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WO2011007777A1 - Iii族窒化物半導体光素子、エピタキシャル基板 - Google Patents

Iii族窒化物半導体光素子、エピタキシャル基板 Download PDF

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Publication number
WO2011007777A1
WO2011007777A1 PCT/JP2010/061839 JP2010061839W WO2011007777A1 WO 2011007777 A1 WO2011007777 A1 WO 2011007777A1 JP 2010061839 W JP2010061839 W JP 2010061839W WO 2011007777 A1 WO2011007777 A1 WO 2011007777A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
gallium nitride
group iii
based semiconductor
type gallium
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/061839
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐介 善積
陽平 塩谷
勝史 秋田
昌紀 上野
孝史 京野
孝夫 中村
Original Assignee
住友電気工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 住友電気工業株式会社 filed Critical 住友電気工業株式会社
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Priority to EP10799835A priority patent/EP2456026A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a group III nitride semiconductor optical device and an epitaxial substrate for the group III nitride semiconductor optical device.
  • Non-Patent Document 1 describes that (1-101) plane GaN is uniformly grown on a silicon substrate. This GaN was grown on a combination of striped GaN grown by a selective metal organic vapor phase epitaxy method on an (001) plane silicon substrate of 7 degrees off through an AlN intermediate layer. Three types of samples (A), (B), and (C) were produced. Sample (A) contains GaN grown on an LT-AlN interlayer. Sample (B) comprises Al 0.1 Ga 0.9 N layer of 30 nm. Sample (C) contains GaN grown without an LT-AlN interlayer. Three types of samples (A), (B), and (C) were subjected to hole measurement. Sample (A) showed p conductivity and sample (B) showed n conductivity.
  • Non-Patent Document 1 describes as follows: Samples (A) and (B) include a GaN / AlN / Si heterojunction, and conduction in the heterojunction is conducted in samples (A) and (B). Presumed to be the main one of sex.
  • Non-Patent Document 2 describes that (1-101) plane GaN is uniformly grown on a silicon substrate. This GaN was grown on a combination of striped GaN grown by a selective metal organic vapor phase epitaxy method on an (001) plane silicon substrate of 7 degrees off through an AlN intermediate layer. Magnesium was added to the (1-101) plane GaN. The dopant gas EtCp 2 Mg was used for magnesium addition. In the addition region where the dopant gas / gallium source molar ratio (EtCp 2 Mg / TMG) is less than 2 ⁇ 10 ⁇ 3 , the hole concentration in the GaN film decreases as the amount of dopant gas added increases.
  • EtCp 2 Mg / TMG the dopant gas / gallium source molar ratio
  • Non-Patent Document 2 explains this phenomenon by referring to the fact that the (1-101) plane GaN is a nitrogen plane, but the c plane GaN is a Ga plane.
  • Non-Patent Document 3 describes that (1-101) plane and (11-22) plane GaN are uniformly grown on a silicon substrate. Carbon is added in the growth of GaN using the dopant gas C 2 H 2 . The addition of carbon to (11-22) plane GaN has an effect different from the addition of carbon to (1-101) plane GaN.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 Some of the authors of Non-Patent Documents 1 to 3 are common.
  • Patent Document 1 describes increasing the electric resistance of a GaN film by increasing the carbon concentration.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 striped GaN coalescence grown by selective metal organic vapor phase epitaxy on an (001) plane silicon substrate of 7 degrees off through an AlN intermediate layer
  • GaN is likely to contain threading dislocations at a high density. Therefore, the conductivity is complicated in the crystallographic structure of the GaN compound described in Non-Patent Documents 1 to 3.
  • Patent Document 1 high resistance is realized by adding carbon to the GaN film.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 and Patent Document 1 the behavior of carbon in a gallium nitride semiconductor is complicated.
  • carbon can be stably used as a p-type dopant in a gallium nitride semiconductor.
  • An object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor optical device including a p-type gallium nitride based semiconductor layer with reduced resistance, and to provide an epitaxial substrate for the group III nitride semiconductor optical device. For the purpose.
  • a group III nitride semiconductor optical device includes (a) a group III nitride semiconductor, which is zero with respect to a reference plane orthogonal to a reference axis extending in the c-axis direction of the group III nitride semiconductor.
  • a support having a major surface forming a larger angle; (b) an n-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the major surface of the support; and (c) provided on the major surface of the support.
  • a magnesium-added p-type gallium nitride semiconductor layer and (d) provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer and the p-type gallium nitride semiconductor layer on the main surface of the support. And an active layer.
  • the angle is in a range of not less than 40 degrees and not more than 140 degrees, the main surface shows one of semipolar and nonpolar, the p-type gallium nitride based semiconductor layer contains carbon as a p-type dopant, and the p-type
  • the carbon concentration of the gallium nitride based semiconductor layer is 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more, and the carbon concentration of the p-type gallium nitride based semiconductor layer is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • An epitaxial substrate for a group III nitride semiconductor optical device includes (a) a group III nitride semiconductor, and is orthogonal to a reference axis extending in the c-axis direction of the group III nitride semiconductor.
  • a group III nitride semiconductor substrate having a main surface forming an angle larger than zero with respect to a reference plane; and (b) an n-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the main surface of the group III nitride semiconductor substrate; (C) a magnesium-added p-type gallium nitride based semiconductor layer provided on the main surface of the group III nitride semiconductor substrate; and (d) n on the main surface of the group III nitride semiconductor substrate.
  • An active layer provided between the p-type gallium nitride semiconductor layer and the p-type gallium nitride semiconductor layer.
  • the angle is in a range of not less than 40 degrees and not more than 140 degrees, the main surface shows one of semipolar and nonpolar, the p-type gallium nitride based semiconductor layer contains carbon as a p-type dopant, and the p-type
  • the carbon concentration of the gallium nitride based semiconductor layer is 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more, and the carbon concentration of the p-type gallium nitride based semiconductor layer is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer is provided on the main surface of the support or the substrate, and the main surface has a temperature of 40 degrees to 140 degrees. It forms an angle with the c-plane at an angle in the range. In this angle range, carbon added to the p-type gallium nitride semiconductor layer functions stably as a p-type dopant. Moreover, since the p-type gallium nitride based semiconductor layer contains both carbon and magnesium that act as p-type dopants, holes are provided from both carbon and magnesium.
  • the active layer includes well layers and barrier layers alternately arranged in the direction of the normal axis of the main surface of the support,
  • the barrier layer is made of a gallium nitride based semiconductor, the thickness of the barrier layer is larger than the thickness of the well layer, the well layer is made of a gallium nitride based semiconductor containing In as a constituent element, and the carbon of the well layer
  • the concentration can be 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the carbon concentration of the well layer is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, the carbon as the p-type dopant substantially contributes to the emission characteristics of the active layer. It does not affect.
  • the carbon concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer is lower than the carbon concentration of the p-type gallium nitride based semiconductor layer, and the n-type gallium nitride
  • the n-type semiconductor layer contains an n-type dopant, and the n-type dopant concentration of the n-type gallium nitride semiconductor layer is higher than the carbon concentration of the n-type gallium nitride semiconductor layer.
  • the n-type dopant concentration of the n-type gallium nitride semiconductor layer is higher than the carbon concentration of the n-type gallium nitride semiconductor layer.
  • carbon acts as a p-type dopant, carbon as a p-type dopant does not substantially affect the n conductivity type of the n-type gallium nitride based semiconductor layer.
  • the carbon concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer is preferably 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • the electron concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer is sufficiently high under the normal concentration of the n-type dopant.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer can be composed of at least one of InAlGaN and AlGaN. According to the present group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, carbon as a p-type dopant does not substantially affect the n conductivity type of these gallium nitride semiconductors.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer is preferably InAlGaN. According to the group III nitride semiconductor optical device and the epitaxial substrate, appropriate conductivity and desired strain can be provided to the n-type gallium nitride-based semiconductor layer.
  • the carbon concentration in the p-type gallium nitride semiconductor layer can be higher than the magnesium concentration in the p-type gallium nitride semiconductor layer.
  • the activation energy of carbon is smaller than the activation energy of magnesium, so that the amount of magnesium added to provide a desired hole concentration does not increase.
  • a group III nitride semiconductor optical device and an epitaxial substrate according to the above aspect of the present invention are provided between the p-type gallium nitride semiconductor layer and the active layer, and the first optical guide layer made of a gallium nitride semiconductor. And a second light guide layer provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer and the active layer and made of a gallium nitride semiconductor.
  • At least a portion of the first light guide layer includes magnesium as a p-type dopant, the carbon concentration of the first light guide layer is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, and the magnesium in the first light guide layer is The concentration is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, and the carbon concentration of the second light guide layer is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • carrier generation by carbon can be reduced, so that light absorption by free carriers can be reduced.
  • the active layer includes a quantum well structure provided to generate light having a wavelength of 430 nm to 600 nm.
  • the group III nitride semiconductor optical device may further include an electron block layer provided between the active layer and the p-type gallium nitride based semiconductor layer.
  • the first light guide layer includes a first InGaN layer provided between the electron block layer and the active layer, and the second light guide layer includes the active layer and the n-type gallium nitride system.
  • a second InGaN layer provided between the semiconductor layers is included.
  • the group III nitride semiconductor optical device and the epitaxial substrate it is possible to provide a waveguide structure suitable for a light emitting device that generates light having a relatively long wavelength.
  • the n-type gallium nitride semiconductor layer, the active layer, and the p-type gallium nitride semiconductor layer are formed on the main surface of the support.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer is arranged on the main surface of the active layer, and the main surface of the active layer is 40 degrees or more and 140 degrees or less with respect to the reference plane.
  • the active layer is provided on a main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor layer. According to this group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, the technical contribution of carbon as a p-type dopant can be obtained.
  • the group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate according to the above aspect of the present invention further include a contact layer provided on the main surface of the p-type gallium nitride semiconductor layer and made of a p-type gallium nitride semiconductor. it can.
  • the carbon concentration of the contact layer is 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more, and the carbon concentration of the contact layer is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less. According to this group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, the technical contribution of carbon as a p-type dopant can be obtained also in the contact layer.
  • the group III nitride semiconductor optical device may further include a first electrode in contact with the contact layer.
  • the contact layer contains both carbon and magnesium as p-type dopants, the contact layer can make good electrical contact with the electrode.
  • the reference axis extending in the c-axis direction is ⁇ 15 based on the ⁇ 11-20> direction of the group III nitride semiconductor of the support.
  • the angle between the main surface of the support and the reference plane orthogonal to the reference axis extending in the c-axis direction is in the range of 59 degrees to 121 degrees. It is good to be.
  • the probability that carbon can act as a p-type dopant can be further increased.
  • the reference axis extending in the c-axis direction is ⁇ 15 based on the ⁇ 11-20> direction of the group III nitride semiconductor of the support.
  • the angle formed between the main surface of the support and the reference plane orthogonal to the reference axis extending in the c-axis direction is 70 degrees to 80 degrees or 100 degrees. It is preferable that the range is 110 degrees or less. According to this group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, the probability that carbon can act as a p-type dopant can be further increased.
  • the reference axis extending in the c-axis direction is ⁇ 15 based on the ⁇ 1-100> direction of the group III nitride semiconductor of the support.
  • the angle formed between the main surface of the support and the reference plane orthogonal to the reference axis extending in the c-axis direction is in the range of not less than 63 degrees and not more than 117 degrees. It is good to be. According to this group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, the probability that carbon can act as a p-type dopant can be further increased.
  • the reference axis extending in the c-axis direction is ⁇ 15 based on the ⁇ 1-100> direction of the group III nitride semiconductor of the support.
  • the finite angle between the main surface of the support and the reference plane orthogonal to the reference axis extending in the c-axis direction is 70 degrees to 80 degrees or It is preferable that the angle be in the range of 100 degrees to 110 degrees. According to this group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, the probability that carbon can act as a p-type dopant can be further increased.
  • the main surface of the support is ⁇ 11-22 ⁇ , ⁇ 11-21 ⁇ , ⁇ 11-20 ⁇ , ⁇ 11-2 ⁇ 1 ⁇ and ⁇ 11-2-1 ⁇ are preferably in the range of ⁇ 4 degrees to +4 degrees. According to this group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, the probability that carbon can act as a p-type dopant can be further increased.
  • the surface index of the main surface of the support is ⁇ 11-22 ⁇ , ⁇ 11-21 ⁇ , ⁇ 11-20 ⁇ , ⁇ 11-20 ⁇ , ⁇ 11-20 ⁇ 11-2-1 ⁇ and ⁇ 11-2-1 ⁇ . According to this group III nitride semiconductor optical device and epitaxial substrate, these plane indices can further increase the probability that carbon can act as a p-type dopant.
  • the main surface of the support is ⁇ 10-11 ⁇ , ⁇ 20-21 ⁇ , ⁇ 10-10 ⁇ , ⁇ 20-2 ⁇ 1 ⁇ and ⁇ 10-1-1 ⁇ can be in the range of ⁇ 4 degrees to +4 degrees.
  • carbon can act as a p-type dopant in these angular ranges.
  • the plane index of the main surface of the support is ⁇ 10-11 ⁇ , ⁇ 20-21 ⁇ , ⁇ 10-10 ⁇ , ⁇ 10-10 ⁇ , Any one of 20-2-1 ⁇ and ⁇ 10-1-1 ⁇ is preferable.
  • these plane indices are considered to have an arrangement of constituent atoms suitable for carbon to act as a p-type dopant.
  • the threading dislocation density of the support is 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less, and the support is made of any one of GaN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN. Can be.
  • the support has a threading dislocation density of 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less, and the support can be made of any one of GaN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN. .
  • the threading dislocation activates the p-type dopant. Can be reduced.
  • the support is preferably made of GaN.
  • the substrate is preferably made of GaN. Low dislocation GaN substrates are available.
  • the group III nitride semiconductor optical device according to the above aspect of the present invention may further include a second electrode in contact with the back surface of the support.
  • the said support body shows electroconductivity.
  • the support can provide an epitaxial region in which carbon can act as a p-type dopant, and can provide good electrical contact.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer can be made of at least one of InAlGaN and AlGaN. According to the group III nitride semiconductor optical device and the epitaxial substrate, carbon as a p-type dopant effectively acts on the p conductivity type of these gallium nitride based semiconductors.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer is preferably made of InAlGaN. According to the group III nitride semiconductor optical device and the epitaxial substrate, appropriate conductivity and desired strain can be provided.
  • the active layer includes well layers and barrier layers alternately arranged in the direction of the normal axis of the main surface of the support,
  • the barrier layer is made of a gallium nitride based semiconductor, the thickness of the barrier layer is larger than the thickness of the well layer, the well layer is made of a gallium nitride based semiconductor containing In as a constituent element, and the carbon of the well layer
  • the concentration is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, the carbon concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer is lower than the carbon concentration of the p-type gallium nitride based semiconductor layer, and the n-type gallium nitride based semiconductor layer is n
  • the n-type dopant concentration of the n-type gallium nitride semiconductor layer is higher than the carbon concentration of the n-type gallium nitride semiconductor layer.
  • this epitaxial substrate it is possible to obtain a technical contribution due to carbon as a p-type dopant, and to reduce the influence of carbon in the n-type gallium nitride based semiconductor layer and the active layer.
  • a group III nitride semiconductor optical device including a p-type gallium nitride based semiconductor layer with reduced resistance is provided.
  • the present invention also provides an epitaxial substrate for this group III nitride semiconductor optical device.
  • FIG. 1 is a drawing showing a group III nitride semiconductor optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a drawing showing carbon profiles obtained by investigating the carbon concentration of gallium nitride grown on semipolar plane GaN under various growth conditions using metal organic vapor phase epitaxy using secondary ion mass spectrometry.
  • FIG. 3 is a drawing showing the relationship between the growth conditions used in the growth conditions (1) to (10) of gallium nitride in FIG. 2 and the carbon concentration in gallium nitride.
  • FIG. 4 is a drawing showing the relationship between the carbon concentration in the grown GaN film, the growth temperature, and V / III.
  • FIG. 5 is a drawing schematically showing main steps in a method for producing a group III nitride semiconductor optical device and an epitaxial substrate.
  • FIG. 6 is a drawing schematically showing main steps in a method for producing a group III nitride semiconductor optical device and an epitaxial substrate.
  • FIG. 7 is a drawing schematically showing main steps in a method for producing a group III nitride semiconductor optical device and an epitaxial substrate.
  • FIG. 8 is a drawing showing a laser diode structure (LD1) and its epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a drawing showing SIMS profiles of elements of indium, carbon, aluminum, and magnesium in the epitaxial substrate EP.
  • FIG. 10 is a drawing showing SIMS profiles of elements of indium, carbon, aluminum, and magnesium in another epitaxial substrate.
  • FIG. 11 is a drawing schematically showing an atomic arrangement in the ⁇ 10-11 ⁇ plane.
  • FIG. 12 is a drawing schematically showing an atomic arrangement in the ⁇ 20-21 ⁇ plane.
  • FIG. 13 is a drawing schematically showing an atomic arrangement in the ⁇ 1014 ⁇ plane.
  • FIG. 1 is a drawing showing a group III nitride semiconductor optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the group III nitride semiconductor optical device can be a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser or a light emitting diode.
  • the semiconductor stack shown in FIG. 1 shows the structure of an epitaxial substrate for a semiconductor light emitting device. Referring to FIG. 1, an orthogonal coordinate system S is shown.
  • the group III nitride semiconductor optical device 11 includes a support 13, an n-type gallium nitride semiconductor layer 15, a p-type gallium nitride semiconductor layer 17, and an active layer 19.
  • the support 13 is made of a group III nitride semiconductor.
  • Group III nitride semiconductor is made of In S Al T Ga 1-S -T N (0 ⁇ S ⁇ 1,0 ⁇ T ⁇ 1, S + T ⁇ 1), it is also, for example, GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN or the like be able to.
  • the support 13 has a main surface 13a and a back surface 13b, and the normal axis Nx in the normal direction of the main surface 13a (the direction indicated by the normal vector NV) is in the positive direction of the z axis.
  • the main surface 13a forms a finite angle ALPHA that is greater than zero with respect to the reference plane Sc, and the reference plane Sc is in the c-axis direction (direction indicated by the c-axis vector VC) of the group III nitride semiconductor. It is orthogonal to the extending reference axis Cx.
  • the angle ALPHA is 40 degrees or more and 140 degrees or less.
  • the main surface 13a is either semipolar or nonpolar.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is provided on the main surface 13a of the support 13 and covers the main surface 13a.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 is provided on the main surface 13a.
  • the n-type gallium nitride semiconductor layer 15, the active layer 19, and the p-type gallium nitride semiconductor layer 17 are arranged in the direction of the normal axis Nx.
  • the active layer 19 is provided between the n-type gallium nitride semiconductor layer 15 and the p-type gallium nitride semiconductor layer 17.
  • magnesium is added to the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 as a p-type dopant
  • silicon is added to the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 as an n-type dopant.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 contains carbon as a p-type dopant.
  • the carbon concentration of the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 is 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more, and holes can be provided by this concentration range.
  • the carbon concentration is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less, and this concentration range can reduce a decrease in the surface morphology of the semiconductor containing carbon as a p-type dopant.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 is provided on the main surface 13a of the support 13, and the main surface 13a is in the range of 40 degrees to 140 degrees. It is inclined with respect to the c-plane at an angle. In the range of this inclination angle, when the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 on the main surface 13a contains carbon, the added carbon stably functions as a p-type dopant. Further, the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 contains carbon and magnesium that both act as p-type dopants. Hence, holes are provided from both carbon and magnesium. In addition, since the amount of magnesium added to provide a desired hole concentration can be reduced, a decrease in crystallinity due to magnesium addition can be avoided.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 can be composed of at least one of an InAlGaN layer and an AlGaN layer. Regarding the p-conductivity type of these gallium nitride semiconductors, carbon as a p-type dopant acts effectively.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 is preferably made of InAlGaN. InAlGaN can provide appropriate electrical conductivity and desired strain.
  • the active layer 19 can have a single quantum well structure or a multiple quantum well structure, but is not limited to these structures.
  • the active layer 19 includes a barrier layer 23a and a well layer 23b.
  • the barrier layers 23 a and the well layers 23 b are alternately arranged in the direction of the normal axis Nx of the main surface 13 a of the support 13.
  • the barrier layer 23a is made of a gallium nitride based semiconductor, for example, GaN or InGaN.
  • the well layer 23b is made of a gallium nitride based semiconductor containing In as a constituent element, for example, InGaN.
  • the thickness DB of the barrier layer 23a is larger than the thickness DW of the well layer 23b.
  • the carbon concentration of the well layer 23b can be 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less. Since the carbon concentration of the well layer is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, the carbon as the p-type dopant does not substantially affect the light emission characteristics of the active layer 19. In the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 and the active layer 19, the influence of carbon can be reduced.
  • the carbon concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is lower than the carbon concentration of the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 includes an n-type dopant, and the n-type dopant concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is higher than the carbon concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15.
  • the carbon in the n-type gallium nitride based semiconductor layer acts as a p-type dopant, the carbon as the p-type dopant does not substantially affect the n conductivity type of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15.
  • the carbon concentration of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is preferably 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less. Under a normal n-type dopant addition concentration, the n-type gallium nitride based semiconductor layer has a sufficiently high electron concentration.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 can be composed of at least one of an InAlGaN layer and an AlGaN layer. Carbon as a p-type dopant does not substantially affect the n conductivity type of these gallium nitride based semiconductors.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 is InAlGaN, appropriate conductivity and desired strain can be provided to the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15.
  • the carbon concentration in the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 can be higher than the magnesium concentration in the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17.
  • the activation energy of carbon is smaller than the activation energy of magnesium, so that the magnesium concentration necessary to provide a desired hole concentration in the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 is obtained. The amount added does not increase.
  • the group III nitride semiconductor optical device 11 is a semiconductor laser
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 serves as a cladding layer
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 serves as a cladding layer.
  • the group III nitride semiconductor optical device 11 When the group III nitride semiconductor optical device 11 is a semiconductor laser, the group III nitride semiconductor optical device 11 includes a first light guide layer 25, which is a gallium nitride based semiconductor such as GaN or InGaN. Consists of.
  • the first light guide layer 25 is provided between the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 and the active layer 19.
  • the carbon concentration of the first light guide layer 25 can be 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less. According to the light guide layer 25, since the generation of carriers by carbon can be reduced, light absorption by free carriers can be reduced. If necessary, magnesium can be further added to at least a part of the first light guide layer 25, and the magnesium concentration is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less. Note that magnesium may not be added to the first light guide layer 25.
  • the first light guide layer 25 can be composed of one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers.
  • the first light guide layer 25 may be composed of an InGaN layer 25a and a GaN layer 25b.
  • the InGaN layer 25 a is located between the GaN layer 25 b and the active layer 19.
  • the electron block layer 21 is provided between the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 and the active layer 19, and in FIG. 1, the electron block layer 21 is located between the InGaN layer 25a and the GaN layer 25b. To do.
  • the material of the electron block layer 21 has a band gap larger than the band gap of the InGaN layer 25a and the GaN layer 25b, and the thickness of the electron block layer 21 is smaller than the thickness of the InGaN layer 25a and the thickness of the GaN layer 25b.
  • the electron block layer 21 can be made of, for example, AlGaN.
  • the group III nitride semiconductor optical device 11 When the group III nitride semiconductor optical device 11 is a semiconductor laser, the group III nitride semiconductor optical device 11 includes a second light guide layer 27, which is a gallium nitride based semiconductor such as GaN or InGaN. Consists of.
  • the second light guide layer 27 is provided between the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 and the active layer 19.
  • the carbon concentration of the second light guide layer 27 is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less. Since the generation of carriers by carbon can be reduced, light absorption by free carriers can be reduced.
  • the second light guide layer 27 can be composed of one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers.
  • the second light guide layer 27 can be composed of an InGaN layer 27a and a GaN layer 27b.
  • the InGaN layer 27 a is located between the GaN layer 27 b and the active layer 19.
  • the active layer 19 is provided so as to generate light having a wavelength of 430 nm to 600 nm.
  • the first light guide layer 25 includes an InGaN layer
  • the second light guide layer 27 includes an InGaN layer.
  • the active layer 19 is in contact with the InGaN layer of the first light guide layer 25 and the InGaN layer of the second light guide layer 27.
  • the lamination of the InGaN layer of the first light guide layer 25, the active layer 19, and the InGaN layer of the second light guide layer 27 provides a waveguide core structure suitable for a light-emitting element that generates light having a relatively long wavelength. it can.
  • the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15, the light emitting layer 29, and the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 are arranged in the direction of the normal axis Nx of the main surface 13 a of the support 13.
  • the light emitting layer 29 includes the active layer 19 and may further include light guide layers 25 and 27 if necessary.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 (or the semiconductor layer 21) is provided on the main surface 19 a of the active layer 19, and this p-type gallium nitride based semiconductor layer is in contact with the main surface 29 a of the light emitting layer 29. .
  • the main surface 19a of the light emitting layer 29 (similarly, the main surface 19a of the active layer 19) is inclined at an angle in the range of 40 degrees to 140 degrees with respect to the reference plane Sc. Since the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17 is an epitaxial film epitaxially grown on a semipolar or nonpolar semiconductor region, the behavior of carbon in the epitaxial film epitaxially grown on a polar c-plane semiconductor region.
  • the main surface 15a of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 can be in the range of 40 degrees or more and 140 degrees or less with respect to the reference plane Sc. Since the light emitting layer 29 and the active layer 19 are provided on the main surface 15a of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15, the intensity of the piezo electric field in the light emitting layer 29 and the active layer 19 is semipolar depending on the surface orientation of the base. Small due to nonpolarity.
  • the inclination of the main surface 15a of the n-type gallium nitride based semiconductor layer 15 can provide a base layer in which carbon can provide a technical contribution as a p-type dopant in the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17.
  • the group III nitride semiconductor optical device 11 can further include a contact layer 31.
  • the contact layer 31 is provided on the main surface 17a of the p-type gallium nitride semiconductor layer 17, and is made of a p-type gallium nitride semiconductor.
  • the carbon concentration of the contact layer 31 can be 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more. Also in the contact layer 31, the technical contribution of carbon as a p-type dopant can be obtained. Further, the carbon concentration of the contact layer 31 is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less. The addition of carbon causes a reduction in crystal quality.
  • the contact layer 31, the p-type gallium nitride based semiconductor layer 17, and the first light guide layer 25 can be provided with a ridge structure.
  • the ridge structure extends in the direction of the axis Ax in the extending direction of the laser stripe.
  • the group III nitride semiconductor optical device 11 can further include a first electrode 33 provided on the contact layer 31.
  • the first electrode 33 makes contact with the contact layer 31 through the opening 35a of the insulating film 35 covering the surface of the epitaxial stack.
  • the contact layer 31 since the contact layer 31 contains both carbon and magnesium as p-type dopants, the contact layer 31 can make good electrical contact with the electrode 33.
  • the opening 35a of the insulating film 35 is located on the upper surface of the ridge structure, and the insulating film 35 covers the entire side surface of the ridge structure.
  • the main surface 29a of the light emitting layer 29 (similarly, the main surface 19a of the active layer 19) is inclined at an angle in the range of 40 degrees to 140 degrees with respect to the reference plane Sc.
  • the main surface 13 of the support 13 can be inclined in the a-axis direction indicated by the crystal orientation ⁇ 11-20>.
  • This inclination angle is preferably in the range of not less than 59 degrees and not more than 121 degrees.
  • the inclination angle is particularly preferably 70 degrees or more and 80 degrees or less, or the inclination angle is particularly preferably 100 degrees or more and 110 degrees or less. In these angular ranges, carbon can act as a p-type dopant.
  • the reference axis extending in the c-axis direction can be inclined in the direction of ⁇ 15 degrees or more and +15 degrees or less with respect to the ⁇ 11-20> direction of the group III nitride semiconductor of the support 13.
  • the inclination angle is preferably in the range of 59 degrees to 121 degrees. According to these angle ranges, the probability that carbon can work as a p-type dopant can be further increased.
  • the inclination angle is preferably in the range of 70 degrees to 80 degrees. According to these angle ranges, the probability that carbon can work as a p-type dopant can be further increased.
  • the main surface 29a of the light emitting layer 29 (similarly, the main surface 19a of the active layer 19) is inclined at an angle in the range of 40 degrees to 140 degrees with respect to the reference plane Sc.
  • the main surface 13 of the support 13 can be inclined in the m-axis direction indicated by the crystal orientation ⁇ 1-100>.
  • the inclination angle is preferably in the range of 63 degrees to 117 degrees.
  • the inclination angle is particularly preferably 70 degrees or more and 80 degrees or less, or the inclination angle is particularly preferably 100 degrees or more and 110 degrees or less. In these angular ranges, carbon can act as a p-type dopant.
  • the reference axis extending in the c-axis direction is preferably inclined in the range of ⁇ 15 degrees to +15 degrees with respect to the ⁇ 1-100> direction of the group III nitride semiconductor of the support 13.
  • the inclination angle is preferably in the range of 63 degrees to 117 degrees. According to these angle ranges, the probability that carbon can work as a p-type dopant can be further increased.
  • the inclination angle is particularly preferably 70 degrees or more and 80 degrees or less, or the inclination angle is particularly preferably 100 degrees or more and 110 degrees or less. In these angular ranges, carbon can act as a p-type dopant.
  • the main surface 13 of the support 13 can be inclined in the a-axis direction indicated by the crystal orientation ⁇ 11-20>.
  • the main surface 13 of the support 13 is ⁇ 11-22 ⁇ , ⁇ 11-21 ⁇ , ⁇ 11-20 ⁇ , ⁇ 11-2-1 ⁇ , and ⁇ 11-2-2 ⁇ .
  • the angle is in the range of ⁇ 4 degrees to +4 degrees from any of the above surfaces. In these angular ranges, carbon can act as a p-type dopant.
  • the surface index of the main surface 13a of the support 13 is any one of ⁇ 11-22 ⁇ , ⁇ 11-21 ⁇ , ⁇ 11-20 ⁇ , ⁇ 11-2-1 ⁇ , and ⁇ 11-2-2 ⁇ . It is good to be one.
  • These plane indices are considered to have an arrangement of constituent atoms suitable for the action of carbon as a p-type dopant.
  • the main surface 13 of the support 13 can be inclined in the m-axis direction indicated by the crystal orientation ⁇ 1-100>.
  • the main surface 13a of the support 13 is ⁇ 10-11 ⁇ , ⁇ 20-21 ⁇ , ⁇ 10-10 ⁇ , ⁇ 20-2-1 ⁇ and ⁇ 10-1-1 ⁇ .
  • the angle may be in the range of ⁇ 4 degrees to +4 degrees from any of the above surfaces. In these angular ranges, carbon can act as a p-type dopant.
  • the surface index of the main surface 13 of the support 13 is any one of ⁇ 10-11 ⁇ , ⁇ 20-21 ⁇ , ⁇ 10-10 ⁇ , ⁇ 20-2-1 ⁇ and ⁇ 10-1-1 ⁇ . It should be one. These plane indices are considered to have an arrangement of constituent atoms suitable for the action of carbon as a p-type dopant.
  • the threading dislocation density of the support 13 can be 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less. In a gallium nitride based semiconductor layer grown on a region having a threading dislocation density of 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less, the influence of threading dislocations on p-type dopant activation can be reduced.
  • the support 13 can be made of any one of GaN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN.
  • a region of threading dislocation density of 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less can be provided in a portion of the support 13. In this low dislocation region, the influence on p-type dopant activation can be reduced. Therefore, this low threading dislocation density region is applicable to semiconductor lasers.
  • a gallium nitride based semiconductor layer grown on a threading dislocation density region of 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2 or less can further reduce the influence of p-type dopant activation due to threading dislocations.
  • This threading dislocation density region can provide a substantially dislocation-free laser stripe. Since low dislocation GaN is available, the support 13 is preferably made of GaN.
  • the support 13 can exhibit conductivity.
  • the group III nitride semiconductor optical device 11 can further include a second electrode 37 that is in contact with the back surface 13 b of the support 13.
  • the support 13 can provide an epitaxial region in which carbon can act as a p-type dopant and can provide good electrical contact to the n-type.
  • FIG. 2 is a drawing showing carbon profiles obtained by investigating the carbon concentration of gallium nitride grown on semipolar plane GaN under various growth conditions using metal organic vapor phase epitaxy using secondary ion mass spectrometry.
  • characteristic lines C and A represent a carbon concentration profile and an aluminum concentration, respectively.
  • Aluminum is added so as to have a composition of 0.1% or less as a marker in order to show the change position of the growth conditions.
  • FIG. 3 is a drawing showing the relationship between the growth conditions used in the growth conditions (1) to (10) of gallium nitride in FIG. 2 and the carbon concentration in gallium nitride.
  • TMG trimethylgallium
  • the unit of temperature is “Celsius”
  • the unit of growth rate GR is “ ⁇ m / hour”
  • the unit of flow rate of ammonia (NH 3 ) is “slm (liter unit per minute in the standard state). Flow rate)
  • the unit of carbon concentration is“ cm ⁇ 3 ”.
  • FIG. 3 shows V / III (molar flow ratio) and carbon concentration “C”. In the notation of carbon concentration, for example, “0.85E16” indicates 0.85 ⁇ 10 16 .
  • FIG. 4 is a drawing showing the relationship between the carbon concentration in the grown GaN film, the growth temperature, and V / III.
  • the carbon concentration monotonously decreases with increasing temperature within the growth temperature range (740 to 780 degrees Celsius to 820 degrees Celsius) at a growth rate of 0.21 ⁇ m / hour.
  • the carbon concentration monotonously decreases as the V / III ratio increases under the condition of a growth temperature of 780 degrees Celsius.
  • the carbon concentration of the p-type dopant can be controlled without supplying the carbon dopant.
  • the carbon dopant can be supplied separately from the raw material. For example, a relatively high carbon concentration of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more can be easily realized by supplying methane represented by the chemical formula CH 4 during growth.
  • FIG. 8 is a drawing schematically showing a semiconductor laser in the present embodiment.
  • an epitaxial substrate of the laser diode structure (LD1) shown in FIG. 8 was produced on a GaN substrate having a semipolar or nonpolar main surface.
  • TMG trimethyl gallium
  • TMI trimethyl indium
  • TMA trimethyl aluminum
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 silane
  • Cp 2 Mg biscyclopentadienyl magnesium
  • a GaN substrate corresponding to an inclination angle within a range of an inclination angle of 63 degrees to less than 80 degrees was prepared.
  • the prepared GaN substrate 51 is, for example, a principal surface inclined at an angle of 75 degrees in the m-axis direction from a plane orthogonal to the c-axis of hexagonal GaN.
  • the inclined main surface 51a is shown as ⁇ 20-21 ⁇ plane. This main surface is mirror-polished. Epitaxial growth was performed on the GaN substrate 51 under the following conditions.
  • step S101 for example, at a temperature of 1050 degrees Celsius and an in-furnace pressure of 27 kPa, heat treatment is performed for 10 minutes while flowing a heat treatment gas G0 containing ammonia and hydrogen (H 2 ) as shown in part (a) of FIG. went.
  • a step-and-terrace structure defined by the off angle is formed on the surface of the GaN substrate 51.
  • a GaN-based semiconductor region is grown.
  • a source gas G1 containing TMG, TMA, TMI, ammonia, and silane is supplied to the growth reactor 10 at, for example, 1100 degrees Celsius, and as shown in FIG.
  • a cladding layer 53 was grown.
  • the n-type cladding layer 53 is, for example, a Si-doped InAlGaN layer.
  • the thickness of the InAlGaN layer is, for example, 1.2 micrometers.
  • the growth temperature is, for example, 900 degrees Celsius, its Al composition is, for example, 0.14, and its In composition is, for example, 0.03.
  • the light guide layer 55 was grown on the n-type cladding layer 53.
  • the light guide layer 55 includes, for example, a Si-doped GaN layer 55a and an undoped InGaN layer 55b, and the indium composition thereof can be 0.02.
  • TMG, ammonia, and silane are supplied to the growth reactor 10, and the Si-doped GaN layer 55a is grown on the n-type cladding layer 53 at a growth temperature of 840 degrees Celsius.
  • TMG, TMI, and ammonia are supplied to the growth reactor 10, and an undoped InGaN layer 55b is grown on the Si-doped GaN layer 55a at a growth temperature of 840 degrees Celsius.
  • the thickness of the Si-doped GaN layer 55a is, for example, 200 nm
  • the thickness of the undoped InGaN layer 55b is, for example, 65 nm.
  • the active layer 57 is grown in step S104.
  • TMG and ammonia are supplied to the growth reactor at a substrate temperature of 870 degrees Celsius, and a GaN-based semiconductor barrier layer is grown at this substrate temperature.
  • the barrier layer is, for example, undoped GaN, and its thickness is 15 nm.
  • the growth is interrupted and the substrate temperature is changed from 870 degrees Celsius to 830 degrees Celsius.
  • T2 TMG, TMI, and ammonia are supplied to the growth reactor to grow an undoped InGaN well layer. Its thickness is 3 nm.
  • the substrate temperature is changed from 830 degrees Celsius to 870 degrees Celsius while the supply of TMI is stopped and TMG and ammonia are supplied to the growth reactor. During this change, a part of the undoped GaN barrier layer is grown. After the temperature change is complete, the remainder of the undoped GaN barrier layer is grown. The thickness of the GaN barrier layer is 15 nm. Subsequently, the InGaN well layer and the GaN barrier layer are formed by repeatedly changing the substrate temperature of the barrier layer and growing the well layer. If necessary, the barrier layer can be made of InGaN.
  • a light guide layer is grown on the active layer 57.
  • TMG, TMI, and ammonia are supplied to the growth reactor 10, and as shown in FIG. 6B, an undoped InGaN layer 59 is formed on the active layer 57. Grows at a substrate temperature of 840 degrees Celsius. Its In composition is 0.02.
  • step S106 the supply of TMG and TMI is stopped, and the substrate temperature is raised to 1100 degrees Celsius. At this temperature, TMG, TMA, ammonia, and biscyclopentadienyl magnesium are supplied to the growth reactor 10 to grow the electron blocking layer 61 as shown in FIG.
  • the electron block layer 61 is, for example, AlGaN.
  • the Al composition of the electron block layer 61 was 0.12.
  • TMG, TMI, ammonia, biscyclopentadienyl magnesium are supplied to the growth reactor, and as shown in FIG.
  • a p-type GaN layer 63 as a light guide layer is grown on the electron block layer 61.
  • the substrate temperature is, for example, 1000 degrees Celsius.
  • film formation conditions that increase carbon uptake can be used as compared with the growth of the n-type GaN layer 55a.
  • the electron block layer 61 for example, film formation conditions that increase carbon uptake can be used as compared with the growth of the n-type GaN layer 55a. Further, the carbon concentration of the electron block layer 61 is preferably smaller than the carbon concentration of the p-type cladding layer grown later.
  • the thickness of the undoped InGaN layer 59 is, for example, 65 nm
  • the thickness of the Mg and C-doped electron blocking layer 61 is, for example, 20 nm
  • the thickness of the Mg and C-doped GaN layer 63 is, for example, 200 nm.
  • a GaN-based semiconductor region is grown on the light guide layer 63.
  • the supply of TMG is stopped, and a gas containing TMG, TMA, TMI, ammonia, and biscyclopentadienylmagnesium is supplied to the growth reactor.
  • the p-type cladding layer 65 is formed. grown.
  • the substrate temperature of the p-type cladding layer 65 is, for example, 900 degrees and the thickness is, for example, 400 nm.
  • the p-type cladding layer 65 is, for example, Mg and C-doped InAlGaN, its Al composition is, for example, 0.14, and its In composition is 0.03.
  • film-forming conditions that increase the carbon uptake compared to the growth of the n-type cladding layer 53 can be used.
  • the p-type contact layer 67 is made of, for example, Mg and C-doped GaN, InGaN or the like, and has a thickness of, for example, 50 nm.
  • film formation conditions that increase carbon uptake can be used as compared with the growth of the n-type GaN layer 55a. After the film formation, the temperature of the growth furnace is lowered to room temperature to produce an epitaxial substrate EP.
  • an electrode was formed on the epitaxial substrate EP.
  • an insulating film 69 such as a silicon oxide film in which a contact window is formed by photolithography and etching is formed.
  • the contact window 69a has, for example, a stripe shape, and its width is, for example, 10 micrometers.
  • a p-electrode (Ni / Au) 71 a was formed on the p-type GaN contact layer 67. Thereafter, a p-pad electrode (Ti / Au) was formed.
  • n-electrode (Ti / Al) 71b is formed on the back surface of the epitaxial substrate EP.
  • a substrate product can be produced by performing an electrode annealing (for example, 550 degrees Celsius) procedure.
  • Example 1 In the formation of this epitaxial substrate EP, the carbon concentration was increased by growing the V / III ratio during the growth of the p-type gallium nitride semiconductor. On the other hand, aside from this epitaxial substrate EP, another epitaxial substrate was produced which was produced by growth with a reduced V / III ratio during the growth of the p-type gallium nitride semiconductor. The carbon concentration of the p-type cladding layer of this other epitaxial substrate is lower than the carbon concentration of the p-type cladding layer of the epitaxial substrate EP.
  • the semiconductor laser shown in FIG. 8 was produced as follows. A GaN piece was cut from a GaN ingot grown in the (0001) direction at an angle of 75 degrees to prepare a GaN substrate having a ⁇ 20-21 ⁇ plane. The following semiconductor layers were epitaxially grown on the main surface ( ⁇ 20-21 ⁇ plane) of the GaN semiconductor region of this GaN substrate. 75 degree off GaN substrate.
  • n-type cladding layer Si-doped InAlGaN, substrate temperature 900 ° C., thickness 2 ⁇ m, Al composition 0.14, In composition 0.03.
  • Light guide layer undoped GaN, substrate temperature 840 degrees, thickness 250 nm.
  • Optical guide layer undoped InGaN, substrate temperature 840 degrees, thickness 100 nm, In composition 0.02. Active layer. Barrier layer: undoped GaN, substrate temperature 730 degrees, thickness 15 nm. Well layer: undoped InGaN, substrate temperature 730 degrees, thickness 3 nm, In composition 0.30. Optical guide layer: undoped InGaN, substrate temperature 840 degrees, thickness 50 nm, In composition 0.03. Light guide layer: undoped GaN, substrate temperature 840 degrees, thickness 250 nm. Electron blocking layer: Mg-doped AlGaN, substrate temperature 1000 degrees, thickness 20 nm, Al composition 0.12.
  • p-type cladding layer Mg-doped InAlGaN, substrate temperature 900 degrees, thickness 400 nm, Al composition 0.14, In composition 0.03.
  • p-type contact layer Mg-doped GaN, substrate temperature 900 ° C., thickness 50 nm.
  • FIG. 9 is a drawing showing SIMS profiles of elements of indium, carbon, aluminum, and magnesium in the epitaxial substrate EP.
  • FIG. 10 is a drawing showing SIMS profiles of elements of indium, carbon, aluminum, and magnesium in another epitaxial substrate. 9 and 10 show profiles P1 to P4 and Q1 to Q4 measured by secondary ion mass spectrometry. In the SIMS measurement, a magnetic field type SIMS apparatus was used. P1, Q1: Profile of indium. P2, Q2: Carbon profile. P3, Q3: Aluminum profile. P4, Q4: Magnesium profile.
  • the carbon concentration of the p-type InAlGaN layer of the epitaxial substrate EP is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • the magnesium concentration of the p-type InAlGaN layer is It was 4 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the carbon concentration of the p-type InAlGaN layer of another epitaxial substrate was 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3
  • the magnesium concentration of the p-type InAlGaN layer was 6 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • Example 2 A laser diode (LD) was manufactured using an epitaxial substrate (high carbon concentration) EP and another epitaxial substrate (low carbon concentration). After forming an SiO 2 insulating film on the surface of these epitaxial substrates, a stripe window having a width of 10 ⁇ m was formed on the insulating film by wet etching. A p-side electrode made of Ni / Au and a pad electrode made of Ti / Al were deposited. The back surface of each epitaxial substrate was polished to a thickness of 100 ⁇ m. An n-side electrode made of Ti / Al / Ti / Au was deposited on the polished back surface. A laser bar was produced from the substrate product thus produced. Each laser bar includes a resonant mirror.
  • a dielectric multilayer film was coated on the end face of the laser bar by vacuum deposition.
  • the dielectric multilayer film was configured by alternately laminating SiO 2 and TiO 2 .
  • Each film thickness was adjusted in the range of 50 to 100 nm and designed so that the central wavelength of reflectance was in the range of 500 to 530 nm.
  • the reflective surface on one side was set to 10 periods, the design value of reflectivity was designed to about 95%, the reflective surface on the other side was set to 6 periods, and the design value of reflectivity was about 80%.
  • evaluation by energization was performed at room temperature.
  • a pulse power source having a pulse width of 500 ns and a duty ratio of 0.1% was used, and electricity was applied by dropping a needle on the surface electrode.
  • the optical output light emitted from the end face of the laser bar was detected by a photodiode, the optical output-current characteristic (LI characteristic) was examined, and the threshold current density was obtained.
  • the emission wavelength the light emitted from the end face of the laser bar was passed through an optical fiber, the spectrum was measured using a spectrum analyzer as a detector, and the oscillation wavelength was determined.
  • the voltage-current characteristic (VI characteristic) was measured using a four-point probe method. The average value of 10 LDs with good characteristics in each wafer is shown below.
  • the influence of the dislocation density of the GaN substrate on the p-type carbon dopant will be described.
  • the crystal quality of the epitaxial film is not high at present.
  • the threading dislocation density of the heteroepitaxially grown film using the above-mentioned heterogeneous substrate is 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or more.
  • the carrier diffusion length is as small as 0.2 ⁇ m or less, highly efficient light emission is observed even in an InGaN active layer with a high dislocation density.
  • the carrier diffusion length is 0.2 ⁇ m or more, and the dislocation density of the InGaN active layer forming this active layer is 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less.
  • the light emitting element is a laser diode, further high quality is required with respect to the dislocation density, and the value is desirably 1 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less.
  • the dislocation density needs to be 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2 or less.
  • the surface morphology during growth changes locally. Specifically, a depression is formed around the dislocation. For this reason, compared to a semiconductor region in which no dislocation exists in the epitaxial semiconductor region and the semipolar GaN surface grows uniformly and flatly, the amount of impurities taken up locally is different from the surroundings due to the depression in the vicinity of the dislocation. Become a thing. Therefore, although a low dislocation density is desirable, a semiconductor layer having a uniform impurity distribution can be grown. Specifically, if the dislocation density is 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 or less, the influence of local impurity distribution can be reduced. For this reason, the gallium nitride based semiconductor substrate preferably has a value equal to or lower than the above dislocation density.
  • the ⁇ 20-21 ⁇ plane used in the examples is different from the nitrogen plane used in the prior art, and the GaN-based growth mechanism of the ⁇ 20-21 ⁇ plane in this case is a GaN-based plane of the ⁇ 10-11 ⁇ plane. It seems to be different from the growth mechanism.
  • FIG. 11 is a drawing schematically showing an atomic arrangement in the semipolar ⁇ 10-11 ⁇ plane.
  • FIG. 12 is a drawing schematically showing an atomic arrangement in the semipolar ⁇ 20-21 ⁇ plane.
  • FIG. 13 is a drawing schematically showing an atomic arrangement in the ⁇ 10-14 ⁇ plane which is also a semipolar plane. As shown in FIG. 12, the atomic arrangement of the ⁇ 20-21 ⁇ plane is not a complete nitrogen termination plane.
  • ⁇ 10-11 ⁇ plane All atoms on the outermost surface are nitrogen, and are nitrogen-terminated surfaces.
  • ⁇ 20-21 ⁇ plane 2/3 of the outermost surface is Ga atoms, not a nitrogen termination plane.
  • ⁇ 10-14 ⁇ plane 3/5 of the outermost surface is Ga atoms, not a nitrogen termination plane.
  • the ⁇ 20-21 ⁇ plane is not a nitrogen termination plane, and according to the experiments by the inventors, in gallium nitride related to the ⁇ 20-21 ⁇ plane and the ⁇ 10-10 ⁇ plane, Behaves as a shallow acceptor. From this, the technical contribution by the shallow carbon acceptor according to the present embodiment is not due to the nitrogen termination surface.
  • the Ga / N ratio in the ⁇ 10-14 ⁇ plane is close to the ⁇ 20-21 ⁇ Ga / N ratio.
  • carbon does not become a shallow acceptor in the angular range near the ⁇ 10-14 ⁇ plane.
  • the difference between the ⁇ 20-21 ⁇ plane and the ⁇ 10-14 ⁇ plane is considered to be due to the difference in the bond direction on the outermost surface when carbon is incorporated.
  • a step appears when it is slightly inclined from the c-plane ⁇ 0001 ⁇ to the ⁇ 10-11 ⁇ plane.
  • a step appears when it is slightly inclined from the ⁇ 10-11 ⁇ plane to the ⁇ 10-10 ⁇ plane.
  • the difference in the nature of this step makes it possible to capture carbon efficiently and preferentially by the bond between carbon and the bond at the outermost surface, and the incorporated carbon forms a shallow acceptor. Therefore, the technical advantage according to the present embodiment can be obtained in the range of the plane orientation and the inclination angle that can provide the same or similar step as the step in the ⁇ 20-21 ⁇ plane.
  • the lower limit of the carbon concentration is preferably 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more, and the upper limit thereof is preferably 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • the upper limit of the carbon concentration is preferably 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the lower limit of the carbon concentration is preferably 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more, and the upper limit is preferably 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • a group III nitride semiconductor optical device including a p-type gallium nitride based semiconductor layer with reduced resistance is provided. Further, according to the present embodiment, an epitaxial substrate for this group III nitride semiconductor optical device is provided.
  • SYMBOLS 11 Group III nitride semiconductor optical element, 13 ... Support, 13a ... Main surface of support, 13b ... Back surface of support, 15 ... N-type gallium nitride semiconductor layer, 17 ... P-type gallium nitride semiconductor layer, 19 ... Active layer, 19a ... active layer main surface, 21 ... electron blocking layer, NV ... normal vector, Nx ... normal axis, ALPHA ... angle, VC ... c-axis vector, Cx ... reference axis, 23a ... barrier layer, 23b ... well Layers 25, 27 ... light guide layer, 25a ... InGaN layer, 25b ... GaN layer, 27a ...

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Abstract

低抵抗化されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むIII族窒化物半導体光素子を提供する。支持体１３の主面１３ａは、基準平面Ｓｃに対して４０度以上１４０度以下の角度ＡＬＰＨＡを成しており、基準平面Ｓｃは該III族窒化物半導体のｃ軸の方向に延びる基準軸Ｃｘに直交する。主面１３ａは半極性及び無極性のいずれか一方を示す。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５は支持体１３の主面１３ａ上に設けられる。ｎ型ＧａＮ系半導体層１５、活性層１９及びｐ型ＧａＮ系半導体層１７は法線軸Ｎｘの方向に配列されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層１７にはｐ型ドーパントしてマグネシウムが添加されており、ｐ型ＧａＮ系半導体層１７はｐ型ドーパントとして炭素を含む。ｐ型ＧａＮ系半導体層１７の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ－３以上１×１０１９ｃｍ－３以下である。

Description

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

Claims (22)

  1. 　III族窒化物半導体光素子であって、
    　III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有する支持体と、
    　前記支持体の前記主面上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
    　前記支持体の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
    　前記支持体の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と、
    を備え、
    　前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
    　前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
    　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、
    　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ－３以上であり、
    　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ－３以下である、III族窒化物半導体光素子。
  2. 　前記活性層は、前記支持体の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
    　前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、
    　前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、
    　前記井戸層は、構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなり、
    　前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ－３以下である、請求項１に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  3. 　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、
    　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、
    　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい、請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  4. 　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１８ｃｍ－３以下である、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  5. 　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮなる、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  6. 　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層における前記炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層におけるマグネシウム濃度より大きい、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  7. 　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第１の光ガイド層と、
    　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる第２の光ガイド層と、
    を更に備え、
    　前記第１の光ガイド層の少なくとも一部分はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、
    　前記第１の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ－３以下であり、
    　前記第１の光ガイド層におけるマグネシウム濃度は１×１０１７ｃｍ－３以下であり、
    　前記第２の光ガイド層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ－３以下である、請求項１～請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  8. 　前記活性層は、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含み、
    　当該III族窒化物半導体光素子は、前記活性層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた電子ブロック層を更に備え、
    　前記第１の光ガイド層は、前記電子ブロック層と前記活性層と間に設けられた第１のＩｎＧａＮ層を含み、
    　前記第２の光ガイド層は、前記活性層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第２のＩｎＧａＮ層を含む、請求項７に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  9. 　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記支持体の前記主面の法線方向に配列されており、
    　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は前記活性層の主面上に設けられ、
    　前記活性層の前記主面は、前記基準平面に対して４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
    　前記活性層は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられる、請求項１～請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  10. 　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の主面上に設けられ、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層と、
    　前記コンタクト層に接触を成す第１の電極と、
    を更に備え、
    　前記コンタクト層はｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含み、
    　前記コンタクト層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ－３以上であり、
    　前記コンタクト層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ－３以下である、請求項１～請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  11. 　前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持体のIII族窒化物半導体の＜１１－２０＞方向を基準に－１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面とのなす前記有限の角度は、５９度以上１２１度以下の範囲である、請求項１～請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  12. 　前記ｃ軸方向に延びる基準軸は、前記支持体のIII族窒化物半導体の＜１－１００＞方向を基準に－１５度以上＋１５度以下の範囲の向きに傾斜しており、前記支持体の主面とｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面とのなす前記有限の角度は、６３度以上１１７度以下の範囲である、請求項１～請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  13. 　前記支持体の前記主面は、｛１１－２２｝、｛１１－２１｝、｛１１－２０｝、｛１１－２－１｝及び｛１１－２－２｝のいずれかの面から－４度～＋４度の範囲にある、請求項１～請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  14. 　前記支持体の前記主面の面指数は、｛１１－２２｝、｛１１－２１｝、｛１１－２０｝、｛１１－２－１｝及び｛１１－２－２｝のいずれか一つである、請求項１～請求項１０及び請求項１３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  15. 　前記支持体の前記主面は、｛１０－１１｝、｛２０－２１｝、｛１０－１０｝、｛２０－２－１｝及び｛１０－１－１｝のいずれかの面から－４度～＋４度の範囲にある、請求項１～請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  16. 　前記支持体の前記主面の面指数は、｛１０－１１｝、｛２０－２１｝、｛１０－１０｝、｛２０－２－１｝及び｛１０－１－１｝のいずれか一つである、請求項１～請求項１２及び請求項１５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  17. 　前記支持体の貫通転位密度は、１×１０７ｃｍ－２以下であり、
    　前記支持体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる、請求項１～請求項１６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  18. 　前記支持体の裏面に接触を成す第２の電極を更に備え、
    　前記支持体は導電性を示す、請求項１～請求項１７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  19. 　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる、請求項１～請求項１８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  20. 　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＩｎＡｌＧａＮなる、請求項１～請求項１９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
  21. 　III族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板であって、
    　III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、
    　前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
    　前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に設けられ、マグネシウム添加のｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
    　前記III族窒化物半導体基板の前記主面上において前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と、
    を備え、
    　前記有限の角度は４０度以上１４０度以下の範囲にあり、
    　前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
    　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はｐ型ドーパントとして炭素を含み、
    　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ－３以上であり、
    　前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ－３以下である、エピタキシャル基板。
  22. 　前記活性層は、前記III族窒化物半導体基板の前記主面の法線軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
    　前記障壁層は、窒化ガリウム系半導体からなり、
    　前記障壁層の厚さは前記井戸層の厚さより大きく、
    　前記井戸層は、構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなり、
    　前記井戸層の炭素濃度は、１×１０１７ｃｍ－３以下であり、
    　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より小さく、
    　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｎ型ドーパントを含み、
    　前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のｎ型ドーパント濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度より大きい、請求項２１に記載されたエピタキシャル基板。
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