WO2016143653A1 - Ｉｉｉ族窒化物積層体、及び該積層体を有する発光素子 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物積層体、及び該積層体を有する発光素子 Download PDF

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大士 古家
俊之 小幡
亨 木下
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Definitions

  • the present invention relates to a novel group III nitride laminate applicable to an ultraviolet light emitting device and the like, and a novel ultraviolet light emitting device having the laminate.
  • a group III nitride semiconductor represented by Al a Ga 1-a N (0 ⁇ a ⁇ 1) is obtained by adjusting (changing) the composition of group III elements (aluminum (Al), gallium (Ga)).
  • the emission peak wavelength can be arbitrarily selected within the range of 210 to 365 nm, and since it has a direct transition type band structure in the energy range corresponding to the above wavelength range, the group III nitride semiconductor is optimal for forming an ultraviolet light emitting device. Material.
  • an ultraviolet light-emitting device made of a group III nitride semiconductor is obtained by crystallizing an Al a Ga 1-a N layer on a single crystal substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). Manufactured by growing.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the single crystal substrate it is desirable to use a material having good lattice constant consistency and thermal expansion coefficient consistency with the Al a Ga 1-a N layer.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 an ultraviolet light-emitting element having an emission wavelength of 300 nm or less is obtained by growing an AlGaN layer using sapphire as a substrate.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 report that light emission efficiency and device lifetime are improved by reducing the dislocation density of the Al a Ga 1-a N layer.
  • an Al a Ga 1-a N layer containing Al (0 ⁇ a ⁇ 1) is grown, it is preferable to use an aluminum nitride (AlN) single crystal substrate to obtain Al a Ga 1-a containing Al.
  • AlN aluminum nitride
  • This is an effective means for reducing the defect density in the N layer and producing a highly efficient ultraviolet light emitting device.
  • a dislocation in an Al a Ga 1-a N layer is produced by fabricating an ultraviolet light emitting diode including a laminated structure having an Al a Ga 1-a N layer lattice-matched on an AlN single crystal substrate.
  • An ultraviolet light-emitting diode that can reduce the density and has an emission peak wavelength of 250 nm is disclosed.
  • Patent Document 2 on a similar structure (on a lattice-matched Al a Ga 1-a N layer), a state (lattice relaxation rate is 100%) that is substantially lattice relaxed, that is, equal to the lattice constant in an unstrained state.
  • An ultraviolet light emitting element provided with a cap layer in a state of%) is disclosed.
  • the cap layer can be easily doped by lattice relaxation, the thickness of the cap layer can be increased, and the underlying layer is not affected by the strain generated in the cap layer.
  • effects such as an increase in the thickness of the Al a Ga 1-a N layer as the underlayer can be expected.
  • the Al a Ga 1-a N layer serving as the cap layer has a large lattice constant difference between the Al a Ga 1-a N layer lattice-matched with the AlN single crystal substrate, the Al a Ga 1-a N layer It is described above that the growth is performed in the Stranski-Krastanov (SK) mode or the Volmer-Weber (VW) mode. It is known that GaN grows three-dimensionally so as to form an island at the initial growth stage due to this growth.
  • SK Stranski-Krastanov
  • VW Volmer-Weber
  • Non-Patent Document 3 discloses that when the GaN layer grown on the AlN layer formed on the sapphire substrate has a lattice relaxation of almost 100% (the lattice relaxation rate of the GaN layer is almost 100%). In the case), it is reported that an island-like crystal having a height of about 500 nm corresponding to about twice the design value is formed. It has been reported that by using a nitrogen carrier gas during the growth of the GaN layer, the smoothness of the GaN layer is improved and the lattice relaxation rate of the GaN layer is 75%. In addition, Patent Document 3 describes that, as an example of using nitrogen gas when growing a GaN layer, the ratio of nitrogen carrier gas is 0.5 or more. The case where the ratio is nitrogen gas 0.9 and hydrogen gas 0.1 is shown.
  • Non-Patent Document 3 even when nitrogen (carrier) gas is used to improve smoothness, the lattice relaxation rate of the GaN layer is 75% as described above. In this case, since the lattice relaxation rate of the GaN layer is still high, the dislocation density in the GaN layer cannot be sufficiently reduced, causing the light emitting efficiency and reliability of the ultraviolet light emitting element to be lowered, and there is room for improvement. . Further, according to the study by the present inventors, even when nitrogen (carrier) gas is used as in Patent Document 3, the dislocation density in the GaN layer is 5 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 or more.
  • the main factor affecting the internal quantum efficiency of the ultraviolet light emitting element is the dislocation density in the active layer, and it is considered that the dislocation density in the GaN layer does not directly affect the light emission efficiency.
  • dislocations in the GaN layer may become a current leakage path or a diffusion path of impurities such as electrode metal, it is desirable that the GaN layer has a lower dislocation density from the viewpoint of improving reliability. It is.
  • an object of the present invention is to provide a group III nitride laminate including a laminated structure in which a GaN layer is laminated on an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) lattice-matched with an AlN single crystal substrate.
  • Another object of the present invention is to provide a group III nitride laminate having a GaN layer having high crystal quality (good crystallinity and low dislocation density) and good smoothness.
  • the present inventors have intensively studied to solve the above problems. Specifically, as a result of examining the crystal quality of the underlying Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1), the layer configuration / composition on the AlN single crystal substrate, and the growth conditions of the GaN layer, By producing a group III nitride laminate according to specific conditions, composition, layer structure, etc., the crystal quality is good, that is, the dislocation density is less than 5 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 , or X-ray omega locking It has been found that a laminate having a GaN layer with a half-width of the curve of 300 seconds or less can be obtained, and the present invention has been completed.
  • the AlN single crystal substrate comprises a laminated structure having Al X Ga 1-X N layer that the AlN single crystal substrate lattice-matched with (0 ⁇ X ⁇ 1), the Al X A GaN layer having a thickness of 5 to 400 nm is laminated on a Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1), The dislocation density of the GaN layer is less than 5 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 , or the half width of the X-ray omega rocking curve of the (002) plane and the (102) plane of the GaN layer is 50 to 300 seconds.
  • the present invention relates to a group III nitride laminate.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is composed of a plurality of layers
  • the layer on which the GaN layer is directly stacked is an Al Z Ga 1-Z N layer (0 ⁇ Z ⁇ 1)
  • the stacked structure includes the AlN single crystal substrate and the Al Z Ga 1-Z N layer ( It is preferable to have an Al Y Ga 1-Y N layer (0.7 ⁇ Y ⁇ 1) formed at a relatively high V / III ratio between 0 ⁇ Z ⁇ 1).
  • the lattice relaxation rate of the GaN layer is preferably less than 75%.
  • the GaN layer preferably contains Mg (magnesium), and the GaN layer and the GaN layer
  • the Mg concentration profile preferably has a peak at the interface with the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) on which the GaN layer is directly stacked.
  • the AlN single crystal substrate preferably has an absorption coefficient of 25 cm ⁇ 1 or less at a wavelength of 210 nm or more.
  • the second aspect of the present invention relates to an ultraviolet light-emitting device having a group III nitride laminate of the first aspect of the present invention and having an emission peak wavelength of 210 to 350 nm.
  • the present invention it is possible to apply a group III nitride laminate including a high crystal quality GaN layer to a semiconductor device such as a light emitting device.
  • a semiconductor device such as a light emitting device.
  • an ultraviolet light emitting device having an emission peak wavelength of 350 nm or less is produced from the group III nitride laminate of the present invention, it is possible to obtain an element having high luminous efficiency and reliability.
  • a group III nitride laminated body 10 of the present invention includes an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) lattice-matched to an AlN single crystal substrate 1 on an AlN single crystal substrate 1. ), And a group III nitride laminate in which a GaN layer 7 is laminated on the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1).
  • the drawing shows an embodiment in which a plurality of Al X Ga 1-X N layers (2 to 6) are shown, the number of Al X Ga 1-X N layers is not limited, and it is sufficient to have at least one layer. .
  • the laminated structure will be described in order.
  • the AlN single crystal substrate 1 serving as a base substrate is not particularly limited, but a substrate having a low dislocation density is preferably used.
  • the dislocation density of the AlN single crystal substrate 1 is preferably 10 6 cm ⁇ 2 or less, more preferably 10 4 cm ⁇ 2 or less.
  • the lower limit of the dislocation density is 0 cm ⁇ 2 .
  • the dislocation density is a value measured by a transmission electron microscope (TEM) together with the dislocation density of other layers unless otherwise specified.
  • the crystal growth surface of the AlN single crystal substrate 1, that is, the crystal surface on which the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) and the GaN layer are grown is the surface of the present invention.
  • the c-plane is preferable from the viewpoint of improving the smoothness of the Al X Ga 1-X N layer.
  • the crystal growth surface may be a surface slightly inclined (off) from the c-plane, in which case the off-angle is preferably 0.1 to 0.5 °, and further inclined in the m-axis direction. It is preferable.
  • the crystal growth surface of the AlN single crystal substrate 1 is preferably smooth. By being smooth, it is possible to reduce new dislocations generated at the interface with a single crystal layer stacked on an AlN single crystal substrate, for example, an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). it can.
  • the root mean square roughness (RMS) in the 5 ⁇ 5 ⁇ m 2 region is preferably 5 nm or less, more preferably 1 nm or less, and further preferably 0.5 nm or less.
  • CMP polishing Chemical Mechanical Polish
  • polishing damage can be evaluated by measuring the pit density newly formed on the surface after etching by a known alkali or acid etching treatment. Since pits are formed at dislocations and damage remaining portions in the AlN single crystal substrate, the density is preferably small, and preferably 5 pieces / mm 2 or less on the crystal growth surface of the AlN single crystal substrate, The number is preferably 2 / mm 2 or less. Further, as a matter of course, it is necessary to suppress polishing scratches as much as possible, and the number of polishing scratches is preferably 0 / substrate.
  • the AlN single crystal substrate 1 is preferably highly transmissive to the light emitted from the light emitting element that is finally formed. Therefore, it is preferable that the absorption coefficient in the ultraviolet region, specifically 210 nm or more, is 25 cm ⁇ 1 or less.
  • the lower limit of the absorption coefficient is preferably as low as possible.
  • the absorption coefficient at a wavelength of 210 nm or more is 15 cm ⁇ 1 .
  • the thickness and size of the AlN single crystal substrate 1 used in the present invention are not particularly limited. If the thickness of the AlN single crystal substrate is thin, the absorption coefficient can be lowered. However, if the thickness is too thin, it is difficult to handle and the yield of the light-emitting elements may be reduced. Therefore, it is usually preferable that the thickness is 50 to 1000 ⁇ m. Further, AlN size of the single crystal substrate, Al X Ga 1-X N layer when (0 ⁇ X ⁇ 1) is grown thereon, large if large enough finally obtained light-emitting element (chip) However, considering the industrial production of light emitting elements, those having a diameter of ⁇ 0.5 to ⁇ 6 inches ( ⁇ 1.27 to 15.24 cm) are preferable.
  • the size of the AlN single crystal substrate portion in the chip is small and can be determined according to the use of the light emitting element (chip). Good.
  • the size (the area of the widest surface) of the AlN single crystal substrate portion is an area of 0.01 to 10 mm 2 .
  • the AlN single crystal substrate 1 as described above can be produced by, for example, the sublimation method or hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method described in Non-Patent Documents 4 and 5. Especially, when applying the group III nitride laminated body of this invention to a light emitting element, since the one where the transmittance
  • HVPE hydride vapor phase epitaxy
  • Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) Lattice-matched layer
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is laminated on an AlN single crystal substrate.
  • the Al X Ga 1- XN layer (0 ⁇ X ⁇ 1) formed on the AlN single crystal substrate is in a lattice-matched state with the AlN single crystal substrate.
  • the lattice-matched state means the main surface of the AlN single crystal substrate and the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) (surface with the largest area: crystal growth surface of the AlN single crystal substrate).
  • the lattice constant in the parallel direction with respect to the AlN single crystal substrate and the Al X Ga 1-X N layer is substantially equal.
  • the lattice-matched Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) indicates that the lattice relaxation rate is 5% or less.
  • the lower limit value of the lattice relaxation rate is 0%, and in this case, the lattice constant of the Al X Ga 1-X N layer and the AlN substrate coincide with each other.
  • the lattice relaxation rate can be calculated by measuring the a-axis and c-axis lattice constants of the Al X Ga 1-X N layer by X-ray reciprocal lattice mapping measurement.
  • Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) may be a single layer, when using the light emitting element, Al composition (X) and the thickness of different Formed from layers. Even in the case of a plurality of layers, it is possible to confirm whether all the layers are lattice-matched with the AlN single crystal substrate by performing X-ray reciprocal lattice mapping measurement.
  • the value of X is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the intended use. The same applies when the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is composed of a plurality of layers. However, it is preferable that X be in the range of 0.4 to 1 though it is easy to lattice match with the AlN single crystal substrate in consideration of the thickness of the layer.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is a single crystal layer and lattice-matched with the AlN single crystal substrate. That is, since the lattice relaxation of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) accompanied by the occurrence of dislocation does not occur, the dislocation density in the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) Is the same as the dislocation density on the surface of the AlN single crystal substrate. Therefore, the dislocation density of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is preferably 10 6 cm ⁇ 2 or less, more preferably 10 4 cm ⁇ 2 or less, as with the AlN single crystal substrate. It is. Even when the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is composed of a plurality of layers, since these layers are all lattice-matched, the dislocation density does not change in each layer.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) can also contain an n-type or p-type dopant for the purpose of controlling conductivity.
  • a known element can be used without limitation for the n-type or p-type dopant, but it is preferable to use Si as the n-type dopant and Mg as the p-type dopant.
  • the dopant concentration is not particularly limited and may be appropriately determined according to the purpose.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) includes a plurality of n-type Al X Ga 1-X N layers (0 ⁇ X ⁇ 1) and a plurality of p-type Al X Ga 1- X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1), and the plurality of layers may be stacked structure. Even in this case, in the present invention, all of the n-type and p-type Al X Ga 1-X N layers (0 ⁇ X ⁇ 1) are lattice-matched with the AlN single crystal substrate.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) preferably has a smaller amount of carbon impurities. For example, if a large amount of carbon is mixed into an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1), the conductivity and permeability may be deteriorated. Therefore, the Al X Ga 1-X N layer ( The carbon concentration in 0 ⁇ X ⁇ 1) is preferably 10 17 cm ⁇ 3 or less, more preferably 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less. In the case where the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is a plurality of layers, the carbon concentration is preferably 10 17 cm ⁇ 3 or less in all the layers.
  • the thickness of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is not particularly limited as long as it is within a range in which lattice matching with the AlN single crystal substrate can be achieved, depending on the purpose of use. May be determined as appropriate. In particular, when the group III nitride laminate of the present invention is used in a light emitting device, the range of 0.3 to 3 ⁇ m is preferable. Note that this thickness is the total thickness of each layer when the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is a plurality of layers. In the case of a plurality of layers, the thickness of each layer may be determined according to the purpose of use, and the thickness may be the same or different.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is preferably smooth. What is smooth in this case is the outermost surface of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) on which the GaN layer is directly laminated. Therefore, when the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is a plurality of layers, it is preferable that the surface of the uppermost layer on which the GaN layer is laminated is smooth. Since the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is smooth, the dislocation density in the GaN layer described later can be lowered. Specifically, the root mean square roughness (RMS) in the 5 ⁇ 5 ⁇ m 2 region is preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and even more preferably 1 nm or less.
  • RMS root mean square roughness
  • Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) the outermost surface (Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is the case of multiple layers, GaN layers are laminated
  • a hillock having a size of several ⁇ m may be formed on the surface of the uppermost layer.
  • Such a hillock becomes a factor that increases the surface roughness of the GaN layer formed on the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). That is, when hillocks are formed on the outermost surface of the Al X Ga 1- XN layer (0 ⁇ X ⁇ 1), hillocks are easily formed at the same location in the GaN layer, and the surface roughness of the GaN layer is increased.
  • the hillock density on the outermost surface of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is preferably 10 pieces / mm 2 or less, more preferably 5 pieces / mm 2. More preferably, the number is not more than pieces / mm 2 .
  • These hillocks can be controlled by the growth method of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). In the present invention, the hillock density can be measured by surface observation using a Nomarski microscope.
  • Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) growth method Such Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is, MOCVD method, by a known crystal growth method using the vapor phase growth method such as MBE method, can be produced in AlN single crystal substrate. Of these, the MOCVD method, which has high productivity and is widely used industrially, is preferable.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) by the MOCVD method can be manufactured with reference to the conditions described in WO2012 / 056928, for example.
  • the group III source gas, the group V source gas, and the dopant source gas used in the MOCVD method known materials that can be used for forming the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) can be used without particular limitation.
  • a gas such as trimethylaluminum, triethylaluminum, trimethylgallium, or triethylgallium as the group III source gas.
  • a gas such as trimethylaluminum, triethylaluminum, trimethylgallium, or triethylgallium as the group III source gas.
  • ammonia it is preferable to use ammonia as the group V source gas.
  • the dopant source gas may be supplied simultaneously with the group III source gas and the group V source gas.
  • the group III source gas it is preferable to use a silane-based gas such as monosilane or tetraethylsilane as the dopant source gas.
  • a p-type layer it is preferable to use Mg source gas of biscyclopentadienyl magnesium.
  • the above source gas is supplied to a reaction furnace together with a carrier gas such as hydrogen and / or nitrogen to grow an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) on the AlN single crystal substrate.
  • a carrier gas such as hydrogen and / or nitrogen
  • the preferable range of the molar ratio (V / III ratio) between the group V source gas and the group III source gas is not particularly limited, but is preferably set within the range of 500 to 10,000. What is necessary is just to determine V / III ratio suitably within said setting range.
  • the group V source gas does not contain nitrogen gas.
  • the growth temperature and growth pressure of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) are not particularly limited, but are in the range of 1000 to 1300 ° C. and 30 to 1000 mbar, more preferably 1050 to It is preferably in the range of 1200 ° C. and 30 to 500 mbar.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is a plurality of layers, the ratio of the supplied group III source gas, for example, the supply ratio of trimethylaluminum and trimethylgallium is changed.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) can be a plurality of layers (a plurality of layers having different values of Al composition (X)).
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) stacked on the AlN single crystal layer has been described above. However, as described above, in the case of manufacturing a light emitting element, Al X Ga 1-X.
  • the N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is formed from a plurality of layers. Next, a preferred example will be described.
  • Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is composed of a plurality of layers
  • an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 0) is laminated on an AlN single crystal substrate and a GaN layer is laminated thereon.
  • 1) is preferably a plurality of layers. That is, in a stacked structure having an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) lattice-matched with the AlN single crystal substrate on the AlN single crystal substrate, the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is preferably composed of a plurality of layers.
  • all of the plurality of layers must be lattice-matched with the AlN single crystal substrate. Then, the AlN single crystal substrate and the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) and the lattice matching, in order to laminate the good crystallinity GaN layer thereon, the AlN single crystal substrate relatively early Al X Ga 1-X N layer stacked at the stage of composition (0 ⁇ X ⁇ 1), and a manufacturing method of the layer is important.
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) comprises a plurality of layers, among the plurality of layers, the layer GaN layer is directly laminated Al Z Ga 1-Z
  • the stacked structure has an Al Y Ga 1-Y between the AlN single crystal substrate and the Al z Ga 1-z N layer (0 ⁇ Z ⁇ 1). It is preferable to have an N layer (0.7 ⁇ Y ⁇ 1).
  • this Al Y Ga 1-Y N layer (0.7 ⁇ Y ⁇ 1) is preferably laminated directly on the AlN single crystal substrate.
  • a plurality of Al X Ga 1-X N layers (0 ⁇ X ⁇ 1) are preferably stacked in the order of an n-type layer, an active layer, and a p-type layer.
  • a single crystal buffer layer can be formed between the AlN single crystal substrate and the n-type layer.
  • an electron block layer having a high Al composition ratio can be formed between the active layer and the p-type layer. This electron blocking layer may be a p-type layer.
  • n-type layer, the active layer, and the p-type layer described above may be a single layer, but each may be a plurality of layers, for example, layers having different Al compositions or layers having different dopant concentrations. There may be.
  • the n-type layer 3, the active layer 4, the p-type layer 6, and the single crystal buffer layer 2 and the electron blocking layer 5 that are laminated as necessary are all made of Al. It satisfies the composition of X Ga 1-X N (0 ⁇ X ⁇ 1) and is lattice-matched with the AlN single crystal substrate 1. Each of these layers will be described.
  • the single crystal buffer layer 2 is directly laminated on the AlN single crystal substrate 1.
  • the single crystal buffer layer 2 is not essential, but by providing the single crystal buffer layer 2, the GaN layer 7 is directly laminated.
  • the smoothness of the Al X Ga 1-X N layer 6 (0 ⁇ X ⁇ 1) can be improved, and the hillock density can be reduced. Therefore, the single crystal buffer layer 2 is preferably a layer having a high Al composition.
  • the single crystal buffer layer 2 is preferably the Al Y Ga 1-Y N layer (0.7 ⁇ Y ⁇ 1).
  • the thickness is preferably 0.01 to 1 ⁇ m.
  • the single crystal buffer layer 2 has a V / III ratio of 4000 to 10,000, more preferably by MOCVD in the method described in the growth method of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). It is preferable to grow as 4500-8000. As other growth conditions, the range described in the growth method of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) may be adopted. By providing an Al Y Ga 1-Y N layer (0.7 ⁇ Y ⁇ 1) grown under such conditions as a single crystal buffer layer, an AlN single crystal substrate and an Al X Ga 1-X N layer (0 Generation of crystal defects near the interface with ⁇ X ⁇ 1) is effectively suppressed.
  • the smoothness of the Al Z Ga 1-Z N layer (0 ⁇ Z ⁇ 1) on which the GaN layer is laminated tends to be improved and the hillock density tends to be further reduced.
  • a GaN layer with better crystallinity can be formed.
  • the n-type layer 3 is not particularly limited as long as it is an Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) lattice-matched with the AlN single crystal substrate 1, and is combined with a target light emitting element.
  • the composition may be determined.
  • the group III nitride laminated body 10 of the present invention is used for an ultraviolet light emitting element having an emission peak wavelength at 210 nm to 350 nm
  • the n-type layer 3 is made of Al X Ga 1 transparent to the emission peak wavelength. It is necessary to select an Al composition ratio so as to be a -XN layer.
  • a silane-based dopant material may be supplied when growing by MOCVD.
  • the concentration of Si to be doped is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 ⁇ 10 18 to 3 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 in order to obtain high n-type conductivity.
  • the n-type layer 3 may be provided directly on the AlN single crystal substrate 1 without providing the single crystal buffer layer 2.
  • the n-type layer is preferably the Al Y Ga 1-Y N layer (0.7 ⁇ Y ⁇ 1).
  • the thickness of the n-type layer 3 is not particularly limited, but is 500 nm to 1500 nm.
  • the active layer 4 is stacked on the n-type layer 3.
  • the composition of the well layer and the barrier layer may be appropriately determined according to the intended use. In particular, in the Al X Ga 1-X N layer, X is preferably adjusted in the range of 0.1 to 0.8, and is adjusted in the range of 0.4 to 0.8 from the viewpoint of lattice matching. Is more preferable. Further, the thicknesses of the well layer and the barrier layer are not particularly limited, and usually the thickness of one well layer is 2 to 10 nm, and the thickness of one barrier layer is 5 to 25 nm.
  • Such an active layer 4 is grown so as to have a desired composition and layer configuration by adopting the conditions of the method described in the growth method of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). That's fine.
  • Such an electron blocking layer 5 may be grown so as to have a desired composition by adopting the conditions of the method described in the growth method of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). .
  • the Mg source gas may be supplied for growth.
  • the Mg concentration is not particularly limited, but the Mg concentration is preferably 3 ⁇ 10 19 to 2 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , more preferably 5 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 . is there.
  • the p-type layer 6 is formed on the electron block layer 5.
  • the p-type layer 6 can also be formed from a plurality of layers. In this case, when there is a layer having an Al composition higher than that of the other layers, the p-type layer 6 plays the same role as the electron blocking layer. It can also be laminated. What is necessary is just to determine the composition of a p-type layer suitably according to the intended use. In particular, when a light-emitting element having an emission peak wavelength shorter than 280 nm is to be manufactured, X is preferably adjusted in the range of 0.7 to 1.0 in the Al X Ga 1-X N layer.
  • the thickness of the p-type layer is not particularly limited, and is usually about 5 to 100 nm.
  • the composition thereof is Al Z Ga 1-Z N (0 ⁇ Z ⁇ 1), which is suitable for the intended use. What is necessary is just to determine suitably according to.
  • the Al Z Ga 1-Z N layer (0 ⁇ Z ⁇ 1) has a root mean square roughness (RMS) of 10 nm or less in a 5 ⁇ 5 ⁇ m 2 region on the surface on which the GaN layer 7 is laminated. Preferably, it is 5 nm or less, more preferably 1 nm or less.
  • the hillock density is preferably 10 pieces / mm 2 or less, more preferably 5 pieces / mm 2 , and further preferably 1 piece / mm 2 or less.
  • Such Al Z Ga 1-Z N layer (0 ⁇ Z ⁇ 1) is grown by adopting the Al X Ga 1-X N layer conditions of the process described in (0 ⁇ X ⁇ 1) growth method can do. Among these, it is preferable to employ the same growth conditions as those of the single crystal buffer layer 2 and the n-type layer 3.
  • the p-type layer itself may be grown so as to have a desired composition and layer configuration by adopting the conditions of the method described in the growth method of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). .
  • the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is a plurality of layers have been described above, but the present invention is not limited to the above configuration.
  • the total thickness of the plurality of layers is preferably in the range of 0.3 to 3 ⁇ m.
  • the lattice relaxation rate, the dislocation density, and the carbon concentration are the same as those described in the item of the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). Is desirable.
  • the GaN layer 7 is a single crystal layer, and is formed on an Al X Ga 1-X N layer (in the case of a plurality of layers, an Al Z Ga 1-Z N layer) that is lattice-matched to the AlN single crystal substrate 1. Is done. Therefore, the GaN layer 7 is subjected to compressive strain due to the difference in lattice constant from the Al X Ga 1-X N layer, and the amount of compressive strain accumulated in the GaN layer increases as the film thickness increases. As the amount of compressive strain increases, dislocations are newly formed in the GaN layer and strain is relaxed. As a result, the dislocation density in the GaN layer increases and the full width at half maximum of the X-ray omega rocking curve also increases. Therefore, the GaN layer thickness must be 5 to 400 nm.
  • the GaN layer 7 absorbs light having a wavelength shorter than 365 nm, when the group III nitride laminate of the present invention is applied to an ultraviolet light emitting device, the light absorption amount in the GaN layer is reduced, and the luminous efficiency is increased.
  • the GaN layer is preferably thin.
  • the film thickness of the GaN layer is preferably 5 to 150 nm, and more preferably Is 5 to 100 nm, and most preferably 5 to 50 nm.
  • the film thickness of the GaN layer 7 is increased, the current density distribution in the GaN layer becomes more uniform, so that deterioration of the GaN layer and the electrode interface when the ultraviolet light emitting element is driven is suppressed. As a result, there is an advantage that the increase rate of the drive voltage can be reduced.
  • the film thickness of the GaN layer is preferably 150 to 400 nm, more preferably 250. ⁇ 400 nm.
  • the film thickness of the GaN layer is 400 nm or more, the above-described strain relaxation progresses, which may cause problems such as an increase in dislocation density or a decrease in surface smoothness.
  • the dislocation density of the GaN layer 7 is less than 5 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 .
  • the dislocation density in the GaN layer that can be a current leakage path is less than 1 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 in some embodiments. In another embodiment, it may be less than 5 ⁇ 10 9 cm ⁇ 2 .
  • the dislocation density of the GaN layer can be lowered by suppressing relaxation in the GaN layer, for example, by slowing the growth rate of the GaN layer. In this case, the dislocation density is the dislocation density on the outermost surface of the GaN layer.
  • the lower limit of the dislocation density is preferably 0, but considering the growth mechanism of the GaN layer, which will be described later, it is difficult to avoid the occurrence of dislocation accompanying strain relaxation at the initial stage of GaN layer growth. In technology, it is about 10 6 cm ⁇ 2 .
  • the half width of the X-ray omega rocking curve of the (002) plane and the (102) plane of the GaN layer 7 is 50 to 300 seconds.
  • the rocking curve measurement is diffraction obtained by fixing the detector at a position twice the angle at which a specific crystal plane satisfies the Bragg diffraction condition and changing the incident angle of X-rays.
  • the dislocation density in the crystal can be evaluated by the half-value width of the rocking curve. The smaller the half-value width, the lower the dislocation density in the GaN single crystal layer.
  • the crystal plane for measuring the rocking curve it is performed with respect to the (002), (100), and (102) planes in the group III nitride.
  • the half widths of the (002) and (100) planes represent values reflecting the magnitudes of the screw dislocation density and the edge dislocation density, respectively. Further, regarding the (102) plane, a value reflecting a state in which the above two types of dislocation defect densities are combined is shown. In the GaN layer of the present invention, since the dislocation density is lower than that in the prior art, the half-value width of the X-ray rocking curve can be reduced accordingly.
  • the (002) plane is preferably 50 to 200 seconds, Preferably, it is 50 to 150 seconds.
  • the (102) plane is preferably 50 to 260 seconds, and more preferably 50 to 230 seconds.
  • the dislocation density is less than 5 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 or the half width of the X-ray omega rocking curves of the (002) plane and the (102) plane is 50 to 300 seconds.
  • the dislocation density and the half width of the X-ray omega rocking curve are both within the above range.
  • the GaN layer 7 has a large lattice constant with the underlying Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1)
  • the GaN layer is grown in the SK or VW type three-dimensional growth mode. It is known to do.
  • dislocations are formed in the GaN layer with lattice relaxation during three-dimensional growth in the initial stage of GaN layer growth. Therefore, the dislocation density in the GaN layer depends on the dislocation generated in the early stage of GaN layer growth along with lattice relaxation in addition to the dislocation density of the underlying Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1). Is also affected.
  • the growth is performed while suppressing the relaxation rate of the GaN layer. It is preferable to do.
  • the lattice relaxation rate of the GaN layer is less than 75%, preferably 70% or less, and more preferably 65% or less.
  • the lower limit value of the relaxation rate is ideally 0%, but is considered to be about 30% in consideration of relaxation during three-dimensional growth.
  • the surface state of the GaN layer 7 is preferably smooth from the viewpoint of improving the reliability of the device, and the mean square roughness (RMS) in a region of 5 ⁇ 5 ⁇ m 2 is 10 nm or less, preferably 5 nm or less. Preferably it is 3 nm or less.
  • the GaN layer on the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) has hillocks made of island-like GaN crystals of several to several tens of ⁇ m in size. It is formed. Such a huge hillock also causes a decrease in reliability. Therefore, the hillock density on the surface of the GaN layer is 20 pieces / mm 2 or less, preferably 10 pieces / mm 2 , more preferably 5 pieces / mm 2 or less.
  • the GaN layer is preferably a p-type GaN layer doped with Mg.
  • Mg features of the p-type GaN layer doped with Mg will be described in detail.
  • the average Mg concentration in the p-type GaN layer is preferably 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 2 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • the Mg concentration is not particularly limited as long as it is within the range of the present invention, and may be a single concentration in the GaN layer or may be changed in the film thickness direction.
  • the average Mg concentration may be obtained by removing the Mg concentration near the interface and the Mg concentration near the surface, which will be described later, according to the thickness of the p-type GaN layer.
  • the average Mg concentration is preferably 1 ⁇ 10 19 to 2 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , more preferably 5 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 20 cm. -3 .
  • the profile of the Mg concentration has a peak in the vicinity of the interface between the p-type GaN layer and the Al x Ga 1- xN (Al z Ga 1-ZN ) layer in which the p-type GaN layer is directly stacked.
  • the GaN layer 7 is a p-type layer
  • a portion where the Mg concentration is high near the interface between the p-type GaN layer and the Al X Ga 1-X N (Al Z Ga 1-Z N) layer See FIG. 2).
  • the peak of the Mg concentration at the interface becomes the Mg concentration distribution having the above peak even when a certain amount of Mg raw material is flowed simultaneously with the start of growth of the GaN layer.
  • the present inventors have high crystallinity of the GaN layer (the dislocation density is less than 5 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 , the (002) plane and (102) The half width of the X-ray omega rocking curve of the surface is 50 to 300 seconds).
  • the GaN layer in the present invention is presumed to have a large amount of Mg uptake because a large strain is inherent in the interface. is doing.
  • the peak value of the Mg concentration at the interface varies depending on the Mg concentration in the GaN layer, but is generally about 1.5 to 3.0 times the average of the Mg concentration in the GaN layer.
  • the profile of Mg concentration in the GaN layer can be measured by a known technique such as secondary ion mass spectrometry (SIMS).
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • the GaN layer 7 can also be manufactured by a known crystal growth method using a vapor phase growth method such as an MOCVD method or an MBE method, but it is preferable to use the MOCVD method similarly to the Al X Ga 1-X N layer.
  • a vapor phase growth method such as an MOCVD method or an MBE method
  • known materials can be used without any particular limitation, but it is preferable to use trimethyl gallium or triethyl gallium as the group III source gas.
  • the same Si raw material gas and Mg raw material gas as in the Al X Ga 1-X N layer can be used.
  • the V / III ratio during the growth of the GaN layer is preferably set within the range of 2000 to 15000, more preferably 4000 to 12000, and most preferably 6000 to 10,000.
  • a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas as the carrier gas used when growing the GaN layer.
  • the smoothness tends to improve. This is presumably because the density of the three-dimensional initial growth nuclei of the GaN layer formed on the Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1) is increased by mixing nitrogen gas.
  • the nitrogen gas mixture ratio increases and the density of the three-dimensional growth nuclei becomes excessive, the dislocation density in the GaN layer tends to increase as a result of promoting lattice relaxation of the GaN layer.
  • the smoothness of the GaN layer tends to be improved by mixing nitrogen gas, but the surface smoothness may deteriorate as the dislocation density increases.
  • the mixing ratio of nitrogen gas also affects the conductivity of the GaN layer.
  • the mixing ratio of the nitrogen gas in the carrier gas exceeds 0.6, the conductivity in the p-type GaN layer decreases, and the contact resistance between the p-type GaN layer and the electrode formed on the p-type GaN layer Tend to increase. Therefore, the mixing ratio of nitrogen gas is preferably 0 or more and 0.6 or less, more preferably 0.1 or more and 0.5 or less.
  • both volume ratios are nitrogen gas 0.1-0.5
  • the hydrogen gas is preferably 0.5 or more and 0.9 or less
  • the nitrogen gas is 0.1 or more and less than 0.5
  • the hydrogen gas is more preferably more than 0.5 and 0.9 or less
  • the carrier gas consists of hydrogen gas and nitrogen gas
  • the total volume of hydrogen gas and nitrogen gas (total volume flow rate) is 1.
  • the volume ratio (volume flow rate ratio) is a value obtained from the volume flow rate value in the reference state (1 atm) of the carrier gas supplied into the reactor.
  • the growth temperature of the GaN layer is preferably 1000 to 1100 ° C., more preferably 1020 to 1080 ° C. In the growth of the GaN layer, in the above temperature range, it is a region where GaN growth and desorption (evaporation) occur at the same time. When the amount of group III source gas is constant, it grows by thermal desorption as the growth temperature increases. The speed is reduced. The rate of growth and desorption of the GaN layer can be controlled by growth parameters such as the growth temperature, the amount of group III source gas, and the amount of group V source gas. When the GaN layer of the present invention is manufactured, it is preferable to control the growth and desorption ratio within a suitable range in addition to the GaN layer growth rate.
  • the growth rate of the GaN layer is preferably 0.03 to 0.35 ⁇ m / h, more preferably 0.05 to 0.1 ⁇ m / h. Further, the growth rate may be set within a range of 0.1 to 0.8 times, more preferably 0.3 to 0.6 times the growth rate when not affected by desorption. preferable. Note that the growth rate when not affected by desorption can be estimated by a growth rate in a temperature range where the growth temperature is less than 1000 ° C. and the influence of desorption is negligible.
  • a p-type AlN layer and a p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer are sequentially stacked.
  • the film thicknesses of the p-type AlN layer and the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer are not particularly limited, but are about 5 to 20 nm and 5 to 100 nm, respectively.
  • the n-type Al 0.75 Ga 0.25 N layer, the multiple quantum well layer (active layer), the p-type AlN layer, and the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer are the same as the AlN single crystal substrate. This corresponds to the lattice-matched Al X Ga 1-X N layer (0 ⁇ X ⁇ 1).
  • a light-emitting diode wafer is produced from the group III nitride epitaxial wafer grown in this manner by using known photolithography, dry etching, and vacuum deposition. Thereafter, the light emitting diode wafer is diced by a known chip cutting technique to obtain a light emitting diode chip.
  • the size of the light emitting diode chip is not particularly limited, but is generally a square chip having a side of about 300 to 2000 ⁇ m. In the above description, the emission peak wavelength is 260 nm.
  • the Al composition (X) and film thickness of the Al X Ga 1-X N layer are appropriately set according to the desired wavelength. Just choose. Further, after the Al Y Ga 1-Y N layer (0.7 ⁇ Y ⁇ 1) single crystal layer (single crystal buffer layer) is grown on the AlN single crystal substrate by MOCVD, the above-mentioned group III nitride laminate Can also be manufactured.
  • the light emitting element includes not only a chip after dicing but also a wafer shape before dicing.
  • the manufactured light-emitting element chip is flip-chip mounted on a submount whose base material is a ceramic such as AlN or Al 2 O 3 or a crystal material such as Si or SiC.
  • a submount whose base material is a ceramic such as AlN or Al 2 O 3 or a crystal material such as Si or SiC.
  • 260 nm ultraviolet light generated in the multiple quantum well layer is extracted outside through the substrate. Then, if necessary, it is packaged in a ceramic package or a CAN package to complete an ultraviolet light emitting diode lamp.
  • the present invention will be specifically described using examples in which the present invention is applied to a light emitting diode having an emission peak wavelength of 260 nm, but the present invention is not limited to the following examples.
  • the light emission peak wavelength of the device is not limited to 260 nm, and can be appropriately selected within a range of 210 to 350 nm.
  • the emission peak wavelength can be controlled by appropriately selecting the composition and thickness of the active layer, the dopant concentration, and the like.
  • Example 1 (Preparation of AlN single crystal substrate 1)
  • the AlN single crystal substrate 1 was produced by the method described in Applied Physics Express 5 (2012) 122101. Specifically, first, a ⁇ 25 mm C-plane AlN seed substrate prepared by the PVT method was prepared. This AlN seed substrate has an off angle of 0.05 to 0.5 ° and a dislocation density of 10 4 cm ⁇ 2 or less.
  • X-ray rocking curves of the (002) and (101) planes were measured with a high-resolution X-ray diffractometer (X'Pert manufactured by Spectris, Inc., Panalical Division) under the conditions of an acceleration voltage of 45 kV and an acceleration current of 40 mA. However, the full width at half maximum of the X-ray rocking curve was 30 seconds or less.
  • HVPE AlN thick film an AlN thick film having a thickness of 300 ⁇ m is formed on the AlN seed substrate by HVPE, and then chemical mechanical (CMP) polishing of the AlN thick film growth surface is performed. went.
  • the half-value width of the X-ray rocking curve measurement of the HVPE AlN thick film after CMP polishing is 30 seconds or less equivalent to that of the AlN seed substrate, and the dislocation density of the HVPE AlN thick film is 10 4 as well as the AlN seed substrate. It was confirmed that the crystal quality of cm ⁇ 2 or less was maintained.
  • the off-angle of the HVPE AlN thick film after CMP polishing was controlled to be 0.2 to 0.5 °.
  • the linear transmittance in the range of 210 to 350 nm is 40% or more, and the absorption coefficient in the same wavelength range is 25 cm ⁇ 1 or less. It was confirmed that there was.
  • the AlN seed substrate portion is finally removed from the growth substrate when the ultraviolet light emitting device is manufactured. Therefore, the HVPE AlN thick film portion corresponds to the AlN single crystal substrate 1 in the present invention.
  • a light-emitting element having the structure shown in FIG. 1 was prepared (however, the electrode portion is not shown).
  • the growth substrate was placed on a susceptor in the MOCVD apparatus, and heated to 1200 ° C. while flowing a mixed gas of hydrogen and nitrogen with a total flow rate of 13 slm, to clean the crystal growth surface.
  • the substrate temperature is set to 1180 ° C.
  • the trimethylaluminum flow rate is set to 8.8 ⁇ mol / min
  • the ammonia flow rate is set to 1 slm
  • the raw material gas flow rate is adjusted so that the V / III ratio at this time is 5100
  • the total flow rate is 10 slm
  • An AlN homoepitaxial layer 2 (single crystal buffer layer 2) was formed with a thickness of 0.05 ⁇ m under a pressure of 40 mbar.
  • N-type layer 3 (N-type layer 3) Then, the substrate temperature was set to 1050 ° C., the trimethylaluminum flow rate was 35 ⁇ mol / min, the trimethylgallium flow rate was 18 ⁇ mol / min, the tetraethylsilane flow rate was 0.02 ⁇ mol / min, and the ammonia flow rate was 1.5 slm .
  • 7 Ga 0.3 N layer 3 (n-type layer 3) was formed at 1.0 ⁇ m. The 5 ⁇ 5 ⁇ m 2 RMS of the grown n-type Al 0.7 Ga 0.3 N layer was 2 nm, and the hillock density measured with a Nomarski microscope was 1 piece / mm 2 or less.
  • a barrier layer was formed with a thickness of 10 nm under the same conditions as the n-type Al 0.7 Ga 0.3 N layer except that the flow rate of tetraethylsilane was 0.002 ⁇ mol / min.
  • the Al 0.5 Ga 0.5 N well layer is formed under the same conditions as the n-type Al 0.7 Ga 0.3 N layer except that the trimethylgallium flow rate is 40 ⁇ mol / min and trimethylaluminum is 3 ⁇ mol / min.
  • the thickness was 4 nm.
  • the triple quantum well layer 4 (active layer 4) was formed by repeating the growth of the well layer and the barrier layer three times.
  • a p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer 6 (p-type layer 6: Al Z Ga 1-Z) was used under the same conditions as the p-type AlN layer except that the trimethylgallium flow rate was supplied at 8 ⁇ mol / min. N layer) was formed with a thickness of 30 nm.
  • a p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer was fabricated in the same procedure, and the surface of the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer was observed.
  • the hillock density was 1 piece / mm 2 .
  • the RMS in the range of 5 ⁇ 5 ⁇ m 2 was 2.1 nm.
  • the growth rate of the p-type GaN layer at this time was 0.075 ⁇ m / h, which was 0.46 times the growth rate of the GaN layer under the same conditions at 980 ° C.
  • the group III nitride laminate 10 produced in this manner was taken out from the MOCVD apparatus.
  • the RMS of the surface of the p-type GaN layer of the taken-out laminate was 2 nm, and the hillock density measured with a Nomarski microscope was 2 pieces / mm 2 .
  • the half widths of the rocking curves of the (002) plane and the (102) plane of the p-type GaN layer were 80 seconds and 240 seconds, respectively. Furthermore, the dislocation density on the surface of the p-type GaN layer determined by cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM) was 9 ⁇ 10 9 cm ⁇ 2 .
  • a profile of Mg concentration measured by SIMS is shown in FIG.
  • the average Mg concentration in the p-type GaN layer is about 1.9 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the Mg concentration near the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer is 5.0 ⁇ 10 19. cm ⁇ 3 .
  • the average Mg concentration is a value obtained by excluding the range of 10 nm from the surface and the range of 10 nm from the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer 6.
  • the AlN seed substrate portion was removed by mechanical polishing until the HVPE AlN thick film portion was exposed to complete a light emitting diode wafer (in this case, the HVPE AlN thick film portion corresponds to the AlN single crystal substrate 1). .) At this time, the thickness of the HVPE AlN thick film portion (AlN single crystal substrate 1) was 100 ⁇ m.
  • the produced light emitting diode wafer was cut into a plurality of 800 ⁇ 800 ⁇ m chips by dicing, and then flip chip bonded on a ceramic mount to complete the light emitting diode.
  • the emission peak wavelength of the produced light emitting diode was 260 nm, and the emission output at a driving current of 100 mA was 14 mW.
  • the number of failed chips such as a short circuit by 500 hours was zero.
  • the ratio of the output after 500 hours to the output before the durability test was 0.95 or more in all the 30 chips evaluated.
  • the voltage increase rate at the time of energizing 100 mA after 500 hours was 6.3%.
  • Example 2 A light emitting diode was produced in the same manner as in Example 1 except that the AlN homoepitaxial layer 2 (single crystal buffer layer) in Example 1 was changed to an Al 0.7 Ga 0.3 N layer (single crystal buffer layer). did.
  • the Al 0.7 Ga 0.3 N layer (single crystal buffer layer) has a substrate temperature of 1050 ° C., a trimethylaluminum flow rate of 4.4 ⁇ mol / min, a trimethylgallium flow rate of 8.9 ⁇ mol / min, and an ammonia flow rate of 1.5 slm.
  • the raw material gas flow rate was adjusted so that the V / III ratio at this time was 5050, and 0.05 ⁇ m was formed under the conditions of a total flow rate of 10 slm and a pressure of 50 mbar. The other conditions were the same as in Example 1 up to the p-type GaN layer.
  • the dislocation density on the surface of the p-type GaN layer determined by cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM) was 8.7 ⁇ 10 9 cm ⁇ 2 .
  • the Mg concentration profile in the p-type GaN layer measured by SIMS had a peak near the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer, as in FIG.
  • the Mg concentration in the p-type GaN layer is 2.0 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the Mg concentration near the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer is 5.0 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3.
  • the produced light emitting diode had a light emission peak wavelength of 260 nm, and a light emission output at a drive current of 100 mA was 13 mW.
  • the number of failed chips such as a short circuit by 500 hours was zero.
  • the ratio of the output after 500 hours to the output before the durability test was 0.95 or more in all the 30 chips evaluated.
  • the voltage increase rate at the time of energizing 100 mA after 500 hours was 6.7%.
  • Example 3 A light emitting diode was produced in the same manner as in Example 1 except that the AlN homoepitaxial layer 2 (single crystal buffer layer) was not produced in Example 1 (except that an n-type layer was directly formed on the AlN thick film). did.
  • the dislocation density on the surface of the p-type GaN layer determined by cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM) was 2.0 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 .
  • the Mg concentration profile in the p-type GaN layer measured by SIMS had a peak near the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer, as in FIG.
  • the Mg concentration in the p-type GaN layer is 2.0 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the Mg concentration near the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer is 4.3 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3.
  • the emission peak wavelength of the produced light emitting diode was 260 nm, and the emission output at a driving current of 100 mA was 14 mW.
  • the emission output at a driving current of 100 mA was 14 mW.
  • there was 1 chip that failed such as a short circuit by 500 hours.
  • the ratio of the output after 500 hours to the output before the durability test was 0.90 or more in all the 30 chips evaluated.
  • the voltage increase rate at the time of energizing 100 mA after 500 hours was 8.7%.
  • Example 4 A light emitting diode was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the p-type GaN layer 7 in Example 1 was changed to 320 nm.
  • the dislocation density on the surface of the p-type GaN layer determined by cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM) was 1.1 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 .
  • the Mg concentration profile in the p-type GaN layer measured by SIMS had a peak near the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer, as in FIG.
  • the Mg concentration in the p-type GaN layer is 2.0 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the Mg concentration near the interface with the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer is 5.2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3.
  • the emission peak wavelength of the produced light emitting diode was 260 nm, and the emission output at a driving current of 100 mA was 14 mW.
  • the number of failed chips such as a short circuit by 500 hours was zero.
  • the ratio of the output after 500 hours to the output before the durability test was 0.95 or more in all the 30 chips evaluated.
  • the voltage increase rate at the time of 100 mA energization after 500 hours was 1.8%.
  • Example 1 a light emitting diode wafer was produced in the same manner as in Example 1 except that the nitrogen mixing ratio in the carrier gas when growing the p-type GaN layer was changed to 1.0.
  • the RMS of the p-type GaN layer surface was 4.86 nm, and the hillock density measured with a Nomarski microscope was 5.1 pcs / mm 2 . Further, as a result of XRD reciprocal lattice mapping measurement of the (114) plane, all of the lattice relaxation rates of the Al X Ga 1-X N layer are 1.2% or less, and the lattice relaxation rate of the p-type GaN layer is 82. 0%. In addition, the half widths of the rocking curves of the (002) plane and the (102) plane were 209 seconds and 366 seconds, respectively. Furthermore, the dislocation density on the surface of the p-type GaN layer determined by cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM) was 7.7 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 .
  • TEM transmission electron microscope
  • the produced light emitting diode had an emission peak wavelength of 260 nm, and an emission output at a driving current of 100 mA was 11 mW.
  • an emission output at a driving current of 100 mA was 11 mW.
  • there were 4 chips that failed such as a short circuit by 500 hours.
  • the ratio of the output after 500 hours to the output before the durability test was 0.80 or more in 26 chips excluding the failed light emitting diode.

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Abstract

【課題】ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上にＧａＮ層が積層された積層構造を含むIII族窒化物積層体において、高い結晶品質（結晶性がよく低転位密度）であって、且つ平滑性のよいＧａＮ層を有するIII族窒化物積層体を提供する。 【解決手段】ＡｌＮ単結晶基板上に、該ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を有する積層構造を含み、該ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上に、膜厚が５～４００ｎｍであり、転位密度が５×１０１０ｃｍ－２未満であるか、又はＸ線オメガロッキングカーブの半値幅が５０～３００秒であるＧａＮ層が積層されてなるIII族窒化物積層体である。

Description

ＩＩＩ族窒化物積層体、及び該積層体を有する発光素子
　本発明は、紫外発光素子などに適用できる新規なIII族窒化物積層体、及び該積層体有する新規な紫外発光素子に関する。
　ＡｌａＧａ１－ａＮ（０≦ａ≦１）で表されるIII族窒化物半導体は、III族元素（アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ））の組成を調整（変更）することによって、２１０～３６５ｎｍの範囲で任意に発光ピーク波長を選択でき、上記波長範囲に対応するエネルギー範囲で直接遷移型のバンド構造を有するため、III族窒化物半導体は、紫外発光素子を形成するのに最適な材料である。
　III族窒化物半導体からなる紫外発光素子は、一般に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）によって、単結晶基板上にＡｌａＧａ１－ａＮ層を結晶成長させることにより製造される。単結晶基板には、ＡｌａＧａ１－ａＮ層と格子定数の整合性、および熱膨張係数の整合性の良い材料を用いることが望ましい。
　例えば、非特許文献１～２では、３００ｎｍ以下の発光波長を有する紫外発光素子を、サファイアを基板としてＡｌＧａＮ層を成長させることで得ている。非特許文献１、２には、ＡｌａＧａ１－ａＮ層の転位密度を低減することにより、発光効率や素子寿命が改善されることが報告されている。
　また、Ａｌを含むＡｌａＧａ１－ａＮ層（０＜ａ≦１）を成長させる場合には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶基板を使用することが、Ａｌを含むＡｌａＧａ１－ａＮ層中の欠陥密度を低減し、高効率な紫外発光素子を作製するための有効な手段である。例えば、特許文献１では、ＡｌＮ単結晶基板上に格子整合したＡｌａＧａ１－ａＮ層を有する積層構造を含む紫外発光ダイオードを作製することによって、ＡｌａＧａ１－ａＮ層中の転位密度を低減することが可能であること、および発光ピーク波長が２５０ｎｍの紫外発光ダイオードが開示されている。
　また、特許文献２では、同様の構造上（格子整合したＡｌａＧａ１－ａＮ層上）に、実質的に格子緩和した、すなわち無歪状態の格子定数と等しい状態（格子緩和率が１００％である状態）のキャップ層を設けた紫外発光素子が開示されている。この特許文献２には、キャップ層は、格子緩和することによって、ドーピングが容易に行える、キャップ層の膜厚を厚くできる、またキャップ層で発生する歪の影響を下地層が受けないため、実質的に下地層のＡｌａＧａ１－ａＮ層の膜厚を厚くできる、などの効果が期待されることが記載されている。そして、このキャップ層となるｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層は、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌａＧａ１－ａＮ層との格子定数差が大きいため、ＡｌａＧａ１－ａＮ層上にＳｔｒａｎｓｋｉ－Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（ＳＫ）モード、もしくはＶｏｌｍｅｒ－Ｗｅｂｅｒ（ＶＷ）モードで成長することが記載されている。この成長により成長初期段階においては、ＧａＮは島を形成するように３次元的に結晶成長することが知られている。
　また、非特許文献３には、サファイア基板上に形成したＡｌＮ層上に成長したＧａＮ層において、ＧａＮ層がほぼ１００％格子緩和している場合（ＧａＮ層の格子緩和率がほぼ１００％である場合）には、設計値の２倍程度に相当する５００ｎｍ程度の高さの島状結晶が形成されることが報告されている。そして、ＧａＮ層成長時に窒素キャリアガスを使用することによって、ＧａＮ層の平滑性が改善し、また、そのＧａＮ層の格子緩和率が７５％であることが報告されている。また、特許文献３には、ＧａＮ層を成長する際に、窒素ガスを使用した例示として、窒素キャリアガスの比率が０．５以上であることが記載され、その実施例には、キャリアガスの比率が、窒素ガス０．９であり、水素ガス０．１である場合が示されている。
国際公開ＷＯ２００８／０９４４６４号 米国特許８０８０８３３号 特開２０１４－１５４５９１号公報
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ　４，０５２１０１（２０１１） Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．　４６，Ｌ８７７（２００７） Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．　５３，０３０３０５　（２０１４） Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ　３１２，５８－６３（２００９） Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ　５，０５５５０４（２０１１）
　しかしながら、特許文献２に記載の構造のように、ＧａＮ層の格子緩和率がほぼ１００％である場合、下地層のＡｌａＧａ１－ａＮ層の転位密度を１０６ｃｍ－２以下に低減したとしても、該下地層の転位密度によらず、ＧａＮ層中には５×１０１０ｃｍ－２以上の高密度の転位が形成されてしまうという点で改善の余地があった。また、非特許文献３に記載のように、格子緩和率が１００％のＧａＮ層では、平滑性が悪化するおそれがあり、紫外発光素子の発光効率や信頼性が低下する原因となるため、改善の余地があった。
　さらに、非特許文献３に記載の方法において、平滑性を改善するために窒素（キャリア）ガスを用いた場合でも、上記に記載の通り、ＧａＮ層の格子緩和率が７５％である。この場合、やはりＧａＮ層の格子緩和率が高いため、ＧａＮ層中の転位密度が十分に低減できず、紫外発光素子の発光効率や信頼性が低下する原因となるため、改善の余地があった。また、本発明者等の検討によれば、特許文献３のように窒素（キャリア）ガスを用いた場合でも、ＧａＮ層中の転位密度が５×１０１０ｃｍ－２以上となった。
　紫外発光素子の内部量子効率に影響する主要因は、活性層中の転位密度であり、ＧａＮ層中の転位密度が発光効率に直接与える影響は少ないと考えられる。しかしながら、ＧａＮ層中の転位は、電流のリークパスや電極金属などの不純物の拡散パスとなる可能性があるため、信頼性を向上させる観点からは、ＧａＮ層はより低転位密度であることが望まれる。
　従って、本発明の目的は、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上にＧａＮ層が積層された積層構造を含むIII族窒化物積層体において、高い結晶品質（結晶性がよく低転位密度）であって、且つ平滑性のよいＧａＮ層を有するIII族窒化物積層体を提供することにある。
　本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討した。具体的には、下地となるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の結晶品質、ＡｌＮ単結晶基板上の層構成・組成、及びＧａＮ層の成長条件などを検討した結果、特定の条件、組成、層構成等によりIII族窒化物積層体を製造することにより、結晶品質が良好な、すなわち、転位密度が５×１０１０ｃｍ－２未満であるか、またはＸ線オメガロッキングカーブの半値幅が３００秒以下となるＧａＮ層を備えた積層体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、第一の本発明は、ＡｌＮ単結晶基板上に、該ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を有する積層構造を含み、該ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上に、膜厚が５～４００ｎｍのＧａＮ層が積層されてなり、
　該ＧａＮ層の転位密度が５×１０１０ｃｍ－２未満であるか、または
　該ＧａＮ層の（００２）面および（１０２）面のＸ線オメガロッキングカーブの半値幅が５０～３００秒である、III族窒化物積層体に関する。
第一の本発明において、より信頼性の高い発光素子を作製するためには、前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層からなり、その複数の層の内、前記ＧａＮ層が直接積層される層がＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（０＜Ｚ≦１）であり、前記積層構造が、前記ＡｌＮ単結晶基板と該ＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（０＜Ｚ≦１）との間に、比較的高いＶ／III比で形成したＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）を有することが好ましい。
　また、第一の本発明においては、結晶性のより高いＧａＮ層とするためには、前記ＧａＮ層の格子緩和率が７５％未満とすることが好ましい。
　さらに、第一の本発明を、発光ピーク波長が２１０～３５０ｎｍの範囲に存在する紫外発光素子に適用するためには、前記ＧａＮ層はＭｇ（マグネシウム）を含むことが好ましく、該ＧａＮ層と該ＧａＮ層が直接積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）との界面において、Ｍｇ濃度のプロファイルがピークを有することが好ましい。また、前記ＡｌＮ単結晶基板が、２１０ｎｍ以上の波長における吸収係数が２５ｃｍ－１以下であることが好ましい。
　第二の本発明は、第一の本発明のIII族窒化物積層体を有する、発光ピーク波長が２１０～３５０ｎｍである紫外発光素子に関する。
　本発明によれば、高い結晶品質のＧａＮ層を備えたIII族窒化物積層体を、発光素子などの半導体素子に適用することが可能となる。その結果、例えば、本発明のIII族窒化物積層体から発光ピーク波長が３５０ｎｍ以下の紫外発光素子を作製した場合、高い発光効率と信頼性を備えた素子を得ることが可能となる。
本発明のIII族窒化物積層体の構造を示す一例の概略図である。 実施例１のIII族窒化物積層体において、ｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度のプロファイル（図）である。
　図１に示すように、本発明のIII族窒化物積層体１０は、ＡｌＮ単結晶基板１上に、該ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を有する積層構造を含み、該ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上にＧａＮ層７が積層されたIII族窒化物積層体である。なお、図面ではＡｌＸＧａ１－ＸＮ層を複数（２～６）有する態様を示したが、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層の積層数は限定されず、少なくとも１層を有すればよい。以下、順を追って積層構造について説明する。
　（III族窒化物積層体１０）
　（ＡｌＮ単結晶基板１）
　本発明において、下地基板となるＡｌＮ単結晶基板１は、特に制限されるものではないが、低転位密度のものを使用することが好ましい。具体的には、ＡｌＮ単結晶基板１の転位密度は、１０６ｃｍ－２以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０４ｃｍ－２以下である。低転位密度のＡｌＮ単結晶基板１を使用することによって、発光素子の特性を向上させることが可能になると共に、ＧａＮ層７中の転位密度よりも十分に低いため、新たに転位密度を増大させる要因とならなくなる。転位密度の下限は０ｃｍ－２である。なお、本発明において、転位密度は、特に断りがない限り、他層の転位密度も併せて、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定した値である。
　本発明において、ＡｌＮ単結晶基板１における結晶成長面、すなわち、その面上に、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）、およびＧａＮ層を成長させる結晶面は、本発明の構造を実現できる範囲であれば特に限定はないが、該ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層の平滑性を高める観点からはｃ面であることが好ましい。また、結晶成長面は、ｃ面から微傾斜（オフ）した面であってもよく、その場合のオフ角度は、０．１～０．５°であることが好ましく、さらにｍ軸方向に傾斜していることが好ましい。
　また、ＡｌＮ単結晶基板１の結晶成長面は、平滑であることが好ましい。平滑であることにより、ＡｌＮ単結晶基板上に積層される単結晶層、例えば、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）との界面で発生する新たな転位を低減することができる。具体的には、５×５μｍ２の領域における２乗平均粗さ（ＲＭＳ）は５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましく、０．５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。このような平滑面は、公知のＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈ（ＣＭＰ研磨）処理によって得ることができる。
　また、ＡｌＮ単結晶基板１の結晶成長面にＣＭＰ研磨によるダメージが残存している場合には、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の格子緩和を引き起こし、新たに転位が発生するおそれがあるため、研磨ダメージは極力抑える必要がある。このような研磨ダメージは、公知のアルカリや酸エッチング処理によって、エッチング後に新たに表面に形成されるピット密度を測定することにより評価することができる。ピットはＡｌＮ単結晶基板中の転位およびダメージ残存箇所に形成されることから、その密度は、少ないことが好ましく、ＡｌＮ単結晶基板の結晶成長面において５個／ｍｍ２以下であることが好ましく、２個／ｍｍ２以下であることが好ましい。また当然のことながら、研磨傷なども極力抑える必要があり、研磨傷数は０個／基板であることが好ましい。
　ＡｌＮ単結晶基板１は、最終的に形成する発光素子が放射する光に対して透過性が高いことが好ましい。そのため、紫外領域、具体的には２１０ｎｍ以上の波長における吸収係数が２５ｃｍ－１以下であることが好ましい。なお吸収係数の下限は、低ければ低いほど好ましいが、ＡｌＮ単結晶基板の工業的生産や測定精度なども考慮すると、２１０ｎｍ以上の波長における吸収係数は１５ｃｍ－１である。このような低い吸収係数のＡｌＮ単結晶基板を使用することにより、ＡｌＮ単結晶基板中での紫外光吸収や、紫外光を吸収することにより発生する熱による出力の低下を抑制することが期待される。
　本発明で使用するＡｌＮ単結晶基板１の厚み、及び大きさは、特に制限されるものではない。ＡｌＮ単結晶基板の厚みは、薄ければ吸収係数を低くすることができるため好ましいが、薄過ぎると取扱い難く、また発光素子の歩留まりを低下させるおそれがある。そのため、通常、５０～１０００μｍであることが好ましい。また、ＡｌＮ単結晶基板の大きさは、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）をその上に成長させる場合には、大きければ大きいほど最終的に得られる発光素子（チップ）の数を増やせるため好ましいが、発光素子の工業的生産を考慮するとΦ０．５～Φ６インチ（Φ１．２７～１５．２４ｃｍ）の直径のものが好ましい。なお、当然のことであるが、例えば、発光素子（チップ）とした場合には、そのチップにおけるＡｌＮ単結晶基板部分の大きさは小さくなり、発光素子（チップ）の用途に応じて決定すればよい。通常、発光素子（チップ）であれば、ＡｌＮ単結晶基板部分の大きさ（最も広い面の面積）は０．０１～１０ｍｍ２の面積である。
　以上のようなＡｌＮ単結晶基板１は、例えば、非特許文献４、５に記載の昇華法もしくはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などによって作製できる。中でも、本発明のIII族窒化物積層体を発光素子に適用する場合は、紫外領域での透過性が高い方が好ましいため、ＨＶＰＥ法で作製することが好ましい。
　（ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１））：格子整合した層
　本発明において、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、ＡｌＮ単結晶基板上に積層される単結晶層である。そして、ＡｌＮ単結晶基板上に形成されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合した状態である。ここで、格子整合した状態とは、ＡｌＮ単結晶基板、及びＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の主面（最も広い面積の面：ＡｌＮ単結晶基板の結晶成長面）に対して平行方向の格子定数が、ＡｌＮ単結晶基板とＡｌＸＧａ１－ＸＮ層とでほぼ等しいことを指す。言い換えれば、本発明においては、格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）とは、格子緩和率が５％以下であることを指す。格子緩和率の下限値は０％であり、この場合はＡｌＸＧａ１－ＸＮ層とＡｌＮ基板の格子定数が一致していることを指す。なお、この格子緩和率は、Ｘ線逆格子マッピング測定により、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層のａ軸およびｃ軸の格子定数を測定することによって、算出することができる。
　本発明において、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、単層であってもよいが、発光素子に利用する場合は、Ａｌ組成（Ｘ）や膜厚の異なる複数の層から形成される。なお、複数の層からなる場合にも、Ｘ線逆格子マッピング測定を行うことによって、全ての層が、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合しているかどうかが確認できる。
　また、Ｘの値は、特に制限されるものではなく、目的とする用途に応じて適宜決定すればよい。ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層からなる場合も同様である。ただし、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合させ易いものとしては、層の厚みとの兼ね合いがあるが、Ｘは０．４～１の範囲とすることが好ましい。
　本発明において、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、単結晶層であり、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合している。すなわち、転位の発生を伴うＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の格子緩和が起こっていないため、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）中の転位密度は、ＡｌＮ単結晶基板表面の転位密度と変わらない。よって、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の転位密度は、ＡｌＮ単結晶基板と同様、１０６ｃｍ－２以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０４ｃｍ－２以下である。なお、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層からなる場合であっても、これら層は全て格子整合しているため、各層とも転位密度は変わらない。
　ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、導電性を制御する目的でｎ型もしくはｐ型ドーパントを含むこともできる。ｎ型もしくはｐ型ドーパントには公知の元素を制限なく用いることができるが、ｎ型ドーパントにＳｉ、ｐ型ドーパントにＭｇを用いることが好ましい。ドーパント濃度は、特に制限されるものではなく目的に応じて適宜決定すればよい。また、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、複数のｎ型のＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）、複数のｐ型のＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）、及びそれら複数の層が積層された構造であってもよい。この場合であっても、本発明においては、ｎ型、ｐ型ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の全てがＡｌＮ単結晶基板と格子整合している。
　また、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、炭素不純物量が少ない方が好ましい。例えば、炭素がＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）中に多量に混入すると、導電性や透過性の悪化を引き起こす可能性があるため、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）における炭素濃度は１０１７ｃｍ－３以下であることが好ましく、さらに５×１０１６ｃｍ－３以下であることが好ましい。ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層である場合には、全ての層で炭素濃度が１０１７ｃｍ－３以下であることが好ましい。
　また、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の膜厚は、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合できる範囲の厚みであれば、特に制限されるものではなく、使用する目的に応じて適宜決定すればよい。中でも、本発明のIII族窒化物積層体を発光素子に使用する場合には、０．３～３μｍの範囲であることが好ましい。なお、この厚みは、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層である場合には、それら各層の合計の膜厚である。複数の層である場合には、使用目的に応じて、各層の厚みを決定すればよく、同一の厚みであっても、異なる厚みであってもよい。
　本発明において、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、平滑であることが好ましい。この場合の平滑であるのは、その上にＧａＮ層が直接積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の最表面である。そのため、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層である場合には、ＧａＮ層が積層される最上位の層の表面が平滑であることが好ましい。ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が平滑であることにより、後述するＧａＮ層中の転位密度を低くすることができる。具体的には、５×５μｍ２の領域における２乗平均粗さ（ＲＭＳ）が１０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以下であることがより好ましく、１ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
　また、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の最表面（ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層の場合は、ＧａＮ層が積層される最上位の層の表面）には、数μｍサイズのヒロックが形成される場合がある。このようなヒロックは、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上に形成されるＧａＮ層の表面粗さを増大させる要因となる。すなわち、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の最表面にヒロックが形成された場合、ＧａＮ層においても同じ個所にヒロックが形成され易くなり、ＧａＮ層の表面粗さが増大すると共に、ＧａＮ層膜厚のバラツキやＧａＮ層の緩和率が増大する傾向にある。そのため、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の最表面のヒロック密度は、１０個／ｍｍ２以下であることが好ましく、５個／ｍｍ２であることがより好ましく、１個／ｍｍ２以下であることがさらに好ましい。これらヒロックは、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法により制御することができる。なお、本発明において、ヒロック密度は、ノマルスキー顕微鏡を用いた表面観察によって、測定できる。
　（ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法）
　このようなＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの気相成長法を用いた公知の結晶成長法によって、ＡｌＮ単結晶基板上に製造できる。中でも、生産性が高く工業的に広く用いられているＭＯＣＶＤ法が好ましい。ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、例えば、ＷＯ２０１２／０５６９２８に記載の条件を参考にして製造することができる。
　ＭＯＣＶＤ法で使用するIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料ガスは、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の形成に使用できる公知の原料が特に制限なく使用できる。
　例えば、III族原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等のガスを使用することが好ましい。また、Ｖ族原料ガスとしては、アンモニアを使用することが好ましい。
　ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）をｎ型、ｐ型にする場合には、前記III族原料ガス、Ｖ族原料ガスと同時にドーパント原料ガスを供給すればよい。ｎ型層とする場合には、ドーパント原料ガスは、モノシラン、又はテトラエチルシラン等のシラン系ガスを使用することが好ましい。ｐ型層とする場合には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムのＭｇ原料ガスを使用することが好ましい。
　以上の原料ガスは、水素、及び／又は窒素などのキャリアガスと共に反応炉に供給してＡｌＮ単結晶基板上にＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を成長させる。Ｖ族原料ガスとIII族原料ガスのモル比（Ｖ／III比）の好ましい範囲は、特に限定されるものではないが、５００～１００００の範囲内で設定することが好ましい。Ｖ／III比は、上記の設定範囲内で適宜決定すればよい。なお、Ｖ族原料ガスには窒素ガスは含まない。
　また、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長温度や成長圧力は特に制限されるものではないが、それぞれ１０００～１３００℃、３０～１０００ｍｂａｒの範囲、より好ましくは１０５０～１２００℃、３０～５００ｍｂａｒの範囲であることが好ましい。
　なお、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を複数の層とする場合には、供給するIII族原料ガスの比、例えば、トリメチルアルミニウム、及びトリメチルガリウムの供給比を変化させることにより、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を複数の層（Ａｌ組成（Ｘ）の値が異なる複数の層）とすることができる。
　以上、ＡｌＮ単結晶層上に積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）について説明したが、上記の通り、発光素子を作製する場合には、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は複数の層から形成される。次に、好適な例について説明する。
　（ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層からなる場合の好適な例）
　本発明において、III族窒化物積層体の使用用途を広げるためには、ＡｌＮ単結晶基板上に積層し、その上にＧａＮ層が積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は、複数の層であることが好ましい。つまり、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を該ＡｌＮ単結晶基板上に有する積層構造において、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）は複数の層からなることが好ましい。この場合、上記の通り、複数の層全てがＡｌＮ単結晶基板と格子整合していなければならない。そして、ＡｌＮ単結晶基板とＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）とが格子整合し、その上に結晶性のよいＧａＮ層を積層するためには、ＡｌＮ単結晶基板上に比較的初期の段階で積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の組成、及びその層の製造方法が重要となる。具体的には、前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層からなり、その複数の層の内、ＧａＮ層が直接積層される層をＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（０＜Ｚ≦１）とした場合、前記積層構造が、ＡｌＮ単結晶基板と前記ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（０＜Ｚ≦１）との間に、ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）を有することが好ましい。そして、下記に詳述するが、このＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）は、ＡｌＮ単結晶基板上に直接積層されることが好ましい。
　また、本発明においては、上記積層構造とする他、性能的な面で言えば、特に、発光素子、レーザー素子等にIII族窒化物積層体を適用する場合には、ＡｌＮ単結晶基板側からｎ型層、活性層、及びｐ型層の順で積層された複数のＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）とすることが好ましい。さらには、ＡｌＮ単結晶基板とｎ型層との間に単結晶バッファ層を形成することもできる。また、活性層とｐ型層との間にＡｌ組成比の高い電子ブロック層を形成することもできる。この電子ブロック層はｐ型層とすることもできる。
　上記に記載したｎ型層、活性層、及びｐ型層は、単一の層であってもよいが、それぞれ複数の層、例えば、Ａｌ組成が異なる層であったり、ドーパント濃度が異なる層であってもよい。
　なお、当然のことであるが、前述したように、ｎ型層３、活性層４、ｐ型層６、及び必要に応じて積層される単結晶バッファ層２、電子ブロック層５は、全てＡｌＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ≦１）の組成を満足し、ＡｌＮ単結晶基板１と格子整合したものである。これら各層について説明する。
　（単結晶バッファ層２）
　この単結晶バッファ層２は、ＡｌＮ単結晶基板１上に直接積層されるものである。下記に詳述するが、ｎ型層３におけるＡｌ組成が高い場合には、この単結晶バッファ層２は必須ではないが、単結晶バッファ層２を設けることにより、ＧａＮ層７が直接積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層６（０＜Ｘ≦１）の平滑性を高め、ヒロック密度を低減することできる。そのため、この単結晶バッファ層２は、Ａｌ組成が高い層であることが好ましい。具体的には、この単結晶バッファ層２が前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）となることが好ましい。このような単結晶バッファ層２を設ける場合、その厚みは、０．０１～１μｍとすることが好ましい。そして、この単結晶バッファ層２は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法で説明した方法において、ＭＯＣＶＤ法により、Ｖ／III 比を４０００～１００００、より好ましくは４５００～８０００として成長させることが好ましい。なお、その他の成長条件は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法で記載した範囲を採用すればよい。このような条件で成長するＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）を単結晶バッファ層として設けることにより、ＡｌＮ単結晶基板と、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）との界面付近での結晶欠陥の発生が効果的に抑制される。その結果として、ＧａＮ層が積層されるＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（０＜Ｚ≦１）の平滑性がより向上し、ヒロック密度がより低減される傾向にある。そして、結晶性のよりよいＧａＮ層を形成できる。
　（ｎ型層３）
　このｎ型層３は、ＡｌＮ単結晶基板１と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）であれば、特に制限されるものではなく、目的とする発光素子に併せてその組成を決定すればよい。中でも、２１０ｎｍ～３５０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外発光素子に本発明のIII族窒化物積層体１０を使用する場合には、ｎ型層３は、発光ピーク波長に対して透明なＡｌＸＧａ１－ＸＮ層となるようにＡｌ組成比を選択する必要がある。このＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）をｎ型にするためには、前記の通り、ＭＯＣＶＤ法で成長する際にシラン系ドーパント原料を供給すればよい。ドーピングするＳｉの濃度は、特に制限されるものではないが、高いｎ型導電性を得るためには、５×１０１８～３×１０１９ｃｍ－３の範囲であることが好ましい。なお、単結晶バッファ層２を設けずに、ＡｌＮ単結晶基板１上にｎ型層３を直接設けても良い。この場合ｎ型層が前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）となることが好ましい。
　このようなｎ型層３の厚みは、特に制限されるものではないが、５００ｎｍ～１５００ｎｍである。
　（活性層４）
　この活性層４は、前記ｎ型層３上に積層される。この活性層３は、ＡｌＮ単結晶基板１と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）であれば、特に制限されるものではなく、公知の層が適用できる。具体的には、井戸層と障壁層とを複数回積層した多重量子井戸層とすることができる。この多重量子井戸層中にはＳｉをドーピングすることもできる。井戸層、及び障壁層の組成は、目的とする用途に応じて適宜決定すればよい。中でも、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層において、Ｘは０．１～０．８の範囲で調整することが好ましく、格子整合するという観点からは０．４～０．８の範囲で調整することがより好ましい。
また、井戸層、障壁層の厚みも、特に制限されるものではなく、通常、一つの井戸層の厚みが２～１０ｎｍであり、一つの障壁層の厚みが５～２５ｎｍである。
　このような活性層４は、上記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法で説明した方法の条件を採用して、所望の組成・層構成となるように成長すればよい。
　（電子ブロック層５）
　この電子ブロック層５は、活性層４の上に積層される。ただし、この電子ブロック層５は、ｐ型とすることもできるため、ｐ型層６の一種であると見なすこともできる。この電子ブロック層５は、バンドギャップエネルギーが高いことが望まれているため、Ａｌ組成が他の層以上の割合であることが好ましい。そのため、特に発光ピーク波長が２８０ｎｍよりも短い発光素子を作製しようとする場合には、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（Ｘ＝１）とすることが最も好ましい。また、２８０ｎｍよりも発光ピーク波長が長い場合には、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０．３≦Ｘ≦１）の範囲で、Ａｌ組成を適宜決定すればよい。この電子ブロック層の厚みは、特に制限されるものではないが、５～５０ｎｍである。
　このような電子ブロック層５は、上記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法で説明した方法の条件を採用して、所望の組成となるように成長すればよい。そして、ｐ型とする場合には、Ｍｇ原料ガスを供給して成長すればよい。Ｍｇ濃度は、特に制限されるものではないが、Ｍｇ濃度が３×１０１９～２×１０２０ｃｍ－３であることが好ましく、さらに好ましくは５×１０１９～１×１０２０ｃｍ－３である。
　（ｐ型層６）
　このｐ型層６は、前記電子ブロック層５の上に形成される。ｐ型層６は、複数の層から形成することもできるが、この場合、Ａｌ組成が他の層以上である層が存在する場合には、電子ブロック層と同じ役割を果たすため、活性層上に積層することもできる。ｐ型層の組成は、目的とする用途に応じて適宜決定すればよい。特に発光ピーク波長が２８０ｎｍよりも短い発光素子を作製しようとする場合には、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層において、Ｘが０．７～１．０の範囲で調整することが好ましい。ｐ型層の厚みは、特に制限されるものではなく、通常、５～１００ｎｍ程度である。
　ｐ型層６の最上位の層は、ＧａＮ層７が直接積層される層となるため、その組成は、ＡｌＺＧａ１－ＺＮ（０＜Ｚ≦１）であり、目的とする用途に応じて適宜決定すればよい。このＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（０＜Ｚ≦１）は、前記の通り、ＧａＮ層７が積層される表面において、５×５μｍ２の領域における２乗平均粗さ（ＲＭＳ）が１０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以下であることがより好ましく、１ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また、ヒロック密度は、１０個／ｍｍ２以下であることが好ましく、５個／ｍｍ２であることがより好ましく、１個／ｍｍ２以下であることがさらに好ましい。このようなＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（０＜Ｚ≦１）は、上記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法で説明した方法の条件を採用すれば成長することができる。中でも、上記単結晶バッファ層２、ｎ型層３と同様な成長条件を採用することが好ましい。
　ｐ型層自体は、上記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の成長方法で説明した方法の条件を採用して、所望の組成・層構成となるように成長すればよい。
　以上、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層の場合の好適な例示を示したが、本発明は、以上の構成に限定される訳ではない。また、上記例示において、複数からなる層の合計厚みは０．３～３μｍの範囲であることが好ましい。そして、その他の好ましい例示についても、例えば、格子緩和率、転位密度、及び炭素濃度等は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の項目で説明したものと同じであることが望ましい。
　（ＧａＮ層７）
　本発明において、ＧａＮ層７は、単結晶層であり、ＡｌＮ単結晶基板１と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（複数層の場合はＡｌＺＧａ１－ＺＮ層）上に形成される。そのため、ＧａＮ層７は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層との格子定数差によって、圧縮歪を受けており、膜厚の増加に伴ってＧａＮ層中に蓄積される圧縮歪量が増加する。圧縮歪量が大きくなると、ＧａＮ層中に新たに転位が形成されることによって歪が緩和される結果、ＧａＮ層中の転位密度が増大し、またＸ線オメガロッキングカーブの半値幅も大きくなる。そのため、ＧａＮ層膜厚は５～４００ｎｍでなければならない。
　ＧａＮ層７は３６５ｎｍよりも短波長の光を吸収してしまうため、本発明のIII族窒化物積層体を紫外発光素子に適用する場合は、ＧａＮ層における光吸収量を低減し、発光効率を向上させる観点からは、ＧａＮ層の膜厚は薄い方が好ましい。転位密度、及びＸ線オメガロッキングカーブの半値幅の増大を抑制し、かつＧａＮ層での光吸収量を低減するためには、ＧａＮ層の膜厚は５～１５０ｎｍであることが好ましく、さらに好ましくは５～１００ｎｍであり、最も好ましくは５～５０ｎｍである。
　一方で、ＧａＮ層７の膜厚が厚くなると、ＧａＮ層中での電流密度分布がより均一になるため、紫外発光素子を駆動させた際の、ＧａＮ層と電極界面の劣化が抑制され、その結果、駆動電圧の上昇率を低減できるなどの利点がある。転位密度、及びＸ線オメガロッキングカーブの半値幅の増大を抑制し、かつ電圧上昇率を低減するためには、ＧａＮ層の膜厚は、１５０～４００ｎｍであることが好ましく、さらに好ましくは、２５０～４００ｎｍである。しかし、ＧａＮ層の膜厚が４００ｎｍ以上になると、上述した歪緩和が進む結果、転位密度が増大する、または表面平滑性が低下する等の不具合が生じる場合がある。
　本発明の一態様において、ＧａＮ層７の転位密度は、５×１０１０ｃｍ－２未満である。本発明のIII族窒化物積層体１０を発光素子とする場合、その信頼性向上の観点からは、電流のリークパスとなり得るＧａＮ層中の転位密度は、ある態様では１×１０１０ｃｍ－２未満であってもよく、また別の態様では５×１０９ｃｍ－２未満であってもよい。ＧａＮ層の転位密度は、たとえばＧａＮ層の成長速度を遅くすることにより、ＧａＮ層中の緩和を抑制することで、低くすることができる。なお、この場合の転位密度は、ＧａＮ層の最表面の転位密度である。転位密度の下限値は、０であることが好ましいが、後述するＧａＮ層の成長メカニズムを考慮すると、ＧａＮ層成長初期の歪緩和に伴う転位発生を回避することは困難であるため、現時点の製造技術においては１０６ｃｍ－２程度である。
　本発明の他の態様において、ＧａＮ層７の（００２）面および（１０２）面のＸ線オメガロッキングカーブの半値幅は、５０～３００秒である。ここで、ロッキングカーブ測定とは、特定の結晶面がブラッグの回折条件を満たす角度の２倍の位置にディテクターを固定して、Ｘ線の入射角を変化させて得られる回折のことである。ロッキングカーブの半値幅により、結晶中の転位密度を評価することが可能で、半値幅の値が小さいほど、ＧａＮ単結晶層中の転位密度が低いことを意味している。また、ロッキングカーブを測定する結晶面については、III族窒化物では（００２）、（１００）、（１０２）面に関して行われる。（００２）、（１００）面の半値幅は、それぞれ螺旋転位密度、刃状転位密度の大小を反映した値を示す。また、（１０２）面に関しては、上記２種類の転位欠陥密度を合わせた状態を反映した値を示す。本発明のＧａＮ層では、従来よりも転位密度が低いため、それに伴ってＸ線ロッキングカーブの半値幅も小さくすることができるが、（００２）面では５０～２００秒であることが好ましく、さらに好ましくは５０～１５０秒である。また（１０２）面では５０～２６０秒であることが好ましく、さらに好ましくは５０～２３０秒である。
　なお、本発明のＧａＮ層７は、転位密度が５×１０１０ｃｍ－２未満であるか、（００２）面および（１０２）面のＸ線オメガロッキングカーブの半値幅が５０～３００秒であるが、当然のことながら、転位密度とＸ線オメガロッキングカーブの半値幅が何れも上記範囲内であることが最も好ましい。
　また、上述の通り、ＧａＮ層７は下地となるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）との格子定数が大きいため、ＧａＮ層はＳＫもしくはＶＷ型の３次元成長モードで成長することが知られている。このような成長型では、ＧａＮ層成長初期の３次元成長時に、格子緩和を伴ってＧａＮ層中に転位が形成される。よって、ＧａＮ層中の転位密度は、下地となるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の転位密度に加えて、ＧａＮ層成長初期の、格子緩和を伴って発生する転位によっても影響を受ける。そのため、ＧａＮ層中の転位密度を低減するためには、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）の転位密度が低いことに加えて、ＧａＮ層の緩和率を抑えたまま成長することが好ましい。本発明において、ＧａＮ層の格子緩和率は７５％未満であり、７０％以下であることが好ましく、さらに好ましくは６５％以下である。緩和率の下限値は、理想的には０％であるが、３次元化成長時の緩和を考慮すると３０％程度であると考えられる。
　ＧａＮ層７の表面状態は、素子の信頼性を向上させる観点からは平滑であることが好ましく、５×５μｍ２の領域における２乗平均粗さ（ＲＭＳ）が１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以下である。また、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上のＧａＮ層は、非特許文献３に記載されているように、数～数十μｍサイズの島状ＧａＮ結晶からなるヒロックが形成される。このような巨大なヒロックも信頼性低下の要因となる。そのため、ＧａＮ層表面のヒロック密度は、２０個／ｍｍ２以下、好ましくは１０個／ｍｍ２、より好ましくは５個／ｍｍ２以下である。
　本発明のIII族窒化物積層体を紫外発光素子に適用する場合は、ＧａＮ層はＭｇをドーピングしたｐ型ＧａＮ層とすることが好ましい。以下では、Ｍｇをドーピングしたｐ型ＧａＮ層の特徴について詳細に説明する。
　ｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度の平均は、１×１０１７ｃｍ－３～２×１０２０ｃｍ－３であることが好ましい。Ｍｇ濃度は、本発明の範囲内であれば特に制限されるものではなく、ＧａＮ層中において単一の濃度であってもよいし、膜厚方向で変化させることもできる。なお、上記Ｍｇ濃度の平均は、ｐ型ＧａＮ層の厚みに応じて、後述する界面付近のＭｇ濃度、及び表面近傍のＭｇ濃度を除いて求めればよい。より高いｐ型導電性を得ようとする場合は、Ｍｇ濃度の平均が１×１０１９～２×１０２０ｃｍ－３であることが好ましく、さらに好ましくは５×１０１９～１×１０２０ｃｍ－３である。
　本発明において、ｐ型ＧａＮ層と直接ｐ型ＧａＮ層が積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ（ＡｌＺＧａ１－ＺＮ）層との界面付近でＭｇ濃度のプロファイルがピークを有することが好ましい。本発明においてＧａＮ層７をｐ型層とした場合には、ｐ型ＧａＮ層と前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ（ＡｌＺＧａ１－ＺＮ）層との界面付近でＭｇ濃度が高くなる部分を有する（図２参照）。この界面のＭｇ濃度のピークはＧａＮ層の成長開始と同時に、一定量のＭｇ原料を流した場合においても、上記ピークを有するＭｇ濃度分布となる。このような現象が発現するメカニズムは定かではないが、本発明者らは、ＧａＮ層の結晶性が高い（転位密度が５×１０１０ｃｍ－２未満であり、（００２）面および（１０２）面のＸ線オメガロッキングカーブの半値幅が５０～３００秒である）ことに起因していると考えている。すなわち、転位密度が多く、ＧａＮ層の緩和率が１００％であるものと比較すると、本発明におけるＧａＮ層は、界面により大きな歪が内在しているため、Ｍｇの取り込み量が増大するものと推定している。界面のＭｇ濃度のピーク値は、ＧａＮ層中のＭｇ濃度によっても変化するが、概ね、ＧａＮ層中のＭｇ濃度の平均の１．５～３．０倍程度の値である。なお、このＧａＮ層中のＭｇ濃度のプロファイルは、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）などの公知の技術によって測定できる。
　（ＧａＮ層７の成長方法）
　ＧａＮ層７も、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの気相成長法を用いた、公知の結晶成長法によって製造できるが、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層と同様に、ＭＯＣＶＤ法を用いることが好ましい。ＭＯＣＶＤ法で使用するIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料ガスは、公知の原料が特に制限なく使用できるが、III族原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリエチルガリウムを使用することが好ましい。また、Ｖ族原料ガスとしては、アンモニアを使用することが好ましい。また、使用するドーパントガスにはＡｌＸＧａ１－ＸＮ層と同様の、Ｓｉ原料およびＭｇ原料ガスを使用することができる。ＧａＮ層成長時のＶ／III比は、２０００～１５０００の範囲内で設定することが好ましく、より好ましくは４０００～１２０００、最も好ましくは６０００～１００００である。
　また、ＧａＮ層を成長させる際に用いるキャリアガスには、水素ガスと窒素ガスの混合ガスを用いることが好ましい。窒素ガスの混合比の増加に伴って平滑性は改善する傾向を示す。これは、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上に形成されるＧａＮ層の３次元初期成長核の密度が、窒素ガスの混合によって増加するためだと考えられる。しかし、窒素ガス混合比が大きくなって３次元成長核の密度が過剰となると、ＧａＮ層の格子緩和を助長する結果、ＧａＮ層中の転位密度が高くなる傾向にある。また、上述の通り、一般的には窒素ガスの混合によりＧａＮ層の平滑性は改善する傾向を示すが、転位密度の増大に伴って、表面平滑性が悪化する場合もある。
　さらに、窒素ガスの混合比はＧａＮ層の導電性にも影響を与える。キャリアガスにおける窒素ガスの混合比が０．６を超える場合は、ｐ型ＧａＮ層における導電性が低下し、また、ｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層上に形成された電極との接触抵抗が増加する傾向がある。そのため、窒素ガスの混合比は０以上０．６以下であることが好ましく、より好ましくは０．１以上０．５以下である。そして、上記の通り、好ましいキャリアガスの態様は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスであるため、両者の体積割合（体積流量比）が、窒素ガスが０．１以上０．５以下であり、水素ガスが０．５以上０．９以下となることが好ましく、窒素ガスが０．１以上０．５未満であり、水素ガスが０．５を超え０．９以下となることがより好ましく、窒素ガスが０．３以上０．４以下であり、水素ガスが０、６以上０．７以下となることがさらに好ましい。この場合、キャリアガスは水素ガスと窒素ガスとからなり、水素ガスと窒素ガスの合計体積（合計体積流量）を１とする。また、この体積割合（体積流量比）は、反応炉内に供給するキャリアガスの基準状態（１ａｔｍ）における体積流量値から求めた値である。
　ＧａＮ層の成長温度は、１０００～１１００℃、より好ましくは１０２０～１０８０℃の範囲で製造することが好ましい。ＧａＮ層の成長において、上記温度範囲では、ＧａＮの成長と脱離（蒸発）が同時に起こる領域であり、III族原料ガス量が一定の場合には、成長温度の増加に伴い熱脱離により成長速度が低下する。ＧａＮ層の成長と脱離の割合は、成長温度とIII族原料ガス量、Ｖ族原料ガス量などの成長パラメータで制御することができる。本発明のＧａＮ層を製造する場合は、ＧａＮ層成長速度に加えて、成長と脱離の割合を好適な範囲内に制御することが好ましい。すなわち、ＧａＮ層の成長速度は、０．０３～０．３５μｍ／ｈであることが好ましく、より好ましくは０．０５～０．１μｍ／ｈの範囲内である。また、この成長速度が、脱離の影響を受けない場合の成長速度に対して、０．１～０．８倍、より好ましくは０．３～０．６倍の範囲内に設定することが好ましい。なお、脱離の影響を受けない場合の成長速度とは、成長温度が１０００℃未満の、脱離の影響を無視できる温度域での成長速度で見積もることができる。
　（III族窒化物積層体の一例）
　次に、本発明のIII族窒化物積層体よりなる発光素子を作製する場合について、発光ピーク波長が２６０ｎｍの発光ダイオードを例示して説明する。ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮ単結晶基板上に、膜厚５００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲でｎ型Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層を成長する。ｎ型Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層上に、７ｎｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層と３ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層からなる多重量子井戸層を成長する。多重量子井戸層中にはＳｉをドーピングすることもできる。次に、ｐ型ＡｌＮ層、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層を順に積層する。ｐ型ＡｌＮ層とｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層の膜厚は、特に制限されるものではないが、それぞれ５～２０ｎｍ、５～１００ｎｍ程度である。以上において、ｎ型Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層、多重量子井戸層（活性層）、ｐ型ＡｌＮ層、及びｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層は、ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）に該当する。
　その後、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層上にｐ型ＧａＮ層を上記で説明した成長条件により成長する。このように成長したIII族窒化物エピタキシャルウェハを、公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチング、真空蒸着法を用いて、発光ダイオードウェハを作製する。その後、発光ダイオードウェハを、公知のチップ切断技術によってダイシングし、発光ダイオードチップを得る。発光ダイオードチップの大きさは特に限定はされないが、一般には一辺が３００～２０００μｍ程度の角型チップである。上記では、発光ピーク波長２６０ｎｍの場合を説明したが、発光ピーク波長を変更する際には、所望の波長に応じて適宜、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層のＡｌ組成（Ｘ）や膜厚を選択すればよい。また、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮ単結晶基板上にＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０．７≦Ｙ≦１）単結晶層（単結晶バッファ層）を成長した後に上記のIII族窒化物積層体を製造することもできる。なお、本発明において、発光素子とは、ダイシング後のチップだけではなく、ダイシング前のウェハ形状のものを含む。
　作製した発光素子チップは、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックやＳｉ、ＳｉＣ等の結晶材料を母材とするサブマウントにフリップチップマウントする。この構造では、多重量子井戸層で発生させた２６０ｎｍの紫外光は、基板を介して外部に取り出す。その後、必要に応じて、セラミックパッケージやＣＡＮパッケージにパッケージングし、紫外発光ダイオードランプを完成させる。
　以下、本発明を発光ピーク波長２６０ｎｍの発光ダイオードに適用した実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。たとえば、紫外発光素子を作製する場合には、素子の発光ピーク波長は２６０ｎｍに限定はされず、２１０～３５０ｎｍの範囲で適宜に選択することができる。発光ピーク波長は、特に活性層の組成と膜厚、ドーパント濃度などを適宜に選択することで制御できる。
　実施例１
　（ＡｌＮ単結晶基板１の準備）
　ＡｌＮ単結晶基板１は、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ　５（２０１２）１２２１０１に記載の方法により作製した。具体的には、先ず、ＰＶＴ法により作製されたΦ２５ｍｍのＣ面ＡｌＮ種基板を準備した。このＡｌＮ種基板は、オフ角度は０．０５～０．５°であり、転位密度は１０４ｃｍ－２以下である。また、高分解能Ｘ線回折装置（スペクトリス社パナリティカル事業部製Ｘ‘Ｐｅｒｔ）により、加速電圧４５ｋＶ、加速電流４０ｍＡの条件で、（００２）および（１０１）面のＸ線ロッキングカーブ測定を行ったところ、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅はいずれも、３０秒以下であった。
　次に、前記ＡｌＮ種基板上に、ＨＶＰＥ法により３００μｍの厚みでＡｌＮ厚膜（以下、ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜とする）を形成し、その後、ＡｌＮ厚膜成長面の化学機械（ＣＭＰ）研磨を行った。ＣＭＰ研磨後のＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜のＸ線ロッキングカーブ測定の半値幅も、ＡｌＮ種基板と同等の３０秒以下であり、ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜の転位密度も、ＡｌＮ種基板と同様に１０４ｃｍ－２以下の結晶品質が保持されていることが確認された。
　また、ＣＭＰ研磨後のＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜のオフ角度は０．２～０．５°になるように制御した。このようにして作製した成長用基板（ＡｌＮ種基板上にＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜が積層された基板）の結晶成長面（ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜の研磨した面）の表面粗さ（ＲＭＳ）は、５×５μｍ２の範囲で０．１ｎｍ以下であり、また酸混合溶液（硫酸：リン酸＝１：３）に、１９０℃、１０ｍｉｎ浸漬した後に、ノマルスキー顕微鏡で確認したエッチピット密度は０個／ｍｍ２であった。
　さらに、同様にして作製したＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜の透過率の測定を行った結果、２１０～３５０ｎｍの範囲の直線透過率は４０％以上であり、同波長範囲における吸収係数は２５ｃｍ－１以下であることが確認された。なお、下記に詳述するが、ＡｌＮ種基板部分は、紫外発光素子を作製する際には、この成長用基板から最終的に除去する。そのため、本発明におけるＡｌＮ単結晶基板１は、ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜部分が該当する。
　以上のように作製した成長用基板を使用して図１に示す構造の発光素子を作製した（ただし電極部分は図示していない。）。
　（単結晶バッファ層２）
　先ず、成長用基板をＭＯＣＶＤ装置内のサセプター上に設置し、総流量１３ｓｌｍの水素と窒素の混合ガスを流しながら、１２００℃まで加熱し、結晶成長面のクリーニングを行った。次いで、基板温度を１１８０℃とし、トリメチルアルミニウム流量を８．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア流量を１ｓｌｍとして、この際のＶ／III比が５１００となるように原料ガス流量を調整し、全流量が１０ｓｌｍ、圧力が４０ｍｂａｒの条件でＡｌＮホモエピタキシャル層２（単結晶バッファ層２）を厚さ０．０５μｍで形成した。
　（ｎ型層３）
　次いで、基板温度を１０５０℃とし、トリメチルアルミニウム流量を３５μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム流量を１８μｍｏｌ／ｍｉｎ、テトラエチルシラン流量を０．０２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア流量を１．５ｓｌｍの条件で、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３（ｎ型層３）を１．０μｍで形成した。成長後のｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層の５×５μｍ２のＲＭＳは２ｎｍであり、ノマルスキー顕微鏡により測定したヒロック密度は、１個／ｍｍ２以下であった。
　（活性層４）
　次いで、テトラエチルシラン流量を０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎとした以外は、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層と同条件で障壁層を厚さ１０ｎｍで形成した。次いで、トリメチルガリウム流量を４０μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルアルミニウムを３μｍｏｌ／ｍｉｎとした以外はｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層と同条件で、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ井戸層を厚さ４ｎｍで形成した。この井戸層と障壁層の成長を３回繰り返すことにより３重量子井戸層４（活性層４）を形成した。
　（ｐ型層：ｐ型の電子ブロック層５）
　次いで、トリメチルガリウムおよびテトラエチルシランの供給を停止し、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを１．０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給した以外は、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層と同条件で、ｐ型ＡｌＮ層５（電子ブロック層５、又はｐ型層）を厚さ２０ｎｍで形成した。
　（ｐ型層：ＧａＮ層が積層される層６）
　次いで、トリメチルガリウム流量を８μｍｏｌ／ｍｉｎで供給した以外は、ｐ型ＡｌＮ層と同様の条件で、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層６（ｐ型層６：ＡｌＺＧａ１－ＺＮ層）を厚さ３０ｎｍで形成した。
　また、発光ダイオードの作製とは別に、同様の手順でｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層まで作製し、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層表面の観察を行った。ノマルスキー顕微鏡で観察した結果、ヒロック密度は１個／ｍｍ２であった。また、５×５μｍ２の範囲のＲＭＳは、２．１ｎｍであった。
　（ｐ型ＧａＮ層７）
　次いで、基板温度を１０３０℃、圧力を２００ｍｂａｒに変更した後、トリメチルガリウム流量が０．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア流量が３．０ｓｌｍ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム流量が１．０μｍｏｌ／ｍｉｎ、キャリアガス流量が７ｓｌｍ（混合比（流量比）　窒素ガス：水素ガス＝０．４：０．６）の条件で、ｐ型ＧａＮ層７を厚さ３０ｎｍで形成した。この際のｐ型ＧａＮ層の成長速度は、０．０７５μｍ／ｈであり、９８０℃における同条件のＧａＮ層の成長速度に対して０．４６倍であった。
　このようにして作製した、III族窒化物積層体１０を、ＭＯＣＶＤ装置から取出した。取り出した積層体のｐ型ＧａＮ層表面のＲＭＳは２ｎｍであり、ノマルスキー顕微鏡により測定したヒロック密度は２個／ｍｍ２であった。
　（III族窒化物積層体１０の評価）
　さらに、ＡｌＮ単結晶基板１と同様に、高分解能Ｘ線回折装置によって、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（単結晶バッファ層２、ｎ型層３、活性層４、電子ブロック層５、及びｐ型層６）、並びにｐ型ＧａＮ層７の結晶品質を評価した。各層の格子緩和の状態評価のために（１１４）面のＸＲＤ逆格子マッピング測定を行った結果、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層の格子緩和率は全て１．２％以下であり、ｐ型ＧａＮ層の格子緩和率は６４．５％であった。またｐ型ＧａＮ層の（００２）面および（１０２）面のロッキングカーブの半値幅は、それぞれ８０秒、２４０秒であった。さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察より求めたｐ型ＧａＮ層表面の転位密度は、９×１０９ｃｍ－２であった。また、ＳＩＭＳにより測定したＭｇ濃度のプロファイルを図２に示す。ｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度の平均は約１．９×１０１９ｃｍ－３であり、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層との界面付近のＭｇ濃度は５．０×１０１９ｃｍ－３であった。なお、前記Ｍｇ濃度の平均は、表面から１０ｎｍの範囲、及びｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層６との界面から１０ｎｍの範囲を除外して求めた値である。
　（III族窒化物積層体　ｎ電極の形成）
　次いで、ＩＣＰエッチング装置によりIII族窒化物積層体の一部をｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層が露出するまでｐ型ＧａＮ層側からエッチングした後、該露出表面に真空蒸着法によりＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極を形成し、窒素雰囲気中、１分間、９００℃の条件で熱処理を行った。
　（III族窒化物積層体　ｐ電極の形成）
　次いで、上記ｐ型ＧａＮ層上に真空蒸着法によりＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）電極を形成し、窒素雰囲気中、５分間、５００℃の条件で熱処理を行った。
　（発光ダイオードの作製）
　次いで、ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜部分が露出するまで、ＡｌＮ種基板部分を機械研磨により除去して、発光ダイオードウェハを完成させた（この場合ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜部分がＡｌＮ単結晶基板１に該当する。）。この時、ＨＶＰＥ法ＡｌＮ厚膜部分（ＡｌＮ単結晶基板１）の厚みは、１００μｍであった。作製した発光ダイオードウェハをダイシングにより複数の８００×８００μｍのチップ形状に切断した後、セラミックマウント上にフリップチップボンディングして、発光ダイオードを完成させた。
　（発光ダイオードの評価）
　作製した発光ダイオードの発光ピーク波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける発光出力は１４ｍＷであった。また、作製した発光ダイオード３０個に関して、室温において１００ｍＡ連続通電時の耐久試験を行った結果、５００時間までに短絡等の故障したチップは０であった。また耐久試験前の出力に対する５００時間後の出力の比は、評価した３０個のチップ全てにおいて、０．９５以上であった。また、５００時間後の１００ｍＡ通電時の電圧上昇率は６．３％であった。
　実施例２
　実施例１のＡｌＮホモエピタキシャル層２（単結晶バッファ層）を、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層（単結晶バッファ層）に変更した以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
　Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層（単結晶バッファ層）は、基板温度を１０５０℃、トリメチルアルミニウム流量を４．４μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム流量を８．９μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア流量を１．５ｓｌｍとし、この際のＶ／III比が５０５０となるように原料ガス流量を調整し、全流量が１０ｓｌｍ、圧力が５０ｍｂａｒの条件で、０．０５μｍ形成した。その他の条件は、実施例１と同様にしてｐ型ＧａＮ層まで作製した。
　（III族窒化物積層体の評価）
　ｐ型ＧａＮ層表面のＲＭＳは１．２ｎｍであり、ノマルスキー顕微鏡により測定したヒロック密度は１．３個／ｍｍ２であった。また、（１１４）面のＸＲＤ逆格子マッピング測定を行った結果、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層の格子緩和率は全て０．９％以下であり、ｐ型ＧａＮ層の格子緩和率は５８．４％であった。また、（００２）面および（１０２）面のロッキングカーブの半値幅は、それぞれ７４秒、２２７秒であった。さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察より求めたｐ型ＧａＮ層表面の転位密度は、８．７×１０９ｃｍ－２であった。ＳＩＭＳにより測定したｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度プロファイルは図２と同じように、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層との界面付近でピークを有していた。ｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度は２．０×１０１９ｃｍ－３であり、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層との界面付近のＭｇ濃度は５．０×１０１９ｃｍ－３であった。
　（発光ダイオードの評価）
　作製した発光ダイオードの発光ピーク波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける発光出力は１３ｍＷであった。また、作製した発光ダイオード３０個に関して、室温において１００ｍＡ連続通電時の耐久試験を行った結果、５００時間までに短絡等の故障したチップは０であった。また耐久試験前の出力に対する５００時間後の出力の比は、評価した３０個のチップ全てにおいて、０．９５以上であった。また、５００時間後の１００ｍＡ通電時の電圧上昇率は６．７％であった。
　実施例３
　実施例１において、ＡｌＮホモエピタキシャル層２（単結晶バッファ層）を作製しなかった以外（ＡｌＮ厚膜上に直接ｎ型層を形成した以外）は、実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
　（III族窒化物積層体の評価）
　ｐ型ＧａＮ層表面のＲＭＳは２．１ｎｍであり、ノマルスキー顕微鏡により測定したヒロック密度は１．８個／ｍｍ２であった。また、（１１４）面のＸＲＤ逆格子マッピング測定を行った結果、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層の格子緩和率は全て１．０％以下であり、ｐ型ＧａＮ層の格子緩和率は６１．３％であった。また、（００２）面および（１０２）面のロッキングカーブの半値幅は、それぞれ１７０秒、２７２秒であった。さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察より求めたｐ型ＧａＮ層表面の転位密度は、２．０×１０１０ｃｍ－２であった。ＳＩＭＳにより測定したｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度プロファイルは図２と同じように、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層との界面付近でピークを有していた。ｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度は２．０×１０１９ｃｍ－３であり、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層との界面付近のＭｇ濃度は４．３×１０１９ｃｍ－３であった。
　（発光ダイオードの評価）
　作製した発光ダイオードの発光ピーク波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける発光出力は１４ｍＷであった。また、作製した発光ダイオード３０個に関して、室温において１００ｍＡ連続通電時の耐久試験を行った結果、５００時間までに短絡等の故障したチップは１であった。また耐久試験前の出力に対する５００時間後の出力の比は、評価した３０個のチップ全てにおいて、０．９０以上であった。また、５００時間後の１００ｍＡ通電時の電圧上昇率は８．７％であった。
　実施例４
　実施例１のｐ型ＧａＮ層７の膜厚を３２０ｎｍに変更した以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
　（III族窒化物積層体の評価）
　ｐ型ＧａＮ層表面のＲＭＳは０．９ｎｍであり、ノマルスキー顕微鏡により測定したヒロック密度は２個／ｍｍ２であった。また、（１１４）面のＸＲＤ逆格子マッピング測定を行った結果、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層の格子緩和率は全て１．２％以下であり、ｐ型ＧａＮ層の格子緩和率は７１．０％であった。また、（００２）面および（１０２）面のロッキングカーブの半値幅は、それぞれ８８秒、２１０秒であった。さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察より求めたｐ型ＧａＮ層表面の転位密度は、１．１×１０１０ｃｍ－２であった。ＳＩＭＳにより測定したｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度プロファイルは図２と同じように、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層との界面付近でピークを有していた。ｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度は２．０×１０１９ｃｍ－３であり、ｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層との界面付近のＭｇ濃度は５．２×１０１９ｃｍ－３であった。
　（発光ダイオードの評価）
　作製した発光ダイオードの発光ピーク波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける発光出力は１４ｍＷであった。また、作製した発光ダイオード３０個に関して、室温において１００ｍＡ連続通電時の耐久試験を行った結果、５００時間までに短絡等の故障したチップは０であった。また耐久試験前の出力に対する５００時間後の出力の比は、評価した３０個のチップ全てにおいて、０．９５以上であった。また、５００時間後の１００ｍＡ通電時の電圧上昇率は１．８％であった。
　比較例１
　実施例１において、ｐ型ＧａＮ層を成長する際のキャリアガス中の窒素混合比を１．０に変更した以外は、実施例１と同様にして、発光ダイオードウェハを作製した。
　（III族窒化物積層体の評価）
　ｐ型ＧａＮ層表面のＲＭＳは４．８６ｎｍであり、ノマルスキー顕微鏡により測定したヒロック密度は５．１個／ｍｍ２であった。また、（１１４）面のＸＲＤ逆格子マッピング測定を行った結果、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層の格子緩和率は全て１．２％以下であり、ｐ型ＧａＮ層の格子緩和率は８２．０％であった。また、（００２）面および（１０２）面のロッキングカーブの半値幅は、それぞれ２０９秒、３６６秒であった。さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察より求めたｐ型ＧａＮ層表面の転位密度は、７．７×１０１０ｃｍ－２であった。
　（発光ダイオードの評価）
　作製した発光ダイオードの発光ピーク波長は２６０ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおける発光出力は１１ｍＷであった。また、作製した発光ダイオード３０個に関して、室温において１００ｍＡ連続通電時の耐久試験を行った結果、５００時間までに短絡等の故障したチップは４であった。また耐久試験前の出力に対する５００時間後の出力の比は、故障した発光ダイオードを除く２６個のチップにおいて、０．８０以上であった。
１　ＡｌＮ単結晶基板
２　単結晶バッファ層
３　ｎ型層
４　活性層
５　電子ブロック層
６　ｐ型層
７　ｐ型ＧａＮ層
１０　III族窒化物積層体

Claims (8)

  1. 　ＡｌＮ単結晶基板上に、該ＡｌＮ単結晶基板と格子整合したＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）を有する積層構造を含み、
    　該ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）上に、膜厚が５～４００ｎｍのＧａＮ層が積層されてなり、
    　該ＧａＮ層の転位密度が５×１０１０ｃｍ－２未満であるか、または
    　該ＧａＮ層における（００２）面および（１０２）面のＸ線オメガロッキングカーブの半値幅が５０～３００秒である、III族窒化物積層体。　
  2. 　前記ＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）が複数の層からなり、その複数の層の内、前記ＧａＮ層が直接積層される層がＡｌＺＧａ１－ＺＮ層（０＜Ｚ≦１）であり、
    　前記積層構造が、前記ＡｌＮ単結晶基板と該ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（０＜Ｚ≦１）との間に、ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）を有することを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物積層体。
  3. 　前記ＧａＮ層の格子緩和率が７５％未満である請求項１または２に記載のIII族窒化物積層体。
  4. 　前記ＧａＮ層がＭｇを含み、該ＧａＮ層と該ＧａＮ層が直接積層されるＡｌＸＧａ１－ＸＮ層（０＜Ｘ≦１）との界面において、Ｍｇ濃度のプロファイルがピークを有することを特徴とする請求項１～３の何れかに記載のIII族窒化物積層体。
  5. 　前記ＡｌＮ単結晶基板が、２１０ｎｍ以上の波長における吸収係数が２５ｃｍ－１以下である請求項１～４の何れかに記載のIII族窒化物積層体。
  6. 　請求項１～５の何れかに記載のIII族窒化物積層体を有する、発光ピーク波長が２１０～３５０ｎｍである発光素子。
  7. 　請求項２に記載のIII族窒化物積層体を製造する方法であって、有機気相成長法によって前記ＡｌＹＧａ１－ＹＮ層（０.７≦Ｙ≦１）をＶ／III比が４０００～１００００の範囲で成長させることを特徴とするIII族窒化物積層体の製造方法。
  8. 　請求項１に記載のIII族窒化物積層体を製造する方法であって、有機気相成長法によって前記ＧａＮ層を成長させる際に、原料ガスに同伴させるキャリアガスとして、水素と窒素とからなる混合ガスを用い、混合ガスにおける窒素の混合比を０．６以下とするIII族窒化物積層体の製造方法。
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