(57)【要約】【課題】基板面内にオフ角のばらつきを有するＧａＮ基板を使用して、活性層におけるＩｎ組成のばらつきを低減することができるエピタキシャル基板、及びエピタキシャル基板の製造方法を提供する。【解決手段】エピタキシャル基板１は、ＧａＮ結晶のｃ面または−ｃ面に対して傾斜した主面１０ａを有するＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上に設けられたＩｎＧａＮ井戸層２３ａを有する活性層２３とを備える。主面１０ａの面内における、ｃ面または−ｃ面と主面１０ａとのなす角（オフ角）の分布の中心値は１５°以上６０°以下の範囲内にあり、主面１０ａの面内におけるオフ角の最大値と最小値との差は０．３°以上である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム結晶の（０００１）面または（０００−１）面に対して傾斜した主面を有する窒化ガリウム基板と、
前記窒化ガリウム基板の前記主面上に設けられ、インジウムを含む一又は複数のIII−Ｖ族化合物半導体層を有する活性層と
を備え、
前記主面の面内における、（０００１）面または（０００−１）面と前記主面とのなす角αの分布の中心値が１５°以上６０°以下の範囲内にあり、
前記主面の面内における前記角αの最大値と最小値との差が０．３°以上であることを特徴とする、エピタキシャル基板。
【請求項２】
前記III−Ｖ族化合物半導体層のフォトルミネッセンス波長の面内分布の標準偏差が２［ｎｍ］より小さいことを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項３】
前記III−Ｖ族化合物半導体層のフォトルミネッセンス波長のピーク波長が４００［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載のエピタキシャル基板。
【請求項４】
（０００１）面または（０００−１）面に対する前記主面の傾斜の向きが［１１−２０］方向に対して±７．５°以内にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
【請求項５】
（０００１）面または（０００−１）面に対する前記主面の傾斜の向きが［１−１００］方向に対して±７．５°以内にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
【請求項６】
前記主面の曲率半径が１０［ｍ］以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
【請求項７】
前記窒化ガリウム基板の形状が略円板状であり、該円板の半径が２０［ｍｍ］以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
【請求項８】
前記主面の面積が７．８［ｃｍ2］以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
【請求項９】
前記活性層が、前記III−Ｖ族化合物半導体層を井戸層とする量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
【請求項１０】
窒化ガリウム結晶の（０００１）面または（０００−１）面に対して傾斜した主面を有する窒化ガリウム基板の該主面上に、インジウムを含む一又は複数のIII−Ｖ族化合物半導体層を有する活性層をエピタキシャル成長させる工程を備え、
前記主面の面内における、（０００１）面または（０００−１）面と前記主面とのなす角αの分布の中心値が１５°以上６０°以下の範囲内にあり、
前記主面の面内における前記角αの最大値と最小値との差が０．３°以上であることを特徴とする、エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１１】
前記活性層をエピタキシャル成長させる前に、前記窒化ガリウム基板の温度を９００℃以上とし、成長炉内にアンモニアガスを１［ｓｌｍ（標準リットル毎分）］以上供給することにより前記窒化ガリウム基板の前処理を行うことを特徴とする、請求項１０に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１２】
（０００１）面または（０００−１）面に対する前記主面の傾斜の向きが［１１−２０］方向に対して±７．５°以内にあることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１３】
（０００１）面または（０００−１）面に対する前記主面の傾斜の向きが［１−１００］方向に対して±７．５°以内にあることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１４】
前記主面の曲率半径が１０［ｍ］以下であることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１５】
前記窒化ガリウム基板の形状が略円板状であり、該円板の半径が２０［ｍｍ］以上であることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１６】
前記主面の面積が７．８［ｃｍ2］以上であることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１７】
前記活性層として、前記III−Ｖ族化合物半導体層を井戸層とする量子井戸構造を形成することを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル基板及びエピタキシャル基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、III−Ｖ族化合物系の半導体発光素子として、インジウム（Ｉｎ）やガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）等を組成中に含むIII−Ｖ族化合物半導体によって形成された活性層を窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上に有するものがある。特許文献１には、このような活性層をエピタキシャル成長させるのに好適なＧａＮ自立基板の例が記載されている。このＧａＮ自立基板は、基板表面に垂直な結晶方位がｃ軸方向から０．０９°以上傾斜しており、基板面内におけるその傾きのばらつきが±１°以内とされている。また、非特許文献１には、ＧａＮ基板のｃ面と基板表面とのなす角（オフ角）が０．２２°、０．８２°、及び２．３°といった小さな角度である場合に、オフ角の増加が該基板上に成長するＩｎＧａＮ半導体層のＩｎ濃度の減少を招くことが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−３５０３１５号公報
【非特許文献１】M. Krysko et al.,“Correlation between luminescence and compositional striations in InGaN layersgrown on miscut GaN substrates”, Applied Physics Letters, American Institute ofPhysics, Volume 91, 211904 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
活性層がＩｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体（例えばＩｎＧａＮなど）によって構成される半導体発光素子を作製する際には、該活性層を基板（ウェハ）上にエピタキシャル成長させる際に、基板面内におけるＩｎ組成のばらつきを抑えることが望ましい。基板面内においてＩｎ組成が大きくばらつくと、この基板から得られる複数の半導体発光素子の間に発光波長のばらつきが生じてしまうからである。また、非特許文献１に記載されているように、ＧａＮ基板のｃ面に対する基板表面のオフ角によって、ＧａＮ基板上に成長するＩｎＧａＮ半導体層のＩｎ組成は変化する。したがって、一般的には、特許文献１に記載されているように、基板面内におけるオフ角のばらつきを小さく抑えることでこのようなＩｎ組成の面内ばらつきを低減する方法が採られている。
【０００４】
しかしながら、このようにオフ角のばらつきが小さいＧａＮ基板を得ることは現在でもなお困難である。例えば、ＧａＮ基板の元となるＧａＮ結晶塊（インゴット）を成長させる際の成長軸の反りや、或いはインゴットから切り出した後に反りが生じたＧａＮ基板の表面を平坦に研磨することが原因となって、ＧａＮ基板の面内にはオフ角のばらつきが必ず生じてしまう。また、このようなＧａＮ基板の面内におけるオフ角のばらつきを小さく抑えようとすると、ＧａＮ基板の大きさが制限されてしまい生産効率が抑制される一因となる。
【０００５】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、基板面内にオフ角のばらつきを有するＧａＮ基板を使用して、活性層におけるＩｎ組成のばらつきを低減することができるエピタキシャル基板、及びエピタキシャル基板の製造方法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】
【０００６】
上記した課題を解決するために、本発明によるエピタキシャル基板は、窒化ガリウム結晶の（０００１）面または（０００−１）面に対して傾斜した主面を有する窒化ガリウム基板と、窒化ガリウム基板の主面上に設けられ、インジウムを含む一又は複数のIII−Ｖ族化合物半導体層を有する活性層とを備え、主面の面内における、（０００１）面または（０００−１）面と主面とのなす角αの分布の中心値が１５°以上６０°以下の範囲内にあり、主面の面内における角αの最大値と最小値との差が０．３°以上であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明によるエピタキシャル基板の製造方法は、窒化ガリウム結晶の（０００１）面または（０００−１）面に対して傾斜した主面を有する窒化ガリウム基板の該主面上に、インジウムを含む一又は複数のIII−Ｖ族化合物半導体層を有する活性層をエピタキシャル成長させる工程を備え、主面の面内における、（０００１）面または（０００−１）面と主面とのなす角αの分布の中心値が１５°以上６０°以下の範囲内にあり、主面の面内における角αの最大値と最小値との差が０．３°以上であることを特徴とする。
【０００８】
上記したエピタキシャル基板及びエピタキシャル基板の製造方法においては、（０００１）面または（０００−１）面と主面とのなす角（オフ角）αの面内分布の中心値が１５°以上６０°以下の範囲内にあるＧａＮ基板を使用している。本発明者は、オフ角αの中心値がこの範囲に含まれるＧａＮ基板においては、この範囲外のオフ角を有するＧａＮ基板と比較して、その主面上に成長するIII−Ｖ族化合物半導体層のＩｎ組成のオフ角に対する変化率が顕著に低下することを見出した。なお、本発明者の推測によれば、ＧａＮ基板の主面に現れる原子ステップがＩｎ組成の変化と関係しており、原子ステップが密であるほど（すなわち、オフ角が４５°に近いほど）、オフ角の変化に対するＩｎ組成の変化が小さいと考えられる。したがって、上記したエピタキシャル基板及びエピタキシャル基板の製造方法によれば、ＧａＮ基板の面内におけるオフ角αの最大値と最小値との差が０．３°以上あるような、オフ角の面内ばらつきの大きいＧａＮ基板を使用した場合でも、活性層のIII−Ｖ族化合物半導体層におけるＩｎ組成のばらつきを低減することができる。
【０００９】
また、エピタキシャル基板は、III−Ｖ族化合物半導体層のフォトルミネッセンス波長の面内分布の標準偏差が２［ｎｍ］より小さいことを特徴としてもよい。上記したエピタキシャル基板によれば、このようにフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長の面内ばらつきが極めて小さいIII−Ｖ族化合物半導体層を有する活性層を好適に実現できる。
【００１０】
また、エピタキシャル基板は、III−Ｖ族化合物半導体層のフォトルミネッセンス波長のピーク波長が４００［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の範囲にあることを特徴としてもよい。上記したエピタキシャル基板によれば、このような青色ないし緑色のＰＬ波長を有するIII−Ｖ族化合物半導体層（活性層）においても、ＰＬ波長の面内ばらつきを極めて小さくすることができる。
【００１１】
また、エピタキシャル基板の製造方法は、活性層をエピタキシャル成長させる前に、窒化ガリウム基板の温度を９００℃以上とし、成長炉内にアンモニアガスを１［ｓｌｍ（標準リットル毎分）］以上供給することにより窒化ガリウム基板の前処理を行うことを特徴としてもよい。このような前処理（サーマルクリーニング）を行うことにより、ＧａＮ基板の主面において原子ステップを効果的に出現させ、III−Ｖ族化合物半導体層におけるＩｎ組成のばらつきを更に低減することができる。
【００１２】
また、エピタキシャル基板又はその製造方法は、（０００１）面または（０００−１）面に対する主面の傾斜の向きが［１１−２０］方向に対して±７．５°以内にあることを特徴としてもよい。或いは、エピタキシャル基板又はその製造方法は、（０００１）面または（０００−１）面に対する主面の傾斜の向きが［１−１００］方向に対して±７．５°以内にあることを特徴としてもよい。これらの傾斜を有するＧａＮ基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより、オフ角の変化に対するＩｎ組成の変化を抑え、基板面内におけるＩｎ組成のばらつきを効果的に低減できる。また、（０００１）面または（０００−１）面に対する主面の傾斜の向きを［１１−２０］方向または［１−１００］方向に近づけておくことで、Ｘ線回折による品質管理を容易にできる。
【００１３】
また、エピタキシャル基板又はその製造方法においては、主面の曲率半径が１０［ｍ］以下であってもよい。エピタキシャル基板の曲率半径とオフ角の面内分布との間には相関があり、曲率半径が１０［ｍ］以下の基板ではオフ角の面内ばらつきが大きくなってしまう。上記したエピタキシャル基板又はその製造方法による効果は、このようにオフ角の面内ばらつきが大きい場合に特に顕著となる。
【００１４】
また、エピタキシャル基板又はその製造方法は、窒化ガリウム基板の形状が略円板状であり、該円板の半径が２０［ｍｍ］以上であることを特徴としてもよい。或いは、エピタキシャル基板又はその製造方法は、主面の面積が７．８［ｃｍ2］以上であることを特徴としてもよい。上記したエピタキシャル基板又はその製造方法によれば、このように主面の面積が大きいＧａＮ基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層（活性層）を成長させる場合でも、該III−Ｖ族化合物半導体層におけるＩｎ組成のばらつきを効果的に低減することができる。
【００１５】
また、エピタキシャル基板は、活性層が、III−Ｖ族化合物半導体層を井戸層とする量子井戸構造を有することを特徴としてもよい。同様に、エピタキシャル基板の製造方法は、活性層として、III−Ｖ族化合物半導体層を井戸層とする量子井戸構造を形成することを特徴としてもよい。これにより、発光効率の優れた半導体発光素子をこのエピタキシャル基板から作製できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によるエピタキシャル基板及びエピタキシャル基板の製造方法によれば、基板面内にオフ角のばらつきを有するＧａＮ基板を使用して、活性層におけるＩｎ組成のばらつきを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるエピタキシャル基板及びエピタキシャル基板の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１（ａ）は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の外観を示す斜視図である。また、図１（ｂ）は、エピタキシャル基板１のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す側断面図である。エピタキシャル基板１は、例えば面発光の発光ダイオードとなる層構造を有している。エピタキシャル基板１は、主面１０ａを有するｎ型ＧａＮ基板１０と、ｎ型ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上に設けられた半導体積層部２０とを備えている。
【００１９】
ＧａＮ基板１０は略円板状といった形状を有している。また、ＧａＮ基板１０の半径は２０［ｍｍ］以上であり、ＧａＮ単結晶基板としては比較的大きいものである。なお、ＧａＮ基板が矩形板状といった他の形状を有する場合であっても、主面の面積は７．８［ｃｍ2］以上（すなわち、半径２０［ｍｍ］以上の円形基板から矩形状に切り出した面積以上）であることが望ましい。ｎ型ＧａＮ基板１０の主面１０ａは、（０００１）面すなわちｃ面または（０００−１）面すなわち−ｃ面に対して傾斜しており、その傾斜角α（いわゆるオフ角）は、ｃ面または−ｃ面に対し１５°以上６０°以下の範囲に含まれる。より正確には、主面１０ａの面内においてオフ角αにはばらつきがあり、その中心値が１５°以上６０°以下の範囲に含まれる。本実施形態では主面１０ａの面内におけるオフ角αのばらつきは相当程度許容され、主面１０ａの面内におけるオフ角αの最大値と最小値との差は０．３°以上である。なお、このオフ角αは、図１（ｂ）に示すように、主面１０ａの面内の任意箇所における［０００１］軸（または［０００−１］軸）と主面１０ａの法線方向とのなす角としても定義される。
【００２０】
また、このＧａＮ基板１０において、ｃ面または−ｃ面に対する主面１０ａの傾斜の向きは、［１１−２０］方向に対して±７．５°以内にあるか、或いは［１−１００］方向に対して±７．５°以内にあることが望ましい。また、主面１０ａの曲率半径は１０［ｍ］以下であってもよい。
【００２１】
図２は、半導体積層部２０の構成を示す側断面図である。半導体積層部２０は、ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１といったｎ型窒化ガリウム系半導体層と、多重量子井戸構造を有する活性層２３と、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５及び２６と、ｐ型ＧａＮ半導体層２７といったｐ型窒化ガリウム系半導体層とを備えている。活性層２３は、ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１上に設けられている。ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５は活性層２３上に設けられており、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２６はｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５上に設けられている。ｐ型ＧａＮ半導体層２７は、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２６上に設けられている。このエピタキシャル基板１を使用した半導体発光素子の作製工程において、ｐ型ＧａＮ半導体層２７の表面には電極（アノード）が設けられる。この電極とｐ型ＧａＮ半導体層２７との接触は、好ましくはオーミック接触である。
【００２２】
ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１は、下部クラッド層或いはバッファ層として機能する。ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１の厚さは、例えば２０００［ｎｍ］であり、そのＡｌ組成は例えば４％である。また、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５とｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２６との相違はＡｌ組成である。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５のＡｌ組成は１５％であり、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２６のＡｌ組成は６％である。ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５の厚さは例えば２０［ｎｍ］であり、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２６の厚さは例えば４００［ｎｍ］である。ｐ型ＧａＮ半導体層２７は、アノード電極と電気的に導通するためのコンタクト層として機能する。ｐ型ＧａＮ半導体層２７の厚さは、例えば５０［ｎｍ］である。
【００２３】
活性層２３は、交互に積層されたＩｎＧａＮ井戸層２３ａおよびバリア層（障壁層）２３ｂを含む。井戸層２３ａは、Ｉｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体層であり、例えばＩｎＧａＮからなることができる。なお、井戸層２３ａはＩｎＧａＮに限らず、例えばＩｎＡｌＧａＮによって構成されてもよい。
【００２４】
バリア層２３ｂは、III−Ｖ族化合物半導体からなり、例えば井戸層２３ａのＩｎ組成よりも少ないＩｎ組成のＩｎＧａＮからなることができる。井戸層２３ａのＩｎ組成は、波長４００［ｎｍ］〜５５０［ｎｍ］に相当する７％以上３５％以下の範囲に含まれることが好ましく、例えば８％である。また、バリア層２３ｂのＩｎ組成は井戸層２３ａより小さく、例えば０．１％である。なお、バリア層２３ｂの材料としては、必要な場合にはＧａＮであることができる。活性層２３の構造は、多重の量子井戸構造に限定されることなく、単一の量子井戸構造からなることもできる。井戸層２３ａの一層毎の厚さは２［ｎｍ］以上６［ｎｍ］以下であることが好ましく、例えば３［ｎｍ］である。バリア層２３ｂの厚さは井戸層２３ａより厚いことが好ましく、バリア層２３ｂの一層毎の厚さは例えば１５［ｎｍ］である。
【００２５】
このような井戸層２３ａの組成によって、井戸層２３ａのＰＬ波長のピーク波長は４００［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下といった青色ないし緑色の波長範囲に含まれることとなる。また、発光波長の単色性を高めるため、井戸層２３ａのＰＬ波長の面内分布の標準偏差σは可能な限り小さいことが好ましく、好適には２［ｎｍ］より小さいと良い。
【００２６】
エピタキシャル基板１はＩｎＧａＮガイド層２２，２４を更に含む。ＩｎＧａＮガイド層２２はｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１と活性層２３との間に設けられており、ＩｎＧａＮガイド層２４は活性層２３とｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５との間に設けられている。ＩｎＧａＮガイド層２２，２４のＩｎ組成は井戸層２３ａより小さく設定され、例えば１．５％である。ＩｎＧａＮガイド層２２，２４の厚さは例えば１００［ｎｍ］である。
【００２７】
図３は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の製造方法の主要な工程を示すフローチャートである。また、図４〜図６は、図３に示した各工程を説明するための図である。なお、以下に説明する各半導体層の成長工程においては、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）炉を用いて好適に行うことができる。
【００２８】
まず、図３の工程Ｓ１０１では、図４（ａ）に示すように、ｃ面または−ｃ面に対しオフ角を有する主面１０ａを含むウェハ状のｎ型ＧａＮ基板１０を準備する。次に、工程Ｓ１０３において、ｎ型ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上に半導体積層部を形成することにより、エピタキシャル基板を製造する。まず、工程Ｓ１０３ａでは、ＧａＮ基板１０の前処理としてサーマルクリーニングを行う。すなわち、ＧａＮ基板１０を成長炉に搬入してｎ型ＧａＮ基板１０の基板温度が９００℃以上となるまでｎ型ＧａＮ基板１０を加熱し、該成長炉内にアンモニア（ＮＨ3）ガスを１［ｓｌｍ（標準リットル毎分）］以上供給する。一実施例としては、ＧａＮ基板１０を成長炉に搬入した後、ｎ型ＧａＮ基板１０の基板温度を１０５０℃とし、成長炉内に１［ｓｌｍ］以上のＮＨ3ガスとＨ2ガスとを１０分間供給するとよい。この前処理によって、ＧａＮ基板１０の主面１０ａにおいて原子ステップが明瞭に現れる。
【００２９】
次に、工程Ｓ１０３ｂでは、図４（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上にｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１、およびアンドープＩｎＧａＮガイド層２２をエピタキシャル成長させる。ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１は例えばクラッド層である。具体的には、成長炉内にＧａ原料ガス（例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ））、Ａｌ原料ガス（例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ））、Ｎ原料ガス（例えばアンモニア（ＮＨ3））、ｎ型ドーパント原料ガス（例えばシラン（ＳｉＨ4））を供給することにより、ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１を成長させる。その後、Ｎ原料ガス以外の原料ガスの供給を停止してｎ型ＧａＮ基板１０の基板温度を１１００℃まで上昇させたのち、Ｎ原料ガスに加えてＧａ原料ガス及びＩｎ原料ガス（例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ））を供給して、アンドープＩｎＧａＮガイド層２２を成長させる。これらの各層の好適な厚さは、例えばｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１が２０００［ｎｍ］、アンドープＩｎＧａＮガイド層２２が１００［ｎｍ］である。また、ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層２１のＡｌ組成の好適な値は例えば４％であり、アンドープＩｎＧａＮガイド層２２のＩｎ組成の好適な値は例えば１．５％である。
【００３０】
続く工程Ｓ１０３ｃでは、バリア層および井戸層を交互に成長させることにより、量子井戸構造を有する活性層をアンドープＩｎＧａＮガイド層２２上に形成する。まず、図５（ａ）に示すように、一つのバリア層２３ｂをアンドープＩｎＧａＮガイド層２２上にエピタキシャル成長させる。具体的には、Ｎ原料ガス以外の原料ガスの供給を停止してｎ型ＧａＮ基板１０の基板温度を７００℃〜８００℃まで下げたのち、Ｎ原料ガスに加えてＧａ原料ガス及びＩｎ原料ガスを反応炉内に再び供給して、ＩｎＧａＮ結晶からなるバリア層２３ｂを成長させる。なお、このとき、Ｉｎ原料ガスを供給せずにＧａＮからなるバリア層２３ｂを成長させてもよい。バリア層２３ｂの厚さは例えば１５［ｎｍ］であり、バリア層２３ｂのＩｎ組成は例えば０．１％である。
【００３１】
続いて、バリア層２３ｂとは組成が異なるＩｎＧａＮ結晶をバリア層２３ｂ上に成長させることにより、図５（ｂ）に示す井戸層２３ａを形成する。具体的には、Ｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス及びＩｎ原料ガスを反応炉内に供給して、ＩｎＧａＮ井戸層２３ａをバリア層２３ｂ上にエピタキシャル成長させる。井戸層２３ａの厚さは例えば３［ｎｍ］であり、また井戸層２３ａのＩｎ組成は７％以上３５％以下の範囲に含まれることが好ましく、例えば８％である。
【００３２】
その後、図６（ａ）に示すように、バリア層２３ｂ及び井戸層２３ａを上記と同様の方法により交互に成長させることによって、３周期の多重量子井戸構造からなる活性層２３を形成する。
【００３３】
続く工程Ｓ１０３ｄでは、図６（ｂ）に示すように、アンドープＩｎＧａＮガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５及び２６、並びにｐ型ＧａＮ半導体層２７を活性層２３上にエピタキシャル成長させる。ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５及び２６は例えばクラッド層であり、ｐ型ＧａＮ半導体層２７は例えばコンタクト層である。
【００３４】
具体的には、反応炉内にＮ原料ガス、Ｇａ原料ガス及びＩｎ原料ガスを供給してＩｎＧａＮガイド層２４を活性層２３上にエピタキシャル成長させたのち、Ｎ原料ガス以外の原料ガスの供給を停止してｎ型ＧａＮ基板１０の基板温度を１０００℃まで上昇させる。そして、成長炉内にＧａ原料ガス、Ａｌ原料ガス、Ｎ原料ガス、およびｐ型ドーパント原料ガス（例えばＣＰ２Ｍｇ）を供給することにより、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５及び２６を成長させる。このとき、原料ガスの流量を変化させることにより、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５のＡｌ組成を例えば１５％とし、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２６のＡｌ組成を例えば６％とする。その後、Ａｌ原料ガスの供給を停止し、Ｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス及びｐ型ドーパント原料ガスのみ供給してｐ型ＧａＮ半導体層２７を成長させる。
【００３５】
なお、これらの各層の厚さは、例えばＩｎＧａＮガイド層２４が１００［ｎｍ］、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２５が２０［ｎｍ］、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層２６が４００［ｎｍ］、ｐ型ＧａＮ半導体層２７が５０［ｎｍ］である。また、ＩｎＧａＮガイド層２４の好適なＩｎ組成は例えば１．５％である。以上の工程により、図１に示したエピタキシャル基板１が完成する。
【００３６】
なお、このエピタキシャル基板１から半導体発光素子を作製する際には、エピタキシャル基板１のｐ型ＧａＮ半導体層２７上に半透明電極（アノード電極）を形成する。更に、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面上に別の電極（カソード電極）を形成する。最後に、このエピタキシャル基板１をチップ状に分割することにより、面発光型の発光ダイオードといった半導体発光素子が完成する。
【００３７】
本実施形態に係るエピタキシャル基板１及びその製造方法により得られる効果について説明する。まず、ＧａＮ基板のオフ角と、該基板上に成長するIII−Ｖ族化合物半導体層のＩｎ組成との関係について実験を行った結果について詳述する。本発明者は、オフ角が異なる複数のＧａＮ基板を用意し、ＭＯＣＶＤ法によりＩｎＧａＮ半導体層を各ＧａＮ基板上に成長した。表１は、本実験において使用したＧａＮ基板のオフ角を示す表である。表１には、１０枚のＧａＮ基板Ａ〜Ｋのｃ面に対するオフ角として、［１１−２０］方向へのオフ角（傾斜角）、および［１−１００］方向へのオフ角（傾斜角）が示されている。なお、この表１において、オフ角１８０°は−ｃ面を指す。
【表１】
2009238772.tif 000003
【００３８】
この実験では、表１に示されたＧａＮ基板Ａ〜Ｋを成長炉内のサセプタ上に並べて配置し、各ＧａＮ基板Ａ〜Ｋ上へのＩｎＧａＮ半導体層のエピタキシャル成長を同時に行った。具体的には、成長炉内の圧力が１０１［ｋＰａ］となるように制御しながら成長炉内にＮＨ3ガス及びＨ2ガスを導入し、ＧａＮ基板Ａ〜Ｋの基板温度を１０５０℃まで上昇させてサーマルクリーニングを１０分間行った。その後、成長炉内にＴＭＧａ、ＮＨ3及びＳｉＨ4を導入し、成長速度を毎時４［μｍ］としてｎ型ＧａＮバッファ層を２０００［ｎｍ］の厚さに成長させた。次に、ＧａＮ基板Ａ〜Ｋの基板温度を７５０℃まで下げ、導入ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を追加してＩｎＧａＮ半導体層を５０［ｎｍ］成長させたのち、ＧａＮ基板Ａ〜Ｋを降温させた。
【００３９】
その後、ＧａＮ基板Ａ〜Ｋを成長炉内から取り出し、ＩｎＧａＮ半導体層に対しＸ線回折測定を行うことによりＩｎＧａＮ半導体層のＩｎ組成を測定した。図７は、この測定の結果得られたＩｎ組成と、［１１−２０］方向へのオフ角との関係を示すグラフである。なお、図７において、オフ角０°とは主面がｃ面と一致する場合を示しており、オフ角１８０°とは主面が−ｃ面と一致する場合を示している。図７に示すように、各ＧａＮ基板Ａ〜ＫのＩｎＧａＮ半導体層を全く同一の条件下で成長させたにもかかわらず、各ＧａＮ基板Ａ〜ＫにおいてＩｎＧａＮ半導体層のＩｎ組成には大きな違いがあることがわかった。すなわち、ｃ面に対するオフ角が０°または１８０°に近い場合、具体的には０°〜１５°の範囲および１２０°〜１６５°の範囲では、Ｉｎ組成のオフ角依存性が極めて高く、オフ角の僅かな変化でもＩｎ組成が大きく変動してしまう。また、ｃ面に対するオフ角が９０°に近い場合、具体的には６０°〜１２０°の範囲であっても、０°や１８０°に近い場合と同様にＩｎ組成のオフ角依存性が高いことが判明した。前述したように、ＧａＮ基板の面内にはオフ角のばらつきが不可避的に存在するので、これらの角度範囲に含まれるオフ角を有するＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ半導体層を成長させた場合、基板面内におけるＩｎ組成のばらつきが大きくなり、その結果ＰＬ波長のばらつきが大きくなってしまう。
【００４０】
一方、ｃ面に対するオフ角が１５°以上６０°以下の範囲である場合、並びに１２０°以上１６５°以下の範囲（換言すると、−ｃ面に対するオフ角が１５°以上６０°以下の範囲）である場合には、Ｉｎ組成のオフ角依存性が小さいことがわかった。本発明者の推測によれば、ＧａＮ基板の主面に現れる原子ステップがＩｎ組成の変化と関係しており、原子ステップが密であるほど（すなわち、ｃ面に対するオフ角が４５°又は１３５°に近いほど）、オフ角の変化に対するＩｎ組成の変化が小さいと考えられる。したがって、このような角度範囲に含まれるオフ角を有するＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ半導体層を成長させることにより、ＧａＮ基板の面内におけるオフ角のばらつきに対してＩｎ組成のばらつきを抑え、ＰＬ波長のばらつきを低減することが可能となる。なお、図７では［１１−２０］方向へのオフ角とＩｎ組成との関係について示したが、［１−１００］方向へのオフ角とＩｎ組成との関係についてもほぼ同様の結果が得られた。また、この実験ではＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ半導体層を成長させた場合のＩｎ組成について調べたが、ＩｎＧａＮに限らず、Ｉｎを含む他のIII−Ｖ族化合物半導体層をＧａＮ基板上に成長させた場合においても、このような結果になると考えられる。
【００４１】
本実施形態のエピタキシャル基板１及びその製造方法においては、ｃ面または−ｃ面と主面１０ａとのなす角（オフ角）の面内分布の中心値が１５°以上６０°以下の範囲内にあるＧａＮ基板１０を使用している。これにより、その主面１０ａ上に成長するIII−Ｖ族化合物半導体層であるＩｎＧａＮ井戸層２３ａのＩｎ組成のばらつきを低減することができる。したがって、面内におけるオフ角の最大値と最小値との差が０．３°以上あるような、オフ角の面内ばらつきの大きいＧａＮ基板を使用した場合でもＩｎＧａＮ井戸層２３ａのＩｎ組成のばらつきが抑制されるので、オフ角のばらつきが小さい特別なＧａＮ基板を使用せずとも半導体発光素子の発光波長のばらつきを効果的に抑えることができる。
【００４２】
また、前述したように、本実施形態のエピタキシャル基板１においては、ＩｎＧａＮ井戸層２３ａのＰＬ波長の面内分布の標準偏差σが２［ｎｍ］より小さいことが好ましい。本実施形態に係るエピタキシャル基板１及びその製造方法によれば、ｃ面または−ｃ面に対するオフ角の面内分布の中心値が１５°以上６０°以下の範囲内にあるＧａＮ基板１０を使用することによって、このようにＰＬ波長の面内ばらつきが極めて小さいＩｎＧａＮ井戸層２３ａを好適に実現できる。
【００４３】
また、本実施形態のエピタキシャル基板１は、ＩｎＧａＮ井戸層２３ａのＰＬ波長のピーク波長が４００［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の範囲にある。本実施形態に係るエピタキシャル基板１及びその製造方法によれば、このような青色ないし緑色のＰＬ波長を有するＩｎＧａＮ井戸層２３ａにおいても、ＰＬ波長の面内ばらつきを極めて小さくすることができる。
【００４４】
また、本実施形態のように、エピタキシャル基板１を製造する際には、ＧａＮ基板１０の温度を９００℃以上とし、成長炉内にＮＨ3ガスを１［ｓｌｍ］以上供給することによりＧａＮ基板の前処理を行うことが好ましい。このような前処理（サーマルクリーニング）を行うことにより、ＧａＮ基板１０の主面１０ａにおいて原子ステップを効果的に出現させ、ＩｎＧａＮ井戸層２３ａにおけるＩｎ組成のばらつきを更に低減することができる。
【００４５】
また、本実施形態のように、ＧａＮ基板１０の形状が略円板状である場合には、該円板の半径が２０［ｍｍ］以上であることが好ましい。或いは、ＧａＮ基板１０が他の形状を有する場合であっても、主面の面積が７．８［ｃｍ2］以上であることが好ましい。本実施形態に係るエピタキシャル基板１及びその製造方法によれば、このように主面１０ａの面積が大きいＧａＮ基板１０上にＩｎＧａＮ井戸層２３ａを成長させる場合においても、ＩｎＧａＮ井戸層２３ａにおけるＩｎ組成のばらつきを効果的に低減することができる。したがって、このエピタキシャル基板１から生産される半導体発光素子の生産効率を高めることができる。
【００４６】
また、本実施形態のように、活性層２３は、ＩｎＧａＮ井戸層２３ａを含む量子井戸構造を有することが好ましい。これにより、発光効率の優れた半導体発光素子をこのエピタキシャル基板１から作製できる。
【００４７】
［実施例］
次に、オフ角を有するＧａＮ基板を使用してエピタキシャル基板（波長４０５［ｎｍ］）を作製した実施例について説明する。本実施例において使用したＧａＮ基板は、以下の表２及び表３に示す２インチの自立ＧａＮ基板Ｌ〜Ｎである。なお、表２は、自立ＧａＮ基板Ｌ〜Ｎの主面の中心における［１１−２０］方向へのオフ角（傾斜角）と、当該ＧａＮ基板の面内における［１１−２０］方向へのオフ角の最大値および最小値とを示している。また、表３は、自立ＧａＮ基板Ｌ〜Ｎの主面の中心における［１−１００］方向へのオフ角（傾斜角）と、当該ＧａＮ基板の面内における［１−１００］方向へのオフ角の最大値および最小値とを示している。
【表２】
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【表３】
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【００４８】
本実施例における半導体積層部の成長手順を以下に説明する。なお、ＩｎＧａＮ井戸層やＡｌＧａＮクラッド層へのＩｎ及びＡｌの取り込み量がオフ角によって異なるため、各ＧａＮ基板Ｌ〜Ｎの半導体積層部の成長工程をそれぞれ個別に行い、各ＧａＮ基板Ｌ〜Ｎの活性層の成長温度を調整して、所望の組成が得られるようにした。
【００４９】
まず、ＧａＮ基板Ｌ（またはＭ，Ｎ）を成長炉内のサセプタ上に載せ、成長炉内の圧力を１０１［ｋＰａ］に制御しながらＮＨ3ガス及びＨ2ガスを成長炉内に導入し、基板温度を１０５０℃として１０分間のサーマルクリーニングを行った。次に、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3、及びＳｉＨ4を成長炉内に導入して、Ａｌ組成４％のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を２０００［ｎｍ］の厚さに成長させた。その後、ＮＨ3を除く他の原料ガスの供給を停止し、基板温度を１１００℃まで上昇させ、ＴＭＧａ及びＳｉＨ4を再び供給して、Ｉｎ組成１．５％のアンドープＩｎＧａＮガイド層を１００［ｎｍ］の厚さに成長させた。
【００５０】
次に、ＮＨ3を除く他の原料ガスの供給を停止し、基板温度を７００〜８００℃まで下げたのち、ＴＭＧａ及びＴＭＩｎを成長炉内に導入して、Ｉｎ組成０．１％のＩｎＧａＮバリア層（厚さ１５［ｎｍ］）およびＩｎ組成８％のＩｎＧａＮ井戸層（厚さ３［ｎｍ］）からなる３周期の多重量子井戸構造を備える発光層（活性層）を成長させた。続いて、Ｉｎ組成１．５％のアンドープＩｎＧａＮガイド層を１００［ｎｍ］の厚さに成長させた。ＮＨ3を除く他の原料ガスの供給を停止し、基板温度を１０００℃に上昇させ、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、及びＣＰ２Ｍｇを成長炉内に導入してＡｌ組成１５％のｐ型ＡｌＧａＮ層を２０［ｎｍ］の厚さに成長させた後、Ａｌ組成６％のｐ型ＡｌＧａＮ層を４００［ｎｍ］の厚さに成長させた。続いて、ＴＭＡｌの供給を停止し、ｐ型ＧａＮ層を５０ｎｍの厚さに成長させ、最後に成長炉内を降温した。
【００５１】
このようにして半導体積層部の成長が完了したＧａＮ基板Ｌ〜Ｎの発光層に対してＰＬ測定を行い、基板面内における発光波長の分布を調べた。ＰＬ測定の励起光として、ｐ型半導体層（ｐ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層）を透過するように波長３７５［ｎｍ］の半導体レーザを用いた。このＰＬ測定を室温で行い、基板面内のＰＬ波長の分布をマッピングして標準偏差σを求めた結果、下の表４に示す値が得られた。
【表４】
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表４に示すとおり、ＧａＮ基板Ｌすなわちオフ角の中心値が０°に近いＧａＮ基板では、基板面内でのＰＬ波長分布が大きくばらつくが、ＧａＮ基板Ｍ，Ｎすなわちオフ角の中心値が１５°以上であるＧａＮ基板では、基板面内でのＰＬ波長分布のばらつきが小さくなることが示された。
【００５２】
本発明によるエピタキシャル基板及びその製造方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、Ｉｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体層の例として、ＩｎＧａＮからなる井戸層を例示した。本発明におけるIII−Ｖ族化合物半導体層の構成材料はこれに限られるものではなく、Ｉｎを含むIII−Ｖ族化合物からなる半導体層であれば他に様々な組成を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係るエピタキシャル基板の外観を示す斜視図である。図１（ｂ）は、エピタキシャル基板のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す側断面図である。
【図２】図２は、半導体積層部の構成を示す側断面図である。
【図３】図３は、エピタキシャル基板の製造方法の主要な工程を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、図３に示した各工程を説明するための図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、図３に示した各工程を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、図３に示した各工程を説明するための図である。
【図７】図７は、Ｉｎ組成とオフ角との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１…エピタキシャル基板、１０…ｎ型ＧａＮ基板、１０ａ…主面、２０…半導体積層部、２１…ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層、２２，２４…ＩｎＧａＮガイド層、２３…活性層、２３ａ…井戸層、２３ｂ…バリア層、２５，２６…ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層、２７…ｐ型ＧａＮ半導体層。
【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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