ＩＩＩ族窒化物半導体光素子
【課題】ピエゾ電界の影響が抑制されていると共に、高い結晶品質を有するIII族窒化物半導体光素子を提供する。
【解決手段】III族窒化物半導体光素子１１ａは、ｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃに対して有限の角度をなす主面１３ａを有するIII族窒化物半導体基板１３と、III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上に設けられ、III族窒化物半導体からなる井戸層２８、及び、III族窒化物半導体からなる複数のバリア層２９を含む量子井戸構造の活性層１７とを備え、主面１３ａは、半極性を示し、活性層１７は、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、複数のバリア層２９は、井戸層２８のIII族窒化物半導体基板側の下部界面２８Ｓｄと接する上部界面近傍領域２９ｕにおいて、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含む。
【解決手段】III族窒化物半導体光素子１１ａは、ｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃに対して有限の角度をなす主面１３ａを有するIII族窒化物半導体基板１３と、III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上に設けられ、III族窒化物半導体からなる井戸層２８、及び、III族窒化物半導体からなる複数のバリア層２９を含む量子井戸構造の活性層１７とを備え、主面１３ａは、半極性を示し、活性層１７は、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、複数のバリア層２９は、井戸層２８のIII族窒化物半導体基板側の下部界面２８Ｓｄと接する上部界面近傍領域２９ｕにおいて、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含む。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１〜３には、多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体素子が記載されている。これらの窒化物半導体素子においては、活性層のバリア層は、ｎ型不純物を含んでいる。これにより、特許文献１の窒化物半導体素子では、発振閾値を低下させて素子の長寿命化が可能であること、特許文献２の窒化物半導体素子では、素子特性を悪化させることなく順方向電圧を低減することが可能であること、及び、特許文献３の窒化物半導体素子では、逆方向耐圧特性が向上することが、それぞれ記載されている。
【０００３】
下記特許文献４には、III族窒化物発光層を含む発光半導体素子を製造する方法が記載されている。この方法においては、ピエゾ電界の大きさを減少させるために、ｃ面から傾いた半極性面を主面とする基板上に上記III族窒化物発光層等を成長させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９８０９０号公報
【特許文献２】特開２００１−１０２６２９号公報
【特許文献３】特開２００２−８４０３８号公報
【特許文献４】特許第３９５５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
III族窒化物半導体光素子として、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物基板上に、活性層等を含む半導体積層体が形成されたものがある。このようなIII族窒化物半導体光素子において、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いた場合、活性層に比較的大きな歪みが生じてしまう。このため、ピエゾ電界による量子シュタルク効果が生じ、電子および正孔が空間分離されて発光効率が低下するといった問題が生じる。
【０００６】
上記特許文献１〜３に記載されているように、活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、ピエゾ電界をスクリーニングすることが可能であることが知られている。そのため、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用い、活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませる方法も考えられる。
【０００７】
しかしながら、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いたIII族窒化物半導体光素子においては、活性層の井戸層の組成ゆらぎに起因する局在準位発光のため、素子の発光効率が高くなっていることが知られている。発明者らの知見によると、このようなIII族窒化物半導体光素子において、活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、井戸層の組成ゆらぎが低下し、素子の発光効率が低下してしまう。このように、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いたIII族窒化物半導体光素子において活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、井戸層の組成ゆらぎの変化に起因して素子特性が劣化してしまう。このようなことが原因で、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いると、ピエゾ電界の影響を抑制して十分な特性を有するIII族窒化物半導体光素子を得ることは困難である。
【０００８】
このようなピエゾ電界による悪影響を抑制するため、上記特許文献４に記載されているように、半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いるIII族窒化物半導体光素子が知られている。
【０００９】
しかしながら、半極性面を主面とする基板上に半導体積層体を形成すると、半導体積層体の成長時に各層のｃ面が成長し易いことに起因して、半導体積層体の各層のモフォロジーが悪化してしまう。このモフォロジーの悪化により、半導体積層体の結晶品質が劣化するため、十分な特性を有するIII族窒化物半導体素子を得ることは困難である。
【００１０】
半極性面を主面とする基板上に半導体積層体を形成した場合であっても、上記特許文献１〜３に記載されているように活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、半導体積層体の各層のモフォロジーを改善（モフォロジーを平坦化）させることが可能であることが知られている。しかしながら、バリア層中のｎ型不純物が過剰となると、半導体積層体の結晶品質は劣化するため、バリア層中にｎ型不純物を含ませるだけでは、半導体積層体の結晶品質を十分に改善させることは困難な場合がある。
【００１１】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、ピエゾ電界の影響が抑制されていると共に、高い結晶品質を有するIII族窒化物半導体光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するため、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は、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、III族窒化物半導体基板の主面上に設けられ、III族窒化物半導体からなる井戸層、及び、III族窒化物半導体からなる複数のバリア層を含む量子井戸構造の活性層と、を備え、主面は、半極性を示し、活性層は、エピタキシャル層であって、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、複数のバリア層は、井戸層のIII族窒化物半導体基板側の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、半極性を示す主面を有するIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けているため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けたIII族窒化物半導体光素子と比較して、ピエゾ電界の影響を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、活性層のバリア層は、井戸層のIII族窒化物半導体基板側の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上の濃度で含んでいる。これにより、バリア層のモフォロジーが改善するため、当該界面近傍領域に接するように当該界面近傍領域上にエピタキシャル成長する井戸層のモフォロジーが改善し、活性層全体の結晶品質が向上する。また、バリア層が含むｎ型不純物の濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であるため、井戸層のモフォロジーを悪化させることはない。また、発明者らの知見によると、活性層に１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の濃度範囲の酸素を含ませることにより、活性層の各層のモフォロジーが改善し、活性層の結晶品質が向上する。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、バリア層は、酸素以外のｎ型不純物と酸素の両方を含んでいるが、酸素以外のｎ型不純物と酸素とでは、バリア層内において取り込まれるサイトが異なる。具体的には、酸素以外のｎ型不純物は、バリア層を構成するIII族窒化物半導体のIII族原子サイトに取り込まれるのに対し、酸素はバリア層を構成するIII族窒化物半導体の窒素サイトに取り込まれる。
【００１６】
そのため、バリア層内の酸素以外のｎ型不純物と酸素のそれぞれの濃度が、仮に酸素以外のｎ型不純物と酸素をそれぞれ単独でバリア層にドープさせたときに、それぞれ活性層の各層のモフォロジーを改善させることが可能なそれぞれの許容濃度範囲内であれば、活性層の各層のモフォロジーを改善させ、活性層の結晶品質を向上させることができる。その結果、バリア層に酸素以外のｎ型不純物のみをドープすることにより活性層のモフォロジーを改善させる場合よりも、活性層の結晶品質を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、バリア層に酸素以外のｎ型不純物をドープしていることに起因して、井戸層の組成ゆらぎが小さくなる可能性がある。しかし、半極性を示す主面を有するIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けると、井戸層の組成ゆらぎは小さくなる。そのため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けたIII族窒化物半導体光素子における場合と異なり、元々井戸層の組成ゆらぎは小さいため、井戸層の組成ゆらぎが小さくなることに起因した素子特性の変化は抑制される。
【００１８】
以上より、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子によれば、ピエゾ電界の影響を抑制することができると共に、結晶品質が高くなる。
【００１９】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、バリア層が含むｎ型不純物は、シリコン、ゲルマニウム、及び、スズのうちの少なくとも１つであることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、複数のバリア層は、井戸層の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい。これにより、バリア層は、井戸層の界面と接する全ての界面近傍領域において、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の酸素以外のｎ型不純物を含む。その結果、バリア層のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、素子の結晶品質がさらに高くなる。
【００２１】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、複数のバリア層は、その厚さ方向の全体にわたって、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい。これにより、バリア層のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、素子の結晶品質がさらに高くなる。
【００２２】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、上記ｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、井戸層における転位の発生が特に抑制される。
【００２３】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、上記ｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体光素子の動作電圧を特に低下させることができる。
【００２４】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、主面の法線方向を示す法線ベクトルと基準軸の方向を示す基準ベクトルとの成す角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい。この場合、主面と基準平面との成す角度も１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲となる。これにより、主面は、III族窒化物半導体の安定面であるｍ面やａ面から傾いた面となる。その結果、井戸層における組成ゆらぎを抑制することができるため、井戸層における転位の発生が抑制される。
【００２５】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルと基準ベクトルとの成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この場合、主面と基準平面との成す角度も６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲となる。これにより、主面は、III族窒化物半導体の安定面である｛１０−１１｝面から傾いた面となる。その結果、井戸層における組成ゆらぎを特に抑制することができるため、井戸層における転位の発生が特に抑制される。
【００２６】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルと基準ベクトルとの成す角度は、７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲にあることが好ましい。この場合、主面と基準平面との成す角度も７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲となる。これにより、井戸層における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、本発明のIII族窒化物半導体光素子を長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００２７】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルは、基準ベクトルをIII族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００２８】
さらに、この場合において、主面とａ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させ、さらにａ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層のモフォロジーが特に改善される。
【００２９】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルは、基準ベクトルをIII族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００３０】
さらに、この場合において、主面とｍ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させ、さらにｍ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層のモフォロジーが特に改善される。
【００３１】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、主面は、｛２０−２１｝面であることが好ましい。これにより、井戸層における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、本発明のIII族窒化物半導体光素子を長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００３２】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、主面は、｛２０−２−１｝面であることが好ましい。これにより、井戸層における組成ゆらぎをさらに抑制することができる。その上、｛２０−２１｝面の裏面に相当する｛２０−２−１｝面を主面とする場合、｛２０−２１｝面を主面とする場合よりもさらに井戸層におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、本発明のIII族窒化物半導体光素子を長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合にさらに有利となる。
【００３３】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、活性層を貫通している転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、本発明のIII族窒化物半導体光素子を発光波長が緑色領域の半導体光素子とする場合においても、十分な信頼性を確保できる。
【００３４】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、活性層を貫通している転位密度は、１×１０５ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子をレーザ素子とする場合においても、十分な信頼性を確保できる。
【００３５】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は、III族窒化物半導体からなる第１導電型の第１半導体層と、III族窒化物半導体からなる第２導電型の第２半導体層と、をさらに備え、主面の法線と基準軸との成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあり、第１半導体層は、III族窒化物半導体基板と活性層との間に設けられ、活性層は、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられ、活性層は、複数の井戸層を含み、複数の井戸層のうち、最も第２半導体層側の井戸層と、第２半導体層との間には、酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層が存在することが好ましい。
【００３６】
主面の法線と基準軸との成す角度が上記範囲内である場合、活性層におけるピエゾ電界は、III族窒化物半導体基板のピエゾ電界の向きと逆向きになる。そのため、最も第２半導体層側の井戸層と第２半導体層との間において価電子帯のディップが形成され難くなる。そのため、最も第２半導体層側の井戸層と第２半導体層との間に酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層を設けても、電子のオーバーフローが生じにくい。そして、このようなｎ型不純物を含む半導体層を設けると、III族窒化物半導体光素子の動作電圧を低下させることができる。そのため、電子のオーバーフローを抑制しつつ、動作電圧を低下させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、ピエゾ電界の影響が抑制されていると共に、高い結晶品質を有するIII族窒化物半導体光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。
【図２】III族窒化物半導体光素子の活性層近傍の断面構造を示す図である。
【図３】実施形態の変形例に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。
【図４】極性面及び半極性面上における、活性層、光ガイド層、及び、ｐ型III族窒化物半導体層におけるバンドダイアグラムを示す図面である。
【図５】実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２の半導体積層体構造を示す図である。
【図６】実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、表面粗さを示す図である。
【図７】実施例２のノマルスキー顕微鏡写真を示す図である。
【図８】実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４のＬＤ構造を示す図である。
【図９】実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、ＬＤの駆動電圧、及び、ＬＤのしきい値電流を示す図である。
【図１０】実施例６、実施例７、比較例５のＬＥＤ構造を示す図である。
【図１１】実施例６、実施例７、及び、比較例５における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、暗点密度、及び、ＬＥＤ出力を示す図である。
【図１２】比較例５及び比較例６のＣＬ像を示す図である。
【図１３】比較例６及び比較例７のＬＥＤ構造を示す図である。
【図１４】比較例６及び比較例７における、バリア層中のＳｉ濃度、ＰＬ波長、及び、ＰＬ強度を示す図である。
【図１５】比較例６及び比較例７のカソードルミネッセンス法による発光像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００４０】
図１は、実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。本実施形態のIII族窒化物半導体光素子は、例えば発光ダイオードに適用可能な構造を有する。図１に示すように、III族窒化物半導体光素子１１ａは、III族窒化物半導体基板１３と、III族窒化物半導体領域１５と、活性層１７と、III族窒化物半導体領域１９とを備える。III族窒化物半導体基板１３は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮといったIII族窒化物半導体からなる。III族窒化物半導体基板１３は、主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａは、半極性を表す。
【００４１】
図１には、III族窒化物半導体の六方晶系の結晶軸ａ軸、ｍ軸及びｃ軸からなる結晶座標系ＣＲを示している。例えば、六方晶におけるｃ面は「（０００１）」と表記され、「（０００−１）」と表記される面方位は（０００１）面に対して反対を向く。また、図１には、幾何学座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚからなる直交座標系Ｓが示されている。直交座標系Ｓにおいては、主面１３ａと平行な方向にＸ軸及びＹ軸を設定し、III族窒化物半導体基板１３の厚さ方向にＺ軸を設定している。
【００４２】
III族窒化物半導体基板１３は、半極性の主面１３ａを有するため、III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａは、基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃに対して傾斜する。ここで、基準軸Ｃｘは、III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる。
【００４３】
基準平面Ｓｃは基準軸Ｃｘに直交するため、基準平面ＳｃはIII族窒化物半導体のｃ面と平行な平面となる。図１には、ｃ軸方向を向いた基準ベクトルＶＣと、主面１３ａの法線方向を向いた法線ベクトルＶＮが示されている。法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとがなす角度αは、主面１３ａと基準平面Ｓｃとがなす角度ＡＯＦＦと等しい。この角度ＡＯＦＦは、III族窒化物半導体基板１３のｃ面に対するオフ角と呼ばれる。
【００４４】
III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９は、それぞれエピタキシャル層であり、主面１３ａ上に、Ｚ軸と平行な軸Ａｘに沿って配列されている。
【００４５】
III族窒化物半導体領域１５は、主面上１３ａに設けられている。III族窒化物半導体領域１５は、一又は複数のIII族窒化物半導体層を含むことができる。本実施形態では、III族窒化物半導体領域１５は、第１導電型III族窒化物半導体層２１（第１半導体層）及びIII族窒化物半導体層２３からなる。第１導電型III族窒化物半導体層２１は、例えばｎ型半導体層であり、III族窒化物半導体層２３は、例えば緩衝層であることができる。第１導電型III族窒化物半導体層２１は、例えばｎ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｎ型窒化ガリウム系半導体には、例えばシリコンといったｎ型ドーパントが添加されている。ｎ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。III族窒化物半導体層２３は、例えばアンドープ窒化ガリウム系半導体からなる。窒化ガリウム系半導体は、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなることができる。
【００４６】
また、III族窒化物半導体領域１９は、一又は複数のIII族窒化物半導体層を含むことができる。本実施形態では、III族窒化物半導体領域１９は、III族窒化物半導体層２５及び第２導電型III族窒化物半導体層２７（第２半導体層）からなる。III族窒化物半導体層２５は、例えばアンドープ又はｐ型窒化ガリウム系半導体からなることができる。第２導電型III族窒化物半導体層２７は、例えばｐ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｐ型窒化ガリウム系半導体には、例えばマグネシウムといったｐ型ドーパントが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなることができる。III族窒化物半導体層２５は、例えば電子ブロック層であり、第２導電型III族窒化物半導体層２７は、例えばｐ型コンタクト層であることができる。第１導電型III族窒化物半導体層２１と第２導電型III族窒化物半導体層２７との間には、活性層１７が設けられている。活性層１７は、III族窒化物半導体領域１５上に設けられており、III族窒化物半導体領域１９は、活性層１７上に設けられている。
【００４７】
III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９は、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有している。この酸素濃度は、例えば、III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９をエピタキシャル成長させる際の、原料中の水分等の不純物濃度、基板のオフ角、成長温度、混晶の組成等により制御可能である。なお、本実施形態においては、III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９の全てが１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しているが、少なくとも活性層１７が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有していればよい。
【００４８】
次に、図２を参照しながら、活性層１７の詳細について説明する。図２は、III族窒化物半導体光素子の活性層近傍の断面構造を示す図である。
【００４９】
III族窒化物半導体光素子１１ａの活性層１７は、交互に配列された井戸層２８及びバリア層２９を含む多重量子井戸構造を有することができる。最下層のバリア層２９は、III族窒化物半導体層２３と接し、最上層のバリア層２９は、III族窒化物半導体層２５と接している。井戸層２８は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のIII族窒化物半導体からなることができ、バリア層２９は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のIII族窒化物半導体からなることができる。なお、活性層１７は、１つの井戸層２８と２つのバリア層２９とからなる単一量子井戸構造を有していてもよい。また、最下層のバリア層２９と最上層のバリア層２９は、省略されていてもよい。この場合、最下層の井戸層２８は、III族窒化物半導体層２３と接し、最上層の井戸層２８は、III族窒化物半導体層２５と接する。
【００５０】
井戸層２８は、III族窒化物半導体基板１３側の下部界面２８Ｓｄと、III族窒化物半導体基板１３側とは反対側の上部界面２８Ｓｕとを有する。バリア層２９は、III族窒化物半導体基板１３側の下部界面近傍領域２９ｄと、III族窒化物半導体基板１３側とは反対側の上部界面近傍領域２９ｕと、下部界面近傍領域２９ｄと上部界面近傍領域２９ｕの間の中間領域２９ｎとを有する。井戸層２８の上部界面２８Ｓｕは、バリア層２９の下部界面近傍領域２９ｄと接し、井戸層２８の下部界面２８Ｓｄは、バリア層２９の上部界面近傍領域２９ｕと接する。
【００５１】
バリア層２９は、少なくとも井戸層２８の下部界面２８Ｓｄと接する上部界面近傍領域２９ｕにおいて、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含む。酸素以外のｎ型不純物としては、例えば、IV族元素を用いることができる。IV族元素としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及び、スズ（Ｓｎ）のうちの少なくとも１つを用いることができる。ｎ型ドーパントがシリコンである場合、ドーピングガスとして、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）、モノシラン、ジシラン、テトラエチルシラン等を用いることができる。ｎ型ドーパントがゲルマニウムである場合、ドーピングガスとして、モノゲルマン、テトラエチルゲルマニウム等を用いることができる。ｎ型ドーパントがスズである場合、ドーピングガスとして、テトラエチルスズ、テトラメチルスズ等を用いることができる。
【００５２】
次に、本実施形態の変形例に係るIII族窒化物半導体光素子について説明する。本変形例の説明においては、上述のIII族窒化物半導体光素子１１ａと同様の要素には、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略している部分がある。
【００５３】
図３は、本実施形態の変形例に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。本変形例に係るIII族窒化物半導体光素子は、例えば半導体レーザに適用可能な構造を有する。図３に示すように、III族窒化物半導体光素子１１ｂは、III族窒化物半導体基板１３と、III族窒化物半導体領域１５と、発光層３７と、III族窒化物半導体領域１９とを備える。本変形例では、発光層３７は、活性層１７と、第１の光ガイド層３９と、第２の光ガイド層４１とを含むことができる。活性層１７は、第１の光ガイド層３９と第２の光ガイド層４１との間に設けられている。第１及び第２の光ガイド層３９、４１は、III族窒化物半導体からなり、このIII族窒化物半導体は、例えばアンドープであることができる。または、第１の光ガイド層３９は、ｎ型窒化物半導体からなってもよく、第２の光ガイド層４１は、ｐ型窒化物半導体からなってもよい。
【００５４】
III族窒化物半導体領域１９は、III族窒化物半導体層２５、第２導電型III族窒化物半導体層２７に加えて、さらに別の第２導電型III族窒化物半導体層４３を含むことができる。第２導電型III族窒化物半導体層４３は、例えばｐ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｐ型窒化ガリウム系半導体には、例えばマグネシウムといったｐ型ドーパントが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。第２導電型III族窒化物半導体層４３は、例えばｐ型クラッド層であることができる。
【００５５】
III族窒化物半導体領域１５は、III族窒化物半導体層４５を含むことができる。III族窒化物半導体層４５は、例えばｎ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｎ型窒化ガリウム系半導体には、例えばシリコンといったｎ型ドーパントが添加されている。ｎ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。III族窒化物半導体層４５は、例えばｎ型クラッド層であることができる。
【００５６】
III族窒化物半導体層４５と第２導電型III族窒化物半導体層４３との間には、発光層３７が設けられる。III族窒化物半導体層４５及び第２導電型III族窒化物半導体層４３の屈折率は、第１の光ガイド層３９及び第２の光ガイド層４１の屈折率よりも小さい。III族窒化物半導体層４５及び第２導電型III族窒化物半導体層４３は、発光層３７に光を閉じ込める。
【００５７】
また、III族窒化物半導体光素子１１ｂにおいて、第２導電型III族窒化物半導体層２７上には、保護のための絶縁膜４７が設けられている。絶縁膜４７は、ストライブ状の開口４７ａを有する。絶縁膜４７及び開口４７ａ上に第１の電極（例えばアノード）４９ａが設けられる。III族窒化物半導体基板１３の裏面１３ｂ上には、第２の電極（例えばカソード）４９ｂが設けられる。
【００５８】
このIII族窒化物半導体光素子１１ｂは、例えば利得ガイド型レーザダイオードの構造を有する。III族窒化物半導体光素子１１ｂは、一対の端面５０ａ、５０ｂを有することができる。端面５０ａ、５０ｂは、共振器を形成するために割段面であるとよい。III族窒化物半導体光素子１１ｂによるレーザ光Ｌは、端面５０ａ、５０ｂの一方から出射される。
【００５９】
上述のような本実施形態のIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、半極性を示す主面１３ａを有するIII族窒化物半導体基板１３上に活性層１７を設けているため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層１７を設けたIII族窒化物半導体光素子と比較して、ピエゾ電界の影響を抑制することができる。
【００６０】
また、上述のように本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、活性層１７のバリア層２９は、少なくとも井戸層２８のIII族窒化物半導体基板１３側の下部界面２８Ｓｄと接する上部界面近傍領域２９ｕにおいて、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上の濃度で含んでいる。これにより、バリア層２９のモフォロジーが改善するため、上部界面近傍領域２９ｕに接するように上部界面近傍領域２９ｕ上にエピタキシャル成長する井戸層２８のモフォロジーが改善し、活性層１７全体の結晶品質が向上する。酸素以外のｎ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満であると、井戸層２８のモフォロジーを十分に改善することができない場合がある。また、バリア層２９が含むｎ型不純物の濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも大きいと、バリア層２９中のｎ型不純物の濃度が過剰となって、バリア層２９のモフォロジーが逆に悪化し、井戸層２８のモフォロジーを悪化させる場合がある。
【００６１】
また、発明者らの知見によると、活性層１７に１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の濃度範囲の酸素を含ませることにより、活性層１７を成長させる際、ｃ面の生成を阻害し、非ｃ面の生成を安定化させることができる。これにより、活性層１７の各層（井戸層２８及びバリア層２９）のモフォロジーが改善し、活性層１７の結晶品質が向上する。酸素濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満であると、活性層１７の各層のモフォロジーを十分に改善させることができない場合がある。また、酸素濃度が８×１０１７ｃｍ−３よりも大きいと、活性層１７の各層のモフォロジーが逆に悪化し、活性層１７の結晶品質が悪化する場合がある。
【００６２】
また、上述のような本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、バリア層２９は、酸素以外のｎ型不純物と酸素の両方を含んでいるが、酸素以外のｎ型不純物と酸素とでは、バリア層２９内において取り込まれるサイトが異なる。具体的には、酸素以外のｎ型不純物は、バリア層２９を構成するIII族窒化物半導体のIII族原子サイト（例えば、Ｇａサイト）に取り込まれるのに対し、酸素はバリア層２９を構成するIII族窒化物半導体の窒素サイトに取り込まれる。
【００６３】
そのため、バリア層２９内への酸素ドープと、バリア層２９内への酸素以外のｎ型不純物のドープは、互いに干渉し難くなる。具体的には、バリア層２９内の酸素以外のｎ型不純物と酸素のそれぞれの濃度が、仮に酸素以外のｎ型不純物と酸素をそれぞれ単独でバリア層２９にドープさせたときに、それぞれ活性層１７の各層のモフォロジーを改善させることが可能なそれぞれの許容濃度範囲内であれば、活性層１７の各層のモフォロジーを改善させ、活性層１７の結晶品質を向上させることができる。
【００６４】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、バリア層２９に酸素以外のｎ型不純物をドープしていることに起因して、井戸層２８の組成ゆらぎが小さくなる可能性がある。しかし、半極性を示す主面１３ａを有するIII族窒化物半導体基板１３上に活性層１７を設けると、井戸層２８の組成ゆらぎは小さくなる。そのため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けたIII族窒化物半導体光素子における場合と異なり、元々井戸層２８の組成ゆらぎは小さいため、井戸層２８の組成ゆらぎが小さくなることに起因した素子特性の変化は抑制される。
【００６５】
以上より、上述のような本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂによれば、ピエゾ電界の影響を抑制することができると共に、結晶品質が高くなる。
【００６６】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、複数のバリア層２９は、井戸層２８の下部界面２８Ｓｄに接する上部界面近傍領域２９ｕに加え、井戸層２８の上部界面２８Ｓｕに接する下部界面近傍領域２９ｄにおいても、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい（図２参照）。これにより、バリア層２９は、井戸層２８の界面（下部界面２８Ｓｄ及び上部界面２８Ｓｕ）と接する全ての界面近傍領域（上部界面近傍領域２９ｕ及び下部界面近傍領域２９ｄ）において、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の酸素以外のｎ型不純物を含む。これにより、バリア層２９のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層１７の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの結晶品質がさらに高くなる。
【００６７】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、複数のバリア層２９は、その厚さ方向の全体にわたって、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい（図２参照）。これにより、バリア層２９のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層１７の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの結晶品質がさらに高くなる。
【００６８】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、バリア層２９が含む酸素以外のｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、井戸層２８における転位の発生が特に抑制される。
【００６９】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、バリア層２９が含む酸素以外のｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの動作電圧を特に低下させることができる。
【００７０】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線ＶＮと基準軸Ｃｘとの成す角度αは、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい（図１及び図３参照）。この場合、主面１３ａと基準平面Ｓｃとの成す角度ＡＯＦＦも１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲となる。これにより、主面１３ａは、III族窒化物半導体の安定面であるｍ面やａ面から傾いた面となる。その結果、井戸層２８における組成ゆらぎを抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が抑制される。
【００７１】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線と基準軸Ｃｘとの成す角度、即ち、法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとの成す角度αは、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい（図１及び図３参照）。この場合、主面１３ａと基準平面Ｓｃとの成す角度ＡＯＦＦも６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲となる。これにより、主面１３ａは、III族窒化物半導体の安定面である｛１０−１１｝面から傾いた面となる。その結果、井戸層２８における組成ゆらぎを特に抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が特に抑制される。
【００７２】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線と基準軸Ｃｘとの成す角度、即ち、法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとの成す角度αは、７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲にあることが好ましい（図１及び図３参照）。この場合、主面１３ａと基準平面Ｓｃとの成す角度ＡＯＦＦも７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲となる。これにより、井戸層２８における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層２８におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００７３】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線は、基準軸ＣｘをIII族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であること、即ち、法線ベクトルＶＮは、基準ベクトルＶＣをIII族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００７４】
さらに、この場合において、主面１３ａとａ面（ａ軸と直交する面）とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させ、さらにａ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層２９のモフォロジーが特に改善される。
【００７５】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線は、基準軸ＣｘをIII族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であること、即ち、法線ベクトルＶＮは、基準ベクトルＶＣをIII族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００７６】
さらに、この場合において、主面１３ａとｍ面（ｍ軸と直交する面）とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させ、さらにｍ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層２９のモフォロジーが特に改善される。
【００７７】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａは、｛２０−２１｝面であることが好ましい。｛２０−２１｝面は、基準平面Ｓｃをｍ軸の方向に７５度傾けた場合の主面である。これにより、井戸層２８における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層２８におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００７８】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａは、｛２０−２−１｝面であることが好ましい。これにより、井戸層２８における組成ゆらぎをさらに抑制することができる。その上、｛２０−２１｝面の裏面に相当する｛２０−２−１｝面を主面１３ａとする場合、｛２０−２１｝面を主面１３ａとする場合よりもさらに井戸層２８におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合にさらに有利となる。
【００７９】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、活性層１７を貫通している転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを発光波長が緑色領域の半導体光素子とする場合においても、十分な信頼性を確保できる。なお、活性層１７を貫通している転位密度は、例えば、活性層１７が有する酸素濃度や、バリア層２９が有する酸素以外のｎ型不純物濃度等を適切に選択することにより、減少させることができる。
【００８０】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、活性層１７を貫通している転位密度は、１×１０５ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂをレーザ素子とする場合において、発光領域（例えば、２μｍ×６００μｍのリッジ部に対応する領域）における貫通転位密度を、１個以下とすることができる。その結果、十分な信頼性を確保できる。
【００８１】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとの成す角度αは、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあり、井戸層２８のうち、最も第２導電型III族窒化物半導体層２７側の井戸層２８ｍ（図２参照）と、第２導電型III族窒化物半導体層２７との間には、酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層が存在することが好ましい（図１及び図３参照）。これは、例えば、最も第２導電型III族窒化物半導体層２７側のバリア層２９（最上バリア層）に酸素以外のｎ型不純物を含ませたり、III族窒化物半導体層２５を、ｎ型不純物を含む半導体層に置き換えたりすることにより実現できる。この場合、次のような利点を有する。
【００８２】
図４は、極性面及び半極性面上における、活性層、ガイド層、及び、ｐ型III族窒化物半導体層におけるバンドダイアグラムを示す図面である。図４（ａ）に示すように、主面が極性面である半導体基板上に活性層を設けた場合、井戸層におけるピエゾ電界は、第２導電型半導体層から第1導電型半導体層に向かう方向（矢印Ａ１の方向）になり、ブロック層におけるピエゾ電界は、その逆の方向（矢印Ａ２の方向）になるため、最もクラッド層側の井戸層とブロック層との間において価電子帯のディップが形成される。この状態で、さらに最上バリア層や光ガイド層にｎ型不純物をドープすると、さらに価電子帯のディップが大きくなり、キャリアオーバーフローが増大してしまう。
【００８３】
それに対して、図４（ｂ）に示すように、主面が半極性面である半導体基板上に活性層を設けた場合、井戸層におけるピエゾ電界は、第１導電型半導体層から第２導電型半導体層に向かう方向（矢印Ａ３の方向）になり、ブロック層におけるピエゾ電界は、その逆の方向（矢印Ａ４の方向）になるため、最もクラッド層（第２導電型III族窒化物半導体層２７）側の井戸層２８ｍとブロック層との間において価電子帯のディップは形成され難い。そのため、最もクラッド層側の井戸層２８ｍとブロック層との間に酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層を設けても、電子のオーバーフローが生じにくい。そして、このようなｎ型不純物を含む半導体層を設けると、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの動作電圧を低下させることができる。そのため、電子のオーバーフローを抑制しつつ、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの動作電圧を低下させることが可能となる。
【００８４】
（実施例）
以下、実施例及び比較例について説明する。
【００８５】
実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２として、半導体積層体を作製した。図５は、実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２の半導体積層体構造を示す図である。図５に示すように、ｍ軸方向にｃ面を７５度傾斜させた半極性主面６１ａを有するＧａＮ基板６１を準備した。半極性主面６１ａは、基準平面Ｓｃと７５度の角度を成す。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板６１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。半極性主面６１ａは、｛２０−２１｝面に相当する。ＧａＮ基板６１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板６１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下の半導体積層体構造を作製した。
【００８６】
まず、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層６３を摂氏８８０度で１．２μｍ成長した。ｎ型ＧａＮガイド層６５を摂氏１０５０度で０．２５μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層６７を摂氏８６０度で０．１μｍ成長した。続いて、活性層６９を成長した。活性層６９は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、３層とした。井戸層の成長温度は、摂氏７２０度、バリア層の成長温度は、摂氏８６０度とした。
【００８７】
また、活性層６９が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有するように、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層６３、ｎ型ＧａＮガイド層６５、ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層６７、及び、活性層６９の各層の成長時に、含有水分濃度を適宜調節したアンモニア（ＮＨ３）を窒素原料として供給した。また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。
【００８８】
図６は、実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、表面粗さを示す図である。図６に示すように、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量（ｓｃｃｍ）は、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に、それぞれ０、０．２、１、１０とした。バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に、それぞれ検出限界以下、２．５×１０１７、１．２×１０１８、１．５×１０１９となった。
【００８９】
図７は、実施例２の活性層６９表面のノマルスキー顕微鏡写真を示す図である。図７に示すように、ノマルスキー顕微鏡写真で判別可能なレベルでは、活性層６９の表面は平坦であった。また、活性層６９の表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した結果を、図６に示す。測定範囲は、５μｍ角とし、表面粗さはＲＭＳ（二乗平均粗さ）で評価した。
【００９０】
図６に示すように、活性層６９の表面粗さ（ｎｍ）は、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に、それぞれ０．８、０．３、０．４、１．２となった。これにより、バリア層中のＳｉ濃度が、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内である実施例１及び実施例２においては、活性層６９の表面粗さが小さくなることがわかった。
【００９１】
続いて、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４について説明する。実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４として、ＬＤ（レーザダイオード）を作製した。図８は、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４のＬＤ構造を示す図である。図８に示すように、ｍ軸方向にｃ面を７５度傾斜させた半極性主面７１ａを有するＧａＮ基板７１を準備した。半極性主面７１ａは、基準平面Ｓｃと７５度の角度を成す。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板７１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。半極性主面７１ａは、｛２０−２１｝面に相当する。ＧａＮ基板７１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板７１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のようにＬＤのための構造を作製した。
【００９２】
まず、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層７２を摂氏８８０度で１．２μｍ成長した。ｎ型ＧａＮガイド層７３を摂氏１０５０度で０．２５μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層７４を摂氏８６０度で０．１μｍ成長した。続いて、活性層７５を成長した。活性層７５は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、２層とした。井戸層の成長温度は、摂氏７２０度、バリア層の成長温度は、摂氏８６０度とした。続いて、アンドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層７６を摂氏８６０度で０．１μｍ成長した。０．０２μｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層７７、０．２５μｍのｐ型ＧａＮガイド層７８、０．４μｍのｐ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層７９、及び、０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８０を、順に摂氏９００度で成長した。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層８０には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜８１の幅１０μｍのストライプ状の開口を介してＮｉ／Ａｕからなるアノード電極８２を蒸着により形成すると共に、ＧａＮ基板７１の裏面にＴｉ／Ａｌの電極とＴｉ／Ａｕのパッド電極からなるカソード電極部８３を蒸着により形成した。ストライプ状の開口の延び方向は、ＧａＮ基板７１のｍ軸を主面７１ａに投影した方向とした。そして、６００μｍ間隔でストライプ状の開口の延び方向と垂直な面でＧａＮ基板７１を割断した。割断した一方の端面に反射率が８０％の多層反射膜をコーティングし、他方の端面に反射率が９５％の多層反射膜をコーティングした。このようにして、ゲインガイド型のＬＤを作製した。
【００９３】
また、活性層７５における酸素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下となるように、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層７２からｐ型ＧａＮコンタクト層８０までの各層の成長時に、含有水分濃度を適宜調節したアンモニア（ＮＨ３）を窒素原料として供給した。また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。
【００９４】
図９は、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、ＬＤの駆動電圧、及び、ＬＤのしきい値電流を示す図である。駆動電圧及びしきい値電流の測定は、室温において、パルス幅０．５秒、デューティー比０．１％のパルス駆動で行った。図９に示すように、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量（ｓｃｃｍ）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ０、０．２、０．５、１、１０とした。バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ検出限界以下、２．５×１０１７、６．０×１０１７、１．２×１０１８、１．５×１０１９となった。出力５ｍＷにおける駆動電圧（Ｖ）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ１０．８、７．２、６．４、５．７、５．４となった。しきい値電流（ｍＡ）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ３５０、２８０、２４０、２５０、４８０となった。また、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４の発振波長は、全て５２０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲であった。
【００９５】
これらの結果より、バリア層中のＳｉ濃度が、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内である実施例３、実施例４、及び、実施例５では、ＬＤの駆動電圧及びしきい値電流が小さくなることがわかった。
【００９６】
続いて、実施例６、実施例７、比較例５について説明する。実施例６、実施例７、比較例５として、ＬＥＤ（発光ダイオード）を作製した。図１０は、実施例６、実施例７、比較例５のＬＥＤ構造を示す図である。図１０に示すように、ｍ軸方向にｃ面を７５度傾斜させた半極性主面９１ａを有するＧａＮ基板９１を準備した。半極性主面９１ａは、基準平面Ｓｃと７５度の角度を成す。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板９１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。半極性主面９１ａは、｛２０−２１｝面に相当する。ＧａＮ基板９１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板９１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のようにＬＥＤのための構造を作製した。
【００９７】
まず、ｎ型ＧａＮバッファ層９２を摂氏１０５０度で２μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ緩衝層層９３を摂氏８６０度で１００ｎｍ成長した。続いて、活性層９４を成長した。活性層９４は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、３層とした。井戸層の成長温度は、摂氏７２０度、バリア層の成長温度は、摂氏８６０度とした。続いて、２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層９５、５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９６を、順に摂氏９００度で成長した。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層９６上に、Ｎｉ／Ａｕからなり、開口を有するアノード電極９７と、Ｔｉ／Ａｕからなり、アノード電極９７の開口を介してｐ型ＧａＮコンタクト層９６に接するパッド電極９８を蒸着した。
【００９８】
また、活性層９４における酸素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下となるように、ｎ型ＧａＮバッファ層９２からｐ型ＧａＮコンタクト層９６までの各層の成長時に、含有水分濃度を適宜調節したアンモニア（ＮＨ３）を窒素原料として供給した。また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。実施例６、実施例７、及び、比較例５のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。また、カソードルミネッセンス法（ＣＬ）によって、貫通転位密度と対応する暗点密度を測定した。
【００９９】
図１１は、実施例６、実施例７、及び、比較例５における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、暗点密度、及び、ＬＥＤ出力を示す図である。ＬＥＤ出力の測定は、室温においてパルス駆動で行った。図１１に示すように、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量（ｓｃｃｍ）は、比較例５、実施例６、実施例７、の順に、それぞれ０、１、５とした。バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例５、実施例６、実施例７の順に、それぞれ検出限界以下、１．２×１０１８、６．１×１０１８となった。暗点密度（ｃｍ−２）は、比較例５、実施例６、実施例７、の順に、それぞれ２．０×１０６、３．０×１０５、８．０×１０４となった。駆動電流５００ｍＡにおけるＬＥＤ出力（ｍＷ）は、比較例５、実施例６、実施例７、の順に、それぞれ１１、１４、１５であった。また、実施例６、実施例７、及び、比較例５の発振波長は、全て５２０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲であった。
【０１００】
図１１に示した測定結果より、バリア層中のＳｉ濃度が、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内である実施例６及び実施例７は、暗点密度（貫通転位密度）が低くなり、ＬＥＤ出力が大きくなった。
【０１０１】
また、図１２（ａ）は、比較例５のＣＬ像を示す図であり、図１２（ｂ）は、実施例６のＣＬ像を示す図である。図１２に示すように、比較例５と実施例６とでは、暗点密度に差はあるが、ＣＬ像での強度の濃淡の度合いに大きな違いは見られなかった。これは、半極性主面９１ａ上に成長した活性層の井戸層においては、バリア層へのＳｉドープの有無に関わらず、Ｉｎの組成ゆらぎが小さいことを示している。
【０１０２】
続いて、比較例６及び比較例７について説明する。比較例６及び比較例７として、ＬＥＤを作製した。図１３は、比較例６及び比較例７のＬＥＤ構造を示す図である。図１３に示すように、主面１０１ａがｃ面であるＧａＮ基板１０１を準備した。主面１０１ａは、極性面となる。極性を示す主面１０１ａは、基準平面Ｓｃと平行である。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板１０１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。主面１０１ａは、｛０００１｝面となる。ＧａＮ基板１０１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板１０１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のようにＬＥＤのための構造を作製した。
【０１０３】
まず、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎバッファ層１０２を摂氏１１００度で５０ｎｍ成長した。ｎ型ＧａＮガイド層１０３を摂氏１１８０度で２μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層１０４を摂氏８８０度で１００ｎｍ成長した。続いて、活性層１０５を成長した。活性層１０５は、１５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層と、５ｎｍのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、６層とした。井戸層の成長温度は、摂氏８４０度、バリア層の成長温度は、摂氏８８０度とした。続いて、２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層１０６、５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０７を、順に摂氏１１００度で成長した。
【０１０４】
また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。比較例６及び比較例７のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。また、カソードルミネッセンス法（ＣＬ）によって、発光像を測定し、フォトルミネッセンス法（ＰＬ）によって、発光波長と発光強度を測定した。
【０１０５】
図１４は、比較例６及び比較例７における、バリア層中のＳｉ濃度、ＰＬ波長、及び、ＰＬ強度を示す図である。図１４に示すように、バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例６及び比較例７の順に、それぞれ、バックグラウンドレベル、１．０×１０１８となった。ＰＬ波長（ｎｍ）は、比較例６及び比較例７の順に、それぞれ、４６７、４４９となった。ＰＬ強度（任意単位）は、比較例６及び比較例７の順に、それぞれ、９５０、５３０となった。図１４に示す測定結果より、極性面（ｃ面）を主面とするＧａＮ基板を用いたＬＥＤにおいては、バリア層にＳｉをドープすることにより、ＰＬ強度が大きく低下することがわかった。また、図１５（ａ）は、比較例６のカソードルミネッセンス法による発光像を示す図であり、図１５（ｂ）は、比較例７のカソードルミネッセンス法による発光像を示す図である。図１５に示す測定結果より、極性面（ｃ面）を主面とするＧａＮ基板を用いたＬＥＤにおいては、バリア層にＳｉをドープすることにより、発光むらが減少することがわかった。これらの結果より、極性面（ｃ面）を主面とするＧａＮ基板を用いたＬＥＤにおいては、バリア層にＳｉをドープしない場合、井戸層におけるＩｎ組成ゆらぎによって生じる局在準位発光のためにＰＬ強度が大きくなるが、バリア層にＳｉをドープすると、井戸層におけるＩｎ組成ゆらぎの減少に伴って局在準位発光が低減し、ＰＬ強度が小さくなることがわかった。
【符号の説明】
【０１０６】
１１ａ、１１ｂ・・・III族窒化物半導体光素子、１３・・・III族窒化物半導体基板、１３ａ・・・III族窒化物半導体基板の主面、１７・・・活性層、２８・・・井戸層、２８Ｓｄ・・・下部界面、２９・・・バリア層、２９ｕ・・・上部界面近傍領域、Ｃｘ・・・基準軸、Ｓｃ・・・基準平面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１〜３には、多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体素子が記載されている。これらの窒化物半導体素子においては、活性層のバリア層は、ｎ型不純物を含んでいる。これにより、特許文献１の窒化物半導体素子では、発振閾値を低下させて素子の長寿命化が可能であること、特許文献２の窒化物半導体素子では、素子特性を悪化させることなく順方向電圧を低減することが可能であること、及び、特許文献３の窒化物半導体素子では、逆方向耐圧特性が向上することが、それぞれ記載されている。
【０００３】
下記特許文献４には、III族窒化物発光層を含む発光半導体素子を製造する方法が記載されている。この方法においては、ピエゾ電界の大きさを減少させるために、ｃ面から傾いた半極性面を主面とする基板上に上記III族窒化物発光層等を成長させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９８０９０号公報
【特許文献２】特開２００１−１０２６２９号公報
【特許文献３】特開２００２−８４０３８号公報
【特許文献４】特許第３９５５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
III族窒化物半導体光素子として、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物基板上に、活性層等を含む半導体積層体が形成されたものがある。このようなIII族窒化物半導体光素子において、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いた場合、活性層に比較的大きな歪みが生じてしまう。このため、ピエゾ電界による量子シュタルク効果が生じ、電子および正孔が空間分離されて発光効率が低下するといった問題が生じる。
【０００６】
上記特許文献１〜３に記載されているように、活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、ピエゾ電界をスクリーニングすることが可能であることが知られている。そのため、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用い、活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませる方法も考えられる。
【０００７】
しかしながら、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いたIII族窒化物半導体光素子においては、活性層の井戸層の組成ゆらぎに起因する局在準位発光のため、素子の発光効率が高くなっていることが知られている。発明者らの知見によると、このようなIII族窒化物半導体光素子において、活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、井戸層の組成ゆらぎが低下し、素子の発光効率が低下してしまう。このように、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いたIII族窒化物半導体光素子において活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、井戸層の組成ゆらぎの変化に起因して素子特性が劣化してしまう。このようなことが原因で、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いると、ピエゾ電界の影響を抑制して十分な特性を有するIII族窒化物半導体光素子を得ることは困難である。
【０００８】
このようなピエゾ電界による悪影響を抑制するため、上記特許文献４に記載されているように、半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いるIII族窒化物半導体光素子が知られている。
【０００９】
しかしながら、半極性面を主面とする基板上に半導体積層体を形成すると、半導体積層体の成長時に各層のｃ面が成長し易いことに起因して、半導体積層体の各層のモフォロジーが悪化してしまう。このモフォロジーの悪化により、半導体積層体の結晶品質が劣化するため、十分な特性を有するIII族窒化物半導体素子を得ることは困難である。
【００１０】
半極性面を主面とする基板上に半導体積層体を形成した場合であっても、上記特許文献１〜３に記載されているように活性層のバリア層にｎ型不純物を含ませると、半導体積層体の各層のモフォロジーを改善（モフォロジーを平坦化）させることが可能であることが知られている。しかしながら、バリア層中のｎ型不純物が過剰となると、半導体積層体の結晶品質は劣化するため、バリア層中にｎ型不純物を含ませるだけでは、半導体積層体の結晶品質を十分に改善させることは困難な場合がある。
【００１１】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、ピエゾ電界の影響が抑制されていると共に、高い結晶品質を有するIII族窒化物半導体光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するため、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は、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、III族窒化物半導体基板の主面上に設けられ、III族窒化物半導体からなる井戸層、及び、III族窒化物半導体からなる複数のバリア層を含む量子井戸構造の活性層と、を備え、主面は、半極性を示し、活性層は、エピタキシャル層であって、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、複数のバリア層は、井戸層のIII族窒化物半導体基板側の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、半極性を示す主面を有するIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けているため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けたIII族窒化物半導体光素子と比較して、ピエゾ電界の影響を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、活性層のバリア層は、井戸層のIII族窒化物半導体基板側の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上の濃度で含んでいる。これにより、バリア層のモフォロジーが改善するため、当該界面近傍領域に接するように当該界面近傍領域上にエピタキシャル成長する井戸層のモフォロジーが改善し、活性層全体の結晶品質が向上する。また、バリア層が含むｎ型不純物の濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であるため、井戸層のモフォロジーを悪化させることはない。また、発明者らの知見によると、活性層に１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の濃度範囲の酸素を含ませることにより、活性層の各層のモフォロジーが改善し、活性層の結晶品質が向上する。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、バリア層は、酸素以外のｎ型不純物と酸素の両方を含んでいるが、酸素以外のｎ型不純物と酸素とでは、バリア層内において取り込まれるサイトが異なる。具体的には、酸素以外のｎ型不純物は、バリア層を構成するIII族窒化物半導体のIII族原子サイトに取り込まれるのに対し、酸素はバリア層を構成するIII族窒化物半導体の窒素サイトに取り込まれる。
【００１６】
そのため、バリア層内の酸素以外のｎ型不純物と酸素のそれぞれの濃度が、仮に酸素以外のｎ型不純物と酸素をそれぞれ単独でバリア層にドープさせたときに、それぞれ活性層の各層のモフォロジーを改善させることが可能なそれぞれの許容濃度範囲内であれば、活性層の各層のモフォロジーを改善させ、活性層の結晶品質を向上させることができる。その結果、バリア層に酸素以外のｎ型不純物のみをドープすることにより活性層のモフォロジーを改善させる場合よりも、活性層の結晶品質を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子においては、バリア層に酸素以外のｎ型不純物をドープしていることに起因して、井戸層の組成ゆらぎが小さくなる可能性がある。しかし、半極性を示す主面を有するIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けると、井戸層の組成ゆらぎは小さくなる。そのため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けたIII族窒化物半導体光素子における場合と異なり、元々井戸層の組成ゆらぎは小さいため、井戸層の組成ゆらぎが小さくなることに起因した素子特性の変化は抑制される。
【００１８】
以上より、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子によれば、ピエゾ電界の影響を抑制することができると共に、結晶品質が高くなる。
【００１９】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、バリア層が含むｎ型不純物は、シリコン、ゲルマニウム、及び、スズのうちの少なくとも１つであることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、複数のバリア層は、井戸層の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい。これにより、バリア層は、井戸層の界面と接する全ての界面近傍領域において、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の酸素以外のｎ型不純物を含む。その結果、バリア層のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、素子の結晶品質がさらに高くなる。
【００２１】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、複数のバリア層は、その厚さ方向の全体にわたって、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい。これにより、バリア層のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、素子の結晶品質がさらに高くなる。
【００２２】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、上記ｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、井戸層における転位の発生が特に抑制される。
【００２３】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、上記ｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体光素子の動作電圧を特に低下させることができる。
【００２４】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、主面の法線方向を示す法線ベクトルと基準軸の方向を示す基準ベクトルとの成す角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい。この場合、主面と基準平面との成す角度も１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲となる。これにより、主面は、III族窒化物半導体の安定面であるｍ面やａ面から傾いた面となる。その結果、井戸層における組成ゆらぎを抑制することができるため、井戸層における転位の発生が抑制される。
【００２５】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルと基準ベクトルとの成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この場合、主面と基準平面との成す角度も６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲となる。これにより、主面は、III族窒化物半導体の安定面である｛１０−１１｝面から傾いた面となる。その結果、井戸層における組成ゆらぎを特に抑制することができるため、井戸層における転位の発生が特に抑制される。
【００２６】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルと基準ベクトルとの成す角度は、７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲にあることが好ましい。この場合、主面と基準平面との成す角度も７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲となる。これにより、井戸層における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、本発明のIII族窒化物半導体光素子を長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００２７】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルは、基準ベクトルをIII族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００２８】
さらに、この場合において、主面とａ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させ、さらにａ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層のモフォロジーが特に改善される。
【００２９】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、法線ベクトルは、基準ベクトルをIII族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００３０】
さらに、この場合において、主面とｍ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面は、基準平面をIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させ、さらにｍ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層のモフォロジーが特に改善される。
【００３１】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、主面は、｛２０−２１｝面であることが好ましい。これにより、井戸層における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、本発明のIII族窒化物半導体光素子を長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００３２】
また、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、主面は、｛２０−２−１｝面であることが好ましい。これにより、井戸層における組成ゆらぎをさらに抑制することができる。その上、｛２０−２１｝面の裏面に相当する｛２０−２−１｝面を主面とする場合、｛２０−２１｝面を主面とする場合よりもさらに井戸層におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、本発明のIII族窒化物半導体光素子を長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合にさらに有利となる。
【００３３】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、活性層を貫通している転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、本発明のIII族窒化物半導体光素子を発光波長が緑色領域の半導体光素子とする場合においても、十分な信頼性を確保できる。
【００３４】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子において、活性層を貫通している転位密度は、１×１０５ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子をレーザ素子とする場合においても、十分な信頼性を確保できる。
【００３５】
さらに、本発明に係るIII族窒化物半導体光素子は、III族窒化物半導体からなる第１導電型の第１半導体層と、III族窒化物半導体からなる第２導電型の第２半導体層と、をさらに備え、主面の法線と基準軸との成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあり、第１半導体層は、III族窒化物半導体基板と活性層との間に設けられ、活性層は、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられ、活性層は、複数の井戸層を含み、複数の井戸層のうち、最も第２半導体層側の井戸層と、第２半導体層との間には、酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層が存在することが好ましい。
【００３６】
主面の法線と基準軸との成す角度が上記範囲内である場合、活性層におけるピエゾ電界は、III族窒化物半導体基板のピエゾ電界の向きと逆向きになる。そのため、最も第２半導体層側の井戸層と第２半導体層との間において価電子帯のディップが形成され難くなる。そのため、最も第２半導体層側の井戸層と第２半導体層との間に酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層を設けても、電子のオーバーフローが生じにくい。そして、このようなｎ型不純物を含む半導体層を設けると、III族窒化物半導体光素子の動作電圧を低下させることができる。そのため、電子のオーバーフローを抑制しつつ、動作電圧を低下させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、ピエゾ電界の影響が抑制されていると共に、高い結晶品質を有するIII族窒化物半導体光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。
【図２】III族窒化物半導体光素子の活性層近傍の断面構造を示す図である。
【図３】実施形態の変形例に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。
【図４】極性面及び半極性面上における、活性層、光ガイド層、及び、ｐ型III族窒化物半導体層におけるバンドダイアグラムを示す図面である。
【図５】実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２の半導体積層体構造を示す図である。
【図６】実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、表面粗さを示す図である。
【図７】実施例２のノマルスキー顕微鏡写真を示す図である。
【図８】実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４のＬＤ構造を示す図である。
【図９】実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、ＬＤの駆動電圧、及び、ＬＤのしきい値電流を示す図である。
【図１０】実施例６、実施例７、比較例５のＬＥＤ構造を示す図である。
【図１１】実施例６、実施例７、及び、比較例５における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、暗点密度、及び、ＬＥＤ出力を示す図である。
【図１２】比較例５及び比較例６のＣＬ像を示す図である。
【図１３】比較例６及び比較例７のＬＥＤ構造を示す図である。
【図１４】比較例６及び比較例７における、バリア層中のＳｉ濃度、ＰＬ波長、及び、ＰＬ強度を示す図である。
【図１５】比較例６及び比較例７のカソードルミネッセンス法による発光像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００４０】
図１は、実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。本実施形態のIII族窒化物半導体光素子は、例えば発光ダイオードに適用可能な構造を有する。図１に示すように、III族窒化物半導体光素子１１ａは、III族窒化物半導体基板１３と、III族窒化物半導体領域１５と、活性層１７と、III族窒化物半導体領域１９とを備える。III族窒化物半導体基板１３は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮといったIII族窒化物半導体からなる。III族窒化物半導体基板１３は、主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａは、半極性を表す。
【００４１】
図１には、III族窒化物半導体の六方晶系の結晶軸ａ軸、ｍ軸及びｃ軸からなる結晶座標系ＣＲを示している。例えば、六方晶におけるｃ面は「（０００１）」と表記され、「（０００−１）」と表記される面方位は（０００１）面に対して反対を向く。また、図１には、幾何学座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚからなる直交座標系Ｓが示されている。直交座標系Ｓにおいては、主面１３ａと平行な方向にＸ軸及びＹ軸を設定し、III族窒化物半導体基板１３の厚さ方向にＺ軸を設定している。
【００４２】
III族窒化物半導体基板１３は、半極性の主面１３ａを有するため、III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａは、基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃに対して傾斜する。ここで、基準軸Ｃｘは、III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる。
【００４３】
基準平面Ｓｃは基準軸Ｃｘに直交するため、基準平面ＳｃはIII族窒化物半導体のｃ面と平行な平面となる。図１には、ｃ軸方向を向いた基準ベクトルＶＣと、主面１３ａの法線方向を向いた法線ベクトルＶＮが示されている。法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとがなす角度αは、主面１３ａと基準平面Ｓｃとがなす角度ＡＯＦＦと等しい。この角度ＡＯＦＦは、III族窒化物半導体基板１３のｃ面に対するオフ角と呼ばれる。
【００４４】
III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９は、それぞれエピタキシャル層であり、主面１３ａ上に、Ｚ軸と平行な軸Ａｘに沿って配列されている。
【００４５】
III族窒化物半導体領域１５は、主面上１３ａに設けられている。III族窒化物半導体領域１５は、一又は複数のIII族窒化物半導体層を含むことができる。本実施形態では、III族窒化物半導体領域１５は、第１導電型III族窒化物半導体層２１（第１半導体層）及びIII族窒化物半導体層２３からなる。第１導電型III族窒化物半導体層２１は、例えばｎ型半導体層であり、III族窒化物半導体層２３は、例えば緩衝層であることができる。第１導電型III族窒化物半導体層２１は、例えばｎ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｎ型窒化ガリウム系半導体には、例えばシリコンといったｎ型ドーパントが添加されている。ｎ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。III族窒化物半導体層２３は、例えばアンドープ窒化ガリウム系半導体からなる。窒化ガリウム系半導体は、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなることができる。
【００４６】
また、III族窒化物半導体領域１９は、一又は複数のIII族窒化物半導体層を含むことができる。本実施形態では、III族窒化物半導体領域１９は、III族窒化物半導体層２５及び第２導電型III族窒化物半導体層２７（第２半導体層）からなる。III族窒化物半導体層２５は、例えばアンドープ又はｐ型窒化ガリウム系半導体からなることができる。第２導電型III族窒化物半導体層２７は、例えばｐ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｐ型窒化ガリウム系半導体には、例えばマグネシウムといったｐ型ドーパントが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなることができる。III族窒化物半導体層２５は、例えば電子ブロック層であり、第２導電型III族窒化物半導体層２７は、例えばｐ型コンタクト層であることができる。第１導電型III族窒化物半導体層２１と第２導電型III族窒化物半導体層２７との間には、活性層１７が設けられている。活性層１７は、III族窒化物半導体領域１５上に設けられており、III族窒化物半導体領域１９は、活性層１７上に設けられている。
【００４７】
III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９は、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有している。この酸素濃度は、例えば、III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９をエピタキシャル成長させる際の、原料中の水分等の不純物濃度、基板のオフ角、成長温度、混晶の組成等により制御可能である。なお、本実施形態においては、III族窒化物半導体領域１５、活性層１７、及び、III族窒化物半導体領域１９の全てが１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しているが、少なくとも活性層１７が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有していればよい。
【００４８】
次に、図２を参照しながら、活性層１７の詳細について説明する。図２は、III族窒化物半導体光素子の活性層近傍の断面構造を示す図である。
【００４９】
III族窒化物半導体光素子１１ａの活性層１７は、交互に配列された井戸層２８及びバリア層２９を含む多重量子井戸構造を有することができる。最下層のバリア層２９は、III族窒化物半導体層２３と接し、最上層のバリア層２９は、III族窒化物半導体層２５と接している。井戸層２８は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のIII族窒化物半導体からなることができ、バリア層２９は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のIII族窒化物半導体からなることができる。なお、活性層１７は、１つの井戸層２８と２つのバリア層２９とからなる単一量子井戸構造を有していてもよい。また、最下層のバリア層２９と最上層のバリア層２９は、省略されていてもよい。この場合、最下層の井戸層２８は、III族窒化物半導体層２３と接し、最上層の井戸層２８は、III族窒化物半導体層２５と接する。
【００５０】
井戸層２８は、III族窒化物半導体基板１３側の下部界面２８Ｓｄと、III族窒化物半導体基板１３側とは反対側の上部界面２８Ｓｕとを有する。バリア層２９は、III族窒化物半導体基板１３側の下部界面近傍領域２９ｄと、III族窒化物半導体基板１３側とは反対側の上部界面近傍領域２９ｕと、下部界面近傍領域２９ｄと上部界面近傍領域２９ｕの間の中間領域２９ｎとを有する。井戸層２８の上部界面２８Ｓｕは、バリア層２９の下部界面近傍領域２９ｄと接し、井戸層２８の下部界面２８Ｓｄは、バリア層２９の上部界面近傍領域２９ｕと接する。
【００５１】
バリア層２９は、少なくとも井戸層２８の下部界面２８Ｓｄと接する上部界面近傍領域２９ｕにおいて、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含む。酸素以外のｎ型不純物としては、例えば、IV族元素を用いることができる。IV族元素としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及び、スズ（Ｓｎ）のうちの少なくとも１つを用いることができる。ｎ型ドーパントがシリコンである場合、ドーピングガスとして、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）、モノシラン、ジシラン、テトラエチルシラン等を用いることができる。ｎ型ドーパントがゲルマニウムである場合、ドーピングガスとして、モノゲルマン、テトラエチルゲルマニウム等を用いることができる。ｎ型ドーパントがスズである場合、ドーピングガスとして、テトラエチルスズ、テトラメチルスズ等を用いることができる。
【００５２】
次に、本実施形態の変形例に係るIII族窒化物半導体光素子について説明する。本変形例の説明においては、上述のIII族窒化物半導体光素子１１ａと同様の要素には、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略している部分がある。
【００５３】
図３は、本実施形態の変形例に係るIII族窒化物半導体光素子を概略的に示す図面である。本変形例に係るIII族窒化物半導体光素子は、例えば半導体レーザに適用可能な構造を有する。図３に示すように、III族窒化物半導体光素子１１ｂは、III族窒化物半導体基板１３と、III族窒化物半導体領域１５と、発光層３７と、III族窒化物半導体領域１９とを備える。本変形例では、発光層３７は、活性層１７と、第１の光ガイド層３９と、第２の光ガイド層４１とを含むことができる。活性層１７は、第１の光ガイド層３９と第２の光ガイド層４１との間に設けられている。第１及び第２の光ガイド層３９、４１は、III族窒化物半導体からなり、このIII族窒化物半導体は、例えばアンドープであることができる。または、第１の光ガイド層３９は、ｎ型窒化物半導体からなってもよく、第２の光ガイド層４１は、ｐ型窒化物半導体からなってもよい。
【００５４】
III族窒化物半導体領域１９は、III族窒化物半導体層２５、第２導電型III族窒化物半導体層２７に加えて、さらに別の第２導電型III族窒化物半導体層４３を含むことができる。第２導電型III族窒化物半導体層４３は、例えばｐ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｐ型窒化ガリウム系半導体には、例えばマグネシウムといったｐ型ドーパントが添加されている。ｐ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。第２導電型III族窒化物半導体層４３は、例えばｐ型クラッド層であることができる。
【００５５】
III族窒化物半導体領域１５は、III族窒化物半導体層４５を含むことができる。III族窒化物半導体層４５は、例えばｎ型窒化ガリウム系半導体からなり、ｎ型窒化ガリウム系半導体には、例えばシリコンといったｎ型ドーパントが添加されている。ｎ型窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。III族窒化物半導体層４５は、例えばｎ型クラッド層であることができる。
【００５６】
III族窒化物半導体層４５と第２導電型III族窒化物半導体層４３との間には、発光層３７が設けられる。III族窒化物半導体層４５及び第２導電型III族窒化物半導体層４３の屈折率は、第１の光ガイド層３９及び第２の光ガイド層４１の屈折率よりも小さい。III族窒化物半導体層４５及び第２導電型III族窒化物半導体層４３は、発光層３７に光を閉じ込める。
【００５７】
また、III族窒化物半導体光素子１１ｂにおいて、第２導電型III族窒化物半導体層２７上には、保護のための絶縁膜４７が設けられている。絶縁膜４７は、ストライブ状の開口４７ａを有する。絶縁膜４７及び開口４７ａ上に第１の電極（例えばアノード）４９ａが設けられる。III族窒化物半導体基板１３の裏面１３ｂ上には、第２の電極（例えばカソード）４９ｂが設けられる。
【００５８】
このIII族窒化物半導体光素子１１ｂは、例えば利得ガイド型レーザダイオードの構造を有する。III族窒化物半導体光素子１１ｂは、一対の端面５０ａ、５０ｂを有することができる。端面５０ａ、５０ｂは、共振器を形成するために割段面であるとよい。III族窒化物半導体光素子１１ｂによるレーザ光Ｌは、端面５０ａ、５０ｂの一方から出射される。
【００５９】
上述のような本実施形態のIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、半極性を示す主面１３ａを有するIII族窒化物半導体基板１３上に活性層１７を設けているため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層１７を設けたIII族窒化物半導体光素子と比較して、ピエゾ電界の影響を抑制することができる。
【００６０】
また、上述のように本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、活性層１７のバリア層２９は、少なくとも井戸層２８のIII族窒化物半導体基板１３側の下部界面２８Ｓｄと接する上部界面近傍領域２９ｕにおいて、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上の濃度で含んでいる。これにより、バリア層２９のモフォロジーが改善するため、上部界面近傍領域２９ｕに接するように上部界面近傍領域２９ｕ上にエピタキシャル成長する井戸層２８のモフォロジーが改善し、活性層１７全体の結晶品質が向上する。酸素以外のｎ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満であると、井戸層２８のモフォロジーを十分に改善することができない場合がある。また、バリア層２９が含むｎ型不純物の濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも大きいと、バリア層２９中のｎ型不純物の濃度が過剰となって、バリア層２９のモフォロジーが逆に悪化し、井戸層２８のモフォロジーを悪化させる場合がある。
【００６１】
また、発明者らの知見によると、活性層１７に１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の濃度範囲の酸素を含ませることにより、活性層１７を成長させる際、ｃ面の生成を阻害し、非ｃ面の生成を安定化させることができる。これにより、活性層１７の各層（井戸層２８及びバリア層２９）のモフォロジーが改善し、活性層１７の結晶品質が向上する。酸素濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満であると、活性層１７の各層のモフォロジーを十分に改善させることができない場合がある。また、酸素濃度が８×１０１７ｃｍ−３よりも大きいと、活性層１７の各層のモフォロジーが逆に悪化し、活性層１７の結晶品質が悪化する場合がある。
【００６２】
また、上述のような本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、バリア層２９は、酸素以外のｎ型不純物と酸素の両方を含んでいるが、酸素以外のｎ型不純物と酸素とでは、バリア層２９内において取り込まれるサイトが異なる。具体的には、酸素以外のｎ型不純物は、バリア層２９を構成するIII族窒化物半導体のIII族原子サイト（例えば、Ｇａサイト）に取り込まれるのに対し、酸素はバリア層２９を構成するIII族窒化物半導体の窒素サイトに取り込まれる。
【００６３】
そのため、バリア層２９内への酸素ドープと、バリア層２９内への酸素以外のｎ型不純物のドープは、互いに干渉し難くなる。具体的には、バリア層２９内の酸素以外のｎ型不純物と酸素のそれぞれの濃度が、仮に酸素以外のｎ型不純物と酸素をそれぞれ単独でバリア層２９にドープさせたときに、それぞれ活性層１７の各層のモフォロジーを改善させることが可能なそれぞれの許容濃度範囲内であれば、活性層１７の各層のモフォロジーを改善させ、活性層１７の結晶品質を向上させることができる。
【００６４】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいては、バリア層２９に酸素以外のｎ型不純物をドープしていることに起因して、井戸層２８の組成ゆらぎが小さくなる可能性がある。しかし、半極性を示す主面１３ａを有するIII族窒化物半導体基板１３上に活性層１７を設けると、井戸層２８の組成ゆらぎは小さくなる。そのため、主面がｃ面であるIII族窒化物半導体基板上に活性層を設けたIII族窒化物半導体光素子における場合と異なり、元々井戸層２８の組成ゆらぎは小さいため、井戸層２８の組成ゆらぎが小さくなることに起因した素子特性の変化は抑制される。
【００６５】
以上より、上述のような本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂによれば、ピエゾ電界の影響を抑制することができると共に、結晶品質が高くなる。
【００６６】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、複数のバリア層２９は、井戸層２８の下部界面２８Ｓｄに接する上部界面近傍領域２９ｕに加え、井戸層２８の上部界面２８Ｓｕに接する下部界面近傍領域２９ｄにおいても、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい（図２参照）。これにより、バリア層２９は、井戸層２８の界面（下部界面２８Ｓｄ及び上部界面２８Ｓｕ）と接する全ての界面近傍領域（上部界面近傍領域２９ｕ及び下部界面近傍領域２９ｄ）において、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の酸素以外のｎ型不純物を含む。これにより、バリア層２９のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層１７の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの結晶品質がさらに高くなる。
【００６７】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、複数のバリア層２９は、その厚さ方向の全体にわたって、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことが好ましい（図２参照）。これにより、バリア層２９のモフォロジーはさらに改善されるため、活性層１７の各層のモフォロジーもさらに改善する。その結果、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの結晶品質がさらに高くなる。
【００６８】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、バリア層２９が含む酸素以外のｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、井戸層２８における転位の発生が特に抑制される。
【００６９】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、バリア層２９が含む酸素以外のｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの動作電圧を特に低下させることができる。
【００７０】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線ＶＮと基準軸Ｃｘとの成す角度αは、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることが好ましい（図１及び図３参照）。この場合、主面１３ａと基準平面Ｓｃとの成す角度ＡＯＦＦも１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲となる。これにより、主面１３ａは、III族窒化物半導体の安定面であるｍ面やａ面から傾いた面となる。その結果、井戸層２８における組成ゆらぎを抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が抑制される。
【００７１】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線と基準軸Ｃｘとの成す角度、即ち、法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとの成す角度αは、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい（図１及び図３参照）。この場合、主面１３ａと基準平面Ｓｃとの成す角度ＡＯＦＦも６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲となる。これにより、主面１３ａは、III族窒化物半導体の安定面である｛１０−１１｝面から傾いた面となる。その結果、井戸層２８における組成ゆらぎを特に抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が特に抑制される。
【００７２】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線と基準軸Ｃｘとの成す角度、即ち、法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとの成す角度αは、７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲にあることが好ましい（図１及び図３参照）。この場合、主面１３ａと基準平面Ｓｃとの成す角度ＡＯＦＦも７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲となる。これにより、井戸層２８における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層２８におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００７３】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線は、基準軸ＣｘをIII族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であること、即ち、法線ベクトルＶＮは、基準ベクトルＶＣをIII族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００７４】
さらに、この場合において、主面１３ａとａ面（ａ軸と直交する面）とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜させ、さらにａ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層２９のモフォロジーが特に改善される。
【００７５】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａの法線は、基準軸ＣｘをIII族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であること、即ち、法線ベクトルＶＮは、基準ベクトルＶＣをIII族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させた半極性面となる。
【００７６】
さらに、この場合において、主面１３ａとｍ面（ｍ軸と直交する面）とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることができる。この場合、主面１３ａは、基準平面ＳｃをIII族窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜させ、さらにｍ軸の方向に微細な角度、即ち、−３度以上＋３度以下の範囲の有限の角度傾斜させた半極性面となる。これにより、酸素以外のｎ型不純物を含むバリア層２９のモフォロジーが特に改善される。
【００７７】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａは、｛２０−２１｝面であることが好ましい。｛２０−２１｝面は、基準平面Ｓｃをｍ軸の方向に７５度傾けた場合の主面である。これにより、井戸層２８における組成ゆらぎをさらに抑制することができるため、井戸層２８における転位の発生が特に抑制されると共に、井戸層２８におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合に特に有利となる。
【００７８】
また、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、主面１３ａは、｛２０−２−１｝面であることが好ましい。これにより、井戸層２８における組成ゆらぎをさらに抑制することができる。その上、｛２０−２１｝面の裏面に相当する｛２０−２−１｝面を主面１３ａとする場合、｛２０−２１｝面を主面１３ａとする場合よりもさらに井戸層２８におけるIII族元素の取り込み効率が高くなるため、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを長波長（青色〜緑色）の半導体光素子とする場合にさらに有利となる。
【００７９】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、活性層１７を貫通している転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂを発光波長が緑色領域の半導体光素子とする場合においても、十分な信頼性を確保できる。なお、活性層１７を貫通している転位密度は、例えば、活性層１７が有する酸素濃度や、バリア層２９が有する酸素以外のｎ型不純物濃度等を適切に選択することにより、減少させることができる。
【００８０】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、活性層１７を貫通している転位密度は、１×１０５ｃｍ−２以下であることが好ましい。これにより、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂをレーザ素子とする場合において、発光領域（例えば、２μｍ×６００μｍのリッジ部に対応する領域）における貫通転位密度を、１個以下とすることができる。その結果、十分な信頼性を確保できる。
【００８１】
さらに、本実施形態に係るIII族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂにおいて、法線ベクトルＶＮと基準ベクトルＶＣとの成す角度αは、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあり、井戸層２８のうち、最も第２導電型III族窒化物半導体層２７側の井戸層２８ｍ（図２参照）と、第２導電型III族窒化物半導体層２７との間には、酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層が存在することが好ましい（図１及び図３参照）。これは、例えば、最も第２導電型III族窒化物半導体層２７側のバリア層２９（最上バリア層）に酸素以外のｎ型不純物を含ませたり、III族窒化物半導体層２５を、ｎ型不純物を含む半導体層に置き換えたりすることにより実現できる。この場合、次のような利点を有する。
【００８２】
図４は、極性面及び半極性面上における、活性層、ガイド層、及び、ｐ型III族窒化物半導体層におけるバンドダイアグラムを示す図面である。図４（ａ）に示すように、主面が極性面である半導体基板上に活性層を設けた場合、井戸層におけるピエゾ電界は、第２導電型半導体層から第1導電型半導体層に向かう方向（矢印Ａ１の方向）になり、ブロック層におけるピエゾ電界は、その逆の方向（矢印Ａ２の方向）になるため、最もクラッド層側の井戸層とブロック層との間において価電子帯のディップが形成される。この状態で、さらに最上バリア層や光ガイド層にｎ型不純物をドープすると、さらに価電子帯のディップが大きくなり、キャリアオーバーフローが増大してしまう。
【００８３】
それに対して、図４（ｂ）に示すように、主面が半極性面である半導体基板上に活性層を設けた場合、井戸層におけるピエゾ電界は、第１導電型半導体層から第２導電型半導体層に向かう方向（矢印Ａ３の方向）になり、ブロック層におけるピエゾ電界は、その逆の方向（矢印Ａ４の方向）になるため、最もクラッド層（第２導電型III族窒化物半導体層２７）側の井戸層２８ｍとブロック層との間において価電子帯のディップは形成され難い。そのため、最もクラッド層側の井戸層２８ｍとブロック層との間に酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層を設けても、電子のオーバーフローが生じにくい。そして、このようなｎ型不純物を含む半導体層を設けると、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの動作電圧を低下させることができる。そのため、電子のオーバーフローを抑制しつつ、III族窒化物半導体光素子１１ａ、１１ｂの動作電圧を低下させることが可能となる。
【００８４】
（実施例）
以下、実施例及び比較例について説明する。
【００８５】
実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２として、半導体積層体を作製した。図５は、実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２の半導体積層体構造を示す図である。図５に示すように、ｍ軸方向にｃ面を７５度傾斜させた半極性主面６１ａを有するＧａＮ基板６１を準備した。半極性主面６１ａは、基準平面Ｓｃと７５度の角度を成す。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板６１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。半極性主面６１ａは、｛２０−２１｝面に相当する。ＧａＮ基板６１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板６１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下の半導体積層体構造を作製した。
【００８６】
まず、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層６３を摂氏８８０度で１．２μｍ成長した。ｎ型ＧａＮガイド層６５を摂氏１０５０度で０．２５μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層６７を摂氏８６０度で０．１μｍ成長した。続いて、活性層６９を成長した。活性層６９は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、３層とした。井戸層の成長温度は、摂氏７２０度、バリア層の成長温度は、摂氏８６０度とした。
【００８７】
また、活性層６９が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有するように、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層６３、ｎ型ＧａＮガイド層６５、ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層６７、及び、活性層６９の各層の成長時に、含有水分濃度を適宜調節したアンモニア（ＮＨ３）を窒素原料として供給した。また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。
【００８８】
図６は、実施例１、実施例２、比較例１、及び、比較例２における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、表面粗さを示す図である。図６に示すように、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量（ｓｃｃｍ）は、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に、それぞれ０、０．２、１、１０とした。バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に、それぞれ検出限界以下、２．５×１０１７、１．２×１０１８、１．５×１０１９となった。
【００８９】
図７は、実施例２の活性層６９表面のノマルスキー顕微鏡写真を示す図である。図７に示すように、ノマルスキー顕微鏡写真で判別可能なレベルでは、活性層６９の表面は平坦であった。また、活性層６９の表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した結果を、図６に示す。測定範囲は、５μｍ角とし、表面粗さはＲＭＳ（二乗平均粗さ）で評価した。
【００９０】
図６に示すように、活性層６９の表面粗さ（ｎｍ）は、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に、それぞれ０．８、０．３、０．４、１．２となった。これにより、バリア層中のＳｉ濃度が、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内である実施例１及び実施例２においては、活性層６９の表面粗さが小さくなることがわかった。
【００９１】
続いて、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４について説明する。実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４として、ＬＤ（レーザダイオード）を作製した。図８は、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４のＬＤ構造を示す図である。図８に示すように、ｍ軸方向にｃ面を７５度傾斜させた半極性主面７１ａを有するＧａＮ基板７１を準備した。半極性主面７１ａは、基準平面Ｓｃと７５度の角度を成す。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板７１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。半極性主面７１ａは、｛２０−２１｝面に相当する。ＧａＮ基板７１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板７１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のようにＬＤのための構造を作製した。
【００９２】
まず、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層７２を摂氏８８０度で１．２μｍ成長した。ｎ型ＧａＮガイド層７３を摂氏１０５０度で０．２５μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層７４を摂氏８６０度で０．１μｍ成長した。続いて、活性層７５を成長した。活性層７５は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、２層とした。井戸層の成長温度は、摂氏７２０度、バリア層の成長温度は、摂氏８６０度とした。続いて、アンドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層７６を摂氏８６０度で０．１μｍ成長した。０．０２μｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層７７、０．２５μｍのｐ型ＧａＮガイド層７８、０．４μｍのｐ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層７９、及び、０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８０を、順に摂氏９００度で成長した。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層８０には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜８１の幅１０μｍのストライプ状の開口を介してＮｉ／Ａｕからなるアノード電極８２を蒸着により形成すると共に、ＧａＮ基板７１の裏面にＴｉ／Ａｌの電極とＴｉ／Ａｕのパッド電極からなるカソード電極部８３を蒸着により形成した。ストライプ状の開口の延び方向は、ＧａＮ基板７１のｍ軸を主面７１ａに投影した方向とした。そして、６００μｍ間隔でストライプ状の開口の延び方向と垂直な面でＧａＮ基板７１を割断した。割断した一方の端面に反射率が８０％の多層反射膜をコーティングし、他方の端面に反射率が９５％の多層反射膜をコーティングした。このようにして、ゲインガイド型のＬＤを作製した。
【００９３】
また、活性層７５における酸素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下となるように、ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎクラッド層７２からｐ型ＧａＮコンタクト層８０までの各層の成長時に、含有水分濃度を適宜調節したアンモニア（ＮＨ３）を窒素原料として供給した。また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。
【００９４】
図９は、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、及び、ＬＤの駆動電圧、及び、ＬＤのしきい値電流を示す図である。駆動電圧及びしきい値電流の測定は、室温において、パルス幅０．５秒、デューティー比０．１％のパルス駆動で行った。図９に示すように、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量（ｓｃｃｍ）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ０、０．２、０．５、１、１０とした。バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ検出限界以下、２．５×１０１７、６．０×１０１７、１．２×１０１８、１．５×１０１９となった。出力５ｍＷにおける駆動電圧（Ｖ）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ１０．８、７．２、６．４、５．７、５．４となった。しきい値電流（ｍＡ）は、比較例３、実施例３、実施例４、実施例５、比較例４の順に、それぞれ３５０、２８０、２４０、２５０、４８０となった。また、実施例３、実施例４、実施例５、比較例３、及び、比較例４の発振波長は、全て５２０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲であった。
【００９５】
これらの結果より、バリア層中のＳｉ濃度が、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内である実施例３、実施例４、及び、実施例５では、ＬＤの駆動電圧及びしきい値電流が小さくなることがわかった。
【００９６】
続いて、実施例６、実施例７、比較例５について説明する。実施例６、実施例７、比較例５として、ＬＥＤ（発光ダイオード）を作製した。図１０は、実施例６、実施例７、比較例５のＬＥＤ構造を示す図である。図１０に示すように、ｍ軸方向にｃ面を７５度傾斜させた半極性主面９１ａを有するＧａＮ基板９１を準備した。半極性主面９１ａは、基準平面Ｓｃと７５度の角度を成す。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板９１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。半極性主面９１ａは、｛２０−２１｝面に相当する。ＧａＮ基板９１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板９１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のようにＬＥＤのための構造を作製した。
【００９７】
まず、ｎ型ＧａＮバッファ層９２を摂氏１０５０度で２μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ緩衝層層９３を摂氏８６０度で１００ｎｍ成長した。続いて、活性層９４を成長した。活性層９４は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、３層とした。井戸層の成長温度は、摂氏７２０度、バリア層の成長温度は、摂氏８６０度とした。続いて、２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層９５、５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９６を、順に摂氏９００度で成長した。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層９６上に、Ｎｉ／Ａｕからなり、開口を有するアノード電極９７と、Ｔｉ／Ａｕからなり、アノード電極９７の開口を介してｐ型ＧａＮコンタクト層９６に接するパッド電極９８を蒸着した。
【００９８】
また、活性層９４における酸素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下となるように、ｎ型ＧａＮバッファ層９２からｐ型ＧａＮコンタクト層９６までの各層の成長時に、含有水分濃度を適宜調節したアンモニア（ＮＨ３）を窒素原料として供給した。また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。実施例６、実施例７、及び、比較例５のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。また、カソードルミネッセンス法（ＣＬ）によって、貫通転位密度と対応する暗点密度を測定した。
【００９９】
図１１は、実施例６、実施例７、及び、比較例５における、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量、バリア層中のＳｉ濃度、暗点密度、及び、ＬＥＤ出力を示す図である。ＬＥＤ出力の測定は、室温においてパルス駆動で行った。図１１に示すように、バリア層成長時のモノメチルシランガスの流量（ｓｃｃｍ）は、比較例５、実施例６、実施例７、の順に、それぞれ０、１、５とした。バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例５、実施例６、実施例７の順に、それぞれ検出限界以下、１．２×１０１８、６．１×１０１８となった。暗点密度（ｃｍ−２）は、比較例５、実施例６、実施例７、の順に、それぞれ２．０×１０６、３．０×１０５、８．０×１０４となった。駆動電流５００ｍＡにおけるＬＥＤ出力（ｍＷ）は、比較例５、実施例６、実施例７、の順に、それぞれ１１、１４、１５であった。また、実施例６、実施例７、及び、比較例５の発振波長は、全て５２０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲であった。
【０１００】
図１１に示した測定結果より、バリア層中のＳｉ濃度が、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内である実施例６及び実施例７は、暗点密度（貫通転位密度）が低くなり、ＬＥＤ出力が大きくなった。
【０１０１】
また、図１２（ａ）は、比較例５のＣＬ像を示す図であり、図１２（ｂ）は、実施例６のＣＬ像を示す図である。図１２に示すように、比較例５と実施例６とでは、暗点密度に差はあるが、ＣＬ像での強度の濃淡の度合いに大きな違いは見られなかった。これは、半極性主面９１ａ上に成長した活性層の井戸層においては、バリア層へのＳｉドープの有無に関わらず、Ｉｎの組成ゆらぎが小さいことを示している。
【０１０２】
続いて、比較例６及び比較例７について説明する。比較例６及び比較例７として、ＬＥＤを作製した。図１３は、比較例６及び比較例７のＬＥＤ構造を示す図である。図１３に示すように、主面１０１ａがｃ面であるＧａＮ基板１０１を準備した。主面１０１ａは、極性面となる。極性を示す主面１０１ａは、基準平面Ｓｃと平行である。基準平面Ｓｃは、ＧａＮ基板１０１のｃ軸方向に延びる基準軸Ｃｘと直交する。主面１０１ａは、｛０００１｝面となる。ＧａＮ基板１０１を成長炉に配置し、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を供給して、摂氏１０５０度の雰囲気にＧａＮ基板１０１を１０分間保持した。この前処理（サーマルクリーニング）の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のようにＬＥＤのための構造を作製した。
【０１０３】
まず、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎバッファ層１０２を摂氏１１００度で５０ｎｍ成長した。ｎ型ＧａＮガイド層１０３を摂氏１１８０度で２μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層１０４を摂氏８８０度で１００ｎｍ成長した。続いて、活性層１０５を成長した。活性層１０５は、１５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層と、５ｎｍのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎからなる井戸層が交互に積層された量子井戸構造とした。井戸層の数は、６層とした。井戸層の成長温度は、摂氏８４０度、バリア層の成長温度は、摂氏８８０度とした。続いて、２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層１０６、５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０７を、順に摂氏１１００度で成長した。
【０１０４】
また、バリア層の成長時に、シリコン（Ｓｉ）をドープするために、水素（Ｈ２）で希釈したモノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスを供給した。比較例６及び比較例７のそれぞれについて、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ）ガスの供給量を変え、バリア層中のシリコン濃度を変化させた。シリコン濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）で分析した。また、カソードルミネッセンス法（ＣＬ）によって、発光像を測定し、フォトルミネッセンス法（ＰＬ）によって、発光波長と発光強度を測定した。
【０１０５】
図１４は、比較例６及び比較例７における、バリア層中のＳｉ濃度、ＰＬ波長、及び、ＰＬ強度を示す図である。図１４に示すように、バリア層中のＳｉ濃度（ｃｍ−３）は、比較例６及び比較例７の順に、それぞれ、バックグラウンドレベル、１．０×１０１８となった。ＰＬ波長（ｎｍ）は、比較例６及び比較例７の順に、それぞれ、４６７、４４９となった。ＰＬ強度（任意単位）は、比較例６及び比較例７の順に、それぞれ、９５０、５３０となった。図１４に示す測定結果より、極性面（ｃ面）を主面とするＧａＮ基板を用いたＬＥＤにおいては、バリア層にＳｉをドープすることにより、ＰＬ強度が大きく低下することがわかった。また、図１５（ａ）は、比較例６のカソードルミネッセンス法による発光像を示す図であり、図１５（ｂ）は、比較例７のカソードルミネッセンス法による発光像を示す図である。図１５に示す測定結果より、極性面（ｃ面）を主面とするＧａＮ基板を用いたＬＥＤにおいては、バリア層にＳｉをドープすることにより、発光むらが減少することがわかった。これらの結果より、極性面（ｃ面）を主面とするＧａＮ基板を用いたＬＥＤにおいては、バリア層にＳｉをドープしない場合、井戸層におけるＩｎ組成ゆらぎによって生じる局在準位発光のためにＰＬ強度が大きくなるが、バリア層にＳｉをドープすると、井戸層におけるＩｎ組成ゆらぎの減少に伴って局在準位発光が低減し、ＰＬ強度が小さくなることがわかった。
【符号の説明】
【０１０６】
１１ａ、１１ｂ・・・III族窒化物半導体光素子、１３・・・III族窒化物半導体基板、１３ａ・・・III族窒化物半導体基板の主面、１７・・・活性層、２８・・・井戸層、２８Ｓｄ・・・下部界面、２９・・・バリア層、２９ｕ・・・上部界面近傍領域、Ｃｘ・・・基準軸、Ｓｃ・・・基準平面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、III族窒化物半導体からなる井戸層、及び、III族窒化物半導体からなる複数のバリア層を含む量子井戸構造の活性層と、
を備え、
前記主面は、半極性を示し、
前記活性層は、エピタキシャル層であって、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、
前記複数のバリア層は、前記井戸層の前記III族窒化物半導体基板側の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２】
前記バリア層が含む前記ｎ型不純物は、シリコン、ゲルマニウム、及び、スズのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項３】
前記複数のバリア層は、前記井戸層の界面と接する界面近傍領域において、前記酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項４】
前記複数のバリア層は、その厚さ方向の全体にわたって、前記酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項５】
前記ｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項６】
前記ｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項７】
前記主面の法線方向を示す法線ベクトルと前記基準軸の方向を示す基準ベクトルとの成す角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項８】
前記法線ベクトルと前記基準ベクトルとの成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項９】
前記法線ベクトルと前記基準ベクトルとの成す角度は、７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１０】
前記法線ベクトルは、前記基準ベクトルを前記III族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１１】
前記主面とａ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることを特徴とする請求項１０に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１２】
前記法線ベクトルは、前記基準ベクトルを前記III族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１３】
前記主面とｍ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることを特徴とする請求項１２に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１４】
前記主面は、｛２０−２１｝面であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１５】
前記主面は、｛２０−２−１｝面であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１６】
前記活性層を貫通している転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１７】
前記活性層を貫通している転位密度は、１×１０５ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１８】
III族窒化物半導体からなる第１導電型の第１半導体層と、
III族窒化物半導体からなる第２導電型の第２半導体層と、
をさらに備え、
前記第１半導体層は、前記III族窒化物半導体基板と前記活性層との間に設けられ、
前記活性層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、
前記活性層は、複数の前記井戸層を含み、
前記複数の前記井戸層のうち、最も前記第２半導体層側の井戸層と、前記第２半導体層との間には、酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層が存在することを特徴とする請求項８〜１７のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１】
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、III族窒化物半導体からなる井戸層、及び、III族窒化物半導体からなる複数のバリア層を含む量子井戸構造の活性層と、
を備え、
前記主面は、半極性を示し、
前記活性層は、エピタキシャル層であって、１×１０１７ｃｍ−３以上８×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度を有しており、
前記複数のバリア層は、前記井戸層の前記III族窒化物半導体基板側の界面と接する界面近傍領域において、酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
【請求項２】
前記バリア層が含む前記ｎ型不純物は、シリコン、ゲルマニウム、及び、スズのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項３】
前記複数のバリア層は、前記井戸層の界面と接する界面近傍領域において、前記酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項４】
前記複数のバリア層は、その厚さ方向の全体にわたって、前記酸素以外のｎ型不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項５】
前記ｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項６】
前記ｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項７】
前記主面の法線方向を示す法線ベクトルと前記基準軸の方向を示す基準ベクトルとの成す角度は、１０度以上８０度以下及び１００度以上１７０度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項８】
前記法線ベクトルと前記基準ベクトルとの成す角度は、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項９】
前記法線ベクトルと前記基準ベクトルとの成す角度は、７１度以上７９度以下及び１０１度以上１０９度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１０】
前記法線ベクトルは、前記基準ベクトルを前記III族窒化物半導体のａ軸の周りに回転させた方向であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１１】
前記主面とａ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることを特徴とする請求項１０に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１２】
前記法線ベクトルは、前記基準ベクトルを前記III族窒化物半導体のｍ軸の周りに回転させた方向であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１３】
前記主面とｍ面とが成す角度は、８７度以上９３度以下であることを特徴とする請求項１２に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１４】
前記主面は、｛２０−２１｝面であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１５】
前記主面は、｛２０−２−１｝面であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１６】
前記活性層を貫通している転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１７】
前記活性層を貫通している転位密度は、１×１０５ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【請求項１８】
III族窒化物半導体からなる第１導電型の第１半導体層と、
III族窒化物半導体からなる第２導電型の第２半導体層と、
をさらに備え、
前記第１半導体層は、前記III族窒化物半導体基板と前記活性層との間に設けられ、
前記活性層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、
前記活性層は、複数の前記井戸層を含み、
前記複数の前記井戸層のうち、最も前記第２半導体層側の井戸層と、前記第２半導体層との間には、酸素以外のｎ型不純物を含む半導体層が存在することを特徴とする請求項８〜１７のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図７】
【図１２】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図７】
【図１２】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２３５３９（Ｐ２０１１−２３５３９Ａ）
【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２００９−１６７１４３（Ｐ２００９−１６７１４３）
【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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