特許 6241939 デバイス作製用基板、その製造方法及び近赤外線発光デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6241939

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】デバイス作製用基板、その製造方法及び近赤外線発光デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/203 20060101AFI20171127BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20171127BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/203 M

   H01L21/205

   H01L21/20

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-37437(P2014-37437)

(22)【出願日】2014年2月27日

(65)【公開番号】特開2015-162605(P2015-162605A)

(43)【公開日】2015年9月7日

【審査請求日】2016年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】間野 高明

(72)【発明者】

【氏名】三石 和貴

(72)【発明者】

【氏名】野田 武司

(72)【発明者】

【氏名】大竹 晃浩

(72)【発明者】

【氏名】ハ ヌル

【審査官】 河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−３２６５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０７４６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−０４５５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１０７０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０７２２０２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１０８８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５８７７５１９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２７８８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０４５８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Ｈ． Ｍｕｎｅｋａｔａ，Lattice Relaxation Of InAs Heteroepitaxy on GaAs，Journal of Crystal Growth，１９８７年，81，237-242

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０３

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面に格子緩和層と被格子緩和層をこの順序で積層したデバイス作製用基板であって、
前記格子緩和層が膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜であり、
前記被格子緩和層がＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜であり、
前記Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌであることを特徴とするデバイス作製用基板。

【請求項2】

前記Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａであり、前記被格子緩和層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）であることを特徴とするデバイス作製用基板。

【請求項3】

前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）の膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とするデバイス作製用基板。

【請求項4】

ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面上に、膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜からなる格子緩和層を形成する工程と、
前記格子緩和層上にＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜（ここで、Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌである。）からなる被格子緩和層を形成する工程と、を有することを特徴とするデバイス作製用基板の製造方法。

【請求項5】

請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス作製用基板のＩｎＧａＡｓ薄膜のデバイス作製面上に、薄膜を積層して、量子井戸構造を形成したことを特徴とする近赤外線発光デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、デバイス作製用基板、その製造方法及び近赤外線発光デバイスに関する。特に、格子歪みがなく、平坦な一面を有するデバイス作製用基板、その製造方法及び近赤外線発光デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

格子歪みがなく、平坦な一面を有するＩｎＧａＡｓ（砒化インジウムガリウム）薄膜は、その上に、バンドギャップ及び格子定数を広い範囲で自由に制御可能なデバイスを構築できる基板として検討されている。特に、高移動度電子半導体デバイスや近赤外発光デバイス等への応用が期待されている。

【0003】

通常、前記ＩｎＧａＡｓ薄膜は、市販されているＧａＡｓ（砒化ガリウム）半導体基板上にエピタキシャル成長させて作製される。
しかし、エピタキシャル成長の際、前記ＩｎＧａＡｓ薄膜の格子定数とＧａＡｓ基板の格子定数の相違により、ＩｎＧａＡｓ薄膜にＧａＡｓ基板との格子不整合に起因する歪みが生じ、更に、貫通転位などの欠陥が伝搬するという問題があった。

【0004】

この問題を解決するために様々な対策が取られてきた。
例えば、特許文献１では、欠損型化合物層である（Ｇａ_２Ｓｅ_３）を界面に導入する事により歪みを緩和し、転位の発生伝搬を抑制している。しかし、Ｓｅを含む化合物の導入は、蒸気圧が高いためにＧａＡｓの品質を大幅に低下させた。

【0005】

特許文献２では、多孔質化したＧａＡｓを界面に導入する事により、転位の抑制を試みている。しかし、多孔質化したＧａＡｓ形成では、複雑なプロセスの導入が必要となり、歩留まりが悪化し、コストを高めた。

【0006】

非特許文献１では、有機気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用い、ＧａＡｓ（１００）基板上に１ミクロン以上の格子緩和層と呼ばれるＩｎＧａＡｓ中間層を導入して、歪みに起因する転位がＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ疑似基板に伝搬するのを防いでいる。しかし、５００ｎｍ以上という非常に厚い格子緩和層を導入する事により、製造コストを増大させるという問題を発生させた。

【0007】

非特許文献２には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用い、ＧａＡｓ（１００）基板上に組成の異なるＩｎＧａＡｓを３層積層することにより、同様に転位がＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ疑似基板に伝搬するのを防いでいる。しかし、３層導入により、製造コストを増大させるという問題を発生させた。また、実用の際には結晶成長に必要なコストと作製の手間を大幅に悪化させた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平７−６６３６６号公報

【特許文献2】特開２００３−８６６０７号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Ｈ．-Ｑ．Ｎｇｕｙｅｎ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ５，（２０１２）０５５５０３．

【非特許文献2】Ｚ．Ｍｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ２６，（２００８）１１５３．

【非特許文献3】Ａ．Ｏｈｔａｋｅ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４，（２０００）４６６５．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、格子歪みがなく、平坦な一面を有するデバイス作製用基板、その簡便な製造方法、上記構造を用いた近赤外線発光デバイスを提供することを課題とする。

【0011】

本発明者は、上記事情を鑑みて、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いてＧａＡｓ（１１１）Ａ基板上に高品質の単結晶ＩｎＡｓ薄膜を結晶成長により形成する研究を行ってきた（非特許文献３）。この研究では、分子線エピタキシー法をもちいて、ＧａＡｓ（１１１）Ａ基板表面上にＩｎＡｓを成長させた場合、成長初期に転位が導入されて急峻に歪みが緩和することにより、高品質で平坦なＩｎＡｓ層を成長可能であることを報告した。そしてその成長の初期において、ＩｎＡｓ表面の面内の格子定数がＧａＡｓからＩｎＡｓへと変化することを報告した。これらの知見に基づいて、試行錯誤を行った結果、ＧａＡｓの（１１１）Ａ面上に、０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ未満の厚さのＩｎＡｓ薄膜（格子緩和層）を導入するだけで、格子歪みがなく、平坦な一面を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ薄膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）（被格子緩和層）を形成することができ、本研究を完成した。また、被格子緩和層の上に量子井戸構造を形成することにより、近赤外域で発光するデバイスを作製できた。
本発明は、以下の構成を有する。

【0012】

（１） ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面に格子緩和層と被格子緩和層をこの順序で積層したデバイス作製用基板であって、前記格子緩和層が膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜であり、前記被格子緩和層がＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜であり、前記Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌであることを特徴とするデバイス作製用基板。

【0013】

（２） 前記Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａであり、前記被格子緩和層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）であることを特徴とするデバイス作製用基板。
（３） 前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）の膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とするデバイス作製用基板。

【0014】

（４） ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面上に、膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜からなる格子緩和層を形成する工程と、前記格子緩和層上にＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜（ここで、Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌである。）からなる被格子緩和層を形成する工程と、を有することを特徴とするデバイス作製用基板の製造方法。

【0015】

（５） （１）〜（３）のいずれかに記載のデバイス作製用基板のＩｎＧａＡｓ薄膜のデバイス作製面上に、薄膜を積層して、量子井戸構造を形成したことを特徴とする近赤外線発光デバイス。

【発明の効果】

【0016】

本発明のデバイス作製用基板は、ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面に格子緩和層と被格子緩和層をこの順序で積層したデバイス作製用基板であって、前記格子緩和層が膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜であり、前記被格子緩和層がＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜（ここで、Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌである。）である構成なので、格子緩和層が被格子緩和層の格子定数の歪みを無くし、被格子緩和層の露出面を二乗平均粗さ０．６５ｎｍ以下で、格子定数の歪みの無い面とすることができ、膜厚を精密に限定して積層膜を形成することができ、所望の量子井戸構造を形成できる。これにより、優れた近赤外線発光デバイスを構築できる。

【0017】

本発明のデバイス作製用基板の製造方法は、ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面上に、膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜からなる格子緩和層を形成する工程と、前記格子緩和層上にＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜（ここで、Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌである。）からなる被格子緩和層を形成する工程と、を有する構成なので、二乗平均粗さ０．６５ｎｍ以下で、格子定数の歪みの無い面を有する被格子緩和層を、非常に薄い格子緩和層を導入するだけで簡単に形成でき、二乗平均粗さ０．６５ｎｍ以下で、格子定数の歪みの無い面を有するデバイス作製用基板を簡便に製造できる。

【0018】

本発明の近赤外線発光デバイスは、先に記載のデバイス作製用基板のＩｎＧａＡｓ薄膜のデバイス作製面上に、薄膜を積層して、量子井戸構造を形成した構成なので、発光波長を近赤外に限定した発光デバイスとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態であるデバイス作製用基板の一例を示す側面図である。

【図2】本発明の実施形態であるデバイス作製用基板の製造方法の一例を示すフローチャート図である。

【図3】本発明の実施形態である近赤外線発光デバイスの一例を示す側面図である。

【図4】ＧａＡｓ（１１１）A基板をインジウムハンダでモリブデン製基板ホルダに貼り付けてから加熱する様子を説明する図である。

【図5】実施例１のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図6】実施例２のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図7】実施例２のデバイス作製用基板のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。

【図8】実施例２のデバイス作製用基板を用いて作製した近赤外線発光デバイスの擬略側面図である。

【図9】実施例２のデバイス作製用基板を用いて作製した近赤外線発光デバイスの発光スペクトルである。

【図10】実施例３のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図11】比較例１のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図12】比較例１のデバイス作製用基板のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。

【図13】比較例２のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図14】比較例１、２の一例を示す断面模式図である。

【図15】比較例３のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図16】比較例４のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図17】比較例３、４の一例を示す断面模式図である。

【図18】比較例５のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図19】比較例５のデバイス作製用基板のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。

【図20】実施例４のデバイス作製用基板のＩｎ_０．５１Ｇａ_０．４９Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図21】実施例４のデバイス作製用基板のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。

【図22】実施例５のデバイス作製用基板のＩｎ_０．７５Ｇａ_０．２５Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図23】実施例５のデバイス作製用基板のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。

【図24】実施例６のデバイス作製用基板のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【図25】実施例６のデバイス作製用基板のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。

【図26】実施例６のデバイス作製用基板を用いて作製した別の近赤外線発光デバイスの擬略側面図である。

【図27】実施例６のデバイス作製用基板を用いて作製した別の近赤外線発光デバイスの発光スペクトルである。

【図28】実施例７のデバイス作製用基板の（ａ）はＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓを５０ｎｍ、（ｂ）はＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓを１００ｎｍ、（ｃ）はＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓを１５０ｎｍ成長した表面のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。

【図29】実施例８のデバイス作製用基板の（ａ）はＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓを５０ｎｍ、（ｂ）はＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓを１００ｎｍ、（ｃ）はＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓを１５０ｎｍ成長した表面のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

（本発明の実施形態）
＜デバイス作製用基板＞
まず、本発明の実施形態であるデバイス作製用基板について説明する。
図１は、本発明の実施形態であるデバイス作製用基板の一例を示す側面図である。
図１に示すように、本発明の実施形態であるデバイス作製用基板３１は、ＧａＡｓ基板１１と、ＧａＡｓバッファ層１２と、ＩｎＡｓ薄膜１３と、ＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜１４とをこの順序で積層してなる。

【0021】

ＩｎＡｓ薄膜１３の膜厚は０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下とされている。ＩｎＡｓ薄膜１３を導入することにより、ＩｎＡｓ薄膜１３がその上に積層されるＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜１４を格子緩和して、格子歪みがなく、平坦な一面を有するＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜１４を形成できる。
０．７ｎｍ未満では、ＩｎＡｓを格子緩和できず、その上に形成するＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜１４も格子緩和できない。そのため、格子歪みがなく、平坦な一面を有するＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜１４を形成できない。例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ は、一定の値まで格子緩和せず（ＧａＡｓの格子定数に合わせたまま）に成長し、その後、格子不整合転位が形成されることにより、表面が著しく荒れる。

【0022】

また、１．８ｎｍ超でも、ＩｎＡｓ薄膜がＩｎＡｓ本来の特性を持ち始め、ＩｎＡｓとＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの間の格子不整合により、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の平坦性を悪化させる。格子歪みがなく、平坦な一面を有するＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜１４を形成できない。

【0023】

ＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜１４は、Ｉｎ_ｘＭ_{（ＩＩＩ）１−ｘ}Ａｓ薄膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）であることが好ましい。これにより、ＩｎＡｓ薄膜の平坦化が実現できる。０．２３未満では格子定数がＧａＡｓと近すぎるために、表面平坦性を悪化させる可能性があり、０．７５超では、格子定数及びバンドギャップがＩｎＡｓバルクと近くなりすぎるため、近赤外域デバイ作製用の基板として適さない。Ｇａの代わりにＡｌを用いた場合においても、同様の効果が期待できる。Ｍ_{（ＩＩＩ）}はＧａ又はＡｌである。

【0024】

ＧａＡｓ基板の（１１１）Ａ面上にＩｎＡｓ薄膜１３を形成してもよいが、ＧａＡｓ基板の（１１１）Ａ面上に成膜されたＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面上にＩｎＡｓ薄膜１３を形成することが好ましい。ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ薄膜１３を成膜する場合に比べて、より清浄化された面にＩｎＡｓ薄膜１３を成膜でき、不純物欠陥等を少なくできるためである。

【0025】

＜デバイス作製用基板の製造方法＞
次に、本発明の実施形態であるデバイス作製用基板の製造方法について説明する。
図２は、本発明の実施形態であるデバイス作製用基板の製造方法の一例を示すフローチャート図である。
図２に示すように、本発明の実施形態であるデバイス作製用基板の製造方法は、ＩｎＡｓ薄膜形成工程Ｓ１と、ＩｎＧａＡｓ薄膜成膜工程Ｓ２と、を有する。

【0026】

（ＩｎＡｓ薄膜形成工程Ｓ１）
まず、ＧａＡｓ基板の（１１１）Ａ面を清浄化する。
次に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で、ＧａＡｓ基板の（１１１）Ａ面上に、ＩｎＡｓ薄膜を膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下で形成する。

【0027】

（ＩｎＧａＡｓ薄膜成膜工程Ｓ２）
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で、ＩｎＡｓ薄膜上にＩｎＧａＡｓ薄膜を成膜する。

【0028】

なお、ＩｎＡｓ薄膜形成工程Ｓ１の前工程として、ＧａＡｓ基板の（１１１）Ａ面を熱処理により酸化膜除去を行う事により清浄化してから、ＧａＡｓ基板の（１１１）Ａ面上にＧａＡｓバッファ層を成膜するＧａＡｓバッファ層成膜工程を設けてもよい。

【0029】

＜近赤外線発光デバイス＞
次に、本発明の実施形態である近赤外線発光デバイスについて説明する。
図３は、本発明の実施形態である近赤外線発光デバイスの一例を示す側面図である。
図３に示すように、本発明の実施形態である近赤外線発光デバイス６１は、デバイス作製用基板３１のＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜１４の一面１４ａ上に、薄膜４１〜５０を積層して、量子井戸構造５１を形成してなる。

【0030】

量子井戸構造５１としては、例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子井戸／Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ構造や、ＩｎＡｓ量子ドット／ＩｎＡｌＧａＡｓ構造を挙げることができる。
所定の波長の発光が可能な材料を選択し、量子井戸での閉じ込め効果を勘案することにより、所望の近赤外域領域で発光させることができる。

【0031】

本発明の実施形態であるデバイス作製用基板は、ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面に格子緩和層と被格子緩和層をこの順序で積層したデバイス作製用基板であって、前記格子緩和層が膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜であり、前記被格子緩和層がＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜（ここで、Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌである。）である構成なので、格子緩和層が被格子緩和層の格子定数の歪みを無くし、被格子緩和層の露出面を二乗平均粗さ０．６５ｎｍ以下で、格子定数の歪みの無い面とすることができ、膜厚を精密に限定して積層膜を形成することができ、所望の量子井戸構造を形成できる。これにより、優れた近赤外線発光デバイスを構築できる。

【0032】

本発明の実施形態であるデバイス作製用基板は、前記Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌである構成なので、ＧａとＡｌの比率を変える事により禁制帯幅を制御できる。

【0033】

本発明の実施形態であるデバイス作製用基板は、前記Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａであり、前記被格子緩和層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）である構成なので、平坦な面であって、格子定数の歪みの無い面を形成することができる。

【0034】

本発明の実施形態であるデバイス作製用基板は、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜（０．２３≦ｘ≦０．７５）の膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である構成なので、平坦な面であって、格子定数の歪みの無い面を形成することができる。

【0035】

本発明のデバイス作製用基板の製造方法は、ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓバッファ層の（１１１）Ａ面上に、膜厚０．７ｎｍ以上１．８ｎｍ以下のＩｎＡｓ薄膜からなる格子緩和層を形成する工程Ｓ１と、前記格子緩和層上にＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ薄膜（ここで、Ｍ_{（ＩＩＩ）}がＧａ又はＡｌである。）からなる被格子緩和層を形成する工程Ｓ２と、を有する構成なので、二乗平均粗さ０．６５ｎｍ以下で、格子定数の歪みの無い面を有する被格子緩和層を、非常に薄い格子緩和層を導入するだけで簡単に形成でき、二乗平均粗さ０．６５ｎｍ以下で、格子定数の歪みの無い面を有するデバイス作製用基板を簡便に製造できる。

【0036】

本発明の近赤外線発光デバイスは、先に記載のデバイス作製用基板のＩｎＧａＡｓ薄膜のデバイス作製面上に、薄膜を積層して、量子井戸構造を形成した構成なので、発光波長を近赤外に限定した発光デバイスとすることができる。

【0037】

本発明の実施形態であるデバイス作製用基板、その製造方法及び近赤外線発光デバイスは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【実施例】

【0038】

（実施例１）
図４は、ＧａＡｓ（１１１）A基板をインジウムハンダでモリブデン製基板ホルダに貼り付けてから加熱する様子を説明する図である。
まず、図４に示すようにＧａＡｓの（１１１）Ａ面基板（市販）をインジウムハンダにより、モリブデン製基板ホルダに貼り付けた。
次に、結晶成長装置の超高真空チャンバー内にこれを配置した。
次に、砒素雰囲気下、裏面のヒーターによりＧａＡｓ基板を約６００℃に加熱して、自然酸化膜を蒸発させた。
次に、砒素雰囲気下、裏面のヒーターによりＧａＡｓ基板を５００℃に加熱して、ガリウムを供給して、（１１１）Ａ面上にＧａＡｓをホモエピタキシャル成長させて、ＧａＡｓバッファ層を形成した。これによりＧａＡｓ（１１１）Ａの清浄表面を得た。

【0039】

次に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、砒素雰囲気下でインジウムを照射して、厚さが０．７ｎｍのＩｎＡｓ層を形成した。
成長条件としては、基板温度４００〜５００℃、砒素分子線強度１〜１０×１０^−５Ｔｏｒｒ程度、Ｉｎ成長速度はＩｎＡｓに換算して０．０６ｎｍ／ｓｅｃ程度とした。

【0040】

次に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、表面の平坦性に優れ、且つ、低欠陥密度であるＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓエピタキシャル薄膜を１５０ｎｍの厚さで形成した。
以上により、実施例１のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ／ＩｎＡｓ（０．６４ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図５は、実施例１のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【0041】

（実施例２）
ＩｎＡｓ層の膜厚を１ｎｍとした他は実施例１と同様にして、実施例２のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図６は、実施例２のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図７は、実施例２のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓに起因する単峰ピークがｘ＝−５．６４４１、ｙ＝７．０２９２に観察される。この２つの数値から面内（11-2）と成長方向（111）の格子定数の比（ｄ_１１１／ｄ_１１−２）が、１．４０５１６３と求まる。無歪みのＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓではこの値は、１．４１４であることから、９９％以上の格子緩和が実現されている。

【0042】

次に、実施例２のデバイス作製用基板のＩｎＧａＡｓ薄膜の一面上に、薄膜を積層して、量子井戸構造を形成して、近赤外線発光デバイスを作製した。
図８は、実施例２のデバイス作製用基板を用いて作製した近赤外線発光デバイスの擬略側面図である。
図９は、実施例２のデバイス作製用基板を用いて作製した近赤外線発光デバイスの発光スペクトルである。

【0043】

（実施例３）
ＩｎＡｓ層の膜厚を１．８ｎｍとした他は実施例１と同様にして、実施例３のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．８ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図１０は、実施例３のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【0044】

（比較例１）
ＩｎＡｓ層を形成しなかった他は実施例１と同様にして、比較例１のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図１１は、比較例１のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図１２は、比較例１のデバイスス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓに起因するピークがｘ＝―５．７２１３、ｙ＝７．００４６にピークが観察される。また、ピークが面内の格子定数がＧａＡｓと一致する方向にも広がっている。このことから、初めに格子緩和していない層が成長した後に一部格子緩和した層が成長されている事が分かる。

【0045】

（比較例２）
ＩｎＡｓ層の膜厚を０．３８ｎｍとした他は実施例１と同様にして、比較例２のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ／ＩｎＡｓ（０．４ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図１３は、比較例２のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図１４は、比較例１、２の一例を示す断面模式図である。

【0046】

（比較例３）
ＩｎＡｓ層の膜厚を３．５ｎｍとした他は実施例１と同様にして、比較例３のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ／ＩｎＡｓ（３．５ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図１５は、比較例３のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。

【0047】

（比較例４）
ＩｎＡｓ層の膜厚を２０．８ｎｍとした他は実施例１と同様にして、比較例４のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ／ＩｎＡｓ（２０．８ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図１６は、比較例４のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図１７は、比較例３、４の一例を示す断面模式図である。

【0048】

（比較例５）
Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ層の膜厚を８０ｎｍとした他は比較例２と同様にして、比較例５のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（８０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図１８は、比較例５のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図１９は、比較例５のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（８０ｎｍ）に起因するピークが観測されるが。面内の格子定数はＧａＡｓ基板と一致しており、全く格子緩和していない層が成長している事が分かる。

【0049】

（実施例４）
ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成をＩｎ_０．５１Ｇａ_０．４９Ａｓとした他は実施例２と同様にして、実施例４のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．５１Ｇａ_０．４９Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図２０は、実施例４のデバイス作製用基板のＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図２１は、実施例４のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。Ｉｎ_０．５１Ｇａ_０．４９Ａｓに起因する単峰ピークがｘ＝―５．５６０９、ｙ＝６．８７９６に観察される。この２つの数値から成長方向と面内方向の格子定数の比（ｄ_１１１／ｄ_１１−２）が、１．４１４５５５と求まる。無歪みのＩｎ_０．５１Ｇａ_０．４９Ａｓではこの値は、１．４１４であることから、９９％以上の格子緩和が実現されている。

【0050】

（実施例５）
ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成をＩｎ_０．７５Ｇａ_０．２５Ａｓとした他は実施例２と同様にして、実施例４のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．７５Ｇａ_０．２５Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図２２は、実施例５のデバイス作製用基板のＩｎ_０．７５Ｇａ_０．２５Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図２３は、実施例５のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。Ｉｎ_０．７５Ｇａ_０．２５Ａｓに起因する単峰ピークがｘ＝―５．４８８、ｙ＝６．７７１４に観察される。この２つの数値から成長方向と面内方向の格子定数の比（ｄ_１１１／ｄ_１１−２）が、１．４１８３１８と求まる。無歪みのＩｎ_０．７５Ｇａ_０．２５Ａｓではこの値は、１．４１４であることから、９９％以上の格子緩和が実現されている。

【0051】

（実施例６）
被格子緩和層をＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓとした他は、実施例２と同様にして、実施例６のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。
図２４は、実施例６のデバイス作製用基板のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ表面の５μｍ×５μｍの領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。
図２５は、実施例６のデバイス作製用基板のＸ線回折（１１５）入射逆格子マッピングの結果である。Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓに起因する単峰ピークがｘ＝―５．５４１７、ｙ＝６．８９９４に観察される。この２つの数値から成長方向と面内方向の格子定数の比（ｄ_１１１／ｄ_１１−２）が、１．４０５６２６と求まる。無歪みのＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓではこの値は、１．４１４であることから、９９％以上の格子緩和が実現されている。

【0052】

次に、実施例６のデバイス作製用基板のＩｎＡｌＡｓ薄膜の一面上に、薄膜を積層して、量子井戸構造を形成して、近赤外線発光デバイスを作製した。
図２６は、実施例６のデバイス作製用基板を用いて作製した近赤外線発光デバイスの擬略側面図である。
図２７は、実施例６のデバイス作製用基板を用いて作製した近赤外線発光デバイスの発光スペクトルである。

【0053】

（実施例７）
被格子緩和層であるＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓの厚さ以外は実施例２と同様にして、実施例７のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（５０ｎｍまたは１００ｎｍまたは１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。図２８は、実施例７のデバイス作製用基板の表面のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍいずれの場合の於いても表面が平坦であることを表すストリークパターンが観察されている。また、図７に示すようにＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）ＡにおいてすべてのＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（１５０ｎｍ）は格子緩和していることから、Ｉｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ（５０ｎｍまたは１００ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａも格子緩和している事がわかる。

【0054】

（実施例８）
被格子緩和層であるＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓの厚さ以外は、実施例６と同様にして、実施例８のデバイス作製用基板「Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（５０ｎｍまたは１００ｎｍまたは１００ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａ」を作製した。図２９は、実施例８のデバイス作製用基板の表面のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍいずれの場合の於いても、表面が平坦であることを表すストリークパターンが観察されている。また、図２５に示すようにＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（１５０ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）ＡにおいてすべてのＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（１５０ｎｍ）は格子緩和していることから、Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（５０ｎｍまたは１００ｎｍ）／ＩｎＡｓ（１．０ｎｍ）／ＧａＡｓ（１１１）Ａも格子緩和している事がわかる。
表１に、各実験条件及び結果をまとめた。

【0055】

【表1】

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明は、デバイス作製用基板、その製造方法及び光ファイバー通信に適合した波長帯の発光を有する近赤外線発光デバイスに関するものであり、情報通信産業、半導体産業等において利用可能性がある。

【符号の説明】

【0057】

１１…ＧａＡｓ基板、１１ａ…（１１１）Ａ面、１２…ＧａＡｓバッファ層、１２ａ…（１１１）Ａ清浄化面、１３…格子緩和層（ＩｎＡｓ薄膜）、１４…被格子緩和層（ＩｎＭ_{（ＩＩＩ）}Ａｓ膜）、１４ａ…デバイス作製面、３１…デバイス作製用基板、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０…薄膜、５１…量子井戸構造、６１…近赤外線発光デバイス。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】