(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を含む第一の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層とを含む量子井戸構造であって、
前記井戸層が、当該井戸層の膜厚よりも大きな振幅で第一の方向に沿って波打っている波打ち部分を含み、
前記量子井戸層は、第一の窒化物半導体の（２０−２−１）面の上に形成されたものであり、
前記第一の方向に直交する偏光軸を有する偏光したルミネッセンスを放射し得る量子井戸構造。
【請求項２】
前記井戸層が、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む、請求項１に記載の量子井戸構造。
【請求項３】
前記波打ち部分において、Ｉｎ組成が極大となる領域が前記第一の方向に直交する方向に沿って一次元的に延びている、請求項２に記載の量子井戸構造。
【請求項４】
前記波打ち部分は、Ｉｎ組成が極大となる領域をボトムに有する、請求項２又は３に記載の量子井戸構造。
【請求項５】
前記井戸層がＩｎＧａＮ層である、請求項２〜４のいずれか１項に記載の量子井戸構造。
【請求項６】
前記波打ち部分が、前記井戸層の膜厚の２倍以上の振幅で波打っている部分を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の量子井戸構造。
【請求項７】
前記波打ち部分が、高低差３ｎｍ以上で隣り合うトップおよびボトムを有する部分を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の量子井戸構造。
【請求項８】
前記波打ち部分が、１つのボトムを挟んで３０ｎｍ以下の間隔で隣り合う２つのトップを有する部分を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の量子井戸構造。
【請求項９】
前記量子井戸構造が、第一の窒化物半導体の半極性面の上にエピタキシャル成長したものである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の量子井戸構造。
【請求項１０】
前記半極性面が前記第一の窒化物半導体のａ軸に平行である、請求項９に記載の量子井戸構造。
【請求項１１】
前記第一の方向が前記第一の窒化物半導体のａ軸と直交している、請求項１０に記載の量子井戸構造。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の量子井戸構造が、ｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層との間に配置された、窒化物半導体素子。
【請求項１３】
発光素子である、請求項１２に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体で構成された量子井戸構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎなどの一般式で表される化合物半導体であり、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体などとも呼ばれる。
【０００３】
窒化物半導体はウルツ鉱型の結晶構造を有し、六方晶系に属する。窒化物半導体の結晶面のうち、Ｃ面（＋Ｃ面、−Ｃ面を含む）は極性面であり、Ｍ面およびＡ面は非極性面である。Ｃ面、Ｍ面、Ａ面のいずれにも該当しない結晶面は、半極性面と呼ばれている。
【０００４】
窒化物半導体を用いて構成されたｐｎ接合型の発光構造を有する発光素子である、窒化物半導体発光素子が公知である。
窒化物半導体発光素子は、通常、量子井戸構造を発光部に有している。窒化物半導体発光素子の製造工程においては、図１に示すように、下地となる窒化物半導体１の表面上に、複数の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて積層することによって、この量子井戸構造１０が形成される。下地となる窒化物半導体１は、例えば、ＧａＮ基板のような窒化物半導体基板であり得るし、あるいは、ＧａＮ基板やサファイア基板のような基板上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層であり得る。この方法で形成される従来の量子井戸構造１０は、平坦な井戸層と平坦な障壁層を備えている（非特許文献１の写真２、非特許文献２のＦＩＧ．５）。
このような従来技術の量子井戸構造は、図１に示すように、窒化物半導体を含む第一の障壁層３と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層５と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層４とを含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】京野孝史ら、「世界初の新規GaN 基板上純緑色レーザ開発Ｉ」、ＳＥＩテクニカルレビュー、１７６号、８８−９２頁（２０１０）
【非特許文献２】F. Wu, et.al, “Misfit dislocation formation at heterointerfaces in (Al,In)GaN heteroepitaxial layers grown on semipolar free-standing GaN substrates”, Journal of Applied Physics, 109 (2011)  033505
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、窒化物半導体で構成された新規な量子井戸構造を提供すること、及び、かかる量子井戸構造を含む窒化物半導体素子を提供すること、並びに、かかる量子井戸構造の製造方法を提供すること、を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の要旨は以下のとおりである。
（ａ１）窒化物半導体を含む第一の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層とを含む量子井戸構造であって、
前記井戸層が、当該井戸層の膜厚よりも大きな振幅で第一の方向に沿って波打っている波打ち部分を含み、
前記第一の方向に直交する偏光軸を有する偏光したルミネッセンスを放射し得ることを特徴とする量子井戸構造。
（ａ２）前記井戸層が、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む、前記（ａ１）の量子井戸構造。（ａ３）前記波打ち部分において、Ｉｎ組成が極大となる領域が前記第一の方向に直交する方向に沿って一次元的に延びている、前記（ａ２）の量子井戸構造。
（ａ４）前記波打ち部分は、Ｉｎ組成が極大となる領域をボトムに有する、前記（ａ２）または（ａ３）の量子井戸構造。
（ａ５）前記井戸層がＩｎＧａＮ層である、前記（ａ２）〜（ａ４）のいずれかの量子井戸構造。
（ａ６）前記波打ち部分が、前記井戸層の膜厚の２倍以上の振幅で波打っている部分を含む、前記（ａ１）〜（ａ５）のいずれかの量子井戸構造。
（ａ７）前記波打ち部分が、高低差３ｎｍ以上で隣り合うトップおよびボトムを有する部分を含む、前記（ａ１）〜（ａ６）のいずれかの量子井戸構造。
（ａ８）前記波打ち部分が、１つのボトムを挟んで３０ｎｍ以下の間隔で隣り合う２つのトップを有する部分を含む、前記（ａ１）〜（ａ７）のいずれかの量子井戸構造。
（ａ９）前記量子井戸構造が、第一の窒化物半導体の半極性面の上にエピタキシャル成長したものである、前記（ａ１）〜（ａ８）のいずれかの量子井戸構造。
（ａ１０）前記半極性面が前記第一の窒化物半導体のａ軸に平行である、前記（ａ９）の量子井戸構造。
（ａ１１）前記半極性面が（２０−２−１）面である、前記（ａ１０）の量子井戸構造。（ａ１２）前記第一の方向が前記第一の窒化物半導体のａ軸と直交している、前記（ａ１０）または（ａ１１）の量子井戸構造。
（ａ１３）前記（ａ１）〜（ａ１２）のいずれかの量子井戸構造が、ｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層との間に配置された、窒化物半導体素子。
（ａ１４）発光素子である、前記（ａ１３）の窒化物半導体素子。
【０００８】
また、本発明の第二の要旨は以下のとおりである。
（ｂ１）窒化物半導体を含む第一の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層とを含む量子井戸構造であって、該井戸層が当該井戸層の膜厚よりも大きな振幅で第一の方向に沿って波打っている波打ち部分を含み、前記第一の方向に直交する偏光軸を有する偏光したルミネッセンスを放射し得る量子井戸構造を製造する方法であって、
半極性面を有する第一の窒化物半導体を準備する工程、及び
該半極性面の上に前記第一の障壁層を成長させる工程、を含むことを特徴とする、量子井戸構造の製造方法。
（ｂ２）前記井戸層が、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む、前記（ｂ１）の製造方法。
（ｂ３）前記波打ち部分においては、Ｉｎ組成が極大となる領域が前記第一の方向に直交する方向に沿って一次元的に延びている、前記（ｂ２）の製造方法。
（ｂ４）前記波打ち部分は、Ｉｎ組成が極大となる領域をボトムに有する、前記（ｂ２）または（ｂ３）の製造方法。
（ｂ５）前記井戸層がＩｎＧａＮ層である、前記（ｂ２）〜（ｂ４）のいずれかの製造方法。
（ｂ６）前記半極性面が前記第一の窒化物半導体のａ軸に平行である、前記（ｂ１）〜（ｂ５）のいずれかの製造方法。
（ｂ７）前記半極性面が（２０−２−１）面である、前記（ｂ６）の製造方法。
（ｂ８）前記半極性面の上に、窒化物半導体を含むベース層を、当該ベース層の表面に前記第一の方向に沿って波打っているベース層波打ち面が形成されるように成長させる第１成長工程と、
前記ベース層と前記井戸層との間に配置する第二の窒化物半導体を、第１成長工程によ
り形成されたベース層波打ち面を平坦に埋め込まないようにして成長させる第２成長工程と、
を含む前記（ｂ１）〜（ｂ７）のいずれかの製造方法。
（ｂ９）前記第１成長工程において、前記ベース層の成長温度を９００℃以上とする、前記（ｂ８）の製造方法。
（ｂ１０）前記第１成長工程において、前記ベース層の少なくとも一部をケイ素でドープする、前記（ｂ８）または（ｂ９）の製造方法。
（ｂ１１）前記第１成長工程において、前記ベース層の厚さを２μｍ以上とする、前記（ｂ８）〜（ｂ１０）のいずれかの製造方法。
（ｂ１２）前記第２成長工程において、前記第二の窒化物半導体を成長温度８００℃以上で成長させる、前記（ｂ８）〜（ｂ１１）のいずれかの製造方法。
（ｂ１３）前記第２成長工程において、前記第二の窒化物半導体の少なくとも一部をケイ素でドープする、前記（ｂ８）〜（ｂ１２）のいずれかの製造方法。
（ｂ１４）前記第２成長工程において、前記第二の窒化物半導体の厚さを８０ｎｍ以下とする、前記（ｂ８）〜（ｂ１３）のいずれかの製造方法。
（ｂ１５）前記井戸層の波打ち部分が、前記井戸層の膜厚の２倍以上の振幅で波打っている部分を含む、前記（ｂ１）〜（ｂ１４）のいずれか製造方法。
（ｂ１６）前記井戸層の波打ち部分が、高低差３ｎｍ以上で隣り合うトップおよびボトムを有する部分を含む、前記（ｂ１）〜（ｂ１５）のいずれかの製造方法。
（ｂ１７）前記井戸層の波打ち部分が、１つのボトムを挟んで３０ｎｍ以下の間隔で隣り合う２つのトップを有する部分を含む、前記（ｂ１）〜（ｂ１６）のいずれかの製造方法。
（ｂ１８）前記量子井戸構造がｐ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体との間に配置されている、前記（ｂ１）〜（ｂ１７）のいずれかの製造方法。
（ｂ１９）前記第一の窒化物半導体が、窒化物半導体からなる基板、窒化物半導体からなるエピタキシャル成長層、または、バルク単結晶から切り出された薄い窒化物半導体層のいずれかである、前記（ｂ１）〜（ｂ１８）のいずれかの製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の第一、及び第二の要旨に表わされる量子井戸構造は、偏光したルミネッセンスを発生させることができるので、低損失の偏光光源素子用の発光構造として使用することができる。
また、本発明の第一、及び第二の要旨に表わされる量子井戸構造では、発光する領域が量子細線を構成する。量子細線ではキャリア閉じ込めが強くなる（一次元の閉じ込めとなる）ので、状態密度関数がδ関数に近くなり、たとえば半導体レーザに適用した場合、発振閾密度を低減させることができる。すなわち、低いキャリア注入密度でレーザ発振に必要な反転分布が達成される。よって、発光部にこの量子井戸構造を採用したレーザ光源は低電圧駆動できるものとなると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術の量子井戸構造を含む半導体積層体の層構成を示す斜視模式図である。
【図２】本発明の量子井戸構造を含む半導体積層体の層構成を示す斜視模式図である。
【図３】図２における波打ち形状を拡大した模式図である。
【図４】本発明の量子井戸構造が形成される様子を経時的に表した模式図である。
【図５】実験例の半導体積層体の断面ＴＥＭ像である（図面代用写真）。
【図６】実験例の半導体積層体の断面ＴＥＭ像である（図面代用写真）。
【図７】実験例の半導体積層体のＴＥＭ観察に用いたサンプルの斜視模式図である。
【図８】実験例の半導体積層体のＴＥＭ観察に用いたサンプルの正面模式図である。
【図９】実験例の半導体積層体の断面ＴＥＭ像である（図面代用写真）。
【図１０】偏光フォトルミネッセンス測定系を示す概念図である。
【図１１】偏光フォトルミネッセンス測定結果を示すグラフであり、図１１（ａ）は実験例の結果を、図１１（ｂ）は比較実験例の結果を、それぞれ示している。
【図１２】比較実験例の半導体積層体の断面ＴＥＭ像である（図面代用写真）。
【図１３】比較実験例の半導体積層体の断面ＴＥＭ像である（図面代用写真）。
【図１４】比較実験例の半導体積層体の断面ＴＥＭ像である（図面代用写真）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、量子井戸構造および量子井戸構造の製造方法を実施形態に即して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
図２は、本発明の実施形態に係る量子井戸構造を備えた半導体積層体を示す図である。半導体積層体１００は、基板１上にｎ型半導体層２、ｐ型半導体層６を有し、ｎ型半導体層２とｐ型半導体層６の間には、発光層１０が形成されている。発光層１０は、第一の障壁層３および第二の障壁層５の間に井戸層４を含む構造を有する。ｎ型半導体層２、第一の障壁層３、井戸層４、第二の障壁層５およびｐ型半導体層６は、いずれも窒化物半導体層である。特に井戸層４は、Ｉｎを含む窒化物半導体層である。井戸層４は、図中一点鎖線７で示すように、矢印８で示す方向に沿って波打っている。
【００１３】
井戸層は通常、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚を有している。井戸層４の波打ちの振幅は、井戸層４の膜厚よりも大きい。
波打ちに起因して、井戸層４が放射するルミネッセンスは矢印９に平行な方向（矢印８に直交する方向である）に偏光したものとなる。その詳細な理由は明らかではないが、Ｉｎ組成が極大となる領域が矢印９に平行な方向に沿って一次元的に延びる構造が形成されることが関係していると推定される。
放射するルミネッセンスの偏光度が十分なものとなるよう、井戸層４は、それ自体の膜厚の２倍以上の振幅で波打っている部分を含むことが好ましく、３倍以上の振幅で波打っている部分を含むことがより好ましい。
井戸層４は、高低差３ｎｍ以上で隣り合うトップおよびボトムを有し得る。また、１つのボトムを挟んで３０ｎｍ以下の間隔で隣り合う２つのトップを有し得る。これらについて、図３を用いて説明する。
【００１４】
図３は、図２におけるｎ型半導体層２、第一の障壁層３、井戸層４および第二の障壁層５を拡大した模式図である。井戸層４の振幅とは、井戸層４の波打ち１周期における最大変位の量を意味し、矢印４６で表わされる。また、井戸層４の膜厚は矢印４５で表わされる。井戸層４のトップ及びボトムはそれぞれ４１及び４２で表わされる。また、井戸層４の１つのボトムを挟んで隣り合うトップの間隔とは、隣り合うトップ間の距離を意味し、矢印４４で表わされる。
【００１５】
基板１は、好ましくは窒化物半導体基板であり、中でもＧａＮ基板である。基板１は、あるいは、窒化物半導体基板とは異なる基板（例えば、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、ＬＧＯ、ＮＧＯ、ＬＡＯ、ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタンなどからなる結晶基板）の表面に、窒化物半導体のエピタキシャル成長層が設けられたものであってもよい。更に、基板１は、バルク単結晶から切り出された薄い窒化物半導体層がシリコン基板などの表面に貼り合せられたものであってもよい。いずれの基板の場合も、半導体積層体１００のエピタキシャル成長に用いる主面が、窒化物半導体の（２０−２−１）面であることが好ましい。
【００１６】
ｎ型半導体層２は、例えば、ＳｉドープＧａＮ層である。あるいは、ｎ型半導体層２は多層膜構造を有していてもよく、例えば、基板１と接する部分と第一の障壁層３と接する部分にそれぞれアンドープ層を含み、この２つのアンドープ層の間にＳｉドープ層が挟まれた三層構造とすることができる。
図２の例では、発光層１０が２つの障壁層（第一の障壁層３、第二の障壁層５）とひと
つの量子井戸層４を備える単一量子井戸層であるが、２以上の量子井戸層を含む多重量子井戸層とすることもできる。
ｐ型半導体層６は、例えば、ＭｇドープＡｌＧａＮ層と、その上に積層したＭｇドープＧａＮ層とを含む多層膜である。
【００１７】
このような半導体積層体は、電極を形成することで、窒化物半導体素子として適用することが可能となり、発光素子として適用することも可能である。
【００１８】
次に、図２に示す半導体積層体１００の製造方法について説明する。
図４は、半導体積層体１００が形成される様子を経時的に示した模式図である。
最初に、図４（ａ）に示すように、半導体積層体１００をエピタキシャル成長させるべき主面がＧａＮの（２０−２−１）面である基板１を準備する。基板１は、典型的には、半極性（２０−２−１）ＧａＮ基板である。
【００１９】
続いて、図４（ｂ）に示すように、表面が波打ったｎ型半導体層２を基板１上に成長させる。表面が波打ち面となるようにするための好ましい条件としては、Ｖ／ＩＩＩ比（基板上に供給するＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比）を低くすること、基板温度を高くすること、成長速度を高くすること、キャリアガスを窒素ガスとすること、などが挙げられる。Ｓｉドーピングは、少なくともｎ型半導体層２の表面が波打つことを阻害するものではない。
【００２０】
より具体的には、ｎ型半導体層２の成長温度は９００℃以上、好ましくは９５０℃以上、より好ましくは１０２０℃以上とする。この層の成長温度の上限は通常１１５０℃である。
表面が十分な振幅を持った波打ち面となるように、ｎ型窒化物半導体層２の膜厚は好ましくは２μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上、更に好ましくは４μｍ以上とする。ｎ型窒化物半導体層２の膜厚が小さ過ぎる場合には、その表面の波打ちの振幅が不十分となる。ｎ型窒化物半導体層２の膜厚に特に上限はないが、通常は２０μｍ以下とする。
【００２１】
続いて、図４（ｃ）に示すように、ｎ型半導体層２上に第一の障壁層３を積層する。この工程で重要なことは、ｎ型窒化物半導体層２の表面の波打ちが第一の障壁層３の表面に引き継がれるようにすること、換言すれば、第一の障壁層３の表面が、ｎ型窒化物半導体層２の表面形状を反映した波打ち面となるようにすることである。
そのために、第一の障壁層３は膜厚を大きくし過ぎないことが望ましい。具体的には、第一の障壁層３の膜厚は好ましくは８０ｎｍ以下とし、より好ましくは５０ｎｍ以下、更に好ましくは２０ｎｍ以下である。下限は特に限定されないが、例えば、４ｎｍ以上である。
【００２２】
第一の障壁層３の成長温度を、ｎ型窒化物半導体層２の成長温度よりも低くする場合には、第一の障壁層３を厚くし過ぎないことが特に重要となる。成長温度を低くすると、層の表面が平坦となる傾向が生じるからである。
第一の障壁層３の下に成長させるｎ型窒化物半導体層２の成長温度と、上に成長させる井戸層４の成長温度（後述する）との差が大きいことから、第一の障壁層３の成長温度は、これらの温度の中間とするか、あるいは井戸層４の成長温度と同じとすることが好ましい。それによって、熱的な作用により井戸層４が受ける歪が緩和されると考えられるからである。
具体的には、第一の障壁層３の成長温度は通常７００℃〜８８０℃、好ましくは７４０℃〜８６０℃、更に好ましくは７８０℃〜８４０℃である。第一の障壁層３はＳｉでドープしてもよい。
【００２３】
続いて、図４（ｄ）に示すように、第一の障壁層３の表面上に井戸層４をコンフォーマルに成長させると、第一の障壁層３の表面が波打っているために、井戸層４も波打った形状に形成される。井戸層４をこのように成長させるためには、井戸層４の成長条件を第一の障壁層３の成長条件に近付ける、あるいは、同じとすればよい。
【００２４】
続いて、図４（ｅ）に示すように、井戸層４上に第二の障壁層５を成長させる。図４（ｅ）の例では、第二の障壁層５を、表面が平坦化するように成長させている。
表面が平坦面となるようにするための好ましい条件としては、Ｖ／ＩＩＩ比を高くすること、基板温度を低くすること、成長速度を低くすること、キャリアガスを水素ガスとすること、などが挙げられる。Ｍｇドーピングは、少なくとも第二の障壁層５の表面が平坦化することを阻害するものではない。
【００２５】
最後に、図４（ｆ）に示すように、第二の障壁層５上にｐ型半導体層６を成長させて半導体積層体１００を完成させる。
発光素子を構成する方法については公知技術を適宜参照することができる。例えば、ｎ電極は、基板１の裏面か、あるいは、エッチングにより露出させたｎ型半導体層２の表面に形成することができる。ｐ電極はｐ型層６の表面に形成することができる。
この例では第二の障壁層５の表面を平坦化させているが、必須ではない。表面が平坦化しない条件で成長させることによって、第二の障壁層５の表面を波打ち面としてもよいし、更には、ｐ型半導体層６の表面を波打ち面としてもよい。
【００２６】
以下には、本発明者等が行った実験の結果を記す。
＜実験例＞
１．半導体積層体の形成
半極性（２０−２−１）ＧａＮ基板を準備し、その（２０−２−１）面上に通常のＭＯＶＰＥ法を用いて以下の層を順にエピタキシャル成長させ、半導体積層体を製造した。使用した原料は、ＩＩＩ族原料がＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｖ族原料はアンモニアである。
１）アンドープＧａＮ層（組成 ＧａＮ、厚さ１０ｎｍ）
（成長条件）基板温度：１０４０℃、キャリアガス：窒素ガス、成長速度：０．８μｍ／ｈ、アンドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：３３００
２）ＧａＮ：Ｓｉ層（組成ＧａＮ、厚さ  ２０００ｎｍ）
（成長条件）基板温度：１０４０℃、キャリアガス：窒素ガス、成長速度：１．３μｍ／ｈ、Ｓｉドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：２２００
３）アンドープＧａＮ層（組成  ＧａＮ、厚さ１２０ｎｍ）
（成長条件）基板温度：８４０℃、キャリアガス：窒素ガス、成長速度：０．１４μｍ／ｈ、アンドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：２８０００、ＴＭＩ／ＴＭＧモル供給比：０．８３
４）ＩｎＧａＮ障壁層（組成ＩｎＧａＮ、厚さ１８ｎｍ）
（成長条件）基板温度：８４０℃、キャリアガス：窒素ガス、成長速度：０．１４μｍ／ｈ、アンドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：２８０００、ＴＭＩ／ＴＭＧモル供給比：３．３
５）ＩｎＧａＮ井戸層（組成ＩｎＧａＮ、厚さ（平均）３ｎｍ）
（成長条件）基板温度：８００℃、キャリアガス：窒素ガス、成長速度：０．１４μｍ／ｈ、アンドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：２８０００、ＴＭＩ／ＴＭＧモル供給比：０．８３
６）ＩｎＧａＮ障壁層（組成ＩｎＧａＮ、厚さ１８ｎｍ）
（成長条件）基板温度：８４０℃、キャリアガス：窒素ガス、成長速度：０．１４μｍ／ｈ、アンドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：２８０００
７）ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層（組成Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ  、厚さ１６０ｎｍ）
（成長条件）基板温度：１０３０℃、キャリアガス：水素ガス、成長速度：１．２μｍ／ｈ、Ｍｇドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：４８００
８）ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層（組成Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ  、厚さ４０ｎｍ）
（成長条件）基板温度：１０７０℃、キャリアガス：水素ガス、成長速度：０．４μｍ／ｈ、Ｍｇドープ、Ｖ／ＩＩＩ比：５０００
【００２７】
上記において、５）ＩｎＧａＮ井戸層および６）ＩｎＧａＮ障壁層の成長は３回繰り返した。それによって、３層の井戸層を含む多重量子井戸構造の発光層を形成した。
【００２８】
２．ＴＥＭ観察
上記１．で得た本実験例の半導体積層体の断面ＴＥＭ観察を行った。
実験例の半導体積層体のａ軸に直交する断面のＴＥＭ像を図５および図６に示す。図６は、図５の一部を拡大したものである。これらのＴＥＭ像が示すように、量子井戸層の断面は直線的ではなく、波形を呈している。
ここで、量子井戸層は厚さが約３ｎｍとなるように成長させたものであること、および、断面ＴＥＭ像に厚さ約３ｎｍの量子井戸層が明瞭に表れていることに注目されたい。このことに、ＴＥＭサンプルが１００ｎｍ程度の厚みを有していること（図７）を考え合わせると、量子井戸層の三次元形状は、図５および図６における左右方向に波打った形状であるものと推定される。
図示していないが、実験例の量子井戸構造の、ａ軸に平行な断面をＴＥＭ観察した場合には、量子井戸層の断面が波形を呈していなかったこと、かつ、当該層の厚さ方向に広がって見えたことも、この推定を裏付けるものである。図８に模式的に示すように、ＴＥＭサンプルの厚さが井戸層の波打ちの周期より大きいために、波打ち方向に直交する断面を見た場合には、量子井戸層が波打ちの振幅と同程度に広がって見えることになるのである。
【００２９】
図９は、図６のＴＥＭ像のコントラストを強調したものである。
図９において、明るく見えているところはＩｎ濃度の高い部分である。図９によれば、量子井戸層内のＩｎ濃度は一様ではなく、局所的にＩｎ濃度が高くなった領域が形成されていることが分かる。
このような高Ｉｎ領域の量子井戸層内における分布は一様ではないと考えられる。なぜなら、仮に高Ｉｎ領域が一様に分布していたならば、断面ＴＥＭ像にＩｎの濃淡は現れないと考えられるからである。
かかる考察によれば、高Ｉｎ領域は波打った量子井戸層のボトムに形成される傾向があるものと考えられる。
更に、量子井戸層のボトムがａ軸に平行に延びていることからいって、該領域もまたａ軸に平行な線状に形成されている可能性が推定される。後述する偏光フォトルミネッセンス測定の結果は、この推定が恐らく正しいことを示している。
線状になった高Ｉｎ領域は、周囲よりバンドギャップが小さいことから、キャリア閉じ込め機能を有する量子細線となることが期待される。
【００３０】
３．偏光フォトルミネッセンス測定
次に、実験例の半導体積層体について、量子井戸層のフォトルミネッセンスの偏光特性を測定した。
使用した測定系の概念図を図１０に示す。励起光源２１には発振波長３７５ｎｍの半導体レーザを用い、量子井戸層の選択励起を行った。偏光解消子２２は、励起光の直線偏光を解消することを目的としている。偏光フィルター２４は、サンプル２３から発生するルミネッセンスのうち、特定方向の偏光成分のみを透過させる。偏光フィルター２４を透過した偏光はλ／４波長板２５によって直線偏光から円偏光に変換されたうえで、分光器２６に入射する。かかる構成によって、分光器２６の偏光感度特性の影響が取り除かれる。分光器２６により分光された光はＰＭ（光電子増倍管）２７により検出され、ロックインアンプで増幅される。
【００３１】
このような測定系を用い、量子井戸層のフォトルミネッセンスに含まれる２つの偏光成分のスペクトルを測定し、偏光度Ｐを求めた。２つ偏光成分のひとつは、半導体積層体のａ軸に平行な電場ベクトルを有する偏光成分（Ｅ//ａと略す）であり、他のひとつはａ軸に直交しかつ半導体積層体の表面に平行な電場ベクトルを有する偏光成分（Ｅ⊥ａと略す）である。
偏光度Ｐは次の式により算出した。
Ｐ＝（（ Ｅ//ａ）−（ Ｅ⊥ａ））／ （（ Ｅ//ａ）＋（ Ｅ⊥ａ））
結果を図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）においては、Ｅ//ａ成分のスペクトルを破線で、また、Ｅ⊥ａ成分のスペクトルを、曲線状の実線で示している。また、実線であって、鋸刃形を示すのが偏光度Ｐである。
【００３２】
＜比較実験例＞
半極性（２０−２１）ＧａＮ基板を用いて、その（２０−２１）面上に実験例と同様にして半導体積層体を成長させた。
得られた半導体積層体の、ａ軸に直交する断面のＴＥＭ像を図１２および図１３に示す。図１３は図１２の一部を拡大したものである。これらのＴＥＭ像は井戸層が平坦に形成されていることを示している。
図１４は図１２のＴＥＭ像のコントラストを強調したものである。実験例の半導体積層体とは異なり、比較実験例では量子井戸層内のＩｎ濃度は略均一である。
【００３３】
実験例と同様にして測定した、比較実験例の半導体積層体に含まれる量子井戸層のフォトルミネッセンスの偏光度を図１１（ｂ）に示す。図１１（ｂ）においては、Ｅ//ａ成分のスペクトルを破線で、また、Ｅ⊥ａ成分のスペクトルを曲線状の実線で示している。また、実線であって、鋸刃形を示すのが偏光度Ｐである。
（２０−２−１）面と（２０−２１）面は、ｍ面からの傾斜が等しいことからいって、量子井戸層の構造が同じであれば実験例と比較実験例の半導体積層体からのフォトルミネッセンスの偏光度は同等となるはずであるが、図１１（ａ）（ｂ）に示すように両者の偏光度は大きく異なっており、実験例ではＥ//ａ成分がＥ⊥ａ成分に対して顕著に大きくなった。この結果は、実験例の量子井戸構造内には量子細線構造が形成されていることを強く示唆している。
【符号の説明】
【００３４】
１００  半導体積層体
１      基板
１０    発光層（量子井戸構造）
２      ｎ型半導体層
３      第一の障壁層
４      量子井戸層
５      第二の障壁層
６      ｐ型半導体層
２０    偏光フォトルミネッセンス測定系
２１    励起光源
２２    偏光解消子
２３    サンプル
２４    偏光フィルター
２５    λ／４波長板
２６    分光器
２７    光電子増倍管
４１    トップ
４２    ボトム
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１４】
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【図５】
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【図６】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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