(57)【要約】【課題】ＮＧＯ基板上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体層を形成することができるＮｄＧａＯ3基板、ＧａＮ系化合物半導体層および発光デバイスを提供する。【解決手段】本発明のＮｄＧａＯ3基板は、主面上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させるＮｄＧａＯ3基板であって、ＮｄＧａＯ3基板はその主面上に（０１２）面の層面を有することを特徴とする。これにより、（０１２）面のＮＧＯ基板上にはＧａＮ半極性面に優先的に成長させることができるため、ＮＧＯ基板上に半極性面のＧａＮ層を形成することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面上に半極性面の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ＮｄＧａＯ3基板であって、
前記ＮｄＧａＯ3基板の主面が（０１２）面であることを特徴とするＮｄＧａＯ3基板。
【請求項２】
窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮｄＧａＯ3基板上に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て得られる窒化ガリウム系化合物半導体層であって、
前記窒化ガリウム系化合物半導体層は半極性面であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層。
【請求項３】
請求項２において、
前記ＮｄＧａＯ3基板のＮｄＧａＯ3結晶の［０１２］方向の軸とＮｄＧａＯ3基板表面の法線とがなすオフ角が±５．０°以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層。
【請求項４】
請求項２又は３において、
前記ＮｄＧａＯ3基板は、前記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前に、不活性ガスを成長炉内に供給しながら、６００℃以上９００℃以下の温度で加熱処理し、前記ＮｄＧａＯ3基板の表面の付着物を除去するクリーニングを行ったものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層。
【請求項５】
請求項２乃至４の何れか１つにおいて、
前記窒化ガリウム系化合物半導体層は前記ＮｄＧａＯ3基板の基板温度を５５０℃以上６５０℃以下として形成されたものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層。
【請求項６】
窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮｄＧａＯ3基板と、
前記ＮｄＧａＯ3基板上に形成され、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層が１層以上積層された積層体と、
を有し、
前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、ｐ型又はｎ型であることを特徴とする発光デバイス。
【請求項７】
窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮｄＧａＯ3基板上に形成された半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層が１層以上積層された積層体を前記ＮｄＧａＯ3基板から剥離して得られる第１の積層体と、
前記第１の積層体上に設けられ、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層が１層以上積層された第２の積層体と、
を有し、
前記第２の積層体は、ｐ型、ｎ型の何れか一方又は両方の窒化ガリウム系化合物半導体層を有することを特徴とする発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮｄＧａＯ3基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体層および発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ等の窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長用の基板としては、主にサファイヤ、炭化ケイ素（Silicon  Carbide：ＳｉＣ）などが用いられている。これらの基板材料はＧａＮ系化合物半導体等の窒化物系化合物半導体との格子不整が大きいため、基板上に成長させる窒化物系化合物半導体の様々な成長方法が試みられている。
【０００３】
基板材料と窒化物系化合物半導体との格子不整を解消するため、擬似的な格子定数がＧａＮ系半導体等の窒化物系化合物半導体に近いネオジムガレート（ＮｄＧａＯ３：ＮＧＯ）基板を用いることが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、最近ではＧａＮ系化合物半導体の（０００１）面（ｃ面）が極性を持つことによる発光デバイスの発光効率の低下を抑えるため、極性を持たない非極性や、極性の小さい半極性面のＧａＮ系半導体を成長させたＧａＮ基板が求められるようになっている。特に光の３原色である赤、緑、青のうち純緑色のレーザー等を製造するうえで、従来の極性を持つｃ面のＧａＮ系化合物半導体ではＧａＮ系半導体に含まれるＩｎ組成が大きくなるため歪が大きくなり、極性を持つことの弊害が大きくなる。そのため、極性を持つｃ面のＧａＮ系化合物半導体を窒化物系化合物半導体として用いて純緑色のレーザー等を製造することは困難である。
【０００５】
そこで、半極性面や非極性面などの極性の小さな面のＧａＮ系化合物半導体などの窒化物系化合物半導体を成長させて形成されたＧａＮ基板を製造できれば、極性を持つことの弊害が解消されるため、発光効率の良い純緑色のレーザーなど発光デバイスが製造できると考えられる。
【０００６】
ここで、ＮＧＯ結晶の（０１１）面の原子配列と、ＧａＮ結晶の（０００１）面（ｃ面）の原子配列とを対応させた図を図２１に示す。図２１に示すように、ＮＧＯ結晶の（０１１）面では、ＮＧＯ結晶のａ軸の長さとＧａＮ結晶の［１１−２０］方向の格子定数がほぼ一致している。そのため、ＧａＮ結晶からなるＧａＮ基板は、サファイヤやＳｉＣなどを下地基板とした場合の格子不整の問題を解決できる基板といわれている。そこで、（０１１）面のＮＧＯ基板上にハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride  vapor  phase  epitaxy）法を用いてｃ面のＧａＮを成長する技術が開発されている。（０１１）面のＮＧＯ基板上にＧａＮを成長させると、ｃ面のＧａＮ結晶が（０１１）面のＮＧＯ基板上に擬似的な格子整合となり、ＧａＮ結晶がｃ軸方向に成長して成長面はｃ面となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１８６０７８号公報
【特許文献２】特開平８−１８６３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、このような方法で緑色レーザダイオード（Laser  Diode：ＬＤ）等に応用できるような非極性面や半極性面のＧａＮ基板を製造しようとする場合、ＧａＮ系半導体の膜厚を厚くしてＧａＮ基板を縦に切り出してＧａＮ結晶の非極性面が主面となるように加工するか、ＧａＮ基板を斜めに切り出してＧａＮ結晶の半極性面が主面となるように加工する必要がある。
【０００９】
そのため、ＮＧＯ基板上にＧａＮ系化合物半導体を成長させた後にＧａＮ結晶の非極性面又は半極性面が主面となるようにＧａＮ基板を加工する方法では、実際のデバイスに用いられるような大きさ（例えば２インチ）のＧａＮ基板を作製することは困難である。また、デバイスに用いられるような大きさ（例えば２インチ）のＧａＮ基板を作製できたとしても所定の大きさ（例えば数１０ｍｍ程度）の矩形のＧａＮ基板しか製造できない。
【００１０】
そこで、発光効率の良い純緑色のレーザーなどの発光デバイスを製造するにあたり、ＮＧＯ基板上に極性を持たない非極性面か極性の小さい半極性面のＧａＮ系化合物半導体などの窒化物系化合物半導体を成長させることができるＮｄＧａＯ3基板、ＧａＮ系化合物半導体層の出現が求められている。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＮＧＯ基板上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体層を形成することができるＮｄＧａＯ3基板、ＧａＮ系化合物半導体層および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】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らはＮｄＧａＯ3基板、窒化ガリウム系化合物半導体層および発光デバイスについて鋭意研究をした。その結果、ＮＧＯ結晶のＧａ又はＮｄの原子間隔とＧａＮ結晶の［１−１００］方向の原子間隔とがほぼ一致することに着目した。（０１２）面のＮＧＯ結晶上に成長したＧａＮは、半極性面のＧａＮ結晶が優先的に成長することについて解明した。この得られた知見に基づいて、（０１２）面のＮＧＯ基板上に半極性面のＧａＮ系半導体を形成することができることを見出した。本発明は、係る知見に基づいて完成されたものである。
【００１３】
本発明のＮｄＧａＯ3基板は、主面上に半極性面の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ＮｄＧａＯ3基板であって、前記ＮｄＧａＯ3基板の主面が（０１２）面であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体層は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮｄＧａＯ3基板上に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て得られる窒化ガリウム系化合物半導体層であって、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は半極性面であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様として、前記ＮｄＧａＯ3基板のＮｄＧａＯ3結晶の［０１２］方向の軸とＮｄＧａＯ3基板表面の法線とがなすオフ角が±５．０°以下であることが好ましい。
【００１６】
本発明の好ましい態様として、前記ＮｄＧａＯ3基板は、前記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前に、不活性ガスを成長炉内に供給しながら、６００℃以上９００℃以下の温度で加熱処理し、前記ＮｄＧａＯ3基板の表面の付着物を除去するクリーニングを行ったものであることが好ましい。
【００１７】
本発明の好ましい態様として、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は前記ＮｄＧａＯ3基板の基板温度を５５０℃以上６５０℃以下として形成されたものであることが好ましい。
【００１８】
本発明の発光デバイスは、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮｄＧａＯ3基板と、前記ＮｄＧａＯ3基板上に形成され、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層が１層以上積層された積層体と、を有し、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、ｐ型又はｎ型であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の発光デバイスは、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮｄＧａＯ3基板上に形成された半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層が１層以上積層された積層体を前記ＮｄＧａＯ3基板から剥離して得られる第１の積層体と、前記第１の積層体上に設けられ、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層が１層以上積層された第２の積層体と、を有し、前記第２の積層体は、ｐ型、ｎ型の何れか一方又は両方の窒化ガリウム系化合物半導体層を有することを特徴とする。尚、本発明では、前記ＮｄＧａＯ3基板から剥離して得られる第１の積層体を、窒化ガリウム自立基板（ＧａＮ自立基板）ともいう。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＮＧＯ結晶のＧａの原子間隔とＧａＮ結晶の［１１−２０］方向の原子間隔との擬似的な格子定数がほぼ一致するため、その一致する軸を中心にＧａＮ結晶がｃ軸を傾かせて成長することにより、（０１２）面のＮＧＯ基板上にはＧａＮ結晶を半極性面に優先的に成長させることができるため、ＮＧＯ基板上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層を製造する方法の一例を示す図である。
【図２】図２は、ＮＧＯ基板のＮＧＯ結晶が（０１２）面の結晶構造を示す説明図である。
【図３】図３は、ｃ軸の角度と発光効率及び自発分極との関係の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの構成を簡略に示す図である。
【図５】図５は、周期層の説明図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの他の構成を簡略に示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る発光デバイスを製造する方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造工程の一部を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造工程の一部を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造工程の一部を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造工程の一部を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの他の構成を製造する方法の一例を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造工程の一部を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造工程の一部を示す図である。
【図１５】図１５は、実施例１におけるＧａＮ薄膜を測定したＸ線回折した結果を示す図である。
【図１６】図１６は、比較例１におけるＧａＮ薄膜を測定したＸ線回折した結果を示す図である。
【図１７】図１７は、Ｐｓｉを２０°に設定して測定したＸ線回折パターンを示す図である。
【図１８】図１８は、ＮＧＯ結晶が（０１２）面のＮＧＯ基板とＧａＮ結晶のｃ面との関係を示す説明図である。
【図１９】図１９は、ＮＧＯ結晶が（０１２）面のＮＧＯ基板のオフ角とＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きとの関係を図である。
【図２０】図２０は、ＮＧＯ基板のクリーニング温度とＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きとの関係を示す図である。
【図２１】図２１は、ＮＧＯ結晶の（０１１）面の原子配列と、ＧａＮ結晶の（０００１）面（ｃ面）の原子配列とを対応させた図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を好適に実施するための形態（以下、実施形態という。）につき、詳細に説明する。尚、本発明は以下の実施形態および実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態および実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態および実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
【００２３】
＜ＧａＮ系化合物半導体層＞
本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層について説明する。本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層は、ＧａＮ系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板（以下、「ＮＧＯ基板」、という）上にＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させて得られるものであり、ＧａＮ系化合物半導体は半極性面である。本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層は１層で構成されていても、複数層で構成されていてもよい。なお、本明細書において、主面とは、ＧａＮ系化合物半導体を成長させる面をいう。
【００２４】
本実施形態においては、半極性面とは、ＧａＮ結晶のｃ面と所定角度を有する面であり、半極性面としては、例えば（１１−２４）面等が挙げられる。また、ｃ面とは、六方晶のｃ軸に垂直な面であり、ｃ面とは、（０００１）面である。また、非極性面とは、ａ面やｍ面等のｃ面に垂直な面であり、非極性面としては、ａ面とは（１１−２０）面が挙げられ、ｍ面では（１０−１０）面が挙げられる。
【００２５】
＜ＧａＮ系化合物半導体層の製造方法＞
図１は、本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層を製造する方法の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層を製造する方法は、以下の工程を含む。
Ａ）  ＮＧＯ基板１１を準備するＮＧＯ基板準備工程（ステップＳ１１）
Ｂ）  ＮＧＯ基板１１上に、ＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層１２を形成するＧａＮ系化合物半導体層形成工程（ステップＳ１２）
Ｃ）  ＧａＮ系化合物半導体層１２をＮＧＯ基板１１から剥離する基板剥離工程（ステップＳ１３）
【００２６】
主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１を準備する。ＮＧＯ基板１１は、主面上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させる基板である。引き上げ法により育成したＮＧＯインゴットから主面を（０１２）として切り出し、研磨を行い、そのＮＧＯ基板１２をアセトン溶液中で超音波洗浄して脱脂した後、メタノール、超純水中で超音波洗浄し、ＮＧＯ基板１１の表面に付着している異物を除去する（ＮＧＯ基板準備工程：ステップＳ１１）。
【００２７】
ＧａＮ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基板としては、一般的に、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などのＩＩＩ族窒化物下地基板、ＮＧＯ基板などのペロブスカイト型の結晶構造を有する基板等が挙げられる。本実施形態では、エピタキシャル成長させることができる基板は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する基板が好ましいが、中でもＧａＮ系化合物半導体層１２との格子整合性が高い観点から、ＮＧＯ基板１１が好適に用いられる。
【００２８】
ＮＧＯ基板１１は、ＧａＮ系化合物半導体の単結晶を成長させる観点から、ＮＧＯ基板１１の表面の清浄度が重要である。特に、ＮＧＯ基板１１の主面（成長炉の内壁に接しない基板の面をいう。以下同じ。）、裏面（成長炉の内壁に接する基板の面をいう。以下同じ。）は成長炉内でエッチングすることができないので、成長炉内に投入する前に清浄度を上げる必要がある。そのため、ＮＧＯ基板１１の主面をエッチングしてから成長炉内に投入することが好ましい。エッチング方法としてはアルカリ溶剤によるエッチングや、ハロゲン系ガスによるエッチングなどが挙げられる。
【００２９】
ＮＧＯ基板１１は、成長炉内に投入された後、ＮＧＯ基板１１上にＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させる前に、不活性ガスを、６００℃以上９００℃以下の温度で、不活性ガスの供給量を１５００〜２０００ｓｃｃｍとして、５分〜１０分、成長炉内に供給しながら加熱処理し、ＮＧＯ基板１１の表面の付着物などを揮発除去するクリーニングを行うことが好ましい。ＮＧＯ基板１１上にＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させる前に、６００℃以上９００℃以下でクリーニングしておくことで、ＮＧＯ基板１１上に成長させるＧａＮ系化合物半導体層１２のｃ軸の傾きを、ＮＧＯ基板１１のＮＧＯ結晶の（０１２）面とＧａＮ系化合物半導体層１２のｃ軸とがなす角度を大きくし、その結果として半極性のＧａＮ系化合物半導体層を形成することができる。
【００３０】
不活性ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ2）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等が挙げられる。
【００３１】
ＮＧＯ基板１１上に、ＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層１２を形成する（ＧａＮ系化合物半導体層形成工程：ステップＳ１２）。
【００３２】
本実施形態において、半極性面とは、上述のように、ｃ面と所定角度を有する面であり、半極性面としては、例えば（１１−２４）面等が挙げられる。
【００３３】
ＧａＮ系化合物半導体を成長させる方法は、エピタキシャル成長ができる方法であれば特に限定されるものではなく、従来より公知のものが挙げられるが、結晶性の高いＧａＮ系化合物半導体を成長させる観点から、ＧａＮ系化合物半導体層１２の形成方法としては、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic  Vapor  Phase  Epitaxy）法、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法、分子線成長（ＭＢＥ：Molecular  Beam  Epitaxy）法、ＨＶＰＥ法などの気相法が挙げられる。ＧａＮ系化合物半導体層１２はこれらのＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法の何れか１つを用いて成長させることができる。中でもＧａＮ自立基板の製造においては結晶成長速度が高い観点からＨＶＰＥ法が特に好ましい。
【００３４】
ＮＧＯ基板１１の結晶［０１２］方向の軸とＮＧＯ基板１１の表面の法線とのなす角であるオフ角は±５．０°以下が好ましい。これは、ＮＧＯ結晶の最表面での結合手の方向が、オフ角が大きくなるとＮＧＯ基板１１の表面の法線からの角度が大きくなりすぎて、半極性の配向を持ったＧａＮ系化合物半導体が成長できなくなるためである。
【００３５】
ＮＧＯ基板１１上にＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させる際、ＧａＮ系化合物半導体層１２はＮＧＯ基板１１の基板温度を５５０℃以上６５０℃以下として形成するのが好ましく、より好ましくは５５０℃以上６００℃以下である。半極性の成長では、ＮＧＯ基板１１の最表面の結合手の方向を反映させる必要があり、６５０℃以上の高温での成長では成長時の表面でのマイグレーションが大きくなるために、最も配向しやすい面での成長となってしまい半極性面が得られなくなると考えられる。
【００３６】
その後、ＧａＮ系化合物半導体層１２をＮＧＯ基板１１から剥離する（基板剥離工程：ステップＳ１３）。これにより、ＧａＮ系化合物半導体層１２が得られる。尚、ＮＧＯ基板１１から剥離して得られるＧａＮ系化合物半導体層１２は、窒化ガリウム自立基板（ＧａＮ自立基板）ともいう。
【００３７】
本実施形態のＧａＮ系化合物半導体層の製造方法では、主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１２上にＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることで、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層１２が得られる。
【００３８】
図２は、ＮＧＯ基板１１のＮＧＯ結晶が（０１２）面の結晶構造を示す説明図である。図２に示すように、ＮＧＯ結晶のＧａの間隔（例えば、０．５４２６ｎｍ）とＧａＮ結晶の［１１−２０］方向の原子間隔（例えば、０．５５２４ｎｍ）とが略一致する。このため、主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１上には、半極性面（例えば、（１１−２４）面）のＧａＮ結晶を優先的に成長させることができ、ＧａＮ結晶は半極性面に成長するといえる。これにより、主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１上には、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層１２を形成することができる。
【００３９】
よって、本実施形態のＧａＮ系化合物半導体層の製造方法によれば、主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１から半極性面のＧａＮ系化合物半導体層１２を得ることができる。
【００４０】
また、図３は、ｃ軸の角度と発光効率及び自発分極との関係の一例を示す図である。なお、図３は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを積層し、ＩｎＧａＮ層を３ｎｍとしてＩｎを１０％程度含むものを用いた時の自発分極及び発光効率の一例を示すものである。図３に示すように、自発分極は０に近いほど良く、発光効率が高くなる。例えば、半極性面の１つである（１１−２４）面は、ｃ軸から約４０°の角度であり、非極性面（例えば、（１１−２０）面、（１−１００）面）の約７０％程度の発光効率を有する。また、半極性面（例えば、（１１−２４）面）は、極性面である（０００１）面よりも高い発光効率を有する。そのため、ＮＧＯ基板１２上に、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層１２を形成することにより、ＧａＮ系化合物半導体層１２を用いて高い発光効率を有する発光素子を得ることができる。この結果、後述するように、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層１２を含む発光デバイスを緑色ＬＥＤ、ＬＤに適用した場合、従来、発光効率の低かったＩｎＧａＮ層を用いた緑色系ＬＥＤ、ＬＤの発光効率を著しく向上させることができる。
【００４１】
＜発光デバイス＞
次に、本実施形態に係る発光デバイスをＬＥＤとして適用する場合について説明する。図４は、本実施形態に係る発光デバイスの構成を簡略に示す図である。図４に示すように、本実施形態に係る発光デバイス２０は、積層体２１と、第１電極２２と、第２電極２３と、を有するものである。積層体２１は、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成されるものである。本実施形態では、積層体２１は、第１の積層体２４と、第１の積層体２４上に形成される第２の積層体２５と、を有する。
【００４２】
第１の積層体２４は、ＧａＮ層からなるバッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２のＧａＮ系化合物半導体層を有し、この順に積層して構成されている。
【００４３】
第２の積層体２５は、ｎ型のＧａＮ層／ＩｎＧａＮ層が１０層積層された周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４、ｐ型のＧａＮ層３５のＧａＮ系化合物半導体層を有し、この順に積層して構成されている。
【００４４】
周期層３３は、図５に示すように、ｎ型のＧａＮ層３３−１とＩｎＧａＮ層３３−２とを一組で一層として、一組のｎ型のＧａＮ層／ＩｎＧａＮ層がｘ層積層されて構成されている。ｘは１以上の整数であればよく、周期層３３は適宜任意の積層数とすることができる。また、周期層３３は、ＮＧＯ基板１２と積層体２１との間における応力を吸収する層としての機能を有している。
【００４５】
積層体２１は、ｐ型又はｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有している。第１の積層体２４は、ｎ型のＧａＮ系化合物半導体層を有し、第２の積層体２５は、ｐ型、ｎ型の何れか一方又は両方の窒化ガリウム系化合物半導体層を有する。
【００４６】
なお、バッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４、ｐ型のＧａＮ層３５は単層としているが、各々複数の層で形成されていてもよい。
【００４７】
第１電極２２は、ｐ型のＧａＮ層３５の最外層上に形成されている。第２電極２３は、ｎ型のＧａＮ層３２の露出した主表面上に形成されている。第１電極２２、第２電極２３は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）の１つ以上を含む混合物などで形成される。
【００４８】
本実施形態に係る発光デバイス２０は、上述の通り、ＧａＮ系化合物半導体層が１つ以上積層された積層体２１を含んで構成されるものである。第１の積層体２４は、後述するように、（０１２）面のＮＧＯ基板１１上に形成され、第２の積層体２５は第１の積層体２４上に形成されるものである。そのため、第１の積層体２４及び第２の積層体２５に含まれる各ＧａＮ系化合物半導体層はいずれもＧａＮ結晶が半極性面となっている。すなわち、第１の積層体２４（バッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２）、第２の積層体２５（周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５）は、いずれも半極性面のＧａＮ系化合物半導体層である。
【００４９】
よって、本実施形態に係る発光デバイス２０は、（０１２）面であるＮＧＯ基板１２上に形成された半極性面のＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成される第１の積層体２４及び第２の積層体２５を含んで形成される発光デバイスであるため、ＧａＮ系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子として用いることができる。
【００５０】
また、本実施形態に係る発光デバイス２０は、ＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成される第１の積層体２４からＮＧＯ基板１１を剥離したものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、ＮＧＯ基板１１上にＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成された積層構造体をそのまま発光デバイスとして用いてもよい。
【００５１】
図６は、本実施形態に係る発光デバイスの他の構成を簡略に示す図である。図６に示すように、本実施形態に係る発光デバイス３０は、ＧａＮ系化合物半導体を成長させる主面１１ａが（０１２）面であるＮＧＯ基板１１と、ＮＧＯ基板１１上に本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成された積層体２１と、第１電極２２と、第２電極２３とを有するものである。積層体２４は、上述の通り、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成されるものである。
【００５２】
積層体２１は、ＮＧＯ基板１１側から順に、ＧａＮ系化合物半導体層としてバッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２、ｎ型のＧａＮ層／ＩｎＧａＮ層が１０層積層された周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５がこの順に積層されている。
【００５３】
本実施形態に係る発光デバイス３０は、上述の通り、本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成された積層体２１を含むものである。本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層は、上述の通り、（０１２）面のＮＧＯ基板１２上に形成されるものであるため、本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体層はいずれも半極性面となっている。すなわち、積層体２１を構成するバッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２、周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５は、いずれも半極性面のＧａＮ系化合物半導体層である。よって、本実施形態に係る発光デバイス３０は、（０１２）面であるＮＧＯ基板１２上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体２１を含んで形成される発光デバイスであるため、ＧａＮ系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子として用いることができる。
【００５４】
＜発光デバイスの製造方法＞
次に、本実施形態に係る発光デバイス２０を製造する方法について説明する。図７は、本実施形態に係る発光デバイス２０を製造する方法の一例を示すフローチャートである。図７に示すように、本実施形態に係る発光デバイス２０を製造する方法は、以下の工程を含む。
Ａ）  ＮＧＯ基板１１を準備するＮＧＯ基板準備工程（ステップＳ２１）
Ｂ）  ＧａＮ系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１上に、ＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層（バッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２）を有する積層構造体を第１の積層体ＧａＮ自立基板）２４として形成する第１の積層体２４形成工程（ステップＳ２２）
Ｃ）  第１の積層体２４をＮＧＯ基板１１から剥離する基板剥離工程（ステップＳ２３）
Ｄ）  第１の積層体２４上にＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層（周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５）を有する積層構造体を第２の積層体２５として形成する第２の積層体形成工程（ステップＳ２４）
Ｅ）  ｐ型のＧａＮ層３５の表面の一部をレジストで保護した後、ｎ型のＧａＮ層３２の一部が露出するまでエッチングするエッチング工程（ステップＳ２５）
Ｆ）  ｎ型のＧａＮ層３２及びｐ型のＧａＮ層３５の表面に第１の電極２２、第２の電極２３を形成する電極形成工程（ステップＳ２６）
【００５５】
ＮＧＯ基板準備工程（ステップＳ２１）は、上述のＮＧＯ基板準備工程（ステップＳ１１）と同様であるため、説明は省略する。
【００５６】
図８に示すように、ＧａＮ系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１上に、ＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層としてバッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２を有する第１の積層体２４を形成する（第１の積層体形成工程：ステップＳ２２）。
【００５７】
その後、図９に示すように、第１の積層体２４からＮＧＯ基板１２を剥離する（基板剥離工程：ステップＳ２３）。剥離する方法としては、上述と同様に、例えば、外周刃、内周刃、円筒研削装置、ワイヤーソー、レーザーなどを用いて剥離する方法等がある。なお、ＮＧＯ基板１１から剥離して得られる第１の積層体２４は、ＧａＮ自立基板ともいう。
【００５８】
その後、図１０に示すように、第１の積層体２４をＧａＮ自立基板として、その上にＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５を含む第２の積層体２５を形成する（第２の積層体形成工程：ステップＳ２４）。
【００５９】
積層体２１は、ｐ型又はｎ型のＧａＮ系化合物半導体層を複数有している。第１の積層体２４は、ｎ型のＧａＮ系化合物半導体層を有し、第２の積層体２５は、ｐ型、ｎ型の両方のＧａＮ系化合物半導体層を有する。
【００６０】
その後、図１１に示すように、ｐ型のＧａＮ層３５の表面に一部をレジストで保護した後、ｎ型のＧａＮ層３２の一部が露出するまでエッチングする（エッチング工程：ステップＳ２５）。
【００６１】
その後、レジストをスパッタで除去すると共に、ｐ型のＧａＮ層３５の最外層上に第１電極２２を形成し、ｎ型のＧａＮ層３２の露出した主表面上に第２電極２３を形成する（電極形成工程：ステップＳ２６）。
【００６２】
これにより、図４に示すような本実施形態に係る発光デバイス２０が得られる。
【００６３】
本実施形態に係る発光デバイス２０を製造する方法では、主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１２上に形成される第１の積層体２４と、第１の積層体２４上に形成される第２の積層体２５とを構成する各ＧａＮ系化合物半導体層を半極性面とすることができる。よって、本実施形態に係る発光デバイス２０を製造する方法によれば、（０１２）面のＮＧＯ基板１２を用いて半極性面のＧａＮ系化合物半導体層を複数有する発光デバイス２０を得ることができる。半極性面のＧａＮ系化合物半導体の発光効率は、上述の通り、非極性面（例えば、（１１−２０）面）の発光効率に近く、極性面（例えば（０００１）面）の発光効率よりも高い。よって、本実施形態に係る発光デバイス２０は、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体２１を有するため、ＧａＮ系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子とすることができる。この結果、本実施形態に係る発光デバイス２０を緑色ＬＥＤ、ＬＤとして適用した場合、従来、発光効率の低かったＩｎＧａＮ層を用いた緑色系のＬＥＤ、ＬＤの発光効率を著しく向上させることができる。
【００６４】
（他の発光デバイスの製造方法）
また、図６に示すような、ＮＧＯ基板１１上にＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体２１を有する本実施形態に係る発光デバイス３０を製造する方法について説明する。図１２は、本実施形態に係る発光デバイス３０を製造する方法の一例を示すフローチャートである。図１２に示すように、本実施形態に係る発光デバイス３０の他の構成を製造する方法は、以下の工程を含む。
Ａ）  ＮＧＯ基板１１を準備するＮＧＯ基板準備工程（ステップＳ３１）
Ｂ）  ＧａＮ系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１上に、ＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層（バッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２、周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５）が複数積層されて構成される積層体２１を形成する積層体形成工程（ステップＳ３２）
Ｃ）  ｐ型のＧａＮ層３５の表面の一部をレジストで保護した後、ｎ型のＧａＮ層３２の一部が露出するまでエッチングするエッチング工程（ステップＳ３３）
Ｄ）  ｎ型のＧａＮ層３２及びｐ型のＧａＮ層３５の表面に電極２２、２３を形成する電極形成工程（ステップＳ３４）
【００６５】
ＮＧＯ基板準備工程（ステップＳ３１）は、上述のＮＧＯ基板準備工程（ステップＳ１１）と同様であるため、説明は省略する。
【００６６】
図１３に示すように、ＧａＮ系化合物半導体を成長させる主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１１上に、ＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体２１を形成する（ステップＳ２２）。積層体２１は、ＮＧＯ基板１１上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、ＮＧＯ基板１１側から順に、ＧａＮ層からなるバッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２、ｎ型のＧａＮ／ＩｎＧａＮがｎ層積層された周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５の各ＧａＮ系化合物半導体層が順に積層して構成されている。
【００６７】
その後、図１４に示すように、ｐ型のＧａＮ層３５の表面に一部をレジストで保護した後、ｎ型のＧａＮ層３２の一部が露出するまでエッチングする（エッチング工程：ステップＳ３３）。エッチング工程（ステップＳ３３）は、上述のエッチング工程（ステップＳ２５）と同様であるため、説明は省略する。
【００６８】
その後、レジストをスパッタで除去すると共に、ｐ型のＧａＮ層３５の最外層上に第１電極２２を形成し、ｎ型のＧａＮ層３２の露出した主表面上に第２電極２３を形成する（電極形成工程：ステップＳ３４）。電極形成工程（ステップＳ３４）は、上述の電極形成工程（ステップＳ２６）と同様であるため、説明は省略する。
【００６９】
これにより、図６に示すような本実施形態に係る発光デバイス３０が得られる。
【００７０】
本実施形態に係る発光デバイス３０を製造する方法では、主面が（０１２）面であるＮＧＯ基板１２上に形成されるバッファ層３１、ｎ型のＧａＮ層３２、周期層３３、ｐ型のＡｌＧａＮ層３４及びｐ型のＧａＮ層３５を半極性面とすることができる。よって、本実施形態に係る発光デバイス３０を製造する方法によれば、ＮＧＯ基板１２上にＮＧＯ基板１２から半極性面のＧａＮ系化合物半導体層を複数有する発光デバイス３０を得ることができる。半極性面のＧａＮ系化合物半導体の発光効率は、上述の通り、非極性面（例えば、（１１−２０）面）の発光効率に近く、極性面（例えば（０００１）面）の発光効率よりも高い。よって、本実施形態に係る発光デバイス３０は、半極性面のＧａＮ系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体２１を有するため、ＧａＮ系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子とすることができる。この結果、本実施形態に係る発光デバイス３０を緑色ＬＥＤ、ＬＤとして適用した場合、従来、発光効率の低かったＩｎＧａＮ層を用いた緑色系のＬＥＤ、ＬＤの発光効率を著しく向上させることができる。
【００７１】
本実施形態に係る発光デバイス２０、３０は、発光デバイスとして発光ダイオードとして用いた場合について説明したが、本実施形態は特にこれに限定されるものではなく、例えば電界効果トランジスタにも好適に用いることができる。
【実施例】
【００７２】
本発明の内容を実施例及び比較例を用いて以下に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７３】
＜ＧａＮ基板の作成＞
［実施例１］
（０１２）面を主面としたＮＧＯ基板を準備した。ＮＧＯ基板は、ＮＧＯ基板のＮＧＯ結晶の［０１２］方向の軸とＮＧＯ基板表面の法線とがなす角度のうち狭い方の角度（オフ角）を直交する２方向（ＩＦ方向、ＯＦ方向）に２°〜１０°の範囲で変えた基板を各々用意した。ＮＧＯ基板をアセトン溶液で超音波洗浄し、脱脂した後、超純水で洗いスピン乾燥機で乾燥させた。ＮＧＯ基板をＨＶＰＥ装置に入れて、ＮＧＯ基板のクリーニング温度を約９００℃としてＮＧＯ基板のクリーニングを行った後、これらのＮＧＯ基板上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ系化合物半導体の成長時のＮＧＯ基板の基板温度を約６００℃、原料ガスとしてＨＣｌ、ＮＨ3を用い、ＨＣｌ供給量を約５ｓｃｃｍ、ＮＨ3供給量を１５０ｓｃｃｍとして、ＧａＮ薄膜（ＧａＮ系化合物半導体層）を形成した。これにより、ＮＧＯ基板上にＧａＮ薄膜が形成されたＧａＮ基板を得た。
【００７４】
［比較例１］
ＮＧＯ基板として、主面が（０１１）面のＮＧＯ基板を用いたこと以外は、実施例１と同様にして行った。
【００７５】
＜評価＞
実施例１、比較例１においてＮＧＯ基板上に形成されたＧａＮ薄膜のＸ線回折パターンを測定した。
【００７６】
［ＧａＮ薄膜のＸ線回折パターン］
実施例１、比較例１におけるＧａＮ薄膜が形成されたＮＧＯ基板をＸ線回折装置のあおり角Ｐｓｉを０°に設定して測定した。測定したＸ線回折パターンを図１５、１６に示す。ＧａＮ薄膜のＸ線回折装置の煽り角Ｐｓｉを０°に設定して測定した結果、図１６に示すように、比較例１で得られたＮＧＯ基板上のＧａＮ薄膜からは、ＧａＮ結晶のｃ軸である（０００２）面の反射に対応する角度（２θ＝３４．５°）付近に明確なピークが見られた。このことから、ＮＧＯ基板の主面が（０１１）面であり、その表面上にｃ軸方向に配向したＧａＮ薄膜が形成されているといえる。すなわち、ＮＧＯ基板の主面が（０１１）面の場合には、そのＮＧＯ基板上には極性面であるｃ面が形成されているといえる。
【００７７】
一方、図１５に示すように、実施例１で得られたＮＧＯ基板上のＧａＮ薄膜からは、ＮＧＯ基板のＮＧＯ結晶の（０１２）面のピーク以外全くピークは確認されなかった。
【００７８】
また、実施例１におけるＧａＮ薄膜が形成されたＮＧＯ基板をＸ線回折装置のＰｓｉを２０°に設定して測定したＸ線回折パターンを図１７に示す。図１７に示すように、Ｐｓｉが５〜２０°にずれた方向にｃ軸に対応する（０００２）面の反射（２θ＝３４．５°）のピークが観察された。この結果より、ＮＧＯ基板の主面が（０１２）面の場合には、ＮＧＯ基板上には半極性面のＧａＮ系化合物半導体を成長させることができるといえる。
【００７９】
（０１２）面のＮＧＯ基板とＧａＮ結晶のｃ面との関係を示す説明図を図１８に示す。図１８に示すように、ＮＧＯ結晶の（１００）方向の格子間隔とＧａＮ結晶の（１１−２０）の面間隔は略一致しており、その一致した軸を中心にＧａＮ結晶のｃ軸が傾いてＧａＮ薄膜を形成しているといえる。
【００８０】
（（０１２）面のＮＧＯ基板のオフ角とＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きとの関係）
また、（０１２）面のＮＧＯ基板のオフ角とＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きとの関係を図１９に示す。図１９に示すように、ＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きの大きさは、（０１２）面のＮＧＯ基板のオフ角に依存するといえ、ＧａＮ薄膜のｃ軸が１０°以上傾いた半極性面を形成するためには（０１２）面のＮＧＯ基板のオフ角は±５°以内であることが好ましいといえる。
【００８１】
（ＮＧＯ基板のクリーニング温度とＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きとの関係）
次に、ＮＧＯ基板のクリーニング温度とＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きとの関係を図２０に示す。図２０中、太線は、ＩＦ方向の６００℃、７００℃、８００℃、９００℃のときに得られたＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きの値に基づいて求めた中間線である。図２０に示すように、ＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きは低温の方が大きくなった。ＮＧＯ基板１２のクリーニング温度はＧａＮ結晶の成長条件の一つであり、ＧａＮ薄膜のｃ軸の傾きは低温の方が大きな傾きが得られる。そのため、上述のように、ＧａＮ薄膜のｃ軸が１０°以上傾いた半極性面を形成するためには、６００℃以上７００℃以下であることが好ましい。
【００８２】
よって、（０１２）面のＮＧＯ基板上に半極性面のＧａＮ系化合物半導体層を形成することにより、高い発光効率を有する発光素子を得ることができるといえる。したがって、半極性面のＧａＮ基板を用いて発光デバイスを作製した場合、従来、発光効率の低かった緑色系のＬＥＤ、ＬＤなどの発光素子の発光効率を著しく向上させることができるため、緑色系の発光素子として好適に用いることができることが判明した。
【符号の説明】
【００８３】
１１  ＮＧＯ基板
１２  窒化ガリウム系化合物半導体層
２０、３０  発光デバイス
２１  積層体
２２  第１電極
２３  第２電極
２４  第１の積層体
２５  第２の積層体
３１  バッファ層
３２  ｎ型のＧａＮ層
３３  周期層
３４  ｐ型のＡｌＧａＮ層
３５  ｐ型のＧａＮ層
【図１】
2013155084.tif 000002
【図２】
2013155084.tif 000003
【図３】
2013155084.tif 000004
【図４】
2013155084.tif 000005
【図５】
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【図６】
2013155084.tif 000007
【図７】
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【図８】
2013155084.tif 000009
【図９】
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【図１０】
2013155084.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【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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