(57)【要約】【課題】  光の吸収係数の小さいＧａＮ単結晶基板およびその製造方法ならびに光出力の大きい発光デバイスを提供する。【解決手段】  直径が２０ｍｍ以上、かつ厚さが７０μｍ〜４５０μｍであるＧａＮ単結晶基板であって、ＧａＮ単結晶基板の３７５ｎｍ〜５００ｎｍの波長を有する光の吸収係数αが７ｃｍ-1〜６８ｃｍ-1であることを特徴とするＧａＮ単結晶基板。ここで、ＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は、５×１０17ｃｍ-3〜２×１０19ｃｍ-3であることが好ましい。【選択図】        図１
2005213075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が２０ｍｍ以上、かつ厚さが７０μｍ〜４５０μｍであるＧａＮ単結晶基板であって、
前記ＧａＮ単結晶基板の３７５ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域にある光の吸収係数αが７ｃｍ-1〜６８ｃｍ-1であることを特徴とするＧａＮ単結晶基板。
【請求項２】
前記ＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3〜２×１０19ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項３】
前記ＧａＮ単結晶基板が、ドーパントとして酸素、炭素、硫黄およびケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項４】
前記ＧａＮ単結晶基板の主面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＧａＮ単結晶基板。
【請求項５】
ＧａＡｓ基板上に点状またはストライプ状の開口窓を有するマスク層を形成する工程と、前記開口窓上にＧａＮバッファ層を少なくとも２回成長させる工程と、前記ＧａＮバッファ層上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、ＧａＡｓ基板を除去する工程とを少なくとも含むＧａＮ単結晶基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＧａＮ単結晶基板上に、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層が形成されている発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の吸収係数が小さいＧａＮ単結晶基板およびその製造方法ならびに発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（Light Emitting Diode；以下ＬＥＤという）またはレーザダイオード（Laser Diode；以下ＬＤという）などの発光デバイスの基板として、サファイア基板、ＧａＮ基板などが用いられている。
【０００３】
しかし、サファイア基板は絶縁性が高いため、サファイア基板の裏面（基板上に発光層を有する半導体層が形成されていない面をいう、以下同じ）に電極を設けることができないため、サファイア基板上に形成した半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮ層）上に電極を形成する必要があり、電流が厚みの小さい半導体層を通過することにより発光デバイスの駆動電圧が高くなるという問題点があった。
【０００４】
これに対して、ＧａＮ基板は、ＧａＮ基板の裏面に電極を設けることができるため、発光デバイスの駆動電圧を低減することができるが、サファイア基板に比べて光の吸収係数が大きく、ＬＥＤなどにおいて発光の一部がＧａＮ基板に吸収され、光出力を低下させるという問題があった。透明度が高く、光の吸収係数の小さいＧａＮ基板およびその製造方法が提案されているが、そのＧａＮ基板の光吸収係数も十分小さなものではなかった（たとえば、特許文献１を参照）。このため、光の吸収係数の小さいＧａＮ単結晶基板およびその製造方法ならびに光出力の大きい発光デバイスの開発が要望されていた。
【０００５】
また、サファイア基板またはＧａＮ基板の裏面に凹凸を設けて光を基板の側面に向けて反射させることによって基板側面からの光の取り出し効率を上げることを提案されているが、その光の取り出し効率の向上も十分大きなものではなかった（たとえば、特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２０００−１２９００号公報
【特許文献２】特開２００２−３６８２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記状況を鑑みて、本発明は、光の吸収係数の小さいＧａＮ単結晶基板およびその製造方法ならびに光出力の大きい発光デバイス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】
【０００７】
本発明は、直径が２０ｍｍ以上、かつ厚さが７０μｍ〜４５０μｍであるＧａＮ単結晶基板であって、ＧａＮ単結晶基板の３７５ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域にある光の吸収係数αが７ｃｍ-1〜６８ｃｍ-1であることを特徴とするＧａＮ単結晶基板である。
【０００８】
本発明にかかるＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3〜２×１０19ｃｍ-3であることが好ましい。また、本発明にかかるＧａＮ単結晶基板は、ドーパントとして酸素（以下、Ｏという）、炭素（以下、Ｃという）、硫黄(以下、Ｓという）およびケイ素（以下、Ｓｉという）からなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。さらに、本発明にかかるＧａＮ単結晶基板の主面の表面粗さＲａは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明は、ＧａＡｓ基板上に点状またはストライプ状の開口窓を有するマスク層を形成する工程と、開口窓上にＧａＮバッファ層を少なくとも２回成長させる工程と、ＧａＮバッファ層上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、ＧａＡｓ基板を除去する工程とを少なくとも含むＧａＮ単結晶基板の製造方法である。
【００１０】
さらに、本発明は、上記ＧａＮ単結晶基板上に、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層が形成されている発光デバイスである。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように、本発明によれば、光の吸収係数の小さいＧａＮ単結晶基板およびその製造方法ならびに光出力の大きい発光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明にかかる一のＧａＮ単結晶基板は、直径が２０ｍｍ以上、かつ厚さが７０μｍ〜４５０μｍであるＧａＮ単結晶基板であって、ＧａＮ単結晶基板の３７５ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域にある光の吸収係数αが７ｃｍ-1〜６８ｃｍ-1である。
【００１３】
ＧａＮ単結晶基板の直径が２０ｍｍ未満であると基板の生産性が低下し、厚さが７０μｍ未満であると基板の機械的強度が低下し、厚さが４５０μｍを超えると基板による光の吸収量が大きくなる。さらに厚さが２００μｍ以上であると基板の機械的強度が向上し、基板の取り扱いが容易になる。したがって、ＧａＮ単結晶基板の厚さは、２００μｍ〜４５０μｍが好ましい。
【００１４】
また、３７５ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域にある光の吸収係数αが７ｃｍ-1未満となるような低キャリア濃度においては、ＧａＮ基板電気抵抗が大きくなり、ＧａＮ単結晶基板の裏側に電極を設けるような構造の発光デバイスを構成すると駆動電圧が大きくなる。一方、３７５ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域にある光の吸収係数αが６８ｃｍ-1を超えるとＧａＮ単結晶基板の光の吸収係数が増大し発光デバイスの光出力が低下する。なお、光の波長が小さいほどその光は高いエネルギーを有しているためＧａＮ単結晶基板のその光の吸収係数が大きくなる。
【００１５】
ここで、光の吸収係数αは次式（１）で定義される。
【００１６】
α＝−（１／Ｈ）Ｉｎ（Ｉ／Ｉ0）          （１）
（式（１）中、Ｉ0は入射光の強度、Ｉは観測光の強度、Ｈは基板の厚さを表わす。また、Ｉｎは自然対数を示す。）
本発明にかかるＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3〜２×１０19ｃｍ-3であることが好ましい。ＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3未満であると、ＧａＮ単結晶基板の電気抵抗が大きくなり、ＧａＮ単結晶基板の裏側に電極を設けるような構造の発光デバイスを構成することができない。一方、ＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度が２×１０19ｃｍ-3を超えると、禁制帯内のドナー準位以外の準位も増大するため光の吸収係数が大きくなる。
【００１７】
本発明にかかるＧａＮ単結晶基板は、ドーパントとしてＯ、Ｃ、ＳおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。ＧａＮ単結晶基板へのドーピングにより、ＯまたはＳはＧａＮ単結晶のＮの位置に、ＣまたはＳｉはＧａＮ単結晶のＧａの位置に入って、いずれもｎ型導電性を示し、ＧａＮ単結晶基板の電気抵抗を下げることができる。
【００１８】
本発明にかかるＧａＮ単結晶基板の主面の表面粗さＲａは１０ｎｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが１０ｎｍ未満であると、その表面上に形成される半導体層の結晶性が低下するため、発光デバイスの作製に不利となる。ここで、表面粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１における算術平均粗さＲａを意味する。すなわち、Ｒａは次式（２）で定義されるように基準長さＬにおけるＺ（ｘ）の絶対値の平均をいう。ここで、Ｚ（ｘ）は、任意の位置ｘにおける粗さ曲線の高さを示す。ＧａＮ単結晶基板の主面の表面粗さＲａは、主面をＭＰ（Mechanical Polishing；機械的研磨）法またはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing；化学機械的研磨）法などにより研磨することによって、小さくすることができる。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
本発明にかかる一のＧａＮ単結晶基板の製造方法は、図１を参照して、図１（ａ）に示すようにＧａＡｓ基板１上に点状またはストライプ状の開口窓２１を有するマスク層を形成する工程（以下、マスク層形成工程という）と、図１（ｂ）に示すように開口窓２１上に第１のＧａＮバッファ層３ａを成長させる工程（以下、第１のＧａＮバッファ層形成工程という）と、図１（ｃ）に示すように第１のＧａＮバッファ層３ａ上に第２のバッファ層３ｂを成長させてＧａＮバッファ層３を形成する工程（以下、第２のバッファ層形成工程という）と、図１（ｄ）に示すようにＧａＮバッファ層３上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ単結晶層４をエピタキシャル成長させる工程（以下、ＧａＮ単結晶層形成工程という）と、図１（ｅ）に示すようにＧａＡｓ基板１、マスク層２およびＧａＮバッファ層３を除去する工程（以下、ＧａＡｓ基板除去工程）とを少なくとも含む。
【００２１】
ＧａＮバッファ層３を２回以上に分けて成長させることにより、ＧａＮバッファ層３上に形成されるＧａＮ単結晶層４の結晶性がさらに向上して、光を吸収する内在準位濃度が低下することにより、ＧａＮ単結晶基板の光の吸収係数が著しく小さくなったものと考えられる。ここで、ＧａＮバッファ層を２回形成した場合において、図１（ｄ）において第１のＧａＮバッファ層３ａと第２のバッファ層３ｂとの区別はなく、全体としてひとつのＧａＮバッファ層３を形成する。以下、各工程についてさらに詳しく説明する。
【００２２】
（マスク層形成工程）
マスク層形成工程においては、図１（ａ）を参照して、ＧａＡｓ基板１上に点状またはストライプ状の開口窓２１を有するマスク層２を形成する。点状の開口窓とは円状または多角形状の孤立した点としての開口窓をいい、ストライプ状の開口窓とは帯状の開口窓をいう。ここで、ＧａＮ単結晶層を均一に成長させる観点から、点状またはストライプ状の開口部は等間隔に配列することが好ましい。ＧａＮ単結晶層を成長させるための基板として用いられるＧａＡｓは立方晶系であり、一般的には（１１１）Ａ面、（１１１）Ｂ面を結晶成長面として用いる。Ａ面とはＧａ原子が露出している面を、Ｂ面とはＡｓ原子が露出している面をいう。
【００２３】
ＧａＡｓ基板上に開口部を有するマスク層の形成は、たとえばＧａＡｓ基板全体にマスク材料を被覆した後、フォトリソグラフィにより等間隔に開口窓を設けることにより行なうことができる。ここで、マスク材料としては、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2などが挙げられる。また、マスク層の厚さは、特に制限はないが、１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度が好ましい。
【００２４】
点状の開口窓の形成は、たとえば、図２を参照して、ＧａＡｓ基板１の（１１１）Ａ面上に[１１−２]方向に一定間隔Ｐをおいてならびかつ[−１１０]方向には半ピッチずれた正方形状の開口窓２１を設けることにより行なう。ここで、[−１１０]方向の間隔Ｑは、３1/2×Ｐ／２であることが好ましい。このときは、点状の開口窓２１が、一辺の長さがＰの正三角形の頂点に位置するように配列されている。このような開口窓の配列とすることにより、開口窓２１にＧａＮバッファ層を２回以上成長させた後、ＧａＮ単結晶層４を成長させると、ＧａＮは六方晶系であるため、図３に示すようにＧａＮ単結晶４はほぼ六角形状に成長し、図４に示すように六角形のＧａＮ単結晶４がほぼ同時に隣のＧａＮ単結晶と接触して、それ以後均等な厚みで成長する。また、ストライプ状の開口窓の形成は、たとえば、[１１−２]方向もしくは[−１１０]方向に伸びるストライプ状の開口窓を設けることにより行なう。
【００２５】
（ＧａＮバッファ層形成工程）
次に、図１（ｂ）および図１（ｃ）を参照して、上記開口窓２１にＧａＮバッファ層を２回以上成長させる。本発明においては、ＧａＮバッファ層を２回以上形成させることが、ＧａＮ単結晶層の結晶性を向上させる観点から好ましい。ＧａＮバッファ層を２回以上形成する場合、第１のＧａＮバッファ層、第２のＧａＮバッファ層および第ｎのＧａＮバッファ層（ここで、ｎは２以上の整数）を形成する方法には、特に制限はなく、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法；Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積法；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＯＣ（有機金属塩化物気相成長；Metal Organic Chloride Method）法などの気相成長を用いることができる。ここで、ＧａＮバッファ層とは、ＧａＮのアモルファス層であり、上記気相成長方法において、４００℃〜６００℃の低温雰囲気で成長を行なうのが一般的である。また、ＧａＮバッファ層全体の厚さを２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度にすることにより、マスク層の開口窓部分のみにＧａＮバッファ層を形成することができる。
【００２６】
ＨＶＰＥ法は、図５を参照して、周囲に円筒形のヒータ１０２を有するホットウオール型の反応炉１０１の上頂部に設けられた原料ガス導入口１０３から導入されたＨＣｌガス１１３がＧａ溜１０５内のＧａ融液１０６と反応してＧａＣｌガス１１６となる。反応炉１０１の上頂部に設けられた原料ガス導入口から導入されたＮＨ3ガス１１４を導入して、上記ＧａＣｌガス１１６と反応させてＧａＮを合成してサセプタ１０７上に設置された基板１０９上に堆積させるものである。なお、反応性の制御の観点から、原料ガスであるＨＣｌガスおよびＮＨ3ガスは、Ｈ2ガスなどのキャリアガスと混合して用いられるのが一般的である。
【００２７】
ＭＯＣＶＤ法は、コールドウオール型の反応炉において、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）などのＧａの有機金属化合物ガスとＮＨ3ガスとをキャリアガスであるＨ2ガスとともに、加熱した基板上に吹き付けることにより、ＴＭＧとＮＨ3が反応してできたＧａＮを基板上に成長させるものである。
【００２８】
ＭＯＣ法は、ＴＭＧなどのＧａの有機金属ガスとＨＣｌガスとをホットウオール型の反応炉で反応させてＧａＣｌを合成し、これと基板付近に流したＮＨ3ガスとを反応させて、加熱した基板上にＧａＮを成長させるものである。
【００２９】
（ＧａＮ単結晶形成工程）
次に、図１（ｄ）を参照して、上記ＧａＮバッファ層３上にＧａＮ単結晶層４をエピタキシャル成長させる。本発明においては、ＧａＮバッファ層上にＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させる方法として、ＨＶＰＥ法を用いることが好ましい。気相成長方法としては、上記のようにＨＶＰＥ法以外にも、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＣ法などがあるが、ＭＯＣＶＤ法およびＭＯＣ法においては原料としてＴＭＧなどのＧａの有機金属化合物を用いるため、ＧａＮ単結晶中にＣが多く混入してＧａＮ単結晶の光の吸収係数を大きくするが、ＨＶＰＥ法においてはＧａの有機金属化合物を用いないため、ＧａＮ単結晶中へのＣの混入を低減することができる。また、ＨＶＰＥ法は、ＭＯＣＶＤ法およびＭＯＣ法に比べて結晶の成長速度が大きいため、ＧａＮ単結晶をより効率よく作製することができる。ＨＶＰＥ法において、雰囲気温度を８００℃〜１０５０℃程度の高温にしてＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させる。このとき、ＧａＮバッファ層は結晶化する。
【００３０】
（ＧａＡｓ基板除去工程）
次に、図１（ｄ）および図１（ｅ）を参照して、ＧａＡｓ基板１を除去する。ＧａＡｓ基板１を除去する方法には、特に制限がないが、たとえば王水によってエッチングすることができる。また、マスク層２および結晶化が不十分なＧａＮバッファ層３は研磨などによって除去することができる。このようにして、ＧａＮ単結晶層４が得られる。なお、このようにして得られたＧａＮ単結晶層は、Ｏ、Ｃ、ＳまたはＳｉなどのドーパントを添加しなくても、通常ｎ型導電性を有するが、上記ドーパントを加えることにより、ＧａＮ単結晶層の電気抵抗をさらに低減することができる。さらに、上記ＧａＮ単結晶層を所定厚さに加工することによりＧａＮ単結晶基板が得られる。
【００３１】
本発明にかかる一の発光デバイスは、図６を参照して、上記ＧａＮ単結晶基板６０の一つの主面に、ｎ型ＧａＮ層６１、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層およびＧａＮ層を交互に５段重ねた多重量子井戸活性層６２、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層６３、ｐ型ＧａＮ層６４、ｐ側電極６５が順次積層され、ＧａＮ単結晶基板６０の他の主面にｎ側電極６６が形成された発光デバイスである。このように、発光デバイスの基板として光の吸収係数が小さいＧａＮ単結晶基板を用いることにより、駆動電圧が小さくかつ光出力の高い発光デバイスを得ることができる。
【実施例】
【００３２】
（実施例１）
１．ＧａＮ単結晶基板の作製
（１）マスク層形成工程
図１（ａ）を参照して、直径５０ｍｍのＧａＡｓ基板１上に、大気圧下でのＣＶＤ法によりマスク層２として厚さ１００ｎｍのＳｉ3Ｎ4層を形成した。次いで、フォトリソグラフィにより、図２においてＰが４μｍ、Ｑが３．５μｍである正三角形の頂点に開口窓２１（開口窓は一辺が１μｍの正方形）が配列した。
【００３３】
（２）ＧａＮバッファ層形成工程
図１（ｂ）を参照して、上記開口窓２１上に、ＨＶＰＥ法により、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧６０．８Ｐａ）およびＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）を用いて、雰囲気温度４７５℃で、厚さ４０ｎｍの第１のＧａＮバッファ層３ａを成長させた（第１のＧａＮバッファ層形成工程）。
【００３４】
続けて、図１（ｃ）を参照して、上記第１のＧａＮバッファ層３ａ上に、ＨＶＰＥ法により、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧６０．８Ｐａ）およびＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）を用いて、雰囲気温度５００℃で、厚さ４０ｎｍの第２のＧａＮバッファ層３ｂを成長させて（第２のＧａＮバッファ層形成工程）、厚さ８０ｎｍのＧａＮバッファ層３を形成した。ここで、ＧａＮバッファ層の厚さ（８０ｎｍ）はマスク層の厚さ（１００ｎｍ）より小さいため、ＧａＮバッファ層３はマスク層２の開口窓２１部分にのみ形成した。
【００３５】
（３）ＧａＮ単結晶層形成工程
次に、図１（ｄ）を参照して、上記ＧａＮバッファ層３上に、ＨＶＰＥ法により、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧１．２５×１０3Ｐａ）、ＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）および０．１質量％のＯ2を含有するＯ2およびＮ2の混合ガス（分圧２３．４Ｐａ）を用いて、雰囲気温度１０００℃で、厚さ４５０μｍのＧａＮ単結晶層４を形成した。
【００３６】
（４）ＧａＡｓ基板除去工程
次に、図１（ｄ）および図１（ｅ）を参照して、ＧａＡｓ基板１を王水でエッチングすることにより除去し、マスク層２および結晶化が不十分なＧａＮバッファ層３はＭＰ法によって除去して、ＧａＮ単結晶層４を得た。さらに、このＧａＮ単結晶層４をスライス刃または内周刃によりスライスした後、ＣＭＰ法により表面粗さＲａが３ｎｍで厚さが２００μｍであるＧａＮ単結晶基板を得た。得られたＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3であり、波長３７５ｎｍの光の吸収係数は３４ｃｍ-1、波長５００ｎｍの光の吸収係数は７ｃｍ-1であった。ここで、ＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は van der Pauw 法により室温（２３℃）にて測定し、光の吸収係数は分光光度計を用いて測定した。
【００３７】
２．ＬＥＤの作製
発光デバイスとしては、以下のＬＥＤを作製した。図６を参照して、まず、上記の直径が５０ｍｍ、厚さが２５０μｍ、表面粗さＲａが３ｎｍのＧａＮ単結晶基板６０の一つの主面上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層６１、厚さ３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層および厚さ１５ｎｍのＧａＮ層を交互に５段重ねた多重量子井戸活性層６２、厚さ３０ｎｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層６３、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層６４を順次形成した。さらに、ｐ型ＧａＮ層６４上にｐ側電極６５としてＡｕ／Ｎｉ（ｐ型ＧａＮ層側がＡｕ層）層を形成した。次に、チップ分割を容易にするために、ＧａＮ単結晶基板６０の他の主面をＣＭＰ法によりラッピングを行ない、ＧａＮ単結晶基板６０の厚さを２００μｍとした。次に、ＧａＮ単結晶基板６０の他の主面における各３００μｍ×３００μｍ区画の中央部上にｎ側電極６６として直径８０μｍの大きさのＴｉ／Ａｌ（ＧａＮ単結晶基板側がＴｉ）層を形成した。さらに、上記ｎ側電極が他の主面の中央部に位置するように、上記半導体層およびｐ側電極が形成されたＧａＮ単結晶基板６０を大きさ３００μｍ×３００μｍのチップに分割してＬＥＤを得た。得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける駆動電圧は３．３Ｖ、発光波長４６０ｎｍにおける光出力は４．８ｍＷであった。結果を表１にまとめた。
【００３８】
（実施例２）
ＧａＮ単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧１．２５×１０3Ｐａ）、ＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）および０．１質量％のＯ2を含有するＯ2およびＮ2の混合ガス（分圧６．５５×１０2Ｐａ）を用いた他は実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶基板を作製した。得られたＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は２×１０19ｃｍ-3であり、波長３７５ｎｍの光の吸収係数は６８ｃｍ-1、波長５００ｎｍの光の吸収係数は１０ｃｍ-1であった。また、実施例１と同様にしてＬＥＤを作製した。得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける駆動電圧は３．２Ｖ、発効波長４６０ｎｍにおける光出力は３．５ｍＷであった。結果を表１にまとめた。
【００３９】
（実施例３）
ＧａＮ単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧１．２５×１０3Ｐａ）、ＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）および０．１質量％のＳｉＨ4を含有するＳｉＨ4およびＨ2の混合ガス（分圧９３．５Ｐａ）を用いた他は実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶基板を作製した。得られたＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3であり、波長３７５ｎｍの光の吸収係数は３５ｃｍ-1、波長５００ｎｍの光の吸収係数は８ｃｍ-1であった。また、実施例１と同様にしてＬＥＤを作製した。得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける駆動電圧は３．３Ｖ、発光波長４６０ｎｍにおける光出力は４．７ｍＷであった。結果を表１にまとめた。
【００４０】
（実施例４）
ＧａＮ単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧１．２５×１０3Ｐａ）、ＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）および１質量％のＨ2Ｓを含有するＨ2ＳおよびＨ2の混合ガス（分圧３．１２×１０2Ｐａ）を用いた他は実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶基板を作製した。得られたＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3であり、波長３７５ｎｍの光の吸収係数は３９ｃｍ-1、波長５００ｎｍの光の吸収係数は１０ｃｍ-1であった。また、実施例１と同様にしてＬＥＤを作製した。得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける駆動電圧は３．４Ｖ、発光波長４６０ｎｍにおける光出力は４．５ｍＷであった。結果を表１にまとめた。
【００４１】
（比較例１）
ＧａＮ単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧１．２５×１０3Ｐａ）およびＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）のみを用いた他は実施例１と同様にして、ＧａＮ単結晶基板を作製した。得られたＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3であり、波長３７５ｎｍの光の吸収係数は２６ｃｍ-1、波長５００ｎｍの光の吸収係数は４ｃｍ-1であった。また、実施例１と同様にしてＬＥＤを作製した。得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける駆動電圧は５．４Ｖ、発効波長４６０ｎｍにおける光出力は５．０ｍＷであった。結果を表１にまとめた。
【００４２】
（比較例２）
ＧａＮバッファ層形成工程の際に、上記開口窓２１上に、ＨＶＰＥ法により、原料ガスとしてＨＣｌガス（分圧６０．８Ｐａ）およびＮＨ3ガス（分圧１．３１×１０4Ｐａ）を用いて、雰囲気温度５００℃で、厚さ８０ｎｍのＧａＮバッファ層を１回で成長させ、２回目以降のＧａＮバッファ層を成長行なわなかった他は実施例２と同様にして、ＧａＮ単結晶基板を作製した。得られたＧａＮ単結晶基板のキャリア濃度は２×１０19ｃｍ-3であり、波長３７５ｎｍの光の吸収係数は１１０ｃｍ-1、波長５００ｎｍの光の吸収係数は２５ｃｍ-1であった。また、実施例１と同様にしてＬＥＤを作製した。得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける駆動電圧は３．２Ｖ、発光波長４６０ｎｍにおける光出力は２．２ｍＷであった。結果を表１にまとめた。
【００４３】
（比較例３）
サファイア基板（波長３７５ｎｍおよび波長５００ｎｍの光の吸収係数が２ｃｍ-1）を用いて以下の発光デバイスを作製した。本発光デバイスは、図７参照して、大きさが４００μｍ×３００μｍ、厚さが２００μｍ、表面粗さＲａが３ｎｍのサファイア基板７０の一つの主面上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層６１が形成され、このｎ型ＧａＮ層６１の一部（３００μｍ×３００μｍ）上に、厚さ３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層および厚さ１５ｎｍのＧａＮ層を交互に５段重ねた多重量子井戸活性層６２、厚さ３０ｎｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層６３、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層６４が順次形成されている。さらに、ｐ型ＧａＮ層６４上にｐ側電極６５としてＡｕ／Ｎｉ（ｐ型ＧａＮ層側がＡｕ層）層が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層の残りの一部（１００μｍ×３００μｍ）に他の半導体層と接触しないようにｎ側電極として直径８０μｍの大きさのＴｉ／Ａｌ（ｎ型ＧａＮ層側がＴｉ）層を形成した。得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける駆動電圧は３．７Ｖ、発光波長４６０ｎｍにおける光出力は４．９ｍＷであった。結果を表１にまとめた。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１から明らかなように、３７５ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域にある光の吸収係数が７ｃｍ-1〜６８ｃｍ-1である実施例１〜実施例４におけるＬＥＤの駆動電圧は３．２Ｖ〜３．４Ｖと低く、かつ光出力は３．５ｍＷ〜４．７ｍＷと高くなった。すなわち、低駆動電圧で高出力のＬＥＤが得られた。これに対して、基板の波長５００ｎｍの光の吸収係数が４と小さい比較例１のＬＥＤの駆動電圧は、５．４Ｖと大きくなった。これは、基板のキャリア濃度が小さく基板の電気抵抗が大きいことによるものである。また、基板の波長３７５ｎｍの光の吸収係数が１１０ｃｍ-1と大きい比較例２のＬＥＤの光出力は、２．２ｍＷに低下した。これは、ＧａＮ単結晶基板の光の吸収係数が大きいことによるものである。
【００４６】
なお、実施例１〜実施例４におけるＬＥＤの駆動電圧は３．２Ｖ〜３．４Ｖであり、従来の典型的なＬＥＤである比較例３のＬＥＤの駆動電圧３．７Ｖよりもさらに小さくすることができた。
【００４７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
上記のように、本発明は、光の吸収係数の小さいＧａＮ単結晶基板およびその製造方法、ならびに光出力の大きい発光デバイスを提供ために広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明にかかる一のＧａＮ単結晶基板の製造方法を説明する概略断面図である。ここで、（ａ）はマスク層形成工程を、（ｂ）は第１のＧａＮバッファ層形成工程を、（ｃ）は第２のＧａＮバッファ層形成工程を、（ｄ）はＧａＮ単結晶形成工程を、（ｅ）はＧａＡｓ基板除去工程を示す。
【図２】マスク層における開口窓の配列を示す図である。
【図３】開口窓上におけるＧａＮ単結晶層の成長を示す図である。
【図４】図３に続くＧａＮ単結晶層の成長を示す図である。
【図５】ＨＶＰＥ法を説明する概略模式図である。
【図６】発光デバイスの一の形態を示す概略断面図である。
【図７】発光デバイスの他の形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ＧａＡｓ基板、２  マスク層、３  ＧａＮバッファ層、３ａ  第１のＧａＮバッファ層、３ｂ  第２のＧａＮバッファ層、４  ＧａＮ単結晶層、２１  開口窓、６０  ＧａＮ単結晶基板、６１  ｎ型ＧａＮ層、６２  多重量子井戸活性層、６３  ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層、６４  ｐ型ＧａＮ層、６５  ｐ側電極、６６  ｎ側電極、７０  サファイア基板、８０  出力光、１０１  反応炉、１０２  ヒータ、１０３，１０４  原料ガス導入口、１０５  Ｇａ溜、１０６  Ｇａ融液、１０７  サセプタ、１０８  シャフト、１０９  基板、１１０  ガス排出口、１１３  ＨＣｌガス、１１４  ＮＨ3ガス、１１６  ＧａＣｌガス。
【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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