(57)【要約】【課題】窒化物半導体の半導体基板およびその製造方法に関する技術を提供すること。【解決手段】半導体基板は、ＡｌＮ結晶である第１層を備える。半導体基板は、第１層に積層されているアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である歪み緩和層であって、２×１０１９（原子／ｃｍ３）以上であって１×１０２２（原子／ｃｍ３）未満の特定不純物が添加されている歪み緩和層を備える。半導体基板は、歪み緩和層に積層されているアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である第２層を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＮ結晶である第１層と、
前記第１層に積層されているアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である歪み緩和層であって、２×１０１９（原子／ｃｍ３）以上であって１×１０２２（原子／ｃｍ３）未満の特定不純物が添加されている前記歪み緩和層と、
前記歪み緩和層に積層されているアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である第２層と、
を備える、半導体基板。
【請求項２】
前記歪み緩和層と前記第２層との界面に、直径１〜１００ナノメートルのボイドが複数存在している、請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記界面に存在しているボイドが、
前記歪み緩和層に形成されており前記特定不純物が局在している第１面と、
前記第２層に形成されている、または前記歪み緩和層および前記第２層にまたがって形成されている第２面と、
を備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記歪み緩和層にインバージョンドメインを有することを特徴とする請求項１〜３の何れかの１項に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記第２層の格子定数は前記歪み緩和層の格子定数よりも大きく、
前記第２層の窒化物半導体結晶はガリウムを含んでおり、
前記歪み緩和層のアルミニウム組成は、前記第２層のアルミニウム組成よりも高い、請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記特定不純物は、Ｍｇ、Ｃ、Ｗ、Ｂ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｂｅ、Ｃａの少なくとも何れかの元素である、請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記歪み緩和層はＡｌＮ結晶であり、
前記特定不純物はＭｇであり、
前記第２層はＡｌＧａＮ結晶であり、
前記第１層はサファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ基板のいずれかの上に積層された層である、請求項１〜６の何れか１項に記載の構造を含む半導体基板。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体基板を備えた半導体発光素子および前記半導体発光素子を備えた装置。
【請求項９】
ＡｌＮ結晶である第１層の表面にアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である歪み緩和層をエピタキシャル成長させる第１成長工程であって、前記歪み緩和層は２×１０１９（原子／ｃｍ３）以上であって１×１０２２（原子／ｃｍ３）未満の特定不純物が添加されている前記第１成長工程と、
前記歪み緩和層の表面にアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である第２層をエピタキシャル成長させる第２成長工程と、
を備える、半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記第１成長工程の温度は８００℃以上１１００℃以下である、請求項９に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
前記第２成長工程の温度は１０００℃以上１４００℃以下である、請求項９または１０に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記第１成長工程の完了後に、前記第１層の表面を大気に暴露することなく前記第２成長工程が行われる、請求項９〜１１の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記第２層の窒化物半導体結晶はガリウムを含んでおり、
前記第２層の下方側よりも上方側がアルミニウム組成が低い、請求項９〜１２の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記特定不純物は、Ｍｇ、Ｃ、Ｗ、Ｂ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｂｅ、Ｃａの少なくとも何れかの元素である、請求項９〜１３の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記歪み緩和層はＡｌＮ結晶であり、
前記特定不純物はＭｇであり、
前記第２層はＡｌＧａＮ結晶であり、
前記第１層はサファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ基板のいずれかの上に積層された層である、請求項９〜１４の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、窒化物半導体の半導体基板およびその製造方法に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
下地結晶であるＡｌＮ上にＡｌＧａＮを成長させることで深紫外ＬＥＤを作製する技術が知られている。なお、関連する文献として、特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−２２８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＡｌＮとＡｌＧａＮとの界面で結晶格子の不整合により応力が発生し、転位密度が下地層に比して成長層の方が増加してしまう。その結果、ＬＥＤの量子効率が低下してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書では、半導体基板を開示する。この半導体基板は、ＡｌＮ結晶である第１層を備える。半導体基板は、第１層に積層されているアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である歪み緩和層であって、２×１０１９（原子／ｃｍ３）以上であって１×１０２２（原子／ｃｍ３）未満の特定不純物が添加されている歪み緩和層を備える。半導体基板は、歪み緩和層に積層されているアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である第２層を備える。
【０００６】
本明細書に開示されている半導体基板は、特定不純物を含んだ歪み緩和層を備えている。これにより、歪み緩和層と第２層との界面において、結晶格子の不整合に起因して発生する応力を、歪み緩和層で緩和することができる。第２層の転位密度が第１層の転位密度よりも高くなってしまうことを抑制できる。
【０００７】
歪み緩和層と第２層との界面に、直径１〜１００ナノメートルのボイド（微少空間）が複数存在していてもよい。
【０００８】
界面に存在しているボイドが、歪み緩和層に形成されており特定不純物が局在している第１面と、第２層に形成されている、または歪み緩和層および第２層にまたがって形成されている第２面と、を備えていてもよい。
【０００９】
歪み緩和層にインバージョンドメインを有していてもよい。
【００１０】
第２層の格子定数は歪み緩和層の格子定数よりも大きくてもよい。第２層の窒化物半導体結晶はガリウムを含んでいてもよい。歪み緩和層のアルミニウム組成は、第２層のアルミニウム組成よりも高くてもよい。
【００１１】
特定不純物は、Ｍｇ、Ｃ、Ｗ、Ｂ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｂｅ、Ｃａの少なくとも何れかの元素である。
【００１２】
歪み緩和層はＡｌＮ結晶であってもよい。特定不純物はＭｇであってもよい。第２層はＡｌＧａＮ結晶であってもよい。第１層はサファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ基板のいずれかの上に積層された層であってもよい。
【００１３】
本明細書に記載の半導体基板の製造方法は、ＡｌＮ結晶である第１層の表面にアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である歪み緩和層をエピタキシャル成長させる第１成長工程を備える。歪み緩和層は２×１０１９（原子／ｃｍ３）以上であって１×１０２２（原子／ｃｍ３）未満の特定不純物が添加されている。半導体基板の製造方法は、歪み緩和層の表面にアルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である第２層をエピタキシャル成長させる第２成長工程を備える。
【００１４】
第１成長工程の温度は８００℃以上１１００℃以下である。
【００１５】
第２成長工程の温度は１０００℃以上１４００℃以下である。
【００１６】
第１成長工程の完了後に、第１層の表面を大気に暴露することなく第２成長工程が行われてもよい。
【００１７】
第２層の窒化物半導体結晶はガリウムを含んでいてもよい。第２層の下方側よりも上方側がアルミニウム組成が低くてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】紫外発光素子の断面概略図である。
【図２】界面近傍の断面図の拡大概略図である。
【図３】界面近傍の断面図の拡大概略図である。
【図４】紫外発光素子の製造方法を説明するフロー図である。
【図５】本発明の一実施形態の技術で作製した基板のＴＥＭ像である。
【図６】比較例の基板のＴＥＭ像である。
【図７】紫外発光素子のＥＬスペクトルを示すグラフである。
【図８】ＸＲＤによる逆格子マップを示す図である。
【図９】ＡｌＮおよびＡｌＧａＮの結晶構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜デバイス構造＞
図１に、本明細書に係るＡｌＧａＮ系の紫外発光素子１の断面概略図を示す。以下の説明では、紫外発光素子１がウルツ鉱ｃ面窒化物発光装置である場合を説明する。紫外発光素子１は、サファイア基板１０、ＡｌＮ層１１、歪み緩和層１２、ＡｌＧａＮ層１３、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４、発光層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、コンタクト層１７、ｐ型電極１８が積層された構造を備えている。またｎ型ＡｌＧａＮ層１４の上面の一部には、ｎ型電極１９が配置されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４、発光層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６は、発光素子として機能するデバイス構造２２である。サファイア基板１０、ＡｌＮ層１１、歪み緩和層１２、ＡｌＧａＮ層１３は、デバイス構造２２の結晶性を向上させるための下地構造２１である。
【００２０】
サファイア基板１０は、表面がｃ面であり、厚さは４００〜１０００μｍである。ＡｌＮ層１１は、表面がｃ面であり、エピタキシャル成長のためのテンプレート層として機能する。ＡｌＮ層１１の厚さは、３００〜２００００ナノメートルの範囲であってもよい。
【００２１】
歪み緩和層１２は、アルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である。本実施例では、歪み緩和層１２は、２×１０１９（原子／ｃｍ３）以上であって１×１０２２（原子／ｃｍ３）未満、より好ましくは２×１０１９（原子／ｃｍ３）以上であって１×１０２1（原子／ｃｍ３）未満のＭｇが不純物として添加されたＡｌＮ層である。歪み緩和層１２の厚さは、１〜１０００ナノメートルの範囲であってもよい。
【００２２】
歪み緩和層１２は、直径１〜１００ナノメートルのボイドを複数含んでいる。複数のボイドの一部が、歪み緩和層１２とＡｌＧａＮ層１３との界面ＩＦ１に存在している。図２に、界面ＩＦ１近傍の断面図の拡大概略図を示す。図２では、２種類のボイドＢ１およびＢ２の例を示している。第１種のボイドＢ１は、底面が界面ＩＦ１近傍に位置しており、殆どの部分がＡｌＧａＮ層１３に形成されているボイドである。第２種のボイドＢ２は、底面が歪み緩和層１２内に位置しており、歪み緩和層１２およびＡｌＧａＮ層１３にまたがって形成されているボイドである。
【００２３】
更に図３に示すボイドＢ３のように、−Ｚ方向で歪み緩和層１２にのみ局在領域Ｌ３と空隙が存在するボイドも多数存在する。また、図３に示すボイドＢ４のように、歪み緩和層１２からＭｇがＡｌＧａＮ層１３側へ拡散することによって、ＡｌＧａＮ層１３にのみ局在領域Ｌ４および空隙が存在するボイドも存在する。しかし本明細書では説明の簡略化のために、以下では、主にボイドＢ１とＢ２を用いてボイドの存在意義を説明する。
【００２４】
第１種のボイドＢ１を説明する。歪み緩和層１２の表面（すなわち界面ＩＦ１）に、局在領域Ｌ１が存在している。局在領域Ｌ１は、添加されたＭｇが局在している領域である。局在領域Ｌ１は、貫通転位ＴＤ１１の先端部に位置している。またファセット面ＦＰ１が、ＡｌＧａＮ層１３に形成されている。ファセット面ＦＰ１は、界面が特定の結晶面となるファセット成長によって形成される面である。局在領域Ｌ１の表面である局在面ＬＰ１を底面とし、ファセット面ＦＰ１を側面として、三角錐形状のボイドＢ１が形成されている。ボイドＢ１の先端部からは、貫通転位ＴＤ１２が上方（Ｚ軸正方向）へ伸びているが、貫通転位の数は増加しないという特性を有している。
【００２５】
第２種のボイドＢ２を説明する。歪み緩和層１２の表面近傍であって歪み緩和層１２の内部に、局在領域Ｌ２が存在している。局在領域Ｌ２は、Ｍｇが局在している領域であり、貫通転位ＴＤ２１の先端部に位置している。また、ファセット面ＦＰ２が、歪み緩和層１２およびＡｌＧａＮ層１３にまたがって形成されている。局在領域Ｌ２の表面である局在面ＬＰ２を底面とし、ファセット面ＦＰ２を側面として、三角錐形状のボイドＢ２が形成されている。ボイドＢ２の先端部からは、貫通転位ＴＤ２２が上方（Ｚ軸正方向）へ伸びているが、貫通転位の数は増加しないという特性を有している。
【００２６】
ボイドＢ１の発生原理を説明する。高濃度のＭｇがドープされたＡｌＮ（歪み緩和層１２）では、貫通転位ＴＤ１１を起点としてＭｇが局在している局在領域Ｌ１が形成される場合がある。局在領域Ｌ１は、ＡｌＮの表面（＋ｃ面）上に、ＡｌＮの表面側がＮ極性面（?ｃ面）となるような反転姿勢で形成される。すると、この局在領域Ｌ１を核として、ＡｌＮ結晶中に極性反転領域（インバージョンドメイン）が発生する場合がある。インバージョンドメインは、ｃ軸方向の極性が周囲の結晶とは反転した領域である。インバージョンドメインでは、結晶の成長レートの局所的な低下が継続する。すると、ＡｌＧａＮの成長に従って、インバージョンドメインの周囲にファセット面ＦＰ１がせり出すように形成される。ファセット面ＦＰ１が互いに合体すると、ボイドＢ１が形成されるとともに、貫通転位ＴＤ１２が形成される。すなわち、ボイドＢ１の形成によって貫通転位の数は増加しない。
【００２７】
なお、ボイドＢ２〜Ｂ４の発生原理も、ボイドＢ１の発生原理と同様であるため、説明を省略する。ボイドＢ１〜Ｂ４は、その発生原理から理解できるように、配置、大きさとも不規則に存在する。
【００２８】
歪み緩和層１２は、その内部に、界面ＩＦ１にまたがらないボイドＢ３（図３）も含んでいる。同様にＡｌＧａＮ層１３は、その内部に、界面ＩＦ１にまたがらないボイドＢ４（図３）も含んでいる。このようなボイドによっても、歪み緩和層１２やＡｌＧａＮ層１３の剛性を低下させることができるため、応力緩和機能を発揮することができる。すなわち、界面ＩＦ１にまたがらないボイドによっても、貫通転位にならない程度の歪みを吸収することができる。
【００２９】
歪み緩和層１２（ＡｌＮ）には、Ｍｇが添加されている。Ｍｇは、ＡｌＮに対して代表的なｐ型ドーパントである。しかし歪み緩和層１２は、ｎ型であるという特徴を有している。理由を説明する。Ｍｇが添加されたＡｌＮをｐ型化するためには、活性アニールにより水素を抜くことが必要である。しかし歪み緩和層１２は、前述したように、デバイス構造２２の結晶性を向上させるための下地層であり、発光素子を構成しない層である。よって活性アニールは、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４やｐ型ＡｌＧａＮ層１６の形成時に行えば十分である。この活性アニール時には、歪み緩和層１２上に多数の層が積層されているため、歪み緩和層１２からは十分に水素を抜くことができない。したがって、歪み緩和層１２はｎ型となる。
【００３０】
ＡｌＧａＮ層１３は、アルミニウムを含んだ窒化物半導体結晶である。ＡｌＧａＮ層１３は、不純物が添加されていなくてもよい。ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は、歪み緩和層１２（ＡｌＮ）のＡｌ組成よりも低い。ＡｌＧａＮ層１３の格子定数はＡｌ組成で定まり、その格子定数は、歪み緩和層１２の格子定数よりも大きい。例えば、ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は１０〜９９％の範囲であってもよく、より好ましくは５０〜９０％の範囲である。ＡｌＧａＮ層１３の厚さは、１００〜２００００ナノメートルの範囲であってもよい。
【００３１】
ｎ型ＡｌＧａＮ層１４は、ｎ型ドーパントとして、例えばＳｉやＧｅが添加されていてもよい。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成よりも低くてもよく、例えば１０〜９０％の範囲であってもよい。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４の厚さは、１００〜２００００ナノメートルの範囲であってもよい。
【００３２】
発光層１５は、ＡｌＧａＮ系井戸層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６は、ｐ型ドーパントとして、例えばＭｇが添加されていてもよい。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の厚さは、１〜１０００ナノメートルの範囲であってもよい。コンタクト層１７は、例えば、不純物が高濃度にドープされたｐ型ＡｌＧａＮである。
【００３３】
＜製造方法＞
図４のフローを用いて、紫外発光素子１の製造方法を説明する。ステップ（以下Ｓと略する）１０において、サファイア基板１０の表面にＡｌＮ層１１を成長させる。ＡｌＮ層１１は、周知のＭＯＶＰＥ法を用いて成長させてもよいし、スパッタで成膜後にアニールする方法などを用いてもよい。本実施形態では、ＡｌＮ層１１の厚さは３マイクロメートルとした。
【００３４】
Ｓ２０において、ＡｌＮ層１１の表面に、高濃度にＭｇが添加されたＡｌＮ（歪み緩和層１２）をエピタキシャル成長させる第１成長工程を実施する。第１成長工程は、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法によって行った。気層成長条件の一例を列挙する。ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ３、Ｍｇ供給ガスとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、キャリアガスとしてＮ２とＨ２の混合ガスを用いた。
【００３５】
歪み緩和層１２の成長では、低温であるほどＭｇを添加しやすくなる一方、高温であるほど結晶性が良くなる。したがって第１成長工程の温度は、Ｍｇ添加量と結晶性を両立できるような温度とすることが好ましい。具体的には、８００℃以上１１００℃以下である。
【００３６】
本実施形態では、第１成長工程の温度は１０２５℃とした。また歪み緩和層１２のＭｇ濃度は３×１０２０（原子／ｃｍ３）、膜厚は１００ナノメートルとした。
【００３７】
Ｓ３０において、歪み緩和層１２の表面にＡｌＧａＮ層１３をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させる第２成長工程を実施する。第２成長工程は、第１成長工程の完了後に、歪み緩和層１２の表面を大気に暴露することなく開始される。具体的には、第１および第２成長工程は、同一のチャンバ内で連続して行われる。気層成長条件としては、Ｓ２０の条件に加えて、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を追加供給すればよい。第２成長工程の温度は１０００℃以上１４００℃以下であって、第一成長工程の温度よりも高い数値を取る。
【００３８】
ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は、歪み緩和層１２側（下方側）よりもｎ型ＡｌＧａＮ層１４側（上方側）の方を低くする。具体的には、上方側に行くほどグラデーション状に連続的にＡｌ組成が低くなる。これにより、ＡｌＮとＡｌＧａＮとの格子定数の差を段階的に緩和できるため、転位の増加を抑制することができる。
【００３９】
本実施形態では、第２成長工程の温度は１３００℃とした。またＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は、１００％から６０％まで上方側に行くほど連続的に低下させた。ＡｌＧａＮ層１３の膜厚は０．３マイクロメートル、成長速度は３マイクロメートル／Ｈｏｕｒとした。
【００４０】
Ｓ３０において成長させるＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４のＡｌ組成以上であることが好ましい。またＡｌＧａＮ層１３の成長速度は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４の成長速度に比して高速であることが好ましい。具体的には、１０００ナノメートル／ｈｏｕｒ以上の成長速度が好ましい。理由を説明する。第１成長工程（Ｓ２０）において、Ｍｇが添加されたＡｌＮ層（歪み緩和層１２）を成長させる際に、チャンバ内壁にＭｇが付着する。その後の第２成長工程（Ｓ３０）において、ＡｌＧａＮ層１３を成長させる際に、チャンバ内壁に付着しているＭｇが剥離してＡｌＧａＮ層１３に混入してしまい、ＡｌＧａＮ層１３が意図せずにｐ型になってしまう場合がある。このような現象を、「メモリ効果」と呼ぶ。本発明の一実施形態の技術では、Ｓ３０において、ＡｌＧａＮ層１３を高速成長させる。これにより、チャンバ内壁をＡｌＧａＮで早期に覆うことができるため、Ｍｇの混入を防止できる。ＡｌＧａＮ層１３の成長速度は、ＩＩＩ族原料の供給量に律速する。したがって、ＡｌＧａＮ層１３が１０００ナノメートル／ｈｏｕｒ以上で高速成長するように、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）およびトリメチルガリウム（ＴＭＧ）のガスの供給量を増加させればよい。またＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成を高組成にしている。高Ａｌ組成のＡｌＧａＮは、Ｍｇを封じ込める効果が高い。これは、ＡｌとＮの結合の方が、ＧａとＮの結合よりも強いためである。以上により、メモリ効果を抑制することが可能となる。
【００４１】
Ｓ４０において、ＡｌＧａＮ層１３の表面に、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４をエピタキシャル成長させる。本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４のＡｌ組成を６０％、膜厚を２マイクロメートルとした。Ｓ５０において、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４の表面に、発光層１５をエピタキシャル成長させる。Ｓ６０において、発光層１５の表面に、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６をエピタキシャル成長させる。Ｓ７０において、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の表面にコンタクト層１７を形成するとともに、コンタクト層１７の表面の一部にｐ型電極１８を形成する。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４の上面の一部に、ｎ型電極１９を形成する。これにより、図１に示す紫外発光素子１が完成する。
【００４２】
＜効果＞
ＡｌＮ層１１とＡｌＧａＮ層１３とを直接に積層した場合には、界面で結晶格子の不整合によって応力が発生するため、ミスフィット転位が発生してしまう。その結果、ＡｌＧａＮ層１３の転位密度がＡｌＮ層１１の転位密度よりも増加してしまう。本発明の技術では、ＡｌＮ層１１とＡｌＧａＮ層１３とを、歪み緩和層１２を介して積層している。歪み緩和層１２には、図２に示すように、界面ＩＦ１にボイドＢ１やＢ２が存在する。このボイドＢ１およびＢ２によって、界面ＩＦ１に自由端が存在することになるため、ボイドによって応力を解放することができる。ＡｌＧａＮ層１３に加わる歪みを低減できるため、新たなミスフィット転位の発生を防止することができる。ＡｌＧａＮ層１３の転位密度が歪み緩和層１２の転位密度よりも高くなってしまうことを抑制できる。高効率かつ高輝度な深紫外半導体発光装置が実現できる。
【００４３】
ＡｌＮ層１１とＡｌＧａＮ層１３とを直接に積層する場合に、結晶格子の不整合による応力を緩和する方法の一例として、ＡｌＮ層１１の表面に周知の露光技術およびドライエッチング技術を用いてボイド等を形成してからＡｌＧａＮ層１３を成長させる方法が挙げられる。しかしこの方法では、工程が増加してしまうことや、ＡｌＮ層１１の表面が大気に暴露されるために吸着層が形成されてしまうなどの問題がある。本発明の一実施形態の技術では、図２で説明したように、Ｍｇの局在領域を起点として、自己整合的にボイドを形成することができる。ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層を同一チャンバ内で連続成長させる場合においても、ボイドを形成することが可能である。工程が増加してしまうことや、吸着層が形成されてしまうことなく、応力を緩和することができる。
【００４４】
窒化インジウムアルミニウム（ＡｌＩｎＮ）や窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の窒化物半導体では、局在効果が知られている。局在効果は、正孔がインジウム−窒素（Ｉｎ−Ｎ）が集まった局在状態に捕えられる事で、欠陥に捕獲されることがなくなり、電子と再結合するときのエネルギーが効率よく光に変換される効果である。本発明の一実施形態の技術では、ボイドの有無により、歪みの２次元的揺らぎを発生させることができる。この歪みの２次元的揺らぎによって、電子と正孔のペアを効果的に局在させることが可能になり、発光効率を向上させることができる。すなわち、ボイドによって局在効果を発生させることで、転位の存在にも関わらず発光出力を高めることが可能となる。
【００４５】
＜転位のＴＥＭ画像＞
ＴＥＭを用いて、歪み緩和層１２の有無による転位密度の差を測定した。図５は、本発明の一実施形態の技術で作製した基板のＴＥＭ像である。この基板は、歪み緩和層１２を備えている。すなわち図５の左から順に、ＡｌＮ層１１、歪み緩和層１２、ＡｌＧａＮ層１３、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４が積層されている。図６は、比較例の基板のＴＥＭ像である。比較例の基板は、歪み緩和層１２を備えていない。すなわち図６の左から順に、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層が積層されている。
【００４６】
図５に示す本発明の技術に係る基板では、ＡｌＮ層１１の貫通転位の数（１５本）に対するｎ型ＡｌＧａＮ層１４の貫通転位の数（１４本）の割合は、９３％である。すなわち、成長するに従って貫通転位が減少している。一方、図６に示す比較例の基板では、ＡｌＮ層の貫通転位の数（８本）に対するｎ型ＡｌＧａＮ層の貫通転位の数（１０本）の割合は、１２５％である。すなわち、成長するに従って貫通転位が増加している。これにより本発明の一実施形態の技術では、歪み緩和層１２によって、ミスフィット転位の新たな発生を抑制できることが分かる。なお、図５および図６において、貫通転位の絶対的な本数は意味を有さない。界面をまたいで転位が増加傾向にあるか否かが重要である。
【００４７】
＜発光強度の測定＞
図５に示す本発明の一実施形態の技術に係る基板と、図６に示す比較例の基板を用いて、紫外発光素子を作製した。図７に、それぞれのＥＬスペクトルを示す。横軸は波長であり、縦軸は発光強度である。本発明の一実施形態の技術に係る基板を用いた場合がスペクトルＳＰ１であり、比較例の基板を用いた場合がスペクトルＳＰ２である。スペクトルＳＰ１の方がスペクトルＳＰ２に比して、ピーク値での発光強度が７．５倍に改善した。これは発光層１５（図１参照）に伝搬する転位密度が低減したことにより、内部量子効率が改善したためであると考えられる。
【００４８】
＜逆格子マップの測定＞
図８に、ＸＲＤによる逆格子マップを示す。逆格子マップ測定は、結晶からの反射波の逆格子空間での強度分布を測定するものである。図８は、ＡｌＮとＡｌＧａＮとの界面での結晶歪みを測定している。ＡｌＧａＮのＡｌ組成は５１．５％である。図９に示すように、ＡｌＮおよびＡｌＧａＮは六方晶であり、ｃ軸およびａ軸を備えている。図８の縦軸Ｑｚはｃ軸格子定数の逆数であり、横軸Ｑｘはａ軸格子定数の逆数である。
【００４９】
図８の上側の領域Ｒ１（濃く塗られた楕円形の領域）が、ＡｌＮのピークを示している。図８の下側の領域Ｒ２（濃く塗られた楕円形の領域）が、ＡｌＧａＮのピークを示している。領域Ｒ１の中心を通る線が、ＡｌＮのａ軸格子定数ＡＡ１を示している。領域Ｒ２の中心を通る線が、ＡｌＧａＮのａ軸格子定数ＡＡ２を示している。ＡｌＧａＮのａ軸格子定数はＡｌ組成により定まる。そしてＡｌＧａＮのａ軸格子定数は、ＡｌＮのａ軸格子定数よりも大きい。すると、ａ軸格子定数ＡＡ１とＡＡ２とが同一となる場合には、ＡｌＮとＡｌＧａＮのａ軸格子定数が同じであることを意味するため、ＡｌＧａＮの結晶歪みが緩和していないことを示している。一方、ａ軸格子定数ＡＡ１よりもａ軸格子定数ＡＡ２が横軸Ｑｘの右側に行くほど、ＡｌＮよりもＡｌＧａＮのａ軸格子定数が大きいことを意味するため、ＡｌＧａＮの結晶歪みが緩和していることを示している。図８の例では、ａ軸格子定数ＡＡ１よりもａ軸格子定数ＡＡ２が右側に位置しており、緩和率は１８．７％であった。すなわち、本発明の一実施形態の技術では、歪み緩和層１２によって、ＡｌＧａＮの結晶歪みを緩和できることが分かる。
【００５０】
＜変形例＞
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００５１】
ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は、歪み緩和層１２側（下方側）よりもｎ型ＡｌＧａＮ層１４側（上方側）の方が低くてもよい。例えば、ＡｌＧａＮ層１３がさらに複数の層に分かれており、上層に行くほどＡｌ組成が低くなってもよい。また例えば、上方側に行くほどグラデーション状に連続的にＡｌ組成が低くなってもよい。これにより、ＡｌＮとＡｌＧａＮとの格子定数の差を段階的に緩和できるため、転位の増加を抑制することができる。
【００５２】
歪み緩和層１２に添加される不純物はＭｇに限られない。Ｃ、Ｗ、Ｂ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｂｅ、Ｃａなどでもよい。
【００５３】
ＡｌＮ層１１は、サファイア基板１０上に形成された層に限られず、例えば、自立した基板であってもよい。これにより、サファイアとＡｌＮとの格子定数の不整合に起因する転位を無くすことができるため、より高品質なＡｌＮ層１１を提供することが可能となる。
【００５４】
歪み緩和層１２はＡｌＮに限られない。ＩｎやＧａなどを含んでいてもよい。ＡｌＧａＮ層１３はＡｌＧａＮに限られない。Ｉｎなどを含んでいてもよい。さらに基板１０はサファイア基板で説明したが、ＳｉＣ、ＡｌＮ基板などに各層を積層しても良い。
【００５５】
ボイドＢ１〜Ｂ４の内壁がファセット面によって形成される場合を説明したが、この形態に限られない。結晶成長温度および速度によってボイド内壁の構成は様々に変化する。したがって、内壁の一部にファセット面が存在するボイドや、内壁にファセット面が存在しないボイドも形成されうる。
【００５６】
ボイドＢ１〜Ｂ４の形状が三角錐形状である場合を説明したが、この形態に限られない。成長条件によってファセット面の形状は様々に変化するため、ボイド形状は各種の形状を取りうる。
【００５７】
紫外発光素子１がウルツ鉱ｃ面窒化物発光装置である場合を説明したが、この形態に限られない。本発明の一実施形態の技術は、非ｃ面窒化物半導体、ＩＩ−ＶＩ半導体および他の格子不整合発光装置または半導体装置に適用することができる。
【００５８】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００５９】
ＡｌＮ層１１は、第１層の一例である。ＡｌＧａＮ層１３は、第２層の一例である。
【符号の説明】
【００６０】
１：紫外発光素子    １０：サファイア基板    １１：ＡｌＮ層    １２：歪み緩和層    １３：ＡｌＧａＮ層    １４：ｎ型ＡｌＧａＮ層    １５：発光層    １６：ｐ型ＡｌＧａＮ層    Ｂ１〜Ｂ４：ボイド    ＩＦ１：界面    Ｌ１およびＬ２：局在領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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