(57)【要約】  量子ドット構造におけるマトリックス領域の組成的制約が小さい発光デバイスおよびその作製方法を提供する。発光層５に量子ドット構造を形成するにあたり、マトリックス領域（ｎ型導電層４およびマトリックス層５ｍ）の形成を、ＭＢＥ法を用いてＡｌの存在比率が該マトリックス領域よりも大きい（格子定数の小さい）ＡｌＮからなる成長下地層（下地層２あるいはさらにバッファ層３）の上に行うことにより、マトリックス領域の成長方向と垂直な面内方向に圧縮応力を生じさせた状態を実現し、この圧縮応力の存在下で自己組織化による島状結晶５ｄの形成を行う。係る圧縮応力は、マトリックス領域におけるＡｌの存在比率を低減させた場合に生じる格子定数の増加を抑制するように、換言すれば、島状結晶とマトリックス領域との格子定数差を補償するように作用する。結果的に、自己組織化による島状結晶の形成が可能となる組成範囲が、Ｇａリッチ側に拡大するように作用している。
2009505377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体積層構造をエピタキシャル形成する方法であって、
(a)所定の基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物を用いて下地層を形成してなる下地基板の上に、第２のIII族窒化物に所定のｎ型ドーパントを添加してなるｎ型導電層を形成するｎ型導電層形成工程と、
(b)前記第ｎ型導電層の上に機能層を形成する機能層形成工程であって、
(b-1)第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットを自己組織化的に形成する量子ドット形成工程と、
(b-2)第４のIII族窒化物からなるマトリックス層を形成するマトリックス層工程と、
を繰り返すことにより量子ドット構造を有する機能層を形成する工程と、
を備え、
前記ｎ型導電層形成工程と前記機能層形成工程とをＭＢＥ法によって連続的に行い、
前記ｎ型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域を形成する各層は、前記下地層と前記マトリックス領域との界面に作用する、積層方向に対し略垂直な方向への圧縮応力を維持しつつ形成され、
前記量子ドット形成工程は、前記圧縮応力の存在下で行われる、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。
【請求項２】
エピタキシャル成長により半導体積層構造を形成する方法であって、
(a)所定の基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物を用いて下地層を形成してなる下地基板の上に、第２のIII族窒化物に所定のｎ型ドーパントを添加してなるｎ型導電層を形成するｎ型導電層形成工程と、
(b)前記ｎ型導電層の上に機能層を形成する機能層形成工程であって、
(b-1)第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットを自己組織化的に形成する量子ドット形成工程と、
(b-2)第４のIII族窒化物からなるマトリックス層を形成するマトリックス層工程と、
を繰り返すことにより量子ドット構造を有する機能層を形成する工程と、
を備え、
前記ｎ型導電層形成工程と前記機能層形成工程とをＭＢＥ法によって連続的に行い、
前記ｎ型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域を形成する各層は、前記下地層と前記マトリックス領域とが整合状態を維持するように形成されることによって、同一組成の物質が無応力状態で有する理想格子定数よりも小さい格子定数を有するように形成される、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記第２のIII族窒化物がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）である、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記第４のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率が、前記第２のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率以下である、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記第３のIII族窒化物がＧａＮである、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体積層構造の形成方法であって、
前記量子ドット形成工程において、前記第３のIII族窒化物に希土類または遷移金属元素を添加して前記量子ドットを形成する、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体積層構造の形成方法であって、
(c)前記機能層の下端部に第１のクラッド層を設ける第１クラッド層形成工程と、
(d)前記機能層の上端部に第２のクラッド層を設ける第２クラッド層形成工程と、
をさらに備え、
前記ｎ型導電層形成工程と前記第１クラッド層形成工程と前記機能層形成工程と前記第２クラッド層形成工程とをＭＢＥ法によって連続的に行い、
前記第１および第２のクラッド層を前記第４のIII族窒化物よりもＡｌの存在比率が大きいIII族窒化物によって形成する、
ことを特徴とする半導体積層構造の形成方法。
【請求項８】
エピタキシャル形成された半導体積層構造であって、
所定の基材と、
前記基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物により形成された下地層と、
前記下地層の上に、所定のｎ型ドーパントを添加してなる第２のIII族窒化物により形成されたｎ型導電層と、
前記第ｎ型導電層の上に形成され、第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットが第４のIII族窒化物からなるマトリックス層に埋め込まれてなる単位層の繰り返しによって量子ドット構造が実現されてなる機能層と、
を備え、
前記ｎ型導電層と前記機能層とがＭＢＥ法によって連続的に形成されてなり、
前記ｎ型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域を形成する各層においては、積層方向に対し略垂直な方向への圧縮応力が残存する、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項９】
エピタキシャル形成された半導体積層構造であって、
所定の基材と、
前記基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物により形成された下地層と、
前記下地層の上に、所定のｎ型ドーパントを添加してなる第２のIII族窒化物により形成されたｎ型導電層と、
前記第ｎ型導電層の上に形成され、第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットが第４のIII族窒化物からなるマトリックス層に埋め込まれてなる単位層の繰り返しによって量子ドット構造が実現されてなる機能層と、
を備え、
前記ｎ型導電層と前記機能層とがＭＢＥ法によって連続的に形成されてなり、
前記ｎ型導電層と前記マトリックス層とから構成される領域をマトリックス領域とするとき、
前記マトリックス領域は前記下地層に対し整合状態で形成されており、前記マトリックス領域を形成する各層は、同一組成の物質が無応力状態で有する理想格子定数よりも小さい格子定数を有する、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の半導体積層構造であって、
前記第２のIII族窒化物がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）である、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体積層構造であって、
前記第４のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率が、前記第２のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率以下である、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載の半導体積層構造であって、
前記第３のIII族窒化物がＧａＮである、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項１３】
請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載の半導体積層構造であって、
前記量子ドットにおいて、前記第３のIII族窒化物に希土類または遷移金属元素が添加されてなる、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体積層構造であって、
前記機能層の下端部に第１のクラッド層を備えるとともに前記機能層の上端部に第２のクラッド層を備え、
前記ｎ型導電層と前記の第１クラッド層と前記機能層と前記の第２クラッド層とがＭＢＥ法によって連続的に形成されてなり、
前記第１および第２のクラッド層は前記第４のIII族窒化物よりもＡｌの存在比率が大きいIII族窒化物によって形成されてなる、
ことを特徴とする半導体積層構造。
【請求項１５】
請求項６または請求項７に記載の形成方法により得られた半導体積層構造の前記機能層の上に所定のｐ型導電層を備え、前記ｎ型導電層と前記ｐ型導電層にそれぞれ所定の電極を付加することにより形成されてなる発光素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の発光素子であって、
前記ｐ型導電層が、
それぞれに所定のｐ型ドーパントが添加されてなる第５のIII族窒化物からなる層と第６のIII族窒化物からなる層とが交互に積層された超格子構造を含む、
ことを特徴とする発光素子。
【請求項１７】
請求項１３または請求項１４に記載の半導体積層構造の前記機能層の上に所定のｐ型導電層を備え、前記ｎ型導電層と前記ｐ型導電層にそれぞれ所定の電極を付加することにより形成されてなる発光素子。
【請求項１８】
請求項１７に記載の発光素子であって、
前記ｐ型導電層が、
それぞれに所定のｐ型ドーパントが添加されてなる第５のIII族窒化物からなる層と第６のIII族窒化物からなる層とが交互に積層された超格子構造を含む、
ことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物を含んで構成され、所望の波長範囲の光を発光する発光デバイス、特に、発光層に量子ドット構造を有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物を含んで構成される発光素子（発光デバイス）であって、発光層に量子ドット構造を有するものが公知である（例えば特開２００２−３６８２６７号公報参照）。これは、量子的効果を発する程度に微細で、かつ所定の希土類もしくは遷移金属元素を添加してなる島状結晶をマトリックス領域内に分散形成し、量子ドットのキャリア閉じ込め効果を利用して、高効率な発光を実現するものである。
【０００３】
特開２００２−３６８２６７号公報に開示されているような従来の量子ドット構造の形成は、いわゆる自己組織化の手法により実現されてなる。これは、ＭＢＥなどの公知の製膜手法によるエピタキシャル成長プロセスにおいて、マトリックス領域を構成する物質との間にある程度の格子定数差が生じる物質を該島状結晶の構成物質として用い、かつ、組成、基板温度、さらには雰囲気などを適宜に制御することで、量子ドット構造を実現する手法である。係る手法によれば、微細加工等の人為的かつ直接的な形状の調整を行うことなく、量子ドットとして良好に作用する島状結晶の形成を容易に行うことが出来る。
【０００４】
また、所定の単結晶基材の上にＡｌＮ膜をエピタキシャル形成してなるいわゆるＡｌＮテンプレート基板を用意し、その上に、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌＧａＮ層をエピタキシャル形成した場合に、ＡｌＧａＮ層を９００ｎｍ以上の厚みにまで成長させたとしても、クラックの発生がみられないことが確認されている（例えば、Y.Kida, T.Shibata, H.Miyake, and K.Hirayama "Metalorganic Vapor Phase Epitaxy Growth and Study of Stress in AlGaN Using Epitaxial AlN as Underlying Layer", Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42(2003) L572-L574参照）。この９００ｎｍという厚みは、理論的に予想されるクラック発生の臨界膜厚である数十ｎｍよりもはるかに大きな厚みである。
【発明の開示】
【０００５】
特開２００２−３６８２６７号公報に開示されている自己組織化を利用した量子ドット構造の形成は、実質的には、ともにIII族窒化物により構成されるマトリックス領域の構成物質と量子ドットとして作用する島状結晶の構成物質との組成差、具体的にはIII族元素の固溶度の差によって上述の格子定数差を実現するものであった。このことは、電流注入型の発光デバイスを形成する際に、制約要因となることがあった。例えば、マトリックス領域としてＡｌxＧａ1-xＮを用い、量子ドットにＩｎyＧａ1-yＮを用いる場合であれば、ｘの値が大きいほど格子定数差は大きくなるので、量子ドット構造の実現は容易となる。なかでも、ＡｌＮを用いるのが最も好適である。しかしながら、その一方でｘの値が大きいほど導電性は低下し、デバイスとしての機能が発現されなくなってしまう。すなわち、自己組織化による量子ドット構造の形成と、デバイスの導電性の具備は、マトリックス領域の組成変化に対してトレードオフの関係にあることになる。
【０００６】
また、Y.Kidaらの前記論文には、上述のようにＡｌＮテンプレート基板の上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＧａＮ層を形成した場合、ＡｌＧａＮ層において面内方向に圧縮応力が生じていることが示されている。しかしながら、係る圧縮応力はＡｌ0.48Ｇａ0.52Ｎ層の厚みを大きくするほど緩和されるので、量子ドット構造を形成するのに十分な厚みのマトリックス領域をＭＯＣＶＤ法によって形成することは難しい。なお、Y.Kidaらの前記論文には、下地層をＧａＮとする場合には、ＡｌＧａＮ層にクラックが生じることも示されている。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発光層が量子ドット構造を有する発光デバイスであって、マトリックス領域の組成的制約が小さい発光デバイスおよびその作製方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の第一の局面は、エピタキシャル成長により半導体層を形成する方法に向けられている。前記方法は、(a)所定の基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物を用いて下地層を形成してなる下地基板の上に、第２のIII族窒化物に所定のｎ型ドーパントを添加してなるｎ型導電層を形成する工程と、(b)前記第ｎ型導電層の上に (b-1)第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットを自己組織化的に形成する工程と、(b-2)第４のIII族窒化物からなるマトリックス層を形成する工程と、を繰り返すことにより量子ドット構造を有する機能層を形成する工程と、を備える。前記工程(ａ)と前記工程(b)とはＭＢＥ法によって連続的に行われる。前記ｎ型導電層と前記マトリックス層とはマトリックス領域を構成する。前記マトリックス領域を形成する各層は、前記下地層と前記マトリックス領域との界面に作用する、積層方向に対し略垂直な方向への圧縮応力を維持しつつ形成される。前記工程(b-1)は、前記圧縮応力の存在下で行われる。
【０００９】
本発明の第２の局面は、エピタキシャル成長により半導体積層構造を形成する方法に向けられている。前記方法は、(a)所定の基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物を用いて下地層を形成してなる下地基板の上に、第２のIII族窒化物に所定のｎ型ドーパントを添加してなるｎ型導電層を形成する工程と、(b)前記ｎ型導電層の上に、(b-1)第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットを自己組織化的に形成する工程と、(b-2)第４のIII族窒化物からなるマトリックス層を形成する工程と、を繰り返すことにより量子ドット構造を有する機能層を形成する工程と、を備える。前記工程(a)と前記工程(b)とはＭＢＥ法によって連続的に行われる。前記ｎ型導電層と前記マトリックス層はマトリックス領域を構成する。前記マトリックス領域を形成する各層は、前記下地層と前記マトリックス領域とが整合状態を維持するように形成されることによって、同一組成の物質が無応力状態で有する理想格子定数よりも小さい格子定数を有するように形成される。
【００１０】
好ましくは、前記第２のIII族窒化物はＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）である。
【００１１】
好ましくは、前記第４のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率は、前記第２のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率以下である。
【００１２】
好ましくは、前記第３のIII族窒化物はＧａＮである。
【００１３】
好ましくは、前記工程(b-1)において、前記第３のIII族窒化物に希土類または遷移金属元素を添加して前記量子ドットを形成する。
【００１４】
好ましくは、前記方法は、(c)前記機能層の下端部に第１のクラッド層を設ける工程と、(d)前記機能層の上端部に第２のクラッド層を設ける工程と、をさらに備える。前記工程(a)と前記工程(c)と前記工程(b)と前記工程(d)とはＭＢＥ法によって連続的に行われる。前記第１および第２のクラッド層は前記第４のIII族窒化物よりもＡｌの存在比率が大きいIII族窒化物によって形成される。
【００１５】
本発明の第３の局面は、エピタキシャル形成された半導体積層構造に向けられている。前記半導体構造は、所定の基材と、前記基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物により形成された下地層と、前記下地層の上に、所定のｎ型ドーパントを添加してなる第２のIII族窒化物により形成されたｎ型導電層と、前記第ｎ型導電層の上に形成され、第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットが第４のIII族窒化物からなるマトリックス層に埋め込まれてなる単位層の繰り返しによって量子ドット構造が実現されてなる機能層と、を備える。前記ｎ型導電層と前記機能層とはＭＢＥ法によって連続的に形成されてなる。前記ｎ型導電層と前記マトリックス層とはマトリックス領域を構成する。前記マトリックス領域を形成する各層においては、積層方向に対し略垂直な方向への圧縮応力が残存する。
【００１６】
本発明の第４の局面は、エピタキシャル形成された半導体積層構造に向けられている。前記半導体積層構造は、所定の基材と、前記基材の上にＡｌＮである第１のIII族窒化物により形成された下地層と、前記下地層の上に、所定のｎ型ドーパントを添加してなる第２のIII族窒化物により形成されたｎ型導電層と、前記第ｎ型導電層の上に形成され、第３のIII族窒化物からなる複数の量子ドットが第４のIII族窒化物からなるマトリックス層に埋め込まれてなる単位層の繰り返しによって量子ドット構造が実現されてなる機能層と、を備える。前記ｎ型導電層と前記機能層とはＭＢＥ法によって連続的に形成されてなる。前記ｎ型導電層と前記マトリックス層とはマトリックス領域を構成する。前記マトリックス領域は前記下地層に対し整合状態で形成されている。前記マトリックス領域を形成する各層は、同一組成の物質が無応力状態で有する理想格子定数よりも小さい格子定数を有する。
【００１７】
好ましくは、前記第２のIII族窒化物はＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）である。
【００１８】
好ましくは、前記第４のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率は、前記第２のIII族窒化物におけるＡｌの存在比率以下である。
【００１９】
好ましくは、前記第３のIII族窒化物はＧａＮである。
【００２０】
好ましくは、前記量子ドットは、希土類または遷移金属元素が添加されてなる前記第３のIII族窒化物からなる。
【００２１】
好ましくは、前記半導体積層構造は、前記機能層の下端部に設けられた第１のクラッド層と前記機能層の上端部に設けられた第２のクラッド層とをさらに備える。前記ｎ型導電層と前記の第１クラッド層と前記機能層と前記の第２クラッド層とはＭＢＥ法によって連続的に形成されてなる。前記第１および第２のクラッド層は前記第４のIII族窒化物よりもＡｌの存在比率が大きいIII族窒化物によって形成されてなる。
【００２２】
本発明の第５の局面は、本発明の前記第１または第２の局面に係る方法により得られた半導体積層構造の前記機能層の上に所定のｐ型導電層を備えるとともに、前記ｎ型導電層と前記ｐ型導電層にそれぞれ所定の電極をさらに備える発光素子に向けられている。
【００２３】
好ましくは、前記ｐ型導電層は、それぞれに所定のｐ型ドーパントが添加されてなる第５のIII族窒化物からなる層と第６のIII族窒化物からなる層とが交互に積層された超格子構造を備える。
【００２４】
本発明の第６の局面は、本発明の第３または第４の局面に係る半導体積層構造の前記機能層の上に所定のｐ型導電層を備えるとともに、前記ｎ型導電層と前記ｐ型導電層にそれぞれ所定の電極をさらに備える発光素子に向けられている。
【００２５】
好ましくは、前記ｐ型導電層は、それぞれに所定のｐ型ドーパントが添加されてなる第５のIII族窒化物からなる層と第６のIII族窒化物からなる層とが交互に積層された超格子構造を備える。
【００２６】
量子ドットの形成に好適な状態が維持されるように、マトリックス領域において維持される圧縮応力によって量子ドットとマトリックス領域との格子定数差が補償されることで、量子ドット構造が形成される。それゆえ、組成的な制約の少ない半導体積層構造およびこれを備えた発光素子を提供することが出来る。
【００２７】
III族窒化物の中で格子定数の小さいＡｌＮを下地層に用いることで、マトリックス領域における応力状態を効果的に実現することができる。島状結晶とマトリックス領域との格子定数差が効果的に補償される。
【００２８】
応力状態を確実に維持することができる。
【００２９】
マトリックス領域と量子ドットとの間のバンドギャップが大きくなるので、量子ドットへのキャリアの閉じ込めがより効果的に実現できる。これにより、所定の手法による電圧印加によって量子ドットから発光を生じさせる場合の発光効率が増大する。
【００３０】
所定の手法による電圧印加によって量子ドットから当該希土類または遷移金属元素からの励起発光を生じさせることができる。添加する希土類あるいは遷移金属元素の種類、濃度、添加されるマトリックス層の層数等を調整することにより、所望の色合いの光、例えば白色光を発光することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施の形態に係る発光デバイス１０の構造を概略的に示す断面模式図である。
【図２】ｎ型導電層４を構成するＡｌxＧａ1-xＮの格子定数と、ｘの値との関係について、模式的に示す図である。
【図３】ｎ型導電層４を構成するＡｌxＧａ1-xＮの格子定数と、ｘの値との関係についての測定結果を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係る発光デバイス２０の構造を概略的に示す断面模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
＜第１の実施の形態＞
＜発光デバイスの構成＞
図１は、第１の実施の形態に係る発光デバイス１０の構造を概略的に示す断面模式図である。発光デバイス１０は、基材１と、下地層２と、バッファ層３と、ｎ型導電層４と、多数の島状結晶５ｄによる量子ドット構造を有する発光層５と、ｐ型導電層６とが、この順に積層された層状構造（半導体積層構造）を有するデバイスである。ｐ型導電層６上には例えばＡｕ／Ｎｉからなるｐ型電極７ｐが形成されている。また、ｎ型導電層４の一部は露出しており、この露出した部分には、例えばＡｌ／Ｔｉからなるｎ型電極７ｎが形成されている。発光デバイス１０は、ｐ型電極７ｐとｎ型電極７ｎとの間に所定の電圧値の電圧を印加して通電することにより、発光層５から発光を生じるデバイスである。なお、図示の都合上、図１の図面における各層の厚みの比率および縦横の比率は、実際の比率を反映したものではない。
【００３３】
基材１は、本来的にはその上に形成する下地層２の組成や構造、あるいはさらにその上に形成される層を含む各層の形成手法に応じて適宜に選択可能であるが、本実施の形態においては、（０００１）面を主面とするIII族窒化物結晶を下地層２として得るべく、例えば（０００１）面ＳｉＣあるいは（１１−２０）面及び（０００１）面サファイアを基材１として用いるのが好適である。あるいは、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ2、ＬｉＧａＯ2、ＭｇＡｌ2Ｏ4、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3、ＮｄＧａＯ3、ＭｇＯといった各種酸化物材料、Ｓｉ、Ｇｅといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＧｅといった各種IV−IV族化合物、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮといった各種III−Ｖ族化合物およびＺｒＢ2といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択して用いてもよい。基材１の厚みには特段の材質上の制限はないが、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。
【００３４】
下地層２は、基材１の上に形成されてなる。下地層２は、例えばＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ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）、スパッタ法などの公知の成膜手法によって形成された、（０００１）面を主面とするＡｌを含むIII族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ＭＯＣＶＤ法を用いる場合の基板温度は、例えば１２００度である。ＭＯＣＶＤ法には、ＰＡＬＥ法（パルス原子層エピタキシ法；Pulsed Atomic Layer Epitaxy）、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などが併用できる。ＭＢＥ法に関しても、同様の技術を併用可能である。ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法といった成長方法は、製造条件を高精度に制御することができるので、高品質な結晶を成長させることに適している。一方、ＨＶＰＥ法は、原料を一時に多量に供給できるため、短時間で厚膜を成長させることに適している。下地層２を形成する際に、これらの方法を組み合わせて形成することも可能である。
【００３５】
好ましくは、下地層２は後述するｎ型導電層４および発光層５を構成する物質よりも、全III族元素に占めるＡｌの存在比率が大きいIII族窒化物により形成される。より好ましくは、ＡｌＮにて形成される。また、下地層２は、１〜２μｍ程度の厚みに形成される。
【００３６】
なお、（０００１）面を主面とするＡｌＮエピタキシャル膜にて下地層２を形成する場合、その形成に先立って、基材１の表面に窒化処理を施し表面窒化層を形成しておくことが好ましい。これにより、下地層２における転位密度を、ＡｌＮエピタキシャル膜としては低い数値である５×１０10／ｃｍ2以下にまで抑えることができる。窒化処理は、例えばＮＨ3ガスをキャリアガスともども基材１の表面に対し供給することによって実現される。これにより、基材１には、例えば１ｎｍ深さにおいて７原子％程度の窒素を含有する表面窒化層が形成される。
【００３７】
なお、基材１上に下地層２を形成してなる状態のものは、全体として一の基板のように取り扱われることがある。この場合、これを「エピタキシャル基板」と称することとする。
【００３８】
バッファ層３と、ｎ型導電層４と、発光層５と、ｐ型導電層６とは、下地層２の上にこの順に、ＭＢＥ法によって連続的にエピタキシャル形成されてなる。
【００３９】
バッファ層３は、下地層２と略同一の組成の層を、ＭＢＥ法にて形成してなる層である。バッファ層３は、後述する各層の形成をより良好に行えることを目的に設けられる層である。実質的には下地層２と同様の作用を果たす。従って、発光デバイス１０における必須の構成要素ではなく、下地層２の上にｎ型導電層４および以降の各層を直接に形成する態様であってもよい。以下、下地層２とバッファ層３とを併せて、成長下地層と称することがある。このようなバッファ層３は、５０ｎｍ程度の厚みに形成される。バッファ層３を形成する際の成長温度は、例えば７２０℃程度である。
【００４０】
ｎ型導電層４は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）なる組成のIII族窒化物に所定のｎ型のドーパントが添加されて形成された層である。ｎ型導電層４は、島状結晶５ｄを形成する際の基層として作用する。ここで、ｘの値は、自己組織化による島状結晶５ｄの形成を前提に、成長下地層の組成（Ａｌの存在比率）と、ｎ型導電層４における導電率とを考慮して定まるが、その詳細については後述する。例えば、III族窒化物の組成はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎである。
【００４１】
ｎ型導電層４は、数μｍ程度の厚みに形成される。ｎ型導電層４の厚みは、導電率と、島状結晶５ｄの形成の可否とに基づいて決められる。この点についても後述する。また、ｎ型導電層４を形成する際の成長温度は、例えば７００℃程度である。
【００４２】
ドーパントとしては、例えばＳｉが用いられる。他にも、Ｂ、Ｇｅなどを用いることができる。ただし、以降においては、説明の簡単のため、ｎ型導電層４にドーパントが添加されている旨の記載は必要がない限り省略する。
【００４３】
なお、ｎ型導電層４およびその後の層形成を行う際、結晶成長面でサーファクタントとして作用させるべく、Ｉｎを併せて供給する態様であってもよい。この場合、Ｉｎが各層の結晶品質の向上には寄与するが、各層の中に取り込まれることのないように、成長温度が設定される。
【００４４】
発光層５は、３種類の層によって構成されてなる。１つは、赤色（Ｒ）の光を発する赤色発光層５１であり、もう１つは、緑色（Ｇ）の光を発する緑色発光層５２であり、さらにもう１つは、青色（Ｂ）の光を発する青色発光層５３である。赤色発光層５１、緑色発光層５２、および青色発光層５３はそれぞれ、マトリックス層５ｍ（５１ｍ、５２ｍ、および５３ｍ）の内部に島状結晶５ｄ（５１ｄ、５２ｄ、および５３ｄ）が離散的に形成されてなる単位層を１層有するか、あるいは適宜の数だけ積層してなる層である。
【００４５】
島状結晶５ｄは、ＧａyＩｎ1-yＮ（０＜ｙ≦１）により、好ましくはＧａＮにより、量子効果が出現するような程度の微細な大きさに形成されてなる。各々の島状結晶５ｄは略同一のサイズを有し、概ね均等な間隔で存在する。すなわち、発光層５は、島状結晶５ｄが量子ドットとして作用する量子ドット構造を有してなる。
【００４６】
一方、マトリックス層５ｍは、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）なる組成のIII族窒化物に、ｎ型導電層４と同様のｎ型のドーパントが添加されて形成された層である。ｚの値は、自己組織化による島状結晶５ｄの形成を前提に、成長下地層およびｎ型導電層４の組成（Ａｌの存在比率）と、マトリックス層５ｍにおける導電率とを考慮して定まるが、その詳細については後述する。好ましくは、０＜ｚ≦ｘである。例えば、III族窒化物の組成は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎである。また、以降においては、説明の簡単のため、マトリックス層５ｍにドーパントが添加されている旨の記載は必要がない限り省略する。
【００４７】
さらに、島状結晶５ｄには、励起されることにより所定の光を発する希土類あるいは遷移金属元素が添加されてなる。添加される元素の種類によって、各発光層における発光波長が、つまりは発光色が一意に定まる。赤色発光層５１内の島状結晶５１ｄには、励起されることによって赤色を発光する元素、例えば、Ｅｕが添加される。緑色発光層５２内の島状結晶５２ｄには、励起されることによって緑色を発光する元素、例えば、Ｔｂが添加される。青色発光層５３内の島状結晶５３ｄには、励起されることによって青色を発光する元素、例えば、Ｔｍが添加される。図１においては、赤色発光層５１が単位層を２層、緑色発光層５２が同じく２層以上、青色発光層５３が同じく３層備える場合を例示している。
【００４８】
単位層の形成は、まず、島状結晶５ｄを、基層となるｎ型導電層４もしくはマトリックス層５ｍの上に、自己組織化によって形成し、その後、該島状結晶５ｄを埋め込むように、マトリックス層５ｍを数ｎｍ〜十数ｎｍ程度の厚みに成長させることにより実現される。従って、それぞれのマトリックス層５ｍは、島状結晶５ｄに対するキャップ層として作用するとともに、その上にさらに島状結晶５ｄを形成する場合の基層としても作用することになる。係る自己組織化による島状結晶５ｄの形成が実現されるための要件については後述する。
【００４９】
なお、ｎ型導電層４とマトリックス層５ｍとからなる領域を「（発光層５の）マトリックス領域」と称することとする。発光デバイス１０においては、こうしたマトリックス領域の内部において、島状結晶５ｄが離散的に存在している略水平面が所定間隔で存在している、とみることもできる。
【００５０】
ｐ型導電層６は、ＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）なる組成のIII族窒化物に所定のｐ型のドーパントが添加されて形成された第１層６１と、ＧａＮに同じｐ型のドーパントが添加されて形成された第２層６２とからなる。
【００５１】
第１層６１を構成する該III族窒化物は、例えばＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎである。第１層６１は、十数ｎｍ程度の厚みに形成される。なお、ドーパントとしては、例えばＭｇが用いられる。他にも、Ｚｎ、Ｂｅなどを用いることができる。第２層６２は、数百ｎｍ程度の厚みに形成される。ｐ型導電層６の形成する場合の成長温度は、例えば７００℃程度である。
【００５２】
このように構成された発光デバイス１０においては、マトリックス層５ｍを構成する物質と島状結晶５ｄを構成する物質とのバンドギャップが大きいことから、電極間への電圧印加によって島状結晶５ｄの中にキャリアが効果的に閉じこめられる。これにより、添加元素の励起発光が高効率に生じることになるので、発光特性のよい発光デバイス１０が実現されることになる。
【００５３】
また、島状結晶５ｄに添加する希土類あるいは遷移金属元素の種類、濃度、島状結晶５ｄの密度および島状結晶５ｄを含む単位層の層数等を調整することにより、発光デバイス１０から、所望の色合いの光、例えば白色光を発光することが可能となる。
【００５４】
＜自己組織化による量子ドット構造の形成＞
ここで、第１の実施の形態に係る発光デバイス１０を実現する上で重要な、自己組織化による量子ドット構造の形成について説明する。
【００５５】
本実施の形態に係る発光デバイス１０においては、係る量子ドット構造の形成が、成長下地層（下地層２あるいはさらにバッファ層３）、ｎ型導電層４、マトリックス層５ｍ、および島状結晶５ｄのそれぞれの組成に所定の関係を与えるとともに、各層の厚みを所定の範囲内の値とすることによって、各層の格子定数ひいては層間に作用する応力の関係を所定の状態に保つことにより実現されている。
【００５６】
具体的にいうと、ｎ型導電層４は、成長下地層を構成するIII族窒化物に比して全III族元素に占めるＡｌの存在比率が小さいＡｌxＧａ1-xＮにより、成長下地層の直上にエピタキシャル形成されてなる。その際には、成長下地層と整合するように形成される。よって、ｎ型導電層４は、成長下地層との界面においてエピタキシャル成長方向と垂直な面内方向に圧縮応力を受けた状態で成長していることになる。この応力状態は、ｎ型導電層４の成長とともに緩和されるが、ｎ型導電層４の厚みが組成に対応して定まる所定の値を超えるまでは、完全には緩和されることはない。すなわち、ｎ型導電層４は、界面における上述の整合状態をある程度維持して成長していることになる。例えば、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎであれば、１μｍの厚みであっても応力は十分に残存する。従って、ｎ型導電層４の最表面近傍においては、応力が残存してなり、無応力状態に比してａ軸長が小さい状態が実現されていることになる。
【００５７】
例えば、成長下地層をＡｌＮにより形成し、ｎ型導電層４をＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎにより形成した場合に、ｎ型導電層４の形成時にＲＨＥＥＤ（Reflection High Energy Electron Diffraction：反射高速電子回折）によってリアルタイムで面内方向の格子定数（ａ軸長）の変化を観測することにより確認される格子緩和Δａ／ａ０（ａ０：成長開始時のａ軸長、Δａ：ａ０に対する最終的なａ軸長の増分）は、０．３％程度である。これは、応力が完全に緩和された無応力の状態（例えばバルク状態）にあるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎのａ軸長から想定される値である１．２％よりも著しく低い値である。
【００５８】
図２は、このような状態を説明すべく、ｎ型導電層４を構成するＡｌxＧａ1-xＮの格子定数（ａ軸、ｃ軸）と、ｘの値との関係について、模式的に示す図である。
【００５９】
図２において、黒丸の点Ａ、Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係るｎ型導電層４を形成するＡｌxＧａ1-xＮの格子定数を表している。点Ａの場合がｘ＝ｘA、点Ｂの場合がｘ＝ｘBであるとする。一方、いずれも白丸で示しているＡｌＮの格子定数を表す点とＧａＮの格子定数を表す点とを結ぶ破線Ｌは、無応力状態にある場合のＡｌxＧａ1-xＮの格子定数とｘの値との関係を示している。そして、この破線Ｌ上の点Ａ’、Ｂ’はそれぞれ、点Ａ、Ｂと同じ組成の物質が、無応力状態でとる格子定数（これを、理想格子定数と称する）を示している。
【００６０】
上述のように、本実施の形態においては、ｎ型導電層４に応力の残存した状態が実現されている。これに対応して、ｎ型導電層４の格子定数は、図２において点Ａ、Ｂで示されるように、理想格子定数を示す点Ａ’、Ｂ’から軸比ｃ／ａを高める方向にシフトした値となっている。このとき、例えば点Ａにおける（ｘ＝ｘAの場合の）ａ軸長をαとすると、無応力状態の場合にａ軸長が同じ値αとなる組成は、破線Ｌ上において点Ｃで表される組成ということになる。この点Ｃの場合にｘ＝ｘCであるとすると、ｘA＜ｘCが成り立つことになる。すなわち、本実施の形態に係るｎ型導電層４においては、ある無応力状態における理想格子定数と同じ格子定数が、該無応力状態よりもｘの小さい、Ｇａリッチな組成によって実現されていることになる。
【００６１】
図３は、成長下地層の上に、ＡｌxＧａ1-xＮ層を種々の組成にて作成した（ｘの値を種々に違えて作成した）場合のＡｌxＧａ1-xＮの格子定数（ａ軸、ｃ軸）の値と、ｘの値との関係について示す図である。図３においては、破線Ｌ‘は、図２の破線Ｌと同様に、無応力状態にある場合のＡｌxＧａ1-xＮの格子定数とｘの値との関係を示している。白丸は、１５０ｎｍの厚みにＡｌxＧａ1-xＮ層を形成した場合の結果を示している。「ＭＢＥ」と付された黒丸は、ＭＢＥ法によって９００ｎｍの厚みにＡｌ0.54Ｇａ0.46Ｎ層を形成した場合の結果を示している。また、「ＭＯＣＶＤ」と付された黒丸は、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌ0.54Ｇａ0.46Ｎ層を９００ｎｍの厚みに形成した場合の結果である。
【００６２】
図３からは、黒丸同士の比較により、本実施の形態のようにＭＢＥ法を用いることで、ＭＯＣＶＤ法を用いた場合よりもさらに大きな圧縮応力が作用する状態が実現されていることが分かる。ＭＢＥ法を用いた場合には、１μｍを超える膜厚のＡｌxＧａ1-xＮ層を形成した場合であっても、係る圧縮応力が十分に維持されることが、本発明の発明者によって確認されている。
【００６３】
また、白丸の結果より、Ａｌリッチなところから少なくともｘ＝０．２６に至るまでの広い組成範囲で、圧縮応力が作用することが確認できる。このことは、上述したように、ある無応力状態における理想格子定数と同じ格子定数を、該無応力状態よりもｘの値が小さい、Ｇａリッチな組成のIII族窒化物によって実現できることを示している。
【００６４】
そして、このような応力状態にあるｎ型導電層４を基層として、ＧａyＩｎ1-yＮからなる島状結晶５ｄが自己組織化により形成される。島状結晶５ｄには、上述のような応力状態にあるｎ型導電層４との格子定数差が十分にあるＧａyＩｎ1-yＮを用いることが、両者の間の界面エネルギーが大きくなって好適である。例えば、ｎ型導電層４がＡｌ0.33Ｇａ0.67Ｎにより形成されてなる場合であれば、ＧａＮを用いて島状結晶５ｄを形成することができる。よりＩｎリッチな組成が採用されてもよい。
【００６５】
島状結晶５ｄの形成後、さらに、ＡｌzＧａ1-zＮによりマトリックス層５ｍを形成することで１つの単位層の形成がなされ、以降は、マトリックス層５ｍを基層とする単位層の形成が繰り返されることで発光層５が形成されることになる。ここで、単位層の厚み、つまりは１つのマトリックス層５ｍの厚みはせいぜい十数ｎｍであるので、多数の単位層を積層した状態であって、かつｎ型導電層４の最表面に存在した応力をその最上層にまで残存させた状態、換言すれば上述の整合が維持された状態を実現することは可能である。特に、０＜ｚ≦ｘの範囲でｚの値を定めることで、応力緩和を良好に行える（クラックが抑止される）ことになる。なお、０＜ｚ＜ｘであれば、ｎ型導電層４がバリア層として作用することにもなる。
【００６６】
すなわち、本実施の形態においては、発光層５において量子ドット構造を形成するにあたり、マトリックス領域（ｎ型導電層４およびマトリックス層５ｍ）の形成を、Ａｌの存在比率が該マトリックス領域よりも大きい（格子定数の小さい）成長下地層の上に行うことにより、マトリックス領域の成長方向と垂直な面内方向に圧縮応力を生じさせた状態を実現し、この圧縮応力の存在下で自己組織化による島状結晶５ｄの形成を行っている。係る圧縮応力は、マトリックス領域におけるＡｌの存在比率を低減させた場合に生じる格子定数の増加を抑制するように作用している。換言すれば、量子ドットの形成に好適な状態が維持されるように、島状結晶とマトリックス領域との格子定数差を補償するように作用している。結果的に、自己組織化による島状結晶の形成が可能となる組成範囲を、Ｇａリッチ側に拡大するように作用しているといえる。これはすなわち、こうした応力状態を実現することで、島状結晶の形成に係る組成的な制約が取り除かれたことを意味している。
【００６７】
そして、このような本実施の形態に係る量子ドット構造の形成手法を用いることで、ＧａＮからなる島状結晶を有する量子ドット構造によって発光層が構成された、電流注入型の発光デバイスを、好適に得ることができる。
【００６８】
＜第２の実施の形態＞
図４は、第２の実施の形態に係る発光デバイス２０の構造を概略的に示す断面模式図である。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態に係る発光デバイス１０と同様の作用効果を奏する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。発光デバイス２０は、基材１と、下地層２と、ｎ型導電層４と、第１クラッド層１８と、多数の島状結晶１５ｄによる量子ドット構造を有する発光層１５と、第２クラッド層１９と、ｐ型導電層１６とが、この順に積層された層状構造（半導体積層構造）を有するデバイスである。ｎ型導電層４と、第１クラッド層１８と、多数の島状結晶１５ｄによる量子ドット構造を有する発光層１５と、第２クラッド層１９と、ｐ型導電層１６とは、下地層２の上にこの順に、ＭＢＥ法によって連続的にエピタキシャル形成されてなる。ｐ型導電層１６上には例えばＡｕ／Ｎｉからなるｐ型電極７ｐが形成されている。また、ｎ型導電層４の一部は露出しており、この露出した部分には、例えばＡｌ／Ｔｉからなるｎ型電極７ｎが形成されている。
【００６９】
発光デバイス２０は、ｐ型電極７ｐとｎ型電極７ｎとの間に所定の電圧値の電圧を印加して通電することにより、発光層１５から発光を生じるデバイスである。なお、図示の都合上、図４の図面における各層の厚みの比率および縦横の比率は、実際の比率を反映したものではない。
【００７０】
本実施の形態に係る発光デバイス２０の発光層１５は、マトリックス構造を有する点では第１の実施の形態に係る発光デバイス１０の発光層５と同様であるが、発光層５とは異なり、赤色の光を発する島状結晶１５ｄ（１５１ｄ）をマトリックス層１５ｍ（１５１ｍ）内に含む単位層、緑色の光を発する島状結晶１５ｄ（１５２ｄ）をマトリックス層１５ｍ（１５２ｍ）内に含む単位層、および青色の光を発する島状結晶１５ｄ（１５３ｄ）をマトリックス層１５ｍ（１５３ｍ）内に含む単位層からなる単位層群１５ｕを、適宜の数だけ積層することにより形成される。図４においては、単位層群１５ｕを１０回積層する場合を例示している。
【００７１】
この場合においても、それぞれの島状結晶１５ｄは、自己組織化によって形成される。具体的に言えば、Ａｌの存在比率がマトリックス領域よりも大きい（格子定数の小さい）下地層２の上にマトリックス領域を形成することにより、マトリックス領域の成長方向と垂直な面内方向に圧縮応力を生じさせた状態を実現し、この圧縮応力の存在下で島状結晶１５ｄが形成されてなる。係る圧縮応力は、第１の実施の形態と同様に、下地層２と整合状態にあるようにｎ型導電層４を形成することに起因して生じる。
【００７２】
なお、本実施の形態に係る発光デバイス２０においては、発光効率を高めるべく、第１クラッド層１８と第２クラッド層１９とによって挟むようにして発光層１５が形成されてなる。ゆえに、発光層１５は、ｎ型導電層４の直上に形成されるのではなく、ｎ型導電層４の上に設けられた第１クラッド層１８の上に形成される。しかしながら、第１クラッド層１８は、せいぜい数十ｎｍ程度の厚みに、例えば２０ｎｍ程度の厚みに形成されるので、上述した応力状態は第１クラッド層１８の表面においても維持される。よって、本実施の形態に係る発光デバイス２０の形成に際して、発光層１５の最下端部では、クラッド層が基層となって島状結晶１５１ｄが形成される。
【００７３】
島状結晶１５ｄ、マトリックス層１５ｍはそれぞれ、第１の実施の形態に係る発光デバイス１０と同様の組成のIII族窒化物によって実現可能である。発光デバイス１０に係る島状結晶５ｄやマトリックス層５ｍと同様の条件のもとで、同様のサイズに形成されればよい。各色の発光を担う島状結晶１５ｄへの添加元素についても、第１の実施の形態と同様の元素を使用可能である。また、第１クラッド層１８および第２クラッド層１９は、マトリックス層１５ｍよりもＡｌリッチなIII族窒化物によって形成するのが好適である。
【００７４】
例えば、島状結晶１５ｄをＧａＮにて形成し、マトリックス層１５ｍをＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎにて形成し、第１クラッド層１８および第２クラッド層１９をＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎにて形成するのが、好適な一例である。この場合、第１クラッド層１８の形成時にＲＨＥＥＤによってリアルタイムで面内方向の格子定数（ａ軸長）の変化を観測することにより確認される格子緩和Δａ／ａ０は、０．０５％以下である。これは、応力が完全に緩和された無応力の状態（例えばバルク状態）にあるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎのａ軸長から想定される値である０．２２％よりも著しく低い値である。
【００７５】
ｐ型導電層１６は、超格子構造を有する第１層１６１と、ＧａＮからなる第２層１６２とから構成される。具体的には、第１層１６１は、それぞれがせいぜい数十ｎｍ程度の厚みのＡｌ1-tＧａtＮ（０≦ｔ≦１）なる組成のIII族窒化物からなる下側層１６１ａとＧａＮからなる上側層１６１ｂとからなる単位層１６１ｕを、適宜の数だけ積層することにより形成される。第２層１６２は、数十〜数百ｎｍ程度の厚みに設けられるのが好適である。第１層１６１および第２層１６２には、第１の実施の形態に係る発光デバイス１０のｐ型導電層６と同様のｐ型のドーパントが添加されてなる。図４においては、積層が５回繰り返される場合を例示している。例えば、第１層１６１の下側層１６１ａと上側層１６１ｂとをそれぞれ１０ｎｍの厚みに形成し、第２層１６２を１００ｎｍの厚みに形成するのが好適な一例である。なお、第１の実施の形態に係る発光デバイス１０において、ｐ型導電層６に代えて、このような構造のｐ型導電層１６を形成するようにしてもよい。
【００７６】
以上、説明したように、本実施の形態に係る発光デバイス２０おいても、発光層１５において量子ドット構造を形成するにあたり、マトリックス領域の形成を、Ａｌの存在比率が該マトリックス領域よりも大きい（格子定数の小さい）成長下地層の上に行うことにより、マトリックス領域の成長方向と垂直な面内方向に圧縮応力を生じさせた状態が実現され、この圧縮応力の存在下で自己組織化によって島状結晶１５ｄが形成されている。
【実施例】
【００７７】
２インチφの厚さ５００μｍのＣ面サファイア基板をＨ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2で前処理したものを基材１として用意し、これをＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置にはガス系としてＨ2、Ｎ2、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＣＰ2Ｍｇ、ＮＨ3、ＳｉＨ4の供給源取り付けてある。Ｈ2を流速１０ｍ／ｓｅｃで流しながら、該サファイア基板を１２００℃まで昇温した。その後、ＮＨ3をＨ2キャリアガスとともに５分間流すことにより、サファイア基板の主面に対する窒化処理を行った。ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）による分析の結果、該主面の深さ１ｎｍにおける窒素含有量は７原子％であった。
【００７８】
次に、ＴＭＡとＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、下地層２としてのＡｌＮ層を１μｍの暑さにエピタキシャル形成することにより、エピタキシャル基板を得た。  このエピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ装置より取り出し、これをＭＢＥ装置の中に設置した。固体源として７ＮのＧａ、Ｉｎ、Ａｌを用意し、窒素源としては公知の高周波プラズマ装置により発生した原子状窒素を用意した。また、導電性ドーパントとして、ｎ型用にＳｉの、ｐ型用にＭｇの固体源をそれぞれ用意した。さらに、発光を生じさせるための島状結晶への添加元素として、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔｍの固体源を、それぞれ、赤、緑、青色の発光を行わせるために用意した。
【００７９】
ＭＢＥ装置においては、エピタキシャル基板を真空中で９５０℃まで加熱し、基板表面の清浄化を行った。次いで、成長温度を７２０℃として、Ａｌおよび窒素を供給し、バッファ層３としてのＡｌＮ層を５０ｎｍの厚みに成長させた。
【００８０】
続いて、成長温度を７００℃に降温し、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉおよび原子状窒素を供給し、Ｓｉをｎ型ドーパントとするｎ型導電層４としてのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を１μｍの厚みに成長させた。ここで、Ｉｎは結晶成長面でサーファクタントとして働き、結晶品質を向上させる。ただし、この成長温度でＩｎがｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層中に取り込まれることはない。
【００８１】
係るｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層の成長中、その表面の（面内の）ａ軸方向の格子定数をＲＨＥＥＤにより実時間で観測した。その結果、生じた格子緩和は、無応力状態にあるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎのａ軸長から想定される値である１．２％よりも低い、０．３％程度に過ぎなかった。
【００８２】
次いで、このｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層上に、Ｅｕを添加元素としてＧａおよび原子状窒素を供給すると、離散的に分布し、サイズの略同一な多数の島状結晶５１ｄが形成された。
【００８３】
島状結晶の形成後、マトリックス層５１ｍとしてのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を表面上に約１０ｎｍの厚みに形成した。これにより、表面の平坦性を再確保したうえで、引き続き、Ｔｂを添加元素としてＧａおよび原子状窒素を供給すると、やはり離散的に分布し、サイズの略同一な多数の島状結晶５２ｄが形成された。さらに、マトリックス層５２ｍとしてのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を表面上に約１０ｎｍの厚みに形成した。これにより、表面の平坦性を再確保したうえで、引き続き、Ｔｍを添加元素としてＧａおよび原子状窒素を供給すると、やはり離散的に分布し、サイズの略同一な多数の島状結晶５３ｄが形成された。その上に、マトリックス層５３ｍとしてのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を表面上に約１０ｎｍの厚みに形成した。すなわち、赤色、緑色、青色それぞれの発光層を１つずつの単位層で形成してなる発光層５を得た。
【００８４】
発光層５の形成後、ｐ型導電層６として、ｐ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層を１０ｎｍの厚みに、その上にｐ−ＧａＮ層を２００ｎｍの厚みに形成した。
【００８５】
係るｐ型導電層６の形成後、形成された多層構造の一部を、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層が露出するまでエッチングした。露出したｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層にＡｌ／Ｔｉによりｎ型電極７ｎを形成した。また、ｐ−ＧａＮ層上には、Ａｕ／Ｎｉによりｐ型電極７ｐを形成した。以上のプロセスにより、発光デバイス１０を得た。
【００８６】
このようにして得られた発光デバイス１０に対して、ｎ型電極７ｎとｐ型電極７ｐとの間に直流電圧５Ｖを印加し、２５ｍＡの電流を流した。すると、高輝度の白色発光が確認された。すなわち、本実施の形態に係る発光デバイス１０が、実用的な白色光源として動作することが確認された。
【００８７】
（実施例２）
実施例１と同様の手順でエピタキシャル基板を用意し、これを実施例１と同様のＭＢＥ装置の中に設置した。
【００８８】
ＭＢＥ装置においては、エピタキシャル基板を真空中で９５０℃まで加熱し、基板表面の清浄化を行った。次いで、成長温度を７００℃とし、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉおよび原子状窒素を供給し、Ｓｉをｎ型ドーパントとするｎ型導電層４としてのｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層を２μｍの厚みに成長させた。
【００８９】
次いで、このｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層上に、Ａｌ、Ｇａおよび原子状窒素を供給し、第１クラッド層１８としてのＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層を２０ｎｍの厚みに成長させた。
【００９０】
係るＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層の成長中、その表面の（面内の）ａ軸方向の格子定数をＲＨＥＥＤにより実時間で観測した。その結果、生じた格子緩和は、無応力状態にあるＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎのａ軸長から想定される値である０．２２％よりも低い、０．０５％以下に過ぎなかった。
【００９１】
次いで、このＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層上に、Ｅｕを添加元素としてＧａおよび原子状窒素を供給すると、離散的に分布し、サイズの略同一な多数の島状結晶１５１ｄが形成された。
【００９２】
島状結晶１５１ｄの形成後、マトリックス層１５１ｍとしてのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層を表面上に約１０ｎｍの厚みに形成した。これにより、表面の平坦性を再確保したうえで、引き続き、Ｔｂを添加元素としてＧａおよび原子状窒素を供給すると、やはり離散的に分布し、サイズの略同一な多数の島状結晶１５２ｄが形成された。さらに、マトリックス層１５２ｍとしてのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層を表面上に約１０ｎｍの厚みに形成した。これにより、表面の平坦性を再確保したうえで、引き続き、Ｔｍを添加元素としてＧａおよび原子状窒素を供給すると、やはり離散的に分布し、サイズの略同一な多数の島状結晶１５３ｄが形成された。その上に、マトリックス層１５３ｍとしてのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層を表面上に約１０ｎｍの厚みに形成した。このように、赤色、緑色、青色それぞれの発光を生じさせる３つの単位層からなる単位層群１５ｕの形成を１０回繰り返すことにより、発光層１５を得た。
【００９３】
発光層１５の形成後、第２クラッド層１９としてのＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層を２０ｎｍの厚みに成長させた。
【００９４】
第２のクラッド層の形成後、下側層１６１ａとしてのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層と上側層１６１ｂとしてのｐ−ＧａＮ層とを交互に１０層ずつ、それぞれ１０ｎｍの厚みを有するように形成することによって、超格子構造を有するｐ型導電層１６の第１層１６１を形成した。
【００９５】
次いで、この超格子構造の第１層１６１の上に、ｐ型導電層１６の第２層１６２として、ｐ−ＧａＮ層を１００ｎｍの厚みに形成した。これにより、ｐ型導電層１６を得た。
【００９６】
係るｐ型導電層１６の形成後、形成された多層構造の一部を、ｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層が露出するまでエッチングした。露出したｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層にＡｌ／Ｔｉによりｎ型電極７ｎを形成した。また、ｐ−ＧａＮ層上には、Ａｕ／Ｎｉによりｐ型電極７ｐを形成した。以上のプロセスにより、発光デバイス２０を得た。
【００９７】
このようにして得られた発光デバイス２０に対して、ｎ型電極７ｎとｐ型電極７ｐとの間に直流電圧６Ｖを印加し、２５ｍＡの電流を流した。すると、高輝度の白色発光が確認された。すなわち、本実施の形態に係る発光デバイス２０が、実用的な白色光源として動作することが確認された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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