(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア、ＺｎＯ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどを基板本体として、その一方の表面に堆積形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）バッファ層と、このバッファ層の表面にエピタキシャル成長により堆積形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）デバイス多層膜とを具えるフォトニックデバイスの製造方法であって、
前記バッファ層中の、Ａｌ組成が最少の部分のＡｌ組成を、前記デバイス多層膜中の少なくとも最大膜厚の層のＡｌ組成以上とし、
前記デバイス多層膜を、前記バッファ層の成膜温度よりも低い基板表面温度でMOCVD法によりエピタキシャル成長させて形成し、
前記バッファ層の成膜時の基板表面温度は１１００℃以上１３００℃未満とするとともに、
前記バッファ層の成膜時における平均ガス流量が１m/秒以上であることを特徴とする、フォトニックデバイスの製造方法。
【請求項２】
前記バッファ層を成膜する際に、キャリアガスとして使用する水素ガス及び窒素ガスの流量比（水素ガス／窒素ガス）を、前記デバイス多層膜を成膜する際にキャリアガスとして使用する水素ガス及び窒素ガスの流量比（水素ガス／窒素ガス）よりも大きくすることを特徴とする、請求項１に記載のフォトニックデバイスの製造方法。
【請求項３】
前記バッファ層を成膜する際に使用するV族原料ガスの、III族原料ガスに対する流量比（Ｖ族原料ガス／III族原料ガス）を、前記デバイス多層膜を成膜する際に使用するV族原料ガスの、III族原料ガスに対する流量比（Ｖ族原料ガス／III族原料ガス）よりも小さくすることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフォトニックデバイスの製造方法。
【請求項４】
前記バッファ層を、サファイア、ＺｎＯ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの基板本体の表面に形成した後、この基板本体によってバッファ層を支持した状態で、前記デバイス多層膜を成膜することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のフォトニックデバイスの製造方法。
【請求項５】
前記バッファ層内、又は前記バッファ層と前記デバイス多層膜との間において、Ａｌ組成の差が１０原子％以上の界面を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のフォトニックデバイスの製造方法。
【請求項６】
前記デバイス多層膜中のＡｌ組成が最大の層の組成を、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，１．０≧ｘ≧０．３）としたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のフォトニックデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、III−V族窒化物半導体材料の多層薄膜を、エピタキシャル成長により堆積成膜して構成された発光デバイスや受光デバイスなどのフォトニックデバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上述したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）が広く使用されている。このようなＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）膜は、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長よって成膜されるが、ＩＩＩ族の原料ガスとしては、ＡｌＮ膜を成膜する際にはＴＭＡ（トリメチルアルミニューム）が用いられ、ＧａＮ膜を成膜する際にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）が用いられ、ＩｎＮ膜を成膜する際にはトリメチルインジウム）が用いられ、何れの場合にもＶ族の原料ガスとしては、ＮＨ３（アンモニア）が一般に用いられ、キャリアガスとしてはＮ２およびＨ２が用いられている。
【０００３】
一般に、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）膜を成膜する際には、上述したＩＩＩ族の原料ガスの供給割合を制御して所望の組成のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜を得るようにしているが、ＡｌＮのバンドギャップＥｇが６．２ｅＶであり、ＧａＮのバンドギャップが３．４ｅＶであり、ＩｎＮのバンドギャップが１．９ｅＶであり、発光波長λとバンドギャップＥｇとの間には、λ＝１２４０／Ｅｇなる関係があるので、これらの窒化物半導体材料を用いた発光デバイスから放射される光の波長は、それぞれほぼ２００ｎｍ、３６５ｎｍおよび６５３ｎｍとなる。また、このような窒化物半導体材料を用いた受光デバイスにおいては、上述した波長以下の光を検出できる。
【０００４】
また、上述したＩＩＩ族の原料ガスの混合比を調整することによって、成膜される窒化物半導体材料薄膜の組成を制御することができ、これによって所望の発光波長や受光波長を得ることができる。例えば、ＴＭＡとＴＭＧとを混合して、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ混結晶薄膜を成膜した場合、バンドギャップＥｇは、ほぼ６．２ｘ＋３．４（１−ｘ）と近似でき、発光波長λも、１２４０／｛６．２ｘ＋３．４（１−ｘ）｝と近似できる。したがって、例えばｘ＝０．３とすると、発光波長λはほぼ２９２ｎｍとなる。同様に、受光波長については、上述した式で規定される波長以下の波長領域において感度を有することになる。
【０００５】
上述したように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料であるＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）多層薄膜構造を有する発光ダイオードを製造するに当たり、サファイア基板のＣ―面上にＭＯＣＶＤ法によって直接ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ薄膜をエピタキシャル成長させると、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ薄膜は多くの欠陥を含み、結晶性が非常に悪いものとなり、効率が非常に低いものとなってしまう。
【０００６】
そこで、サファイア基板の表面にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）のデバイス多層膜を直接形成せず、バッファ層として作用するＧａＮ膜を低温ＣＶＤのエピタキシャル成長により形成することが提案されている。このような低温のＣＶＤによるエピタキシャル成長で成膜したバッファ層を介在させることにより、サファイア基板の格子定数と、デバイス多層膜の格子定数との１０％以上の差異が補償され、結晶性が良好なデバイス多層膜を成膜することができる。また、バッファ層としては、ＧａＮ膜の代わりにＡｌＮ膜を低温ＣＶＤのエピタキシャル成長により形成することも提案されている。
【０００７】
従来の発光デバイスは、主として発光波長λが４００ｎｍ以上の長波長のものであるが、上述したように短波長の青色光や紫外線を発光させるには、デバイス多層膜中のＡｌ組成を増大させる必要がある。また、緑色から青色の従来の発光デバイスにおいても、発光層の閉じ込めを効率的に行うため、発光層以外のＡｌ組成を増大させる必要がある。このようにアルミリッチなＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）のデバイス多層膜を上述したように低温のＣＶＤによるエピタキシャル成長で形成したバッファ層の上に成膜すると、クラックが発生したり、結晶性が著しく劣化してしまう。
【０００８】
その理由は、アルミリッチな（格子定数の小さな）ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）薄膜をアルミ組成が小さな（格子定数が大きな）バッファ層上に成膜するとデバイス多層膜に引っ張り応力が発生してクラックが発生すると共に、アルミリッチなＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）薄膜の横方向成長速度は遅く、結晶性の悪い低温バッファ層は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）のデバイス多層膜の結晶性の向上を阻害するためであると考えられる。紫外光受光デバイスにおいても、このような結晶性の劣化により、受光感度が劣化してしまうという問題がある。
【０００９】
このような欠点を解消するために、例えば特開平９―６４４７７号公報には、サファイア基板の上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１≧ｘ＞０）膜をバッファ層として形成し、その上にアルミリッチなＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）デバイス多層膜を成膜した発光デバイスが提案されている。
【００１０】
さらに、特開平５―２９１６１８号公報には、サファイア基板本体の上にＧａ１−ｘ−ｙＩｎｘＡｌｙＮ（１≧ｘ≧０，１≧ｙ≧０）薄膜を形成し、その組成ｘおよび／またはｙを変化させて最終的にＧａ１−ａ−ｂＩｎａＡｌｂＮ（１≧ａ≧０，１≧ｂ≧０）の組成となるようにしてバッファ層を成膜し、その上に、Ｇａ１−ａ−ｂＩｎａＡｌｂＮ（１≧ａ≧０，１≧ｂ≧０）からなるデバイス多層膜を成膜した発光デバイスが開示されている。
【００１１】
【発明が解決すべき課題】
上述した特開平９―６４４７７号公報に記載された技術では、高温ＡｌＧａＮバッファ層を用いることにより、その上にアルミリッチなＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）のデバイス多層膜を良好な結晶性を有するものとして成膜することができると共に、デバイス多層膜中におけるクラックの発生も抑止することができる。
【００１２】
しかしながら、ＡｌＧａＮバッファ層を成膜する際の成膜温度を１３００℃以上と高くする必要がある。また、ＡｌＧａＮバッファ層の成膜後に、１５００℃程度の高い温度でアニールをする必要がある。このように、高温の処理が必要であるため、ＭＯＣＶＤ装置のヒータへの負担が非常に大きくなり、メンテナンスが非常に面倒になり、製造コストも上昇する欠点がある。
【００１３】
特に、上述したように短波長の光を発光あるいは受光するフォトニックデバイスを実現するためには、デバイス多層膜にアルミリッチなＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）層を設ける必要があるが、このようなアルミリッチな層の縦横方向の成長速度は遅いので、成膜温度を非常に高くする必要があり、装置への負担が特に大きくなるという問題がある。
【００１４】
ここで成膜温度を１２００℃程度に低くすると、０．３μｍ程度の膜厚でバッファ層にクラックが発生してしまうと共に、バッファ層の結晶性が不十分であり、良好な結晶性を有するデバイス多層膜を成膜することができなくなる。
【００１５】
また、上述した特開平５―２９１６１８号公報に記載された技術では、Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｘＡｌｙＮ（１≧ｘ≧０，１≧ｙ≧０）バッファ層の組成ｘおよび／またはｙを変化させて最終的にＧａ１−ａ−ｂＩｎａＡｌｂＮ（１≧ａ≧０，１≧ｂ≧０）の組成となるようにし、その上に、Ｇａ１−ａ−ｂＩｎａＡｌｂＮ（１≧ａ≧０，１≧ｂ≧０）からなるデバイス多層膜を成膜したものであるので、デバイス多層膜の結晶性は良好となると共にクラックの発生も有効に抑止されている。さらに、バッファ層の成膜温度も、７００℃程度と低温であるので、ヒータに対する負荷も小さくなっている。
【００１６】
しかしながら、この公知技術においては、バッファ層とデバイス多層膜とが連続的につながるように組成を制御している。このように、バッファ層とデバイス多層膜との界面で組成が連続的につながっていると、デバイス多層膜からバッファ層への電流の漏れが発生し、その部分での抵抗による損失が発生し、効率が低下してしまうという欠点がある。
【００１７】
したがって、本発明の目的は、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などの上に、クラックがなく、結晶性に優れたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）バッファ層およびその上にエピタキシャル成長によって成膜したクラックがなく、結晶性に優れたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）デバイス多層膜を有するフォトニックデバイスおよびそのようなフォトニックデバイスを製造できる方法を提供しようとするものである。
【００１８】
上記目的を達成すべく、本発明は、
サファイア、ＺｎＯ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどを基板本体として、その一方の表面に堆積形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）バッファ層と、このバッファ層の表面にエピタキシャル成長により堆積形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）デバイス多層膜とを具えるフォトニックデバイスの製造方法であって、
前記バッファ層中の、Ａｌ組成が最少の部分のＡｌ組成を、前記デバイス多層膜中の少なくとも最大膜厚の層のＡｌ組成以上とし、
前記デバイス多層膜を、前記バッファ層の成膜温度よりも低い基板表面温度でMOCVD法によりエピタキシャル成長させて形成し、
前記バッファ層の成膜時の基板表面温度は１１００℃以上１３００℃未満とするとともに、
前記バッファ層の成膜時における平均ガス流量が１m/秒以上であることを特徴とする、フォトニックデバイスの製造方法に関する。
【００１９】
このような本発明の方法によって得たフォトニックデバイスは発光デバイスや受光デバイスとして構成することができる。さらに、本発明のフォトニックデバイスの製造方法の好適な実施例においては、前記デバイス多層膜中のＡｌ組成が最大の層の組成を、短波長光放射用発光デバイスや短波長光受光用受光デバイスなどに好適に用いることのできる、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，１．０≧ｘ≧０．３）とすることが望ましい。また、前記バッファ層中の、Ａｌ組成が最少の部分のＡｌ組成を、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，１．０≧ｘ≧０．５）とすることが好ましく、さらには１．０≧ｘ≧０．７とすることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明によるフォトニックデバイスの製造方法の好適な実施例においては、前記バッファ層の、前記基体本体に最も近い部分は、ＡｌＮなる組成を有する。これによって、バッファ層内における組成の自由度が高くなるので、所望の特性を有するデバイス多層膜を容易に実現することができる。
【００２１】
また、前記バッファ層中において、Ａｌ組成の差が１０原子％以上である界面を有することが好ましい。同様に、前記デバイス多層膜と前記バッファ層との間において、Ａｌ組成の差が１０原子％以上の界面を有することが好ましい。このように隣接する層間にＡｌ組成の段差を設けることによって、特に、転位がこのＡｌ段差を越えて上方に伝搬することがなくなる。したがって、このＡｌ組成の段差の上方部分における転位量を抑制することができ、結晶性に優れたデバイス多層膜を得ることができる。
【００２３】
本発明による製造方法では、前記バッファ層を、前記デバイス多層膜の成膜温度よりも高い基板表面温度でＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて形成する。具体的には、バッファ層の成膜温度を１１００℃以上とする。
【００２４】
また、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）なる組成のバッファ層を成膜する際にキャリアガスとして使用する水素ガス及び窒素ガスの流量比（水素ガス／窒素ガス）を、前記デバイス多層膜を成膜する際にキャリアガスとして使用する水素ガス及び窒素ガスの流量比（水素ガス／窒素ガス）よりも大きくすることが好適である。
【００２５】
また、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）なる組成のバッファ層を成膜する際に使用するＶ族原料ガスの、ＩＩＩ族原料ガスに対する流量比（Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガス）を、前記デバイス多層膜を成膜する際に使用するＶ族原料ガスの、ＩＩＩ族原料ガスに対する流量比（Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガス）よりも小さくすることも好適である。ここでＩＩＩ族原料ガスの流量に関しては、二量体化などの重合化が生じていないものとして飽和蒸気圧から計算する。
【００２６】
さらに、Ａｌを含むIII族原料ガスとＶ族原料ガスを用いる場合、基板上部での反応管内における前記原料ガスを含んだ平均ガス流速が１ｍ／秒以上とする。この場合の平均ガス流速は、以下の式（１）によって表される。
【００２７】
【数１】
｛０℃換算のガス流量の合計（リットル／分）／６０×１０３×基板中心上部での反応管断面積（ｍ２）｝
×｛７６０／反応管内圧力（Ｔｏｒｒ）｝                        （１）
【００２８】
すなわち、全ガス流量が多いほど、また反応管断面積が小さいほど、あるいは反応管内圧力が小さいほど、平均ガス流速が大きくなる。したがって、気相中での原料ガスの反応を抑制し、バッファ層の結晶性をより効果的に向上させることができる。
【００２９】
さらに、本発明によるフォトニックデバイスの製造方法においては、前記バッファ層を、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮなどの基板本体で支持し、さらにその上にデバイス多層膜を成膜することができるが、バッファ層を１００μｍ程度の厚みで形成した後に、この基体本体を除去することもできる。
【００３０】
上述した本発明によるフォトニックデバイスの製造方法においては、前記デバイス多層膜中のＡｌ組成が最大の層の組成を、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，１．０≧ｘ≧０．３）とすることが好ましい。本発明では紫外線領域でのフォトニックデバイスの実現を主たる目的としているので、デバイス多層膜中の発光層のＡｌ組成ｘは大きなものとなる。
【００３１】
したがって、その周囲に積層される膜のＡｌ組成はさらに大きくなる。例えば発光波長λを３００ｎｍ程度の紫外線を想定すると、Ａｌ組成ｘは０．３となる。したがって、本発明においては、デバイス多層膜中のＡｌ組成が最大の層の組成を、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，１．０≧ｘ≧０．３）とした。
【００３２】
さらに、本発明においては、前記バッファ層中の、Ａｌ組成が最少の部分のＡｌ組成を、前記デバイス多層膜中の最大膜厚の層のＡｌ組成以上とする。この要件は膜中に発生する恐れのあるクラックを抑止するための条件である。デバイス多層膜中の最大膜厚の層の部分では最も大きな応力が発生し、クラックが発生する確率が最も高い部分となる。この最大膜厚の部分に引っ張り応力が発生すると、クラックが発生することになる。この層に圧縮応力を発生させてクラックの発生を抑止するためには、この層よりもバッファ層のＡｌ組成を大きくすることが必要となる。
【００３３】
また、本発明においては、前記バッファ層のＡｌ組成ｘを、前記基板本体側よりデバイス多層膜に向けて、連続的またはステップ状にＡｌ組成比ｘの値が小さくなるように構成するが、この要件は本発明の最も特徴的なものである。
【００３４】
本発明は、従来のような１３００℃以上の高温を使用せず、１２００℃程度の低温で結晶性が良好なバッファ層を成膜することを目的とするものであるが、１２００℃程度の低温で良好な結晶性を有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）バッファ層を成膜するためには、バッファ像の膜厚を１μｍから２μｍ程度まで厚くする必要がある。
【００３５】
しかしながら、バッファ層の膜厚をこのように厚くするとクラックが発生してしまうという問題がある。その理由は、バッファ層を形成していく際に引っ張り応力が発生し、バッファ層を厚くすればするほど格子定数が大きくなってクラックが入り易くなるためである。これについては、さらに後に詳述する。
【００３６】
このような問題を解決するためには、クラックが入る前に、バッファ層の材料を格子定数の大きな材料に変えてしまえば良いことになる。上述したように、バッファ層のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）組成のＡｌ組成を減らしていくことによって格子定数を大きくなるため、バッファ層内部での応力を防ぐことができ、その結果として１２００℃程度の低温でも、クラックを発生することなくバッファ層の膜厚を厚くすることができ、結晶性を良好とすることができる。また、バッファ層にＧａを添加することによって、横方向の成長速度を促進する効果も副次的にあるため、転位抑制効果もある。
【００３７】
上述したように、本発明においては、バッファ層を、前記デバイス多層膜よりも高い基板表面温度で形成することが好ましいが、バッファ層の方がデバイス多層膜に比べてＡｌ組成が多いため、その成膜には高い温度が必要となるためである。したがって、本発明のバッファ層は、高温バッファ層ともいうべきものである。
【００３８】
上述したように、バッファ層を形成していく際に引っ張り応力が発生することによって、クラックが入り易くなるが、このことについてさらに説明する。図１は、横軸にバッファ層の基体本体側におけるＡｌＮ部分の膜厚を取り、縦軸にこのＡｌＮ膜の結晶性の目安となる（００２）ピークのＸ線ロッキングカーブの半値巾（ＦＷＨＭ）を示すものである。ＡｌＮ膜の膜厚が厚くなるにしたがって半値巾が小さくなり、結晶性が良好となることがわかる。
【００３９】
図２ＡおよびＢは、横軸にＡｌＮ膜の膜厚を取り、縦軸にＡｌＮ膜の格子定数ａおよびｂをそれぞれ取って示すものである。ここで、格子定数ａおよびｂは図３に示すように、サファイア基板本体のＣ−面上に成膜されるＡｌＮ結晶の六角柱の底面の一辺の長さおよび高さにそれぞれ対応している。これらの図において、太い実線はＡｌＮ膜の理想的な格子定数を示すものである。これらグラフから明らかなように、ＡｌＮ膜の膜厚が厚くなるにしたがって、格子定数ａが延び、格子定数ｃが縮むことがわかる。
【００４０】
以上のことから、ＡｌＮ膜の膜厚が厚くなるにしたがって結晶性が良好になると共に、面内の格子定数ａが延びていくことがわかる。すなわち、ＡｌＮ膜の膜厚が厚くなると、面内で引っ張り応力が働き、クラックが入り易くなることがわかる。
【００４１】
また、本発明の製造方法においても、前記バッファ層中において、Ａｌ組成の差が１０原子％以上である界面を有することが好ましい。同様に、前記デバイス多層膜と前記バッファ層との間において、Ａｌ組成の差が１０原子％以上の界面を有することが好ましい。これによって、上述したように、結晶性に優れたデバイス多層膜を製造することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
図４および５は、本発明によるフォトニックデバイスの一実施例である紫外線発光デバイスを製造する一例の工程を示すものである。Ｃ面サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板本体１をＭＯＣＶＤ室に導入した。そして、この基板本体の表面温度、すなわち成膜温度をほぼ１２００℃に保つと共に成膜圧力を１５Ｔｏｒｒに保って、ＴＭＡをＩＩＩ族の原料ガスとし、アンモニアをＶ族の原料ガスとし、水素ガスをキャリアガスとして、全ガス流量が１０リットル／分となるように導入して気相成長を行い、ＡｌＮ膜３を約０．５μｍの膜厚に成膜する。
【００４３】
すなわち、キャリアガスとして使用する水素ガス及び窒素ガスの流量比（Ｈ２流量／Ｎ２流量）は無限大となる。また、ＩＩＩ族原料ガス流量に対するＶ族原料ガス流量の比（Ｖ族原料ガス流量／ＩＩＩ族の原料ガス流量）は４５０とし、成膜速度が１μｍ／時間となるように原料ガスの供給量を制御した。この場合、基板中心部上部での反応管断面積が５×１０−３ｍ２の横型反応管を用いているため、（１）式より平均ガス流速を計算すると、１．７ｍ／秒となる。
【００４４】
本例では、バッファ層２の基板本体１に最も近い部分をＡｌＮ膜３で形成する。続いてＩＩＩ族の原料ガスとしてＴＭＧを加えて、Ａｌ０．９８５Ｇａ０．０１５Ｎ膜４をほぼ０．５μｍの膜厚に成膜し、さらにＴＭＡ原料とＴＭＧ原料の流量比を変えて、Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ膜５をほぼ０．５μｍの膜厚に成膜する。このようにしてサファイア基板本体１のＣ−面上に、ＡｌＮ膜３、Ａｌ０．９８５Ｇａ０．０１５Ｎ膜４及びＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ膜５からなる、ほぼ１．５μｍの膜厚のバッファ層２を形成した基板を形成する。
【００４５】
ここで、ガス（Ｖ族の原料ガスの流量／ＩＩＩ族の原料ガスの流量）を一定にするように原料ガス供給量を調整している以外、ＡｌＮ膜３の成膜条件からガス流量は変更させていない。
【００４６】
この場合において、バッファ層の（００２）ピークのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は５０ａｒｃｓｅｃであった。また、ＡｌＧａＮ膜４及び５間におけるＡｌ組成の差が１０％以上となっているので、ＡｌＧａＮ膜４内に比較的多量の転位を含んでいたとしても、この転位がＡｌＧａＮ膜５に伝搬する割合は減少する。
【００４７】
次に、バッファ層２の表面に、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長によりデバイス多層膜を形成する。この場合、上述した基板をＭＯＣＶＤ装置から一旦取り出してからデバイス多層膜を形成しても良いが、本例では引き続いてＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）のデバイス多層膜をエピタキシャル成長により成膜する。
【００４８】
成膜時の基板表面温度は上述したバッファ層２を形成する際の基板表面温度である１２００℃よりも低い１０５０℃とし、キャリアガスとして使用する水素ガスおよび窒素ガスの流量比（Ｈ２流量／Ｎ２流量）を、上述したバッファ層２を成膜する場合の流量比以下の１に設定し、デバイス多層膜を成膜する際のＶ族の原料ガスの流量とＩＩＩ族の原料ガスの流量比（Ｖ族の原料ガス流量／ＩＩＩ族の原料ガス流量）を上述したバッファ層２を成膜する際の流量比以上の２０００に設定する。
【００４９】
本発明では、上述したようにキャリアガスとして使用する水素ガスおよび窒素ガスの流量比を、バッファ層２を成膜する場合の流量比以下とするが、その理由は、バッファ層２として良好な結晶性を有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）膜を成膜するには、水素ガスの流量を多くするのが望ましいためである。実際に水素ガス流量比を低下させた場合、結晶性が劣化して（００２）ピークのＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が１００ａｒｃｓｅｃ以上となった。
【００５０】
さらに、バッファ層２を成膜する際のＶ族の原料ガスの流量とＩＩＩ族の原料ガスの流量比を、デバイス多層膜を成膜する際のＶ族の原料ガスの流量とＩＩＩ族の原料ガスの流量比よりも小さくするが、これは、良好な結晶性を有するバッファ層２を得る上で重要である。
【００５１】
ここで、デバイス多層膜の成膜についても、水素ガスの流量を多くし、Ｖ族の原料ガスの流量とＩＩＩ族の原料ガスの流量比を小さくすると、発光特性が劣化する恐れがある。その理由は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ膜中のＧａ及びＩｎ濃度が高くなると、水素ガスによるエッチングをより受け易くなり、その結果、前記膜の結晶性が劣化してしまうためである。このため、デバイス多層膜全体としての発光特性および電気特性が劣化してしまうものと考えられる。
【００５２】
以下に、フォトニックデバイスとしての発光デバイスを形成する場合について説明する。図５に示すように、最初に、上述したような、バッファ層２の表面に、ｎ型のＧａＮ膜６を厚さ３μｍに形成する。この場合において、バッファ層２の最上層を構成するＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ膜５及びＧａＮ膜６間におけるＡｌ組成の差が１０％以上となっているので、Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ膜５中に比較的多量の転位を含んでいたとしても、この転位がＧａＮ膜６内に伝搬する割合は減少する。
【００５３】
このＧａＮ膜６はデバイス多層膜中で最大の膜厚を有するものであるが、これはＡｌを全く含んでいないため、バッファ層中のＡｌ組成の最小値が、デバイス多層膜中の少なくとも膜厚最大の層におけるＡｌ組成以上であるという要件を満足する。
【００５４】
次いで、ＧａＮ膜６上にｎ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ膜７を厚さ０．１μｍに形成する。次いで、このＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ膜７上に発光層としてのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜８を厚さ０．０５μｍに形成する。さらに、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜８上にｐ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ膜９を厚さ０．０５μｍに形成した後、このＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ膜９上に、低抵抗ｐ型のＧａＮ膜１０を厚さ０．５μｍに形成する。
【００５５】
最後に、ＧａＮ膜６〜ｐ型のＧａＮ膜１０の一部分をエッチングにより除去し、ＧａＮ膜６の一部の表面を露出させる。そして、ＧａＮ膜６の露出した表面上に電極１１を形成するとともに、低抵抗のＧａＮ膜１０の表面上にも電極１２を形成して、目的とする発光デバイスを得る。
【００５６】
また、上述した発光デバイスの変型例として、以下に示すような発光デバイスを例示することもできる。図５に示すようにバッファ層２の表面に、先ず，Ａｌ組成が０．８のｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜６を１〜２μｍの膜厚に形成する。このＡｌＧａＩｎＮ膜６は、デバイス多層膜中で最大の膜厚を有するものであるが、本発明においては、バッファ層２のＡｌ組成の最小値を、この膜厚最大のＡｌＧａＩｎＮ膜のＡｌ組成以上とする。
【００５７】
さらに、図５に示すように、ＡｌＧａＩｎＮ膜６の上に、Ａｌ組成が０．５のｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜７をほぼ０．５μｍの膜厚に成膜する。この場合において、ＡｌＧａＩｎＮ膜６及び７間におけるＡｌ組成の差が１０％以上となっているので、ＡｌＧａＩｎＮ膜６内に比較的多量の転位を含んでいたとしても、この転位がＡｌＧａＩｎＮ膜７に伝搬する割合が減少する。
【００５８】
次いで、ＡｌＧａＩｎＮ膜７上に発光層としてＡｌ組成が０．４のＡｌＧａＩｎＮ膜８をほぼ０．１μｍの膜厚に成膜する。この発光層であるＡｌＧａＩｎＮ膜７の上に、Ａｌ組成が０．５のｐ型のＡｌＧａＩｎＮ膜９をほぼ０．５μｍの膜厚に成膜し、Ａｌ組成が０．１以下の低抵抗のｐ型のＡｌＧａＩｎＮ膜１０をほぼ０．５μｍの膜厚に成膜する。
【００５９】
最後に、ＡｌＧａＩｎＮ膜６〜１０の一部分をエッチングにより除去してｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜６の一部の表面を露出させ、そこに電極１１を形成すると共に低抵抗のｐ型ＡｌＧａＩｎＮ膜１０の上にも電極１２を形成する。
【００６０】
図６は、本発明によるフォトニックデバイスの一実施例である紫外線に感度を有するｐｉｎタイプのフォトダイオードを製造する一例の工程を示すものである。図６に示すように基板１の表面に、ＡｌＮ膜３、Ａｌ０．９８５Ｇａ０．０１５Ｎ膜４およびＡｌ０．８５
Ｇａ０．１５Ｎ膜５より成るバッファ層２を形成した後、このバッファ層２の表面に、先ず，Ａｌ組成が０．５のｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜６を１〜２μｍの膜厚に形成する。
【００６１】
このＡｌＧａＩｎＮ膜６は、デバイス多層膜中で最大の膜厚を有するものであるが、本発明においては、バッファ層２のＡｌ組成の最小値を、この膜厚最大のＡｌＧａＩｎＮ膜６のＡｌ組成以上とする。
【００６２】
さらに、図６に示すように、ＡｌＧａＩｎＮ膜６の上に、Ａｌ組成が０．５のｎｏｎ−ｄｏｐｅのＡｌＧａＩｎＮ膜７をほぼ１００Åの膜厚に成膜し、さらに、Ａｌ組成が０．１５のｐ型のＡｌＧａＩｎＮ膜８をほぼ１００ｎｍの膜厚に成膜し、最後に、ＡｌＧａＩｎＮ膜６〜８の一部分をエッチングにより除去してｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜６の一部の表面を露出させ、そこに電極１１を形成すると共にｐ型ＡｌＧａＩｎＮ膜８の上にも電極１２を形成してｐｉｎタイプのフォトダイオードを完成する。
【００６３】
図６に示すフォトダイオードの受光面は電極１２を透明電極として図の上側とすることもできるし、基板１を透明とする場合には基板側とすることもできる。
【００６４】
上述したように、バッファ層２の成膜条件として、上記（１）式で求めた平均ガス流速を１ｍ／秒以上とする。図７は、横軸に平均ガス流速を取り、縦軸に結晶性を表すＸ線ロッキングカーブの半値巾（ＦＷＨＭ）を取って示すものである。図７に示されたプロットは、種々のガス流量、反応管断面積、及び反応管内圧力から（１）式を用いて導出した平均ガス流速のデータである。図７から明らかなように、平均ガス流速を１ｍ／秒以上とすることにより、半値巾ＦＷＨＭが９０ａｒｃｓｅｃ以下となり、良好な結晶性を有するバッファ層２が形成できることが確認されている。
【００６５】
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく、幾多の変更や変型が可能である。例えば、上述した実施例では基板本体を、Ｃ面のサファイアを以て形成したが、サファイアの他の結晶面、ＺｎＯなどの酸化物結晶、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体結晶で形成された基板本体を用いることもできる。さらに、上述した実施例では、紫外線を放射する発光ダイオードあるいはｐｉｎタイプのフォトダイオードとしたが、青色などの他の色の光を発生する発光ダイオードや、レーザダイオードなどの他の発光デバイス、あるいはショットキータイプのフォトダイオードなどの他の受光デバイスとすることもできる。
【００６６】
また、上述した実施例では、サファイア基板本体の上にバッファ層をエピタキシャル成長により成膜し、さらにその上にデバイス多層膜をエピタキシャル成長により成膜したが、基板本体上に１００μｍ程度の厚みでバッファ層を形成した後、基板本体を除去し、さらにその後にデバイス多層膜を成膜することもできる。
【００６７】
上述したように、本発明によるフォトニックデバイスの製造方法においては、クラックの発生がなく、良好な結晶性を有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）のバッファ層の上に、良好な結晶性を有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ，ｙ，ｚ≧０）のデバイス多層膜を成膜したフォトニックデバイスを提供することができ、特に青色光から紫外線に亘る短波長の光を発光あるいは受光し、効率が良好で、電気的な特性も良好なフォトニックデバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡｌＮバッファ層の膜厚と、結晶性との関係を示すグラフである。
【図２】ＡおよびＢは、ＡｌＮバッファ層の膜厚と、格子定数ａおよびｂとの関係を示すグラフである。
【図３】ＡｌＮの結晶構造を模式的に示す線図である。
【図４】発光デバイスとして構成した本発明によるフォトニックデバイスの一実施例を製造する一例の工程を示す断面図である。
【図５】同じく図４の工程の次の工程を示す断面図である。
【図６】発光デバイスとして構成した本発明によるフォトニックデバイスの一実施例の構成を示す断面図である。
【図７】バッファ層成膜時における平均ガス流速とその結晶性との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  Ｃ−面サファイア基板本体、  ２  バッファ層、  ３  ＡｌＮ膜、  ４、５ＡｌＧａＮ膜、  ６、７  ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ膜、  ８  発光層、  ９  ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ膜、  １０  低抵抗ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ膜、  １１、１２  電極
【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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