ＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法、及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプ
【課題】内部量子効率および光取り出し効率に優れた発光素子の形成に好適に使用できる結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層の得られる製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法において、基板１０１の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる複数の凸部１２を形成することにより、前記基板１０１上に前記Ｃ面からなる平面１１と前記凸部１２とからなる上面１０を形成する基板加工工程と、前記上面１０上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させて、前記凸部１２を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３で埋めるエピ工程とを備えるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の製造方法とする。
【解決手段】基板１０１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法において、基板１０１の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる複数の凸部１２を形成することにより、前記基板１０１上に前記Ｃ面からなる平面１１と前記凸部１２とからなる上面１０を形成する基板加工工程と、前記上面１０上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させて、前記凸部１２を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３で埋めるエピ工程とを備えるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の製造方法とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子に好適に用いられるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法、及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長の光を発する発光素子用の半導体材料として、ＩＩＩ族窒化物半導体が注目を集めている。ＩＩＩ族窒化物半導体は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表され、サファイア単結晶をはじめ種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる基板の上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた一般的な発光素子では、サファイア単結晶基板の上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層がこの順で積層される。サファイア基板は絶縁体であるので、その素子構造は一般的に、ｐ型半導体層上に形成された正極とｎ型半導体層上に形成された負極とが同一面上に存在する構造となる。このようなＩＩＩ族窒化物半導体発光素子には、正極に透明電極を使用してｐ型半導体側から光を取り出すフェイスアップ方式と、正極にＡｇなどの高反射膜を使用してサファイア基板側から光を取り出すフリップチップ方式との２種類がある。
【０００４】
このような発光素子の出力の指標として、外部量子効率が用いられる。外部量子効率が高ければ、出力の高い発光素子と言うことができる。外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率とを掛け合わせたものである。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーが発光層で光に変換される割合である。光取り出し効率とは、発光層で発生した光のうち発光素子の外部に取り出すことができる光の割合である。したがって、外部量子効率を向上させるには、光取り出し効率を改善する必要がある。
【０００５】
光取り出し効率を改善するためには、主として２つの方法がある。一つは、光取り出し面に形成される電極などによる光の吸収を低減させる方法である。もう一つは、発光素子とその外部の媒体との屈折率の違いによって生じる発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させる方法である。
【０００６】
発光素子の光取り出し効率を向上させるため、ｐ型半導体上に透明電極を設ける場合、従来はＮｉ／Ａｕ等からなる金属透明電極が使用されていたが、最近ではＩＴＯ等の透光性導電酸化膜からなる電極が使用されている。Ｎｉ／Ａｕ等の金属透明電極がＩＴＯ等の透光性導電酸化膜からなる電極に置き替わった理由の一つとして、透光性導電酸化膜を用いることによって発光の吸収を低減できることが挙げられる。
【０００７】
また、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させる方法としては、発光素子の光取り出し面に凹凸を形成する技術が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、機械的加工あるいは化学的加工により光取り出し面に凹凸を形成した発光素子では、光取り出し面に加工を施すことにより半導体層に負荷を掛けることになり、発光層にダメージを残してしまう。また、光取り出し面に凹凸が形成されるような条件で半導体層を成長した発光素子では、半導体層の結晶性が劣化してしまうため、発光層が欠陥を含んだものになる。このため、光取り出し面に凹凸を形成した場合、光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下してしまい、発光強度を増加させることができないという問題がある。
【０００８】
そこで、光取り出し面に凹凸を形成するのではなく、サファイア基板の表面に凹凸を形成し、その上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、サファイア基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸となり、サファイア基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との屈折率の違いによる界面での光の乱反射により、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。
【特許文献１】特許第２８３６６８７号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、サファイア基板の表面に凹凸を形成し、その上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる場合、表面が平坦で結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させることが難しいという問題があった。
例えば、サファイア基板のＣ面上に凸部を形成し、その上に単結晶のＧａＮを含むＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた場合、凸部の頂部に位置するＣ面から成長した半導体層と、凸部の基部周辺に位置するＣ面から成長した半導体層とが合体した部分に転位などの結晶欠陥が発生しやすく、結晶性に優れた半導体層を成長させることは困難であった。
【００１０】
そして、基板上に成長される単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性は、そのＩＩＩ族窒化物半導体層の上に積層されるｎ型層、発光層、ｐ型層からなるＬＥＤ構造を構成する半導体層の結晶性に影響を及ぼす。このため、基板上に成長された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良好でないと、ＬＥＤ構造の結晶性も劣ったものになる。その結果、サファイア基板の表面に凹凸を形成した場合、発光素子の光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下したり、ＬＥＤのリーク電流が増大したりする場合があった。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、内部量子効率および光取り出し効率に優れた発光素子の形成に好適に使用できる結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層の得られるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法を提供することを目的とする。
また、上記の製造方法によって製造されたＩＩＩ族窒化物半導体層上にＬＥＤ構造が形成されている、内部量子効率および光取り出し効率に優れ、しかもリークの少ないＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
さらに、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。即ち、本発明は以下に関する。
【００１３】
（１）基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法において、基板の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記Ｃ面からなる平面と前記凸部とからなる上面を形成する基板加工工程と、前記上面上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、前記凸部を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層で埋めるエピ工程とを備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（２）前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする（１）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【００１４】
（３）前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする（１）または（２）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（４）前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（５）前記基板がサファイア基板であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（６）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（７）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【００１５】
（８）基板上に形成された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層上にＬＥＤ構造が形成されているＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、前記基板は、前記Ｃ面からなる平面と、前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる上面を有するものであり、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記上面上に前記凸部を埋める前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて形成されたものであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００１６】
（９）前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする（８）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１０）前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする（８）または（９）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１１）前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする（８）ないし（１０）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１２）前記基板がサファイア基板であることを特徴とする（８）ないし（１１）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１３）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（８）ないし（１２）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１４）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（８）ないし（１２）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１５）前記ＬＥＤ構造が、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型層と発光層とｐ型層とを有することを特徴とする（８）ないし（１４）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１６）前記ｎ型層にｎクラッド層が備えられているとともに、前記ｐ型層にはｐクラッド層が備えられており、前記ｎクラッド層及び／又は前記ｐクラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする（１５）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００１７】
（１７）（８）ないし（１６）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法は、基板の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記Ｃ面からなる平面と前記凸部とからなる上面を形成する基板加工工程を備えているので、上面上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、前記凸部を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層で埋めるエピ工程を行なうことにより、内部量子効率および光取り出し効率に優れた発光素子の形成に好適に使用できる結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層が得られる。
【００１９】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、基板が、前記Ｃ面からなる平面と、前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる上面を有するものであり、ＩＩＩ族窒化物半導体層が、前記上面上に前記凸部を埋める前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて形成されたものであるので、基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸とされており、界面での光の乱反射により発光素子の内部への光の閉じ込めが低減されるため、光取り出し効率に優れたものとなる。
しかも、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、ＬＥＤ構造の結晶性に優れたものとなるので、内部量子効率の低下を防ぎリーク電流を低減することができ、出力が高く電気特性に優れた発光素子となる。
さらに、本発明においては、ｎクラッド層及び／又はｐクラッド層を超格子構造を含んだ層構成にすることで、出力が格段に向上し、電気特性の優れた発光素子とすることができる。
さらに、本発明のランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものであるので、発光特性に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプの一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。
図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法の一例を説明するための図であって、本発明の製造方法を用いて、基板の表面上に、バッファ層と単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層とが形成された積層構造を示した断面図である。図１において符号１０１は基板を示し、符号１０２はバッファ層を示し、符号１０３はＩＩＩ族窒化物半導体層を示している。
【００２１】
［ＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法］
（基板加工工程）
図２は、図１に示す積層構造を製造する工程の一例を説明するための図であって、本実施形態の基板加工工程の終了した基板を示した斜視図である。
基板加工工程では、基板の（０００１）Ｃ面上にＣ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、図１および図２に示すように、基板１０１上にＣ面からなる平面１１と凸部１２とからなる上面１０を形成する。基板加工工程においては、基板１０１上における凸部１２の平面配置を規定するマスクを形成するパターニング工程と、パターニング工程によって形成されたマスクを使って基板１０１をエッチングして凸部１２を形成するエッチング工程とを行なう。
【００２２】
本実施形態において、複数の凸部１２の形成される基板１０１としては、（０００１）Ｃ面を表面とするサファイア単結晶のウェーハが用いられる。ここで（０００１）Ｃ面を表面とする基板には、基板の面方位に（０００１）方向から±３°の範囲でオフ角が付与された基板も含まれる。また、Ｃ面に非平行の表面とは、（０００１）Ｃ面から±３°の範囲と平行な表面のない表面であることを意味する。
【００２３】
パターニング工程は、一般的なフォトリソグラフィー法で行なうことができる。基板加工工程において形成する凸部１２の基部１２ａの基部幅ｄ１は５μｍ以下であることが好ましいため、基板１０１の表面全面を均一にパターニングするためには、フォトリソグラフィー法のうちステッパー露光法を用いるのが好ましい。しかし、１μｍ以下の基部幅ｄ１の凸部１２のパターンを形成させるためには、高価なステッパー装置が必要となり高コストとなる。そのため、１μｍ以下の凸部幅ｄ１のパターンを形成させる場合には、光ディスクの分野で使用されているレーザー露光法、もしくはナノインプリント法を用いることが好ましい。
【００２４】
エッチング工程において基板１０１をエッチングする方法としては、ドライエッチング法やウェットエッチング法が挙げられる。エッチング方法としてウェットエッチング法を用いる場合、基板１０１の結晶面が露出されるため、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２を形成することが難しい。このため、ドライエッチング法を用いることが好ましい。
【００２５】
Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２は、上述したパターニング工程で形成されたマスクが消失するまで基板１０１をドライエッチングする方法より形成させることが出来る。より具体的には、例えば、基板１０１上にレジストを形成し、所定の形状にパターニングした後、例えばオーブンを用いて１１０℃で３０分の熱処理を行なうポストベークを行って、レジストの側面をテーパ状とする。次いで、横方向のエッチングを促進させる所定の条件でレジストが消失するまでドライエッチングを行なう方法によって形成できる。
【００２６】
また、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２は、マスクを使って基板をドライエッチングした後、再度マスクを剥離して基板１０１をドライエッチングする方法によっても形成させることが出来る。より具体的には、例えば、基板１０１上にレジストを形成し、所定の形状にパターニングした後、例えばオーブンを用いて１１０℃で３０分の熱処理を行なうポストベークを行って、レジストの側面をテーパ状とする。次いで、横方向のエッチングを促進させる所定の条件でドライエッチングを行ない、レジストが消失する前にドライエッチングを中断する。その後、レジストを剥離してドライエッチングを再開し、所定量エッチングを行なう方法によって形成できる。この方法で形成された凸部１２は、高さの面内均一性に優れたものとなる。
【００２７】
また、エッチング方法としてウェットエッチング法を用いる場合、ドライエッチング法と組み合わせることにより、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２を形成できる。
例えば、基板１０１がサファイア単結晶からなるものである場合、例えば、２５０℃以上の高温とした燐酸と硫酸との混酸などの酸を用いることによりウェットエッチングすることができる。
ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせる方法としては、例えば、マスクが消失するまで基板１０１をドライエッチングした後、高温の酸を用いて所定量ウェットエッチングする方法によって形成できる。このような方法を用いて凸部１２を形成することにより、凸部１２の側面を構成する斜面に結晶面が露出され、再現性よく凸部１２の斜面の角度を形成できる。また、表面１１にきれいな結晶面を再現性よく露出させることができる。
また、ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせる方法としては、上記の方法の他、マスクとしてＳｉＯ２などの酸に耐性のある材料からなるマスクを形成してウェットエッチングを行なった後、マスクを剥離し、横方向のエッチングを促進させる所定の条件でドライエッチングを行なう方法によっても形成できる。この方法で形成された凸部１２は、高さの面内均一性に優れたものとなる。また、この方法を用いて凸部１２を形成した場合も、再現性よく凸部１２の側面を構成する斜面の角度を形成できる。
【００２８】
なお、本実施形態おいては、凸部を形成するためにエッチングする方法を行なう場合を例に挙げて説明したが、本発明は上記方法に限定されるものではない。例えば、基板上に凸部となる材料を堆積させることにより凸部を形成してもよい。基板上に凸部となる材料を堆積させる方法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などを使用できる。また、凸部となる材料としては、基板とほぼ同等の屈折率を有する材料を用いることが好ましく、サファイア基板に対しては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯ２等を用いることができる。
【００２９】
（基板形状）
基板加工工程の終了した基板１０１の上面１０には、図２に示すように、複数の凸部１２が形成されている。そして、図２に示すように、基板１０１の上面１０において凸部１２の形成されていない部分は、（０００１）Ｃ面からなる平面１１とされている。従って、図１および図２に示すように、基板１０１の上面１０は、（０００１）Ｃ面からなる平面１１と、複数の凸部１２とから構成されている。
【００３０】
凸部１２は、図１および図２に示すように、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなるものであり、表面１２ｃに（０００１）Ｃ面が現れていないものである。図１および図２に示す凸部１２は、基部１２ａの平面形状が略円形であり、上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状とされており、側面１２ｂが外側に向かって湾曲したお椀状（半球状）の形状とされている。また、凸部１２の平面配置は、図１および図２に示すように、碁盤目状に等間隔に配置されている。
【００３１】
また、図１および図２に示す凸部１２は、基部幅ｄ１が０．０５〜５μｍ、高さｈが０．０５〜５μｍ、かつ高さｈが基部幅ｄ１の１／４以上のものであって、隣接する凸部１２間の間隔ｄ２が基部幅ｄ１の０．５〜５倍とされている。ここで、凸部１２の基部幅ｄ１とは凸部１２の底辺（基部１２ａ）における最大幅の長さのことをいう。また、隣接する凸部１２の間隔ｄ２とは、最近接した凸部１２の基部１２ａの縁の間の距離をいう。
【００３２】
隣接する凸部１２間の間隔ｄ２は、基部幅ｄ１の０．５〜５倍とされることが好ましい。凸部１２間の間隔ｄ２が基部幅ｄ１の０．５倍未満であると、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させる際に、Ｃ面からなる平面１１上からの結晶成長が促進され難くなり、凸部１２をＩＩＩ族窒化物半導体層１０３で完全に埋め込むことが難しくなるし、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面１０３ａの平坦性が十分に得られない場合がある。したがって、凸部１２を埋めるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造となる半導体層の結晶を形成した場合、ＬＥＤ構造を構成する半導体層の結晶は、当然にピットが多く形成されることとなり、形成されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の出力や電気特性等の悪化につながってしまう。また、凸部１２間の間隔ｄ２が基部幅ｄ１の５倍を超えると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層との界面での光の乱反射の機会が減少し、光の取り出し効率を十分に向上させることができなくなる恐れがある。
【００３３】
基部幅ｄ１は０．０５〜５μｍとされることが好ましい。基部幅ｄ１が０．０５μｍ未満であると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、光を乱反射させる効果が十分に得られない恐れがある。また、基部幅ｄ１が５μｍを超えると、凸部１２を埋めてＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させることが困難になる。
【００３４】
凸部１２の高さｈは０．０５〜５μｍとされることが好ましい。凸部１２の高さｈが０．０５μｍ未満であると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、光を乱反射させる効果が十分に得られない恐れがある。また、凸部１２の高さｈが５μｍを超えると、凸部１２を埋めてＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長することが困難になり、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面１０３ａの平坦性が十分に得られない場合がある。
【００３５】
また、凸部１２の高さｈは基部幅ｄ１の１／４以上とされることが好ましい。凸部１２の高さｈが基部幅ｄ１の１／４未満であると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合における光を乱反射させる効果や、光の取り出し効率を向上させる効果が十分に得られない恐れがある。
【００３６】
なお、凸部１２の形状は、図２に示す例に限定されるものではなく、Ｃ面に非平行の表面からなるものであれば、いかなる形状であってもよい。例えば、基部の平面形状が略多角形であり、上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状とされており、側面１２が外側に向かって湾曲している形状であってもよい。また、側面が上部に向かって徐々に外形が小さくなる斜面からなる略円錐状や略多角錐状とされていてもよい。また、側面の傾斜角度が２段階的変化する形状であってもよい。
また、凸部１２の平面配置も、図２に示す例に限定されるものではなく、等間隔であってもよいし、等間隔でなくてもよい。また、凸部１２の平面配置は、四角形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、ランダムであってもよい。
【００３７】
（基板材料）
本実施形態の発光素子において、上述したような基板１０１に用いることができる材料としては、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
また、上記基板材料の中でも、特に、サファイアを用いることが好ましく、サファイア基板のｃ面上に中間層（バッファ層）１０２が形成されていることが望ましい。
【００３８】
なお、上記基板材料の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用い、アンモニアを使用せずに中間層１０２を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述のｎ型半導体層１０４を構成する下地層１０３を成膜した場合には、中間層１０２がコート層としても作用するので、基板１０１の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。
また、中間層１０２をスパッタ法により形成した場合、基板１０１の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板１０１を用いた場合でも、基板１０１にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
【００３９】
（バッファ層形成工程）
本実施形態では、基板加工工程の後、エピ工程の前に、基板１０１の上面１０上に図１に示すバッファ層１０２を積層する。
バッファ層１０２は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。
バッファ層１０２は、上述のように、例えば、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層１０２の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層１０２により基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層１０３との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層１０２の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層１０２としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層１０２の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
【００４０】
バッファ層１０２は、基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層１０３との格子定数の違いを緩和し、基板１０１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、バッファ層１０２の上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を積層すると、より一層結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が積層できる。なお、本発明においては、バッファ層形成工程を行なうことが好ましいが、行なわなくても良い。
【００４１】
バッファ層１０２は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる六方晶系の結晶構造を持つものである。バッファ層１０２をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、単結晶構造を有するものであることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成長条件を制御することにより、上方向だけでなく、面内方向にも成長して単結晶構造を形成する。このため、バッファ層１０２の成膜条件を制御することにより、単結晶構造のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなるバッファ層１０２とすることができる。このような単結晶構造を有するバッファ層１０２を基板１０１上に成膜した場合、バッファ層１０２のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたＩＩＩ族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
【００４２】
また、バッファ層１０２をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶（多結晶）とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
【００４３】
バッファ層１０２を基板１０１の上面１０上に形成する場合、基板１０１に前処理を施してからバッファ層１０２を形成することが望ましい。
前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板１０１を配置し、バッファ層１０２を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板１０１をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝す事によって上面１０を洗浄する前処理を行なうことができる。ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板１０１の上面１０に作用させることで、基板１０１の上面１０に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、ターゲットにパワーを印加せずに、基板１０１とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板１０１に作用する。
【００４４】
また、基板１０１への前処理は、Ｎ＋、（Ｎ２）＋などのイオン成分と、Ｎラジカル、Ｎ２ラジカルなどの電荷を持たないラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理で行なうことが好ましい。
ここで、基板の表面から有機物や酸化物等のコンタミを除去する際、例えば、イオン成分等を単独で基板表面に供給した場合には、エネルギーが強すぎて基板表面にダメージを与えてしまい、基板上に成長させる結晶の品質を低下させてしまうという問題がある。
本実施形態においては、基板１０１への前処理を、上述のようなイオン成分とラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理を用いた方法とし、基板１０１に適度なエネルギーを持つ反応種を作用させることにより、基板１０１表面にダメージを与えずにコンタミ等の除去を行なうことが可能となる。このような効果が得られるメカニズムとしては、イオン成分の割合が少ないプラズマを用いることで基板１０１表面に与えるダメージが抑制されることと、基板１０１表面にプラズマを作用させることによって効果的にコンタミを除去できること等が考えられる。
【００４５】
基板１０１に前処理を行なった後、基板１０１上に、スパッタ法によってバッファ層１０２を成膜する。スパッタ法によって、単結晶構造を有するバッファ層１０２を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が５０％〜１００％、望ましくは７５％となるようにすることが望ましい。
また、スパッタ法によって、柱状結晶（多結晶）有するバッファ層１０２を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が１％〜５０％、望ましくは２５％となるようにすることが望ましい。
【００４６】
バッファ層１０２は、上述したスパッタ法だけでなく、ＭＯＣＶＤ法で形成することが出来るが、基板１０１の上面１０に凸部１２が形成されているため、ＭＯＣＶＤ法でバッファ層を形成すると上面１０で原料ガスの流れが乱れてしまう。このため、ＭＯＣＶＤ法で基板１０１の上面１０に均一にバッファ層１０２を積層することは困難である。これに対し、スパッタ法は、原料粒子の直進性が高いので、上面１０の形状に影響を受けずに均一なバッファ層１０２を積層することが可能である。従って、バッファ層１０２はスパッタ法で形成されることが好ましい。
【００４７】
（エピ工程）
本実施形態では、バッファ層形成工程の後、バッファ層１０２の形成された基板１０１の上面１０上に、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させて、凸部１２をＩＩＩ族窒化物半導体層１０３で埋めるエピ工程を行なう。
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体１０３を形成できるため好ましい。
【００４８】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の最大厚さＨは、凸部１２の高さｈの２倍以上とすると、表面１０３ａの平坦なＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が得られるため好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の最大厚さＨが凸部１２の高さｈの２倍より小さいと、凸部１２を埋め込んで成長したＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面１０３ａの平坦性が不十分となり、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造を積層した場合にＬＥＤ構造を構成する結晶の結晶性が悪くなる場合がある。
【００４９】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の結晶性を良くするためには、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することが出来る。
【００５０】
例えば、サファイア基板の表面に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長する場合、Ｃ面からはＣ軸方向に配向した単結晶がエピタキシャル成長しやすく、Ｃ面以外の表面上からは単結晶のエピタキシャル成長が生じにくい傾向がある。また、ＭＯＣＶＤ法を用いてサファイア基板の表面に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させると、Ｃ面からは単結晶層がエピタキシャル成長するが、Ｃ面以外の表面上には単結晶層がエピタキシャル成長しない。したがって、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の成長は、ＭＯＣＶＤ法により行なうことが好ましい。本実施形態において、バッファ層１０２の形成された基板１０１の上面１０上に、ＭＯＣＶＤ法により単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させると、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２の表面１２ｃからは結晶が成長せず、（０００１）Ｃ面からなる平面１１からのみＣ軸方向に配向した結晶がエピタキシャル成長する。
【００５１】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法で積層する場合、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ３）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を、ｐ型にはＭｇ原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を利用できる。
【００５２】
また、凸部１２の形成された基板１０１は、凸部１２の形成されていない基板と比較して、上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長した場合に、平坦性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を積層することが困難である。また、凸部１２の形成された基板１０１の上面１０に積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３は、結晶性を悪化させるＣ軸方向の傾き（チルト）やＣ軸のねじれ（ツイスト）等が生じやすい。
このため、凸部１２の形成された基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、十分な表面平坦性や良好な結晶性を得るために、以下に示す成長条件とすることが望ましい。
【００５３】
（成長条件）
凸部１２の形成された基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、成長圧力および成長温度を以下に示す条件とすることが好ましい。成長圧力を低くし成長温度を高くすると、横方向の結晶成長が促進され、成長圧力を高くし成長温度を低くすると、ファセット成長モード（△形状）になる。また、成長初期の成長圧力を高くすると、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）が小さくなり、結晶性が向上する傾向がある。
【００５４】
したがって、凸部１２の形成された基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の膜厚が２μｍ程度以上になるまで（前半）と、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を２μｍ程度以上積層した後（後半）とで成長圧力を２段階に変化させることが好ましい。
前半は、成長圧力を４０ｋＰａ以上とすることが好ましく、６０ｋＰａ程度とすることがより好ましい。成長圧力を４０ｋＰａ以上とすると、ファセット成長モード（△形状）になり、転位が横方向に屈曲し、エピ表面に貫通しない。このため、成長圧力を高くすると、低転位化され、結晶性が良好となると推定される。また、成長圧力を４０ｋＰａ未満とすると、結晶性が悪化し、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）が大きくなるため好ましくない。
【００５５】
しかし、成長圧力を４０ｋＰａ以上とすると、エピタキシャル成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面にピットが発生しやすくなり、十分な表面平坦性が得られない場合がある。このため、成長圧力を４０ｋＰａ以上とする場合、成長温度を１１４０℃以下とすることが好ましく、１１２０℃程度とすることがより好ましい。成長温度を１１４０℃以下とすることで、成長圧力を４０ｋＰａ以上、好ましくは６０ｋＰａ程度とした場合であっても、ピットの発生を十分に抑制できる。
【００５６】
また、後半は、成長圧力を４０ｋＰａ以下とすることが好ましく、２０ｋＰａ程度とすることがより好ましい。後半に成長圧力を４０ｋＰａ以下とすることで、横方向の結晶成長を促進することができ、表面平坦性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が得られる。
【００５７】
以上の工程により、図１に示す積層構造が得られる。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法では、Ｃ面からなる平面１１と、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる複数の凸部１２とからなる上面１０を形成する基板加工工程と、上面１０上に凸部１２を埋めるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を成長させるエピ工程とを備えるので、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の結晶中に転位などの結晶欠陥が生じにくく、良好な結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が形成できる。
【００５８】
ここで、例えば、凸部の表面にＣ面が存在する場合、凸部の形成された基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させると、凸部の表面に存在するＣ面と、凸部の形成されていない領域のＣ面とから結晶が成長することになる。この場合、凸部の表面から成長した結晶と、凸部の形成されていない領域から成長した結晶とが合体した部分に転位などの結晶欠陥が発生しやすく、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層が得られにくい。ここで生じた結晶欠陥は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の上に、ｎ型層、発光層、ｐ型層からなるＬＥＤ構造を形成した場合、ＬＥＤ構造を構成する半導体層の結晶に引き継がれ、発光素子を形成した場合における内部量子効率の低下やリーク電流の増大の原因となる。
【００５９】
しかし、本実施形態では、基板１０１上にＣ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２を形成することにより、Ｃ面からなる平面１１と凸部１２とからなる上面１０を形成するので、基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３のエピタキシャル成長を行った場合、平面１１からのみ結晶が成長することになる。従って、基板１０１の上面１０に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３は、上面１０上に凸部１２を埋め込んでエピタキシャル成長し、結晶中に転位などの結晶欠陥を生じない。
【００６０】
従って、本実施形態の製造方法により得られたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層からなるＬＥＤ構造を形成した場合、ＬＥＤ構造を構成する結晶の結晶性が良好となり、発光素子を形成した場合に、内部量子効率に優れ、リークの少ないものとなる。しかも、本実施形態では、基板１０１上に凸部１２を形成するので、基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸とされることになり、図１に示す積層構造は、界面での光の乱反射により優れた光取り出し効率が得られる発光素子を実現可能なものとなる。
【００６１】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子］
図３は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示した断面図である。図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（以下、発光素子と略称することがある）１は、図１に示す積層構造のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造２０が形成されてなるものである。また、図３において、符号１０７は正極ボンディングパッドを示し、符号１０８は負極ボンディングパッドを示している。また、図４は、図３に示す発光素子１の内、ｎ型層１０４、発光層１０５及びｐ型層１０６を示す部分拡大断面図である。
【００６２】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、図３に示す例のように、一面電極型のものであり、上述したような基板１０１上に、中間層１０２と、ＩＩＩ族元素としてＧａを含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなるＬＥＤ構造（ＩＩＩ族窒化物半導体層）２０とが形成されているものである。ＬＥＤ構造２０は、図３に示すように、ｎ型半導体層１０４、発光層１０５及びｐ型半導体層１０６の各層がこの順で積層されてなるものである。
【００６３】
（ＬＥＤ構造）
ＬＥＤ構造２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型層１０４と発光層１０５とｐ型層１０６とを有する。ＬＥＤ構造２０は、ＭＯＣＶＤ法で形成すると結晶性の良いものが得られる。
ｎ型層１０４は、通常ｎコンタクト層１０４ａとｎクラッド層１０４ｂとから構成される。ｎコンタクト層１０４ａはｎクラッド層１０４ｂを兼ねることも可能である。
【００６４】
ｎコンタクト層１０４ａは、負極を設けるための層である。ｎコンタクト層１０４ａとしては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎコンタクト層１０４ａにはｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅが挙げられる。
【００６５】
ｎコンタクト層１０４ａの膜厚は、０．５〜５μｍとされることが好ましく、１〜３μｍの範囲に設定することがより好ましい。ｎコンタクト層１０４ａの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
【００６６】
ｎコンタクト層１０４ａと発光層１０５との間には、ｎクラッド層１０４ｂを設けることが好ましい。ｎクラッド層１０４ｂは、発光層１０５へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。ｎクラッド層１０４ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ｎクラッド層１０４ｂをＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層１０５のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００６７】
ｎクラッド層１０４ｂの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層１０４ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００６８】
なお、ｎクラッド層１０４ｂを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第１層と、該ｎ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第２層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、ｎクラッド層１０４ｂは、ｎ側第１層とｎ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよい。また、好ましくは、前記ｎ側第１層又はｎ側第２層の何れかが、活性層（発光層１５）に接する構成とすれば良い。
【００６９】
上述のようなｎ側第１層及びｎ側第２層は、例えばＡｌを含むＡｌＧａＮ系（単にＡｌＧａＮと記載することがある）、Ｉｎを含むＧａＩｎＮ系（単にＧａＩｎＮと記載することがある）、ＧａＮの組成とすることができる。また、ｎ側第１層及びｎ側第２層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造、組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造（本発明における“組成の異なる”との説明は、各元素組成比が異なることを指し、以下同様である）、組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であってもよい。本発明においては、ｎ側第１層及びｎ側第２層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮであることが好ましい。
【００７０】
上記ｎ側第１層及びｎ側第２層の超格子層は、それぞれ６０オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ４０オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ１０オンストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｎ側第１層とｎ側第２層の膜厚が１００オングストローム超だと、結晶欠陥が入りやすく好ましくない。
【００７１】
上記ｎ側第１層及びｎ側第２層は、それぞれドープした構造であってもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｎクラッド層として、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてＳｉが好適である。また、上述のようなｎ側超格子多層膜は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ＯＮ、ＯＦＦしながら作製してもよい。
【００７２】
ｎ型層１０４の上に積層される発光層１０５としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などの発光層１０５がある。図４に示すような、量子井戸構造の井戸層１０５ｂとしては、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜０．４）からなるＩＩＩ族窒化物半導体層が通常用いられる。井戸層１０５ｂの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば１〜１０ｎｍとすることができ、好ましくは２〜６ｎｍとすると発光出力の点で好ましい。
また、多重量子井戸構造の発光層１０５の場合は、上記Ｇａ１−ｙＩｎｙＮを井戸層１０５ｂとし、井戸層１０５ｂよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｚ＜０．３）を障壁層１０５ａとする。井戸層１０５ｂおよび障壁層１０５ａには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
【００７３】
ｐ型層１０６は、通常、ｐクラッド層１０６ａおよびｐコンタクト層１０６ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１０６ｂがｐクラッド層１０６ａを兼ねることも可能である。
【００７４】
ｐクラッド層１０６ａは、発光層１０５へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１０６ａとしては、発光層１０５のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１０５へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．４）のものが挙げられる。ｐクラッド層１０６ａが、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層１０６ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１０６ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
また、ｐクラッド層１０６ａは、複数回積層した超格子構造としてもよい。
【００７５】
なお、ｐクラッド層１０６ａを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第１層と、該ｐ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第２層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、ｐ側第１層とｐ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
【００７６】
上述のようなｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれ異なる組成、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ又はＧａＮの内の何れの組成であっても良い、また、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、又はＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であっても良い。本発明においては、ｐ側第１層及びｐ側第２層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造であることが好ましい。
【００７７】
上記ｐ側第１層及びｐ側第２層の超格子層は、それぞれ６０オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ４０オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｐ側第１層とｐ側第２層の膜厚が１００オングストローム超だと、結晶欠陥等を多く含む層となり、好ましくない。
【００７８】
上記ｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｐクラッド層として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてＭｇが好適である。また、上述のようなｐ側超格子多層膜は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ＯＮ、ＯＦＦしながら作製してもよい。
【００７９】
ｐコンタクト層１０６ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１０６ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）が好ましい。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の濃度、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。ｐコンタクト層１０６ｂの膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。ｐコンタクト層１０６ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００８０】
（電極）
正極ボンディングパッド１０７は、ｐ型層１０６と接する透光性導電酸化膜層からなる透光性正極１０９上の一部に設けられている。
透光性正極１０９は、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺｎＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺｎＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）から選ばれる少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、透光性正極１０９の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。また、透光性正極１０９は、ｐ型層１０６上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。透光性正極１０９を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
【００８１】
正極ボンディングパッド１０７は、回路基板やリードフレーム等との電気接続のために設けられる。正極ボンディングパッドとしては、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造を何ら制限無く用いることができる。
【００８２】
正極ボンディングパッド１０７の厚さは、１００〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１０７の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、正極ボンディングパッド１０７の厚さは製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００８３】
負極ボンディングパッド１０８は、ＬＥＤ構造２０のｎ型層１０４に接するように形成される。このため、負極ボンディングパッド１０８を形成する際には、発光層１０５およびｐ型層１０６の一部を除去してｎ型層１０４のｎコンタクト層を露出させ、この上に負極ボンディングパッド１０８を形成する。
【００８４】
負極ボンディングパッド１０８としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００８５】
図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、本発明の製造方法によって製造されたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造２０が形成されているものであるので、基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸とされており、界面での光の乱反射により優れた光取り出し効率が得られる。しかも、図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、上述したように、ＬＥＤ構造２０を構成するＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層１０４、発光層１０５、ｐ型層１０６の結晶性に優れたものとなるので、内部量子効率の低下を防ぎリーク電流を低減することができ、出力が高く電気特性に優れたものとなる。
【００８６】
（ランプ）
本発明のランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本発明のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
【００８７】
図５は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。図５に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が用いられている。図５に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の正極ボンディングパッド１０７がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図５ではフレーム３１）に接着され、発光素子１の負極ボンディングパッド１０８がワイヤー３４で他方のフレーム３２に接合されることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が実装されている。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の周辺は、透明な樹脂からなるモールド３５で封止されている。
【００８８】
本発明のランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が用いられてなるものであるので、優れた発光特性を備えたものとなる。
なお、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
【実施例】
【００８９】
次に、本発明を、実施例および比較例を示してより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
［実施例１］
サファイア基板の（０００１）Ｃ面上に、表１に示す「基部幅」「高さ」「基部幅／４」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面Ｃ面の有無」の複数の凸部を、以下に示すようにして形成した（基板加工工程）。すなわち、直径２インチのＣ面サファイア基板に公知のフォトリソグラフィー法でマスクを形成し、ドライエッチング法でサファイア基板をエッチングすることにより凸部を形成した。なお、露光法として、紫外光を用いたステッパー露光法を用いた。また、ドライエッチングにはＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いた。
【００９０】
【表１】
【００９１】
このようにして得られた実施例１の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状（半球状）の形状であった。
【００９２】
［比較例１、比較例２］
露光時のマスクをそれぞれ異ならせたこと以外は実施例１と同様にして、比較例１および比較例２の凸部を形成した。
得られた比較例１の凸部は、基部の平面形状が円形、断面形状が台形であった。また、比較例２は、凸部の形状は実施例１と同じであるが「隣接する凸部間の間隔」が実施例１と異なっていた。
【００９３】
［比較例３］
ウェットエッチング法を用いてエッチングしたこと以外は実施例１と同様にして、比較例３の凸部を形成した。得られた比較例３の凸部は、基部の平面形状が円形、断面形状が台形であった。
【００９４】
その後、以下に示すように、実施例１、比較例１〜比較例３の複数の凸部の形成された基板の上面に、ＲＦスパッタ法を用いて単結晶構造を有するＡｌＮからなる厚さ５０ｎｍバッファ層を形成した（バッファ層形成工程）。
スパッタ成膜装置としては、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネットの位置を動かすことができる機構を持っているものを使用した。まず、複数の凸部の形成された基板をスパッタ成膜装置のチャンバ内へ導入して５００℃まで加熱し、チャンバ内に窒素ガスだけを１５ｓｃｃｍの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を１Ｐａに保持して、基板側に５００Ｗの高周波バイアスを印加して基板を窒素プラズマに曝すことで、基板の表面を洗浄した（前処理）。
【００９５】
続いて、チャンバ内にアルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板の温度を５００℃に保ったまま、２０００Ｗの高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、チャンバ内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍ流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、複数の凸部の形成された基板上にＡｌＮからなるバッファ層を成膜した。成長レートは０．０８ｎｍ／ｓであった。なお、ターゲット内のマグネットは、基板洗浄の際もバッファ層成膜の際も揺動させておいた。そして、予め測定した成膜速度に従って規定した時間の間成膜を行い、５０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層を複数の凸部の形成された基板上に堆積した後、プラズマを立てるのを止め、基板温度を低下させた。
【００９６】
このようにして得られたバッファ層上に、以下に示す減圧ＭＯＣＶＤ法を用いてＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた（エピ工程）。
まず、スパッタ成膜装置から取り出したバッファ層まで形成された基板を、ＭＯＣＶＤ法によるＩＩＩ族窒化物半導体層の成長のための反応炉内に導入し、高周波（ＲＦ）誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）上に載置した。その後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、反応炉内をパージした。
【００９７】
そして、気相成長反応炉内に窒素ガスを８分間に亘って流通させた後、誘導加熱式ヒータを作動させてサファイア基板の温度を約１０分間で室温から５００℃に昇温した。その後、基板の温度を５００℃にて、ＮＨ３ガスおよび窒素ガスを反応炉内に流通させた。気相成長反応炉内の圧力を９５ｋＰａとした。続いて、基板の温度を約１０分間かけて１０００℃まで昇温させ、この温度及び圧力下で１０分間放置して、基板の表面をサーマルクリーニング（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ）した。サーマルクリーニングの終了後、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給は継続させた。
【００９８】
その後、アンモニアガスの流通を続けながら水素雰囲気中で、基板の温度を１１２０℃に昇温させた。反応炉内の圧力を６０ｋＰａとした。基板温度が１１２０℃で安定したのを確認した後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の気相成長反応炉内への供給を開始し、ＡｌＮバッファ層上にアンドープのＧａＮ層を３μｍの膜厚までエピタキシャル成長させた。このとき、アンモニアの量はＶ族（Ｎ）／ＩＩＩ族（Ｇａ）比が６００となるように調節した。そして、３μｍのＧａＮ層からなるＩＩＩ族窒化物半導体層を成長後、反応炉への原料の供給を停止し、基板の温度を低下させた。
【００９９】
その後、反応炉からＧａＮ層の形成された基板を取り出し、ＧａＮ層の表面の平坦性を観察した。また、ＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）を測定した。ＧａＮ層の平坦性およびＸＲＣの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）の結果を表１に示す。
【０１００】
表１に示すように、比較例１では、凸部の表面にＣ面があるので、実施例１と比較して結晶性が悪かった（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１５０ａｒｃｓｅｃ以上、（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以上）。また、比較例１では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍未満であるので、実施例１と比較して、表面の平坦性も悪かった（△）。
また、比較例２では、実施例１よりもよくないが、実施例１と同様に凸部の表面にＣ面がないため結晶性は悪くない（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１００ａｒｃｓｅｃ以下、（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以下）。しかし、比較例２では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍より小さいので、実施例１と比較して表面の平坦性が悪い（△）。
また、比較例３では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍以上であるので、表面の平坦性が良い（○）。しかし、比較例３では、凸部の表面にＣ面があるので、実施例１と比較して結晶性が悪い（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１５０ａｒｃｓｅｃ以上（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以上）。
【０１０１】
これに対し、実施例１では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍以上であるので、表面の平坦性が良い（○）。また、実施例１では、凸部の表面にＣ面がないため結晶性がよい（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１００ａｒｃｓｅｃ以下、（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以下）。
【０１０２】
［実施例２、比較例４］
実施例１、比較例３と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層上に、以下に示す方法でＬＥＤ構造のｎ型層、発光層、ｐ型層となる各層を積層した。
（ｎ型層）
ｎ型層として、ｎコンタクト層とｎクラッド層を形成した。まず、実施例１、比較例３と同様の方法でＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させた後、Ｖ族（Ｎ）／ＩＩＩ族（Ｇａ）比が４５０になるようにアンモニアの量を調整し、ＩＩＩ族窒化物半導体層の上にアンドープのＧａＮ層を１μｍ成長させ、続いて同じ条件下で、ドーパントガスであるモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎコンタクト層を形成した。Ｓｉのドープ量は５×１０18／ｃｍ3とした。ｎコンタクト層を成長させた後、ＴＭＧのバルブを閉めて、ＴＭＧの反応炉内への供給を停止した。
【０１０３】
ｎコンタクト層を成長させた後、アンモニアをそのまま流通させながら、キャリアガスをオール水素ガスからオール窒素へと切り替えた。次いで、基板の温度を１１００℃から７６０℃へと低下させ、反応炉内の温度の変更を待つ間に、ＳｉＨ4の供給量を設定した。反応炉内に流通させるＳｉＨ4の量は、事前に検討してあり、ＳｉドープＧａＩｎＮクラッド層の電子濃度が１×１０18ｃｍ-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で反応炉内へ供給し続けた。
【０１０４】
その後、反応炉内の状態が安定するのを待って、ＴＭＩとＴＥＧとＳｉＨ4のバルブを同時に切り替え、これらの原料の反応炉内への供給を開始した。所定の時間だけ反応炉内への供給を継続し、２０ｎｍの膜厚を有するＳｉドープＧａ0.99Ｉｎ0.01Ｎからなるｎクラッド層を形成した。その後、ＴＭＩ、ＴＥＧおよびＳｉＨ4のバルブを切り替えて、これらの原料の供給を停止した。
【０１０５】
（発光層）
発光層として、障壁層と井戸層とからなる多重量子井戸構造を形成した。まず、ｎクラッド層を形成した後の反応炉内へのＳｉＨ4の供給量の設定を変更した。反応炉内に流通させるＳｉＨ4の量は事前に検討してあり、ＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層の電子濃度が３×１０17ｃｍ-3となるように調整した。そして、基板温度を７５０℃とし、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を開始し、所定の時間ＳｉをドープしたＧａＮ層からなる薄層の障壁層Ａを形成し、ＴＥＧとＳｉＨ4の供給を停止した。
【０１０６】
その後、成長を中断した状態でサセプタの温度を９２０℃に昇温した。温度が安定した後、基板温度や反応炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧとＳｉＨ4のバルブを切り替えてＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を再開し、基板温度９３０℃にて規定の時間のＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層Ｂの成長を行った。障壁層Ｂの成長後、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を停止した。
続いて、サセプタ温度を７５０℃に下げ、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を開始し、ＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層Ｃの成長を行った。その後、再びバルブを切り替えてＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を停止して障壁層Ｃの成長を終了した。これにより、障壁層Ａ、障壁層Ｂおよび障壁層Ｃからなる３層構造の総膜厚２０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層を形成した。
【０１０７】
障壁層の成長終了後、３０秒間に渡ってＴＥＧとＳｉＨ4の供給を停止し、ＴＥＧの供給量の設定を事前に検討した流量に変更した後、基板温度や反応炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧとＴＭＩのバルブを切り替えてＴＥＧとＴＭＩの反応炉内への供給を行ない、井戸層の形成を行なった。あらかじめ決めた時間の間ＴＥＧとＴＭＩの供給を行なった後、再びバルブを切り替えてＴＥＧとＴＭＩの供給を停止してＧａ0.93Ｉｎ0.07Ｎからなる井戸層の成長を終了した。このようにして、井戸層として３ｎｍの膜厚を成すＧａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層が形成された。井戸層の成長終了後、ＴＥＧの供給量の設定を変更した。引き続いて、ＴＥＧおよびＳｉＨ4の供給を再開し、２層目の障壁層の形成に入った。
【０１０８】
このような手順を５回繰り返し、５層のＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層と５層のＧａ0.9３Ｉｎ0.０７Ｎからなる井戸層とを形成した。これらの井戸層、障壁層の作製工程において、７５０℃にて障壁層Ａを形成した後、障壁層Ｂを形成するため９２０℃へ昇温する工程では、ＩＩＩ族原料の供給を停止することによって半導体層の成長を中断した。
【０１０９】
そして、５層目の井戸層を形成した後、引き続いて６層目の障壁層の形成を行なった。６層目の障壁層の形成においては、ＳｉＨ4の反応炉内への供給を再開し、ＳｉドープＧａＮからなる薄層の障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を続けたまま、基板温度を９３０℃に昇温し、そのまま基板温度９２０℃にて規定の時間障壁層Ｂの成長を行ない、障壁層Ｂを成長後、ＴＥＧとＳｉＨ4の炉内供給を停止した。続いて基板温度を７５０℃に下げ、ＴＥＧとＳｉＨ4の供給を開始し、障壁層Ｃの成長を行った後、再びバルブを切り替えてＴＥＧとＳｉＨ4の供給を停止してＧａＮ障壁層の成長を終了した。これにより、障壁層Ａ、障壁層Ｂおよび障壁層Ｃからなる３層構造の総膜厚２０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層を形成した。
【０１１０】
以上の手順にて、厚さが不均一な井戸層（１〜４層目）と厚さが均一な井戸層（５層目）を含んだ多重量子井戸構造の発光層を形成した。
【０１１１】
（ｐ型層）
このようにして得られたＳｉドープＧａＮからなる障壁層で終了する発光層上に、ｐクラッド層とｐコンタクト層とからなるｐ型層を形成した。
まず、発光層上にＭｇドープのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐクラッド層を形成した。 発光層を構成するＳｉドープＧａＮからなる障壁層の成長が終了した後、基板の温度を１０５０℃へ昇温し、キャリアガスの種類を水素に切り替え、反応炉内の圧力を１５ｋＰａに変更した。反応炉内の圧力が安定するのを待って、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇのバルブを切り替え、これらの原料の反応炉内への供給を開始した。その後、約３分間に渡ってＭｇドープのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐクラッド層の成長を行ない、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇの供給を停止した。これにより、１２ｎｍの膜厚を有するＭｇドープのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐクラッド層を形成した。
【０１１２】
次いで、このｐクラッド層上にｐコンタクト層を形成した。すなわち、ｐクラッド層の成長が終了した後、キャリアガスと炉内の圧力はそのままで、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ２Ｍｇの供給量の変更を行なった。その後、アンモニアガスの反応炉内への供給を続けた状態で、さらに、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇのバルブを切り替えて、これらの原料の反応炉内への供給を開始した。Ｃｐ2Ｍｇを流通させる量は事前に検討してあり、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層の正孔濃度が８×１０17ｃｍ-3となるように調整した。その後、約１２分間に渡ってＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層の成長を行った後、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇの供給を停止した。これにより、約０．２μｍの膜厚を成すＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層を形成させた。
【０１１３】
ｐコンタクト層の気相成長を終了させた後、直ちに基板を加熱するために利用していた高周波誘導加熱式ヒータへの通電を停止すると同時に、キャリアガスを水素から窒素へと切り替え、アンモニアの流量を低下させた。具体的には、成長中には全流通ガス量のうち体積にして約１４％を締めていたアンモニアガスを０．２％まで下げた。更に、この状態で４５秒保持した後、アンモニアの流通を停止した。この状態で、基板温度が室温まで降温したのを確認して、ＩＩＩ族窒化物半導体積層の積層された基板を大気中に取り出した。このようにして、実施例１、比較例３と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層上に、ＬＥＤ構造のｎ型層、発光層、ｐ型層となる各層の形成を終了した。
ここでＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層は、ｐ型キャリアを活性化するためのアニール処理を行なわなくてもｐ型を示した。
【０１１４】
次いで、このようにして得られたＬＥＤ構造となる各層の形成された基板を用いて、以下に示すようにして、半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。
まず、公知のフォトリソグラフィー技術によって、ＬＥＤ構造となる各層の形成された基板のｐコンタクト層上に、ＩＴＯからなる透明ｐ電極と、透明ｐ電極上にチタン、アルミニウム、金を順に積層した構造を持つ正極ボンディングパッドを形成した。
続いて、正極ボンディングパッドの形成された基板にドライエッチングを行い、負極ボンディングパッドを形成する部分のｎ型層を露出させ、露出したｎ型層上にＮｉ、Ａｌ、ＴｉおよびＡｕの４層よりなる負極ボンディングパッドを作製した。
【０１１５】
このようにして正極ボンディングパッドおよび負極ボンディングパッドの形成された基板の裏面を研削および研磨してミラー状の面とした。その後、その基板を３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、正極ボンディングパッドおよび負極ボンディングパッドが上になるように、リードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。
【０１１６】
このようにして得られた発光素子について、２０Ｖの逆方向電圧を印加した時の逆方向電流（リーク電流（ＩＲ））を測定した。その結果を表２に示す。なお、表２において、実施例２とは、実施例１と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層までの形成された基板を用いて得られた発光素子であり、比較例４とは、比較例３と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層までの形成された基板を用いて得られた発光素子である。
【０１１７】
【表２】
【０１１８】
表１および表２より、実施例２では、実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良く平坦性も良好であったため、発光素子の逆方向電流は３μＡ以下と良好であった。
一方、比較例４では、比較例３で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良くなかったため、逆方向電流は５μＡ以上と不良であった。
【０１１９】
［実施例３、実施例４、比較例５、比較例６］
「基部幅」「高さ」「基部幅／４」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面Ｃ面の有無」を表３に示すものとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によりＩＩＩ族窒化物半導体層まで形成し、実施例２と同様の方法により発光素子を作製した。
なお、実施例３、実施例４、比較例６の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状の形状であった。また、実施例３、実施例４、比較例６の凸部は、エッチング時間を変更することにより、凸部の高さを変えて得られたものである。
そして、得られた発光素子に順方向に２０ｍＡの電流を印加して、発光出力（Ｐｏ）を測定した。その結果を表３に示す。
【０１２０】
【表３】
【０１２１】
表３より、凸部のない比較例５と、凸部の高さが基部幅の１／４未満である比較例６では、発光出力が１３ｍＷ以下と低かった。
これに対し、凸部の高さが基部幅の１／４以上である実施例３および実施例４では、発光出力が１３ｍＷ以上と高かった。
【０１２２】
［実施例５］
実施例５においては、基板表面を洗浄する際の条件と中間層を成膜する条件以外は、実施例１と同様にして、基板上に中間層および下地層を形成した。
【０１２３】
すなわち、以下に示すように、実施例１と同様の複数の凸部の形成された基板の上面に、ＲＦスパッタ法を用いて柱状結晶の集合体（多結晶）からなるＡｌＮからなる厚さ５０ｎｍバッファ層を形成した（バッファ層形成工程）。
スパッタ成膜装置としては、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネットの位置を動かすことができる機構を持っているものを使用した。まず、複数の凸部の形成された基板をスパッタ成膜装置のチャンバ内へ導入して７５０℃まで加熱し、チャンバ内に窒素ガスだけを１５ｓｃｃｍの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を０．０８Ｐａに保持して、基板側に５００Ｗの高周波バイアスを印加して基板を窒素プラズマに曝すことで、基板の表面を洗浄した（前処理）。
【０１２４】
続いて、チャンバ内にアルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板の温度を５００℃まで低下させた。その後、２０００Ｗの高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、チャンバ内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５ｓｃｃｍ流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は２５％）で、複数の凸部の形成された基板上にＡｌＮからなるバッファ層を成膜した。成長レートは０．０８ｎｍ／ｓであった。なお、ターゲット内のマグネットは、基板洗浄の際もバッファ層成膜の際も揺動させておいた。そして、予め測定した成膜速度に従って規定した時間の間成膜を行い、５０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層を複数の凸部の形成された基板上に堆積した後、プラズマを立てるのを止め、基板温度を低下させた。
【０１２５】
このようにして得られたバッファ層上に、実施例１と同様にしてＧａＮ層を形成し、得られたＧａＮ層の表面の平坦性を観察した。また、ＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）を測定した。ＧａＮ層の平坦性およびＸＲＣの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）の結果を表１に示す。表１に示すように、実施例５の結果は、実施例１と同等であった。
【０１２６】
［実施例６］
実施例５と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層上に、実施例２と同様の方法により発光素子を作製した。
【０１２７】
このようにして得られた発光素子について、２０Ｖの逆方向電圧を印加した時の逆方向電流（リーク電流（ＩＲ））を測定した。その結果を表２に示す。
表１および表２より、実施例６では、実施例５で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良く平坦性も良好であったため、発光素子の逆方向電流は３μＡ以下と良好であった。
【０１２８】
［実施例７、実施例８、比較例７、比較例８］
「基部幅」「高さ」「基部幅／４」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面Ｃ面の有無」を表３に示すものとしたこと以外は、実施例５と同様の方法によりＩＩＩ族窒化物半導体層まで形成し、実施例２と同様の方法により発光素子を作製した。
なお、実施例７、実施例８、比較例７の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状の形状であった。また、実施例７、実施例８、比較例７の凸部は、エッチング時間を変更することにより、凸部の高さを変えて得られたものである。
そして、得られた発光素子に順方向に２０ｍＡの電流を印加して、発光出力（Ｐｏ）を測定した。その結果を表３に示す。
【０１２９】
表３より、凸部のない比較例７と、凸部の高さが基部幅の１／４未満である比較例８では、発光出力が１３ｍＷ以下と低かった。
これに対し、凸部の高さが基部幅の１／４以上である実施例７および実施例８では、発光出力が１３ｍＷ以上と高かった。
【０１３０】
［実施例９］
次に、実施例９として、図３（図４も参照）に示すような発光素子１を作成し、図５に示すような、発光素子１が用いられてなるランプ３（発光ダイオード：ＬＥＤ）を作成した。
本例においては、まず、サファイアからなる基板１０１のｃ面上に、バッファ層１０２としてＲＦスパッタ法を用いてＡｌＮからなる単結晶の層を形成したものの上に、下地層１０３として、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ（ＩＩＩ族窒化物半導体）からなる層を以下の方法で形成した後、各層を積層した。
【０１３１】
『バッファ層の形成』
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイアからなる基板１０１を、チャンバ中へ導入した。この際、高周波式のスパッタ装置を用い、ターゲットとしては、金属Ａｌからなるものを用いた。
そして、チャンバ内で基板１０１を５００℃まで加熱し、窒素ガスを導入した後、基板１０１側に高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことによって基板１０１表面を洗浄した。
【０１３２】
次いで、基板１０１の温度はそのままに、スパッタ装置内にアルゴン及び窒素ガスを導入した。そして、高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍ流通させた条件下で、サファイアからなる基板１０１上に、ＡｌＮからなる単結晶のバッファ層１０２を成膜した。そして、予め測定した成膜速度に従い、規定した時間の処理により、４０ｎｍのＡｌＮ（バッファ層１０２）を成膜後、プラズマ動作を停止し、基板１０１の温度を低下させた。
【０１３３】
そして、基板１０１上に形成したバッファ層１０２のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定装置（スペクトリス社製、型番：Ｘ‘ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＲＤ）を用いて測定した。この測定は、ＣｕＫα線Ｘ線発生源を光源として用いて行なった。この結果、バッファ層１０２のＸＲＣ半値幅は０．１°と優れた特性を示しており、バッファ層１０２が良好に配向していることが確認できた。
【０１３４】
『下地層の形成』
次いで、ＡｌＮ（バッファ層１０２）が成膜された基板１０１を、スパッタ装置内から取り出してＭＯＣＶＤ装置内に搬送し、バッファ層１０２上に、以下の手順でＧａＮからなる下地層１０３を成膜した。
まず、当該基板１０１を反応炉（ＭＯＣＶＤ装置）内に導入した。次いで、反応炉内に窒素ガスを流通させた後、ヒータを作動させて、基板温度を室温から５００℃に昇温した。そして、基板の温度を５００℃に保ったまま、ＮＨ３ガスおよび窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を９５ｋＰａ（圧力単位：Ｐａ）とした。続いて、基板温度を１０００℃まで昇温させ、基板の表面をサーマルクリーニング（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ）した。なお、サーマルクリーニングの終了後も、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を継続させた。
【０１３５】
その後、アンモニアガスの流通を続けながら、水素雰囲気中で基板の温度を１１００℃に昇温させるとともに、反応炉内の圧力を４０ｋＰａとした。基板温度が１１００℃で安定するのを確認した後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の、気相成長反応炉内への供給を開始し、バッファ層１０２上に下地層１０３を構成するＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ）を成膜する工程を開始した。このようにしてＧａＮを成長させた後、ＴＭＧの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了してＧａＮの成長を停止した。
以上の工程により、基板１０１上に成膜された単結晶組織のＡｌＮからなるバッファ層１０２の上に、アンドープで８μｍの膜厚のＧａＮからなる下地層１０３を成膜した。
【０１３６】
『ｎコンタクト層の形成』
下地層１０３の形成に引き続き、同じＭＯＣＶＤ装置によってＧａＮからなるｎコンタクト層１０４ａの初期層を形成した。この際、ｎコンタクト層１０４ａにはＳｉをドープした。結晶成長は、Ｓｉのドーパント原料としてＳｉＨ４を流通させた以外は、下地層と同じ条件によって行った。
【０１３７】
以上説明したような工程により、表面に逆スパッタを施したサファイアからなる基板１０１上に、単結晶組織を持つＡｌＮのバッファ層１０２を形成し、その上にアンドープで８μｍの膜厚のＧａＮ層（ｎ型下地層１０３）と、５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層（ｎコンタクト層１０４ａをなす初期層）を形成した。成膜後に装置内から取り出した基板は無色透明であり、ＧａＮ層（ここではｎコンタクト層１０４ａをなす初期層）の表面は鏡面であった。
【０１３８】
上述のようにして形成したＳｉドープＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定装置（スペクトリス社製、型番：Ｘ‘ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＲＤ）を用いて測定した。この測定は、Ｃｕβ線Ｘ線発生源を光源として用い、対称面である（０００２）面と非対称面である（１０−１０）面で行った。一般的に、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体の場合、（０００２）面のＸＲＣスペクトル半値幅は結晶の平坦性（モザイシティ）の指標となり、（１０−１０）面のＸＲＣスペクトル半値幅は転位密度（ツイスト）の指標となる。この測定の結果、本発明の製造方法で作製したＳｉドープＧａＮ層（ｎコンタクト層）は、（０００２）面の測定では半値幅４６ａｒｃｓｅｃ、（１０−１０）面では２２０ａｒｃｓｅｃを示した。
【０１３９】
『ｎクラッド層及び発光層の形成』
上記手順で作製したｎコンタクト層１０４ａ上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎクラッド層１０４ｂ及び発光層１０５を積層した。
【０１４０】
「ｎクラッド層１０４ｂの形成」
上記手順でｎコンタクト層１０４ａを成長させた基板をＭＯＣＶＤ装置に導入した後、アンモニアを流通させながら、キャリアガスを窒素として、基板温度を７６０℃へ低下させた。
この際、炉内の温度の変更を待つ間に、ＳｉＨ４の供給量を設定した。流通させるＳｉＨ４の量については事前に計算を行い、Ｓｉドープ層の電子濃度が４×１０１８ｃｍ−３となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
【０１４１】
次いで、アンモニアをチャンバ内に流通させながら、ＳｉＨ４ガスと、バブリングによって発生させたＴＭＩ及びＴＥＧの蒸気を炉内へ流通させ、Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる層を１．７ｎｍ、ＧａＮからなる層を１．７ｎｍで各々成膜した。このような成膜処理を１９サイクル繰り返した後、最後に、Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる層を１．７ｎｍで再度、成長させた。また、この工程処理を行なっている間は、ＳｉＨ４の流通を継続した。これにより、ＳｉドープのＧａ０．９９Ｉｎ０．０１ＮとＧａＮの超格子構造からなるｎクラッド層１０４ｂを形成した。
【０１４２】
「発光層の形成」
発光層１０５は、ＧａＮからなる障壁層１０５ａと、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂとから構成され、多重量子井戸構造を有する。この発光層１０５の形成にあたっては、ＳｉドープのＧａＩｎＮとＧａＮの超格子構造からなるｎクラッド層１０４ｃ上に、まず、障壁層１０５ａを形成し、この障壁層１０５ａ上に、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１０５ｂを形成した。このような積層手順を６回繰り返した後、６番目に積層した井戸層１０５ｂ上に、７番目の障壁層１０５ａを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層１０５の両側に障壁層１０５ａを配した構造とした。
【０１４３】
まず、基板温度は７６０℃のままでＴＥＧａとＳｉＨ４の炉内への供給を開始し、所定の時間ＳｉをドープしたＧａＮからなる初期障壁層を０．８ｎｍ形成し、ＴＥＧａとＳｉＨ４の供給を停止した。その後、サセプタの温度を９２０℃に昇温した。そして、ＴＥＧａとＳｉＨ４の炉内への供給を再開し、基板温度９２０℃のままで、さらに、１．７ｎｍの中間障壁層の成長を行った後、ＴＥＧａとＳｉＨ４の炉内供給を停止した。続いて、サセプタ温度を７６０℃に下げ、ＴＥＧａとＳｉＨ４の供給を開始し、さらに、３．５ｎｍの最終障壁層の成長を行った後、再びＴＥＧａとＳｉＨ４の供給を停止して、ＧａＮ障壁層の成長を終了した。上述のような３段階の成膜処理により、初期障壁層、中間障壁層及び最終障壁層の３層からなり、総膜厚が６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層（障壁層１０５ａ）を形成した。ＳｉＨ４の量は、Ｓｉ濃度が１×１０１７ｃｍ−３になるように調整した。
【０１４４】
上記ＧａＮ障壁層（障壁層１０５ａ）の成長終了後、ＴＥＧａとＴＭＩｎを炉内へ供給して井戸層の成膜処理を行ない、３ｎｍの膜厚を成すＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎ層（井戸層１０５ｂ）を形成した。
そして、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂの成長終了後、ＴＥＧａの供給量の設定を変更した。引き続いて、ＴＥＧａおよびＳｉＨ4の供給を再開し、２層目の障壁層１０５ａの形成を行なった。
【０１４５】
上述のような手順を６回繰り返すことにより、６層のＳｉドープＧａＮからなる障壁層１０５ａと、６層のＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂを形成した。
【０１４６】
そして、６層目のＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂを形成した後、引き続いて７層目の障壁層の形成を行った。７層目の障壁層の形成処理においては、まず、ＳｉＨ４の供給を停止し、アンドープＧａＮからなる初期障壁層を形成した後、ＴＥＧａの炉内への供給を続けたままで基板温度を９２０℃に昇温し、この基板温度９２０℃にて規定の時間で中間障壁層の成長を行なった後、ＴＥＧａの炉内への供給を停止した。続いて、基板温度を７６０℃に下げ、ＴＥＧａの供給を開始し、最終障壁層の成長を行った後、再びＴＥＧａの供給を停止し、ＧａＮ障壁層の成長を終了した。これにより、初期障壁層、中間障壁層及び最終障壁層の３層からなり、総膜厚が４ｎｍのアンドープＧａＮからなる障壁層を形成した（図４における発光層１０５の内、最上層の障壁層１０５ａを参照）。
【０１４７】
以上の手順にて、厚さが不均一な井戸層（図４におけるｎ型層１０４側から１〜５層目の井戸層１０５ｂ）と、厚さが均一な井戸層（図４におけるｎ型層１０４側から６層目の井戸層１０５ｂを参照）を含んだ多重量子井戸構造の発光層１０５を形成した。
【０１４８】
『ｐ型半導体層の形成』
上述の各工程に引き続き、同じＭＯＣＶＤ装置を用いて、４層のノンドープのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎと３層のＭｇをドープしたＧａＮよりなる超格子構造を持つｐクラッド層１０６ａを成膜し、更に、その上に膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐコンタクト層１０６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１０６とした。
【０１４９】
まず、ＮＨ３ガスを供給しながら基板温度を９７５℃へ昇温した後、この温度でキャリアガスを窒素から水素に切り替えた。続いて、基板温度を１０５０℃に変更した。そして、炉内へＴＭＧａとＴＭＡｌを供給することにより、ノンドープのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる層２.５ｎｍを成膜した。引き続き、インターバルを取らずに、ＴＭＡｌのバルブを閉じてＣｐ２Ｍｇのバルブを開け、ＭｇをドープしたＧａＮの層を２．５ｎｍ成膜した。
以上のような操作を３回繰り返し、最後にアンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの層を形成することにより、超格子構造よりなるｐクラッド層１０６ａを形成した。
【０１５０】
その後、Ｃｐ２ＭｇとＴＭＧａのみを炉内へ供給して、２００ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるｐコンタクト層１０６ｂを形成した。
【０１５１】
上述のようにして作製したＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハは、ｃ面を有するサファイアからなる基板１０１上に、単結晶構造を有するＡｌＮ層（バッファ層１０２）を形成した後、基板１０１側から順に、８μｍのアンドープＧａＮ層（下地層１０３）、５×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ初期層と２００ｎｍのＳｉドープＧａＮ再成長層とからなるｎコンタクト層１０４ａ、４×１０１８ｃｍ−３のＳｉ濃度を有し、２０層の１．７ｎｍのＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎと１９層の１．７ｎｍのＧａＮからなる超格子構造を有するクラッド層（ｎクラッド層１０４ｂ）、ＧａＮ障壁層に始まってＧａＮ障壁層に終わり、層厚が６ｎｍとされた６層のＳｉドープのＧａＮ障壁層（障壁層１０５ａ）と、層厚が３ｎｍとされた６層のノンドープのＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎ井戸層（井戸層１０５ｂ）と、ノンドープのＧａＮからなる最終障壁層を備える最上位障壁層（図４における発光層１０５の内、最上層の障壁層１０５ａを参照）からなる多重量子井戸構造（発光層１０５）、膜厚が２．５ｎｍのノンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる４つの層と、膜厚が２．５ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなり超格子構造を有する３つの層から構成されるｐクラッド層１０６ａ、及び、膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐコンタクト層１０６ｂから構成されるｐ型半導体層１０６を積層した構造を有する。
【０１５２】
［実施例１０］
上記実施例９で説明したような発光層１０５を形成する工程において、７層の障壁層１０５ａの内、最後に形成する障壁層についてはノンドープとした点を除き、実施例９と同様の操作手順により、ｎ型半導体層１０４、発光層１０５、ｐ型半導体層１０６が順次積層されてなる、ＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハを製造した。
【０１５３】
［実施例１１］
上記実施例９及び実施例１０で説明したような、発光層１０５上にｐ型半導体層１０６を形成する工程を以下に説明するような手順とした点を除き、実施例９と同様の操作手順により、ＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハを製造した。
本例では、発光層１０５の上に、該発光層１０５の形成に用いたものと同じＭＯＣＶＤ装置を用いて、４層のノンドープのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎと３層のＭｇをドープしたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９よりなる超格子構造を持つｐ型クラッド層１０６ａを、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びＣｐ２Ｍｇの供給量を適宜調整して成膜し、更に、その上に膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１０６とした。
【０１５４】
［実施例１２］
次いで、上記各実施例の方法で得られたＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハを用いて、ＬＥＤを作製した。
すなわち、例えば、上記エピタキシャルウェーハのＭｇドープＧａＮ層（ｐコンタクト層１０６ｂ）の表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってＩＺＯからなる透光性正極１０９を形成し、その上に、クロム、チタン及び金を順に積層した構造を有する正極ボンディングパッド１０７（ｐ電極ボンディングパッド）を形成し、ｐ側電極とした。さらに、ウェーハに対してドライエッチングを施し、ｎコンタクト層１０４ｂのｎ側電極（負極）を形成する領域を露出させ、この露出領域にＣｒ、Ｔｉ及びＡｕの３層が順に積層されてなる負極１０８（ｎ側電極）を形成した。このような手順により、ウェーハ上に、図３に示すような形状を有する各電極を形成した。
【０１５５】
そして、上述の手順でｐ側及びｎ側の各電極が形成されたウェーハについて、サファイアからなる基板１０１の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。そして、このウェーハを３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、図３に示すような発光素子１とした。そして、各電極が上になるようにリードフレーム上に配置し、金線でリードフレームへ結線して発光ダイオード（ＬＥＤ）とした（図５のランプ３を参照）。上述のようにして作製した発光ダイオードのｐ側およびｎ側の電極間に順方向電流を流したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．１Ｖであった。また、ｐ側の透光性正極１０９を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は２０ｍＷを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法の一例を説明するための図であって、本発明の製造方法を用いて、基板の表面上に、バッファ層と単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層とが形成された積層構造を示した断面図である。
【図２】図２は、図１に示す積層構造を製造する工程の一例を説明するための図であって、本実施形態の基板加工工程の終了した基板を示した斜視図である。
【図３】図３は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示した断面図である。
【図４】図４は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示した断面図であり、図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の部分拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。
【符号の説明】
【０１５７】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、１０…上面、１１…平面、１２…凸部、１２ｃ…表面、２０…ＬＥＤ構造、１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…ＩＩＩ族窒化物半導体層、１０４…ｎ型層、１０４ｂ…ｎクラッド層、１０５…発光層、１０６…ｐ型層、１０６ａ…ｐクラッド層、１０７…正極ボンディングパッド、１０８…負極ボンディングパッド、３…ランプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子に好適に用いられるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法、及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長の光を発する発光素子用の半導体材料として、ＩＩＩ族窒化物半導体が注目を集めている。ＩＩＩ族窒化物半導体は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表され、サファイア単結晶をはじめ種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる基板の上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた一般的な発光素子では、サファイア単結晶基板の上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層がこの順で積層される。サファイア基板は絶縁体であるので、その素子構造は一般的に、ｐ型半導体層上に形成された正極とｎ型半導体層上に形成された負極とが同一面上に存在する構造となる。このようなＩＩＩ族窒化物半導体発光素子には、正極に透明電極を使用してｐ型半導体側から光を取り出すフェイスアップ方式と、正極にＡｇなどの高反射膜を使用してサファイア基板側から光を取り出すフリップチップ方式との２種類がある。
【０００４】
このような発光素子の出力の指標として、外部量子効率が用いられる。外部量子効率が高ければ、出力の高い発光素子と言うことができる。外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率とを掛け合わせたものである。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーが発光層で光に変換される割合である。光取り出し効率とは、発光層で発生した光のうち発光素子の外部に取り出すことができる光の割合である。したがって、外部量子効率を向上させるには、光取り出し効率を改善する必要がある。
【０００５】
光取り出し効率を改善するためには、主として２つの方法がある。一つは、光取り出し面に形成される電極などによる光の吸収を低減させる方法である。もう一つは、発光素子とその外部の媒体との屈折率の違いによって生じる発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させる方法である。
【０００６】
発光素子の光取り出し効率を向上させるため、ｐ型半導体上に透明電極を設ける場合、従来はＮｉ／Ａｕ等からなる金属透明電極が使用されていたが、最近ではＩＴＯ等の透光性導電酸化膜からなる電極が使用されている。Ｎｉ／Ａｕ等の金属透明電極がＩＴＯ等の透光性導電酸化膜からなる電極に置き替わった理由の一つとして、透光性導電酸化膜を用いることによって発光の吸収を低減できることが挙げられる。
【０００７】
また、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させる方法としては、発光素子の光取り出し面に凹凸を形成する技術が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、機械的加工あるいは化学的加工により光取り出し面に凹凸を形成した発光素子では、光取り出し面に加工を施すことにより半導体層に負荷を掛けることになり、発光層にダメージを残してしまう。また、光取り出し面に凹凸が形成されるような条件で半導体層を成長した発光素子では、半導体層の結晶性が劣化してしまうため、発光層が欠陥を含んだものになる。このため、光取り出し面に凹凸を形成した場合、光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下してしまい、発光強度を増加させることができないという問題がある。
【０００８】
そこで、光取り出し面に凹凸を形成するのではなく、サファイア基板の表面に凹凸を形成し、その上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、サファイア基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸となり、サファイア基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との屈折率の違いによる界面での光の乱反射により、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。
【特許文献１】特許第２８３６６８７号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、サファイア基板の表面に凹凸を形成し、その上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる場合、表面が平坦で結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させることが難しいという問題があった。
例えば、サファイア基板のＣ面上に凸部を形成し、その上に単結晶のＧａＮを含むＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた場合、凸部の頂部に位置するＣ面から成長した半導体層と、凸部の基部周辺に位置するＣ面から成長した半導体層とが合体した部分に転位などの結晶欠陥が発生しやすく、結晶性に優れた半導体層を成長させることは困難であった。
【００１０】
そして、基板上に成長される単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性は、そのＩＩＩ族窒化物半導体層の上に積層されるｎ型層、発光層、ｐ型層からなるＬＥＤ構造を構成する半導体層の結晶性に影響を及ぼす。このため、基板上に成長された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良好でないと、ＬＥＤ構造の結晶性も劣ったものになる。その結果、サファイア基板の表面に凹凸を形成した場合、発光素子の光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下したり、ＬＥＤのリーク電流が増大したりする場合があった。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、内部量子効率および光取り出し効率に優れた発光素子の形成に好適に使用できる結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層の得られるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法を提供することを目的とする。
また、上記の製造方法によって製造されたＩＩＩ族窒化物半導体層上にＬＥＤ構造が形成されている、内部量子効率および光取り出し効率に優れ、しかもリークの少ないＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
さらに、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。即ち、本発明は以下に関する。
【００１３】
（１）基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法において、基板の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記Ｃ面からなる平面と前記凸部とからなる上面を形成する基板加工工程と、前記上面上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、前記凸部を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層で埋めるエピ工程とを備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（２）前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする（１）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【００１４】
（３）前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする（１）または（２）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（４）前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（５）前記基板がサファイア基板であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（６）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
（７）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【００１５】
（８）基板上に形成された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層上にＬＥＤ構造が形成されているＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、前記基板は、前記Ｃ面からなる平面と、前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる上面を有するものであり、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記上面上に前記凸部を埋める前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて形成されたものであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００１６】
（９）前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする（８）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１０）前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする（８）または（９）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１１）前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする（８）ないし（１０）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１２）前記基板がサファイア基板であることを特徴とする（８）ないし（１１）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１３）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（８）ないし（１２）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１４）前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする（８）ないし（１２）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１５）前記ＬＥＤ構造が、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型層と発光層とｐ型層とを有することを特徴とする（８）ないし（１４）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
（１６）前記ｎ型層にｎクラッド層が備えられているとともに、前記ｐ型層にはｐクラッド層が備えられており、前記ｎクラッド層及び／又は前記ｐクラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする（１５）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００１７】
（１７）（８）ないし（１６）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法は、基板の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記Ｃ面からなる平面と前記凸部とからなる上面を形成する基板加工工程を備えているので、上面上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、前記凸部を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層で埋めるエピ工程を行なうことにより、内部量子効率および光取り出し効率に優れた発光素子の形成に好適に使用できる結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層が得られる。
【００１９】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、基板が、前記Ｃ面からなる平面と、前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる上面を有するものであり、ＩＩＩ族窒化物半導体層が、前記上面上に前記凸部を埋める前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて形成されたものであるので、基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸とされており、界面での光の乱反射により発光素子の内部への光の閉じ込めが低減されるため、光取り出し効率に優れたものとなる。
しかも、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、ＬＥＤ構造の結晶性に優れたものとなるので、内部量子効率の低下を防ぎリーク電流を低減することができ、出力が高く電気特性に優れた発光素子となる。
さらに、本発明においては、ｎクラッド層及び／又はｐクラッド層を超格子構造を含んだ層構成にすることで、出力が格段に向上し、電気特性の優れた発光素子とすることができる。
さらに、本発明のランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものであるので、発光特性に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプの一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。
図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法の一例を説明するための図であって、本発明の製造方法を用いて、基板の表面上に、バッファ層と単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層とが形成された積層構造を示した断面図である。図１において符号１０１は基板を示し、符号１０２はバッファ層を示し、符号１０３はＩＩＩ族窒化物半導体層を示している。
【００２１】
［ＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法］
（基板加工工程）
図２は、図１に示す積層構造を製造する工程の一例を説明するための図であって、本実施形態の基板加工工程の終了した基板を示した斜視図である。
基板加工工程では、基板の（０００１）Ｃ面上にＣ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、図１および図２に示すように、基板１０１上にＣ面からなる平面１１と凸部１２とからなる上面１０を形成する。基板加工工程においては、基板１０１上における凸部１２の平面配置を規定するマスクを形成するパターニング工程と、パターニング工程によって形成されたマスクを使って基板１０１をエッチングして凸部１２を形成するエッチング工程とを行なう。
【００２２】
本実施形態において、複数の凸部１２の形成される基板１０１としては、（０００１）Ｃ面を表面とするサファイア単結晶のウェーハが用いられる。ここで（０００１）Ｃ面を表面とする基板には、基板の面方位に（０００１）方向から±３°の範囲でオフ角が付与された基板も含まれる。また、Ｃ面に非平行の表面とは、（０００１）Ｃ面から±３°の範囲と平行な表面のない表面であることを意味する。
【００２３】
パターニング工程は、一般的なフォトリソグラフィー法で行なうことができる。基板加工工程において形成する凸部１２の基部１２ａの基部幅ｄ１は５μｍ以下であることが好ましいため、基板１０１の表面全面を均一にパターニングするためには、フォトリソグラフィー法のうちステッパー露光法を用いるのが好ましい。しかし、１μｍ以下の基部幅ｄ１の凸部１２のパターンを形成させるためには、高価なステッパー装置が必要となり高コストとなる。そのため、１μｍ以下の凸部幅ｄ１のパターンを形成させる場合には、光ディスクの分野で使用されているレーザー露光法、もしくはナノインプリント法を用いることが好ましい。
【００２４】
エッチング工程において基板１０１をエッチングする方法としては、ドライエッチング法やウェットエッチング法が挙げられる。エッチング方法としてウェットエッチング法を用いる場合、基板１０１の結晶面が露出されるため、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２を形成することが難しい。このため、ドライエッチング法を用いることが好ましい。
【００２５】
Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２は、上述したパターニング工程で形成されたマスクが消失するまで基板１０１をドライエッチングする方法より形成させることが出来る。より具体的には、例えば、基板１０１上にレジストを形成し、所定の形状にパターニングした後、例えばオーブンを用いて１１０℃で３０分の熱処理を行なうポストベークを行って、レジストの側面をテーパ状とする。次いで、横方向のエッチングを促進させる所定の条件でレジストが消失するまでドライエッチングを行なう方法によって形成できる。
【００２６】
また、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２は、マスクを使って基板をドライエッチングした後、再度マスクを剥離して基板１０１をドライエッチングする方法によっても形成させることが出来る。より具体的には、例えば、基板１０１上にレジストを形成し、所定の形状にパターニングした後、例えばオーブンを用いて１１０℃で３０分の熱処理を行なうポストベークを行って、レジストの側面をテーパ状とする。次いで、横方向のエッチングを促進させる所定の条件でドライエッチングを行ない、レジストが消失する前にドライエッチングを中断する。その後、レジストを剥離してドライエッチングを再開し、所定量エッチングを行なう方法によって形成できる。この方法で形成された凸部１２は、高さの面内均一性に優れたものとなる。
【００２７】
また、エッチング方法としてウェットエッチング法を用いる場合、ドライエッチング法と組み合わせることにより、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２を形成できる。
例えば、基板１０１がサファイア単結晶からなるものである場合、例えば、２５０℃以上の高温とした燐酸と硫酸との混酸などの酸を用いることによりウェットエッチングすることができる。
ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせる方法としては、例えば、マスクが消失するまで基板１０１をドライエッチングした後、高温の酸を用いて所定量ウェットエッチングする方法によって形成できる。このような方法を用いて凸部１２を形成することにより、凸部１２の側面を構成する斜面に結晶面が露出され、再現性よく凸部１２の斜面の角度を形成できる。また、表面１１にきれいな結晶面を再現性よく露出させることができる。
また、ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせる方法としては、上記の方法の他、マスクとしてＳｉＯ２などの酸に耐性のある材料からなるマスクを形成してウェットエッチングを行なった後、マスクを剥離し、横方向のエッチングを促進させる所定の条件でドライエッチングを行なう方法によっても形成できる。この方法で形成された凸部１２は、高さの面内均一性に優れたものとなる。また、この方法を用いて凸部１２を形成した場合も、再現性よく凸部１２の側面を構成する斜面の角度を形成できる。
【００２８】
なお、本実施形態おいては、凸部を形成するためにエッチングする方法を行なう場合を例に挙げて説明したが、本発明は上記方法に限定されるものではない。例えば、基板上に凸部となる材料を堆積させることにより凸部を形成してもよい。基板上に凸部となる材料を堆積させる方法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などを使用できる。また、凸部となる材料としては、基板とほぼ同等の屈折率を有する材料を用いることが好ましく、サファイア基板に対しては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯ２等を用いることができる。
【００２９】
（基板形状）
基板加工工程の終了した基板１０１の上面１０には、図２に示すように、複数の凸部１２が形成されている。そして、図２に示すように、基板１０１の上面１０において凸部１２の形成されていない部分は、（０００１）Ｃ面からなる平面１１とされている。従って、図１および図２に示すように、基板１０１の上面１０は、（０００１）Ｃ面からなる平面１１と、複数の凸部１２とから構成されている。
【００３０】
凸部１２は、図１および図２に示すように、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなるものであり、表面１２ｃに（０００１）Ｃ面が現れていないものである。図１および図２に示す凸部１２は、基部１２ａの平面形状が略円形であり、上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状とされており、側面１２ｂが外側に向かって湾曲したお椀状（半球状）の形状とされている。また、凸部１２の平面配置は、図１および図２に示すように、碁盤目状に等間隔に配置されている。
【００３１】
また、図１および図２に示す凸部１２は、基部幅ｄ１が０．０５〜５μｍ、高さｈが０．０５〜５μｍ、かつ高さｈが基部幅ｄ１の１／４以上のものであって、隣接する凸部１２間の間隔ｄ２が基部幅ｄ１の０．５〜５倍とされている。ここで、凸部１２の基部幅ｄ１とは凸部１２の底辺（基部１２ａ）における最大幅の長さのことをいう。また、隣接する凸部１２の間隔ｄ２とは、最近接した凸部１２の基部１２ａの縁の間の距離をいう。
【００３２】
隣接する凸部１２間の間隔ｄ２は、基部幅ｄ１の０．５〜５倍とされることが好ましい。凸部１２間の間隔ｄ２が基部幅ｄ１の０．５倍未満であると、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させる際に、Ｃ面からなる平面１１上からの結晶成長が促進され難くなり、凸部１２をＩＩＩ族窒化物半導体層１０３で完全に埋め込むことが難しくなるし、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面１０３ａの平坦性が十分に得られない場合がある。したがって、凸部１２を埋めるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造となる半導体層の結晶を形成した場合、ＬＥＤ構造を構成する半導体層の結晶は、当然にピットが多く形成されることとなり、形成されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の出力や電気特性等の悪化につながってしまう。また、凸部１２間の間隔ｄ２が基部幅ｄ１の５倍を超えると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層との界面での光の乱反射の機会が減少し、光の取り出し効率を十分に向上させることができなくなる恐れがある。
【００３３】
基部幅ｄ１は０．０５〜５μｍとされることが好ましい。基部幅ｄ１が０．０５μｍ未満であると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、光を乱反射させる効果が十分に得られない恐れがある。また、基部幅ｄ１が５μｍを超えると、凸部１２を埋めてＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させることが困難になる。
【００３４】
凸部１２の高さｈは０．０５〜５μｍとされることが好ましい。凸部１２の高さｈが０．０５μｍ未満であると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、光を乱反射させる効果が十分に得られない恐れがある。また、凸部１２の高さｈが５μｍを超えると、凸部１２を埋めてＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長することが困難になり、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面１０３ａの平坦性が十分に得られない場合がある。
【００３５】
また、凸部１２の高さｈは基部幅ｄ１の１／４以上とされることが好ましい。凸部１２の高さｈが基部幅ｄ１の１／４未満であると、基板１０１を用いてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成した場合における光を乱反射させる効果や、光の取り出し効率を向上させる効果が十分に得られない恐れがある。
【００３６】
なお、凸部１２の形状は、図２に示す例に限定されるものではなく、Ｃ面に非平行の表面からなるものであれば、いかなる形状であってもよい。例えば、基部の平面形状が略多角形であり、上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状とされており、側面１２が外側に向かって湾曲している形状であってもよい。また、側面が上部に向かって徐々に外形が小さくなる斜面からなる略円錐状や略多角錐状とされていてもよい。また、側面の傾斜角度が２段階的変化する形状であってもよい。
また、凸部１２の平面配置も、図２に示す例に限定されるものではなく、等間隔であってもよいし、等間隔でなくてもよい。また、凸部１２の平面配置は、四角形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、ランダムであってもよい。
【００３７】
（基板材料）
本実施形態の発光素子において、上述したような基板１０１に用いることができる材料としては、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
また、上記基板材料の中でも、特に、サファイアを用いることが好ましく、サファイア基板のｃ面上に中間層（バッファ層）１０２が形成されていることが望ましい。
【００３８】
なお、上記基板材料の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用い、アンモニアを使用せずに中間層１０２を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述のｎ型半導体層１０４を構成する下地層１０３を成膜した場合には、中間層１０２がコート層としても作用するので、基板１０１の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。
また、中間層１０２をスパッタ法により形成した場合、基板１０１の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板１０１を用いた場合でも、基板１０１にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
【００３９】
（バッファ層形成工程）
本実施形態では、基板加工工程の後、エピ工程の前に、基板１０１の上面１０上に図１に示すバッファ層１０２を積層する。
バッファ層１０２は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。
バッファ層１０２は、上述のように、例えば、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層１０２の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層１０２により基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層１０３との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層１０２の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層１０２としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層１０２の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
【００４０】
バッファ層１０２は、基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層１０３との格子定数の違いを緩和し、基板１０１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、バッファ層１０２の上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を積層すると、より一層結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が積層できる。なお、本発明においては、バッファ層形成工程を行なうことが好ましいが、行なわなくても良い。
【００４１】
バッファ層１０２は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる六方晶系の結晶構造を持つものである。バッファ層１０２をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、単結晶構造を有するものであることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成長条件を制御することにより、上方向だけでなく、面内方向にも成長して単結晶構造を形成する。このため、バッファ層１０２の成膜条件を制御することにより、単結晶構造のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなるバッファ層１０２とすることができる。このような単結晶構造を有するバッファ層１０２を基板１０１上に成膜した場合、バッファ層１０２のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたＩＩＩ族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
【００４２】
また、バッファ層１０２をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶（多結晶）とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
【００４３】
バッファ層１０２を基板１０１の上面１０上に形成する場合、基板１０１に前処理を施してからバッファ層１０２を形成することが望ましい。
前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板１０１を配置し、バッファ層１０２を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板１０１をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝す事によって上面１０を洗浄する前処理を行なうことができる。ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板１０１の上面１０に作用させることで、基板１０１の上面１０に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、ターゲットにパワーを印加せずに、基板１０１とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板１０１に作用する。
【００４４】
また、基板１０１への前処理は、Ｎ＋、（Ｎ２）＋などのイオン成分と、Ｎラジカル、Ｎ２ラジカルなどの電荷を持たないラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理で行なうことが好ましい。
ここで、基板の表面から有機物や酸化物等のコンタミを除去する際、例えば、イオン成分等を単独で基板表面に供給した場合には、エネルギーが強すぎて基板表面にダメージを与えてしまい、基板上に成長させる結晶の品質を低下させてしまうという問題がある。
本実施形態においては、基板１０１への前処理を、上述のようなイオン成分とラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理を用いた方法とし、基板１０１に適度なエネルギーを持つ反応種を作用させることにより、基板１０１表面にダメージを与えずにコンタミ等の除去を行なうことが可能となる。このような効果が得られるメカニズムとしては、イオン成分の割合が少ないプラズマを用いることで基板１０１表面に与えるダメージが抑制されることと、基板１０１表面にプラズマを作用させることによって効果的にコンタミを除去できること等が考えられる。
【００４５】
基板１０１に前処理を行なった後、基板１０１上に、スパッタ法によってバッファ層１０２を成膜する。スパッタ法によって、単結晶構造を有するバッファ層１０２を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が５０％〜１００％、望ましくは７５％となるようにすることが望ましい。
また、スパッタ法によって、柱状結晶（多結晶）有するバッファ層１０２を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が１％〜５０％、望ましくは２５％となるようにすることが望ましい。
【００４６】
バッファ層１０２は、上述したスパッタ法だけでなく、ＭＯＣＶＤ法で形成することが出来るが、基板１０１の上面１０に凸部１２が形成されているため、ＭＯＣＶＤ法でバッファ層を形成すると上面１０で原料ガスの流れが乱れてしまう。このため、ＭＯＣＶＤ法で基板１０１の上面１０に均一にバッファ層１０２を積層することは困難である。これに対し、スパッタ法は、原料粒子の直進性が高いので、上面１０の形状に影響を受けずに均一なバッファ層１０２を積層することが可能である。従って、バッファ層１０２はスパッタ法で形成されることが好ましい。
【００４７】
（エピ工程）
本実施形態では、バッファ層形成工程の後、バッファ層１０２の形成された基板１０１の上面１０上に、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させて、凸部１２をＩＩＩ族窒化物半導体層１０３で埋めるエピ工程を行なう。
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体１０３を形成できるため好ましい。
【００４８】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の最大厚さＨは、凸部１２の高さｈの２倍以上とすると、表面１０３ａの平坦なＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が得られるため好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の最大厚さＨが凸部１２の高さｈの２倍より小さいと、凸部１２を埋め込んで成長したＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面１０３ａの平坦性が不十分となり、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造を積層した場合にＬＥＤ構造を構成する結晶の結晶性が悪くなる場合がある。
【００４９】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の結晶性を良くするためには、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することが出来る。
【００５０】
例えば、サファイア基板の表面に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長する場合、Ｃ面からはＣ軸方向に配向した単結晶がエピタキシャル成長しやすく、Ｃ面以外の表面上からは単結晶のエピタキシャル成長が生じにくい傾向がある。また、ＭＯＣＶＤ法を用いてサファイア基板の表面に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させると、Ｃ面からは単結晶層がエピタキシャル成長するが、Ｃ面以外の表面上には単結晶層がエピタキシャル成長しない。したがって、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の成長は、ＭＯＣＶＤ法により行なうことが好ましい。本実施形態において、バッファ層１０２の形成された基板１０１の上面１０上に、ＭＯＣＶＤ法により単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させると、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２の表面１２ｃからは結晶が成長せず、（０００１）Ｃ面からなる平面１１からのみＣ軸方向に配向した結晶がエピタキシャル成長する。
【００５１】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法で積層する場合、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ３）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を、ｐ型にはＭｇ原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を利用できる。
【００５２】
また、凸部１２の形成された基板１０１は、凸部１２の形成されていない基板と比較して、上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長した場合に、平坦性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を積層することが困難である。また、凸部１２の形成された基板１０１の上面１０に積層されたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３は、結晶性を悪化させるＣ軸方向の傾き（チルト）やＣ軸のねじれ（ツイスト）等が生じやすい。
このため、凸部１２の形成された基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、十分な表面平坦性や良好な結晶性を得るために、以下に示す成長条件とすることが望ましい。
【００５３】
（成長条件）
凸部１２の形成された基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、成長圧力および成長温度を以下に示す条件とすることが好ましい。成長圧力を低くし成長温度を高くすると、横方向の結晶成長が促進され、成長圧力を高くし成長温度を低くすると、ファセット成長モード（△形状）になる。また、成長初期の成長圧力を高くすると、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）が小さくなり、結晶性が向上する傾向がある。
【００５４】
したがって、凸部１２の形成された基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の膜厚が２μｍ程度以上になるまで（前半）と、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を２μｍ程度以上積層した後（後半）とで成長圧力を２段階に変化させることが好ましい。
前半は、成長圧力を４０ｋＰａ以上とすることが好ましく、６０ｋＰａ程度とすることがより好ましい。成長圧力を４０ｋＰａ以上とすると、ファセット成長モード（△形状）になり、転位が横方向に屈曲し、エピ表面に貫通しない。このため、成長圧力を高くすると、低転位化され、結晶性が良好となると推定される。また、成長圧力を４０ｋＰａ未満とすると、結晶性が悪化し、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）が大きくなるため好ましくない。
【００５５】
しかし、成長圧力を４０ｋＰａ以上とすると、エピタキシャル成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の表面にピットが発生しやすくなり、十分な表面平坦性が得られない場合がある。このため、成長圧力を４０ｋＰａ以上とする場合、成長温度を１１４０℃以下とすることが好ましく、１１２０℃程度とすることがより好ましい。成長温度を１１４０℃以下とすることで、成長圧力を４０ｋＰａ以上、好ましくは６０ｋＰａ程度とした場合であっても、ピットの発生を十分に抑制できる。
【００５６】
また、後半は、成長圧力を４０ｋＰａ以下とすることが好ましく、２０ｋＰａ程度とすることがより好ましい。後半に成長圧力を４０ｋＰａ以下とすることで、横方向の結晶成長を促進することができ、表面平坦性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が得られる。
【００５７】
以上の工程により、図１に示す積層構造が得られる。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法では、Ｃ面からなる平面１１と、Ｃ面に非平行の表面１２ｃからなる複数の凸部１２とからなる上面１０を形成する基板加工工程と、上面１０上に凸部１２を埋めるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３を成長させるエピ工程とを備えるので、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の結晶中に転位などの結晶欠陥が生じにくく、良好な結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層１０３が形成できる。
【００５８】
ここで、例えば、凸部の表面にＣ面が存在する場合、凸部の形成された基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させると、凸部の表面に存在するＣ面と、凸部の形成されていない領域のＣ面とから結晶が成長することになる。この場合、凸部の表面から成長した結晶と、凸部の形成されていない領域から成長した結晶とが合体した部分に転位などの結晶欠陥が発生しやすく、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層が得られにくい。ここで生じた結晶欠陥は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の上に、ｎ型層、発光層、ｐ型層からなるＬＥＤ構造を形成した場合、ＬＥＤ構造を構成する半導体層の結晶に引き継がれ、発光素子を形成した場合における内部量子効率の低下やリーク電流の増大の原因となる。
【００５９】
しかし、本実施形態では、基板１０１上にＣ面に非平行の表面１２ｃからなる凸部１２を形成することにより、Ｃ面からなる平面１１と凸部１２とからなる上面１０を形成するので、基板１０１の上面１０にＩＩＩ族窒化物半導体層１０３のエピタキシャル成長を行った場合、平面１１からのみ結晶が成長することになる。従って、基板１０１の上面１０に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体層１０３は、上面１０上に凸部１２を埋め込んでエピタキシャル成長し、結晶中に転位などの結晶欠陥を生じない。
【００６０】
従って、本実施形態の製造方法により得られたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３の上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層からなるＬＥＤ構造を形成した場合、ＬＥＤ構造を構成する結晶の結晶性が良好となり、発光素子を形成した場合に、内部量子効率に優れ、リークの少ないものとなる。しかも、本実施形態では、基板１０１上に凸部１２を形成するので、基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸とされることになり、図１に示す積層構造は、界面での光の乱反射により優れた光取り出し効率が得られる発光素子を実現可能なものとなる。
【００６１】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子］
図３は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示した断面図である。図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（以下、発光素子と略称することがある）１は、図１に示す積層構造のＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造２０が形成されてなるものである。また、図３において、符号１０７は正極ボンディングパッドを示し、符号１０８は負極ボンディングパッドを示している。また、図４は、図３に示す発光素子１の内、ｎ型層１０４、発光層１０５及びｐ型層１０６を示す部分拡大断面図である。
【００６２】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、図３に示す例のように、一面電極型のものであり、上述したような基板１０１上に、中間層１０２と、ＩＩＩ族元素としてＧａを含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなるＬＥＤ構造（ＩＩＩ族窒化物半導体層）２０とが形成されているものである。ＬＥＤ構造２０は、図３に示すように、ｎ型半導体層１０４、発光層１０５及びｐ型半導体層１０６の各層がこの順で積層されてなるものである。
【００６３】
（ＬＥＤ構造）
ＬＥＤ構造２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型層１０４と発光層１０５とｐ型層１０６とを有する。ＬＥＤ構造２０は、ＭＯＣＶＤ法で形成すると結晶性の良いものが得られる。
ｎ型層１０４は、通常ｎコンタクト層１０４ａとｎクラッド層１０４ｂとから構成される。ｎコンタクト層１０４ａはｎクラッド層１０４ｂを兼ねることも可能である。
【００６４】
ｎコンタクト層１０４ａは、負極を設けるための層である。ｎコンタクト層１０４ａとしては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎコンタクト層１０４ａにはｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅが挙げられる。
【００６５】
ｎコンタクト層１０４ａの膜厚は、０．５〜５μｍとされることが好ましく、１〜３μｍの範囲に設定することがより好ましい。ｎコンタクト層１０４ａの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
【００６６】
ｎコンタクト層１０４ａと発光層１０５との間には、ｎクラッド層１０４ｂを設けることが好ましい。ｎクラッド層１０４ｂは、発光層１０５へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。ｎクラッド層１０４ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ｎクラッド層１０４ｂをＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層１０５のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００６７】
ｎクラッド層１０４ｂの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層１０４ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００６８】
なお、ｎクラッド層１０４ｂを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第１層と、該ｎ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第２層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、ｎクラッド層１０４ｂは、ｎ側第１層とｎ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよい。また、好ましくは、前記ｎ側第１層又はｎ側第２層の何れかが、活性層（発光層１５）に接する構成とすれば良い。
【００６９】
上述のようなｎ側第１層及びｎ側第２層は、例えばＡｌを含むＡｌＧａＮ系（単にＡｌＧａＮと記載することがある）、Ｉｎを含むＧａＩｎＮ系（単にＧａＩｎＮと記載することがある）、ＧａＮの組成とすることができる。また、ｎ側第１層及びｎ側第２層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造、組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造（本発明における“組成の異なる”との説明は、各元素組成比が異なることを指し、以下同様である）、組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であってもよい。本発明においては、ｎ側第１層及びｎ側第２層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮであることが好ましい。
【００７０】
上記ｎ側第１層及びｎ側第２層の超格子層は、それぞれ６０オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ４０オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ１０オンストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｎ側第１層とｎ側第２層の膜厚が１００オングストローム超だと、結晶欠陥が入りやすく好ましくない。
【００７１】
上記ｎ側第１層及びｎ側第２層は、それぞれドープした構造であってもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｎクラッド層として、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてＳｉが好適である。また、上述のようなｎ側超格子多層膜は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ＯＮ、ＯＦＦしながら作製してもよい。
【００７２】
ｎ型層１０４の上に積層される発光層１０５としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などの発光層１０５がある。図４に示すような、量子井戸構造の井戸層１０５ｂとしては、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜０．４）からなるＩＩＩ族窒化物半導体層が通常用いられる。井戸層１０５ｂの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば１〜１０ｎｍとすることができ、好ましくは２〜６ｎｍとすると発光出力の点で好ましい。
また、多重量子井戸構造の発光層１０５の場合は、上記Ｇａ１−ｙＩｎｙＮを井戸層１０５ｂとし、井戸層１０５ｂよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｚ＜０．３）を障壁層１０５ａとする。井戸層１０５ｂおよび障壁層１０５ａには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
【００７３】
ｐ型層１０６は、通常、ｐクラッド層１０６ａおよびｐコンタクト層１０６ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１０６ｂがｐクラッド層１０６ａを兼ねることも可能である。
【００７４】
ｐクラッド層１０６ａは、発光層１０５へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１０６ａとしては、発光層１０５のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１０５へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．４）のものが挙げられる。ｐクラッド層１０６ａが、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層１０６ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１０６ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
また、ｐクラッド層１０６ａは、複数回積層した超格子構造としてもよい。
【００７５】
なお、ｐクラッド層１０６ａを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第１層と、該ｐ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第２層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、ｐ側第１層とｐ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
【００７６】
上述のようなｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれ異なる組成、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ又はＧａＮの内の何れの組成であっても良い、また、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、又はＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であっても良い。本発明においては、ｐ側第１層及びｐ側第２層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造であることが好ましい。
【００７７】
上記ｐ側第１層及びｐ側第２層の超格子層は、それぞれ６０オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ４０オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｐ側第１層とｐ側第２層の膜厚が１００オングストローム超だと、結晶欠陥等を多く含む層となり、好ましくない。
【００７８】
上記ｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｐクラッド層として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてＭｇが好適である。また、上述のようなｐ側超格子多層膜は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ＯＮ、ＯＦＦしながら作製してもよい。
【００７９】
ｐコンタクト層１０６ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１０６ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）が好ましい。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の濃度、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。ｐコンタクト層１０６ｂの膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。ｐコンタクト層１０６ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００８０】
（電極）
正極ボンディングパッド１０７は、ｐ型層１０６と接する透光性導電酸化膜層からなる透光性正極１０９上の一部に設けられている。
透光性正極１０９は、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺｎＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺｎＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）から選ばれる少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、透光性正極１０９の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。また、透光性正極１０９は、ｐ型層１０６上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。透光性正極１０９を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
【００８１】
正極ボンディングパッド１０７は、回路基板やリードフレーム等との電気接続のために設けられる。正極ボンディングパッドとしては、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造を何ら制限無く用いることができる。
【００８２】
正極ボンディングパッド１０７の厚さは、１００〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１０７の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、正極ボンディングパッド１０７の厚さは製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００８３】
負極ボンディングパッド１０８は、ＬＥＤ構造２０のｎ型層１０４に接するように形成される。このため、負極ボンディングパッド１０８を形成する際には、発光層１０５およびｐ型層１０６の一部を除去してｎ型層１０４のｎコンタクト層を露出させ、この上に負極ボンディングパッド１０８を形成する。
【００８４】
負極ボンディングパッド１０８としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００８５】
図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、本発明の製造方法によって製造されたＩＩＩ族窒化物半導体層１０３上にＬＥＤ構造２０が形成されているものであるので、基板１０１とＩＩＩ族窒化物半導体層との界面が凹凸とされており、界面での光の乱反射により優れた光取り出し効率が得られる。しかも、図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、上述したように、ＬＥＤ構造２０を構成するＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型層１０４、発光層１０５、ｐ型層１０６の結晶性に優れたものとなるので、内部量子効率の低下を防ぎリーク電流を低減することができ、出力が高く電気特性に優れたものとなる。
【００８６】
（ランプ）
本発明のランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本発明のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
【００８７】
図５は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。図５に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が用いられている。図５に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の正極ボンディングパッド１０７がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図５ではフレーム３１）に接着され、発光素子１の負極ボンディングパッド１０８がワイヤー３４で他方のフレーム３２に接合されることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が実装されている。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の周辺は、透明な樹脂からなるモールド３５で封止されている。
【００８８】
本発明のランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が用いられてなるものであるので、優れた発光特性を備えたものとなる。
なお、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
【実施例】
【００８９】
次に、本発明を、実施例および比較例を示してより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
［実施例１］
サファイア基板の（０００１）Ｃ面上に、表１に示す「基部幅」「高さ」「基部幅／４」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面Ｃ面の有無」の複数の凸部を、以下に示すようにして形成した（基板加工工程）。すなわち、直径２インチのＣ面サファイア基板に公知のフォトリソグラフィー法でマスクを形成し、ドライエッチング法でサファイア基板をエッチングすることにより凸部を形成した。なお、露光法として、紫外光を用いたステッパー露光法を用いた。また、ドライエッチングにはＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いた。
【００９０】
【表１】
【００９１】
このようにして得られた実施例１の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状（半球状）の形状であった。
【００９２】
［比較例１、比較例２］
露光時のマスクをそれぞれ異ならせたこと以外は実施例１と同様にして、比較例１および比較例２の凸部を形成した。
得られた比較例１の凸部は、基部の平面形状が円形、断面形状が台形であった。また、比較例２は、凸部の形状は実施例１と同じであるが「隣接する凸部間の間隔」が実施例１と異なっていた。
【００９３】
［比較例３］
ウェットエッチング法を用いてエッチングしたこと以外は実施例１と同様にして、比較例３の凸部を形成した。得られた比較例３の凸部は、基部の平面形状が円形、断面形状が台形であった。
【００９４】
その後、以下に示すように、実施例１、比較例１〜比較例３の複数の凸部の形成された基板の上面に、ＲＦスパッタ法を用いて単結晶構造を有するＡｌＮからなる厚さ５０ｎｍバッファ層を形成した（バッファ層形成工程）。
スパッタ成膜装置としては、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネットの位置を動かすことができる機構を持っているものを使用した。まず、複数の凸部の形成された基板をスパッタ成膜装置のチャンバ内へ導入して５００℃まで加熱し、チャンバ内に窒素ガスだけを１５ｓｃｃｍの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を１Ｐａに保持して、基板側に５００Ｗの高周波バイアスを印加して基板を窒素プラズマに曝すことで、基板の表面を洗浄した（前処理）。
【００９５】
続いて、チャンバ内にアルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板の温度を５００℃に保ったまま、２０００Ｗの高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、チャンバ内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍ流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、複数の凸部の形成された基板上にＡｌＮからなるバッファ層を成膜した。成長レートは０．０８ｎｍ／ｓであった。なお、ターゲット内のマグネットは、基板洗浄の際もバッファ層成膜の際も揺動させておいた。そして、予め測定した成膜速度に従って規定した時間の間成膜を行い、５０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層を複数の凸部の形成された基板上に堆積した後、プラズマを立てるのを止め、基板温度を低下させた。
【００９６】
このようにして得られたバッファ層上に、以下に示す減圧ＭＯＣＶＤ法を用いてＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた（エピ工程）。
まず、スパッタ成膜装置から取り出したバッファ層まで形成された基板を、ＭＯＣＶＤ法によるＩＩＩ族窒化物半導体層の成長のための反応炉内に導入し、高周波（ＲＦ）誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）上に載置した。その後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、反応炉内をパージした。
【００９７】
そして、気相成長反応炉内に窒素ガスを８分間に亘って流通させた後、誘導加熱式ヒータを作動させてサファイア基板の温度を約１０分間で室温から５００℃に昇温した。その後、基板の温度を５００℃にて、ＮＨ３ガスおよび窒素ガスを反応炉内に流通させた。気相成長反応炉内の圧力を９５ｋＰａとした。続いて、基板の温度を約１０分間かけて１０００℃まで昇温させ、この温度及び圧力下で１０分間放置して、基板の表面をサーマルクリーニング（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ）した。サーマルクリーニングの終了後、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給は継続させた。
【００９８】
その後、アンモニアガスの流通を続けながら水素雰囲気中で、基板の温度を１１２０℃に昇温させた。反応炉内の圧力を６０ｋＰａとした。基板温度が１１２０℃で安定したのを確認した後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の気相成長反応炉内への供給を開始し、ＡｌＮバッファ層上にアンドープのＧａＮ層を３μｍの膜厚までエピタキシャル成長させた。このとき、アンモニアの量はＶ族（Ｎ）／ＩＩＩ族（Ｇａ）比が６００となるように調節した。そして、３μｍのＧａＮ層からなるＩＩＩ族窒化物半導体層を成長後、反応炉への原料の供給を停止し、基板の温度を低下させた。
【００９９】
その後、反応炉からＧａＮ層の形成された基板を取り出し、ＧａＮ層の表面の平坦性を観察した。また、ＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）を測定した。ＧａＮ層の平坦性およびＸＲＣの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）の結果を表１に示す。
【０１００】
表１に示すように、比較例１では、凸部の表面にＣ面があるので、実施例１と比較して結晶性が悪かった（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１５０ａｒｃｓｅｃ以上、（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以上）。また、比較例１では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍未満であるので、実施例１と比較して、表面の平坦性も悪かった（△）。
また、比較例２では、実施例１よりもよくないが、実施例１と同様に凸部の表面にＣ面がないため結晶性は悪くない（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１００ａｒｃｓｅｃ以下、（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以下）。しかし、比較例２では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍より小さいので、実施例１と比較して表面の平坦性が悪い（△）。
また、比較例３では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍以上であるので、表面の平坦性が良い（○）。しかし、比較例３では、凸部の表面にＣ面があるので、実施例１と比較して結晶性が悪い（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１５０ａｒｃｓｅｃ以上（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以上）。
【０１０１】
これに対し、実施例１では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の０．５倍以上であるので、表面の平坦性が良い（○）。また、実施例１では、凸部の表面にＣ面がないため結晶性がよい（ＸＲＣ−ＦＷＨＭが（０００２）面で１００ａｒｃｓｅｃ以下、（１０−１０）面で２００ａｒｃｓｅｃ以下）。
【０１０２】
［実施例２、比較例４］
実施例１、比較例３と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層上に、以下に示す方法でＬＥＤ構造のｎ型層、発光層、ｐ型層となる各層を積層した。
（ｎ型層）
ｎ型層として、ｎコンタクト層とｎクラッド層を形成した。まず、実施例１、比較例３と同様の方法でＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させた後、Ｖ族（Ｎ）／ＩＩＩ族（Ｇａ）比が４５０になるようにアンモニアの量を調整し、ＩＩＩ族窒化物半導体層の上にアンドープのＧａＮ層を１μｍ成長させ、続いて同じ条件下で、ドーパントガスであるモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎコンタクト層を形成した。Ｓｉのドープ量は５×１０18／ｃｍ3とした。ｎコンタクト層を成長させた後、ＴＭＧのバルブを閉めて、ＴＭＧの反応炉内への供給を停止した。
【０１０３】
ｎコンタクト層を成長させた後、アンモニアをそのまま流通させながら、キャリアガスをオール水素ガスからオール窒素へと切り替えた。次いで、基板の温度を１１００℃から７６０℃へと低下させ、反応炉内の温度の変更を待つ間に、ＳｉＨ4の供給量を設定した。反応炉内に流通させるＳｉＨ4の量は、事前に検討してあり、ＳｉドープＧａＩｎＮクラッド層の電子濃度が１×１０18ｃｍ-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で反応炉内へ供給し続けた。
【０１０４】
その後、反応炉内の状態が安定するのを待って、ＴＭＩとＴＥＧとＳｉＨ4のバルブを同時に切り替え、これらの原料の反応炉内への供給を開始した。所定の時間だけ反応炉内への供給を継続し、２０ｎｍの膜厚を有するＳｉドープＧａ0.99Ｉｎ0.01Ｎからなるｎクラッド層を形成した。その後、ＴＭＩ、ＴＥＧおよびＳｉＨ4のバルブを切り替えて、これらの原料の供給を停止した。
【０１０５】
（発光層）
発光層として、障壁層と井戸層とからなる多重量子井戸構造を形成した。まず、ｎクラッド層を形成した後の反応炉内へのＳｉＨ4の供給量の設定を変更した。反応炉内に流通させるＳｉＨ4の量は事前に検討してあり、ＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層の電子濃度が３×１０17ｃｍ-3となるように調整した。そして、基板温度を７５０℃とし、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を開始し、所定の時間ＳｉをドープしたＧａＮ層からなる薄層の障壁層Ａを形成し、ＴＥＧとＳｉＨ4の供給を停止した。
【０１０６】
その後、成長を中断した状態でサセプタの温度を９２０℃に昇温した。温度が安定した後、基板温度や反応炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧとＳｉＨ4のバルブを切り替えてＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を再開し、基板温度９３０℃にて規定の時間のＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層Ｂの成長を行った。障壁層Ｂの成長後、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を停止した。
続いて、サセプタ温度を７５０℃に下げ、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を開始し、ＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層Ｃの成長を行った。その後、再びバルブを切り替えてＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を停止して障壁層Ｃの成長を終了した。これにより、障壁層Ａ、障壁層Ｂおよび障壁層Ｃからなる３層構造の総膜厚２０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層を形成した。
【０１０７】
障壁層の成長終了後、３０秒間に渡ってＴＥＧとＳｉＨ4の供給を停止し、ＴＥＧの供給量の設定を事前に検討した流量に変更した後、基板温度や反応炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧとＴＭＩのバルブを切り替えてＴＥＧとＴＭＩの反応炉内への供給を行ない、井戸層の形成を行なった。あらかじめ決めた時間の間ＴＥＧとＴＭＩの供給を行なった後、再びバルブを切り替えてＴＥＧとＴＭＩの供給を停止してＧａ0.93Ｉｎ0.07Ｎからなる井戸層の成長を終了した。このようにして、井戸層として３ｎｍの膜厚を成すＧａ0.93Ｉｎ0.07Ｎ層が形成された。井戸層の成長終了後、ＴＥＧの供給量の設定を変更した。引き続いて、ＴＥＧおよびＳｉＨ4の供給を再開し、２層目の障壁層の形成に入った。
【０１０８】
このような手順を５回繰り返し、５層のＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層と５層のＧａ0.9３Ｉｎ0.０７Ｎからなる井戸層とを形成した。これらの井戸層、障壁層の作製工程において、７５０℃にて障壁層Ａを形成した後、障壁層Ｂを形成するため９２０℃へ昇温する工程では、ＩＩＩ族原料の供給を停止することによって半導体層の成長を中断した。
【０１０９】
そして、５層目の井戸層を形成した後、引き続いて６層目の障壁層の形成を行なった。６層目の障壁層の形成においては、ＳｉＨ4の反応炉内への供給を再開し、ＳｉドープＧａＮからなる薄層の障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧとＳｉＨ4の反応炉内への供給を続けたまま、基板温度を９３０℃に昇温し、そのまま基板温度９２０℃にて規定の時間障壁層Ｂの成長を行ない、障壁層Ｂを成長後、ＴＥＧとＳｉＨ4の炉内供給を停止した。続いて基板温度を７５０℃に下げ、ＴＥＧとＳｉＨ4の供給を開始し、障壁層Ｃの成長を行った後、再びバルブを切り替えてＴＥＧとＳｉＨ4の供給を停止してＧａＮ障壁層の成長を終了した。これにより、障壁層Ａ、障壁層Ｂおよび障壁層Ｃからなる３層構造の総膜厚２０ｎｍのＳｉドープＧａＮ層からなる障壁層を形成した。
【０１１０】
以上の手順にて、厚さが不均一な井戸層（１〜４層目）と厚さが均一な井戸層（５層目）を含んだ多重量子井戸構造の発光層を形成した。
【０１１１】
（ｐ型層）
このようにして得られたＳｉドープＧａＮからなる障壁層で終了する発光層上に、ｐクラッド層とｐコンタクト層とからなるｐ型層を形成した。
まず、発光層上にＭｇドープのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐクラッド層を形成した。 発光層を構成するＳｉドープＧａＮからなる障壁層の成長が終了した後、基板の温度を１０５０℃へ昇温し、キャリアガスの種類を水素に切り替え、反応炉内の圧力を１５ｋＰａに変更した。反応炉内の圧力が安定するのを待って、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇのバルブを切り替え、これらの原料の反応炉内への供給を開始した。その後、約３分間に渡ってＭｇドープのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐクラッド層の成長を行ない、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇの供給を停止した。これにより、１２ｎｍの膜厚を有するＭｇドープのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐクラッド層を形成した。
【０１１２】
次いで、このｐクラッド層上にｐコンタクト層を形成した。すなわち、ｐクラッド層の成長が終了した後、キャリアガスと炉内の圧力はそのままで、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ２Ｍｇの供給量の変更を行なった。その後、アンモニアガスの反応炉内への供給を続けた状態で、さらに、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇのバルブを切り替えて、これらの原料の反応炉内への供給を開始した。Ｃｐ2Ｍｇを流通させる量は事前に検討してあり、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層の正孔濃度が８×１０17ｃｍ-3となるように調整した。その後、約１２分間に渡ってＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層の成長を行った後、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇの供給を停止した。これにより、約０．２μｍの膜厚を成すＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層を形成させた。
【０１１３】
ｐコンタクト層の気相成長を終了させた後、直ちに基板を加熱するために利用していた高周波誘導加熱式ヒータへの通電を停止すると同時に、キャリアガスを水素から窒素へと切り替え、アンモニアの流量を低下させた。具体的には、成長中には全流通ガス量のうち体積にして約１４％を締めていたアンモニアガスを０．２％まで下げた。更に、この状態で４５秒保持した後、アンモニアの流通を停止した。この状態で、基板温度が室温まで降温したのを確認して、ＩＩＩ族窒化物半導体積層の積層された基板を大気中に取り出した。このようにして、実施例１、比較例３と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層上に、ＬＥＤ構造のｎ型層、発光層、ｐ型層となる各層の形成を終了した。
ここでＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｐコンタクト層は、ｐ型キャリアを活性化するためのアニール処理を行なわなくてもｐ型を示した。
【０１１４】
次いで、このようにして得られたＬＥＤ構造となる各層の形成された基板を用いて、以下に示すようにして、半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。
まず、公知のフォトリソグラフィー技術によって、ＬＥＤ構造となる各層の形成された基板のｐコンタクト層上に、ＩＴＯからなる透明ｐ電極と、透明ｐ電極上にチタン、アルミニウム、金を順に積層した構造を持つ正極ボンディングパッドを形成した。
続いて、正極ボンディングパッドの形成された基板にドライエッチングを行い、負極ボンディングパッドを形成する部分のｎ型層を露出させ、露出したｎ型層上にＮｉ、Ａｌ、ＴｉおよびＡｕの４層よりなる負極ボンディングパッドを作製した。
【０１１５】
このようにして正極ボンディングパッドおよび負極ボンディングパッドの形成された基板の裏面を研削および研磨してミラー状の面とした。その後、その基板を３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、正極ボンディングパッドおよび負極ボンディングパッドが上になるように、リードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。
【０１１６】
このようにして得られた発光素子について、２０Ｖの逆方向電圧を印加した時の逆方向電流（リーク電流（ＩＲ））を測定した。その結果を表２に示す。なお、表２において、実施例２とは、実施例１と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層までの形成された基板を用いて得られた発光素子であり、比較例４とは、比較例３と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層までの形成された基板を用いて得られた発光素子である。
【０１１７】
【表２】
【０１１８】
表１および表２より、実施例２では、実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良く平坦性も良好であったため、発光素子の逆方向電流は３μＡ以下と良好であった。
一方、比較例４では、比較例３で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良くなかったため、逆方向電流は５μＡ以上と不良であった。
【０１１９】
［実施例３、実施例４、比較例５、比較例６］
「基部幅」「高さ」「基部幅／４」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面Ｃ面の有無」を表３に示すものとしたこと以外は、実施例１と同様の方法によりＩＩＩ族窒化物半導体層まで形成し、実施例２と同様の方法により発光素子を作製した。
なお、実施例３、実施例４、比較例６の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状の形状であった。また、実施例３、実施例４、比較例６の凸部は、エッチング時間を変更することにより、凸部の高さを変えて得られたものである。
そして、得られた発光素子に順方向に２０ｍＡの電流を印加して、発光出力（Ｐｏ）を測定した。その結果を表３に示す。
【０１２０】
【表３】
【０１２１】
表３より、凸部のない比較例５と、凸部の高さが基部幅の１／４未満である比較例６では、発光出力が１３ｍＷ以下と低かった。
これに対し、凸部の高さが基部幅の１／４以上である実施例３および実施例４では、発光出力が１３ｍＷ以上と高かった。
【０１２２】
［実施例５］
実施例５においては、基板表面を洗浄する際の条件と中間層を成膜する条件以外は、実施例１と同様にして、基板上に中間層および下地層を形成した。
【０１２３】
すなわち、以下に示すように、実施例１と同様の複数の凸部の形成された基板の上面に、ＲＦスパッタ法を用いて柱状結晶の集合体（多結晶）からなるＡｌＮからなる厚さ５０ｎｍバッファ層を形成した（バッファ層形成工程）。
スパッタ成膜装置としては、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネットの位置を動かすことができる機構を持っているものを使用した。まず、複数の凸部の形成された基板をスパッタ成膜装置のチャンバ内へ導入して７５０℃まで加熱し、チャンバ内に窒素ガスだけを１５ｓｃｃｍの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を０．０８Ｐａに保持して、基板側に５００Ｗの高周波バイアスを印加して基板を窒素プラズマに曝すことで、基板の表面を洗浄した（前処理）。
【０１２４】
続いて、チャンバ内にアルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板の温度を５００℃まで低下させた。その後、２０００Ｗの高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、チャンバ内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５ｓｃｃｍ流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は２５％）で、複数の凸部の形成された基板上にＡｌＮからなるバッファ層を成膜した。成長レートは０．０８ｎｍ／ｓであった。なお、ターゲット内のマグネットは、基板洗浄の際もバッファ層成膜の際も揺動させておいた。そして、予め測定した成膜速度に従って規定した時間の間成膜を行い、５０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層を複数の凸部の形成された基板上に堆積した後、プラズマを立てるのを止め、基板温度を低下させた。
【０１２５】
このようにして得られたバッファ層上に、実施例１と同様にしてＧａＮ層を形成し、得られたＧａＮ層の表面の平坦性を観察した。また、ＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）を測定した。ＧａＮ層の平坦性およびＸＲＣの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）の結果を表１に示す。表１に示すように、実施例５の結果は、実施例１と同等であった。
【０１２６】
［実施例６］
実施例５と同様の方法で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層上に、実施例２と同様の方法により発光素子を作製した。
【０１２７】
このようにして得られた発光素子について、２０Ｖの逆方向電圧を印加した時の逆方向電流（リーク電流（ＩＲ））を測定した。その結果を表２に示す。
表１および表２より、実施例６では、実施例５で作製したＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が良く平坦性も良好であったため、発光素子の逆方向電流は３μＡ以下と良好であった。
【０１２８】
［実施例７、実施例８、比較例７、比較例８］
「基部幅」「高さ」「基部幅／４」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面Ｃ面の有無」を表３に示すものとしたこと以外は、実施例５と同様の方法によりＩＩＩ族窒化物半導体層まで形成し、実施例２と同様の方法により発光素子を作製した。
なお、実施例７、実施例８、比較例７の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状の形状であった。また、実施例７、実施例８、比較例７の凸部は、エッチング時間を変更することにより、凸部の高さを変えて得られたものである。
そして、得られた発光素子に順方向に２０ｍＡの電流を印加して、発光出力（Ｐｏ）を測定した。その結果を表３に示す。
【０１２９】
表３より、凸部のない比較例７と、凸部の高さが基部幅の１／４未満である比較例８では、発光出力が１３ｍＷ以下と低かった。
これに対し、凸部の高さが基部幅の１／４以上である実施例７および実施例８では、発光出力が１３ｍＷ以上と高かった。
【０１３０】
［実施例９］
次に、実施例９として、図３（図４も参照）に示すような発光素子１を作成し、図５に示すような、発光素子１が用いられてなるランプ３（発光ダイオード：ＬＥＤ）を作成した。
本例においては、まず、サファイアからなる基板１０１のｃ面上に、バッファ層１０２としてＲＦスパッタ法を用いてＡｌＮからなる単結晶の層を形成したものの上に、下地層１０３として、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ（ＩＩＩ族窒化物半導体）からなる層を以下の方法で形成した後、各層を積層した。
【０１３１】
『バッファ層の形成』
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイアからなる基板１０１を、チャンバ中へ導入した。この際、高周波式のスパッタ装置を用い、ターゲットとしては、金属Ａｌからなるものを用いた。
そして、チャンバ内で基板１０１を５００℃まで加熱し、窒素ガスを導入した後、基板１０１側に高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことによって基板１０１表面を洗浄した。
【０１３２】
次いで、基板１０１の温度はそのままに、スパッタ装置内にアルゴン及び窒素ガスを導入した。そして、高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍ流通させた条件下で、サファイアからなる基板１０１上に、ＡｌＮからなる単結晶のバッファ層１０２を成膜した。そして、予め測定した成膜速度に従い、規定した時間の処理により、４０ｎｍのＡｌＮ（バッファ層１０２）を成膜後、プラズマ動作を停止し、基板１０１の温度を低下させた。
【０１３３】
そして、基板１０１上に形成したバッファ層１０２のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定装置（スペクトリス社製、型番：Ｘ‘ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＲＤ）を用いて測定した。この測定は、ＣｕＫα線Ｘ線発生源を光源として用いて行なった。この結果、バッファ層１０２のＸＲＣ半値幅は０．１°と優れた特性を示しており、バッファ層１０２が良好に配向していることが確認できた。
【０１３４】
『下地層の形成』
次いで、ＡｌＮ（バッファ層１０２）が成膜された基板１０１を、スパッタ装置内から取り出してＭＯＣＶＤ装置内に搬送し、バッファ層１０２上に、以下の手順でＧａＮからなる下地層１０３を成膜した。
まず、当該基板１０１を反応炉（ＭＯＣＶＤ装置）内に導入した。次いで、反応炉内に窒素ガスを流通させた後、ヒータを作動させて、基板温度を室温から５００℃に昇温した。そして、基板の温度を５００℃に保ったまま、ＮＨ３ガスおよび窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を９５ｋＰａ（圧力単位：Ｐａ）とした。続いて、基板温度を１０００℃まで昇温させ、基板の表面をサーマルクリーニング（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ）した。なお、サーマルクリーニングの終了後も、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を継続させた。
【０１３５】
その後、アンモニアガスの流通を続けながら、水素雰囲気中で基板の温度を１１００℃に昇温させるとともに、反応炉内の圧力を４０ｋＰａとした。基板温度が１１００℃で安定するのを確認した後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の、気相成長反応炉内への供給を開始し、バッファ層１０２上に下地層１０３を構成するＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ）を成膜する工程を開始した。このようにしてＧａＮを成長させた後、ＴＭＧの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了してＧａＮの成長を停止した。
以上の工程により、基板１０１上に成膜された単結晶組織のＡｌＮからなるバッファ層１０２の上に、アンドープで８μｍの膜厚のＧａＮからなる下地層１０３を成膜した。
【０１３６】
『ｎコンタクト層の形成』
下地層１０３の形成に引き続き、同じＭＯＣＶＤ装置によってＧａＮからなるｎコンタクト層１０４ａの初期層を形成した。この際、ｎコンタクト層１０４ａにはＳｉをドープした。結晶成長は、Ｓｉのドーパント原料としてＳｉＨ４を流通させた以外は、下地層と同じ条件によって行った。
【０１３７】
以上説明したような工程により、表面に逆スパッタを施したサファイアからなる基板１０１上に、単結晶組織を持つＡｌＮのバッファ層１０２を形成し、その上にアンドープで８μｍの膜厚のＧａＮ層（ｎ型下地層１０３）と、５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層（ｎコンタクト層１０４ａをなす初期層）を形成した。成膜後に装置内から取り出した基板は無色透明であり、ＧａＮ層（ここではｎコンタクト層１０４ａをなす初期層）の表面は鏡面であった。
【０１３８】
上述のようにして形成したＳｉドープＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定装置（スペクトリス社製、型番：Ｘ‘ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＲＤ）を用いて測定した。この測定は、Ｃｕβ線Ｘ線発生源を光源として用い、対称面である（０００２）面と非対称面である（１０−１０）面で行った。一般的に、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体の場合、（０００２）面のＸＲＣスペクトル半値幅は結晶の平坦性（モザイシティ）の指標となり、（１０−１０）面のＸＲＣスペクトル半値幅は転位密度（ツイスト）の指標となる。この測定の結果、本発明の製造方法で作製したＳｉドープＧａＮ層（ｎコンタクト層）は、（０００２）面の測定では半値幅４６ａｒｃｓｅｃ、（１０−１０）面では２２０ａｒｃｓｅｃを示した。
【０１３９】
『ｎクラッド層及び発光層の形成』
上記手順で作製したｎコンタクト層１０４ａ上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎクラッド層１０４ｂ及び発光層１０５を積層した。
【０１４０】
「ｎクラッド層１０４ｂの形成」
上記手順でｎコンタクト層１０４ａを成長させた基板をＭＯＣＶＤ装置に導入した後、アンモニアを流通させながら、キャリアガスを窒素として、基板温度を７６０℃へ低下させた。
この際、炉内の温度の変更を待つ間に、ＳｉＨ４の供給量を設定した。流通させるＳｉＨ４の量については事前に計算を行い、Ｓｉドープ層の電子濃度が４×１０１８ｃｍ−３となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
【０１４１】
次いで、アンモニアをチャンバ内に流通させながら、ＳｉＨ４ガスと、バブリングによって発生させたＴＭＩ及びＴＥＧの蒸気を炉内へ流通させ、Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる層を１．７ｎｍ、ＧａＮからなる層を１．７ｎｍで各々成膜した。このような成膜処理を１９サイクル繰り返した後、最後に、Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる層を１．７ｎｍで再度、成長させた。また、この工程処理を行なっている間は、ＳｉＨ４の流通を継続した。これにより、ＳｉドープのＧａ０．９９Ｉｎ０．０１ＮとＧａＮの超格子構造からなるｎクラッド層１０４ｂを形成した。
【０１４２】
「発光層の形成」
発光層１０５は、ＧａＮからなる障壁層１０５ａと、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂとから構成され、多重量子井戸構造を有する。この発光層１０５の形成にあたっては、ＳｉドープのＧａＩｎＮとＧａＮの超格子構造からなるｎクラッド層１０４ｃ上に、まず、障壁層１０５ａを形成し、この障壁層１０５ａ上に、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１０５ｂを形成した。このような積層手順を６回繰り返した後、６番目に積層した井戸層１０５ｂ上に、７番目の障壁層１０５ａを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層１０５の両側に障壁層１０５ａを配した構造とした。
【０１４３】
まず、基板温度は７６０℃のままでＴＥＧａとＳｉＨ４の炉内への供給を開始し、所定の時間ＳｉをドープしたＧａＮからなる初期障壁層を０．８ｎｍ形成し、ＴＥＧａとＳｉＨ４の供給を停止した。その後、サセプタの温度を９２０℃に昇温した。そして、ＴＥＧａとＳｉＨ４の炉内への供給を再開し、基板温度９２０℃のままで、さらに、１．７ｎｍの中間障壁層の成長を行った後、ＴＥＧａとＳｉＨ４の炉内供給を停止した。続いて、サセプタ温度を７６０℃に下げ、ＴＥＧａとＳｉＨ４の供給を開始し、さらに、３．５ｎｍの最終障壁層の成長を行った後、再びＴＥＧａとＳｉＨ４の供給を停止して、ＧａＮ障壁層の成長を終了した。上述のような３段階の成膜処理により、初期障壁層、中間障壁層及び最終障壁層の３層からなり、総膜厚が６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層（障壁層１０５ａ）を形成した。ＳｉＨ４の量は、Ｓｉ濃度が１×１０１７ｃｍ−３になるように調整した。
【０１４４】
上記ＧａＮ障壁層（障壁層１０５ａ）の成長終了後、ＴＥＧａとＴＭＩｎを炉内へ供給して井戸層の成膜処理を行ない、３ｎｍの膜厚を成すＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎ層（井戸層１０５ｂ）を形成した。
そして、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂの成長終了後、ＴＥＧａの供給量の設定を変更した。引き続いて、ＴＥＧａおよびＳｉＨ4の供給を再開し、２層目の障壁層１０５ａの形成を行なった。
【０１４５】
上述のような手順を６回繰り返すことにより、６層のＳｉドープＧａＮからなる障壁層１０５ａと、６層のＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂを形成した。
【０１４６】
そして、６層目のＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１０５ｂを形成した後、引き続いて７層目の障壁層の形成を行った。７層目の障壁層の形成処理においては、まず、ＳｉＨ４の供給を停止し、アンドープＧａＮからなる初期障壁層を形成した後、ＴＥＧａの炉内への供給を続けたままで基板温度を９２０℃に昇温し、この基板温度９２０℃にて規定の時間で中間障壁層の成長を行なった後、ＴＥＧａの炉内への供給を停止した。続いて、基板温度を７６０℃に下げ、ＴＥＧａの供給を開始し、最終障壁層の成長を行った後、再びＴＥＧａの供給を停止し、ＧａＮ障壁層の成長を終了した。これにより、初期障壁層、中間障壁層及び最終障壁層の３層からなり、総膜厚が４ｎｍのアンドープＧａＮからなる障壁層を形成した（図４における発光層１０５の内、最上層の障壁層１０５ａを参照）。
【０１４７】
以上の手順にて、厚さが不均一な井戸層（図４におけるｎ型層１０４側から１〜５層目の井戸層１０５ｂ）と、厚さが均一な井戸層（図４におけるｎ型層１０４側から６層目の井戸層１０５ｂを参照）を含んだ多重量子井戸構造の発光層１０５を形成した。
【０１４８】
『ｐ型半導体層の形成』
上述の各工程に引き続き、同じＭＯＣＶＤ装置を用いて、４層のノンドープのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎと３層のＭｇをドープしたＧａＮよりなる超格子構造を持つｐクラッド層１０６ａを成膜し、更に、その上に膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐコンタクト層１０６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１０６とした。
【０１４９】
まず、ＮＨ３ガスを供給しながら基板温度を９７５℃へ昇温した後、この温度でキャリアガスを窒素から水素に切り替えた。続いて、基板温度を１０５０℃に変更した。そして、炉内へＴＭＧａとＴＭＡｌを供給することにより、ノンドープのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる層２.５ｎｍを成膜した。引き続き、インターバルを取らずに、ＴＭＡｌのバルブを閉じてＣｐ２Ｍｇのバルブを開け、ＭｇをドープしたＧａＮの層を２．５ｎｍ成膜した。
以上のような操作を３回繰り返し、最後にアンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの層を形成することにより、超格子構造よりなるｐクラッド層１０６ａを形成した。
【０１５０】
その後、Ｃｐ２ＭｇとＴＭＧａのみを炉内へ供給して、２００ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるｐコンタクト層１０６ｂを形成した。
【０１５１】
上述のようにして作製したＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハは、ｃ面を有するサファイアからなる基板１０１上に、単結晶構造を有するＡｌＮ層（バッファ層１０２）を形成した後、基板１０１側から順に、８μｍのアンドープＧａＮ層（下地層１０３）、５×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ初期層と２００ｎｍのＳｉドープＧａＮ再成長層とからなるｎコンタクト層１０４ａ、４×１０１８ｃｍ−３のＳｉ濃度を有し、２０層の１．７ｎｍのＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎと１９層の１．７ｎｍのＧａＮからなる超格子構造を有するクラッド層（ｎクラッド層１０４ｂ）、ＧａＮ障壁層に始まってＧａＮ障壁層に終わり、層厚が６ｎｍとされた６層のＳｉドープのＧａＮ障壁層（障壁層１０５ａ）と、層厚が３ｎｍとされた６層のノンドープのＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎ井戸層（井戸層１０５ｂ）と、ノンドープのＧａＮからなる最終障壁層を備える最上位障壁層（図４における発光層１０５の内、最上層の障壁層１０５ａを参照）からなる多重量子井戸構造（発光層１０５）、膜厚が２．５ｎｍのノンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる４つの層と、膜厚が２．５ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなり超格子構造を有する３つの層から構成されるｐクラッド層１０６ａ、及び、膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐコンタクト層１０６ｂから構成されるｐ型半導体層１０６を積層した構造を有する。
【０１５２】
［実施例１０］
上記実施例９で説明したような発光層１０５を形成する工程において、７層の障壁層１０５ａの内、最後に形成する障壁層についてはノンドープとした点を除き、実施例９と同様の操作手順により、ｎ型半導体層１０４、発光層１０５、ｐ型半導体層１０６が順次積層されてなる、ＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハを製造した。
【０１５３】
［実施例１１］
上記実施例９及び実施例１０で説明したような、発光層１０５上にｐ型半導体層１０６を形成する工程を以下に説明するような手順とした点を除き、実施例９と同様の操作手順により、ＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハを製造した。
本例では、発光層１０５の上に、該発光層１０５の形成に用いたものと同じＭＯＣＶＤ装置を用いて、４層のノンドープのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎと３層のＭｇをドープしたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９よりなる超格子構造を持つｐ型クラッド層１０６ａを、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びＣｐ２Ｍｇの供給量を適宜調整して成膜し、更に、その上に膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１０６とした。
【０１５４】
［実施例１２］
次いで、上記各実施例の方法で得られたＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハを用いて、ＬＥＤを作製した。
すなわち、例えば、上記エピタキシャルウェーハのＭｇドープＧａＮ層（ｐコンタクト層１０６ｂ）の表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってＩＺＯからなる透光性正極１０９を形成し、その上に、クロム、チタン及び金を順に積層した構造を有する正極ボンディングパッド１０７（ｐ電極ボンディングパッド）を形成し、ｐ側電極とした。さらに、ウェーハに対してドライエッチングを施し、ｎコンタクト層１０４ｂのｎ側電極（負極）を形成する領域を露出させ、この露出領域にＣｒ、Ｔｉ及びＡｕの３層が順に積層されてなる負極１０８（ｎ側電極）を形成した。このような手順により、ウェーハ上に、図３に示すような形状を有する各電極を形成した。
【０１５５】
そして、上述の手順でｐ側及びｎ側の各電極が形成されたウェーハについて、サファイアからなる基板１０１の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。そして、このウェーハを３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、図３に示すような発光素子１とした。そして、各電極が上になるようにリードフレーム上に配置し、金線でリードフレームへ結線して発光ダイオード（ＬＥＤ）とした（図５のランプ３を参照）。上述のようにして作製した発光ダイオードのｐ側およびｎ側の電極間に順方向電流を流したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．１Ｖであった。また、ｐ側の透光性正極１０９を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は２０ｍＷを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法の一例を説明するための図であって、本発明の製造方法を用いて、基板の表面上に、バッファ層と単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層とが形成された積層構造を示した断面図である。
【図２】図２は、図１に示す積層構造を製造する工程の一例を説明するための図であって、本実施形態の基板加工工程の終了した基板を示した斜視図である。
【図３】図３は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示した断面図である。
【図４】図４は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示した断面図であり、図３に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の部分拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。
【符号の説明】
【０１５７】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、１０…上面、１１…平面、１２…凸部、１２ｃ…表面、２０…ＬＥＤ構造、１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…ＩＩＩ族窒化物半導体層、１０４…ｎ型層、１０４ｂ…ｎクラッド層、１０５…発光層、１０６…ｐ型層、１０６ａ…ｐクラッド層、１０７…正極ボンディングパッド、１０８…負極ボンディングパッド、３…ランプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法において、
基板の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記Ｃ面からなる平面と前記凸部とからなる上面を形成する基板加工工程と、
前記上面上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、前記凸部を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層で埋めるエピ工程とを備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項２】
前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項３】
前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項４】
前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項５】
前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項６】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項７】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項８】
基板上に形成された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層上にＬＥＤ構造が形成されているＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
前記基板は、前記Ｃ面からなる平面と、前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる上面を有するものであり、
ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記上面上に前記凸部を埋める前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて形成されたものであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記ＬＥＤ構造が、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型層と発光層とｐ型層とを有することを特徴とする請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記ｎ型層にｎクラッド層が備えられているとともに、前記ｐ型層にはｐクラッド層が備えられており、前記ｎクラッド層及び／又は前記ｐクラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする請求項１５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項８ないし請求項１６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
【請求項１】
基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法において、
基板の（０００１）Ｃ面上に前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記Ｃ面からなる平面と前記凸部とからなる上面を形成する基板加工工程と、
前記上面上に前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、前記凸部を前記ＩＩＩ族窒化物半導体層で埋めるエピ工程とを備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項２】
前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項３】
前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項４】
前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項５】
前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項６】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項７】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項８】
基板上に形成された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層上にＬＥＤ構造が形成されているＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
前記基板は、前記Ｃ面からなる平面と、前記Ｃ面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる上面を有するものであり、
ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記上面上に前記凸部を埋める前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて形成されたものであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記凸部は、基部幅が０．０５〜５μｍ、高さが０．０５〜５μｍ、かつ高さが基部幅の１／４以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の０．５〜５倍のものであることを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記ＬＥＤ構造が、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型層と発光層とｐ型層とを有することを特徴とする請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記ｎ型層にｎクラッド層が備えられているとともに、前記ｐ型層にはｐクラッド層が備えられており、前記ｎクラッド層及び／又は前記ｐクラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする請求項１５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項８ないし請求項１６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１２３７１７（Ｐ２００９−１２３７１７Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８６６９０（Ｐ２００７−２８６６９０）
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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