JP2014207328A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生する発光層における結晶品質を向上させることができる半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生し、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）層を有する発光層を含むIII族窒化物半導体層３を備える発光ダイオードにおいて、III族窒化物半導体層３の表面（成長面）３ａを、ｃ面｛０００１｝に対してｍ軸［１−１００］のオフ方向に０．３°以上のオフ角θで傾斜した面とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）に関する。

従来、ｎ型層およびｐ型層で挟まれた発光層（活性層）を有するIII族窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体層の結晶品質を向上させる目的で、窒化物半導体層を支持する基板にオフ角を設けることが知られている。
たとえば、特許文献１には、ｍ面に対して少なくともａ軸方向にオフ角を有する基板上に、窒化物半導体層、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層、活性層、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるキャリアブロック層、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮおよびｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層をこの順に配置することが開示されている。

特開２０１２−４９３３７号公報

しかしながら、基板の主面の面方位およびオフ角は、その上に結晶成長される窒化物半導体層の組成によって最適値が変動するものである。そのため、たとえば、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の発光層を、特許文献１に記載の基板上に結晶成長させても、その結晶品質を向上させることは困難である。また、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生する発光層の結晶品質を改善する手法は、未だ確立されているとは言えない。

そこで、本発明の目的は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生する発光層における結晶品質を向上させることができる半導体発光素子を提供することである。
また、本発明の他の目的は、前記発光層の結晶品質の向上によって、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１に記載の発明は、III族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層と、ｐ型層と、前記ｎ型層および前記ｐ型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生するものであり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．３０）層を有し、前記III族窒化物半導体層の成長面が、ｃ面に対して０．３°以上のオフ角で傾斜した面である、半導体発光素子である。

この構成によれば、III族窒化物半導体層の成長面がｃ面に対して０．３°以上のオフ角で傾斜しているため、III族窒化物半導体層の成長時、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）を良好な結晶品質で成長させることができる。これにより、当該Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）層を有する発光層の結晶品質を向上させることができる。その結果、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明のように、前記III族窒化物半導体層の前記成長面は、ｃ面に対して少なくともｍ軸方向に０．３°以上のオフ角で傾斜した面であることが好ましい。また、請求項３に記載の発明のように、ｃ面に対する前記III族窒化物半導体層の前記成長面のａ軸方向のオフ角は、０°であることが好ましい。
請求項４に記載の発明は、前記半導体発光素子は、ｃ面に対して０．３°以上のオフ角で傾斜した主面を有する六方晶系の基板をさらに含み、前記III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面上に結晶成長された層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。

この構成によれば、基板の主面がｃ面に対して０．３°以上のオフ角で傾斜しているため、この上に、ｃ面に対して０．３°以上のオフ角で傾斜した成長面を有するIII族窒化物半導体層を、簡単に結晶成長させることができる。
請求項５に記載の発明は、前記基板がサファイア基板である、請求項４に記載の半導体発光素子である。

この構成によれば、サファイア基板上に、発光効率の向上した発光層を有するIII族窒化物半導体層を形成することができる。また、特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
請求項６に記載の発明は、前記III族窒化物半導体層の前記成長面のオフ角が０．３５°以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。

この構成によれば、半導体発光素子の発光効率を一層向上させることができる。
請求項７に記載の発明のように、前記発光層は、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層と、ＧａＮからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有していることが好ましい。
請求項８に記載の発明は、前記半導体発光素子は、前記発光層の下地層として、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。

この構成によれば、ｎ型層またはｐ型層の側から発光層を結晶成長させる際、発光層の成長に先立って中間バッファ層を成長させることによって、発光層の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、応力緩和層への格子欠陥の導入を低減することができる。
請求項９に記載の発明は、前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲の光を発生するものである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。

この構成によれば、緑色の光を効率よく発生する発光層を有する半導体発光素子を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。 図２は、サファイアの結晶構造のユニットセルを表した模式図である。 図３は、図１のサファイア基板およびIII族窒化物半導体層の要部拡大図である。 図４は、前記III族窒化物半導体層を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための模式図である。 図５は、サファイア単結晶ウエハのＥＬ強度とオフ角との関係（主波長５２５ｎｍ）を示すグラフである。 図６は、サファイア単結晶ウエハの裏面出力とオフ角との関係（主波長５２５ｎｍ）を示すグラフである。 図７は、サファイア単結晶ウエハの裏面出力とオフ角との関係（主波長４７０ｎｍ）を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。
本発明の半導体発光素子の一例としての発光ダイオード１は、サファイア基板２上に、III族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層３を成長させて構成された素子本体を有している。

III族窒化物半導体層３は、サファイア基板２側から順に、本発明のｎ型層の一例としてのｎ型低温ＧａＮバッファ層３１およびｎ型ＧａＮコンタクト層３２、中間バッファ層３３、発光層３４、ならびに、本発明のｐ型層の一例としてのｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５およびｐ型ＧａＮコンタクト層３６を積層した積層構造を有している。III族窒化物半導体層３には、断面がほぼ矩形となるようにｐ型ＧａＮコンタクト層３６からｎ型ＧａＮコンタクト層３２が露出する深さまで選択的に除去（たとえば、エッチング）することによって凹部４が形成されている。そして、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２は、III族窒化物半導体層３の片側から、サファイア基板２の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部５を有している。

ｐ型ＧａＮコンタクト層３６層の表面には、ｐ型電極（アノード電極）６が接合されており、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２の引き出し部５には、ｎ型電極（カソード電極）７が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
サファイア基板２は、支持基板（配線基板）８に接合されている。支持基板８の表面には、配線９，１０が形成されている。そして、ｐ型電極６と配線９とがボンディングワイヤ１１で接続されており、ｎ型電極７と配線１０とがボンディングワイヤ１２で接続されている。さらに、図示は省略するが、発光ダイオード１の構造と、ボンディングワイヤ１１，１２とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード１のパッケージ（ダイオードパッケージ）が構成されている。

ｎ型低温ＧａＮバッファ層３１は、たとえば、４００℃〜７００℃のウエハ温度で結晶成長されたアンドープ（ドーパントがドープされていない）ＧａＮ層からなる。層厚は、数十ｎｍとすることが好ましい。
ｎ型ＧａＮコンタクト層３２は、たとえば、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上、具体的には、３μｍ〜７μｍとすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１×１０^１８ｃｍ^−３程度とされる。

中間バッファ層３３は、たとえば、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（たとえば４ｎｍ厚程度）とＧａＮ層（たとえば２ｎｍ厚程度）とを交互に所定周期（たとえば５周期程度）積層した超格子構造を有している。この実施形態では、ＩｎＧａＮ層がＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｚ＝０．０１〜０．０５）で示される層であり、ＧａＮ層は、Ｉｎを全く含んでいない層である。なお、ＧａＮ層は、中間バッファ層３３のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比率（ｚ）よりも小さい範囲で、若干のＩｎ含んでいてもよい。

発光層３４は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生するものであり、好ましくは、ピーク発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲の光を発生する。ここでピーク発光波長とは、発光層３４から放出される光のうち、最も強度の高い光（メインピーク）の波長のことを指し、放出された光のスペクトル分布のピーク値に対応する波長である。したがって、当該スペクトル分布において、最大ピークの他にノイズレベルのピークが現れていても、ノイズレベルのピーク発光波長は、この実施形態における「ピーク発光波長」に含まれるものではない。

発光層３４は、たとえば、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層１４（量子井戸層：たとえば３ｎｍ厚程度）とＧａＮ層１３（バリア層：たとえば１４ｎｍ厚程度）とを交互に所定周期（たとえば８周期（８ペア）程度）積層した多重量子井戸（MQW：Multiple Quantum Well）構造を有している。この実施形態では、ＩｎＧａＮ層１４がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）で示される層であり、ＧａＮ層１３が、Ｉｎを全く含んでいない層である。なお、ＩｎＧａＮ層１４におけるＩｎ組成比率（ｘ）は、この実施形態では０．１８（１８％）〜０．２３（２３％）としているが、０．１８（１８％）〜０．３０（３０％）であってもよい。この実施形態では、複数のＩｎＧａＮ層１４は、III族窒化物半導体層３の積層方向において、一定のＩｎ組成比率（ｘ）を有している。たとえば、８つのＩｎＧａＮ層１４のＩｎ組成比率（ｘ）は、すべて０．２（２０％）となっていてもよい。また、発光層３４の全体の厚さ（総厚さ）は、たとえば、６０ｎｍ〜１５０ｎｍである。

なお、複数のＩｎＧａＮ層１４は、III族窒化物半導体層３の積層方向においてＩｎ組成比率（ｘ）が変化する順序で積層されていてもよい。たとえば、サファイア基板２から遠いほどＩｎ組成比率（ｘ）が大きくなる順序、または小さくなる順序で積層されていてもよい。
さらに発光層３４は、ＩｎＧａＮ層１４およびＧａＮ層１３からなる多重量子井戸構造と、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５との間に、ＧａＮファイナルバリア層１５（たとえば１０ｎｍ厚程度）を有している。ＧａＮファイナルバリア層１５は、たとえば、アンドープ（ドーパントがドープされていない）ＧａＮ層からなる。

ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５は、たとえば、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は３ｎｍ以上、具体的には、５ｎｍ〜３０ｎｍとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０^１９ｃｍ^−３程度とされる。
ｐ型ＧａＮコンタクト層３６は、たとえば、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は０．１μｍ以上、具体的には、０．２μｍ〜０．５μｍとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０^２０ｃｍ^−３程度とされる。ｐ型ＧａＮコンタクト層３６の表面はIII族窒化物半導体層３の表面３ａをなし、この表面３ａは鏡面となっている。この表面３ａは、発光層３４で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。

ｐ型電極６およびｎ型電極７は、たとえば、Ｔｉ層とＡｌ層とから構成される膜である。なお、ｐ型電極６とｐ型ＧａＮコンタクト層３６との間には、III族窒化物半導体層３の表面３ａのほぼ全域に、アノードコンタクトのための透明電極が形成されていてもよい。このような透明電極は、たとえば、Ｎｉ層とＡｕ層とから構成される透明な薄い金属層、ＺｎＯ層等で構成することができる。

サファイア基板２は、極性面（この実施形態ではｃ面）を主面２ａとするサファイア単結晶からなる基板である。具体的には、サファイア基板２の主面２ａは、極性面の面方位から０．３°以上のオフ角、より好ましくは、ｍ軸方向に０．３°以上、さらに好ましくは、ｍ軸方向に０．３°〜０．５°のオフ角を有する面である。したがって、サファイア基板２上に結晶成長させられたIII族窒化物半導体層３の成長主面（表面３ａ）は、サファイア基板２の主面２ａと同じ面、すなわち、極性面（この実施形態ではｃ面）となっている。また、サファイア基板２の厚さは、６００μｍ以上、具体的には、６５０μｍ〜１０００μｍとすることが好ましい。なお、発光ダイオード１においては、サファイア基板２に代えて、たとえば、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板等の六方晶系の基板を使用することができる。

図２は、サファイアの結晶構造のユニットセルを表した模式図である。図３は、図１のサファイア基板およびIII族窒化物半導体層の要部拡大図である。
図２に示すように、サファイア単結晶の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、１つのアルミニウム（Ａｌ）原子に対して４つの酸素（Ｏ）原子が結合している。４つの酸素原子は、アルミニウム原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの酸素原子は、１つのアルミニウム原子が酸素原子に対して＋ｃ軸［０００１］方向に位置し、他の３つの酸素原子がアルミニウム原子に対して−ｃ軸［０００−１］側に位置している。このような構造のために、サファイア単結晶では、分極方向がｃ軸に沿っている。

ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面｛０００１｝である。ｃ面に平行な２つの面でサファイア単結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はアルミニウム原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は酸素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。

また、＋ｃ軸に垂直であり、かつ＋ｃ面の真上から見た場合において六角柱の互いに隣り合わない頂点を通る方向がそれぞれ、ａ１軸［１０００］、ａ２軸［０１００］およびａ３軸［００１０］である。
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面｛１０-１０｝であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面｛１１-２０｝である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。また、ｍ面に垂直な方向が、ｍ軸［１−１００］である。

さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、図２の右側に示すように、｛１０−１１｝面、（１０−１３）面などの面である。
そして、サファイア基板２の主面２ａは、前述したように、ｃ面｛０００１｝に対してｍ軸［１−１００］方向に０．３°以上のオフ角θで傾斜した面となっている。また、ｃ面｛０００１｝に対するサファイア基板２の主面２ａのａ１軸［１０００］、ａ２軸［０１００］およびａ３軸［００１０］方向のオフ角は、０°となっている。

図３に示すように、サファイア基板２の主面２ａは、その法線ｎの方向がｃ軸［０００１］軸方向と一致しておらず、ｃ面｛０００１｝に対してｍ軸［１−１００］のオフ方向に０．３°以上のオフ角θで傾斜している。オフ方向とは、図２に示すように、ｃ軸［０００１］に対するサファイア基板２の法線ｎの傾斜する方向を指し、ｃ軸［０００１］から法線ｎをｃ面｛０００１｝に投影（射影）したベクトルの向きで示されるものである。すなわち、この実施形態では、法線ｎの投影ベクトルの向きが、ｍ軸［１−１００］に一致している。

これにより、サファイア基板２は、ｃ面｛０００１｝から構成される平坦なテラス面１６と、主面２ａがｃ面｛０００１｝に対して傾斜すること（オフ角θ）により生じるテラス面１６の段差部分とから形成され、段差部分はｍ軸［１−１００］に垂直なｍ面｛１０-１０｝であるステップ面１７を有している。段差部分の高さ（ステップ高さｈ）は、１つのアルミニウム原子の上に酸素原子が結合したＡｌ−Ｏペアのレイヤ１８（bi-layer）に相当する。

各レイヤ１８のステップ面１７は、ｍ軸［１−１００］軸方向にテラス面１６の幅ｗを保ちながら、規則的に並ぶことになる。また、ステップ面１７のステップエッジとなるステップライン１９は、ｍ軸［１−１００］方向と垂直の関係を保ちながら（言い換えれば、ｍ軸［１−１００］方向と平行の関係を保ちながら）、テラス面１６の幅ｗを取りながら平行に並ぶようになる。

そして、III族窒化物半導体層３は、サファイア基板２のテラス面１６およびステップ面１７を保ちながら、各レイヤ１８がｍ軸［１−１００］方向に沿って横方向に結晶成長することにより形成されている。各レイヤ１８の成長方向の幅（ステップ成長幅Ｓ）は、III族窒化物半導体層３の厚さｔ_２を用いて、ｔ_２／ｓｉｎθで表すことができる。また、III族窒化物半導体層３の表面３ａ（エピ成長表面）での、各レイヤ１８の成長方向の幅（ステップ進行幅Ｌ）は、ｔ_２／ｔａｎθで表すことができる。また、ステップ成長幅Ｓは、ステップ進行幅Ｌに近似できる。角度の単位がラジアンであれば、ｔ_２／ｓｉｎθ≒ｔ_２／ｔａｎθ≒ｔ_２／θとなる。ステップ成長幅Ｓは、III族窒化物半導体層３の厚さｔ_２に応じて厚くなる。

図４は、III族窒化物半導体層３を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための模式図である。
図４に示すように、処理装置の処理室２０内に、ヒータ２１を内蔵したサセプタ２２が配置されている。サセプタ２２は、回転軸２３に結合されており、この回転軸２３は、処理室２０外に配置された回転駆動機構２４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ２２に処理対象のウエハ２５を保持させることにより、処理室２０内でウエハ２５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ２５は、前述のサファイア基板２を構成するサファイア単結晶ウエハである。

処理室２０には、排気配管２６が接続されている。排気配管２６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室２０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧力（好ましくは１／５気圧程度）とされ、処理室２０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室２０には、サセプタ２２に保持されたウエハ２５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ_２Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ_４）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。

そして、サファイア基板２上にIII族窒化物半導体層３を結晶成長させるには、ｃ面｛０００１｝を主面とするサファイア単結晶ウエハをウエハ２５としてサセプタ２２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室２０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ２１への通電が行われ、ウエハ温度（基板温度）が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃程度）まで昇温される。これにより、ウエハ２５の表面の荒れを生じさせることなく、III族窒化物半導体が成長できるようになる。

次に、ウエハ温度が４００℃〜７００℃となるように設定した後、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニアおよびトリメチルガリウムが供給される。その結果、ウエハ２５の表面に、アンドープのＧａＮ層からなる低温ＧａＮバッファ層３１が成長する。
次に、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ２５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型ＧａＮコンタクト層３２が成長する。

次の工程は、中間バッファ層３３の形成工程である。具体的には、アルミニウム原料バルブ５３およびシリコン原料バルブ５６が閉じられ、超格子構造の成長が行われる。超格子構造の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ２５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ２５へと供給することにより、アンドープのＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを５回に渡って繰り返し行う。中間バッファ層３３の形成時には、ウエハ２５の温度は、たとえば、７４０℃〜８５０℃（たとえば７８０℃程度）とされることが好ましい。

次の工程は、発光層３４の形成工程である。発光層３４の工程も中間バッファ層３３と同様に、アルミニウム原料バルブ５３およびシリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸構造の成長が行われる。多重量子井戸構造の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ２５へと供給することによりＩｎＧａＮ層１４を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ２５へと供給することにより、アンドープのＧａＮ層１３を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、ＧａＮ層１３を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層１４を形成する。これを８回に渡って繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層１４上にＧａＮファイナルバリア層１５が形成される。発光層３４の形成時には、ウエハ２５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃とされることが好ましい。

次に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ２５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５の形成時には、ウエハ２５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。

次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層３６が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ２５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層３６が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層３６の形成時には、ウエハ２５の温度は、 １０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。

こうして、ウエハ２５上にIII族窒化物半導体層３が成長させられると、このウエハ２５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図１に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２を露出させるための凹部４が形成される。凹部４は、中間バッファ層３３、発光層３４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５およびｐ型ＧａＮコンタクト層３６を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、中間バッファ層３３、発光層３４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５およびｐ型ＧａＮコンタクト層３６をメサ形に整形するものであってもよい。

次に、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、ｐ型電極６およびｎ型電極７が形成される。これにより、図１に示す発光ダイオード１構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ２５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード１のパッケージが作製される。

以上のように、発光ダイオード１によれば、図３に示すように、III族窒化物半導体層３の成長面３ａが、ｃ面｛０００１｝に対してｍ軸［１−１００］方向に０．３°以上のオフ角θで傾斜している。これにより、III族窒化物半導体層３のテラス面１６の幅ｗを、Ｉｎ原子のマイグレーション距離に適した大きさにすることができる。そのため、発光層３４の成長時、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）中のＩｎ原子を、III族窒化物半導体を構成する結晶格子（六方晶格子）において最適なサイトに配置することができる。その結果、発光層３４を良好な結晶品質で成長させることができるので、発光ダイオード１の発光効率を向上させることができる。

また、この実施形態によれば、サファイア基板２上に、前述のように発光効率の向上した発光層３４を有するIII族窒化物半導体層３を形成することができる。特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
また、この実施形態では、発光層３４の下地層として、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｚ＝０．０１〜０．０５）で示されるＩｎＧａＮ層を有する中間バッファ層３３が形成されている。そのため、サファイア基板２上に発光層３４を結晶成長させる際、発光層３４の成長に先立って中間バッファ層３３を成長させることによって、発光層３４の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、発光層３４への格子欠陥の導入を低減することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、III族窒化物半導体層３の表面３ａ（成長面）のオフ角θが、ｃ面｛０００１｝に対してｍ軸［１−１００］方向に０．３°以上である場合を例としてとりあげたが、オフ角θは、たとえば、ｃ面｛０００１｝に対してａ１軸［１０００］、ａ２軸［０１００］またはａ３軸［００１０］方向に０．３°以上であってもよい。

また、前述の実施形態では、発光ダイオードに本発明が適用された例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対しても本発明を適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

次に、以下の実施例を行うことによって、本発明に係る発光ダイオードの効果を確認した。
（１）緑色発光ダイオードにおける発光効率の向上効果
まず、主面２ａのオフ角θがそれぞれ、ｃ面｛０００１｝に対してｍ軸［１−１００］方向に０．２５°、０．３５となるようにサファイア単結晶ウエハ２５を切り出した。そして、各サファイア単結晶ウエハ２５の主面２ａ上に、前述の実施形態に倣ってIII族窒化物半導体層３を形成した。これにより得られたものをサンプル１とした。

一方、サンプル１とは異なる環境（温度、装置等）において、オフ角θが図５に示す大きさとなるようにサファイア単結晶ウエハ２５を切り出し、このサファイア単結晶ウエハ２５を用いて得られたサンプルをサンプル２〜４とした。
そして、これらサンプル１〜４の裏面出力を、裏面プローバ（緑色光：主波長５１５ｎｍ）を用いて測定した。結果を図５に示す。図５では、オフ角０．３５°のサンプル１の裏面出力を基準値１．００とし、他のサンプルの裏面出力については、当該基準値に対する相対値で示している。

図５によれば、サンプル１〜４共に、サファイアオフ角θが０．３°以上の範囲であれば、発光層３４で緑色の光（ピーク発光波長が５００ｎｍ以上）を発生させる場合に、裏面出力を向上できることがわかった。なお、サンプル１のオフ角０．２５°のものとサンプル３のオフ角０．６５°のものとを比較すると、後者のオフ角０．６５°の裏面出力が劣っているが、この差はサファイア単結晶ウエハを作製するときの環境の違いによる誤差であると考えられる。
（２）緑色発光ダイオードと青色発光ダイオードとの発光効率の比較
主面２ａのオフ角θがそれぞれ、ｃ面｛０００１｝に対してｍ軸［１−１００］方向に０．２５°、０．３５°となるようにサファイア単結晶ウエハ２５を切り出した。そして、各サファイア単結晶ウエハ２５の主面２ａ上に、前述の実施形態に倣ってIII族窒化物半導体層３を形成した。これにより得られたものをサンプル５とした。

一方、サンプル５とは異なる環境（温度、装置等）において、オフ角θが０．２５°、０．３５°となるようにサファイア単結晶ウエハ２５を切り出し、このサファイア単結晶ウエハ２５を用いて得られたサンプルをサンプル６とした。
そして、これらサンプル５，６の裏面出力を、裏面プローバ（緑色光：主波長５２５ｎｍ、青色光：主波長４７０ｎｍ）を用いて測定した。結果を図６および図７に示す。図６，７では、オフ角０．２５°のサンプル５の裏面出力を基準値１．０とし、他のサンプルの裏面出力については、当該基準値に対する相対値で示している。

緑色光の結果を示す図６によれば、サンプル５，６共に、サファイアオフ角θを０．２５°から０．３５°にすることによって、裏面出力を向上できることがわかった。一方、青色光の結果を示す図７によれば、サンプル５，６共に、サファイアオフ角θを０．２５°から０．３５°としても、裏面出力の向上は見られず、むしろ若干の低下が見られた。
つまり、図６および図７により、サファイア単結晶ウエハ２５の主面２ａのオフ角θをｃ面｛０００１｝に対して０．３°以上とすることによって得られる効果は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の緑色の光の波長域に限られ、青色の光の波長域（４４０ｎｍ〜４７０ｎｍ）では、際立った特性変化を期待できないことがわかった。

１ 発光ダイオード
２ サファイア基版
３ III族窒化物半導体層
１３ ＧａＮ層
１４ ＩｎＧａＮ層
３１ ｎ型低温ＧａＮバッファ層
３２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
３３ 中間バッファ層
３４ 発光層
３５ ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層
３６ ｐ型ＧａＮコンタクト層

Claims (9)

1. III族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層と、ｐ型層と、前記ｎ型層および前記ｐ型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、
   前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生するものであり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．３０）層を有し、
   前記III族窒化物半導体層の成長面が、ｃ面に対して０．３°以上のオフ角で傾斜した面である、半導体発光素子。
2. 前記III族窒化物半導体層の前記成長面は、ｃ面に対して少なくともｍ軸方向に０．３°以上のオフ角で傾斜した面である、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. ｃ面に対する前記III族窒化物半導体層の前記成長面のａ軸方向のオフ角が０°である、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記半導体発光素子は、ｃ面に対して０．３°以上のオフ角で傾斜した主面を有する六方晶系の基板をさらに含み、
   前記III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面上に結晶成長された層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 前記基板がサファイア基板である、請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記III族窒化物半導体層の前記成長面のオフ角が０．３５°以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
7. 前記発光層は、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層と、ＧａＮからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
8. 前記半導体発光素子は、前記発光層の下地層として、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
9. 前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲の光を発生するものである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。

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