(57)【要約】      （修正有）【課題】内部電界が小さくかつ平坦性の優れたエピタキシャル基板およびこれを用いたデバイスを提供する。【解決手段】Ｒ面に対する基材１の表面の傾角を、基材１の表面がＣ面から遠ざかる場合に正の値をとり、基材１の表面がＣ面に近づく場合に負の値をとるように定義するとき、基材１の表面の傾角が−２５°以上−１５°以下であるサファイア単結晶基材１を準備し、サファイア単結晶基材１の上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ａ軸方向がサファイア単結晶基材１のｒ軸方向に略平行であるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１．０）からなる基板表面層を形成することにより、エピタキシャル基板を得る。【選択図】図２
2010235318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル基板であって、
Ｒ面に対する基材表面の傾角を、前記基材表面がＣ面から遠ざかる場合に正の値をとり、前記基材表面がＣ面に近づく場合に負の値をとるように定義するとき、前記基材表面の傾角が−２５°以上−１５°以下であるサファイア単結晶基材と、
前記サファイア単結晶基材の上に形成されてなり、表面粗さが３ｎｍ以下のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項２】
請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、
前記サファイア単結晶基材のｒ軸方向が、前記基板表面層を構成するＡｌxＧａ1-xＮのａ軸方向に略平行であることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、
前記基板表面層がＡｌxＧａ1-xＮ（０．８≦ｘ≦１．０）からなることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板と、
前記エピタキシャル基板の上に形成された、III族窒化物からなる機能層と、
を備えることを特徴とする半導体素子構造。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体素子構造であって、
前記機能層が、
ｎ型導電層と、
発光層と、
を備えることを特徴とする半導体素子構造。
【請求項６】
Ｒ面に対する基材表面の傾角を、前記基材表面がＣ面から遠ざかる場合に正の値をとり、前記基材表面がＣ面に近づく場合に負の値をとるように定義するとき、前記基材表面の傾角が−２５°以上−１５°以下であるサファイア単結晶基材と、
前記サファイア単結晶基材の上に形成されてなり、表面粗さが３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．８≦ｘ≦１．０）からなる下地層と、
ｎ型導電層と、
発光層と、
を備えることを特徴とする半導体素子構造。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の半導体素子構造であって、
前記発光層が、単位発光層と単位バリア層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造を有することを特徴とする半導体素子構造。
【請求項８】
エピタキシャル基板の作製方法であって、
Ｒ面に対する基材表面の傾角を、前記基材表面がＣ面から遠ざかる場合に正の値をとり、前記基材表面がＣ面に近づく場合に負の値をとるように定義するとき、前記基材表面の傾角が−２５°以上−１５°以下であるサファイア単結晶基材を準備する工程と、
前記サファイア単結晶基材の上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ａ軸方向が前記サファイア単結晶基材のｒ軸方向に略平行であるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１．０）からなる基板表面層を形成する工程と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板の作製方法。
【請求項９】
請求項８に記載のエピタキシャル基板の作製方法であって、
前記基板表面層がＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．８≦ｘ１≦１．０）からなることを特徴とするエピタキシャル基板の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体デバイス形成用の下地基板として用いるエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、III族窒化物を用いたデバイスの開発・実用化が進んでいるが、それらは主に、高品質結晶の作製が可能なＣ面すなわち（０００１）面を成長面として形成されている。しかしながら、Ｃ面を成長面として形成されたデバイス（Ｃ面上デバイス）では、原子配列の非対称性からc軸方向に自発分極やピエゾ分極による内部電界が発生し、デバイス特性に影響を与える場合がある。例えば発光デバイスの場合であれば、発光層内で電子と正孔の波動関数が空間的に分離するため発光効率が低下し、かつ電流増加に伴い発光波長が短波長側へシフトする現象（量子閉じこめシュタルク効果）が発生するなどの問題がある。
【０００３】
また、Ｒ面サファイア基板の上に、無極性面であるＡ面を成長面とするＧａＮ膜を成長させる技術はすでに公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４３００６号公報
【特許文献２】特開２００８−４２０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような問題の生じるＣ面上デバイスに代えて、内部電界の小さい無極性面窒化物によるデバイスの研究・開発がなされている。例えば、Ｃ面と垂直な面であるＡ面すなわち（１１−２０）面や、Ｍ面すなわち（１−１００）面といった面を成長面として形成されるIII族窒化物は、成長方向における内部電界が小さいことが知られている。また、ＡｌＧａＮについては、理論的には、Ｃ面から離れるほど、換言すればＡ面やＭ面に近づくほど、内部電界が大幅に減少することが知られている。ただし、これら無極性面窒化物を用いたデバイスの実用化には、結晶品質や表面平坦性の確保など、多くの課題がある。
【０００６】
特許文献１には、表面粗さ（ＲＭＳ値）が５ｎｍ以下であるＧａＮ膜の製法が開示されている。しかしながら、高Ａｌ組成のＡ面ＡｌＧａＮ（特に、ＡｌＮ）の表面平坦性確保に関する開示はない。また、特許文献１には、開示された発明が作用効果を奏するのは、Ｒ面サファイアの基板オフ角が±５°以下の範囲の場合であるという旨の記載がある。
【０００７】
特許文献２には、凸凹表面を有したＡ面ＡｌＮ／Ｒ面サファイア上にＧａＮを成長させることで、高品質なＡ面ＧａＮ膜の形成を実現する発明が開示されている。ただし、特許文献２においても、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ（特に、ＡｌＮ）に関しては、その実現性は何ら示されてはいない。
【０００８】
すなわち、内部電界が小さくかつ平坦性の優れた表面を有する、ＡｌＮを含めた高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層が形成されたエピタキシャル基板は、これまで実現されておらず、当然ながら、これを用いた半導体デバイスも得られてはいない。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、内部電界が小さくかつ平坦性の優れたエピタキシャル基板およびこれを用いたデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、エピタキシャル基板であって、Ｒ面に対する基材表面の傾角を、前記基材表面がＣ面から遠ざかる場合に正の値をとり、前記基材表面がＣ面に近づく場合に負の値をとるように定義するとき、前記基材表面の傾角が−２５°以上−１５°以下であるサファイア単結晶基材と、前記サファイア単結晶基材の上に形成されてなり、表面粗さが３ｎｍ以下のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、前記サファイア単結晶基材のｒ軸方向が、前記基板表面層を構成するＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎのａ軸方向に略平行であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、前記基板表面層がＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．８≦ｘ１≦１．０）からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板と、前記エピタキシャル基板の上に形成された、III族窒化物からなる機能層と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項４に記載の半導体素子構造であって、前記機能層が、ｎ型導電層と、発光層と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、Ｒ面に対する基材表面の傾角を、前記基材表面がＣ面から遠ざかる場合に正の値をとり、前記基材表面がＣ面に近づく場合に負の値をとるように定義するとき、前記基材表面の傾角が−２５°以上−１５°以下であるサファイア単結晶基材と、前記サファイア単結晶基材の上に形成されてなり、表面粗さが３ｎｍ以下のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．８≦ｘ１≦１．０）からなる下地層と、ｎ型導電層と、発光層と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項５または請求項６に記載の半導体素子構造であって、前記発光層が、単位発光層と単位バリア層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、エピタキシャル基板の作製方法であって、Ｒ面に対する基材表面の傾角を、前記基材表面がＣ面から遠ざかる場合に正の値をとり、前記基材表面がＣ面に近づく場合に負の値をとるように定義するとき、前記基材表面の傾角が−２５°以上−１５°以下であるサファイア単結晶基材を準備する工程と、前記サファイア単結晶基材の上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ａ軸方向が前記サファイア単結晶基材のｒ軸方向に略平行であるＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項８に記載のエピタキシャル基板の作製方法であって、前記基板表面層がＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．８≦ｘ１≦１．０）からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１ないし請求項３、および請求項８ないし請求項９の発明によれば、基板表面法線の傾角が−２５°以上−１５°以下という条件を満たすサファイア単結晶基材の上に、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層をエピタキシャル形成することにより、内部電界が小さく、かつ平坦性の優れた表面を有する基板表面層を備えたエピタキシャル基板を得ることができる。
【００２０】
また、請求項４ないし請求項７の発明によれば、基板表面法線の傾角が−２５°以上−１５°以下という条件を満たすサファイア単結晶基材の上に、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層もしくは下地層をエピタキシャル形成してなるエピタキシャル基板の上に、所定の機能層を形成することにより、特性の優れた半導体素子構造を得ることができる。
【００２１】
特に、請求項５ないし請求項７の発明によれば、発光効率の優れた発光素子構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】傾角の定義を説明するための図である。
【図２】第１の実施の形態において基材１として用いる、サファイア単結晶基板の基板面法線と結晶軸との方位関係を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構造を示す模式断面図である。
【図４】傾角θと、基材１を構成するサファイア単結晶のｒ軸方向と基板表面層２を構成するＡｌＮのａ軸方向とのなす角αとの関係を示す図である。
【図５】基材１の傾角θと、基板表面層２の表面粗さとの関係を示す図である。
【図６】基材１の傾角θと、基板表面層２の表面粗さとの関係を示す図である。
【図７】基材１の傾角θと、基板表面層２の表面粗さとの関係を示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る発光素子構造２０を示す模式断面図である。
【図９】第３の実施の形態に係る発光素子構造３０を示す模式断面図である。
【図１０】第４の実施の形態に係る発光素子１００の構造を模式的に示す図である。
【図１１】実施例４〜実施例７において得られたそれぞれの発光素子構造についての積分強度比Ｉ300K／Ｉ30Kを一覧にして示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜傾角の定義＞
図１は、本発明の実施の形態における傾角の定義を説明するための図である。以下の実施の形態においては、六方晶であるサファイア単結晶基板について、Ｒ面すなわち（１−１０２）面と基材表面とのなす角を傾角と称する。そして、図１（ａ）に示すように、基材表面がＣ面すなわち（０００１）面から遠ざかるようにＲ面に対して傾く場合（換言すれば、Ｍ面すなわち（１−１００）面に近づく場合）に正の値をとり、基材表面がＣ面に近づくようにＲ面に対して傾く場合に負の値をとるように、傾角を定義する。図１（ｂ）は係る傾角と、各結晶面の結晶軸との関係を示している。すなわち、サファイア単結晶基板の基板表面法線方向がｒ軸方向すなわち［１−１０２］軸方向とｍ軸方向すなわち［１−１００］軸方向との間にある時に傾角が正であるとし、基板表面法線方向がｒ軸方向とｃ軸方向すなわち［０００１］軸方向との間にあるときに傾角が負であるとする。
【００２４】
＜第１の実施の形態＞
図２は、本発明の第１の実施の形態において基材１として用いる、サファイア単結晶基板の基板面法線と結晶軸との方位関係を示す図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構造を示す模式断面図である。
【００２５】
本実施の形態においては、基板面法線の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°という要件をみたすサファイア単結晶基板を、基材１として用いる。これにより、サファイア単結晶における基板表面法線と、主要な結晶軸との間には、図２に示すような方位関係があることになる。基材１の厚みには特段の材質上の制限はないが、加工および取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍの厚みのものが好適である。
【００２６】
エピタキシャル基板１０は、このような基材１の上に、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層２をエピタキシャル形成することにより形成されてなる。基板表面層２は、サブミクロンオーダーから数μｍ程度の厚みを有するように形成される。例えば、１μｍ程度の厚みを有するように形成されるのが好適な一例である。
【００２７】
図４は、基材１であるサファイア単結晶基板における傾角を種々に違えるとともに、基板表面層２をＡｌＮにて形成した場合（ｘ１＝１．０の場合）の、基材１における傾角θと、基材１を構成するサファイア単結晶のｒ軸方向と基板表面層２を構成するＡｌＮのａ軸方向とのなす角αとの関係を示す図である。なお、両軸方向のなす角αは、エピタキシャル基板１０の電子線回折像より求めている。また、図４に示す結果は、ＡｌＮのａ軸方向がサファイア単結晶のｒ軸方向とｍ軸方向との間にあるときになす角αが正となるようにプロットしている。
【００２８】
図４に示す結果によれば、基材１の傾角θが−１０°から０°の範囲（絶対値が１０°より小さい範囲）では傾角θの絶対値が大きいほど両方向のなす角αも大きい傾向にあるのに対して、傾角θが−１０°より小さい範囲（絶対値が１０°より大きい範囲）では、両方向のなす角αが減少して、−１°〜０°のあたりに落ち着く傾向があることがわかる。係る知見は、本発明の発明者によって初めて明らかにされたものである。
【００２９】
本実施の形態においては、係る知見に基づき、基板表面層２の表面法線方向を制御するようにしている。すなわち、上述のように、基板面法線の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°であるサファイア単結晶基板を基材１として用いることで、基材１であるサファイア単結晶基板のｒ軸方向と基板表面層２のａ軸方向とのなす角が±２°以下の範囲に収まるように、基板表面層２を形成している。換言すれば、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０においては、基材１のｒ軸方向と基板表面層２のａ軸方向とが略平行となるように（基板表面層２の厚みの範囲で実質的に平行であるように）、基板表面層２が形成されてなる。これにより、基板表面層２の表面は無極性面となっている。
【００３０】
また、図５、図６、および図７はそれぞれ、基板表面層２をＡｌＮ（ｘ１＝１．０）、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ（ｘ１＝０．９）、およびＡｌ0.8Ｇａ0.2Ｎ（ｘ１＝０．８）にて形成した場合の、基材１の傾角θと、ＡＦＭ像から求めた５μｍ×５μｍの範囲における基板表面層２の表面粗さ（ＲＭＳ値）との関係を示す図である。
【００３１】
図５、図６、および図７に示す結果は、−２５°≦θ≦−１０°であるときに、表面粗さが３ｎｍ以下という、良好な表面平坦性を有する基板表面層２が形成されてなることを指し示している。特に、基板表面層２をＡｌＮにて形成した場合には、図５に示すように、表面粗さが１ｎｍ程度以下という、表面が実質的に原子レベルで平坦な基板表面層２が形成されていることがわかる。なお、図示は省略するが、傾角θが−１０°の場合には、基板表面層２の表面に、数μｍ間隔で１μｍ程度の大きさのピットが存在することが確認されている。
【００３２】
係る結果は、基板表面法線の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°という要件をみたすサファイア単結晶基板を基材１として用いることで、表面平坦性の優れた、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層２を形成できることを意味している。好ましくは、０．８≦ｘ１≦１．０である。また、図５、図６、および図７に示す結果は、傾角θが上述の範囲にないエピタキシャル基板１０は、良好な表面平坦性を有さないものであることを示しているともいえる。
【００３３】
上述のような特徴を有する基板表面層２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）にて形成することができる。形成温度は、１０００℃〜１２００℃程度の範囲内で、組成に応じて適宜に定められればよい。あるいは、ＭＢＥ法（分子ビームエピタキシー法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライドを用いた気相エピタキシャル成長法）などの他の公知のエピタキシャル形成手法を用いる態様であってもよい。
【００３４】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、基板表面法線の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°という条件を満たすサファイア単結晶基板を基材として用い、その上に、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層をエピタキシャル形成することにより、無極性面であり、かつ平坦性の優れた表面を有する基板表面層を備えたエピタキシャル基板を得ることができる。
【００３５】
＜第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０は、種々の半導体デバイスを作製する際の下地基板（下地テンプレート）として好適に利用できる。係る場合、エピタキシャル基板１０の上に、デバイスとしての特性を発現させる種々の機能層が形成される。本実施の形態においては、その一例として、半導体素子構造の一つである発光素子構造を形成する態様について説明する。
【００３６】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子構造２０を示す模式断面図である。発光素子構造２０は、第１の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０、すなわち、傾角θが−２５°以上−１５°以下である基材１の上にＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層２をエピタキシャル形成してなるエピタキシャル基板１０を下地基板とし、その上に、下地層３と、ｎ型導電層４と、発光層５とを、この順に積層形成した構造を有する。すなわち、発光素子構造２０は、単発光層（ＳＱＷ）構造に相当する。
【００３７】
下地層３と、ｎ型導電層４と、発光層５とは、基板表面層２と同様の手法にて形成される。すなわち、例えばＭＯＣＶＤ法にて形成することができる。あるいは、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法などの他の公知のエピタキシャル形成手法を用いる態様であってもよい。なお、発光素子構造２０を作製する態様としては、あらかじめ作製しておいたエピタキシャル基板１０を用意して、その上に、上述の各層を形成するようにしてもよいし、エピタキシャル基板１０を構成する基材１を用意し、その上に、基板表面層２と、下地層３と、ｎ型導電層４と、発光層５とを連続的に形成することで、発光素子構造２０を作製するようにしてもよい。なお、この場合、基板表面層２を第１の下地層とみなし、下地層３を第２の下地層とみなすことができる。
【００３８】
下地層３は、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦ｘ１）なる組成のIII族窒化物にて数百ｎｍ程度の厚みを有するように形成される層である。下地層３の具体的な組成は、発光層５の組成に応じて定められればよい。ただし、下地層３は、意図的には不純物を含ませないように形成される。
【００３９】
ｎ型導電層４は、ｎ型ドーパントとしてＳｉを原子濃度で１×１０18／ｃｍ3〜３×１０19／ｃｍ3程度含み、Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦ｘ１）なる組成のIII族窒化物にて、サブミクロンオーダーから数μｍ程度の厚みを有するように形成されることで、ｎ型の導電型を呈する層である。ｎ型導電層４の具体的な組成は、発光層５の組成に応じて定められればよい。
【００４０】
発光層５は、発光素子構造２０において発光を担う層、つまりはキャリアの再結合を生じさせる層である。発光層５は、Ａｌx4Ｇａ1-x4Ｎ（０≦ｘ４≦ｘ３）なる組成のIII族窒化物にて数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みを有するように形成される。発光層５の具体的な組成は、発光させようとする光の波長に応じて定められる。例えば、波長２６５ｎｍの紫外光を発光させようとする場合であれば、Ａｌ0.49Ｇａ0.51Ｎ（ｘ４＝０．４９）にて１０ｎｍの厚みを有するように発光層５を形成すればよい。係る場合、ｎ型導電層４は、Ｓｉを原子濃度で２×１０18／ｃｍ3程度含むようにドープしつつ、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ（ｘ３＝０．６）にて形成すればよい。
【００４１】
以上のような構成を有することで、発光素子構造２０は、発光層５の組成に応じた波長の光を発するものとなる。このことは、発光素子構造２０に対し例えばカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定を行うことによって確認できる。なお、カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定に際しては、好ましくは、発光層５の上にキャップ層６が設けられる。キャップ層６は、Ａｌx5Ｇａ1-x5Ｎ（０．８≦ｘ５≦１．０）なる組成のIII族窒化物にて数ｎｍ程度の厚みを有するように形成される層である。発光層５が上述のように２６５ｎｍの発光波長を有するように形成される場合であれば、キャップ層６は、例えば、ＡｌＮ（ｘ５＝１．０）にて５ｎｍの厚みを有するように形成するのが好適な一例である。
【００４２】
なお、本発明者によるカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定の結果、本実施の形態に係る発光素子構造２０は、−２５°≦θ≦−１５°という要件を満たさず表面平坦性が劣るエピタキシャル基板を用いた他は同様の条件にて作製した発光素子構造に比して、内部量子効率（発光層５でのキャリアの再結合効率）が高いことが確認されている（実施例参照）。両者の差異がエピタキシャル基板の表面平坦性にあることから、本実施の形態のように、表面平坦性の優れたエピタキシャル基板を用いて発光素子構造２０を形成することが、優れた発光効率の実現において効果があるといえる。これはエピタキシャル基板の表面平坦性が優れていることで、急峻な界面を有する発光層５が形成され、高いキャリア閉じこめ効果が実現したことによる。
【００４３】
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態においては、第１の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０は、下地基板として用いる他の態様について説明する。
【００４４】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子構造３０の構成を示す図である。図９（ａ）は、発光素子構造３０の構成を示す模式断面図である。図９（ａ）に示すように、発光素子構造３０は、第２の実施の形態に係る発光素子構造２０の発光層５に代えて、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する発光層７を備えた構造を有する。したがって、発光素子構造３０が備えるエピタキシャル基板１０、下地層３、ｎ型導電層４、およびキャップ層６については、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
図９（ｂ）は、発光層７の詳細構成を示す模式断面図である。図９（ｂ）に示すように、発光層７は、それぞれが数ｎｍ〜十数ｎｍ程度の厚みを有する単位発光層７ａと単位バリア層７ｂとをこの順に複数回繰り返し積層してなる層である。発光層７についても、例えばＭＯＣＶＤ法にて形成することができる。あるいは、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法などの他の公知のエピタキシャル形成手法を用いる態様であってもよい。
【００４６】
単位発光層７ａは、Ａｌx6Ｇａ1-x6Ｎ（０≦ｘ６＜ｘ７）なる組成のIII族窒化物にて形成される。単位発光層７ａの具体的な組成は、発光させようとする光の波長に応じて定められる。また、単位バリア層７ｂは、Ａｌx7Ｇａ1-x7Ｎ（ｘ６≦ｘ７≦ｘ３）なる組成のIII族窒化物にて形成される。単位発光層７ａの具体的な組成は、単位発光層７ａの組成に応じて定められる。
【００４７】
例えば、波長２６５ｎｍの紫外光を発光させようとする場合であれば、Ａｌ0.49Ｇａ0.51Ｎ（ｘ６＝０．４９）なる組成を有する５ｎｍの厚みの単位発光層７ａの形成と、Ａｌ0.58Ｇａ0.42Ｎ（ｘ７＝０．５８）なる組成を有する５ｎｍの単位バリア層７ｂの形成とを、４回ずつ繰り返して行えばよい。また、下地層３、ｎ型導電層４、およびキャップ層６については、第２の実施の形態と同様の態様にて形成すればよい。
【００４８】
以上のような構成を有することで、発光素子構造３０は、単位発光層７ａの組成に応じた波長の光を発するものとなる。このことは、発光素子構造３０に対し例えばカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定を行うことによって確認できる。
【００４９】
なお、本発明者によるカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定の結果、本実施の形態に係る発光素子構造３０についても、傾角θについて−２５°≦θ≦−１５°という要件を満たさず表面平坦性が劣るエピタキシャル基板を用いた他は同様の条件にて作製した発光素子構造に比して、内部量子効率が高いことが確認されている（実施例参照）。すなわち、本実施の形態からも、表面平坦性の優れたエピタキシャル基板を用いて発光素子構造を形成することが、優れた発光効率の実現において効果があるということができる。
【００５０】
＜第４の実施の形態＞
本実施の形態においては、第２の実施の形態にて示した発光素子構造２０を用いて作製した発光素子について説明する。図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る発光素子１００の構造を模式的に示す図である。図１０（ａ）は発光素子１００の上面図であり、図１０（ｂ）は該上面図に記す線分Ａ−Ｂに沿った断面図である。図１０（ｂ）に示すように、発光素子１００は、発光素子構造２０の上にさらに、中間層１１と、クラッド層１２と、キャリア供給層１３と、コンタクト層１４とをこの順に隣接形成させた積層構造を有する。すなわち、発光素子１００は、第１の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０、すなわち、傾角θが−２５°以上−１５°以下である基材１の上にＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１．０）からなる基板表面層２をエピタキシャル形成してなるエピタキシャル基板１０を下地基板として、その上に各層を順次に積層形成することにより形成されるデバイスである。なお、発光層５に代えて、第３の実施の形態のように多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する発光層７を形成するようにしてもよい。
【００５１】
中間層１１と、クラッド層１２と、キャリア供給層１３と、コンタクト層１４とは、基板表面層２と同様の手法にて形成される。すなわち、例えばＭＯＣＶＤ法にて形成することができる。あるいは、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法などの他の公知のエピタキシャル形成手法を用いる態様であってもよい。
【００５２】
また、ｎ型導電層４の一部は露出しており、その露出部分にカソード電極パッド１５が設けられてなる。カソード電極パッド１５は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕによって形成されてなる。
【００５３】
さらに、コンタクト層１４の上には、アノード電極層１６が設けられてなる。アノード電極層１６は、Ｎｉ／Ａｕによって形成されてなる。
【００５４】
発光素子１００は、カソード電極パッド１５とアノード電極層１６との間に所定の電圧を印加することで生じる、発光層５におけるキャリアの再結合による励起発光を、素子外部に向けて出射するものである。
【００５５】
クラッド層１２は、発光層５におけるキャリアの閉じこめ効果を高める目的で設けられる層である。従って、発光層５を構成するIII族窒化物よりも、バンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる。
【００５６】
発光層５がＡｌx4Ｇａ1-x4Ｎ（０≦ｘ４≦ｘ３）なる組成のIII族窒化物で形成されてなる場合、クラッド層１２は、さらにＡｌリッチなＡｌx8Ｇａ1-x8Ｎ（ｘ４＜ｘ８≦１．０）なるIII族窒化物に、ＭｇなどのＰ型のドーパントをドープすることによって形成されてなる。より好ましくは、少なくとも発光層５との接合部近傍においては、Ａｌx8Ｇａ1-x8Ｎ（ｘ４＜ｘ８≦１．０かつ０．６≦ｘ８≦１．０）なるIII族窒化物で形成される。係る場合、発光素子１００の発光特性がより向上するからである。
【００５７】
一方、キャリア供給層１３は、発光層４に対しキャリアが効率的に供給されるように設けられる層である。上述のように発光層５がＡｌx4Ｇａ1-x4Ｎ（０≦ｘ４≦ｘ３）なる組成のIII族窒化物で形成されてなり、クラッド層１２がＡｌx8Ｇａ1-x8Ｎ（ｘ４＜ｘ８≦１．０）なるIII族窒化物で形成されてなる場合、キャリア供給層１３は、Ａｌx9Ｇａ1-x9Ｎ（０≦ｘ９＜ｘ８）なるIII族窒化物に、ＭｇなどのＰ型のドーパントをドープすることによって形成されてなる。
【００５８】
例えば、波長２６５ｎｍの紫外光を発光させようとする場合であれば、上述のように発光層５がＡｌ0.49Ｇａ0.51Ｎ（ｘ４＝０．４９）なるIII族窒化物にて形成されるので、クラッド層１２については、Ｐ型ドーパントとしてのＭｇ原子を１×１０19/ｃｍ3程度含むＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層を、数十ｎｍ程度の厚みに形成し、キャリア供給層１３については、Ｐ型ドーパントとしてのＭｇ原子を３×１０19/ｃｍ3程度含むＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる層を、数十ｎｍ程度の厚みに形成するのが、好適な一例である。
【００５９】
なお、キャリア供給層１３は単一組成で構成される必要はなく、超格子構造としたり組成傾斜構造とすることもできる。こうした構造は、Ｐ型キャリア濃度の向上や、抵抗低減の役割を担う。
【００６０】
コンタクト層１４は、アノード電極部１６との間で良好なオーミック接触を得るために、キャリア供給層１３とアノード電極部１６との間に形成される。
【００６１】
コンタクト層１４は、Ｐ型の導電型を有する。コンタクト層１４は、キャリア供給層１３を構成するIII族窒化物よりもバンドギャップが小さいIII族窒化物に、ＭｇなどのＰ型のドーパントをドープすることによって形成される。例えば、ＧａＮを用いるのが好適な一例である。
【００６２】
コンタクト層１４は、その機能が確保される範囲において適宜の厚みに形成されてよい。例えば、１００ｎｍ以上の厚みを有するように形成することもできる。１００ｎｍよりも厚くコンタクト層１４を形成した場合、三次元核成長段階から二次元成長段階に移行するため、表面が平坦な結晶層として形成され、比抵抗を低減できる。２００ｎｍ程度に設けるのが好適な一例である。
【００６３】
なお、コンタクト層１４を、III族窒化物の組成や不純物濃度が異なる複数の層からなる多層構造を有するように形成してもよい。例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ組成を変調若しくは超格子構造にしたり、表面近傍でＰ型のドーパント濃度を上げたりすることにより、Ｐ型電極との接触抵抗を低減することも可能である。
【００６４】
本実施の形態に係る発光素子１００においては、さらに、発光層５とＰ型の導電部であるクラッド層１２との間に、中間層１１を介在させてなる。
【００６５】
中間層１１は、発光素子１００において、発光層５からの所望の発光波長（ねらいの発光波長）での発光を良好に生じさせる目的で設けられる。中間層１１は、好ましくは、Ａｌx10Ｇａ1-x10Ｎ（０．８≦ｘ１０≦１．０）なるIII族窒化物にて、より好ましくはＡｌＮにて、５ｎｍ以下の厚みに、好ましくは１ｎｍ程度の厚みに形成される。中間層１１を５ｎｍより厚く形成することは、立ち上がり電圧を大きくする必要が生じるため好ましくない。
【００６６】
特にＡｌＮを用いて中間層１１を形成する場合、中間層１１の厚みは、クラッド層１２から発光層５へのキャリア注入が阻害されないように、トンネル電流が支配的になるような範囲内とすることが望ましい。
【００６７】
中間層１１は、印加電流に対する光出力が向上させるとともに、ねらいの発光波長での発光のみを良好に生じさせる目的で挿入される。クラッド層１２とキャリア供給層１３とにドープされてなるＭｇ原子が発光素子１００の作成過程で発光層５に拡散すると、これに起因にしてねらいの発光波長以外での発光が生じうるが、中間層１１を具備することで発光層５へのＭｇ原子の拡散が防止され、そうした不要な発光が抑制される。この効果は、原子間の結合力が強く、格子定数が最も小さいＡｌＮの場合に顕著となる。
【００６８】
以上のような構成を有する発光素子１００は、発光層５の組成に応じた波長の光を優れた発光効率にて発するものとなる。しかも、発光素子１００は、電流増加に伴い発光波長がシフトすることもなく、ねらいの発光波長で発光する。これは、発光素子１００が、第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０を用いることにより、内部電界の小さい無極性面窒化物の積層構造体として形成されることの効果である。
【実施例】
【００６９】
（実施例１）
本実施例では、基材として、２ｉｎｃｈ径で厚さが４００μｍであり、傾角θが−３０°≦θ≦＋５°の範囲で種々の値をとる複数種類のサファイア単結晶基板を用意し、基板表面層としてＡｌＮ層を形成することにより、エピタキシャル基板を得た。具体的には、以下の手順によりエピタキシャル基板を得た。
【００７０】
まず、それぞれの基材を、ＭＯＣＶＤリアクタへ設置した後、基材温度を１２００℃がなるよう加熱を行った。以降、ＡｌＮ層形成まで基材温度は１２００℃とした。水素ガスをＭＯＣＶＤリアクタ内に導入し、水素クリーニング処理を行った。その際、雰囲気圧力は１０Ｔｏｒｒとした。続いて、温度を１２００℃に保ちつつ、ＭＯＣＶＤリアクタ内に水素キャリアガスとともにアンモニアガスを供給し、基材表面の窒化処理を行った。
【００７１】
そして、ＭＯＣＶＤリアクタへＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアとを、それぞれ３４μｍｏｌ／ｍｉｎ、４．５ｍｍｏｌ／ｍｉｎの流量にて供給し、基材の上に、１μｍ厚のＡｌＮを形成させた。キャリアガスには水素ガスを用いた。以上により、エピタキシャル基板を得た。
【００７２】
得られたそれぞれのエピタキシャル基板について、ＡＦＭによる５μｍ×５μｍ視野での測定を行い、ＡｌＮ層の表面粗さ値として、表面凹凸のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ：二乗平均平方根）値を求めた。傾角θと表面粗さ値との関係をプロットしたグラフが図５である。
【００７３】
図５に示すように、傾角θが−２５°≦θ≦−１０°の範囲でのみ、表面粗さが約１ｎｍ程度となり、基板表面層としてのＡｌＮ層の表面が優れた平坦性を有することが確認された。ただし、傾角θが−１０°であったエピタキシャル基板でのみ、ＡｌＮ層の表面に三角形状のピットが多数形成されているのが確認された。
【００７４】
本実施例より、基板表面法線の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°という条件を満たすサファイア単結晶基板を基材として用い、その上に、ＡｌＮからなる基板表面層をエピタキシャル形成することで、平坦性の優れた表面を有する基板表面層を備えたエピタキシャル基板を得られることが確認された。
【００７５】
（実施例２）
基板表面層としてＡｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ層（ｘ１＝０．９）を形成した他は、実施例１と同様の手順でエピタキシャル基板を得た。ただし、水素クリーニング処理における雰囲気圧力は１５Ｔｏｒｒとした。
【００７６】
Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ層の形成の際には、ＭＯＣＶＤリアクタ内にＴＭＡ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアをそれぞれ、３４μｍｏｌ／ｍｉｎ、３４μｍｏｌ／ｍｉｎ、４．５ｍｍｏｌ／ｍｉｎの流量比にて供給した。
【００７７】
得られたそれぞれのエピタキシャル基板について、ＡＦＭによる５μｍ×５μｍ視野での測定を行い、ＡｌＮ層の表面粗さ値として、表面凹凸のＲＭＳ値を求めた。傾角θと表面粗さ値との関係をプロットしたグラフが図６である。
【００７８】
図６に示すように、傾角θが−２５°≦θ≦−１０°の範囲でのみ、表面粗さが約２ｎｍ以下となり、基板表面層としてのＡｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ層の表面が優れた平坦性を有することが確認された。
【００７９】
本実施例より、基板表面法線の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°という条件を満たすサファイア単結晶基板を基材として用い、その上に、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ｎからなる基板表面層をエピタキシャル形成することで、平坦性の優れた表面を有する基板表面層を備えたエピタキシャル基板を得られることが確認された。
【００８０】
（実施例３）
基板表面層としてＡｌ0.8Ｇａ0.2Ｎ層（ｘ１＝０．８）を形成した他は、実施例２と同様の手順でエピタキシャル基板を得た。ただし、基材の温度は１１５０℃とした。
【００８１】
得られたそれぞれのエピタキシャル基板について、ＡＦＭによる５μｍ×５μｍ視野での測定を行い、ＡｌＮ層の表面粗さ値として、表面凹凸のＲＭＳ値を求めた。傾角θと表面粗さ値との関係をプロットしたグラフが図７である。
【００８２】
図７に示すように、傾角θが−２５°≦θ≦−１０°の範囲でのみ、表面粗さが約３ｎｍ以下となり、基板表面層としてのＡｌ0.8Ｇａ0.2Ｎ層の表面が優れた平坦性を有することが確認された。
【００８３】
本実施例より、基板表面法線の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°という条件を満たすサファイア単結晶基板を基材として用い、その上に、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ｎからなる基板表面層をエピタキシャル形成することで、平坦性の優れた表面を有する基板表面層を備えたエピタキシャル基板を得られることが確認された。
【００８４】
（実施例４）
本実施例では、実施例１で作製したエピタキシャル基板（テンプレート基板）の一部を下地テンプレートとして用い、それぞれにＭＯＣＶＤ法にてエピタキシャル膜を成長し、複数種類の発光素子構造を作製した。
【００８５】
具体的には、以下の各層を順次に形成した。
【００８６】
（１）０．５μｍ厚のＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる下地層。
【００８７】
（２）Ｓｉ原子濃度が２×１０18／ｃｍ3程度である１．０μｍ厚のｎ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなるｎ型導電層。
【００８８】
（３）１０ｎｍ厚のＡｌ0.49Ｇａ0.51Ｎからなる発光層。
【００８９】
（４）５ｎｍ厚のＡｌＮからなるキャップ層。
【００９０】
得られた発光素子構造に対し、カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定を行った。なお、電子の加速電圧条件は３ｋＶとし、測定温度は３０Ｋと３００Ｋとの２通りに設定した。測定の結果、全てのサンプルについて、波長プロファイルにおけるピーク波長が２６５ｎｍとなる発光が確認された。
【００９１】
（実施例５）
実施例４の発光素子構造における発光層に代えて、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する発光層を形成したほかは、実施例４と同様の手順で発光素子構造を作製した。具体的には、５ｎｍ厚のＡｌ0.49Ｇａ0.51Ｎからなる発光層と５ｎｍ厚のＡｌ0.58Ｇａ0.42Ｎからなるバリア層とを、交互に４周期繰り返すことにより、発光層を形成した。
【００９２】
得られた発光素子構造に対し、実施例４と同じ条件でカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定を行った。測定の結果、全てのサンプルについて、波長プロファイルにおけるピーク波長が２６５ｎｍとなる発光が確認された。
【００９３】
（実施例６）
下地テンプレートとして実施例２で作製したエピタキシャル基板の一部を用いた以外は、実施例４と同様の手順で発光素子構造を作製した。
【００９４】
得られた発光素子構造に対し、実施例４と同じ条件でカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定を行った。測定の結果、全てのサンプルについて、波長プロファイルにおけるピーク波長が２６５ｎｍとなる発光が確認された。
【００９５】
（実施例７）
下地テンプレートとして実施例３で作製したエピタキシャル基板の一部を用いた以外は、実施例４と同様の手順で発光素子構造を作製した。
【００９６】
得られた発光素子構造に対し、実施例４と同じ条件でカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定を行った。測定の結果、全てのサンプルについて、波長プロファイルにおけるピーク波長が２６５ｎｍとなる発光が確認された。
【００９７】
（エピタキシャル基板と発光状態との関係）
図１１は、実施例４〜実施例７において得られたそれぞれの発光素子構造についての、３０Ｋと３００Ｋとの波長プロファイルにおける、２６５ｎｍをピーク波長とするピークの積分強度比Ｉ300K／Ｉ30Kを一覧にして示す図である。この積分強度比Ｉ300K／Ｉ30Kが発光層における内部量子効率にほぼ等しいことが、あらかじめ確認されている。
【００９８】
図１１に示すように、いずれの実施例についても、サファイア単結晶基板の傾角θが−２５°≦θ≦−１５°という範囲にある発光素子構造の方が、他の発光素子構造に比して、積分強度比が１オーダー程度高いことがわかる。すなわち、高い内部量子効率が得られていることがわかる。
【００９９】
実施例１〜実施例３に示すように、傾角θがこのような範囲にあるサファイア単結晶基板を基材として用いたエピタキシャル基板は、優れた表面平坦性を有するので、図１０に示す結果は、そうした表面平坦性の優れた下地テンプレートを用いることにより、発光効率の優れた発光素子構造が得られることを指し示すものであるといえる。
【０１００】
（実施例８）
本実施例では、第４の実施の形態に係る発光素子１００を作製した。なお、基材１としては、傾角θが−２０°であるサファイア単結晶基板を用いた。発光層５の形成までは、実施例４と同様の手順で行った。その後、引き続きＭＯＣＶＤ法により、以下の各層を順次に形成した。
【０１０１】
（１）１ｎｍ厚のＡｌＮからなる中間層１１。
【０１０２】
（２）Ｍｇ原子濃度が１×１０19／ｃｍ3程度である２５ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなるクラッド層１２。
【０１０３】
（３）Ｍｇ原子濃度が３×１０19／ｃｍ3程度である２５ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるキャリア供給層１３。
【０１０４】
（４）Ｍｇ原子濃度が１×１０20／ｃｍ3程度である２００ｎｍ厚のｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１４。
【０１０５】
得られた積層構造体に対し、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とを用い、ｎ型導電層４となるＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層の一部を露出させた。なお、非エッチング領域の概略寸法は０.５ｍｍ×０.５ｍｍとした。
【０１０６】
次に、クラッド層１２となるＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層、キャリア供給層１３となるＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる層、およびコンタクト層１４となるＧａＮ層におけるＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中での８００℃の熱処理を２５分間行った。
【０１０７】
続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、ｎ型導電層４となるＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層の露出部分に、カソード電極パッド１５としてのＴｉ/Ａｌ／Ｎｉ／Ａｉ膜をそれぞれ１５ｎｍ、２００ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍの厚みでパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での９００℃の熱処理を３０秒間行った。
【０１０８】
さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、コンタクト層１４となるＧａＮ層の最上面に、アノード電極層１６となるＮｉ/Ａｕ膜をそれぞれ６ｎｍ、１００ｎｍの厚みにパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中での６００℃の熱処理を３０秒間行った。以上により、発光素子１００が得られたことになる。
【０１０９】
係る発光素子３０に対して、アノード電極層１６とカソード電極パッド１５の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。この紫外線発光の基材１側からの光出力は、入力電流６０ｍＡ時において２３．５μＷであった。また、Ｃ面を成長面として形成した発光素子で見られるような、電流増加に伴う波長のシフトは観察されなかった。これは、発光素子３０における内部電界が小さいことを指し示す結果である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  基材
２  基板表面層
３  下地層
４  ｎ型導電層
５、７  発光層
６  キャップ層
７ａ  単位発光層
７ｂ  単位バリア層
１０  エピタキシャル基板
１１  中間層
１２  クラッド層
１３  キャリア供給層
１４  コンタクト層
２０、３０  発光素子構造
１００  発光素子
【図１】
2010235318.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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