(57)【要約】      （修正有）【課題】新規な広帯域化を達成する光デバイスの量子構造を提供する。【解決手段】光デバイスは、半導体薄膜１３を備え、半導体薄膜１３は、平均膜厚が臨界膜厚未満であり、３次元構造の界面１５を有する。半導体薄膜の界面を、量子井戸のように２次元構造ではなく、３次元構造とすることで、薄膜の膜厚が面内でばらつきをもって分布するため、発光波長又は吸収波長が分布し、広帯域化する。また、本発明による光デバイスの製造方法は、基板上に基板とは格子定数が異なる結晶構造を有する半導体薄膜を成長させる成長工程を含む。半導体薄膜が基板とは格子定数が異なることによる歪によって、半導体薄膜の界面に３次元構造が成長する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体薄膜を備え、前記半導体薄膜は、平均膜厚が臨界膜厚未満であり、３次元構造の界面を有する
光デバイス。
【請求項２】
前記３次元構造は、前記界面に量子ドット状又は量子ダッシュ状の突起を有する形状である
請求項１記載の光デバイス。
【請求項３】
前記３次元構造は、突起を有する形状であり、
前記突起の密度が、１０１０個／ｃｍ２以上である
請求項１又は２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記突起の密度が、１０１２個／ｃｍ２以下である
請求項３記載の光デバイス。
【請求項５】
前記界面は、１ｎｍ以上のＲＭＳ表面粗さを有する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記界面は、２ｎｍ以上のＲＭＳ表面粗さを有する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記界面は、４ｎｍ以下のＲＭＳ表面粗さを有する
請求項５又は６に記載の光デバイス。
【請求項８】
発光帯域の中心波長が、９５０ｎｍ以上である
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記中心波長が、１０００ｎｍ以上である
請求項８記載の光デバイス。
【請求項１０】
発光帯域の中心波長が、１２００ｎｍ以下である
請求項１〜９のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記中心波長が、１１００ｎｍ以下である
請求項１０記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記半導体薄膜は、ＩｎＧａＡｓからなる
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記半導体薄膜は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘはインジウムの組成比）からなり、
ｘは、０．２５以上０．４５以下である
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記平均膜厚は、３ｎｍ以上９ｎｍ以下である
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１５】
光デバイスの製造方法であって、
基板上に、前記基板とは格子定数が異なる結晶構造を有する半導体薄膜を成長させる成長工程を含み、
前記成長工程では、前記半導体薄膜が前記基板とは格子定数が異なることによる歪によって、前記半導体薄膜の界面に３次元構造が成長し、前記半導体薄膜の平均膜厚は臨界膜厚未満である
光デバイスの製造方法。
【請求項１６】
光デバイスの製造方法であって、
基板上に、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘはインジウムの組成比）の半導体薄膜を成長させる成長工程を含み、
前記基板は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓとは格子定数が異なり、
ｘは、０．２５以上０．４５以下であり、
前記半導体の成長温度は、４８０℃以上である
光デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記成長温度は、５５０℃以下である
請求項１６記載の光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体光デバイスとして、量子井戸を発光層とする近赤外波長の半導体レーザーやＬＥＤが広く使われている。量子井戸は、バンドギャップの異なる半導体結晶のヘテロエピタキシャル成長によって得られ、例えば、ＧａＡｓ結晶基板上に、ＩｎＧａＡｓ結晶薄膜を成長させ、さらにその上にＧａＡｓ結晶を成長させて得られる。量子井戸は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
量子井戸は、２次元結晶成長法によって形成される半導体薄膜構造であり、薄膜の厚さ方向のみの１次元方向への量子閉じ込め効果を持つ。量子井戸は、一定の膜厚を有し、膜厚によって決定される発光波長又は吸収波長も一定（狭帯域）になる。２次元結晶成長では、結晶原子層が順次積層されていくため、薄膜の界面は、ステップアンドテラス構造となる。ステップアンドテラス構造とは、原子整列部位である平坦なテラス部分と、１原子層程度の高さのステップ部分と、を有する構造である。２次元結晶成長よって形成された薄膜の界面の形状を、２次元構造という。２次元構造である界面は、原子層レベルの平坦性を有することが特徴である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７０７７５号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明者らは、量子井戸よりも広帯域化が可能な新規な量子構造を見出した。本発明の一の態様における光デバイスは、半導体薄膜を備え、前記半導体薄膜は、平均膜厚が臨界膜厚未満であり、３次元構造の界面を有する。
【０００６】
本発明者らの実験によれば、半導体薄膜の界面を、量子井戸のように２次元構造ではなく、３次元構造とすることで、薄膜の膜厚が面内でばらつきをもって分布するため、発光波長又は吸収波長が分布し、その結果、発光又は光吸収が広帯域化する。
【０００７】
ここで、３次元構造とは、３次元的成長によって形成された形状又は３次元成長によって形成される形状と同様の形状である。３次元的成長によって形成される従来の量子構造としては、例えば、量子ドット及び量子ダッシュがある。量子ドット及び量子ダッシュは、薄膜は有しておらず、量子構造全体が３次元構造である。具体的には、量子ドットは、厚み方向だけでなく面内方向も含む３次元方向への量子閉じ込め効果を持ち、ドット状の粒子を有する。量子ダッシュは、２次元方向への量子閉じ込め効果を持ち、量子ドットにおけるドット粒子を長細くした形状の突起を有する。３次元構造は、２次元構造が有するような、原子層による平坦部分を有しない又はほとんど有しないのが特徴である。
【０００８】
本発明者らが見出した量子構造は、量子ドット及び量子ダッシュのように量子構造全体が３次元構造であるのではなく、量子井戸のような半導体薄膜を有しつつも、薄膜の界面が３次元構造を有する。
【０００９】
薄膜界面の３次元構造は、薄膜の膜厚が臨界膜厚以上となっても得られるが、薄膜に欠陥が生じるのを抑えるため、薄膜の平均膜厚は、臨界膜厚未満とするのが好ましい。臨界膜厚とは、ミスフィット転移が発生する膜厚である。膜厚が、臨界膜厚以上となると、格子不整合による歪によって、ミスフィット転移が発生し、薄膜に欠陥が生じる。欠陥は、非発光中心となり、発光強度を低下させる。ここで、平均膜厚は、３次元構造の界面における複数個所において測定された膜厚の平均である。界面の３次元構造を容易に得る観点からは、薄膜の平均膜厚は、臨界膜厚未満であって、臨界膜厚近傍の値であるのが好ましい。
【００１０】
本発明の他の態様は、光デバイスの製造方法である。実施形態において、製造方法は、基板上に、基板とは格子定数が異なる結晶構造を有する半導体薄膜を成長させる成長工程を含む。成長工程では、半導体薄膜が基板とは格子定数が異なることによる歪によって、半導体薄膜の界面に３次元構造が成長する。前記半導体薄膜の平均膜厚は臨界膜厚未満である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】３次元構造の界面を有する薄膜の模式図である。
【図２】半導体光デバイスの断面図である。
【図３】実験に用いた成長基板の断面図である。
【図４】Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜の界面の２次元ＡＦＭ像である。
【図５】Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜の界面の３次元ＡＦＭ像である。
【図６】Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜を有する発光素子の発光波長を示す図である。
【図７Ａ】Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ薄膜の界面の２次元ＡＦＭ像である。
【図７Ｂ】Ｉｎ０．３４Ｇａ０．７Ａｓ薄膜の界面の３次元ＡＦＭ像である。
【図８】Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ薄膜を有する発光素子の発光波長を示す図である。
【図９】Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ薄膜の界面の２次元ＡＦＭ像である。
【図１０】Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ薄膜の界面の３次元ＡＦＭ像である。
【図１１】Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ薄膜の界面のＡＦＭ像である。
【図１２】Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜の界面のＡＦＭ像である。
【図１３】Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜を有する発光素子の発光波長を示す図である。
【図１４】成長温度とＰＬピーク波長の関係を示すグラフである。
【図１５】成長温度とＰＬピーク強度の関係を示すグラフである。
【図１６】成長温度とＦＷＨＭの関係を示すグラフである。
【図１７】成長温度とＰＬピーク波長の関係を示すグラフである。
【図１８】成長温度とＰＬピーク強度の関係を示すグラフである。
【図１９】成長温度とＦＷＨＭの関係を示すグラフである。
【図２０】波長とＰＬピーク強度の関係を示すグラフである。
【図２１】ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ組成比と膜厚との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［１．実施形態の概要］
実施形態に係る光デバイスは、半導体薄膜を有する。半導体薄膜は、発光層又は光吸収層として機能する。以下では、半導体薄膜を、単に、薄膜という。薄膜は、平均膜厚が臨界膜厚未満である。薄膜は、３次元構造の界面を有する。３次元構造は、例えば、界面に量子ドット状又は量子ダッシュ状の突起を有する形状である。平均膜厚は、３次元構造の界面における複数個所において測定された膜厚の平均である。平均膜厚は、例えば、薄膜を有するサンプルを劈開し、断面のＳＥＭ画像上で薄膜の複数個所における厚さを実測し、実測値の平均を求めることで得られる。
【００１３】
３次元構造は、突起を有する形状であり、突起の密度は、１０１０個／ｃｍ２以上であるのが好ましく、１０１２個／ｃｍ２以下であるのがより好ましい。
【００１４】
界面は、１ｎｍ以上のＲＭＳ表面粗さを有するのが好ましく、２ｎｍ以上のＲＭＳ表面粗さを有するのがより好ましい。界面は、４ｎｍ以下のＲＭＳ表面粗さを有するのが好ましい。
【００１５】
光デバイスは、発光帯域の中心波長が、９５０ｎｍ以上であるのが好ましく、１０００ｎｍ以上であるのがより好ましい。
【００１６】
光デバイスは、発光帯域の中心波長が、１２００ｎｍ以下であるのが好ましく、１１００ｎｍ以下であるのがより好ましい。
【００１７】
薄膜は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｘ（ｘはインジウムの組成比）からなるのが好ましい。ｘは、０．２５以上であるのが好ましく、０．２８以上であるのがより好ましく、０．３以上であるのがさらに好ましい。ｘは、０．４５以下であるのが好ましく、０．４２以下がより好ましく、０．４以下であるのがより好ましく、０．３８以下であるのがより好ましい。
【００１８】
薄膜の平均膜厚は、３ｎｍ以上であるのが好ましく、４ｎｍ以上であるのがより好ましい。薄膜の平均膜厚は、９ｎｍ以下であるのが好ましく、８ｎｍ以下であるのがより好ましい。
【００１９】
実施形態に係る光デバイスの製造方法は、基板上に、基板とは格子定数が異なる結晶構造を有する薄膜を成長させる成長工程を含む。成長工程では、薄膜が基板とは格子定数が異なることによる歪によって、薄膜の界面に３次元構造が成長する。薄膜の平均膜厚は臨界膜厚未満である。
【００２０】
実施形態に係る光デバイスの製造方法は、基板上に、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘはインジウムの組成比）の薄膜を成長させる成長工程を含む。基板は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓとは格子定数が異なる。ｘは、０．２５以上０．４５以下である。薄膜の成長温度は、５００℃以上であるのが好ましく、５５０℃以下であるのが好ましい。成長温度は、インジウムの熱拡散及び再蒸発の少なくともいずれか一方が生じる温度であるのが好ましい。
【００２１】
［２．実施形態の詳細］
【００２２】
［２．１  半導体薄膜］
図１は、ＧａＡｓ結晶基板１１上に形成されたＩｎＧａＡｓ薄膜１３を示している。薄膜１３の上側の界面１５は、ステップアンドテラス構造のような平坦部分を有しておらず、３次元構造となっている。薄膜１３は、量子井戸と同様に、薄膜の厚さ方向のみの１次元方向への量子閉じ込め効果を持つ。薄膜１３は、その厚さに依存した波長での発光又は吸収をする。図１のように界面１５が３次元構造である薄膜１３は膜厚が不均一になり、その結果、光の帯域幅が広がる。
【００２３】
［２．２  発光素子］
【００２４】
図２は、複数の薄膜１３を有する活性層１０を備えた半導体光デバイス（量子デバイス）１００を示している。このデバイス１００は、例えば、発光素子である。発光素子１００は、ｎ＋−ＧａＡｓ基板２５上に形成されたバッファ層２３、バッファ層２３の上に形成されたｎ型クラッド層２１、クラッド層２１の上に形成された活性層１０、活性層１０の上に形成されたｐ型クラッド層３１、及び、クラッド層３１の上に形成されたバッファ層２３を有している。図２において、バッファ層２３はｎ＋−ＧａＡｓであり、クラッド層２１はｎ−Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓであり、クラッド層３１はｐ−Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓであり、バッファ槽３３はｎ＋−ＧａＡｓである。なお、発光素子１００は、図示しない電極などを有する。
【００２５】
活性層１０は、多重量子井戸のような多重構造であり、作製複数の薄膜１３それぞれを、バリア層１１で挟んだ構造である。図２において、バリア層１１は、ＧａＡｓであり、薄膜１３は、ＩｎＧａＡｓ薄膜である。
【００２６】
複数の薄膜１３のうちの少なくとも１つは、上側のバリア層１１との界面１５が、図１に示すような３次元構造を有している。なお、結晶の成長が進む方向を上とする。図２に示すように、活性層１０においては、複数の薄膜１３全ての界面１５が３次元構造を有していても良いし、２次元構造の界面を有する薄膜と３次元構造の界面１５を有する薄膜１３とが混在した構造を有していても良い。
【００２７】
光デバイス１００は、例えば、光干渉断層計（ＯＣＴ）のための発光デバイスであってもよいし、近赤外線多重波長通信（ＷＤＭ）のための発光デバイスであってもよい。光デバイス１００は受光素子であってもよい。光デバイス１００は、例えば、近赤外光ディタクタであってもよい。光デバイス１００は、太陽電池であってもよい。
【００２８】
図２に示す半導体結晶層は、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）法によって製造される。ＭＢＥ成長は、結晶基板２５上にエピタキシャル成長により結晶を成長させる方式である。ＭＢＥ成長は、ＭＢＥ成長装置によって行われる。ＭＢＥ成長装置は、超高真空チャンバ内の基板ホルダに設置された結晶基板２５に対し、原料供給機構から原料を供給する。真空チャンバ内には、基板加熱ヒータが設置され、基板２５を加熱する。
【００２９】
［２．３  実験］
実験では、ＧａＡｓ結晶基板の上に、Ｉｎ，Ｇａ，及びＡｓ原子を供給し、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓをエピタキシャル成長させた。以下に実験結果を示す。なお、実験では、図３に示す成長基板断面構造を有するサンプルを作製した。また、以下に説明する実験では、特に断らない限り、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ薄膜１３の厚さが７ｎｍになる量の原料（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ）が供給される。
【００３０】
ここで、厚さがＴ［ｎｍ］になる量の原料とは、界面（表面）１５が２次元構造である薄膜を形成した場合に、薄膜の膜厚がＴ［ｎｍ］となる量の原料である。以下の実験では、界面１５が３次元構造になることがあり、この場合、成長した薄膜の厚さは一定ではない。厚さがＴ［ｎｍ］になる量の原料が供給されて、界面１５が３次元構造となった場合、薄膜の平均膜厚は、Ｔ［ｎｍ］となる。ただし、後述のように、薄膜の成長工程中に、原料の再蒸発が起こることがあるため、原料供給量に比して膜厚が薄くなっていることがある。原料の再蒸発が起こると、厚さがＴ［ｎｍ］になる量の原料が供給されても、薄膜の平均膜厚は、Ｔ［ｎｍ］未満となる。
【００３１】
［２．３．１  Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ  ７ｎｍ］
【００３２】
図４及び図５は、様々な基板温度（成長温度）で作製したＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３の界面（表面）１５の観察像を示している。図４及び図５に示す観察像は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって得た。図４は、界面１５の２次元画像であり、図５は、界面１５の３次元画像である。
【００３３】
図４（ａ）及び図５（ａ）は、４３７℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。４３７°は、界面１５が２次元構造である従来の量子井戸を成長させるのに適した比較的低温の成長温度である。図４（ａ）及び図５（ａ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有し２次元構造である。図４（ａ）及び図５（ａ）に示す界面１５のＲＭＳ表面粗さは、０．３６０ｎｍであった。０．３６０ｎｍ表面粗さは、１原子層（Ｍｏｎｏ  Ｌａｙｅｒ：ＭＬ）の厚さ相当であるため、このことからも、図４（ａ）及び図５（ａ）に示す界面１５が、２次元構造であるステップアンドテラス構造であることが裏付けられる。
【００３４】
図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、４６９℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する３次元構造である。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、１．６２ｎｍであった。突起の密度は、１．３×１０１１個／ｃｍ２であった。なお、突起の密度は、ＡＦＭ画像を観察し、単位面積当たりの突起の数をカウントすることにより求めた。
【００３５】
図４（ｃ）及び図５（ｃ）は、４８９℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する３次元構造である。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、１．６６ｎｍであった。突起の密度は、１．０×１０１１個／ｃｍ２であった。
【００３６】
図４（ｄ）及び図５（ｄ）は、５０５℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図４（ｄ）及び図５（ｄ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する３次元構造である。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、１．６６ｎｍであった。突起の密度は、４．４×１０１０個／ｃｍ２であった。
【００３７】
図４（ｅ）及び図５（ｅ）は、５１０℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図４（ｅ）及び図５（ｅ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する３次元構造である。示す界面１５のＲＭＳ表面粗さは、２．９８ｎｍであった。突起の密度は、３．５×１０１０個／ｃｍ２であった。
【００３８】
図４（ｆ）及び図５（ｆ）は、５２０℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図４（ｆ）及び図５（ｆ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する３次元構造である。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、３．６９ｎｍであった。突起の密度は、２．４×１０１０個／ｃｍ２であった。
【００３９】
図４（ｇ）及び図５（ｇ）は、５２６℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図４（ｇ）及び図５（ｇ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する３次元構造である。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、３．３８ｎｍであった。突起の密度は、２．１×１０１０個／ｃｍ２であった。
【００４０】
図４（ｈ）及び図５（ｈ）は、５３８℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図４（ｈ）及び図５（ｈ）に示す界面１５は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する３次元構造である。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、２．９５ｎｍであった。
【００４１】
比較的低温である４３７℃の成長温度では、界面１５が２次元膜成長をしているのに対して、４６９℃以上の成長温度では、界面１５の平坦性がなくなっており、界面１５が３次元成長していることが、図４及び図５からわかる。実験で得られた３次元構造における突起は、従来の量子ドット状の形状である。ただし、理想的な量子ドット構造は、等方的な形状や、側面にファセットを有する対象形状であるが、実験で得られた３次元構造は、Ｉｎの熱拡散によると考えられる形状の不均一性がみられ、突起のサイズも均一ではなく、ばらつきがある。５３８℃の成長温度で得られた界面１５における突起には、細長くなっているものも含まれる。細長い突起は、従来の量子ダッシュ状の形状である。
【００４２】
４３７℃で成長させた界面１５は、２次元膜成長しているため平坦であり、大きな荒れは認められないのに対し、界面１５が３次元成長すると、１原子層の高さを超えた非常に多数の突起が生成される。界面１５が３次元成長すると、例えば、１０１０個／ｃｍ２以上の突起密度が得られる。突起密度は、好ましくは、１０１２個／ｃｍ２以下であり、より好ましくは、１０１１個／ｃｍ２以下である。
【００４３】
図４及び図５に示すように、成長温度を高くすると、突起の大きさが大きくなっている。これは、Ｉｎの熱拡散により突起を大きく成長させているものと考えられる。また、５３８°で成長した界面１５に細長い突起が存在するのは、Ｉｎの熱拡散により突起同士のつながり生じたものと考えられる。
【００４４】
４３７℃で２次元膜成長させた界面１５のＲＭＳ表面粗さは、１ＭＬ相当の０．３６０ｎｍという非常に小さい値であるのに対して、３次元成長させた界面１５のＲＭＳ表面粗さは、数ＭＬ相当である１ｎｍ又はそれを超えるものとなる。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、好ましくは、２ｎｍ以上である。界面１５のＲＭＳ表面粗さは、好ましくは４ｎｍ以下であり、より好ましくは３ｎｍ以下である。
【００４５】
界面１５のＲＭＳ表面粗さは、成長温度を高くするにつれて、大きくなる傾向が認められる。これは、１つ１つの突起の成長によるものと考えられる。ただし、成長温度が５３８℃の場合は、成長温度が５２６℃の場合に比べて、ＲＭＳ表面粗さが小さくなっている。これは、Ｉｎの熱拡散により突起同士のつながりが生じ、粗さが低下したものと考えられる。また、Ｉｎの再蒸発が原因と考えられる。
【００４６】
図６は、Ｔ１＝４３７℃、Ｔ２＝４８９℃，Ｔ３＝５２６℃、Ｔ４＝５３８℃の４つの成長温度それぞれで得られたＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３を有する発光素子の発光波長を示す。図６において縦軸は、発光強度（Norm.PL intensity）を示し、横軸は、発光波長及び光子エネルギーを示す。なお、図６の発光強度は、正規化されており、実際の発光強度は、温度毎に異なる。成長温度と発光強度との関係については後述する。
【００４７】
成長温度Ｔ１で得られたＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３による発光帯域の中心波長λ１は、１１００ｎｍ付近にある。その帯域幅Δλ１は２７ｎｍである。ここで、帯域幅は、半値全幅（ＦＷＨＭ）であり、以下同様である。界面１５が２次元構造となるＴ１＝４３７℃の成長温度では、作製されたＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３は、通常の量子井戸構造と同様に界面が２次元構造であり、帯域幅は、比較的狭い。
【００４８】
成長温度Ｔ２で得られたＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３による発光帯域の中心波長λ２は、１１６０ｎｍ付近にシフト（長波長側へのシフト；レッドシフト）している。レッドシフトは、比較的高い成長温度のため、Ｉｎの偏析が生じ、Ｉｎの濃度分布が生じたためである。また、その帯域幅Δλ２は、比較的広くなっている。これは、界面１５が３次元構造であることにより、薄膜１３の膜厚が一定でなくなり、分布が生じたためである。発光は、薄膜の厚さに依存した波長で行われるため、膜厚が不均一になると、発光波長の帯域幅が広がる。また、広帯域化は、Ｉｎの拡散・再蒸発によって、Ｉｎの濃度分布が生じ、界面１５上のランダムなＩｎ組成比が生じたことも寄与していると考えられる。
【００４９】
成長温度Ｔ３で得られたＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３による発光帯域の中心波長λ３は、１１８０ｎｍ付近にシフト（短波長側へのシフト；ブルーシフト）している。高い成長温度では、Ｉｎの熱拡散だけでなく再蒸発が生じるため、Ｉｎの濃度が低下する。Ｉｎの濃度低下は、短波長化を生じさせる。したがって、ブルーシフトは、Ｉｎの再蒸発を生じさせるような高い成長温度よるものである。また、その帯域幅Δλ３は、成長温度Ｔ２における帯域幅Δλ２よりも、広くなっている。これは、薄膜１３の膜厚不均一さの増大とＩｎ濃度分布の発生のためである。
【００５０】
成長温度Ｔ４で得られたＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３による発光帯域の中心波長λ４は、１０２０ｎｍ付近にさらにブルーシフトしている。これは、成長温度Ｔ３の場合よりも、Ｉｎの再蒸発が多くなっているためである。また、その帯域幅Δλ４は、成長温度Ｔ３における帯域幅Δλ３よりも、さらに広くなっている。これは、薄膜１３の膜厚不均一さの増大とＩｎ濃度分布の発生のためである。成長温度Ｔ４で得られたＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３による発光のスペクトル形状は、なめらかな単峰性を示している。
【００５１】
以上の実験結果より、界面１５が３次元構造である薄膜１３は、界面１５が２次元構造である量子井戸１３に比べて、発光帯域幅が広がることがわかる。また、３次元構造を成長させる温度によって、中心波長を異ならせることができることがわかる。
【００５２】
［２．３．２  Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ  ７ｎｍ］
【００５３】
図７Ａ及び図７Ｂは、様々な成長温度で作製したＩｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ薄膜１３の界面１５の観察像（ＡＦＭ像）を示している。図７Ａは、界面１５の２次元画像であり、図７Ｂは、界面１５の３次元画像である。
【００５４】
図７Ａ（ａ）及び図７Ｂ（ａ）は、４１５℃で成長させた薄膜の界面１５を示し、図７（ｂ）及び図７Ｂ（ｂ）は、４４０℃で成長させた薄膜の界面１５を示している。成長温度が４１５℃及び４４０℃では、界面１５は２次元構造となることがわかる。
【００５５】
図７Ａ（ｃ）及び図７Ｂ（ｃ）は、４８４℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図７Ａ（ｄ）及び図７Ｂ（ｄ）は、５１６℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。成長温度が４８４℃及び５１６℃では、界面１５は、３次元構造となることがわかる。ＡＦＭ像より、成長温度が高い方が、粒子状の突起が大きく成長していることがわかる。
【００５６】
図７Ａ（ｅ）及び図７Ｂ（ｅ）は、５３６℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。成長温度が５３６℃では、界面１５は２次元構造となることがわかる。成長温度が高すぎると、Ｉｎ原料の再蒸発がより多く生じ、Ｉｎ組成が低下するため、３次元成長するのに十分な膜厚が得られなかったものと考えられる。
【００５７】
図８は、Ｔ１１＝４１５℃、Ｔ１２＝４４０℃、Ｔ１３＝４８４℃、Ｔ１４＝５１６℃、Ｔ１５＝５３６℃の５つの成長温度それぞれで得られたＩｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ薄膜１３を有する発光素子の発光波長を示す。図８において縦軸は、発光強度（Norm.PL intensity）を示し、横軸は、発光波長及び光子エネルギーを示す。なお、図８の発光強度は、正規化されており、実際の発光強度は、温度毎に異なる。
【００５８】
Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓは、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓに比べてＩｎ濃度が低いため、発光波長が短くなる。成長温度Ｔ１１＝４１５℃で得られた薄膜１３、成長温度Ｔ１２＝４４０℃で得られた薄膜１３、及び成長温度Ｔ１５＝５３６℃で得られた薄膜１３は、界面１５が２次元構造であるため、帯域が比較的狭い。
【００５９】
これに対して、成長温度Ｔ１３＝４８４℃で得られた薄膜１３及び成長温度Ｔ１４＝５１６℃で得られた薄膜１３は、界面１５が、３次元構造であるため、帯域が広がっている。成長温度Ｔ１３で得られた薄膜１３による発光帯域の中心波長λ１３は、１０３０ｎｍ付近にあり、帯域幅Δλ１３は、６３ｎｍである。
【００６０】
成長温度Ｔ１４＝５１６℃で得られた薄膜１３による発光帯域の中心波長λ１４は、Ｉｎの再蒸発によるＩｎ濃度低下により、１０１０ｎｍ付近にブルーシフトしている。また、帯域幅Δλ１４は、７５ｎｍであり、薄膜１３の膜厚不均一さの増大により、成長温度Ｔ１３における帯域幅Δλ１３よりも、帯域幅が広がっている。
【００６１】
［２．３．３  Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ  ７ｎｍ］
【００６２】
図９及び図１０は、様々な基板温度（成長温度）で作製したＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ薄膜１３の界面（表面）１５のＡＦＭ像を示している。図９は、界面１５の２次元画像であり、図１０は、界面１５の３次元画像である。
【００６３】
図９（ａ）及び図１０（ａ）は、４２５℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図９（ｂ）及び図１０（ｂ）は、４３４℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図９（ｃ）及び図１０（ｃ）は、４８３℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図９（ｄ）及び図１０（ｄ）は、５２０℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図９（ｅ）及び図１０（ｅ）は、５３６℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。
【００６４】
Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓの場合、上記のいずれの成長温度においても、界面１５は２次元構造であり、３次元構造は得られなかった。したがって、得られたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ薄膜１３は、界面が２次元構造である通常の量子井戸である。界面が２次元構造である通常の量子井戸は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８ＡｓのようにＩｎ組成比が比較的低く、４２０℃から５００℃程度の比較的低温で成長させて得られる。実験によれば、通常の量子井戸の組成であるＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓの成長温度を５３６℃まで高くしても３次元構造は得られなかった。３次元構造が得られない理由については後述する。
【００６５】
［２．３．４  Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ  ７ｎｍ］
【００６６】
図１１は、様々な基板温度（成長温度）で作製したＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ薄膜１３の界面（表面）１５のＡＦＭ像を示している。図１１（ａ）（ｃ）（ｅ）は、界面１５の２次元画像であり、図１１（ｂ）（ｄ）（ｆ）は、界面１５の３次元画像である。
【００６７】
図１１（ａ）（ｂ）は、４８４℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図１１（ｃ）（ｄ）は、５１７℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図１１（ｅ）（ｆ）は、５３５℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。
【００６８】
Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓの場合、上記のいずれの成長温度においても、界面１５は３次元構造となった。ただし、発光は得られなかったか、非常に弱い発光であったため、得られたＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ薄膜１３は、光デバイスとしては十分に機能していないと考えられる。
【００６９】
［２．３．５  Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ  ９ｎｍ］
【００７０】
図１２は、様々な基板温度（成長温度）で作製したＩｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜１３の界面（表面）１５のＡＦＭ像を示している。ここでは、薄膜１３の厚さが９ｎｍになる量の原料を供給した。図１２（ａ）（ｃ）（ｅ）は、界面１５の２次元画像であり、図１２（ｂ）（ｄ）（ｆ）は、界面１５の３次元画像である。
【００７１】
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、４４６℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）は、４８６℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。図１２（ｅ）及び図１２（ｆ）は、５１９℃で成長させた薄膜１３の界面１５を示す。成長温度が４４６℃では、界面１５は、２次元構造となるが、成長温度が４８６℃及び５１９℃では、界面１５は、３次元構造となることがわかる。ＡＦＭ像より、成長温度が高い方が、粒子状の突起が大きく成長していることがわかる。
【００７２】
図１３は、Ｔ２１＝４４６℃、Ｔ２２＝４８６℃、Ｔ２３＝５１９℃の３つの成長温度それぞれで得られたＩｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜１３を有する発光素子の発光波長を示す。図１３において縦軸は、発光強度（Norm.PL intensity）を示し、横軸は、光子エネルギーを示す。なお、図１３の発光強度は、正規化されており、実際の発光強度は、温度毎に異なる。
【００７３】
成長温度Ｔ２１＝４４６℃で得られた薄膜１３は、界面１５が２次元構造であるため、帯域が比較的狭い。
【００７４】
これに対して、成長温度Ｔ２２＝４８６℃で得られた薄膜１３及び成長温度Ｔ２３＝５１９℃で得られた薄膜１３は、界面１５が、３次元構造であるため、帯域が広がっている。
成長温度Ｔ２２＝４８６℃で得られた薄膜１３による発光帯域の中心波長λ２２は、１０４６ｎｍ付近にあり、その帯域幅Δλ２２は、４２ｎｍである。成長温度Ｔ２３＝５１９℃で得られた薄膜１３による発光帯域の中心波長λ２３は、１０１０ｎｍ付近にあり、その帯域幅Δλ２３は、５２ｎｍである。
【００７５】
［２．３．６  Ｉｎ組成による比較］
【００７６】
図１４は、複数のＩｎ組成比それぞれについての、成長温度とＰＬピーク波長（中心波長）との関係を示し、図１５は、複数のＩｎ組成比それぞれについての、成長温度とＰＬピーク強度との関係を示し、図１６は、複数のＩｎ組成比それぞれについての、成長温度と帯域幅（半値全幅：ＦＷＨＭ）との関係を示す。図１４，図１５，図１６において、ｘ＝０．３４は、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓを示し、ｘ＝０．３０は、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓを示し、ｘ＝０．２０は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓを示す。なお、図１４〜図１６は、室温での測定結果である。
【００７７】
界面１５が２次元構造となるＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ薄膜の場合、図１２に示すように、中心波長は、いずれの成長温度においても、１０００ｎｍ未満であり、１０００ｎｍ以上の中心波長が得られない。特に、成長温度を５００℃以上にすると、Ｉｎ再蒸発が多くなり、Ｉｎ濃度が低下し、中心波長がさらに短くなる。また、図１４に示すように、半値全幅（ＦＷＨＭ）も小さく、狭帯域である。
【００７８】
これに対して、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜の場合、図１４に示すように、界面１５が２次元構造となる４３７℃以下の成長温度では、中心波長は、１１００ｎｍ付近である。成長温度を高くしていくと、界面１５が３次元構造となり、５００℃付近までは、中心波長がレッドシフト（長波長化）する。成長温度を５００℃付近（５１０℃付近）よりもさらに高くすると、ブルーシフト（短波長化）が生じ、５２０℃付近で、中心波長が元の１０００ｎｍに戻り、５４０℃付近では、中心波長が１０００ｎｍ付近となる。したがって、成長温度を適切に設定することで、１０００ｎｍ以上の範囲においても、所望の中心波長を得ることができ、１０００ｎｍ以下の中心波長を得ることも可能である。
【００７９】
さらに、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜の場合、図１６に示すように、成長温度を高くして、界面１５が３次元構造になると、半値全幅（ＦＷＨＭ）が大きくなり、広帯域化している。また、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜の場合、図１５に示すように、成長温度が５１０℃を超えると、ＰＬピーク強度も高くなっている。これは、Ｉｎの熱拡散によって、薄膜１３に生じた欠陥が補修されたことによるものと考えられる。
【００８０】
図１７は、Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜（９ｎｍ）についての、成長温度とＰＬピーク波長（中心波長）との関係を示し、図１８は、Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜についての、成長温度とＰＬピーク強度との関係を示し、図１９は、Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜についての、成長温度と帯域幅（半値全幅：ＦＷＨＭ）との関係を示す。図１７によれば、Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜においては、成長温度による発光ピーク波長のシフトが生じることがわかる。図１８によれば、Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜においては、成長温度を高くすることで、発光強度が高くなることがわかる。図１９によれば、Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜においては、成長温度を高くすることで、広帯域化することがわかる。なお、図１７〜図１９は、室温での測定結果である。
【００８１】
以上のように、界面１５が３次元構造であるＩｎＧａＡｓ薄膜１３は、９５０ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ付近の発光中心波長を有することができるとともに、広帯域であって、十分な輝度を有する半導体材料となっており、従来の量子構造では得られない特性を有する。かかる特性を有する薄膜１３を有する光デバイスは、例えば、医療イメージングの分野に好適である。医療イメージングの分野では、例えば、１０５０ｎｍ帯での広帯域な特性が求められており、３次元構造界面１５を有する薄膜１３は、医療イメージングにとって適切な特性を有する。
【００８２】
従来、通常１２００ｎｍ〜１３００ｎｍ程度の中心波長を有するＩｎＡｓ量子ドットを用いて、発光短波長化により、中心波長が１０００ｎｍ程度で広帯域な特性を得たことの報告例はあるが、発光強度が低下するという課題があった。これに対して、界面１５が３次元構造であるＩｎＧａＡｓ薄膜では、十分な発光強度が得られている。
【００８３】
また、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ薄膜の場合も、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜の場合と同様の特性が得られている。また、Ｉｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ薄膜の場合も、３次元構造の界面が得られている。したがって、Ｉｎ組成比ｘは、０．２５以上であるのが好ましく、より良好な特性を得る観点からは、Ｉｎ組成比ｘは、０．３以上であるのが好ましい。また、Ｉｎ組成比ｘは、０．４５以下が好ましく、０．４２以下がより好ましく、０．４以下がさらに好ましい。広帯域化の促進のため成長温度は、５００℃以上であるのが好ましい。原料の過剰な再蒸発を抑制するため成長温度は、５５０℃以下であるのが好ましい。
【００８４】
［２．３．６  膜厚による比較］
図２０は、供給される原料（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ）の量を異ならせてＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３を成長させた場合における、波長とＰＬ発光強度との関係を示している。なお、図２０において、７ｎｍとは、薄膜１３の厚さが７ｎｍになる量の原料を供給した場合であり、５ｎｍとは、薄膜１３の厚さが５ｎｍになる量の原料を供給した場合であり、３ｎｍとは、薄膜１３の厚さが３ｎｍになる量の原料を供給した場合である。また、７ｎｍの場合には、成長温度を５１０℃とし、５ｎｍの場合には、成長温度を５２０℃とし、３ｎｍの場合には、成長温度を５６０℃とした。
【００８５】
３ｎｍの場合、薄膜１３は、２次元成長し、薄膜１３の界面は２次元構造となり、５ｎｍ及び７ｎｍの場合、薄膜１３の界面は３次元構造となった。３ｎｍの場合、膜厚が薄いため、５ｎｍ及び７ｎｍに比べて中心波長が短波長化しており、狭帯域であって発光強度も低い。これに対して、３次元構造が得られる５ｎｍ及び７ｎｍでは、中心波長が、１０００ｎｍ付近にあり、広帯域化しており発光強度も高い。
【００８６】
［２．４  薄膜の成長］
以下、３次元構造界面を有する薄膜の成長について説明する。以下では、理解の容易のため、まず、一般的な量子井戸及び量子ドットの成長について説明し、その後、３次元構造界面を有する薄膜の成長について説明する。
【００８７】
ＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｓ結晶を成長させる場合のように、基板と同じ結晶構造を持つ結晶であって基板とは格子定数が異なる結晶を成長させる場合には、格子不整合による歪が生じる。格子不整合は、結晶成長モードに影響を与える。結晶成長モードには、例えば、Frank-van der Merwe（ＦＭ）モード、Stranski-Krastanov（ＳＫ）モードが知られている。ＦＭモードは、基板に基板上に結晶層が２次元膜成長するモードである。ＳＫモードは、結晶が３次元成長するモードである。
【００８８】
一般的な量子井戸を成長させる場合、例えば、ＧａＡｓ基板にＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ結晶をＦＭモードで成長させる。一般的な量子井戸においては、ｘ＝０．２程度の比較的低いＩｎ組成比が採用されることが多い。
【００８９】
一般的な量子井戸にとって、大きなＩｎ組成比ｘは、必ずしも好ましいものではない。Ｉｎ組成比ｘが大きくなると、格子不整合による歪みが大きくなり、結晶に欠陥が生じ易くなり、量子井戸としての機能を損ない易い、と一般的には考えられる。つまり、Ｉｎ組成比ｘが大きくなると、臨界膜厚（Matthews and Blakeslee臨界膜厚）が小さくなる。成長結晶の膜厚が、臨界膜厚を超えると、格子不整合による歪によってミスフィット転移が発生し、結晶に欠陥が生じる。したがって、一般的な量子井戸において、膜厚は、臨界膜厚よりも十分に小さい値に設定される。
【００９０】
ただし、Ｉｎ組成比ｘが低ければ、臨界膜厚は大きくなるため、量子井戸の膜厚を臨界膜厚よりも十分に小さくしても、比較的厚くすることが容易である。なお、薄膜が量子井戸として機能するには、量子効果が現れる１０数ｎｍ以下の膜厚の薄膜である必要があるが、ｘ＝０．２程度であれば、臨界膜厚は、１４ｎｍ以上であるため、１０数ｎｍ以下の範囲での膜厚の設定が比較的自由に可能である。膜厚の自由な設定が可能であることにより、所望の波長を得るのが容易となる。
【００９１】
また、一般的な量子ドットを成長させる場合、例えば、ＧａＡｓ基板にＩｎＡｓ結晶（つまり、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ結晶においてｘ＝１）をＳＫモードで成長させる。量子ドットの成長の際には、結晶が３次元成長する。ＩｎＡｓは、ＧａＡｓ基板との格子不整合度が大きいため、ＳＫモードで成長する。また、量子ドットを成長させるための原料の量は、量子井戸に比べて非常に少なく、例えば、２原子層（２ＭＬ）程度の厚さの薄膜を成長させる程度に相当する量でよい。
【００９２】
以上に対して、３次元構造界面１５を有する薄膜１３の成長は、ＦＭモード及びＳＫモードの複合的なものである。３次元構造界面１５を有する薄膜１３の成長は、（界面が平坦でないとしても）薄膜が形成されるという点で、ＦＭモード的である。しかし、３次元構造界面１５を有する薄膜１３の成長は、３次元成長を含んでいるという点で、ＦＭモードとは異なる。
【００９３】
また、３次元構造界面１５を有する薄膜１３の成長は、３次元成長を含んでいるという点でＳＫモード的である。しかし、３次元構造界面１５を有する薄膜１３の成長は、量子ドットを形成する場合よりも多い量の原料が供給されるという点で、ＳＫモードとは異なる。
【００９４】
実施形態の３次元構造界面１５を有する薄膜１３の成長においては、臨界膜厚を超えない範囲で、臨界膜厚近傍にまで薄膜１３をＦＭモード的に成長させることで、量子井戸のような薄膜が形成しつつ、基板と成長結晶との格子不整合による歪を界面１５付近において大きくしている。しかも、成長温度が比較的高温（例えば、４８０℃、より好ましくは５００℃以上）であるため、大きな歪と高温状態とが相まって、界面１５にＳＫモード的な３次元成長が生じている。界面１５の３次元成長は、高温により熱拡散が生じ得る状態の結晶原料（特にＩｎ）において歪を緩和させようとする力が作用して生じたものである。また、Ｉｎの組成比を大きくすることで、歪を大きくして、３次元構造の成長を促すことができる。
【００９５】
３次元構造界面１５を有する薄膜１３の成長においては、臨界膜厚を超えないことで、薄膜１３に欠陥が生じるのを抑制できる。例えば、図１１に示すＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓの場合、臨界膜厚は、４ｎｍ程度であるが、臨界膜厚を超える量の原料（膜厚が７ｎｍになる量の原料）が供給されている。臨界膜厚を超えたことにより、薄膜１３における欠陥が顕著になり、３次元構造界面１５を有していても、光デバイスとしての機能が損なわれているものと考えられる。なお、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓにおいても、臨界膜厚を超えない量、例えば、膜厚が３ｎｍになる量の原料を供給して、平均膜厚が臨界膜厚未満になるようにすることで、３次元構造界面を有し、光デバイスとして機能するための薄膜が得られことが期待される。
【００９６】
また、図２０に示すように、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ薄膜１３であっても、薄膜１３の厚さが３ｎｍになる量の原料を供給した場合には、３次元構造界面１５が得られていないのは、膜厚が比較的小さいため、３次元構造を生じさせる歪の蓄積が少なく、成長温度が高温（５６０℃）であっても、ＦＭモードが維持され、２次元構造になったものと考えられる。逆に、５ｎｍ及び７ｎｍにおいて３次元構造が現れていることは、歪による３次元構造の成長を裏付ける。
【００９７】
図９及び図１０に示すＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ薄膜１３では、基板との格子不整合がもともと比較的小さいため、膜厚が７ｎｍであっても、歪の蓄積が比較的少なく、成長温度を高温にしても、ＦＭモードが維持され、２次元構造になったものと考えられる。なお、歪が小さくなる組成においても、膜厚を大きくして歪の蓄積を多くすることで、３次元構造界面の成長が期待される。
【００９８】
以上によれば、３次元構造界面を有する薄膜の成長を行うには、結晶原料の組成に対して、適切な原料供給量（膜厚）及び適切な成長温度を設定すればよいことがわかる。ここで、原料供給量は、結晶原料の組成等によって決まる臨界膜厚未満の臨界膜厚近傍の厚さになる量とするのが好ましい。原料供給量を臨界膜厚未満の厚さになる量とすることで、３次元構造界面を有する薄膜の平均膜厚は、臨界膜厚未満となる。膜厚が臨界膜厚近傍にまで大きくなることで、歪の蓄積が大きくなり、３次元構造界面が得られる。成長温度は、原料（特にＩｎ）の熱拡散及び再蒸発の少なくともいずれか一方が生じる温度とするのが好ましい。
【００９９】
図２１及び下記の表１は、原料組成、膜厚（原料供給量）及び成長温度を異ならせて薄膜を成長させた結果を示している。なお、表１において、発光ピーク波長、半値全幅、ＰＬピーク強度は、室温での測定結果を示している。図２１及び表１において、膜厚は、原料供給量を示す。
【０１００】
【表１】
2018113324.tif 000003
【０１０１】
図２１において、白丸印（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１１，Ｓ１２及び黒丸印（Ｓ３〜Ｓ１０）は、３次元構造界面を有する薄膜が得られた組成及び膜厚（原料供給量）の組み合わせを示している。黒丸印（Ｓ３〜Ｓ１０）は、白丸印（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１１，Ｓ１２）に比べて、比較的高い発光強度が得られたものを示している。図２１において、四角印（Ｓ１３〜Ｓ１７）は、実験した成長温度では３次元構造界面を有する薄膜が得られなかった組成及び膜厚（原料供給量）の組み合わせを示している。四角印（Ｓ１３〜Ｓ１７）において、実験した成長温度は、Ｓ１３については、４２５℃、４４０℃、４８３℃、５２０℃、５３６℃であり、Ｓ１４については、５００℃であり、Ｓ１５については、４４３℃であり、Ｓ１６については、４４３℃であり、Ｓ１７については、４４０℃、４８０℃、５２０℃、５４０℃である。図２１において、×印は、３次元構造界面は得られたものの、非発光又は発光が非常に弱いものを示している。
【０１０２】
図２１では、臨界膜厚曲線（Matthews and Blakeslee臨界膜厚曲線）も示されている。なお、図２１に描かれた臨界膜厚曲線は、参考的なものであって、厳密なものではない。また、臨界膜厚は、温度によっても多少変動する。図２１では、臨界膜厚未満であって臨界膜厚近傍の膜厚範囲をグレーで示した。
【０１０３】
図２１に示すように、グレーの範囲（臨界膜厚未満であって臨界膜厚近傍）内の原料組成及び膜厚（原料供給量）の組み合わせの場合（白丸印及び黒丸印の場合）には、成長温度を適切に設定することで、３次元構造界面が得られたまた、原料組成に対応した臨界膜厚以上の厚さになる量の原料が供給された場合（×印の場合）、３次元構造は得られるものの、非発光又は発光が非常に弱くなる。さらに、原料供給量が、臨界膜厚未満であっても、臨界膜厚を大きく下回る量であると、３次元構造界面が得られず２次元構造界面が得られた。特に、Ｉｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓのように、膜厚によっては３次元構造界面が得られる組成であっても、膜厚が小さいと、格子不整合による歪の蓄積が大きくならず、３次元構造界面が現れないものと考えられる。逆に、実験では２次元構造界面が得られていない組成であっても、膜厚を臨界膜厚近傍にすることで、３次元構造界面が得られることが期待される。
【０１０４】
表１に示すＳ１３及びＳ１４（四角印）は、２次元構造界面を有する薄膜であるため、半値全幅がそれぞれ、２０．０ｍｅＶ及び２６．８ｍｅｖであり、狭帯域となっている。これに対して、Ｓ１〜Ｓ１２（白丸印及び黒丸印）では、全て３０ｍｅＶ以上の広帯域が得られる。より広い帯域という観点からは、発光帯域は、４０ｍｅＶ以上であるのがより好ましく、６０ｍｅＶ以上であるのがさらに好ましい。
【０１０５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、薄膜は、ＩｎＧａＡｓに限定されるものではなく、基板と同じ結晶構造を有し、基板に対して格子不整合が生じるものであれば特に限定されない。基板に対して格子不整合があることで、３次元構造界面を生じさせる歪が得られる。格子不整合による歪を利用することで、薄膜の原料の種類にかかわらず、３次元構造界面を有する薄膜が得られる。３次元構造界面を有する薄膜は、薄膜の組成にかかわらず、薄膜の組成に応じた臨界膜厚未満であって臨界膜厚近傍の膜厚が形成される量の原料を供給し、適切な温度で薄膜を成長させることで得られる。
【０１０６】
薄膜は、例えば、ＩｎＧａＮであってもよい。薄膜は、熱拡散又は再蒸発が生じやすいＩｎを含むのが好ましい。薄膜は、ＳｉＧｅであってもよいし、ＧａＩｎＡＳであってもよいし、ＧａＩｎＮであってもよいし、ＺｎＳＳｅであってもよい。また、基板は、Ｓｉであってもよいし、ＧａＡｓであってもよいし、ＧａＮであってもよいし、ＺｎＳｅであってもよい。
【０１０７】
［薄膜／基板］の組み合わせとしては、［ＳｉＧｅ／Ｓｉ］であってもよいし、［ＧａＩｎＡＳ／ＧａＡｓ］であってもよいし、［ＧａＩｎＮ／ＧａＮ］であってもよいし、［ＺｎＳＳｅ／ＺｎＳｅ］であってもよい。これらの薄膜と基板の組み合わせは、同じ結晶構造を有し、格子不整合度が大きいため好ましい。
【０１０８】
光デバイスは、発光素子に限られず、受光素子であってもよい。
【符号の説明】
【０１０９】
１０  活性層
１１  基板
１３  半導体薄膜
１５  界面
１００  光デバイス
【図１】
2018113324.tif 000004
【図２】
2018113324.tif 000005
【図３】
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【図４】
2018113324.tif 000007
【図５】
2018113324.tif 000008
【図６】
2018113324.tif 000009
【図７Ａ】
2018113324.tif 000010
【図７Ｂ】
2018113324.tif 000011
【図８】
2018113324.tif 000012
【図９】
2018113324.tif 000013
【図１０】
2018113324.tif 000014
【図１１】
2018113324.tif 000015
【図１２】
2018113324.tif 000016
【図１３】
2018113324.tif 000017
【図１４】
2018113324.tif 000018
【図１５】
2018113324.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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