JP2021002574A - 構造体、光デバイス、光デバイスの製造方法、および構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半極性面上に量子井戸構造が形成された新たな構造体を提供する。【解決手段】構造体１０は、基板１００、および多層構造２００を備える。基板１００は、｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面１０１とするIII族窒化物半導体の基板である。多層構造２００は、基板１００の、第１主面１０１上または第２主面１０２上に積層された、III族窒化物半導体からなる多層構造２００である。ここで、第２主面１０２は、基板１００の第１主面１０１とは反対側の主面である。また、多層構造２００はＩｎＧａＮ層２２４およびＧａＮ層２２２の交互積層構造からなる量子井戸構造２２０を含む。そして、量子井戸構造２２０におけるＩｎＧａＮ層２２４の厚さは３ｎｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は構造体、光デバイス、光デバイスの製造方法、および構造体の製造方法に関する。

III族窒化物半導体について、量子井戸構造を有する光デバイスの開発が進められている。特に、半極性面上にデバイスを形成することにより、内部電界の低減が期待される。

特許文献１には、窒化ガリウム系半導体領域の、半極性面である主面上に、量子井戸構造を設けることが記載されている。ここで、井戸層の厚さを４ｎｍ以上とすることが記載されている。

特許文献２には、窒化物半導体の半極性面である（２０−２−１）面上に形成された量子井戸構造において、井戸層に波打ち部分を設けることが記載されている。また、このような井戸層により、偏光したルミネッセンスを放射し得ることが記載されている。

特許文献３には、主面が｛１１−２２｝面であるｕ−ＧａＮ層の上に、多重量子井戸層等を積層することが記載されている。

特許文献４には、主面を有する基板上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることが記載されている。ここで、基板として、主面の法線が、窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲の角度で傾斜している窒化物半導体基板が挙げられている。

特開２０１２−１０９６２４号公報 特開２０１３−２５８２７５号公報 国際公開第２０１３／１２８８９４号 特開２０１６−１２７１７号公報

しかし、半極性面である｛１１−２３｝面上に量子井戸構造を形成するのは困難であり、そのような従来技術も存在しなかった。特許文献１から４のいずれにも、半極性面である｛１１−２３｝面上に良質な量子井戸構造を形成可能な方法は具体的に記載されていなかった。

本発明は、半極性面上に量子井戸構造が形成された新たな構造体を提供する。

本発明によれば、
｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面とするIII族窒化物半導体の基板と、
前記基板の、前記第１主面上または、前記第１主面とは反対側の第２主面上に積層された、III族窒化物半導体からなる多層構造とを備え、
前記多層構造はＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層の交互積層構造からなる量子井戸構造を含み、
前記量子井戸構造における前記ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍ以下である構造体が提供される。

本発明によれば、
上記の構造体と、
前記多層構造に電気的に接続された第１の電極および第２の電極を備える光デバイスが提供される。

本発明によれば、
上記の構造体に、前記多層構造に電気的に接続された第１の電極および第２の電極を形成する光デバイスの製造方法が提供される。

本発明によれば、
｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面とするIII族窒化物半導体の基板の、前記第１主面上または、前記第１主面とは反対側の第２主面上に、III族窒化物半導体を成長させて多層構造を形成する形成工程を含み、
前記多層構造はＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層の交互積層構造からなる量子井戸構造を含み、
前記量子井戸構造における前記ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍ以下である構造体の製造方法が提供される。

本発明によれば、半極性面上に量子井戸構造が形成された新たな構造体を提供できる。

第１の実施形態に係る構造体の構造を例示する図である。 量子井戸構造として多重量子井戸構造を有する構造体を例示する図である。 第２の実施形態に係る構造体の構成を例示する図である。 第２の実施形態に係る光デバイスの構成を例示する図である。 実施例１に係る構造体の構成を示す図である。 実施例１に係る形成工程での表面温度を示す図である。 実施例１の構造体に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。 実施例２の構造体に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。 実施例３に係る構造体の構成を示す図である。 実施例３に係る形成工程での表面温度を示す図である。 実施例３の構造体１に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。 実施例３の構造体２に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る構造体１０の構造を例示する図である。本実施形態に係る構造体１０は、基板１００、および多層構造２００を備える。基板１００は、｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面１０１とするIII族窒化物半導体の基板である。多層構造２００は、基板１００の、第１主面１０１上または第２主面１０２上に積層された、III族窒化物半導体からなる構造である。ここで、第２主面１０２は、基板１００の第１主面１０１とは反対側の主面である。また、多層構造２００はＩｎＧａＮ層２２４およびＧａＮ層２２２の交互積層構造からなる量子井戸構造２２０を含む。そして、量子井戸構造２２０におけるＩｎＧａＮ層２２４の厚さは３ｎｍ以下である。以下に詳しく説明する。

III族窒化物半導体結晶の極性面であるｃ面上にデバイス（例：光デバイス、電子デバイス等）を形成した場合、内部電界に起因して内部量子効率が低下する。特に極性面上の量子井戸構造では、長波長化のためにＩｎ組成を大きくするにつれ、内部電界が増大する。そこで、いわゆる半極性面（極性面及び無極性面と異なる面）上にデバイスを形成する試みがなされている。半極性面上にデバイスを形成すれば、ｃ面上にデバイスを形成する場合よりも、内部電界を大幅に低減でき、内部量子効率を上げることができると考えられる。

半極性面の中でも、｛１１−２３｝面については、近年、良質な基板が安定して製造可能となっている。したがって、実用化に向け、｛１１−２３｝面上へのデバイス形成の方法を確立することの意義は大きい。

緑色は、レーザー等の光デバイスで特に発振が難しい波長帯として挙げられる。III窒化物半導体の量子井戸構造では、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を増やすことにより、発光波長を緑色等に長波長化することができる。ただし、｛１１−２３｝面上の場合、極性面上の場合よりも、高いＩｎ組成が求められる。一方、Ｉｎ組成を増やすとＩｎＧａＮの結晶の格子定数が大きくなりＧａＮ層との不整合が大きくなる、その結果、格子緩和や格子破綻等により結晶構造が非常に壊れやすいものとなる。

ここで、ＩｎＧａＮ層の膜厚に着目すると、均一な膜を形成するためにはある程度の厚さが必要である。一方、膜厚が厚くなりすぎると、格子破綻を生じる。なお、量子井戸の数が増えれば、さらに良好な結晶構造を得ることが難しくなる。したがって、｛１１−２３｝面上に長波長で発光可能な量子井戸構造を形成するためにはＩｎ組成と膜厚を高度に制御する必要がある。

本実施形態に係る構造体１０では、ＩｎＧａＮ層２２４の厚さを３ｎｍ以下とすることにより、高品質な量子井戸構造２２０が実現されている。また、ＩｎＧａＮ層２２４の厚さを３ｎｍ以下とすることにより、ＩｎＧａＮ層２２４のＩｎ組成を高めることができ、長波長での発光が可能となっている。さらに、薄いＩｎＧａＮ層２２４ではＩｎの組成揺らぎが小さくなり、同じ準位間で遷移を生じさせることができると考えられる。そのため、たとえば構造体１０を用いてレーザーを作製する場合、レーザー発振をさせやすくなるとも推測される。

ＩｎＧａＮ層２２４の厚さを３ｎｍ以下とできれば多層構造２００の形成条件は特に限定されないが、たとえば、後述するような第１条件から第３条件を満たすことにより、高品質で薄いＩｎＧａＮ層２２４を含む構造体１０を形成することが可能である。

構造体１０の構造について以下に詳しく説明する。基板１００としてはたとえばＧａＮ基板が挙げられる。基板１００は自立基板である。基板１００の厚さは特に限定されないが、ハンドリングのしやすさの観点から、１００μｍ以上であることが好ましい。また、構造体１０の小型化の観点から、基板１００の厚さは１．５ｍｍ以下であることが好ましい。基板１００は、アンドープの基板であっても良いし、ｎ型またはｐ型の半導体基板であっても良い。

基板１００は、ある程度高い結晶性を有することが好ましい。具体的には、基板１００の第１主面１０１および第２主面１０２のうち、多層構造２００を形成する側の面に対して測定したＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の（１１２）のωの半値幅が以下のｍ軸入射測定において５００ａｒｃｓｅｃ．以下であることが好ましく、２００ａｒｃｓｅｃ．以下であることがより好ましい。また、基板１００の第１主面１０１および第２主面１０２のうち、多層構造２００を形成する側の面に対して測定したＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の（１１２）のωの半値幅が以下のｃ投影軸入射測定において５００ａｒｃｓｅｃ．以下であることが好ましく、２００ａｒｃｓｅｃ．以下であることがより好ましい。なお、ｍ軸入射測定およびｃ投影軸入射測定における半値幅はそれぞれたとえば３０ａｒｃｓｅｃ．以上であってもよい。

Ｘ線ロッキングカーブ測定について以下に説明する。III族窒化物半導体は単位格子の空間群がＰ６３ｍｃであることから、消滅則により、｛１１−２３｝面からのＸ線回折を得ることができない。そこで、たとえば｛１１−２３｝面に比較的近い面である｛１１−２２｝面に関するロッキングカーブ測定を行う。

特に、III族窒化物半導体の半極性面は、主面に対しｍ軸方向とｃ投影軸（ｃ軸を主面に投影した投影軸）方向に結晶性の異方性が生じることが多い。そこで、たとえばこれらの２軸方向にＸ線ロッキングカーブの測定を行う。具体的には、ＸＲＣ（１１２）ω半値幅の評価は、Ｘ線を測定対象の主面に対しｍ軸に平行に入射させ、Ｘ線の入射方向とその主面のなす角度を走査するｍ軸入射測定と、Ｘ線を測定対象の主面のｃ投影軸に平行に入射させ、Ｘ線の入射方向とその主面のなす角度を走査するｃ投影軸入射測定の２通りの測定を行う。そうすることで、各方向の結晶性を評価できる。

多層構造２００は基板１００の第１主面１０１上に形成されても良いし、第２主面１０２上に形成されても良い。第１主面１０１はたとえば｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面である。この場合、第２主面１０２は｛−１−１２−３｝面、または｛−１−１２−３｝面からのオフ角が１０°以内である面である。構造体１０において多層構造２００は、基板１００の第１主面１０１または第２主面１０２に接している。多層構造２００には互いに積層された複数の層が含まれる。

｛１１−２３｝面からのオフ角は、たとえば｛１１−２２｝面に対するロッキングカーブ測定の結果から算出することができる。具体的には、測定対象の主面における｛１１−２３｝面からのｍ軸方向およびｃ投影軸方向のオフ角を算出するため、上記したＸ線ロッキングカーブの測定のｍ軸入射測定とｃ投影軸入射測定のそれぞれについて基板１００をその主面の面内方向に１８０°回転させた測定を実施する。これらの測定の結果から得られるｍ軸方向およびｃ投影軸方向のオフ角に基づいて、最終的なオフ角、すなわち｛１１−２３｝面と測定対象の主面とのなす角が算出できる。

また、基板１００の第１主面１０１および第２主面１０２のうち、多層構造２００を形成する側の面の暗点密度は１×１０^７ｃｍ^−２以下であることが好ましく、３×１０^６ｃｍ^−２以下であることがより好ましい。なお、暗点密度はたとえば１×１０^４ｃｍ^−２以上であってもよい。暗点密度はカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定により導出できる。

基板１００の第１主面１０１および第２主面１０２のうち、多層構造２００を形成する側の面の曲率半径の大きさは、ｍ軸方向において０．５ｍ以上であることが好ましく、２ｍ以上であることがより好ましい。また、基板１００の第１主面１０１および第２主面１０２のうち、多層構造２００を形成する側の面の曲率半径の大きさは、ｃ投影軸方向において０．５ｍ以上であることが好ましく、２ｍ以上であることがより好ましい。なお、多層構造２００を形成する側の面の曲率半径の大きさは、ｍ軸方向およびｃ投影軸方向のそれぞれにおいてたとえば１００ｍ以下であってもよい。各方向の曲率半径はたとえば、上記したＸ線ロッキングカーブ測定の結果から算出することができる。

多層構造２００には量子井戸構造２２０が含まれる。量子井戸構造２２０は単一量子井戸構造であってもよいし、多重量子井戸構造であっても良い。量子井戸構造２２０と基板１００との間には、他の層が存在してもよいし、存在しなくてもよい。

図１は量子井戸構造２２０として単一量子井戸構造を有する構造体１０を例示する図である。図２は、量子井戸構造２２０として多重量子井戸構造を有する構造体１０を例示する図である。上記した通り、量子井戸構造２２０はＩｎＧａＮ層２２４およびＧａＮ層２２２を含む。量子井戸構造２２０では、ＩｎＧａＮ層２２４がＧａＮ層２２２に挟まれており、ＩｎＧａＮ層２２４は井戸層として機能し、ＩｎＧａＮ層２２４は障壁層として機能する。ＩｎＧａＮ層２２４とＧａＮ層２２２との界面は平坦であることが好ましく、ＩｎＧａＮ層２２４とＧａＮ層２２２との界面にはＩｎＧａＮ層２２４の膜厚より大きな高さの凹凸は生じていないことが好ましい。量子井戸構造２２０が多重量子井戸構造である場合、量子井戸構造２２０に含まれるＩｎＧａＮ層２２４の数はたとえば２以上５以下であることが好ましい。

ＩｎＧａＮ層２２４の厚さは３ｎｍ以下であれば特に限定されないが、３ｎｍ未満であることが好ましく、２．５ｎｍ以下であることがより好ましい。また、より均一な膜を得るために、ＩｎＧａＮ層２２４の厚さは１．５ｎｍ以上であることが好ましい。

ＩｎＧａＮ層２２４の組成はＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎで表される。ここで、たとえば０．１≦ｘ≦０．７５が成り立つことが好ましい。ただし、緑色波長領域で高効率の発光を可能とするためには、０．２８≦ｘ≦０．５が成り立つことがより好ましく、０．３≦ｘ≦０．４が成り立つことがさらに好ましい。

ＧａＮ層２２２の厚さは特に限定されないが、たとえば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。量子井戸構造２２０が多重量子井戸構造である場合、特に２つのＩｎＧａＮ層２２４の間に位置するＧａＮ層２２２の厚さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、量子井戸構造２２０において複数のＧａＮ層２２２の厚さは互いに同じであっても良いし、同じでなくても良い。また、ＧａＮ層２２２には、Ｓｉがドープされてしても良い。ＧａＮ層２２２にＳｉがドープされる場合、ＧａＮ層２２２におけるＳｉの濃度は、５×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下であることが好ましい。

基板１００とＩｎＧａＮ層２２４との間にはホモエピタキシャルＧａＮ層が含まれることが好ましい。そうすることで、良質な量子井戸構造２２０を形成できる。ホモエピタキシャルＧａＮ層は、障壁層であるＧａＮ層２２２を兼ねても良い。ホモエピタキシャルＧａＮ層の膜厚は１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。

多層構造２００における量子井戸構造２２０の有無はたとえば透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）を用いる方法またはＸ線回折測定を行う方法により確認できる。これらの方法のうち少なくとも一方で量子井戸構造２２０の存在が確認できれば、多層構造２００に量子井戸構造２２０が含まれると判断できる。具体的には、ＴＥＭを用いる方法では、ＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層の各膜厚を確認する。Ｘ線回折測定を行う方法では、ＧａＮ層からの主回折、ＩｎＧａＮ層からの主回折、およびそのフリンジ（周期的な振動）を確認する。

本実施形態に係る構造体１０においては、たとえば、構造体１０の、励起波長を３２５ｎｍとしたフォトルミネッセンススペクトルが、ピーク波長を５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下とする第１のピークを有するようにすることができる。このような構造体１０によれば、緑色発光のデバイスを実現することができる。なおここで、第１のピークが、３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長範囲における最大ピークであることが好ましい。また、第１のピークの半値幅をたとえば１００ｎｍ以下とすることができ、さらには６０ｎｍ以下とすることができる。

第１のピークのピーク強度は、励起波長を３２５ｎｍとした構造体１０のフォトルミネッセンススペクトルに現れる第２のピークのピーク強度の１倍以上であることが好ましく、１．５倍以上であることがより好ましい。ここで、第２のピークは３５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長範囲において最大のピーク強度を有するピークである。第２のピークはたとえばＧａＮの発光ピークである。すなわち構造体１０は、このような強度の第１のピークを有する程度に、充分な構造精度の量子井戸構造２２０を含むことが好ましい。

なお、構造体１０のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は、ＩｎＧａＮ層２２４のＩｎ組成等を調整することにより設定することができる。構造体１０の発光色は緑色に限らず、赤色、青色等であってもよい。

また、構造体１０はデバイスであっても良い。構造体１０は電極をさらに備えても良い。

本実施形態に係る構造体１０は、形成工程を含む製造方法により、製造可能である。形成工程では、基板１００の第１主面１０１上または第２主面１０２上に、III族窒化物半導体を成長させて多層構造２００を形成する。基板１００は、｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面１０１とするIII族窒化物半導体の基板である。また、第２主面１０２は、基板１００の第１主面１０１とは反対側の主面である。多層構造２００はＩｎＧａＮ層２２４およびＧａＮ層２２２の交互積層構造からなる量子井戸構造２２０を含む。そして、量子井戸構造２２０におけるＩｎＧａＮ層２２４の厚さは３ｎｍ以下である。

多層構造２００の形成は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて行える。また、多層構造２００の形成に用いるＶ族原料ガスはたとえばＮＨ_３ガスであり、III族原料ガスは有機金属ガスである。有機金属ガスとしてたとえばトリメチルＧａ（ＴＭＧａ）、トリエチルＧａ（ＴＥＧａ）、トリメチルＩｎ（ＴＭＩｎ）、トリメチルＡｌ（ＴＭＡｌ）、トリエチルＡｌ（ＴＥＡｌ）が挙げられる。Ｖ族原料ガスおよびIII族原料ガスは互いに反応する反応性ガスである。また、形成工程ではＭＯＣＶＤ装置の成長室にキャリアガスをさらに供給しても良い。キャリアガスはたとえば水素（Ｈ_２）ガスおよび窒素（Ｎ_２）ガスであり、原料ガスとは反応しない。III族原料ガスとしてＴＭＧａガスを用いる場合、供給するＴＭＧａガスの温度は−５℃以上２５℃以下であることが好ましく、０℃以上２０℃以下であることがより好ましい。また、III族原料ガスとしてＴＭＩｎガスを用いる場合、供給するＴＭＩｎガスの温度は２５℃以上５５℃以下であることが好ましく、３０℃以上５０℃以下であることがより好ましい。ただし、各ガスの温度は、ＭＯＣＶＤ装置の構成や、多層構造２００の作製に必要な蒸気圧等に応じて適宜設定することができる。供給する各ガスは、たとえば恒温槽を用いて所望の温度にすることができる。

ＭＯＣＶＤ装置の成長室に基板１００を配置し、Ｇａを含むIII族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することにより、ＧａＮ層２２２等、ＧａＮからなる層を成長させることができる。また、Ｇａを含むIII族原料ガス、Ｉｎを含むIII族原料ガス、およびＶ族原料ガスを供給することにより、ＩｎＧａＮ層２２４等、ＩｎＧａＮからなる層を成長させることができる。

形成工程では、表面温度、成長圧力、および各ガスの供給量を制御することができる。ここで、表面温度とは、その上に結晶成長させようとする表面の温度であり、すなわち原料ガスが供給される面の温度である。表面温度は、基板１００の主面の温度および基板１００上に積層された結晶表面の温度のうちのいずれかでありうる。表面温度はたとえばパイロメータを用いて測定できる。なお、結晶成長中の表面温度を特に成長温度とも呼ぶ。

構造体１０を製造する際の第１条件から第３条件について以下に説明する。形成工程において第１条件から第３条件の全てを満たすことにより、高品質で薄いＩｎＧａＮ層を含む構造体１０を得ることができる。特に、少なくとも量子井戸構造２２０を形成する際に第１条件から第３条件が満たされることが好ましい。

第１条件は、形成工程が、以下に説明する成膜の中断工程または水素ガス供給工程を含むことである。

中断工程は、少なくとも一の層間において成長を中断させる工程である。具体的にはたとえば、中断工程においてIII族原料ガスおよびＶ族原料ガスの少なくとも一方の供給を停止することにより、結晶成長を停止させる。そして、中断工程の間、上記した表面温度を上げる、または下げるよう変化させる。なお、中断工程において、III族原料ガスおよびＶ族原料ガスの一方の供給は継続されていても良い。たとえば、中断工程において、III族原料ガスの供給を行わず、Ｖ族原料ガスの供給を行う。中断工程は、表面温度を変化させる際には毎回行われることが好ましい。また、中断工程は、量子井戸構造２２０に含まれる層の全ての層間で行われることが好ましく、多層構造２００に含まれる層の全ての層間で行われることがより好ましい。

水素ガス供給工程は、層と層の境界部を形成する時に、水素を供給する工程である。水素ガス供給工程は少なくとも一の境界部の形成時に行われることが好ましい。中断工程と水素ガス供給工程とは、同時に行われる必要は無い。水素ガス供給工程では、結晶成長が継続された状態で基板１００に向けてＨ_２ガスを供給する。すなわち、水素ガスを供給しながら原料ガスの種類を切り替えたり、表面温度を変化させたりする。そうすることにより、水素フローによるエッチング効果が得られ、境界部の余分な原子を除去することができ、層間の急峻な界面を得ることができる。また、薄い層を均一に成長させることができる。水素ガス供給工程における水素ガスの供給量はたとえば０．５ｓｌｍ以上１０ｓｌｍ以下であることが好ましい。

第２条件は、適切な温度調整を行うことである。具体的には、形成工程における成長温度は５００℃以上１０００℃以下であることが好ましく、７００℃以上１０００℃以下であることがより好ましい。特に、ＧａＮ層２２２の成長温度をＩｎＧａＮ層２２４の成長温度よりも高くすることが好ましい。ＩｎＧａＮ層２２４の成長温度は７００℃以上８００℃以下であることが好ましい。成長温度をある程度低く抑えることにより、Ｉｎの取り込み効率を高めることができる。また、成長温度を低くしすぎないことにより、良好な結晶構造および界面を得られる。

第３条件は、原料ガスにおいてＶ／III比を適切に設定することである。Ｖ／III比は、III族原子の供給数に対するＶ族原子の供給数の比率を示す。なお、各供給数は、原料ガスによる供給数である。形成工程におけるＶ／III比は、５０００以上２００００以下であることが好ましい。すなわち。Ｖ族原子の供給数は、III族原子の供給数の５０００倍以上２００００倍以下であることが好ましい。また、形成工程において、Ｖ族原子の供給数は、III族原子の供給数の６０００倍以上１７０００倍以下であることがより好ましい。

なお、ＩｎＧａＮを成長させる際の、Ｉｎ原子の供給数は、III族原子の供給数全体の０．４倍以上０．８倍以下であることが好ましく、０．５倍以上０．７倍以下であることがより好ましい。こうすることで、発光ピークの半値幅を抑えたり、発光強度を高めたり、全体にわたって安定に発光させたりすることができる。

なお、形成工程において、成長室の圧力は１００Ｔｏｒｒ以上５００Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。

また、構造体１０の製造方法では、形成工程に先立ち基板１００表面のサーマルクリーニングを行っても良い。サーマルクリーニングでは、たとえば基板１００の表面温度を９００℃以上１１００℃以下で５分以上維持する。なお、サーマルクリーニングの時間は６０分以下とすることができる。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面１０１とするIII族窒化物半導体の基板１００の、第１主面１０１または第２主面１０２上に量子井戸構造２２０が形成された新たな構造体１０が得られる。このような構造体１０は特に光デバイスの作製に好適に用いられる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る構造体１０の構成を例示する図である。本実施形態に係る構造体１０は、多層構造２００が、量子井戸構造２２０に加え、ガイド層、クラッド層、電子ブロック層、およびコンタクト層の少なくともいずれかを備える点を除いて第１の実施形態に係る構造体１０と同じである。

本図の例において、多層構造２００は、ｎ型クラッド層２５１、ｎ−ＧａＮガイド層２３３、ＩｎＧａＮガイド層２３１、量子井戸構造２２０、ＩｎＧａＮガイド層２３１、電子ブロック層２４０、ｐ−ＧａＮガイド層２３４、ｐ型クラッド層２５２、およびｐ型コンタクト層２６０を基板１００側からこの順に含む。また、基板１００はｎ型ＧａＮである。このような構造体１０を用いることにより、良好なレーザー素子を作製できる。

ＩｎＧａＮガイド層２３１はＩｎＧａＮからなり、量子井戸構造２２０は二つのＩｎＧａＮガイド層２３１の間に位置する。また、ｎ−ＧａＮガイド層２３３はｎ型ＧａＮからなり、ｐ−ＧａＮガイド層２３４はｐ型ＧａＮからなる。量子井戸構造２２０は、ｎ−ＧａＮガイド層２３３とｐ−ＧａＮガイド層２３４の間に位置する。さらに、ＩｎＧａＮガイド層２３１とｐ−ＧａＮガイド層２３４との間には電子ブロック層２４０が位置する。電子ブロック層２４０はたとえばｐ型ＡｌＧａＮからなる。

クラッド層はたとえばＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎで表される組成のＡｌＧａＮからなる。具体的にはｎ型クラッド層２５１はｎ型ＡｌＧａＮからなり、ｐ型クラッド層２５２はｐ型ＡｌＧａＮからなる。ここで、ｙは０．１以上であることが好ましく、０．１５以上であることがより好ましい。また、ｙは０．２５以下であることが好ましい。量子井戸構造２２０は、ｎ型クラッド層２５１とｐ型クラッド層２５２の間に位置する。多層構造２００のうち基板１００側とは反対側の端にはｐ型コンタクト層２６０が位置する。ｐ型コンタクト層２６０はたとえばｐ型ＧａＮからなる。

多層構造２００に含まれる層のうち、ｎ型のIII族窒化物半導体からなる層は、たとえば、成長時にｎ型ドーパントを含むドーピングガスをさらに供給することにより形成できる。ｎ型ドーパントはたとえばＳｉ、Ｇｅ、およびＯからなる群から選択される一以上である。

多層構造２００に含まれる層のうち、ｐ型のIII族窒化物半導体からなる層は、たとえば、成長時にｐ型ドーパントを含むドーピングガスをさらに供給し、活性化処理を行うことにより形成できる。活性化処理は熱処理または電子線照射である。ｐ型ドーパントはたとえばＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＢｅからなる群から選択される一以上である。

多層構造２００に含まれる層のうち、ＡｌＧａＮからなる層は、成長時に、Ｇａを含むIII族原料ガス、Ａｌを含むIII族原料ガス、およびＶ族原料ガスを供給することにより形成することができる。

図４は、第２の実施形態に係る光デバイス３０の構成を例示する図である。光デバイス３０は、構造体１０、第１の電極３１０、および第２の電極３２０を備える。第１の電極３１０および第２の電極３２０は多層構造２００に電気的に接続されている。本図の例において第１の電極３１０は基板１００に接し、第２の電極３２０は多層構造２００のうち基板１００とは反対側の端の層に接している。

光デバイス３０は、構造体１０に、第１の電極３１０および第２の電極３２０を形成することにより製造できる。具体的には、基板１００の多層構造２００側とは反対側の面を必要に応じてエッチング等し、第１の電極３１０を成膜する。また、ｐ型コンタクト層２６０の基板１００側とは反対側の面に第２の電極３２０を成膜する。各電極はＰｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびＩｎ等の少なくともいずれかの金属で構成される。なお、各電極は複数の金属層の積層構造を有していても良い。また、構造体１０を必要に応じて劈開やダイシング等することで、形状を加工しても良い。

光デバイス３０はたとえばレーザーである。ここで、基板１００の第１主面１０１は、｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面であるため、構造体１０の側面の劈開面をミラーとして用い、レーザーとして良好に動作させることができる。ひいては、低コストでレーザーの製造が可能である。ミラーとして用いる劈開面としてはたとえば｛１０−１０｝面が好ましい。

本実施形態に係る構造体１０および光デバイス３０の構造はそれぞれ図３および図４の例に限定されない。また、光デバイス３０はレーザーに限定されず、波長変換素子、発光ダイオード、またはセンサ等であっても良い。光デバイス３０がレーザーや発光ダイオード等の発光デバイスである場合、光デバイス３０の発光波長をたとえば５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下とすることができる。すなわち、構造体１０を用いて緑色発光のデバイスを作製することができる。なお、光デバイス３０の発光波長は、ＩｎＧａＮ層２２４のＩｎ組成等を調整することにより設定することができる。光デバイス３０の発光色は緑色に限らず、赤色、青色等であってもよい。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。くわえて、構造体１０を用いて容易にデバイスを得ることができる。

以下、本実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１として、単一量子井戸構造を有する構造体を作製し、評価した。

図５は、実施例１に係る構造体の構成を示す図であり、図６は、実施例１に係る形成工程での表面温度を示す図である。また、実施例１に係る構造体の製造条件を表１に示す。

本実施例ではまず、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形状であり、第１主面が（１１−２３）面であるＧａＮ自立基板を準備し、基板の評価を行った。その後、基板を２ｍｍ×３ｍｍの矩形の基板に分割し、多層構造の形成に用いた。

１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形状の基板に対し行った評価の結果は以下の通りである。まず、基板の厚さと第１主面におけるＣＬ暗点密度について評価を行った。評価の結果は下記の通りであった。
厚さ：４０８μｍ
ＣＬ暗点密度：１．５３×１０^６ｃｍ^−２

次いで、第１の実施形態に説明した方法で、第１主面のＸＲＣ（１１２）ω半値幅、｛１１−２３｝面からのオフ角、および曲率半径を評価した。
ＸＲＣ（１１２）ω半値幅：ｍ軸入射測定１３８ａｒｃｓｅｃ．、ｃ投影軸入射測定６６．４ａｒｃｓｅｃ．
｛１１−２３｝面からの各軸方向のオフ角：ｍ軸方向−０．０６°、ｃ投影軸方向０．１６°（｛１１−２３｝面と測定対象の主面とのなす角が１０°以内であることが確認された。）
曲率半径：ｍ軸方向−２．６９ｍ、ｃ軸方向＋８．７９ｍ
なお、曲率半径の＋は測定対象の主面において凸方向に結晶軸の曲率半径を有していることを、−は凹方向に結晶軸の曲率半径を有していることを示す。

分割された基板をＭＯＣＶＤ装置に取り付け、表１に示す通りの条件で、単一量子井戸構造を作製した。まず、表面温度を室温（ＲＴ）から昇温し、９８０℃で２０分間維持することで、基板表面のサーマルクリーニングを行った。サーマルクリーニング中は、ＮＨ_３ガス、Ｈ_２ガスおよびＮ_２ガスをそれぞれ表１に示す流量で成長室に供給した。

次いで、基板の第１主面上にホモエピタキシャルＧａＮ層（ＨＴ−ＧａＮ）、ＩｎＧａＮ層（ＧａＩｎＮ）、およびｃａｐ−ＧａＮ層をこの順に成長させて、実施例１の構造体を得た。各層の成長条件は、表１に示す通りである。なお、表１中、「原子数比率」は、原料ガスに含まれる、Ｖ族とIII族との原子数比（Ｖ／III比）またはＩｎとIII族との原子数比（Ｉｎ／III比）を示す。「圧力」は、ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力を示す。

表１に示すように、ホモエピタキシャルＧａＮ層の成長と、ＩｎＧａＮ層の成長との間には、結晶成長をさせずに表面温度を下げる中断工程を設けた。また、形成工程における成長温度を７００℃以上１０００℃以下の範囲で設定した。そして、供給する原料ガスのＶ／III比を６０００以上１７０００以下の範囲で設定した。

図７は、実施例１の構造体に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。また、本図には蛍光発光をしている状態の構造体の写真を合わせて示す。フォトルミネッセンス測定は、波長３２５ｎｍのヘリウム−カドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザー光を励起とし、室温で行った。本測邸に用いたレーザーはＧａＮのバンドギャップに対し高いエネルギーを有しているため、測定結果には、構造体に含まれる基板を含めた全ての層からの発光が含まれている。本図に示すように、本構造体のフォトルミネッセンススペクトルは、ＩｎＧａＮ層の発光によるものと思われる、ピーク波長を５２０ｎｍとする発光ピークを有していた。また、この発光ピークの半値幅は５５ｎｍであった。なお、３７０ｎｍの辺りに生じているピークは、ＧａＮ層の発光である。

さらに、蛍光顕微鏡で構造体を観察したところ、全面で均一な蛍光が生じていた。また、ピットからの青色の蛍光は少なかった。

以上のように、実施例１では、単一量子井戸構造を含み、緑色発光を生じる構造体が得られた。

（実施例２）
ＩｎＧａＮ層およびｃａｐ−ＧａＮ層の成長温度を７５５℃とし、Ｉｎ／ＩＩＩ比を０．７とした以外は実施例１と同様にして構造体を作製した。

図８は、実施例２の構造体に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。本実施例についても実施例１と同様の方法でフォトルミネッセンス測定を行った。本図に示す通り、実施例２に係る構造体のフォトルミネッセンススペクトルには、最大ピークとして、ピーク波長５２４ｎｍ、半値幅７０ｎｍのピークが見られた。なお、波長３６５ｎｍ付近に生じているピークは、ＧａＮ層の発光によるものである。以上のように、実施例２においても、単一量子井戸構造を含み、緑色発光を生じる構造体が得られた。

（実施例３）
実施例３として、多重量子井戸構造を有する構造体を作製し、評価した。

図９は、実施例３に係る構造体の構成を示す図であり、図１０は、実施例３に係る形成工程での表面温度を示す図である。また、実施例３に係る構造体の製造条件を表２に示す。

本実施例では、実施例１と同じＧａＮ自立基板を２ｍｍ×３ｍｍ程度の矩形に分割したものを基板として用いた。そして、基板の第１主面である（１１−２３）面上に多層構造を形成し構造体１を得た。また、基板の第２主面である（−１−１２−３）面上に多層構造を形成し構造体２を得た。なお、構造体１および構造体２の多層構造は同時に成長させた。

実施例１と同様、分割された基板をＭＯＣＶＤ装置に取り付け、表２に示す通りの条件で、多重量子井戸構造を作製した。まず、実施例１と同様に、基板表面のサーマルクリーニングを行った。

次いで、基板の各主面上にホモエピタキシャルＧａＮ層（ＨＴ−ＧａＮ）を形成し、さらに、バリアＧａＮ層（ｂａｒｒｉｅｒ ＧａＮ）およびＩｎＧａＮ層（ＧａＩｎＮ）を三層ずつ交互に形成した。その後、ｃａｐ−ＧａＮ層を形成し、実施例３の構造体１および構造体２を得た。なお、表２中、「原子数比率」は、原料ガスに含まれる、Ｖ族とIII族との原子数比（Ｖ／III比）またはＩｎとIII族との原子数比（Ｉｎ／III比）を示す。

表２に示すように、層と層の成長の間には、結晶成長をさせずに表面温度を下げるまたは上げるよう変化させる中断工程を設けた。また、形成工程における成長温度を７００℃以上１０００℃以下の範囲で設定した。そして、供給する原料ガスのＶ／III比を６０００以上１７０００以下の範囲で設定した。

図１１は、実施例３の構造体１に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図であり、図１２は、実施例３の構造体２に対しフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。また、これらの図には蛍光発光をしている状態の構造体の写真を合わせて示す。フォトルミネッセンス測定は、波長３２５ｎｍのレーザー光を励起とし、室温で行った。図１１に示すように、構造体１のフォトルミネッセンススペクトルは、ＩｎＧａＮ層の発光によるものと思われる、ピーク波長を５２０ｎｍとする発光ピークを有していた。また、この発光ピークの半値幅は７０ｎｍであった。図１２に示すように、構造体２のフォトルミネッセンススペクトルは、ＩｎＧａＮ層の発光によるものと思われる、ピーク波長を５３０ｎｍとする発光ピークを有していた。ただし、発光ピークの強度は構造体１よりも低かった。また、この発光ピークの半値幅は９０ｎｍであった。表２の条件で作製を行った場合、発光強度および半値幅において、構造体１が構造体２よりも優れていた。

さらに、蛍光顕微鏡で構造体を観察したところ、全面で均一な蛍光が生じていた。また、構造体２の方が構造体１よりも表面に観察されるピットが少なかった。

以上のように、実施例３では、多重量子井戸構造を含み、緑色発光を生じる構造体が得られた。

（比較例）
比較例では、ＩｎＧａＮ層の成長を５ｎｍの膜厚を想定して行った点、ＩｎＧａＮ層およびｃａｐ−ＧａＮ層の成長温度を９００℃とした点、およびＩｎＧａＮの成長時のＩｎ／III比を０．７とした点以外は実施例３と同様にして構造体を作製した。

本比較例の構造体について実施例３と同様のフォトルミネッセンス測定を行った所、緑色発光を確認できなかった。本構造体では、格子破綻が生じ、充分な量子井戸構造が形成されなかったと考えられる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 構造体
３０ 光デバイス
１００ 基板
１０１ 第１主面
１０２ 第２主面
２００ 多層構造
２２０ 量子井戸構造
２２２ ＧａＮ層
２２４ ＩｎＧａＮ層
２３１ ＩｎＧａＮガイド層
２３３ ｎ−ＧａＮガイド層
２３４ ｐ−ＧａＮガイド層
２４０ 電子ブロック層
２５１ ｎ型クラッド層
２５２ ｐ型クラッド層
２６０ ｐ型コンタクト層
３１０ 第１の電極
３２０ 第２の電極

Claims (14)

1. ｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面とするIII族窒化物半導体の基板と、
   前記基板の、前記第１主面上または、前記第１主面とは反対側の第２主面上に積層された、III族窒化物半導体からなる多層構造とを備え、
   前記多層構造はＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層の交互積層構造からなる量子井戸構造を含み、
   前記量子井戸構造における前記ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍ以下である構造体。
2. 請求項１に記載の構造体において、
   前記ＩｎＧａＮ層の組成はＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎで表され、
   ０．２８≦ｘ≦０．５が成り立つ構造体。
3. 請求項１または２に記載の構造体において、
   励起波長を３２５ｎｍとした当該構造体のフォトルミネッセンススペクトルは、ピーク波長を５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下とする第１のピークを有する構造体。
4. 請求項３に記載の構造体において、
   前記第１のピークの半値幅は１００ｎｍ以下である構造体。
5. 請求項３または４に記載の構造体において、
   前記第１のピークのピーク強度は、励起波長を３２５ｎｍとした当該構造体のフォトルミネッセンススペクトルに現れる第２のピークのピーク強度の１倍以上であり、
   前記第２のピークは、３５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長範囲において最大のピーク強度を有するピークである構造体。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の構造体において、
   前記多層構造はＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎで表される組成のＡｌＧａＮからなるクラッド層を含み、
   ｙは０．１以上である構造体。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の構造体と、
   前記多層構造に電気的に接続された第１の電極および第２の電極を備える光デバイス。
8. 請求項７に記載の光デバイスにおいて、
   レーザーである光デバイス。
9. 請求項１から６のいずれか一項に記載の構造体に、前記多層構造に電気的に接続された第１の電極および第２の電極を形成する光デバイスの製造方法。
10. ｛１１−２３｝面、または｛１１−２３｝面からのオフ角が１０°以内である面を第１主面とするIII族窒化物半導体の基板の、前記第１主面上または、前記第１主面とは反対側の第２主面上に、III族窒化物半導体を成長させて多層構造を形成する形成工程を含み、
    前記多層構造はＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層の交互積層構造からなる量子井戸構造を含み、
    前記量子井戸構造における前記ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍ以下である構造体の製造方法。
11. 請求項１０に記載の構造体の製造方法において、
    前記形成工程における成長温度は５００℃以上１０００℃以下である構造体の製造方法。
12. 請求項１０または１１に記載の構造体の製造方法において、
    前記形成工程は、少なくとも一の層間において成長を中断させる工程を含む構造体の製造方法。
13. 請求項１０または１１に記載の構造体の製造方法において、
    前記形成工程は、層と層の少なくとも一の境界部を形成する時に、水素を供給する工程を含む構造体の製造方法。
14. 請求項１０から１３のいずれか一項に記載の構造体の製造方法において、
    前記形成工程において、原料ガスによる、Ｖ族原子の供給数は、III族原子の供給数の５０００倍以上２００００倍以下である構造体の製造方法。