(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板および活性領域を有する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体デバイスを製造する方法であって、
上記活性領域を、（ｉ）プラズマアシスト分子線エピタキシーと、（ｉｉ）上記活性領域が成長される温度で上記基板の表面において分解する窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーとの組み合わせを用いて成長させるステップを含んでおり、
上記活性領域は、複数の層を含んでおり、
上記複数の層は、複数の活性層と、当該活性層同士を分離する複数のバリア層とを含んでおり、
上記活性領域内の上記複数の活性層は、バルク材料または量子細線構造のうちのいずれかからなる層であり、
上記ステップは、上記活性領域を、上記プラズマアシスト分子線エピタキシーと上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーとを異なる時点で使用して成長させるステップであり、
上記窒素含有分子を含むガスはアンモニアを含んでおり、
上記プラズマアシスト分子線エピタキシーのプラズマは窒素含有ガスによって供給される、方法。
【請求項２】
上記複数の層のそれぞれを、プラズマと上記窒素含有分子を含むガスとを両方使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記複数の層のうちの少なくとも１つの層を、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させるステップと、
上記複数の層のうちの少なくとも１つの別の層を、窒素含有分子を含む上記ガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップとを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記複数の層のうちの少なくとも１つの他の層を、プラズマと上記窒素含有分子を含むガスとの両方を使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
隣接し合う一対の活性層は、１つのバリア層によって分離されており、
上記一対の活性層のうちの少なくとも１つを、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させるステップと、
上記バリア層を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップとを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
隣接し合う一対の活性層は、少なくとも２つのバリア層によって分離されており、
上記少なくとも２つのバリア層のうちの１つ目を、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させるステップと、
上記少なくとも２つのバリア層のうちの２つ目を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップとを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記窒素含有分子を含むガスは、ヒドラジン、ジメチルヒドラジン、フェニルヒドラジン、第３級ブチルアミン、イソプロピルアミン、アジ化水素、エチレンジアミンのうちの少なくとも１つを含んでいる、請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
上記活性領域は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＮのうちの少なくとも１つから成る層を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
上記活性領域内の活性層は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、およびＡｌＧａＩｎＮのうちの少なくとも１つから成り、上記活性領域内のバリア層は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＮおよびＡｌＧａＩｎＮのうちの少なくとも１つから成る、請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
上記活性層の厚さは１ｎｍ〜５０ｎｍであり、上記バリア層の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記活性層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍであり、上記バリア層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記半導体デバイスは、発光ダイオードおよび半導体レーザのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
上記活性領域は、０≦x＜１かつ０≦y≦１を満たすＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ量子ドットの少なくとも１つの活性層を含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
上記量子ドットの成長にプラズマアシスト分子線エピタキシーを用いる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
隣接し合う活性層同士を分離するバリア層を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
上記量子ドットを３００℃〜１２００℃の温度で成長させる、請求項１３〜１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
上記量子ドットを５５０℃〜７５０℃の温度で成長させる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記量子ドットのサイズは３次元全ての方向のサイズがそれぞれ５０ｎｍ未満である、請求項１３〜１７の何れか１項に記載の方法。
【請求項１９】
上記量子ドットの高さは１０ｎｍ未満である、請求項１３〜１８の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製されるデバイスに関する。本発明は、例えば、発光ダイオード、半導体レーザ、またはスピントロニクスデバイスに適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ここで０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１）で表される材料を含んでいる。本願明細書においては、ガリウムおよびインジウムのモル分率がゼロではない（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系をＩｎＧａＮと称し、インジウムのモル分率がゼロであってガリウムおよびアルミニウムのモル分率がゼロではない（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系をＡｌＧａＮと称する。用語「（Ｉｎ）ＧａＮ」は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ここで０≦ｘ＜１）を表し、従ってＧａＮおよびＩｎＧａＮを含んでいる。同様に、（Ａｌ）ＧａＮはＧａＮまたはＡｌＧａＮを表し、（Ｉｎ，Ｇａ）ＮはＩｎＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮを表し、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）ＮはＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＧａＩｎＮを表しうる。
【０００３】
デバイスの所望の機能を提供するあらゆる層は、本願明細書においては「活性層」と記載される。例えば、青色半導体レーザでは、活性層はＩｎＧａＮ量子井戸発光層であり、量子ドットトランジスタでは、活性層は電荷が蓄積される量子ドットであり、あるいはスピントロニクスデバイスの場合では、活性層はスピンが蓄積される層でありうる。活性層は、バルク層から成る（すなわち量子的特性を示さない）か、あるいは量子ドット、量子細線、または量子井戸から成る場合がある。活性層は、これらの任意の組み合わせから成る場合もある。デバイスは、別の材料組成を有する層によって互いに分離された複数の活性層を含んでいる場合がある。例えば青色半導体レーザでは、ＧａＮがＩｎＧａＮ量子井戸活性層同士を分離する。分離を行うこれら層のバンドギャップは、活性層のバンドギャップよりも大きい。これらの層は、本願明細書ではバリア層と称する。全活性層および全バリア層から成るデバイスの領域は、本願明細書では活性領域と称する。「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製された」とは、本願明細書では、半導体層のうちの少なくとも１つが（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層であることを意味している。
【０００４】
今日、デバイスを（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製することに大きな関心が寄せられている。これは、この材料系によって作製されたデバイスが、電磁放射スペクトルの紫外波長域、赤外波長域、および全可視波長域の光を発することができ、スピントロニクスデバイスに対して十分な可能性を有しているからである（非特許文献１）。これらのデバイスは、分子線エピタキシーを用いて成長させることができる。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製されるデバイスを成長させる際、分子線エピタキシー法において、通常は、アンモニアガスまたは窒素ガスを含むプラズマ源を使用して活性窒素を供給する。分子線エピタキシー法におけるアンモニアの使用は、S E Hooperらによる特許文献１に記載されている。分子線エピタキシーにおける活性窒素供給のためのプラズマ源の使用（反応性イオン分子線エピタキシー、プラズマアシスト分子線エピタキシー、またはプラズマを使用した分子線エピタキシーとして知られている）は、T Moustakasらによる特許文献２、および非特許文献２に記載されている。通常、デバイスを成長させる際には、これら窒素源のうちの１つのみが用いられる。
【０００５】
プラズマアシスト分子線エピタキシーを使用する利点の一例としては、成長表面において利用可能な活性窒素の数が基板温度に依存しないことが挙げられる。これは、アンモニアを使用する分子線エピタキシーとは対照的である。アンモニアを使用する分子線エピタキシーでは、成長を生じさせるために成長表面上のアンモニア分子を分解する必要があり、この分解が、成長させられる材料のサンプル温度および組成に依存する（非特許文献３）。このため、例えば、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いた場合、アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いた場合よりも低い温度で（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層の成長を行うことができる。このため、例えば、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いた場合、アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いた場合よりもインジウム含有量の多い層を成長させることができる。アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いる利点の一例としては、成長表面に達する原子の化学量論的構成比（stoichiometry）を正確に制御する必要がないため、成長条件のための窓（window）が広くなることが挙げられる。プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いた場合、高品質材料を成長させるための最適成長条件の範囲が非常に狭くなりうる（例えば非特許文献４および非特許文献５を参照）。
【０００６】
プラズマアシスト分子線エピタキシー法およびアンモニアを使用する分子線エピタキシー法はそれぞれ、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系から成るデバイスを製造するために首尾よく用いられてきている。例えば、アンモニアを使用した分子線エピタキシーによって成長させた半導体レーザに関しては非特許文献６を、プラズマアシスト分子線エピタキシーによって成長させた半導体レーザに関しては非特許文献７を参照されたい。
【０００７】
非特許文献８は、アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させたＧａＮの上にプラズマアシスト分子線エピタキシーによって成長させた、ＩｎＧａＮ量子井戸を使用することについて記載している。アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いて活性領域の下に成長させた層の表面粗さは、活性領域の成長に影響を及ぼす。アンモニアを使用した分子線エピタキシーによって成長させた層は、活性領域の一部を形成しない。
【０００８】
非特許文献９は、アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させた層の上へのプラズマアシスト分子線エピタキシーを用いた活性領域の成長について述べている。アンモニアを使用して成長させた分子線エピタキシー層は、活性領域より下のみにおいて用いられる。これらを分離する全ての活性ＩｎＧａＮ層およびＧａＮバリア層は、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】英国特許出願公開第２３２３２０９Ａ号
【特許文献２】米国特許出願公開第５６３３１９２号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Krishnamurthy et al, APL 83,1761（2003）
【非特許文献２】R.C. Powell et al in “Diamond, Silicon Carbide and related wide bandgap semiconductors”, vol.162 edited by J. T. Glass, R. Messier and N. Fujimori (Material Research Society, Pittsburgh,1990) pp. 525-530
【非特許文献３】Mesrine et al (1998) Appl. Phys. Lett 72,350 and Wick et al, J. Vac. Sci. Technol. B23(3) May/Jun 2005
【非特許文献４】Skierbiszeski et al Appl. Phys. Lett. 88, 221108 (2006)
【非特許文献５】Heying et al Appl. Phys. Lett. 77, 2885 (2000)
【非特許文献６】M Kauer et al, Electon. Lett. 41, 23 (2005)
【非特許文献７】Krishnamurthy et al, Appl. Phys. Lett. 83 1761 (2003)
【非特許文献８】H. Tang et al Appl. Phys. Lett. 86, 121110 (2005)
【非特許文献９】M Senes et al Phys Rev B 75, 045314 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料を用いたデバイスは様々な分野で利用されているが、例えば、非特許文献４及び５の方法では、サンプルの均一性が乏しくなり、デバイス歩留まりが低下する可能性があるなど、現在までに報告されている（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料を用いたデバイスの製造方法だけでは十分でなく、新たな製造方法が要求されている。
【００１２】
そこで、本発明の課題は、新たな（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料を用いたデバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一形態によると、基板および活性領域を有する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体デバイスを製造する方法が提供される。当該方法は、上記活性領域を、（ｉ）プラズマアシスト分子線エピタキシーと、（ｉｉ）上記活性領域が成長される温度で上記基板の表面において解離する窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーとの組み合わせを用いて成長させるステップを含んでいる。
【００１４】
具体的な一形態によると、上記方法は、上記活性領域を、プラズマアシスト分子線エピタキシーと、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーとを異なる時点で使用して成長させるステップを含んでいる。
【００１５】
別の形態によると、上記方法は、プラズマアシスト分子線エピタキシーと、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーとを同時に使用して成長させるステップを含んでいる。
【００１６】
別の形態によると、上記活性領域は複数の層を含んでおり、上記方法は、上記複数の層のそれぞれを、プラズマアシスト分子線エピタキシー、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシー、あるいはプラズマと上記窒素含有分子を含むガスとを両方使用した分子線エピタキシーのうちの何れかを用いて成長させるステップを含んでいる。
【００１７】
さらに別の形態によると、上記方法は、上記複数の層のうちの少なくとも１つの層を、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させるステップと、上記複数の層のうちの少なくとも１つの別の層を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップとを含んでいる。
【００１８】
さらに別の形態では、上記方法は、上記複数の層のうちの少なくとも１つの他の層を、プラズマと窒素含有分子を含む上記ガスとの両方を使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップを含んでいる。
【００１９】
なおさらに別の形態では、上記複数の層は、複数の活性層と、当該活性層同士を分離する複数のバリア層とを含んでいる。
【００２０】
別の形態によると、隣接し合う一対の活性層は、１つのバリア層によって分離されており、上記方法は、上記一対の活性層のうちの少なくとも１つを、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させるステップと、上記バリア層を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップとを含んでいる。
【００２１】
さらに別の形態によると、隣接し合う一対の活性層は、少なくとも２つのバリア層によって分離されており、上記方法は、上記少なくとも２つのバリア層のうちの１つ目を、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させるステップと、上記少なくとも２つのバリア層のうちの２つ目を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップとを含んでいる。
【００２２】
別の形態によると、上記窒素含有分子を含むガスはアンモニアを含んでいる。
【００２３】
別の形態によると、上記窒素含有分子を含むガスは、ヒドラジン、ジメチルヒドラジン、フェニルヒドラジン、第３級ブチルアミン、イソプロピルアミン、アジ化水素、エチレンジアミンのうちの少なくとも１つを含んでいる。
【００２４】
別の形態によると、上記プラズマアシスト分子線エピタキシーのプラズマは窒素含有ガスによって供給される。
【００２５】
さらに別の形態によると、上記活性領域は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＮのうちの少なくとも１つから成る。
【００２６】
別の形態によると、上記活性領域内の活性層は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、およびＡｌＧａＩｎＮのうちの少なくとも１つから成り、上記活性領域内のバリア層は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＮおよびＡｌＧａＩｎＮのうちの少なくとも１つから成る。
【００２７】
さらに別の形態では、上記活性層の厚さは１ｎｍ〜５０ｎｍであり、上記バリア層の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００２８】
さらに別の形態によると、上記活性層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍであり、上記バリア層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍである。
【００２９】
別の形態によると、上記半導体デバイスは、発光ダイオードおよび半導体レーザのうちの少なくとも１つである。
【００３０】
別の形態によると、上記活性領域は、０≦x＜１かつ０≦y≦１を満たすＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ量子ドットの少なくとも１つの活性層を含んでいる。
【００３１】
別の形態によると、上記方法は、量子ドットの成長にプラズマアシスト分子線エピタキシーを用いる。
【００３２】
別の形態によると、上記方法は、隣接し合う活性層同士を分離するバリア層を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させるステップを含んでいる。
【００３３】
さらに別の形態では、上記量子ドットを３００℃〜１２００℃の温度で成長させる。
【００３４】
別の形態によると、上記量子ドットを５５０℃〜７５０℃の温度で成長させる。
【００３５】
別の形態によると、上記量子ドットのサイズは３次元全ての方向のサイズがそれぞれ５０ｎｍ未満である。
【００３６】
別の形態によると、上記量子ドットの高さは１０ｎｍ未満である。
【００３７】
さらに別の形態では、上記活性領域内の活性層は、バルク材料、量子井戸および量子細線構造のうちの少なくとも１つを含んでいる。
【００３８】
別の形態によると、本発明に係る方法に従って発光ダイオードが製造される。
【００３９】
別の形態によると、本発明に係る方法に従って半導体レーザが製造される。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、基板および活性領域を有する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体デバイスを製造する方法であって、上記活性領域を、（ｉ）プラズマアシスト分子線エピタキシーと、（ｉｉ）上記活性領域が成長される温度で上記基板の表面において解離する窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーとの組み合わせを用いて成長させるステップを含んでいるので、新たな（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料を用いたデバイスの製造方法を提供できる。
【００４１】
本発明は、上記目的および関連する目的を達成するために、以下に説明されていると共に特許請求の範囲において具体的に指摘されている特徴を含んでいる。以下の説明および添付図面は、本発明の実施形態の例を詳細に示している。しかしこれらの実施形態は、本発明の原理を利用することのできる様々な方法を示すものである。本発明の他の目的、利点、および新規な特徴は、以下の発明の詳細な説明を添付図面と共に考慮することによって明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明において作製される、ＡｌＧａＩｎＮ材料系から成るデバイスの活性領域の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に従って成長させたＡｌＧａＩｎＮ材料系から成る量子ドット発光ダイオードのためのウェハからの平均エレクトロルミネセンス出力と、デバイスの活性領域の成長中にプラズマアシスト分子線エピタキシーのみを用いて成長させたＡｌＧａＩｎＮ材料系から成る量子ドット発光ダイオードのためのウェハからの平均エレクトロルミネセンス出力との比較を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って成長させたＡｌＧａＩｎＮ材料系から成る量子井戸発光ダイオードのためのウェハからの平均エレクトロルミネセンス出力と、デバイスの活性領域の成長中にプラズマアシスト分子線エピタキシーのみを用いて成長させたＡｌＧａＩｎＮ材料系から成る量子井戸発光ダイオードのためのウェハからの平均エレクトロルミネセンス出力との比較を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に従って成長させたＡｌＧａＩｎＮ材料系から成る量子ドット発光デバイスの概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に従って成長させたＡｌＧａＩｎＮ材料系から成る量子ドット半導体レーザデバイスの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明について、図面を参照しながら以下に説明する。これら図面では、同様の箇所を示すために同様の参照符号が用いられている。
【００４４】
本発明のデバイスは、任意の適切な基板上に成長させることができる。これは任意の配向のサファイア、ＧａＮ、シリコン、またはＳｉＣを含むが、これらに限定されるものではない。
【００４５】
本発明は、プラズマアシスト分子線エピタキシーとアンモニアを使用した分子線エピタキシーとの組み合わせを用いて成長させた図１の活性領域１を有する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって製造された半導体デバイス（（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体デバイス）を提供する。図１の活性領域１の各層は、プラズマアシスト分子線エピタキシーのみ、あるいはアンモニアを使用した分子線エピタキシーのみ、あるいはプラズマおよびアンモニアを両方使用した分子線エピタキシー、の何れかを用いて成長される。このように、プラズマアシスト分子線エピタキシーおよびアンモニアを使用した分子線エピタキシーを同時に用いることができ、あるいは別々の時点で用いることもできる。図１の活性領域１の少なくとも１つの層は、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させられ、図１の活性領域１の少なくとも１つの層は、アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させられる。図１の活性領域１は、少なくとも１つの活性層１ａおよび少なくとも１つのバリア層１ｂを含んでいる。活性層１ａとバリア層１ｂとのさらなる組み合わせを活性領域内に含ませて、複数の活性層を有する活性領域を形成することができる。例えば、プラズマアシスト分子線エピタキシーおよびアンモニアを使用した分子線エピタキシーを両方用いて、少なくとも１つの他の層（図示せず）を成長させることができる。なお、プラズマアシスト分子線エピタキシーのプラズマは窒素含有ガスによって供給されることが好ましい。
【００４６】
アンモニアを使用した分子線エピタキシーを用いてバリア層の少なくとも一部を成長させることによって、デバイスの平均光出力が顕著に増大することが分かっている。図２は、活性領域の成長中にプラズマアシスト分子線エピタキシーのみを用いた場合と比較した場合における、本発明を用いて成長させたウェハの量子ドット発光ダイオードデバイスからの平均出力の改善を示している。他の全ての成長の形態は同じである。図３は、活性領域の成長中にプラズマアシスト分子線エピタキシーのみを用いた場合と比較した場合とにおける、本発明を用いて成長させたウェハの量子井戸発光ダイオードデバイスからの平均出力の改善を示している。他の全ての成長の形態は同じである。
【００４７】
活性層は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＧａＩｎＮから成っていてよい。活性層は、バルク層（すなわち量子的性質を示さない）から成っていてよく、あるいは量子ドット、量子細線、または量子井戸から成っていてもよい。活性層は、これらの任意の組み合わせから成っていてもよい。活性層の厚さは、１ｎｍ〜５０ｎｍであってよい。より好ましくは、活性層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍであってよい。２番目（およびそれより後の）活性層の組成および厚さは、１番目（およびそれより後の）（複数の）活性層の厚さおよび組成と同一であってよい。２番目（およびそれより後の）活性層の組成および厚さは、１番目（およびそれより後の）（複数の）活性層の厚さおよび組成と異なっていてよい。
【００４８】
１番目のバリア層は、バリア層のバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きくなるように、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＮ、またはＡｌＧａＩｎＮの層であってよい。（複数の）バリア層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであってよい。より好ましくは、（複数の）バリア層の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍであってよい。２番目の（およびそれより後の）バリア層の組成および厚さは、１番目（およびそれより後の）（複数の）バリア層の厚さおよび組成と同一であってよい。２番目（およびそれより後の）バリア層の組成および厚さは、１番目（およびそれより後の）（複数の）バリア層の厚さおよび組成と異なっていてよい。活性層またはバリア層の何れも、意図的にドープされていなくてもよく、あるいはｎ型またはｐ型ドープされていてもよい。
【００４９】
本発明の第１の実施形態において、図４は、量子ドット活性層を有するデバイスの概略断面図である。本実施形態では、当該デバイスは発光ダイオード１１である。当該デバイスは、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって製造されている。
【００５０】
図４の発光ダイオード１１は、基板層（基板）２を含んでいる。基板層２はサファイア製が好ましい。図４の発光ダイオード１１は、基板層２上に配置されたバッファ層３を含んでいてよい。バッファ層３は、任意の配向の（Ａｌ，Ｇａ）Ｎであってよい。当該バッファ層は、任意の適切な方法によって成長させることができる。図４の発光ダイオード１１では、バッファ層はｎ型ＧａＮである。
【００５１】
図４の発光ダイオード１１は、分子線エピタキシーによって成長されたｎ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層４を含んでいてよい。ｎ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層４は、活性窒素源としてアンモニアを用い、８６０℃の温度で成長させることができる。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層の一部は、６４０℃というより低い温度で成長させることができる。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層は、８６０℃でアニールすることができる。
【００５２】
図４の発光ダイオード１１は、ｎ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層４またはバリア層１ｂ上に配置された、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ量子ドットの活性層１ａを含んでいてよい。ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ量子ドット層は、組成が０≦ｘ＜１および０≦ｙ≦１であってよく、従ってＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＡｌＧａＩｎＮを含んでいる。これら量子ドット活性層の組成は、ｘ＝０および０．７＜ｙ＜０．９５であることが好ましい。これら量子ドットのサイズは、３次元全ての方向のサイズがそれぞれ５０ｎｍ未満であってよい。これら量子ドットのサイズは、高さが１０ｎｍ未満であってよい。これら量子ドットのサイズは、高さが１ｎｍ〜５ｎｍであってよい。これら量子ドットは、意図的にドープされていなくてもよく、あるいはｎ型またはｐ型の何れかにドープされていてもよい。量子ドットは、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させることができる。プラズマ内において、窒素を含有した任意の適切なガスを用いることができる。プラズマは、窒素ガスを用いて供給されることが好ましい。これら量子ドットは、３００℃〜１２００℃の温度で成長させることができる。これら量子ドットは、５５０℃〜７５０℃の温度で成長させることがより好ましい。それより後のバリア層１ｂは、量子ドット層の成長の直後に成長させてもよく、あるいは、表面への金属原子の供給がブロックされる成長中断（growth interrupt）があってもよい。成長中断は、１秒〜１時間であってよい。成長中断は、１分〜５分であってもよい。
【００５３】
これら量子ドットの活性層１ａは、全て同一であってよい。これら量子ドットの活性層１ａは、組成が異なっていてもよい。これら量子ドットの活性層１ａは、厚さが異なっていてもよい。
【００５４】
図４の発光ダイオード１１の活性領域１は、各量子ドットの活性層１ａ上にそれぞれ配置された１つ以上のバリア層１ｂ（本実施形態では（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎバリア層）を含んでいてよい。つまり、複数の活性層と、当該活性層同士を分離する複数のバリア層とを含んでいてもよい。また、このような構造は、換言すれば、隣接し合う一対の活性層は、少なくとも２つのバリア層によって分離された構造といえる。この場合、当該少なくとも２つのバリア層のうちの１つ目を、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させることが好ましく、また、当該少なくとも２つのバリア層のうちの２つ目を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させることが好ましい。なお、隣接し合う一対の活性層は、１つのバリア層によって分離された構造であってもよい。この場合、当該一対の活性層のうちの少なくとも１つを、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させるステップと、バリア層を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させることが好ましい。隣接し合う活性層同士を分離するバリア層を、上記窒素含有分子を含むガスを使用した分子線エピタキシーを用いて成長させることが好ましい。
【００５５】
バリア層１ｂｉは、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させることができる。バリア層１ｂｉのバンドギャップは、活性層１ａのバンドギャップよりも大きくてよい。バリア層１ｂｉは、量子ドットの活性層１ａと同一の温度で成長させることができ、あるいは異なる温度で成長させることもできる。バリア層１ｂｉは、意図的にドープされていなくてもよく、あるいはｎ型またはｐ型ドープされていてもよい。量子ドット活性層の組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ここで０．０５≦ｘ≦０．３）である場合、バリア層の組成はＧａＮであってよい。バリア層１ｂｉの厚さは、１ｎｍより大きく５０ｎｍ未満であってよい。より好ましくは、バリア層１ｂｉの厚さは１ｎｍより大きく１０ｎｍ未満であってよい。バリア層１ｂｉは、８００℃〜１０００℃の温度でアニールしてよく、あるいはアニールしなくてもよい。これらバリア層１ｂｉは、全て同一であってもよい。これらバリア層１ｂｉは、組成が異なっていてもよい。これらバリア層１ｂｉは、厚さが異なっていてもよい。バリア層１ｂｉの直後にバリア層１ｂｉｉを成長させることができ、あるいは、表面への金属原子の供給がブロックされる成長中断があってもよい。成長中断は、１秒〜１時間であってよい。成長中断は、１分〜５分であってもよい。バリア層１ｂｉは、省略することもできる。
【００５６】
図４の発光ダイオード１１の活性領域１は、活性窒素がアンモニアによって供給される１つ以上のバリア層１ｂｉｉ（（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎバリア層）をさらに含んでいてよい。各バリア層１ｂｉｉは、存在している場合は活性層１ａまたはバリア層１ｂｉ上に配置される。バリア層１ｂｉｉの成長温度は、活性層１ａまたはバリア層１ｂｉの何れかと同一であってよく、あるいは異なっていてもよい。バリア層１ｂｉｉの組成は、バリア層１ｂｉの組成と同一であってよく、あるいは異なっていてもよい。バリア層１ｂｉｉは、意図的にドープされていなくてもよく、あるいはｎ型またはｐ型ドープされていてもよい。バリア層１ｂｉｉの厚さは、１ｎｍより大きく５０ｎｍ未満であってよい。より好ましくは、バリア層１ｂｉｉの厚さは１ｎｍより大きく１０ｎｍ未満であってよい。バリア層１ｂｉｉは、８００℃〜１０００℃の温度でアニールしてよく、あるいはアニールしなくてもよい。これらバリア層１ｂｉｉは、全て同一であってよい。これらバリア層１ｂｉｉは、組成が異なっていてもよい。これらバリア層１ｂｉｉは、厚さが異なっていてもよい。
【００５７】
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ量子ドットの活性層１ａ、バリア層１ｂｉ（本実施形態では（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎバリア層）およびバリア層１ｂｉｉは、活性層１ａ、バリア層１ｂｉ、バリア層１ｂｉｉ、活性層１ａ、バリア層１ｂｉ、バリア層１ｂｉｉ、または、活性層１ａ、バリア層１ｂｉｉ、活性層１ａ、バリア層１ｂｉｉの順番で繰り返して、量子ドットの複数の層を有する活性領域を形成することができる。この順番を続けて、量子ドットの活性層１ａの３つ以上の活性層を形成することができる。あるいは、活性領域が有する量子ドットの活性層１ａは１つのみであってもよい。
【００５８】
最後のバリア層１ｂｉ（（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎバリア層）およびバリア層１ｂｉｉは、最後の量子ドットの活性層１ａがｐ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層５と直接接触するように省略してもよい。
【００５９】
図４の発光ダイオード１１は、存在している場合には最後の量子ドットの活性層１ａまたは最後のバリア層１ｂｉｉ上の活性領域上に配置されたｐ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層５を含んでいてよい。ｐ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層５は、例えばマグネシウムによってｐ型ドープされていてよい。ｐ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層５の厚さは、１ｎｍより大きく１ｕｍ未満であってよい。より好ましくは、ｐ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層５の厚さは、１００ｎｍより大きく２００ｎｍ未満であってよい。ｐ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層５は、活性窒素源としてアンモニアを使用した分子線エピタキシーによって成長させることができる。成長温度は、５００℃より高く１２００℃未満であってよい。より好ましくは、成長温度は７００℃より高く１０００℃未満であってよい。
【００６０】
第２の実施形態では、本発明は、量子ドット半導体レーザの成長にも適用することができる。図５は、本発明の一実施形態に係る量子ドットの半導体レーザ１２の概略断面図である。レーザダイオードデバイスの基板層２、バッファ層３、ｎ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層４、活性層１ａ、バリア層１ｂｉ、バリア層１ｂｉｉ、およびｐ型（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層５については、図４の発光ダイオード１１に関して説明した通りである。
【００６１】
さらに、図５の半導体レーザ１２は、バッファ層３上に配置された第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層６と、第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層６上に配置された第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層７と、活性領域１（最後の量子ドットの活性層１ａ上、あるいは、存在している場合には最後の量子ドットキャップのバリア層１ｂｉｉ上の活性領域１）または存在している場合には電子ブロック層８上に配置された第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層９と、第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層９上に配置された第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層１０とを含んでいてよい。
【００６２】
図５の半導体レーザ１２では、第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層６および第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層７は、例えばシリコンによってｎ型ドープされていてよい。第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層９および第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層１０は、例えばマグネシウムによってｐ型ドープされていてよい。
【００６３】
図５の半導体レーザ１２では、第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層６は、０．０１＜ｚ≦１かつ０≦ｙ＜１の組成を持つＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｚ−ｙＮ層とすることができる。第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層６の厚さは、１００ｎｍより大きく２μｍ未満であってよく、好ましくは約１μｍである。第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層１０もまた、０．０１＜ｚ≦１かつ０≦ｙ＜１の組成を持つＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｚ−ｙＮ層とすることができる。第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層１０の厚さは、１００ｎｍより大きく２μｍ未満であってよく、好ましくは約０．５μｍである。
【００６４】
図５の半導体レーザ１２では、第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層７の厚さは１０ｎｍより大きく１μｍ未満であってよく、好ましくは約１６０ｎｍである。第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層７は、０．０１＜ｚ≦１かつ０≦ｙ＜１の組成を持つＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｚ−ｙＮ層とすることができる。第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層９の厚さは、１０ｎｍより大きく１μｍ未満であってよく、好ましくは約１６０ｎｍである。第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層９は、０．０１＜ｚ≦１かつ０≦ｙ＜１の組成を持つＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｚ−ｙＮ層とすることができる。
【００６５】
図５の半導体レーザ１２では、電子ブロック層８は、最後の量子ドットの活性層１ａ上、あるいは、存在している場合には最後の量子ドットキャップのバリア層１ｂｉｉ上に配置することができる。電子ブロック層８のバンドギャップは、バリア層１ｂｉおよびバリア層１ｂｉｉのバンドギャップより大きくてもよい。電子ブロック層８の厚さは、１ｎｍより大きく１００ｎｍ未満であってよい。より好ましくは、電子ブロック層８の厚さは、１ｎｍより大きく１０ｎｍ未満であってよい。電子ブロック層８がＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロック層であるとき、その組成は、０．０１≦ｘ＜１とすることができる。電子ブロック層８がＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロック層であるとき、その組成は、０．０５≦ｘ≦０．２とすることもできる。
【００６６】
図５の半導体レーザの層（第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層６、第１の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層７、電子ブロック層８、第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光ガイド層９、および第２の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎクラッド層１０）は全て、活性窒素源としてアンモニアを使用した分子線エピタキシーによって、６００℃より高く１１００℃未満の温度、好ましくは８５０℃より大きく１０００℃未満の範囲内の温度で成長させることができる。上記成長温度は、層によって異なっていてもよい。
【００６７】
本発明について、量子ドット活性領域を有する実施形態を参照しながら説明した。しかし本発明は、バルク材料、量子井戸および量子細線構造のうちの少なくとも一つを含む活性層を有する活性領域にも同等に適用することができる。これらの活性層は、上記の任意の組み合わせから成っていてもよい。
【００６８】
本発明について、発光ダイオードおよび半導体レーザの実施形態を参照しながら説明した。しかし、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製された活性領域の成長方法の本発明は、これらのデバイスに限定されるものではない。本発明は、このような活性領域を含む任意のデバイスに拡大適用することができる。これは、発光ダイオード、太陽電池、ＶＣＳＥＬ、メモリデバイス、トランジスタ、量子ドットトランジスタ、およびスピントロニクスデバイスを含むが、これらに限定されるものではない。
【００６９】
この発明について、アンモニアを使用した分子線エピタキシーを参照しながら説明した。これは、当業者によって、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料の成長に用いられる温度で基板表面において解離可能な窒素含有分子から成る任意のガスに拡大適用することができる。これは、ヒドラジン、ジメチルヒドラジン、フェニルヒドラジン、第３ブチルアミン、イソプロピルアミン、アジ化水素、エチレンジアミン、およびこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない。
【００７０】
本発明について、好ましい特定の実施形態に関連して図示および説明した。しかし当業者であれば、明細書を読んで理解することによって、同等物および変形例を考案しうることは明らかである。本発明は、そのような全ての同等物および変形例を包含するものであり、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、発光ダイオード、半導体レーザ等のデバイスの製造に利用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１    活性領域
１ａ  活性層
１ｂ、１ｂｉ、１ｂｉｉ  バリア層
２    基板層（基板）
【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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