１〜３に記載されるように、７度オフの（００１）面シリコン基板上にＡｌＮ中間層を介して選択有機金属気相成長法で成長されたストライプ状ＧａＮの合体物には、ヘテロ接合が含まれることに加えて、ＧａＮに高い密度で貫通転位が含まれる可能性が高い。これ故に、非特許文献１〜３に記載されるＧａＮ合体物の結晶学的な構造は導電性が複雑である。
【００１０】
一方、特許文献１では、ＧａＮ膜中への炭素添加により高抵抗を実現している。非特許文献１〜３及び特許文献１に示されるように、窒化ガリウム系半導体における炭素の振る舞いは、複雑である。しかしながら、発明者らの検討によれば、窒化ガリウム系半導体において炭素をｐ型ドーパントとして安定して利用できる。
【００１１】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体光素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有する支持体と、（ｂ）前記支持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、（ｃ）前記支持体の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｄ）前記支持体の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層とを備える。前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００１３】
本発明の別の側面に係るIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、（ｂ）前記III族窒化物半導体基板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、（ｃ）前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｄ）前記III族窒化物半導体基板の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層とを備える。前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００１４】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、支持体又は基板の主面上に設けられており、この主面は、４０度以上１４０度以下の範囲の角度でｃ面と有限な角度を成している。この角度範囲では、ｐ型窒化ガリウム系半導体層に添加された炭素は安定してｐ型ドーパントして働く。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、共にｐ型ドーパントして働く炭素及びマグネシウムを含むので、炭素及びマグネシウムの両方から正孔が提供される。また、所望の正孔濃度に得るために必要なマグネシウムの添加量を小さくできるので、マグネシウム添加に起因する結晶性の低下を避けることができる。また、所望の正孔濃度を得るために必要な炭素の添加を小さくできるので、炭素添加に起因するモフォロジの低下を抑制でき、またモフォロジ悪化による結晶品質の低下を避けることができる。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、前記井戸層は、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、井戸層の炭素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるので、ｐ型ドーパントとしての炭素は、活性層の発光特性に実質的に影響しない。
【００１６】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい。
【００１７】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度はｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい。炭素がｐ型ドーパントとして作用するけれども、ｐ型ドーパントとしての炭素は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ導電型に実質的に影響しない。
【００１８】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、通常のｎ型ドーパントの添加濃度の下では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の電子濃度は十分に大きい。
【００１９】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮの少なくともいずれか一方からなることができる。本III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの窒化ガリウム系半導体のｎ導電型に関して、ｐ型ドーパントとしての炭素は実質的に影響しない。
【００２０】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮなることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、適切な導電性と所望の歪みとをｎ型窒化ガリウム系半導体層に提供できる。
【００２１】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層における前記炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層におけるマグネシウム濃度より大きいことができる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、炭素の活性化エネルギはマグネシウムの活性化エネルギより小さいので、所望の正孔濃度を提供するために必要なマグネシウムの添加量が増加しない。
【００２２】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第１の光ガイド層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第２の光ガイド層とを更に備える。前記第１の光ガイド層の少なくとも一部分はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、前記第１の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記第１の光ガイド層におけるマグネシウム濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記第２の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。
【００２３】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、炭素によるキャリア生成を小さくできるので、自由キャリアによる光吸収を低減できる。
【００２４】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記活性層は、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含む。当該III族窒化物半導体光素子は、前記活性層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた電子ブロック層を更に備えることができる。前記第１の光ガイド層は、前記電子ブロック層と前記活性層と間に設けられた第１のＩｎＧａＮ層を含み、前記第２の光ガイド層は、前記活性層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第２のＩｎＧａＮ層を含む。
【００２５】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、比較的長波長の光を生成する発光素子に適切な導波路構造を提供できる。
【００２６】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記支持体の前記主面の法線方向に配列されており、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は前記活性層の主面上に設けられ、前記活性層の前記主面は前記基準平面に対して４０度以上１４０度以下の範囲にあり、前記活性層は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。
【００２７】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられ、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層を更に備えることができる。前記コンタクト層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記コンタクト層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、コンタクト層においても、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。
【００２８】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は前記コンタクト層に接触を成す第１の電極とを更に備えことができる。このIII族窒化物半導体光素子によれば、コンタクト層がｐ型ドーパントとして炭素及びマグネシウムの両方を含むので、コンタクト層は電極と良好な電気的接触を成すことができる。
【００２９】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、５９度以上１２１度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３０】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、７０度以上８０度以下又は１００度以上１１０度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３１】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、６３度以上１１７度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３２】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、７０度以上８０度以下又は１００度以上１１０度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３３】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３４】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面の面指数は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−１｝のいずれか一つであることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの面指数は、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３５】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることができる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの角度範囲ではｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。
【００３６】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面の面指数は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれか一つであることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの面指数では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くために適した構成原子の配列を有すると考えられる。
【００３７】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子では、前記支持体の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であり、前記支持体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。本発明に係るエピタキシャル基板では、前記支持体の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であり、前記支持体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。
【００３８】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域上に成長された窒化ガリウム系半導体層においては、貫通転位がｐ型ドーパント活性化に与える影響を小さくできる。
【００３９】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子では、前記支持体はＧａＮからなることが好ましい。また、本発明に係るエピタキシャル基板では、前記基板はＧａＮからなることが好ましい。低転位なＧａＮ基板を入手可能である。
【００４０】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は、前記支持体の裏面に接触を成す第２の電極を更に備えることができる。前記支持体は導電性を示す。このIII族窒化物半導体光素子によれば、支持体は、ｐ型ドーパントとして炭素が作用可能なエピタキシャル領域を提供できると共に、良好な電気的に接触を提供できる。
【００４１】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮの少なくともいずれか一方からなることができる。本III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの窒化ガリウム系半導体のｐ導電型に関して、ｐ型ドーパントとしての炭素は有効に作用する。
【００４２】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮからなることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、適切な導電性と所望の歪みとを提供できる。
【００４３】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、前記井戸層は、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい。
【００４４】
このエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素による技術的寄与を得ることができると共に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層及び活性層においては、炭素による影響を低減できる。
【００４５】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子が提供される。また、本発明によれば、このIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子を示す図面である。
【図２】図２は、有機金属気相成長法を用いて様々な成長条件で半極性面ＧａＮ上に成長された窒化ガリウムの炭素濃度を二次イオン質量分析法で調べた炭素プロファイルを示す図面である。
【図３】図３は、図２おける窒化ガリウムの成長条件（１）〜（１０）に用いられた成長条件と窒化ガリウムにおける炭素濃度との関係を示す図面である。
【図４】図４は、成長されたＧａＮ膜中の炭素濃度と成長温度及びＶ／IIIとの関係を示す図面である。
【図５】図５は、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施の形態に係るレーザダイオード構造（ＬＤ１）及びそのエピタキシャル基板を示す図面である。
【図９】図９は、エピタキシャル基板ＥＰにおけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。
【図１０】図１０は、別のエピタキシャル基板におけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。
【図１１】図１１は、｛１０−１１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。
【図１２】図１２は、｛２０−２１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。
【図１３】図１３は、｛１０１４｝面における原子配列を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板、並びにIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４９】
図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子を示す図面である。III族窒化物半導体光素子は、例えば半導体レーザまたは発光ダイオード等の半導体発光素子であることができる。図１に示された半導体積層は、半導体発光素子のためのエピタキシャル基板の構造を示している。図１を参照すると、直交座標系Ｓが示されている。
【００５０】
III族窒化物半導体光素子１１は、支持体１３と、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１７と、活性層１９とを備える。支持体１３はIII族窒化物半導体からなる。III族窒化物半導体は、ＩｎＳＡｌＴＧａ１―Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、Ｓ＋Ｔ≠１）からなり、また例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等であることができる。支持体１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有しており、主面１３ａの法線方向（法線ベクトルＮＶで示される向き）の法線軸Ｎｘはｚ軸の正方向を向いている。主面１３ａは、基準平面Ｓｃに対して有限の角度ＡＬＰＨＡを成しており、基準平面Ｓｃは該III族窒化物半導体のｃ軸の方向（ｃ軸ベクトルＶＣで示される向き）に延びる基準軸Ｃｘに直交する。有限の角度ＡＬＰＨＡは４０度以上であり、また１４０度以下である。主面１３ａは半極性及び無極性のいずれか一方を示す。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は支持体１３の主面１３ａ上に設けられ、また主面１３ａを覆っている。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は主面１３ａ上に設けられている。支持体１３の主面１３ａ上において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、活性層１９及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は法線軸Ｎｘの方向に配列されている。活性層１９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１７との間に設けられる。
【００５１】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７にはｐ型ドーパントして例えばマグネシウムが添加されており、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５にはｎ型ドーパントして例えばシリコンが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はｐ型ドーパントとして炭素を含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、この濃度範囲により正孔を提供できる。また、炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下であり、この濃度範囲により、ｐ型ドーパントとしての炭素を含む半導体の表面モフォロジの低下を低減できる。
【００５２】
このIII族窒化物半導体光素子１１によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は支持体１３の主面１３ａ上に設けられており、この主面１３ａは４０度以上１４０度以下の範囲の角度でｃ面と傾斜している。この傾斜角の範囲では、主面１３ａ上のｐ型窒化ガリウム系半導体層１７が炭素を含むとき、添加された炭素は安定してｐ型ドーパントして働く。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、共にｐ型ドーパントして働く炭素及びマグネシウムを含む。これ故に、炭素及びマグネシウムの両方から正孔が提供される。また、所望の正孔濃度を提供するために必要なマグネシウムの添加量を小さくできるので、マグネシウム添加に起因する結晶性の低下を避けることができる。
【００５３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はＩｎＡｌＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一方からなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体のｐ導電型に関して、ｐ型ドーパントとしての炭素は有効に作用する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はＩｎＡｌＧａＮなることが好ましい。ＩｎＡｌＧａＮによれば、適切な導電性と所望の歪みとを提供できる。
【００５４】
III族窒化物半導体光素子１１では、活性層１９は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有することができ、しかしながら、これらの構造に限定されることはない。活性層１９は障壁層２３ａ及び井戸層２３ｂを含む。障壁層２３ａ及び井戸層２３ｂは、支持体１３の主面１３ａの法線軸Ｎｘの方向に交互に配列されている。障壁層２３ａは窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮ等からなる。また、井戸層２３ｂは、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＩｎＧａＮからなる。障壁層２３ａの厚さＤＢは井戸層２３ｂの厚さＤＷより大きい。井戸層２３ｂの炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。井戸層の炭素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるので、ｐ型ドーパントとしての炭素は、活性層１９の発光特性に実質的に影響しない。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５及び活性層１９においては、炭素による影響を低減できる。
【００５５】
また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の炭素濃度はｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の炭素濃度より小さい。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５はｎ型ドーパントを含み、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ドーパント濃度は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の炭素濃度より大きい。これ故に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層中の炭素がｐ型ドーパントとして作用するけれども、ｐ型ドーパントとしての炭素は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ導電型に実質的に影響しない。また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の炭素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。通常のｎ型ドーパントの添加濃度の下では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層は十分に大きい電子濃度を有する。
【００５６】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５はＩｎＡｌＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一方からなることができる。ｐ型ドーパントとしての炭素は、これらの窒化ガリウム系半導体のｎ導電型に対して実質的に影響しない。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５がＩｎＡｌＧａＮなるとき、適切な導電性と所望の歪みとをｎ型窒化ガリウム系半導体層１５に提供できる。
【００５７】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７における炭素濃度はｐ型窒化ガリウム系半導体層１７におけるマグネシウム濃度より大きいことができる。ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮといった窒化ガリウム系半導体において、炭素の活性化エネルギはマグネシウムの活性化エネルギより小さいので、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７において所望の正孔濃度を提供するために必要なマグネシウムの添加量が増加しない。
【００５８】
III族窒化物半導体光素子１１が半導体レーザであるときは、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はクラッド層として働き、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５はクラッド層として働く。
【００５９】
III族窒化物半導体光素子１１が半導体レーザであるときは、III族窒化物半導体光素子１１は第１の光ガイド層２５を含み、この光ガイド層２５は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなる。第１の光ガイド層２５は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７と活性層１９との間に設けられる。第１の光ガイド層２５の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。この光ガイド層２５によれば、炭素によるキャリア生成を小さくできるので、自由キャリアによる光吸収を低減できる。必要な場合には、第１の光ガイド層２５の少なくとも一部分にマグネシウムを更に添加することができ、このマグネシウム濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。なお、第１の光ガイド層２５にマグネシウムを添加しなくてもよい。
【００６０】
第１の光ガイド層２５は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなることができる。一実施例では、第１の光ガイド層２５はＩｎＧａＮ層２５ａ及びＧａＮ層２５ｂからなることができる。ＩｎＧａＮ層２５ａは、ＧａＮ層２５ｂと活性層１９との間に位置する。また、電子ブロック層２１がｐ型窒化ガリウム系半導体層１７と活性層１９との間に設けられており、図１では、電子ブロック層２１は、ＩｎＧａＮ層２５ａとＧａＮ層２５ｂとの間に位置する。電子ブロック層２１の材料は、ＩｎＧａＮ層２５ａ及びＧａＮ層２５ｂのバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、電子ブロック層２１の厚さはＩｎＧａＮ層２５ａの厚み及びＧａＮ層２５ｂの厚みより小さい。電子ブロック層２１は、例えばＡｌＧａＮ等からなることができる。
【００６１】
III族窒化物半導体光素子１１が半導体レーザであるときは、III族窒化物半導体光素子１１は第２の光ガイド層２７を含み、この光ガイド層２７は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなる。第２の光ガイド層２７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５と活性層１９との間に設けられる。第２の光ガイド層２７の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。炭素によるキャリア生成を小さくできるので、自由キャリアによる光吸収を低減できる。
【００６２】
第２の光ガイド層２７は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなることができる。一実施例では、第２の光ガイド層２７はＩｎＧａＮ層２７ａ及びＧａＮ層２７ｂからなることができる。ＩｎＧａＮ層２７ａは、ＧａＮ層２７ｂと活性層１９との間に位置する。
【００６３】
III族窒化物半導体光素子１１では、活性層１９は、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられている。第１の光ガイド層２５はＩｎＧａＮ層を含むと共に第２の光ガイド層２７はＩｎＧａＮ層を含む。活性層１９は、第１の光ガイド層２５のＩｎＧａＮ層と第２の光ガイド層２７のＩｎＧａＮ層とに接している。第１の光ガイド層２５のＩｎＧａＮ層、活性層１９、及び第２の光ガイド層２７のＩｎＧａＮ層の積層は、比較的長波長の光を生成する発光素子に適切な導波路コア構造を提供できる。
【００６４】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層２９及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、支持体１３の主面１３ａの法線軸Ｎｘの方向に配列されている。発光層２９は活性層１９を含み、また必要な場合は光ガイド層２５、２７を更に含むことができる。
【００６５】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７（或いは半導体層２１）は活性層１９の主面１９ａ上に設けられており、このｐ型窒化ガリウム系半導体層は発光層２９の主面２９ａ上に接している。発光層２９の主面１９ａ（同様に、活性層１９の主面１９ａ）は基準平面Ｓｃに対して４０度以上１４０度以下の範囲の角度で傾斜している。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、半極性又は無極性を示す半導体領域上にエピタキシャル成長されたにエピタキシャル膜であるので、炭素の振る舞いが、極性を示すｃ面半導体領域上にエピタキシャル成長されたエピタキシャル膜における振る舞いと異なる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７では、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の全体にわたって炭素がｐ型ドーパントとして働く。
【００６６】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の主面１５ａは、基準平面Ｓｃに対して４０度以上１４０度以下の範囲にあることができる。発光層２９及び活性層１９はｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の主面１５ａ上に設けられているので、発光層２９及び活性層１９におけるピエゾ電界の強度は、下地の面方位による半極性及び無極性に起因して小さい。また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の主面１５ａの傾斜は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７において炭素がｐ型ドーパントとして技術的寄与を提供できる下地層を提供できる。
【００６７】
III族窒化物半導体光素子１１は、コンタクト層３１を更に備えることができる。コンタクト層３１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の主面１７ａ上に設けられ、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。コンタクト層３１の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であることができる。コンタクト層３１においても、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。また、コンタクト層３１の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。炭素の添加により、結晶品質の低下が生じる。
【００６８】
必要な場合には、コンタクト層３１、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７及び第１光ガイド層２５にリッジ構造を設けることができる。リッジ構造は、レーザストライプの延在方向の軸Ａｘの方向に延びる。
【００６９】
III族窒化物半導体光素子１１は、コンタクト層３１上に設けられた第１の電極３３を更に備えことができる。第１の電極３３は、エピタキシャル積層の表面を覆う絶縁膜３５の開口３５ａを介してコンタクト層３１に接触を成す。このIII族窒化物半導体光素子１１によれば、コンタクト層３１がｐ型ドーパントとして炭素及びマグネシウムの両方を含むので、コンタクト層３１は電極３３と良好な電気的接触を成すことができる。
【００７０】
III族窒化物半導体光素子１１がリッジ構造を有するとき、絶縁膜３５の開口３５ａは、リッジ構造の上面に位置し、絶縁膜３５はリッジ構造の側面全体を覆う。
【００７１】
上記の説明では、発光層２９の主面２９ａ（同様に、活性層１９の主面１９ａ）は基準平面Ｓｃに対して、４０度以上１４０度以下の範囲の角度で傾斜している。支持体１３の主面１３を結晶方位＜１１−２０＞で示されるａ軸の方向に傾斜させることができる。この傾斜角は、５９度以上１２１度以下の範囲であることが好ましい。また、傾斜角が７０度以上８０度以下であることが特に好ましく、或いは傾斜角が１００度以上１１０度以下であることが特に好ましい。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。
【００７２】
上記の説明では、発光層２９の主面２９ａ（同様に、活性層１９の主面１９ａ）は基準平面Ｓｃに対して、４０度以上１４０度以下の範囲の角度で傾斜している。支持体１３の主面１３を結晶方位＜１−１００＞で示されるｍ軸の方向に傾斜させることができる。この傾斜角は、６３度以上１１７度以下の範囲であることが好ましい。また、傾斜角が７０度以上８０度以下であることが特に好ましく、或いは傾斜角が１００度以上１１０度以下であることが特に好ましい。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。
【００７３】
支持体１３の主面１３を結晶方位＜１１−２０＞で示されるａ軸の方向に傾斜させることができる。ａ軸方向への傾斜では、支持体１３の主面１３は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることが好ましい。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。また、支持体１３の主面１３ａの面指数は｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれか一つであることが好ましい。これらの面指数は、ｐ型ドーパントとして炭素が働くために適した構成原子の配列を有すると考えられる。
【００７４】
或いは、支持体１３の主面１３を結晶方位＜１−１００＞で示されるｍ軸の方向に傾斜させることができる。ｍ軸方向への傾斜では、支持体１３の主面１３ａは、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることができる。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。また、支持体１３の主面１３の面指数は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれか一つであることが好ましい。これらの面指数は、ｐ型ドーパントとして炭素が働くために適した構成原子の配列を有すると考えられる。
【００７５】
支持体１３の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることができる。１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域上に成長された窒化ガリウム系半導体層においては、貫通転位がｐ型ドーパント活性化に与える影響を小さくできる。支持体１３はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。
【００７６】
１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域は、支持体１３の一部分において提供されることができる。この低転位領域においてｐ型ドーパント活性化への影響を小さくできる。これ故に、この低い貫通転位密度の領域は、半導体レーザに適用可能である。また、１×１０５ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域上に成長された窒化ガリウム系半導体層は貫通転位によるｐ型ドーパント活性化への影響を更に小さくできる。この貫通転位密度の領域は、実質的に無転位のレーザストライプを提供できる。低転位なＧａＮを入手可能であるので、支持体１３はＧａＮからなることが好ましい。
【００７７】
この支持体１３は導電性を示すことができる。III族窒化物半導体光素子１１は、支持体１３の裏面１３ｂに接触を成す第２の電極３７を更に備えることができる。支持体１３は、ｐ型ドーパントとして炭素が作用可能なエピタキシャル領域を提供できると共に、ｎ型への良好な電気的接触を提供できる。
【００７８】
図２は、有機金属気相成長法を用いて様々な成長条件で半極性面ＧａＮ上に成長された窒化ガリウムの炭素濃度を二次イオン質量分析法で調べた炭素プロファイルを示す図面である。図２において、特性線Ｃ、Ａは、それぞれ、炭素濃度のプロファイル及びアルミニウム濃度を表す。アルミニウムは、成長条件の変更位置を示すためにマーカーとして０．１％以下の組成になるように添加されている。図３は、図２おける窒化ガリウムの成長条件（１）〜（１０）に用いられた成長条件と窒化ガリウムにおける炭素濃度との関係を示す図面である。なお、窒化ガリウムの成長において、有機ガリウム原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いた。図３において、温度の単位は「摂氏」であり、成長レートＧＲの単位は「μｍ／時」であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量の単位は「ｓｌｍ（標準状態おける毎分のリットル単位の流量）」であり、炭素濃度の単位は「ｃｍ−３」である。図３には、Ｖ／III（モル流量比）及び炭素濃度「Ｃ」が示されている。炭素濃度の表記において例えば「０．８５Ｅ１６」は０．８６×１０１６を示す。
【００７９】
図４は、成長されたＧａＮ膜中の炭素濃度と成長温度及びＶ／IIIとの関係を示す図面である。図４（ａ）を参照すると、成長レート０．２１μｍ／時の条件で、成長温度（摂氏７４０度〜７８０度〜８２０度）の範囲で、炭素濃度は温度の上昇と共に単調に減少する。図４（ｂ）を参照すると、炭素濃度は、摂氏７８０度の成長温度の条件で、Ｖ／III比の上昇と共に単調に減少する。
【００８０】
図２〜図４に示される実験から理解されるように、窒化ガリウム系半導体の半極性面（同様に無極性面）への窒化ガリウム系半導体の成長では、III族原料及びＶ族原料に加えて炭素ドーパントを供給しなくても、ｐ型ドーパントの炭素の濃度を制御できる。なお、必要な場合には、炭素ドーパントを原料とは別に供給することができる。例えば、化学式ＣＨ４で示されるメタンを成長中に供給することで、５×１０１８ｃｍ−３以上の比較的高濃度の炭素濃度を容易に実現することができる。
【００８１】
図５〜図７を参照しながら、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法を説明する。また、図８は、本実施例における半導体レーザを概略的に示す図面である。この作製方法では、例えば半極性又は無極性の主面を有するＧａＮ基板上に、図８に示されるレーザダイオード構造（ＬＤ１）のエピタキシャル基板を作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。
【００８２】
例えば６３度から８０度未満の傾斜角の範囲内の傾斜角に該当するＧａＮ基板が準備された。図５（ａ）に示された結晶座標系ＣＲにおいて、準備したＧａＮ基板５１は、例えば六方晶系ＧａＮのｃ軸に直交する平面からｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した主面を有しており、この傾斜主面５１ａは｛２０−２１｝面として示される。この主面は鏡面研磨されている。ＧａＮ基板５１上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。
【００８３】
まず、ＧａＮ基板５１を成長炉１０内に設置した。工程Ｓ１０１では、例えば摂氏１０５０度の温度及び２７ｋＰａの炉内圧力において、図５（ａ）に示されるように、アンモニアと水素（Ｈ２）を含む熱処理ガスＧ０を流しながら１０分間熱処理を行った。この熱処理による表面改質によって、ＧａＮ基板５１の表面に、オフ角によって規定されるステップ・アンド・テラス構造が形成される。
【００８４】
この熱処理の後に、ＧａＮ系半導体領域が成長される。例えば、工程Ｓ１０２では、例えば摂氏１１００度において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニア、シランを含む原料ガスＧ１を成長炉１０に供給して、図５（ｂ）に示されるように、ｎ型クラッド層５３を成長した。ｎ型クラッド層５３は、例えばＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ層である。ＩｎＡｌＧａＮ層の厚さは例えば１．２マイクロメートルである。成長温度は例えば摂氏９００度であり、そのＡｌ組成は例えば０．１４であり、そのＩｎ組成は例えば０．０３である。
【００８５】
次いで、図５（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０３では、ｎ型クラッド層５３上に光ガイド層５５を成長した。光ガイド層５５は、例えばＳｉドープＧａＮ層５５ａ及びアンドープのＩｎＧａＮ層５５ｂを含み、そのインジウム組成は０．０２であることができる。まず、ＴＭＧ、アンモニア、シランを成長炉１０に供給して、ｎ型クラッド層５３上にＳｉドープＧａＮ層５５ａを摂氏８４０度の成長温度で成長する。次いで、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを成長炉１０に供給して、ＳｉドープＧａＮ層５５ａ上にアンドープのＩｎＧａＮ層５５ｂを摂氏８４０度の成長温度で成長する。ＳｉドープＧａＮ層５５ａの厚さは例えば２００ｎｍであり、アンドープのＩｎＧａＮ層５５ｂの厚さは例えば６５ｎｍである。
【００８６】
次いで、図６（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０４では、活性層５７を成長する。摂氏８７０度の基板温度で、ＴＭＧ、アンモニアを成長炉に供給して、この基板温度でＧａＮ系半導体障壁層を成長する。障壁層は、例えばアンドープＧａＮであり、その厚さは１５ｎｍである。障壁層の成長後に、成長を中断して、摂氏８７０度から摂氏８３０度に基板温度を変更する。変更後の基板温度Ｔ２で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層を成長する。その厚さは３ｎｍである。井戸層の成長後に、ＴＭＩの供給を停止すると共に、ＴＭＧ、アンモニアを成長炉に供給しながら、摂氏８３０度から摂氏８７０度に基板温度を変更する。この変更中にも、アンドープＧａＮ障壁層の一部が成長されている。温度の変更が完了した後に、アンドープＧａＮ障壁層の残りを成長する。ＧａＮ障壁層の厚さは１５ｎｍである。続けて、障壁層の基板温度変更、井戸層の成長、を繰り返して、ＩｎＧａＮ井戸層及びＧａＮ障壁層を形成する。必要な場合には、障壁層はＩｎＧａＮからなることができる。
【００８７】
活性層５７上に光ガイド層を成長する。光ガイド層のために、まず、工程Ｓ１０５では、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを成長炉１０に供給して、図６（ｂ）に示されるように、活性層５７上にアンドープＩｎＧａＮ層５９を摂氏８４０度の基板温度で成長する。そのＩｎ組成は０．０２である。次いで、本実施例では、光ガイド層のＩｎＧａＮ層５９の成長後に、工程Ｓ１０６において、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止して、基板温度を摂氏１１００度に上昇する。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉１０に供給して、図６（ｃ）に示されるように、電子ブロック層６１を成長する。電子ブロック層６１は例えばＡｌＧａＮである。電子ブロック層６１のＡｌ組成は０．１２であった。基板温度を下げて摂氏８４０度の基板温度において、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、図７（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０７において、電子ブロック層６１上に光ガイド層のｐ型ＧａＮ層６３を成長する。基板温度は例えば摂氏１０００度である。このｐ型ＧａＮ層６３の成長では、例えばｎ型ＧａＮ層５５ａの成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。また、電子ブロック層６１の成長でも、例えばｎ型ＧａＮ層５５ａの成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。また、電子ブロック層６１の炭素濃度は、後ほど成長されるｐ型クラッド層の炭素濃度に比べて小さいことが好ましい。アンドープのＩｎＧａＮ層５９の厚さは例えば６５ｎｍであり、Ｍｇ及びＣドープ電子ブロック層６１の厚さは例えば２０ｎｍであり、Ｍｇ及びＣドープＧａＮ層６３の厚さは例えば２００ｎｍである。
【００８８】
次いで、光ガイド層６３上に、ＧａＮ系半導体領域が成長される。光ガイド層６３の成長後に、ＴＭＧの供給を停止して、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを含むガスを成長炉に供給して、工程Ｓ１０８においてｐ型クラッド層６５を成長した。ｐ型クラッド層６５の基板温度は例えば９００度であり、その厚さが例えば４００ｎｍである。ｐ型クラッド層６５は例えばＭｇ及びＣドープＩｎＡｌＧａＮ、そのＡｌ組成は例えば０．１４であり、そのＩｎ組成は０．０３である。ｐ型クラッド層６５の成長では、例えばｎ型クラッド層５３の成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。
【００８９】
この後に、ＴＭＡの供給を停止して、工程Ｓ１０９において、ｐ型コンタクト層６７を成長した。ｐ型コンタクト層６７は例えばＭｇ及びＣドープＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなり、その厚さ例えば５０ｎｍである。このｐ型コンタクト層６７成長では、例えばｎ型ＧａＮ層５５ａの成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャル基板ＥＰを作製する。
【００９０】
電極形成工程では、エピタキシャル基板ＥＰ上に電極を形成した。まず、フォトリソグラフィ及びエッチングによりコンタクト窓を形成したシリコン酸化膜といった絶縁膜６９を形成する。コンタクト窓６９ａは例えばストライプ形状であり、その幅は例えば１０マイクロメートルである。次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層６７上にｐ電極（Ｎｉ／Ａｕ）７１ａを形成した。この後に、ｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成した。必要な場合には、所望の厚さにＧａＮ基板５１の裏面を研磨した後に、ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）７１ｂをエピタキシャル基板ＥＰの裏面に形成する。アニール工程では、電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）の手順で行って基板生産物を作製できる。
【００９１】
（実施例１）
このエピタキシャル基板ＥＰの形成では、ｐ型窒化ガリウム系半導体の成長中におけるＶ／III比を高くした成長によって、炭素濃度を増加させた。一方、このエピタキシャル基板ＥＰとは別に、ｐ型窒化ガリウム系半導体の成長中におけるＶ／III比を低くした成長で作製された別のエピタキシャル基板を作製した。この別のエピタキシャル基板のｐ型クラッド層の炭素濃度は、エピタキシャル基板ＥＰのｐ型クラッド層の炭素濃度に比べて低い。
【００９２】
図８に示される半導体レーザを以下のように作製した。（０００１）方向に成長されたＧａＮインゴットから７５度の角度でＧａＮ片を切り出して、｛２０−２１｝面を有するＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板のＧａＮ半導体領域の主面（｛２０−２１｝面）上に以下の半導体層をエピタキシャル成長した。
７５度オフＧａＮ基板
ｎ型クラッド層：ＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ、基板温度９００度、厚さ２μｍ、Ａｌ組成０．１４、Ｉｎ組成０．０３；
光ガイド層：アンドープＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ２５０ｎｍ；
光ガイド層：アンドープＩｎＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ１００ｎｍ、Ｉｎ組成０．０２；
活性層；
障壁層：アンドープＧａＮ、基板温度７３０度、厚さ１５ｎｍ；
井戸層：アンドープＩｎＧａＮ、基板温度７３０度、厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成０．３０；
光ガイド層：アンドープＩｎＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ５０ｎｍ、Ｉｎ組成０．０３；
光ガイド層：アンドープＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ２５０ｎｍ；
電子ブロック層：ＭｇドープＡｌＧａＮ、基板温度１０００度、厚さ２０ｎｍ、Ａｌ組成０．１２；
ｐ型クラッド層：ＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ、基板温度９００度、厚さ４００ｎｍ、Ａｌ組成０．１４、Ｉｎ組成０．０３；
ｐ型コンタクト層：ＭｇドープＧａＮ、基板温度９００度、厚さ５０ｎｍ。
【００９３】
図９は、エピタキシャル基板ＥＰにおけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。図１０は、別のエピタキシャル基板におけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。図９及び図１０には、二次イオン質量分析によって測定されたプロファイルＰ１〜Ｐ４及びＱ１〜Ｑ４が示されている。ＳＩＭＳ測定において、磁場型ＳＩＭＳ装置を用いた。
Ｐ１、Ｑ１：インジウムのプロファイル；
Ｐ２、Ｑ２：炭素のプロファイル；
Ｐ３、Ｑ３：アルミニウムのプロファイル；
Ｐ４、Ｑ４：マグネシウムのプロファイル。
【００９４】
ＳＩＭＳプロファイルによれば、二次イオン質量分析によって求めた炭素濃度によれば、エピタキシャル基板ＥＰのｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３であり、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層のマグネシウム濃度は４×１０１８ｃｍ−３であった。また、別のエピタキシャル基板のｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ−３であり、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層のマグネシウム濃度は６×１０１８ｃｍ−３であった。
【００９５】
（実施例２）
エピタキシャル基板（高炭素濃度）ＥＰ及び別のエピタキシャル基板（低炭素濃度）を用いて、レーザダイオード（ＬＤ）を作製した。これらのエピタキシャル基板の表面にＳｉＯ２絶縁膜を成膜した後に、この絶縁膜に幅１０μｍのストライプ窓をウエットエッチングにより形成した。Ｎｉ／Ａｕから成るｐ側電極とＴｉ／Ａｌから成るパッド電極を蒸着した。各エピタキシャル基板の裏面を研磨してその厚みを１００ｕｍにした。研磨された裏面にはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから成るｎ側電極を蒸着した。このように作製された基板生産物からレーザバーを作製した。個々のレーザバーは共振ミラーを含む。レーザバーの端面に真空蒸着法によって誘電体多層膜をコーティングした。誘電体多層膜は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層して構成した。膜厚はそれぞれ、５０〜１００ｎｍの範囲で調整して、反射率の中心波長が５００〜５３０ｎｍの範囲になるように設計した。片側の反射面を１０周期とし、反射率の設計値を約９５％に設計し、もう片側の反射面を６周期とし、反射率の設計値を約８０％とした。次に、通電による評価を室温にて行った。電源には、パルス幅５００ｎｓ、デューティ比０．１％のパルス電源を用い、表面電極に針を落として通電した。光出力測定の際には、レーザバー端面からの発光をフォトダイオードによって検出して、光出力−電流特性（Ｌ−Ｉ特性）を調べ、閾値電流密度を求めた。発光波長を測定する際には、レーザバー端面からの発光を光ファイバに通し、検出器にスペクトルアナライザを用いてスペクトル測定を行い、発振波長を求めた。電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）の測定には、四探針法を用いて行った。各ウエハで特性の良好な１０個のＬＤの平均値を以下に示す。
試料名 閾値、 、閾値電圧、発振波長、素子抵抗
高Ｃ濃度のＬＤ：５ｋＡ／ｃｍ２、 ５．２Ｖ、５２１ｎｍ、２Ω；
低Ｃ濃度のＬＤ：１５ｋＡ／ｃｍ２、７．２Ｖ、５２０ｎｍ、６Ω。
高Ｃ濃度のＬＤでは、ｐ型半導体領域の全体にわたって、２×１０１６ｃｍ−３以上であった。一方、低Ｃ濃度のＬＤでは、ｐ型半導体領域の全体にわたって、２×１０１６ｃｍ−３未満であった。
【００９６】
これらの結果から、半極性及び無極性のｐ型窒化ガリウム系半導体に所定濃度範囲の炭素を取り込ませることによって、ｐ型半導体層の電気的特性を向上でき、この結果、素子特性が向上できた。
【００９７】
次に、ｐ型炭素ドーパントに対するＧａＮ基板の転位密度の影響を説明する。Ｓｉ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板等上での半極性面上のＧａＮのヘテロエピタキシャル成長では、現在のところ、エピタキシャル膜の結晶品質は高くない。具体的には、上記の異種基板を用いたヘテロエピタキシャル成長膜では、その貫通転位密度が１×１０７ｃｍ−２以上である。紫色や青色といった発光波長の光を発する得ＩｎＧａＮ活性層を有する発光素子では、キャリアの拡散長が０．２μｍ以下と小さいので、高い転位密度のＩｎＧａＮ活性層でも高効率の発光が観測される。しかしながら、緑色の光を発するＩｎＧａＮ活性層では、キャリアの拡散長が０．２μｍ以上になり、この活性層を形成するＩｎＧａＮ活性層の転位密度は、１×１０７ｃｍ−２以下であることが必要となる。発光素子がレーザダイオードであるとき、転位密度に関して更なる高品質が求められ、その値は１×１０６ｃｍ−２以下であることが望ましい。レーザダイオードのストライプが全く転位を含まないようにするためには、転位密度は１×１０５ｃｍ−２以下である必要がある。
【００９８】
更に、エピタキシャル半導体領域に転位が存在するとき、成長中の表面モフォロジが局所的に変化する。具体的には、転位を中心に窪みが形成される。このため、エピタキシャル半導体領域に転位が存在せず半極性ＧａＮ面が一様に平坦に成長した半導体領域に比べて、転位近傍では窪みの影響で局所的に不純物の取り込み量が、その周囲と異なるものになる。これ故に、低い転位密度が望ましいけれども、一様な不純物分布を有する半導体層を成長することができる。具体的には、転位密度が１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度であれば、局所的な不純物分布の影響は、小さくできる。このため、窒化ガリウム系半導体基板は上記の転位密度以下の値を有することが好ましい。
【００９９】
実施例で用いた｛２０−２１｝面は、先行技術において用いられた窒素面と異なり、本件の｛２０−２１｝面のＧａＮ系成長機構は、面方位｛１０−１１｝面のＧａＮ系成長機構と異なると考えられる。
【０１００】
非特許文献によれば、｛１０−１１｝面ＧａＮにおいて炭素がアクセプタとして振舞う根拠は、(１−１０１)が窒素終端面であることとして説明されている。図１１は、この半極性｛１０−１１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。図１２は、半極性｛２０−２１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。図１３は、同様に半極性面である｛１０１４｝面における原子配列を模式的に示す図面である。図１２に示されるように、｛２０−２１｝面の原子配列は、完全な窒素終端面ではない。
｛１０−１１｝面：最表面の原子は全て窒素であり、窒素終端面である。
｛２０−２１｝面：最表面の２／３はＧａ原子であり、窒素終端面ではない。
｛１０−１４｝面：最表面の３／５はＧａ原子であり、窒素終端面ではない。
図１２に示されるように、｛２０−２１｝面は窒素終端面でなく、発明者らの実験によれば、｛２０−２１｝面や｛１０−１０｝面に係る窒化ガリウムにおいて、炭素が浅いアクセプタとして振舞う。このことから、本実施の形態に係る浅い炭素アクセプタによる技術的寄与は、窒素終端面に起因するものではない。
【０１０１】
参考のために｛１０−１４｝面の原子配列を参照すると、｛１０−１４｝面におけるＧａ／Ｎの比率は、｛２０−２１｝のＧａ／Ｎの比率に近い。しかしながら、｛１０−１４｝面近傍の角度範囲では、炭素は浅いアクセプタにはならない。
【０１０２】
発明者らの検討によれば、｛２０−２１｝面と｛１０−１４｝面との違いは、炭素を取り込む際の最表面におけるボンドの向きの違いに起因すると考えられる。｛１０−１４｝面には、ｃ面｛０００１｝から｛１０−１１｝面への微傾斜した際に現れるステップが出現する。これに対して、｛２０−２１｝面には、｛１０−１１｝面から｛１０−１０｝面への微傾斜した際に現れるステップが出現する。このステップの性質の違いによって、炭素と最表面におけるボンドとの結合により効率的に且つ優先的に炭素を取り込むことが可能となり、取り込まれた炭素は、浅いアクセプタを形成する。したがって、｛２０−２１｝面におけるステップと同一又は類似のステップを提供できる面方位及び傾斜角の範囲では、本実施の形態に係る技術的な利益が得られる。
【０１０３】
本実施の形態におけるｐ型窒化ガリウム系半導体では、炭素濃度の下限は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、その上限は１×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。本実施の形態におけるアンドープ窒化ガリウム系半導体では、炭素濃度の上限は１×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。本実施の形態におけるｎ型窒化ガリウム系半導体では、炭素濃度の下限は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、その上限は１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【０１０４】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子が提供される。また、本発明の実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
【０１０５】
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】
【０１０６】
１１…III族窒化物半導体光素子、１３…支持体、１３ａ…支持体主面、１３ｂ…支持体裏面、１５…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、１７…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、１９…活性層、１９ａ…活性層主面、２１…電子ブロック層、ＮＶ…法線ベクトル、Ｎｘ…法線軸、ＡＬＰＨＡ…角度、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、Ｃｘ…基準軸、２３ａ…障壁層、２３ｂ…井戸層、２５、２７…光ガイド層、２５ａ…ＩｎＧａＮ層、２５ｂ…ＧａＮ層、２７ａ…ＩｎＧａＮ層、２７ｂ…ＧａＮ層、２９…発光層、２９ａ…発光層主面、Ｓｃ…基準平面、３１…コンタクト層、Ａｘ…延在軸、３３、３７…電極、３５…絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体光素子、及びIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、シリコン基板上に（１−１０１）面ＧａＮを一様に成長することが記載されている。このＧａＮは、７度オフの（００１）面シリコン基板上にＡｌＮ中間層を介して選択有機金属気相成長法で成長されたストライプ状ＧａＮの合体物上に成長された。３種類のサンプル（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）が作製された。サンプル（Ａ）はＬＴ−ＡｌＮ中間層上に成長されたＧａＮを含む。サンプル（Ｂ）は、３０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ上層を含む。サンプル（Ｃ）はＬＴ−ＡｌＮ中間層無しに成長されたＧａＮを含む。３種類のサンプル（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のホール測定を行った。サンプル（Ａ）はｐ導電性を示し、サンプル（Ｂ）はｎ導電性を示した。サンプル（Ｃ）の導電性は、低温から高温への３つの温度領域（８０Ｋ以下、８０Ｋ〜２００Ｋ、２００Ｋ以上）においてそれぞれｎ型、ｐ型及びｎ型を示した。非特許文献１には以下のように記載されている：サンプル（Ａ）及び（Ｂ）は、ＧａＮ／ＡｌＮ／Ｓｉヘテロ接合を含み、ヘテロ接合における伝導がサンプル（Ａ）及び（Ｂ）における伝導性の主要なものであると推測される。
【０００３】
非特許文献２には、シリコン基板上に（１−１０１）面ＧａＮを一様に成長することが記載されている。このＧａＮは、７度オフの（００１）面シリコン基板上にＡｌＮ中間層を介して選択有機金属気相成長法で成長されたストライプ状ＧａＮの合体物上に成長された。（１−１０１）面ＧａＮにはマグネシウムが添加された。マグネシウム添加のために、ドーパントガスＥｔＣｐ２Ｍｇが用いられた。ドーパントガス／ガリウム原料のモル比（ＥｔＣｐ２Ｍｇ／ＴＭＧ）が２×１０−３未満の添加領域では、ドーパントガスの添加量の増加に伴って、ＧａＮ膜中の正孔濃度は低下する。一方、モル比２×１０−３を越える添加領域では、ドーパントガスの添加量の増加に伴って、正孔濃度は増加して、１×１０１８ｃｍ−３程度に飽和する。ｃ面ＧａＮの成長では、モル比２×１０−３未満の添加領域における成長ＧａＮは、ｎ導電性を示したけれども、モル比２×１０−３を越える添加領域においてｐ導電性を示した。非特許文献２では、この現象について、（１−１０１）面ＧａＮは窒素面からなるけれども、ｃ面ＧａＮはＧａ面からなることで説明している。
【０００４】
非特許文献３には、シリコン基板上に（１−１０１）面及び（１１−２２）面ＧａＮを一様に成長することが記載されている。ドーパントガスＣ２Ｈ２を用いて、ＧａＮの成長において炭素を添加している。（１１−２２）面ＧａＮへの炭素添加は、（１−１０１）面ＧａＮへの炭素添加と異なる効果を与える。
【０００５】
非特許文献１〜３の執筆者の一部は共通している。
【０００６】
特許文献１には、炭素濃度を高めることで、ＧａＮ膜の電気抵抗を増加させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2009-21279号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Hikosaka et al., Applied Physics Letters Vol. 84, No. 23 (2004)pp.4717-4719
【非特許文献２】Nobuhiro Sawaki et al., Journal of Crystal Growth 298 2007,pp.207-210
【非特許文献３】Nobuhiro Sawaki et al., Journal of Crystal Growth 311 2009,pp.2867-2874
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１〜３に記載されるように、７度オフの（００１）面シリコン基板上にＡｌＮ中間層を介して選択有機金属気相成長法で成長されたストライプ状ＧａＮの合体物には、ヘテロ接合が含まれることに加えて、ＧａＮに高い密度で貫通転位が含まれる可能性が高い。これ故に、非特許文献１〜３に記載されるＧａＮ合体物の結晶学的な構造は導電性が複雑である。
【００１０】
一方、特許文献１では、ＧａＮ膜中への炭素添加により高抵抗を実現している。非特許文献１〜３及び特許文献１に示されるように、窒化ガリウム系半導体における炭素の振る舞いは、複雑である。しかしながら、発明者らの検討によれば、窒化ガリウム系半導体において炭素をｐ型ドーパントとして安定して利用できる。
【００１１】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体光素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有する支持体と、（ｂ）前記支持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、（ｃ）前記支持体の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｄ）前記支持体の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層とを備える。前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００１３】
本発明の別の側面に係るIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、（ｂ）前記III族窒化物半導体基板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、（ｃ）前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｄ）前記III族窒化物半導体基板の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層とを備える。前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００１４】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、支持体又は基板の主面上に設けられており、この主面は、４０度以上１４０度以下の範囲の角度でｃ面と有限な角度を成している。この角度範囲では、ｐ型窒化ガリウム系半導体層に添加された炭素は安定してｐ型ドーパントして働く。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、共にｐ型ドーパントして働く炭素及びマグネシウムを含むので、炭素及びマグネシウムの両方から正孔が提供される。また、所望の正孔濃度に得るために必要なマグネシウムの添加量を小さくできるので、マグネシウム添加に起因する結晶性の低下を避けることができる。また、所望の正孔濃度を得るために必要な炭素の添加を小さくできるので、炭素添加に起因するモフォロジの低下を抑制でき、またモフォロジ悪化による結晶品質の低下を避けることができる。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、前記井戸層は、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、井戸層の炭素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるので、ｐ型ドーパントとしての炭素は、活性層の発光特性に実質的に影響しない。
【００１６】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい。
【００１７】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度はｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい。炭素がｐ型ドーパントとして作用するけれども、ｐ型ドーパントとしての炭素は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ導電型に実質的に影響しない。
【００１８】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、通常のｎ型ドーパントの添加濃度の下では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の電子濃度は十分に大きい。
【００１９】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮの少なくともいずれか一方からなることができる。本III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの窒化ガリウム系半導体のｎ導電型に関して、ｐ型ドーパントとしての炭素は実質的に影響しない。
【００２０】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮなることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、適切な導電性と所望の歪みとをｎ型窒化ガリウム系半導体層に提供できる。
【００２１】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層における前記炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層におけるマグネシウム濃度より大きいことができる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、炭素の活性化エネルギはマグネシウムの活性化エネルギより小さいので、所望の正孔濃度を提供するために必要なマグネシウムの添加量が増加しない。
【００２２】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第１の光ガイド層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第２の光ガイド層とを更に備える。前記第１の光ガイド層の少なくとも一部分はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、前記第１の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記第１の光ガイド層におけるマグネシウム濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記第２の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。
【００２３】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、炭素によるキャリア生成を小さくできるので、自由キャリアによる光吸収を低減できる。
【００２４】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記活性層は、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含む。当該III族窒化物半導体光素子は、前記活性層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた電子ブロック層を更に備えることができる。前記第１の光ガイド層は、前記電子ブロック層と前記活性層と間に設けられた第１のＩｎＧａＮ層を含み、前記第２の光ガイド層は、前記活性層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第２のＩｎＧａＮ層を含む。
【００２５】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、比較的長波長の光を生成する発光素子に適切な導波路構造を提供できる。
【００２６】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記支持体の前記主面の法線方向に配列されており、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は前記活性層の主面上に設けられ、前記活性層の前記主面は前記基準平面に対して４０度以上１４０度以下の範囲にあり、前記活性層は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。
【００２７】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板は、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられ、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層を更に備えることができる。前記コンタクト層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記コンタクト層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、コンタクト層においても、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。
【００２８】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は前記コンタクト層に接触を成す第１の電極とを更に備えことができる。このIII族窒化物半導体光素子によれば、コンタクト層がｐ型ドーパントとして炭素及びマグネシウムの両方を含むので、コンタクト層は電極と良好な電気的接触を成すことができる。
【００２９】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、５９度以上１２１度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３０】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、７０度以上８０度以下又は１００度以上１１０度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３１】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、６３度以上１１７度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３２】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、７０度以上８０度以下又は１００度以上１１０度以下の範囲であることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３３】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３４】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面の面指数は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−１｝のいずれか一つであることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの面指数は、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる確率をより高めることができる。
【００３５】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることができる。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの角度範囲ではｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。
【００３６】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記支持体の前記主面の面指数は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれか一つであることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの面指数では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くために適した構成原子の配列を有すると考えられる。
【００３７】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子では、前記支持体の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であり、前記支持体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。本発明に係るエピタキシャル基板では、前記支持体の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であり、前記支持体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。
【００３８】
このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域上に成長された窒化ガリウム系半導体層においては、貫通転位がｐ型ドーパント活性化に与える影響を小さくできる。
【００３９】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子では、前記支持体はＧａＮからなることが好ましい。また、本発明に係るエピタキシャル基板では、前記基板はＧａＮからなることが好ましい。低転位なＧａＮ基板を入手可能である。
【００４０】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は、前記支持体の裏面に接触を成す第２の電極を更に備えることができる。前記支持体は導電性を示す。このIII族窒化物半導体光素子によれば、支持体は、ｐ型ドーパントとして炭素が作用可能なエピタキシャル領域を提供できると共に、良好な電気的に接触を提供できる。
【００４１】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮの少なくともいずれか一方からなることができる。本III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、これらの窒化ガリウム系半導体のｐ導電型に関して、ｐ型ドーパントとしての炭素は有効に作用する。
【００４２】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮからなることが好ましい。このIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板によれば、適切な導電性と所望の歪みとを提供できる。
【００４３】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板では、前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、前記井戸層は、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい。
【００４４】
このエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして炭素による技術的寄与を得ることができると共に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層及び活性層においては、炭素による影響を低減できる。
【００４５】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子が提供される。また、本発明によれば、このIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子を示す図面である。
【図２】図２は、有機金属気相成長法を用いて様々な成長条件で半極性面ＧａＮ上に成長された窒化ガリウムの炭素濃度を二次イオン質量分析法で調べた炭素プロファイルを示す図面である。
【図３】図３は、図２おける窒化ガリウムの成長条件（１）〜（１０）に用いられた成長条件と窒化ガリウムにおける炭素濃度との関係を示す図面である。
【図４】図４は、成長されたＧａＮ膜中の炭素濃度と成長温度及びＶ／IIIとの関係を示す図面である。
【図５】図５は、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施の形態に係るレーザダイオード構造（ＬＤ１）及びそのエピタキシャル基板を示す図面である。
【図９】図９は、エピタキシャル基板ＥＰにおけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。
【図１０】図１０は、別のエピタキシャル基板におけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。
【図１１】図１１は、｛１０−１１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。
【図１２】図１２は、｛２０−２１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。
【図１３】図１３は、｛１０１４｝面における原子配列を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板、並びにIII族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４９】
図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子を示す図面である。III族窒化物半導体光素子は、例えば半導体レーザまたは発光ダイオード等の半導体発光素子であることができる。図１に示された半導体積層は、半導体発光素子のためのエピタキシャル基板の構造を示している。図１を参照すると、直交座標系Ｓが示されている。
【００５０】
III族窒化物半導体光素子１１は、支持体１３と、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１７と、活性層１９とを備える。支持体１３はIII族窒化物半導体からなる。III族窒化物半導体は、ＩｎＳＡｌＴＧａ１―Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、Ｓ＋Ｔ≠１）からなり、また例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等であることができる。支持体１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有しており、主面１３ａの法線方向（法線ベクトルＮＶで示される向き）の法線軸Ｎｘはｚ軸の正方向を向いている。主面１３ａは、基準平面Ｓｃに対して有限の角度ＡＬＰＨＡを成しており、基準平面Ｓｃは該III族窒化物半導体のｃ軸の方向（ｃ軸ベクトルＶＣで示される向き）に延びる基準軸Ｃｘに直交する。有限の角度ＡＬＰＨＡは４０度以上であり、また１４０度以下である。主面１３ａは半極性及び無極性のいずれか一方を示す。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５は支持体１３の主面１３ａ上に設けられ、また主面１３ａを覆っている。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は主面１３ａ上に設けられている。支持体１３の主面１３ａ上において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、活性層１９及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は法線軸Ｎｘの方向に配列されている。活性層１９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１７との間に設けられる。
【００５１】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７にはｐ型ドーパントして例えばマグネシウムが添加されており、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５にはｎ型ドーパントして例えばシリコンが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はｐ型ドーパントとして炭素を含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、この濃度範囲により正孔を提供できる。また、炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下であり、この濃度範囲により、ｐ型ドーパントとしての炭素を含む半導体の表面モフォロジの低下を低減できる。
【００５２】
このIII族窒化物半導体光素子１１によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は支持体１３の主面１３ａ上に設けられており、この主面１３ａは４０度以上１４０度以下の範囲の角度でｃ面と傾斜している。この傾斜角の範囲では、主面１３ａ上のｐ型窒化ガリウム系半導体層１７が炭素を含むとき、添加された炭素は安定してｐ型ドーパントして働く。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、共にｐ型ドーパントして働く炭素及びマグネシウムを含む。これ故に、炭素及びマグネシウムの両方から正孔が提供される。また、所望の正孔濃度を提供するために必要なマグネシウムの添加量を小さくできるので、マグネシウム添加に起因する結晶性の低下を避けることができる。
【００５３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はＩｎＡｌＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一方からなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体のｐ導電型に関して、ｐ型ドーパントとしての炭素は有効に作用する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はＩｎＡｌＧａＮなることが好ましい。ＩｎＡｌＧａＮによれば、適切な導電性と所望の歪みとを提供できる。
【００５４】
III族窒化物半導体光素子１１では、活性層１９は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有することができ、しかしながら、これらの構造に限定されることはない。活性層１９は障壁層２３ａ及び井戸層２３ｂを含む。障壁層２３ａ及び井戸層２３ｂは、支持体１３の主面１３ａの法線軸Ｎｘの方向に交互に配列されている。障壁層２３ａは窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮ等からなる。また、井戸層２３ｂは、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＩｎＧａＮからなる。障壁層２３ａの厚さＤＢは井戸層２３ｂの厚さＤＷより大きい。井戸層２３ｂの炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。井戸層の炭素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるので、ｐ型ドーパントとしての炭素は、活性層１９の発光特性に実質的に影響しない。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５及び活性層１９においては、炭素による影響を低減できる。
【００５５】
また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の炭素濃度はｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の炭素濃度より小さい。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５はｎ型ドーパントを含み、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ型ドーパント濃度は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の炭素濃度より大きい。これ故に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層中の炭素がｐ型ドーパントとして作用するけれども、ｐ型ドーパントとしての炭素は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５のｎ導電型に実質的に影響しない。また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の炭素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。通常のｎ型ドーパントの添加濃度の下では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層は十分に大きい電子濃度を有する。
【００５６】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５はＩｎＡｌＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一方からなることができる。ｐ型ドーパントとしての炭素は、これらの窒化ガリウム系半導体のｎ導電型に対して実質的に影響しない。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５がＩｎＡｌＧａＮなるとき、適切な導電性と所望の歪みとをｎ型窒化ガリウム系半導体層１５に提供できる。
【００５７】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７における炭素濃度はｐ型窒化ガリウム系半導体層１７におけるマグネシウム濃度より大きいことができる。ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮといった窒化ガリウム系半導体において、炭素の活性化エネルギはマグネシウムの活性化エネルギより小さいので、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７において所望の正孔濃度を提供するために必要なマグネシウムの添加量が増加しない。
【００５８】
III族窒化物半導体光素子１１が半導体レーザであるときは、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７はクラッド層として働き、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５はクラッド層として働く。
【００５９】
III族窒化物半導体光素子１１が半導体レーザであるときは、III族窒化物半導体光素子１１は第１の光ガイド層２５を含み、この光ガイド層２５は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなる。第１の光ガイド層２５は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７と活性層１９との間に設けられる。第１の光ガイド層２５の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。この光ガイド層２５によれば、炭素によるキャリア生成を小さくできるので、自由キャリアによる光吸収を低減できる。必要な場合には、第１の光ガイド層２５の少なくとも一部分にマグネシウムを更に添加することができ、このマグネシウム濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。なお、第１の光ガイド層２５にマグネシウムを添加しなくてもよい。
【００６０】
第１の光ガイド層２５は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなることができる。一実施例では、第１の光ガイド層２５はＩｎＧａＮ層２５ａ及びＧａＮ層２５ｂからなることができる。ＩｎＧａＮ層２５ａは、ＧａＮ層２５ｂと活性層１９との間に位置する。また、電子ブロック層２１がｐ型窒化ガリウム系半導体層１７と活性層１９との間に設けられており、図１では、電子ブロック層２１は、ＩｎＧａＮ層２５ａとＧａＮ層２５ｂとの間に位置する。電子ブロック層２１の材料は、ＩｎＧａＮ層２５ａ及びＧａＮ層２５ｂのバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、電子ブロック層２１の厚さはＩｎＧａＮ層２５ａの厚み及びＧａＮ層２５ｂの厚みより小さい。電子ブロック層２１は、例えばＡｌＧａＮ等からなることができる。
【００６１】
III族窒化物半導体光素子１１が半導体レーザであるときは、III族窒化物半導体光素子１１は第２の光ガイド層２７を含み、この光ガイド層２７は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなる。第２の光ガイド層２７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５と活性層１９との間に設けられる。第２の光ガイド層２７の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。炭素によるキャリア生成を小さくできるので、自由キャリアによる光吸収を低減できる。
【００６２】
第２の光ガイド層２７は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなることができる。一実施例では、第２の光ガイド層２７はＩｎＧａＮ層２７ａ及びＧａＮ層２７ｂからなることができる。ＩｎＧａＮ層２７ａは、ＧａＮ層２７ｂと活性層１９との間に位置する。
【００６３】
III族窒化物半導体光素子１１では、活性層１９は、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられている。第１の光ガイド層２５はＩｎＧａＮ層を含むと共に第２の光ガイド層２７はＩｎＧａＮ層を含む。活性層１９は、第１の光ガイド層２５のＩｎＧａＮ層と第２の光ガイド層２７のＩｎＧａＮ層とに接している。第１の光ガイド層２５のＩｎＧａＮ層、活性層１９、及び第２の光ガイド層２７のＩｎＧａＮ層の積層は、比較的長波長の光を生成する発光素子に適切な導波路コア構造を提供できる。
【００６４】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５、発光層２９及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、支持体１３の主面１３ａの法線軸Ｎｘの方向に配列されている。発光層２９は活性層１９を含み、また必要な場合は光ガイド層２５、２７を更に含むことができる。
【００６５】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７（或いは半導体層２１）は活性層１９の主面１９ａ上に設けられており、このｐ型窒化ガリウム系半導体層は発光層２９の主面２９ａ上に接している。発光層２９の主面１９ａ（同様に、活性層１９の主面１９ａ）は基準平面Ｓｃに対して４０度以上１４０度以下の範囲の角度で傾斜している。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、半極性又は無極性を示す半導体領域上にエピタキシャル成長されたにエピタキシャル膜であるので、炭素の振る舞いが、極性を示すｃ面半導体領域上にエピタキシャル成長されたエピタキシャル膜における振る舞いと異なる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７では、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の全体にわたって炭素がｐ型ドーパントとして働く。
【００６６】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の主面１５ａは、基準平面Ｓｃに対して４０度以上１４０度以下の範囲にあることができる。発光層２９及び活性層１９はｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の主面１５ａ上に設けられているので、発光層２９及び活性層１９におけるピエゾ電界の強度は、下地の面方位による半極性及び無極性に起因して小さい。また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５の主面１５ａの傾斜は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７において炭素がｐ型ドーパントとして技術的寄与を提供できる下地層を提供できる。
【００６７】
III族窒化物半導体光素子１１は、コンタクト層３１を更に備えることができる。コンタクト層３１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７の主面１７ａ上に設けられ、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。コンタクト層３１の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であることができる。コンタクト層３１においても、ｐ型ドーパントとしての炭素の技術的寄与を得ることができる。また、コンタクト層３１の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。炭素の添加により、結晶品質の低下が生じる。
【００６８】
必要な場合には、コンタクト層３１、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７及び第１光ガイド層２５にリッジ構造を設けることができる。リッジ構造は、レーザストライプの延在方向の軸Ａｘの方向に延びる。
【００６９】
III族窒化物半導体光素子１１は、コンタクト層３１上に設けられた第１の電極３３を更に備えことができる。第１の電極３３は、エピタキシャル積層の表面を覆う絶縁膜３５の開口３５ａを介してコンタクト層３１に接触を成す。このIII族窒化物半導体光素子１１によれば、コンタクト層３１がｐ型ドーパントとして炭素及びマグネシウムの両方を含むので、コンタクト層３１は電極３３と良好な電気的接触を成すことができる。
【００７０】
III族窒化物半導体光素子１１がリッジ構造を有するとき、絶縁膜３５の開口３５ａは、リッジ構造の上面に位置し、絶縁膜３５はリッジ構造の側面全体を覆う。
【００７１】
上記の説明では、発光層２９の主面２９ａ（同様に、活性層１９の主面１９ａ）は基準平面Ｓｃに対して、４０度以上１４０度以下の範囲の角度で傾斜している。支持体１３の主面１３を結晶方位＜１１−２０＞で示されるａ軸の方向に傾斜させることができる。この傾斜角は、５９度以上１２１度以下の範囲であることが好ましい。また、傾斜角が７０度以上８０度以下であることが特に好ましく、或いは傾斜角が１００度以上１１０度以下であることが特に好ましい。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。
【００７２】
上記の説明では、発光層２９の主面２９ａ（同様に、活性層１９の主面１９ａ）は基準平面Ｓｃに対して、４０度以上１４０度以下の範囲の角度で傾斜している。支持体１３の主面１３を結晶方位＜１−１００＞で示されるｍ軸の方向に傾斜させることができる。この傾斜角は、６３度以上１１７度以下の範囲であることが好ましい。また、傾斜角が７０度以上８０度以下であることが特に好ましく、或いは傾斜角が１００度以上１１０度以下であることが特に好ましい。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。
【００７３】
支持体１３の主面１３を結晶方位＜１１−２０＞で示されるａ軸の方向に傾斜させることができる。ａ軸方向への傾斜では、支持体１３の主面１３は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることが好ましい。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。また、支持体１３の主面１３ａの面指数は｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれか一つであることが好ましい。これらの面指数は、ｐ型ドーパントとして炭素が働くために適した構成原子の配列を有すると考えられる。
【００７４】
或いは、支持体１３の主面１３を結晶方位＜１−１００＞で示されるｍ軸の方向に傾斜させることができる。ｍ軸方向への傾斜では、支持体１３の主面１３ａは、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にあることができる。これらの角度範囲では、ｐ型ドーパントとして炭素が働くことができる。また、支持体１３の主面１３の面指数は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれか一つであることが好ましい。これらの面指数は、ｐ型ドーパントとして炭素が働くために適した構成原子の配列を有すると考えられる。
【００７５】
支持体１３の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることができる。１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域上に成長された窒化ガリウム系半導体層においては、貫通転位がｐ型ドーパント活性化に与える影響を小さくできる。支持体１３はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。
【００７６】
１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域は、支持体１３の一部分において提供されることができる。この低転位領域においてｐ型ドーパント活性化への影響を小さくできる。これ故に、この低い貫通転位密度の領域は、半導体レーザに適用可能である。また、１×１０５ｃｍ−２以下の貫通転位密度の領域上に成長された窒化ガリウム系半導体層は貫通転位によるｐ型ドーパント活性化への影響を更に小さくできる。この貫通転位密度の領域は、実質的に無転位のレーザストライプを提供できる。低転位なＧａＮを入手可能であるので、支持体１３はＧａＮからなることが好ましい。
【００７７】
この支持体１３は導電性を示すことができる。III族窒化物半導体光素子１１は、支持体１３の裏面１３ｂに接触を成す第２の電極３７を更に備えることができる。支持体１３は、ｐ型ドーパントとして炭素が作用可能なエピタキシャル領域を提供できると共に、ｎ型への良好な電気的接触を提供できる。
【００７８】
図２は、有機金属気相成長法を用いて様々な成長条件で半極性面ＧａＮ上に成長された窒化ガリウムの炭素濃度を二次イオン質量分析法で調べた炭素プロファイルを示す図面である。図２において、特性線Ｃ、Ａは、それぞれ、炭素濃度のプロファイル及びアルミニウム濃度を表す。アルミニウムは、成長条件の変更位置を示すためにマーカーとして０．１％以下の組成になるように添加されている。図３は、図２おける窒化ガリウムの成長条件（１）〜（１０）に用いられた成長条件と窒化ガリウムにおける炭素濃度との関係を示す図面である。なお、窒化ガリウムの成長において、有機ガリウム原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いた。図３において、温度の単位は「摂氏」であり、成長レートＧＲの単位は「μｍ／時」であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量の単位は「ｓｌｍ（標準状態おける毎分のリットル単位の流量）」であり、炭素濃度の単位は「ｃｍ−３」である。図３には、Ｖ／III（モル流量比）及び炭素濃度「Ｃ」が示されている。炭素濃度の表記において例えば「０．８５Ｅ１６」は０．８６×１０１６を示す。
【００７９】
図４は、成長されたＧａＮ膜中の炭素濃度と成長温度及びＶ／IIIとの関係を示す図面である。図４（ａ）を参照すると、成長レート０．２１μｍ／時の条件で、成長温度（摂氏７４０度〜７８０度〜８２０度）の範囲で、炭素濃度は温度の上昇と共に単調に減少する。図４（ｂ）を参照すると、炭素濃度は、摂氏７８０度の成長温度の条件で、Ｖ／III比の上昇と共に単調に減少する。
【００８０】
図２〜図４に示される実験から理解されるように、窒化ガリウム系半導体の半極性面（同様に無極性面）への窒化ガリウム系半導体の成長では、III族原料及びＶ族原料に加えて炭素ドーパントを供給しなくても、ｐ型ドーパントの炭素の濃度を制御できる。なお、必要な場合には、炭素ドーパントを原料とは別に供給することができる。例えば、化学式ＣＨ４で示されるメタンを成長中に供給することで、５×１０１８ｃｍ−３以上の比較的高濃度の炭素濃度を容易に実現することができる。
【００８１】
図５〜図７を参照しながら、III族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板を作製する方法を説明する。また、図８は、本実施例における半導体レーザを概略的に示す図面である。この作製方法では、例えば半極性又は無極性の主面を有するＧａＮ基板上に、図８に示されるレーザダイオード構造（ＬＤ１）のエピタキシャル基板を作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。
【００８２】
例えば６３度から８０度未満の傾斜角の範囲内の傾斜角に該当するＧａＮ基板が準備された。図５（ａ）に示された結晶座標系ＣＲにおいて、準備したＧａＮ基板５１は、例えば六方晶系ＧａＮのｃ軸に直交する平面からｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した主面を有しており、この傾斜主面５１ａは｛２０−２１｝面として示される。この主面は鏡面研磨されている。ＧａＮ基板５１上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。
【００８３】
まず、ＧａＮ基板５１を成長炉１０内に設置した。工程Ｓ１０１では、例えば摂氏１０５０度の温度及び２７ｋＰａの炉内圧力において、図５（ａ）に示されるように、アンモニアと水素（Ｈ２）を含む熱処理ガスＧ０を流しながら１０分間熱処理を行った。この熱処理による表面改質によって、ＧａＮ基板５１の表面に、オフ角によって規定されるステップ・アンド・テラス構造が形成される。
【００８４】
この熱処理の後に、ＧａＮ系半導体領域が成長される。例えば、工程Ｓ１０２では、例えば摂氏１１００度において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニア、シランを含む原料ガスＧ１を成長炉１０に供給して、図５（ｂ）に示されるように、ｎ型クラッド層５３を成長した。ｎ型クラッド層５３は、例えばＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ層である。ＩｎＡｌＧａＮ層の厚さは例えば１．２マイクロメートルである。成長温度は例えば摂氏９００度であり、そのＡｌ組成は例えば０．１４であり、そのＩｎ組成は例えば０．０３である。
【００８５】
次いで、図５（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０３では、ｎ型クラッド層５３上に光ガイド層５５を成長した。光ガイド層５５は、例えばＳｉドープＧａＮ層５５ａ及びアンドープのＩｎＧａＮ層５５ｂを含み、そのインジウム組成は０．０２であることができる。まず、ＴＭＧ、アンモニア、シランを成長炉１０に供給して、ｎ型クラッド層５３上にＳｉドープＧａＮ層５５ａを摂氏８４０度の成長温度で成長する。次いで、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを成長炉１０に供給して、ＳｉドープＧａＮ層５５ａ上にアンドープのＩｎＧａＮ層５５ｂを摂氏８４０度の成長温度で成長する。ＳｉドープＧａＮ層５５ａの厚さは例えば２００ｎｍであり、アンドープのＩｎＧａＮ層５５ｂの厚さは例えば６５ｎｍである。
【００８６】
次いで、図６（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０４では、活性層５７を成長する。摂氏８７０度の基板温度で、ＴＭＧ、アンモニアを成長炉に供給して、この基板温度でＧａＮ系半導体障壁層を成長する。障壁層は、例えばアンドープＧａＮであり、その厚さは１５ｎｍである。障壁層の成長後に、成長を中断して、摂氏８７０度から摂氏８３０度に基板温度を変更する。変更後の基板温度Ｔ２で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層を成長する。その厚さは３ｎｍである。井戸層の成長後に、ＴＭＩの供給を停止すると共に、ＴＭＧ、アンモニアを成長炉に供給しながら、摂氏８３０度から摂氏８７０度に基板温度を変更する。この変更中にも、アンドープＧａＮ障壁層の一部が成長されている。温度の変更が完了した後に、アンドープＧａＮ障壁層の残りを成長する。ＧａＮ障壁層の厚さは１５ｎｍである。続けて、障壁層の基板温度変更、井戸層の成長、を繰り返して、ＩｎＧａＮ井戸層及びＧａＮ障壁層を形成する。必要な場合には、障壁層はＩｎＧａＮからなることができる。
【００８７】
活性層５７上に光ガイド層を成長する。光ガイド層のために、まず、工程Ｓ１０５では、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを成長炉１０に供給して、図６（ｂ）に示されるように、活性層５７上にアンドープＩｎＧａＮ層５９を摂氏８４０度の基板温度で成長する。そのＩｎ組成は０．０２である。次いで、本実施例では、光ガイド層のＩｎＧａＮ層５９の成長後に、工程Ｓ１０６において、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止して、基板温度を摂氏１１００度に上昇する。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉１０に供給して、図６（ｃ）に示されるように、電子ブロック層６１を成長する。電子ブロック層６１は例えばＡｌＧａＮである。電子ブロック層６１のＡｌ組成は０．１２であった。基板温度を下げて摂氏８４０度の基板温度において、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、図７（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０７において、電子ブロック層６１上に光ガイド層のｐ型ＧａＮ層６３を成長する。基板温度は例えば摂氏１０００度である。このｐ型ＧａＮ層６３の成長では、例えばｎ型ＧａＮ層５５ａの成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。また、電子ブロック層６１の成長でも、例えばｎ型ＧａＮ層５５ａの成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。また、電子ブロック層６１の炭素濃度は、後ほど成長されるｐ型クラッド層の炭素濃度に比べて小さいことが好ましい。アンドープのＩｎＧａＮ層５９の厚さは例えば６５ｎｍであり、Ｍｇ及びＣドープ電子ブロック層６１の厚さは例えば２０ｎｍであり、Ｍｇ及びＣドープＧａＮ層６３の厚さは例えば２００ｎｍである。
【００８８】
次いで、光ガイド層６３上に、ＧａＮ系半導体領域が成長される。光ガイド層６３の成長後に、ＴＭＧの供給を停止して、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを含むガスを成長炉に供給して、工程Ｓ１０８においてｐ型クラッド層６５を成長した。ｐ型クラッド層６５の基板温度は例えば９００度であり、その厚さが例えば４００ｎｍである。ｐ型クラッド層６５は例えばＭｇ及びＣドープＩｎＡｌＧａＮ、そのＡｌ組成は例えば０．１４であり、そのＩｎ組成は０．０３である。ｐ型クラッド層６５の成長では、例えばｎ型クラッド層５３の成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。
【００８９】
この後に、ＴＭＡの供給を停止して、工程Ｓ１０９において、ｐ型コンタクト層６７を成長した。ｐ型コンタクト層６７は例えばＭｇ及びＣドープＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなり、その厚さ例えば５０ｎｍである。このｐ型コンタクト層６７成長では、例えばｎ型ＧａＮ層５５ａの成長に比べて、炭素の取り込みを上昇させる成膜条件を使用できる。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャル基板ＥＰを作製する。
【００９０】
電極形成工程では、エピタキシャル基板ＥＰ上に電極を形成した。まず、フォトリソグラフィ及びエッチングによりコンタクト窓を形成したシリコン酸化膜といった絶縁膜６９を形成する。コンタクト窓６９ａは例えばストライプ形状であり、その幅は例えば１０マイクロメートルである。次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層６７上にｐ電極（Ｎｉ／Ａｕ）７１ａを形成した。この後に、ｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成した。必要な場合には、所望の厚さにＧａＮ基板５１の裏面を研磨した後に、ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）７１ｂをエピタキシャル基板ＥＰの裏面に形成する。アニール工程では、電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）の手順で行って基板生産物を作製できる。
【００９１】
（実施例１）
このエピタキシャル基板ＥＰの形成では、ｐ型窒化ガリウム系半導体の成長中におけるＶ／III比を高くした成長によって、炭素濃度を増加させた。一方、このエピタキシャル基板ＥＰとは別に、ｐ型窒化ガリウム系半導体の成長中におけるＶ／III比を低くした成長で作製された別のエピタキシャル基板を作製した。この別のエピタキシャル基板のｐ型クラッド層の炭素濃度は、エピタキシャル基板ＥＰのｐ型クラッド層の炭素濃度に比べて低い。
【００９２】
図８に示される半導体レーザを以下のように作製した。（０００１）方向に成長されたＧａＮインゴットから７５度の角度でＧａＮ片を切り出して、｛２０−２１｝面を有するＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板のＧａＮ半導体領域の主面（｛２０−２１｝面）上に以下の半導体層をエピタキシャル成長した。
７５度オフＧａＮ基板
ｎ型クラッド層：ＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ、基板温度９００度、厚さ２μｍ、Ａｌ組成０．１４、Ｉｎ組成０．０３；
光ガイド層：アンドープＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ２５０ｎｍ；
光ガイド層：アンドープＩｎＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ１００ｎｍ、Ｉｎ組成０．０２；
活性層；
障壁層：アンドープＧａＮ、基板温度７３０度、厚さ１５ｎｍ；
井戸層：アンドープＩｎＧａＮ、基板温度７３０度、厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成０．３０；
光ガイド層：アンドープＩｎＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ５０ｎｍ、Ｉｎ組成０．０３；
光ガイド層：アンドープＧａＮ、基板温度８４０度、厚さ２５０ｎｍ；
電子ブロック層：ＭｇドープＡｌＧａＮ、基板温度１０００度、厚さ２０ｎｍ、Ａｌ組成０．１２；
ｐ型クラッド層：ＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ、基板温度９００度、厚さ４００ｎｍ、Ａｌ組成０．１４、Ｉｎ組成０．０３；
ｐ型コンタクト層：ＭｇドープＧａＮ、基板温度９００度、厚さ５０ｎｍ。
【００９３】
図９は、エピタキシャル基板ＥＰにおけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。図１０は、別のエピタキシャル基板におけるインジウム、炭素、アルミニウム及びマグネシウムの元素のＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。図９及び図１０には、二次イオン質量分析によって測定されたプロファイルＰ１〜Ｐ４及びＱ１〜Ｑ４が示されている。ＳＩＭＳ測定において、磁場型ＳＩＭＳ装置を用いた。
Ｐ１、Ｑ１：インジウムのプロファイル；
Ｐ２、Ｑ２：炭素のプロファイル；
Ｐ３、Ｑ３：アルミニウムのプロファイル；
Ｐ４、Ｑ４：マグネシウムのプロファイル。
【００９４】
ＳＩＭＳプロファイルによれば、二次イオン質量分析によって求めた炭素濃度によれば、エピタキシャル基板ＥＰのｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３であり、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層のマグネシウム濃度は４×１０１８ｃｍ−３であった。また、別のエピタキシャル基板のｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ−３であり、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層のマグネシウム濃度は６×１０１８ｃｍ−３であった。
【００９５】
（実施例２）
エピタキシャル基板（高炭素濃度）ＥＰ及び別のエピタキシャル基板（低炭素濃度）を用いて、レーザダイオード（ＬＤ）を作製した。これらのエピタキシャル基板の表面にＳｉＯ２絶縁膜を成膜した後に、この絶縁膜に幅１０μｍのストライプ窓をウエットエッチングにより形成した。Ｎｉ／Ａｕから成るｐ側電極とＴｉ／Ａｌから成るパッド電極を蒸着した。各エピタキシャル基板の裏面を研磨してその厚みを１００ｕｍにした。研磨された裏面にはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから成るｎ側電極を蒸着した。このように作製された基板生産物からレーザバーを作製した。個々のレーザバーは共振ミラーを含む。レーザバーの端面に真空蒸着法によって誘電体多層膜をコーティングした。誘電体多層膜は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層して構成した。膜厚はそれぞれ、５０〜１００ｎｍの範囲で調整して、反射率の中心波長が５００〜５３０ｎｍの範囲になるように設計した。片側の反射面を１０周期とし、反射率の設計値を約９５％に設計し、もう片側の反射面を６周期とし、反射率の設計値を約８０％とした。次に、通電による評価を室温にて行った。電源には、パルス幅５００ｎｓ、デューティ比０．１％のパルス電源を用い、表面電極に針を落として通電した。光出力測定の際には、レーザバー端面からの発光をフォトダイオードによって検出して、光出力−電流特性（Ｌ−Ｉ特性）を調べ、閾値電流密度を求めた。発光波長を測定する際には、レーザバー端面からの発光を光ファイバに通し、検出器にスペクトルアナライザを用いてスペクトル測定を行い、発振波長を求めた。電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）の測定には、四探針法を用いて行った。各ウエハで特性の良好な１０個のＬＤの平均値を以下に示す。
試料名 閾値、 、閾値電圧、発振波長、素子抵抗
高Ｃ濃度のＬＤ：５ｋＡ／ｃｍ２、 ５．２Ｖ、５２１ｎｍ、２Ω；
低Ｃ濃度のＬＤ：１５ｋＡ／ｃｍ２、７．２Ｖ、５２０ｎｍ、６Ω。
高Ｃ濃度のＬＤでは、ｐ型半導体領域の全体にわたって、２×１０１６ｃｍ−３以上であった。一方、低Ｃ濃度のＬＤでは、ｐ型半導体領域の全体にわたって、２×１０１６ｃｍ−３未満であった。
【００９６】
これらの結果から、半極性及び無極性のｐ型窒化ガリウム系半導体に所定濃度範囲の炭素を取り込ませることによって、ｐ型半導体層の電気的特性を向上でき、この結果、素子特性が向上できた。
【００９７】
次に、ｐ型炭素ドーパントに対するＧａＮ基板の転位密度の影響を説明する。Ｓｉ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板等上での半極性面上のＧａＮのヘテロエピタキシャル成長では、現在のところ、エピタキシャル膜の結晶品質は高くない。具体的には、上記の異種基板を用いたヘテロエピタキシャル成長膜では、その貫通転位密度が１×１０７ｃｍ−２以上である。紫色や青色といった発光波長の光を発する得ＩｎＧａＮ活性層を有する発光素子では、キャリアの拡散長が０．２μｍ以下と小さいので、高い転位密度のＩｎＧａＮ活性層でも高効率の発光が観測される。しかしながら、緑色の光を発するＩｎＧａＮ活性層では、キャリアの拡散長が０．２μｍ以上になり、この活性層を形成するＩｎＧａＮ活性層の転位密度は、１×１０７ｃｍ−２以下であることが必要となる。発光素子がレーザダイオードであるとき、転位密度に関して更なる高品質が求められ、その値は１×１０６ｃｍ−２以下であることが望ましい。レーザダイオードのストライプが全く転位を含まないようにするためには、転位密度は１×１０５ｃｍ−２以下である必要がある。
【００９８】
更に、エピタキシャル半導体領域に転位が存在するとき、成長中の表面モフォロジが局所的に変化する。具体的には、転位を中心に窪みが形成される。このため、エピタキシャル半導体領域に転位が存在せず半極性ＧａＮ面が一様に平坦に成長した半導体領域に比べて、転位近傍では窪みの影響で局所的に不純物の取り込み量が、その周囲と異なるものになる。これ故に、低い転位密度が望ましいけれども、一様な不純物分布を有する半導体層を成長することができる。具体的には、転位密度が１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度であれば、局所的な不純物分布の影響は、小さくできる。このため、窒化ガリウム系半導体基板は上記の転位密度以下の値を有することが好ましい。
【００９９】
実施例で用いた｛２０−２１｝面は、先行技術において用いられた窒素面と異なり、本件の｛２０−２１｝面のＧａＮ系成長機構は、面方位｛１０−１１｝面のＧａＮ系成長機構と異なると考えられる。
【０１００】
非特許文献によれば、｛１０−１１｝面ＧａＮにおいて炭素がアクセプタとして振舞う根拠は、(１−１０１)が窒素終端面であることとして説明されている。図１１は、この半極性｛１０−１１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。図１２は、半極性｛２０−２１｝面における原子配列を模式的に示す図面である。図１３は、同様に半極性面である｛１０１４｝面における原子配列を模式的に示す図面である。図１２に示されるように、｛２０−２１｝面の原子配列は、完全な窒素終端面ではない。
｛１０−１１｝面：最表面の原子は全て窒素であり、窒素終端面である。
｛２０−２１｝面：最表面の２／３はＧａ原子であり、窒素終端面ではない。
｛１０−１４｝面：最表面の３／５はＧａ原子であり、窒素終端面ではない。
図１２に示されるように、｛２０−２１｝面は窒素終端面でなく、発明者らの実験によれば、｛２０−２１｝面や｛１０−１０｝面に係る窒化ガリウムにおいて、炭素が浅いアクセプタとして振舞う。このことから、本実施の形態に係る浅い炭素アクセプタによる技術的寄与は、窒素終端面に起因するものではない。
【０１０１】
参考のために｛１０−１４｝面の原子配列を参照すると、｛１０−１４｝面におけるＧａ／Ｎの比率は、｛２０−２１｝のＧａ／Ｎの比率に近い。しかしながら、｛１０−１４｝面近傍の角度範囲では、炭素は浅いアクセプタにはならない。
【０１０２】
発明者らの検討によれば、｛２０−２１｝面と｛１０−１４｝面との違いは、炭素を取り込む際の最表面におけるボンドの向きの違いに起因すると考えられる。｛１０−１４｝面には、ｃ面｛０００１｝から｛１０−１１｝面への微傾斜した際に現れるステップが出現する。これに対して、｛２０−２１｝面には、｛１０−１１｝面から｛１０−１０｝面への微傾斜した際に現れるステップが出現する。このステップの性質の違いによって、炭素と最表面におけるボンドとの結合により効率的に且つ優先的に炭素を取り込むことが可能となり、取り込まれた炭素は、浅いアクセプタを形成する。したがって、｛２０−２１｝面におけるステップと同一又は類似のステップを提供できる面方位及び傾斜角の範囲では、本実施の形態に係る技術的な利益が得られる。
【０１０３】
本実施の形態におけるｐ型窒化ガリウム系半導体では、炭素濃度の下限は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、その上限は１×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。本実施の形態におけるアンドープ窒化ガリウム系半導体では、炭素濃度の上限は１×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。本実施の形態におけるｎ型窒化ガリウム系半導体では、炭素濃度の下限は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、その上限は１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【０１０４】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子が提供される。また、本発明の実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
【０１０５】
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】
【０１０６】
１１…III族窒化物半導体光素子、１３…支持体、１３ａ…支持体主面、１３ｂ…支持体裏面、１５…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、１７…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、１９…活性層、１９ａ…活性層主面、２１…電子ブロック層、ＮＶ…法線ベクトル、Ｎｘ…法線軸、ＡＬＰＨＡ…角度、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、Ｃｘ…基準軸、２３ａ…障壁層、２３ｂ…井戸層、２５、２７…光ガイド層、２５ａ…ＩｎＧａＮ層、２５ｂ…ＧａＮ層、２７ａ…ＩｎＧａＮ層、２７ｂ…ＧａＮ層、２９…発光層、２９ａ…発光層主面、Ｓｃ…基準平面、３１…コンタクト層、Ａｘ…延在軸、３３、３７…電極、３５…絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体光素子であって、
III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有する支持体と、
前記支持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、
前記支持体の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記支持体の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と
を備え、
前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２】
前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、
前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、
前記井戸層は、構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなり、
前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項３】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項４】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項５】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項６】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層における前記炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層におけるマグネシウム濃度より大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項７】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第１の光ガイド層と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第２の光ガイド層と
を更に備え、
前記第１の光ガイド層の少なくとも一部分はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、
前記第１の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記第１の光ガイド層におけるマグネシウム濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記第２の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項８】
前記活性層は、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含み、
当該III族窒化物半導体光素子は、前記活性層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた電子ブロック層を更に備え、
前記第１の光ガイド層は、前記電子ブロック層と前記活性層と間に設けられた第１のＩｎＧａＮ層を含み、
前記第２の光ガイド層は、前記活性層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第２のＩｎＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項７に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項９】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記支持体の前記主面の法線方向に配列されており、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は前記活性層の主面上に設けられ、
前記活性層の前記主面は、前記基準平面に対して４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
前記活性層は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられる、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられ、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層に接触を成す第１の電極と
を更に備え、
前記コンタクト層はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、
前記コンタクト層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記コンタクト層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１１】
前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、５９度以上１２１度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１２】
前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、６３度以上１１７度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１３】
前記支持体の前記主面は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１４】
前記支持体の前記主面の面指数は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜請求項１０及び請求項１３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１５】
前記支持体の前記主面は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１６】
前記支持体の前記主面の面指数は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜請求項１２及び請求項１５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１７】
前記支持体の貫通転位密度は、１×１０７ｃｍ−２以下であり、
前記支持体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１８】
前記支持体の裏面に接触を成す第２の電極を更に備え、
前記支持体は導電性を示す、ことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１９】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２０】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２１】
III族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板であって、
III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、
前記III族窒化物半導体基板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III族窒化物半導体基板の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記III族窒化物半導体基板の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と
を備え、
前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項２２】
前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、
前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、
前記井戸層は、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、
前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい、ことを特徴とする請求項２１に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１】
III族窒化物半導体光素子であって、
III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有する支持体と、
前記支持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、
前記支持体の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記支持体の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と
を備え、
前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２】
前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、
前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、
前記井戸層は、構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなり、
前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項３】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項４】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項５】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項６】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層における前記炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層におけるマグネシウム濃度より大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項７】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第１の光ガイド層と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第２の光ガイド層と
を更に備え、
前記第１の光ガイド層の少なくとも一部分はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、
前記第１の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記第１の光ガイド層におけるマグネシウム濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記第２の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項８】
前記活性層は、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含み、
当該III族窒化物半導体光素子は、前記活性層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた電子ブロック層を更に備え、
前記第１の光ガイド層は、前記電子ブロック層と前記活性層と間に設けられた第１のＩｎＧａＮ層を含み、
前記第２の光ガイド層は、前記活性層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第２のＩｎＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項７に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項９】
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記支持体の前記主面の法線方向に配列されており、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は前記活性層の主面上に設けられ、
前記活性層の前記主面は、前記基準平面に対して４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
前記活性層は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられる、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられ、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層に接触を成す第１の電極と
を更に備え、
前記コンタクト層はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、
前記コンタクト層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記コンタクト層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１１】
前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、５９度以上１２１度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１２】
前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持基体のIII族窒化物半導体の＜１−１００＞方向を基準に−１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対してなす前記有限の角度は、６３度以上１１７度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１３】
前記支持体の前記主面は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１４】
前記支持体の前記主面の面指数は、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２−１｝及び｛１１−２−２｝のいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜請求項１０及び請求項１３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１５】
前記支持体の前記主面は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度〜＋４度の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１６】
前記支持体の前記主面の面指数は、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛１０−１０｝、｛２０−２−１｝及び｛１０−１−１｝のいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜請求項１２及び請求項１５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１７】
前記支持体の貫通転位密度は、１×１０７ｃｍ−２以下であり、
前記支持体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１８】
前記支持体の裏面に接触を成す第２の電極を更に備え、
前記支持体は導電性を示す、ことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１９】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２０】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２１】
III族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板であって、
III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、
前記III族窒化物半導体基板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III族窒化物半導体基板の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記III族窒化物半導体基板の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と
を備え、
前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項２２】
前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、
前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、
前記井戸層は、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、
前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい、ことを特徴とする請求項２１に記載されたエピタキシャル基板。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２３５４１（Ｐ２０１１−２３５４１Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６７１７７（Ｐ２００９−１６７１７７）
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【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２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【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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