JP5514920B2 - Ｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板および該基板を用いた深紫外発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物エピタキシャル基板および該基板を用いた深紫外発光素子に関する。

近年、一般に、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、発光素子や電子デバイス用素子等に広く用いられている。このようなデバイスの特性は、III族窒化物半導体の結晶性に大きく影響されるため、結晶性の高いIII族窒化物半導体を成長させるための技術が求められている。

III族窒化物半導体は、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓなどからなる基板上にエピタキシャル成長させることによって形成される。しかし、III族窒化物半導体とこれらの基板とでは、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、これらの基板上にIII族窒化物半導体を成長させた場合、成長したIII族窒化物半導体には、クラックやピット（点状欠陥）が発生するという問題があった。そこで、基板上にバッファ層を形成した後、該バッファ層上にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることで、バッファ層の歪緩衝効果により、クラックやピットの発生を防止し、結晶性の高いIII族窒化物層を成長させることが知られている。

特許文献１には、Ｓｉ基板とIII族窒化物半導体層との間に、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（Ａｌ含有率ｘが０．５≦ｘ≦１）からなる第１層とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（Ａｌ含有率ｙが０．０１≦ｙ≦０．２）からなる第２層とを交互に各々複数層積層したＡｌＮ系超格子バッファ層を設けることにより、Ｓｉ基板上に、結晶性が高く、かつ、クラックの発生を防止したIII族窒化物半導体層を製造する技術が開示されている。

また、特許文献２には、Ｓｉ基板上にＡｌＮバッファ層を形成し、ＡｌＮバッファ上にＡｌ含有率が結晶成長方向に減少するように組成を傾斜させた組成傾斜層と、高Ａｌ含有層と低Ａｌ含有層とを交互に積層した超格子複合層とを順次形成し、該超格子複合層上にIII族窒化物半導体層を形成することで、結晶性の高いIII族窒化物半導体層を得る技術が開示されている。

特開２００７− ６７０７７号公報 特開２００９−１５８８０４号公報

本発明者は、サファイアやＳｉＣからなる基板上に、深紫外光を発する発光層を含みＡｌＧａＮ材料からなる活性層をエピタキシャル成長させた深紫外発光素子を研究している。高い発光出力を得るには、基板上に結晶性の高い高品質の活性層を成長させる必要がある。なお、本明細書において「深紫外光」とは、波長２００〜３５０ｎｍの範囲内の光を意味する。

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１や特許文献２に記載のバッファ層をＳｉ基板ではなく、サファイアやＳｉＣからなる基板上に形成し、そのバッファ層上にIII族窒化物半導体層を形成することで深紫外発光素子を作製しても、十分な発光出力を得ることができないことが判明した。深紫外発光素子は殺菌、浄水、医療、照明、高密度光記録などの幅広い分野で用いることができる発光素子として近年注目されており、より高い発光出力を得ることが求められている。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、発光出力を向上した深紫外発光素子を得ることが可能なIII族窒化物エピタキシャル基板、および発光出力を向上した深紫外発光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）サファイア、ＳｉＣ、ダイヤモンドのいずれかの材料からなる基板と、
該基板上に形成されたＡｌＮバッファ層と、
該バッファ層上に順次形成された第１超格子積層体および第２超格子積層体と、
該第２超格子積層体上にエピタキシャル成長された、Ａｌ_αＧａ_１−αＮ（０．０３≦α）層を含む活性層を含むIII族窒化物積層体と、を有し、
前記第１超格子積層体は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮからなる第１層と、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．９＜ｂ≦１）からなる第２層とを交互に含み、α＜ａおよびａ＜ｂの条件を満たし、
前記第２超格子積層体は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる第３層、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる第４層、およびＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．９＜ｚ≦１）からなる第５層をくり返し含み、α＜ｘおよびｘ＜ｙ＜ｚの条件を満たし、ｙ−ｘがｚ−ｙよりも小さいことを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。

（２）ｚ−ｘ≧０．２０の条件を満たす上記（１）に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

（３）前記第１および第２超格子積層体において隣接する層のＡｌ含有率差が０．０５以上０．４０以下である上記（１）または（２）に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

（４）０．２０≦ｘ＜０．９０、および、０．６０≦ｙ＜０．９５の条件を満たす上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

（５）ａ＞ｘの条件を満たす上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板を用いた深紫外発光素子。

本発明によれば、発光出力を向上した深紫外発光素子を得ることが可能なIII族窒化物エピタキシャル基板、および発光出力を向上した深紫外発光素子を提供することができる。

図１は、本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル基板の模式的断面図である。 （ａ）は実施例１について、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ比較例１，２について、超格子積層体のＡｌ組成を説明するための模式図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ比較例３〜５について、超格子積層体のＡｌ組成を説明するための模式図である。 ＡｌＮテンプレート基板上に単層のＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させたときの、該ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と結晶性との関係を示すグラフである。

以下、本発明のIII族窒化物エピタキシャル基板の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の一実施形態であるIII族窒化物エピタキシャル基板１０の断面構造を模式的に示す。

III族窒化物エピタキシャル基板１０は、基板１２と、この基板１２上に形成されたＡｌＮバッファ層１４と、このバッファ層１４上に順次形成された第１超格子積層体１６および第２超格子積層体１８と、この第２超格子積層体１８上にエピタキシャル成長されたIII族窒化物積層体２０と、を有する。

基板１２は、ＡｌＮバッファ層１４、第１超格子積層体１６および第２超格子積層体１８（以下、これらを総称して「バッファ層」という。）に対して圧縮応力を付与する基板が好ましく、このような基板１２としては、サファイア、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどからなる基板が挙げられる。なお、Ｓｉ基板はバッファ層に対して引張応力を付与する基板であるため、本発明に用いる基板１２には好ましくない。

バッファ層に対して圧縮応力を付与するか引張応力を付与するかは、基板の材料と、ＡｌＮバッファ層との格子定数差および熱膨張係数差に依存する。ここでいう基板の格子定数は、バッファ層を成長させる面におけるものである。例えば、サファイア基板を用いる場合、サファイアとＡｌＮとではサファイアのほうが格子定数が大きい為、ＡｌＮには成長中に引張応力が働くが、サファイアはＡｌＮの熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数をもつため、バッファ層をエピタキシャル成長させ、冷却した際にサファイア基板が縮みすぎて、バッファ層には成長中の引張応力以上に強い圧縮応力が働く。また、ＳｉＣ基板を用いる場合、ＳｉＣとＡｌＮとでは熱膨張係数差はほとんどないが、ＳｉＣはＡｌＮの格子定数よりも小さい格子定数をもつため、バッファ層には圧縮応力が働く。基板の厚み、大きさは用途に応じて適宜選択することができるが、一般にバッファ層の厚みに比べて非常に厚い。なお、用いる基板の結晶面は、例えば（０００１）面であり、ａ軸長により格子定数を比較すると、ＡｌＮ（３．１１Å）に対しサファイア（４．７６Å）、ＳｉＣ（３．０８Å）となる。熱膨張係数はＡｌＮ（４．２）、サファイア（７．５）、ＳｉＣ（４．２）（いずれもｐｐｍ／Ｋ）である。

III族窒化物積層体２０は、Ａｌ_αＧａ_１−αＮ（０．０３≦α）層を含む活性層２４を含む。本実施形態において、III族窒化物積層体２０は、第２超格子積層体１８側から順に、ｎ型ＡｌＧａＮ層２２、活性層２４、ｐ型ＡｌＧａＮ層２６およびｐ型ＧａＮコンタクト層２８を含む。ｎ型ＡｌＧａＮ層２２、ｐ型ＡｌＧａＮ層２６およびｐ型ＧａＮコンタクト層２８は、ＭＯＣＶＤ法など既知の手法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成することができる。ｐ型不純物としては、Ｂｅ，Ｍｇ、ｎ型不純物としては、Ｓｉ，Ｇｅが例示できる。

活性層２４は、例えばＡｌＧａＮ系材料により多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を形成した発光層とすることができる。この発光層は、ＭＯＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長させて形成することができる。本実施形態では、多重量子井戸構造の井戸層をＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０．０３≦α）層とする。この場合、活性層２４は、発光ピーク波長が３５０ｎｍ以下の深紫外光を発する発光層となる。なお、ＡｌＧａＮ系の多重量子井戸構造の場合、発光波長は主に井戸層のＡｌ含有率で制御することができ、Ａｌ含有率が高いほど短波長の光を発する。例えば、井戸層のＡｌ含有率を０．４とすることにより、活性層２４から２８０ｎｍの深紫外光を発光させることができる。

各層の厚みは特に限定されないが、例えばｎ型ＡｌＧａＮ層２２は５００〜５０００ｎｍ、活性層２４は２０〜１０００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ層２６は２０〜５００ｎｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８は１０〜５００ｎｍとすることができる。

本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル基板１０の特徴は、基板１２とIII族窒化物積層体２０との間に位置するバッファ層である。バッファ層は、基板１２側から順にＡｌＮバッファ層１４、第１超格子積層体１６および第２超格子積層体１８を含む。そして、第１超格子積層体１６は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮからなる第１層１６Ａと、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．９＜ｂ≦１）からなる第２層１６Ｂとを交互に含み、α＜ａおよびａ＜ｂの条件を満たす。さらに、第２超格子積層体１８は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる第３層１８Ａ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる第４層１８Ｂ、およびＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．９＜ｚ≦１）からなる第５層１８Ｃをくり返し含み、α＜ｘおよびｘ＜ｙ＜ｚの条件を満たす。このような構成を採用することにより、本発明では、III族窒化物エピタキシャル基板１０から発光出力を向上した深紫外発光素子を得ることできるという顕著な効果を奏する。

このような構成を採用することの技術的意義を、作用効果を含めて以下に説明する。本発明者は、バッファ層の構成として、基板１２側からＡｌＮで始まり、その後、低Ａｌ組成のＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（第１層）と高Ａｌ組成のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（ａ＜ｂ、０．９＜ｂ≦１、第２層）とを交互に積層した超格子バッファを種々検討した。

まず、図２Ｂ（ａ）に示すＧａＮ（第１層）／ＡｌＮ（第２層）を交互に形成した超格子積層体については、該積層体の上に、ＧａＮ等の３％未満の低Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を成長させるには有効である。しかし、本発明の対象とするＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０．０３≦α）層を含む活性層を含むIII族窒化物半導体を成長させる場合には、以下の問題が顕在化した。すなわち、第１層のＡｌ含有率が井戸層のＡｌ含有率αよりも小さい結果、第１層のバンドギャップがＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０．０３≦α）よりも小さいことにより、活性層が発する光を第１層が吸収してしまい、その結果発光出力が低下するのである。光吸収を最小限とするために第１層を例えば０．２〜０．３ｎｍ程度の薄さで形成すると、歪緩衝効果（後述する基板からの圧縮応力を超格子積層体内の引張応力でキャンセルする効果）を十分に得ることができず、この場合も十分な発光出力を得られない。

また、図２Ａ（ｂ）に示すＡｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ（第１層）／ＡｌＮ（第２層）を交互に形成した超格子積層体のように、第１層のＡｌ含有率が井戸層のＡｌ含有率αより十分に高い場合、活性層が発する光の第１層による吸収は起こらない。しかし、第１層と第２層とのＡｌ含有率の差が小さくなる結果、歪緩衝効果が十分に得られなくなる。そのため、このバッファ層上に形成したIII族窒化物積層体２０の結晶性が不十分となり、十分な発光出力が得られない。

そこで、第１層のＡｌ含有率を井戸層のＡｌ含有率αより高くしつつ、なるべく第１層と第２層とのＡｌ含有率の差を大きくすべく、図２Ｂ（ｂ）に示すＡｌ_０．５３Ｇａ_０．４７Ｎ（第１層）／ＡｌＮ（第２層）を交互に形成した超格子積層体を検討した。しかしこの場合、第２層にクラックが発生することがあることが判明した。これは、以下の理由によるものと推測される。ＡｌＧａＮはＡｌ含有率が高いほど、成長時の表面平坦性が悪化するので、第１層は比較的平坦性の悪い表面を有する。ここに、第１層と比較的Ａｌ含有率の差が大きい第２層を形成すると、第２層に大きな引張応力がかかり、クラックが入ると思われる。第２層のクラックは、III族窒化物積層体２０にまで貫通すると発光素子として機能しないため、好ましくない。なお、図２Ｂ（ａ）の場合、第１層のＧａＮは平坦性が高いため、その上にＡｌＮを積層してもクラックは発生しない。また、図２Ａ（ｂ）の場合、第１層のＡｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎの平坦性は良くないが、第２層とのＡｌ含有率の差が小さいので、第２層に過大な引張応力がかかることはなく、やはりクラックは発生しないのである。

図３は、サファイア基板上にＡｌＮバッファ層を形成したＡｌＮテンプレート基板上に単層のＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させたときの、該ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と結晶性との関係を示すグラフである。横軸はＡｌ組成（％）を、縦軸は各サンプルをＸ線回折装置で分析した際の（１０２）面に相当するピークの半値幅を示す。この半値幅が小さいほど、ＡｌＧａＮ層の結晶性が良好である。Ａｌ含有率が２０％付近から高くなるにつれて結晶性が悪化するのは、平坦性の悪化に起因すると考えられる。一方、Ａｌ含有率が５０％付近から高くなるにつれて結晶性が良くなるのは、ＡｌＮバッファ層とのＡｌ含有率差が小さくなるためと考えられる。図３から、ＡｌＮ層と隣接する場合には、ＸＲＣ（１０２）が約７００以上となるＡｌ組成が４０〜６０％の範囲では良好な結晶性が得られ難いことがわかる。このことから、高Ａｌ組成のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．９＜ｂ≦１）と隣接するＡｌＧａＮ層のＡｌ含有率は、Ａｌ含有率差が０．４超え０．６未満の範囲内を避けることが好ましいことがわかる。

このように本発明者は、クラックの発生は防止し、光吸収を抑制しつつ歪緩衝効果を十分に得るためには、これまでのような２層を交互に形成する超格子積層体のみでは限界があるとの結論に至った。そして、２層を交互に形成する超格子積層体に加えて、３層をくり返し形成する特定の超格子積層体を設けることにより、上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

本実施形態のIII族窒化物エピタキシャル基板１０では、第１超格子積層体１６について、α＜ａおよびａ＜ｂの条件を満たし、第２超格子積層体１８について、α＜ｘおよびｘ＜ｙ＜ｚの条件を満たす。つまり、超格子積層体の各層のいずれも、井戸層Ａｌ_αＧａ_１−αＮのＡｌ含有率αよりも高いＡｌ含有率をもつ。よって、活性層が発する光を第１超格子積層体１６、第２超格子積層体１８が吸収することを防止できる。

第２超格子積層体１８を、基板１２側から第３層１８Ａ，第４層１８Ｂ，第５層１８Ｃの順番にＡｌ組成が高くなる３層構造としたことで、第４層１８Ｂには第３層１８Ａから引張応力がかかり、第５層１８Ｃには第４層１８Ｂから引張応力がかかる。このように、１つの組の中で段階的に複数回の引張応力を付与することにより、前述の２層構造と比較して基板１２から受ける圧縮応力を十分に相殺することができ、第２超格子積層体１８上に形成するIII族窒化物半導体層２０の横方向成長を促進させることができる。その結果、より結晶性の高いIII族窒化物半導体層２０を得ることができる。

また、第２超格子積層体１８を３層構造としたことで、隣接する層間のＡｌ組成差を小さくすることが容易になる。その結果、第４層１８Ｂおよび第５層１８Ｃにかかる引張応力はさほど大きくならず、これらの層で引張応力が集中してクラックが発生することを防止できる。

本発明は理論に縛られるものではないが、本実施形態のIII族窒化物エピタキシャル基板１０は、上記のような作用により、発光出力を向上した深紫外発光素子を得ることできるという顕著な効果を奏するものと考えられる。

なお、後述するように、図２Ａ（ｃ）のように、Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ（第１層）／ＡｌＮ（第２層）を交互に形成した超格子積層体の上に、Ａｌ_０．６６Ｇａ_０．３４Ｎ（第３層）／Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ（第１層）を交互に形成した超格子積層体を形成した場合、Ａｌ含有率の異なる３種類の層が含まれるにも関わらず、この超格子積層体上に形成したIII族窒化物半導体層は十分な結晶性を有しておらず、高い発光出力を得ることはできなかった。これは、本実施形態のように、超格子積層体に段階的に引張応力を付与するためのＡｌ組成差が不足しており、また、１つの組の中で複数回の引張応力を付与する構造ではないため、III族窒化物半導体層の横方向成長を促進できないためと考えられる。

また、同様に後述するが、図２Ｂ（ｃ）のように、本実施形態の第１超格子積層体１６を形成せず、第２超格子積層体１８のみを形成した場合も、この超格子積層体上に形成したIII族窒化物半導体層は十分な結晶性を有しておらず、高い発光出力を得ることはできなかった。このことから、本実施形態のように第１超格子積層体１６上に第２超格子積層体１８を形成することが必要である。第１超格子積層体１６は、ＡｌＮバッファ層１４上に超格子構造を形成する為に必要なものである。ＡｌＮバッファ層１４は、概略３００〜３０００ｎｍ程度の厚みを有する。これはＡｌＮバッファ層１４自身の十分な結晶性と平坦性を得るために必要となる厚みである。一方、第２超格子積層体の各層の厚みはせいぜい数〜数１０ｎｍである。加えて、第２超格子積層体はＡｌ含有率の低い第３層を含む。よって、ＡｌＮバッファ層１４上に直接第２超格子積層体を形成すると、ＡｌＮバッファ層１４の厚みによって、第２超格子積層体を形成する初期の段階にて第２超格子積層体に強力な引張応力が働き、クラックが生じてしまう場合があるからである。ただし、発光波長がＡｌＮの波長(２１０ｎｍ)へ近づくほどこの制約はなく、第２超格子積層体を直接形成してよい。

以下、第１超格子積層体１６および第２超格子積層体１８の各層の好適なＡｌ含有率について説明する。

ｚ−ｘ≧０．２０の条件を満たすことが好ましい。ｚ−ｘが０．２０未満の場合、第２超格子積層体の第３層１８Ａと第５層１８ＣとのＡｌ含有率差が小さくなり、十分な歪緩衝効果を得られないおそれがあるからである。

クラックの発生を確実に防止する観点から、前記第１および第２超格子積層体において隣接する層のＡｌ含有率差、すなわちｂ−ａ，ｚ−ｙ，ｙ−ｘは０．０５以上０．４０以下であることが好ましい。０．４０超えの場合、図３について上記したように、隣接する層のうち高いＡｌ含有率の層に過大な引張応力がかかり、結晶性の悪さからクラックが発生するおそれがあるからである。また、０．０５未満の場合、Ａｌ組成差による各層の判別が困難であり、超格子積層体とする効果も小さいからである。

ｙ−ｘがｚ−ｙよりも小さいことが好ましい。これにより、図３に示した結晶性の悪いＡｌ組成の範囲では、隣接する層のＡｌ含有率差をより小さくすることができ、より確実にクラックの発生を防止することができる。

本発明の効果を十分に得る観点から、第２超格子積層体の第３層１８Ａおよび第４層１８Ｂは、それぞれ０．２０≦ｘ＜０．９０、および、０．６０≦ｙ＜０．９５の条件を満たすことが好ましい。

第１超格子積層体の第１層１６Ａは、ａ＞ｘの条件を満たすことが好ましく、また、０．６０≦ａ＜０．９５の条件を満たすことがより好ましい。ａが０．６０未満の場合、第２超格子積層体を形成したときにクラックが生じるおそれがあるからである。

第１超格子積層体１６において、第１層１６Ａおよび第２層１６Ｂの厚み、ならびに積層体（第１層および第２層）の組数は、適宜設定することができる。第１超格子積層体１６は、各層１６Ａ，１６Ｂの厚みが０．１〜５０ｎｍに設定されるのが好ましい。また、Ａｌ含有率（Ａｌ組成比）が低いほど膜厚を厚くする方向で設計するのが好ましい。組数は例えば１０〜１００組とすることができる。

第２超格子積層体１８において、第３層１８Ａ、第４層１８Ｂおよび第５層１８Ｃの厚み、ならびに積層体（第３層、第４層および第５層）の組数は、適宜設定することができる。第２超格子積層体１８は、各層１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃの厚みが０．１〜５０ｎｍに設定されるのが好ましい。組数は１０〜１００組とすることが好ましく、３０〜５０組とすることがより好ましい。１０組以上とすれば歪緩衝効果を確実に得ることができ、１００組以下とすれば、III族窒化物積層体２０にクラックが生じにくい。

第１超格子積層体１６の最も基板１２側の層と最も第２超格子積層体１８側の層は、第１層１６Ａでも第２層１６Ｂでもよい。また、第１超格子積層体１６の最も基板１２側の層がＡｌＮからなる第２層の場合は、この第２層をＡｌＮバッファ層１４とすることができる。第１超格子積層体１６の最も基板１２側の層が第１層かＡｌＮ以外の第２層の場合には、別途ＡｌＮバッファ層１４を設ける。そして、基板１２上にＡｌＮバッファ層１４を形成したＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい。この場合、ＡｌＮテンプレート基板上には、再度のＡｌＮバッファ層１４を形成しても形成しなくても良いが、バッファ層をエピタキシャル成長させる炉とは別の炉でＡｌＮテンプレート基板を形成する場合には、再度のＡｌＮバッファ層１４を形成することが好ましい。

第２超格子積層体１８の最も第１超格子積層体１６側の層と最もIII族窒化物積層体２０側の層は、第３層１８Ａ、第４層１８Ｂ、第５層１８Ｃのいずれでもよいが、第３層１８Ａが第１超格子積層体１６と接するようにするのが好ましい。また、第２超格子積層体１８と第２超格子積層体１８上のIII族窒化物積層体２０との間には、実施形態に記載のないＭｇを含む層やｉ型層などの中間層や他の超格子積層体があってよく、その場合であっても、第２超格子積層体１８による結晶性向上の効果は好適に作用する。

本明細書において、バッファ層を構成する「ＡｌＧａＮ」は、他のIII族元素であるＢおよび／またはＩｎを合計１％以下含んでいてもよい。また、例えばＳｉ，Ｈ，Ｏ，Ｃ，Ｍｇ，Ａｓ，Ｐなどの微量の不純物を含んでいてもよく、部分的にＭｇ不純物を意図して添加しても良い。なお、III族窒化物積層体を構成するＧａＮ，ＡｌＧａＮなども同様に他のIII族元素を合計１％以下含んでいてもよい。

本発明における各層のエピタキシャル成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法など公知の手法を用いることができる。ＡｌＧａＮを形成する場合の原料ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを挙げることができ、膜中のＡｌ含有率の制御は、ＴＭＡとＴＭＧとの混合比を制御することにより行うことができる。また、エピタキシャル成長後のＡｌ含有率や膜厚の評価は、光学反射率法、ＴＥＭ−ＥＤＳ、フォトルミネッセンスなど公知の手法を用いることができる。

本実施形態のIII族窒化物エピタキシャル基板１０は、深紫外発光素子に用いることができる。例えばIII族窒化物半導体層２０の一部を除去してｎ型ＡｌＧａＮ層２２を露出させ、この露出させたｎ型ＡｌＧａＮ層２２およびｐ型ＧａＮコンタクト層２８の上に、ｎ側電極およびｐ側電極をそれぞれ配置して、横型構造のIII族窒化物発光素子を形成することができる。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の上部に接合層を形成し、別の支持基板に接合した後、レーザーやケミカルリフトオフ法を用いて、基板を除去した後に縦型構造の発光素子を形成してもよい。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
サファイア基板（厚さ：４３０μｍ）上にバッファ層としてＡｌＮ層（厚さ：０．８μｍ）を形成したＡｌＮテンプレート基板を用意した。このＡｌＮテンプレート基板上に、図２Ａ（ａ）に示す第１超格子積層体および第２超格子積層体を順次エピタキシャル成長させた。第１超格子積層体は、第１層（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ，ａ＝０．８５、厚さ：４０ｎｍ）と第２層（ＡｌＮ，ｂ＝１、厚さ：７．２ｎｍ）とを交互に積層してなる。ＡｌＮテンプレート基板上は第２層から形成し、その後、第１層と第２層とを１５組積層したことから、図２Ａ（ａ）では１５．５組と表記した。第２超格子積層体は、第３層（Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎ，ｘ＝０．７５、厚さ：４ｎｍ）、第４層（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ，ｙ＝０．８５、厚さ：１７ｎｍ）、第５層（ＡｌＮ，ｚ＝１、厚さ：１１ｎｍ）を２０組くり返し積層してなる。なお、成長方法としては、原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用いたＭＯＣＶＤ法を用いた。キャリアガスとしては、窒素・水素を用いた。第１〜５層の成長条件は、いずれも圧力１０ｋＰａ、温度１１５０℃とした。また、ＴＭＡとＴＭＧとの供給比率を制御することで、各層ごとにＡｌ含有率を変更した。

その後、第２超格子積層体上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率β：０．６４、厚さ：１４８０ｎｍ、ドーパント：Ｓｉ）、活性層（ＡｌＧａＮ系ＭＱＷ層、厚さ：２７０ｎｍ、井戸層のＡｌ含有率α：０．４０）、ｐ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率：０．７５〜０．３２の組成傾斜層、厚さ：９０ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（厚さ：６６ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ）を順次エピタキシャル成長させて、実施例１にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。発光層からの発光波長は２８０ｎｍであった。

（実施例２）
第２超格子積層体の組数を４０組に変えた以外は、実施例１と同様の方法により、実施例２にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。

（比較例１）
超格子積層体を図２Ａ（ｂ）に示すものに変えた以外は、実施例１と同様の方法により、比較例１にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第１層（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ，ａ＝０．８５、厚さ：１５ｎｍ）と第２層（ＡｌＮ，ｂ＝１、厚さ：１０ｎｍ）とを交互に４０組積層してなる。ＡｌＮテンプレート基板上は第２層から形成した。

（比較例２）
超格子積層体を図２Ａ（ｃ）に示すものに変えた以外は、実施例１と同様の方法により、比較例２にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第１超格子積層体と第２超格子積層体からなる。第１超格子積層体は、第１層（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ，ａ＝０．８５、厚さ：１５ｎｍ）と第２層（ＡｌＮ，ｂ＝１、厚さ：１０ｎｍ）とを交互に積層してなる。ＡｌＮテンプレート基板上は第２層から形成し、その後、第１層と第２層とを４０組積層したことから、図２Ａ（ｃ）では４０．５組と表記した。第２超格子積層体は、第１層（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｎ，ｄ＝０．８５、厚さ：１０ｎｍ）と第３層（Ａｌ_０．６６Ｇａ_０．３４Ｎ，ｃ＝０．６６、厚さ：１５ｎｍ）とを第１層から交互に２０組積層してなる。

（比較例３）
超格子積層体を図２Ｂ（ａ）に示すものに変えた以外は、実施例１と同様の方法により、比較例３にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第１層（ＧａＮ，ａ＝０、厚さ：０．３ｎｍ）と第２層（ＡｌＮ，ｂ＝１、厚さ：７．８ｎｍ）とを交互に積層してなる。ＡｌＮテンプレート基板上は第２層から形成し、その後、第１層と第２層とを４０組積層したことから、図２Ｂ（ａ）では４０．５組と表記した。

（比較例４）
超格子積層体を図２Ｂ（ｂ）に示すものに変えた以外は、実施例１と同様の方法により、比較例４にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この超格子積層体は、第１層（Ａｌ_０．５３Ｇａ_０．４７Ｎ，ａ＝０．５３、厚さ：１０ｎｍ）と第２層（ＡｌＮ，ｂ＝１、厚さ：５ｎｍ）とを交互に積層してなる。ＡｌＮテンプレート基板上は第２層から形成し、その後、第１層と第２層とを４０組積層したことから、図２Ｂ（ｂ）では４０．５組と表記した。

（比較例５）
超格子積層体を図２Ｂ（ｃ）に示すものに変えた以外は、実施例１と同様の方法により、比較例５にかかるIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。この比較例は、実施例１における第１超格子積層体を形成しないものである。

（実施例３）
実施例１の第２超格子積層体上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率β：０．２９、厚さ：１６８０ｎｍ、ドーパント：Ｓｉ）、活性層（ＡｌＧａＮ系ＭＱＷ層、厚さ：２９０ｎｍ、井戸層のＡｌ含有率α：０．０３）、ｐ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率：０．４９〜０．３２の組成傾斜層、厚さ：８０ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（厚さ：６６ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ）を順次エピタキシャル成長させて、発光波長が３４０ｎｍのIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した以外は、実施例１と同様とした。

（実施例４）
第１超格子積層体を、第１層（Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎ，ａ＝０．７５、厚さ：４０ｎｍ）と第２層（ＡｌＮ，ｂ＝１、厚さ：７．２ｎｍ）とを交互に１５．５組積層し、第２超格子積層体を、第３層（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ，ｘ＝０．４、厚さ：４ｎｍ）、第４層（Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ｎ，ｙ＝０．６５、厚さ：１５ｎｍ）、第５層（ＡｌＮ，ｚ＝１、厚さ：５ｎｍ）を２０組くり返して積層した以外は、実施例３と同様とした。

（実施例５）
実施例３の第２超格子積層体の上に、実施例４の第２超格子積層体を第３の超格子積層体として形成した以外は、実施例３と同様とした。

（比較例６）
比較例２の超格子積層体の上に、実施例３のｎ型ＡｌＧａＮ層、活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順次エピタキシャル成長させて、発光波長が３４０ｎｍのIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した以外は、比較例２と同様とした。

（評価１：ｎ型ＡｌＧａＮ層の結晶性）
各実施例、比較例の試料について、Ｘ線回折装置（D8 DISCOVER，Bruker AXS社製）を用い、ｎ型ＡｌＧａＮ層の(002)面と(102)面での半値幅（ＦＷＨＭ）を測定した。この半値幅は、ｎ−ＡｌＧａＮ層の結晶性を評価する指標であり、数値が低いほど結晶性に優れる。結果を表１に示す。

（評価２：ＰＬ強度比）
各実施例、比較例の試料について、ＰＬ測定（フォトルミネッセンス測定）をフォトンデザイン社製ＰＬ装置で実施した。ＰＬ測定は、各半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーのレーザーを試料に照射して、半導体層内の電子を一度高いエネルギーレベルに励起させ、それがもとのエネルギーレベルに戻るときに発せられる余剰のエネルギー（光エネルギーとして放出される）を測定するものである。光エネルギーは波長に変換することができる。この測定で、各層のＡｌ含有率や、点欠陥量を評価することができる。今回の測定では、最もＡｌ含有率の低い発光層でのＰＬ発光波長でのＰＬ強度を、点欠陥として強度が高くなる波長（４９５ｎｍ）でのＰＬ強度で除してＰＬ強度比を算出した。このＰＬ強度比により、発光層の発光のしやすさを評価することができる。なぜならば、点欠陥が多くなるほど、欠陥による非発光量が増えるため、結果として通電時の光出力が小さくなってしまうからである。本測定には、波長が２４４ｎｍで出力が７０ｍＷのレーザーを用いた。結果を表１に示す。

（評価３：発光出力Ｐｏ）
各実施例、比較例の試料について、成長面をダイヤペンで罫書き、ｎ型ＡｌＧａＮ層を露出させた点と、該露出させた点から１．５ｍｍ離れたｐ型ＧａＮコンタクト層上の点とにドット状Ｉｎを物理的に押圧して成形した２点をｎ型およびｐ型電極として簡易的な窒化物半導体素子を作製した。そして、それらにプローブを接触し、通電後の光出力を裏面より射出させ、光ファイバを通じて浜松ホトニクス社製マルチ・チャネル型分光器へ導光し、スペクトルのピーク強度をＷ(ワット)に換算して発光出力Ｐｏを求めた。結果を表１に示す。

発光波長２８０ｎｍの場合（実施例１，２および比較例１〜５）について説明する。表１に示すとおり、実施例１，２は超格子積層体やその上のIII族窒化物積層体にクラックが入ることはなく、各比較例に比べて、ｎ−ＡｌＧａＮ層の結晶性が良好であることから、活性層の結晶性も良好であることが推測される。実際、ＰＬ強度比および発光出力Ｐｏも比較例１〜５より優れていた。一方、比較例４では超格子積層体にクラックが発生し、評価１〜３のいずれをも行うことができなかった。また、比較例１〜３，５については、クラックが発生することはなかったが、実施例１，２よりもｎ−ＡｌＧａＮ層の結晶性に劣り、ＰＬ強度比および発光出力Ｐｏも劣っていた。また、第２超格子積層体の組数を増やした実施例２では、実施例１よりもさらに良好なＰＬ強度比および発光出力を得ることができた。

発光波長３４０ｎｍ（実施例３〜５、比較例６）の場合も、同様の結果を得ることができた。３４０ｎｍのＬＥＤにおけるＰＬ強度についてはもともと点欠陥量が少なく、ＰＬ強度比と発光出力との関係が見出せていないが、結晶性については発光出力が高いものほど結晶性がよいものが出来ており、当該発明実施によって結晶性向上が果たされた結果、発光出力が向上したものといえる。

本発明によれば、発光出力を向上した深紫外発光素子を得ることが可能なIII族窒化物エピタキシャル基板、および発光出力を向上した深紫外発光素子を提供することができる。

１０ III族窒化物エピタキシャル基板
１２ 基板
１４ ＡｌＮバッファ層
１６ 第１超格子積層体
１６Ａ 第１層（Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ）
１６Ｂ 第２層（Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ）
１８ 第２超格子積層体
１８Ａ 第３層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）
１８Ｂ 第４層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）
１８Ｃ 第５層（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ）
２０ III族窒化物積層体
２２ ｎ型ＡｌＧａＮ層
２４ 活性層
２６ ｐ型ＡｌＧａＮ層
２８ ｐ型ＧａＮコンタクト層

Claims (6)

1. サファイア、ＳｉＣ、ダイヤモンドのいずれかの材料からなる基板と、
   該基板上に形成されたＡｌＮバッファ層と、
   該バッファ層上に順次形成された第１超格子積層体および第２超格子積層体と、
   該第２超格子積層体上にエピタキシャル成長された、Ａｌ_αＧａ_１−αＮ（０．０３≦α）層を含む活性層を含むIII族窒化物積層体と、を有し、
   前記第１超格子積層体は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮからなる第１層と、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．９＜ｂ≦１）からなる第２層とを交互に含み、α＜ａおよびａ＜ｂの条件を満たし、
   前記第２超格子積層体は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる第３層、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる第４層、およびＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．９＜ｚ≦１）からなる第５層をくり返し含み、α＜ｘおよびｘ＜ｙ＜ｚの条件を満たし、ｙ−ｘがｚ−ｙよりも小さいことを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。
2. ｚ−ｘ≧０．２０の条件を満たす請求項１に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
3. 前記第１および第２超格子積層体において隣接する層のＡｌ含有率差が０．０５以上０．４０以下である請求項１または２に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
4. ０．２０≦ｘ＜０．９０、および、０．６０≦ｙ＜０．９５の条件を満たす請求項１〜３のいずれか１項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
5. ａ＞ｘの条件を満たす請求項１〜４のいずれか１項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板を用いた深紫外発光素子。

Images