(57)【要約】  【課題】  窒化ガリウム系化合物半導体の成長性を大幅に改善することができる単結晶基板を提供すること。  【解決手段】  基板１の主面１ａ上にＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２（ただし、０＜ｘ≦１）から成る層である硼化ジルコニウム・チタン層２をエピタキシャル成長して新たな表面２ａを（０００１）面とした単結晶基板である。チタン（Ｔｉ）が介在することにより、基板１への硼化ジルコニウム・チタン層２の成長性および硼化ジルコニウム・チタン層２への窒化ガリウム系化合物半導体の成長性が改善される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上にＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２（ただし、０＜ｘ≦１）単結晶層をエピタキシャル成長したことを特徴とする単結晶基板。
【請求項２】
前記基板はＳｉ単結晶から成り、前記主面は（１１１）面であることを特徴とする請求項１記載の単結晶基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の単結晶基板上にエピタキシャル成長させた、発光層を含むＧａＮ化合物半導体層と、該ＧａＮ化合物半導体層の上面に形成された導電層と、前記ＧａＮ化合物半導体層の下面側の層に電気的に接続された導電層とを具備することを特徴とする発光素子。
【請求項４】
前記ＧａＮ化合物半導体層は、前記Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２単結晶層よりも低温で成長させたことを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面が窒化ガリウム系化合物半導体と良好に格子整合する硼化物単結晶である単結晶基板において窒化ガリウム系化合物半導体の成長性を大幅に改善することができる単結晶基板に関するものである。また、本発明はこの単結晶基板を用いた高性能な発光素子および照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、青色もしくは紫外の発光素子として窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が広く知られている（例えば、特許文献１〜特許文献５を参照。）。このような発光素子においては、高い発光効率を得る上で、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶品質が重要であり、窒化ガリウム系化合物半導体を結晶成長するための基板および基板との間に介在させるバッファー層の性質や品質が特に重要となっている。なお、特にことわりがない限り基板は単結晶であるものとする。
【０００３】
このような発光素子に用いる窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるための従来の基板としては、例えばサファイア，炭化硅素（ＳｉＣ），硅素（Ｓｉ）およびガリウム砒素（ＧａＡｓ）等が周知である。また、従来のバッファー層としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）等が周知である。
【０００４】
また、従来の基板およびバッファー層の他の例としては、例えば、非特許文献１および特許文献６に、硅素（Ｓｉ）基板上にバッファー層として硼化ジルコニウムを結晶成長させたものが開示されている。また、特許文献７にも同様の例が開示されている。
【０００５】
これら非特許文献１、特許文献６および特許文献７に開示されているような従来の基板およびバッファー層は、バッファー層と窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数が整合するので良好な窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長が期待されるものである。また、上記のような構成の従来周知の基板およびバッファー層のいずれかの組合せでは、基板とバッファー層との間で格子定数の不整合が大きいために、良好な結晶品質が基本的に得られにくいという問題があり、上記不整合による影響を小さくするためにバッファー層の膜厚を非常に厚くしたり、バッファー層を低温で成長させてから後に高温で熱処理するという余分な工程が必要である。
【０００６】
また、他にも非特許文献２および特許文献８に、硼化ジルコニウムから成る基板の従来例が開示されている。
【０００７】
なお、これら従来の基板およびバッファー層は、その主面上に例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の気相成長法によって、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させるために使用されるものである。
【非特許文献１】トーレＪ、他６名（J. Tolle，R. Roucka，I.S.T. Tsong，C. Ritter，P.A. Crozier，A.V.G. Chizmeshya，J. Kouvetakis），”エピタキシャル・グロース・オブ・グループ・III・ニトライズ・オン・シリコン・サブストレート・ビア・ア・リフレクティブ・ラティス−マッチド・ジルコニウム・ディボライド・バッファー・レイヤー（Epitaxial growth of group III nitrides on silicon substrates via a reflective lattice-matched zirconium diboride buffer layer）”，アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters），（米国），アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス（American Institute of Physics），第82巻，第15号，2003年４月14日，ｐ．2398−2400
【非特許文献２】須田淳，松波弘之（J. Suda and H．Matsunami），“ヘテロエピタキシャル・グロース・オブ・グループ−III・ニトライド・オン・ラティス−マッチド・メタル・ボライド・ＺｒＢ２（０００１）・バイ・モレキュラー・ビーム・エピタキシー（Heteroepitaxial growth of group-III nitrides on lattice-matched metal boride ZrB２(0001) by molecular beam epitaxy）”，ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース（Journal of Crystal Growth），（米国），エルゼビア・サイエンス（Elsevier Science B.V.），第237-239巻，2002年，p.1114−1117
【特許文献１】特開平２−42770号公報
【特許文献２】特開平２−257679号公報
【特許文献３】特開平５−183189号公報
【特許文献４】特開平６−196757号公報
【特許文献５】特開平６−268257号公報
【特許文献６】国際公開第04/73045号パンフレット
【特許文献７】特開平11−145517号公報
【特許文献８】特開2004−83319号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１，非特許文献２および特許文献６〜特許文献８に開示されている窒化ガリウム系化合物半導体を結晶成長する表面が、硼化ジルコニウムから成る従来の基板およびバッファー層である場合には、成長条件のうち例えば成長温度をエピタキシャル成長に通常は適しているような高い温度に設定すると、窒化ガリウム系化合物半導体が基板上またはバッファー層上に付着しにくくて、格子定数が整合していても良好なエピタキシャル成長をすることが難しいという問題点があった。
【０００９】
また、このような従来の基板およびバッファー層を用いた発光装置および照明装置では、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶品質が十分ではないために十分な発光強度が得られないことがあるという問題点があった。
【００１０】
したがって、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、表面が窒化ガリウム系化合物半導体と良好に格子整合する硼化物単結晶である単結晶基板であって窒化ガリウム系化合物半導体の成長性を大幅に改善することができる単結晶基板、それを用いた発光素子および照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の単結晶基板は、基板の主面上にＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２（ただし、０＜ｘ≦１）単結晶層をエピタキシャル成長したことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の単結晶基板は、上記構成において、前記基板はＳｉ単結晶から成り、前記主面は（１１１）面であることを特徴とるすものである。
【００１３】
本発明の発光素子は、上記各構成の本発明のいずれかの単結晶基板上にエピタキシャル成長させた、発光層を含むＧａＮ化合物半導体層と、該ＧａＮ化合物半導体層の上面に形成された導電層と、前記ＧａＮ化合物半導体層の下面側の層に電気的に接続された導電層とを具備することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記ＧａＮ化合物半導体層は、前記Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２単結晶層よりも低温で成長させたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の照明装置は、上記各構成の本発明のいずれかの発光素子と、この発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の単結晶基板によれば、基板の主面上にＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２（ただし、０＜ｘ≦１）単結晶層をエピタキシャル成長したことから、主面上に形成された基本的に硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）から成る層にチタン（Ｔｉ）原子が混入してジルコニウム（Ｚｒ）原子の一部がチタン（Ｔｉ）原子に置換されたものとするか、またはジルコニウム（Ｚｒ）原子の代わりに全てがチタン（Ｔｉ）原子となった硼化物である硼化チタン（ＴｉＢ２）とすることにより、窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合が良好であることを維持しつつ、そのＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２単結晶層上でガリウム（Ｇａ）原子が結合しやすくなるため、チタン（Ｔｉ）が混入した硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）またはジルコニウム（Ｚｒ）の代わりに全てをチタン（Ｔｉ）とした硼化チタン（ＴｉＢ２）が窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長の開始を円滑にする働きをするので、窒化ガリウム系化合物半導体を良好にエピタキシャル成長させることができる単結晶基板となる。
【００１７】
また、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）にチタン（Ｔｉ）を混入させるか、またはジルコニウム（Ｚｒ）の代わりに全てをチタン（Ｔｉ）とした硼化チタン（ＴｉＢ２）としていることから、ジルコニウム（Ｚｒ）と比べて硅素（Ｓｉ）等の他の原子と結合しやすいチタン（Ｔｉ）原子が介在するために、チタン（Ｔｉ）原子が介在しないときと比べて、その基板へのＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２単結晶層のエピタキシャル成長の開始を円滑にすることができる。そのため、表面に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２単結晶層を良好なものとすることができる。
【００１８】
また、本発明の単結晶基板によれば、基板はＳｉ単結晶から成り、主面は（１１１）面であるときには、ジルコニウム（Ｚｒ）と比べて硅素（Ｓｉ）と結合しやすいＴｉ原子が介在することにより、硅素（Ｓｉ）の（１１１）面への硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）のエピタキシャル成長が円滑に開始されるため、良好な結晶品質の硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層が形成されるので、その上に窒化ガリウム系化合物半導体をさらに良好にエピタキシャル成長させることができる単結晶基板となる。また、硅素（Ｓｉ）の（１１１）面上に硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）から成る層を形成するときには、硅素（Ｓｉ）の（１１１）面は、大面積の基板として用意しやすいことから大面積化に有利な単結晶基板となる。
【００１９】
本発明の発光素子によれば、上記各構成の本発明のいずれかの単結晶基板上にエピタキシャル成長させた、発光層を含むＧａＮ化合物半導体層と、ＧａＮ化合物半導体層の上面に形成された導電層と、ＧａＮ化合物半導体層の下面側の層に電気的に接続された導電層とを具備することから、単結晶基板は、バッファー層がないかまたは薄くても結晶品質が良好な窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができるので、簡単に作製することができてかつ発光強度が強い高性能な発光素子となる。
【００２０】
また、本発明の発光素子によれば、ＧａＮ化合物半導体層は、Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２単結晶層よりも低温で成長させたときには、バッファー層として機能するＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２から成る薄膜の結晶品質が向上するため、その上にエピタキシャル成長する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶品質がより向上するのでさらに発光強度が強い高性能な発光素子となる。
【００２１】
また、本発明の照明装置によれば、上記各構成の本発明のいずれかの発光素子と、この発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することから、発光強度が強い高性能な発光素子の光により蛍光体または燐光体を強く励起するため、良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等よりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなり、蛍光灯や放電灯等より優れた照明装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の単結晶基板およびそれを用いた発光素子ならびにその発光素子を用いた照明装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の単結晶基板の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。また、図２は硼化ジルコニウム・チタンから成る単結晶基板を示す模式的な断面図である。また、図３は本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の発光素子の製造方法を示す工程毎の模式的な断面図である。これらの図において、同様の箇所は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図５は単結晶基板上にエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層のＸ線ロッキングカーブの測定結果を示す線図である。また、図６は硼化ジルコニウム・チタンの格子定数の変化を示す線図である。
【００２４】
図１〜図４において、１，11は基板、１ａ，11ａは基板１，11の主面、２は硼化ジルコニウム・チタン層、２ａは硼化ジルコニウム・チタン層２の表面、３は窒化ガリウム系化合物半導体層、３ａは発光層、３ｂは第１導電型半導体層、３ｃは第２導電型半導体層、３ｂ１は窒化ガリウム系化合物半導体層３の第１導電型半導体層３ｂ側の主面（一方主面）、３ｃ１は窒化ガリウム系化合物半導体層３の第２導電型半導体層３ｃ側の主面（他方主面）であり、４は透光性導電層、５は導電層、６は電極パッドである。
【００２５】
図１に示す本発明の単結晶基板の実施の形態の一例は、基板１の主面１ａ上にＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２（ただし、０＜ｘ≦１）単結晶層である硼化ジルコニウム・チタン層２をエピタキシャル成長してその新たな表面２ａを（０００１）面とする構成である。
【００２６】
また、基板１は、好ましくは硅素（Ｓｉ）から成るものとし、主面１ａが（１１１）面であるものとする。その理由は、基板１と硼化ジルコニウム・チタン層２との界面における結晶格子の整合性をなるべく良くするためである。これにより、ジルコニウム（Ｚｒ）と比べて硅素（Ｓｉ）と結合しやすいチタン（Ｔｉ）原子が介在するために、チタン（Ｔｉ）原子が介在しないときと比べて硅素（Ｓｉ）の（１１１）面への硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層２のエピタキシャル成長の開始を円滑にすることができる。また、硅素（Ｓｉ）は硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）と比べて融点が低いために、基板１そのものを硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）とするよりも、珪素から成る基板１として大面積化できる点で有利である。
【００２７】
また、硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層２の組成は、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）に対してチタン（Ｔｉ）が１〜２％、すなわち、0.01≦ｘ≦0.02程度が好適である。チタン（Ｔｉ）の比率が多くなりすぎると、窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数の不整合が大きくなる傾向があり、逆に、チタン（Ｔｉ）の比率が少なくなりすぎると、成長の際に窒化ガリウム系化合物半導体が主面１に、および硼化ジルコニウム・チタン層２が主面１に付着しにくくなる（膜の付きが悪くなる）傾向があるからである。
【００２８】
なお、この１〜２％という条件は、後述する実施例における実験結果に基づくものであり、必ずしもこの範囲のみに限定されるものではなく、形成する窒化ガリウム系化合物半導体の組成に応じて適宜変更することができる。
【００２９】
また、硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層２は、（０００１）面を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により基板１の主面１ａ（１１１）上に800〜1000℃程度の成長温度でエピタキシャル成長させればよい。その際、原料ガスとなるＭＯＣＶＤ材料は、ジルコニウム（Ｚｒ）源として、Ｚｒ（ＯｉＰｒ）２（ＤＰＭ）２，Ｚｒ（ＤＰＭ）４またはＺｒ（ＤＩＢＭ）４、チタン（Ｔｉ）源として、Ｔｉ（Ｏｉ−Ｐｒ）２（ＤＰＭ）２，Ｔｉ（Ｏｉ−Ｐｒ）２（ＤＩＢＭ）２、硼素（Ｂ）源として、Ｂ（ＤＰＭ）３，トリエチルボロン（ＴＥＢ）またはトリブチルボロン（ＴＢＢ）等を用いることができる。
【００３０】
なお、ＤＰＭはジピバロイルメタナト配位子（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）、ＤＩＢＭはジイソブチリルメタナト配位子（Ｃ９Ｈ１５Ｏ２）、ＴＭＯＤは2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子（Ｃ１２Ｈ２１Ｏ２）である。また、Ｏｉ−Ｐｒはイソプロポキシ基である。
【００３１】
なお、硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層２の形成には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法またはパルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）法を用いても構わない。
【００３２】
このような構成である図１に示す単結晶基板は、硼化ジルコニウム・チタン層２の表面２ａ（０００１）上に、図３に示すように窒化ガリウム系化合物半導体層３を良好にエピタキシャル成長させることができる。窒化ガリウム系化合物半導体層３の他方主面３ｃ１（窒化ガリウム系化合物半導体層３が硼化ジルコニウム・チタン層２に接する面）側が窒化ガリウム（ＧａＮ）であれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の格子定数が3.189Åであるのに対して、硼化ジルコニウム・チタン層２の格子定数は3.168Åであり、格子定数の不整合が0.7％と非常に小さくて界面でほとんど連続的な結晶構造となるからである。
【００３３】
なお、この格子定数の整合性の観点からは、図６に硼化ジルコニウム・チタンのａ軸の格子定数を線図で示すように、チタン（Ｔｉ）の含有量が少ないほど良好である。
【００３４】
図１に示す本発明の単結晶基板によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層の（０００１）面を成長させる面である硼化ジルコニウム・チタン層２の（０００１）面を、基板１の主面１ａ上に成長させて新たな表面２ａとしていることから、その表面２ａ上にチタン（Ｔｉ）原子が混入することにより、その表面２ａ上でガリウム（Ｇａ）原子が結合しやすくなる。そのため、チタン（Ｔｉ）が混入した硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）が窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長の開始を円滑にする働きをするので、窒化ガリウム系化合物半導体を良好にエピタキシャル成長させることができるものとなる。
【００３５】
また、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）にチタン（Ｔｉ）を混入させた硼化ジルコニウム・チタン層２としていることから、ジルコニウム（Ｚｒ）と比べて硅素（Ｓｉ）等の他の原子と結合しやすいチタン（Ｔｉ）原子が介在するために、チタン（Ｔｉ）原子が介在しないときと比べて硅素（Ｓｉ）等から成る基板１の主面１ａへの硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層２のエピタキシャル成長の開始を円滑にすることができる。そのため、窒化ガリウム系化合物半導体層の（０００１）面を成長させる面である硼化ジルコニウム・チタン層２の主面２（０００１）を良好なものとすることができる。
【００３６】
また、硼化ジルコニウム・チタン層２を用いていることから、硼化ジルコニウム・チタン層２を形成するための基板としては、例えば硅素（Ｓｉ）等、Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２と比べてバルクとしての成長温度が低いものから成るものとすることができるので、基板１自体を硼化ジルコニウム・チタンとするよりも、基板１の作製が容易となったり大面積化することが容易となるという利点がある。
【００３７】
なお、硼化ジルコニウム・チタン層２の代わりに硼化チタン層を用いても上記と同様の作用効果を有するものとすることができる。
【００３８】
なお、図１に示す本発明の単結晶基板に対して、図２に示すようにＺｒ１−ｘＴｉｘＢ２（ただし、0.01≦ｘ≦0.02）から成る基板11とする構成としても、基板11の主面11ａは、図１に示す単結晶基板１の表面２ａと同様の作用効果を有するものとすることができる。ただし、図１に示す例では、基板１上に薄膜としての硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）を設けているのに対して、図２に示す単結晶基板は、基板11を硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）としている点で異なっており、この場合、基板11は、基板１と硼化ジルコニウム・チタン層２との界面での結晶格子の不連続というようなものがないから、硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）の結晶品質をより良好なものとする上で有利である。
【００３９】
次に、図３に示す本発明の発光素子の実施の形態の一例は、図１に示す本発明のの単結晶基板、すなわち基板１上に形成された硼化ジルコニウム・チタン層２の表面２ａ上にエピタキシャル成長させた、発光層３ａを含むＧａＮ化合物半導体層３と、このＧａＮ化合物半導体層３の一方主面３ｂ１に形成された透光性導電層４と、ＧａＮ化合物半導体層３の他方主面３ｃ１側の第２導電型半導体層３ｃに電気的に接続された導電層５とを具備する構成である。
【００４０】
さらに具体的には、この構成において、ＧａＮ化合物半導体層３は発光層３ａを、一方主面３ｂ１側に配置された第１導電型半導体層（この例ではｐ型半導体層）３ｂおよび他方主面３ｃ１側に配置された第２導電型半導体層（この例ではｎ型半導体層）３ｃで挟んだものとしている。また、第１導電型半導体層３ｂおよび第２導電型半導体層３ｃは、それぞれ発光層３ａ側にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有する層を複数層（図示せず）積層したものとしてもよく、禁制帯幅が発光層３ａよりも広くなるように組成をそれぞれ制御している。また、発光層３ａは禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい（図示せず）。なお、第１導電型半導体層３ｂおよび第２導電型半導体層３ｃは、それぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層としても構わない。
【００４１】
また、透光性導電層４は、第１導電型半導体層３ｂに良好なオーミック接合をとることができるとともに発光層３ａで発生させた光を損失なく透過させることができる材質から成る層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えば薄く成膜したアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ），金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ），金−ベリリウム合金（Ａｕ−Ｂｅ）等の薄膜かまたは酸化錫（ＳｎＯ２），酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の透明導電膜を用いればよい。また、上記材質の中から選択した複数層を積層したり、所々薄膜が形成されていない部分を設けたメッシュ状の膜としたりしても構わない。中でも、透光性導電層４を、ニッケル（Ｎｉ）層を薄く形成した半透明電極およびＧａＮ化合物半導体層３側から順にニッケル（Ｎｉ）層，金（Ａｕ）層をそれぞれ薄く形成して積層した半透明電極とすれば、ｐ型半導体層の第１の導電型半導体層３ｂと良好なオーミック接合が得られると共に発光層３ａに対して均一に電流を流すことができる点で好ましい。
【００４２】
また、導電層５は、第２導電型半導体層３ｃ（ｎ型半導体層）と良好なオーミック接合がとれる材質から成る層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），タングステン（Ｗ），酸化錫（ＳｎＯ２），酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ），金−錫合金（Ａｕ−Ｓｎ），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ），インジウム−アルミニウム合金（Ｉｎ−Ａｌ）等の薄膜を用いればよい。中でも、導電層５として、（Ｔｉ）層および第２導電型半導体層３ｃ側から順にチタン（Ｔｉ）層，アルミニウム（Ａｌ）層を積層したものとすれば、良好なオーミック接合と良好な接合強度とが両方とも得られる点で好ましい。
【００４３】
なお、図１においては、第２導電型半導体層３ｃに発光層３ａおよび第１導電型半導体層３ｂが形成されていない領域を設け、この領域に導電層５を形成している。このように、導電層５はＧａＮ化合物半導体層３における第２の導電型半導体層３ｃの他方主面３ｃ１側の面と反対の面に形成することが好ましい。これにより、発光素子を基台等に実装する際に透光性導電層４と導電層５とが同じ向きに形成されていることで、実装が容易になる。
【００４４】
また、透光性導電層４上の一部には、外部との電気的接続をとるための導線等を接続する電極パッド６を設けている。電極パッド６は、例えばチタン（Ｔｉ）層または透光性導電層４側から順にチタン（Ｔｉ）層，金（Ａｕ）層を積層したものから成るものとすればよい。また、導電層５上にも電極パッド６と同様のものを形成してもよい。
【００４５】
より詳細には、図３に示す発光素子は次のように作製すればよい。
【００４６】
まず、図４（ａ）に示すように、基板１の硼化ジルコニウム・チタン層２上にＧａＮ化合物半導体層３を、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長させる。ＧａＮ化合物半導体層３は、硼化ジルコニウム・チタン層２の表面２ａ（０００１）上に、第１のｎ型クラッド層と第２のｎ型クラッド層とが順次積層されてなる第２導電型半導体層３ｃを形成して、その上に、障壁層で挟まれた井戸層から成る量子井戸層が複数回繰り返し積層された超格子である多層量子井戸層（ＭＱＷ）である発光層３ａが形成されており、さらにその上に、第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とが順次積層されてなる第１導電型半導体層３ｂが形成されている。
【００４７】
これらバッファー層としての硼化ジルコニウム・チタン層２およびＧａＮ化合物半導体層３は、さらに具体的には、例えば次のように作製すればよい。硼化ジルコニウム・チタン層２は、基板温度を800〜1150℃として、基板１上に10〜100ｎｍ程度の厚さで作製すればよい。また、第１のｎ型クラッド層は、基板温度を硼化ジルコニウム・チタン層２の形成時の基板温度と同じかまたはそれよりも低い温度として、硼化ジルコニウム・チタン層２上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を数μｍ程度（例えば１〜５μｍ）の厚さで作製すればよい。
【００４８】
また、第２のｎ型クラッド層は、基板温度を700℃程度として、第１のｎ型クラッド層上に窒化インジウム・ガリウム（例えば、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ）を0.1〜１μｍ程度の厚さで作製すればよい。また、多層量子井戸層（発光層３ａ）は、基板温度を700℃程度として、厚さ10〜100ｎｍ程度の窒化インジウム・アルミニウム（例えば、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ）から成る障壁層と厚さ10〜100ｎｍ程度の窒化インジウム・アルミニウム（例えば、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ）から成る井戸層とを順次形成し、さらにこの上にこの障壁層および井戸層と同じ厚さおよび同じ組成の障壁層と井戸層とを、例えば２回繰り返して作製して、最後にこの障壁層と同じ厚さおよび同じ組成の障壁層がくるように作製すればよい。
【００４９】
また、第１のｐ型クラッド層は、基板温度を700℃程度として、多層量子井戸層の障壁層上に窒化アルミニウム・ガリウム（例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）を50〜300ｎｍ程度の厚さで作製すればよい。また、第２のｐ型クラッド層は、基板温度を820℃程度として、第１のｐ型クラッド層上に窒化アルミニウム・ガリウム（例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）を50〜300ｎｍ程度の厚さで作製すればよい。また、ｐ型コンタクト層は、基板温度を820〜1050℃程度として、第２のｐ型クラッド層上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を0.1〜１μｍ程度の厚さで作製すればよい。
【００５０】
次に、図４（ｂ）に示すように、ＧａＮ化合物半導体層３の一方主面３ｂ１に、透光性導電層４を真空蒸着やスパッタリングにより形成する。また、透光性導電層４上の一部には、電極パッド６を真空蒸着やスパッタリングにより形成する。
【００５１】
最後に、図４（ｃ）に示すように、透光性導電層４およびＧａＮ化合物半導体層３の一部を第２導電型半導体層３ｃの表面が露出するまでエッチングして、その表面に導電層５を形成して図３に示す発光素子が完成される。このように、導電層５を形成することにより、発光素子を基台等に実装するに、透光性導電層４と導電層５とが同じ向きに形成されていることで、実装が容易になる。
【００５２】
以上のように構成された図３に示す発光素子は、透光性導電層４と導電層５とに順方向バイアス電圧を印加することによってＧａＮ化合物半導体層３にバイアス電流を流して発光層３ａで波長350〜400ナノメートル（ｎｍ）程度の紫外〜近紫外光を発生させることができる。その際、硼化ジルコニウム・チタン層２は、発光層３ａから出射されたその紫外〜近紫外光の内、硼化ジルコニウム・チタン層２側に発する光をＧａＮ化合物半導体層３の一方主面３ｂ１側に反射する働きをする。このようにして、本発明の発光素子は、ＧａＮ化合物半導体層３の一方主面３ｂ１側からその紫外〜近紫外光が取り出されるように動作する。
【００５３】
図３に示す本発明の発光素子によれば、上記構成とすることから、バッファー層に相当する硼化ジルコニウム・チタン層２が薄くても結晶品質が良好なＧａＮ化合物半導体層２をエピタキシャル成長させることができるので、簡単に作製することができてかつ発光強度が強い高性能なものとなる。
【００５４】
また、硼化ジルコニウム・チタン層２は、図１に示す単結晶基板上に形成するＧａＮ化合物半導体層よりも高温で成長させたときには、バッファー層として機能する硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層２の結晶品質が向上するため、その上にエピタキシャル成長するＧａＮ化合物半導体層３の結晶品質がより向上するのでさらに発光強度が強い高性能なものとなる。
【００５５】
次に、本発明の照明装置は、本発明の発光素子と、この発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備する構成である。例えば、発光素子の光取り出し面側に蛍光体を設けた構成において、発光素子が例えば波長350〜400ｎｍの紫外〜近紫外光で発光し、蛍光体が励起光であるその発光を受けて例えば白色光を発することによって照明装置としての動作をする。
【００５６】
このような照明装置は、例えば、発光素子の光取り出し面側に蛍光体を設けた構成において、発光素子が例えば波長350〜400ｎｍの紫外〜近紫外光で発光し、蛍光体が励起光であるその発光を受けて例えば白色光を発することによって照明装置としての動作をする。
【００５７】
本発明の照明装置は、このような構成とすることから、良好な発光強度を有する発光素子自体の紫外〜近紫外光とにより蛍光体（または燐光体）を強く励起するため、良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等の代替品となり、それらよりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなる。
【００５８】
かくして、本発明によれば、表面が窒化ガリウム系化合物半導体と良好に格子整合する硼化物単結晶である単結晶基板であって窒化ガリウム系化合物半導体の成長性を大幅に改善することができる単結晶基板と、それを用いた発光素子および照明装置とを提供することができる。
【実施例】
【００５９】
図１に示す単結晶基板を、硼化ジルコニウム・チタン（Ｚｒ１−ｘＴｉｘＢ２）層２の組成を、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）に対してチタン（Ｔｉ）が１〜２％として作製した（サンプル数ｎ＝３）。そして、その単結晶基板の表面２ａ上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて、その窒化ガリウム（ＧａＮ）層についてＸ線回折測定を行なった。図５は単結晶基板上に形成した窒化ガリウム（ＧａＮ）のＸ線ロッキングカーブを示す線図であり、横軸はＸ線のωスキャンの角度（単位；度）、縦軸は規格化されたＸ線の回折強度（単位は最大値を１として規格化した相対強度としている）である。また、実線は本発明の単結晶基板である場合、破線は比較用としての従来の単結晶基板（チタンを含んでいない硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）基板）である場合を示している。なお、図５は複数のサンプルのうちの典型的な例を示している。
【００６０】
図５に線図で示すように、実線で示す本発明の単結晶基板では、破線で示す従来のチタンを含んでいない硼化ジルコニウム基板と比較して、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が小さくなっており、半値幅の値の平均値が、比較用の単結晶基板では590秒であるのに対して、図１に示す単結晶基板では367秒となっていることから、本発明の単結晶基板においてはその上にエピタキシャル成長させる窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶品質が改善されていることが確認された。
【００６１】
かくして、本発明によれば、表面が窒化ガリウム系化合物半導体と良好に格子整合する硼化物単結晶である単結晶基板において、窒化ガリウム系化合物半導体の成長性を大幅に改善することができるものとなった。
【００６２】
なお、本発明は以上の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更、改良を施すことは何等差し支えない。すなわち、本発明の単結晶基板においては、表面２ａ，11ａ側に形成される硼化ジルコニウム層にチタン（Ｔｉ）を含有させることについて有効性を確認したが、例えば、チタン（Ｔｉ）の他にもガリウム（Ｇａ）との結合性が改善され、かつ硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）の一部に混入してもそれが六方晶であって格子定数が窒化ガリウム系化合物半導体と整合し得るものとして、遷移金属であるスカンジウム（Ｓｃ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），イットリウム（Ｙ），ニオブ（Ｎｂ），モリブデン（Ｍｏ），テクネチウム（Ｔｃ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ）等が考えられる。これらのものは、不完全殻となっている３ｄ，４ｄ軌道の電子を介して共有結合性を持ちやすいから、結晶表面においては化学的に活性な状態となって結晶が成長しやすくなることが考えられる。また、希土類元素である元素周期律表の原子番号58〜71のランタノイドについても、不完全殻となっている４ｆ軌道の電子を介した共有結合性を持ちやすいので同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の単結晶基板の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】硼化ジルコニウム・チタンから成る単結晶基板を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の発光素子の製造方法を示す工程毎の模式的な断面図である。
【図５】単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの測定結果を示す線図である。
【図６】硼化ジルコニウム・チタンの格子定数の変化を示す線図である。
【符号の説明】
【００６４】
１，11：基板
１ａ，11ａ：主面
２：硼化ジルコニウム・チタン層
２ａ：表面
３：ＧａＮ化合物半導体層
３ａ：発光層
３ｂ：第１導電型半導体層（ｐ型半導体層）
３ｂ１：一方主面
３ｃ：第２導電型半導体層（ｎ型半導体層）
３ｃ１：他方主面
４：透光性導電層
５：導電層
６：電極パッド
【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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