JP2016164966A - 窒化物半導体ウエハの製造方法、窒化物半導体ウエハおよび窒化物半導体チップ - Google Patents

窒化物半導体ウエハの製造方法、窒化物半導体ウエハおよび窒化物半導体チップ Download PDF

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徹也 藤原
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Abstract

【課題】ＧａＮ（３０−３−１）基板やＧａＮ（２０−２−１）基板のような半極性ＧａＮ基板上に、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む活性層を成長させることにより得られる窒化物半導体発光素子における、活性層品質を改善する技術を提供すること。【解決手段】Ｍ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である窒化物半導体表面を有する基板を準備し、該基板の該窒化物半導体表面の上に、III族原料の供給レートＲIII（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）とV族原料の供給レートＲV（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）との比ＲV／ＲIIIを２０００以下にしてＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させる。【選択図】図６

Description

本発明は、主として、窒化物半導体ウエハの製造方法、窒化物半導体ウエハおよび窒化物半導体チップに関する。
ＧａＮ（窒化ガリウム）はIII−V族化合物半導体の一種であり、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
窒化物半導体は、III族窒化物系化合物半導体、窒化物系III−V族化合物半導体、ＧａＮ系半導体などとも呼ばれ、ＧａＮを含む他、ＧａＮのガリウムの一部または全部を他の周期表第１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ等）で置換した化合物を含む。
窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子の材料として現在広く用いられている。
窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体で構成されたダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造（ｎ型層とｐ型層とで活性層を挟んだ積層構造）を有する。現在までに実用化されている窒化物半導体発光素子の発光構造は、Ｃ面に平行または略平行に形成された活性層を備えている。
一方で、近年、ＧａＮ（１０−１０）基板のような非極性ＧａＮ基板上に発光構造を成長させてなる非極性型の窒化物半導体素子や、ＧａＮ（３０−３−１）基板やＧａＮ（２０−２−１）基板のような半極性ＧａＮ基板上に発光構造を成長させてなる半極性型の窒化物半導体発光素子の研究開発が盛んに行われている（特許文献１、非特許文献１）。
米国特許公開２００９−００３９３５６号公報
Ludovico Megalini, et al., Applied Physics Express 8, 042701 (2015)
本発明の目的は、ＧａＮ（３０−３−１）基板やＧａＮ（２０−２−１）基板のような半極性ＧａＮ基板上に、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む活性層を成長させることにより得られる窒化物半導体発光素子における、活性層品質を改善する技術を提供することにある。
本発明の実施形態には以下に記載する、窒化物半導体ウエハの製造方法が含まれる。
（ａ１）（i）Ｍ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である窒化物半導体表面を有する基板を準備する第一ステップと、（ii）該基板の該窒化物半導体表面の上に第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを含む、第二ステップと、（iii）該第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層の上に、窒化物半導体からなる活性層をエピタキシャル成長させるステップであって、III族原料の供給レートＲIII（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）とV族原料の供給レートＲV（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）との比ＲV／ＲIIIを２０００以下にしてＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させることを含む、第三ステップと、（iv）該活性層の上に該第一型ドーパントとはドーパント型が異なる第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを含む、第四ステップと、を備える窒化物半導体ウエハの製造方法。
（ａ２）前記量子井戸層の厚さが１００ｎｍ以下である、前記（ａ１）に記載の製造方法。
（ａ３）前記量子井戸層および前記量子井戸層に隣接する窒化物半導体層に、不純物の意図的な添加をしない、前記（ａ１）または（ａ２）に記載の製造方法。
（ａ４）前記第一型ドーパントがｎ型ドーパントであり、前記第二型ドーパントがｐ型ドーパントである、前記（ａ１）〜（ａ３）のいずれかに記載の製造方法。
（ａ５）前記窒化物半導体表面がＧａＮ表面である、前記（ａ１）〜（ａ４）のいずれかに記載の製造方法。
（ａ６）前記基板が自立ＧａＮ基板である、前記（ａ５）に記載の製造方法。
（ａ７）前記窒化物半導体表面と平行または最も平行に近い低指数面が｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面である、（ａ１）〜（ａ６）のいずれかに記載の製造方法。
本発明の実施形態には以下に記載の窒化物半導体ウエハが含まれる。
（ｂ１）ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを、基板の上に有し；該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下であり；発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される；窒化物半導体ウエハ。
４２０≦λP ・・・（式１）
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
（ｂ２）前記量子井戸層の厚さが１００ｎｍ以下である、前記（ｂ１）に記載の窒化物半導体ウエハ。
（ｂ３）前記量子井戸層および前記量子井戸層に隣接する窒化物半導体層における酸素以外のドーパント濃度が２×１０16ｃｍ-3未満である、前記（ｂ１）または（ｂ２）に記載の窒化物半導体ウエハ。
（ｂ４）前記第一導電型窒化物半導体層がｎ型窒化物半導体層であり、前記第二導電型窒化物半導体層がｐ型窒化物半導体層である、前記（ｂ１）〜（ｂ３）のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハ。
（ｂ５）エピタキシャルウエハである、前記（ｂ１）〜（ｂ４）のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハ。
（ｂ６）前記基板が自立ＧａＮ基板である、前記（ｂ５）に記載の窒化物半導体ウエハ。
（ｂ７）前記活性層の前記第二主面と平行または最も平行に近い低指数面が｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面である、（ｂ１）〜（ｂ６）のいずれかに記載の窒化物半導体ウエハ。
本発明の実施形態には以下に記載の窒化物半導体チップが含まれる。
（ｃ１）ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを、基板の上に有し；該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下であり；発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される；窒化物半導体チップ。
４２０≦λP ・・・（式１）
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
（ｃ２）前記量子井戸層の厚さが１００ｎｍ以下である、前記（ｃ１）に記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ３）前記量子井戸層および前記量子井戸層に隣接する窒化物半導体層における酸素以外のドーパント濃度が２×１０16ｃｍ-3未満である、前記（ｃ１）または（ｃ２）に記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ４）前記第一導電型窒化物半導体層がｎ型窒化物半導体層であり、前記第二導電型窒化物半導体層がｐ型窒化物半導体層である、前記（ｃ１）〜（ｃ３）のいずれかに記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ５）前記活性層と前記基板とがエピタキシャル関係にある、前記（ｃ１）〜（ｃ４）のいずれかに記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ６）前記基板がＧａＮ基板である、前記（ｃ５）に記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ７）前記活性層の前記第二主面と平行または最も平行に近い低指数面が｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面である、（ｃ１）〜（ｃ６）のいずれかに記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ８）ＬＥＤチップである、（ｃ１）〜（ｃ７）のいずれかに記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ９）レーザーダイオードチップである、（ｃ１）〜（ｃ７）のいずれかに記載の窒化物半導体チップ。
（ｃ１０）前記（ｃ１）〜（ｃ９）のいずれかに記載の窒化物半導体チップと、該窒化物半導体チップで励起される蛍光体と、を備える発光デバイス。
（ｃ１０）前記蛍光体が、ガーネット構造の結晶を母体とする蛍光体を含む、（ｃ１０）に記載の発光デバイス。
（ｃ１１）前記蛍光体が、サイアロン構造の結晶を母体とする蛍光体を含む、前記（ｃ１０）または（ｃ１１）に記載の発光デバイス。
（ｃ１２）前記蛍光体が、窒化物結晶を母体とする蛍光体を含む、前記（ｃ１０）〜（ｃ１１）のいずれかに記載の発光デバイス。
本発明の実施形態には以下に記載の発光構造が含まれる。
（ｄ１）ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを有し；該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下であり；発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される；発光構造。
４２０≦λP ・・・（式１）
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
（ｄ２）前記量子井戸層の厚さが１００ｎｍ以下である、前記（ｄ１）に記載の発光構造。
（ｄ３）前記量子井戸層および前記量子井戸層に隣接する窒化物半導体層における酸素以外のドーパント濃度が２×１０16ｃｍ-3未満である、前記（ｄ１）または（ｄ２）に記載の発光構造。
（ｄ４）前記第一導電型窒化物半導体層がｎ型窒化物半導体層であり、前記第二導電型窒化物半導体層がｐ型窒化物半導体層である、前記（ｄ１）〜（ｄ３）のいずれかに記載の発光構造。
（ｄ５）前記活性層の前記第二主面と平行または最も平行に近い低指数面が｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面である、（ｄ１）〜（ｄ４）のいずれかに記載の発光構造。
ＧａＮ（３０−３−１）基板やＧａＮ（２０−２−１）基板のような半極性ＧａＮ基板上に、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む活性層を成長させることにより得られる窒化物半導体発光素子における、活性層品質を改善する技術が提供される。
図１は、エピタキシャルウエハの製造方法のフローチャートを示す。 図２は、エピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。 図３は、エピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。 図４は、非エピタキシャルウエハの製造方法を説明するための工程断面図である。 図５は、非エピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。 図６は、エピタキシャルウエハの活性層のＰＬピーク波長とＰＬ−ＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。 図７は、窒化物半導体チップ（ＬＥＤチップ）の構造を示す断面図である。
窒化物半導体では、［０００１］および［０００−１］に平行な結晶軸がｃ軸、＜１０−１０＞に平行な結晶軸がｍ軸、＜１１−２０＞に平行な結晶軸がａ軸と呼ばれる。また、ｃ軸に直交する結晶面がＣ面、ｍ軸に直交する結晶面がＭ面、ａ軸に直交する結晶面がＡ面と呼ばれる。
以下において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、六方晶の窒化物半導体の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味するものとする。
ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板のような窒化物半導体基板の名称に付される結晶面の名称またはミラー指数は、当該基板のおもて面と平行または最も平行に近い低指数面のそれである。ここでいうおもて面とは、基板の２つの主表面のうち、その上に半導体を好ましくエピタキシャル成長させ得るよう仕上げられた面である。
例えば、そのおもて面と平行または最も平行に近い低指数面がＭ面すなわち｛１０−１０｝面であるＧａＮ基板は、Ｍ面ＧａＮ基板またはＧａＮ｛１０−１０｝基板と呼ばれる。通常は、ミラー指数（ｈｋｍｌ）における整数ｈ、ｋ、ｍおよびｌの絶対値がいずれも３以下である結晶面が、低指数面とされる。
１．第一実施形態
本発明の第一実施形態は、エピタキシャルウエハの製造方法に関する。
図１に、第一実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法のフローチャートを示す。
第一実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法は、図１のフローチャートに示すように、次に記す第一ステップから第四ステップまでの４つのステップを含む。
（i）第一ステップ：第一ステップでは、Ｍ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である窒化物半導体表面を有する基板を準備する。
（ii）第二ステップ：第二ステップは、第一ステップで準備した基板の窒化物半導体表面の上に第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを含む。
（iii）第三ステップ：第三ステップは、第二ステップで成長させた第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層の上に、窒化物半導体からなる活性層をエピタキシャル成長させるステップであって、III族原料の供給レートＲIII（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）とV族原料の供給レートＲV（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）との比ＲV／ＲIIIを２０００以下にしてＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させることを含む。
（iv）第四ステップ：第四ステップは、第三ステップで成長させた活性層の上に、第一型ドーパントとはドーパント型が異なる第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを含む。
第一実施形態に係る製造方法により製造し得るエピタキシャルウエハの構造例を、図２に示す。
図２は断面図であり、エピタキシャルウエハ１０は、Ｍ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である窒化物半導体表面１１ａを有する基板１１を含んでいる。その窒化物半導体表面１１ａ上には、第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層を含む第一窒化物半導体層１２が、エピタキシャル成長によって形成されている。
第一窒化物半導体層１２上には、活性層１３が、エピタキシャル成長によって形成されている。活性層１３は、多重量子井戸構造が構成されるよう量子障壁層１３−１と交互に積層された、ＩｎＧａＮ量子井戸層１３−２を含んでいる。
活性層１３上には、第一型ドーパントとはドーパント型が異なる第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層を含む、第二窒化物半導体層１４が、エピタキシャル成長によって形成されている。
活性層１３は、第一窒化物半導体層１２を介して、基板１１の窒化物半導体表面１１ａ上にエピタキシャル成長している。従って、該活性層１３の２つの主面（第一主面１３ａおよび第二主面１３ｂ）のうち、第二窒化物半導体層１４側の主面である第二主面１３ｂの方位は、基板１１の窒化物半導体表面１１ａのそれと同じである。
以下では、上記４つのステップのそれぞれについて詳しく説明する。
＜第一ステップ＞
第一ステップは、窒化物半導体表面を有する基板を準備するステップである。Ｍ面に対する該窒化物半導体表面の傾斜は、［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である。［０００−１］方向と直交する方向の傾斜は、例えば、０〜０．２°、０．２〜０．５°、０．５〜１°、１〜１．５°、１．５〜２°等であり得る。
Ｍ面から［０００−１］方向に約１０°傾斜した結晶面が｛３０−３−１｝面であり、約１５°傾斜した結晶面が｛２０−２−１｝面であるから、本第一ステップで準備する基板が有する窒化物半導体表面と平行または最も平行に近い低指数面は、｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面であり得る。
第一ステップで準備する基板は、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板などの、窒化物半導体のみで構成された単結晶基板であり得る。かかる基板においては、２つの主表面が、いずれも窒化物半導体表面である。
本第一ステップで準備する基板の好適例には、ＧａＮ｛３０−３１｝基板とＧａＮ｛２０−２−１｝基板が含まれる。
本第一ステップで準備する基板は、ベース基板上に表層として窒化物半導体層を有する積層構造基板であってもよい。かかる積層構造基板にあっては、窒化物半導体層の表面が窒化物半導体表面である。
一例に係る積層構造基板において、窒化物半導体層はベース基板上に成長したエピタキシャル層である。ベース基板は、典型的には、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、Ｇａ2Ｏ3基板またはＡｌＮ基板のような単結晶基板である。窒化物半導体層は、ＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層など、任意組成の窒化物半導体層であり得る。
他の一例に係る積層構造基板において、窒化物半導体層はウエハ接合技術によってベース基板に接合されている。ベース基板は、各種の単結晶基板または多結晶基板であり得、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、シリカ、アルミナ、ムライト、アノーサイト等からなるセラミック基板であってもよい。窒化物半導体層は、ＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層など、任意組成の窒化物半導体層であり得る。
＜第二ステップ＞
第二ステップは、第一ステップで準備した基板の窒化物半導体表面の上に、第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを含む。
第二ステップで用いる、第一型ドーパントを含む窒化物半導体層の成長方法は、通常、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法であるが、限定されるものではなく、ＨＶＰＥ法、スパッタリング法、パルス蒸着法等であってもよい。
導電性制御のために窒化物半導体に添加されるドーパントには、よく知られているように、２つの型がある。ひとつは窒化物半導体にｎ型導電性を付与するｎ型ドーパントであり、もうひとつは窒化物半導体にｐ型導電性を付与するｐ型ドーパントである。ｎ型ドーパントの典型例は、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）および酸素（Ｏ）である。ｐ型ドーパントの典型例は、マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）である。
ｐ型ドーパントを添加した窒化物半導体結晶は、水素パッシベーションのせいで、アズグロンでは導電性を示さない場合がある。
第二ステップでエピタキシャル成長させる、第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層において、第一型ドーパントはｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントのいずれであってもよいが、好ましくはｎ型ドーパントである。
第二ステップで成長させる窒化物半導体層の組成に限定はなく、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等であり得る。
第二ステップでは、結晶組成、ドーパント種、ドーパント濃度および成長条件のうち、少なくともいずれかに違いのある２以上の窒化物半導体層を成長させてもよい。
第二ステップでは、第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層に加えて、アンドープ窒化物半導体層（以下ではアンドープ層と略称する場合がある）を成長させてもよい。アンドープ層とは、ドーパントの意図的な添加なしに成長させる層のことで、通常、酸素以外の不純物の濃度が２×１０16ｃｍ-3未満となる。酸素については、アンドープ窒化物半導体層においても濃度が１０17ｃｍ-3台に達する場合がある。
一例では、第二ステップにおいて最初に成長させる窒化物半導体層がアンドープ層であってもよい。
一例では、第二ステップ中に、第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層と、アンドープ窒化物半導体層とを交互に成長させることがあってもよい。
一例では、第二ステップにおいて最後に成長させる窒化物半導体層がアンドープ層であってもよい。
第二ステップで成長させる窒化物半導体層は、コンタクト層、クラッド層、導波層、光閉じ込め層、キャリア閉じ込め層、バッファ層等、様々な機能を有し得る。ひとつの窒化物半導体層が２以上の機能層を兼用してもよいし、複数の窒化物半導体層が集まることでひとつ以上の機能が生じるようにしてもよい。
＜第三ステップ＞
第三ステップは、前記第二ステップで成長させた第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層の上に、窒化物半導体からなる活性層をエピタキシャル成長させるステップである。このステップで用いる活性層の成長方法は、通常、ＭＯＣＶＤ法である。
第三ステップは、V／III比を２０００以下としてＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させることを含む。V／III比とは、ＩＩＩ族原料の供給レートＲIII（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）に対するＶ族原料の供給レートＲV（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）の比ＲV／ＲIIIを意味する。
第三ステップにおいて、V／III比を２０００以下として成長させるＩｎＧａＮ量子井戸層は、活性層の発光波長を決定付ける層である。すなわち、活性層が励起されたときに放出する光は、ＩｎＧａＮ量子井戸層のバンドギャップエネルギーに相当する光子エネルギーを持つ。
ＩｎＧａＮ量子井戸層の組成は、エピタキシャルウエハの完成後に、発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で活性層を励起したときのＰＬピーク波長が４２０ｎｍ以上となるように決定し得る。かかる励起条件は弱励起条件であり、量子井戸層内に生成するキャリアの密度は５×１０17ｃｍ-3以下である。
該ＰＬピーク波長は、更に、４２５ｎｍ以上、４３０ｎｍ以上、４４０ｎｍ以上または４４５ｎｍ以上とすることができる。該ＰＬピーク波長は、通常４６５ｎｍ以下であり、４６０ｎｍ以下、または４５５ｎｍ以下であってもよい。
ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎＮ混晶比を高くするにつれ、活性層のＰＬピーク波長は長くなる。従って、該ＰＬピーク波長は、ＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させる際に供給するＩＩＩ族原料に占める、Ｉｎ原料の比率をパラメータとして制御することが可能である。
例えば、ＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＮ量子井戸層を形成する場合の、ＩＩＩ族原料の総供給レート（トリメチルガリウムとトリメチルインジウムの供給レートの和）に対するＩｎ原料の供給レート（トリメチルインジウムの供給レート）の比率は、５０〜９０％、７０〜９０％、８０〜９０％等とすることができる。
更に、成長温度を低くするとＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎＮ混晶比は高くなるので、成長温度の調整によって活性層のＰＬピーク波長を制御することができる。
ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長レートは、８ｎｍ／ｍｉｎ以下といった、比較的低いレートとすることが好ましい。
ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さは通常１００ｎｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以下、更には２５ｎｍ以下、更には１０ｎｍ以下である。
ＩｎＧａＮ量子井戸層の両側には、ＩｎＧａＮ量子井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する量子障壁層を設けることが好ましい。量子障壁層の厚さは、通常１００ｎｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以下、更には２５ｎｍ以下である。量子障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成することが好ましいが、限定されるものではない。
活性層中に設けるＩｎＧａＮ量子井戸層の数は１以上であればよいが、好ましくは、２以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を量子障壁層と交互に成長させて多重量子井戸構造を形成する。
ＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させる際のV／III比は２０００以下であればよいが、更に１７００以下、１５００以下、または１２００以下とし得る。該V／III比に特に下限は無いが、成長レートを考慮すると、５００以上とすることが望ましい。
ＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させる際のV／III比が２０００以下という条件は、エピタキシャルウエハの完成後に測定される、弱励起条件における活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルの半値幅を低減するうえで、好ましい条件である。
好適例において、ＩｎＧａＮ量子井戸層はアンドープ層である。つまり、ＩｎＧａＮ量子井戸層は、ドーパントの意図的な添加なしで成長させることが好ましい。ＩｎＧａＮ量子井戸層に隣接する窒化物半導体層もアンドープ層とすることがより好ましいが、限定されるものではない。ＩｎＧａＮ量子井戸層に隣接する窒化物半導体層にドーパントを添加する場合、該ドーパントは好ましくはｎ型ドーパントである。
＜第四ステップ＞
第四ステップは、第三ステップで成長させた活性層の上に、第一型ドーパントとはドーパント型の異なる第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層を、エピタキシャル成長させることを含む。
前述の通りドーパントにはｐ型とｎ型の２つの型があるので、第一型ドーパントがｎ型ドーパントである場合には第二型ドーパントはｐ型ドーパントであるし、第一型ドーパントがｐ型ドーパントである場合には第二型ドーパントはｎ型ドーパントである。
第四ステップで用いる、第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層の成長方法は、通常、ＭＯＣＶＤ法であるが、限定されるものではなく、ＨＶＰＥ法、スパッタリング法、パルス蒸着法等であってもよい。
第四ステップで成長させる窒化物半導体層の組成に限定はなく、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等であり得る。
第四ステップでは、結晶組成、ドーパント種、ドーパント濃度および成長条件のうち、少なくともいずれかに違いのある２以上の窒化物半導体層を成長させてもよい。
第四ステップでは、第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層に加えて、アンドープ窒化物半導体層を成長させてもよい。
一例では、第四ステップにおいて最初に成長させる窒化物半導体層がアンドープ層であってもよい。
一例では、第四ステップ中に、第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層と、アンドープの窒化物半導体層とを交互に成長させることがあってもよい。
一例では、第四ステップにおいて最後に成長させる窒化物半導体層がアンドープ層であってもよい。
第四ステップで成長させる窒化物半導体層は、コンタクト層、クラッド層、導波層、光閉じ込め層、キャリア閉じ込め層、バッファ層等、様々な機能を有し得る。ひとつの窒化物半導体層が２以上の機能層を兼用してもよいし、複数の窒化物半導体層が集まることでひとつ以上の機能が生じるようにしてもよい。
２．第二実施形態
本発明の第二実施形態は、窒化物半導体ウエハに関する。
第二実施形態に係る窒化物半導体ウエハは、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを、基板の上に有する。
該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜は、［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である。
発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される
４２０≦λP ・・・（式１）
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
ここで、ＰＬピーク波長とは、フォトルミネッセンス・スペクトルのピーク波長を意味し、ＰＬ−ＦＷＨＭとはフォトルミネッセンス・スペクトルの半値全幅を意味する。
弱励起条件下での活性層のＰＬ−ＦＷＨＭを、上記（式２）が充足される程度に低減した窒化物半導体ウエハには、それを用いることによって、電流注入発光時の発光スペクトルの半値幅が低電流印加時においても狭く、かつ、印加電流の増減に伴う発光スペクトルの変化が小さい窒化物半導体発光素子を製造し得るという利点がある。
発光スペクトルの半値幅が小さいということは、発する光の色純度が高いことを意味し、ディスプレイ用の光源や、被照明物を鮮やかに見せることを重視した照明装置のための光源において、好ましい特性である。
印加電流の増減に伴う発光スペクトルの変化が小さいことは、ディスプレイおよび照明を含む様々な用途の光源に求められる特性である他、レーザ発振を発生させるうえでも有用と考えられる。
＜エピタキシャルウエハ＞
第二実施形態に係る窒化物半導体ウエハは、エピタキシャルウエハであり得る。第二実施形態に係るエピタキシャルウエハの構造例を、図３に示す。
図３は断面図であり、エピタキシャルウエハ２０は、基板２１と、該基板上に順次エピタキシャル成長により形成された第一窒化物半導体層２２、活性層２３および第二窒化物半導体層２４とを備えている。
基板２１は、Ｍ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である窒化物半導体表面２１ａを有している。［０００−１］方向と直交する方向の傾斜は、例えば、０〜０．２°、０．２〜０．５°、０．５〜１°、１〜１．５°、１．５〜２°等であり得る。
Ｍ面から［０００−１］方向に約１０°傾斜した結晶面が｛３０−３−１｝面であり、約１５°傾斜した結晶面が｛２０−２−１｝面であるから、窒化物半導体表面２１ａと平行または最も平行に近い低指数面は、｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面であり得る。
基板２１は、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板などの、窒化物半導体の単結晶のみで構成された基板であり得る。
基板２１の好適例には、ＧａＮ｛３０−３−１｝基板とＧａＮ｛２０−２−１｝基板が含まれる。
基板２１は、ベース基板上に表層として窒化物半導体層を有する積層構造基板であってもよい。かかる積層構造基板にあっては、窒化物半導体層の表面が窒化物半導体表面である。
一例に係る積層構造基板において、窒化物半導体層はベース基板上に成長したエピタキシャル層である。ベース基板は、典型的には、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、Ｇａ2Ｏ3基板またはＡｌＮ基板のような単結晶基板である。窒化物半導体層は、ＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層など、任意組成の窒化物半導体層であり得る。
他の一例に係る積層構造基板において、窒化物半導体層はウエハ接合技術によってベース基板に接合されている。ベース基板は、各種の単結晶基板または多結晶基板であり得、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、シリカ、アルミナ、ムライト、アノーサイト等からなるセラミック基板であってもよい。窒化物半導体層は、ＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層など、任意組成の窒化物半導体層であり得る。
基板２１の直上に配置された第一窒化物半導体層２２は、ｎ型ドーパントを５×１０17ｃｍ-3以上の濃度（通常、５×１０19ｃｍ-3以下）で含有するｎ型高キャリア濃度層を含んでいる。該ｎ型ドーパントは、ケイ素（Ｓｉ）、Ｇｅ（ゲルマニウム）および酸素（О）から選ばれる１以上であり得る。
第一窒化物半導体層２２の組成に限定はなく、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等であり得る。
第一窒化物半導体層２２は、結晶組成、ドーパント種、ドーパント濃度および成長条件のうち、少なくともいずれかに違いのある２以上の層を含み得る。
第一窒化物半導体層２２は、ｎ型高キャリア濃度層に加えて、ｎ型ドーパントの濃度が５×１０17ｃｍ-3未満のｎ型低キャリア濃度層を含み得る。該ｎ型低キャリア濃度層は、アンドープ層であり得る。
一例では、第一窒化物半導体層２２が、基板２１と接する部分にｎ型低キャリア濃度層を含んでもよい。
一例では、第一窒化物半導体層２２が、ｎ型高キャリア濃度層とｎ型低キャリア濃度層の交互積層構造を含んでもよい。
一例では、第一窒化物半導体層２２が、活性層２３と接する部分にｎ型低キャリア濃度層を含んでもよい。
第一窒化物半導体層２２に含まれる窒化物半導体層は、コンタクト層、クラッド層、導波層、光閉じ込め層、キャリア閉じ込め層、バッファ層等、様々な機能を有し得る。ひとつの窒化物半導体層が２以上の機能層を兼用してもよいし、複数の窒化物半導体層が集まることでひとつ以上の機能が生じるようにしてもよい。
第一窒化物半導体層２２の直上に配置された活性層２３は、交互に積層された量子障壁層２３−１およびＩｎＧａＮ量子井戸層２３−２により構成された多重量子井戸構造を備えている。
活性層２３は、第一窒化物半導体層２２側に第一主面２３ａを、その反対側に第二主面２３ｂを有している。活性層２３は、第一窒化物半導体層２２を介して基板２１上にエピタキシャル成長しているので、活性層の第二主面２３ｂの面方位は、基板２１の窒化物半導体主面２１ａのそれと同じである。故に、活性層の第二主面２３ｂのＭ面に対する傾斜は、［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である。
ＩｎＧａＮ量子井戸層２３−２の厚さは通常１００ｎｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以下、更には２５ｎｍ以下、更には１０ｎｍ以下である。
量子障壁層２３−１は、ＩｎＧａＮ量子井戸層２３−２よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、その厚さは通常１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、更には２５ｎｍ以下である。量子障壁層の組成は、好ましくはＧａＮまたはＩｎＧａＮであるが、限定されるものではない。
量子障壁層２３−１およびＩｎＧａＮ量子井戸層２３−２の導電型は、好ましくはｎ型である。量子障壁層２３−１およびＩｎＧａＮ量子井戸層２３−２へのｎ型ドーパントの添加は任意に行うことができるが、好ましくは、ＩｎＧａＮ量子井戸層２３−２の全てをアンドープ層とする。より好ましくは、量子障壁層２３−１も全てアンドープ層とする。アンドープの窒化物半導体層において、酸素以外の不純物の濃度は、通常２×１０16ｃｍ-3未満である。
活性層２３の下端および上端には量子障壁層２３−１を配置することが好ましいが、限定されるものではない。
活性層２３に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層の数を１とすること、すなわち、活性層２３を多重量子井戸構造ではなく単一量子井戸構造とすることもできる。
発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの活性層２３のＰＬピーク波長は４２０ｎｍ以上であり、４２５ｎｍ以上、４３０ｎｍ以上、４４０ｎｍ以上または４４５ｎｍ以上であってもよい。該ＰＬピーク波長は、通常４６５ｎｍ以下であり、４６０ｎｍ以下または４５５ｎｍ以下であってもよい。ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む活性層のＰＬピーク波長は、該ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎＮ混晶比が高くなるにつれて長くなる傾向を持つ。
発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される。
４２０≦λP ・・・（式１）
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
パワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下という励起条件は、エピタキシャルウエハの表面における入射レーザ光の放射束を０．７ｍＪ／ｓｅｃ（０．７ｍＷ）以下とし、スポット径を０．１ｍｍφ以上とすることにより達成できる。かかる励起条件の下では、量子井戸層内に生成するキャリアの密度が５×１０17ｃｍ-3以下となる。このような励起条件は弱励起条件と呼ばれる。
上記（式２）を充たすＰＬ−ＦＷＨＭは、ＰＬピーク波長が４２０ｎｍのとき１８ｎｍ以下、ＰＬピーク波長が４３０ｎｍのとき２２ｎｍ以下、ＰＬピーク波長が４４０ｎｍのとき２６ｎｍ以下、ＰＬピーク波長が４５０ｎｍのとき３０ｎｍ以下、ＰＬピーク波長が４６０ｎｍのとき３４ｎｍ以下である。
好適例においては、更に、上記ΔλおよびλPが下記（式３）を充足してもよい。
Δλ ＜ λP×０．４ − １６０ ・・・（式３）
活性層２３の直上に配置された第二窒化物半導体層２４は、ｐ型ドーパントを５×１０18ｃｍ-3以上の濃度（通常、５×１０21ｃｍ-3以下）で含有するｐ型高ドープ層を含んでいる。ｐ型ドーパントは、Ｍｇ（マグネシウム）およびＺｎ（亜鉛）から選ばれる１以上であり得る。
ｐ型ドーパントが添加された窒化物半導体層は、水素パッシバーションのせいで、アズグロンの状態では絶縁性となり得る。水素パッシベーションにより絶縁性となった窒化物半導体層は、窒素雰囲気中または窒素と酸素の混合雰囲気中でアニールすると、添加されたｐ型ドーパントが活性化されてｐ型導電性を示すようになる。
第二窒化物半導体層２４の組成に限定はなく、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等であり得る。
第二窒化物半導体層２４は、結晶組成、ドーパント種、ドーパント濃度および成長条件のうち、少なくともいずれかに違いのある２以上の層を含み得る。
第二窒化物半導体層２４は、ｐ型高ドープ層に加えて、ｐ型ドーパントの濃度が５×１０18ｃｍ-3未満の低ドープ層を含み得る。低ドープ層はアンドープ層であり得る。
一例では、第二窒化物半導体層２４が、活性層２３と接する部分に低ドープ層を含んでもよい。
一例では、第二窒化物半導体層２４が、ｐ型高ドープ層と低ドープ層の交互積層構造を含んでもよい。
一例では、第二窒化物半導体層２４が、表層として低ドープ層を含んでもよい。
第二窒化物半導体層２４に含まれる窒化物半導体層は、コンタクト層、クラッド層、導波層、光閉じ込め層、キャリア閉じ込め層、バッファ層等、様々な機能を有し得る。ひとつの窒化物半導体層が２以上の機能層を兼用してもよいし、複数の窒化物半導体層が集まることでひとつ以上の機能が生じるようにしてもよい。
＜非エピタキシャルウエハ＞
第二実施形態に係る窒化物半導体ウエハは、非エピタキシャルウエハであり得る。
第二実施形態に係る非エピタキシャルウエハは、例えば、図３に示すエピタキシャルウエハから製造することができる。このことを、図４を参照して説明する。
図４（ａ）は、図３に示すエピタキシャルウエハと同じ構造を有するエピタキシャルウエハ３０の断面図である。エピタキシャルウエハ３０は、基板３１と、該基板上にエピタキシャル成長された窒化物半導体積層体Ｌとを備えている。
窒化物半導体積層体Ｌは、基板３１側から順に、第一窒化物半導体層３２、活性層３３および第二窒化物半導体層３４を有している。
図４（ａ）のエピタキシャルウエハ３０の第二窒化物半導体層３４側に、接着剤を用いて一時的基板３５を仮止めすると、図４（ｂ）に示す構造が得られる。
次いで、基板３１を研削などの方法で除去すると、図４（ｃ）に示す構造が得られる。
次いで、基板３１を除去することにより露出した第一窒化物半導体層３２の表面に、ウエハボンディングの技法を用いて支持基板３６を接合すると、図４（ｄ）に示す構造が得られる。
最後に、接着材を溶解、融解、軟化または分解するなどして一時的基板３６を除去すると、図４（ｅ）に示す、支持基板３６上に窒化物半導体積層体Ｌが接合された構造の非エピタキシャルウエハ４０が得られる。
変形例では、図４（ｂ）の段階で一時的基板３５に代えて支持基板３６を、ウエハボンディングの技法を用いてエピタキシャルウエハ３０の第二窒化物半導体層３４側に接合し、その後、出発基板３１を除去することにより、図５に示す構造の非エピタキシャルウエハ５０を製造することもできる。
＜半導体プロセス＞
第二実施形態に係る窒化物半導体ウエハは、発光素子に必要な構造を付与するために、メサエッチング、素子分離、電極形成、保護膜形成などのような半導体プロセスが施されたものであってもよい。
ｎ型窒化物半導体層とオーミック接触する電極は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＶまたはＷの単体、あるいは、これらから選ばれる一種以上を含む合金で形成し得ることが知られている。
ｐ型窒化物半導体層とオーミック接触する電極は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、またはＣｏの単体、あるいは、これらから選ばれる一種以上を含む合金で形成し得る他、ＩＴＯ、亜鉛添加酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、酸化チタン、酸化ガリウムなどの透明導電性酸化物で形成し得ることが知られている。
メサエッチングや素子分離用の溝形成は、塩素を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングによって行うことができる。
保護膜には、プラズマＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリングなどの方法で形成し得る、酸化ケイ素、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素の薄膜を用いることができる。
３．第三実施形態
本発明の第三実施形態は、窒化物半導体チップに関する。
第三実施形態に係る窒化物半導体チップは、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを、基板の上に有する。
該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜は、［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である。
発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される。
４２０≦λP ・・・（式１）
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
ここで、ＰＬピーク波長とは、フォトルミネッセンス・スペクトルのピーク波長を意味し、ＰＬ−ＦＷＨＭとはフォトルミネッセンス・スペクトルの半値全幅を意味する。
好適例においては、更に、上記ΔλおよびλPが下記（式３）を充足してもよい。
Δλ ＜ λP×０．４ − １６０ ・・・（式３）
弱励起条件下での活性層のＰＬ−ＦＷＨＭを、上記（式２）、更には上記（式３）が充足される程度に低減した窒化物半導体チップには、電流注入発光時の発光スペクトルの半値幅が低電流印加時においても狭く、かつ、印加電流の増減に伴う発光スペクトルの変化が小さいという利点がある。
発光スペクトルの半値幅が小さいということは、発する光の色純度が高いことを意味し、ディスプレイ用の光源や、被照明物を鮮やかに見せることを重視した照明装置のための光源において、好ましい特性である。
印加電流の増減に伴う発光スペクトルの変化が小さいことは、ディスプレイおよび照明を含む様々な用途の光源に求められる特性である他、レーザ発振を発生させるうえでも有用と考えられる。
第三実施形態に係る窒化物半導体チップは、第二実施形態に係る窒化物半導体ウエハ（半導体プロセスが施された後のもの）を、ダイシング・ソー、ダイヤモンド・スクライバー、レーザー・スクライバーなどの加工装置を用いて分断し、チップ（ダイスともいう）の形態にしたものであり得る。
一例において、第三実施形態に係る窒化物半導体チップは、ＬＥＤチップであり得る。
他の一例において、第三実施形態に係る窒化物半導体チップは、レーザーダイオードチップであり得る。レーザーダイオードチップを得るには、ＬＥＤチップと共通するｐｎ接合型の発光構造に加え、導波路構造、共振器構造およびキャリア閉じ込め構造を素子内に設ける必要があることはよく知られている。
第三実施形態に係る窒化物半導体チップは、インジケータ、ディスプレイ、照明などの用途に用いることができる。
第三実施形態に係る窒化物半導体チップを、該窒化物半導体チップで励起される蛍光体と組み合わせて、白色発光デバイスを含む様々な発光デバイスを構成することができる。蛍光体は、発光色の違いによって、黄色蛍光体と緑色蛍光体と赤色蛍光体に大きく分けられる。
好適な黄色蛍光体は、Ｃｅ3+を付活剤とし、ガーネット型酸化物結晶を母体とするものである。例えば、（Ｙ，Ｇｄ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ、Ｔｂ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ、Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅなどがある。その他には、Ｃｅ3+を付活剤とし、ランタンケイ素窒化物結晶を母体とするもの、例えば、Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ、Ｃａ1.5xＬａ3-xＳｉ6Ｎ11：Ｃｅなどがある。また、Ｅｕ2+を付活剤とする黄色蛍光体として、（Ｂａ，Ｓｒ）2ＳｉＯ4：Ｅｕ（ＢＯＳＥまたはＢＯＳと呼ばれる）、αサイアロン：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕなどがある。
好適な緑色蛍光体にはＥｕ2+を付活剤とするものと、Ｃｅ3+を付活剤とするものとがある。
Ｅｕ2+を付活剤とする緑色蛍光体は、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸窒化物またはサイアロンからなる結晶を母体とする緑色蛍光体である。アルカリ土類ケイ酸塩結晶を母体とするものの具体例には、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ）2ＳｉＯ4：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）2（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ2Ｏ7：Ｅｕなどがある。アルカリ土類ケイ酸窒化物結晶を母体とするものの具体例には、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）3Ｓｉ6Ｏ12Ｎ2：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）3Ｓｉ6Ｏ9Ｎ4：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕなどがある。サイアロン結晶を母体とするものの具体例には、βサイアロン：Ｅｕ、Ｓｒ3Ｓｉ13Ａｌ3Ｏ2Ｎ21：Ｅｕ、Ｓｒ5Ａｌ5Ｓｉ21Ｏ2Ｎ35：Ｅｕなどがある。
Ｃｅ3+を付活剤とする緑色蛍光体としては、ガーネット型酸化物結晶を母体とする蛍光体、例えば（Ｙ，Ｇｄ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ、Ｙ3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅ、Ｌｕ3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅ、Ｃａ3（Ｓｃ，Ｍｇ）2Ｓｉ3Ｏ12：Ｃｅや、アルカリ土類金属スカンジウム酸塩結晶を母体とする蛍光体、例えばＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅがある。
好適な赤色蛍光体としては、Ｅｕ2+を付活剤とし、アルカリ土類ケイ窒化物、αサイアロンまたはアルカリ土類ケイ酸塩からなる結晶を母体とする蛍光体が挙げられる。アルカリ土類ケイ窒化物結晶を母体とするものの具体例には、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ、（ＣａＡｌＳｉＮ3）1-x（Ｓｉ(3n+2)/4ＮnＯ）x：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ、ＳｒＡｌＳｉ4Ｎ7：Ｅｕなどがある。アルカリ土類ケイ酸塩結晶を母体とするものの具体例には、（Ｓｒ，Ｂａ）3ＳｉＯ5：Ｅｕなどがある。
４．第四実施形態
第四実施形態は発光構造に関する。
第四実施形態に係る発光構造は、第二実施形態に係る窒化物半導体ウエハが備える発光構造であって（従って、第三実施形態に係る窒化物半導体チップが備える発光構造でもあり得る）、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを有する。
該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜は、［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である。
更に、発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される。
４２０≦λP ・・・（式１）
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
好適例においては、更に、上記ΔλおよびλPが下記（式３）を充足してもよい。
Δλ ＜ λP×０．４ − １６０ ・・・（式３）
５．実験結果
以下に、本発明者等が行った実験の結果を記す。
５．１．実験１（実施例）
Ｍ面に対するおもて面の傾斜が［０００−１］方向に１０°かつ［０００−１］方向と直交する方向に０°の自立ＧａＮ基板（ＧａＮ｛３０−３−１｝基板）を準備した。該基板のキャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3の範囲内であった。
このＧａＮ｛３０−３−１｝基板上に、常圧ＭＯＣＶＤ法を用いて、第一アンドープＧａＮ層（１０ｎｍ厚）、ｎ型ＧａＮコンタクト層（１５００ｎｍ厚）、アンドープＡｌＧａＮ層（６ｎｍ厚）、第二アンドープＧａＮ層（１００ｎｍ厚）、活性層、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層（５０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（４０ｎｍ厚）及びｐ型ＩｎＧａＮ表面層（１ｎｍ層）を順次エピタキシャル成長させて、エピタキシャルウエハを作製した。いずれの層を成長させるときも、キャリアガスにはＮ2（窒素）を用いた。
第一アンドープＧａＮ層からアンドープＡｌＧａＮ層までは、成長温度を９００℃とした。ｎ型ＧａＮコンタクト層には、シラン（ＳｉＨ4）をドーピング源に用いて、ケイ素（Ｓｉ）を７×１０18ｃｍ-3の濃度で添加した。第二アンドープＧａＮ層の成長温度は８２０℃とした。
活性層は、４層のＧａＮ量子障壁層（１８ｎｍ厚）と３層のＩｎＧａＮ量子井戸層（３．６ｎｍ厚）とを、最下層および最上層が量子障壁層となるように、交互に成長させることにより形成した。
ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長温度（一定）は、７９０〜８３０℃の範囲内の温度とした。ＧａＮ量子障壁層の成長温度は、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長温度より４０℃上に設定した。
活性層の成長中はアンモニア（ＮＨ3）供給レートを２．８ＳＬＭに保持した。
ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時は、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）の供給レートを６１μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）の供給レートを１４μｍｏｌ／ｍｉｎとした。従って、V／III比は１７００であった。
V／III比は、ＩＩＩ族原料であるＴＭＧとＴＭＩのトータルの供給レートＲIII（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）に対する、アンモニアの供給レートＲV（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）の比ＲV／ＲIIIである。
ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長レートは２．２ｎｍ／ｍｉｎであった。
活性層への意図的なドーパントの添加は一切行わなかった。
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層とｐ型ＧａＮコンタクト層の成長温度は９００℃とした。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層には、Ｃｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）をドーピング源に用いて、マグネシウム（Ｍｇ）を２×１０19ｃｍ-3の濃度で添加した。
ｐ型ＧａＮコンタクト層には、同じくＣｐ2Ｍｇをドーピング源に用いて、マグネシウム（Ｍｇ）を７×１０19ｃｍ-3の濃度で添加した。
ｐ型ＧａＮコンタクト層の成長が完了した時点でアンモニアを含む原料の供給と基板加熱を停止し、基板温度が８２０℃に下がったところで再びＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびＣｐ2Ｍｇを供給してＩｎＧａＮ表面層を成長させた。ｐ型ＩｎＧａＮ表面層のマグネシウム（Ｍｇ）濃度は、ＳＩＭＳでは正確に測定できなかった。
全ての層の成長が完了したら、アンモニアを含む原料の供給と基板加熱を停止し、基板温度が５００℃に下がるまで成長炉内にはＮ2のみを流した。
こうして、ＧａＮ｛３０−３−１｝基板上にエピタキシャル成長したＬＥＤ構造の窒化物半導体積層体を有するエピタキシャルウエハを得た。
作製した上記のエピタキシャルウエハのエピタキシャル層表面に、発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを照射して、活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルを測定した。活性層における励起光のパワー密度が８．９Ｗ／ｃｍ2以下となるよう、ＩｎＧａＮ表面層の表面において、入射レーザ光の放射束が０．７ｍＪ／ｓｅｃ（０．７ｍＷ）、スポット径が０．１ｍｍφとなるようにした。
フォトルミネッセンス・スペクトルからＰＬピーク波長（λP）とＰＬ−ＦＷＨＭ（Δλ）を求め、両者の関係を表すグラフ上にプロットすると、図６のようになった。
図６によれば、プロットされた点はいずれもグラフ中の直線（Δλ＝λP×０．４−１５０）よりも下方に位置しており、下記（式２）の関係が充足されていることが分かる。
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
更には、下記（式３）の関係も充足されていた。
Δλ ＜ λP×０．４ − １６０ ・・・（式３）
一方、図６のグラフにプロットされた点の位置は、いずれも、下記（式４）が表す直線より上方であった。
Δλ ＝ λP×０．４ − １７０ ・・・（式４）
５．２．実験２（実施例）
下記４点の変更を除き、実験１と同様にしてエピタキシャルウエハを作製した。
・ｎ型ＧａＮコンタクト層の厚さを２０００ｎｍとした。
・アンモニア流量は同じとしたまま、III族原料の供給レートを変更して、ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時のV／III比を１１００とした（III族原料の総供給レートに占めるＴＭＩの供給レートの比率は５８％とした）。
・ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層の厚さを１５０ｎｍとした。
・ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さを１００ｎｍとした。
次いで、実験１と同様にして、作製したエピタキシャルウエハの活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルを測定した。
フォトルミネッセンス・スペクトルからＰＬピーク波長（λP）とＰＬ−ＦＷＨＭ（Δλ）を求め、両者の関係を表すグラフ上にプロットすると、図６のようになった。
図６によれば、プロットされた点はいずれもグラフ中の直線（Δλ＝λP×０．４−１５０）よりも下方に位置しており、下記（式２）の関係が充足されていることが分かる。
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
更には、下記（式３）の関係も充足されていた。
Δλ ＜ λP×０．４ − １６０ ・・・（式３）
一方、図６のグラフにプロットされた点の位置は、いずれも、下記（式４）が表す直線より上方であった。
Δλ ＝ λP×０．４ − １７０ ・・・（式４）
５．３．実験３（実施例）
下記２点の変更を除き、実験２と同様にしてエピタキシャルウエハを作製した。
・｛３０−３−１｝基板に代えて、Ｍ面に対するおもて面の傾斜が［０００−１］方向に１５°かつ［０００−１］方向と直交する方向に０°の自立ＧａＮ基板（ＧａＮ｛２０−２−１｝基板）を用いた。
・ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長温度（一定）を８１０〜８５０℃の範囲内の温度とした。
次いで、実験１と同様にして、作製したエピタキシャルウエハの活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルを測定した。
フォトルミネッセンス・スペクトルからＰＬピーク波長（λP）とＰＬ−ＦＷＨＭ（Δλ）を求め、両者の関係を表すグラフ上にプロットすると、図６のようになった。
図６によれば、プロットされた点はいずれもグラフ中の直線（Δλ＝λP×０．４−１５０）よりも下方に位置しており、下記（式２）の関係が充足されていることが分かる。
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
更には、下記（式３）の関係も充足されていた。
Δλ ＜ λP×０．４ − １６０ ・・・（式３）
一方、図６のグラフにプロットされた点の位置は、いずれも、下記（式４）が表す直線より上方であった。
Δλ ＝ λP×０．４ − １７０ ・・・（式４）
５．４．実験４（比較例）
下記３点の変更を除き、実験１と同様にしてエピタキシャルウエハを作製した。
・活性層の成長中はアンモニア（ＮＨ3）供給レートを１４ＳＬＭに保持した。
・ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時のV／III比を１１０００とした（III族原料の総供給レートに占めるＴＭＩの供給レートの比率は７４％とした）。
・ＧａＮ量子障壁層の成長時のV/III比を４４０００とした。
次いで、実験１と同様にして、作製したエピタキシャルウエハの活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルを測定した。
フォトルミネッセンス・スペクトルからＰＬピーク波長（λP）とＰＬ−ＦＷＨＭ（Δλ）を求め、両者の関係を表すグラフ上にプロットすると、図６のようになった。
図６によれば、プロットされた点はいずれもグラフ中の直線（Δλ＝λP×０．４−１５０）よりも上方に位置しており、下記（式２）の関係が充足されていないことが分かる。
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
５．５．実験５（実施例）
実験１と同様にして作製したエピタキシャルウエハを用いて、図７に示す断面構造を備える窒化物半導体チップ（ＬＥＤチップ）を作製した。チップサイズは５００μｍ角とした。
手順は次の通りである。
まず、エピタキシャル層の表面（ｐ型ＩｎＧａＮ表面層の表面）に、真空蒸着法でＩＴＯ膜を形成し、次いで、大気雰囲気中、５２０℃、２０分間の熱処理を行った。熱処理後、ウェットエッチング法でＩＴＯ膜をパターニングして、所定形状を有するｐ側オーミック電極（ＩＴＯ電極）とした。
次に、反応性イオンエッチングによりエピタキシャル層の一部を除去して、素子分離溝を形成した（メサエッチング）。このとき同時に、ｎ側電極形成面（ｎ型ＧａＮコンタクト層の露出面）を形成した。
次に、そのｎ側電極形成面上に、ｎ側金属パッド（兼オーミック電極）を形成した。ｎ側金属パッドは、１００ｎｍ厚のＡｌ膜と、その上に形成した３００ｎｍ厚のＡｕ膜とからなる、積層膜とした。
次に、ｐ側オーミック電極上の一部にｐ側金属パッドを形成した。ｐ側金属パッドは、１１０ｎｍ厚のＴｉ−Ｗ合金膜と、その上に形成した３００ｎｍ厚のＡｕ膜とからなる、積層膜とした。
最後に、酸化ケイ素で保護膜を形成した。
こうして作製した窒化物半導体チップに順方向電流３５０ｍＡを印加したところ、発光ピーク波長が約４３５ｎｍのチップで４２０ｍＷという光出力が観測された。
５．６．実験６（比較例）
実験４と同様にして作製したエピタキシャルウエハを用いて、図７に示す断面構造を備える窒化物半導体チップ（ＬＥＤチップ）を作製した。作製手順は実験５と同様とした。チップサイズも実験５と同じく５００μｍ角とした。
作製した窒化物半導体チップに順方向電流３５０ｍＡを印加したところ、発光ピーク波長が約４３５ｎｍのチップで観測された光出力は、最高で３３０ｍＷであった。
５．７．実験７（参考例）
下記２点の変更を除き、実験１と同様にしてエピタキシャルウエハを作製した。
・｛３０−３−１｝基板に代えて、Ｍ面に対するおもて面の傾斜が［０００−１］方向に５°かつ［０００−１］方向と直交する方向に０°の自立ＧａＮ基板を用いた。
・ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長温度（一定）を７５０〜７７０℃の範囲内の温度とした。
次いで、実験１と同様にして、作製したエピタキシャルウエハの活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルを測定したところ、そのピーク波長λPと半値全幅Δλは下記の関係を充足していた。
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０
５．８．実験８（参考例）
下記３点の変更を除き、実験７と同様にしてエピタキシャルウエハを作製した。
・活性層の成長中はアンモニア（ＮＨ3）供給レートを１４ＳＬＭに保持した。
・ＩｎＧａＮ量子井戸層の成長時のV／III比を８３００とした（III族原料の総供給レートに占めるＴＭＩの供給レートの比率は８１％とした）。
・ＧａＮ量子障壁層の成長時のV/III比を４４０００とした。
次いで、実験１と同様にして、作製したエピタキシャルウエハの活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルを測定したところ、そのピーク波長λPと半値全幅Δλは下記の関係を充足していなかった。
Δλ ＜ λP×０．４ − １５０
以上、本発明を実施形態に即して具体的に説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に記載された各実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。
１０、２０、３０ エピタキシャルウエハ
１１、２１、３１ 基板
１１ａ、２１ａ 窒化物半導体表面
１２、２２、３２ 第一窒化物半導体層
１３、２３、３３ 活性層
１３ａ、２３ａ 第一主面
１３ｂ、２３ｂ 第二主面
１３−１、２３−１、３３−１ 量子障壁層
１３−２、２３−２、３３−２ ＩｎＧａＮ量子井戸層
１４、２４、３４ 第二窒化物半導体層
３５ 一時的基板
３６ 支持基板
４０、５０ 非エピタキシャルウエハ

Claims (19)

  1. （i）Ｍ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下である窒化物半導体表面を有する基板を準備する第一ステップと、
    （ii）該基板の該窒化物半導体表面の上に第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを含む、第二ステップと、
    （iii）該第一型ドーパントを含有する窒化物半導体層の上に、窒化物半導体からなる活性層をエピタキシャル成長させるステップであって、III族原料の供給レートＲIII（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）とV族原料の供給レートＲV（単位：ｍｏｌ／ｍｉｎ）との比ＲV／ＲIIIを２０００以下にしてＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させることを含む、第三ステップと、
    （iv）該活性層の上に該第一型ドーパントとはドーパント型が異なる第二型ドーパントを含有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを含む、第四ステップと、
    を備える窒化物半導体ウエハの製造方法。
  2. 前記量子井戸層の厚さが１００ｎｍ以下である、請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記量子井戸層および前記量子井戸層に隣接する窒化物半導体層に、不純物の意図的な添加をしない、請求項１または２に記載の製造方法。
  4. 前記第一型ドーパントがｎ型ドーパントであり、前記第二型ドーパントがｐ型ドーパントである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
  5. 前記窒化物半導体表面がＧａＮ表面である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
  6. 前記基板が自立ＧａＮ基板である、請求項５に記載の製造方法。
  7. 前記窒化物半導体表面と平行または最も平行に近い低指数面が｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の製造方法。
  8. ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを、基板の上に有し、
    該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下であり、
    発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される、窒化物半導体ウエハ。
    ４２０≦λP ・・・（式１）
    Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
  9. 前記量子井戸層の厚さが１００ｎｍ以下である、請求項８に記載の窒化物半導体ウエハ。
  10. 前記量子井戸層および前記量子井戸層に隣接する窒化物半導体層における酸素以外のドーパント濃度が２×１０16ｃｍ-3未満である、請求項８または９に記載の窒化物半導体ウエハ。
  11. 前記第一導電型窒化物半導体層がｎ型窒化物半導体層であり、前記第二導電型窒化物半導体層がｐ型窒化物半導体層である、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体ウエハ。
  12. エピタキシャルウエハである、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体ウエハ。
  13. 前記基板が自立ＧａＮ基板である、請求項１２に記載の窒化物半導体ウエハ。
  14. 前記活性層の前記第二主面と平行または最も平行に近い低指数面が｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面である、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の窒化物半導体ウエハ。
  15. ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層である活性層と、該活性層の第一主面側に配置された第一導電型窒化物半導体層と、該活性層の該第一主面側とは反対の第二主面側に配置され該第一導電型窒化物半導体層とは導電型が異なる第二導電型窒化物半導体層とを有し、
    該活性層の該第二主面のＭ面に対する傾斜が［０００−１］方向に６°以上２０°以下かつ［０００−１］方向と直交する方向に２°以下であり、
    発光波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いてパワー密度８．９Ｗ／ｃｍ2以下の条件で励起したときの該活性層のＰＬピーク波長をλP（単位：ｎｍ）、ＰＬ−ＦＷＨＭをΔλ（単位：ｎｍ）としたとき、下記（式１）および（式２）が充足される、発光構造。
    ４２０≦λP ・・・（式１）
    Δλ ＜ λP×０．４ − １５０ ・・・（式２）
  16. 前記量子井戸層の厚さが１００ｎｍ以下である、請求項１５に記載の発光構造。
  17. 前記量子井戸層および前記量子井戸層に隣接する窒化物半導体層における酸素以外のドーパント濃度が２×１０16ｃｍ-3未満である、請求項１５または１６に記載の発光構造。
  18. 前記第一導電型窒化物半導体層がｎ型窒化物半導体層であり、前記第二導電型窒化物半導体層がｐ型窒化物半導体層である、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の発光構造。
  19. 前記活性層の前記第二主面と平行または最も平行に近い低指数面が｛３０−３−１｝面または｛２０−２−１｝面である、請求項１５〜１８のいずれかに記載の発光構造。
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