半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法
【課題】本発明は、基板の反りを抑制し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法を提供する。
【解決手段】ｃ面からなる主面１０６を有し、主面に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５と、サファイア基板の主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層１１０と、第１バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層１９０と、を備えた半導体素子が提供される。第１バッファ層は、サファイア基板の凹部の上に設けられた空洞１１０ａを有し、第１バッファ層は、第１領域１１０ｅと、第１領域とサファイア基板との間に設けられ第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域１１０ｆと、を有する。
【解決手段】ｃ面からなる主面１０６を有し、主面に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５と、サファイア基板の主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層１１０と、第１バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層１９０と、を備えた半導体素子が提供される。第１バッファ層は、サファイア基板の凹部の上に設けられた空洞１１０ａを有し、第１バッファ層は、第１領域１１０ｅと、第１領域とサファイア基板との間に設けられ第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域１１０ｆと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、半導体発光素子やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）素子等の各種の半導体素子に用いられている。このような窒化物半導体において、例えば用いられるサファイア基板とその上に形成される窒化物半導体との間の熱膨張係数などの差によってウェーハの反りやウェーハの割れが発生するという問題がある。
【０００３】
そして、窒化物半導体を用いた半導体発光素子である近紫外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子（例えば発光波長が例えば４００ｎｍ未満）は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、効率が低いことが問題となっている。
【０００４】
効率が低いことの原因の１つは、サファイア基板とＧａＮ結晶との間の格子不整合による高密度の貫通転移である。これに対し、本発明者は、従来の低温成長のＡｌＮまたはＧａＮ等に代わりに、基板界面側に炭素または水素を高濃度で含む高温成長の厚膜の単結晶ＡｌＮ（Ａｌ組成のＡｌＧａＮを含む）をバッファ層として用いることにより、その上に成長するＧａＮ層の結晶品質を大幅に改善でき、高効率の発光素子が作製できることを見いだしている（例えば、特許文献１参照）。この方法を用いて作製した素子において、可視ＬＥＤに匹敵する７０％を超える内部発光効率を実現している。
【０００５】
しかし、この場合でも、サファイアとＧａＮ系混晶とで屈折率が異なるため、界面に斜めに入射する発光が反射され、結果として効率が半分近くに低下する。
【０００６】
一方、青色ＬＥＤ等の可視ＬＥＤにおいては、表面に二次元的に配置された凹凸を形成したサファイア基板の上に、低温成長の薄膜のＡｌＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ等の低温成長のバッファ層を介してＧａＮ層を成長して、平坦化した表面上に素子部を形成することにより、界面反射の影響を低減し、高効率化が図られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
しかし、この薄膜の低温成長のバッファ層を用いた手法を厚膜の高温成長単結晶バッファ層に適用することは困難である。すなわち、ＡｌＮやＡｌＧａＮは成長の方向の選択性が低いため、異なる方向の面を有する凹凸の結晶面に異なる方位の結晶が成長する結果、成長した結晶が多結晶となるためである。
【０００８】
このように、表面に二次元的に配置された凹凸が形成されたサファイア基板上に、高温成長の厚膜の単結晶性のＡｌＮ（高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを含む）の層を形成する技術は知られておらず、界面反射の影響を低減して光取り出し効率が高めつつ、内部発光効率の高い半導体装置を実現することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３６４８３８６号公報
【特許文献２】米国特許第６８７０１９１Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、基板の反りを抑制し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、前記第１バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、を備え、前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体素子が提供される。
【００１２】
また、本発明の他の一態様によれば、上記の半導体素子と、前記半導体素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換層と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１３】
また、本発明の他の一態様によれば、ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、を備えた半導体ウェーハであって、前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体ウェーハが提供される。
【００１４】
また、本発明の他の一態様によれば、ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板の前記主面の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第１層をエピタキシャル成長し、前記第１層の上に、前記１の温度よりも高い第２の温度と、前記第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第２層をエピタキシャル成長し、前記第２層の上に、前記第２の温度よりも高い第３の温度と、前記第１のＶ族／III族比と前記第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第３層をエピタキシャル成長して、前記凹部の上に空洞を形成し、前記空洞を前記第１層、前記第２層及び前記第３層の少なくともいずれかで覆うことを特徴とする半導体結晶の成長方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板の反りを抑制し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の要部の構成を例示する顕微鏡写真図である。
【図３】第１の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
【図４】第２の比較例のＡｌＮ層とＧａＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
【図５】第３の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の動作を例示する模式図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
以下では、本発明の第１の実施形態を半導体発光素子に適用した場合について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子１１は、サファイア基板１０５と、サファイア基板１０５の主面１０６の上に設けられた第１バッファ層１１０と、第１バッファ層１１０の上に設けられた窒化物半導体からなる半導体層１９０と、を備える。
【００１９】
本具体例では、半導体層１９０は、第１バッファ層１１０の上に設けられた第２バッファ層１２０と、第２バッファ層１２０の上に設けられたｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０の上に設けられた発光層１５０と、発光層１５０の上に設けられたｐ型半導体層１６０と、を有する。
【００２０】
そして、半導体素子１１は、ｎ型半導体層１４０に電気的に接続された第１電極（ｎ側電極１４０ｅ）と、ｐ型半導体層１６０に電気的に接続された第２電極（ｐ側電極１６０ｅ）と、をさらに備えている。
【００２１】
サファイア基板１０５の主面１０６は、サファイアのｃ面とされる。すなわち、主面１０６は、サファイアのｃ面に対して実質的に平行である。
【００２２】
ここで、本願明細書において、「平行」及び「垂直」は、それぞれ厳密な平行及び垂直を含む他、例えば製造工程におけるのばらつきを含み、実質的に平行である状態及び実質的に垂直である状態を含む。
【００２３】
サファイア基板１０５の主面１０６の法線と、サファイアのｃ面の法線と、の角度に関して望ましい条件に関しては後述する。
【００２４】
そして、サファイア基板１０５は、主面１０６に設けられた凹部１０５ａを有する。凹部１０５ａは、主面１０６において二次元的に配置されている。
【００２５】
第１バッファ層１１０は、結晶性のＡｌＮからなる。ただし、ＡｌＮに例えばＧａＮがドーピングされたものを用いても良い。すなわち、第１バッファ層１１０には、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを含む結晶性のＡｌＮが用いられる。後述するように、第１バッファ層１１０はバッファ層として機能する。
【００２６】
第１バッファ層１１０は、空洞１１０ａを有する。空洞１１０ａは、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに対応した位置に設けられている。すなわち、空洞１１０ａは、凹部１０５ａの上に設けられている。
【００２７】
第１バッファ層１１０の上面（主面１０６とは反対側の面）は、実質的に平坦である。すなわち、第１バッファ層１１０の下面（主面１０６の側の面）においては空洞１１０ａが設けられ、第１バッファ層１１０の下面は凹凸を有するが、第１バッファ層１１０の上面は、第１バッファ層１１０の下面の側に空洞１１０ａがあることの影響を受けず、平坦な面となっている。例えば、第１バッファ層１１０の上面は、原子レベルで平坦化されている。
【００２８】
すなわち、空洞１１０ａは、第１バッファ層１１０の上面で塞がれている。第１バッファ層１１０の上面において、空洞１１０ａは実質的に開口しておらず、また、例えば、第１バッファ層１１０の上面には、空洞１１０ａに起因した凹凸が実質的に無い。
【００２９】
そして、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５の側の炭素濃度は、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５とは反対側の濃度よりも高い。
【００３０】
すなわち、第１バッファ層１１０は、第１領域１１０ｅと、第１領域１１０ｅとサファイア基板１０５との間に設けられ第１領域１１０ｅよりも炭素濃度が高い第２領域１１０ｆと、を有する。本具体例では、第１領域１１０ｅは、図１に例示した第２層１１２及び第３層１１３であり、第２領域１１０ｆは、図１に例示した第１層１１１である。
【００３１】
第２バッファ層１２０は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる。第２バッファ層１２０は、第１バッファ層１１０とｎ型半導体層１４０との間の格子歪みを緩和させる。
【００３２】
以下、半導体素子１１の具体例を説明する。
サファイア基板１０５としては、ｃ面を主面１０６とするサファイア基板が用いられる。ｃ面の法線とサファイア基板１０５の法線との角度の差は、例えば０．０５度以下とすることが望ましい。サファイア基板１０５の主面１０６には、例えば、径が２．０μｍ（マイクロメートル）で深さが１μｍの凹部１０５ａが、例えば１．５μｍの間隔で設けられている。
【００３３】
このサファイア基板１０５の主面１０６の上に第１バッファ層１１０が設けられている。
第１バッファ層１１０は、例えば、第１層１１１と、第１層１１１の上に設けられた第２層１１２と、第２層１１２の上に設けられた第３層１１３と、を有する。
【００３４】
第１層１１１は、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層である。第１層１１１における炭素濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３とされ、第１層１１１の厚さは、例えば３ｎｍ（ナノメートル）〜２０ｎｍとされる。
【００３５】
第２層１１２は、高純度第１ＡｌＮバッファ層である。第２層１１２における炭素濃度は、例えば１×１０１6ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされ、第２層１１２の厚さは、例えば０．２μｍ〜０．５μｍとされる。
【００３６】
第３層１１３は、高純度第２ＡｌＮバッファ層である。第３層１１３における炭素濃度は、例えば１×１０１6ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされ、第３層１１３の厚さは、例えば１．５μｍ〜３．０μｍとされる。
【００３７】
第１バッファ層１１０の上に第２バッファ層１２０が設けられる。第２バッファ層１２０は、ノンドープＧａＮバッファ層である。第２バッファ層１２０の厚さは、例えば２μｍである。
【００３８】
第２バッファ層１２０の上にｎ型半導体層１４０が設けられる。ｎ型半導体層１４０は、第２バッファ層１２０の上に設けられたＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の上に設けられたＳｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２と、を有する。
【００３９】
Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１におけるＳｉ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３〜２×１０１９ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の厚さは、例えば４μｍとされる。
【００４０】
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２におけるＳｉ濃度は、例えば２×１０１８ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２の厚さは、例えば０．０２μｍとされる。
【００４１】
なお、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の一部の面が露出し、後述するｎ側電極１４０ｅが設けられる。
【００４２】
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２の上に、発光層１５０が設けられる。発光層１５０は、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２とＧａＩｎＮ井戸層１５１とが交互に８周期積層されてなる多重量子井戸構造を有している。
【００４３】
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２におけるＳｉ濃度は、例えば１．２×１０１９ｃｍ−３〜２．１×１０１９ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２の厚さは、例えば９．０ｎｍとされる。
【００４４】
ＧａＩｎＮ井戸層１５１における発光波長のピーク波長は、例えば３８３ｎｍであり、ＧａＩｎＮ井戸層１５１の厚さは、例えば４．５ｎｍとされる。
【００４５】
発光層１５０のサファイア基板１０５とは反対の側の最終のバリア層としては、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３が設けられる。
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３におけるＳｉ濃度は、例えば１．２×１０１９ｃｍ−３〜２．１×１０１９ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３の厚さは、例えば４．５ｎｍとされる。
【００４６】
このような発光層１５０の発光波長のピーク波長は、３７０ｎｍ以上４００ｎｍ未満である。
【００４７】
本具体例においては、発光層１５０の上に、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５が設けられる。低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５におけるＳｉ濃度は、例えば１×１０１５ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３とされ、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５の厚さは、例えば４．５ｎｍとされる。
【００４８】
低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５の上にｐ型半導体層１６０が設けられる。ｐ型半導体層１６０は、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５の上に設けられたＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の上に設けられたＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２と、を有する。
【００４９】
Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の下側（サファイア基板１０５の側、すなわち、発光層１５０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば２×１０１９ｃｍ−３であり、上側（サファイア基板１０５とは反対の側、すなわち、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の側）におけるＭｇ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３とされる。Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の厚さは、例えば２４ｎｍとされる。
【００５０】
Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の下側（サファイア基板１０５の側）におけるＭｇ濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３であり、上側（サファイア基板１０５とは反対の側）におけるＭｇ濃度は、５×１０１９ｃｍ−３〜９×１０１９ｃｍ−３とされる。Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の厚さは、例えば０．３μｍとされる。
【００５１】
これらの各層は、サファイア基板１０５の上に、例えば有機金属気相成長法を用いて順次積層される。
【００５２】
なお、第１バッファ層１１０（第１〜第３層１１１〜１１３）は、サファイア基板１０５との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。すなわち、サファイア基板１０５の凹部１０５ａを含めて、表面を原子レベルで平坦化し、第１バッファ層１１０の上に成長する第２バッファ層１２０（ＧａＮ格子歪緩和層）における欠陥低減と歪緩和の効果を最大にする。
このために、第１バッファ層１１０の厚さは、１．０μｍ以上が望ましく、２．０μよりも厚くすることがさらに望ましい。
【００５３】
一方、サファイア基板１０５と第１バッファ層１１０との歪みによるそりを防止するためには、第１バッファ層１１０の厚さは６μｍ以下が望ましい。
【００５４】
図１に例示したように、第１バッファ層１１０の下面には、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに起因した空洞１１０ａが形成されている。この空洞１１０ａは、サファイア基板１０５の側に向かって拡開している。すなわち、空洞１１０ａの側面１１０ｓは、逆テーパ状の形状を有する。
【００５５】
そして、空洞１１０ａの径は、上側に行くほど狭くなっている。すなわち、空洞１１０ａを主面１０６に対して平行な平面で切断したときの空洞１１０ａの幅は、サファイア基板１０５とは反対の側の方がサファイア基板１０５の側よりも狭い。すなわち、空洞１１０ａは、砲弾の形状を有し、その砲弾の形状は、砲弾の先がサファイア基板１０５とは反対の側を向いた形状である。
【００５６】
空洞１１０ａのサファイア基板１０５の側の径は、例えば、サファイア基板１０５に設けられる凹部１０５ａの径以下となる。すなわち、例えば、凹部１０５ａの径が２．０μｍである場合は、空洞１１０ａのサファイア基板１０５の側の径は、例えば、１．３μｍである。そして、空洞１１０ａの長さ（サファイア基板１０５の主面１０６に対して垂直な方向の長さ）は、例えば、１．５〜４．５μｍである。
【００５７】
そして、空洞１１０ａの上側（サファイア基板１０５とは反対の側）の面における曲率は、発光層１５０の発光波長のピーク波長以下である。
【００５８】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の要部の構成を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図は、半導体素子１１において、サファイア基板１０５の上に第１バッファ層１１０を形成した後の第１バッファ層１１０の走査電子顕微鏡写真図である。同図（ａ）は、サファイア基板１０５及び第１バッファ層１１０を斜め方向から撮影した写真であり、同図（ｂ）は、サファイア基板１０５及び第１バッファ層１１０の断面を、断面に対してほぼ垂直な方向から撮影した写真である。
【００５９】
図２（ａ）及び（ｂ）に表したように、サファイア基板１０５の表面に凹部１０５ａが形成されている。そして、サファイア基板１０５の上に第１バッファ層１１０が形成されている。そして、凹部１０５ａの上に、砲弾の形状の空洞１１０ａが形成されている。そして、第１バッファ層１１０の上面は平坦である。
【００６０】
そして、空洞１１０ａは第１バッファ層１１０の上面において露出していない。すなわち、空洞１１０ａは、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５とは反対の側の面で塞がれている。
【００６１】
このように、第１バッファ層１１０において、サファイア基板１０５の上に設けられた凹部１０５ａに対応して配置され、上面が第１バッファ層１１０によって塞がれた空洞１１０ａが設けられている、このような空洞１１０ａは、例えば、以下のようにして形成することができる。
【００６２】
すなわち、第１のＶ族／III族比と第１の温度によって第１層１１１をエピタキシャル成長し、その上に、第１の温度よりも高い第２の温度と第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比とによって第２層１１２をエピタキシャル成長し、その上に、第２の温度よりもさらに高い第３の温度と、第１のＶ族／III族比と第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、によって第３層１１３をエピタキシャル成長する。これにより、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの上に空洞１１０ａを形成し、そして、空洞１１０ａを第１〜第３層１１１〜１１３で覆う。なお、上記のＶ族／III族比は、例えば、結晶成長させるときの原料ガスのアンモニア供給量／Ａｌ原料供給量の比である。
【００６３】
すなわち、第３層１１３の形成の際のＶ族／III族比を、第１層１１１及び第２層１１２のときの間に下げると供に、温度を、第１層１１１及び第２層１１２よりもさらに高温にすることによって、Ａｌ原子の移動度が高まるため、横方向（主面に対して平行な方向）の成長が加速される。これにより、空洞１１０ａの径が、ＡｌＮ層を成長していくと供に小さくなり、空洞１１０ａが塞がれ、第１バッファ層１１０の上面が平坦化される。
【００６４】
なお、高いＶ族／III族比の第２層１１２（高純度第１ＡｌＮバッファ層）によって、ＡｌＮの結晶品質が高まっているため、第３層１１３を成長させる際の高温下でもサファイア基板１０５の変性は抑制される。
【００６５】
このように、本実施形態に係る半導体素子１１における第１バッファ層１１０は、サファイア基板１０５の主面１０６の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第１層１１１と、第１層１１１の上に、第１の温度よりも高い第２の温度と、第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第２層１１２と、第２層１１２の上に、第２の温度よりも高い第３の温度と、第１のＶ族／III族比と第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第３層１１３と、を有する。
【００６６】
これにより、第１バッファ層１１０によって上部が塞がれ、砲弾の形状の空洞１１０ａを有し、上面が平坦化された第１バッファ層１１０を形成することができる。
【００６７】
本発明者は、深さが０．５μ〜２μｍの凹凸加工を施したサファイア基板上に、高温にて単結晶ＡｌＮを形成し、さらにこの上にＧａＮを成長する実験を行った。この実験結果を、比較例として説明する。
【００６８】
（第１の比較例）
第１の比較例では、低温成長バッファを用いた青色ＬＥＤなどで採用される台形の凸部を形成したサファイア基板上に単結晶ＡｌＮ層を形成した。
図３は、第１の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
図３に表したように、第１の比較例においては、サファイア基板１０５の上の台形の凸部１０５ｂの側面に、基準となるｃ軸とは異なる方位のＡｌＮ微結晶１１０ｐが放射状に形成された。そして、ＡｌＮ層１１０ｘの下部には、複雑な形状の空洞１１０ｙが形成された。また、凸部１０５ｂを起点にして広がるｃ軸方位の結晶間にも隙間が広く形成され、合体することはなく、ＡｌＮ層１１０ｘは全体として多結晶状態となった。
【００６９】
（第２の比較例）
第２の比較例では、凹部１０５ａを形成したサファイア基板の上に単結晶ＡｌＮ層を形成した。この時、ＡｌＮ層の成膜条件が本実施形態の場合と異なり、第３層１１３の形成の際に、Ｖ族／III族比が、第１層１１１及び第２層１１２のときと同様に高く、そして、成長温度は、第２層１１２と同じ温度であり、比較的低い温度である。
【００７０】
図４は、第２の比較例のＡｌＮ層とＧａＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ＡｌＮ層の上面及びＡｌＮ層の断面を例示している。同図（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、ＡｌＮ層の上に形成されたＧａＮ層の上面及び断面を例示している。なお、この場合のＡｌＮ層の厚さは２μｍである。
【００７１】
図４（ａ）及び（ｂ）に表したように、第２の比較例の場合には、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの上において、単結晶のＡｌＮ層１１０ｘに凹部１１０ｚが形成されている。すなわち、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの側壁を基点として単結晶のＡｌＮ層１１０ｘが成長している。そして、さまざまな配向のＡｌＮ微結晶１１０ｐは、凹部１０５ａの底部から成長したｃ軸配向の結晶と、サファイア基板１０５の凹部１０５ａ以外の表面から横方向に成長したｃ軸配向の結晶の間の狭い範囲に閉じ込められている。ただし、単結晶のＡｌＮ層１１０ｘの上面において、凹部１１０ｚは塞がれることなく、凹部１１０ｚは開口している。
【００７２】
このような構造の単結晶のＡｌＮ層１１０ｘの上に成長させたＧａＮ層の結晶は、方位の異なるＡｌＮ微結晶１１０ｐの影響をあまり受けることなく、比較的高品質の結晶を成長できる。
【００７３】
しかしながら、図４（ｃ）及び（ｄ）に表したように、ＧａＮ層１２０ｘには、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚに対応した空洞１２０ｙが形成されている。そして、ＧａＮ層１２０ｘの表面には、高密度のピット１２０ｚ（穴）が認められた。このようなＧａＮ層１２０ｘの上に、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、ｐ型半導体層１６０、ｎ側電極１４０ｅ及びｐ側電極１６０ｅを形成して発光素子を作製した場合には、このピット１２０ｚにおいて例えば電極材料が拡散し、短絡等の不良や信頼性劣化の要因となる。
【００７４】
このＧａＮ層１２０ｘの表面のピット１２０ｚは、サファイア基板１０５の上にＡｌＮ層１１０ｘを成長させるときのＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面の形状に大きく依存する。すなわち、特に、ＡｌＮ層１１０ｘの上面付近において、凹部１１０ｚの径が層厚方向の中央部よりも狭いとき、すなわち、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面が逆テーパ状の側面のときにピット１２０ｚの大きさと数が抑制されることがわかった。
【００７５】
これは、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面から成長するＧａＮ結晶の成長方向が下方の成分を含むため、凹部１１０ｚの開口を縮小するようにＧａＮ層１１０ｘが成長し、これにより、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの上部に与える影響を抑制するためであると考えられる。
【００７６】
そして、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面を逆テーパ状にすることで、ピット１２０ｚの生成が抑制され、その上に形成された発光素子は正常に動作した。
【００７７】
しかしながら、その発光素子の発光効率は、通常の発光素子に対して数％程度改善されるものの、大きくは改善しなかった。この構成の場合には、ＧａＮ層１２０ｘを成長させたウェーハは全体的に褐色に着色しており、この着色が発光効率の改善を妨げていると考えられた。このウェーハの着色は、ＡｌＮ層１１０ｘに形成される凹部１１０ｚの部分に形成された低品質のＧａＮ結晶が光吸収源になることに起因している。この吸収は、波長が４００ｎｍ未満の近紫外域では特に問題となる。
【００７８】
このため、ＡｌＮ層１１０ｘに形成される凹部１１０ｚを、ＡｌＮ層１１０ｘの表面に開口させないことが重要であると考えられた。
【００７９】
（第３の比較例）
第３の比較例では、ＡｌＮ層１１０ｘの層厚を６μｍと、第２の比較例に対して３倍に厚くして、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚをＡｌＮ層１１０ｘで覆うことを試みたものである。
図５は、第３の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ＡｌＮ層の上面及びＡｌＮ層の断面を例示している。
【００８０】
図５（ａ）及び（ｂ）に表したように、ＡｌＮ層１１０ｘの層厚を厚くしても、凹部１１０ｚは、ＡｌＮ層１１０ｘの上面に開口したままであり、凹部１１０ｚの開口の解消は困難であった。
【００８１】
ＡｌＮ層１１０ｘの成長の際に、螺旋転位などの貫通転位は成長方向に伝播するため、横方向成長により表面開口部に集まる。このため、表面開口部付近に強い歪が集中する結果、開口部が形成されていると考えられる。この効果は、本実施形態に係る半導体素子１１における円状（すなわち主面１０６に対して垂直な平面で切断した時の形状が円状）の凹部１１０ａの様に、開口部の形状の対称性が高いときに特に強いと考えられる。
【００８２】
図５（ａ）に例示したように、凹部１１０ｚの開口部の形状は必ずしも円ではない。特に、サファイア基板１０５の結晶方位がｃ面からずれた場合には、凹部１１０ｚの開口部の形状は複雑な形状となり、凹部１１０ｚが残留し易いことがわかった。これは、ＡｌＮ層１１０ｘの結晶中の歪が不均一になり、歪が局所的に集中するためと考えられる。
【００８３】
これに対して、図２に例示したように、本実施形態に係る半導体素子１１における第１バッファ層１１０（ＡｌＮ層）においては、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに対応した空洞１１０ａが形成され、すなわち、上記の凹部１１０ｚが第１バッファ層１１０に覆われており、第１バッファ層１１０の表面に開口していない。これにより、第１バッファ層１１０の上に形成されるＧａＮ結晶（第２バッファ層１２０）の品質が向上し、ウェーハの着色が解消でき、高い発光効率を達成できる。
【００８４】
すなわち、上記の第２及び第３の比較例におけるＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚのＡｌＮ層１１０ｘの表面における開口部の残留状況は、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの径にも依存するが、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面の形状に大きく依存する。ＡｌＮ層１１０ｘの下側（サファイア基板１０５の側）から層厚方向の中央部にかけての凹部１１０ｚ（空洞１１０ａ）の径がほぼ一定であり、中央部から上側（サファイア基板１０５とは反対の側）にかけての径が急速に縮小する場合に、凹部１１０ｚの開口部が形成され難いことが分かった。すなわち、凹部１１０ｚ（空洞１１０ａ）の壁面が逆テーパ状で、凹部１１０ｚ（空洞１１０ａ）が砲弾の形状を有している場合に、開口部が形成され難い。
【００８５】
このような側面形状は、例えば、ＡｌＮ層の成長初期にＶ族／III族比を極端に低下させて第１層１１１（高炭素濃度層）を成長した後に、成長温度を高温化しつつＶ族／III族比を一旦高くして第２層１１２を成長し、その後、さらに成長温度を高めると供にＶ族／III族比を低くして第３層１１３を成長することにより形成できる。
【００８６】
すなわち高いＶ族／III族比においては、ＡｌＮ結晶は垂直方向に成長する。このため、垂直方向に伸びる螺旋転位間の反応が促進され結晶品質が急速に高まる。また、ＡｌＮ結晶の側面は、主面１０６に対して垂直に近く、応力集中が抑止される。
【００８７】
低いＶ族／III族比では、ＡｌＮ結晶は水平方向に成長し易く、高品質化されたＡｌＮ結晶の表面付近が優先的に横方向に成長する。そして、凹部１０５ａの上端の会合部の結晶品質が高いことと、会合部が上下に薄いために歪が逃げ易く集中しないため、開口の発生が抑制される。さらに、サファイア基板１０５の熱損傷が問題とならない間に成長温度をさらに高めることにより、ＡｌＮ結晶の横方向の成長がより促進され、結晶品質が高まる。
【００８８】
これにより、本実施形態に係る半導体素子１１においては、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａが第１バッファ層１１０の上面で塞がれ、第１バッファ層１１０の上面は平坦化され、この上に成長させる例えばＧａＮ結晶を高品質にすることができる。半導体素子１１によれば、凹凸を有するサファイア基板上に高温成長の単結晶性ＡｌＮバッファ層を形成し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が提供できる。
【００８９】
本実施形態に係る半導体素子１１において、用いられるサファイア基板１０５における結晶方位ずれは、少なくとも０．３度以内が必要であり、第１バッファ層１１０のより均一な平坦化のためには、０．1５度以内が望ましい。すなわち、サファイア基板１０５における結晶方位は、第１バッファ層１１０の成長の途中で形成される凹部１１０ｚの上部の歪分布に影響すると考えられる。サファイア基板１０５における結晶方位ずれを上記のように制御することで、凹部１１０ｚの上部の歪分布を均一化でき、凹部１１０ｚの開口の径を効率的に縮小することができる。
【００９０】
第１バッファ層１１０を形成する際のＡｌＮ結晶の成長初期で、高炭素濃度の第１層１１１を形成することは、凹部１１０ｚを形成する基となる螺旋転位の低減のために、必須である。
【００９１】
なお、第１バッファ層１１０の厚さは、結晶品質的には１μｍ以上あれば十分であるが、凹部１１０ｚを消滅させ第１バッファ層１１０の上面を平坦化するためには、２μｍ以上とすることが望ましい。
【００９２】
本実施形態に係る半導体素子１１において、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａは、ウェーハの反り及びウェーハの割れを抑制することに大きな効果がある。。特に、空洞１１０ａは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。。特に、空洞１１０ａは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。
【００９３】
すなわち、半導体素子１１を形成する際に、サファイア基板１０５上にＡｌＮからなる第１バッファ層１１０を形成する際に、空洞が無い場合には、サファイア基板１０５と第１バッファ層１１０との間の熱膨張係数の差などに起因する応力により、ウェーハ（サファイア基板１０５と第１バッファ層１１０との積層体）に反りが発生し、また、割れが発生することがある。この時、第１バッファ層１１０に空洞１１０ａを設けることで、この応力が抑制され、ウェーハの反り及びウェーハの割れの発生を大幅に抑制できる。このような効果は、例えば、第１バッファ層１１０の上にＧａＮ結晶を成長させ、それを用いた例えばＨＥＭＴ素子などを作製する際にも大きな効果を発揮し、高い歩留まりの半導体素子及びその製造方法を提供できる。
【００９４】
このようなウェーハの反り及び割れの抑制の観点からは、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａによる歪緩和効果を考慮すると、第１バッファ層１１０の厚さは、５μｍ以下が望ましく、３μｍ以下とすることがさらに望ましい。
【００９５】
このためには、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの径を６μｍ以下とすることが望ましい。凹部１０５ａの形成の際の加工の容易さを考慮すると、凹部１０５ａの径は、０．５μｍ〜６μｍに設定すれば良い。凹部１０５ａの上に形成されるＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚにおけるＡｌＮ結晶の横方向の成長速度は、縦方向の半分程度のためである。
【００９６】
サファイア基板１０５に設けられる凹部１０５ａの密度は、半導体素子１１における光散乱効果のためには高い方が望ましい。この観点から、凹部１０５ａどうしの間隔は、凹部１０５ａの径の１．５倍以下が望ましい。
【００９７】
サファイア基板１０５上のＡｌＮ成長機構において、ＡｌＮ結晶の成長初期に形成された微結晶が合体して低欠陥化し、ＡｌＮにおいて最終的に約０．５μｍの周期の構造が形成される。この低欠陥化過程を阻害しないためには、凹部１０５ａどうしの間隔は、０．５μｍ以上にすることが望ましい。
【００９８】
以上から、面方位ずれが０．１５度以内のｃ面を主面１０６とするサファイア基板１０５上に、径が１．５μｍ〜５．０μｍ程度で、相互の間隔が０．５μｍ〜４．０μｍ程度の凹部１０５ａを形成することが望ましい。
【００９９】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の動作を例示する模式図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る半導体素子１１における光の特性を例示している。
図６に表したように、第１バッファ層１１０中に砲弾の形状の空洞１１０ａを設けることで、発光層１５０から発光した光は、第１バッファ層１１０とサファイア基板１０５との界面において効率的に反射され、サファイア基板１０５の下方（主面１０６とは反対の側の方向）に効率的に取り出される。
【０１００】
例えば、主面１０６に対して比較的垂直な方向で進行する光Ｌ１は、空洞１１０ａを透過し、サファイア基板１０５を通過して、半導体素子１１の外部に取り出される。
【０１０１】
そして、主面に対して比較的浅い角度で進行する光Ｌ２は、例えば、第１バッファ層１１０の下面（すなわち、第１層１１１とサファイア基板１０５との界面）及び空洞１１０ａの表面で反射され、上方向に進行し、例えば、図示しないｎ側電極１４０ｅまたはｐ側電極１６０ｅで反射して、サファイア基板１０５に向けて再度進行して、外に取り出される。
【０１０２】
そして、主面に対してさらに比較的浅い角度で進行する光Ｌ３は、例えば、空洞１１０ａで屈折して、上方向に進行し、ｎ側電極１４０ｅまたはｐ側電極１６０ｅで反射して、サファイア基板１０５に向けて再度進行して、外に取り出される。
【０１０３】
すなわち、半導体素子１１においては、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａが、上側の先端部がとがった形状であり、中央部及び下側が緩やかな曲面の形状であり、これにより、発光層１５０から放射する光（光Ｌ１〜Ｌ３）を、主面１０６の法線に沿った方向に、効果的に反射または屈折させる。
【０１０４】
この時、空洞１１０ａの内部には、結晶方位の異なる低品位のＡｌＮ結晶が存在するが、ＡｌＮは十分バンドギャップが広いため光吸収損失は無視でき、光散乱効果を発揮する。そして、第１バッファ層１１０の上面は平坦化しているため、この上に設けられる第２バッファ層１２０であるＧａＮ層の結晶品位は高く、着色されておらず、実質的に光を吸収しない。
【０１０５】
上記のように、第１バッファ層１１０の空洞１１０ａにおけるＡｌＮ層１１０ｘの側面の形状を逆テーパ状にし、発光層１５０からの斜め入射光を垂直な方向へと反射または屈折させる。この空洞１１０ａの形状は、第１バッファ層１１０の結晶成長時のＶ族／III族比の制御によって形成される。第１バッファ層１１０の空洞１１０ａは、サファイア基板１０５と反対側の先端が発光波長以下の曲率の形状を有しており、屈折率が等価的に徐々に変化するため、反射を防ぐ働きがあり、発光層１５０で発光した光を効率的に取り出すことができる。
【０１０６】
これにより、半導体素子１１においては、高い発光効率を達成できる。すなわち、半導体素子１１においては、電流値が２０ｍＡの時に２１ｍＷが得られ、これは、平坦なサファイア基板上に形成した半導体素子に比較して、１．２倍の発光効率である。
【０１０７】
この方法を用いて作製した素子ウェーハを用いることにより、特別な後工程を用いることなく、例えば４００ｎｍよりも短波長の高性能紫外域発光素子を、高歩留まりかつ低コストで生産できる。
【０１０８】
なお、後述するように、このような半導体素子１１を蛍光体と組みあわせて例えば白色光を発光する半導体装置を作製することができる。この時、半導体素子１１のサファイア基板１０５の下側（主面１０６とは反対の側）から、蛍光体で波長変換されて生成された光がサファイア基板１０５に入射する。この時、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの底面を実施的に平面にすることで、蛍光体で生成された光が凹部１０５ａの底面で反射し、サファイア基板１０５よりも第１バッファ層１１０の側に進行して第１バッファ層１１０の側の種々の層によって吸収されることを抑制する。これにより、半導体素子１１を蛍光体と組みあわせた半導体装置において高い発光効率を実現することができる。
【０１０９】
なお、第１バッファ層１１０の上に設けられる第２バッファ層１２０（ＧａＮ格子歪緩和層）は、第１バッファ層１１０の上における３次元島状成長により、欠陥低減と歪緩和の役割を果たす。第２バッファ層１２０の成長表面の平坦化には、第２バッファ層１２０の平均の厚さは、１μｍ以上とすることが望ましい。第２バッファ層１２０における結晶品質の再現性と、そりの低減の観点からは、第２バッファ層１２０の平均的な厚さは、１〜３μｍが適切である。
【０１１０】
上記のような第１バッファ層１１０及び第２バッファ層１２０を採用することで、従来の低温成長バッファ層と比較して、転位密度は１／１０以下となる。
【０１１１】
このため、第２バッファ層１２０の上に設けられる各種の半導体層の成長において、通常は異常成長のために採用困難な高い成長温度と高いＶ族/III族比を用いた結晶成長が可能となる。このため、素子構造部における点欠陥の発生が抑制され、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮやバリア層に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【０１１２】
以下、本実施形態に係る半導体素子１１の製造方法に一例について説明する。
先ず、例えば、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより凹部１０５ａが形成されたサファイア基板１０５を、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor deposition）装置のヒーターを兼ねたサセプタ上に載置する。
【０１１３】
ＭＯＣＶＤ装置のガス導入管から、高純度水素（Ｈ２）を主体としたガスを、毎分３×１０−２ｍ−３の流量で導入し、チャンバ内の大気を置換した後に、内部の圧力を１０〜３０ｋＰａの範囲に設定する。
【０１１４】
次いで、サファイア基板１０５を水素（Ｈ２）ガス中で加熱し、サファイア基板１０５の表面を清浄化する。 そして、基板温度を１１５０℃〜１２００℃に設定し、アンモニア（ＮＨ３）ガスとトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）とをチャンバ内に導入して、第１層１１１（高炭素濃度第１ＡｌＮバッファ層）を３ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで成長させる。
【０１１５】
ここで、第１層１１１の結晶方位の乱れを少なくするために、Ｖ族原料とIII族原料の反応管への供給比（Ｖ族／III族比）が適切に制御される。すなわち、第１層１１１の形成においては、高品質膜の成長のために、Ｖ族／III族比は０．７〜５０の範囲に制御されることが望ましく、さらに、高品質膜を再現性良く得るにはＶ族／III族比が１．５〜１５の範囲に制御されることがさらに望ましい。
【０１１６】
そして、基板温度を１２７０℃〜１３３０℃に昇温し、第２層１１２及び第３層となるＡｌＮを、１μｍ〜５μｍの厚さで成長させ、ＡｌＮの表面を平坦化する。
【０１１７】
このとき、第２層１１２の形成においては、Ｖ族／III族比を２５０〜１００００程度にする。すなわち、第２層１１２である厚さが０．２μ〜０．５μｍのＡｌＮの成長においては、Ｖ族／III族比を２５０〜１００００程度の高いＶ族／III族比とすることで、結晶品質を高める。これにより、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに上に形成されるＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面は、サファイア基板１０５の主面１０６に対して実質的に垂直、または、上方に向けて径が拡大した形状となる。
【０１１８】
なお、この第２層１１２の形成におけるＶ族／III族比は、１０００〜５０００に設定することがさらに望ましい。これにより、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面の形状が安定し、再現性が高まる。
【０１１９】
そして、第３層１１３の形成においては、基板温度をさらに１０℃〜３０℃上昇させと供に、Ｖ族／III族比を、第１層１１１と第２層１１２との間である５０〜２５０に低下させ、ＡｌＮを２〜３μｍの厚さで成長させる。この条件によって、第３層１１３の成長においては、ＡｌＮの横方向（サファイア基板１０５の主面１０６に対して平行な方向）への成長が促進され、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの上部の開口部が急速に縮小する。そして、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの上部がＡｌＮ層１１０ｘによって塞がれ、ＡｌＮ層１１０ｘの上面が平坦化され、第１バッファ層１１０の内部に断面が砲弾の形状の空洞１１０ａが形成される。
【０１２０】
そして、基板温度を１１５０℃〜１２５０℃の、従来のＧａＮの成長温度より高温に設定し、第２バッファ層１２０（ノンドープＧａＮバッファ層）を成長する。
【０１２１】
その後、基板温度を１１００℃〜１２００℃に低下させ、モノシランガスを添加して、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１を成長させる。
【０１２２】
第１バッファ層１１０の上に成長させる第２バッファ層１２０及びＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の成長においては、Ｖ族／III族比を１００００以上と高い比率にすることが望ましい。
【０１２３】
そして、基板温度を１０００℃〜１０５０℃に設定した後、半導体素子１１の素子構造部を成長する。
【０１２４】
III族原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）及びトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）を用いることができる。
【０１２５】
Ｖ族原料としては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることができる。
【０１２６】
ｎ型ドーピング用原料としては、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いることができる。
【０１２７】
ｐ型ドーピング用原料としては、ビスシクロペンタディエニールマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）及びビスメチルシクロペンタディエニールマグネシウム（Ｍ２Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。
【０１２８】
次に、ｎ側電極１４０ｅを形成するために、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０及びｎ型半導体層１４０の一部をドライエッチングにより取り除き、ｎ型半導体層１４０のＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の一部を露出させる。
【０１２９】
露出部の一部にｎ側電極１４０ｅの一部となる例えばＡｌ合金を蒸着し、６５０℃の窒素雰囲気でシンター処理を行い、ｎ側オーミック電極部１４０ｏを形成する。残りの部分には、反射率を高めるための誘電体多層膜１８０であるＳｉＯ２／ＴｉＯ２積層膜を介して、金からなるパッド領域１４０ｐを形成する。ｎ側オーミック電極部１４０ｏ及びパッド領域１４０ｐが、ｎ側電極１４０ｅとなる。この構造により、フリップチップ構造で特に問題となる電極部での光吸収損失を低減できる。なお、ｎ側電極１４０ｅとして、Ａｇ／Ｐｄの積層膜を用いても良く、これにより、構造が簡略化できる。
【０１３０】
次いでｐ側電極１６０ｅを形成するために、ｎ型半導体層１４０及びｐ型半導体層１６０の表面全体に、例えば熱ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＯ２膜を４００ｎｍの厚さで形成する。そして、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを、ｎ型半導体層１４０及びｐ型半導体層１６０の上に形成し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、ＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えば真空蒸着装置を用いて、反射性のＡｇを２００ｎｍの厚さで形成し、３５０℃の酸素雰囲気で１分間シンター処理を行う。
【０１３１】
このようにして、銀を主体とするｐ側電極１６０ｅが形成できる。そして、ｐ側電極１６０ｅの周囲に、保護膜を兼ねた絶縁膜（ＳｉＯ２膜）が形成される。そして、ｐ側電極１６０ｅの上を、金を主体としたパッド層にて表面を覆う。その後、劈開またはダイヤモンドブレード等により切断し個別のＬＥＤ素子を形成する。
【０１３２】
これにより、図１に例示した半導体素子１１が製造できる。
この製造方法によれば、例えば、サファイア基板１０５の上に形成したバッファ層（例えばＡｌＮ層及びＧａＮ層）の上に、素子部（ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０）を形成した後に、サファイア基板とバッファ層とを削除して、素子部の下面に凹凸を形成して光取り出し効率を高める従来の特殊な後工程を用いることを必要とせず、高効率の紫外発光ダイオードを高歩留まりで安価に生産できる。
【０１３３】
なお、本実施形態に係る半導体素子１１においては、空洞１１０ａを有し上面が平坦化された第１バッファ層１１０の上に、低欠陥結晶の第２バッファ層１２０を形成できることの利点を生かして、紫外域での高効率発光を得るために、発光層１５０自体の高効率化と、発光層１５０からの電子のあふれを防ぐための高Ａｌ組成で膜厚が厚いＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の採用と、を可能にする各種の工夫がなされている。
【０１３４】
すなわち、発光層１５０のバリア層（Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２及びＳｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３）に、高濃度のＳｉをドープし、井戸層（ＧａｎＩｎＮ井戸層１５１）における電子濃度を高めることにより、発光再結合寿命が短くなり、発光層１５０自体の効率が向上する。
【０１３５】
なお、バリア層におけるＳｉ濃度が１．２×１０１９ｃｍ−３よりも低いと、発光再結合寿命を短くする効果が不十分であり、バリア層中におけるＳｉ濃度が２．１×１０１９ｃｍ−３よりも高いと結晶品質が低下する。
【０１３６】
また、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５は、ｎ型半導体層１４０のＳｉ濃度が高いことに起因してビルトインポテンシャルによる電界がＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１に集中し、Ｍｇ原子が発光層１５０へドリフトすることよるＭｇ原子の異常拡散を防止する働きがある。
【０１３７】
これにより、信頼性と効率を低下させることなく、高Ａｌ組成であるＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の低抵抗化が可能となる。
【０１３８】
また、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５によって、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５とＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１との界面付近の電子濃度が低下するため、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１への電子オーバーフローを抑制できる。
【０１３９】
なお、上記の界面付近のホール濃度が上昇するため、界面での非発光再結合も増大するが、転位密度が低いこととバリア層にＡｌＧａＮＩｎＮ四元混晶（Ｉｎ組成が０．３％〜２．０％）を用いていることから、この損失は低くできる。
【０１４０】
Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１におけるＭｇ濃度は、発光層１５０の側が高く、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の側が低くなっている。これにより、正孔の注入を阻害するＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１中のピエゾ電界を打ち消し、動作電圧の低減とともにキャリア閉じ込め効果を改善する。
【０１４１】
なお、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の上側（サファイア基板１０５とは反対の側）におけるＭｇ濃度が１×１０２０ｃｍ−３よりも高い場合は、発光層１５０へのＭｇの拡散が生じ、効率と信頼性が劣化し易くなる。また、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２におけるＭｇ濃度が５×１０１８ｃｍ−３よりも低い場合は、動作電圧が上昇する。
【０１４２】
図７は、本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７に表したように、本実施形態に係る半導体素子１２においては、ｎ型半導体層１４０が、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１４１ａとＳｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２とを有し、発光層１５０が、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２とＡｌＧａＩｎＮ井戸層１５１ａとの積層構造を有している。これ以外は、図１に例示した半導体素子１１と同様なので説明を省略する。
【０１４３】
すなわち、図１に例示した半導体素子１１におけるＧａＮの禁制体幅よりも短波長の発光素子である半導体素子１２において、上記のバッファ構造が適用されている。そして、発光層１５０の量子井戸の井戸層にＡｌが添加されていることと、下地層としてＧａＮの代わりに発光波長エネルギーよりも広いバンドギャップのＡｌＧａＮを用いている。
【０１４４】
発光波長が２８０ｎｍよりも短波長域では、発光層１５０には高Ａｌ組成のＡｌＧａＮが用いられる。このような素子においては、水平方向（主面１０６に対して平行な方向）への光の放射が増大するため、上記の空洞１１０ａを有する第１バッファ層１１０を用いることが、高効率化に特に有効になる。
【０１４５】
図８は、本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係る別の半導体素子３０は、ＨＥＭＴ半導体素子である。すなわち、半導体素子３０も、ｃ面からなる主面１０６を有し、主面１０６に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５と、サファイア基板１０５の主面１０６の上に設けられ、空洞１１０ａを有する第１バッファ層１１０と、第１バッファ層１１０の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層３９０と、を備える。
【０１４６】
半導体層３９０は、第１バッファ層１１０の上に設けられ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層１２０と、第２バッファ層１２０の上に設けられたＧａＮ層３０３と、ＧａＮ層３０３の上に設けられたＡｌＧａＮ層３０４と、を有する。
【０１４７】
そして、ＡｌＧａＮ層３０４の上にはソース電極３０５及びドレイン電極３０６が設けられ、ソース電極３０５とドレイン電極３０６との間にはゲート電極３０７が設けられている。なお、本具体例では、ゲート電極３０７は、絶縁膜３０８を介してＡｌＧａＮ層３０４の上に設けられているが、絶縁膜３０８は省略することができる。
【０１４８】
このように半導体素子３０は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面を有するＨＥＭＴである。半導体素子３０においては、サファイア基板１０５の上に空洞１１０ａを有する第１バッファ層１１０を設けることで、サファイア基板１０５の反りを抑制し、割れを防止することができる。
【０１４９】
そして、第１バッファ層１１０は空洞１１０ａを有しつつ、その上面が実質的に平坦とされているので、その上に形成される半導体層１９０の結晶品質を高めることができる。
【０１５０】
このように、本実施形態は、半導体発光素子の他、ＨＥＭＴを含む、窒化物半導体を用いた種々の半導体素子に適用できる。
【０１５１】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１５２】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図９に表したように、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置２０１は、第１の実施形態に係る半導体素子１１と蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤである。
【０１５３】
すなわち、本実施形態に係る半導体装置２０１は、本発明の実施形態に係る半導体素子１１と、半導体素子１１から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換部（蛍光体）と、を備える。
なお、半導体装置２０１においては、本発明の実施形態のいずれかに係る半導体素子及びその変形の半導体素子を用いることができるが、以下では、上記の半導体素子１１を用いる場合として説明する。
【０１５４】
半導体装置２０１においては、セラミック等からなる容器２２の内面に反射膜２３が設けられており、反射膜２３は容器２２の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜２３は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器２２の底部に設けられた反射膜２３の上に、半導体素子１１がサブマウント２４を介して設置されている。
【０１５５】
半導体素子１１にはボールボンダによって金バンプ２５が形成され、サブマウント２４に固定されている。金バンプ２５を用いずに、直接サブマウント２４へ固定しても良い。
【０１５６】
これら半導体素子１１、サブマウント２４、反射膜２３の固定には、接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。
【０１５７】
サブマウント２４の半導体素子１１の側の表面には、半導体素子１１のｐ側電極１６０ｅとｎ側電極１４０ｅが絶縁されるようにパターニングされた電極が形成されており、それぞれ容器２２側に設けられた図示しない電極に対してボンディングワイヤ２６により接続されている。この接続は、内側面の反射膜２３と底面の反射膜２３との間の部分において行われている。
【０１５８】
また、半導体素子１１やボンディングワイヤ２６を覆うように赤色蛍光体を含む第１蛍光体層２１１が設けられており、この第１蛍光体層２１１の上には青色、緑色または黄色の蛍光体を含む第２蛍光体層２１２が形成されている。この蛍光体層上にはシリコン樹脂からなる蓋部２７が設けられている。
【０１５９】
第１蛍光体層２１１は、樹脂及びこの樹脂中に分散された赤色蛍光体を含む。
赤色蛍光体としては、例えばＹ2Ｏ3、ＹＶＯ4、Ｙ2（Ｐ,Ｖ）Ｏ4等を母材として用いることができ、これに３価のＥｕ（Ｅｕ3+）を付活物質として含ませる。すなわち、Ｙ2Ｏ3:Ｅｕ3+、ＹＶＯ4:Ｅｕ3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Ｅｕ3+の濃度はモル濃度で１％〜１０％とすることができる。赤色蛍光体の母材としてはＹ2Ｏ3、ＹＶＯ4の他にＬａＯＳやＹ2（Ｐ, Ｖ）Ｏ4等を用いることができる。また、Ｅｕ3+の他にＭｎ4+等を利用することも可能である。特に、ＹＶＯ4母体に３価のＥｕと共に少量のＢｉを添加することにより３８０ｎｍの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、シリコン樹脂等を用いることができる。
【０１６０】
また、第２蛍光体層２１２は、樹脂、並びに、この樹脂中に分散された青色、緑色及び黄色の少なくともいずれかの蛍光体を含む。例えば、青色蛍光体と緑色蛍光体とを組み合わせて用いても良く、また、青色蛍光体と黄色蛍光体とを組み合わせ蛍光体を用いても良く、青色蛍光体、緑色蛍光体及び黄色蛍光体を組み合わせた蛍光体を用いても良い。
【０１６１】
青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ, Ｃａ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2:Ｅｕ2+やＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ27:Ｅｕ2+等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば３価のＴｂを発光中心とするＹ2ＳｉＯ5:Ｃｅ3+, Ｔｂ3+を用いることができる。この場合、ＣｅイオンからＴｂイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。また、緑色蛍光体として、例えば、Ｓｒ4Ａｌ14Ｏ25:Ｅｕ2+等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばＹ3Ａｌ5:Ｃｅ3+等を用いることができる。
また、樹脂として、シリコン樹脂等を用いることができる。
特に、３価のＴｂは視感度が最大となる５５０ｎｍ付近に鋭い発光を示すので、３価のＥｕの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
【０１６２】
本実施形態に係る半導体装置２０１によれば、半導体素子１１から発生した例えば３８０ｎｍの紫外光は、半導体素子１１のサファイア基板１０５の側に放出され、反射膜２３における反射をも利用することにより、各蛍光体層に含まれる上記蛍光体を効率良く励起することができる。
【０１６３】
例えば、第１蛍光体層２１１に含まれる３価のＥｕ等を発光中心とする上記蛍光体は、６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換され、赤色可視光を効率良く得ることが可能である。
また、第２蛍光体層２１２に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
これらの混色として白色光やその他様々な色の光を高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
【０１６４】
このような半導体装置２０１においては、凹凸を有するサファイア基板上に高温成長の単結晶性ＡｌＮバッファ層を形成し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体装置が提供できる。
【０１６５】
そして、半導体装置２０１においては、半導体素子１１のサファイア基板１０５の主面１０６とは反対の側から、蛍光体で波長変換されて生成された光がサファイア基板１０５に入射する。この時、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの底面を実施的に平面にすることで、蛍光体で生成された光が凹部１０５ａの底面で反射し、サファイア基板１０５よりも第１バッファ層１１０の側に進行して第１バッファ層１１０の側の種々の層によって吸収されることを抑制する。これにより、半導体装置２０１においては、さらに高い発光効率を実現することができる。
【０１６６】
このように、蛍光体の発光を利用する半導体装置では、蛍光体の発光が素子部にて再吸収されないことが重要である。本具体例の半導体装置２０１では、空洞１１０ａのサファイア基板１０５側の平坦部が発光を反射するために高効率白色発光を得易い。
【０１６７】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハ２１は、ｃ面からなる主面１０６を有し、主面１０６に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５と、サファイア基板１０５の主面１０６の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層１１０と、を備える。凹部１１０ａは、主面１０６において二次元的に配置されている。
【０１６８】
そして、第１バッファ層１１０は、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの上に設けられた空洞１１０ａを有する。空洞１１０ａは、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５とは反対の側の面で覆われている。第１バッファ層１１０は、第１領域１１０ｅと、第１領域１１０ｅとサファイア基板１０５との間に設けられ第１領域１１０ｅよりも炭素濃度が高い第２領域１１０ｆと、を有する。
【０１６９】
サファイア基板１０５、凹部１０５ａ、第１バッファ層１１０、空洞１１０ａ、第１領域１１０ｅ及び第２領域１１０ｆには、第１の実施形態に関して説明した材料及び構成を適用することができる。
【０１７０】
このような半導体ウェーハ２１においては、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａは、半導体ウェーハの反り及び半導体ウェーハの割れを抑制することに大きな効果がある。特に、空洞１１０ａは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。また、ＡｌＮ結晶層中の転位等の結晶欠陥もウェーハ面内での向きによらず均一に低減できる。
【０１７１】
このような効果は、半導体ウェーハ２１の上に、ＬＥＤ等の発光素子やＨＥＭＴ等のスイッチング素子などの任意の半導体素子を作製する際に大きな効果を発揮し、高い歩留まりの半導体素子の製造を可能とする半導体ウェーハを提供できる。
【０１７２】
そして、第１バッファ層１１０の上に、第２バッファ層１２０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０を形成することで、第１バッファ層１１０の空洞１１０ａによって高効率で光を反射させ、または屈折させ、高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が製造できる。
【０１７３】
なお、本実施形態に係る半導体ウェーハ２１は、第１バッファ層１１０の上に設けられ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層１２０をさらに備えることができる。ＡｌＮからなる第１バッファ層１１０の表面は比較的酸化され易いため、第１バッファ層１１０の上に比較的酸化されにくいＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層１２０を形成することで、半導体ウェーハ２１の保管や輸送における管理がし易くなり、使い易い半導体ウェーハが提供できる。
【０１７４】
（第４の実施の形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る半導体結晶の成長方法においては、ｃ面からなる主面１０６を有し、主面１０６に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第１層１１１をエピタキシャル成長する（ステップＳ１１０）。凹部１１０ａは、主面１０６において二次元的に配置されている。
【０１７５】
そして、第１層１１１の上に、第１の温度よりも高い第２の温度と、第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第２層１１２をエピタキシャル成長する（ステップＳ１２０)。
【０１７６】
そして、第２層１１２の上に、第２の温度よりも高い第３の温度と、第１のＶ族／III族比と第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第３層をエピタキシャル成長する（ステップＳ１３０）。
【０１７７】
そして、凹部１０５ａの上に空洞１１０ａを形成し、空洞１１０ａを第１層１１１、第２層１１２及び第３層１１３の少なくともいずれかで覆う。
【０１７８】
上記のサファイア基板１０５、第１バッファ層１１０、第１層１１１、第２層１１２及び第３層１１３には、第１の実施形態に関して説明した材料及び構成が適用でき、上記の各層の形成には、第１の実施形態に関して説明した条件が適用できる。そして、空洞１１０ａには、第１の実施形態に関して説明した構成が適用できる。
【０１７９】
本実施形態に係る半導体結晶の成長方法によれば、第１バッファ層１１０に空洞１１０ａを形成しつつ、第１バッファ層１１０の上面を平坦化できる。この空洞１１０ａは、半導体ウェーハの反り及び半導体ウェーハの割れを抑制することに大きな効果があり、ＬＥＤ等の発光素子やＨＥＭＴ等のスイッチング素子などの各種の半導体素子を作製する際の歩留まりを向上させることができる。そして、第１バッファ層１１０の上に、第２バッファ層１２０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０を形成することで、第１バッファ層１１０の空洞１１０ａによって高効率で光を反射させ、または屈折させ、高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が製造できる。
【０１８０】
上記の本発明の実施形態に係る半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法では、発光ピーク波長が３７０〜４００ｎｍの近紫外域の発光素子に適用する場合について主に述べたが、ＡｌＮを透過する２００ｎｍよりも長波長であれば、３７０〜４００ｎｍよりも短波長の場合にも、本発明の実施形態の構成を適用できる。
【０１８１】
また、ｎ型ドーパントとしてＳｉの他に、Ｓｎ及びＧｅを用いることができる。特に、Ｓｎをドーピングすれば、高濃度、厚膜のｎ型コンタクト層を形成することが可能であり、直列抵抗の低減により、低動作電圧の素子が作製できる。また、電極材料としてＧｅを１％程度含む銀合金を用いても良い。
【０１８２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハを構成する、サファイア基板、第１バッファ層、第２バッファ層、第１〜第３層、格子歪み緩和層、半導体層、コンタクト層、クラッド層、スペーサ層、井戸層、バリア層、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、ｎ側電極、ｐ側電極等の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１８３】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ、半導体結晶の成長方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ、半導体結晶の成長方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１８４】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１８５】
１１、１２、３０ 半導体素子
２１ 半導体ウェーハ
２２ 容器
２３ 反射膜
２４ サブマウント
２５ 金バンプ
２６ ボンディングワイヤ
２７ 蓋部
１０５、３０５ サファイア基板
１０５ａ、３０５ａ 凹部
１０５ｂ 凸部
１０６、３０６ 主面
１１０ 第１バッファ層
１１０ａ 空洞
１１０ｅ 第１領域
１１０ｆ 第２領域
１１０ｐ 微結晶
１１０ｓ 側面
１１０ｘ ＡｌＮ層
１１０ｙ 空洞
１１０ｚ 凹部
１１１ 第１層
１１２ 第２層
１１３ 第３層
１２０ 第２バッファ層
１２０ｘ ＧａＮ層
１２０ｙ 空洞
１２０ｚ ピット
１４０ ｎ型半導体層
１４０ｅ 第１電極（ｎ側電極）
１４０ｏ ｎ側オーミック電極部
１４０ｐ パッド領域
１４１ Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層
１４１ａ Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層
１４２ Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層
１５０ 発光層
１５１ ＧａＩｎＮ井戸層
１５１ａ ＡｌＧａＩｎＮ井戸層
１５２ Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層
１５３ Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層
１５５ 低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層
１６０ ｐ型半導体層
１６０ｅ 第２電極（ｐ側電極）
１６１ Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層
１６２ Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
１８０ 誘電体多層膜
１９０ 半導体層
２０１ 半導体装置
２１１ 第１蛍光体層（波長変換層）
２１２ 第２蛍光体層（波長変換層）
３０３ ＧａＮ層
３０４ ＡｌＧａＮ層
３０５ ソース電極
３０６ ドレイン電極
３０７ ゲート電極
３０８ 絶縁層
３９０ 半導体層
Ｌ１〜Ｌ３ 光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、半導体発光素子やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）素子等の各種の半導体素子に用いられている。このような窒化物半導体において、例えば用いられるサファイア基板とその上に形成される窒化物半導体との間の熱膨張係数などの差によってウェーハの反りやウェーハの割れが発生するという問題がある。
【０００３】
そして、窒化物半導体を用いた半導体発光素子である近紫外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子（例えば発光波長が例えば４００ｎｍ未満）は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、効率が低いことが問題となっている。
【０００４】
効率が低いことの原因の１つは、サファイア基板とＧａＮ結晶との間の格子不整合による高密度の貫通転移である。これに対し、本発明者は、従来の低温成長のＡｌＮまたはＧａＮ等に代わりに、基板界面側に炭素または水素を高濃度で含む高温成長の厚膜の単結晶ＡｌＮ（Ａｌ組成のＡｌＧａＮを含む）をバッファ層として用いることにより、その上に成長するＧａＮ層の結晶品質を大幅に改善でき、高効率の発光素子が作製できることを見いだしている（例えば、特許文献１参照）。この方法を用いて作製した素子において、可視ＬＥＤに匹敵する７０％を超える内部発光効率を実現している。
【０００５】
しかし、この場合でも、サファイアとＧａＮ系混晶とで屈折率が異なるため、界面に斜めに入射する発光が反射され、結果として効率が半分近くに低下する。
【０００６】
一方、青色ＬＥＤ等の可視ＬＥＤにおいては、表面に二次元的に配置された凹凸を形成したサファイア基板の上に、低温成長の薄膜のＡｌＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ等の低温成長のバッファ層を介してＧａＮ層を成長して、平坦化した表面上に素子部を形成することにより、界面反射の影響を低減し、高効率化が図られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
しかし、この薄膜の低温成長のバッファ層を用いた手法を厚膜の高温成長単結晶バッファ層に適用することは困難である。すなわち、ＡｌＮやＡｌＧａＮは成長の方向の選択性が低いため、異なる方向の面を有する凹凸の結晶面に異なる方位の結晶が成長する結果、成長した結晶が多結晶となるためである。
【０００８】
このように、表面に二次元的に配置された凹凸が形成されたサファイア基板上に、高温成長の厚膜の単結晶性のＡｌＮ（高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを含む）の層を形成する技術は知られておらず、界面反射の影響を低減して光取り出し効率が高めつつ、内部発光効率の高い半導体装置を実現することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３６４８３８６号公報
【特許文献２】米国特許第６８７０１９１Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、基板の反りを抑制し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、前記第１バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、を備え、前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体素子が提供される。
【００１２】
また、本発明の他の一態様によれば、上記の半導体素子と、前記半導体素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換層と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１３】
また、本発明の他の一態様によれば、ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、を備えた半導体ウェーハであって、前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体ウェーハが提供される。
【００１４】
また、本発明の他の一態様によれば、ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板の前記主面の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第１層をエピタキシャル成長し、前記第１層の上に、前記１の温度よりも高い第２の温度と、前記第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第２層をエピタキシャル成長し、前記第２層の上に、前記第２の温度よりも高い第３の温度と、前記第１のＶ族／III族比と前記第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第３層をエピタキシャル成長して、前記凹部の上に空洞を形成し、前記空洞を前記第１層、前記第２層及び前記第３層の少なくともいずれかで覆うことを特徴とする半導体結晶の成長方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板の反りを抑制し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の要部の構成を例示する顕微鏡写真図である。
【図３】第１の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
【図４】第２の比較例のＡｌＮ層とＧａＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
【図５】第３の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の動作を例示する模式図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
以下では、本発明の第１の実施形態を半導体発光素子に適用した場合について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子１１は、サファイア基板１０５と、サファイア基板１０５の主面１０６の上に設けられた第１バッファ層１１０と、第１バッファ層１１０の上に設けられた窒化物半導体からなる半導体層１９０と、を備える。
【００１９】
本具体例では、半導体層１９０は、第１バッファ層１１０の上に設けられた第２バッファ層１２０と、第２バッファ層１２０の上に設けられたｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０の上に設けられた発光層１５０と、発光層１５０の上に設けられたｐ型半導体層１６０と、を有する。
【００２０】
そして、半導体素子１１は、ｎ型半導体層１４０に電気的に接続された第１電極（ｎ側電極１４０ｅ）と、ｐ型半導体層１６０に電気的に接続された第２電極（ｐ側電極１６０ｅ）と、をさらに備えている。
【００２１】
サファイア基板１０５の主面１０６は、サファイアのｃ面とされる。すなわち、主面１０６は、サファイアのｃ面に対して実質的に平行である。
【００２２】
ここで、本願明細書において、「平行」及び「垂直」は、それぞれ厳密な平行及び垂直を含む他、例えば製造工程におけるのばらつきを含み、実質的に平行である状態及び実質的に垂直である状態を含む。
【００２３】
サファイア基板１０５の主面１０６の法線と、サファイアのｃ面の法線と、の角度に関して望ましい条件に関しては後述する。
【００２４】
そして、サファイア基板１０５は、主面１０６に設けられた凹部１０５ａを有する。凹部１０５ａは、主面１０６において二次元的に配置されている。
【００２５】
第１バッファ層１１０は、結晶性のＡｌＮからなる。ただし、ＡｌＮに例えばＧａＮがドーピングされたものを用いても良い。すなわち、第１バッファ層１１０には、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを含む結晶性のＡｌＮが用いられる。後述するように、第１バッファ層１１０はバッファ層として機能する。
【００２６】
第１バッファ層１１０は、空洞１１０ａを有する。空洞１１０ａは、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに対応した位置に設けられている。すなわち、空洞１１０ａは、凹部１０５ａの上に設けられている。
【００２７】
第１バッファ層１１０の上面（主面１０６とは反対側の面）は、実質的に平坦である。すなわち、第１バッファ層１１０の下面（主面１０６の側の面）においては空洞１１０ａが設けられ、第１バッファ層１１０の下面は凹凸を有するが、第１バッファ層１１０の上面は、第１バッファ層１１０の下面の側に空洞１１０ａがあることの影響を受けず、平坦な面となっている。例えば、第１バッファ層１１０の上面は、原子レベルで平坦化されている。
【００２８】
すなわち、空洞１１０ａは、第１バッファ層１１０の上面で塞がれている。第１バッファ層１１０の上面において、空洞１１０ａは実質的に開口しておらず、また、例えば、第１バッファ層１１０の上面には、空洞１１０ａに起因した凹凸が実質的に無い。
【００２９】
そして、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５の側の炭素濃度は、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５とは反対側の濃度よりも高い。
【００３０】
すなわち、第１バッファ層１１０は、第１領域１１０ｅと、第１領域１１０ｅとサファイア基板１０５との間に設けられ第１領域１１０ｅよりも炭素濃度が高い第２領域１１０ｆと、を有する。本具体例では、第１領域１１０ｅは、図１に例示した第２層１１２及び第３層１１３であり、第２領域１１０ｆは、図１に例示した第１層１１１である。
【００３１】
第２バッファ層１２０は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる。第２バッファ層１２０は、第１バッファ層１１０とｎ型半導体層１４０との間の格子歪みを緩和させる。
【００３２】
以下、半導体素子１１の具体例を説明する。
サファイア基板１０５としては、ｃ面を主面１０６とするサファイア基板が用いられる。ｃ面の法線とサファイア基板１０５の法線との角度の差は、例えば０．０５度以下とすることが望ましい。サファイア基板１０５の主面１０６には、例えば、径が２．０μｍ（マイクロメートル）で深さが１μｍの凹部１０５ａが、例えば１．５μｍの間隔で設けられている。
【００３３】
このサファイア基板１０５の主面１０６の上に第１バッファ層１１０が設けられている。
第１バッファ層１１０は、例えば、第１層１１１と、第１層１１１の上に設けられた第２層１１２と、第２層１１２の上に設けられた第３層１１３と、を有する。
【００３４】
第１層１１１は、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層である。第１層１１１における炭素濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３とされ、第１層１１１の厚さは、例えば３ｎｍ（ナノメートル）〜２０ｎｍとされる。
【００３５】
第２層１１２は、高純度第１ＡｌＮバッファ層である。第２層１１２における炭素濃度は、例えば１×１０１6ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされ、第２層１１２の厚さは、例えば０．２μｍ〜０．５μｍとされる。
【００３６】
第３層１１３は、高純度第２ＡｌＮバッファ層である。第３層１１３における炭素濃度は、例えば１×１０１6ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされ、第３層１１３の厚さは、例えば１．５μｍ〜３．０μｍとされる。
【００３７】
第１バッファ層１１０の上に第２バッファ層１２０が設けられる。第２バッファ層１２０は、ノンドープＧａＮバッファ層である。第２バッファ層１２０の厚さは、例えば２μｍである。
【００３８】
第２バッファ層１２０の上にｎ型半導体層１４０が設けられる。ｎ型半導体層１４０は、第２バッファ層１２０の上に設けられたＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の上に設けられたＳｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２と、を有する。
【００３９】
Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１におけるＳｉ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３〜２×１０１９ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の厚さは、例えば４μｍとされる。
【００４０】
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２におけるＳｉ濃度は、例えば２×１０１８ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２の厚さは、例えば０．０２μｍとされる。
【００４１】
なお、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の一部の面が露出し、後述するｎ側電極１４０ｅが設けられる。
【００４２】
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２の上に、発光層１５０が設けられる。発光層１５０は、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２とＧａＩｎＮ井戸層１５１とが交互に８周期積層されてなる多重量子井戸構造を有している。
【００４３】
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２におけるＳｉ濃度は、例えば１．２×１０１９ｃｍ−３〜２．１×１０１９ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２の厚さは、例えば９．０ｎｍとされる。
【００４４】
ＧａＩｎＮ井戸層１５１における発光波長のピーク波長は、例えば３８３ｎｍであり、ＧａＩｎＮ井戸層１５１の厚さは、例えば４．５ｎｍとされる。
【００４５】
発光層１５０のサファイア基板１０５とは反対の側の最終のバリア層としては、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３が設けられる。
Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３におけるＳｉ濃度は、例えば１．２×１０１９ｃｍ−３〜２．１×１０１９ｃｍ−３とされ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３の厚さは、例えば４．５ｎｍとされる。
【００４６】
このような発光層１５０の発光波長のピーク波長は、３７０ｎｍ以上４００ｎｍ未満である。
【００４７】
本具体例においては、発光層１５０の上に、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５が設けられる。低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５におけるＳｉ濃度は、例えば１×１０１５ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３とされ、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５の厚さは、例えば４．５ｎｍとされる。
【００４８】
低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５の上にｐ型半導体層１６０が設けられる。ｐ型半導体層１６０は、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５の上に設けられたＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の上に設けられたＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２と、を有する。
【００４９】
Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の下側（サファイア基板１０５の側、すなわち、発光層１５０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば２×１０１９ｃｍ−３であり、上側（サファイア基板１０５とは反対の側、すなわち、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の側）におけるＭｇ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３とされる。Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の厚さは、例えば２４ｎｍとされる。
【００５０】
Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の下側（サファイア基板１０５の側）におけるＭｇ濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３であり、上側（サファイア基板１０５とは反対の側）におけるＭｇ濃度は、５×１０１９ｃｍ−３〜９×１０１９ｃｍ−３とされる。Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の厚さは、例えば０．３μｍとされる。
【００５１】
これらの各層は、サファイア基板１０５の上に、例えば有機金属気相成長法を用いて順次積層される。
【００５２】
なお、第１バッファ層１１０（第１〜第３層１１１〜１１３）は、サファイア基板１０５との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。すなわち、サファイア基板１０５の凹部１０５ａを含めて、表面を原子レベルで平坦化し、第１バッファ層１１０の上に成長する第２バッファ層１２０（ＧａＮ格子歪緩和層）における欠陥低減と歪緩和の効果を最大にする。
このために、第１バッファ層１１０の厚さは、１．０μｍ以上が望ましく、２．０μよりも厚くすることがさらに望ましい。
【００５３】
一方、サファイア基板１０５と第１バッファ層１１０との歪みによるそりを防止するためには、第１バッファ層１１０の厚さは６μｍ以下が望ましい。
【００５４】
図１に例示したように、第１バッファ層１１０の下面には、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに起因した空洞１１０ａが形成されている。この空洞１１０ａは、サファイア基板１０５の側に向かって拡開している。すなわち、空洞１１０ａの側面１１０ｓは、逆テーパ状の形状を有する。
【００５５】
そして、空洞１１０ａの径は、上側に行くほど狭くなっている。すなわち、空洞１１０ａを主面１０６に対して平行な平面で切断したときの空洞１１０ａの幅は、サファイア基板１０５とは反対の側の方がサファイア基板１０５の側よりも狭い。すなわち、空洞１１０ａは、砲弾の形状を有し、その砲弾の形状は、砲弾の先がサファイア基板１０５とは反対の側を向いた形状である。
【００５６】
空洞１１０ａのサファイア基板１０５の側の径は、例えば、サファイア基板１０５に設けられる凹部１０５ａの径以下となる。すなわち、例えば、凹部１０５ａの径が２．０μｍである場合は、空洞１１０ａのサファイア基板１０５の側の径は、例えば、１．３μｍである。そして、空洞１１０ａの長さ（サファイア基板１０５の主面１０６に対して垂直な方向の長さ）は、例えば、１．５〜４．５μｍである。
【００５７】
そして、空洞１１０ａの上側（サファイア基板１０５とは反対の側）の面における曲率は、発光層１５０の発光波長のピーク波長以下である。
【００５８】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の要部の構成を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図は、半導体素子１１において、サファイア基板１０５の上に第１バッファ層１１０を形成した後の第１バッファ層１１０の走査電子顕微鏡写真図である。同図（ａ）は、サファイア基板１０５及び第１バッファ層１１０を斜め方向から撮影した写真であり、同図（ｂ）は、サファイア基板１０５及び第１バッファ層１１０の断面を、断面に対してほぼ垂直な方向から撮影した写真である。
【００５９】
図２（ａ）及び（ｂ）に表したように、サファイア基板１０５の表面に凹部１０５ａが形成されている。そして、サファイア基板１０５の上に第１バッファ層１１０が形成されている。そして、凹部１０５ａの上に、砲弾の形状の空洞１１０ａが形成されている。そして、第１バッファ層１１０の上面は平坦である。
【００６０】
そして、空洞１１０ａは第１バッファ層１１０の上面において露出していない。すなわち、空洞１１０ａは、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５とは反対の側の面で塞がれている。
【００６１】
このように、第１バッファ層１１０において、サファイア基板１０５の上に設けられた凹部１０５ａに対応して配置され、上面が第１バッファ層１１０によって塞がれた空洞１１０ａが設けられている、このような空洞１１０ａは、例えば、以下のようにして形成することができる。
【００６２】
すなわち、第１のＶ族／III族比と第１の温度によって第１層１１１をエピタキシャル成長し、その上に、第１の温度よりも高い第２の温度と第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比とによって第２層１１２をエピタキシャル成長し、その上に、第２の温度よりもさらに高い第３の温度と、第１のＶ族／III族比と第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、によって第３層１１３をエピタキシャル成長する。これにより、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの上に空洞１１０ａを形成し、そして、空洞１１０ａを第１〜第３層１１１〜１１３で覆う。なお、上記のＶ族／III族比は、例えば、結晶成長させるときの原料ガスのアンモニア供給量／Ａｌ原料供給量の比である。
【００６３】
すなわち、第３層１１３の形成の際のＶ族／III族比を、第１層１１１及び第２層１１２のときの間に下げると供に、温度を、第１層１１１及び第２層１１２よりもさらに高温にすることによって、Ａｌ原子の移動度が高まるため、横方向（主面に対して平行な方向）の成長が加速される。これにより、空洞１１０ａの径が、ＡｌＮ層を成長していくと供に小さくなり、空洞１１０ａが塞がれ、第１バッファ層１１０の上面が平坦化される。
【００６４】
なお、高いＶ族／III族比の第２層１１２（高純度第１ＡｌＮバッファ層）によって、ＡｌＮの結晶品質が高まっているため、第３層１１３を成長させる際の高温下でもサファイア基板１０５の変性は抑制される。
【００６５】
このように、本実施形態に係る半導体素子１１における第１バッファ層１１０は、サファイア基板１０５の主面１０６の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第１層１１１と、第１層１１１の上に、第１の温度よりも高い第２の温度と、第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第２層１１２と、第２層１１２の上に、第２の温度よりも高い第３の温度と、第１のＶ族／III族比と第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第３層１１３と、を有する。
【００６６】
これにより、第１バッファ層１１０によって上部が塞がれ、砲弾の形状の空洞１１０ａを有し、上面が平坦化された第１バッファ層１１０を形成することができる。
【００６７】
本発明者は、深さが０．５μ〜２μｍの凹凸加工を施したサファイア基板上に、高温にて単結晶ＡｌＮを形成し、さらにこの上にＧａＮを成長する実験を行った。この実験結果を、比較例として説明する。
【００６８】
（第１の比較例）
第１の比較例では、低温成長バッファを用いた青色ＬＥＤなどで採用される台形の凸部を形成したサファイア基板上に単結晶ＡｌＮ層を形成した。
図３は、第１の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
図３に表したように、第１の比較例においては、サファイア基板１０５の上の台形の凸部１０５ｂの側面に、基準となるｃ軸とは異なる方位のＡｌＮ微結晶１１０ｐが放射状に形成された。そして、ＡｌＮ層１１０ｘの下部には、複雑な形状の空洞１１０ｙが形成された。また、凸部１０５ｂを起点にして広がるｃ軸方位の結晶間にも隙間が広く形成され、合体することはなく、ＡｌＮ層１１０ｘは全体として多結晶状態となった。
【００６９】
（第２の比較例）
第２の比較例では、凹部１０５ａを形成したサファイア基板の上に単結晶ＡｌＮ層を形成した。この時、ＡｌＮ層の成膜条件が本実施形態の場合と異なり、第３層１１３の形成の際に、Ｖ族／III族比が、第１層１１１及び第２層１１２のときと同様に高く、そして、成長温度は、第２層１１２と同じ温度であり、比較的低い温度である。
【００７０】
図４は、第２の比較例のＡｌＮ層とＧａＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ＡｌＮ層の上面及びＡｌＮ層の断面を例示している。同図（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、ＡｌＮ層の上に形成されたＧａＮ層の上面及び断面を例示している。なお、この場合のＡｌＮ層の厚さは２μｍである。
【００７１】
図４（ａ）及び（ｂ）に表したように、第２の比較例の場合には、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの上において、単結晶のＡｌＮ層１１０ｘに凹部１１０ｚが形成されている。すなわち、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの側壁を基点として単結晶のＡｌＮ層１１０ｘが成長している。そして、さまざまな配向のＡｌＮ微結晶１１０ｐは、凹部１０５ａの底部から成長したｃ軸配向の結晶と、サファイア基板１０５の凹部１０５ａ以外の表面から横方向に成長したｃ軸配向の結晶の間の狭い範囲に閉じ込められている。ただし、単結晶のＡｌＮ層１１０ｘの上面において、凹部１１０ｚは塞がれることなく、凹部１１０ｚは開口している。
【００７２】
このような構造の単結晶のＡｌＮ層１１０ｘの上に成長させたＧａＮ層の結晶は、方位の異なるＡｌＮ微結晶１１０ｐの影響をあまり受けることなく、比較的高品質の結晶を成長できる。
【００７３】
しかしながら、図４（ｃ）及び（ｄ）に表したように、ＧａＮ層１２０ｘには、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚに対応した空洞１２０ｙが形成されている。そして、ＧａＮ層１２０ｘの表面には、高密度のピット１２０ｚ（穴）が認められた。このようなＧａＮ層１２０ｘの上に、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、ｐ型半導体層１６０、ｎ側電極１４０ｅ及びｐ側電極１６０ｅを形成して発光素子を作製した場合には、このピット１２０ｚにおいて例えば電極材料が拡散し、短絡等の不良や信頼性劣化の要因となる。
【００７４】
このＧａＮ層１２０ｘの表面のピット１２０ｚは、サファイア基板１０５の上にＡｌＮ層１１０ｘを成長させるときのＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面の形状に大きく依存する。すなわち、特に、ＡｌＮ層１１０ｘの上面付近において、凹部１１０ｚの径が層厚方向の中央部よりも狭いとき、すなわち、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面が逆テーパ状の側面のときにピット１２０ｚの大きさと数が抑制されることがわかった。
【００７５】
これは、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面から成長するＧａＮ結晶の成長方向が下方の成分を含むため、凹部１１０ｚの開口を縮小するようにＧａＮ層１１０ｘが成長し、これにより、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの上部に与える影響を抑制するためであると考えられる。
【００７６】
そして、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面を逆テーパ状にすることで、ピット１２０ｚの生成が抑制され、その上に形成された発光素子は正常に動作した。
【００７７】
しかしながら、その発光素子の発光効率は、通常の発光素子に対して数％程度改善されるものの、大きくは改善しなかった。この構成の場合には、ＧａＮ層１２０ｘを成長させたウェーハは全体的に褐色に着色しており、この着色が発光効率の改善を妨げていると考えられた。このウェーハの着色は、ＡｌＮ層１１０ｘに形成される凹部１１０ｚの部分に形成された低品質のＧａＮ結晶が光吸収源になることに起因している。この吸収は、波長が４００ｎｍ未満の近紫外域では特に問題となる。
【００７８】
このため、ＡｌＮ層１１０ｘに形成される凹部１１０ｚを、ＡｌＮ層１１０ｘの表面に開口させないことが重要であると考えられた。
【００７９】
（第３の比較例）
第３の比較例では、ＡｌＮ層１１０ｘの層厚を６μｍと、第２の比較例に対して３倍に厚くして、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚをＡｌＮ層１１０ｘで覆うことを試みたものである。
図５は、第３の比較例のＡｌＮ層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ＡｌＮ層の上面及びＡｌＮ層の断面を例示している。
【００８０】
図５（ａ）及び（ｂ）に表したように、ＡｌＮ層１１０ｘの層厚を厚くしても、凹部１１０ｚは、ＡｌＮ層１１０ｘの上面に開口したままであり、凹部１１０ｚの開口の解消は困難であった。
【００８１】
ＡｌＮ層１１０ｘの成長の際に、螺旋転位などの貫通転位は成長方向に伝播するため、横方向成長により表面開口部に集まる。このため、表面開口部付近に強い歪が集中する結果、開口部が形成されていると考えられる。この効果は、本実施形態に係る半導体素子１１における円状（すなわち主面１０６に対して垂直な平面で切断した時の形状が円状）の凹部１１０ａの様に、開口部の形状の対称性が高いときに特に強いと考えられる。
【００８２】
図５（ａ）に例示したように、凹部１１０ｚの開口部の形状は必ずしも円ではない。特に、サファイア基板１０５の結晶方位がｃ面からずれた場合には、凹部１１０ｚの開口部の形状は複雑な形状となり、凹部１１０ｚが残留し易いことがわかった。これは、ＡｌＮ層１１０ｘの結晶中の歪が不均一になり、歪が局所的に集中するためと考えられる。
【００８３】
これに対して、図２に例示したように、本実施形態に係る半導体素子１１における第１バッファ層１１０（ＡｌＮ層）においては、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに対応した空洞１１０ａが形成され、すなわち、上記の凹部１１０ｚが第１バッファ層１１０に覆われており、第１バッファ層１１０の表面に開口していない。これにより、第１バッファ層１１０の上に形成されるＧａＮ結晶（第２バッファ層１２０）の品質が向上し、ウェーハの着色が解消でき、高い発光効率を達成できる。
【００８４】
すなわち、上記の第２及び第３の比較例におけるＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚのＡｌＮ層１１０ｘの表面における開口部の残留状況は、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの径にも依存するが、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面の形状に大きく依存する。ＡｌＮ層１１０ｘの下側（サファイア基板１０５の側）から層厚方向の中央部にかけての凹部１１０ｚ（空洞１１０ａ）の径がほぼ一定であり、中央部から上側（サファイア基板１０５とは反対の側）にかけての径が急速に縮小する場合に、凹部１１０ｚの開口部が形成され難いことが分かった。すなわち、凹部１１０ｚ（空洞１１０ａ）の壁面が逆テーパ状で、凹部１１０ｚ（空洞１１０ａ）が砲弾の形状を有している場合に、開口部が形成され難い。
【００８５】
このような側面形状は、例えば、ＡｌＮ層の成長初期にＶ族／III族比を極端に低下させて第１層１１１（高炭素濃度層）を成長した後に、成長温度を高温化しつつＶ族／III族比を一旦高くして第２層１１２を成長し、その後、さらに成長温度を高めると供にＶ族／III族比を低くして第３層１１３を成長することにより形成できる。
【００８６】
すなわち高いＶ族／III族比においては、ＡｌＮ結晶は垂直方向に成長する。このため、垂直方向に伸びる螺旋転位間の反応が促進され結晶品質が急速に高まる。また、ＡｌＮ結晶の側面は、主面１０６に対して垂直に近く、応力集中が抑止される。
【００８７】
低いＶ族／III族比では、ＡｌＮ結晶は水平方向に成長し易く、高品質化されたＡｌＮ結晶の表面付近が優先的に横方向に成長する。そして、凹部１０５ａの上端の会合部の結晶品質が高いことと、会合部が上下に薄いために歪が逃げ易く集中しないため、開口の発生が抑制される。さらに、サファイア基板１０５の熱損傷が問題とならない間に成長温度をさらに高めることにより、ＡｌＮ結晶の横方向の成長がより促進され、結晶品質が高まる。
【００８８】
これにより、本実施形態に係る半導体素子１１においては、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａが第１バッファ層１１０の上面で塞がれ、第１バッファ層１１０の上面は平坦化され、この上に成長させる例えばＧａＮ結晶を高品質にすることができる。半導体素子１１によれば、凹凸を有するサファイア基板上に高温成長の単結晶性ＡｌＮバッファ層を形成し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が提供できる。
【００８９】
本実施形態に係る半導体素子１１において、用いられるサファイア基板１０５における結晶方位ずれは、少なくとも０．３度以内が必要であり、第１バッファ層１１０のより均一な平坦化のためには、０．1５度以内が望ましい。すなわち、サファイア基板１０５における結晶方位は、第１バッファ層１１０の成長の途中で形成される凹部１１０ｚの上部の歪分布に影響すると考えられる。サファイア基板１０５における結晶方位ずれを上記のように制御することで、凹部１１０ｚの上部の歪分布を均一化でき、凹部１１０ｚの開口の径を効率的に縮小することができる。
【００９０】
第１バッファ層１１０を形成する際のＡｌＮ結晶の成長初期で、高炭素濃度の第１層１１１を形成することは、凹部１１０ｚを形成する基となる螺旋転位の低減のために、必須である。
【００９１】
なお、第１バッファ層１１０の厚さは、結晶品質的には１μｍ以上あれば十分であるが、凹部１１０ｚを消滅させ第１バッファ層１１０の上面を平坦化するためには、２μｍ以上とすることが望ましい。
【００９２】
本実施形態に係る半導体素子１１において、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａは、ウェーハの反り及びウェーハの割れを抑制することに大きな効果がある。。特に、空洞１１０ａは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。。特に、空洞１１０ａは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。
【００９３】
すなわち、半導体素子１１を形成する際に、サファイア基板１０５上にＡｌＮからなる第１バッファ層１１０を形成する際に、空洞が無い場合には、サファイア基板１０５と第１バッファ層１１０との間の熱膨張係数の差などに起因する応力により、ウェーハ（サファイア基板１０５と第１バッファ層１１０との積層体）に反りが発生し、また、割れが発生することがある。この時、第１バッファ層１１０に空洞１１０ａを設けることで、この応力が抑制され、ウェーハの反り及びウェーハの割れの発生を大幅に抑制できる。このような効果は、例えば、第１バッファ層１１０の上にＧａＮ結晶を成長させ、それを用いた例えばＨＥＭＴ素子などを作製する際にも大きな効果を発揮し、高い歩留まりの半導体素子及びその製造方法を提供できる。
【００９４】
このようなウェーハの反り及び割れの抑制の観点からは、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａによる歪緩和効果を考慮すると、第１バッファ層１１０の厚さは、５μｍ以下が望ましく、３μｍ以下とすることがさらに望ましい。
【００９５】
このためには、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの径を６μｍ以下とすることが望ましい。凹部１０５ａの形成の際の加工の容易さを考慮すると、凹部１０５ａの径は、０．５μｍ〜６μｍに設定すれば良い。凹部１０５ａの上に形成されるＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚにおけるＡｌＮ結晶の横方向の成長速度は、縦方向の半分程度のためである。
【００９６】
サファイア基板１０５に設けられる凹部１０５ａの密度は、半導体素子１１における光散乱効果のためには高い方が望ましい。この観点から、凹部１０５ａどうしの間隔は、凹部１０５ａの径の１．５倍以下が望ましい。
【００９７】
サファイア基板１０５上のＡｌＮ成長機構において、ＡｌＮ結晶の成長初期に形成された微結晶が合体して低欠陥化し、ＡｌＮにおいて最終的に約０．５μｍの周期の構造が形成される。この低欠陥化過程を阻害しないためには、凹部１０５ａどうしの間隔は、０．５μｍ以上にすることが望ましい。
【００９８】
以上から、面方位ずれが０．１５度以内のｃ面を主面１０６とするサファイア基板１０５上に、径が１．５μｍ〜５．０μｍ程度で、相互の間隔が０．５μｍ〜４．０μｍ程度の凹部１０５ａを形成することが望ましい。
【００９９】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の動作を例示する模式図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る半導体素子１１における光の特性を例示している。
図６に表したように、第１バッファ層１１０中に砲弾の形状の空洞１１０ａを設けることで、発光層１５０から発光した光は、第１バッファ層１１０とサファイア基板１０５との界面において効率的に反射され、サファイア基板１０５の下方（主面１０６とは反対の側の方向）に効率的に取り出される。
【０１００】
例えば、主面１０６に対して比較的垂直な方向で進行する光Ｌ１は、空洞１１０ａを透過し、サファイア基板１０５を通過して、半導体素子１１の外部に取り出される。
【０１０１】
そして、主面に対して比較的浅い角度で進行する光Ｌ２は、例えば、第１バッファ層１１０の下面（すなわち、第１層１１１とサファイア基板１０５との界面）及び空洞１１０ａの表面で反射され、上方向に進行し、例えば、図示しないｎ側電極１４０ｅまたはｐ側電極１６０ｅで反射して、サファイア基板１０５に向けて再度進行して、外に取り出される。
【０１０２】
そして、主面に対してさらに比較的浅い角度で進行する光Ｌ３は、例えば、空洞１１０ａで屈折して、上方向に進行し、ｎ側電極１４０ｅまたはｐ側電極１６０ｅで反射して、サファイア基板１０５に向けて再度進行して、外に取り出される。
【０１０３】
すなわち、半導体素子１１においては、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａが、上側の先端部がとがった形状であり、中央部及び下側が緩やかな曲面の形状であり、これにより、発光層１５０から放射する光（光Ｌ１〜Ｌ３）を、主面１０６の法線に沿った方向に、効果的に反射または屈折させる。
【０１０４】
この時、空洞１１０ａの内部には、結晶方位の異なる低品位のＡｌＮ結晶が存在するが、ＡｌＮは十分バンドギャップが広いため光吸収損失は無視でき、光散乱効果を発揮する。そして、第１バッファ層１１０の上面は平坦化しているため、この上に設けられる第２バッファ層１２０であるＧａＮ層の結晶品位は高く、着色されておらず、実質的に光を吸収しない。
【０１０５】
上記のように、第１バッファ層１１０の空洞１１０ａにおけるＡｌＮ層１１０ｘの側面の形状を逆テーパ状にし、発光層１５０からの斜め入射光を垂直な方向へと反射または屈折させる。この空洞１１０ａの形状は、第１バッファ層１１０の結晶成長時のＶ族／III族比の制御によって形成される。第１バッファ層１１０の空洞１１０ａは、サファイア基板１０５と反対側の先端が発光波長以下の曲率の形状を有しており、屈折率が等価的に徐々に変化するため、反射を防ぐ働きがあり、発光層１５０で発光した光を効率的に取り出すことができる。
【０１０６】
これにより、半導体素子１１においては、高い発光効率を達成できる。すなわち、半導体素子１１においては、電流値が２０ｍＡの時に２１ｍＷが得られ、これは、平坦なサファイア基板上に形成した半導体素子に比較して、１．２倍の発光効率である。
【０１０７】
この方法を用いて作製した素子ウェーハを用いることにより、特別な後工程を用いることなく、例えば４００ｎｍよりも短波長の高性能紫外域発光素子を、高歩留まりかつ低コストで生産できる。
【０１０８】
なお、後述するように、このような半導体素子１１を蛍光体と組みあわせて例えば白色光を発光する半導体装置を作製することができる。この時、半導体素子１１のサファイア基板１０５の下側（主面１０６とは反対の側）から、蛍光体で波長変換されて生成された光がサファイア基板１０５に入射する。この時、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの底面を実施的に平面にすることで、蛍光体で生成された光が凹部１０５ａの底面で反射し、サファイア基板１０５よりも第１バッファ層１１０の側に進行して第１バッファ層１１０の側の種々の層によって吸収されることを抑制する。これにより、半導体素子１１を蛍光体と組みあわせた半導体装置において高い発光効率を実現することができる。
【０１０９】
なお、第１バッファ層１１０の上に設けられる第２バッファ層１２０（ＧａＮ格子歪緩和層）は、第１バッファ層１１０の上における３次元島状成長により、欠陥低減と歪緩和の役割を果たす。第２バッファ層１２０の成長表面の平坦化には、第２バッファ層１２０の平均の厚さは、１μｍ以上とすることが望ましい。第２バッファ層１２０における結晶品質の再現性と、そりの低減の観点からは、第２バッファ層１２０の平均的な厚さは、１〜３μｍが適切である。
【０１１０】
上記のような第１バッファ層１１０及び第２バッファ層１２０を採用することで、従来の低温成長バッファ層と比較して、転位密度は１／１０以下となる。
【０１１１】
このため、第２バッファ層１２０の上に設けられる各種の半導体層の成長において、通常は異常成長のために採用困難な高い成長温度と高いＶ族/III族比を用いた結晶成長が可能となる。このため、素子構造部における点欠陥の発生が抑制され、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮやバリア層に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【０１１２】
以下、本実施形態に係る半導体素子１１の製造方法に一例について説明する。
先ず、例えば、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより凹部１０５ａが形成されたサファイア基板１０５を、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor deposition）装置のヒーターを兼ねたサセプタ上に載置する。
【０１１３】
ＭＯＣＶＤ装置のガス導入管から、高純度水素（Ｈ２）を主体としたガスを、毎分３×１０−２ｍ−３の流量で導入し、チャンバ内の大気を置換した後に、内部の圧力を１０〜３０ｋＰａの範囲に設定する。
【０１１４】
次いで、サファイア基板１０５を水素（Ｈ２）ガス中で加熱し、サファイア基板１０５の表面を清浄化する。 そして、基板温度を１１５０℃〜１２００℃に設定し、アンモニア（ＮＨ３）ガスとトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）とをチャンバ内に導入して、第１層１１１（高炭素濃度第１ＡｌＮバッファ層）を３ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで成長させる。
【０１１５】
ここで、第１層１１１の結晶方位の乱れを少なくするために、Ｖ族原料とIII族原料の反応管への供給比（Ｖ族／III族比）が適切に制御される。すなわち、第１層１１１の形成においては、高品質膜の成長のために、Ｖ族／III族比は０．７〜５０の範囲に制御されることが望ましく、さらに、高品質膜を再現性良く得るにはＶ族／III族比が１．５〜１５の範囲に制御されることがさらに望ましい。
【０１１６】
そして、基板温度を１２７０℃〜１３３０℃に昇温し、第２層１１２及び第３層となるＡｌＮを、１μｍ〜５μｍの厚さで成長させ、ＡｌＮの表面を平坦化する。
【０１１７】
このとき、第２層１１２の形成においては、Ｖ族／III族比を２５０〜１００００程度にする。すなわち、第２層１１２である厚さが０．２μ〜０．５μｍのＡｌＮの成長においては、Ｖ族／III族比を２５０〜１００００程度の高いＶ族／III族比とすることで、結晶品質を高める。これにより、サファイア基板１０５の凹部１０５ａに上に形成されるＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面は、サファイア基板１０５の主面１０６に対して実質的に垂直、または、上方に向けて径が拡大した形状となる。
【０１１８】
なお、この第２層１１２の形成におけるＶ族／III族比は、１０００〜５０００に設定することがさらに望ましい。これにより、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの側面の形状が安定し、再現性が高まる。
【０１１９】
そして、第３層１１３の形成においては、基板温度をさらに１０℃〜３０℃上昇させと供に、Ｖ族／III族比を、第１層１１１と第２層１１２との間である５０〜２５０に低下させ、ＡｌＮを２〜３μｍの厚さで成長させる。この条件によって、第３層１１３の成長においては、ＡｌＮの横方向（サファイア基板１０５の主面１０６に対して平行な方向）への成長が促進され、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの上部の開口部が急速に縮小する。そして、ＡｌＮ層１１０ｘの凹部１１０ｚの上部がＡｌＮ層１１０ｘによって塞がれ、ＡｌＮ層１１０ｘの上面が平坦化され、第１バッファ層１１０の内部に断面が砲弾の形状の空洞１１０ａが形成される。
【０１２０】
そして、基板温度を１１５０℃〜１２５０℃の、従来のＧａＮの成長温度より高温に設定し、第２バッファ層１２０（ノンドープＧａＮバッファ層）を成長する。
【０１２１】
その後、基板温度を１１００℃〜１２００℃に低下させ、モノシランガスを添加して、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１を成長させる。
【０１２２】
第１バッファ層１１０の上に成長させる第２バッファ層１２０及びＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の成長においては、Ｖ族／III族比を１００００以上と高い比率にすることが望ましい。
【０１２３】
そして、基板温度を１０００℃〜１０５０℃に設定した後、半導体素子１１の素子構造部を成長する。
【０１２４】
III族原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）及びトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）を用いることができる。
【０１２５】
Ｖ族原料としては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることができる。
【０１２６】
ｎ型ドーピング用原料としては、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いることができる。
【０１２７】
ｐ型ドーピング用原料としては、ビスシクロペンタディエニールマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）及びビスメチルシクロペンタディエニールマグネシウム（Ｍ２Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。
【０１２８】
次に、ｎ側電極１４０ｅを形成するために、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０及びｎ型半導体層１４０の一部をドライエッチングにより取り除き、ｎ型半導体層１４０のＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１４１の一部を露出させる。
【０１２９】
露出部の一部にｎ側電極１４０ｅの一部となる例えばＡｌ合金を蒸着し、６５０℃の窒素雰囲気でシンター処理を行い、ｎ側オーミック電極部１４０ｏを形成する。残りの部分には、反射率を高めるための誘電体多層膜１８０であるＳｉＯ２／ＴｉＯ２積層膜を介して、金からなるパッド領域１４０ｐを形成する。ｎ側オーミック電極部１４０ｏ及びパッド領域１４０ｐが、ｎ側電極１４０ｅとなる。この構造により、フリップチップ構造で特に問題となる電極部での光吸収損失を低減できる。なお、ｎ側電極１４０ｅとして、Ａｇ／Ｐｄの積層膜を用いても良く、これにより、構造が簡略化できる。
【０１３０】
次いでｐ側電極１６０ｅを形成するために、ｎ型半導体層１４０及びｐ型半導体層１６０の表面全体に、例えば熱ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＯ２膜を４００ｎｍの厚さで形成する。そして、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを、ｎ型半導体層１４０及びｐ型半導体層１６０の上に形成し、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、ＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えば真空蒸着装置を用いて、反射性のＡｇを２００ｎｍの厚さで形成し、３５０℃の酸素雰囲気で１分間シンター処理を行う。
【０１３１】
このようにして、銀を主体とするｐ側電極１６０ｅが形成できる。そして、ｐ側電極１６０ｅの周囲に、保護膜を兼ねた絶縁膜（ＳｉＯ２膜）が形成される。そして、ｐ側電極１６０ｅの上を、金を主体としたパッド層にて表面を覆う。その後、劈開またはダイヤモンドブレード等により切断し個別のＬＥＤ素子を形成する。
【０１３２】
これにより、図１に例示した半導体素子１１が製造できる。
この製造方法によれば、例えば、サファイア基板１０５の上に形成したバッファ層（例えばＡｌＮ層及びＧａＮ層）の上に、素子部（ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０）を形成した後に、サファイア基板とバッファ層とを削除して、素子部の下面に凹凸を形成して光取り出し効率を高める従来の特殊な後工程を用いることを必要とせず、高効率の紫外発光ダイオードを高歩留まりで安価に生産できる。
【０１３３】
なお、本実施形態に係る半導体素子１１においては、空洞１１０ａを有し上面が平坦化された第１バッファ層１１０の上に、低欠陥結晶の第２バッファ層１２０を形成できることの利点を生かして、紫外域での高効率発光を得るために、発光層１５０自体の高効率化と、発光層１５０からの電子のあふれを防ぐための高Ａｌ組成で膜厚が厚いＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の採用と、を可能にする各種の工夫がなされている。
【０１３４】
すなわち、発光層１５０のバリア層（Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２及びＳｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５３）に、高濃度のＳｉをドープし、井戸層（ＧａｎＩｎＮ井戸層１５１）における電子濃度を高めることにより、発光再結合寿命が短くなり、発光層１５０自体の効率が向上する。
【０１３５】
なお、バリア層におけるＳｉ濃度が１．２×１０１９ｃｍ−３よりも低いと、発光再結合寿命を短くする効果が不十分であり、バリア層中におけるＳｉ濃度が２．１×１０１９ｃｍ−３よりも高いと結晶品質が低下する。
【０１３６】
また、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５は、ｎ型半導体層１４０のＳｉ濃度が高いことに起因してビルトインポテンシャルによる電界がＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１に集中し、Ｍｇ原子が発光層１５０へドリフトすることよるＭｇ原子の異常拡散を防止する働きがある。
【０１３７】
これにより、信頼性と効率を低下させることなく、高Ａｌ組成であるＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１の低抵抗化が可能となる。
【０１３８】
また、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５によって、低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層１５５とＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１との界面付近の電子濃度が低下するため、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１への電子オーバーフローを抑制できる。
【０１３９】
なお、上記の界面付近のホール濃度が上昇するため、界面での非発光再結合も増大するが、転位密度が低いこととバリア層にＡｌＧａＮＩｎＮ四元混晶（Ｉｎ組成が０．３％〜２．０％）を用いていることから、この損失は低くできる。
【０１４０】
Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１におけるＭｇ濃度は、発光層１５０の側が高く、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の側が低くなっている。これにより、正孔の注入を阻害するＭｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層１６１中のピエゾ電界を打ち消し、動作電圧の低減とともにキャリア閉じ込め効果を改善する。
【０１４１】
なお、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２の上側（サファイア基板１０５とは反対の側）におけるＭｇ濃度が１×１０２０ｃｍ−３よりも高い場合は、発光層１５０へのＭｇの拡散が生じ、効率と信頼性が劣化し易くなる。また、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１６２におけるＭｇ濃度が５×１０１８ｃｍ−３よりも低い場合は、動作電圧が上昇する。
【０１４２】
図７は、本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７に表したように、本実施形態に係る半導体素子１２においては、ｎ型半導体層１４０が、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１４１ａとＳｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層１４２とを有し、発光層１５０が、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層１５２とＡｌＧａＩｎＮ井戸層１５１ａとの積層構造を有している。これ以外は、図１に例示した半導体素子１１と同様なので説明を省略する。
【０１４３】
すなわち、図１に例示した半導体素子１１におけるＧａＮの禁制体幅よりも短波長の発光素子である半導体素子１２において、上記のバッファ構造が適用されている。そして、発光層１５０の量子井戸の井戸層にＡｌが添加されていることと、下地層としてＧａＮの代わりに発光波長エネルギーよりも広いバンドギャップのＡｌＧａＮを用いている。
【０１４４】
発光波長が２８０ｎｍよりも短波長域では、発光層１５０には高Ａｌ組成のＡｌＧａＮが用いられる。このような素子においては、水平方向（主面１０６に対して平行な方向）への光の放射が増大するため、上記の空洞１１０ａを有する第１バッファ層１１０を用いることが、高効率化に特に有効になる。
【０１４５】
図８は、本発明の第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係る別の半導体素子３０は、ＨＥＭＴ半導体素子である。すなわち、半導体素子３０も、ｃ面からなる主面１０６を有し、主面１０６に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５と、サファイア基板１０５の主面１０６の上に設けられ、空洞１１０ａを有する第１バッファ層１１０と、第１バッファ層１１０の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層３９０と、を備える。
【０１４６】
半導体層３９０は、第１バッファ層１１０の上に設けられ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層１２０と、第２バッファ層１２０の上に設けられたＧａＮ層３０３と、ＧａＮ層３０３の上に設けられたＡｌＧａＮ層３０４と、を有する。
【０１４７】
そして、ＡｌＧａＮ層３０４の上にはソース電極３０５及びドレイン電極３０６が設けられ、ソース電極３０５とドレイン電極３０６との間にはゲート電極３０７が設けられている。なお、本具体例では、ゲート電極３０７は、絶縁膜３０８を介してＡｌＧａＮ層３０４の上に設けられているが、絶縁膜３０８は省略することができる。
【０１４８】
このように半導体素子３０は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面を有するＨＥＭＴである。半導体素子３０においては、サファイア基板１０５の上に空洞１１０ａを有する第１バッファ層１１０を設けることで、サファイア基板１０５の反りを抑制し、割れを防止することができる。
【０１４９】
そして、第１バッファ層１１０は空洞１１０ａを有しつつ、その上面が実質的に平坦とされているので、その上に形成される半導体層１９０の結晶品質を高めることができる。
【０１５０】
このように、本実施形態は、半導体発光素子の他、ＨＥＭＴを含む、窒化物半導体を用いた種々の半導体素子に適用できる。
【０１５１】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１５２】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図９に表したように、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置２０１は、第１の実施形態に係る半導体素子１１と蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤである。
【０１５３】
すなわち、本実施形態に係る半導体装置２０１は、本発明の実施形態に係る半導体素子１１と、半導体素子１１から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換部（蛍光体）と、を備える。
なお、半導体装置２０１においては、本発明の実施形態のいずれかに係る半導体素子及びその変形の半導体素子を用いることができるが、以下では、上記の半導体素子１１を用いる場合として説明する。
【０１５４】
半導体装置２０１においては、セラミック等からなる容器２２の内面に反射膜２３が設けられており、反射膜２３は容器２２の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜２３は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器２２の底部に設けられた反射膜２３の上に、半導体素子１１がサブマウント２４を介して設置されている。
【０１５５】
半導体素子１１にはボールボンダによって金バンプ２５が形成され、サブマウント２４に固定されている。金バンプ２５を用いずに、直接サブマウント２４へ固定しても良い。
【０１５６】
これら半導体素子１１、サブマウント２４、反射膜２３の固定には、接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。
【０１５７】
サブマウント２４の半導体素子１１の側の表面には、半導体素子１１のｐ側電極１６０ｅとｎ側電極１４０ｅが絶縁されるようにパターニングされた電極が形成されており、それぞれ容器２２側に設けられた図示しない電極に対してボンディングワイヤ２６により接続されている。この接続は、内側面の反射膜２３と底面の反射膜２３との間の部分において行われている。
【０１５８】
また、半導体素子１１やボンディングワイヤ２６を覆うように赤色蛍光体を含む第１蛍光体層２１１が設けられており、この第１蛍光体層２１１の上には青色、緑色または黄色の蛍光体を含む第２蛍光体層２１２が形成されている。この蛍光体層上にはシリコン樹脂からなる蓋部２７が設けられている。
【０１５９】
第１蛍光体層２１１は、樹脂及びこの樹脂中に分散された赤色蛍光体を含む。
赤色蛍光体としては、例えばＹ2Ｏ3、ＹＶＯ4、Ｙ2（Ｐ,Ｖ）Ｏ4等を母材として用いることができ、これに３価のＥｕ（Ｅｕ3+）を付活物質として含ませる。すなわち、Ｙ2Ｏ3:Ｅｕ3+、ＹＶＯ4:Ｅｕ3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Ｅｕ3+の濃度はモル濃度で１％〜１０％とすることができる。赤色蛍光体の母材としてはＹ2Ｏ3、ＹＶＯ4の他にＬａＯＳやＹ2（Ｐ, Ｖ）Ｏ4等を用いることができる。また、Ｅｕ3+の他にＭｎ4+等を利用することも可能である。特に、ＹＶＯ4母体に３価のＥｕと共に少量のＢｉを添加することにより３８０ｎｍの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、シリコン樹脂等を用いることができる。
【０１６０】
また、第２蛍光体層２１２は、樹脂、並びに、この樹脂中に分散された青色、緑色及び黄色の少なくともいずれかの蛍光体を含む。例えば、青色蛍光体と緑色蛍光体とを組み合わせて用いても良く、また、青色蛍光体と黄色蛍光体とを組み合わせ蛍光体を用いても良く、青色蛍光体、緑色蛍光体及び黄色蛍光体を組み合わせた蛍光体を用いても良い。
【０１６１】
青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ, Ｃａ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2:Ｅｕ2+やＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ27:Ｅｕ2+等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば３価のＴｂを発光中心とするＹ2ＳｉＯ5:Ｃｅ3+, Ｔｂ3+を用いることができる。この場合、ＣｅイオンからＴｂイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。また、緑色蛍光体として、例えば、Ｓｒ4Ａｌ14Ｏ25:Ｅｕ2+等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばＹ3Ａｌ5:Ｃｅ3+等を用いることができる。
また、樹脂として、シリコン樹脂等を用いることができる。
特に、３価のＴｂは視感度が最大となる５５０ｎｍ付近に鋭い発光を示すので、３価のＥｕの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
【０１６２】
本実施形態に係る半導体装置２０１によれば、半導体素子１１から発生した例えば３８０ｎｍの紫外光は、半導体素子１１のサファイア基板１０５の側に放出され、反射膜２３における反射をも利用することにより、各蛍光体層に含まれる上記蛍光体を効率良く励起することができる。
【０１６３】
例えば、第１蛍光体層２１１に含まれる３価のＥｕ等を発光中心とする上記蛍光体は、６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換され、赤色可視光を効率良く得ることが可能である。
また、第２蛍光体層２１２に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
これらの混色として白色光やその他様々な色の光を高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
【０１６４】
このような半導体装置２０１においては、凹凸を有するサファイア基板上に高温成長の単結晶性ＡｌＮバッファ層を形成し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体装置が提供できる。
【０１６５】
そして、半導体装置２０１においては、半導体素子１１のサファイア基板１０５の主面１０６とは反対の側から、蛍光体で波長変換されて生成された光がサファイア基板１０５に入射する。この時、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの底面を実施的に平面にすることで、蛍光体で生成された光が凹部１０５ａの底面で反射し、サファイア基板１０５よりも第１バッファ層１１０の側に進行して第１バッファ層１１０の側の種々の層によって吸収されることを抑制する。これにより、半導体装置２０１においては、さらに高い発光効率を実現することができる。
【０１６６】
このように、蛍光体の発光を利用する半導体装置では、蛍光体の発光が素子部にて再吸収されないことが重要である。本具体例の半導体装置２０１では、空洞１１０ａのサファイア基板１０５側の平坦部が発光を反射するために高効率白色発光を得易い。
【０１６７】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハ２１は、ｃ面からなる主面１０６を有し、主面１０６に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５と、サファイア基板１０５の主面１０６の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層１１０と、を備える。凹部１１０ａは、主面１０６において二次元的に配置されている。
【０１６８】
そして、第１バッファ層１１０は、サファイア基板１０５の凹部１０５ａの上に設けられた空洞１１０ａを有する。空洞１１０ａは、第１バッファ層１１０のサファイア基板１０５とは反対の側の面で覆われている。第１バッファ層１１０は、第１領域１１０ｅと、第１領域１１０ｅとサファイア基板１０５との間に設けられ第１領域１１０ｅよりも炭素濃度が高い第２領域１１０ｆと、を有する。
【０１６９】
サファイア基板１０５、凹部１０５ａ、第１バッファ層１１０、空洞１１０ａ、第１領域１１０ｅ及び第２領域１１０ｆには、第１の実施形態に関して説明した材料及び構成を適用することができる。
【０１７０】
このような半導体ウェーハ２１においては、第１バッファ層１１０中の空洞１１０ａは、半導体ウェーハの反り及び半導体ウェーハの割れを抑制することに大きな効果がある。特に、空洞１１０ａは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。また、ＡｌＮ結晶層中の転位等の結晶欠陥もウェーハ面内での向きによらず均一に低減できる。
【０１７１】
このような効果は、半導体ウェーハ２１の上に、ＬＥＤ等の発光素子やＨＥＭＴ等のスイッチング素子などの任意の半導体素子を作製する際に大きな効果を発揮し、高い歩留まりの半導体素子の製造を可能とする半導体ウェーハを提供できる。
【０１７２】
そして、第１バッファ層１１０の上に、第２バッファ層１２０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０を形成することで、第１バッファ層１１０の空洞１１０ａによって高効率で光を反射させ、または屈折させ、高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が製造できる。
【０１７３】
なお、本実施形態に係る半導体ウェーハ２１は、第１バッファ層１１０の上に設けられ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層１２０をさらに備えることができる。ＡｌＮからなる第１バッファ層１１０の表面は比較的酸化され易いため、第１バッファ層１１０の上に比較的酸化されにくいＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層１２０を形成することで、半導体ウェーハ２１の保管や輸送における管理がし易くなり、使い易い半導体ウェーハが提供できる。
【０１７４】
（第４の実施の形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る半導体結晶の成長方法においては、ｃ面からなる主面１０６を有し、主面１０６に凹部１１０ａが設けられたサファイア基板１０５の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第１層１１１をエピタキシャル成長する（ステップＳ１１０）。凹部１１０ａは、主面１０６において二次元的に配置されている。
【０１７５】
そして、第１層１１１の上に、第１の温度よりも高い第２の温度と、第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第２層１１２をエピタキシャル成長する（ステップＳ１２０)。
【０１７６】
そして、第２層１１２の上に、第２の温度よりも高い第３の温度と、第１のＶ族／III族比と第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第３層をエピタキシャル成長する（ステップＳ１３０）。
【０１７７】
そして、凹部１０５ａの上に空洞１１０ａを形成し、空洞１１０ａを第１層１１１、第２層１１２及び第３層１１３の少なくともいずれかで覆う。
【０１７８】
上記のサファイア基板１０５、第１バッファ層１１０、第１層１１１、第２層１１２及び第３層１１３には、第１の実施形態に関して説明した材料及び構成が適用でき、上記の各層の形成には、第１の実施形態に関して説明した条件が適用できる。そして、空洞１１０ａには、第１の実施形態に関して説明した構成が適用できる。
【０１７９】
本実施形態に係る半導体結晶の成長方法によれば、第１バッファ層１１０に空洞１１０ａを形成しつつ、第１バッファ層１１０の上面を平坦化できる。この空洞１１０ａは、半導体ウェーハの反り及び半導体ウェーハの割れを抑制することに大きな効果があり、ＬＥＤ等の発光素子やＨＥＭＴ等のスイッチング素子などの各種の半導体素子を作製する際の歩留まりを向上させることができる。そして、第１バッファ層１１０の上に、第２バッファ層１２０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０を形成することで、第１バッファ層１１０の空洞１１０ａによって高効率で光を反射させ、または屈折させ、高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が製造できる。
【０１８０】
上記の本発明の実施形態に係る半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法では、発光ピーク波長が３７０〜４００ｎｍの近紫外域の発光素子に適用する場合について主に述べたが、ＡｌＮを透過する２００ｎｍよりも長波長であれば、３７０〜４００ｎｍよりも短波長の場合にも、本発明の実施形態の構成を適用できる。
【０１８１】
また、ｎ型ドーパントとしてＳｉの他に、Ｓｎ及びＧｅを用いることができる。特に、Ｓｎをドーピングすれば、高濃度、厚膜のｎ型コンタクト層を形成することが可能であり、直列抵抗の低減により、低動作電圧の素子が作製できる。また、電極材料としてＧｅを１％程度含む銀合金を用いても良い。
【０１８２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハを構成する、サファイア基板、第１バッファ層、第２バッファ層、第１〜第３層、格子歪み緩和層、半導体層、コンタクト層、クラッド層、スペーサ層、井戸層、バリア層、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、ｎ側電極、ｐ側電極等の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１８３】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ、半導体結晶の成長方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ、半導体結晶の成長方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１８４】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１８５】
１１、１２、３０ 半導体素子
２１ 半導体ウェーハ
２２ 容器
２３ 反射膜
２４ サブマウント
２５ 金バンプ
２６ ボンディングワイヤ
２７ 蓋部
１０５、３０５ サファイア基板
１０５ａ、３０５ａ 凹部
１０５ｂ 凸部
１０６、３０６ 主面
１１０ 第１バッファ層
１１０ａ 空洞
１１０ｅ 第１領域
１１０ｆ 第２領域
１１０ｐ 微結晶
１１０ｓ 側面
１１０ｘ ＡｌＮ層
１１０ｙ 空洞
１１０ｚ 凹部
１１１ 第１層
１１２ 第２層
１１３ 第３層
１２０ 第２バッファ層
１２０ｘ ＧａＮ層
１２０ｙ 空洞
１２０ｚ ピット
１４０ ｎ型半導体層
１４０ｅ 第１電極（ｎ側電極）
１４０ｏ ｎ側オーミック電極部
１４０ｐ パッド領域
１４１ Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層
１４１ａ Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層
１４２ Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎクラッド層
１５０ 発光層
１５１ ＧａＩｎＮ井戸層
１５１ａ ＡｌＧａＩｎＮ井戸層
１５２ Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層
１５３ Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎバリア層
１５５ 低Ｓｉ濃度Ａｌ０．０８Ｇａ０．９１Ｉｎ０．０１Ｎスペーサ層
１６０ ｐ型半導体層
１６０ｅ 第２電極（ｐ側電極）
１６１ Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０７４Ｎクラッド層
１６２ Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
１８０ 誘電体多層膜
１９０ 半導体層
２０１ 半導体装置
２１１ 第１蛍光体層（波長変換層）
２１２ 第２蛍光体層（波長変換層）
３０３ ＧａＮ層
３０４ ＡｌＧａＮ層
３０５ ソース電極
３０６ ドレイン電極
３０７ ゲート電極
３０８ 絶縁層
３９０ 半導体層
Ｌ１〜Ｌ３ 光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、
前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、
を備え、
前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、
前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記半導体層は、
前記第１バッファ層の上に設けられ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の上に設けられたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上に設けられた発光層と、
前記発光層の上に設けられたｐ型半導体層と、
を有することを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第２領域における炭素濃度は、３×１０１８ｃｍ−３以上、５×１０２０ｃｍ−３以下であり、前記第２領域の厚さは、３ナノメートル以上、２０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第１バッファ層の前記半導体層に対向する面は、平坦であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項５】
前記空洞は、前記サファイア基板の側に向かって拡開していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項６】
前期空洞の前記サファイア基板とは反対の側の面の曲率は、前記発光層の発光波長のピーク波長以下であり、前記空洞を前記主面に対して平行な平面で切断したときの前記空洞の幅は、前記サファイア基板とは反対の側の方が前記サファイア基板の側よりも小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項７】
前記発光層の発光波長のピーク波長は、３７０ナノメートル以上４００ナノメートル未満であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項８】
前記第１バッファ層は、
前記サファイア基板の前記主面の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第１層と、
前記第１層の上に、前記１の温度よりも高い第２の温度と、前記第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第２層と、
前記第２層の上に、前記第２の温度よりも高い第３の温度と、前記第１のＶ族／III族比と前記第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第３層と、
を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体素子と、
前記半導体素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、
前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、
を備えた半導体ウェーハであって、
前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、
前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体ウェーハ。
【請求項１１】
ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板の前記主面の上に、
第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第１層をエピタキシャル成長し、
前記第１層の上に、前記１の温度よりも高い第２の温度と、前記第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第２層をエピタキシャル成長し、
前記第２層の上に、前記第２の温度よりも高い第３の温度と、前記第１のＶ族／III族比と前記第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第３層をエピタキシャル成長して、前記凹部の上に空洞を形成し、前記空洞を前記第１層、前記第２層及び前記第３層の少なくともいずれかで覆うことを特徴とする半導体結晶の成長方法。
【請求項１】
ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、
前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、
を備え、
前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、
前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記半導体層は、
前記第１バッファ層の上に設けられ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の上に設けられたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上に設けられた発光層と、
前記発光層の上に設けられたｐ型半導体層と、
を有することを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第２領域における炭素濃度は、３×１０１８ｃｍ−３以上、５×１０２０ｃｍ−３以下であり、前記第２領域の厚さは、３ナノメートル以上、２０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第１バッファ層の前記半導体層に対向する面は、平坦であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項５】
前記空洞は、前記サファイア基板の側に向かって拡開していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項６】
前期空洞の前記サファイア基板とは反対の側の面の曲率は、前記発光層の発光波長のピーク波長以下であり、前記空洞を前記主面に対して平行な平面で切断したときの前記空洞の幅は、前記サファイア基板とは反対の側の方が前記サファイア基板の側よりも小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項７】
前記発光層の発光波長のピーク波長は、３７０ナノメートル以上４００ナノメートル未満であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項８】
前記第１バッファ層は、
前記サファイア基板の前記主面の上に、第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第１層と、
前記第１層の上に、前記１の温度よりも高い第２の温度と、前記第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第２層と、
前記第２層の上に、前記第２の温度よりも高い第３の温度と、前記第１のＶ族／III族比と前記第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第３層と、
を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体素子と、
前記半導体素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、
前記サファイア基板の前記主面の上に設けられ、結晶性のＡｌＮからなる第１バッファ層と、
を備えた半導体ウェーハであって、
前記第１バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、
前記第１バッファ層は、第１領域と、前記第１領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第１領域よりも炭素濃度が高い第２領域と、を有することを特徴とする半導体ウェーハ。
【請求項１１】
ｃ面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板の前記主面の上に、
第１の温度と、１．５から１５の第１のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第１層をエピタキシャル成長し、
前記第１層の上に、前記１の温度よりも高い第２の温度と、前記第１のＶ族／III族比よりも高い第２のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第２層をエピタキシャル成長し、
前記第２層の上に、前記第２の温度よりも高い第３の温度と、前記第１のＶ族／III族比と前記第２のＶ族／III族比との間の第３のＶ族／III族比と、による有機金属気相成長法によってＡｌＮからなる第３層をエピタキシャル成長して、前記凹部の上に空洞を形成し、前記空洞を前記第１層、前記第２層及び前記第３層の少なくともいずれかで覆うことを特徴とする半導体結晶の成長方法。
【図１】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２１９２６９（Ｐ２０１０−２１９２６９Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６３９９８（Ｐ２００９−６３９９８）
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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