JP2004059388A

JP2004059388A - ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板、化合物半導体装置、発光素子および化合物半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2004059388A
Application number: JP2002221869A
Authority: JP
Inventors: Daiki Mori; 森　大樹; Shinsuke Fujiwara; 藤原　伸介; Takao Nakamura; 中村　孝夫
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: JP3829775B2

Abstract

【課題】ＺｎＳｅ系薄膜の素地荒れを抑制することにより安定した特性を得ることができるＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板、化合物半導体装置、発光素子および化合物半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１は、単結晶のＺｎＳｅ系化合物半導体よりなり、かつ面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下傾斜していることを特徴とする。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板、化合物半導体装置、発光素子および化合物半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
青色発光のダイオードやレーザダイオードはフルカラー表示素子用光源、高密度情報処理用光源、光化学反応処理用光源などの各種オプトエレクトロニクス機器用光源として極めて有用であり、近年盛んに研究されている。
【０００３】
特に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の１種であるＺｎＳｅは、室温で２．７ｅＶと青色に相当する広いバンドギャップを有し、さらにｐ型やｎ型の導電性の制御が可能なことから、青から緑色の発光素子用材料として注目されている。
【０００４】
この発光素子は、従来、ＺｎＳ、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体の単結晶を基板として、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などで、発光を担う活性層を含む種々のＺｎＳｅ系薄膜を成長させることにより作製されている。そして、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体単結晶薄膜の成長における単結晶基板として、最も広く使われているのは、安価で入手し易い（１００）面方位の単結晶基板である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（１００）面方位のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体単結晶基板上に、ＺｎＳｅ系薄膜をホモエピタキシャル成長で作製する場合、その基板表面の素地が平滑であっても、ＺｎＳｅ系薄膜の素地が荒れるという問題があった。
【０００６】
たとえば、ＺｎＳｅ系の発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）には、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層との積層構造からなる多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）が使用されるが、そのＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層の各膜厚は２ｎｍと８ｎｍであり、ｎｍオーダの膜厚制御が必要となっている。また、ｐ型のコンタクト層に用いられる、ＺｎＳｅ層とＺｎＴｅ層との積層構造よりなる超格子コンタクト層でも、同様に、ｎｍオーダの膜厚制御が必要となっている。このため、エピタキシャル成長で作製されるＺｎＳｅ系薄膜の素地が荒れた場合、発光特性を決める活性層や、コンタクト特性を決める超格子コンタクト層の膜厚の制御性がばらつくため、発光ダイオードの特性が安定しないという問題点があった。
【０００７】
それゆえ本発明の目的は、ＺｎＳｅ系薄膜の素地荒れを抑制することにより安定した特性を得ることができるＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板、化合物半導体装置、発光素子および化合物半導体装置の製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板は、単結晶のＺｎＳｅ系化合物半導体よりなり、かつ面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下傾斜していることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板によれば、基板の面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に微傾斜しているため、その上に成膜される薄膜の表面平滑性を良好にすることができる。このため、薄膜としての活性層や超格子コンタクト層の膜厚のばらつきを抑制でき、薄膜の特性の安定化と高品質化とを実現することができる。
【００１０】
上記のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板において好ましくは、Ａｌ（アルミニウム）およびＩ（ヨウ素）の少なくとも１種が不純物として添加されている。
【００１１】
これにより、基板の吸収端が長波長側に広がり、青色光、青緑色光を吸収し、黄色から赤色にかけての長波長光を再発光するという現象が現れる。この現象を利用して白色ＬＥＤを製造することができる。
【００１２】
本発明の化合物半導体装置は、上記のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板と、そのＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板上に成長した薄膜とを備えたものである。
【００１３】
これにより、薄膜の特性の安定化と高品質化とを実現できる化合物半導体装置を得ることができる。
【００１４】
本発明の発光素子は、上記の化合物半導体装置を用いることを特徴とするものである。
【００１５】
これにより、特性の安定した発光素子を得ることができる。
本発明の化合物半導体装置の製造方法は、面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下傾斜したＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板上に、分子線エピタキシー法により薄膜を形成することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の化合物半導体装置の製造方法によれば、基板の面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に微傾斜しているため、その上にＭＢＥ法で成膜される薄膜の表面平滑性を良好にすることができる。このため、薄膜としての活性層や超格子コンタクト層の膜厚のばらつきを抑制でき、薄膜の特性の安定化と高品質化とを実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態におけるＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板の構成を概略的に示す斜視図である。図１を参照して、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１は、単結晶のＺｎＳｅ系化合物半導体よりなり、かつ図２に示すように面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下の角度θだけ微傾斜している。このため、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の微傾斜面は、階段状に（１００）面が現れたステップを有することになる。このＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１には、ＡｌおよびＩの少なくとも１種が不純物として添加されていることが好ましい。
【００１９】
ここで、（１１１）Ａ面とは、以下のように定義される。
結晶の面方位は、図３に示すように結晶の面方位模型により表すことができる。ＺｎＳｅのようなＩＩ−ＶＩ族化合物半導体単結晶は、図４に示すような閃亜鉛鉱構造（ｚｉｎｃｂｌｅｎｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有している。この図４に示す単位格子を、単位格子の頂点を原点として、直交する３軸上の格子定数と同じ長さ（空間格子の場合、格子定数の整数倍の長さ）にとった３点を通る平面で切った様子を図５に示す。図５を参照して、切り取られた面には、ＩＩ族またはＶＩ族の一方の元素ばかりが並んだ面が出現し、切り取られた他方の面には他方の元素ばかりが並んだ面が得られる。これは閃亜鉛鉱構造を持つ単結晶の特徴である。
【００２０】
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体単結晶の場合には、ＩＩ族元素の現れる面を（１１１）面、ＶＩ族元素の現れる面を（−１−１−１）面のように区別して表すのが一般的である。また、慣例として、（１１１）面のことを（１１１）Ａ面、（−１−１−１）面のことを（１１１）Ｂ面と呼ぶ表し方もある。ＺｎＳｅを例にとると、以下のようになる。
【００２１】
（１１１）面＝（１１１）Ｚｎ面＝（１１１）Ａ面
（−１−１−１）面＝（１１１）Ｓｅ面＝（１１１）Ｂ面
つまり本明細書における（１１１）Ａ面とは、閃亜鉛鉱構造の単位格子を、単位格子の頂点を原点として、直交する３軸上の格子定数と同じ長さにとった３点を通る平面で切ったときに出現する、Ｚｎばかりが並んだ面のことである。
【００２２】
なお、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体単結晶では、（１１１）面と（−１−１−１）面とは、元素の種類も結合の強さも異なるので、物理的にも化学的にも異なることになる。また、結晶の構造上で分類すると、（１１１）面および（−１−１−１）面のそれぞれと等価な面は以下のとおりである。
【００２３】
（１１１）面＝（１−１−１）面、（−１１−１）面、（−１−１１）面
（−１−１−１）面＝（１１−１）面、（１−１１）面、（−１１１）面
次に、図１および図２に示すＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板を用いた化合物半導体装置について説明する。
【００２４】
図６は、本発明の一実施の形態における化合物半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図６を参照して、本実施の形態の化合物半導体装置２０は、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１と、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２と、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３と、ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸活性層４と、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７と、ｐ型ＺｎＳｅ層８と、ｐ^＋ＺｎＳｅ層９と、ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸（超格子電極）１０と、ｐ^＋ＺｎＴｅコンタクト層１１と、ｐ型電極１２と、ｎ型電極１３とを有している。
【００２５】
ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１は、図１および図２に示すＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板と同じであり、Ｅｇ＝２．７ｅＶのバンドギャップを有している。ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２は、たとえば１μｍの厚みを有し、Ｅｇ＝２．７ｅＶのバンドギャップを有し、かつｎ＝３〜４×１０^１７ｃｍ^−３のキャリア密度を有している。ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３は、たとえばＺｎ_１−ｘ１Ｍｇ_ｘ１Ｓ_ｙ１Ｓｅ_１−ｙ１の組成を有しており、その混晶比はｘ１＝０．２２、ｙ１＝０．１９である。またｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３は、たとえば０．５μｍの厚みを有しており、Ｅｇ_１＝２．９５ｅＶのバンドギャップを有しており、ｎ_１＝２〜３×１０^１７ｃｍ^−３のキャリア密度を有している。
【００２６】
ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸活性層４は、たとえば２ｎｍの厚みのＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層６ａ、６ｂ、６ｃの３層の各々を、たとえば８ｎｍの厚みのＺｎＳｅ障壁層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの４層の各々で挟んだ構成を有しており、合計７層の厚みは３８ｎｍである。ＺｎＣｄＳｅのバンドギャップはＺｎＳｅのそれよりも狭く、Ｃｄ（カドミウム）の比率を変えることにより発光波長を４６０ｎｍ（青）〜５１０ｎｍ（緑）の範囲で変えることができる。ここでは、４８５ｎｍの青色発光となるようにＣｄの比率は決定されている。ＺｎＣｄＳｅはＺｎＳｅと格子不整合であるため、ＺｎＣｄＳｅとＺｎＳｅとの各薄膜が相互に複数層積層されて多重量子井戸構造とされている。
【００２７】
ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７は、たとえばＺｎ_１−ｘ４Ｍｇ_ｘ４Ｓ_ｙ４Ｓｅ_１−ｙ４の組成を有しており、その混晶比はｘ４＝０．２４、ｙ４＝０．１８である。またｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７は、たとえば０．５μｍの厚みを有しており、Ｅｇ_１＝２．９５ｅＶのバンドギャップを有しており、Ｎ_Ａ＝２〜３×１０^１６ｃｍ^−３の実効アクセプタ密度を有している。
【００２８】
ｐ型ＺｎＳｅ層８は、たとえば０．４μｍの厚みを有しており、Ｎ_Ａ＝１〜２×１０^１７ｃｍ^−３の実効アクセプタ密度を有している。ｐ^＋ＺｎＳｅ層９は、たとえば０．２μｍの厚みを有しており、Ｎ_Ａ＝７〜８×１０^１７ｃｍ^−３の実効アクセプタ密度を有している。
【００２９】
ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸１０は、ｐ型ＺｎＴｅ層とｐ型ＺｎＳｅとが交互に積層された構成を有している。ｐ型ＺｎＴｅ層の膜厚は上層側ほど薄くなるように、逆にｐ型ＺｎＳｅ層は上層側ほど厚くなるように形成されている。具体的には、最下層から順に、ｐ型ＺｎＳｅ層：１原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：１２原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：２原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：１１原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：３原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：１０原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：４原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：９原子層厚、…、ｐ型ＺｎＳｅ層：１２原子層厚、ｐ型ＺｎＳｅ層：１原子層厚となるようにＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸１０は形成されている。ｐ^＋ＺｎＴｅコンタクト層１１は、たとえば１０原子層程度の厚みを有している。このｐ^＋ＺｎＴｅコンタクト層１１に後述のｐ型電極１２を付けたときに、ＺｎＳｅはバンドギャップが広くＺｎＴｅはバンドギャップが狭いため正孔がうまく流れず、正孔準位がｐ型ＺｎＳｅの価電子帯に大体等しくなるように井戸層（ＺｎＴｅ）と障壁層（ＺｎＳｅ）との厚みが増減されている。
【００３０】
ｐ型電極１２は、たとえばＡｕ（金）とＰｔ（白金）とＰｄ（パラジウム）とが順に積層された構成を有し、円環状を有し、かつｐ^＋ＺｎＴｅコンタクト層１１に接して形成されている。ｎ型電極１３は、たとえばＩｎ（インジウム）などからなり、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の裏面に接して形成されている。
【００３１】
なお、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１にＡｌまたはＩが添加されている場合には、基板１の吸収端が長波長側に広がり、青色光、青緑色光を吸収し、黄色から赤色にかけての長波長光を再発光するという現象が現れる（この長波長発光はＳＡ発光と呼ばれる）。この現象を利用して白色ＬＥＤが開発されている。このＬＥＤは、活性層から青緑色光と基板からの黄色のＳＡ発光を混色することにより白色光を得るものである。
【００３２】
上記のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１上の電極を除く各膜は、ＭＢＥ法により成長形成される。そこで、次に、その成膜装置について説明する。
【００３３】
図７は、上記のＭＢＥ法を用いた成膜装置の成長室の構成を概略的に示す断面図である。図７を参照して、成長室４２はステンレス製の真空容器である。成長室４２の内壁に沿って液体窒素シュラウド４３が設けられている。液体窒素シュラウド４３は窒素温度（７７Ｋ）に冷却された壁面にガス分子を吸着することによって真空度を上げるためのものである。液体窒素シュラウド４３の所々に穴がありＫセル（クヌーセンセル）、真空排気口、ＲＨＥＥＤ（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）などの装置が設けられている。
【００３４】
成長室４２の中心部にはマニピュレータ４６が配置されており、ＺｎＳｅ基板１を貼り付けた基板ホルダー４４を保持している。基板ホルダー４４の後ろには基板１を加熱するためのヒータ４５が配置されている。成長室４２の側方には真空排気口４７があり、この真空排気口４７から成長室４２の内部が排気され超高真空の状態にすることができる。
【００３５】
成長室４２の壁面に多数の分子線セル５２〜６０が設けられている。ここでは、全ての分子線セル５２〜６０が断面図に現れるように描かれているが、実際には基板１を頂点とする円錐に含まれる領域で成長室４２の底側面に２次元的分布を持つように配置されている。
【００３６】
Ｚｎ（亜鉛）用分子線セル５２、Ｃｄ（カドミウム）用分子線セル５３、Ｍｇ（マグネシウム）用分子線セル５４、Ｔｅ（テルル）用分子線セル５５は、通常のＫセルである。るつぼに収容した金属原料をヒータで加熱して融液とし、これを蒸発させて分子線とするものである。詳細な構造は図示を省略している。これらの分子線セル５２〜５５は、有底円筒型ＰＢＮるつぼをＭｏ（モリブデン）の支柱で指示し、周りにコイルヒータ、リボンヒータを備え、さらにその周囲にタンタルの反射板を設け、るつぼ上方にシャッターを設けた構成を有している。
【００３７】
分子線セル５６はＺｎＣｌ_２用のセルであり、ｎ型ドーパントととしての塩素Ｃｌを分子線とするものである。この分子線セル５６も、上記と同様に、ＰＢＮるつぼ、ヒータ、反射板、シャッターを持っている。これらるつぼに原料を入れた分子線セル５２〜５６は随時原料を補充する必要がある。
【００３８】
分子線セル５７、５８の各々は、Ｓｅ（セレン）用、Ｓ（硫黄）用の各々のバルブセルであり、原料をガスの形態で外部から連続的に導入するよう構成されている。ヒータによって加熱して分子線にし、シャッターを開閉して分子線を遮断通過させることができる点において、分子線セル５７、５８の各々は他の分子線セル５２〜５６と同じである。また、分子線セル５７、５８の各々では、バルブによって流量を調整することができる。この分子線セル５７、５８についても詳細な構造の図示は省略している。
【００３９】
分子線セル５９、６０の各々は、Ｎ（窒素）、Ｈ（水素）の各々を分子線とするためのＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）である。これらの分子線セル５９、６０の各々も、分子線セル５７、５８と同様に外部のガスボンベから原料が導入され、バルブによって流量制御できる。ＲＦコイルが導入部の外側に設けられ、窒素をプラズマにするよう構成されている。Ｎ_２（窒素）はそのままでは不活性でドーピングできないから、ＲＦ励起され、プラズマとして飛ばされる。このため、分子線セル５９はクラッカーセルともいう。なお、窒素はｐ型ドーパントである。
【００４０】
これらの分子線セル５２〜６０の各々から出た分子線は全て成長室４２の中心にある基板１に向いて飛翔するように、分子線セル５２〜６０の各々は配置されている。
【００４１】
成長室４２にはビューポート５１が設けられており、ビューポートの開閉部分は透明窓となっている。その透明窓を介して成長室４２の外部から内部を観察することができる。パイロメータ５０は成長室４２の外部に配置されており、透明窓を介して成長室４２内部の基板１近傍の温度を測定することができる。また、基板ホルダー４４の側方にはＲＨＥＥＤ電子銃４８（反射高エネルギー電子線回折）が配置されており、その電子銃４８の反対側の壁面にはＲＨＥＥＤ用スクリーン４９がある。
【００４２】
次に、本発明の一実施の形態における化合物半導体装置の製造方法について説明する。
【００４３】
図６および図７を参照して、まず、図２に示すように面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下の角度θだけ傾斜したＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１が形成される。この基板１は、２クロム酸、硫酸および水からなるエッチング液で表面層を約１μｍの厚みでエッチングされる。このエッチングは、表面酸化層を除去するために行なわれる。
【００４４】
この後、基板１は基板ホルダ４４にＩｎ−Ｇａ液体金属により貼り付けられる。その基板ホルダ４４がＭＢＥ装置の導入室に入れられた後、導入室が真空排気される。導入室に隣接するＭＢＥ装置の成長室４２はもともと真空に引かれており、分子線セルのフラックス量が調整される。導入室の圧力が１．３×１０^−５Ｐａ（１０^−７Ｔｏｒｒ）以下に下がってから、基板１を貼り付けた基板ホルダー４４が導入室から成長室４２へトランスファされる。
【００４５】
基板ホルダー４４は成長室４２の中心部において基板１を図中下向きに保持する。ヒータ４５に通電することにより、基板１は４００℃の温度に加熱される。
【００４６】
基板１の表面の清浄化のための水素プラズマセル６０が、パワー３５０Ｗ、流量２ｓｃｃｍの条件に設定される。基板１の温度および水素プラズマセル６０が十分に安定した後、水素プラズマセル６０のシャッターとメインシャッターとが開かれ、２０分間、水素プラズマが基板１の表面に当てられることにより基板１表面のクリーニングが行なわれる。クリーニングの完了は、ＲＨＥＥＤパターンにおいて表面にＣ（２×２）再配列パターンが出ることによって確認される。
【００４７】
クリーニングの終了後、基板１の温度が３００℃に設定され、温度が安定してから薄膜のエピタキシャル成長が開始される。
【００４８】
まず、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１上に、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２がＭＢＥ法により成膜される。その成膜に際して、初めにＳｅバルブが所定の値に設定される。次に、Ｚｎセル５２、Ｓｅセル５７およびＺｎＣｌ_２セル５６のシャッターが開かれ、Ｚｎ、ＳｅおよびＺｎＣｌ_２の各分子線が発生されて基板１に当てられる。それによって、基板１上に、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２が成膜される。このときの成長速度は、たとえば０．４μｍ／ｈである。
【００４９】
次に、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２上に、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３がＭＢＥ法により成膜される。その成膜に際して、Ｓバルブが所定の値に設定され、Ｍｇセル５４およびＳセル５８のシャッターが開かれ、Ｍｇ分子線およびＳ分子線の各々が基板１に向かって照射される。それによって、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２上に、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３がたとえば０．５μｍの厚みで成膜される。このときの成長速度は、たとえば０．４５μｍ／ｈである。
【００５０】
これらのｎ型ＺｎＳｅバッファ層２とｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３との各成長は、ＲＨＥＥＤ像において２×１とＣ（２×２）のパターンが混在し、やや２×１のパターンが強めに現れるストイキオメトリックな組成で行なわれる。
【００５１】
次に、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３上に、ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸活性層４がＭＢＥ法により成膜される。その成膜に際して、Ｓバルブが閉じられ、Ｓセル５８のシャッターが閉じられる。そして、Ｓｅセル５７のバルブの開口量が増やされＳｅ分子線が増強される。Ｚｎ分子線およびＳｅ分子線によってＺｎＳｅ障壁層５ａがたとえば８ｎｍの厚みで成膜される。次に、Ｃｄセル５３のシャッターが開かれ、Ｃｄ分子線が発生される。Ｚｎ分子線、Ｃｄ分子線およびＳｅ分子線によってＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層６ａがたとえば２ｎｍの厚みで成膜される。再び、Ｃｄセル５３のシャッターが閉じられ、Ｓｅのバルブ開口量を元に戻してＺｎＳｅ障壁層５ｂがたとえば８ｎｍの厚みで成膜される。このようなことを何度か繰返してＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸活性層４が形成される。
【００５２】
次に、ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸活性層４上に、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７がＭＢＥ法により成膜される。その成膜に際して、Ｓバルブが開かれる。そして、クラッド生成用のＭｇセル５４、Ｓセル５８およびＮプラズマセル５９のシャッターが開かれ、Ｍｇ分子線、Ｎ分子線およびＳｅ分子線の各々が基板１に向かって照射される。また、ｐ型ドーパントのドーピングは、たとえば窒素流量が０．５ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが５０Ｗの条件で行なわれる。それによって、ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸活性層４上に、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７がたとえば０．５μｍの厚みで成膜される。この後、Ｓバルブが閉じられ、Ｍｇセル５４およびＳセル５８のシャッターが閉じられｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７の成長が終了する。
【００５３】
ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７の成長は、ＲＨＥＥＤ像において２×１とＣ（２×２）とのパターンが同等の強度で混在するストイキオメトリックな組成で行なわれる。
【００５４】
次に、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７上に、ｐ型ＺｎＳｅ層８がＭＢＥ法により成膜される。その成膜に際して、たとえば窒素流量が０．５ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが４０Ｗの条件で窒素セル５９から窒素分子線が発生される。Ｚｎセル５２、Ｓｅセル５７の各々からのＺｎ分子線、Ｓｅ分子線と上記窒素分子線とによりｐ型ＺｎＳｅ層８がたとえば０．４μｍの厚みで成膜される。
【００５５】
次に、ｐ型ＺｎＳｅ層８上に、ｐ^＋ＺｎＳｅ層９がＭＢＥ法により成膜される。その成膜に際して、Ｓｅバルブが閉じられ、窒素プラズマセル５９とＳｅセル５７との各シャッターが閉じられる。Ｚｎセル５２からＺｎ分子線の照射がたとえば３０秒間行なわれる。その後、Ｚｎセル５２のシャッターも閉じられ、分子線が全く無い状態で基板１の温度が２７０℃まで下げられる。約２０分後に、Ｓｅバルブが所定の値に設定され、窒素流量が１．０ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが８０ＷでＮ分子線が発生される。Ｚｎセル５２、Ｓｅセル５７およびＮセル５９のシャッターが開かれ、Ｚｎ分子線、Ｓｅ分子線およびＮ分子線が基板１に向けて照射される。それによって、ｐ型ＺｎＳｅ層８上に、ｐ^＋ＺｎＳｅ層９がたとえば０．２μｍの厚みで成膜される。
【００５６】
次に、ｐ^＋ＺｎＳｅ層９上に、ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸１０がＭＢＥ法により成膜される。その成膜に際して、ｐ型ＺｎＴｅ層とｐ型ＺｎＳｅ層とが交互に積層される。そのときのｐ型ＺｎＴｅ層とｐ型ＺｎＳｅ層との各膜厚は上述のとおりである。また、このＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸１０上に、たとえば１０原子層厚のｐ^＋ＺｎＴｅコンタクト層１１が成膜される。
【００５７】
この後、ｐ^＋ＺｎＴｅコンタクト層１１に接するようにｐ型電極１２が形成され、基板１の裏面に接するようにｎ型電極１３が形成される。
【００５８】
さらに、各層の形成されたウェハが劈開面に沿って縦横にスクライブし折り曲げることにより、個々のＬＥＤチップ２０に分割される。これにより、図６に示す化合物半導体装置（ＬＥＤチップ）２０が製造される。
【００５９】
なお、図８に示すようにＬＥＤチップ２０がＬ型リード２１にボンディングされるとともに、他のリード２２とワイヤボンディングされ、かつ透明樹脂２３でモールドされることにより発光素子３０が形成される。
【００６０】
本願発明者らは、図１に示すＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の面方位における（１００）面に対する傾斜角を変えた時の、基板１上にＭＢＥ法で形成される薄膜の表面平滑性の変化について調べた。その結果を表１に示す。
【００６１】
なお以下の表１において、「Ａ面状態」とは（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に所定角度傾斜させたときの表面平滑度（表面粗さＲａ）を、また「Ｂ面状態」とは（１００）面に対して（１１１）Ｂ面方向に所定角度傾斜させたときの表面平滑度（表面粗さＲａ）を各々示している。
【００６２】
【表１】

【００６３】
表１の結果より、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の面方位が（１００）面に対して（１１１）Ｂ面方向に傾斜しているときには、薄膜の表面粗さＲａは５０ｎｍを超えることがわかる。一方、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の面方位が（１００）面に対して（１１１）Ｂ面方向に傾斜しているときには、その傾斜角度が１度以上２０度以下の場合、薄膜の表面粗さＲａは１５ｎｍ以下に抑えれることがわかる。また、１度以上１５度以下であれば、表面粗さＲａを１０ｎｍ以下にできるため、より好ましいこともわかる。
【００６４】
また、本願発明者らは、図６に示す化合物半導体装置２０において、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の面方位を（１００）面に対して傾斜させない場合と、（１１１）Ａ面方向に５度傾斜させた場合との各コンタクト特性（駆動電圧）を調べた。その結果を図９に示す。
【００６５】
図９の結果より、傾斜なしの場合にはコンタクト特性がばらつくが、傾斜角を５度にすることでコンタクト特性のバラツキを低減できることがわかる。
【００６６】
さらに、本願発明者らは、図６に示す化合物半導体装置２０において、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の面方位における（１００）面に対する（１１１）Ａ面方向への傾斜角を変えた時の、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅ層７のキャリア濃度とＰＬ強度とを調べた。その結果を図１０に示す。
【００６７】
図１０の結果より、傾斜角が大きくなるとともに結晶性が向上し、ＰＬ測定におけるＩ１ピークが強度が上昇していることがわかる。また、キャリア濃度については、傾斜角が大きくなるとともにＮの取り込みが増加していることがわかる。また、傾斜角が５度のときに結晶性が特に良好となっていることがわかる。
【００６８】
このように本実施の形態においては、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の面方位を（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下の角度だけ傾斜させたことにより、その基板１上に形成される薄膜の表面平滑性が良好となるため、ＬＥＤの特性を安定化させ、かつＺｎＳｅ層、ＺｎＭｇＳＳｅ層などのＬＥＤで用いられる薄膜の品質を高くすることができる。
【００６９】
本実施の形態において上記の良好な特性が得られる理由は、ステップフローが薄膜の主たる成長モードになるためと考えられる。以下、そのことについて説明する。
【００７０】
本実施の形態においては、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下の角度だけ微傾斜している。このため、図２に示すようにＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板１の表面は、階段状に（１００）面が現れたステップを有することになる。ステップを有する表面にＭＢＥ法により薄膜を成長させた場合、低温ではＲＨＥＥＤの振動は観察されるが、高温ではその振動が消えることから、以下のような成長が考えられる。
【００７１】
つまり、低温ではステップとステップとの間のテラス上に吸着した原子が拡散しにくいので、ステップとステップとの間で２次元核をつくり、テラス上で層状成長するためＲＨＥＥＤの回折強度が振動する。それに対して、高温では表面での原子の拡散が起こりやすく、テラスに付着した原子は、図１１に示すように容易にステップまで拡散し、ステップで捕獲され、ステップが矢印で示す方向に移動するように成長するため、ＲＨＥＥＤの回折強度は振動しない。これはステップ成長と呼ばれる。このように、ステップ成長により層状成長するため、薄膜の表面平滑性が良好になるものと考えられる。
【００７２】
今回開示された実施の形態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は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でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板によれば、基板の面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に微傾斜しているため、その上に成膜される薄膜の表面平滑性を良好にすることができる。このため、薄膜としての活性層や超格子コンタクト層の膜厚のばらつきを抑制でき、薄膜の特性の安定化と高品質化とを実現することができる。これにより優れた特性を有する化合物半導体装置と発光素子とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板の表面を示す部分断面図である。
【図３】ＺｎＳｅの結晶の面方位を示す模型図である。
【図４】ＺｎＳｅの単位格子を示す図である。
【図５】ＺｎＳｅの単位格子を（１１１）面で切り取った図である。
【図６】本発明の一実施の形態における化合物半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態におけるＭＢＥ法を用いた成膜装置の成長室の構成を概略的に示す断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態における発光素子の構成を概略的に示す断面図である。
【図９】ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板の面方位において（１００）面からの傾斜がない場合と傾斜がある場合とのコンタクト特性を示す図である。
【図１０】ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板の面方位において（１００）面からの傾斜角度を変えたときのキャリア濃度とＩ１との変化を示す図である。
【図１１】ステップフローが主たる成長モードである場合の成膜の様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板、２　ｎ型ＺｎＳｅバッファ層、３　ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層、４　ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸活性層、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ　ＺｎＳｅ障壁層、６ａ，６ｂ，６ｃ　ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層、７　ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層、８　ｐ型ＺｎＳｅ層、９　ｐ^＋ＺｎＳｅ層、１０　ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸（超格子電極）、１１　ｐ^＋ＺｎＴｅコンタクト層、１２　ｐ型電極、１３　ｎ型電極、２０　化合物半導体装置（ＬＥＤチップ）、２１　Ｌ型リード、２２　リード、２３　透明樹脂、３０　発光素子、４２　成長室、４３　液体窒素シュラウド、４４　基板ホルダ、４５　ヒータ、４６　マニピュレータ、４７　真空排気口、４８　電子銃、４９　ＲＨＥＥＤ用スクリーン、５０　パイロメータ、５１　ビューポート、５２　Ｚｎ用分子線セル、５３　Ｃｄ用分子線セル、５４　Ｍｇ用分子線セル、５５　Ｔｅ用分子線セル、５６　ＺｎＣｌ_２用分子線セル、５７　Ｓｅ用分子線セル、５８　Ｓ用分子線セル、５９　Ｎ用分子線セル、６０　Ｈ用分子線セル。

Claims

単結晶のＺｎＳｅ系化合物半導体よりなり、かつ面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下傾斜していることを特徴とする、ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板。
ＡｌおよびＩの少なくとも１種を不純物として添加された、請求項１に記載のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板。
請求項１または２に記載のＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板と、前記ＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板上に成長した薄膜とを備えた、化合物半導体装置。
請求項３に記載の化合物半導体装置を用いていることを特徴とする、発光素子。
面方位が（１００）面に対して（１１１）Ａ面方向に１度以上２０度以下傾斜したＺｎＳｅ系化合物半導体単結晶基板上に、分子線エピタキシー法により薄膜を形成することを特徴とする、化合物半導体装置の製造方法。