ＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤
【課題】 優れた発光効率、逆耐電圧特性および静電耐圧特性等を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造に適したＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤を提供すること。
【解決手段】 表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の基板と該基板上に直接積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層とからなり、該ＩＩＩ族窒化物半導体層は互いに接する複数の層からなり、該複数の層の少なくとも一層は転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下の層であるＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【解決手段】 表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の基板と該基板上に直接積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層とからなり、該ＩＩＩ族窒化物半導体層は互いに接する複数の層からなり、該複数の層の少なくとも一層は転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下の層であるＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体用エピタキシャル基盤およびそれを利用したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体は、短波長の可視光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等のｐｎ接合型構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成するための機能材料として利用されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の発光を呈するＬＥＤを構成するに際し、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）は、基板上に数μｍ形成し（以下、下地層という）、結晶性を改善するとともに光取り出しを容易にする働きを有する。さらに、ｎ形またはｐ形のクラッド層を構成するためにも利用されている（例えば、特許文献２参照）。一方、窒化ガリウム・インジウム（ＧａYＩｎZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）は、発光層を構成するために利用されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、下地層には、ＧａＮもしくはＡｌＮのバッファー層を介して形成される窒化ガリウム（ＧａＮ）や基板と下地層の中間的格子定数を有するＡｌＧａＮをバッファー層として、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）を形成するのが一般的である。この場合のバッファー層は、基板と下地層との歪を緩和する役割をはたし、下地層成長開始直後に転位を終端することを助ける働きをする。これにより、下地層上部への転位の伝播を抑制している。さらに、ＧａYＩｎZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）等からなる発光層との格子定数差が小さくなるように、発光層への転位の伝播と格子定数差による歪を低減している。
【０００４】
しかしながら、バッファー層により、転位伝播を抑制した下地層においてもその転位密度は１×１０9ｃｍ-2程度と大きく、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の特性向上には、低転位化が不可欠である。そのため、バッファー層の形成条件や下地層の形成方法が検討されてきた。
【０００５】
そのための方法として、従来から、基板に凹凸を付ける加工を施したり（例えば、特許文献４参照）、基板上に絶縁膜を形成したり（例えば、特許文献５参照）、基板上に成長した積層物を加工したり（例えば、特許文献６参照）、堆積物上に絶縁膜を形成して（例えば、特許文献７参照）、その形状を利用して横方向の結晶成長を促進し、転位を終端させる方法が試みられてきた。しかし、この方法は基板もしくは基板上の堆積層を加工するため、絶縁膜形成、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのパターンニングの工程が煩雑であり、最終的に形成された膜についてもその形状に対応した転位の分布が存在した。
【０００６】
また、あらかじめエピタキシャル成長前にピットを形成する処理をする加工方法を用いる場合もあった（例えば、特許文献８および９参照）。しかし、この方法であっても一度成長した結晶を一旦成長炉から取り出し、その成長膜にピット形成の加工を施した後、発光層等のデバイスの機能を発揮する層を再度成長するため、工程が煩雑であった。
【０００７】
基板もしくは堆積層を加工しない方法としては、アンドープの下地層で生じた凹凸をその上にＰ型ドーピング層もしくはｎ型ドーピング層を成長することで平坦化する方法（例えば、特許文献１０および１１参照）や、ピットを埋めるために成長を一時中断する方法（例えば、特許文献１２参照）など、下地層にピットを形成して、そのピットを埋めることで転位の方向を変え転位を終端させることなどが行われてきた。
【０００８】
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体に発生するピットに関しては、温度や圧力などの成長条件の他に，不純物を高濃度にドーピングすると、ピットが形成することが知られている。（例えば、非特許文献１参照）。これを利用した方法として、相当高濃度のＳｉをドーピングしてピットを形成する方法がある（例えば、特許文献１３参照）。
【０００９】
本発明は、この不純物添加によるピット形成を利用したものであるが、添加する不純物元素の種類、添加する不純物の濃度および層構造を制御することで、転位密度が小さいＩＩＩ族窒化物半導体積層物を得るものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−３３２３６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９６４５号公報
【特許文献３】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献４】特開２０００−３３１９４７号公報
【特許文献５】特開２００２−１６００１号公報
【特許文献６】特開２００４−３５２７５号公報
【特許文献７】特開２００２−２８９５２７号公報
【特許文献８】特開２００３−１２４１２８号公報
【特許文献９】特開２００２−２６１０２７号公報
【特許文献１０】特開２０００−３５３８２１号公報
【特許文献１１】特開２０００−３５７８２０号公報
【特許文献１２】特開２００２−３６７９０８号公報
【特許文献１３】特開２００４−４７７６４号公報
【非特許文献１】Japan Journal of Applied Physics Vol.31(1992) pp.2883-2888
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、基板もしくは基板上の堆積層を加工することなく平坦な基板上に、通常のエピタキシャル成長方法を用いて半導体層のみを積層することによって、転位密度が１×１０7cm-2以下という低転位密度のＩＩＩ族窒化物半導体層を提供することである。また、それを用いて、発光効率に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびランプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下の発明を提供する。
（１）表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の基板と該基板上に直接積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層とからなり、該ＩＩＩ族窒化物半導体層は互いに接する複数の層からなり、該複数の層の少なくとも一層は転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下の層であるＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１３】
（２）ＩＩＩ族窒化物半導体層の互いに接する複数の層の少なくとも１組が不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層であり、該不純物原子高濃度層が基板側に存在する上記１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１４】
（３）不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層が交互に周期的に存在する上記２項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１５】
（４）周期数が１〜１０である上記３項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１６】
（５）不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれた１種または２種以上の組み合わせである上記２〜４項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１７】
（６）不純物がＧｅである上記５項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１８】
（７）不純物原子高濃度層の表面（基板と反対側の面）にピットが１×１０5ｃｍ-2〜５×１０8ｃｍ-2の範囲で存在する上記２〜６項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１９】
（８）不純物原子高濃度層の不純物濃度が５×１０17〜４×１０19ｃｍ-3である上記２〜７項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２０】
（９）不純物原子高濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである上記２〜８項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２１】
（１０）不純物原子低濃度層の不純物濃度が不純物原子高濃度層の不純物濃度より低く、かつ２×１０19ｃｍ-3以下である上記２〜９項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２２】
（１１）不純物原子低濃度層が不純物を故意にドーピングされていない上記１０項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２３】
（１２）不純物原子低濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである上記２〜１１項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２４】
（１３）不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層の全体の厚さが１〜１０００μｍである上記２〜１２項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２５】
（１４）上記１〜１３項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層をこの順序で有し、該ｎ型層およびｐ型層に負極および正極がそれぞれ設けられてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００２６】
（１５）上記１４項に記載の発光素子からなるランプ。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の転移密度が１×１０7cm-2以下と極めて小さい。従って、このエピタキシャル基盤を用いて、発光効率に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製することが可能である。すなわち、電流注入型の発光素子では、キャリアをトラップして非発光中心となる結晶欠陥を低減することにより、例えば、ＬＥＤ素子では発光効率の向上、逆耐電圧の向上および静電耐圧の向上が期待できる。また、レーザー素子においては、閾値電流の低減が可能になる。
【００２８】
さらに、このエピタキシャル基盤は、基板もしくは基板上の堆積層を加工することなく平坦な基板上に、通常のエピタキシャル成長方法を用いて半導体層のみを積層することによって得られるので、製造コストが極めて安価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本願発明においてＩＩＩ族窒化物半導体層が積層される基板としては、融点が比較的高く、耐熱性のあるサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）或いは酸化ガリウム・リチウム（組成式ＬｉＧａＯ2）等の酸化物単結晶材料、珪素単結晶（シリコン）や立方晶或いは六方晶結晶型の炭化珪素（ＳｉＣ）等のＩＶ族半導体単結晶からなる基板等が挙げられる。また、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）およびリン化ガリウム（ＧａＰ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶材料も利用できる。発光層からの発光を透過できる、光学的に透明な単結晶材料は基板として有効に利用できる。
【００３０】
また、基板の表面については、機械的および／または化学的に研磨された滑らかな表面でなければならない。通常、凹凸の指標として用いられる表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下のものが好ましい。
【００３１】
本発明においては、表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の平坦な基板をそのまま用いることができる。また、一旦成長した堆積層を成長炉から取り出して加工することもなく、一連の成長過程において、ＩＩＩ族窒化物半導体層の転位密度を低減することを特長としている。
【００３２】
すなわち、平坦な表面を有する基板上に積層する半導体積層物の一部に、不純物を高濃度にドープすることによりピットを発生させる層と、不純物濃度が低いかもしくはアンドープの半導体からなるそのピットを埋める層を有することを特徴としている。不純物低濃度層もしくはアンドープ層がピット部に生じた成長面と平行ではない斜面を埋めながら成長する過程で、ピットの斜面に出てくる転位が横方向に曲げられ終端する。その結果、上部に伝播する転位が減少する。これを周期的に繰り返すことにより、転位密度はさらに減少する。
【００３３】
この方法を用いることで、基板もしくはその上の堆積層を加工したり、成長途中で熱処理により表面を加工するなどの煩雑な加工は必要なくなり、簡便でしかも大きな低転位化の効果が得られる。また、この方法は、ピットを形成するためにドープする不純物元素の種類によらず効果があり、導電型もｎ型ドーパントでもｐ型ドーパントでもどちらでも用いることが出来る。
【００３４】
その効果は、成長面中にピットが占める面積が大きいほど高く、ほぼ全面をピットが覆ってしまう方が効果が大きい。しかし、全面をピットで覆ったとしても一つ一つのピットが小さいと効果は小さくある程度の大きさが必要である。ピットの大きさが大き過ぎるとそのピットを埋め、さらに、埋め込んだ層が平坦になるのが困難になるので、ピットの大きさと密度には最適値がある。
【００３５】
しかし、ピットはその後の埋め込み成長で埋められてしまうので、ピット形成層とピット埋め込み層が同一物質で形成されると、成長終了後のピットの大きさや密度は確認できない。そこで、ピットの大きさがピットを形成する層の層厚に依存していることから、ピット形成層、即ち不純物原子高濃度層の層厚を規定してもよい。その場合、あらかじめ、ピット密度を確認し、表面全面をピットが覆うような条件で成長することが重要である。このピット形成状態をコントロールするには、反射率のその場観察装置が有効である。ピット形成に伴って反射率が低下し、ほぼ全面がピットで覆われたところで反射率は最低と成る。
【００３６】
全面がピットで覆われてしまうとそれ以上は縦方向には成長しないので、同じ条件でエピタキシャル成長を継続しても、ピットの斜面に不純物が析出したり、新たな欠陥が形成する。従って、ピット形成後は、速やかに、ピット埋め込み層の形成を開始する方が好ましい。この時期を監視するための手段として、反射率その場観察装置は重要である。
【００３７】
転位密度は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で概算できる。これは、資料を極薄膜に加工し、それに電子線を照射したときの電子線の回折像を調べる方法で、結晶内の転位の伝播の様子およびその密度を測定できる。また、転位密度だけであればエッチピット密度の測定から推定することも出来る。これは、エピ表面を薬品処理することで、転位が存在する部分に選択的に反応し、転位の種類や密度に相当する形状や数のピットが表面に形成される。さらには、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いることができる。電子線を照射することにより、結晶が励起されバンドギャップに相当するエネルギーの光を発することを利用する方法であるが、転位の位置は他の部位に比べて発光が弱いため、発光のコントラストにより転位の位置がわかる。本発明においては、エッチピットの形成により転位密度を測定する方法を用いている。
【００３８】
ピットを形成するための不純物原子高濃度層およびそれらを埋める不純物原子低濃度層は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の気相成長時に不純物のドーピング源の気相成長反応系への供給量を変化することにより形成する。例えば、不純物のドーピング源を気相成長反応系へ多量に一定時間供給した後、気相成長反応系へ不純物を供給せずにアンドープの層すなわち故意に添加する不純物原子濃度がゼロの層を一定時間成長することにより形成する。
【００３９】
この不純物ドーピング源の気相成長反応系への供給量を増減させれば、ピットが形成される層とそのピットを埋める層を周期的に形成できる。本発明における不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層からなるＩＩＩ族窒化物半導体積層物は、このように不純物原子濃度の高い層と不純物原子濃度の低い層が交互に周期的に積層されていることが好ましい。
【００４０】
不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層からなる上記のＩＩＩ族窒化物半導体積層物は、必要に応じて従来周知のバッファー層を介して基板に直接設けることができる。バッファー層を設けることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体積層物で発生するピットの密度を制御することができる。バッファー層は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＩｎZＮ：０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等から構成できる。また、従来周知の下地層を基板上に設け、その上に上記のＩＩＩ族窒化物半導体積層物を設けてもよい。さらには、上記のＩＩＩ族窒化物半導体積層物を基板上に設け、その上に従来周知の下地層を設けて本発明のエピタキシャル基盤としてもよい。
【００４１】
下地層を設ける場合、下地層はＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。その膜厚は０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌXＧａ1―XＮ層が得られやすい。下地層の膜厚の上限は、本発明を得る上では特に限定されないが、厚すぎるとコストが上昇するので、１０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは８μｍ以下であり、特に好ましくは５μｍ以下である。
【００４２】
下地層にはｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０17／ｃｍ3）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
【００４３】
不純物原子を高濃度に含むピットを形成する層の膜厚は、０．１μｍ以上１０μｍ以下が適する。好ましくは、０．３μｍ以上５μｍ以下、さらに好ましくは、０．５μｍ以上３μｍ以下である。膜厚が０．１μｍ未満になると、ピットが十分大きくならず、転位がその部分に当たる確立が低くなるので、転位を終端させる効果が小さい。逆に、１０μｍを越えるとットが大きくなり過ぎ、不純物原子が低濃度の層で埋まりきらず、平坦性が悪くなる。その結果、例えば、本発明のエピタキシャル基盤上に積層される発光層の平坦性も悪くなり、発光素子の特性が悪化する。
【００４４】
また、不純物原子を高濃度に含むピットを形成する層のピット密度は、１×１０5cm-2以上５×１０8cm-2以下が適する。好ましくは、１×１０6cm-2以上１×１０8cm-2以下であり、さらに好ましくは、５×１０6cm-2以上５×１０7cm-2以下である。この範囲にコントロールするとピットがピット形成層、即ち不純物原子高濃度層のほぼ全面に広がり、転位がこのピットに入り、方向を曲げる確率が最大になる。
【００４５】
ピット密度は、例えば、微分干渉顕微鏡や蛍光顕微鏡で測定できる。高濃度層でピットを形成した状態のエピタキシャル膜を５０〜５００倍で観察すれば、ピット密度を算出できる。
【００４６】
また、不純物原子を低濃度に含む層の膜厚は、不純物原子を高濃度に含む層と同様に、０．１μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以上５μｍ以下がさらに好ましく、０．５μｍ以上３μｍ以下が特に好ましい。膜厚が０．１μｍ未満になると高濃度層で形成されるピットを十分埋められず平坦性が損なわれる。また、１０μｍを超えてもその効果は大きくならない。
【００４７】
さらに、不純物原子を低濃度に含む層は、ピットを埋める際に転位を横方向に進行させることを促進するため、成長温度を上げる、成長圧力を下げる、および成長速度を下げるなどの成長パラメータを変化させてもよい。
【００４８】
本発明では、互に接触している高濃度層と低濃度層の一組を一周期という。各周期の高濃度層の膜厚と低濃度層の膜厚の合計、すなわち、１周期の膜厚は、０．２μｍ以上２０μｍ以下が適する。好ましくは、０．６μｍ以上１０μｍ以下、さらに好ましくは、１μｍ以上６μｍ以下である。２０μｍを超えると、ピットを埋めきれず平坦性が悪くなるか、もしくは、周期を繰り返した時のトータル膜厚が厚くなり加工するのに不利である。また、０．２μｍ未満にするためには、ｎ型不純物原料の供給量を頻繁に変更せねばならず、作業効率が低下する。
【００４９】
１周期中において高濃度層が低濃度層より厚い場合、ピット形成の抑制が十分でなく、平坦性が十分に得られない。一方、１周期中において低濃度層が高濃度層と同等かそれ以上厚い場合は、平坦性が良好になる。従って、低濃度層の厚さは高濃度層の厚さ以上とすることが好ましい。
【００５０】
不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層全体の層厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、２μｍ以上１００μｍ以下がさらに好ましく、４μｍ以上２０μｍ以下が特に好ましい。層厚が１μｍ以下になると転位が終端する確立が低下し効果が小さくなり、また、１０００μｍ以上にしても得られる効果に大差なく、コストが上昇するのみである。
【００５１】
上記の１周期の厚さおよび全体の厚さから、積層させる周期数は１以上で５０以下が好ましく、１以上で１０以下がさらに好ましく、１以上で５以下が特に好ましい。例えば、厚さ２μｍの高濃度層および厚さ２μｍの低濃度層の繰り返しを一周期として、３周期に亘り積層させて、合計で厚さを１２μｍとするＩＩＩ族窒化物半導体積層物を形成する。
【００５２】
周期数を増加するにしたがって転位密度は減少する。しかし、ピットの発生は転位密度の減少と共に減少するので、周期数の増加と共に不純物原子高濃度層で形成されるピットの数も減少する。従って、周期数を増加するにしたがって、転位密度の減少効果は得られ難くなる。さらには、層全体が厚くなることにより、クラック等の発生する可能性がある。従って、効果的な各層の厚さと全体の厚さとの関係から最適な周期数を決定できる。
【００５３】
ピットを形成するための不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、すず（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）等を利用できる。
【００５４】
この中では、Ｇｅが特に好ましい。ピット形成が他の不純物に比べ容易であり、また、そのため、ピット密度も制御し易い特長がある。
【００５５】
高濃度層の不純物原子の濃度は、使用する不純物の種類およびその化合物により異なる。濃度が低いとピットを生じさせることが出来ず効果が得られない。また、高濃度にし過ぎるとピットが多すぎて平坦部が残らず、低濃度層で埋めた時に平坦性を回復できない場合がある。通常は、５×１０17ｃｍ-3から４×１０19ｃｍ-3以下とするのが好ましい。高濃度層の不純物原子濃度は、ＩＩＩ族窒化物半導体積層物全体に亙って必ずしも一定でなくても良く、各周期毎に濃度が連続的もしくは不連続に変化していても良い。また、一つ一つの層内部で不純物原子濃度が変化していてもよい。さらには、不純物元素は１種でなくても良く、２種類以上の元素を組み合わせても良い。
【００５６】
低濃度層の不純物原子の濃度は、高濃度層の不純物原子の濃度より低濃度であり、かつ、２×１０19ｃｍ-3以下とすることが望ましい。濃度が低いほどピットを埋める効果が大きいためである。下限に関しては低ければ低い程よく、むしろ故意にドーピングしない方が好ましい。不純物原子濃度をより小とするため、低濃度層をアンドープのＩＩＩ族窒化物半導体層から構成すると、高濃度層の表面に発生するピットを埋め尽くす効果がさらに高まり、表面の平坦な半導体層を得るのに好ましい。
【００５７】
また、低濃度層においても高濃度層と同様、低濃度層の不純物原子濃度は、半導体層全体に亙って必ずしも一定でなくても良く、各周期毎に濃度が連続的もしくは不連続に変化していても良い。また、一つ一つの層内部で不純物原子濃度が変化していてもよい。さらには、不純物元素は１種でなくても良く、２種類以上の元素を組み合わせても良い。この場合、ｎ型不純物とｐ型不純物の組み合わせであっても構わない。
【００５８】
不純物原子の濃度は、例えば、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定できる。これは、試料の表面に１次イオンを照射することにより、イオン化して飛び出した元素を質量分析する手法であり、特定の元素の深さ方向の濃度分布を観察かつ定量できる。ＩＩＩ族窒化物半導体層中に存在するＧｅ元素についてもこの手法が有効である。その際に各層の厚さも算出できる。
【００５９】
基板上に積層するＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知のＩＩＩ族窒化物半導体を含めて一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００６０】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、ＡｓおよびＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００６１】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。
【００６２】
ドープする不純物の原料としては、それぞれの元素の水素化物、例えば、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（ＳｉＨ6）、ゲルマン（ＧｅＨ4）、硫化水素（Ｈ2Ｓ）、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）、テルル化水素（Ｈ2Ｔｅ）等、およびそれぞれの元素の有機化合物、例えば、テトラメチルシリコン（（ＣＨ3）4Ｓｉ）、テトラエチルシリコン（（Ｃ2Ｈ5）4Ｓｉ）、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）、テトラエチルゲルマニウム（（Ｃ2Ｈ5）4Ｇｅ）、ジエチルセレン（（Ｃ2Ｈ5）2Ｓｅ）、ジイソプロピルセレン（（Ｃ3Ｈ7）2Ｓｅ）、ジエチルサルファイド（（Ｃ2Ｈ5）2Ｓ）、ジイソプロピルサルファイド（（Ｃ3Ｈ7）2Ｓ）、テトラメチルティン（（ＣＨ3）4Ｓｎ）、テトラエチルティン（（Ｃ2Ｈ5）4Ｓｎ）、ジメチルテルル（（ＣＨ3）2Ｔｅ）、ジエチルテルル（（Ｃ2Ｈ5）2Ｔｅ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、ジエチルジンク（（Ｃ2Ｈ5）2Ｚｎ）等を利用できる。また、ＭＢＥ法では、元素状（金属）もドーピング源として利用できる。
【００６３】
ＭＯＣＶＤ法では、上記原料を用いて基板上に、目的に応じたＩＩＩ族窒化物半導体層を９００℃〜１２５０℃の温度範囲で成長させることが好ましい。
【００６４】
本発明のエピタキシャル基盤を用いてＩＩＩ族窒化物半導体素子を作製する場合、当該基盤のＩＩＩ族窒化物半導体層上に、目的とする半導体素子に応じて各種のＩＩＩ族窒化物半導体層および電極等を順次積層すればよい。上述したように、本発明のエピタキシャル基盤の少なくとも上層のＩＩＩ族窒化物半導体層は転位密度が１×１０7cm-2以下と非常に小さいので、その上に積層されるＩＩＩ族窒化物半導体層も結晶性に優れ、高性能な半導体素子が得られる。
【００６５】
例えば、目的とする素子が発光素子の場合、本発明のエピタキシャル基盤上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層、およびｐ型層をこの順序で積層し、ｎ型層およびｐ型層にそれぞれ負極および正極を設ければよい。
【００６６】
ｎ型層は通常ｎコンタクト層およびｎクラッド層から構成される。ｎコンタクト層はクラッド層を兼ねることができる。
【００６７】
ｎコンタクト層は、ＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3、好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。膜厚は特に限定されないが、通常０．１〜１０μｍであり、０．５〜８μｍが好ましく、１〜５μｍがさらに好ましい。
【００６８】
ｎクラッド層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。ＧａＩｎＮとする場合には、活性層のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。ｎクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は１×１０17〜１×１０20／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００６９】
ｎ型層上に積層される発光層としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、好ましくはＧａ1-sＩｎsＮ（０＜ｓ＜０．４）のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層が通常用いられる。発光層の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が挙げられ、例えば好ましくは１〜１０ｎｍであり、より好ましくは２〜６ｎｍである。膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。また、発光層は、上記のような単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の他に、上記Ｇａ1-sＩｎsＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。
【００７０】
ｐ型層は、通常、ｐクラッド層およびｐコンタクト層から構成される。しかし、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねてもよい。ｐクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
【００７１】
ｐコンタクト層としては、少なくともＡｌeＧａ1-eＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなるＩＩＩ族窒化物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持および正極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型ドーパントを１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度で、好ましくは５×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００７２】
ｎコンタクト層およびｐコンタクト層にはそれぞれ負極および正極をこの技術分野でよく知られた慣用の手段で設ける。それぞれの構造も従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
【００７３】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤を用いて半導体発光素子を作製し、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプを作製できる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
【実施例】
【００７４】
以下に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００７５】
（実施例１）
図１は、本実施例で作製したＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤の断面構造を模式的に示した図である。
【００７６】
サファイアからなる基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を積層した構造体は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段を利用して以下の手順で形成した。先ず、（０００１）−サファイアからなる基板１を、高周波（ＲＦ）誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ上に載置した。載置後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、炉内をパージした。
【００７７】
気相成長反応炉内に、窒素ガスを８分間に亘って流通させた後、誘導加熱式ヒータを作動させ、基板１の温度を、１０分間で室温から６００℃に昇温した。基板１の温度を６００℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を１．５×１０4パスカル（Ｐａ）とした。この温度及び圧力下で２分間、放置して、基板１の表面をサーマルクリーニングした。サーマルクリーニングの終了後、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を停止した。水素ガスの供給は継続させた。
【００７８】
その後、水素雰囲気中で、基板１の温度を１１２０℃に昇温させた。１１２０℃で温度が安定したのを確認した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の蒸気を随伴する水素ガスを８分３０秒間、気相成長反応炉内へ供給した。これにより、気相成長反応炉の内壁に以前より付着していた窒素を含む堆積沈着物の分解により生じる窒素原子と反応させて、サファイア基板１上に、厚さ数ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜からなるバッファー層２を付着させた。ＴＭＡの蒸気を随伴する水素ガスの気相成長反応炉内への供給を停止しＡｌＮの成長を終了させた後、４分間待機し、気相成長炉内に残ったＴＭＡを完全に排出した。
【００７９】
続いて、アンモニア（ＮＨ3）ガスを気相成長反応炉内に供給し、４分が経過した後、アンモニアガスの流通を続けながら、サセプタの温度を１０４０℃に降温した。サセプタの温度が１０４０℃になったのを確認した後、暫時、温度が安定するのを待ち、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の気相成長反応炉内への供給を開始し、アンドープのＧａＮからなる下地層３を１５分に亘って成長させた。下地層３の厚さは０．５μｍとした。
【００８０】
次に、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）が入ったステンレス容器内の圧力を２００ｋＰａ（２０００ｍｂａｒ）に保持した状態で水素ガスを４０ｓｃｃｍ（標準状態換算におけるｃｍ3／分）流通して、テトラメチルゲルマニウムを反応炉に供給した。Ｇｅの供給量を制御することにより、ＧａＮ結晶中に取り込まれるＧｅの量をコントロールでき、結果としてピット密度をコントロールできる。この場合は、６０分間流通しＧｅドープＧａＮからなるピット形成層、即ち不純物原子高濃度層４を２μｍ成長した。その後、１時間（ＣＨ3）4Ｇｅの流通を停止してアンドープＧａＮのピット埋め込み層、即ち不純物原子低濃度層５を２μｍ成長して、ピットを埋めた。このサイクルを２回繰り返し、Ｇｅ濃度が周期的に変化する全体の厚さが８．０μｍの不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層を形成した。
【００８１】
不純物原子低濃度層５の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板１の温度を、室温迄、約２０分間で降温した。降温中は、気相成長反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。基板１の温度が室温まで降温したのを確認して、積層構造体を気相成長反応炉より外部へ取り出した。
【００８２】
得られたエピタキシャル基盤を２５０℃の硫酸と燐酸の混合液に３０分浸漬処理した。この表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で、エッチピットとして観察される転位の密度を測定したところ、８×１０6ｃｍ-2であった。さらに不純物原子高濃度層４のＧｅ原子濃度を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定したところ、１×１０19ｃｍ-3であった。
【００８３】
また、２周期目の不純物原子高濃度層４の成長を終了した段階で、別途気相成長反応炉から取り出したサンプルについて、ピット密度を蛍光顕微鏡で測定したところ、１×１０7ｃｍ-2であった。
【００８４】
（実施例２〜３および比較例１〜４）
不純物原子高濃度層４を成長させる際の、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）が入ったステンレス容器内に供給する水素ガスの流量を変更したことを除いて、実施例１と同様にエピタキシャル基盤を作製した。
【００８５】
得られたエピタキシャル基盤について実施例１と同様に評価した。その結果を実施例１の結果と併せて表１に示す。
【００８６】
【表１】
【００８７】
また、得られたエピタキシャル基盤の転位密度と２周期目の不純物原子高濃度層４で形成されたピット密度との関係を図２に示す。不純物原子高濃度層４でのピット密度が小さいと、転位がピット面に当たって方向を変える確率が小さいため、不純物原子低濃度層５表面での転位密度低減効果が小さい。また、ピット密度が大き過ぎると、ピットどうしが結合してしまって平坦部がなくなることから、不純物原子低濃度層５での埋め込みがうまくいかず、平坦性が悪くなると共に、転位の低減効果も悪くなる。
【００８８】
（実施例４）
実施例１で作製したエピタキシャル基盤上にさらにＩＩＩ族窒化物半導体層を積層させ、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。図３は、本実施例で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示した図である。
【００８９】
不純物原子高濃度層５の形成までは実施例１と同じである。その上に１１２０℃でＧｅドープＧａＮからなるｎコンタクト層６を積層した後、１０６０℃で、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎクラッド層７を積層した。このｎクラッド層７の層厚は１２．５ｎｍとした。一方、ｎコンタクト層６は、Ｇｅ原子高濃度層とＧｅ原子低濃度層が交互に１００回繰り返して積層された構造であり、全層厚は２μｍとした。
【００９０】
次に、基板１の温度を７３０℃として、多重量子井戸構造発光層８をｎクラッド層７上に設けた。多重量子井戸構造発光層８はＧａＮからなる障壁層８ａとＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる井戸層８ｂの繰り返し構造であり、障壁層８ａからはじまり同じく障壁層８ａで終了するものである。ここでは、障壁層８ａが６層であり井戸層８ｂが５層の多重量子井戸構造としている。すなわち、多重量子井戸構造発光層８にあっては、先ず、ＧａＮ障壁層８ａをｎクラッド層７に接合させて設け、最上層もＧａＮ障壁層８ａとした。
【００９１】
ＧａＮ障壁層８ａは、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）をガリウム源として成長させた。層厚は８ｎｍとし、アンドープとした。Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ井戸層８ｂは、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）をガリウム源とし、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）をインジウム源として成長させた。層厚は、２．５ｎｍとし、アンドープとした。
【００９２】
多重量子井戸構造からなる発光層８上には、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐクラッド層９を形成した。層厚は１０ｎｍとした。ｐクラッド層９上には、更に、Ｍｇをドーピングしたｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１０を形成した。Ｍｇのドーピング源には、ビスーシクロペンタジエニルＭｇを用いた。Ｍｇは、ｐコンタクト層１０の正孔濃度が８×１０17ｃｍ-3となる様に添加した。ｐコンタクト層１０の層厚は１００ｎｍとした。
【００９３】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板１の温度を、室温迄、約２０分間で降温した。降温中は、気相成長反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。基板１の温度が室温まで降温したのを確認して、積層構造体を気相成長反応炉より外部へ取り出した。この時点で、上記のｐ型ＧａＮコンタクト層１０は、ｐ型キャリア（Ｍｇ）を電気的に活性化するためのアニール処理を行わなくても、既に、ｐ型の伝導性を示した。
【００９４】
次いで、公知のフォトリソグラフィー技術及び一般的なドライエッチング技術を利用して、ｎ型オーミック電極１１を形成する予定の領域に限り、Ｇｅドープｎ型ＧａＮ層６のＧｅ原子高濃度層を露出させた。露出させたＧｅ原子高濃度層の表面に、チタンおよび金を積層した（半導体側がチタン）負極１１を形成した。残置した積層構造体の表面をなすｐ型ＧａＮコンタクト層１０の表面の全域には、一般的な真空蒸着手段、及び公知のフォトリソグラフィー手段等を利用して、半導体側から順に、ニッケルおよび金を積層させた正極１２を形成した。
【００９５】
然る後、３５０μｍ角の正方形のＬＥＤチップに切断し、リードフレーム上に載置し、金導線をリードフレームに結線して、リードフレームよりＬＥＤチップへ素子駆動電流を流せる様にした。
【００９６】
リードフレームを介して負極１１および正極１２間に順方向に素子駆動電流を流した。順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．５Ｖであった。また、２０ｍＡの順方向電流を流した際の出射される青色帯発光の中心波長は４６０ｎｍであった。また、一般的な積分球を使用して測定される発光の強度は、６ｍＷに達し、高い強度の発光をもたらすＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られた。さらに、逆方向電流が１０μＡ流通する電圧は３０Ｖ以上と良好であり、マシンモデルによる静電耐圧特性も５００Ｖ以上と良好であった。
【００９７】
（比較例５）
下地層の厚さを８．５μｍとして、不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層を設けなかったことを除いて、実施例１と同様にＩＩＩ族窒化物半導体積層構造体を作製した。得られた積層構造体表面の転位密度は、２×１０9ｃｍ-2であった。
【００９８】
この積層構造体の上に、実施例４と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。実施例４と同様に順方向および逆方向の電圧および発光強度を測定したところ、順方向電圧は実施例４と同じ３．５Ｖであったが、発光強度は５ｍＷと実施例４に比べると低い強度であった。さらに、逆方向電流が１０μＡ流通する電圧は１５Ｖ程度であり、マシンモデルによる静電耐圧特性も２００Ｖと実施例４より劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明によって得られるエピタキシャル基盤はＩＩＩ族窒化物半導体層の転位密度が極めて小さいので、ＩＩＩ族窒化物半導体素子、例えばＩＩＩ族窒化物半導体発光素子用として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】実施例１で作製した本発明のエピタキシャル基盤の断面構造を模式的に示した図である。
【図２】不純物原子高濃度層のピット密度と不純物原子低濃度層の転位密度との関係を示した図である。
【図３】実施例４で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 基板
２ バッファー層
３ 下地層
４ 不純物原子高濃度層
５ 不純物原子低濃度層
６ ｎコンタクト層
７ ｎクラッド層
８ 発光層
９ ｐクラッド層
１０ ｐコンタクト層
１１ 負極
１２ 正極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体用エピタキシャル基盤およびそれを利用したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体は、短波長の可視光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等のｐｎ接合型構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成するための機能材料として利用されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の発光を呈するＬＥＤを構成するに際し、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）は、基板上に数μｍ形成し（以下、下地層という）、結晶性を改善するとともに光取り出しを容易にする働きを有する。さらに、ｎ形またはｐ形のクラッド層を構成するためにも利用されている（例えば、特許文献２参照）。一方、窒化ガリウム・インジウム（ＧａYＩｎZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）は、発光層を構成するために利用されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、下地層には、ＧａＮもしくはＡｌＮのバッファー層を介して形成される窒化ガリウム（ＧａＮ）や基板と下地層の中間的格子定数を有するＡｌＧａＮをバッファー層として、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）を形成するのが一般的である。この場合のバッファー層は、基板と下地層との歪を緩和する役割をはたし、下地層成長開始直後に転位を終端することを助ける働きをする。これにより、下地層上部への転位の伝播を抑制している。さらに、ＧａYＩｎZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）等からなる発光層との格子定数差が小さくなるように、発光層への転位の伝播と格子定数差による歪を低減している。
【０００４】
しかしながら、バッファー層により、転位伝播を抑制した下地層においてもその転位密度は１×１０9ｃｍ-2程度と大きく、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の特性向上には、低転位化が不可欠である。そのため、バッファー層の形成条件や下地層の形成方法が検討されてきた。
【０００５】
そのための方法として、従来から、基板に凹凸を付ける加工を施したり（例えば、特許文献４参照）、基板上に絶縁膜を形成したり（例えば、特許文献５参照）、基板上に成長した積層物を加工したり（例えば、特許文献６参照）、堆積物上に絶縁膜を形成して（例えば、特許文献７参照）、その形状を利用して横方向の結晶成長を促進し、転位を終端させる方法が試みられてきた。しかし、この方法は基板もしくは基板上の堆積層を加工するため、絶縁膜形成、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのパターンニングの工程が煩雑であり、最終的に形成された膜についてもその形状に対応した転位の分布が存在した。
【０００６】
また、あらかじめエピタキシャル成長前にピットを形成する処理をする加工方法を用いる場合もあった（例えば、特許文献８および９参照）。しかし、この方法であっても一度成長した結晶を一旦成長炉から取り出し、その成長膜にピット形成の加工を施した後、発光層等のデバイスの機能を発揮する層を再度成長するため、工程が煩雑であった。
【０００７】
基板もしくは堆積層を加工しない方法としては、アンドープの下地層で生じた凹凸をその上にＰ型ドーピング層もしくはｎ型ドーピング層を成長することで平坦化する方法（例えば、特許文献１０および１１参照）や、ピットを埋めるために成長を一時中断する方法（例えば、特許文献１２参照）など、下地層にピットを形成して、そのピットを埋めることで転位の方向を変え転位を終端させることなどが行われてきた。
【０００８】
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体に発生するピットに関しては、温度や圧力などの成長条件の他に，不純物を高濃度にドーピングすると、ピットが形成することが知られている。（例えば、非特許文献１参照）。これを利用した方法として、相当高濃度のＳｉをドーピングしてピットを形成する方法がある（例えば、特許文献１３参照）。
【０００９】
本発明は、この不純物添加によるピット形成を利用したものであるが、添加する不純物元素の種類、添加する不純物の濃度および層構造を制御することで、転位密度が小さいＩＩＩ族窒化物半導体積層物を得るものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−３３２３６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９６４５号公報
【特許文献３】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献４】特開２０００−３３１９４７号公報
【特許文献５】特開２００２−１６００１号公報
【特許文献６】特開２００４−３５２７５号公報
【特許文献７】特開２００２−２８９５２７号公報
【特許文献８】特開２００３−１２４１２８号公報
【特許文献９】特開２００２−２６１０２７号公報
【特許文献１０】特開２０００−３５３８２１号公報
【特許文献１１】特開２０００−３５７８２０号公報
【特許文献１２】特開２００２−３６７９０８号公報
【特許文献１３】特開２００４−４７７６４号公報
【非特許文献１】Japan Journal of Applied Physics Vol.31(1992) pp.2883-2888
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、基板もしくは基板上の堆積層を加工することなく平坦な基板上に、通常のエピタキシャル成長方法を用いて半導体層のみを積層することによって、転位密度が１×１０7cm-2以下という低転位密度のＩＩＩ族窒化物半導体層を提供することである。また、それを用いて、発光効率に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびランプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下の発明を提供する。
（１）表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の基板と該基板上に直接積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層とからなり、該ＩＩＩ族窒化物半導体層は互いに接する複数の層からなり、該複数の層の少なくとも一層は転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下の層であるＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１３】
（２）ＩＩＩ族窒化物半導体層の互いに接する複数の層の少なくとも１組が不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層であり、該不純物原子高濃度層が基板側に存在する上記１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１４】
（３）不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層が交互に周期的に存在する上記２項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１５】
（４）周期数が１〜１０である上記３項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１６】
（５）不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれた１種または２種以上の組み合わせである上記２〜４項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１７】
（６）不純物がＧｅである上記５項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１８】
（７）不純物原子高濃度層の表面（基板と反対側の面）にピットが１×１０5ｃｍ-2〜５×１０8ｃｍ-2の範囲で存在する上記２〜６項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００１９】
（８）不純物原子高濃度層の不純物濃度が５×１０17〜４×１０19ｃｍ-3である上記２〜７項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２０】
（９）不純物原子高濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである上記２〜８項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２１】
（１０）不純物原子低濃度層の不純物濃度が不純物原子高濃度層の不純物濃度より低く、かつ２×１０19ｃｍ-3以下である上記２〜９項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２２】
（１１）不純物原子低濃度層が不純物を故意にドーピングされていない上記１０項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２３】
（１２）不純物原子低濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである上記２〜１１項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２４】
（１３）不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層の全体の厚さが１〜１０００μｍである上記２〜１２項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【００２５】
（１４）上記１〜１３項のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層をこの順序で有し、該ｎ型層およびｐ型層に負極および正極がそれぞれ設けられてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００２６】
（１５）上記１４項に記載の発光素子からなるランプ。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の転移密度が１×１０7cm-2以下と極めて小さい。従って、このエピタキシャル基盤を用いて、発光効率に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製することが可能である。すなわち、電流注入型の発光素子では、キャリアをトラップして非発光中心となる結晶欠陥を低減することにより、例えば、ＬＥＤ素子では発光効率の向上、逆耐電圧の向上および静電耐圧の向上が期待できる。また、レーザー素子においては、閾値電流の低減が可能になる。
【００２８】
さらに、このエピタキシャル基盤は、基板もしくは基板上の堆積層を加工することなく平坦な基板上に、通常のエピタキシャル成長方法を用いて半導体層のみを積層することによって得られるので、製造コストが極めて安価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本願発明においてＩＩＩ族窒化物半導体層が積層される基板としては、融点が比較的高く、耐熱性のあるサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）或いは酸化ガリウム・リチウム（組成式ＬｉＧａＯ2）等の酸化物単結晶材料、珪素単結晶（シリコン）や立方晶或いは六方晶結晶型の炭化珪素（ＳｉＣ）等のＩＶ族半導体単結晶からなる基板等が挙げられる。また、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）およびリン化ガリウム（ＧａＰ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶材料も利用できる。発光層からの発光を透過できる、光学的に透明な単結晶材料は基板として有効に利用できる。
【００３０】
また、基板の表面については、機械的および／または化学的に研磨された滑らかな表面でなければならない。通常、凹凸の指標として用いられる表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下のものが好ましい。
【００３１】
本発明においては、表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の平坦な基板をそのまま用いることができる。また、一旦成長した堆積層を成長炉から取り出して加工することもなく、一連の成長過程において、ＩＩＩ族窒化物半導体層の転位密度を低減することを特長としている。
【００３２】
すなわち、平坦な表面を有する基板上に積層する半導体積層物の一部に、不純物を高濃度にドープすることによりピットを発生させる層と、不純物濃度が低いかもしくはアンドープの半導体からなるそのピットを埋める層を有することを特徴としている。不純物低濃度層もしくはアンドープ層がピット部に生じた成長面と平行ではない斜面を埋めながら成長する過程で、ピットの斜面に出てくる転位が横方向に曲げられ終端する。その結果、上部に伝播する転位が減少する。これを周期的に繰り返すことにより、転位密度はさらに減少する。
【００３３】
この方法を用いることで、基板もしくはその上の堆積層を加工したり、成長途中で熱処理により表面を加工するなどの煩雑な加工は必要なくなり、簡便でしかも大きな低転位化の効果が得られる。また、この方法は、ピットを形成するためにドープする不純物元素の種類によらず効果があり、導電型もｎ型ドーパントでもｐ型ドーパントでもどちらでも用いることが出来る。
【００３４】
その効果は、成長面中にピットが占める面積が大きいほど高く、ほぼ全面をピットが覆ってしまう方が効果が大きい。しかし、全面をピットで覆ったとしても一つ一つのピットが小さいと効果は小さくある程度の大きさが必要である。ピットの大きさが大き過ぎるとそのピットを埋め、さらに、埋め込んだ層が平坦になるのが困難になるので、ピットの大きさと密度には最適値がある。
【００３５】
しかし、ピットはその後の埋め込み成長で埋められてしまうので、ピット形成層とピット埋め込み層が同一物質で形成されると、成長終了後のピットの大きさや密度は確認できない。そこで、ピットの大きさがピットを形成する層の層厚に依存していることから、ピット形成層、即ち不純物原子高濃度層の層厚を規定してもよい。その場合、あらかじめ、ピット密度を確認し、表面全面をピットが覆うような条件で成長することが重要である。このピット形成状態をコントロールするには、反射率のその場観察装置が有効である。ピット形成に伴って反射率が低下し、ほぼ全面がピットで覆われたところで反射率は最低と成る。
【００３６】
全面がピットで覆われてしまうとそれ以上は縦方向には成長しないので、同じ条件でエピタキシャル成長を継続しても、ピットの斜面に不純物が析出したり、新たな欠陥が形成する。従って、ピット形成後は、速やかに、ピット埋め込み層の形成を開始する方が好ましい。この時期を監視するための手段として、反射率その場観察装置は重要である。
【００３７】
転位密度は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で概算できる。これは、資料を極薄膜に加工し、それに電子線を照射したときの電子線の回折像を調べる方法で、結晶内の転位の伝播の様子およびその密度を測定できる。また、転位密度だけであればエッチピット密度の測定から推定することも出来る。これは、エピ表面を薬品処理することで、転位が存在する部分に選択的に反応し、転位の種類や密度に相当する形状や数のピットが表面に形成される。さらには、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いることができる。電子線を照射することにより、結晶が励起されバンドギャップに相当するエネルギーの光を発することを利用する方法であるが、転位の位置は他の部位に比べて発光が弱いため、発光のコントラストにより転位の位置がわかる。本発明においては、エッチピットの形成により転位密度を測定する方法を用いている。
【００３８】
ピットを形成するための不純物原子高濃度層およびそれらを埋める不純物原子低濃度層は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の気相成長時に不純物のドーピング源の気相成長反応系への供給量を変化することにより形成する。例えば、不純物のドーピング源を気相成長反応系へ多量に一定時間供給した後、気相成長反応系へ不純物を供給せずにアンドープの層すなわち故意に添加する不純物原子濃度がゼロの層を一定時間成長することにより形成する。
【００３９】
この不純物ドーピング源の気相成長反応系への供給量を増減させれば、ピットが形成される層とそのピットを埋める層を周期的に形成できる。本発明における不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層からなるＩＩＩ族窒化物半導体積層物は、このように不純物原子濃度の高い層と不純物原子濃度の低い層が交互に周期的に積層されていることが好ましい。
【００４０】
不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層からなる上記のＩＩＩ族窒化物半導体積層物は、必要に応じて従来周知のバッファー層を介して基板に直接設けることができる。バッファー層を設けることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体積層物で発生するピットの密度を制御することができる。バッファー層は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＩｎZＮ：０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等から構成できる。また、従来周知の下地層を基板上に設け、その上に上記のＩＩＩ族窒化物半導体積層物を設けてもよい。さらには、上記のＩＩＩ族窒化物半導体積層物を基板上に設け、その上に従来周知の下地層を設けて本発明のエピタキシャル基盤としてもよい。
【００４１】
下地層を設ける場合、下地層はＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。その膜厚は０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌXＧａ1―XＮ層が得られやすい。下地層の膜厚の上限は、本発明を得る上では特に限定されないが、厚すぎるとコストが上昇するので、１０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは８μｍ以下であり、特に好ましくは５μｍ以下である。
【００４２】
下地層にはｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０17／ｃｍ3）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
【００４３】
不純物原子を高濃度に含むピットを形成する層の膜厚は、０．１μｍ以上１０μｍ以下が適する。好ましくは、０．３μｍ以上５μｍ以下、さらに好ましくは、０．５μｍ以上３μｍ以下である。膜厚が０．１μｍ未満になると、ピットが十分大きくならず、転位がその部分に当たる確立が低くなるので、転位を終端させる効果が小さい。逆に、１０μｍを越えるとットが大きくなり過ぎ、不純物原子が低濃度の層で埋まりきらず、平坦性が悪くなる。その結果、例えば、本発明のエピタキシャル基盤上に積層される発光層の平坦性も悪くなり、発光素子の特性が悪化する。
【００４４】
また、不純物原子を高濃度に含むピットを形成する層のピット密度は、１×１０5cm-2以上５×１０8cm-2以下が適する。好ましくは、１×１０6cm-2以上１×１０8cm-2以下であり、さらに好ましくは、５×１０6cm-2以上５×１０7cm-2以下である。この範囲にコントロールするとピットがピット形成層、即ち不純物原子高濃度層のほぼ全面に広がり、転位がこのピットに入り、方向を曲げる確率が最大になる。
【００４５】
ピット密度は、例えば、微分干渉顕微鏡や蛍光顕微鏡で測定できる。高濃度層でピットを形成した状態のエピタキシャル膜を５０〜５００倍で観察すれば、ピット密度を算出できる。
【００４６】
また、不純物原子を低濃度に含む層の膜厚は、不純物原子を高濃度に含む層と同様に、０．１μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以上５μｍ以下がさらに好ましく、０．５μｍ以上３μｍ以下が特に好ましい。膜厚が０．１μｍ未満になると高濃度層で形成されるピットを十分埋められず平坦性が損なわれる。また、１０μｍを超えてもその効果は大きくならない。
【００４７】
さらに、不純物原子を低濃度に含む層は、ピットを埋める際に転位を横方向に進行させることを促進するため、成長温度を上げる、成長圧力を下げる、および成長速度を下げるなどの成長パラメータを変化させてもよい。
【００４８】
本発明では、互に接触している高濃度層と低濃度層の一組を一周期という。各周期の高濃度層の膜厚と低濃度層の膜厚の合計、すなわち、１周期の膜厚は、０．２μｍ以上２０μｍ以下が適する。好ましくは、０．６μｍ以上１０μｍ以下、さらに好ましくは、１μｍ以上６μｍ以下である。２０μｍを超えると、ピットを埋めきれず平坦性が悪くなるか、もしくは、周期を繰り返した時のトータル膜厚が厚くなり加工するのに不利である。また、０．２μｍ未満にするためには、ｎ型不純物原料の供給量を頻繁に変更せねばならず、作業効率が低下する。
【００４９】
１周期中において高濃度層が低濃度層より厚い場合、ピット形成の抑制が十分でなく、平坦性が十分に得られない。一方、１周期中において低濃度層が高濃度層と同等かそれ以上厚い場合は、平坦性が良好になる。従って、低濃度層の厚さは高濃度層の厚さ以上とすることが好ましい。
【００５０】
不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層全体の層厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、２μｍ以上１００μｍ以下がさらに好ましく、４μｍ以上２０μｍ以下が特に好ましい。層厚が１μｍ以下になると転位が終端する確立が低下し効果が小さくなり、また、１０００μｍ以上にしても得られる効果に大差なく、コストが上昇するのみである。
【００５１】
上記の１周期の厚さおよび全体の厚さから、積層させる周期数は１以上で５０以下が好ましく、１以上で１０以下がさらに好ましく、１以上で５以下が特に好ましい。例えば、厚さ２μｍの高濃度層および厚さ２μｍの低濃度層の繰り返しを一周期として、３周期に亘り積層させて、合計で厚さを１２μｍとするＩＩＩ族窒化物半導体積層物を形成する。
【００５２】
周期数を増加するにしたがって転位密度は減少する。しかし、ピットの発生は転位密度の減少と共に減少するので、周期数の増加と共に不純物原子高濃度層で形成されるピットの数も減少する。従って、周期数を増加するにしたがって、転位密度の減少効果は得られ難くなる。さらには、層全体が厚くなることにより、クラック等の発生する可能性がある。従って、効果的な各層の厚さと全体の厚さとの関係から最適な周期数を決定できる。
【００５３】
ピットを形成するための不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、すず（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）等を利用できる。
【００５４】
この中では、Ｇｅが特に好ましい。ピット形成が他の不純物に比べ容易であり、また、そのため、ピット密度も制御し易い特長がある。
【００５５】
高濃度層の不純物原子の濃度は、使用する不純物の種類およびその化合物により異なる。濃度が低いとピットを生じさせることが出来ず効果が得られない。また、高濃度にし過ぎるとピットが多すぎて平坦部が残らず、低濃度層で埋めた時に平坦性を回復できない場合がある。通常は、５×１０17ｃｍ-3から４×１０19ｃｍ-3以下とするのが好ましい。高濃度層の不純物原子濃度は、ＩＩＩ族窒化物半導体積層物全体に亙って必ずしも一定でなくても良く、各周期毎に濃度が連続的もしくは不連続に変化していても良い。また、一つ一つの層内部で不純物原子濃度が変化していてもよい。さらには、不純物元素は１種でなくても良く、２種類以上の元素を組み合わせても良い。
【００５６】
低濃度層の不純物原子の濃度は、高濃度層の不純物原子の濃度より低濃度であり、かつ、２×１０19ｃｍ-3以下とすることが望ましい。濃度が低いほどピットを埋める効果が大きいためである。下限に関しては低ければ低い程よく、むしろ故意にドーピングしない方が好ましい。不純物原子濃度をより小とするため、低濃度層をアンドープのＩＩＩ族窒化物半導体層から構成すると、高濃度層の表面に発生するピットを埋め尽くす効果がさらに高まり、表面の平坦な半導体層を得るのに好ましい。
【００５７】
また、低濃度層においても高濃度層と同様、低濃度層の不純物原子濃度は、半導体層全体に亙って必ずしも一定でなくても良く、各周期毎に濃度が連続的もしくは不連続に変化していても良い。また、一つ一つの層内部で不純物原子濃度が変化していてもよい。さらには、不純物元素は１種でなくても良く、２種類以上の元素を組み合わせても良い。この場合、ｎ型不純物とｐ型不純物の組み合わせであっても構わない。
【００５８】
不純物原子の濃度は、例えば、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定できる。これは、試料の表面に１次イオンを照射することにより、イオン化して飛び出した元素を質量分析する手法であり、特定の元素の深さ方向の濃度分布を観察かつ定量できる。ＩＩＩ族窒化物半導体層中に存在するＧｅ元素についてもこの手法が有効である。その際に各層の厚さも算出できる。
【００５９】
基板上に積層するＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知のＩＩＩ族窒化物半導体を含めて一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００６０】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、ＡｓおよびＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００６１】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。
【００６２】
ドープする不純物の原料としては、それぞれの元素の水素化物、例えば、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（ＳｉＨ6）、ゲルマン（ＧｅＨ4）、硫化水素（Ｈ2Ｓ）、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）、テルル化水素（Ｈ2Ｔｅ）等、およびそれぞれの元素の有機化合物、例えば、テトラメチルシリコン（（ＣＨ3）4Ｓｉ）、テトラエチルシリコン（（Ｃ2Ｈ5）4Ｓｉ）、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）、テトラエチルゲルマニウム（（Ｃ2Ｈ5）4Ｇｅ）、ジエチルセレン（（Ｃ2Ｈ5）2Ｓｅ）、ジイソプロピルセレン（（Ｃ3Ｈ7）2Ｓｅ）、ジエチルサルファイド（（Ｃ2Ｈ5）2Ｓ）、ジイソプロピルサルファイド（（Ｃ3Ｈ7）2Ｓ）、テトラメチルティン（（ＣＨ3）4Ｓｎ）、テトラエチルティン（（Ｃ2Ｈ5）4Ｓｎ）、ジメチルテルル（（ＣＨ3）2Ｔｅ）、ジエチルテルル（（Ｃ2Ｈ5）2Ｔｅ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、ジエチルジンク（（Ｃ2Ｈ5）2Ｚｎ）等を利用できる。また、ＭＢＥ法では、元素状（金属）もドーピング源として利用できる。
【００６３】
ＭＯＣＶＤ法では、上記原料を用いて基板上に、目的に応じたＩＩＩ族窒化物半導体層を９００℃〜１２５０℃の温度範囲で成長させることが好ましい。
【００６４】
本発明のエピタキシャル基盤を用いてＩＩＩ族窒化物半導体素子を作製する場合、当該基盤のＩＩＩ族窒化物半導体層上に、目的とする半導体素子に応じて各種のＩＩＩ族窒化物半導体層および電極等を順次積層すればよい。上述したように、本発明のエピタキシャル基盤の少なくとも上層のＩＩＩ族窒化物半導体層は転位密度が１×１０7cm-2以下と非常に小さいので、その上に積層されるＩＩＩ族窒化物半導体層も結晶性に優れ、高性能な半導体素子が得られる。
【００６５】
例えば、目的とする素子が発光素子の場合、本発明のエピタキシャル基盤上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層、およびｐ型層をこの順序で積層し、ｎ型層およびｐ型層にそれぞれ負極および正極を設ければよい。
【００６６】
ｎ型層は通常ｎコンタクト層およびｎクラッド層から構成される。ｎコンタクト層はクラッド層を兼ねることができる。
【００６７】
ｎコンタクト層は、ＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3、好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。膜厚は特に限定されないが、通常０．１〜１０μｍであり、０．５〜８μｍが好ましく、１〜５μｍがさらに好ましい。
【００６８】
ｎクラッド層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。ＧａＩｎＮとする場合には、活性層のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。ｎクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は１×１０17〜１×１０20／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００６９】
ｎ型層上に積層される発光層としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、好ましくはＧａ1-sＩｎsＮ（０＜ｓ＜０．４）のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層が通常用いられる。発光層の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が挙げられ、例えば好ましくは１〜１０ｎｍであり、より好ましくは２〜６ｎｍである。膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。また、発光層は、上記のような単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の他に、上記Ｇａ1-sＩｎsＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。
【００７０】
ｐ型層は、通常、ｐクラッド層およびｐコンタクト層から構成される。しかし、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねてもよい。ｐクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
【００７１】
ｐコンタクト層としては、少なくともＡｌeＧａ1-eＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなるＩＩＩ族窒化物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持および正極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型ドーパントを１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度で、好ましくは５×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００７２】
ｎコンタクト層およびｐコンタクト層にはそれぞれ負極および正極をこの技術分野でよく知られた慣用の手段で設ける。それぞれの構造も従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
【００７３】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤を用いて半導体発光素子を作製し、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプを作製できる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
【実施例】
【００７４】
以下に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００７５】
（実施例１）
図１は、本実施例で作製したＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤の断面構造を模式的に示した図である。
【００７６】
サファイアからなる基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を積層した構造体は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段を利用して以下の手順で形成した。先ず、（０００１）−サファイアからなる基板１を、高周波（ＲＦ）誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ上に載置した。載置後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、炉内をパージした。
【００７７】
気相成長反応炉内に、窒素ガスを８分間に亘って流通させた後、誘導加熱式ヒータを作動させ、基板１の温度を、１０分間で室温から６００℃に昇温した。基板１の温度を６００℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を１．５×１０4パスカル（Ｐａ）とした。この温度及び圧力下で２分間、放置して、基板１の表面をサーマルクリーニングした。サーマルクリーニングの終了後、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を停止した。水素ガスの供給は継続させた。
【００７８】
その後、水素雰囲気中で、基板１の温度を１１２０℃に昇温させた。１１２０℃で温度が安定したのを確認した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の蒸気を随伴する水素ガスを８分３０秒間、気相成長反応炉内へ供給した。これにより、気相成長反応炉の内壁に以前より付着していた窒素を含む堆積沈着物の分解により生じる窒素原子と反応させて、サファイア基板１上に、厚さ数ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜からなるバッファー層２を付着させた。ＴＭＡの蒸気を随伴する水素ガスの気相成長反応炉内への供給を停止しＡｌＮの成長を終了させた後、４分間待機し、気相成長炉内に残ったＴＭＡを完全に排出した。
【００７９】
続いて、アンモニア（ＮＨ3）ガスを気相成長反応炉内に供給し、４分が経過した後、アンモニアガスの流通を続けながら、サセプタの温度を１０４０℃に降温した。サセプタの温度が１０４０℃になったのを確認した後、暫時、温度が安定するのを待ち、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の気相成長反応炉内への供給を開始し、アンドープのＧａＮからなる下地層３を１５分に亘って成長させた。下地層３の厚さは０．５μｍとした。
【００８０】
次に、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）が入ったステンレス容器内の圧力を２００ｋＰａ（２０００ｍｂａｒ）に保持した状態で水素ガスを４０ｓｃｃｍ（標準状態換算におけるｃｍ3／分）流通して、テトラメチルゲルマニウムを反応炉に供給した。Ｇｅの供給量を制御することにより、ＧａＮ結晶中に取り込まれるＧｅの量をコントロールでき、結果としてピット密度をコントロールできる。この場合は、６０分間流通しＧｅドープＧａＮからなるピット形成層、即ち不純物原子高濃度層４を２μｍ成長した。その後、１時間（ＣＨ3）4Ｇｅの流通を停止してアンドープＧａＮのピット埋め込み層、即ち不純物原子低濃度層５を２μｍ成長して、ピットを埋めた。このサイクルを２回繰り返し、Ｇｅ濃度が周期的に変化する全体の厚さが８．０μｍの不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層を形成した。
【００８１】
不純物原子低濃度層５の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板１の温度を、室温迄、約２０分間で降温した。降温中は、気相成長反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。基板１の温度が室温まで降温したのを確認して、積層構造体を気相成長反応炉より外部へ取り出した。
【００８２】
得られたエピタキシャル基盤を２５０℃の硫酸と燐酸の混合液に３０分浸漬処理した。この表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で、エッチピットとして観察される転位の密度を測定したところ、８×１０6ｃｍ-2であった。さらに不純物原子高濃度層４のＧｅ原子濃度を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定したところ、１×１０19ｃｍ-3であった。
【００８３】
また、２周期目の不純物原子高濃度層４の成長を終了した段階で、別途気相成長反応炉から取り出したサンプルについて、ピット密度を蛍光顕微鏡で測定したところ、１×１０7ｃｍ-2であった。
【００８４】
（実施例２〜３および比較例１〜４）
不純物原子高濃度層４を成長させる際の、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）が入ったステンレス容器内に供給する水素ガスの流量を変更したことを除いて、実施例１と同様にエピタキシャル基盤を作製した。
【００８５】
得られたエピタキシャル基盤について実施例１と同様に評価した。その結果を実施例１の結果と併せて表１に示す。
【００８６】
【表１】
【００８７】
また、得られたエピタキシャル基盤の転位密度と２周期目の不純物原子高濃度層４で形成されたピット密度との関係を図２に示す。不純物原子高濃度層４でのピット密度が小さいと、転位がピット面に当たって方向を変える確率が小さいため、不純物原子低濃度層５表面での転位密度低減効果が小さい。また、ピット密度が大き過ぎると、ピットどうしが結合してしまって平坦部がなくなることから、不純物原子低濃度層５での埋め込みがうまくいかず、平坦性が悪くなると共に、転位の低減効果も悪くなる。
【００８８】
（実施例４）
実施例１で作製したエピタキシャル基盤上にさらにＩＩＩ族窒化物半導体層を積層させ、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。図３は、本実施例で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示した図である。
【００８９】
不純物原子高濃度層５の形成までは実施例１と同じである。その上に１１２０℃でＧｅドープＧａＮからなるｎコンタクト層６を積層した後、１０６０℃で、アンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎクラッド層７を積層した。このｎクラッド層７の層厚は１２．５ｎｍとした。一方、ｎコンタクト層６は、Ｇｅ原子高濃度層とＧｅ原子低濃度層が交互に１００回繰り返して積層された構造であり、全層厚は２μｍとした。
【００９０】
次に、基板１の温度を７３０℃として、多重量子井戸構造発光層８をｎクラッド層７上に設けた。多重量子井戸構造発光層８はＧａＮからなる障壁層８ａとＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる井戸層８ｂの繰り返し構造であり、障壁層８ａからはじまり同じく障壁層８ａで終了するものである。ここでは、障壁層８ａが６層であり井戸層８ｂが５層の多重量子井戸構造としている。すなわち、多重量子井戸構造発光層８にあっては、先ず、ＧａＮ障壁層８ａをｎクラッド層７に接合させて設け、最上層もＧａＮ障壁層８ａとした。
【００９１】
ＧａＮ障壁層８ａは、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）をガリウム源として成長させた。層厚は８ｎｍとし、アンドープとした。Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ井戸層８ｂは、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）をガリウム源とし、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）をインジウム源として成長させた。層厚は、２．５ｎｍとし、アンドープとした。
【００９２】
多重量子井戸構造からなる発光層８上には、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐクラッド層９を形成した。層厚は１０ｎｍとした。ｐクラッド層９上には、更に、Ｍｇをドーピングしたｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１０を形成した。Ｍｇのドーピング源には、ビスーシクロペンタジエニルＭｇを用いた。Ｍｇは、ｐコンタクト層１０の正孔濃度が８×１０17ｃｍ-3となる様に添加した。ｐコンタクト層１０の層厚は１００ｎｍとした。
【００９３】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板１の温度を、室温迄、約２０分間で降温した。降温中は、気相成長反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。基板１の温度が室温まで降温したのを確認して、積層構造体を気相成長反応炉より外部へ取り出した。この時点で、上記のｐ型ＧａＮコンタクト層１０は、ｐ型キャリア（Ｍｇ）を電気的に活性化するためのアニール処理を行わなくても、既に、ｐ型の伝導性を示した。
【００９４】
次いで、公知のフォトリソグラフィー技術及び一般的なドライエッチング技術を利用して、ｎ型オーミック電極１１を形成する予定の領域に限り、Ｇｅドープｎ型ＧａＮ層６のＧｅ原子高濃度層を露出させた。露出させたＧｅ原子高濃度層の表面に、チタンおよび金を積層した（半導体側がチタン）負極１１を形成した。残置した積層構造体の表面をなすｐ型ＧａＮコンタクト層１０の表面の全域には、一般的な真空蒸着手段、及び公知のフォトリソグラフィー手段等を利用して、半導体側から順に、ニッケルおよび金を積層させた正極１２を形成した。
【００９５】
然る後、３５０μｍ角の正方形のＬＥＤチップに切断し、リードフレーム上に載置し、金導線をリードフレームに結線して、リードフレームよりＬＥＤチップへ素子駆動電流を流せる様にした。
【００９６】
リードフレームを介して負極１１および正極１２間に順方向に素子駆動電流を流した。順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．５Ｖであった。また、２０ｍＡの順方向電流を流した際の出射される青色帯発光の中心波長は４６０ｎｍであった。また、一般的な積分球を使用して測定される発光の強度は、６ｍＷに達し、高い強度の発光をもたらすＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られた。さらに、逆方向電流が１０μＡ流通する電圧は３０Ｖ以上と良好であり、マシンモデルによる静電耐圧特性も５００Ｖ以上と良好であった。
【００９７】
（比較例５）
下地層の厚さを８．５μｍとして、不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層を設けなかったことを除いて、実施例１と同様にＩＩＩ族窒化物半導体積層構造体を作製した。得られた積層構造体表面の転位密度は、２×１０9ｃｍ-2であった。
【００９８】
この積層構造体の上に、実施例４と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。実施例４と同様に順方向および逆方向の電圧および発光強度を測定したところ、順方向電圧は実施例４と同じ３．５Ｖであったが、発光強度は５ｍＷと実施例４に比べると低い強度であった。さらに、逆方向電流が１０μＡ流通する電圧は１５Ｖ程度であり、マシンモデルによる静電耐圧特性も２００Ｖと実施例４より劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明によって得られるエピタキシャル基盤はＩＩＩ族窒化物半導体層の転位密度が極めて小さいので、ＩＩＩ族窒化物半導体素子、例えばＩＩＩ族窒化物半導体発光素子用として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】実施例１で作製した本発明のエピタキシャル基盤の断面構造を模式的に示した図である。
【図２】不純物原子高濃度層のピット密度と不純物原子低濃度層の転位密度との関係を示した図である。
【図３】実施例４で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 基板
２ バッファー層
３ 下地層
４ 不純物原子高濃度層
５ 不純物原子低濃度層
６ ｎコンタクト層
７ ｎクラッド層
８ 発光層
９ ｐクラッド層
１０ ｐコンタクト層
１１ 負極
１２ 正極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の基板と該基板上に直接積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層とからなり、該ＩＩＩ族窒化物半導体層は互いに接する複数の層からなり、該複数の層の少なくとも一層は転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下の層であるＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項２】
ＩＩＩ族窒化物半導体層の互いに接する複数の層の少なくとも１組が不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層であり、該不純物原子高濃度層が基板側に存在する請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項３】
不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層が交互に周期的に存在する請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項４】
周期数が１〜１０である請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項５】
不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれた１種または２種以上の組み合わせである請求項２〜４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項６】
不純物がＧｅである請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項７】
不純物原子高濃度層の表面（基板と反対側の面）にピットが１×１０5ｃｍ-2〜５×１０8ｃｍ-2の範囲で存在する請求項２〜６のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項８】
不純物原子高濃度層の不純物濃度が５×１０17〜４×１０19ｃｍ-3である請求項２〜７のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項９】
不純物原子高濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである請求項２〜８のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１０】
不純物原子低濃度層の不純物濃度が不純物原子高濃度層の不純物濃度より低く、かつ２×１０19ｃｍ-3以下である請求項２〜９のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１１】
不純物原子低濃度層が不純物を故意にドーピングされていない請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１２】
不純物原子低濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである請求項２〜１１のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１３】
不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層の全体の厚さが１〜１０００μｍである請求項２〜１２のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層をこの順序で有し、該ｎ型層およびｐ型層に負極および正極がそれぞれ設けられてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１４に記載の発光素子からなるランプ。
【請求項１】
表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下の基板と該基板上に直接積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層とからなり、該ＩＩＩ族窒化物半導体層は互いに接する複数の層からなり、該複数の層の少なくとも一層は転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下の層であるＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項２】
ＩＩＩ族窒化物半導体層の互いに接する複数の層の少なくとも１組が不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層であり、該不純物原子高濃度層が基板側に存在する請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項３】
不純物原子高濃度層と不純物原子低濃度層が交互に周期的に存在する請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項４】
周期数が１〜１０である請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項５】
不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれた１種または２種以上の組み合わせである請求項２〜４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項６】
不純物がＧｅである請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項７】
不純物原子高濃度層の表面（基板と反対側の面）にピットが１×１０5ｃｍ-2〜５×１０8ｃｍ-2の範囲で存在する請求項２〜６のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項８】
不純物原子高濃度層の不純物濃度が５×１０17〜４×１０19ｃｍ-3である請求項２〜７のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項９】
不純物原子高濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである請求項２〜８のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１０】
不純物原子低濃度層の不純物濃度が不純物原子高濃度層の不純物濃度より低く、かつ２×１０19ｃｍ-3以下である請求項２〜９のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１１】
不純物原子低濃度層が不純物を故意にドーピングされていない請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１２】
不純物原子低濃度層の厚さが０．１〜１０μｍである請求項２〜１１のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１３】
不純物原子高濃度層および不純物原子低濃度層の全体の厚さが１〜１０００μｍである請求項２〜１２のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子用エピタキシャル基盤上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層をこの順序で有し、該ｎ型層およびｐ型層に負極および正極がそれぞれ設けられてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１４に記載の発光素子からなるランプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−３１３７７１（Ｐ２００６−３１３７７１Ａ）
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３４９２６（Ｐ２００５−１３４９２６）
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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