(57)【要約】本発明は、単結晶基板と、（０００１）面ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成る半導体層と、前記半導体層上に斜面を有し、周期的ストライプ状に形成されたＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶と、前記シード結晶上に３００〜８００℃の低温で堆積されたＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層と、前記中間層上に形成された平坦な表面を有するＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を備えた窒化物半導体基板、その製造方法、およびそれを用いた半導体光素子である。本発明を用いることにより、ほぼ全面に低転位なＡｌＮを含むＩＩＩ族窒化物半導体基板が作製可能となり、高性能短波長発光素子や受光素子が実現できる。
2003025263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板と、（０００１）面ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成る半導体層と、前記半導体層上に斜面を有し、周期的ストライプ状に形成されたＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶と、前記シード結晶上に３００〜８００℃の低温で堆積されたＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層と、前記中間層上に形成された平坦な表面を有するＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を備えた窒化物半導体基板。
【請求項２】
斜面が（１−１０１）面または（１１−２２）面である、請求の範囲第１項記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮがＧａＮである、請求の範囲第１項記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
単結晶基板が、サファイア、炭化珪素、珪素、ＺｒＢ２のいずれかである、請求の範囲第１項記載の窒化物半導体基板。
【請求項５】
（０００１）面ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成る半導体層上に、選択成長により、斜面を有し、周期的ストライプ状に形成されたＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶を作製する工程と、前記シード結晶上にＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層を３００〜８００℃の低温で堆積する工程と、前記中間層上に表面が平坦化するまでＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を成長する工程を含む、窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
周期的に形成されたストライプ状の溝を有する単結晶基板と、前記単結晶基板の凸部上に形成された斜面を有するＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶と、前記シード結晶上に３００〜８００℃の低温で堆積されたＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層と、前記中間層上に形成された平坦な表面を有するＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を備えた窒化物半導体基板。
【請求項７】
斜面が（１−１０１）面または（１１−２２）面である、請求の範囲第６項記載の窒化物半導体基板。
【請求項８】
周期的ストライプ状に形成されたシード結晶がＧａＮである、請求の範囲第６項記載の窒化物半導体基板。
【請求項９】
単結晶基板が、サファイア、炭化珪素、珪素、ＺｒＢ２のいずれかである、請求の範囲第６項記載の窒化物半導体基板。
【請求項１０】
周期的に形成されたストライプ状の溝を有する単結晶基板上に、周期的ストライプ状に形成されたＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶を作製する工程と、前記シード結晶上にＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層を３００〜８００℃の低温で堆積する工程と、前記中間層上に表面が平坦化するまでＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を成長する工程を含む、窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
請求の範囲第１項または請求の範囲第６項記載の窒化物半導体基板上に、第１の導電型および第２の導電型ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０．１≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．５）から成るクラッド層と、前記クラッド層よりもバンドギャップの小さいＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）から成る活性層を備えた半導体発光素子。
【請求項１２】
発光波長が３７０ｎｍ以下でかつ以下の式で表される外部量子効率（ηｅｘｔ）が０．１％以上である請求の範囲第１１項記載の半導体発光素子。
ηｅｘｔ＝Ｐｏ／（Ｉ×Ｖ）（Ｐｏ：光出力（Ｗ）Ｉ：素子の動作電流（Ａ）Ｖ：素子の動作電圧（Ｖ））
【請求項１３】
請求の範囲第１項または請求の範囲第６項記載の窒化物半導体基板上に、第１の導電型および第２の導電型ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０．１≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．５）から成る半導体層と、ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）から成る光吸収層を備えた光検出器。
【発明の詳細な説明】
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ＩＩＩ族窒化物半導体基板の構造および作製方法、さらに、この基板上に形成した半導体光素子に関するものである。
背景技術
従来から、ＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮや比較的ＡｌＮモル分率の低いＡｌＧａＮ層をベースとして、その上に多層構造から成る発光素子や受光素子が作製されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。第８図に、典型的な従来のＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を示す。サファイア基板１０１上に、ＧａＮ、またはＡｌＮからなる低温バッファ層１０２を介してｎ−ＧａＮ層１０３、ｎ−ＧａＮ第１クラッド層１０４、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層１０６、ｐ−ＧａＮ第２クラッド層１０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８が順次積層されている。
ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５は、例えば、厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ井戸層を１０ｎｍのＧａＮバリア層で挟んだ構成を有している。結晶成長後、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の表面には、金属薄膜から成るオーム性半透明電極１０９およびボンディングパッド電極１１０、また部分的にｎ−ＧａＮ第１クラッド層１０４が露出するまでエッチングした表面に、ｎ型電極１１１が形成されている。ＧａＩｎＮ井戸層のＩｎＮモル分率を変化させることにより、波長３８０ｎｍから６２０ｎｍ程度の範囲の発光ダイオードが作製できる。
半導体レーザについても類似の構成で作製可能であるが、室温でレーザ発振可能な波長範囲は発光ダイオードの場合よりも狭い。しかし、上記のようにして作製された窒化物半導体結晶層には１０８ｃｍ−２以上の貫通転位が含まれており、これが非発光中心として作用することが知られている。したがって、発光ダイオードでは、外部量子効率の低下、また半導体レーザでは、しきい値電流の増大や素子寿命の低下を引き起こす。さらに、フォトダイオード等の光検出器おいては、貫通転位によって暗電流が増大することが知られており、ここでも低転位化が不可欠となっている。
近年、貫通転位密度を低減させる手段として、エピタキシャル横方向オーバーグロース（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯ）技術が用いられるようになった。
ＥＬＯ技術による低転位ＧａＮ基板の構成を、第９図に示す。サファイア基板２０１上に、ＧａＮ、あるいはＡｌＮからなる低温バッファ層２０２を介してＧａＮ層２０３が成長されている。
ｎ−ＧａＮ層２０３表面に、例えば、ＳｉＯ２から成るストライプマスク２０４が周期的に形成され、その上に再びＧａＮオーバーグロース層２０５が成長されている。ＧａＮオーバーグロース層２０５は、ストライプマスク２０４のない部分、即ちＧａＮ層２０３が露出した領域でのみ成長を開始し、しばらくすると、ストライプマスク２０４上を横方向に成長した結晶が、その上を覆いつくす。そして、最終的に、第９図に示すような表面が平坦な膜となる。
以上のような、ＧａＮオーバーグロース層２０５の成長の過程において、本来成長方向に真上に貫通する転位２０６は、結晶合体部２０７を除いてストライプマスク２０４上にはほとんど存在しない。その結果、中央部を除いたストライプマスク２０４上のＧａＮオーバーグロース層２０５には、１０５〜１０７ｃｍ−２程度の極めて転位の少ない領域が形成される。この基板を用いて発光ダイオードや半導体レーザを作製すると、非発光再結合が少なく効率の高い、優れた特性が得られる。また、低転位領域に作製した光検出器では、暗電流が数桁も低減できる。
最近、バルクＧａＮに成長したＡｌＧａＮ系紫外発光ダイオードが報告されている（非特許文献２）。また、ＡｌＩｎＧａＮ多重量子井戸を用いた３０５ｎｍ紫外発光ダイオードが報告されている（非特許文献３）。
特許文献１：特開２００１−４４４９７号公報
非特許文献１：天野  浩  他，「サファイヤ基板上ＩＩＩ族窒化物半導体成長における低温堆積層」，「表面科学」，２０００，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．３，ｐｐ．１２６〜１３３
非特許文献２：Ｔｏｓｈｉｏ  Ｎｉｓｈｉｄａ，ｅｔ  ａｌ．，「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ｂｕｌｋ  ＧａＮ」，ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，６  ＡＵＧＵＳＴ  ２００１，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．６，ｐｐ．７１１〜７１２）。
非特許文献３：Ｍｕｈａｍｍａｄ  Ａｓｉｆ  ＫＨＡＮ，ｅｔ  ａｌ．，「Ｓｔｒｉｐｅ  Ｇｅｏｍｅｔｒｙ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ａｔ  ３０５  Ｎａｎｏｍｅｔｅｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ  ＡｌＩｎＧａＮ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌｓ」，Ｔｈｅ  Ｊａｐａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００１，Ｖｏｌ．４０，Ｐａｒｔ  ２，Ｎｏ．１２Ａ，ｐｐ．Ｌ１３０８〜Ｌ１３１０
発明の開示
従来の低転位化技術を用いた方法は、波長３７０ｎｍ以下の短波長域の発光素子には適用が困難である。短波長化するためには、ＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮクラッド層を積層する必要がある。活性層にキャリアを閉じ込めるためのバンドギャップ差を確保する必要があるからである。さらに、半導体レーザの場合、光の閉じ込めを行うためにも一層ＡｌＮモル分率の高い、且つ膜厚の大きいＡｌＧａＮクラッド層が必要不可欠である。
しかし、このようなＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮクラッド層をＧａＮ層上に成長すると、クラックが発生する。ＧａＮ層との格子不整合によって、ＡｌＧａＮクラッド層内に引っ張り応力が生じ、ある臨界膜厚を超えるとクラックの発生によって、その応力を解放するためである。例えば、３５０ｎｍの発光波長の半導体レーザを得るためには、２０％程度のＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮクラッド層が必要であるが、ＧａＮ上のＡｌＧａＮクラッド層の臨界膜厚は０．２μｍ程度であり、デバイス作製上問題となる。キャリアや光を閉じ込めるためには少なくとも０．４μｍのクラッド層が必要だからである。
光検出器についても、暗電流の原因となる転位密度の低減が不可欠である。同時に窒化物半導体でしか実現できない３００ｎｍ以下の波長領域で動作する素子が求められている。したがって、発光素子よりもさらにＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮを用いなければならない。このため低転位でクラックのない高品質結晶の実現は困難である。
本発明は、ＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体に、選択的に特定の結晶面を有するＧａＮ、または比較的ＡｌＮモル分率の低いＡｌＧａＮシード結晶を成長し、さらに、低温で堆積したＡｌＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体を介し、ＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮ層を成長させることにより、クラックが発生せず、しかも、広い領域で低転位ＡｌＧａＮ結晶基板、および高性能光素子を実現することを可能とするものである。
すなわち、本発明は、単結晶基板と、（０００１）面ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成る半導体層と、前記半導体層上に斜面を有し、周期的ストライプ状に形成されたＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶と、前記シード結晶上に３００〜８００℃の低温で堆積されたＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層と、前記中間層上に形成された平坦な表面を有するＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を備えた窒化物半導体基板である。
また、本発明は、（０００１）面ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成る半導体層上に、選択成長により、斜面を有し、周期的ストライプ状に形成されたＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶を作製する工程と、前記シード結晶上にＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層を３００〜８００℃の低温で堆積する工程と、前記中間層上に表面が平坦化するまでＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を成長する工程を含む、窒化物半導体基板の製造方法である。
また、本発明は、周期的に形成されたストライプ状の溝を有する単結晶基板と、前記単結晶基板の凸部上に形成された斜面を有するＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶と、前記シード結晶上に３００〜８００℃の低温で堆積されたＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層と、前記中間層上に形成された平坦な表面を有するＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を備えた窒化物半導体基板である。
また、本発明は、周期的に形成されたストライプ状の溝を有する単結晶基板上に、周期的ストライプ状に形成されたＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶を作製する工程と、前記シード結晶上にＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る中間層を３００〜８００℃の低温で堆積する工程と、前記中間層上に表面が平坦化するまでＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を成長する工程を含む、窒化物半導体基板の製造方法である。
さらに、本発明は、上記の各窒化物半導体基板上に、第１の導電型および第２の導電型ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０．１≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．５）から成るクラッド層と、前記クラッド層よりもバンドギャップの小さいＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）から成る活性層を備えた半導体発光素子である。
また、本発明は、発光波長が３７０ｎｍ以下でかつ以下の式で表される外部量子効率（ηｅｘｔ）が０．１％以上である上記の半導体発光素子である。
ηｅｘｔ＝Ｐｏ／（Ｉ×Ｖ）（Ｐｏ：光出力（Ｗ）Ｉ：素子の動作電流（Ａ）Ｖ：素子の動作電圧（Ｖ））
また、本発明は、上記の各窒化物半導体基板上に、第１の導電型および第２の導電型ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０．１≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．５）から成る半導体層と、ＡｌｘＧａｌ−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）から成る光吸収層を備えた光検出器である。
上記の各本発明において、単結晶基板としては、サファイア、炭化珪素、珪素、ＺｒＢ２のいずれかを用いることができる。ここで、斜面というのは、基板面に対して垂直または水平でないという意味であるが、実際に現れる斜面は、ＧａＮ等のシード結晶の（１−１０１）面か（１１−２２）面である。基板面に対して垂直な面と、これらの斜面とはシード結晶の成長条件を変えることにより切り替えることができる。
周期的ストライプ状の周期については、いくつであっても転位低減の効果は変わらないが、パターニングに用いるフォトリソグラフィの解像度で下限が規定され、周期１ミクロン以下は作製が困難となる。上限は、上の結晶を平坦化する時間に依存するが、２０ミクロンであると１０時間を超えるので製造上不利となる。したがって周期１〜２０ミクロン程度が好ましいといえる。
中間層を堆積する温度は３００〜８００℃の低温とする。８００℃を超えると、単結晶となり、ＧａＮ等のシード結晶とその上のＡｌＧａＮ等の層との間の格子歪によりＡｌＧａＮ等の層にクラックが発生する。また、３００℃未満では、原料ガスの熱分解が生じず、層は全く堆積しなくなる。３００〜８００℃の範囲で堆積した中間層は、細かい粒結晶の集まりで、格子不整合を緩和する働きを持っており、このためクラックを抑制できる。
本発明は、中間層上に平坦な表面を有するＡｌａＧａｌ−ａ−ｂＩｎｂＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）から成る半導体層を備えているが、この層が平坦化されていないと、例えば、光素子では、非常に膜厚の薄い量子井戸と呼ばれる層を活性層に用いるが、表面に凹凸があると均一な膜厚にならない問題が生じる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
（実施の形態１）
第１図に、本発明の第１の実施の形態による低転位ＩＩＩ窒化物半導体基板の構造、および作製方法を示す。有機金属化合物気相成長法により（０００１）サファイア基板１上におよそ５００℃でＡｌＮ低温バッファ層２、約１０００℃でＧａＮ層３が作製されている。一旦成長装置から取り出した後、例えば、幅５μｍ、間隔１０μｍのＳｉＯ２マスク４から成るストライプマスクを結晶方位〈１１−２０〉に沿って形成し、再び適切な条件でＧａＮの選択成長を行うと、第１図の（ｂ）に示すような形状のＧａＮシード結晶５を形成することができる。このときのＧａＮシード結晶５の斜面は（１−１０１）面である。
ここで、ストライプマスクであるＳｉＯ２マスク４を除去した後に第１図の（ｃ）に示すように、基板温度を例えば５００℃まで下げ、ＡｌＮ低温堆積中間層６を成長し、引き続き、第１図の（ｄ）に示すように、約１０００℃でＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７を成長する。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７は成長と伴に平坦化が進み、最終的に完全に平坦な表面が得られる。このようにして作製したＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７においては、転位９は結晶合体部８、即ち隣接するＧａＮシード結晶５間のほぼ中央付近のみに集中し、それ以外の領域では転位９が極めて少ない。したがって、ほぼ全面にわたって低転位かつクラックフリーの高品質ＡｌＧａＮ基板が実現できる。
第２図に、断面の透過電子顕微鏡像を示す。サファイア基板１上に成長したＧａＮ層３には、通常１０９ｃｍ−２程度の貫通転位が存在している。この転位はＧａＮシード結晶５にもそのまま引き継がれるが、ここでは（１−１０１）面を保持しながら成長するため、第２図からわかるように、転位はほぼ直角に屈曲する。
このため、ＧａＮシード結晶５の上部においてはほとんど転位は見られなくなっている。屈曲して成長方向に対して垂直な方向へ伝搬する転位は、その後成長されるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７にも引き継がれ、隣接するＧａＮシード結晶５から横方向に成長してきたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７と合体した部分で転位は消滅するか、再び成長方向へ曲がって結晶表面へと伸びていく。
この結果、合体部を除き、極めて低転位の領域が形成される。低転位領域における転位密度は１０７ｃｍ−２以下である。このような低転位基板上に発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるために、高い量子効率が得られる。また、同低転位基板上に受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現できる。
なお、本実施の形態ではＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７に関する低転位化について示したが、他の組成のＡｌＧａＩｎＮ結晶についても適用可能である。ＧａＮ層３およびＧａＮシード結晶５については、ＡｌＧａＮ層またはＡｌＧａＩｎＮ層に置き換えてもかまわないが、シード結晶５のＡｌＮモル分率が高いとストライプマスクであるＳｉＯ２マスク４上への多結晶の析出が顕著となり、好ましくない。
したがって、ＡｌＮモル分率１０％以下のＡｌＧａＮが好ましい。また、ＡｌＮ低温中間層の代わりに、同じく低温で形成したＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。また、本発明では〈１１−２０〉方向に沿ったストライプマスクであるＳｉＯ２マスク４を用い、シード結晶５の斜面が（１−１０１）面となるものを示したが、〈１−１００〉方向のストライプマスクを用いてもシード結晶５の斜面が（１１−２２）面となり、同様の効果が得られる。さらに、ここではサファイア（０００１）基板を用いているが、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉ、ＺｒＢ２等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
（実施の形態２）
第３図に、本発明の第２の実施の形態による低転位ＩＩＩ族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を示す。窒化物半導体の結晶成長を行う前に、予め、（０００１）サファイア基板１１上に、例えば、幅５μｍ、周期１０μｍ、深さ２μｍの周期溝１２を形成しておく。周期溝１２の方位はサファイア基板１１の結晶方位〈１−１００〉に対して平行とする。そして、第３図の（ｂ）、（ｃ）に示すように、有機金属化合物気相成長法により前記サファイア基板１１上におよそ５００℃でＡｌＮ低温バッファ層１３、約１０００℃でＧａＮシード結晶１４を成長する。このとき、適切な条件でＧａＮシード結晶１４の成長を行うと、サファイア基板凸部１５上のＧａＮシード結晶１４の斜面に（１−１０１）面が現れる。
なお、サファイア基板凹部上においても同時に結晶が成長するが、隣接するサファイア基板凸部１５上の結晶が繋がることにより原料の供給が遮断され、途中で成長が停止する。ここで、一旦基板温度を５００℃付近まで下げ、ＡｌＮ低温堆積中間層１６を成長し、第３図の（ｄ）に示すように、再び１０００℃に加熱した後、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１７を成長する。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１７は成長と伴に平坦化が進み、最終的に完全に平坦な表面が得られる。
このようにして作製したＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１７においては、転位１９は結晶合体部１８、即ち、隣接するＧａＮシード結晶１２間のほぼ中央付近のみに集中し、それ以外の領域では、転位１９が極めて少ない。したがって、ほぼ全面にわたって低転位かつクラックフリーの高品質ＡｌＧａＮ基板が実現できる。
第４図に、断面の透過電子顕微鏡像を示す。サファイア基板１１上に成長したＧａＮシード結晶１４下部には、通常１０９ｃｍ−２程度の貫通転位が存在している。しかし、ここでは（１−１０１）面を保持しながら成長するため、第４図からわかるように転位１９はほぼ直角に屈曲する。このため、ＧａＮシード結晶１４の上部においてはほとんど転位１９は見られなくなる。屈曲して成長方向に対して垂直な方向へ伝搬する転位は、その後成長されるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１７にも引き継がれ、隣接するＧａＮシード結晶１４から横方向に成長してきたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１７と合体した部分で転位は消滅するか、再び成長方向へ曲がって結晶表面へと伸びていく。
この結果、合体部を除き、極めて低転位の領域が形成される。低転位領域における転位密度は１０７ｃｍ−２以下である。このような低転位基板上に発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるために、高い量子効率が得られる。また、同低転位基板上に受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現できる。
なお、本実施の形態ではＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１７に関する低転位化について示したが、他の組成のＡｌＧａＩｎＮ結晶についても適用可能である。ＧａＮシード結晶１４についても、ＡｌＧａＩｎＮ層は使用可能である。低温ＡｌＮ中間層も、ＡｌＧａＩｎＮに変えてもよい。また、本発明では〈１１−２０〉方向に沿った周期溝１２を用い、ＧａＮシード結晶１４の斜面が（１−１０１）面となるものを示したが、〈１−１００〉方向の周期溝１２を用いてもＧａＮシード結晶１４の斜面が（１１−２２）面となり、同様の効果が得られる。さらに、ここではサファイア（０００１）基板を用いているが、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉ、ＺｒＢ２等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
（実施の形態３）
第５図に、本発明の第３の実施の形態による紫外発光ダイオードの素子構造を示す。第１図に示した低転位窒化物半導体基板上に、引き続き有機金属化合物気相成長法により、ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第１クラッド層２１、多重量子井戸活性層２２、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎキャップ層２３、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第２クラッド層２４、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５を連続的に成長している。
なお、多重量子井戸活性層２２は、例えば、厚さ３ｎｍのＧａＮ井戸層と、厚さ９ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎバリア層によって構成されている。結晶成長後、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面には、金属薄膜から成るオーム性半透明電極２６およびボンディングパッド電極２７、また部分的にｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第１クラッド層２１が露出するまでエッチングした表面に、ｎ型電極２８が形成されている。
本紫外発光ダイオードにおいては、ボンディングパッド電極２７およびｎ型電極２８間に電圧を印加し、電流を流すことにより、多重量子井戸活性層２２に電子および正孔が注入され、そのバンドギャップに相当する約３５０ｎｍの波長の光を放出する。発光ダイオードを構成する各層は、前述のように低転位のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７上に積層されるため、多重量子井戸活性層２２も同様、低転位となっている。したがって、非発光再結合の割合は極めて少なく、大部分の電子−正孔対は、光の放出を伴って再結合する。その結果、非常に高い量子効率が実現できる。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態で示した低転位ＡｌＧａＮ基板を用いたが、第２の実施の形態で示した低転位ＡｌＧａＮ基板を用いても同様の効果が得られる。
（実施の形態４）
第６図に、本発明の第４の実施形態による紫外半導体レーザの素子構造を示す。第１図に示した低転位窒化物半導体基板上に、引き続き有機金属化合物気相成長法により、ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第１クラッド層３１、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ第１光ガイド層３２、多重量子井戸活性層３３、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎキャップ層３４、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ第２光ガイド層３５、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第２クラッド層３６、ｐ−ＧａＮコンタクト層３７を連続的に成長している。
なお、多重量子井戸活性層３３は、例えば、厚さ３ｎｍのＧａＮ井戸層と、厚さ９ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎバリア層によって構成されている。結晶成長後ｐ−ＧａＮコンタクト層３７の表面には、例えば、幅２ｍｍのリッジストライプ３８が形成され、リッジストライプ３８の両側に、例えば、ＳｉＯ２から成る低屈折率の誘電体層３９が形成される。
また、その上部にはｐ型電極４０が形成されている。さらに、部分的にｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第１クラッド層３１が露出するまでエッチングした表面に、ｎ型電極４１が形成されている。また、劈開、あるいはエッチングにより、素子の両端には共振ミラーが形成されている。
本紫外半導体レーザにおいて、ｐ型電極４０およびｎ型電極４１間に電圧を印加し、電流を流すことにより、多重量子井戸活性層３３に電子および正孔が注入され、そのバンドギャップに相当する約３５０ｎｍの波長の光の放出および光増幅作用により、レーザ光を放出する。半導体レーザを構成する各層は、前述のように低転位のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７上に積層されるため、多重量子井戸活性層３３も同様、低転位となっている。
したがって、非発光再結合の割合は極めて少なく、高い光学利得が生じるために、低しきい値電流密度、また高微分効率のレーザ発振が実現できる。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態で示した低転位ＡｌＧａＮ基板を用いたが、第２の実施の形態で示した低転位ＡｌＧａＮ基板を用いても同様の効果が得られる。
（実施の形態５）
第７図に、本発明の第５の実施の形態による紫外光検出器の素子構造を示す。第１図に示した低転位窒化物半導体基板上と同様の構成であるが、最上層をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７に変えてＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層７’とした基板に、引き続き有機金属化合物気相成長法によりｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層５１、およびｎ−−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ光吸収層５２を連続的に成長している。結晶成長後、ｎ−−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ光吸収層５２の表面には、金属薄膜から成るショットキー半透明電極５３およびボンディングパッド電極５４、また部分的にｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層５１が露出するまでエッチングした表面に、ｎ型電極５５が形成されている。
本紫外光検出器において、ボンディングパッド電極５４およびｎ型電極５５間に逆バイアス電圧を印加し、波長３００ｎｍ以下の光をショットキー半透明電極５３を通して入射させるとショットキー半透明電極５３下のｎ−−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ光吸収層５２内部で光吸収により、電子−正孔対が生じる。これらが逆バイアス電圧による電界で加速され、電子はｎ型電極５５へ、また正孔はボンディングパッド電極５４へと移動し、光電流として素子外部へ取り出される。
紫外光検出器を構成する各層は、前述のように低転位のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層７’上に積層されるため、ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ光吸収層５２も同様、低転位となっている。したがって、量子効率が高く、同時に暗電流が極めて少ない、優れた素子特性が実現できる。特に、暗電流低減の効果は絶大であり、１０Ｖの逆バイアス電圧において１０ｐＡ／ｃｍ２以下であった。従来の転位の多い結晶上に作製した素子と比較すると、約８桁の低減に相当する。
なお、本実施の形態では、第１の実施の形態で示した低転位ＡｌＧａＮ基板を用いたが、第２の実施の形態で示した低転位ＡｌＧａＮ基板を用いても同様の効果が得られる。また、紫外光検出器としてショットキー型フォトダイオードを示したが、ｐｉｎ型フォトダイオード、フォトトランジスタ、等の他の構造についても適用可能である。さらに、これらを２次元アレイに集積した、イメージセンサー等への応用にも使用できる。
（実施例）
実施の形態３に記載の素子構造を基本的に用いて紫外発光ダイオードを作製した。第１図に示した低転位窒化物半導体基板上に、有機金属化合物気相成長法により、第５図に示すように、ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第１クラッド層２１、多重量子井戸活性層２２、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎキャップ層２３、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第２クラッド層２４、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５を連続的に成長した。なお、多重量子井戸活性層２２はＧａＮ井戸層と、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎバリア層によって構成されており、ＧａＮ井戸層を２ｎｍから４ｎｍまで変化させることで発光波長を３２０ｎｍから３６０ｎｍまで変えることができる。結晶成長後、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面には、金属薄膜から成るオーム性半透明電極２６およびボンディングパッド電極２７、また部分的にｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ第１クラッド層２１が露出するまでエッチングした表面に、ｎ型電極２８を形成した。
第１０図に、得られた紫外発光ダイオードの光出力特性を示す。実施例は、５０ｍＡ動作時の電圧で３２３ｎｍ→７．４Ｖ、３３８ｎｍ→７．１Ｖ、３５２ｎｍ→５．０Ｖ、３６３ｎｍ→４．７Ｖであった。第１０図には、前記した非特許文献２で報告されている結果を比較例１として示す。また、非特許文献３で報告されている結果を比較例２として示す。第１０図から分るように、発光波長が３７０ｎｍ以下で外部量子効率（ηｅｘｔ）が０．１％以上であり、どの発光波長においても、比較例と比べて高い効率を持っている。
産業上の利用可能性
本発明を用いることにより、ほぼ全面に低転位なＡｌＮを含むＩＩＩ族窒化物半導体基板が作製可能となり、高性能短波長発光素子や受光素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、第１の実施の形態による低転位ＩＩＩ族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を示す図である。第２図は、第１の実施の形態による低転位ＩＩＩ族窒化物半導体基板の断面の図面代用透過電子顕微鏡像写真である。第３図は、第２の実施の形態による低転位ＩＩＩ族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を示す図である。第４図は、第２の実施の形態による低転位ＩＩＩ族窒化物半導体基板の断面の図面代用透過電子顕微鏡像写真である。第５図は、第３の実施の形態による紫外発光ダイオードの素子構造を示す図である。第６図は、第４の実施例による紫外半導体レーザの素子構造を示す図である。第７図は、第５の実施の形態による紫外光検出器の素子構造を示す図である。第８図は、従来のＧａＮ系発光ダイオードの結晶層構造を示す図である。第９図は、従来のエピタキシャル横方向オーバーグロース（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒ  ｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯ）技術による低転位ＧａＮ基板の構成を示す図である。第１０図は、実施例及び比較例により得られた紫外発光ダイオードの光出力特性を示すグラフである。
【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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【国際調査報告】
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