(57)【要約】  本発明はＩｎリッチ（Ｉｎ−ｒｉｃｈ）ＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させる方法及びこれを利用する窒化物半導体発光素子に関するが、ＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層上に第１窒化物半導体層を成長させる第１段階と、成長停止により第１窒化物半導体層の厚さを減少させる第２段階と、厚さが減少された第１窒化物半導体層上に第１窒化物半導体層より高いバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層を成長させる第３段階と、を含むことを特徴とする窒化物半導体層を成長させる方法及びこの窒化物半導体層を含む窒化物半導体発光素子を提供し、これにより局所キャリア準位の形成、高いキャリア閉込め効果及びエネルギーバンド構造での単一エネルギーレベルの形成による高効率の短波長紫外線光源の製作が可能になる。
2007515791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層上に第１窒化物半導体層を成長させる第１段階と、
成長停止により第１窒化物半導体層の厚さを減少させる第２段階と、
厚さが減少した第１窒化物半導体層上に第１窒化物半導体層より高いバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層を成長させる第３段階と、を含むことを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２】
第１段階において、Ｉｎ源と窒素源が、第１窒化物半導体層の成長のために使用されることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項３】
Ｇａ源が第１窒化物半導体層に更に使用され、Ｇａ源の量はＩｎ源に比べて極めて少ない量であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項４】
窒素源を供給し、Ｉｎ源の供給を中断することによって、第２段階における成長停止が行われることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項５】
窒素源を供給し、Ｉｎ源の供給を中断することによって、第２段階における成長停止が行われることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項６】
第２段階において厚さが減少された第１窒化物半導体層が、量子井戸層構造を有することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項７】
第１段階において第１窒化物半導体層が、７００℃〜８００℃の温度範囲で成長されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項８】
第１窒化物半導体層が、成長及び成長停止の間、温度が一定に保持されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項９】
第２段階において成長停止の時間が、６０秒以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１０】
第２窒化物半導体層の成長温度が、第１窒化物半導体層の成長温度と同一であるか、またはその以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１１】
基板と、
基板上に成長されて、最上層がＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層である少なくとも一つ以上の窒化物半導体層と、
最上層であるＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層上に成長される量子井戸層と、さらに、
量子井戸層上に成長されて、量子井戸層より高いバンドギャップエネルギーを有する追加の窒化物半導体層と、を含み、
前記量子井戸層は、Ｉｎリッチ領域と、最上層であるＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層とＩｎリッチ領域の間にインジウムの組成が増加する第１組成傾斜領域と、Ｉｎリッチ領域と追加の窒化物半導体層の間にインジウムの組成が減少する第２組成傾斜領域と、含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
量子井戸層がＩｎxＧａ1−xＮからなり、量子井戸層のＩｎリッチ領域でｘが０．６以上であることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
量子井戸層が、成長のための源としてＩｎ源と窒素源を使用して成長され、成長後Ｉｎ源の供給を遮断して窒素源を供給する成長停止により厚さが減少されることによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
量子井戸層がＩｎxＧａ1−xＮからなり、量子井戸層のＩｎリッチ領域でｘが０．５以上０．８以下の範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
量子井戸層の厚さが、２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
量子井戸層が、ＩｎxＧａ1−xＮからなり、量子井戸層のＩｎリッチ領域でｘが０．２以上であることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
追加の窒化物半導体層はＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
量子井戸層に接して、追加の窒化物半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きい少なくとも一つのＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）障壁層をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
少なくとも一つのＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）障壁層の厚さが、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
少なくとも一つのＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）障壁層と量子井戸層が交互に積層されて多重量子井戸構造を形成することを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
少なくとも一つのＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）障壁層と量子井戸層の一対が１００以下であることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
最上層であるＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層はＧａＮであることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
量子井戸層のＩｎリッチ領域でｘが０．７以下であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体を利用した紫外線光源の開発に関するもので、より詳しくは活性層として従来のＧａリッチ（Ｇａ−ｒｉｃｈ）ＩｎＧａＮ量子井戸層の代わりに薄い厚さのＩｎリッチ（Ｉｎ−ｒｉｃｈ）ＩｎＧａＮ量子井戸層を用いて高い発光効率及び単一発光ピークを有する窒化物半導体発光素子の開発に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いて紫外線光源を形成する場合、主に１０％以下のＩｎＮ組成を有するＧａリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を用いており、発光波長が短くなるほど発光効率が低下することが知られている。
【０００３】
一般的に窒化物半導体を用いた可視光領域の緑光源、青光源の場合、適当な基板の不在による薄膜での高い欠陥密度にもかかわらず高い発光効率が得られている。これはＩｎＧａＮ量子井戸層内におけるＩｎＮの相分離及び組成不均一による局所キャリア準位の形成に起因するもので、ＩｎＮの組成が増加するほどこのような効果は大きく現れることが知られている。
【０００４】
しかしながら、紫外線光源の場合、ＩｎＧａＮ量子井戸層におけるＩｎＮ組成が可視光源にのそれより小さいために局所キャリア準位が形成され難く、発光効率が低下する。また緑光源、青光源に比べてＩｎＧａＮ量子井戸層とカバー層（あるいは障壁層）とのエネルギーレベル差が非常に小さいためにキャリア閉込め効果が低下し、発光効率が低下する。
【０００５】
上述したような理由で、まだ１０％以下のＩｎＮ組成を有するＧａリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を用いた従来の紫外線光源では高い発光効率が得られていないのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであり、紫外線領域の発光波長を有する高効率発光素子を製作するために薄い厚さのＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を活性層として用いた紫外線領域の発光波長を有する高効率発光素子を製作する方法を提供することである。
【０００７】
また、本発明は、Ｉｎリッチ領域とインジウムが組成傾斜を有する領域からなる量子井戸層を成長させる方法及びこれを利用する窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。要求される波長を有する活性層を含む発光素子を提供するためには、その活性層の波長が制御可能であるか、または予測可能でならなければなれず、本発明者等は十分な成長停止を経たＩｎリッチＩｎＧａＮ層のＰＬピークが紫外線領域へ移動できることを実験及び理論的計算によって見出した。本発明はこのような結果を基づいて、その発光波長が制御可能であるＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明は、ＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層の上に第１窒化物半導体層を成長させる第１段階と、成長停止により第１窒化物半導体層の厚さを減少させる第２段階と、厚さが減少された第１窒化物半導体層上に第１窒化物半導体層より高いバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層を成長させる第３段階と、を含むことを特徴とする窒化物半導体層を成長させる方法を提供する。
【０００９】
ここで、ＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層、第１窒化物半導体層、及び第２窒化物半導体層はｐ型またはｎ型不純物でドープすることができる。ＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層と第２窒化物半導体層は、好ましくはＧａＮからなる。
【００１０】
また、本発明は、基板と、基板上に成長され、最上層がＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層である、少なくとも一つ以上の窒化物半導体層と、最上層であるＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層上に成長される量子井戸層と、そして量子井戸層上に成長されて量子井戸層より高いバンドギャップエネルギーを有する追加の窒化物半導体層と、を含み、前記量子井戸層はＩｎリッチ領域と、最上層であるＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層とＩｎリッチ領域の間にインジウムの組成が増加する第１組成傾斜領域と、Ｉｎリッチ領域と追加の窒化物半導体層との間にインジウムの組成が減少する第２組成傾斜領域と、を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。
【００１１】
ここで、最上層であるＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層、量子井戸層、及び追加の窒化物半導体層は、ｐ型またはｎ型不純物でドープすることができる。
【００１２】
また本発明は、量子井戸層の厚さが２ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供するが、ここで、２次元量子井戸層はＩｎｘＧａ１−ｘＮからなり、２次元量子井戸層のＩｎリッチ領域においてｘが０．２以上であることが好ましい。２次元量子井戸層の厚さが２ｎｍ以上になるとキャリア閉込め効果による紫外線領域への発光波長の調節が容易でないために２次元量子井戸層の厚さは２ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、追加の窒化物半導体層はＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。もちろん、追加の窒化物半導体層はＩｎを含むことができる。
【００１４】
また、本発明は、量子井戸層に接して、追加の窒化物半導体層に比べてバンドギャップエネルギーが大きい少なくとも一つのＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）障壁層をさらに含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。
【００１５】
また、本発明は、少なくとも一つのＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）障壁層と量子井戸層が交互に積層され、多重量子井戸構造を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。ＡｌyＧａ1−yＮ（０≦ｙ≦１）障壁層と量子井戸層の積層は１００対以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、成長停止法を用いて薄い厚さの高品位ＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を成長する。従来の紫外線光素子は、活性層としてＧａリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を用いていたが、本発明は、組成傾斜を有する薄い厚さのＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を用いて局所キャリア準位の形成し、高いキャリア閉込め効果及びエネルギーバンド構造における単一エネルギーレベルを形成することにより、高効率の短波長紫外線光源の開発を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。次に説明される実施形態は様々な形態に変形することができ、本発明の範囲は下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は当業界における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するためのものである。本発明の実施形態を示す図面において、理解を容易にするために、ある層や領域等の厚さを適宜変更している。図面において同一の参照符号は同一の要素を示す。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態によるＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層の成長方法を説明するための順序図であり、図２〜図４は本発明の実施形態によるＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層の成長方法の、それぞれの段階を示す断面図である。
【００１９】
まず、図１の段階s１と図２を参照して、チャンバー（図示せず）内に載置された基板１０５上にＩｎの３族源及び窒素源のみを供給して一般的なＧａリッチＩｎＧａＮエピタキシャル層の成長温度より高温でＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０を成長させる。
【００２０】
ＧａＮ基板１０５上にＩｎの３族源及び窒素源のみを供給するため、ＩｎＮ層が形成されることが期待される。しかし、ＧａＮとＩｎＮの１０％以上の高い格子不一致によって実際には１〜２ＭＬ（分子層）以上の厚さを有するＩｎＮ層では相互原子混じり現象や欠陥が発生する。その結果、組成傾斜及び高欠陥密度を有するＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０が形成される。
【００２１】
本実施形態において前記基板１０５は、ＧａＮ基板であり、前記窒化物半導体と異種である異種基板１００上に通常の２段階成長法により１０００℃以上の高温で１μm以上成長させたＧａＮエピタキシャル層１０２を含むものである。ここで、異種基板１００は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓまたはサファイアＡｌ２Ｏ３基板である。しかし、異種基板１００を使用せず、ＨＶＰＥ法等で成長させた単結晶ＧａＮ基板１０２にＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０を成長させることができる。
【００２２】
好ましい実施形態において、ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０の成長時、ＭＯＣＶＤ（metalorganic chemical Vapor deposition、有機金属化学気相蒸着）装置を利用する場合は、基板１０５の温度を７００℃〜８００℃の高温に保持して遂行する。ここで、ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０の高い平衡蒸気圧のために薄膜における分解が主な作用をするので、ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０を成長させる時、３族源及び窒素源の量を従来より増加させて蒸着された膜が基板１０５全体を覆うようにする。例えば、チャンバー内に供給される３族源及び窒素源の流量を従来より約１０倍に大きくする。従来、バルク（ｂｕｌｋ  ）ＩｎＮ層を成長させるためにチャンバーに３０ｓｃｃｍにＴＭＩｎ（Trimethylindium、トリメチルインジウム）を供給していたが、本発明の場合には３００ｓｃｃｍのＴＭＩｎを供給するものである。このような高温で３族源及び窒素源の量を多くして成長させたＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０は、表面が多少凸凹するようになり、基板１０５との格子定数の差異による変形エネルギーの増加により、多くの欠陥を有するようになる。ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０は、７００℃の以下、例えば６５０℃でも成長できるが、ただし、この場合において相対的に低い成長温度によるＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０での原子の移動度の減少による欠陥密度が増加することを考慮するべきである。
【００２３】
次の、図１の段階s２と図３を参照して、ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０を２次元の均一な厚さを有する窒化物半導体緩衝層１１０ａに転換させるために、前記３族源の供給を遮断する成長停止段階を遂行する。
【００２４】
窒化物半導体の平衡蒸気圧が非常に高いので、成長停止の間ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０において多量の分解が発生する。特にこのような分解現象は、ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０の凸状部分でより盛んに起きる。分子の脱着及び表面での移動、薄膜内での拡散過程を通し、成長停止後、窒化物半導体緩衝層１１０ａの厚さは減少し、表面は平坦になる。したがって成長停止時間を適切に調節すると、約１ｎｍの薄い厚さを有する平坦なＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０ａを得ることができる。成長停止時間は、例えば６０秒以内で、所望する厚さに応じて変化させることができる。成長停止の時間はＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０の成長温度によって変わり得るので、６０秒以内の成長停止時間が本発明を制限するものと解釈されてはならない。ただし、成長停止時間を長くする場合に薄膜内の欠陥密度が増加する現状が発生し得るという点を考慮するべきである。
【００２５】
成長停止段階を経た後、ＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０ａの欠陥は相当量減少する。成長停止中の温度はＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０の成長温度と同様に高温に保持する。蒸着直後高い欠陥密度を有する不均一な厚さのＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０が成長停止の間、凸面における選択的分解現象及び表面での分子の移動、そして薄膜内での拡散過程を通し、低い欠陥密度を有する厚さ約１ｎｍのＩｎリッチＩｎＧａＮ緩衝層１１０ａに変化する。
【００２６】
次に、引き続き図１の段階s３によって、図４に示すように、成長停止により欠陥密度が減少したＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０ａ上に光素子としての応用のために同一温度、あるいはそれ以上の温度で窒化物半導体カバー層１２０を成長させる。窒化物半導体カバー層１２０としてはＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０ａより大きいエネルギーバンドギャップを有する物質を成長させる。好ましい実施形態において、前記窒化物半導体カバー層１２０としてはＧａＮ、ＡｌＮ、またはＡｌＧａＮ系列が適当である。この時の成長温度はＩｎリッチＩｎＧａＮ層１１０と同一な温度か、あるいは物性の向上のためにより高温で行なうようにする。厚さは、必要に応じて数ｎｍ〜数十ｎｍになるようにする。発光波長をより短波長領域へ移動させるために、バンドギャップエネルギーがカバー層より高い、薄い厚さの障壁層をＩｎリッチＩｎＧａＮ層の一方または両方に導入することができる。
【００２７】
このように、本発明によると、基板上に従来のＧａリッチＩｎＧａＮエピタキシャル層の代わりに約１ｎｍの薄い厚さを有するＩｎリッチＩｎＧａＮエピタキシャル層を活性層として用いることによって量子井戸構造における局所キャリア準位の形成及びキャリア閉込み効果が大きく向上する。その結果、従来より優れた発光効率を有する光素子の製作が可能となる。
【００２８】
次の具体的な実験例により本発明をより詳細に説明する。この技術分野における熟練者が十分に技術的に類推できる事項は、ここでは説明を省略する。また、次に説明する実験例は、本発明を制限するものではない。
【００２９】
本実験例において各薄膜層を成長させるために使用された結晶成長方法は、チャンバーの圧力が３００Ｔｏｒｒである低圧ＭＯＣＶＤであり、基板としてはサファイア基板上に厚さ２μmに成長させたＧａＮエピタキシャル層を含むＧａＮ基板を使用した。
【００３０】
３族源及び窒素源としてはＴＭＩｎ（Trimethylindium、トリメチルインジウム）、ＴＭＧａ（Trimethylgallium、トリメチルガリウム）、アンモニアなどを使用し、キャリアガスとしてはＨ2またはＮ2ガスを使用した。
【００３１】
まず、ＧａＮ基板の表面不純物を除去するために基板の温度を１１００℃に上げて５分間保持した。この時、高温でのＧａＮエピタキシャル層の分解を防ぐために窒素源であるアンモニアを流し、キャリアガスとしてはＨ2ガスを使用した。
【００３２】
その後、ＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層を成長するために基板の温度を７３０℃に下げた。７３０℃に温度を下げた後、キャリアガスをＮ2ガスに変えてＴＭＩｎとアンモニアを供給してＩｎＮ層を９０秒間成長させた。この時生成されたＩｎＮ層は、厚さが不均一であり、多くの欠陥層を有する。またＩｎＮ層と下部ＧａＮ基板との相互原子混じり現象により、実際にはＩｎＮではなく、組成傾斜を有するＩｎリッチＩｎＧａＮエピタキシャル層が形成される。
【００３３】
図５は、これを確認するために組成傾斜を有するＩｎリッチＩｎＧａＮ層を７３０℃で成長させた後、同じ温度で２０ｎｍのＧａＮカバー層を形成して観察した透過電子顕微鏡写真である。図５に示すように、ＧａＮ基板２０５上に高温ＩｎリッチＩｎＧａＮ層２１０を形成した後、成長停止を行わずに次のＧａＮカバー層２２０を直ちに成長させる場合、約２．５ｎｍの高温ＩｎリッチＩｎＧａＮ層２１０は、厚さが不均一であり、その上に成長させたＧａＮカバー層２２０は多くの欠陥密度を有する。
【００３４】
図６は７３０℃で成長させたＩｎリッチＩｎＧａＮ層にＴＭＩｎ供給は遮断してアンモニアのみを供給する１０秒間の成長停止を施した後、ＧａＮカバー層を覆って撮影した透過電子顕微鏡写真である。図６で示すように、成長停止後のＩｎリッチＩｎＧａＮ層２１０ａの厚さは１ｎｍと均一になり、その上に成長させたＧａＮカバー層２２０の欠陥密度も図５の場合に比べて大きく減少したことを確認することができる。
【００３５】
図７は、１０秒間の成長停止を施した場合の高解像度透過電子顕微鏡写真である。図６及び図７で示すように、１０秒間の成長停止を施すことでＩｎリッチＩｎＧａＮ層２１０ａの厚さは非常に均一になり、ＧａＮカバー層２２０との界面が非常に滑らかに形成されていることを分かる。
【００３６】
このように７３０℃で成長停止を施して厚さ１ｎｍの平坦なＩｎリッチＩｎＧａＮ層を成長させた後、単一量子井戸構造を形成するためにＧａＮカバー層を同一温度で２０ｎｍ成長させた。ここで、ＩｎＧａＮ層でのＩｎ組成分布に関するＭＥＩＳ（Medium Energy Ion Scattering、中速イオン散乱法）の研究のためにＧａＮカバー層の厚さを２ｎｍに減少させた試片も共に成長させた。
【００３７】
図８は、以上の方法で成長させた組成傾斜を有するＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造における厚さによるＩｎ組成の分布に関するＭＥＩＳ測定及びコンピュータシミュレーションの結果を示す図である。ＭＥＩＳ法は非常に薄い薄膜での組成を非破壊的方法で原子単位の解像度で正確に測定できる方法である。ＩｎＧａＮ井戸層での厚さによる組成変化を得るために従来のＩＳＡＰ（Ion Scattering Analysis Program）を若干修正して作った‘ＳＩＭＰＬＥ’プログラムを利用してコンピュータシミュレーションを行った。
【００３８】
ＭＥＩＳ測定時、表面での敏感度を増加させるために、ＧａＮカバー層の厚さを２ｎｍに成長させた試片を用いた。その結果、０．４３ｎｍの厚さを有するＩｎリッチＩｎＧａＮ層が存在することを確認することができたが、この層におけるＩｎの組成は、約６０〜７０％であり、これは理論的計算によるＩｎ組成値の５０〜８０％の範囲内である。またＩｎＧａＮ／ＧａＮ界面でＩｎの組成傾斜が存在することを確認することができた。ＧａＮカバー層方向に約１０％のＩｎ組成を有する０．１２ｎｍＩｎＧａＮが存在し、下部ＧａＮ基板の方向に約３０％のＩｎ組成を有する０．２５ｎｍＩｎＧａＮが存在することをコンピュータシミュレーションの結果、確認することができた。ＭＥＩＳ結果により得たＩｎＧａＮ層の総厚さは０．８ｎｍで、図７の高解像度透過電子顕微鏡写真の結果とも一致することを確認することができた。
【００３９】
図９は、以上の方法で得た組成傾斜を有するＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造においてＧａＮカバー層の厚さに関係なく、約４００ｎｍの近紫外線領域で発光ピークを得た結果である。
【００４０】
これはＧａＮカバー層の厚さに関係なくＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸構造においてエネルギーレベルが殆ど変化しないことを意味するが、これはＧａＮ基板上にＩｎＮを蒸着した結果、１０％以上の高い格子不一致による高い変形エネルギーを相互原子混じり現象及び欠陥の発生により解消したためであると推定される。
【００４１】
図１０は、ＭＥＩＳ法で得た結果に基づいて組成傾斜を有するＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎ／ＧａＮ量子井戸構造（ＧａＮ／Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ（０．１２ｎｍ）／Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ｎ（０．４３ｎｍ）／Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ（０．２５ｎｍ）／ＧａＮ）でのエネルギーバンド構造を示している。
【００４２】
ＩｎＮは、高い平衡蒸気圧などによる成長の困難さのために、まだその物性に関する正確な情報が知られていない状態である。最近、成長技法の発達によってＩｎＮ薄膜を成功的に成長させたいくつかのグループらはＩｎＮのバンドギャップエネルギーが従来知られていた１．９ｅＶではなく、０．７ｅＶであることを報告しているが、まだＩｎＮの正確なバンドギャップエネルギーは知らされない状態である。ここで、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーが０．７ｅＶである場合と、１．９ｅＶである場合の両方を考慮して組成傾斜を有するＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎ／ＧａＮ量子井戸構造における発光ピークを計算してみた。
【００４３】
図１１は、このような組成傾斜を有するＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造で４００ｎｍの発光エネルギーを得ることが可能であることを示している。この計算のために周波数空間でエネルギーレベルと波動関数を計算するフーリエ級数（Fourier series）法を導入してシュレーディンガー（Schroedinger）方程式を解いた。ＩｎＮのバンドギャップエネルギーが各々０．７ｅＶ（１７７０ｎｍ）、１．９ｅＶ（６５３ｎｍ）である場合、ＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を形成することによって発光ピークが各々４４２ｎｍと、３９３ｎｍまで減少することが確認できた。
【００４４】
もちろん、計算に使用されたＩｎＮ関連物質定数の値の不正確性を考慮すると、この値らが絶対的なものではないが、組成傾斜を有するＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造で近紫外線領域での発光が可能であることを確認することができた。また、この構造においては、一つのエネルギーレベルのみが存在し、実際に光素子を応用する時、励起キャリアの個数と関係なく単一波長の近紫外線光源を得ることができることを確認した。
【００４５】
またＩｎリッチＩｎＧａＮ層の一方、あるいは両方にカバー層に比べて高いバンドギャップエネルギーを有する薄い厚さの障壁層を形成し、発光波長をより短波長領域へ移動することができる。前述した組成傾斜を有するＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎ／ＧａＮ量子井戸構造の場合、３ｎｍのＡｌＮ障壁層を形成することによって発光波長が３７８ｎｍに移動することを計算により確認することができた。
【００４６】
以上、本発明の詳細な説明ではＭＯＣＶＤ法を使用した場合を例に挙げて説明したが、ＭＢＥ（molecular beam pitaxy、分子線エピタキシ）法や化学ビーム蒸着法（ＣＢＥ）が適用される。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の範囲から外れない限度内で様々な変形が可能であることは明白である。
【００４８】
図１２は、本発明による単一量子井戸層構造を含む発光素子を示す図であり、発光素子は、基板１と、基板１上に成長されるバッファ層２と、バッファ層２上に成長され、ＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなるｎ型コンタクト層３と、ｎ型コンタクト層上に成長される本発明による量子井戸層１１０ａと、量子井戸層１１０ａ上に成長されるｐ型窒化物半導体からなるカバー層４と、カバー層４上に成長されてＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなるｐ型コンタクト層５と、ｐ型コンタクト層５上に形成される透明電極層６とｐ型パッド７と、そしてｎ型コンタクト層３上に形成されるｎ型電極８とを含む。カバー層４とｐ型コンタクト層５は同一の物質から構成される。
【００４９】
図１３は本発明による多重量子井戸層構造を含む発光素子を表す図であり、図１２とは異なって量子井戸層１１０ａと障壁層１１０ｂとが交互に積層された構造を有する。
【００５０】
本発明による発光素子は、図１２及び図１３に示す構造に限るものではなく、量子井戸層１１０ａと、量子井戸層１１０ａの下にあるＡｌxＧａyＩｎ1−x−yＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層と、量子井戸層１１０ａの上に形成されるカバー層とを基本として、当業者に自明ないかなる構造の発光ダイオード、レーザーダイオードのような発光素子にも拡張され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態によるＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層の成長方法を説明するための順序図である。
【図２】本発明の実施形態によるＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層の成長方法を段階別に示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態によるＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層の成長方法を段階別に示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態によるＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸層の成長方法を段階別に示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態によってＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を成長する時、成長停止に伴う膜の変化を示す透過電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の実施形態によってＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を成長する時、成長停止に伴う膜の変化を示す透過電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明の実施形態によってＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を成長する時、成長停止に伴う膜の変化を示す透過電子顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施形態によってＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造のＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成分布を得るためのＭＥＩＳ（Medium Energy Ion Scattering、中速イオン散乱法）測定及びコンピュータシミュレーション結果を表す図である。
【図９】本発明の実施形態によってＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造の成長時、ＧａＮカバー層のいくつかの厚さに対する発光ピークの変化を示すＰＬ（Photoluminescence、フォトルミネッセンス）測定結果を表す図である。
【図１０】本発明の実施形態による図９のＰＬ結果を説明するために、図８の結果に基づいて組成傾斜を有するＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造のエネルギーバンド構造におけるエネルギーレベル及び波動関数を示す図である。
【図１１】図１０のエネルギーバンド構造での計算結果に基づいてＩｎＮのバンドギャップエネルギーが０．７ｅＶである時と、１．９ｅＶである時のＩｎリッチＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造における発光ピークの位置を計算した結果を表す図である。
【図１２】本発明による量子井戸層構造を有する発光素子を表す図である。
【図１３】本発明による多重量子井戸層構造を有する発光素子を表す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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