(57)【要約】【課題】ｍ面ＧａＮ基板上に成長させたＡｌＧａＮ層のクラックを抑制することが可能な窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】主表面とＧａＮのｍ面との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以下であるＧａＮにより成る基板と、前記基板の前記主表面上に設けられたＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（０≦ｚ≦１）より成る第１中間層と、前記第１中間層の主表面上に設けられ、前記第１中間層とは異なるＡｌ組成を有するＡｌx１Ｉｎy１Ｇａ（１-x１-y１）（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）より成る第２中間層とを含む窒化物半導体素子、およびそれを用いた量子カスケードレーザ。【選択図】図１
2017126637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面とＧａＮのｍ面との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以下であるＧａＮより成る基板と、
前記基板の前記主表面上に設けられたＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（０≦ｚ≦１）より成る第１中間層と、
前記第１中間層の主表面上に設けられ、前記第１中間層とは異なるＡｌ組成を有するＡｌx１Ｉｎy１Ｇａ（１-x１-y１）（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）より成る第２中間層とを含む窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第１中間層は、前記第２中間層よりも高いＡｌ組成を有する、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１中間層はＡｌＮ層である、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１中間層は前記第２中間層より厚みが小さい層である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第１中間層の厚みが１００ｎｍ以下である請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第１中間層の厚みが５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記第１中間層が前記基板から離れるに従いＡｌ組成が傾斜的に増加し、前記第２中間層が略均一なＡｌ組成を有する請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記第１中間層の前記基板側におけるＡｌ組成が０以上０．０５以下である請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記第１中間層の前記基板側とは反対側におけるＡｌ組成と、前記第２中間層のＡｌ組成とがＡｌ組成比±１％である請求項７または８に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記第１中間層の厚さが１μｍ以上である請求項７〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記第２中間層の前記基板側と反対側に、量子井戸層およびバリア層を含む活性層を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記バリア層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数と前記第２中間層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数との差が０．３％以下である請求項１１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記量子井戸層を１以上含み、前記バリア層を１以上含む活性層を含み、［（前記量子井戸層の合計厚み）×（前記量子井戸層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）＋（前記バリア層の合計厚み）×（前記バリア層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）］／（前記量子井戸層と前記バリア層の合計厚み）により算出される前記活性層の平均格子定数と前記第２中間層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数との差が０．３％以下である請求項１１または１２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記第２中間層の前記基板とは反対側に積層された全ての層について、（厚み）×（ｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）の合計を前記第２中間層の前記基板とは反対側に積層されたすべての層の合計厚みで割ることによって算出される平均格子定数との差が０．３％以下である請求項１１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子を用いた量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子およびそれを用いた量子カスケードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）やレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）は、照明装置、表示装置、光記録装置などに用いられている。また、窒化物半導体を用いた電子デバイスは高周波デバイスやパワーデバイスとして用いられている。さらに、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ）は次世代のテラヘルツ光源として期待されている。
【０００３】
広く量産されている窒化物半導体素子はｃ面（（０００１）面）を主表面として各層が形成されている。しかしながら、ｃ面はＧａ層とＮ層が交互に積層されてなるため、成長方向に分極が発生する。ヘテロ接合により分極の不連続が発生すると、ヘテロ界面に電荷が誘起され、電荷による内部電界の発生によりバンドの曲がりが生じる。
【０００４】
このバンドの曲がりは、例えば発光デバイスの場合、電子とホールの分離を生じたり、電子デバイスの場合はノーマリオン特性を示したりすることで素子特性に悪影響を与えることが分かっている。また、量子カスケードレーザなど複数のサブバンドを互いに結合させるデバイスの場合、バンドの曲がりによりサブバンドの設計が非常に複雑になったり、製造誤差の影響を受けやすくなったりする。
【０００５】
無極性面として知られるｍ面（｛１−１００｝面）は、ｃ面と垂直な面であるため、主表面にＧａとＮが同数存在するため、面の法線方向に分極は存在しない。したがって、上に述べたようなバンドの曲がりは発生しない。このため、発光デバイスや電子デバイスにより適していると考えられ、これまで主にＩｎＧａＮを活性層とする発光素子（例えば、Ｏｋａｍｏｔｏ  Ｋｕｎｉｙｏｓｈｉ、Ｏｈｔａ  Ｈｉｒｏａｋｉ、Ｎａｋａｇａｗａ  Ｄａｉｓｕｋｅ、Ｓｏｎｏｂｅ  Ｍａｓａｙｕｋｉ、Ｉｃｈｉｋａｗａ  Ｊｕｎ、Ｔａｋａｓｕ  Ｈｉｄｅｍｉ、「Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ−Ｆｒｅｅ  ｍ−Ｐｌａｎｅ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｏｎ  ｍ−Ｐｌａｎｅ  ＧａＮ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、４５、Ｌ１１９７（非特許文献１）を参照）に用いられてきた。
【０００６】
ＩｎＧａＮ量子井戸は青色よりも長波長側にバンドギャップが存在するため、可視光のデバイスに向いている。一方で、ＧａＮ量子井戸層をＧａＮよりもバンドギャップの広いＡｌＧａＮで挟んだ量子井戸構造が紫外領域光デバイスや赤外〜テラヘルツ帯のサブバンド間遷移デバイス用途として着目されている。ＡｌＧａＮはＧａＮよりも格子定数が小さいため、ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させる場合、臨界膜厚を越えて膜中の応力が耐えられなくなると欠陥の導入によりＡｌＧａＮの格子緩和が生じる。格子緩和としてデバイスの特性を発現する層（例えば活性層）にクラック（割れ）が発生すると、デバイスが電気的に分断されてしまうため、光デバイスは発光の不均一、電子デバイスの場合は通電不良などが生じる。ｍ面の主表面内の直交する軸はｃ軸（＜０００１＞）とａ軸（＜１１−２０＞）であり、主表面内の方向によって格子定数は異なるため、ＡｌＧａＮは面内に歪の異方向性が存在する。従来のＬＥＤなどに用いられているｃ面基板は主表面にｃ軸を含まず、ａ軸のみで構成される。発明者らの実験によると、ＧａＮ上にＡｌＧａＮの厚膜（１μｍ程度）を成長すると、ｃ面基板上のＡｌＧａＮは六角形状にクラックが入るが、ｍ面基板上のＡｌＧａＮは主にａ軸に平行、つまりｃ面に沿った直線状のクラックが入ることが多いことがわかった。つまり、ｍ面基板を用いる場合と、ｃ面基板を用いる場合ではクラック形成メカニズムが異なる。
【０００７】
ｍ面ＧａＮ基板上ＡｌＧａＮのクラックを抑制する手法として、Ａｌ組成０．０５以上かつＡｌＧａＮ膜厚５００ｎｍ以上のＡｌＧａＮ層をｍ面ＧａＮ基板上に形成する方法が特開２００８−２７７５３９号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１の発明者らによると、上記Ａｌ組成０．０５以上かつＡｌＧａＮ膜厚５００ｎｍ以上のＡｌＧａＮ層を成長すると、すべり面であるｃ面でのミクロな格子緩和がＡｌＧａＮ膜中で生じ、クラックを発生させることなくＡｌＧａＮの格子緩和が可能であり、さらに、Ａｌ組成が０．１から１．０かつＡｌＧａＮ層の膜厚が２μｍ以上である場合、大きな歪を内包するものの、クラックによりＡｌＧａＮ層が緩和することはないとのことであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２７７５３９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｏｋａｍｏｔｏ  Ｋｕｎｉｙｏｓｈｉ、Ｏｈｔａ  Ｈｉｒｏａｋｉ、Ｎａｋａｇａｗａ  Ｄａｉｓｕｋｅ、Ｓｏｎｏｂｅ  Ｍａｓａｙｕｋｉ、Ｉｃｈｉｋａｗａ  Ｊｕｎ、Ｔａｋａｓｕ  Ｈｉｄｅｍｉ、「Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ−Ｆｒｅｅ  ｍ−Ｐｌａｎｅ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｏｎ  ｍ−Ｐｌａｎｅ  ＧａＮ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、４５、Ｌ１１９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、本発明者らの実験によると、上記構成の一例であるＡｌ組成０．２かつ厚み１．２μｍのＡｌＧａＮ層をｍ面ＧａＮ基板上に成長すると、成長条件によってはクラックによる格子の緩和が生じ、デバイスの作製が困難であることを確認した。
【００１１】
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、ｍ面ＧａＮ基板上に成長させたＡｌＧａＮ層のクラックを抑制することが可能な窒化物半導体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】
【００１２】
本発明の窒化物半導体素子は、主表面とＧａＮのｍ面との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以下であるＧａＮより成る基板と、前記基板の前記主表面上に設けられたＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（０≦ｚ≦１）より成る第１中間層と、前記第１中間層の主表面上に設けられ、前記第１中間層とは異なるＡｌ組成を有するＡｌx１Ｉｎy１Ｇａ（１-x１-y１）（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）より成る第２中間層とを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の窒化物半導体素子において、前記第１中間層は、前記第２中間層よりも高いＡｌ組成を有することが好ましい。この場合、前記第１中間層はＡｌＮ層であることがより好ましい。この場合、本発明の窒化物半導体素子において、前記第１中間層は前記第２中間層より厚みが小さい層であることが好ましい。またこの場合、前記第１中間層の厚みが１００ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００１４】
本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第１中間層は、前記基板から離れるに従いＡｌ組成が傾斜的に増加し、前記第２中間層が略均一なＡｌ組成を有していてもよい。この場合、前記第１中間層の前記基板側におけるＡｌ組成が０以上０．０５以下であることが好ましい。またこの場合、前記第１中間層の前記基板側とは反対側におけるＡｌ組成と、前記第２中間層のＡｌ組成とがＡｌ組成比±１％であることが好ましい。さらにこの場合、前記第１中間層の厚さが１μｍ以上であることが好ましい。
【００１５】
本発明の窒化物半導体素子は、前記第２中間層の前記基板側と反対側に、量子井戸層およびバリア層を含む活性層を有することが好ましい。
【００１６】
本発明の窒化物半導体素子は、前記バリア層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数と前記第２中間層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数との差が０．３％以下であることが好ましい。
【００１７】
本発明の窒化物半導体素子は、前記量子井戸層を１以上含み、前記バリア層を１以上含む活性層を含み、［（前記量子井戸層の合計厚み）×（前記量子井戸層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）＋（前記バリア層の合計厚み）×（前記バリア層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）］／（前記量子井戸層と前記バリア層の合計厚み）により算出される前記活性層の平均格子定数と前記第２中間層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数との差が０．３％以下であることが好ましい。
【００１８】
また本発明の窒化物半導体素子は、前記第２中間層の前記基板とは反対側に積層された全ての層について、（厚み）×（ｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）の合計を前記第２中間層の前記基板とは反対側に積層されたすべての層の合計厚みで割ることによって算出される平均格子定数との差が０．３％以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明は、上述した本発明の窒化物半導体素子を用いた量子カスケードレーザについても提供する。
【発明の効果】
【００２０】
表面とＧａＮのｍ面との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以下であるＧａＮより成る基板と、前記基板の前記主表面上に設けられたＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（０≦ｚ≦１）より成る第１中間層と、前記第１中間層の主表面上に設けられ、前記第１中間層とは異なるＡｌ組成を有するＡｌx１Ｉｎy１Ｇａ（１-x１-y１）（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）より成る第２中間層とを含む本発明の窒化物半導体素子、およびこれを用いた量子カスケードレーザによれば、第２中間層の表面に発生するクラックを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０の構造概略図である。
【図２】第１中間層１０１の表面グレイン形状を示す図である。
【図３】第２中間層１０２表面の光学顕微鏡像であり、図３（ａ）は第１中間層を有する場合、図３（ｂ）は第１中間層を有さない場合を示す。
【図４】第２中間層に内在する歪を示すグラフである。
【図５】ＱＣＬ１０のバンド構造および波動関数を示す図である。
【図６】活性層ユニット当たりに約９５ｍｅＶのバイアス電圧を印加した場合の光学利得を非平衡グリーン関数法により計算した結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第４の実施形態のＱＣＬ２０の断面図である。
【図８】第４の実施形態における第１中間層２０１および第２中間層２０２の断面電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について図面を用いて説明する。以下では、窒化物半導体素子の一例として量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）について示すが、ＱＣＬに限定されない。本発明では、活性層クラックの存在しない、発光効率の高いＱＣＬが実現可能になる。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚み、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００２３】
［第１の実施形態］
［ＱＣＬの構造］
図１は、本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０の断面図である。ＱＣＬ１０は、基板１１と、基板１１の上面に設けられた第１中間層１０１と、第１中間層１０１の上面に設けられた第２中間層１０２と、第２中間層１０２の上面に設けられた第１コンタクト層１６と、第１コンタクト層１６の上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上面に設けられた第２コンタクト層１３と、第２コンタクト層１３の上面に接する上部電極（第２電極）１４と、第１コンタクト層１６の上部に活性層１２とは別の場所に設けられた下部電極１４とを備える。活性層１２は、２つ以上の活性層ユニットが積層されて構成されている。活性層ユニットのそれぞれは、量子井戸層とバリア層とを少なくとも１層ずつ有し、１層の量子井戸層と１層のバリア層とが交互に積層されて構成されている。
【００２４】
ＱＣＬ１０では、幅が例えば１００μｍのメサ形状となるように活性層１２と第２コンタクト層１３とがエッチングされており、これにより導波路が形成されている。ここで、第１コンタクト層１６の一部がエッチングされている構成も可能である。ＱＣＬ１０の用途に応じて導波路の幅を変更することができ、「１００μｍ」はテラヘルツ帯の電磁波のシングルモード発振が可能な導波路の幅の一例に過ぎない。
【００２５】
本発明のＱＣＬは、表面とＧａＮのｍ面との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以下であるＧａＮより成る基板と、前記基板の前記主表面上に設けられたＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（０≦ｚ≦１）より成る第１中間層と、前記第１中間層の主表面上に設けられ、前記第１中間層とは異なるＡｌ組成を有するＡｌx１Ｉｎy１Ｇａ（１-x１-y１）（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）より成る第２中間層とを含む窒化物半導体素子である。このような本発明のＱＣＬによれば、第２中間層の表面に発生するクラックを抑制することが可能になる。
【００２６】
＜基板＞
基板１１は、ＧａＮからなる。好ましくは、基板１１は、その上面が面方位（１−１００）を有するようにカットされた後に研磨されたｍ面自立ＧａＮ基板である。これにより、結晶品質に優れたＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のＭＱＷ構造を成長させることができる。基板１１は、その上面が面方位（１−１００）に対するオフ角が±５度である面方位を有するようにカットされた後に研磨されたｍ面自立ＧａＮ基板であっても良い。この場合であっても結晶品質に優れたＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のＭＱＷ構造を成長させることができることを本発明者らは確認している。なお、前記（１−１００）面は一例であり、一般的に｛１−１００｝面といわれ、（１−１００）面と等価な面であれば、たとえば、（１０−１０）面であってもよい。
【００２７】
なお、基板１１は一般的なエピタキシャル成長用に供給されるウエハのことを指すが、基板１１の表面平坦性や不純物濃度改善のために、後述するＭＢＥやＭＯＣＶＤなどにより、基板１１の主表面にＧａＮ薄膜（バッファ層）をホモエピタキシャル成長させ、主表面にＧａＮが露出したテンプレートも基板１１の定義に含むものとする。
【００２８】
＜第１中間層＞
第１中間層１０１は、化合物半導体からなる。好ましくは一般式Ａｌｚ１Ｇａ（１−ｚ１）Ｎ（０≦ｚ１≦１）で表される組成ｚ１が略均一の層である。第１中間層１０１のＡｌ組成ｚ１は後述の第２中間層１０２のＡｌ組成ｘ１よりも大きく、ｚ１＝１、すなわち、ＡｌＮであることが好ましい。ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮを直接成長する場合、ＡｌＧａＮは最初ＧａＮの格子定数に従って歪んだ状態で成長し、ＡｌＧａＮ層の厚みが大きくなるに従って歪は大きくなっていき、歪に耐えられなくなると欠陥を導入することで格子緩和が生じてしまうためである。
【００２９】
第１中間層１０１の成長条件を調整すると、第１中間層１０１の膜がグレイン（島）状の表面モホロジーを有する形状になることがある。このグレインの形状は、サファイア上のｃ面窒化物半導体成長に用いられるグレイン成長のように成長面内における形状が略六角形、円形など、面内において略等方形状ではなく、グレインのｃ軸方向の長さがａ軸方向よりも短いほうが好ましい。図２に好ましい表面形状の一例を示す。図２は第１中間層としてＡｌＮをＧａＮ上に成長させたときの表面形状を示す。図２に示されたようにグレインはｃ軸よりもａ軸の方が長くなっている。
【００３０】
このようなグレイン形状が好ましい理由は、ａ軸方向とｃ軸方向とで歪の加わり方および緩和方法が異なるためである。ｍ面ＧａＮ基板上のＡｌＧａＮは、コヒーレント成長する場合、ｃ軸方向の方がａ軸方向よりも大きな歪を受ける。これは、ｃ軸の格子定数差の方がａ軸の格子定数差よりも大きいためである。また、第２中間層１０２のｃ軸方向は第１中間層１０１におけるグレインの粒界を起点に欠陥を導入することで歪緩和が生じる。ａ軸方向については第１中間層の界面が起点になるのではなく、第１中間層のクラックによりボイド（空洞）が発生することで歪緩和が生じることが発明者らの実験により明らかになっている。従って、ｃ軸方向は緩和の起点となるグレインの粒界を入れる必要があり、ａ軸方向は極力連続的な膜構造にすることが好ましい。後述のように第１中間層１０１の厚みは第２中間層１０２に内在される歪に影響することが発明者らの実験により明らかになっている。
【００３１】
＜第２中間層＞
第２中間層１０２は、化合物半導体からなる。好ましくは一般式Ａｌx１Ｉｎy１Ｇａ（１-x１-y１）（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）で表され、より好ましくは第１中間層１０１の格子定数よりも大きくなるように定められることが好ましい。たとえば、第１中間層１０１の組成がＡｌＮであれば、第２中間層１０２はＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ〜Ａｌ０．９９Ｇａ０．０１Ｎの間の格子定数になるように定められることが好ましい。
【００３２】
第２中間層１０２は、第１中間層１０１にクラックが形成される場合、それを埋めて平坦な表面を形成する役割があるため、クラックが完全に埋まるまで十分な厚みを有する必要がある。
【００３３】
図３（ａ）および図３（ｂ）に第１中間層１０１および第２中間層１０２の実験結果を示す。図３（ａ）は、ｍ面ＧａＮ基板上に、図２のような表面構造を有する厚み１２ｎｍのＡｌＮよりなる第１中間層１０１を形成し、さらにｘ１＝０．２、ｙ１＝０（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）となるように調整して約１．２μｍの第２中間層１０２を成長したときの光学顕微鏡像である。図３（ｂ）は第１中間層１０１を設けず、ｍ面ＧａＮ基板上に直接第２中間層１０２をｘ１＝０．２、ｙ１＝０（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）となるように調整して約１．２μｍ成長したときの光学顕微鏡像である。
【００３４】
図３から明らかなように第１中間層１０１がない場合（図３（ｂ））、表面にはクラックが多数発生しているが、第１中間層１０１を設けると（図３（ａ））、クラックが防止できており、平坦な表面になっていることが分かる。つまり、第１中間層１０１はクラックを防止することができていることが分かる。
【００３５】
＜第１中間層が第２中間層に及ぼす影響＞
ここで、第１中間層１０１が第２中間層１０２に及ぼす影響について述べる。上述のとおり、第１中間層１０１は第２中間層１０２に内在する歪をコントロールする役割を有する。図４に図２の表面形状を有する条件で成長されたＡｌＮを第１中間層１０１として用いたときの、第１中間層１０１の厚みと第２中間層１０２に内在する歪との関係を示すグラフであり、縦軸は歪（％）、横軸はＡｌＮ厚み（ｎｍ）を示す。第２中間層１０２のａ軸歪、ｃ軸歪は逆格子マッピングにより測定された。
【００３６】
図４から分かるように、第１中間層１０１の厚みが増加すると、第２中間層１０２のａ軸方向の歪はＧａＮにコヒーレントな状態から減少する。本発明者らの実験によると、第１中間層１０１のＡｌＮの厚みが２５ｎｍ以上になると、ＡｌＮ表面のｃ軸と平行な方向にクラックが入っていることが確認された。また、第２中間層１０２は前述のクラックにより発生した空隙（ボイド）を埋めるように成長していた。つまり、ａ軸方向はクラックを起点に緩和が生じている。第１中間層１０１のＡｌＮの厚みが大きくなればなるほど、歪緩和によりＡｌＮ本来のａ軸格子定数に近づいていき、第１中間層１０１表面のａ軸格子定数は小さくなっていく。つまり、第２中間層１０２に内在するａ軸方向の歪は小さくなっていく。
【００３７】
一方で、第２中間層１０２のｃ軸方向については上述のとおり、第１中間層１０１のグレイン粒界を起点に格子緩和が生じている。本発明者らの実験では、第１中間層１０１としてグレインが発生しない条件でＡｌＮを成長させると、ｃ軸方向はクラックによる緩和が生じた。図２に示したようなグレインサイズの場合、第２中間層１０２のｃ軸方向の緩和には十分小さいので、図４に示すとおり、ｃ軸方向は第１中間層１０１の厚みにかかわらず緩和している。
【００３８】
第１の実施形態における第１中間層１０１の厚みは１００ｎｍ以下であることが好ましい。第１中間層１０１の厚みが１００ｎｍ以下であることで、Ａｌ組成０．２近傍のＡｌＧａＮにより構成される第２中間層１０２に内在するａ軸方向の歪を抑えることが可能となる。さらには、第１の実施形態における第１中間層１０１の厚みは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることがより好ましい。図４から分かるとおり、第１中間層１０１の厚みを４０ｎｍ以下とすることで、ａ軸方向の歪を±０．５％と小さくすることが可能である。また、本発明者らの実験によると、第１中間層１０１の厚みが５ｎｍより薄い場合、図２に示したようなグレインが形成されず、十分な歪緩和ができないことが分かった。つまり、第１中間層１０１の厚みを５ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることで、Ａｌ組成０．２近傍のＡｌＧａＮにより構成される第２中間層１０２に内在するａ軸方向の歪をほぼゼロ近くに抑えることが可能となる。これにより、ａ軸方向の歪が小さいＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ第２中間層１０２を形成することが可能になり、第２中間層１０２上に基板１１より格子定数の短い厚膜を形成することが可能になる。
【００３９】
＜活性層＞
（量子井戸層）
活性層１２の量子井戸層は、化合物半導体からなる。好ましくは一般式Ａｌａ１Ｉｎｂ１Ｇａ（１−ａ１−ｂ１）Ｎ（０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦１）で表され、より好ましくはＧａＮである。二元結晶であるＧａＮを用いることで、非発光遷移を生じる合金散乱を抑制することが可能になる。
【００４０】
量子井戸層の厚みは、好ましくは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上６．５ｎｍ以下である。これにより、サブバンド間遷移による光学利得を得ることが可能となる。
【００４１】
活性層ユニットのそれぞれにおいて、量子井戸層の厚みは、同一であっても良いし、異なってもよい。たとえば、レーザ上準位を構成する量子井戸層の厚みは、好ましくは１ｎｍ以上７ｎｍ以下であり、より好ましくは１．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。レーザ下準位を構成する量子井戸層の厚みは、好ましくは１ｎｍ以上７ｎｍ以下であり、より好ましくは１．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。キャリア引き抜き準位を構成する量子井戸層の厚みは、好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、より好ましくは４ｎｍ以上１２ｎｍ以下である。
【００４２】
量子井戸層の主面（バリア層が形成される量子井戸層の面）は、量子井戸層の主面が面方位（１−１００）を有する。これにより、ＱＣＬ１０において内部電界を無視できる程度にまで低く抑えることができ、また、結晶成長が容易となる。よって、ＱＣＬ１０の設計が更に容易となる。なお、量子井戸層の主面が、面方位（１−１００）に対するオフ角が±５度である面方位を有する場合であっても、ＱＣＬ１０において内部電界を無視できる程度にまで低く抑えることができ、また、結晶成長が容易となるということを本発明者らは確認している。
【００４３】
（バリア層）
活性層１２のバリア層は、一般式Ａｌａ２Ｉｎｂ２Ｇａ(１-ａ２-ｂ２)Ｎ（０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦１）で表されることが好ましい。また、バリア層は、量子井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有することが好ましい。これらのことから、量子井戸層がＧａＮである場合には、バリア層はＡｌＧａＮであることが好ましい。
【００４４】
バリア層の厚みは、好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、より好ましくは１．８ｎｍ以上６．５ｎｍ以下である。これにより、サブバンド間遷移による光学利得を得ることが可能となる。
【００４５】
本発明においては、少なくとも１層のバリア層の厚みが１．８ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、キャリアが弾性散乱（たとえば不純物散乱またはラフネス散乱など）によって異なる準位へ非輻射的に遷移することを防止できるので、室温でのレーザ発振をさらに安定化させることができる。より好ましくは、活性層１２に含まれる全てのバリア層の厚みが１．８ｎｍ以上である。これにより、キャリアが弾性散乱によって異なる準位へ非輻射的に遷移することをさらに防止できるので、室温でのレーザ発振をより一層、安定化させることができる。
【００４６】
さらに好ましくは、厚みが１．８ｎｍ以上のバリア層は、レーザ上準位を構成する量子井戸層とレーザ下準位を構成する量子井戸層との間に設けられている。これにより、レーザ上準位の波動関数とレーザ下準位の波動関数とのオーバーラップが小さくなるので（後述の図５）、レーザ上準位からレーザ下準位への非輻射遷移（不純物散乱またはラフネス散乱等の弾性散乱による非輻射遷移）を防止できる。しかしながら一方で、バリア層の厚みが大きいためにレーザ上準位の波動関数とレーザ下準位の波動関数とのオーバーラップが小さくなりすぎると、誘導放出が効率良く生じ難くなる。したがって、バリア層の厚みを最適な厚みに調整する必要がある。このように、バリア層の厚みを最適な厚みに調整することによって、室温でのレーザ発振を更に安定化させることができる。より一層好ましくは、レーザ上準位を構成する量子井戸層とレーザ下準位を構成する量子井戸層との間には、厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下のバリア層が設けられている。
【００４７】
活性層１２に含まれる全てのバリア層の厚みは６．５ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、活性層ユニットのそれぞれの厚みが大きくなり過ぎることを防止できるので、低閾値でのレーザ発振が可能となる。活性層ユニットのそれぞれにおいて、バリア層の厚みは、同一であっても良いし、異なっても良い。
【００４８】
なお、活性層１２における活性層ユニットの個数は特に限定されない。また、活性層ユニットのそれぞれにおける量子井戸層の層数およびバリア層の層数は特に限定されない。活性層１２の厚みは、好ましくは０．５μｍ以上１００μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下である。
【００４９】
＜活性層の好適な構成＞
以下、活性層１２の好適な構成について述べる。活性層１２は活性層ユニットが、多数積層されてなる。シミュレーションにより求めた活性層ユニットの伝導帯バンド図およびそのときの波動関数を図５に示す。シミュレーションでは、電子のハミルトニアンとして単一バンドハミルトニアンを仮定し、且つ、自己無撞着な計算方法でシュレディンガー方程式とポアソン方程式とを計算することにより、活性層ユニットあたり約９５ｍｅＶのバイアス電圧を印加した場合の電子のポテンシャルエネルギーおよび波動関数を算出した。
【００５０】
図５では、横軸には活性層の厚み方向における位置を表し、縦軸には電子のポテンシャルエネルギーを表す。点線で囲まれた「１周期」が１つの活性層ユニットを表す。Ｌ２０１〜Ｌ２０８がエネルギー準位（算出結果）を表す。なお、Ｌ２０１〜Ｌ２０８のそれぞれでは、縦軸の値が電子のポテンシャルエネルギーを表し、その形状が波動関数の形状を表す。また、Ｌ２１０が活性層のエネルギーバンド構造（算出結果）を表す。
【００５１】
シミュレーションでは、活性層として、１周期の活性層ユニット（１つの活性層ユニット）に周期境界条件を適用することによって多数の活性層ユニットが連結されてなる構造を用いた。上述の１周期の活性層ユニットは、３層の量子井戸層と３層のバリア層とを含んでおり、また、１層の量子井戸層と１層のバリア層とが交互に積層されて構成されていた。各量子井戸層の組成および厚み、ならびに、各バリア層の組成および厚みは以下に示すとおりであった。後述の「１層目」は、図５の点線で囲まれた領域において最も左側に位置する層である。また後述の「６層目」は、図５の点線で囲まれた領域において最も右側に位置する層であり、電子を生成するために３×１０１７／ｃｍ３のＳｉを含んでいた。
【００５２】
１層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：２．０ｎｍ）
２層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：３．５ｎｍ）
３層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：２．０ｎｍ）
４層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：３．０ｎｍ）
５層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：３．０ｎｍ）
６層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：６．０ｎｍ）
図５に示すように、点線で囲まれた領域に含まれる活性層ユニットはエネルギー準位Ｌ２０３〜Ｌ２０８を形成した。エネルギー準位Ｌ２０３，Ｌ２０４はレーザ上準位であり、エネルギー準位Ｌ２０５，Ｌ２０６はレーザ下準位であり、エネルギー準位Ｌ２０７，Ｌ２０８はキャリア引き抜き準位である。なお、エネルギー準位Ｌ２０１，Ｌ２０２は、点線で囲まれた領域に含まれる活性層ユニットよりも図５の左側に位置する活性層ユニットにおけるキャリア引き抜き準位である。
【００５３】
キャリアは、点線で囲まれた領域に含まれる活性層ユニットよりも図５の左側に位置する活性層ユニットからエネルギー準位Ｌ２０３，Ｌ２０４へ注入されると、エネルギー準位Ｌ２０３，Ｌ２０４からエネルギー準位Ｌ２０５，Ｌ２０６へ向かって誘導放出される（発光遷移）。その後、キャリアは、トンネリングによって６層目の量子井戸層へ抜け、ＬＯフォノン（ＧａＮのＬＯフォノンの振動エネルギーは９２ｍｅＶである）により散乱されてエネルギー準位Ｌ２０７，Ｌ２０８へ遷移する。エネルギー準位Ｌ２０７，Ｌ２０８へ遷移したキャリアは点線で囲まれた領域に含まれる活性層ユニットよりも図５の右側に位置する活性層ユニットへ注入され、上述のプロセスが繰り返される。
【００５４】
図５に示すように、上述の２層目がレーザ上準位を形成し、上述の４層目がレーザ下準位を形成する。ここで、２層目と４層目との間に位置する３層目の厚みは２．０ｎｍである。これにより、不純物散乱またはラフネス散乱などの弾性散乱によるレーザ上準位からレーザ下準位の非輻射遷移を抑制できる。このような効果はレーザ上準位を形成する量子井戸層とレーザ下準位を形成する量子井戸層との間に設けられたバリア層の厚みが１．８ｎｍ以上である場合に顕著となるということが、本発明者らによる計算によって明らかとなった。その理由としては、かかるバリア層の厚みが１．８ｎｍ以上であれば、レーザ上準位を形成する量子井戸層とレーザ下準位を形成する量子井戸層との結合が急激に弱くなるからである。別の言い方をすると、レーザ上準位の波動関数とレーザ下準位の波動関数とのオーバーラップが小さくなるからである（図５）。
【００５５】
図６は、上述の活性層ユニット当たりに約９５ｍｅＶのバイアス電圧を印加した場合の光学利得を非平衡グリーン関数法により計算した結果を示すグラフである。図６において、縦軸は光学利得（ｃｍ−１）、上側の横軸は振動数（ＴＨｚ）、下側の横軸はエネルギー（ｍｅＶ）を示す。この結果から、上述の活性層ユニットを備えるＱＣＬを３００Ｋで動作した場合であっても２．５〜６ＴＨｚの広い周波数範囲で光学利得を有することが分かる。特に３．２〜４．８ＴＨｚの周波数範囲では、光学利得は１０ｃｍ-１を超えており、光学利得の最大値は１５ｃｍ-１程度であった。よって、上述の活性層ユニットを備えたＱＣＬは室温でのレーザ発振に十分な光学利得を有することが分かった。
【００５６】
本発明のＱＣＬにおいて、バリア層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数と前記第２中間層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数との差が０．３％以下であることが好ましい。これによって、バリア層内に内包する歪を抑制することが可能となる。
【００５７】
＜第１コンタクト層＞
第１コンタクト層１６は、化合物半導体からなる。好ましくは一般式Ａｌｃ１Ｉｎｄ１Ｇａ(１-ｃ１-ｄ１)Ｎ（０≦ｃ１≦１、０≦ｄ１≦１）で表される。より好ましくは、前述のバリア層に用いられる材料の格子定数に近い格子定数を有する材料である。
【００５８】
第１コンタクト層１６は、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）を含むことが好ましい。これにより、第１コンタクト層１６自体の抵抗を低減でき、また、第１コンタクト層１６と下部電極１５との接触抵抗も低減できる。第１コンタクト層１６におけるｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であり、より好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下である。
【００５９】
このような第１コンタクト層１６の厚みは、好ましくは０．０５μｍ以上３μｍ以下であり、より好ましくは０．１μｍ以上１μｍ以下である。
【００６０】
＜第２コンタクト層＞
第２コンタクト層１３は、化合物半導体からなる。好ましくは一般式Ａｌｃ２Ｉｎｄ２Ｇａ(１-ｃ２-ｄ２)Ｎ（０≦ｃ２≦１、０≦ｄ２≦１）で表される。より好ましくは、前述のバリア層に用いられる材料の格子定数に近い格子定数を有する材料である。
【００６１】
第２コンタクト層１３は、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）を含むことが好ましい。これにより、第２コンタクト層１３自体の抵抗を低減でき、また、第２コンタクト層１３と上部電極１４との接触抵抗も低減できる。第２コンタクト層１３におけるｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であり、より好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下である。
【００６２】
このような第２コンタクト層１３の厚みは、好ましくは０．０５μｍ以上３μｍ以下であり、より好ましくは０．１μｍ以上１μｍ以下である。
【００６３】
＜上部電極、下部電極＞
上部電極１４は、第２コンタクト層１３とは良好なオーミック特性を有する金属材料からなることが好ましく、たとえばＴｉ層とＡｌ層とが積層されて構成されたオーミック電極である。上部電極１４は、ＴｉおよびＡｌとは異なる金属からなっても良いし、透明な酸化物電極であっても良い。
【００６４】
下部電極１５は、第１コンタクト層１６とは良好なオーミック特性を有する金属材料からなることが好ましく、たとえばＴｉ層とＡｌ層とが積層されて構成されたオーミック電極である。下部電極１５は、ＴｉおよびＡｌとは異なる金属からなっても良いし、透明な酸化物電極であっても良い。
【００６５】
［ＱＣＬの製造］
まず、たとえば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法）または有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｅｒ  Ｐｈａｓｅｄ  Ｅｐｉｔａｘｙ））によって、基板１１の上面に第１中間層１０１、第２中間層１０２、活性層１２および第２コンタクト層１３を形成する。続いて、たとえばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によって、第２コンタクト層１３、活性層１２および第１コンタクト層１６の一部をエッチングして図１に示すメサ形状を形成する。次に、たとえば電子線蒸着法とフォトリソグラフィプロセスによって、第２コンタクト層１３の上面に上部電極１４を形成し、第１コンタクト層１６の露出部に下部電極１５を形成する。このようにして図１に示すＱＣＬ１０が得られる。
【００６６】
＜ＭＯＶＰＥによる結晶成長＞
以下、ＭＯＶＰＥを用いたＱＣＬ１０のエピタキシャルウエハの成長方法について説明する。まず、ｍ面ＧａＮ単結晶基板１１の表面処理を行う。この処理として、以下に説明する表面平坦化処理を行う。ｍ面ＧａＮ単結晶基板１１を成長チャンバ内に導入し、表面清浄化処理を行う。表面清浄化処理では、具体的には、水素雰囲気中で１０００℃の温度でｍ面ＧａＮ基板を１０〜６０分間加熱し、有機物などを除去することができる。
【００６７】
次いで、成長温度を、例えば１０００〜１１００℃に設定して、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用いて、各層の形成に最適な成長温度、原料ガスの構成比を調整しながら、第１中間層１０１、第２中間層１０２、第１コンタクト層１６、活性層１２、第２コンタクト層１３を順次形成することができる。
【００６８】
第１コンタクト層１６、第２コンタクト層１３および活性層の一部の成長の際には、シランガス（ＳｉＨ４）を上記原料ガスに加えて供給することにより、各層をＮ型導電性にすることができる。
【００６９】
＜ＭＢＥによる結晶成長＞
以下、ＭＢＥを用いたＱＣＬ１０のエピタキシャルウエハの成長方法について説明する。まず、ｍ面ＧａＮ単結晶基板１１の表面処理を行う。この処理として、以下に説明する表面平坦化処理を行う。ｍ面ＧａＮ単結晶基板１１を成長チャンバ内に導入し、表面清浄化処理を行う。表面清浄化処理では、具体的には、約８００℃の温度でｍ面ＧａＮ基板を１０〜６０分間加熱し、有機物などを除去することができる。
【００７０】
次いで、成長温度を、たとえば７００〜８００℃に設定して、所望のセル温度に設定した原料であるＧａ、Ａｌ、Ｉｎおよび窒素プラズマ（Ｎ）を用いて、各層の形成に最適な成長温度および原料を供給することにより、第１中間層１０１、第２中間層１０２、第１コンタクト層１６、活性層１２、第２コンタクト層１３を順次形成することができる。
【００７１】
第１コンタクト層１６、第２コンタクト層１３および活性層の一部の成長の際には、シリコン（Ｓｉ）を供給することにより、各層をｎ型導電性にすることができる。
【００７２】
上記工程において、窒素プラズマ条件としては、たとえば、プラズマ電力３００〜５００Ｗ窒素ガス（Ｎ２）流量１．０〜５．０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｃ／ｍｉｎ）を採用することができる。
【００７３】
以上のプロセスにより、ＱＣＬ１０のエピタキシャルウエハが形成される。
＜後工程＞
上記のようにして形成されたエピタキシャルウエハを反応容器から取り出し、第２コンタクト層１３より選択エッチングを行い、第１コンタクト層１６の表面を露出させ、露出した第１コンタクト層１６と第２コンタクト層１３の表面にそれぞれ下部電極１５および上部電極１４を電子ビーム蒸着などで蒸着する。
【００７４】
次いで、研磨機を用いて基板１１の裏面を８０μｍまで研磨した後、ウエハをスクライバーのテーブルに設置して、スクライブラインを入れる。スクライブライン形成後、ウエハをローラーで押し割り、分断面を有するレーザーバーを得る。
【００７５】
次いで、上記レーザーバーの分断面に、ＣＶＤ装置を用いて、誘電体多層膜からなる反射鏡（図示せず）を形成して共振面を形成する。さらに、電極に平行な位置でバーの基板側をスクライブした後、バーを割り（たとえば、共振器長２ｍｍ、幅５００μｍ）、ＱＣＬ１０を形成する。
【００７６】
［第２の実施形態］
続いて、第２の実施形態であるＱＣＬについて説明する。第２の実施形態のＱＣＬの第１中間層は、上述した第１の実施形態のＱＣＬ１０の第１中間層１０１とは異なる組成を有する。上述した１周期の活性層ユニットのうち、量子井戸層の合計厚みは１２．５ｎｍであり、バリア層の合計厚みは７．０ｎｍである。このとき、１周期の活性層ユニットあたりの平均Ａｌ組成は次の式で与えられる。
【００７７】
（平均Ａｌ組成）＝［（０×１２．５）＋（０．２×７．０）］／１９．５＝０．０７１８
第１中間層の基板側とは反対側（第１中間層の第２中間層側の表面近傍）におけるＡｌ組成を０．０７１８近傍とし、かつ第２中間層のＡｌ組成を０．０７１８近傍とすることで、活性層に内在する歪を低く抑えることが可能になる。上記平均Ａｌ組成は１周期の活性層ユニットあたりの平均格子定数に相当し、［（量子井戸層の合計厚み）×（量子井戸層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）＋（バリア層の合計厚み）×（バリア層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）］／（１周期の活性層ユニットの合計厚み）からも算出可能である。特に、活性層にＩｎとＡｌを両方含む場合は上記平均格子定数を計算する必要がある。前記第１中間層の基板側とは反対側（第１中間層の第２中間層側の表面近傍）におけるａ軸格子定数またはｃ軸格子定数と前記１周期の活性層ユニットあたりの平均格子定数との差が０．３％以下であれば、歪抑制の効果を得ることが可能である。
【００７８】
［第３の実施形態］
続いて、第３の実施形態であるＱＣＬについて説明する。第３の実施形態におけるＱＣＬは、上述した第２の実施形態とは異なり、第１中間層および第２中間層の組成が、活性層のみならず、第２中間層よりも上に積層される各層すべてについての平均格子定数に合うように定められる。各層の組成及び厚みが、
第１コンタクト層：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：３００．０ｎｍ）
活性層（合計２００周期）
１層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：２．０ｎｍ）
２層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：３．５ｎｍ）
３層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：２．０ｎｍ）
４層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：３．０ｎｍ）
５層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：３．０ｎｍ）
６層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：６．０ｎｍ）
第２コンタクト層：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：３００．０ｎｍ）
のように定められるとき、［上記各層の（厚み）×（格子定数）の合計／上記厚みの合計］により平均格子定数を算出すると、Ａｌ０.０８８Ｇａ０.９１２Ｎに相当する値となった。したがって、第１中間層の基板側とは反対側（第１中間層の第２中間層側の表面近傍）におけるＡｌ組成を上記０．０８８近傍とし、かつ第２中間層のＡｌ組成を０．０８８近傍とすることで、第１コンタクト層、活性層、第２コンタクト層の全体にわたり、内在する歪を低く抑えることが可能になる。前記第１中間層の基板側とは反対側（第１中間層の第２中間層側の表面近傍）におけるａ軸格子定数またはｃ軸格子定数と第２中間層よりも上に積層される各層すべてについての平均格子定数との差が０．３％以下であれば、歪抑制の効果を得ることが可能である。
【００７９】
［第４の実施形態］
続いて、本発明の第４の実施形態のＱＣＬ２０について説明する。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同様の役割を担う構成については同じ番号を使用し、説明は省略する。
【００８０】
図７は、本発明の第４の実施形態のＱＣＬ２０の断面図である。ＱＣＬ２０は、基板１１と、基板１１の上面に設けられた第１中間層２０１と、第１中間層２０１の上面に設けられた第２中間層２０２と、第２中間層２０２の上面に設けられた第１コンタクト層１６と、第１コンタクト層１６の上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上面に設けられた第２コンタクト層１３と、第２コンタクト層１３の上面に接する上部電極（第２電極）１４と、第１コンタクト層１６の上部に活性層１２とは別の場所に設けられた下部電極１５とを備える。活性層１２は、２つ以上の活性層ユニットが積層されて構成されている。活性層ユニットのそれぞれは、量子井戸層とバリア層とを少なくとも１層ずつ有し、１層の量子井戸層と１層のバリア層とが交互に積層されて構成されている。
【００８１】
＜第１中間層＞
第４の実施形態のＱＣＬ２０において、第１中間層２０１は、化合物半導体からなる。好ましくは一般式Ａｌz２Ｇａ(１-z２)Ｎ（０≦ｚ２≦１）で表される化合物半導体の組成ｚ２が傾斜的に変化する層である。第１中間層２０１の基板１１側のＡｌ組成ｚ２が最も小さく、基板１１から離れるに従ってＡｌ組成ｚ２が徐々に増加する。なお、Ａｌ組成ｚ２の増加については連続的に増加させてもよいし、一定のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が徐々に増加するように積層されて構成されてもよい。
【００８２】
第４の実施形態のＱＣＬ２０における第１中間層２０１の役割について述べる。ＧａＮ基板１１上にＡｌＧａＮを直接成長する場合、ＡｌＧａＮは最初ＧａＮの格子定数に従って歪んだ状態で成長する。ＡｌＧａＮ層の厚みが大きくなるに従って歪は大きくなっていき、歪に耐えられなくなると欠陥を導入することで格子緩和が生じる。第４の実施形態のＱＣＬ２０における第１中間層２０１のようにＧａＮ基板に近い（同一の）組成から傾斜的にＡｌ組成が増加するように成長すると、厚みの増加とともに歪が増加し、クラックにより緩和することが本発明者らの実験により明らかになった。また、ｃ面と３０度程度傾いた方向にもクラックが入ることでａ軸方向も同時に緩和することが分かった。クラックの方向はｃ面（ａ軸と平行）もしくはそこから約±３０度傾いた方向のみであった。
【００８３】
第４の実施形態のＱＣＬ２０における第１中間層２０１は、基板１１側（第１中間層２０１の基板１１側の表面近傍）におけるＡｌ組成が０以上０．０５以下の範囲であることが好ましい。第１中間層２０１がこのように形成されることにより、基板１１の格子定数と第１中間層２０１の格子定数とが略連続的に繋がるため、ミクロな欠陥の発生を抑制することができるという効果が奏される。
【００８４】
また、第４の実施形態のＱＣＬ２０における第１中間層２０１は、基板１１側とは反対側（第１中間層２０１の第２中間層２０２側の表面近傍）におけるＡｌ組成と、第２中間層２０２のＡｌ組成とがＡｌ組成比±１％であることが好ましく、±０．５％であることがより好ましい。第１中間層２０１と第２中間層２０２とがこのように形成されることで、第２中間層２０２内での歪みを抑制することが可能となる。
【００８５】
具体的な例を挙げると、ＱＣＬ２０において、第１中間層Ａｌz２Ｇａ(１-z２)Ｎの基板側のＡｌ組成ｚ２は０、つまりＧａＮである。さらに、第１中間層Ａｌz２Ｇａ(１-z２)Ｎの基板側とは反対側において、Ａｌ組成ｚ２＝０．２、つまりＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである。
【００８６】
第４の実施形態における第１中間層２０１の厚みは、徐々に歪みを入れていくことでクラックの発生を誘発できるからことから、１μｍ以上であることが好ましい。
【００８７】
＜第２中間層＞
第４の実施形態のＱＣＬ２０における第２中間層２０２は、化合物半導体からなる。好ましくは一般式Ａｌx２Ｉｎy２Ｇａ(１-x２-y２)（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）で表され、より好ましくは第１中間層２０１の第２中間層と接する面近傍の格子定数と略同一の格子定数となるように定められることが好ましい。たとえば、第２中間層２０２近傍における第１中間層２０１の組成がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎであれば、第２中間層２０２はＡｌ０．１９Ｇａ０．８１Ｎ〜Ａｌ０．２１Ｇａ０．７９Ｎの間の格子定数となるように定められることが好ましく、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎが最も好ましい。
【００８８】
第２中間層１０２は第１中間層１０１に形成されたクラックを埋めて平坦な表面を形成する役割があるため、クラックが完全に埋まるまで十分な厚みを有する必要がある。
【００８９】
図８は、第４の実施形態における第１中間層２０１および第２中間層２０２の断面電子顕微鏡像である。第１中間層２０１はｍ面ＧａＮ基板上に形成され、ｍ面ＧａＮ基板側ではＡｌ組成ｚ２＝０．０（ＧａＮ）であり、厚みの増加とともに線形にＡｌ組成ｚ２が増加し、第２中間層２０２との境界ではＡｌ組成ｚ２＝０．２（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）となっている。図８に結果を示す実験では、第１中間層２０１の厚みは１．１μｍである。引き続き第２中間層２０２をＡｌ組成ｘ２＝０．２、Ｉｎ組成ｙ２＝０（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）となるように調整して約１．２μｍ成長した。図８から明らかなように第１中間層２０１にはクラックに起因する穴が存在するが、第２中間層２０２では穴が埋まっており、平坦な表面になっていることがわかる。
【００９０】
［第５の実施形態］
続いて、第５の実施形態であるＱＣＬについて説明する。第５の実施形態におけるＱＣＬの第１中間層は、上述した第４の実施形態のＱＣＬ２０の第１中間層２０１とは異なる組成を有する。上述した１周期の活性層ユニットのうち、量子井戸層の合計厚みは１２．５ｎｍであり、バリア層の合計厚みは７．０ｎｍである。このとき、１周期の活性層ユニットあたりの平均Ａｌ組成は次の式で与えられる。
【００９１】
（平均Ａｌ組成）＝［（０×１２．５）＋（０．２×７．０）］／１９．５＝０．０７１８
第１中間層の基板側とは反対側（第１中間層の第２中間層側の表面近傍）におけるＡｌ組成を０．０７１８近傍とし、かつ第２中間層のＡｌ組成を０．０７１８近傍とすることで、活性層に内在する歪を低く抑えることが可能になる。上記平均Ａｌ組成は１周期の活性層ユニットあたりの平均格子定数に相当し、［（量子井戸層の合計厚み）×（量子井戸層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）＋（バリア層の合計厚み）×（バリア層のｃ軸格子定数またはａ軸格子定数）］／（１周期の活性層ユニットの合計厚み）からも算出可能である。特に、活性層にＩｎとＡｌを両方含む場合は上記平均格子定数を計算する必要がある。前記第１中間層の基板側とは反対側（第１中間層の第２中間層側の表面近傍）におけるａ軸格子定数またはｃ軸格子定数と前記１周期の活性層ユニットあたりの平均格子定数との差が０．３％以下であれば、歪抑制の効果を得ることが可能である。
【００９２】
［第６の実施形態］
続いて、第６の実施形態であるＱＣＬについて説明する。第６の実施形態のＱＣＬは、上述の第５の実施形態のＱＣＬと異なり、第１中間層および第２中間層の組成が、活性層のみならず、第２中間層よりも上に積層される各層すべてについての平均格子定数に合うように定められる。各層の組成および厚みが、
第１コンタクト層：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：３００．０ｎｍ）
活性層（合計２００周期）
１層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：２．０ｎｍ）
２層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：３．５ｎｍ）
３層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：２．０ｎｍ）
４層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：３．０ｎｍ）
５層目（バリア層）：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：３．０ｎｍ）
６層目（量子井戸層）：ＧａＮ（厚み：６．０ｎｍ）
第２コンタクト層：Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎ（厚み：３００．０ｎｍ）
のように定められるとき、［上記各層の（厚み）×（格子定数）の合計／上記厚みの合計］により平均格子定数を算出すると、Ａｌ０.０８８Ｇａ０.９１２Ｎに相当する値となった。したがって、第１中間層の基板側とは反対側（第１中間層の第２中間層側の表面近傍）におけるＡｌ組成を０．０８８近傍とし、かつ第２中間層のＡｌ組成を０．０８８近傍とすることで、第１コンタクト層、活性層、第２コンタクト層の全体にわたり、内在する歪を低く抑えることが可能になる。前記第１中間層の第２中間層近傍におけるａ軸格子定数またはｃ軸格子定数と第２中間層よりも上に積層される各層すべてについての平均格子定数との差が０．３％以下であれば、歪抑制の効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１０，２０  ＱＣＬ、１１  基板、１２  活性層、１３  第２コンタクト層、１４  上部電極、１５  下部電極、１６  第１コンタクト層、１０１，２０１  第１中間層、１０２，２０２  第２中間層。
【図１】
2017126637.tif 000003
【図２】
2017126637.tif 000004
【図３】
2017126637.tif 000005
【図４】
2017126637.tif 000006
【図５】
2017126637.tif 000007
【図６】
2017126637.tif 000008
【図７】
2017126637.tif 000009
【図８】
2017126637.tif 000010