(57)【要約】【課題】  表面にエピタキシャル成長される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を大幅に改善することができる化合物半導体基板を提供すること。【解決手段】  化合物半導体基板は、ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶基板１上に、ＧａＮ系化合物半導体層３を、間にＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶基板１からのＢ，Ｚｒ，Ｔｉの少なくとも１種と、ＧａＮ化合物半導体層３からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層２を介在させてエピタキシャル成長させた。【選択図】  図１
2007142321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶基板上に、ＧａＮ系化合物半導体層を、間に前記単結晶基板からのＢ，Ｚｒ及びＴｉの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層を介在させてエピタキシャル成長させたことを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項２】
基板の表面に形成されたＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶層上に、ＧａＮ系化合物半導体層を、間に前記単結晶層からのＢ，Ｚｒ及びＴｉの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層を介在させてエピタキシャル成長させたことを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項３】
前記基板はＳｉ単結晶から成り、前記表面は（１１１）面であることを特徴とする請求項２記載の化合物半導体基板。
【請求項４】
表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板上に、パルスレーザ蒸着法によってＧａＮ系化合物半導体層を、成長初期においてその後よりも成長速度を速くしてエピタキシャル成長させることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板上に、パルスレーザ蒸着法によってＧａＮ系化合物半導体層を、成長初期においてその後よりも成長温度を低くしてエピタキシャル成長させることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記ＧａＮ系化合物半導体層をパルスレーザ蒸着法によってエピタキシャル成長させた後に、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項４または請求項５記載の化合物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の化合物半導体基板を用いて、前記ＧａＮ系化合物半導体層で発光部を構成したことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項７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及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ジルコニウム単結晶を用いて結晶性を大幅に改善した窒化ガリウム系化合物半導体から成る化合物半導体基板に関するものである。また、本発明は、その化合物半導体の製造方法、その化合物半導体基板を用いた高性能な発光素子及び照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、青色光もしくは紫外光の発光素子として、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１〜５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及び基板との間に介在させるバッファ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）及びガリウム砒素（ＧａＡｓ）等が知られている。また、従来のバッファ層としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等が知られている。
【０００４】
また、従来の基板及びバッファ層の他の例としては、例えば、非特許文献１及び特許文献６に、硅素（Ｓｉ）基板上にバッファ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１，６，７に開示されているような従来の基板及びバッファ層は、バッファ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及びバッファ層のいずれかの組合せでは、基板とバッファ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層の厚みを非常に厚くしたり、バッファ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２，８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、これら従来の基板及びバッファ層は、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１，２及び特許文献６〜８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及びバッファ層である場合でも、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の結晶性がよくても、即ち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及びバッファ層を用いた発光装置及び照明装置では、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、少なくとも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ジルコニウムチタン単結晶から成り、表面にエピタキシャル成長される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を大幅に改善することができる化合物半導体基板、その製造方法、及びその化合物半導体基板を用いた発光素子及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】
本発明の化合物半導体基板は、ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶基板上に、ＧａＮ系化合物半導体層を、間に前記単結晶基板からのＢ，Ｚｒ，Ｔｉの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層を介在させてエピタキシャル成長させた化合物半導体基板であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の化合物半導体基板は好ましくは、基板の表面に形成されたＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶層上に、ＧａＮ系化合物半導体層を、間に前記単結晶層からのＢ，Ｚｒ及びＴｉの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層を介在させてエピタキシャル成長させたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の化合物半導体基板は好ましくは、前記基板はＳｉ単結晶から成り、前記表面は（１１１）面であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の化合物半導体基板の製造方法は、表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板上に、パルスレーザ蒸着法によってＧａＮ系化合物半導体層を、成長初期においてその後よりも成長速度を速くしてエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の化合物半導体基板の製造方法は、表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板上に、パルスレーザ蒸着法によってＧａＮ系化合物半導体層を、成長初期においてその後よりも成長温度を低くしてエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００１６】
本発明の化合物半導体基板の製造方法は好ましくは、前記ＧａＮ系化合物半導体層をパルスレーザ蒸着法によってエピタキシャル成長させた後に、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００１７】
本発明の発光素子は、上記本発明の化合物半導体基板を用いて、前記ＧａＮ系化合物半導体層で発光部を構成したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の照明装置は、上記本発明の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及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。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の化合物半導体基板によれば、ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶基板上に、ＧａＮ系化合物半導体層を、間に単結晶基板からのＢ，Ｚｒ，Ｔｉの少なくとも１種と化合物半導体層からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層を介在させてエピタキシャル成長させたことにより、ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶とＧａＮ系化合物半導体層との格子不整合を緩和し、低欠陥のＧａＮ系化合物半導体層を得ることができる。
【００２０】
本発明の化合物半導体基板は好ましくは、基板の表面に形成されたＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶層上に、ＧａＮ系化合物半導体層を、間に単結晶層からのＢ，Ｚｒ及びＴｉの少なくとも１種と化合物半導体層からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層を介在させてエピタキシャル成長させたことから、上記の効果と同様の効果が得られる。即ち、ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶とＧａＮ系化合物半導体層との格子不整合を緩和し、低欠陥のＧａＮ系化合物半導体層を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の化合物半導体基板は好ましくは、基板はＳｉ単結晶から成り、表面は（１１１）面であることから、上記と同様の効果が得られるとともに、大面積の基板として作製しやすいものとなり、大面積化に有利な単結晶基板となる。
【００２２】
本発明の化合物半導体基板の製造方法は、表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板上に、パルスレーザ蒸着法によってＧａＮ系化合物半導体層を、成長初期においてその後よりも成長速度を速くしてエピタキシャル成長させることから、成長初期は反応層厚みを適正に制御し、その後はＧａＮ系化合物半導体層を比較的ゆっくりと成長させることにより、品質の高いＧａＮ系化合物半導体層を形成することができる。
【００２３】
本発明の化合物半導体基板の製造方法は、表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板上に、パルスレーザ蒸着法によってＧａＮ系化合物半導体層を、成長初期においてその後よりも成長温度を低くしてエピタキシャル成長させることから、成長初期は反応層厚みや組成を適正に制御できる。
【００２４】
本発明の化合物半導体基板の製造方法は好ましくは、ＧａＮ系化合物半導体層をパルスレーザ蒸着法によってエピタキシャル成長させた後に、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることから、生産性に優れた高品質なＧａＮ系半導体層を形成できる。
【００２５】
本発明の発光素子は、バッファ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。
【００２６】
本発明の照明装置は、上記構成の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及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】
【００２７】
以下、本発明の化合物半導体基板、その製造方法、化合物半導体基板を用いた発光素子及び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。
【００２８】
図１は、本発明の化合物半導体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は、硼化ジルコニウムチタン単結晶基板（以下、単結晶基板ともいう）を用いた化合物半導体基板を示す模式的な断面図である。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。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４は、化合物半導体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線による結晶面に対応する回折強度の半値幅の測定結果を示す線図である。
【００２９】
図１〜図４において、１は硼化ジルコニウムチタン（ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２）単結晶基板、１ａは硼化ジルコニウムチタン単結晶層、２は反応層、３は窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体層、４は基板、５は発光層を含む窒化ガリウム系化合物半導体層、６ａ，６ｂは電極パッドである。
【００３０】
図１の化合物半導体基板は、単結晶基板１の主面上に、ＧａＮ系化合物半導体層３を、間に単結晶基板１からのＢ，Ｚｒ，Ｔｉの少なくとも１種とＧａＮ系化合物半導体層３からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層２を介在させてエピタキシャル成長させた構成である。即ち、単結晶基板１の主面上に、Ｂ，Ｚｒ，Ｔｉの少なくとも１種とＧａＮ系化合物半導体層３からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層２を介在させてエピタキシャル成長されたＧａＮ系化合物半導体層３を有する構成である。
【００３１】
本発明の硼化ジルコニウムチタン（ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２）単結晶基板１は、Ｚｒの原子比を示すｘが０．９〜１．０未満であることが好ましい。ｘが０．９未満では、格子定数の不整合が大きくなりＧａＮ系化合物半導体層の品質低下の点で不都合である。ｘが１．０ではＴｉの親和性向上によるＧａＮ系化合物半導体との反応性が低下して品質低下する点で不都合である。
【００３２】
また、本発明のＧａＮ系化合物半導体層３は、具体的な組成は、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．５）等である。
【００３３】
また、反応層２は、具体的にはＺｒｘＴｉ１−ｘＢＮ（０．５≦ｘ＜１）等の組成のものである。
【００３４】
図２の化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶等の基板４上に形成した硼化ジルコニウム単結晶層１ａ上に、Ｂ，Ｚｒ，Ｔｉの少なくとも１種とＧａＮ系化合物半導体層３からのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層２を介在させて形成されたＧａＮ系化合物半導体層３を有する構成である。Ｓｉ単結晶等から成る基板４を用いて大面積化できる点で有利である。
【００３５】
また、基板４の材質としては、Ｓｉ単結晶以外に、サファイアやＳｉＣ等が良い。これらは、比較的格子定数が硼化ジルコニウムチタン単結晶に近くＧａＮ系化合物半導体層の品質低下が少ないなどの理由で、大面積の基板４として作製することができる。
【００３６】
本発明の硼化ジルコニウムチタン単結晶基板１は、以下のようにして製造できる。まず、硼化ジルコニウムチタン粉末を約１０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレス成形して得られた原料棒の成形体を、真空炉で約２０００℃で焼結することによって得られたセラミック製の原料棒を用いた、高周波加熱式ＦＺ（フローティングゾーン）法により、硼化ジルコニウムチタン単結晶を結晶成長する。
【００３７】
次に、得られた硼化ジルコニウムチタン単結晶のインゴットを、放電加工機により約１ｍｍの厚みで（０００１）面に沿ってカットして、表面が（０００１）面であるウエハを得る。
【００３８】
次に、ウエハの表面に、炭化珪素砥粒による粗研磨と、コロイダルシリカによるメカノケミカル鏡面研磨とを施して、表面が平坦化された硼化ジルコニウムチタン単結晶から成るウエハを作製する。そのウエハを硼化ジルコニウムチタン単結晶基板１として用い、例えば、その表面に多数個の発光素子が形成されるように、多数の領域でＧａＮ系化合物半導体層３を形成させる。
【００３９】
また、Ｓｉ単結晶から成る基板４上に硼化ジルコニウムチタン単結晶層１ａを形成する場合、硼化ジルコニウムチタン単結晶層１ａは以下のようにして形成される。硼化ジルコニウムチタン単結晶層１ａは、その（０００１）面が、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により基板４の主面である（１１１）面上に存在する（整合する）ようにして、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。
【００４０】
その際、ＭＯＣＶＤ法による原料ガスとなる材料は、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。
【００４１】
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。
【００４２】
また、硼化ジルコニウムチタン単結晶層１ａ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。
【００４３】
このような構成である図１の化合物半導体基板は、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。
【００４４】
即ち、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（ＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２：ｘ＝０．９８）単結晶層２の格子定数は３．１６８Åであり、０．７％の格子定数不整合を有するが、窒化ガリウムの成長時に化合物半導体基板からのＢ，Ｚｒ，Ｔｉの少なくとも１種と、窒化ガリウムからのＧａ及びＮの少なくとも１種とを含む反応層２を介在させることにより、０．７％の格子不整合による転位の増殖を抑制できる。
【００４５】
次に、図３に示す本発明の発光素子は、図１の化合物半導体基板上にエピタキシャル成長させた、発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層５と、このＧａＮ系化合物半導体層５に電気的に接続された電極パッド６とを具備する構成である。
【００４６】
具体的には、この構成において、ＧａＮ系化合物半導体層５は発光層にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有するＧａＮ系化合物半導体層を複数層（図示せず）積層したものとしてもよく、禁制帯幅が発光層よりも広くなるように発光層以外の組成をそれぞれ制御している。また、発光層は、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：Multi Quantum Well）としてもよい（図示せず）。
【００４７】
例えば、図３の発光素子は、単結晶基板１側から順次積層された、反応層２、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を含む半導体層と、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の露出部に形成されたｎ型の電極パッド６ａと、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の上面に形成されたｐ型の電極パッド６ｂとを具備した構成である。
【００４８】
なお、電極パッド６（６ａ，６ｂ）としては、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のがよい。そのような材質としては、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合金），金−錫合金（Ａｕ−Ｓｎ合金），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ合金），インジウム−アルミニウム合金（Ｉｎ−Ａｌ合金）等の薄膜を用いればよい。中でも、電極パッド６として、半導体層側から順にチタン（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。
【００４９】
また、図３に示す発光素子は次のように作製することができる。
【００５０】
まず、単結晶基板１上にＧａＮ系化合物半導体層５を、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ）法によってエピタキシャル成長させる。このとき、単結晶基板１とＧａＮ系化合物半導体層５との間に反応層２が形成される。
【００５１】
ＧａＮ系化合物半導体層５は、結果的に、硼化ジルコニウムチタン単結晶基板１とＧａＮ系化合物半導体層５との反応層２上に形成されるものであり、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（ｎ型）半導体層が形成され、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）である発光層が形成され、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（ｐ型）半導体層が形成されている。
【００５２】
また、反応層２は、ＰＬＤ法であれば、単結晶基板１の温度が室温〜７００℃程度の範囲において形成可能である。
【００５３】
次に、図４に、単結晶基板１上に形成したＧａＮ系化合物半導体層３の（１０−１０）面のＸ線回折法による回折ピーク及びその半値幅（矢印部分）を示す。単結晶基板１上に反応層２を形成しない場合、例えばＧａを成長させた後に窒素やアンモニア雰囲気中で熱処理することによりＧａＮを固相反応させることによってＧａＮ系化合物半導体層３を形成した場合、半値幅は６００ａｒｃｓｅｃ程度であったが、成長初期から窒素を含む雰囲気中でＧａＮ系化合物半導体層３を形成した場合、図４に示すように半値幅は２００〜４００ａｒｃｓｅｃとなり、反応層２の効果が確かめられた。
【００５４】
さらに、この化合物半導体層３上に発光層を含む化合物半導体層５を積層させ、その上に電極パッド６ａと６ｂを形成して図３に示す発光素子を作製した。以上のように構成された図３の発光素子は、電極パッド６ａ，６ｂ間にバイアス電圧を印加することによってＧａＮ系化合物半導体層５にバイアス電流を流して、発光層で波長３５０〜４００ナノメートル（ｎｍ）程度の紫外光〜近紫外光を発生させることができる。
【００５５】
また、本発明の化合物半導体基板の製造方法は、図１や図２に示すように、少なくとも表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板（単結晶基板１または基板４）上に、ＰＬＤ法によってＧａＮ系化合物半導体層３を形成する際に、成長初期においてその後よりも成長速度を速くしてエピタキシャル成長させる。この構成により、成長初期は必要な反応層２の組成や厚みをコントロールし、その後はＧａＮ系化合物半導体層３を比較的ゆっくりと成長させることで欠陥の導入を防止するという理由で、ＧａＮ系化合物半導体層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。
【００５６】
このとき、成長初期とは、ＧａＮ系化合物半導体層３の厚みが１０〜１００ｎｍ成長するまでの期間をいい、その後とは、成長初期の厚みを超えたＧａＮ系化合物半導体層３を成長させる期間である。
【００５７】
また、成長初期の成長速度は毎時４０〜１５０ｎｍであることがよく、その後の成長速度は毎時１００ｎｍ以下であることがよい。成長初期の成長速度が毎時４０ｎｍ未満の場合、反応が進行しすぎてしまい、毎時１５０ｎｍを超える場合、反応前にＧａＮ系化合物半導体層３が成長し反応を妨げる。その後の成長速度が１００ｎｍ／分を超える場合、ＧａＮ系化合物半導体層３の結晶の欠陥密度が増加して品質を低下する。
【００５８】
また、本発明の他の化合物半導体基板の製造方法は、図１や図２に示すように、少なくとも表面がＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶である基板（単結晶基板１または基板４）上に、ＰＬＤ法によってＧａＮ系化合物半導体層３を、成長初期においてその後よりも成長温度を低くしてエピタキシャル成長させる。この構成により、所望の反応層２を適正に制御でき、その結果ＧａＮ系化合物半導体層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。
【００５９】
また、成長初期の成長温度は２００℃以下であることがよく、その後の成長温度は８００〜１３００℃であることがよい。成長初期の成長温度が２００℃を超える場合、反応層２の反応生成が急激に起こるため制御が困難となる。その後の成長温度が８００℃未満または１３００℃を超える場合、ＧａＮ系化合物半導体層３の結晶品質が低下する。
【００６０】
なお、ＰＬＤ法とは、窒素ガス雰囲気中で、高エネルギーレーザ光を用いて、原料であるＧａを昇華させ、半導体成長基板であるＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶基板１上にＧａＮをエピタキシャル成長させる手法である。
【００６１】
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及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の紫外光〜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。
【００６２】
本発明の照明装置は、このような構成であることから、良好な発光強度を有する発光素子自体の紫外光〜近紫外光により蛍光体（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。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。
【実施例】
【００６３】
まず、ＺｒＴｉＢ２単結晶基板１を、次のようにして作製した。ＺｒＢ２粉末とＴｉＢ２を例えば０．９８：０．０２（ｍｏｌ％）の比率に混合し、約１０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレスし、真空炉中で約２０００℃で焼結することによって成形品を得た。これを原料棒として、高周波加熱式ＦＺ（フローティングゾーン）法によりＺｒＴｉＢ２を結晶成長させた。成長したＺｒＢ２単結晶を放電加工機により約１ｍｍの厚みで（０００１）面が主面となるようにカットして、ＺｒＴｉＢ２単結晶基板１となるウエハを作製し、そのウエハの表面を炭化珪素砥粒による粗研磨し、コロイダルシリカによるメカノケミカル法で鏡面研磨して、ＺｒＴｉＢ２単結晶基板１を得た。
【００６４】
次に、ＺｒＴｉＢ２単結晶層１上にＧａＮ系化合物半導体層３を、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ）法によって成長させた。窒素気流には３．０×１０−３Ｐａの窒素ガスを用いた。ＫｒＦレーザの出力は０．３Ｗ（０．２５〜０．５Ｗ）、照射周波数１０Ｈｚ（１０〜２０Ｈｚ）の条件で、１時間当たり７０ｎｍ（４０〜１５０ｎｍ）の成長速度で成長を行った（括弧内は好ましい範囲である）。
【００６５】
約３０分の照射によりＧａＮ系化合物半導体層３の膜厚が設定膜厚ｔ１＝３０ｎｍに到達したら、成長速度を下げるため照射周波数を５Ｈｚに下げて、ＧａＮ系化合物半導体層３の一部の膜厚が設定膜厚ｔ２＝５０ｎｍになるまで約３０分間照射を続けた。
【００６６】
なお、照射周波数を下げる代わりにレーザの出力を下げて、成長速度を低下させてもよい。
【００６７】
続いて、ｔ２を超える膜厚では１１００℃（８００〜１３００℃）の基板温度で、ＫｒＦレーザの出力を１．１５Ｗ（０．５〜２．０Ｗ）、照射周波数３０Ｈｚ（３０〜４０Ｈｚ）の条件で所定の厚さまでエピタキシャル成長させた。
【００６８】
このようにして、図１の構造を有する化合物半導体基板を製作した。なお、膜厚が設定膜厚ｔ１に達する期間の成長速度を５０ｎｍ／ｈｒ、３０ｎｍ／ｈｒとした化合物半導体基板もそれぞれ製作した。
【００６９】
透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型電子線マクロアナライザー（Energy Dispersive Spectrometer：ＥＤＳ）を用いてＧａＮ系化合物半導体層３の成分を分析したところ、基板１に由来するＺｒとＴｉとＢ、ＧａＮ系化合物半導体層３に由来するＧａとＮのそれぞれ少なくとも１種から構成されている反応層２が形成されていることが判明した。反応層２の厚さは、１ｎｍから２ｎｍ程度であった。
【００７０】
有機金属気相成長法(Metalorganic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ)では、薄膜の形成温度の下限値を制御できないために、反応層２の厚さは厚くなる。そのため、かえって結晶品質を劣化させることから、パルスレーザ蒸着法が適している。
【００７１】
製作された化合物半導体基板の基板表面から設定膜厚ｔ２までの成長膜の試料表面の状態を、反射型電子線回折法（Refraction High Energy Electron Diffraction：ＲＨＥＥＤ）によるその場観察（結晶成長時における結晶成長状態の観察）を行って評価した結果、２次元に層成長するＲＨＥＥＤ振動が観察された。
【００７２】
膜厚が設定膜厚ｔ１に達するまでの期間の成長速度が７０ｎｍ／ｈｒ、５０ｎｍ／ｈｒの基板１では、２次元成長に特徴的な平坦なＲＨＥＥＤ振動が表れているが、３０ｎｍ／ｈｒの基板１ではＲＨＥＥＤ振動が表れていない。これは、成長速度が遅いために、無秩序な結晶成長が支配的になっていると推測できる。
【００７３】
さらに、この化合物半導体基板の表面を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy：ＡＦＭ）を用いて観察したところ、原子オーダーで平坦な階段状の原子ステップが観察された。このことから、ＧａＮ化合物半導体層３の品質向上に必要な原子レベルで平坦な２次元成長が行われていることが分かった。
【００７４】
この化合物半導体基板の結晶性を評価するために電子線回折（Electron Backscatter Diffraction：ＥＢＳＤ）法による分析を行った。回折ビームの角度分散と強度から求めた（１０−１０）面の半値幅は約０．１度であった。
【００７５】
このＥＢＳＤの評価では、サファイア上のＧａＮでは格子不整合が大きいため、原子レベルでの平坦な膜は得られず、測定不能であった。また、格子不整合の小さなＺｎＯ上へ同様の方法で成長したＧａＮでは０．４６度程度であった。
【００７６】
ｔ２を超える膜厚のＧａＮの結晶性を評価するため、Ｘ線ロッキングカーブにより半値幅測定を行った結果が図４である。（２０−２４）面において２８０ａｒｃｓｅｃ程度のの良好な結晶品質を実現できた。
【００７７】
従来のＭＯＣＶＤ法を用いてサファイア上へ成長させたＧａＮを評価した場合には、小さくてもＸ線ロッキングカーブの半値幅は３８０ａｒｃｓｅｃであり、従来のＧａＮ結晶品質を大きく改善できた。
【００７８】
したがって、本発明の化合物半導体基板は、結晶性が大幅に改善されていることが判明した。
【００７９】
また、図２の構造のように、シリコン（１１１）面基板上にＺｒＴｉＢ２単結晶膜１ａをＭＯＣＶＤ法により成長させ、前述と同様にＰＬＤ法により１〜２ｎｍ程度の反応層２を形成させながらＧａＮ系化合物半導体層３を成長させた。ＧａＮ系化合物半導体層３の結晶品質はＸ線ロッキングカーブ測定から３００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質が得られ、本発明により結晶性が大幅に改善できることが判明した。
【００８０】
これらのＧａＮ系化合物半導体層３上に発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層５や電極パッド６ａ，６ｂを形成し、発光素子を作製した。作製した発光素子の外部量子効率は２５％であり、同様の発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層５をサファイア基板上に作製した発光素子の外部量子効率１５％と比較して、発光素子としても大幅な改善が認められた。
【００８１】
したがって、本発明の化合物半導体基板を用いた発光素子や照明装置においても、発光特性が大幅に改善されていることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の化合物半導体基板について実施の形態の１例を示す断面図である。
【図２】本発明の化合物半導体基板について実施の形態の他例を示す断面図である。
【図３】本発明の発光素子について実施の形態の１例を示す断面図である。
【図４】本発明の化合物半導体基板を成すＺｒｘＴｉ１−ｘＢ２単結晶基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体層のＸ線回折の回折ピーク及び半値幅の測定結果を示す線図である。
【符号の説明】
【００８３】
１：硼化ジルコニウムチタン単結晶基板
１ａ：硼化ジルコニウムチタン単結晶層
２：反応層
３：ＧａＮ系化合物半導体層
４：基板
５：発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層
６ａ，６ｂ：電極パッド
【図１】
2007142321.tif 000003
【図２】
2007142321.tif 000004
【図３】
2007142321.tif 000005
【図４】
2007142321.tif 000006