半導体素子及び半導体素子の製造方法
【課題】ｎ型ＧａＮ層の格子欠陥が抑制され、発光効率が向上した半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】
サファイア基板１１と、サファイア基板１１上に配置されたｎ型ＧａＮ層１３と、ｎ型ＧａＮ層１３上に配置されたｐ型ＧａＮ層１５とを有する半導体素子１０であって、ｎ型ＧａＮ層１３には電子線が照射されている。Ａｌ(1-x)ＧａxＮ結晶と電子線との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３の格子欠陥が抑制され、半導体素子１０の発光効率が向上する。
【解決手段】
サファイア基板１１と、サファイア基板１１上に配置されたｎ型ＧａＮ層１３と、ｎ型ＧａＮ層１３上に配置されたｐ型ＧａＮ層１５とを有する半導体素子１０であって、ｎ型ＧａＮ層１３には電子線が照射されている。Ａｌ(1-x)ＧａxＮ結晶と電子線との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３の格子欠陥が抑制され、半導体素子１０の発光効率が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関し、特にＡｌ(1-x)ＧａxＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化物半導体発光素子の発光効率を高効率化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、結晶基板の表面又は結晶基板の表面に形成されたバッファ層の表面に形成されるＡｌ(1-x)ＧａxＮで表される窒化物半導体発光素子に関しては、多くの特許や発表がなされている。それら特許や発表の多くでは、結晶基板としてはサファイア単結晶基板が用いられており、化合物半導体の主力形成方法は有機金属化学気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）による。
【０００３】
特許文献１、２には、接合状態や基板への立体構造作成の工夫により、発光効率を高める技術が開示されているが、発光効率を飛躍的に向上させるには、発光層の主力化合物であるＧａＮ結晶の特性を改善する技術が必要であった。
【０００４】
なぜならば、現在成長されているＧａＮ結晶は、他の半導体材料膜に比べて、多くの格子欠陥を含んでおり、結晶として十分な特性を有していないのが現実であり、成長過程で特性をさらに上げるのは従来の技術では困難であった。
【０００５】
具体的には、窒化物半導体発光素子の主要発光層であるｎ型半導体ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層）の形成方法は、ＭＯ−ＣＶＤ法により、サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長させる方法が一般的である。しかし、ＧａＮ結晶とサファイア基板とは格子定数のミスマッチングが大きく、ＧａＮ結晶をサファイア基板表面に直接成長させた場合、ＧａＮ結晶は格子欠陥を多く含む膜となる。
【０００６】
ＧａＮ結晶の格子欠陥を回避するために、サファイア基板表面にバッファ層を成長させ、バッファ層の表面にＧａＮ結晶を成長させる方法が従来行われているが、バッファ層の導入によりミスマッチングを緩和させても、ＧａＮ結晶には１０8／ｃｍ2を超える転位密度が存在するという問題があった。
【０００７】
また、特殊なＧａＮ結晶の成長法として、ＧａＮ基板表面にＧａＮ結晶をホモエピタキシャル成長させる方法があるが、ホモエピタキシャル成長させたＧａＮ結晶にも１０3／ｃｍ2を超える転位密度が存在するという問題があった。
【０００８】
なお、発光素子の発光効率を上げる方法として、特許文献３では、ｐ型ＧａＮ層にだけ電子線を照射してｐ型ＧａＮ層のドーパントを活性化させ、その下のｎ型ＧａＮ層には電子線を到達させない技術が開示されている。具体的には、特許文献３の段落０００５には「本発明者はこの構造の発光ダイオードの発光効率について研究した結果、電子線の照射強度を変化させると、発光強度が変化することを発見した。この現象に対して、本発明者は、電子線を照射する時に、マグネシウムがドープされている層を越えて、下層の発光層にも電子線が照射されることで、その発光層の結晶に欠陥を発生させていると推定した。」と記載され、段落０００６には「よって、本発明は、発光ダイオードの発光効率を向上させるために製造方法を改善することである。」と記載され、段落０００８には「上記のように、ｐ層を形成するために、発光層には電子線が侵入しない電圧で電子線を照射するようにしているので、発光層に格子欠陥が発生しないため、発光素子の発光効率が向上する。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３２０９２３３号公報
【特許文献２】特許第２９６４８２２号公報
【特許文献３】特許第３５３８６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ｎ型ＧａＮ層の格子欠陥が抑制され、発光効率が向上した半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ＭＯ−ＣＶＤ法や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等により作成したＧａＮ結晶の発光素子材料としての特性評価手法として、目的とする発光域よりも短波長の光を材料に照射する光励起ルミネッセンス（ＰＬ）や、真空中に材料を保持して電子線を照射するカソードルミネッセンス（陰極線発光、ＣＬ）を測定し、そのスペクトルと強度に基づいて素子材料の優劣性を評価する手法が一般的である。
【００１２】
ＣＬ評価法について具体的に説明すると、真空中で物質に電子線を照射したとき、物質から二次電子・反射電子・オージェ電子・元素特有の特性Ｘ線と様々な信号が放出されるが、光信号としてカソードルミネッセンス（ＣＬ）も放出される。ＣＬ評価法は、ＣＬ信号としての光信号を真空中から窓部を介して大気中に取り出し、分光して各波長における強度を測定する。
【００１３】
ｎ型ＧａＮ膜のＣＬスペクトルのうち、波長３６０ｎｍのピークの強度はＧａＮ固有のものでバンド端発光によるものである。この強度を詳細に調べることにより、ｎ型ＧａＮ層の優劣を決める大きな手がかりとなり、例えばＬＥＤ等の発光素子としての特性を左右することになる。
【００１４】
本発明者は、ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、スパッタリング法によるｎ型ＧａＮ層の特性をＣＬ評価法により評価していくうちに、波長３６０ｎｍのピークの強度が電子線の照射量（積算量）に応じて強くなることを見出し、ｎ型ＧａＮ層への電子線照射は、上記特許文献３に記載されたような格子欠陥を発生させるのではなく、別の現象により元々存在する格子欠陥を発光現象に影響を与えないように抑制しているものと考え、ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射することにより上記目的を達成できることを見出した。
【００１５】
係る知見に基づいて成された本発明は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に配置されたｎ型ＧａＮ層と、前記ｎ型ＧａＮ層上に配置されたｐ型ＧａＮ層と、を有する半導体素子であって、前記ｎ型ＧａＮ層は電子線が照射された半導体素子である。
本発明は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、を有する半導体素子の製造方法であって、前記ｎ型ＧａＮ層形成工程の後、前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の前に、前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法である。
本発明は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、を有する半導体素子の製造方法であって、前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の後に、前記ｐ型ＧａＮ層を通過させて前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法である。
本発明は半導体素子の製造方法であって、前記電子線照射工程では、前記サファイア基板を冷却して１００℃未満の温度に維持しながら前記電子線を照射する半導体素子の製造方法である。
本発明は半導体素子の製造方法であって、前記電子線照射工程では、前記ｎ型ＧａＮ層内部に侵入する大きさのエネルギーの前記電子線を、前記ｎ型ＧａＮ層に照射する半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
電子線照射によりｎ型ＧａＮ層に含まれる格子欠陥を抑制することができ、半導体素子の発光効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の半導体素子の内部側面図
【図２】半導体素子製造装置の内部構成図
【図３】電子線照射室の内部構成図
【図４】ｎ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図５】電子線のエネルギーとＧａＮ層内部への電子の侵入深さとの関係を示すグラフ
【図６】ｎ型ＧａＮ層の波長３６０ｎｍのピークの発光強度と電子線照射時間との関係を示すグラフ
【図７】加熱処理後のｎ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図８】加熱処理後に電子線照射をした後のｎ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図９】電子線照射後のｐ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図１０】電子線照射後のｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜半導体素子の構造＞
本発明の半導体素子の構造を説明する。図１は半導体素子１０の内部側面図である。
半導体素子１０は、サファイア基板１１と、サファイア基板１１上に配置されたｎ型ＧａＮ層１３と、ｎ型ＧａＮ層１３上に配置されたｐ型ＧａＮ層１５とを有している。ここでは、ｎ型ＧａＮ層１３はＳｉがドープされたＡｌ(1-x)ＧａxＮ（０≦ｘ≦１、すなわちｘは０以上１以下の数を示す）の薄膜であり、ｐ型ＧａＮ層１５はＭｇがドープされたＡｌ(1-y)ＧａyＮ（０≦ｙ≦１、すなわちｙは０以上１以下の数を示す）の薄膜である。
【００１９】
本実施例では、サファイア基板１１の表面にはバッファ層１２が配置され、ｎ型ＧａＮ層１３はバッファ層１２の表面に配置されている。バッファ層１２はここでは低温成長されたアモルファス状のＧａＮの薄膜であり、サファイア基板１１とｎ型ＧａＮ層１３との格子定数の差を緩衝している。本発明で「低温」とはエピタキシャル成長が起こる温度よりも低い温度をいう。
【００２０】
なお、バッファ層１２はサファイア基板１１とｎ型ＧａＮ層１３との間の緩衝作用を有するならば、低温成長されたＧａＮの薄膜に限定されず、例えば低温成長されたＡｌＮの薄膜でもよい。
【００２１】
ｎ型ＧａＮ層１３の表面には、中間層１４が配置され、ｐ型ＧａＮ層１５は中間層１４の表面に配置されている。中間層１４は、ここではＩｎＧａＮ井戸層１４ａとＧａＮ障壁層１４ｂとが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなり、ｎ型ＧａＮ層１３とｐ型ＧａＮ層１５との間に多重量子井戸接合が形成されている。
【００２２】
ｐ型ＧａＮ層１５の表面にはｐ型電極１７ａが配置されている。また、ｎ型ＧａＮ層１３の表面は部分的に露出され、ｎ型ＧａＮ層１３の露出された表面には、ｐ型電極１７ａから離間して、ｎ型電極１７ｂが配置されている。
【００２３】
ｐ型電極１７ａに正電圧を印加し、ｎ型電極１７ｂに負電圧を印加すると、ｐ型ＧａＮ層１５内の正孔と、ｎ型ＧａＮ層１３内の電子はそれぞれ中間層１４内に移動し、中間層１４内では正孔と電子の再結合が起きて光が発生する。
【００２４】
本発明では、ｎ型ＧａＮ層１３は電子線が照射された薄膜である。内部に侵入した電子線とＡｌ(1-x)ＧａxＮ結晶との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３の格子欠陥は発光現象に影響を与えないように抑制されている。そのため、ｎ型ＧａＮ層１３内では格子欠陥による電子の散乱が減り、ｎ型ＧａＮ層１３の電子移動度が増大し、その結果、半導体素子１０の発光効率は、従来の半導体素子の発光効率より向上している。
【００２５】
なお、本発明の半導体素子１０では、中間層１４は上述の多重量子井戸構造に限定されず、単一量子井戸構造でもよいし、中間層１４が真性ＩｎＧａＮの薄膜からなり、ｎ型ＧａＮ層１３とｐ型ＧａＮ層１５との間にｐｉｎ接合が形成された構成も本発明に含まれる。また、中間層１４が省略され、ｎ型ＧａＮ層１３とｐ型ＧａＮ層１５との間にｐｎ接合が形成された構成も本発明に含まれる。
また、バッファ層１２が省略され、サファイア基板１１表面に直接ｎ型ＧａＮ層１３が配置された構成も本発明に含まれる。
【００２６】
＜半導体素子の製造方法＞
上述の半導体素子１０の製造方法を説明する。
図２は半導体素子製造装置２０の内部構成図である。半導体素子製造装置２０は、搬入出室２１と、ＭＯＣＶＤ室２２と、電子線照射室２３と、エッチング室２４と、真空蒸着室２５と、搬送室２６とを有している。各室２１〜２６は、それぞれ真空槽と、真空槽内を真空排気する真空排気装置とを有している。
【００２７】
符号２１〜２５の各室の真空槽は、それぞれ真空バルブを介して搬送室２６の真空槽に接続されている。搬送室２６の真空槽内には不図示の搬送ロボットが配置されており、符号２１〜２５のうち一の室の真空槽内の処理対象物を、大気に曝さずに、搬送室２６の真空槽内を通って、他の一の室の真空槽内に移動できるようになっている。
【００２８】
まず、各室２１〜２６の真空排気装置を動作させて、各室２１〜２６の真空槽内を真空排気し、真空雰囲気を形成する。以後、真空排気装置の動作を継続して、各室２１〜２６の真空槽内の真空雰囲気を維持する。
【００２９】
（バッファ層形成工程）
搬入出室２１の真空槽内には、処理対象物であるサファイア基板１１が配置されている。
搬送室２６の真空ロボットを動作させて、処理対象物を搬入出室２１の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内に移動させる。
ＭＯＣＶＤ室の真空槽内では、まず、処理対象物をエピタキシャル成長が起こる温度より低い温度に加熱する。ここでは５００℃に加熱する。
【００３０】
処理対象物の加熱を継続しながら、トリメチルガリウム（ＴＭＧＡ）ガスとアンモニア（ＮＨ3）ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、サファイア基板１１の表面で熱により化学反応し、サファイア基板１１の表面にアモルファス状のＧａＮの薄膜からなるバッファ層１２が形成される。
【００３１】
（ｎ型ＧａＮ層形成工程）
次いで、処理対象物をエピタキシャル成長が起こる温度に加熱する。ここでは１０００度に加熱する。
【００３２】
処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガス又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）ガスのいずれか一方のガス又は両方のガスと、ＮＨ3ガスとシラン（ＳｉＨ4）ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、バッファ層１２の表面で熱により化学反応し、バッファ層１２の表面にＳｉがドープされたＡｌ(1-x)ＧａxＮの薄膜からなるｎ型ＧａＮ層１３が形成される。
【００３３】
（電子線照射工程）
次いで、処理対象物を、大気に曝さずに、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、電子線照射室２３の真空槽内に移動させる。
図３は電子線照射室２３の内部構成図である。
【００３４】
電子線照射室２３は、真空槽３１と、真空排気装置３２と、真空槽３１内に配置され、表面に処理対象物が配置される基板保持台３４と、基板保持台３４に保持された処理対象物を冷却する冷却機構３９と、真空槽３１内に電子線を放出する電子銃３３と、電子線の飛行経路に電場を形成して、電子線の照射位置を移動させる電子線走査機構３５とを有している。符号４１は電子銃３３から放出された電子線を示している。
【００３５】
処理対象物を真空槽３１内に搬入した後、ｎ型ＧａＮ層１３が露出する向きで、基板保持台３４の表面に配置する。基板保持台３４には処理対象物を吸着させる静電吸着機構３８が設けられている。
【００３６】
静電吸着機構３８は、基板保持台３４の内部に設けられた内部電極３８ａと、内部電極３８ａに電気的に接続された静電吸着電源３８ｂとを有している。静電吸着電源３８ｂから内部電極３８ａに電圧を印加すると、基板保持台３４の表面に配置された処理対象物に吸着力が発生し、処理対象物は基板保持台３４の表面に面で密着する。処理対象物が基板保持台３４の表面に面で密着することにより、処理対象物と基板保持台３４との間の熱伝導効率（冷却効率）が増大する。
【００３７】
冷却機構３９は、ここでは基板保持台３４の内部に設けられた流路３９ａと、流路３９ａ内に温度管理された冷却媒体を循環させる冷却媒体循環装置３９ｂとを有している。
冷却媒体循環装置３９ｂから流路３９ａ内に冷却媒体を循環させると、基板保持台３４は冷却媒体の温度に冷却され、熱伝導により基板保持台３４に吸着された処理対象物も冷却される。以後、処理対象物の冷却を継続して、処理対象物をここでは１００℃未満の温度に維持する。
真空排気装置により、真空槽内を１０-3Ｐａ以下の真空雰囲気に維持する。
【００３８】
電子銃３３は、フィラメント３３ａと、フィラメント３３ａから放出された電子を加速する加速電極３３ｂとを有している。
フィラメント３３ａにはフィラメント電源３３ｃが電気的に接続されている。フィラメント電源３３ｃからフィラメント３３ａに直流電流を流すと、フィラメント３３ａは発熱して、電子が放出される。
【００３９】
予め、電子線のエネルギーと、ＧａＮ層内部への電子の侵入深さとの関係を計算により求め、この関係に基づいて、電子線のエネルギーを、ｎ型ＧａＮ層１３の内部に侵入する大きさに決めておく。また予め決めた電子線４１のエネルギーから、加速電極３３ｂに印加する電圧の大きさを求めておく。
【００４０】
加速電極３３ｂには加速電極電源３３ｄが電気的に接続されている。加速電極電源３３ｄから加速電極３３ｂに予め求めた大きさの直流電圧を印加すると、フィラメント３３ａから放出された電子は、加速電極３３ｂが形成する電場により加速されて、ｎ型ＧａＮ層１３の内部に侵入する大きさのエネルギーを獲得し、銃口３３ｅから真空槽３１内に放出される。
【００４１】
加速電極３３ｂと銃口３３ｅとの間にはレンズ電極３３ｆが配置され、レンズ電極３３ｆにはレンズ電極電源３３ｇが電気的に接続されている。レンズ電極電源３３ｇからレンズ電極３３ｆに電流を流して、電子線４１の飛行経路に電場を形成し、電子線４１のビーム径を所定の大きさにする。
【００４２】
本実施例では、銃口３３ｅの法線方向には、電子線４１の飛行経路に電場を形成する電子線偏向機構３６が配置されている。電子線偏向機構３６を動作させて、電子線４１の進行方向が処理対象物の表面に向くように、電子線４１の進行方向に対して直角な向きの電場を形成する。
【００４３】
銃口３３ｅから放出された電子線４１は、電子線偏光機構３６が形成する電場を通って、基板保持台３４上の処理対象物の表面に入射し、ｎ型ＧａＮ層１３の内部に侵入する。
【００４４】
なお、銃口３３ｅから放出された電子線４１が処理対象物の表面に入射できるならば、電子線偏光機構３６を用いた構成に限定されず、電子銃３３を銃口３３ｅの法線方向が処理対象物の表面と交差する向きに向けて配置し、電子線偏向機構３６を省略してもよい。
電子線衝撃により処理対象物の温度が１００℃以上に上がらないような電子線密度を予め実験や計算で求めておく。
【００４５】
真空槽３１内には電子線４１の強度とビーム径を測定する電子線強度・サイズモニター３７が配置されている。電子線強度・サイズモニター３７により、電子線４１の強度とビーム径を測定し、測定結果に基づいて、フィラメント電源３３ｃの出力電流又はレンズ電極電源３３ｇの出力電流を変更して、電子線４１の強度とビーム径を変更し、電子線密度を予め求めた値にする。
【００４６】
ｎ型ＧａＮ層１３の内部に電子線が侵入すると、侵入した電子とＡｌ(1-x)ＧａxＮ結晶との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３内の格子欠陥が抑制される。
電子線走査機構３５を動作させて、電子線４１の飛行経路に、電子線４１の進行方向に対して直角な向きの電界を形成して、電子線４１の照射位置をｎ型ＧａＮ層１３の表面内で揺動させ、ｎ型ＧａＮ層１３の表面全体に均一な照射量で電子線４１を照射する。
【００４７】
電子線密度が高いほど電子線４１の照射効果の効率がよく好ましい。電子線４１の照射中に、処理対象物は冷却されて１００℃未満の温度に維持されており、熱による処理対象物の変質は発生しない。
【００４８】
予め、ｎ型ＧａＮ層１３に照射すべき電子線４１の積算照射量を、実験や計算により定めておき、定めた積算照射量と電子線４１の強度とから、照射時間を求めておく。
電子線４１を予め求めた照射時間、照射した後、フィラメント電源３３ｃからフィラメント３３ａへの電流の供給を停止し、処理対象物への電子線４１の照射を停止する。
【００４９】
（中間層形成工程）
処理対象物を、大気に曝さずに、電子線照射室２３の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内に搬入する。
ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内では、処理対象物をエピタキシャル成長が起こる温度に加熱する。ここでは１０００℃に加熱する。
【００５０】
処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガスとＮＨ3ガスとトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、ｎ型ＧａＮ層１３の表面で熱により化学反応し、ｎ型ＧａＮ層１３の表面にＩｎＧａＮの薄膜からなるＩｎＧａＮ井戸層１４ａが形成される。
【００５１】
次いで、処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガスとＮＨ3ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、ＩｎＧａＮ井戸層１４ａの表面で熱により化学反応し、ＩｎＧａＮ井戸層１４ａの表面にＧａＮの薄膜からなるＧａＮ障壁層１４ｂが形成される。
【００５２】
ＩｎＧａＮ井戸層１４ａの形成とＧａＮ障壁層１４ｂの形成とを交互に複数回繰り返して、ｎ型ＧａＮ層１３の表面にＩｎＧａＮ井戸層１４ａとＧａＮ障壁層１４ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造からなる中間層１４を形成する。
【００５３】
（ｐ型ＧａＮ層形成工程）
次いで、処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガスＴＭＡｌガスのいずれか一方のガス又は両方のガスと、ＮＨ3ガスとビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）ガスとをＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内に供給する。供給されたガスは、中間層１４の表面で熱により化学反応し、中間層１４の表面にＭｇがドープされたＡｌ(1-y)ＧａyＮの薄膜からなるｐ型ＧａＮ層１５が形成される。
【００５４】
（電極形成工程）
処理対象物を、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、エッチング室２４の真空槽内に移動させる。
エッチング室２４の真空槽内では、ｐ型ＧａＮ層１５の表面の一部を膜厚方向にエッチングして中間層１４の表面の一部を露出させ、中間層１４の露出した部分を膜厚方向にエッチングして、ｎ型ＧａＮ層１３の表面の一部を露出させる。
【００５５】
次いで、処理対象物をエッチング室２４の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、真空蒸着室２５の真空槽内に搬入する。
真空蒸着室２５の真空槽内では、電極材料（ここではＡｕ）を加熱して蒸気を発生させ、電極材料の蒸気をｐ型ＧａＮ層１５の表面とｎ型ＧａＮ層１３の露出した表面にそれぞれ到達させ、ｐ型ＧａＮ層１５の表面にｐ型電極１７ａを形成し、ｎ型ＧａＮ層１３の露出した表面にｎ型電極１７ｂを形成する。
【００５６】
次いで、処理対象物を真空蒸着室２５の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、搬入出室２１の真空槽内に移動させる。
このようにして、本発明の半導体素子１０が得られる。
【００５７】
なお、上記説明では、電子線照射工程は、ｎ型ＧａＮ層形成工程の後、中間層形成工程の前に設けられていたが、ｐ型ＧａＮ層形成工程の後に設けられていてもよい。電子線照射工程がｐ型ＧａＮ層形成工程の後に設けられている場合には、電子線をｐ型ＧａＮ層１５と中間層１４とを順に通過してｎ型ＧａＮ層１３内に侵入するエネルギーで照射する。
【００５８】
また、上述のｎ型ＧａＮ層形成工程では、ｎ型ＧａＮ層１３をＭＯＣＶＤ法により形成したが、ＧａＮターゲット又はＧａターゲットと、Ｓｉターゲットを窒素（Ｎ2）雰囲気中でスパッタしてｎ型ＧａＮ層１３を形成してもよい。
【実施例】
【００５９】
（実施例１）
サファイア基板の表面にアモルファス状のＧａＮの薄膜からなるバッファ層を形成し、バッファ層の表面にＳｉがドープされたＧａＮの薄膜からなるｎ型ＧａＮ層を４μｍの膜厚で形成して、ｎ型試料基板を得た。
【００６０】
次いで、カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定装置を用いて、ｎ型試料基板の表面に露出するｎ型ＧａＮ層に、エネルギー１５ｋｅＶ、電流値１０ｎＡの電子線を照射して、放出された光（カソードルミネッセンス）の波長と強度との関係を測定した。
【００６１】
図４は測定結果を示している。波長３６０ｎｍに観察されるピークＡ1はＧａＮ結晶のバンド端発光によるものである。この波長３６０ｎｍの発光が、短波長発光素子としてのＬＥＤの性能上重要になる。波長５５０ｎｍに観察されるピークＡ2は、ＧａＮ結晶中の不純物の発光であり、波長７００ｎｍに観察されるピークＡ3は波長３６０ｎｍの発光の分光器系の干渉によるものである。
【００６２】
ところで、電子線のエネルギーと、ＧａＮ層内部への電子の侵入深さとの関係を計算により求めると、図５に示すグラフが得られた。このグラフから、エネルギー１５ｋｅＶの電子線はＧａＮ層内部に１．８μｍの深さで侵入することが分かる。
【００６３】
よって、エネルギー１５ｋｅＶの電子線を、ｎ型試料基板の表面に露出するｎ型ＧａＮ層に照射すると、電子線はｎ型ＧａＮ層の内部にだけ侵入し、ｎ型ＧａＮ層を通過してバッファ層又はサファイア基板には侵入しないことになる。
【００６４】
（実施例２）
次いで、上述のｎ型試料基板表面のｎ型ＧａＮ層に、エネルギー１５ｋｅＶの電子線を、毎分１×１０3／ｃｍ2（７．５Ｗ／ｃｍ2）のドーズ量で照射し、波長３６０ｎｍのピークの発光強度と電子線照射時間との関係を測定した。
【００６５】
測定結果を図６の符号Ｐ1に示す。電子線照射時間が増大すると、波長３６０ｎｍのピークの発光強度は増大し、電子線照射時間が４０分経過した後は、波長３６０ｎｍのピークの発光強度は電子線照射開始時の発光強度の３倍を超えてほぼ一定になることが分かる。
【００６６】
（実施例３）
次いで、別のｎ型試料基板表面のｎ型ＧａＮ層に、エネルギー１５ｋｅＶの電子線を、実施例１のドーズ量の３０倍である２２８Ｗ／ｃｍ2のドーズ量で照射し、波長３６０ｎｍのピークの強度と電子線照射時間との関係を測定した。
測定結果を図６の符号Ｐ2に示す。実施例２の測定結果Ｐ1と比較すると、ドーズ量を３０倍にすると、４倍を超える発光強度が測定されたことが分かる。
【００６７】
つまり、電子線の照射時間又は照射強度を増加させると、波長３６０ｎｍのピークの発光強度が増加したことが分かる。この原因は、電子線とＧａＮ結晶との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３の格子欠陥の数が減少したためと考えられる。
【００６８】
（実施例４）
別のｎ型試料基板を作成した後、電子線照射を行わずに、真空雰囲気中又は窒素雰囲気中で８００℃に加熱処理（アニール）した。加熱処理後に、実施例１のＣＬ測定方法と同じ方法で、ｎ型試料基板表面のｎ型ＧａＮ層に電子線を照射して、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００６９】
図７の符号Ｑ1は真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｑ2は窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｑ3は加熱処理していないｎ型試料基板についての測定結果を示す。
【００７０】
加熱処理していないｎ型試料基板と比べて、真空雰囲気中、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では波長３６０ｎｍのピークの発光強度が減少したことが分かる。この結果から、加熱処理では波長３６０ｎｍのピークの発光強度は増加しないことが分かり、すなわち、実施例２、３での電子線照射による発光強度の増加は、電子衝撃による熱的なアニール効果ではないことが分かる。
【００７１】
なお、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板より、真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板の方が、発光強度の減少量が大きい理由は、真空雰囲気中での加熱処理ではＧａＮ結晶からＮ原子が抜け出たからと考えられる。
【００７２】
（実施例５）
次いで、実施例４で得た真空雰囲気中、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板と、加熱処理していないｎ型試料基板に、それぞれ実施例２の電子線照射条件と同じ照射条件で、電子線を３０分間照射した後、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００７３】
図８の符号Ｒ1は真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｒ2は窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｒ3は加熱処理していないｎ型試料基板についての測定結果を示す。
【００７４】
加熱処理していないｎ型試料基板と比べて、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では波長３６０ｎｍの発光強度が減少したが、真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では波長３６０ｎｍの発光強度が増加したことが分かる。
実施例４の測定結果と比較すると、真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では、電子線照射による波長３６０ｎｍの増加量が、他のｎ型試料基板より大きいことが分かる。
【００７５】
（実施例６）
サファイア基板の表面にアモルファス状のＧａＮの薄膜からなるバッファ層を形成し、バッファ層の表面にＭｇがドープされたＧａＮの薄膜からなるｐ型ＧａＮ層を４μｍの膜厚で形成して、ｐ型試料基板を得た。
次いで、実施例１のＣＬ測定方法と同じ方法で、ｐ型試料基板表面のｐ型ＧａＮ層に電子線を照射して、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００７６】
図９の符号Ｓ1はｐ型試料基板を揺動させながら電子線を照射したとき、符号Ｓ2はｐ型試料基板を静止させた状態で電子線を照射したとき、符号Ｓ3、Ｓ4はｐ型試料基板を静止させた状態で電子線照射を継続して５、１０分経過したときの測定結果を示す。この結果から、ｎ型ＧａＮ層だけでなく、ｐ型ＧａＮ層でも、電子線照射により、発光強度が増加したことが分かる。
【００７７】
（実施例７）
互いに異なるロットで作成した第一、第二のｎ型試料基板と、ｐ型試料基板に、実施例２の電子線照射条件と同じ照射条件で、電子線を３０分間照射した後、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００７８】
図１０の符号Ｔ1、Ｔ2は第一、第二のｎ型試料基板、符号Ｔ3はｐ型試料基板についての測定結果を示す。図面上では、第一、第二のｎ型試料基板の測定結果Ｔ1、Ｔ2は互いに重なっている。この結果から、電子線照射後のｎ型ＧａＮ層の発光強度は、電子線照射後のｐ型ＧａＮ層の発光強度より大きいことが分かる。
【符号の説明】
【００７９】
１０……半導体素子
１１……サファイア基板
１３……ｎ型ＧａＮ層
１５……ｐ型ＧａＮ層
４１……電子線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関し、特にＡｌ(1-x)ＧａxＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化物半導体発光素子の発光効率を高効率化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、結晶基板の表面又は結晶基板の表面に形成されたバッファ層の表面に形成されるＡｌ(1-x)ＧａxＮで表される窒化物半導体発光素子に関しては、多くの特許や発表がなされている。それら特許や発表の多くでは、結晶基板としてはサファイア単結晶基板が用いられており、化合物半導体の主力形成方法は有機金属化学気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）による。
【０００３】
特許文献１、２には、接合状態や基板への立体構造作成の工夫により、発光効率を高める技術が開示されているが、発光効率を飛躍的に向上させるには、発光層の主力化合物であるＧａＮ結晶の特性を改善する技術が必要であった。
【０００４】
なぜならば、現在成長されているＧａＮ結晶は、他の半導体材料膜に比べて、多くの格子欠陥を含んでおり、結晶として十分な特性を有していないのが現実であり、成長過程で特性をさらに上げるのは従来の技術では困難であった。
【０００５】
具体的には、窒化物半導体発光素子の主要発光層であるｎ型半導体ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層）の形成方法は、ＭＯ−ＣＶＤ法により、サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長させる方法が一般的である。しかし、ＧａＮ結晶とサファイア基板とは格子定数のミスマッチングが大きく、ＧａＮ結晶をサファイア基板表面に直接成長させた場合、ＧａＮ結晶は格子欠陥を多く含む膜となる。
【０００６】
ＧａＮ結晶の格子欠陥を回避するために、サファイア基板表面にバッファ層を成長させ、バッファ層の表面にＧａＮ結晶を成長させる方法が従来行われているが、バッファ層の導入によりミスマッチングを緩和させても、ＧａＮ結晶には１０8／ｃｍ2を超える転位密度が存在するという問題があった。
【０００７】
また、特殊なＧａＮ結晶の成長法として、ＧａＮ基板表面にＧａＮ結晶をホモエピタキシャル成長させる方法があるが、ホモエピタキシャル成長させたＧａＮ結晶にも１０3／ｃｍ2を超える転位密度が存在するという問題があった。
【０００８】
なお、発光素子の発光効率を上げる方法として、特許文献３では、ｐ型ＧａＮ層にだけ電子線を照射してｐ型ＧａＮ層のドーパントを活性化させ、その下のｎ型ＧａＮ層には電子線を到達させない技術が開示されている。具体的には、特許文献３の段落０００５には「本発明者はこの構造の発光ダイオードの発光効率について研究した結果、電子線の照射強度を変化させると、発光強度が変化することを発見した。この現象に対して、本発明者は、電子線を照射する時に、マグネシウムがドープされている層を越えて、下層の発光層にも電子線が照射されることで、その発光層の結晶に欠陥を発生させていると推定した。」と記載され、段落０００６には「よって、本発明は、発光ダイオードの発光効率を向上させるために製造方法を改善することである。」と記載され、段落０００８には「上記のように、ｐ層を形成するために、発光層には電子線が侵入しない電圧で電子線を照射するようにしているので、発光層に格子欠陥が発生しないため、発光素子の発光効率が向上する。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３２０９２３３号公報
【特許文献２】特許第２９６４８２２号公報
【特許文献３】特許第３５３８６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ｎ型ＧａＮ層の格子欠陥が抑制され、発光効率が向上した半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ＭＯ−ＣＶＤ法や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等により作成したＧａＮ結晶の発光素子材料としての特性評価手法として、目的とする発光域よりも短波長の光を材料に照射する光励起ルミネッセンス（ＰＬ）や、真空中に材料を保持して電子線を照射するカソードルミネッセンス（陰極線発光、ＣＬ）を測定し、そのスペクトルと強度に基づいて素子材料の優劣性を評価する手法が一般的である。
【００１２】
ＣＬ評価法について具体的に説明すると、真空中で物質に電子線を照射したとき、物質から二次電子・反射電子・オージェ電子・元素特有の特性Ｘ線と様々な信号が放出されるが、光信号としてカソードルミネッセンス（ＣＬ）も放出される。ＣＬ評価法は、ＣＬ信号としての光信号を真空中から窓部を介して大気中に取り出し、分光して各波長における強度を測定する。
【００１３】
ｎ型ＧａＮ膜のＣＬスペクトルのうち、波長３６０ｎｍのピークの強度はＧａＮ固有のものでバンド端発光によるものである。この強度を詳細に調べることにより、ｎ型ＧａＮ層の優劣を決める大きな手がかりとなり、例えばＬＥＤ等の発光素子としての特性を左右することになる。
【００１４】
本発明者は、ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、スパッタリング法によるｎ型ＧａＮ層の特性をＣＬ評価法により評価していくうちに、波長３６０ｎｍのピークの強度が電子線の照射量（積算量）に応じて強くなることを見出し、ｎ型ＧａＮ層への電子線照射は、上記特許文献３に記載されたような格子欠陥を発生させるのではなく、別の現象により元々存在する格子欠陥を発光現象に影響を与えないように抑制しているものと考え、ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射することにより上記目的を達成できることを見出した。
【００１５】
係る知見に基づいて成された本発明は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に配置されたｎ型ＧａＮ層と、前記ｎ型ＧａＮ層上に配置されたｐ型ＧａＮ層と、を有する半導体素子であって、前記ｎ型ＧａＮ層は電子線が照射された半導体素子である。
本発明は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、を有する半導体素子の製造方法であって、前記ｎ型ＧａＮ層形成工程の後、前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の前に、前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法である。
本発明は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、を有する半導体素子の製造方法であって、前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の後に、前記ｐ型ＧａＮ層を通過させて前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法である。
本発明は半導体素子の製造方法であって、前記電子線照射工程では、前記サファイア基板を冷却して１００℃未満の温度に維持しながら前記電子線を照射する半導体素子の製造方法である。
本発明は半導体素子の製造方法であって、前記電子線照射工程では、前記ｎ型ＧａＮ層内部に侵入する大きさのエネルギーの前記電子線を、前記ｎ型ＧａＮ層に照射する半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
電子線照射によりｎ型ＧａＮ層に含まれる格子欠陥を抑制することができ、半導体素子の発光効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の半導体素子の内部側面図
【図２】半導体素子製造装置の内部構成図
【図３】電子線照射室の内部構成図
【図４】ｎ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図５】電子線のエネルギーとＧａＮ層内部への電子の侵入深さとの関係を示すグラフ
【図６】ｎ型ＧａＮ層の波長３６０ｎｍのピークの発光強度と電子線照射時間との関係を示すグラフ
【図７】加熱処理後のｎ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図８】加熱処理後に電子線照射をした後のｎ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図９】電子線照射後のｐ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【図１０】電子線照射後のｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層のカソードルミネッセンスの測定結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜半導体素子の構造＞
本発明の半導体素子の構造を説明する。図１は半導体素子１０の内部側面図である。
半導体素子１０は、サファイア基板１１と、サファイア基板１１上に配置されたｎ型ＧａＮ層１３と、ｎ型ＧａＮ層１３上に配置されたｐ型ＧａＮ層１５とを有している。ここでは、ｎ型ＧａＮ層１３はＳｉがドープされたＡｌ(1-x)ＧａxＮ（０≦ｘ≦１、すなわちｘは０以上１以下の数を示す）の薄膜であり、ｐ型ＧａＮ層１５はＭｇがドープされたＡｌ(1-y)ＧａyＮ（０≦ｙ≦１、すなわちｙは０以上１以下の数を示す）の薄膜である。
【００１９】
本実施例では、サファイア基板１１の表面にはバッファ層１２が配置され、ｎ型ＧａＮ層１３はバッファ層１２の表面に配置されている。バッファ層１２はここでは低温成長されたアモルファス状のＧａＮの薄膜であり、サファイア基板１１とｎ型ＧａＮ層１３との格子定数の差を緩衝している。本発明で「低温」とはエピタキシャル成長が起こる温度よりも低い温度をいう。
【００２０】
なお、バッファ層１２はサファイア基板１１とｎ型ＧａＮ層１３との間の緩衝作用を有するならば、低温成長されたＧａＮの薄膜に限定されず、例えば低温成長されたＡｌＮの薄膜でもよい。
【００２１】
ｎ型ＧａＮ層１３の表面には、中間層１４が配置され、ｐ型ＧａＮ層１５は中間層１４の表面に配置されている。中間層１４は、ここではＩｎＧａＮ井戸層１４ａとＧａＮ障壁層１４ｂとが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなり、ｎ型ＧａＮ層１３とｐ型ＧａＮ層１５との間に多重量子井戸接合が形成されている。
【００２２】
ｐ型ＧａＮ層１５の表面にはｐ型電極１７ａが配置されている。また、ｎ型ＧａＮ層１３の表面は部分的に露出され、ｎ型ＧａＮ層１３の露出された表面には、ｐ型電極１７ａから離間して、ｎ型電極１７ｂが配置されている。
【００２３】
ｐ型電極１７ａに正電圧を印加し、ｎ型電極１７ｂに負電圧を印加すると、ｐ型ＧａＮ層１５内の正孔と、ｎ型ＧａＮ層１３内の電子はそれぞれ中間層１４内に移動し、中間層１４内では正孔と電子の再結合が起きて光が発生する。
【００２４】
本発明では、ｎ型ＧａＮ層１３は電子線が照射された薄膜である。内部に侵入した電子線とＡｌ(1-x)ＧａxＮ結晶との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３の格子欠陥は発光現象に影響を与えないように抑制されている。そのため、ｎ型ＧａＮ層１３内では格子欠陥による電子の散乱が減り、ｎ型ＧａＮ層１３の電子移動度が増大し、その結果、半導体素子１０の発光効率は、従来の半導体素子の発光効率より向上している。
【００２５】
なお、本発明の半導体素子１０では、中間層１４は上述の多重量子井戸構造に限定されず、単一量子井戸構造でもよいし、中間層１４が真性ＩｎＧａＮの薄膜からなり、ｎ型ＧａＮ層１３とｐ型ＧａＮ層１５との間にｐｉｎ接合が形成された構成も本発明に含まれる。また、中間層１４が省略され、ｎ型ＧａＮ層１３とｐ型ＧａＮ層１５との間にｐｎ接合が形成された構成も本発明に含まれる。
また、バッファ層１２が省略され、サファイア基板１１表面に直接ｎ型ＧａＮ層１３が配置された構成も本発明に含まれる。
【００２６】
＜半導体素子の製造方法＞
上述の半導体素子１０の製造方法を説明する。
図２は半導体素子製造装置２０の内部構成図である。半導体素子製造装置２０は、搬入出室２１と、ＭＯＣＶＤ室２２と、電子線照射室２３と、エッチング室２４と、真空蒸着室２５と、搬送室２６とを有している。各室２１〜２６は、それぞれ真空槽と、真空槽内を真空排気する真空排気装置とを有している。
【００２７】
符号２１〜２５の各室の真空槽は、それぞれ真空バルブを介して搬送室２６の真空槽に接続されている。搬送室２６の真空槽内には不図示の搬送ロボットが配置されており、符号２１〜２５のうち一の室の真空槽内の処理対象物を、大気に曝さずに、搬送室２６の真空槽内を通って、他の一の室の真空槽内に移動できるようになっている。
【００２８】
まず、各室２１〜２６の真空排気装置を動作させて、各室２１〜２６の真空槽内を真空排気し、真空雰囲気を形成する。以後、真空排気装置の動作を継続して、各室２１〜２６の真空槽内の真空雰囲気を維持する。
【００２９】
（バッファ層形成工程）
搬入出室２１の真空槽内には、処理対象物であるサファイア基板１１が配置されている。
搬送室２６の真空ロボットを動作させて、処理対象物を搬入出室２１の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内に移動させる。
ＭＯＣＶＤ室の真空槽内では、まず、処理対象物をエピタキシャル成長が起こる温度より低い温度に加熱する。ここでは５００℃に加熱する。
【００３０】
処理対象物の加熱を継続しながら、トリメチルガリウム（ＴＭＧＡ）ガスとアンモニア（ＮＨ3）ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、サファイア基板１１の表面で熱により化学反応し、サファイア基板１１の表面にアモルファス状のＧａＮの薄膜からなるバッファ層１２が形成される。
【００３１】
（ｎ型ＧａＮ層形成工程）
次いで、処理対象物をエピタキシャル成長が起こる温度に加熱する。ここでは１０００度に加熱する。
【００３２】
処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガス又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）ガスのいずれか一方のガス又は両方のガスと、ＮＨ3ガスとシラン（ＳｉＨ4）ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、バッファ層１２の表面で熱により化学反応し、バッファ層１２の表面にＳｉがドープされたＡｌ(1-x)ＧａxＮの薄膜からなるｎ型ＧａＮ層１３が形成される。
【００３３】
（電子線照射工程）
次いで、処理対象物を、大気に曝さずに、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、電子線照射室２３の真空槽内に移動させる。
図３は電子線照射室２３の内部構成図である。
【００３４】
電子線照射室２３は、真空槽３１と、真空排気装置３２と、真空槽３１内に配置され、表面に処理対象物が配置される基板保持台３４と、基板保持台３４に保持された処理対象物を冷却する冷却機構３９と、真空槽３１内に電子線を放出する電子銃３３と、電子線の飛行経路に電場を形成して、電子線の照射位置を移動させる電子線走査機構３５とを有している。符号４１は電子銃３３から放出された電子線を示している。
【００３５】
処理対象物を真空槽３１内に搬入した後、ｎ型ＧａＮ層１３が露出する向きで、基板保持台３４の表面に配置する。基板保持台３４には処理対象物を吸着させる静電吸着機構３８が設けられている。
【００３６】
静電吸着機構３８は、基板保持台３４の内部に設けられた内部電極３８ａと、内部電極３８ａに電気的に接続された静電吸着電源３８ｂとを有している。静電吸着電源３８ｂから内部電極３８ａに電圧を印加すると、基板保持台３４の表面に配置された処理対象物に吸着力が発生し、処理対象物は基板保持台３４の表面に面で密着する。処理対象物が基板保持台３４の表面に面で密着することにより、処理対象物と基板保持台３４との間の熱伝導効率（冷却効率）が増大する。
【００３７】
冷却機構３９は、ここでは基板保持台３４の内部に設けられた流路３９ａと、流路３９ａ内に温度管理された冷却媒体を循環させる冷却媒体循環装置３９ｂとを有している。
冷却媒体循環装置３９ｂから流路３９ａ内に冷却媒体を循環させると、基板保持台３４は冷却媒体の温度に冷却され、熱伝導により基板保持台３４に吸着された処理対象物も冷却される。以後、処理対象物の冷却を継続して、処理対象物をここでは１００℃未満の温度に維持する。
真空排気装置により、真空槽内を１０-3Ｐａ以下の真空雰囲気に維持する。
【００３８】
電子銃３３は、フィラメント３３ａと、フィラメント３３ａから放出された電子を加速する加速電極３３ｂとを有している。
フィラメント３３ａにはフィラメント電源３３ｃが電気的に接続されている。フィラメント電源３３ｃからフィラメント３３ａに直流電流を流すと、フィラメント３３ａは発熱して、電子が放出される。
【００３９】
予め、電子線のエネルギーと、ＧａＮ層内部への電子の侵入深さとの関係を計算により求め、この関係に基づいて、電子線のエネルギーを、ｎ型ＧａＮ層１３の内部に侵入する大きさに決めておく。また予め決めた電子線４１のエネルギーから、加速電極３３ｂに印加する電圧の大きさを求めておく。
【００４０】
加速電極３３ｂには加速電極電源３３ｄが電気的に接続されている。加速電極電源３３ｄから加速電極３３ｂに予め求めた大きさの直流電圧を印加すると、フィラメント３３ａから放出された電子は、加速電極３３ｂが形成する電場により加速されて、ｎ型ＧａＮ層１３の内部に侵入する大きさのエネルギーを獲得し、銃口３３ｅから真空槽３１内に放出される。
【００４１】
加速電極３３ｂと銃口３３ｅとの間にはレンズ電極３３ｆが配置され、レンズ電極３３ｆにはレンズ電極電源３３ｇが電気的に接続されている。レンズ電極電源３３ｇからレンズ電極３３ｆに電流を流して、電子線４１の飛行経路に電場を形成し、電子線４１のビーム径を所定の大きさにする。
【００４２】
本実施例では、銃口３３ｅの法線方向には、電子線４１の飛行経路に電場を形成する電子線偏向機構３６が配置されている。電子線偏向機構３６を動作させて、電子線４１の進行方向が処理対象物の表面に向くように、電子線４１の進行方向に対して直角な向きの電場を形成する。
【００４３】
銃口３３ｅから放出された電子線４１は、電子線偏光機構３６が形成する電場を通って、基板保持台３４上の処理対象物の表面に入射し、ｎ型ＧａＮ層１３の内部に侵入する。
【００４４】
なお、銃口３３ｅから放出された電子線４１が処理対象物の表面に入射できるならば、電子線偏光機構３６を用いた構成に限定されず、電子銃３３を銃口３３ｅの法線方向が処理対象物の表面と交差する向きに向けて配置し、電子線偏向機構３６を省略してもよい。
電子線衝撃により処理対象物の温度が１００℃以上に上がらないような電子線密度を予め実験や計算で求めておく。
【００４５】
真空槽３１内には電子線４１の強度とビーム径を測定する電子線強度・サイズモニター３７が配置されている。電子線強度・サイズモニター３７により、電子線４１の強度とビーム径を測定し、測定結果に基づいて、フィラメント電源３３ｃの出力電流又はレンズ電極電源３３ｇの出力電流を変更して、電子線４１の強度とビーム径を変更し、電子線密度を予め求めた値にする。
【００４６】
ｎ型ＧａＮ層１３の内部に電子線が侵入すると、侵入した電子とＡｌ(1-x)ＧａxＮ結晶との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３内の格子欠陥が抑制される。
電子線走査機構３５を動作させて、電子線４１の飛行経路に、電子線４１の進行方向に対して直角な向きの電界を形成して、電子線４１の照射位置をｎ型ＧａＮ層１３の表面内で揺動させ、ｎ型ＧａＮ層１３の表面全体に均一な照射量で電子線４１を照射する。
【００４７】
電子線密度が高いほど電子線４１の照射効果の効率がよく好ましい。電子線４１の照射中に、処理対象物は冷却されて１００℃未満の温度に維持されており、熱による処理対象物の変質は発生しない。
【００４８】
予め、ｎ型ＧａＮ層１３に照射すべき電子線４１の積算照射量を、実験や計算により定めておき、定めた積算照射量と電子線４１の強度とから、照射時間を求めておく。
電子線４１を予め求めた照射時間、照射した後、フィラメント電源３３ｃからフィラメント３３ａへの電流の供給を停止し、処理対象物への電子線４１の照射を停止する。
【００４９】
（中間層形成工程）
処理対象物を、大気に曝さずに、電子線照射室２３の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内に搬入する。
ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内では、処理対象物をエピタキシャル成長が起こる温度に加熱する。ここでは１０００℃に加熱する。
【００５０】
処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガスとＮＨ3ガスとトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、ｎ型ＧａＮ層１３の表面で熱により化学反応し、ｎ型ＧａＮ層１３の表面にＩｎＧａＮの薄膜からなるＩｎＧａＮ井戸層１４ａが形成される。
【００５１】
次いで、処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガスとＮＨ3ガスとを真空槽内に供給する。供給されたガスは、ＩｎＧａＮ井戸層１４ａの表面で熱により化学反応し、ＩｎＧａＮ井戸層１４ａの表面にＧａＮの薄膜からなるＧａＮ障壁層１４ｂが形成される。
【００５２】
ＩｎＧａＮ井戸層１４ａの形成とＧａＮ障壁層１４ｂの形成とを交互に複数回繰り返して、ｎ型ＧａＮ層１３の表面にＩｎＧａＮ井戸層１４ａとＧａＮ障壁層１４ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造からなる中間層１４を形成する。
【００５３】
（ｐ型ＧａＮ層形成工程）
次いで、処理対象物の加熱を継続しながら、ＴＭＧＡガスＴＭＡｌガスのいずれか一方のガス又は両方のガスと、ＮＨ3ガスとビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）ガスとをＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内に供給する。供給されたガスは、中間層１４の表面で熱により化学反応し、中間層１４の表面にＭｇがドープされたＡｌ(1-y)ＧａyＮの薄膜からなるｐ型ＧａＮ層１５が形成される。
【００５４】
（電極形成工程）
処理対象物を、ＭＯＣＶＤ室２２の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、エッチング室２４の真空槽内に移動させる。
エッチング室２４の真空槽内では、ｐ型ＧａＮ層１５の表面の一部を膜厚方向にエッチングして中間層１４の表面の一部を露出させ、中間層１４の露出した部分を膜厚方向にエッチングして、ｎ型ＧａＮ層１３の表面の一部を露出させる。
【００５５】
次いで、処理対象物をエッチング室２４の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、真空蒸着室２５の真空槽内に搬入する。
真空蒸着室２５の真空槽内では、電極材料（ここではＡｕ）を加熱して蒸気を発生させ、電極材料の蒸気をｐ型ＧａＮ層１５の表面とｎ型ＧａＮ層１３の露出した表面にそれぞれ到達させ、ｐ型ＧａＮ層１５の表面にｐ型電極１７ａを形成し、ｎ型ＧａＮ層１３の露出した表面にｎ型電極１７ｂを形成する。
【００５６】
次いで、処理対象物を真空蒸着室２５の真空槽内から搬送室２６の真空槽内を通って、搬入出室２１の真空槽内に移動させる。
このようにして、本発明の半導体素子１０が得られる。
【００５７】
なお、上記説明では、電子線照射工程は、ｎ型ＧａＮ層形成工程の後、中間層形成工程の前に設けられていたが、ｐ型ＧａＮ層形成工程の後に設けられていてもよい。電子線照射工程がｐ型ＧａＮ層形成工程の後に設けられている場合には、電子線をｐ型ＧａＮ層１５と中間層１４とを順に通過してｎ型ＧａＮ層１３内に侵入するエネルギーで照射する。
【００５８】
また、上述のｎ型ＧａＮ層形成工程では、ｎ型ＧａＮ層１３をＭＯＣＶＤ法により形成したが、ＧａＮターゲット又はＧａターゲットと、Ｓｉターゲットを窒素（Ｎ2）雰囲気中でスパッタしてｎ型ＧａＮ層１３を形成してもよい。
【実施例】
【００５９】
（実施例１）
サファイア基板の表面にアモルファス状のＧａＮの薄膜からなるバッファ層を形成し、バッファ層の表面にＳｉがドープされたＧａＮの薄膜からなるｎ型ＧａＮ層を４μｍの膜厚で形成して、ｎ型試料基板を得た。
【００６０】
次いで、カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定装置を用いて、ｎ型試料基板の表面に露出するｎ型ＧａＮ層に、エネルギー１５ｋｅＶ、電流値１０ｎＡの電子線を照射して、放出された光（カソードルミネッセンス）の波長と強度との関係を測定した。
【００６１】
図４は測定結果を示している。波長３６０ｎｍに観察されるピークＡ1はＧａＮ結晶のバンド端発光によるものである。この波長３６０ｎｍの発光が、短波長発光素子としてのＬＥＤの性能上重要になる。波長５５０ｎｍに観察されるピークＡ2は、ＧａＮ結晶中の不純物の発光であり、波長７００ｎｍに観察されるピークＡ3は波長３６０ｎｍの発光の分光器系の干渉によるものである。
【００６２】
ところで、電子線のエネルギーと、ＧａＮ層内部への電子の侵入深さとの関係を計算により求めると、図５に示すグラフが得られた。このグラフから、エネルギー１５ｋｅＶの電子線はＧａＮ層内部に１．８μｍの深さで侵入することが分かる。
【００６３】
よって、エネルギー１５ｋｅＶの電子線を、ｎ型試料基板の表面に露出するｎ型ＧａＮ層に照射すると、電子線はｎ型ＧａＮ層の内部にだけ侵入し、ｎ型ＧａＮ層を通過してバッファ層又はサファイア基板には侵入しないことになる。
【００６４】
（実施例２）
次いで、上述のｎ型試料基板表面のｎ型ＧａＮ層に、エネルギー１５ｋｅＶの電子線を、毎分１×１０3／ｃｍ2（７．５Ｗ／ｃｍ2）のドーズ量で照射し、波長３６０ｎｍのピークの発光強度と電子線照射時間との関係を測定した。
【００６５】
測定結果を図６の符号Ｐ1に示す。電子線照射時間が増大すると、波長３６０ｎｍのピークの発光強度は増大し、電子線照射時間が４０分経過した後は、波長３６０ｎｍのピークの発光強度は電子線照射開始時の発光強度の３倍を超えてほぼ一定になることが分かる。
【００６６】
（実施例３）
次いで、別のｎ型試料基板表面のｎ型ＧａＮ層に、エネルギー１５ｋｅＶの電子線を、実施例１のドーズ量の３０倍である２２８Ｗ／ｃｍ2のドーズ量で照射し、波長３６０ｎｍのピークの強度と電子線照射時間との関係を測定した。
測定結果を図６の符号Ｐ2に示す。実施例２の測定結果Ｐ1と比較すると、ドーズ量を３０倍にすると、４倍を超える発光強度が測定されたことが分かる。
【００６７】
つまり、電子線の照射時間又は照射強度を増加させると、波長３６０ｎｍのピークの発光強度が増加したことが分かる。この原因は、電子線とＧａＮ結晶との相互作用により、ｎ型ＧａＮ層１３の格子欠陥の数が減少したためと考えられる。
【００６８】
（実施例４）
別のｎ型試料基板を作成した後、電子線照射を行わずに、真空雰囲気中又は窒素雰囲気中で８００℃に加熱処理（アニール）した。加熱処理後に、実施例１のＣＬ測定方法と同じ方法で、ｎ型試料基板表面のｎ型ＧａＮ層に電子線を照射して、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００６９】
図７の符号Ｑ1は真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｑ2は窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｑ3は加熱処理していないｎ型試料基板についての測定結果を示す。
【００７０】
加熱処理していないｎ型試料基板と比べて、真空雰囲気中、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では波長３６０ｎｍのピークの発光強度が減少したことが分かる。この結果から、加熱処理では波長３６０ｎｍのピークの発光強度は増加しないことが分かり、すなわち、実施例２、３での電子線照射による発光強度の増加は、電子衝撃による熱的なアニール効果ではないことが分かる。
【００７１】
なお、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板より、真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板の方が、発光強度の減少量が大きい理由は、真空雰囲気中での加熱処理ではＧａＮ結晶からＮ原子が抜け出たからと考えられる。
【００７２】
（実施例５）
次いで、実施例４で得た真空雰囲気中、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板と、加熱処理していないｎ型試料基板に、それぞれ実施例２の電子線照射条件と同じ照射条件で、電子線を３０分間照射した後、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００７３】
図８の符号Ｒ1は真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｒ2は窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板、符号Ｒ3は加熱処理していないｎ型試料基板についての測定結果を示す。
【００７４】
加熱処理していないｎ型試料基板と比べて、窒素雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では波長３６０ｎｍの発光強度が減少したが、真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では波長３６０ｎｍの発光強度が増加したことが分かる。
実施例４の測定結果と比較すると、真空雰囲気中で加熱処理したｎ型試料基板では、電子線照射による波長３６０ｎｍの増加量が、他のｎ型試料基板より大きいことが分かる。
【００７５】
（実施例６）
サファイア基板の表面にアモルファス状のＧａＮの薄膜からなるバッファ層を形成し、バッファ層の表面にＭｇがドープされたＧａＮの薄膜からなるｐ型ＧａＮ層を４μｍの膜厚で形成して、ｐ型試料基板を得た。
次いで、実施例１のＣＬ測定方法と同じ方法で、ｐ型試料基板表面のｐ型ＧａＮ層に電子線を照射して、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００７６】
図９の符号Ｓ1はｐ型試料基板を揺動させながら電子線を照射したとき、符号Ｓ2はｐ型試料基板を静止させた状態で電子線を照射したとき、符号Ｓ3、Ｓ4はｐ型試料基板を静止させた状態で電子線照射を継続して５、１０分経過したときの測定結果を示す。この結果から、ｎ型ＧａＮ層だけでなく、ｐ型ＧａＮ層でも、電子線照射により、発光強度が増加したことが分かる。
【００７７】
（実施例７）
互いに異なるロットで作成した第一、第二のｎ型試料基板と、ｐ型試料基板に、実施例２の電子線照射条件と同じ照射条件で、電子線を３０分間照射した後、放出された光の波長と強度との関係を測定した。
【００７８】
図１０の符号Ｔ1、Ｔ2は第一、第二のｎ型試料基板、符号Ｔ3はｐ型試料基板についての測定結果を示す。図面上では、第一、第二のｎ型試料基板の測定結果Ｔ1、Ｔ2は互いに重なっている。この結果から、電子線照射後のｎ型ＧａＮ層の発光強度は、電子線照射後のｐ型ＧａＮ層の発光強度より大きいことが分かる。
【符号の説明】
【００７９】
１０……半導体素子
１１……サファイア基板
１３……ｎ型ＧａＮ層
１５……ｐ型ＧａＮ層
４１……電子線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に配置されたｎ型ＧａＮ層と、
前記ｎ型ＧａＮ層上に配置されたｐ型ＧａＮ層と、
を有する半導体素子であって、
前記ｎ型ＧａＮ層は電子線が照射された半導体素子。
【請求項２】
サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、
前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、
を有する半導体素子の製造方法であって、
前記ｎ型ＧａＮ層形成工程の後、前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の前に、前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法。
【請求項３】
サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、
前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、
を有する半導体素子の製造方法であって、
前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の後に、前記ｐ型ＧａＮ層を通過させて前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記電子線照射工程では、前記サファイア基板を冷却して１００℃未満の温度に維持しながら前記電子線を照射する請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記電子線照射工程では、前記ｎ型ＧａＮ層内部に侵入する大きさのエネルギーの前記電子線を、前記ｎ型ＧａＮ層に照射する請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に配置されたｎ型ＧａＮ層と、
前記ｎ型ＧａＮ層上に配置されたｐ型ＧａＮ層と、
を有する半導体素子であって、
前記ｎ型ＧａＮ層は電子線が照射された半導体素子。
【請求項２】
サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、
前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、
を有する半導体素子の製造方法であって、
前記ｎ型ＧａＮ層形成工程の後、前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の前に、前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法。
【請求項３】
サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を形成するｎ型ＧａＮ層形成工程と、
前記ｎ型ＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型ＧａＮ層形成工程と、
を有する半導体素子の製造方法であって、
前記ｐ型ＧａＮ層形成工程の後に、前記ｐ型ＧａＮ層を通過させて前記ｎ型ＧａＮ層に電子線を照射する電子線照射工程を有する半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記電子線照射工程では、前記サファイア基板を冷却して１００℃未満の温度に維持しながら前記電子線を照射する請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記電子線照射工程では、前記ｎ型ＧａＮ層内部に侵入する大きさのエネルギーの前記電子線を、前記ｎ型ＧａＮ層に照射する請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２６３７４（Ｐ２０１３−２６３７４Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８７９０（Ｐ２０１１−１５８７９０）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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