WO2011007641A1 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

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孝史 京野
陽平 塩谷
祐介 善積
秋田　勝史
上野　昌紀
隆道 住友
真寛 足立
慎司 徳山
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device.
  • Non-Patent Document 1 describes an LED (light emitting diode) using a GaN substrate having a semipolar main surface. This LED is formed on a GaN substrate having a (11-22) plane as a main surface, has a single quantum well structure light emitting layer made of InGaN / GaN, and has a light emission wavelength of 600 nm. ing.
  • Non-Patent Document 2 describes an LD (laser diode) using a GaN substrate having a semipolar main surface.
  • This LD is formed on a GaN substrate having a (10-1-1) plane as a main surface, and has a light emitting layer having a multiple quantum well structure made of InGaN / GaN, and has an emission wavelength of 405.9 nm (blue purple). It is described.
  • a nitride semiconductor light emitting device there is one in which a semiconductor laminate including a light emitting layer and the like is formed on a nitride semiconductor substrate such as gallium nitride (GaN).
  • GaN gallium nitride
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device when a GaN substrate having a c-plane as a main surface is used, a relatively large strain occurs in the light-emitting layer. For this reason, the quantum Stark effect resulting from piezo-polarization occurs, and there arises a problem that the luminous efficiency is lowered due to space separation of electrons and holes.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 a nitride-based semiconductor light-emitting element is formed using a GaN substrate having a semipolar surface as a main surface. A manufacturing method is known. Thereby, the fall of the luminous efficiency resulting from piezo-polarization can be suppressed.
  • a nitride system including a light emitting layer having a multiple quantum well structure having an InGaN well layer and a barrier layer made of a GaN-based semiconductor.
  • the semiconductor light emitting device when the difference between the band gaps of the well layer and the barrier layer is increased, there is a problem that the light emission efficiency is decreased and the driving voltage is increased for the following reasons.
  • the band offset in the conduction band between the well layer and the barrier layer increases. Therefore, paying attention to the electrons moving from the n-type semiconductor layer to the light emitting layer, when the electrons reach the first well layer, there is a large potential that must be exceeded when moving to the adjacent barrier layer. As a result, it becomes difficult for electrons to move to the well layer on the p-type semiconductor layer side.
  • the band offset in the valence band of the well layer and the barrier layer is smaller than the band offset in the conduction band. Therefore, holes that move from the p-type semiconductor layer to the light emitting layer are relatively likely to move to the well layer on the n-type semiconductor layer side.
  • the present invention has been made in view of such problems, and is a nitride-based semiconductor light-emitting device using a GaN substrate having a semipolar plane as a main surface, wherein the difference in band gap between the well layer and the barrier layer is
  • An object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor light-emitting element that can suppress a decrease in light emission efficiency and an increase in driving voltage even if it is large.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device is made of a hexagonal GaN semiconductor, and is finite with respect to a reference plane orthogonal to a reference axis extending in the c-axis direction of the GaN semiconductor.
  • a GaN substrate having an angled main surface, an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, and a light emitting layer including a plurality of well layers and a plurality of barrier layers stacked alternately.
  • the main surface is semipolar, the finite angle is in the range of 40 degrees to 50 degrees and greater than 90 degrees and 130 degrees or less, and the light emitting layer includes an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride layer.
  • Each of the plurality of well layers is made of InGaN, each of the plurality of barrier layers is made of a GaN-based semiconductor, and each of the band gap energies of the plurality of well layers. , Multiple barriers Among them, the difference between the band gap energy of each well layer and the adjacent barrier layer is 0.7 eV or more, and the direction of piezoelectric polarization of each of the plurality of well layers is p from the n-type nitride semiconductor layer. The direction is toward the type nitride semiconductor layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention since a GaN substrate having a semipolar plane as a main surface is used, piezo polarization is used as compared with the case of using a GaN substrate having a polar surface as a main surface. A decrease in luminous efficiency due to the is suppressed. Moreover, according to the nitride-based semiconductor light emitting device according to the present invention, the finite angle is in the range of 40 degrees to 50 degrees and greater than 90 degrees and 130 degrees or less. The direction of piezoelectric polarization is the direction from the n-type nitride semiconductor layer to the p-type nitride semiconductor layer.
  • the shape of the conduction band of the barrier layer is such that the energy level on the n-type nitride semiconductor layer side of the conduction band of each barrier layer decreases and the energy level on the p-type nitride semiconductor layer side increases. Deform. Therefore, the potential that must be exceeded when electrons that have reached the well layer from the n-type nitride semiconductor layer move to the barrier layer adjacent to the well layer on the p-type nitride semiconductor layer side is reduced. As a result, electrons easily move to the well layer on the p-type nitride semiconductor layer side.
  • the emission wavelength of the light emitting layer may be not less than 460 nm and not more than 550 nm.
  • the emission efficiency is lowered and the driving voltage is likely to rise. According to the light emitting element, as described above, a decrease in light emission efficiency and an increase in drive voltage are suppressed.
  • the main surface can be any one of ⁇ 10-12 ⁇ plane, ⁇ 11-2-2 ⁇ plane, and ⁇ 10-1-1 ⁇ plane.
  • the finite angle may be in a range of 100 degrees to 117 degrees.
  • the main surface can be a ⁇ 20-2-1 ⁇ surface.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device further includes a strain relaxation layer made of InGaN, and the n-type nitride-based semiconductor layer is provided between the GaN substrate and the light-emitting layer. Can be provided between the n-type nitride semiconductor layer and the light emitting layer.
  • the strain in the well layer tends to increase. When such distortion occurs, defects are generated at the interface between the well layer and the barrier layer, and the light emission efficiency is lowered.
  • a strain relaxation layer that relaxes this strain under the light emitting layer, the strain in the well layer can be suppressed, so that a decrease in light emission efficiency can be suppressed.
  • the defect density at the interface of the strain relaxation layer on the GaN substrate side can be 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 1 or less.
  • the defect density at the interface of the strain relaxation layer on the GaN substrate side can be 5 ⁇ 10 3 cm ⁇ 1 or more.
  • the strain is relaxed to some extent in each layer closer to the GaN substrate than the strain relaxation layer, so that defects generated at the interface between the well layer and the barrier layer can be particularly suppressed by the strain relaxation layer, and the light emission efficiency is particularly reduced. Can be suppressed.
  • the n-type nitride semiconductor layer may be composed of 50% by volume or more of GaN or InAlGaN. These materials have a small lattice mismatch with InGaN in the well layer, and when formed on a GaN substrate, the strain relaxation in the layers made of these materials is also small. Therefore, the strain in the well layer can be reduced, and a decrease in light emission efficiency can be particularly suppressed.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device capable of suppressing a decrease in light emission efficiency and an increase in driving voltage even if the difference in band gap between the well layer and the barrier layer is large.
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing the structure of a nitride based semiconductor optical device. It is a figure which shows the cross-section of the light emitting layer vicinity of a nitride semiconductor optical element.
  • 1 is a drawing schematically showing the structure of a nitride based semiconductor optical device. It is an energy band figure of a light emitting layer. It is a figure which shows the LED structure of Example 1-Example 3, and Comparative Example 1-Comparative Example 6.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing the surface orientation, off-angle (angle ⁇ ), and emission wavelength of the principal surface in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6. It is an energy band figure in a well layer and a barrier layer.
  • FIG. 6 is a diagram showing measurement results of voltage-current characteristics of Example 2 and Comparative Example 4.
  • FIG. 6 is a diagram showing measurement results of voltage-current characteristics of Example 3 and Comparative Example 6. It is a figure which shows LD structure of Example 4 and Example 5.
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing a structure of a nitride-based semiconductor optical device according to the present embodiment.
  • the nitride-based semiconductor optical device include a semiconductor laser and a light emitting diode.
  • the nitride-based semiconductor optical device LE1 has a structure suitable for a light emitting diode.
  • the nitride semiconductor optical device LE1 includes a gallium nitride substrate 11 made of a hexagonal gallium nitride (GaN) semiconductor, an n-type gallium nitride semiconductor layer 13, a light emitting layer 15, and a p-type gallium nitride semiconductor layer 17. Is provided.
  • the gallium nitride substrate 11 has a main surface 11a and a back surface 11b.
  • the main surface 11a of the gallium nitride substrate 11 represents semipolarity.
  • FIG. 1 shows a crystal coordinate system CR including a hexagonal crystal axis a-axis, m-axis and c-axis of a gallium nitride semiconductor.
  • the c-plane in hexagonal crystal is expressed as “(0001)”
  • the plane orientation expressed as “(000-1)” is opposite to the (0001) plane.
  • FIG. 1 also shows an orthogonal coordinate system S composed of geometric coordinate axes X, Y, and Z.
  • the X axis and the Y axis are set in a direction parallel to the principal surface 11 a
  • the Z axis is set in the thickness direction of the gallium nitride substrate 11.
  • the main surface 11a of the gallium nitride substrate 11 is inclined by a finite angle ⁇ with respect to a reference plane Sc perpendicular to the reference axis Cx within a range of 40 degrees to 50 degrees and greater than 90 degrees and 130 degrees.
  • the reference axis Cx extends in the c-axis direction of the gallium nitride semiconductor.
  • the principal surface 11a is inclined at a finite angle ⁇ in the m-axis direction with respect to the reference plane Sc, but may be inclined at a finite angle ⁇ in the a-axis direction.
  • the a-axis may be inclined to form a finite angle ⁇ with the reference plane Sc. This finite angle ⁇ is called an off angle with respect to the c-plane of the gallium nitride substrate 11.
  • Each of the n-type gallium nitride semiconductor layer 13, the light emitting layer 15, and the p-type gallium nitride semiconductor layer 17 is an epitaxial layer, and is arranged on the main surface 11a along an axis Ax parallel to the Z axis. Yes.
  • the light emitting layer 15 is provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer 13 and the p-type gallium nitride semiconductor layer 17.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 13 can include one or a plurality of n-type gallium nitride based semiconductor layers (in this embodiment, gallium nitride based semiconductor layers 25, 27, and 29).
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 includes a gallium nitride based semiconductor layer 31 having a band gap larger than the band gap of the barrier layer of the light emitting layer 15 and one or a plurality of p-type gallium nitride based semiconductor layers (in this embodiment). , Gallium nitride based semiconductor layers 33 and 35).
  • the light emitting layer 15 can include an active layer 19 and a gallium nitride semiconductor layer 37.
  • the gallium nitride semiconductor layer 37 can be an undoped gallium nitride semiconductor layer.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure in the vicinity of the light emitting layer of the nitride-based semiconductor optical device.
  • the active layer 19 includes a plurality of well layers 21 and a plurality of barrier layers 23 that are alternately stacked. That is, the active layer 19 has a multiple quantum well structure.
  • the well layer 21 is made of hexagonal InGaN.
  • the barrier layer 23 is made of a hexagonal gallium nitride semiconductor, and can be, for example, GaN, InGaN, AlGaN, AlGaInN, or the like.
  • the difference between the band gap energy of each well layer 21 and the band gap energy of the barrier layer 23 adjacent to the well layer 21 is 0.7 eV or more.
  • the well layer 21 extends along a reference plane SR inclined at a finite angle ⁇ 21 with respect to a reference plane Sc orthogonal to the reference axis Cx extending in the c-axis direction. That is, the finite angle ⁇ 21 formed by the reference plane Sc and the reference plane SR is substantially equal to the finite angle ⁇ formed by the reference plane Sc and the main surface 11a.
  • the well layer 21 contains strain, and the piezoelectric polarization in the well layer 21 has a component in the direction from the n-type gallium nitride semiconductor layer 13 to the p-type gallium nitride semiconductor layer 17 (positive direction of the Z axis). .
  • the well layer 21 made of InGaN receives stress (compressive strain) from the barrier layer 23 and causes strain. It will be included. Therefore, the direction of the piezo polarization can be determined by adjusting the finite angle ⁇ formed by the main surface 11a and the reference plane Sc, that is, by appropriately selecting the crystal plane of the main surface 11a.
  • the gallium nitride semiconductor layer 25 of the n-type gallium nitride semiconductor layer 13 can be a buffer layer made of n-type GaN or InAlGaN doped with Si or the like, for example.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 27 is a layer for supplying n-type carriers, for example, and can be an n-type GaN layer or InAlGaN layer doped with Si or the like.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 29 is a strain relaxation layer for relaxing the strain of the well layer 21.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 29 can be, for example, an n-type InGaN layer doped with Si or the like. Note that the n-type gallium nitride based semiconductor layer 13 may not have the gallium nitride based semiconductor layer 29 as a strain relaxation layer.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 31 in the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 can be either an electron block layer or a cladding layer.
  • the electron blocking layer blocks electrons from the light emitting layer, and the clad layer performs carrier confinement and light confinement.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 31 can be made of, for example, p-type AlGaN doped with Mg or the like.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 33 can be made of, for example, p-type GaN doped with Mg or the like.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 35 is, for example, a p + type GaN contact layer doped with Mg.
  • a first electrode (for example, an anode electrode) 41a is provided on the gallium nitride based semiconductor layer 35, and a second electrode (for example, a cathode electrode) 41b is provided on the back surface 11b. .
  • a first electrode 41a is provided on the gallium nitride based semiconductor layer 35
  • a second electrode 41b is provided on the back surface 11b.
  • FIG. 3 is a drawing schematically showing the structure of the nitride-based semiconductor optical device according to the present embodiment.
  • Examples of the nitride semiconductor optical element LD1 include a semiconductor laser.
  • the nitride-based semiconductor optical device LD1 has a structure suitable for a semiconductor laser.
  • the nitride semiconductor optical device LD1 includes a gallium nitride substrate 11, an n-type gallium nitride semiconductor layer 13, a light emitting layer 15, and a p-type gallium nitride semiconductor layer 17.
  • the light emitting layer 15 includes an active layer 19, and the active layer 19 has a quantum well structure including a plurality of well layers 21 and a plurality of barrier layers 23 arranged alternately.
  • the light emitting layer 15 is provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer 13 and the p-type gallium nitride semiconductor layer 17.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 13 can include one or a plurality of n-type gallium nitride based semiconductor layers (gallium nitride based semiconductor layers 55 and 57 in this embodiment).
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 includes a gallium nitride based semiconductor layer 31 having a band gap larger than that of the barrier layer 23, and one or a plurality of p-type gallium nitride based semiconductor layers (in this embodiment, a gallium nitride based semiconductor layer).
  • Semiconductor layers 51 and 53 are examples of semiconductor layers.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 55 can be an n-type AlGaN cladding layer doped with, for example, Si.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 57 is a strain relaxation layer for relaxing the strain of the well layer 21.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 57 can be, for example, an n-type InGaN layer doped with Si or the like.
  • the light emitting layer 15 may include a first light guide layer 59a, a second light guide layer 59b, and an undoped GaN layer 61.
  • the active layer 19 is provided between the first light guide layer 59a and the second light guide layer 59b.
  • the first light guide layer 59a and the second light guide layer 59b can be made of undoped InGaN, for example.
  • An undoped GaN layer 61 is provided on the second light guide layer 59b.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 13 may not include the gallium nitride based semiconductor layer 57.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 31 can be a p-type AlGaN layer doped with, for example, Mg.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 51 can be a p-type AlGaN cladding layer doped with, for example, Mg.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 53 is a p + -type GaN contact layer doped with, for example, Mg.
  • An insulating film 63 having a stripe window is provided on the p-type gallium nitride semiconductor layer 17.
  • An electrode is formed on the insulating film 63 and the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17.
  • the first electrode (for example, anode electrode) 65 is provided on the gallium nitride based semiconductor layer 53, and the second electrode (for example, cathode electrode) 67 is formed on the back surface 11b.
  • the active layer 19 In response to the injection of carriers through these electrodes, the active layer 19 generates laser light.
  • the main surface 11a of the gallium nitride substrate 11 is inclined by a finite angle ⁇ with respect to the reference plane Sc in the a-axis direction.
  • the gallium nitride substrate 11 having the semipolar surface as the main surface 11a is used (see FIGS. 1 and 3).
  • the piezoelectric polarization of the well layer 21 is small. Therefore, the quantum Stark effect due to piezo polarization is suppressed, so that a decrease in light emission efficiency can be suppressed.
  • the finite angle ⁇ is in the range of 40 degrees to 50 degrees, 90 degrees to 130 degrees.
  • the direction of piezoelectric polarization of each of the plurality of well layers 21 is a direction from the n-type n-type gallium nitride semiconductor layer 13 toward the p-type p-type gallium nitride semiconductor layer 17. It becomes.
  • FIG. 4A is an energy band diagram of the light emitting layer when the direction of piezoelectric polarization of the well layer is a direction from the p-type semiconductor layer to the n-type semiconductor layer
  • FIG. It is an energy band figure of a light emitting layer in case the direction of the piezoelectric polarization of a layer is a direction which goes to a p-type semiconductor layer from an n-type semiconductor layer.
  • FIG. 4 (a) shows a plurality of well layers 21x made of InGaN and an active layer 19x made of a barrier layer 23x made of GaN, and the wells corresponding to the Z coordinate in the active layer 19x.
  • the conduction band Ec and the valence band Ev of the layer 21x and the barrier 23 layer x are shown.
  • FIG. 4B the conduction band Ec and the valence band Ev of the well layer 21 and the barrier layer 23 are shown corresponding to the Z coordinate in the active layer 19.
  • the barrier layer is caused by the piezoelectric polarization of the well layer 21x.
  • the conduction band of the barrier layer 23x is such that the energy level on the n-type semiconductor layer side (Z-axis negative direction side) of the layer 23x is high and the energy level on the p-type semiconductor layer side (Z-axis positive direction side) is low.
  • the shape of Ec is deformed.
  • the potential P23x that must be exceeded when the electrons e that have reached the well layer 21x move to the barrier layer 23x adjacent to the p-type semiconductor layer side is increased. Therefore, it becomes difficult for the electron e to move to the p-type semiconductor layer side.
  • the well layer is made of InGaN and the barrier layer is made of GaN
  • the band offset of the valence band Ev at the interface between the well layer 21x and the barrier layer 23x is relatively small. Therefore, the hole h is relatively easy to move from the p-type semiconductor layer side to the n-type semiconductor layer side. Therefore, in each well layer 21x, the injection density of electrons e and holes h becomes non-uniform, so that the light emission efficiency is lowered and the drive voltage is raised.
  • the n of the barrier layer 23 when the direction of piezoelectric polarization of the well layer is the direction from the n-type semiconductor layer to the p-type semiconductor layer (the positive direction of the Z axis), the n of the barrier layer 23
  • the shape of the conduction band Ec of the barrier layer 23 is deformed so that the energy level on the p-type nitride semiconductor layer side decreases and the energy level on the p-type nitride semiconductor layer side increases. Therefore, the potential P23 that must be exceeded when the electrons e reaching the well layer 21 from the n-type nitride semiconductor layer move to the barrier layer 23 adjacent to the well layer 21 on the p-type nitride semiconductor layer side. Decreases.
  • the electron e becomes easy to move to the well layer 21 on the p-type nitride semiconductor layer side.
  • the difference between the band gap energy G21 of each well layer 21 and the band gap energy G23 of the barrier layer 23 adjacent thereto is 0.7 eV or more, the electrons e and the holes h are easily recombined. Therefore, a decrease in light emission efficiency and an increase in drive voltage are suppressed.
  • the emission wavelength of the light emitting layer 15 can be 460 nm or more and 550 nm or less.
  • the emission efficiency and the drive voltage are likely to increase.
  • a decrease in light emission efficiency and an increase in drive voltage are suppressed.
  • the main surface 11a has ⁇ 10-12 ⁇ plane, ⁇ 11-2-2 ⁇ plane, and ⁇ 10-1 -1 ⁇ plane.
  • the finite angle ⁇ can be in a range of 100 degrees to 117 degrees.
  • the piezo polarization of the well layer 21 can be reduced, it is possible to suppress a decrease in light emission efficiency due to the piezo polarization.
  • the amount of In incorporation in the well layer 21 can be easily increased, it is particularly advantageous when a long-wavelength light emitting device is realized by the nitride semiconductor light emitting devices LE1 and LD1.
  • the finite angle ⁇ is in the range of not less than 100 degrees and not more than 117 degrees, the principal surface 11a can be a ⁇ 20-2-1 ⁇ plane.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting elements LE1 and LD1 have a gallium nitride-based semiconductor layer 29 (FIG. 1) and a gallium nitride-based semiconductor layer 57 (FIG. 3) as strain relaxation layers made of InGaN. ).
  • the difference between the band gap energy G21 of each well layer 21 and the band gap energy G23 of the barrier layer 23 adjacent thereto is 0.7 eV or more
  • the strain in the well layer 21 tends to increase.
  • a defect occurs at the interface between the well layer 21 and the barrier layer 23, and the light emission efficiency is lowered.
  • the strain in the well layer 21 can be suppressed, so that a decrease in light emission efficiency can be suppressed.
  • the nitride semiconductor light emitting devices LE1 and LD1 include the strain relaxation layer (gallium nitride semiconductor layer 29 or gallium nitride semiconductor layer 57),
  • the defect density at the interface on the gallium nitride substrate 11 side can be 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 1 or less (see FIGS. 1 and 3).
  • the defect density at the interface of the strain relaxation layer (gallium nitride based semiconductor layer 29 or gallium nitride based semiconductor layer 57) on the gallium nitride substrate 11 side may be 5 ⁇ 10 3 cm ⁇ 1 or more (FIG. 1 and FIG. 3).
  • strain is relaxed to some extent in each layer (gallium nitride based semiconductor layer 27, gallium nitride based semiconductor layer 25, gallium nitride based semiconductor layer 55) closer to the gallium nitride substrate 11 than the strain relaxation layer.
  • Defects generated at the interface between the well layer 21 and the barrier layer 23 can be particularly suppressed, and a decrease in luminous efficiency can be particularly suppressed.
  • the n-type gallium nitride semiconductor layer 13 can be composed of 50% by volume or more of GaN or InAlGaN (see FIG. 1 and FIG. 1). (See FIG. 3). These materials have a small lattice mismatch with InGaN in the well layer 21, and when formed on the gallium nitride substrate 11, the strain relaxation in the layers made of these materials is also small. Therefore, the strain in the well layer 21 can be reduced, and the decrease in light emission efficiency can be particularly suppressed.
  • FIG. 5 is a diagram showing the LED structures of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6.
  • a GaN substrate 71 was prepared. Further, for each example and comparative example, the value (off angle) of the finite angle ⁇ formed by the main surface 71a of the GaN substrate 71 and the reference plane Sc orthogonal to the reference axis Cx was changed. That is, the surface orientation of the main surface 71a was changed for each example and comparative example.
  • the GaN substrate 71 was placed in a growth furnace, and ammonia (NH 3 ) and hydrogen (H 2 ) were supplied to hold the GaN substrate 71 in an atmosphere of 1050 degrees Celsius for 10 minutes. After this pretreatment (thermal cleaning), a source gas was supplied to the growth furnace to produce a structure for the LED as follows.
  • the n-type GaN guide layer 72 was grown 2 ⁇ m at 1100 degrees Celsius.
  • An n-type In 0.02 Ga 0.98 N strain relaxation layer 73 was grown to 100 nm at 800 degrees Celsius.
  • the light emitting layer 74 was grown.
  • the light emitting layer 74 has a quantum well structure in which barrier layers made of 15 nm GaN and well layers made of 3 nm InGaN are alternately stacked. Depending on the off-angle of the GaN substrate 71, the ease of incorporation of In in the well layer varies. Therefore, the growth temperature of the well layer and the barrier layer was adjusted in each example and each comparative example so that the well layer had a desired composition and a desired emission wavelength. The number of well layers was three.
  • a 20 nm p-type Al 0.18 Ga 0.82 N electron blocking layer 75 and a 50 nm p-type GaN contact layer 76 were sequentially grown at 1000 degrees Celsius. Further, an anode electrode 77 made of Ni / Au having an opening on the p-type GaN contact layer 76 and a pad electrode 78 made of Ti / Au and in contact with the p-type GaN contact layer 76 through the opening of the anode electrode 77. was deposited. Further, a cathode electrode 79 made of Ti / Al was deposited on the back surface of the GaN substrate 71.
  • FIG. 6 is a diagram showing the surface orientation, off-angle (angle ⁇ ), and approximate emission wavelength of the main surface in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6.
  • the plane orientations are (10-12), (0001), (11-22) in the order of Example 1, Comparative Examples 1 to 5, Example 2, Comparative Example 6, and Example 3, respectively.
  • the off angles are 43 degrees (m-axis direction), 0 degrees, 58 degrees (a-axis direction) in the order of Example 1, Comparative Examples 1 to 5, Example 2, Comparative Example 6, and Example 3, respectively.
  • Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 5 were around 500 nm, and those of Examples 3 and 6 were around 400 nm.
  • each LED was irradiated with excitation light from above the anode electrode 77 to detect PL (photoluminescence). By doing so, the direction of piezoelectric polarization of each well layer was determined.
  • the principle of such bias application PL measurement will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 7 is an energy band diagram in the well layer and the barrier layer when the piezo polarization of the well layer (strictly speaking, an internal electric field that combines piezo polarization and spontaneous polarization) is strong.
  • the direction from the n-type nitride semiconductor layer to the p-type nitride semiconductor layer is a positive direction.
  • FIG. 7A shows a state before forward bias application
  • FIG. 7B shows a state after forward bias application.
  • FIG. 8 is an energy band diagram in the well layer and the barrier layer when the piezoelectric polarization of the well layer (strictly speaking, the internal electric field combining the piezoelectric polarization and the spontaneous polarization) is positive, weak, or negative.
  • the direction from the n-type nitride semiconductor layer to the p-type nitride semiconductor layer is a positive direction.
  • FIG. 8A shows a state before forward bias application
  • FIG. 8B shows a state after forward bias application.
  • the forward bias application reduces the difference Gw between the lowest energy level in the conduction band Ec of the well layer and the highest energy level in the valence band Ev.
  • the PL wavelength is red-shifted by forward bias application.
  • FIG. 9 (a), 9 (b), and 9 (c) are diagrams showing bias application PL measurement results for Comparative Example 1, Example 1, and Comparative Example 4, respectively.
  • the bias value is shown.
  • the horizontal axis in the graph of FIG. 9 indicates the wavelength of the PL peak, and the vertical axis indicates the light intensity normalized by dividing the PL intensity by the EL intensity.
  • the wavelength of the PL peak shifted red, and in Example 1, the wavelength of the PL peak hardly changed.
  • Comparative Example 1 and Example 1 it was found that the piezoelectric polarization of the well layer was positive.
  • Comparative Example 4 as the forward bias value increased, the wavelength of the PL peak shifted blue.
  • Comparative Example 4 it was found that the piezoelectric polarization of the well layer was negative.
  • FIG. 10 shows the off-angle dependency of the PL peak wavelength shift amount obtained from the bias applied PL measurement results of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 5.
  • the shift amount of the PL peak wavelength was the difference between the PL peak wavelength when the bias was 0 V and the PL peak wavelength immediately after the start of EL emission.
  • Comparative Example 5 plane orientation (10-10), off angle 90 degrees (m-axis direction)
  • the main surface is the m-plane, so the internal electric field is zero. Therefore, the example or comparative example having a larger wavelength shift amount than the comparative example 5 has a positive piezo polarization, and the example or comparative example having a smaller wavelength shift amount than the comparative example 5 has a negative piezo polarization.
  • the direction of piezoelectric polarization in the well layer was positive in Comparative Example 1 and Example 1, and the direction of piezoelectric polarization in the well layer was negative in Comparative Examples 2 to It was Comparative Example 4.
  • the piezo polarization of the well layer becomes positive.
  • the (11-2-2) plane (corresponding to the back surface of the GaN substrate of Comparative Example 2), the (10-1-1) plane (corresponding to the back surface of the GaN substrate of Comparative Example 3), and (20-2) -1)
  • the piezoelectric polarization of the well layer is reduced. I found it positive.
  • FIG. 10 another comparative example manufactured under the same conditions as Comparative Example 2 and another comparative example manufactured under the same conditions as Comparative Example 4 also correspond to the shift amount of the wavelength of the PL peak. The plot is shown.
  • Example 2 and Comparative Example 4 were compared.
  • the back surface of the GaN substrate of Comparative Example 4 corresponds to the main surface of the GaN substrate of Example 2.
  • the direction of piezo polarization of the well layer of Example 2 is positive, and the direction of piezo polarization of the well layer of Comparative Example 4 is negative.
  • FIG. 11 is a graph showing measurement results of voltage-current characteristics of Example 2 and Comparative Example 4. As shown in FIG. 11, the driving voltage was lower in Example 2. As a result, it was found that the drive voltage can be lowered by making the piezo polarization direction of the well layer positive.
  • Example 3 and Comparative Example 6 were compared.
  • the back surface of the GaN substrate of Comparative Example 6 corresponds to the main surface of the GaN substrate of Example 3.
  • the direction of piezo polarization of the well layer of Example 3 is positive, and the direction of piezo polarization of the well layer of Comparative Example 6 is negative.
  • FIG. 12 is a graph showing measurement results of voltage-current characteristics of Example 3 and Comparative Example 6. In FIG. As shown in FIG. 12, the driving voltage was lower in Example 3. As a result, it was found that the drive voltage can be lowered by making the piezo polarization direction of the well layer positive.
  • the degree of decrease in the drive voltage in the 400 nm band LED (Example 3 and Comparative Example 6) shown in FIG. 12 is the degree of decrease in the drive voltage in the 500 nm band LED (Example 2 and Comparative Example 4) shown in FIG. It was small compared to. This is because, in Example 3 and Comparative Example 6, the potential of the conduction band of the well layer is shallow, and therefore in Comparative Example 6 in which the direction of piezo polarization of the well layer is negative, the well layer adjacent to the well layer with electrons is also present. This is considered to be relatively easy to move. From this, it is considered that the effect of lowering the drive voltage by making the direction of piezo polarization of the well layer positive is more prominent when the potential of the conduction band of the well layer is deep.
  • FIG. 13 is a diagram showing LD structures of Example 4 and Example 5.
  • a GaN substrate 81 was prepared.
  • the value (off angle) of the finite angle ⁇ formed by the main surface 81a of the GaN substrate 81 and the reference plane Sc orthogonal to the reference axis Cx was 105 degrees. That is, the plane orientation of the main surface 81a of Example 4 and Example 5 was (20-1-1).
  • the GaN substrate 81 was placed in a growth furnace, and ammonia (NH 3 ) and hydrogen (H 2 ) were supplied to hold the GaN substrate 81 in an atmosphere of 1050 degrees Celsius for 10 minutes. After this pretreatment (thermal cleaning), a raw material gas was supplied to the growth furnace to produce a structure for LD as follows.
  • the n-type GaN layer 82 was grown to 500 nm at 1050 degrees Celsius.
  • An n-type In 0.02 Al 0.09 Ga 0.89 N clad layer 83 was grown by 1.2 ⁇ m at 880 degrees Celsius.
  • the n-type InGaN guide layer 84 was grown 200 nm at 840 degrees Celsius.
  • the composition of the n-type InGaN guide layer 84 of Example 4 is In 0.03 Ga 0.97 N
  • the composition of the InGaN guide layer 84 of Example 5 is In 0.01 Ga 0.99 N. did.
  • the n-type InGaN guide layer 84 functions as a strain relaxation layer.
  • the light emitting layer 85 was grown.
  • the light emitting layer 85 has a quantum well structure in which a barrier layer made of 15 nm GaN and a well layer made of 3 nm In 0.30 Ga 0.70 N are alternately stacked.
  • the number of well layers was two.
  • the growth temperature of the well layer was 740 degrees Celsius, and the growth temperature of the barrier layer was 840 degrees Celsius.
  • an InGaN guide layer 86 was grown by 200 nm at 840 degrees Celsius.
  • the composition of the InGaN guide layer 86 of Example 4 was In 0.03 Ga 0.97 N
  • the composition of the InGaN guide layer 86 of Example 5 was In 0.01 Ga 0.99 N.
  • the p-type GaN contact layer 89 has a Ni / Au p-electrode and a pad electrode 91 made of a Ti / Au layer through a stripe-shaped opening having a width of 10 ⁇ m in an insulating film 90 made of silicon oxide (SiO 2 ).
  • a pad electrode 92 made of a Ti / Al n electrode and a Ti / Au layer was formed on the back surface of the GaN substrate 81 by vapor deposition. Then, the GaN substrate 81 was cleaved at a plane perpendicular to the extending direction of the stripe-shaped opening at intervals of 800 ⁇ m.
  • a dielectric multilayer film made of SiO 2 / TiO 2 was formed on both end faces exposed by cleavage, and a gain guide type LD was manufactured.
  • Example 4 misfit dislocations having a density of 2 ⁇ 10 4 cm ⁇ 1 were observed at the interface between the n-type In 0.02 Al 0.09 Ga 0.89 N cladding layer 83 and the n-type InGaN guide layer 84. . Misfit dislocations were not observed in the light emitting layer 85.
  • Example 5 no misfit dislocation was observed at the interface between the n-type In 0.02 Al 0.09 Ga 0.89 N cladding layer 83 and the n-type InGaN guide layer 84.
  • a defect with a density of 1 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 penetrating from the interface between the well layer and the barrier layer to the surface of the light emitting layer 85 was observed.
  • Example 4 since the strain was relaxed in the n-type InGaN guide layer 84, it is considered that the occurrence of defects in the light emitting layer 85 was suppressed even if the In composition of the well layer was high.
  • SYMBOLS 11 Gallium nitride substrate, 11a ... Main surface, 13 ... N-type gallium nitride based semiconductor region, 17 ... Second gallium nitride based semiconductor region, 21 ... Well layer, 23 ... Barrier layer, 15 ... light emitting region, Cx ... reference axis, LE1, LD1 ... nitride semiconductor light emitting element, Sc ... reference plane.

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Abstract

窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１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４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の範囲の角度αをなす主面１１ａを有する窒化ガリウム基板１１と、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３と、第２の窒化ガリウム系半導体領域１７と、複数のＩｎＧａＮからなる井戸層２１及び複数のＧａＮ系半導体からなるバリア層２３を含む発光層１５とを備え、複数の井戸層２１のピエゾ分極の方向は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３から第２の窒化ガリウム系半導体領域１７へ向かう方向であることを特徴とする。

Description

窒化物系半導体発光素子
　本発明は、窒化物系半導体発光素子に関する。
　下記非特許文献１には、半極性の主面を有するＧａＮ基板を用いたＬＥＤ（発光ダイオード）が記載されている。このＬＥＤは、（１１－２２）面を主面とするＧａＮ基板上に形成され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる単一量子井戸構造の発光層を有し、発光波長が６００ｎｍであること等が記載されている。
　下記非特許文献２には、半極性の主面を有するＧａＮ基板を用いたＬＤ（レーザーダイオード）が記載されている。このＬＤは、（１０－１－１）面を主面とするＧａＮ基板上に形成され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸構造の発光層を有し、発光波長が４０５．９ｎｍ（青紫色）であること等が記載されている。
Mitsuru FUNATO et.al. "Blue, Green, and Amber InGaN/GaN Light-Emitting Diodes onSemipolar {11-22}GaN Bulk Substrates", Japanese Journalof Applied Physics,Vol.45, No.26, 2006, pp.L659-L662,
Anurag TYAGI et.al, "Semipolar(10-1-1) InGaN/GaN Laser Diodes on Bulk GaN Substrates",Japanese Journal of Applied Physics, Vol.46, No.19, 2007, pp.L444-L445
　窒化物系半導体発光素子として、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物系半導体基板上に、発光層等を含む半導体積層体が形成されたものがある。このような窒化物系半導体発光素子において、ｃ面を主面とするＧａＮ基板を用いた場合、発光層に比較的大きな歪みが生じてしまう。このため、ピエゾ分極に起因す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。
　このようなピエゾ分極による悪影響を抑制するため、上記非特許文献１及び非特許文献２に記載されているように、半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いて窒化物系半導体発光素子を作製する方法が知られている。これにより、ピエゾ分極に起因した発光効率の低下を抑制することができる。
　しかしながら、発明者らの知見によると、半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いても、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ系半導体からなるバリア層を有する多重量子井戸構造の発光層を備える窒化物系半導体発光素子においては、井戸層とバリア層のバンドギャップの差が大きくなると、以下のような理由により、発光効率が低下し、駆動電圧が高くなるという不具合がある。
　即ち、井戸層とバリア層のバンドギャップの差が大きくなると、井戸層とバリア層の伝導帯におけるバンドオフセットが大きくなる。そのため、ｎ型半導体層から発光層に移動する電子に着目すると、電子が最初の井戸層に到達すると、隣接するバリア層に移動する際に超えなければならないポテンシャルが大きい。その結果、電子はｐ型半導体層側にある井戸層に移動し難くなる。一方、井戸層とバリア層の価電子帯におけるバンドオフセットは、伝導帯におけるバンドオフセットよりも小さくなる。そのため、ｐ型半導体層から発光層に移動するホールについては、比較的ｎ型半導体層側の井戸層に移動し易い。
　そのため、各井戸層において、電子とホールの注入密度が不均一になるため、発光効率が低下し、駆動電圧が上昇してしまう。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いた窒化物系半導体発光素子であって、井戸層とバリア層のバンドギャップの差が大きくても、発光効率の低下と駆動電圧の上昇を抑制することが可能な窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、六方晶系のＧａＮ半導体からなり、このＧａＮ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ＧａＮ基板と、ｎ型窒化物系半導体層と、ｐ型窒化物系半導体層と、交互に積層された複数の井戸層及び複数のバリア層を含む発光層とを備え、主面は、半極性を示し、上記有限の角度は、４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の範囲にあり、発光層は、ｎ型窒化物系半導体層とｐ型窒化物系半導体層との間に設けられており、複数の井戸層のそれぞれは、ＩｎＧａＮからなり、複数のバリア層のそれぞれは、ＧａＮ系半導体からなり、複数の井戸層のそれぞれのバンドギャップエネルギーと、複数のバリア層のうち、それぞれの井戸層と隣接するバリア層のバンドギャップエネルギーとの差は、０．７ｅＶ以上であり、複数の井戸層のそれぞれのピエゾ分極の方向は、ｎ型窒化物系半導体層からｐ型窒化物系半導体層へ向かう方向であることを特徴とする。
　本発明に係る窒化物系半導体発光素子によれば、半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いているため、極性面を主面とするＧａＮ基板を用いた場合と比較して、ピエゾ分極に起因する発光効率の低下が抑制される。その上、本発明に係る窒化物系半導体発光素子によれば、上記有限の角度は、４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の範囲にあるため、複数の井戸層のそれぞれのピエゾ分極の方向は、ｎ型窒化物系半導体層からｐ型窒化物系半導体層へ向かう方向となる。これにより、各バリア層の伝導帯のｎ型窒化物系半導体層側のエネルギーレベルが低下してｐ型窒化物系半導体層側のエネルギーレベルが上昇するように、バリア層の伝導帯の形状は変形する。そのため、ｎ型窒化物系半導体層から井戸層に到達した電子が、その井戸層のｐ型窒化物系半導体層側に隣接するバリア層に移動する際に超えなければならないポテンシャルが低下する。これにより、電子は、ｐ型窒化物系半導体層側の井戸層に移動し易くなる。そのため、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーと、それに隣接するバリア層のバンドギャップエネルギーとの差が０．７ｅＶ以上であっても、電子とホールは再結合し易くなる。その結果、半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いた窒化物系半導体発光素子において、井戸層とバリア層のバンドギャップの差が大きくても、発光効率の低下と駆動電圧の上昇が抑制される。
　また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子においては、発光層の発光波長は、４６０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることができる。このような発光波長を得るには、井戸層の伝導帯のポテンシャルを深くする必要があり、通常であれば発光効率の低下と駆動電圧の上昇が起こり易いが、本発明に係る窒化物系半導体発光素子によれば、上述のように発光効率の低下と駆動電圧の上昇が抑制される。
　また、この場合、主面は、｛１０－１２｝面、｛１１－２－２｝面、及び、｛１０－１－１｝面のいずれかとすることができる。
　また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子においては、上記有限の角度は、１００度以上１１７度以下の範囲にあることができる。これにより、ピエゾ分極を小さくすることができるため、ピエゾ分極に起因する発光効率の低下を抑制することができる。さらに、井戸層におけるＩｎ取り込み量を容易に増加させることができるため、本発明に係る窒化物系半導体発光素子によって長波長の発光素子を実現する場合に特に有利となる。
　また、この場合、主面は、｛２０－２－１｝面とすることができる。
　また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、ＩｎＧａＮからなる歪み緩和層をさらに備え、ｎ型窒化物系半導体層は、ＧａＮ基板と発光層との間に設けられており、歪み緩和層は、ｎ型窒化物系半導体層と発光層との間に設けられていることができる。それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーと、それに隣接するバリア層のバンドギャップエネルギーとの差が０．７ｅＶ以上である場合、井戸層における歪みが大きくなる傾向がある。このような歪みが生じると、井戸層とバリア層の界面に欠陥が生じ、発光効率が低下してしまう。上述のように、発光層の下にこの歪みを緩和させる歪み緩和層を設けることにより、井戸層における歪みを抑制することができるため、発光効率の低下を抑制することができる。
　また、この場合、歪み緩和層のＧａＮ基板側の界面における欠陥密度は、１×１０５ｃｍ－１以下であることができる。これにより、歪み緩和層によって井戸層とバリア層の界面に生じる欠陥を十分に抑制することができるため、発光効率の低下を特に抑制することができる。
　また、この場合、歪み緩和層のＧａＮ基板側の界面における欠陥密度は、５×１０３ｃｍ－１以上であることができる。これにより、歪み緩和層よりもＧａＮ基板側の各層においてある程度歪みが緩和されるため、歪み緩和層によって井戸層とバリア層の界面に生じる欠陥を特に抑制することができ、発光効率の低下を特に抑制することができる。
　また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子において、ｎ型窒化物系半導体層は、ＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮで５０体積％以上構成されることができる。これらの材料は、井戸層のＩｎＧａＮと格子不整合が小さく、ＧａＮ基板上に形成した場合に、これらの材料からなる層における歪みの緩和も小さい。そのため、井戸層における歪みを小さくすることができ、発光効率の低下を特に抑制することができる。
　本発明によれば、井戸層とバリア層のバンドギャップの差が大きくても、発光効率の低下と駆動電圧の上昇を抑制することが可能な窒化物系半導体発光素子が提供される。
窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。 窒化物系半導体光素子の発光層近傍の断面構造を示す図である。 窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。 発光層のエネルギーバンド図である。 実施例１～実施例３、比較例１～比較例６のＬＥＤ構造を示す図である。 実施例１～実施例３、比較例１～比較例６における主面の面方位、オフ角（角度α）、及び、発光波長を示す図である。 井戸層及びバリア層におけるエネルギーバンド図である。 井戸層及びバリア層におけるエネルギーバンド図である。 比較例１、実施例１、及び比較例４の測定結果を示す図である。 実施例１～実施例２、比較例１～比較例５についての測定結果を示す図である。 実施例２と比較例４の電圧－電流特性の測定結果を示す図である。 実施例３と比較例６の電圧－電流特性の測定結果を示す図である。 実施例４及び実施例５のＬＤ構造を示す図である。
　以下、実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、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。
　図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。窒化物系半導体光素子としては、例えば半導体レーザ、発光ダイオード等がある。
　窒化物系半導体光素子ＬＥ１は、発光ダイオードに好適な構造を有する。窒化物系半導体光素子ＬＥ１は、六方晶系の窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体からなる窒化ガリウム基板１１と、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３と、発光層１５と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７を備える。
　窒化ガリウム基板１１は、主面１１ａ及び裏面１１ｂを有する。窒化ガリウム基板１１の主面１１ａは、半極性を表す。
　図１には、窒化ガリウム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１１ａと平行な方向にＸ軸及びＹ軸を設定し、窒化ガリウム基板１１の厚さ方向にＺ軸を設定している。
　窒化ガリウム基板１１の主面１１ａは、基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃに対して、４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の範囲にある有限の角度αだけ傾斜する。ここで、基準軸Ｃｘは、窒化ガリウム半導体のｃ軸方向に延びる。本実施例においては、主面１１ａは、基準平面Ｓｃに対してｍ軸の方向に有限の角度α傾斜しているが、ａ軸の方向に有限の角度α傾斜していてもよく、ｍ軸とａ軸の双方に対して傾斜することにより、基準平面Ｓｃと有限の角度αを成していてもよい。この有限の角度αは、窒化ガリウム基板１１のｃ面に対するオフ角と呼ばれる。
　ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３、発光層１５、及び、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、それぞれエピタキシャル層であり、主面１１ａ上に、Ｚ軸と平行な軸Ａｘに沿って配列されている。
　発光層１５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３とｐ型窒化ガリウム系半導体層１７との間に設けられている。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層（本実施形態では、窒化ガリウム系半導体層２５、２７、２９）を含むことができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、発光層１５のバリア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体層３１と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層（本実施形態では、窒化ガリウム系半導体層３３、３５）とを含む。
　発光層１５は、活性層１９と窒化ガリウム半導体層３７を含むことができる。窒化ガリウム半導体層３７は、アンドープの窒化ガリウム半導体層とすることができる。
　次に、図２を参照しながら、活性層１９の詳細について説明する。図２は、窒化物系半導体光素子の発光層近傍の断面構造を示す図である。
　図２に示すように、活性層１９は、交互に積層された複数の井戸層２１及び複数のバリア層２３を有する。即ち、活性層１９は、多重量子井戸構造を有する。井戸層２１は、六方晶系のＩｎＧａＮからなる。バリア層２３は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなり、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等であることができる。また、各井戸層２１のバンドギャップエネルギーと、その井戸層２１と隣接するバリア層２３のバンドギャップエネルギーの差は、０．７ｅＶ以上である。
　また、井戸層２１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α２１で傾斜した基準平面ＳＲに沿って延びている。即ち、基準平面Ｓｃと基準平面ＳＲとが成す有限の角度α２１は、基準平面Ｓｃと主面１１ａとが成す有限の角度αに略等しい。井戸層２１は歪みを内包しており、井戸層２１におけるピエゾ分極は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３からｐ型窒化ガリウム系半導体層１７へ向かう方向（Ｚ軸の正方向）の成分を有する。ＩｎＧａＮのａ軸及びｃ軸方向の格子定数はＧａＮのａ軸及びｃ軸方向の格子定数より大きいので、ＩｎＧａＮからなる井戸層２１は、バリア層２３から応力（圧縮歪み）を受けて、歪みを内包することになる。そのため、上記ピエゾ分極の方向は、主面１１ａと基準平面Ｓｃの成す有限の角度αを調節することにより、即ち、主面１１ａの結晶面を適宜選択することにより、決定することができる。
　また、図１に示すように、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３の窒化ガリウム系半導体層２５は、例えば、Ｓｉ等がドープされたｎ型のＧａＮやＩｎＡｌＧａＮからなるバッファ層とすることができる。窒化ガリウム系半導体層２７は、例えば、ｎ型キャリアを供給するための層であり、Ｓｉ等がドープされたｎ型のＧａＮ層やＩｎＡｌＧａＮ層とすることがきる。窒化ガリウム系半導体層２９は、井戸層２１の歪みを緩和させるための歪み緩和層である。窒化ガリウム系半導体層２９は、例えば、Ｓｉ等がドープされたｎ型ＩｎＧａＮ層であることができる。なお、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、歪み緩和層としての窒化ガリウム系半導体層２９を有していなくてもよい。
　ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７内の窒化ガリウム系半導体層３１は、電子ブロック層及びクラッド層のいずれか一方とすることができる。電子ブロック層は発光層からの電子をブロックし、クラッド層はキャリアの閉じ込め及び光の閉じ込めを行う。窒化ガリウム系半導体層３１は、例えばＭｇ等がドープされたｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。窒化ガリウム系半導体層３３は、例えばＭｇ等がドープされたｐ型ＧａＮからなることができる。窒化ガリウム系半導体層３５は、例えばＭｇがドープされたｐ＋型ＧａＮコンタクト層である。
　また、窒化ガリウム系半導体層３５上には、第１の電極（例えば、アノード電極）４１ａが設けられており、裏面１１ｂには、第２の電極（例えば、カソード電極）４１ｂが設けられている。これらの電極を介して活性層１９にキャリアが注入されると、光が生成される。
　次に、本実施形態の変形例に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本変形例の説明においては、上述の窒化物系半導体光素子ＬＥ１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。
　図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。窒化物系半導体光素子ＬＤ１としては、例えば半導体レーザ等がある。
　窒化物系半導体光素子ＬＤ１は、半導体レーザに好適な構造を有する。窒化物系半導体光素子ＬＤ１は、窒化ガリウム基板１１と、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３と、発光層１５と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７を備える。発光層１５は、活性層１９を含み、活性層１９は、交互に配列された複数の井戸層２１及び複数のバリア層２３とを含む量子井戸構造を有する。発光層１５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３とｐ型窒化ガリウム系半導体層１７との間に設けられている。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は一又は複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、窒化ガリウム系半導体層５５、５７）を含むことができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７は、バリア層２３のバンドギャップよりもバンドギャップの大きな窒化ガリウム系半導体層３１と、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、窒化ガリウム系半導体層５１、５３）とを含む。
　窒化ガリウム系半導体層５５は、例えばＳｉ等がドープされたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層とすることができる。窒化ガリウム系半導体層５７は、井戸層２１の歪みを緩和させるための歪み緩和層である。窒化ガリウム系半導体層５７は、例えば、Ｓｉ等がドープされたｎ型ＩｎＧａＮ層であることができる。発光層１５は、第１光ガイド層５９ａ、第２光ガイド層５９ｂ、及び、アンドープＧａＮ層６１を含むことができる。活性層１９は、第１光ガイド層５９ａと第２光ガイド層５９ｂの間に設けられている。第１光ガイド層５９ａ及び第２光ガイド層５９ｂは、例えばアンドープＩｎＧａＮからなることができる。第２光ガイド層５９ｂ上には、アンドープＧａＮ層６１が設けられている。なお、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、窒化ガリウム系半導体層５７を有していなくてもよい。
　窒化ガリウム系半導体層３１は、例えばＭｇ等がドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層とすることができる。窒化ガリウム系半導体層５１は、例えばＭｇ等がドープされたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層とすることができる。窒化ガリウム系半導体層５３は、例えばＭｇ等がドープされたｐ＋型ＧａＮコンタクト層である。
　ｐ型窒化ガリウム系半導体層１７上には、ストライプ窓を有する絶縁膜６３が設けられている。絶縁膜６３及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１７上に電極を形成する。第１の電極（例えば、アノード電極）６５は、窒化ガリウム系半導体層５３上に設けられると共に、第２の電極（例えば、カソード電極）６７は、裏面１１ｂ上に形成される。これらの電極を介するキャリアの注入に応答して活性層１９はレーザ光を生成する。
　また、本変形例においては、窒化ガリウム基板１１の主面１１ａは、基準平面Ｓｃに対してa軸の方向に有限の角度α傾斜している。
　上述のような本実施形態に係る窒化物系半導体光素子ＬＥ１、ＬＤ１によれば、半極性面を主面１１ａとする窒化ガリウム基板１１を用いているため（図１及び図３参照）、極性面を主面とする窒化ガリウム基板を用いた場合と比較して、井戸層２１のピエゾ分極は小さくなる。そのため、ピエゾ分極に起因する量子シュタルク効果が抑制されるため、発光効率の低下を抑制することができる。
　その上、上述のような本実施形態に係る窒化物系半導体光素子ＬＥ１、ＬＤ１によれば、上記有限の角度αは、４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の範囲にあるため（図１及び図３参照）、複数の井戸層２１のそれぞれのピエゾ分極の方向は、ｎ型のｎ型窒化ガリウム系半導体層１３からｐ型のｐ型窒化ガリウム系半導体層１７へ向かう方向となる。これにより、半極性面を主面１１ａとする窒化ガリウム基板１１を用いた窒化物系半導体発光素子において、井戸層２１とバリア層２３のバンドギャップの差が大きくても、発光効率の低下と駆動電圧の上昇が抑制される。この原理について、図４を参照しながら説明する。
　図４（ａ）は、井戸層のピエゾ分極の方向が、ｐ型半導体層からｎ型半導体層に向かう方向である場合の、発光層のエネルギーバンド図であり、図４（ｂ）は、井戸層のピエゾ分極の方向が、ｎ型半導体層からｐ型半導体層に向かう方向である場合の、発光層のエネルギーバンド図である。
　図４（ａ）においては、交互に積層された複数のＩｎＧａＮからなる井戸層２１ｘ及びＧａＮからなるバリア層２３ｘからなる活性層１９ｘを示しており、活性層１９ｘ内のＺ座標に対応させて井戸層２１ｘ及びバリア２３層ｘの伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖを示している。図４（ｂ）においては、活性層１９内のＺ座標に対応させて井戸層２１及びバリア層２３の伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖを示している。
　図４（ａ）に示すように、井戸層のピエゾ分極の方向がｐ型半導体層からｎ型半導体層に向かう方向（Ｚ軸の負方向）である場合、井戸層２１ｘのピエゾ分極によって、バリア層２３ｘのｎ型半導体層側（Ｚ軸の負方向側）のエネルギーレベルが高くなりｐ型半導体層側（Ｚ軸の正方向側）のエネルギーレベルが低くなるように、バリア層２３ｘの伝導帯Ｅｃの形状は変形する。そのため、井戸層２１ｘに到達した電子ｅがｐ型半導体層側に隣接するバリア層２３ｘに移動する際に超えなくてはならないポテンシャルＰ２３ｘが高くなる。そのため、電子ｅは、ｐ型半導体層側に移動し難くなる。また、井戸層がＩｎＧａＮからなり、バリア層がＧａＮからなる場合、井戸層２１ｘとバリア層２３ｘとの界面における価電子帯Ｅｖのバンドオフセットは、比較的小さくなることが知られている。そのため、ホールｈは、ｐ型半導体層側からｎ型半導体層側に比較的移動し易い。そのため、各井戸層２１ｘにおいて、電子ｅとホールｈの注入密度が不均一になるため、発光効率が低下し、駆動電圧が上昇してしまう。
　それに対して、図４（ｂ）に示すように、井戸層のピエゾ分極の方向がｎ型半導体層からｐ型半導体層に向かう方向（Ｚ軸の正方向）である場合、バリア層２３のｎ型窒化物系半導体層側のエネルギーレベルが低下してｐ型窒化物系半導体層側のエネルギーレベルが上昇するように、バリア層２３の伝導帯Ｅｃの形状は変形する。そのため、ｎ型窒化物系半導体層から井戸層２１に到達した電子ｅが、その井戸層２１のｐ型窒化物系半導体層側に隣接するバリア層２３に移動する際に超えなければならないポテンシャルＰ２３が低下する。これにより、電子ｅは、ｐ型窒化物系半導体層側の井戸層２１に移動し易くなる。その結果、それぞれの井戸層２１のバンドギャップエネルギーＧ２１と、それに隣接するバリア層２３のバンドギャップエネルギーＧ２３との差が０．７ｅＶ以上であっても、電子ｅとホールｈは再結合し易くなるため、発光効率の低下と駆動電圧の上昇が抑制される。
　また、上述のような本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１においては、発光層１５（活性層１９）の発光波長は、４６０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることができる。このような発光波長を得るには、井戸層２１の伝導帯Ｅｃのポテンシャルを深くする必要があり（図４参照）、通常であれば発光効率の低下と駆動電圧の上昇が起こり易い。しかし、本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１によれば、上述のように発光効率の低下と駆動電圧の上昇が抑制される。
　また、上述のような本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１においては、主面１１ａは、｛１０－１２｝面、｛１１－２－２｝面、及び、｛１０－１－１｝面のいずれかとすることができる。
　また、上述のような本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１においては、有限の角度αは、１００度以上１１７度以下の範囲にあることができる。これにより、井戸層２１のピエゾ分極を小さくすることができるため、ピエゾ分極に起因する発光効率の低下を抑制することができる。さらに、井戸層２１におけるＩｎ取り込み量を容易に増加させることができるため、窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１によって長波長の発光素子を実現する場合に特に有利となる。また、有限の角度αが１００度以上１１７度以下の範囲にある場合、主面１１ａは、｛２０－２－１｝面とすることができる。
　また、上述のように本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１は、ＩｎＧａＮからなる歪み緩和層として、窒化ガリウム系半導体層２９（図１）や窒化ガリウム系半導体層５７（図３）をさらに備えている。各井戸層２１のバンドギャップエネルギーＧ２１と、それに隣接するバリア層２３のバンドギャップエネルギーＧ２３との差が０．７ｅＶ以上である場合、井戸層２１における歪みが大きくなる傾向がある。このような歪みが生じると、井戸層２１とバリア層２３の界面に欠陥が生じ、発光効率が低下してしまう。上述のように、活性層１９の下にこの歪みを緩和させる歪み緩和層を設けることにより、井戸層２１における歪みを抑制することができるため、発光効率の低下を抑制することができる。
　また、上述の実施形態における場合のように、窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１が歪み緩和層（窒化ガリウム系半導体層２９又は窒化ガリウム系半導体層５７）を備えている場合、歪み緩和層の窒化ガリウム基板１１側の界面における欠陥密度は、１×１０５ｃｍ－１以下であることができる（図１及び図３参照）。これにより、歪み緩和層によって井戸層２１とバリア層２３の界面に生じる欠陥を十分に抑制することができるため（図２参照）、発光効率の低下を特に抑制することができる。
　さらにこの場合、歪み緩和層（窒化ガリウム系半導体層２９又は窒化ガリウム系半導体層５７）の窒化ガリウム基板１１側の界面における欠陥密度は、５×１０３ｃｍ－１以上であることができる（図１及び図３参照）。これにより、歪み緩和層よりも窒化ガリウム基板１１側の各層（窒化ガリウム系半導体層２７、窒化ガリウム系半導体層２５、窒化ガリウム系半導体層５５）においてある程度歪みが緩和されるため、歪み緩和層によって井戸層２１とバリア層２３の界面に生じる欠陥を特に抑制することができ、発光効率の低下を特に抑制することができる。
　また、上述のような本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子ＬＥ１、ＬＤ１において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、ＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮで５０体積％以上構成されることができる（図１及び図３参照）。これらの材料は、井戸層２１のＩｎＧａＮと格子不整合が小さく、窒化ガリウム基板１１上に形成した場合に、これらの材料からなる層における歪みの緩和も小さい。そのため、井戸層２１における歪みを小さくすることができ、発光効率の低下を特に抑制することができる。
（実施例）
　以下、実施例及び比較例について説明する。
　実施例１～実施例３、比較例１～比較例６として、ＬＥＤ（発光ダイオード）を作製した。図５は、実施例１～実施例３、比較例１～比較例６のＬＥＤ構造を示す図である。図５に示すように、ＧａＮ基板７１を準備した。また、各実施例及び比較例ごとに、ＧａＮ基板７１の主面７１ａと、基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃとが成す有限の角度αの値（オフ角）を変化させた。即ち、各実施例及び比較例ごとに、主面７１ａの面方位を変化させた。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ＬＥＤのための構造を作製した。
　まず、ｎ型ＧａＮガイド層７２を摂氏１１００度で２μｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ歪み緩和層７３を摂氏８００度で１００ｎｍ成長した。続いて、発光層７４を成長した。発光層７４は、１５ｎｍのＧａＮからなるバリア層と、３ｎｍのＩｎＧａＮ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。ＧａＮ基板７１のオフ角によって、井戸層のＩｎの取り込み易さは異なる。そのため、井戸層が所望の組成となり、所望の発光波長となるように、各実施例及び各比較例において、井戸層とバリア層の成長温度を調節した。井戸層の数は、３層とした。続いて、２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ電子ブロック層７５、５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層７６を、順に摂氏１０００度で成長した。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層７６上に、Ｎｉ／Ａｕからなり、開口を有するアノード電極７７と、Ｔｉ／Ａｕからなり、アノード電極７７の開口を介してｐ型ＧａＮコンタクト層７６に接するパッド電極７８を蒸着した。また、ＧａＮ基板７１の裏面にＴｉ／Ａｌからなるカソード電極７９を蒸着した。
　図６は、実施例１～実施例３、比較例１～比較例６のおける主面の面方位、オフ角（角度α）、及び、おおよその発光波長を示す図である。図６に示すように、面方位は、実施例１、比較例１～５、実施例２、比較例６、実施例３の順に、それぞれ（１０－１２）、（０００１）、（１１－２２）、（１０－１１）、（２０－２１）、（１０－１０）、（２０－２－１）、（２０－２１）、（２０－２－１）とした。また、オフ角は、実施例１、比較例１～５、実施例２、比較例６、実施例３の順に、それぞれ４３度（ｍ軸方向）、０度、５８度（ａ軸方向）、６２度（ｍ軸方向）、７５度（ｍ軸方向）、９０度（ｍ軸方向）。１０５度（ｍ軸方向）、７５度（ｍ軸方向）、１０５度（ｍ軸方向）とした。発光波長は、実施例１～実施例２、比較例１～比較例５は、５００ｎｍ付近であり、実施例３、実施例６は、４００ｎｍ付近であった。
　次に、実施例１～実施例２、比較例１～比較例５について、順バイアス印加しながら、各ＬＥＤに対してアノード電極７７の上から励起光を照射し、ＰＬ（フォトルミネッセンス）を検出することにより、それぞれの井戸層のピエゾ分極の向きを決定した。このようなバイアス印加ＰＬ測定の原理を図７及び図８を参照しながら説明する。
　図７は、井戸層のピエゾ分極（厳密には、ピエゾ分極と自発分極を合わせた内部電界）が正に強い場合の、井戸層及びバリア層におけるエネルギーバンド図である。図７の横軸は、ｎ型窒化物系半導体層からｐ型窒化物系半導体層に向かう方向を正方向としている。図７（ａ）は、順バイアス印加前の状態を示しており、図７（ｂ）は、順バイアス印加後の状態を示している。
　図８は、井戸層のピエゾ分極（厳密には、ピエゾ分極と自発分極を合わせた内部電界）が正で弱いか負の場合の、井戸層及びバリア層におけるエネルギーバンド図である。図８の横軸は、ｎ型窒化物系半導体層からｐ型窒化物系半導体層に向かう方向を正方向としている。図８（ａ）は、順バイアス印加前の状態を示しており、図８（ｂ）は、順バイアス印加後の状態を示している。
　図７に示すように、井戸層のピエゾ分極が正に強い場合、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖの傾きの方向が変化する。これにより、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃ内の最低エネルギーレベルと価電子帯Ｅｖ内の最高エネルギーレベルの差Ｇｗが、小さくなる。その結果、順バイアス印加によって、ＰＬ波長はレッドシフトすることになる。
　一方、図８に示すように、井戸層のピエゾ分極が正で弱いか負の場合、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖの傾きの方向は同じまま、傾きの大きさが小さくなる。これにより、順バイアス印加によって、井戸層の伝導帯Ｅｃの最低エネルギーレベルと価電子帯Ｅｖ内の最高エネルギーレベルの差Ｇｗが、大きくなる。その結果、順バイアス印加によって、ＰＬ波長はブルーシフトすることになる。このような測定を、実施例１～実施例２、比較例１～比較例５について、絶対温度１００Ｋにおいて、様々な順バイアスの大きさについて行った。
　図９（ａ）、図９（ｂ）、及び、図９（ｃ）は、それぞれ比較例１、実施例１、及び比較例４についてのバイアス印加ＰＬ測定結果を示す図であり、複数の順バイアス値について示している。図９のグラフにおける横軸は、ＰＬピークの波長を示し、縦軸は、ＰＬ強度をＥＬ強度で割って規格化した光強度を示している。図９に示すように、比較例１では、順バイアス値が増加すると、ＰＬピークの波長はレッドシフトし、実施例１では、ＰＬピークの波長はほとんど変化しなかった。これにより、比較例１及び実施例１においては、井戸層のピエゾ分極は正であることがわかった。また、比較例４では、順バイアス値が増加すると、ＰＬピークの波長はブルーシフトした。これにより、比較例４においては、井戸層のピエゾ分極は負であることがわかった。
　図１０は、実施例１～実施例２、比較例１～比較例５のバイアス印加ＰＬ測定結果から求めた、ＰＬピークの波長のシフト量のオフ角依存性である。ＰＬピークの波長のシフト量は、バイアスが０Ｖの場合のＰＬピークの波長と、ＥＬ発光開始直後のＰＬピークの波長の差とした。図１０において、比較例５（面方位（１０－１０）、オフ角９０度（ｍ軸方向））は、主面がｍ面であるため、内部電界が０となる。従って、比較例５よりも波長シフト量が大きい実施例又は比較例は、ピエゾ分極が正であり、比較例５よりも波長シフト量が小さい実施例又は比較例は、ピエゾ分極が負となる。図１０示すように、井戸層のピエゾ分極の向きが正となったのは、比較例１と実施例１であり、井戸層のピエゾ分極の向きが負となったのは、比較例２～比較例４であった。ここで、比較例２～比較例４のＧａＮ基板の裏面に相当する面を主面とするＧａＮ基板を用いて同様のＬＥＤを作製した場合、井戸層のピエゾ分極が正になる。従って、（１１－２－２）面（比較例２のＧａＮ基板の裏面に相当）、（１０－１－１）面（比較例３のＧａＮ基板の裏面に相当）、及び、（２０－２－１）面（比較例４のＧａＮ基板の裏面に相当、実施例２のＧａＮ基板の主面）を主面とするＧａＮ基板を用いて同様のＬＥＤを作製すれば、井戸層のピエゾ分極が正になることがわかった。なお、図１０においては、比較例２と同一の条件で作製した別の比較例、及び、比較例４と同一の条件で作製した別の比較例についても、ＰＬピークの波長のシフト量に対応するプロットを示している。
　次に、実施例２と比較例４について、電圧－電流特性を比較した。比較例４のＧａＮ基板の裏面は、実施例２のＧａＮ基板の主面に相当する。上述のように、実施例２の井戸層のピエゾ分極の向きは正であり、比較例４の井戸層のピエゾ分極の向きは負である。図１１は、実施例２と比較例４の電圧－電流特性の測定結果を示す図である。図１１に示すように、実施例２の方が、駆動電圧が低くなった。これにより、井戸層のピエゾ分極の向きを正とすることにより、駆動電圧を低下させられることがわかった。
　同様に、実施例３と比較例６について、電圧－電流特性を比較した。比較例６のＧａＮ基板の裏面は、実施例３のＧａＮ基板の主面に相当する。上述のように、実施例３の井戸層のピエゾ分極の向きは正であり、比較例６の井戸層のピエゾ分極の向きは負である。図１２は、実施例３と比較例６の電圧－電流特性の測定結果を示す図である。図１２に示すように、実施例３の方が、駆動電圧が低くなった。これにより、井戸層のピエゾ分極の向きを正とすることにより、駆動電圧を低下させられることがわかった。ただし、図１２に示した４００ｎｍ帯ＬＥＤ（実施例３と比較例６）における駆動電圧の低下度合いは、図１１に示した５００ｎｍ帯ＬＥＤ（実施例２と比較例４）における駆動電圧の低下度合いに比べて小さかった。これは、実施例３と比較例６では井戸層の伝導帯のポテンシャルが浅いため、井戸層のピエゾ分極の向きが負である比較例６においても、電子がある井戸層からそれに隣接する井戸層に比較的移動しやすいためと考えられる。これより、井戸層のピエゾ分極の向きを正にすることによって駆動電圧を低下させる効果は、井戸層の伝導帯のポテンシャルが深いときに、より顕著に発揮されると考えられる。
　次に、実施例４及び実施例５として、ＬＤ（レーザーダイオード）を作製した。図１３は、実施例４及び実施例５のＬＤ構造を示す図である。図１３に示すように、ＧａＮ基板８１を準備した。また、ＧａＮ基板８１の主面８１ａと、基準軸Ｃｘに直交する基準平面Ｓｃとが成す有限の角度αの値（オフ角）は、１０５度した。即ち、実施例４及び実施例５の主面８１ａの面方位は、（２０－１－１）とした。ＧａＮ基板８１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８１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。
　まず、ｎ型ＧａＮ層８２を摂氏１０５０度で５００ｎｍ成長した。ｎ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層８３を摂氏８８０度で１．２μｍ成長した。ｎ型ＩｎＧａＮガイド層８４を摂氏８４０度で２００ｎｍ成長した。ここで、実施例４のｎ型ＩｎＧａＮガイド層８４の組成は、Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎとし、実施例５のＩｎＧａＮガイド層８４の組成は、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとした。ｎ型ＩｎＧａＮガイド層８４は、歪み緩和層として機能する。続いて、発光層８５を成長した。発光層８５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７４０度、バリア層の成長温度は、摂氏８４０度とした。
　続いて、ＩｎＧａＮガイド層８６を摂氏８４０度で２００ｎｍ成長した。ここで、実施例４のＩｎＧａＮガイド層８６の組成は、Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎとし、実施例５のＩｎＧａＮガイド層８６の組成は、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとした。２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層８７、４００ｎｍのｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層８８、及び、５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８９を、順に摂氏１０００度で成長した。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層８９には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜９０の幅１０μｍのストライプ状の開口を介してＮｉ／Ａｕのｐ電極とＴｉ／Ａｕ層からなるパッド電極９１を蒸着により形成すると共に、ＧａＮ基板８１の裏面にＴｉ／Ａｌのｎ電極とＴｉ／Ａｕ層からなるパッド電極９２を蒸着により形成した。そして、８００μｍ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８１をへき開した。へき開で露出した両端面にＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層膜を形成し、ゲインガイド型のＬＤを作製した。
　実施例４及び実施例５について、断面ＴＥＭ観察を行った。実施例４では、ｎ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層８３とｎ型ＩｎＧａＮガイド層８４の界面に２×１０４ｃｍ－１の密度のミスフィット転位が認められた。発光層８５には、ミスフィット転位は認められなかった。実施例５では、ｎ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８９Ｎクラッド層８３とｎ型ＩｎＧａＮガイド層８４の界面には、ミスフィット転位は認められなかったが、発光層８５において、井戸層とバリア層の界面から発光層８５の表面に貫通する１×１０８ｃｍ－２の密度の欠陥が認められた。実施例４においては、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層８４において歪みが緩和していたために、井戸層のＩｎ組成が高くても、発光層８５での欠陥発生が抑制されたものと考えられる。
１１・・・窒化ガリウム基板、１１ａ・・・主面、１３・・・ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１７・・・第２の窒化ガリウム系半導体領域、２１・・・井戸層、２３・・・バリア層、１５・・・発光領域、Ｃｘ・・・基準軸、ＬＥ１、ＬＤ１・・・窒化物系半導体発光素子、Ｓｃ・・・基準平面。

Claims (11)

  1. 　六方晶系のＧａＮ半導体からなり、当該ＧａＮ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ＧａＮ基板と、
    　ｎ型窒化物系半導体層と、
    　ｐ型窒化物系半導体層と、
    　交互に積層された複数の井戸層及び複数のバリア層を含む発光層と、を備え、
    　前記主面は、半極性を示し、
    　前記有限の角度は、４０度以上５０度以下及び９０度より大きく１３０度以下の範囲にあり、
    　前記発光層は、前記ｎ型窒化物系半導体層と前記ｐ型窒化物系半導体層との間に設けられており、
    　前記複数の井戸層のそれぞれは、ＩｎＧａＮからなり、
    　前記複数のバリア層のそれぞれは、ＧａＮ系半導体からなり、
    　前記複数の井戸層のそれぞれのバンドギャップエネルギーと、前記複数のバリア層のうち、当該それぞれの井戸層と隣接するバリア層のバンドギャップエネルギーとの差は、０．７ｅＶ以上であり、
    　前記複数の井戸層のそれぞれのピエゾ分極の方向は、前記ｎ型窒化物系半導体層から前記ｐ型窒化物系半導体層へ向かう方向であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  2. 　前記発光層の発光波長は、４６０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
  3. 　前記主面は、｛１０－１２｝面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  4. 　前記主面は、｛１１－２－２｝面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 　前記主面は、｛１０－１－１｝面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  6. 　前記有限の角度は、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又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  7. 　前記主面は、｛２０－２－１｝面であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物系半導体発光素子。
  8. 　ＩｎＧａＮからなる歪み緩和層をさらに備え、
    　前記ｎ型窒化物系半導体層は、前記ＧａＮ基板と前記発光層との間に設けられており、
    　前記歪み緩和層は、前記ｎ型窒化物系半導体層と前記発光層との間に設けられてい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窒化物系半導体発光素子。
  9. 　前記歪み緩和層の前記ＧａＮ基板側の界面における欠陥密度は、１×１０５ｃｍ－１以下であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物系半導体発光素子。
  10. 　前記歪み緩和層の前記ＧａＮ基板側の界面における欠陥密度は、５×１０３ｃｍ－１以上であることを特徴とする請求項８又は９に記載の窒化物系半導体発光素子。
  11. 　前記ｎ型窒化物系半導体層は、ＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮで５０体積％以上構成されることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。 
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