(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＶＰＥ法により発光ダイオードまたは半導体レーザ装置の量子井戸構造を形成する方法において、下地ＧａＮ層を水素キャリアまたは窒素キャリア中で製作し、ＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造の結晶成長において、量子井戸層のＧａＮ層または量子井戸層のＡｌＧａＮ層の成長において、キャリアガス中にインジウム源ガスとしてトリメチルインジウムを０．５μｍｏｌ〜２．０μｍｏｌ／分の流量で同時供給することにより量子井戸層に引っ張り性歪みまたは圧縮性歪み（ただし、引っ張り性歪みまたは圧縮性歪みは下地ＧａＮを基準に取る。）を付与することにより、井戸層の厚さをコントロールすることなく、歪みの大きさおよび符号を制御することを特徴とする量子井戸構造の形成方法。
【請求項２】
ＭＯＶＰＥ法により発光ダイオードまたは半導体レーザ装置の量子井戸構造を形成する方法において、下地ＧａＮ層を水素キャリアまたは窒素キャリア中で製作し、ＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造の結晶成長において、キャリアを窒素ガスとするとともに、量子井戸層のＧａＮ層または量子井戸層のＧＡｌａＮ層の成長において、キャリアガス中にインジウム源ガスとしてトリメチルインジウムを０．５μｍｏｌ〜２．０μｍｏｌ／分の流量で同時供給することにより量子井戸層に引っ張り性歪みまたは圧縮性歪み（ただし、引っ張り性歪みまたは圧縮性歪みは下地ＧａＮを基準に取る。）を付与することにより、井戸層の厚さをコントロールすることなく、歪みの大きさおよび符号を制御することを特徴とする量子井戸構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理分野などへの応用が期待されているＧａＮ系発光ダイオードまたは半導体レーザ装置などの量子井戸構造の形成方法および該形成方法によって製造された量子井戸構造を有する半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子等として脚光を浴びている量子井戸構造を有したＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ半導体の製造方法において、結晶性、対称性、光学特性等の改良には、量子井戸層に圧縮歪みをかけると効果があることが分かってきた。例えば、特開平１０−３３５７４２号公報には、ＩｎＧａＰの量子井戸層の厚さを８ｎｍより小さくしてＧａＡｓ基板より大きい格子定数を持つように格子不整合を作り、量子井戸層に圧縮性歪みを加えた半導体レーザー装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ系量子井戸構造の場合、従来、下地のＧａＮ層を水素キャリア中で作製し、その上のＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造を水素キャリア中で作製していたが、室温での発光効率が極めて悪く、その効率を改善させることが必要であった。上記の特開平１０−３３５７４２号公報に示される半導体レーザ装置では、井戸層の厚さを薄くすることで、圧縮歪みを増大して発光効率を改善しているが、この場合、井戸層の厚さを厳しくコントロールする必要がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、先に、水素キャリア中で作成されたＧａＮの単層膜は、バルクのＧａＮに対して圧縮歪みを受け、窒素キャリア中で作成したＧａＮの単層膜は、バルクのＧａＮに対して引っ張り歪みを受けることと、これらにＩｎをドープすることで単層膜の歪みの大きさを制御し、結晶性、光学特性の改善に成功した。
【０００５】
本発明者は、さらに、量子井戸構造に上記の知見を適用するに当たり、等電子Ｉｎドーピング（ＧａＮ、ＡｌＧａＮのＧａおよびＡｌはＩＩＩ族であり、ＮはＶ族である。そこに、Ｉｎをドーピングした場合、ＩｎもＩＩＩ族なので、荷電子の数はＧａおよびＡｌと同じである。これを等電子ドーピングという。）という手法を量子井戸層形成時に試み、量子井戸構造を形成する際のキャリアガスの選択により量子井戸層の結晶性の改善を図ることができることを見出した。
【０００７】
すなわち、本発明は、ＭＯＶＰＥ法により発光ダイオードまたは半導体レーザ装置の量子井戸構造を形成する方法において、下地ＧａＮ層を水素キャリアまたは窒素キャリア中で製作し、ＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造の結晶成長において、量子井戸層のＧａＮ層または量子井戸層のＡｌＧａＮ層の成長において、キャリアガス中にインジウム源ガスとしてトリメチルインジウムを０．５μｍｏｌ〜２．０μｍｏｌ／分の流量で同時供給することにより量子井戸層に引っ張り性歪みまたは圧縮性歪み（ただし、引っ張り性歪みまたは圧縮性歪みは下地ＧａＮを基準に取る。）を付与することにより、井戸層の厚さをコントロールすることなく、歪みの大きさおよび符号を制御することを特徴とする量子井戸構造の形成方法である。
なお、圧縮性歪みは下地ＧａＮを基準に取るということは、下地ＧａＮの面方向の格子定数（格子定数ａ）に対する歪みが圧縮性となることを言い、バルクＧａＮの歪みに対する歪みのことではない。
【０００８】
また、本発明は、ＭＯＶＰＥ法により発光ダイオードまたは半導体レーザ装置の量子井戸構造を形成する方法において、下地ＧａＮ層を水素キャリアまたは窒素キャリア中で製作し、ＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造の結晶成長において、キャリアを窒素ガスとするとともに、量子井戸層のＧａＮ層または量子井戸層のＧＡｌａＮ層の成長において、キャリアガス中にインジウム源ガスとしてトリメチルインジウムを０．５μｍｏｌ〜２．０μｍｏｌ／分の流量で同時供給することにより量子井戸層に引っ張り性歪みまたは圧縮性歪み（ただし、引っ張り性歪みまたは圧縮性歪みは下地ＧａＮを基準に取る。）を付与することにより、井戸層の厚さをコントロールすることなく、歪みの大きさおよび符号を制御することを特徴とする量子井戸構造の形成方法である。
【００１０】
本発明は、上記各方法によって、量子井戸構造の井戸層の厚さをコントロールすることなく周期性の良好な量子井戸構造が作製され、量子井戸構造の結晶性、対称性、光学特性を大幅に改善することに成功した。
【００１１】
以下に、本発明を実験データに基づいて説明する。
図１は、本発明の方法を用いて形成する量子井戸構造（ＭＱＷ）を示す側面図である。この試料の構造は、サファイア（０００１）基板上に低温堆積ＡｌＮバッファ層３０ｎｍをまず成長させ、その上に下地ＧａＮ層２μｍを積んだ。ここまでは、全て水素キャリア中で作製し、下地ＧａＮ層は、バルクＧａＮに対して圧縮性の歪みを有することがわかっている。その上に、ＧａＮ（５ｎｍ）／Ａｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ（７ｎｍ）の量子井戸構造（１０ＱＷｓ）を窒素キャリア中で作製したものである。なお、比較のために水素キャリア中でも量子井戸構造を作製した。
【００１２】
一般に、ＭＯＶＰＥ法によるＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造の形成には、
成長温度１０５０〜１１００℃が採用されているが、本実験では、結晶成長は成長温度は９５０℃〜１０００℃とし、窒素キャリアガスは、流量５ｌ／分〜１０ｌ／分で、ＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ成長時に供給した。Ｉｎドープの効果とＩｎ源ガスの流量依存性を確認するために、Ｉｎ源としてトリメチルインジウムを０〜１０μｍｏｌ／分の流量でキャリアガス中に同時供給した。
【００１３】
図２（ａ）は、いわゆる（０００２）２θ−ωスキャンＸ線回折スペクトルである。この図から、窒素中で作製したＭＱＷの方が、比較のために水素中で作製したＭＱＷに比べてピークの数が多く、ピークそのものも鋭い形をしている。このことから、窒素中で作製したＭＱＷの方が、ＭＱＷの周期性がよく、かつ、界面がより平坦であることが示されている。
【００１４】
図２（ｂ）は、室温でのフォトルミネッセンス（ＰＬ、発光）スペクトルである。窒素中で作製したＭＱＷに関しては、量子井戸構造からの発光も観測されているのに対して、比較のために水素中で作製した方は、下地のＧａＮからの発光しか見えていない。図２（ａ）、図２（ｂ）から、窒素キャリアの方が水素キャリアを用いた場合よりもＭＱＷの結晶性および発光特性は良好であると言える。
【００１５】
図３（ａ）は、比較のため水素中で作製したＭＱＷの（１０−１０）面回折のＸ線ロッキングカーブの半値幅のＴＭＩ（トリメチルインジウム）流量依存性（図の横軸方向）を示すグラフである。いわゆる、ツイストというａ軸に関する情報が得られる。
【００１６】
この図では、ＭＱＷのうち、（１）井戸層ＧａＮにのみＩｎをドーピングしたもの（●）、（２）障壁層ＡｌＧａＮにのみＩｎをドーピングしたもの（△）、および（３）両者にＩｎをドーピングしたもの（×）、の３種類のデータを示している。（２）の場合には、ＴＭＩの流量に対して大きな変化はない。（１）と（３）は、同じ程度に（２）より大きなＴＭＩ流量依存性を示し、Ｉｎの供給量を増やすほどに、結晶性が改善されていることがわかる。つまり、井戸層ＧａＮにＩｎをドーピングすることが、より効果的であると考えられる。
【００１７】
図３（ｂ）は、同じ実験を、窒素中で作製したＭＱＷに対して行った半値幅のＴＭＩ流量依存性（図の横軸方向）を示す。これも、やはり、全く同様の結果を表している。
【００１８】
図４（ａ）、図４（ｂ）ともに、図２（ａ）で示したスペクトルと同様のものである。ただし、ＴＭＩ流量依存性（図の縦軸方向）を加えている。（ａ）は、比較のため水素中で作製したＭＱＷに関するものであり、（ｂ）は、窒素中で作製したＭＱＷに関するものである。これらの図からも、両者ともに、Ｉｎを増やしていく（図の縦軸方向）につれて、ピークの数が増えている、すなわち、周期性が明確に現れていることが確認された。
【００１９】
図５（ａ）、（ｂ）は、水素中および窒素中で作製したＭＱＷのスペクトルの各ピークの半値幅のＴＭＩ流量依存性（図の横軸方向）を取ったものである。記号０（●）、＋１（×）、−１（△）は、図４中のそれぞれのピークに対応する。これらのグラフから、半値幅がＴＭＩの流量の増加（図の横軸方向）とともに減少している、すなわち、結晶性がよくなっていることがわかる。
【００２０】
図６は、図２（ｂ）と同じく、ＰＬスペクトルである。ただし、ＴＭＩ流量の依存性（図の縦軸方向）を取ってある。この図から、水素、窒素ガス中で作製したＭＱＷが、ともに、ＴＭＩ流量の増加につれて、ＭＱＷからの発光が増大していることがわかる。なお、矢印はピーク位置を示している。
【００２１】
図７（ａ）は、図６から得られる、ＰＬの発光強度のＴＭＩ流量依存性（図の横軸方向）を表し、図７（ｂ）は、同じく図６から得られるＰＬのピーク位置（矢印の位置）のＴＭＩ流量依存性（図の横軸方向）を表している。図７（ａ）から、窒素ガスを用いたＭＱＷの方が発光強度が大きいということがわかる。さらに、窒素ガス、水素ガスどちらを用いても、ＴＭＩ流量の増加とともに、発光強度が増大することも確認された。
【００２２】
一方、図７（ｂ）のピーク位置については、比較のため水素ガス中で作製したＭＱＷに関しては、ＴＭＩ流量の増大（図の横軸方向）とともに、低エネルギー側へとシフトしているのに対し、窒素ガス中で作製したＭＱＷに関しては、反対の傾向を示していることがわかる。これは、ＴＭＩの供給量の増大とともに膜内の歪みが緩和されることに基づいているものと考えられる。図７（ａ），図７（ｂ）に示すグラフからトリメチルインジウムは０．５μｍｏｌ〜２．０μｍｏｌ／分の流量で供給することが好ましいことが分かる。
【００２３】
図８は、窒素ガスで作製したＧａＮ膜（Ｎ2 −ＧａＮと表記する）および比較のため水素ガス中で作製したＧａＮ膜（Ｈ2 −ＧａＮと表記する）の歪みのＴＭＩ流量依存性（矢印方向）を格子定数ｃとａの関係で表している。ＴＭＩ流量増加とともに歪みが小さくなっていることがわかる。さらに、水素中で作製したＧａＮ（Ｈ2 −ＧａＮ）は、バルクＧａＮに対し圧縮性歪みを、窒素中で作製したＧａＮ（Ｎ2 −ＧａＮ）は、バルクＧａＮに対し引っ張り性歪みを受けていることもわかる。
【００２４】
したがって、水素中で作製する（Ｈ2 −ＧａＮ）とバルクＧａＮに対し圧縮性の歪みになり、窒素中で作製する（Ｎ2 −ＧａＮ）とバルクＧａＮに対し引っ張り性の歪みになるので、図９（ｂ）に概念的に示すように、バルクＧａＮに対し圧縮性である下地Ｈ2 −ＧａＮの上に引っ張り性のＮ2 −ＧａＮ井戸層を積むと、Ｎ2 −ＧａＮ井戸層は、それが単独で存在しているときよりも、下地のＨ2 −ＧａＮの影響を受けて圧縮歪みを感じることになる。これに対して、図９（ａ）に示すように、下地Ｈ2 −ＧａＮの上に積んだＨ2 −ＧａＮ井戸層は、下地Ｈ2 −ＧａＮの影響を受けず、歪みを感じない（無歪み）ことになる。一般に、結晶性などの特性は、圧縮性の方が引っ張り性よりも良好である。
【００２５】
図１０は、図８に示す実験結果を踏まえた実験の結果を示すものである。以上の実験では、下地となるＧａＮ膜は、全て水素ガス中で作製したもの（Ｈ2 −ＧａＮと表記する）であった。ここでは、窒素ガス中で作製したＧａＮ膜（Ｎ2 −ＧａＮと表記する）も使用した。すなわち、下地が、Ｈ2 −ＧａＮまたはＮ2 −ＧａＮで、上に積むＭＱＷも、Ｈ2 −ＭＱＷとＮ2 −ＭＱＷを準備した。したがって、４種類の構造が得られることになる。
【００２６】
図１０（ａ）は、Ｈ2 −ＭＱＷで、下地をＮ2 −ＧａＮまたはＨ2 −ＧａＮとしたもの、図１０（ｂ）は、Ｎ2 −ＭＱＷについて、同じく、下地をＮ2 −ＧａＮまたはＨ2 −ＧａＮとしたものの（０００２）２θ−ωスキャンＸ線回折スペクトルである。
【００２７】
これらの図から、ＭＱＷの受ける歪みが引っ張り歪み（下地Ｎ2 −ＧａＮ、Ｈ2 −ＭＱＷ）＜無歪み（下地Ｈ2 −ＧａＮ、Ｈ2 −ＭＱＷ）、無歪み（下地Ｎ2 −ＧａＮ、Ｎ2 −ＭＱＷ）＜圧縮歪み（下地Ｈ2 −ＧａＮ、Ｎ2 −ＭＱＷ）の順に、ＭＱＷの周期性がよくなっていることがわかる。すなわち、キャリアガスの窒素と水素を組み合わせることにより、下地ＧａＮとＭＱＷにかかる歪みの符号（＋引っ張り歪み、−圧縮性歪み）を制御することが可能である。
【００２８】
図１１（ａ）、（ｂ）は、図１０の４種類の構造についてのＰＬスペクトルを示す。ＭＱＷの周期性の結果と一致するように、発光強度に関しても、ＭＱＷの受ける歪みが引っ張り歪み＜無歪み＜圧縮歪み、の順に強くなっていることがわかり、下地ＧａＮを水素キャリアガスとし、量子井戸層を窒素ガスキャリアとした場合に、優れた発光強度が得られる。
【００２９】
なお、以上は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの成長におけるキャリアガスの作用について述べたが、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの障壁層のＡｌＧａＮより少しＡｌの組成の少ないＡｌＧａＮを井戸層にそのまま持ってきても、Ａｌの組成が数％程度であれば、ＧａＮの特性はそのままであり、結晶性おいて同様の結果が得られる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、水素キャリアまたは窒素キャリアで作成したバルクＧａＮに対して歪みをもつ下地ＧａＮの上に積むＧａＮ井戸層またはＡｌＧａＮ井戸層の成長におけるキャリアを窒素ガスとすることおよび／またはＩｎドープにより量子井戸構造にかかる圧縮性歪みの大きさを制御することができ、これにより、井戸層の厚さをコントロールすることなく、量子井戸構造の結晶性、対称性、光学特性を大幅に改善することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の量子井戸構造を有する試料の概念を示す側面図である。
【図２】図２（ａ）は、窒素中で製作したＭＱＷと水素中で製作したＭＱＷの（０００２）２θωスキャンＸ線回折スペクトルを示す図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＭＱＷの室温でのフォトルミネッセンス（ＰＬ、発光）スペクトルを示す図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、水素中で作製したＭＱＷの（１０−１０）面回折のＸ線ロッキングカーブの半値幅のＴＭＩ供給依存性を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、窒素中で製作したＭＱＷと水素中で製作したＭＱＷのＴＭＩ流量依存性による（０００２）２θ−ωスキャンＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、図４中のそれぞれのピークの半値幅のＴＭＩ流量依存性を示すグラフである。
【図６】図６は、室温でのＰＬスペクトルのＴＭＩ流量の依存性を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）は、図６から得られる、ＰＬの発光強度のＴＭＩ流量依存性（図の横軸方向）を表し、図７（ｂ）は、同じく図６から得られるＰＬのピーク位置のＴＭＩ流量依存性を示すグラフである。
【図８】図８は、窒素ガスで作製したＧａＮ膜（Ｎ2 −ＧａＮ）および水素ガス中で作製したＧａＮ膜（Ｈ2 −ＧａＮ）の歪みのＴＭＩ流量依存性を格子定数ｃとａの関係で示すグラフである。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、窒素ガスで作製したＧａＮ膜（Ｎ2 −ＧａＮ）および水素ガス中で作製したＧａＮ膜（Ｈ2 −ＧａＮ）の歪みの違いを示す概念図である。
【図１０】図１０（ａ）は、Ｈ2 −ＭＱＷで、下地をＮ2 −ＧａＮまたはＨ2 −ＧａＮとしたもの、１０（ｂ）は、Ｎ2 −ＭＱＷについて、同じく、下地をＮ2 −ＧａＮまたはＨ2 −ＧａＮとしたものの（０００２）２θ−ωスキャンＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）は、図１０に示す４種類の構造についてのＰＬスペクトルを示す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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