JP4525743B2 - 発光デバイス用ｉｉｉ族窒化物結晶基板ならびに発光デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

発光デバイス用ｉｉｉ族窒化物結晶基板ならびに発光デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、発光デバイスに好適に用いられる発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板ならびに発光デバイスおよびその製造方法に関する。
ＩＩＩ族窒化物結晶基板は、発光デバイス素子、電子デバイスなどの各種半導体デバイスの基板として非常に有用なものである。ここで、各種半導体デバイスの特性を向上させるために、転位密度が低く結晶性のよいＩＩＩ族窒化物結晶基板が必要とされている。また、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の利用効率の観点から、基板の主面の面積は１０ｃｍ-2以上、好ましくは２０ｃｍ-2以上であることが必要とされている。
このため、大型で転位密度の低いＩＩＩ族窒化物結晶基板を作製するために、種々の方法が提案されている（たとえば、特開２００７−１６１５３６号公報（特許文献１）を参照）。
ここで、特開２００７−１６１５３６号公報（特許文献１）では、総転位密度が１×１０2ｃｍ-2以上１×１０6ｃｍ-2以下のＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）結晶基板とこの基板上に形成されている少なくとも１層の半導体層とを含む電子デバイスが、均一で高い耐圧を有することが開示されている。また、電子デバイスの耐圧を高める観点から、基板の螺旋転位密度は１×１０4ｃｍ-2以下が好ましいことが開示されている。
特開２００７−１６１５３６号公報
しかし、上記の特開２００７−１６１５３６号公報（特許文献１）においては、基板の転位密度と電子デバイス以外の半導体デバイス（たとえば、発光デバイス）の特性との間の相関については、必ずしも明らかでない。
そこで、本発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の転位密度と発光デバイスの特性との間の相関を明らかにして、発光デバイスに好適に用いられる発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板ならびにその基板を含む発光デバイスおよびその発光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、面積が１０ｃｍ2以上の主面を有し、主面の外周からの距離が５ｍｍ以下の外周領域を除く主領域において、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下であり、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．９以上である発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板である。
また、本発明は、上記の発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板と、その発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層と、を含む発光デバイスである。
また、本発明は、上記の発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板を準備する工程と、その発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層を積層させる工程と、を含む発光デバイスの製造方法である。
本発明によれば、発光デバイスに好適に用いられる発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板ならびにその基板を含む発光デバイスおよびその発光デバイスの製造方法を提供することができる。
（実施形態１）
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物結晶基板は、面積が１０ｃｍ2以上の主面を有し、主面の外周からの距離が５ｍｍ以下の外周領域を除く主領域において、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下であり、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上である。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶基板は、面積が１０ｃｍ2以上の主面を有する。このため、サイズの大きい発光デバイスの製造または発光デバイスの大量製造が可能となる。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶基板は、主面の外周からの距離が５ｍｍ以下の外周領域を除く主領域において、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下であり、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上である。図６を参照して、後述するように、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下、かつ、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層が形成されている発光デバイスは、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下、かつ、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５未満であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層が形成されている発光デバイスに比べて、より高い発光強度を有する。
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶基板は、主面の外周からの距離が５ｍｍ以下の外周領域を除く主領域において、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下であり、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．９以上である。図６を参照して、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下、かつ、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．９以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層が形成されている発光デバイスは、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下、かつ、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上０．７以下であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層が形成されている発光デバイスに比べて、さらに高い発光強度を有する。
ここで、総転位密度および総転位密度に対する螺旋転位密度の比の評価を主面の外周からの距離が５ｍｍ以下の外周領域を除く主領域において行った理由は、上記外周領域には外周に掃き出された転位が集まり、転位密度が高くなっている場合があるからである。
本発明者は、既に、総転位密度が１×１０2ｃｍ-2以上１×１０6ｃｍ-2以下のＩＩＩ族窒化物結晶基板を用いて形成された半導体デバイスが、総転位密度が１×１０2ｃｍ-2未満のＩＩＩ族窒化物結晶基板を用いて同様の構造で形成された半導体デバイスに比べて、高い特性を有することを見出した（特開２００７−１６１５３６号公報参照）。さらに、本発明者は、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下の場合において、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上のＩＩＩ族窒化物結晶基板を用いた形成された発光デバイスは、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５未満のＩＩＩ族窒化物結晶基板を用いた形成された発光デバイスに比べて、発光強度が高くなることを見出して、本願発明を完成させた。
ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面に現われ得る転位には、螺旋転位、刃状転位、ならびに螺旋転位および刃状転位が混合した混合転位が挙げられる。また、基板の主面に現われた転位は、基板の主面をエッチングすることにより生じるピット（以下、エッチピットという）として確認することができる。
ＩＩＩ族窒化物結晶基板の主面をエッチングする方法には、特に制限はなく、液相エッチング法であっても気相エッチング法であってもよい。液相エッチング法においては、エッチング液として液温が３００℃〜５００℃程度の水酸化カリウムと水酸化ナトリウムとの混合融液（ＫＯＨ−ＮａＯＨ混合融液）、または液温が２００℃〜３００℃程度のリン酸と硫酸との混合液（Ｈ3ＰＯ4−Ｈ2ＳＯ4混合液）などが好ましく用いられる。気相エッチング法においては、ハロゲンガスまたはハロゲン化合物ガスを含むエッチングガスなどが好ましく用いられる。エッチングガスに含まれるハロゲンガスとしては、Ｃｌ2ガス、Ｆ2ガスなどが、ハロゲン化合物ガスとしてはＨＣｌガス、ＢＣｌ3ガス、ＣＦ4ガスなどが好ましく挙げられる。ここで、一度に大量の結晶のエッチングが可能であり、またエッチング後の洗浄工程が容易である観点から、気相エッチング法がより好ましい。
図１および図２を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００の主面１００ｍをエッチングすると、主面１００ｍに現われる転位１１０に対応するエッチピット１１０ｐが得られる。かかるエッチピット１１０ｐの形状は、向かい合う底辺が互いにほぼ平行な六角錐状であり、多くの場合正六角錐状である。ここで、エッチピット１１０ｐである六角錐の向かい合う底角の間の距離の平均をエッチピットの径と定義する。
上記のエッチピット１１０ｐの径の大きさにより転位１１０の種類を判別することができる。大きな径Ｄ1を有するエッチピット１１１ｐ（以下、大エッチピット１１１ｐという）は螺旋転位１１１に基づくものであり、小さな径Ｄ2を有するエッチピット１１２ｐ（以下、小エッチピット１１２ｐという）は刃状転位１１２に基づくものである。詳細には、転位は、螺旋転位、刃状転位に加えて、螺旋転位と刃状転位とが混合している混合転位の３種類に分類される。ここで、本願発明の螺旋転位とは、螺旋転位を含む転位をいい、螺旋転位および混合転位が含まれる。
各エッチピットの径の絶対値は、基板の主面のエッチング条件により変動するが、大エッチピットおよび小エッチピットの間の径の相対的な比は、エッチング条件に依存せずほぼ一定である。また、大エッチピット１１１ｐの径Ｄ1および小エッチピット１１２ｐの径Ｄ2は、それぞればらつきがあり、それらの比Ｄ1：Ｄ2、ほぼ５〜１０：１〜２となる。
本願において、転位とは上記螺旋転位（すなわち、詳細な定義における螺旋転位および混合転位を含む）および刃状転位のいずれかの転位を意味し、総転位とは上記螺旋転位および刃状転位を含めた全転位を意味する。したがって、総転位密度は、単位面積当たりの総転位の密度であり、単位面積当たりの大エッチピットおよび小エッチピットの総数を数えることにより算出される。また、螺旋転位密度は、単位面積当たりの螺旋転位の密度であり、単位面積当たりの大エッチピット数を数えることにより算出される。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法は、特に制限はないが、たとえば、以下の方法により製造することができる。まず、図３（ａ）を参照して、一主面１０ｍを有するＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａを含み、主面１０ｍがＩＩＩ族窒化物結晶層１０ａの{０００１}面１０ｃに対して０．５°以上１０°以下の傾き角θ１を有する下地基板１０を準備する（下地基板の準備工程）。
次に、図３（ｂ）を参照して、液相法により、下地基板１０の主面１０ｍ上に、ＩＩＩ族窒化物結晶２０を成長させる（ＩＩＩ族窒化物結晶の成長工程）。ここで、液相法には、特に制限はないが、転位密度の低い結晶を効率よくエピタキシャル成長させる観点から、ＩＩＩ族元素金属を含む融液に主面が接触するように下地基板を配置し、その融液に窒素含有ガス（たとえば窒素ガス）を供給して、下地基板の主面上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる方法が好ましい。ＩＩＩ族元素金属を含む融液であれば、特に制限はなく、ＩＩＩ族元素金属の融液（溶液法またはセルフフラックス法）、ＩＩＩ族元素金属とＩＩＩ族元素金属の溶剤となる金属（Ｎａ、Ｌｉなどのアルカリ金属、Ｃａなどのアルカリ土類金属、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒなどの遷移金属など）との融液（フラックス法）などが用いられる。
上記下地基板１０の主面１０ｍ上には、{０００１}面１０ｃに平行な複数のテラス面（図示せず）と{０００１}面に対してある角度を有する複数のステップ面（図示せず）とで構成される複数のミクロステップ（図示せず）が形成されている。
液相法により、上記主面１０ｍ上にＩＩＩ族窒化物結晶２０を成長させると、テラス面に平行な方向および垂直な方向に結晶が成長する。また、テラス面に平行な方向の結晶成長速度は、テラス面に垂直な方向の結晶成長速度に比べて大きい。ここで、刃状転位は結晶の成長方向に対して平行に伝搬する。このため、刃状転位は、テラス面に実質的に平行に伝搬する。すなわち、刃状転位の伝搬線２０ｄｅと{０００１}面１０ｃ，２０ｃとのなす転位伝搬角φEは小さく、０°〜５°程度である。これに対して、螺旋転位は結晶の成長方向に対して、３０°〜４５°の傾き角を有する方向に伝搬する。すなわち、螺旋転位の伝搬線２０ｄｓと{０００１}面１０ｃ、２０ｃとのなす転位伝搬角φSは大きく、４５°〜６０°程度である。
したがって、上記の下地基板１０を用いることにより、螺旋転位に比べて刃状転位がより効率的に結晶の外周に掃き出され、総転位密度を低減するとともに、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が高くなる。
ここで、結晶の転位の伝搬の様子（転位の伝搬線２０ｄｅ，２０ｄｓ）は、光散乱トモグラフ法により観察することができる。また、結晶の{ｈｋｌｍ}面および＜ｈｋｌｍ＞方向は、Ｘ線回折により特定することができる。なお、｛ｈｋｌｍ｝面（ここで、ｈ、ｋ、ｌおよびｍはミラー指数。以下同じ。）とは、（ｈｋｌｍ）面および（ｈｋｌｍ）面と結晶幾何学的に等価な面を含む総称である。また、＜ｈｋｌｍ＞方向とは、［ｈｋｌｍ］方向および［ｈｋｌｍ］方向と結晶幾何学的に等価な方向を含む総称である。
なお、下地基板１０の主面１０ｍの傾き方向１０ｈは、結晶対称性の観点から、＜０００１＞方向から、＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向に傾いていることが好ましい。
また、図３（ｂ）を参照して、上記のようにして液相法により成長させたＩＩＩ族窒化物結晶２０の表面２０ｓを研削または研磨により鏡面化して、{０００１}面１０ｃ，２０ｃに平行な主面２０ｎを形成する。
次に、図３（ｃ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｎ上に、気相法によりさらにＩＩＩ族窒化物結晶４０を成長させることができる。気相法としては、特に制限はないが、転位密度が低い結晶を効率よくエピタキシャル成長させる観点から、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＭＢＥ（分子線成長）法などが好ましい。これらの中でも、結晶の成長速度が大きい観点から、ＨＶＰＥ法が特に好ましい。すなわち、ＨＶＰＥ法を用いてＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｎ上にＩＩＩ族窒化物結晶４０をさらに成長させることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶４０の成長とともにその総転位密度および螺旋転位密度を低減させることができる。ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶４０の成長においては、成長に伴う転位減少の程度が小さいので、刃状転位密度と螺旋転位密度との比はあまり変わらない、すなわち、総転位密度に対する螺旋転位密度の比もあまり変わらない。
ここで、図３（ｃ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物結晶４０を{０００１}面１０ｃ，２０ｃに平行な複数の面４０ｑ，４０ｒでスライスし、スライス面を研削または研磨により鏡面化することにより、転位密度が低減した大量のＩＩＩ族窒化物結晶基板４０ｐが得られる。
また、図４（ａ）を参照して、液相法により成長させたＩＩＩ族窒化物結晶２０の表面を研削または研磨して、｛０００１｝面１０ｃ，２０ｃに対して０．５°以上１０°以下の傾き角θ２を有する主面２０ｍを形成する。
次に、図４（ｂ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍ上に、液相法によりさらにＩＩＩ族窒化物結晶３０を成長させることができる。液相法としては、特に制限はないが、転位密度の低い結晶を効率よくエピタキシャル成長させる観点から、ＩＩＩ族元素金属を含む融液に主面が接触するように下地基板を配置し、その融液に窒素含有ガス（たとえば窒素ガス）を供給して、下地基板の主面上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる方法、たとえば、溶液法、フラックス法が好ましい。ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍには、{０００１｝面１０ｃ，２０ｃに対して傾き角θ２を有しているため、下地基板１０の主面１０ｍと同様に、{０００１}面１０ｃ，２０ｃに平行な複数のテラス面（図示せず）と{０００１}面に対してある角度を有する複数のステップ面（図示せず）とで構成される複数のミクロステップ（図示せず）が形成されている。
液相法により、上記主面２０ｍ上にＩＩＩ族窒化物結晶３０を成長させると、テラス面に平行な方向および垂直な方向に結晶が成長する。また、テラス面に平行な方向の結晶成長速度は、テラス面に垂直な方向の結晶成長速度に比べて大きい。ここで、刃状転位は結晶の成長方向に対して平行に伝搬する。このため、刃状転位は、テラス面に実質的に平行に伝搬する。すなわち、刃状転位の伝搬線３０ｄｅと{０００１}面１０ｃ，２０ｃとのなす転位伝搬角φEは小さく、０°〜５°程度である。これに対して、螺旋転位は結晶の成長方向に対して、３０°〜４５°の傾き角を有する方向に伝搬する。すなわち、螺旋転位の伝搬線３０ｄｓと{０００１}面１０ｃ、２０ｃとのなす転位伝搬角φSは大きく、４５°〜６０°程度である。
したがって、上記のＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍ上に、液相法によりＩＩＩ族窒化物結晶３０をさらに成長させることにより、螺旋転位に比べて刃状転位がより効率的に結晶の外周に掃き出される。このため、ＩＩＩ族窒化物結晶３０においては、ＩＩＩ族窒化物結晶２０に比べて、総転位密度がさらに低減するとともに、総転位密度に対する螺旋転位密度の比がさらに大きくなる。
なお、ＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍの傾き方向２０ｈは、結晶対称性の観点から、＜０００１＞方向から、＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向に傾いていることが好ましい。また、ＩＩＩ族窒化物結晶２０の主面２０ｍの傾き方向２０ｈは、下地基板１０の主面１０ｍの傾き方向１０ｈと方向が異なっていることが、総転位密度をさらに低減するとともに総転位密度に対する螺旋転位密度の比がさらに大きくする観点から、より好ましい。
このように、成長させたＩＩＩ族窒化物結晶に｛０００１｝面に対して０．５°以上１０°以下の傾き角を有する主面を形成し、液相法によりその主面上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることを繰り返すことにより、総転位密度をさらに低減するとともに総転位密度に対する螺旋転位密度の比がさらに大きくすることができる。
また、図４（ｂ）を参照して、上記のようにして液相法により成長させたＩＩＩ族窒化物結晶３０の表面３０ｓを研削または研磨により鏡面化して、{０００１}面１０ｃ，２０ｃに平行な主面３０ｎを形成する。
次に、図４（ｃ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物結晶３０の主面３０ｎ上に、気相法によりさらにＩＩＩ族窒化物結晶５０を成長させることができる。気相法としては、特に制限はないが、転位密度が低い結晶を効率よくエピタキシャル成長させる観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などが好ましい。これらの中でも、結晶の成長速度が大きい観点から、ＨＶＰＥ法が特に好ましい。すなわち、ＨＶＰＥ法を用いてＩＩＩ族窒化物結晶３０の主面３０ｎ上にＩＩＩ族窒化物結晶５０をさらに成長させることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶５０の成長とともにその総転位密度および螺旋転位密度を低減させることができる。ここで、ＩＩＩ族窒化物結晶５０の成長においては、成長に伴う転位減少の程度が小さいので、刃状転位密度と螺旋転位密度との比はあまり変わらない、すなわち、総転位密度に対する螺旋転位密度の比もあまり変わらない。
ここで、図４（ｃ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物結晶５０を{０００１}面１０ｃ，２０ｃ，３０ｃに平行な複数の面５０ｑ，５０ｒでスライスし、スライス面を研削または研磨により鏡面化することにより、転位密度が低減した大量のＩＩＩ族窒化物結晶基板５０ｐが得られる。
したがって、上記の結晶成長方法を適宜組み合わせることにより、下地基板または下地となるＩＩＩ族窒化物結晶に比べて、総転位密度を低減するとともに総転位密度に対する螺旋転位密度の比を大きくして、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下で総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上であるＩＩＩ族窒化物結晶およびＩＩＩ族窒化物結晶基板が得られる。
（実施形態２）
本発明にかかる発光デバイスは、図５を参照して、実施形態１のＩＩＩ族窒化物結晶基板１００と、ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０とを含む。本実施形態の発光デバイスは、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下で総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に形成された少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層を含むため、図６に示すように、高い発光強度を有する。
本実施形態の発光デバイスは、具体的には、図５を参照して、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下で総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上である１ｍｍ×１ｍｍ×厚さ５００μｍのＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００）の一方の主面上に、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０として、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１３１、６対のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層およびＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層により構成されている多重量子井戸構造を有する厚さ１００ｎｍの発光層１３２、Ｍｇがドープされた厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層１３３およびＭｇがドープされた厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１３４が順に積層されている。また、ｐ型ＧａＮ層１３４上の一部には、ｐ側電極１４１である０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×厚さ０．５μｍのＮｉ／Ａｕ電極が形成されている。また、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００）の他方の主面上には、ｎ側電極１４２である厚さ１μｍのＴｉ／Ａｌ電極が形成されている。
（実施形態３）
本発明にかかる発光デバイスの製造方法の一実施形態は、図５を参照して、実施形態１のＩＩＩ族窒化物結晶基板１００を準備する工程と、そのＩＩＩ族窒化物結晶基板１００上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０を形成する工程とを含む。本実施形態の発光デバイスの製造方法によれば、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下で総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板１００上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０を形成することにより、発光強度の高い発光デバイスが得られる。
本実施形態の発光デバイスの製造方法は、実施形態１のＩＩＩ族窒化物結晶基板１００を準備する工程を備える。総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下で総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板を準備する工程には、特に制限はないが、かかる基板の製造を効率よく行う観点から、実施形態１に記載の方法により行うことがこのましい。
また、本実施形態の発光デバイスの製造方法は、上記のＩＩＩ族窒化物結晶基板１００上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０を形成する工程を備える。ＩＩＩ族窒化物層の形成方法には、特に制限はないが、転位密度の低いエピタキシャル層を成長させる観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などが好ましく用いられる。生産性および信頼性が高い観点から、ＭＯＣＶＤ法がより好ましく用いられる。
ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０を形成する工程は、たとえば、ＭＯＣＶＤ法により、ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００である直径５０．８ｍｍ（２ｉｎ）×厚さ５００μｍのＧａＮ基板の一主面上に、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１３１、６対のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層およびＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層により構成されている多重量子井戸構造を有する厚さ１００ｎｍの発光層１３２、Ｍｇがドープされた厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層１３３およびＭｇがドープされた厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１３４を順に成長させる。
さらに、ｐ型ＧａＮ層１３４上の一部には、真空蒸着法により、ｐ側電極１４１である厚さ０．５μｍのＮｉ／Ａｕ電極を形成する。また、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００）の他方の主面上には、真空蒸着法により、ｎ側電極１４２である厚さ１μｍのＴｉ／Ａｌ電極を形成する。
次に、ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０が形成されたウエハを、所定の大きさにチップ分割することにより、所定の大きさの発光デバイスが得られる。
（実施例１）
１．ＩＩＩ族窒化物結晶基板の準備
（０００１）面に対して５°の傾き角を有する主面を有する総転位密度が１×１０7ｃｍ-2で総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．１の直径５０．８ｍｍ（２ｉｎ）×厚さ５００μｍのＧａＮ下地基板を用いて、実施形態１に記載の溶液法（液相法）およびＨＶＰＥ法（気相法）を組み合わせることにより、総転位密度が５×１０ｃｍ-2〜５×１０6ｃｍ-2の範囲で総転位密度に対して螺旋転位密度の比を有する複数のＧａＮ結晶を成長させ、これらのＧａＮ結晶からそれぞれ直径５０．８ｍｍ（２ｉｎ）×厚さ５００μｍのＧａＮ基板を作製した。ここで、溶液法におけるＧａＮ結晶の成長条件は、Ｇａ融液の温度を１０００℃、Ｎ2ガスの圧力を１０ＭＰａとした。また、ＨＶＰＥ法におけるＧａＮ結晶の成長条件は、Ｇａ塩化物ガスの分圧を１０ｋＰａ、ＮＨ3ガスの分圧を１００ｋＰａ、結晶成長温度を１１００℃とした。
得られた複数のＧａＮ基板を、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５未満の複数のＧａＮ基板からなる群（以下、Ｒ群という）、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上０．７以下の複数のＧａＮ基板からなる群（以下、Ａ群という）および総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．９以上の複数のＧａＮ基板からなる群（以下、Ｂ群という）の３つの群に分類した。
２．発光デバイスの形成
次に、ＭＯＣＶＤ法により、各群の複数の直径５０．８ｍｍ（２ｉｎ）×厚さ５００μｍのＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００）の一方の主面上に、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０として、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１３１（キャリア濃度：２×１０18ｃｍ-3）、６対のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層およびＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層により構成される多重量子井戸構造を有する厚さ１００ｎｍの発光層１３２、Ｍｇがドープされた厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層１３３（キャリア濃度：３×１０17ｃｍ-3）およびＭｇがドープされた厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１３４（キャリア濃度：１×１０18ｃｍ-3）を順に成長させた。
次に、真空蒸着法により、ｐ型ＧａＮ層１３４上の互いに直交する２方向に１ｍｍのピッチで、ｐ側電極１４１として０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×厚さ０．５μｍのＮｉ／Ａｕ電極を形成した。また、真空蒸着法により、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物結晶基板１００）の他方の主面上には、ｎ側電極１４２として厚さ１μｍのＴｉ／Ａｌ電極を形成した。
次に、各ｐ側電極が各チップの中心部に位置するように、ＧａＮ基板上に上記の少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層１３０が形成されたウエハを、１ｍｍ×１ｍｍの複数のチップ、すなわち発光デバイスに分割した。こうして得られた発光デバイスは、発光ピーク波長が４０５ｎｍの青紫色ＬＥＤ（発光ダイオード）であった。
各群のＧａＮ基板を用いて作製された対応する各群の発光デバイスについて、発光波長が３８５ｎｍから４２５ｎｍまでの範囲で積分した発光強度を測定した。複数の発光デバイスの総転位密度と発光強度との測定値を表１に示し、複数の発光デバイスの総転位密度と発光強度との関係を図６に示す。ここで、表１における「−」は、未測定であることを示す。また、図６において、線ＲはＲ群のＩＩＩ族窒化物結晶基板に少なくとも１層の窒化物半導体層が形成された発光デバイス（Ｒ群の発光デバイスという）についての総転位密度と発光強度との関係を示し、線ＡはＡ群のＩＩＩ族窒化物結晶基板に少なくとも１層の窒化物半導体層が形成された発光デバイス（Ａ群の発光デバイスという）についての総転位密度と発光強度との関係を示し、線ＢはＢ群のＩＩＩ族窒化物結晶基板に少なくとも１層の窒化物半導体層が形成された発光デバイス（Ｂ群の発光デバイスという）についての総転位密度と発光強度との関係を示す。
Figure 0004525743
表１および図１から明らかなように、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下の範囲において、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に複数のＩＩＩ族窒化物層が積層されている発光デバイス（Ａ群の発光デバイス）は、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５未満であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に複数のＩＩＩ族窒化物層が積層されている発光デバイス（Ｒ群のデバイス）に比べて、より高い発光強度を有する。
また、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下の範囲において、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．９以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に複数のＩＩＩ族窒化物層が積層されている発光デバイス（Ｂ群のデバイス）は、総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．５以上であるＩＩＩ族窒化物結晶基板上に複数のＩＩＩ族窒化物層が積層されている発光デバイス（Ａ群のデバイス）に比べて、さらに高い発光強度を有する。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
主面にエッチピットが形成されたＩＩＩ族窒化物結晶基板を示す概略平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。 ＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法の一例を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は下地基板を準備する工程を示し、（ｂ）は液相法によりＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程を示し、（ｃ）は気相法によりＩＩＩ族窒化物結晶をさらに成長させる工程を示す。 ＩＩＩ族窒化物結晶基板の製造方法の他の例を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は液相法により成長させたＩＩＩ族窒化物結晶に主面を形成する工程を示し、（ｂ）は液相法によりＩＩＩ族窒化物結晶をさらに成長させる工程を示し、（ｃ）は気相法によりＩＩＩ族窒化物結晶をさらに成長させる工程を示す。 発光デバイスの一例を示す概略断面図である。 発光デバイスにおいて、ＩＩＩ族窒化物結晶基板の総転位密度および総転位密度に対する螺旋転位密度の比と、発光強度との関係を示すグラフである。
符号の説明
１０ 下地基板、１０ａ ＩＩＩ族窒化物結晶層、１０ｃ，２０ｃ，３０ｃ {０００１}面、１０ｈ，２０ｈ 傾き方向、１０ｍ，２０ｍ，２０ｎ，３０ｎ 主面、２０，３０，４０，５０ ＩＩＩ族窒化物結晶、２０ｓ，３０ｓ，４０ｓ，５０ｓ 表面、２０ｄｅ，２０ｄｓ，３０ｄｅ，３０ｄｓ 転位の伝搬線、４０ｐ，５０ｐ，１００ ＩＩＩ族窒化物結晶基板、４０ｑ，４０ｒ，５０ｑ，５０ｒ 面、１１０ 転位、１１１ 螺旋転位、１１２ 刃状転位、１１０ｐ，１１１ｐ，１１２ｐ エッチピット、１３０ ＩＩＩ族窒化物層、１３１ ｎ型ＧａＮ層、１３２ 発光層、１３３ ｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層、１３４ ｐ型ＧａＮ層、１４１ ｐ側電極、１４２ ｎ側電極、Ｄ1，Ｄ2 径、θ１，θ２ 傾き角、φE，φS 転位伝搬角。

Claims (3)

  1. 面積が１０ｃｍ2以上の主面を有し、前記主面の外周からの距離が５ｍｍ以下の外周領域を除く主領域において、総転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上３×１０6ｃｍ-2以下であり、前記総転位密度に対する螺旋転位密度の比が０．９以上である発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板。
  2. 請求項１の発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板と、前記発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層と、を含む発光デバイス。
  3. 請求項１の発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板を準備する工程と、前記発光デバイス用ＩＩＩ族窒化物結晶基板上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物層を形成する工程と、を含む発光デバイスの製造方法。
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