(57)【要約】【課題】基板上に配向特性の良好な中間層を形成し、その上に結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を形成でき、優れた発光特性及び生産性を実現可能なＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】基板１１に対してプラズマ処理を行う前処理工程と、該前処理工程に次いで、基板１１上に中間層１２をスパッタ法によって成膜するスパッタ工程とが備えられ、前処理工程は、基板１１の温度を２５〜１０００℃の範囲として行なうものであり、また、前処理工程及びスパッタ工程は同一のチャンバ内で行うものであり、またさらに、スパッタ工程は、中間層１２のＸ線ロッキングカーブを、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分と、ナロー成分とに分離した場合の、ブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合を、中間層１２の面積比で３０％以下として、中間層１２を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層を積層し、該中間層上に、下地層を備えるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記基板に対してプラズマ処理を行う前処理工程と、該前処理工程に次いで、前記基板上に前記中間層をスパッタ法によって形成するスパッタ工程とが備えられており、
前記前処理工程は、前記基板の温度を２５〜１０００℃の範囲として行なうものであり、
前処理工程及び前記スパッタ工程は同一のチャンバ内で行うものであり、
前記スパッタ工程は、前記中間層のＸ線ロッキングカーブを、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分と、ナロー成分とに分離した場合の、前記ブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合を、中間層の面積比で３０％以下として前記中間層を形成することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記前処理工程は、窒素含有ガスをチャンバ内に流通させて行なうことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記前処理工程は、チャンバ内に流通させる前記窒素含有ガス中の窒素ガスの比が５０％以上であることを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記前処理工程は、チャンバ内の圧力を１Ｐａ以上として行なうことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記前処理工程は、処理時間を３０秒以下として行なうことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記スパッタ工程は、前記中間層を、Ｖ族元素を含有する原料をリアクタ内に流通させるリアクティブスパッタ法によって成膜することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記Ｖ族元素が窒素であることを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記Ｖ族元素を含有する原料としてアンモニアを用いることを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記スパッタ工程は、前記中間層を、ＲＦスパッタ法によって成膜することを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記スパッタ工程は、前記中間層を、ＲＦスパッタ法を用いて、カソードのマグネットを移動させつつ成膜することを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法
【請求項１１】
前記スパッタ工程は、前記中間層を、前記基板の温度を４００〜８００℃の範囲として形成することを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記下地層を、ＭＯＣＶＤ法によって前記中間層上に成膜することを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【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）、レーザダイオード（ＬＤ）、電子デバイス等に、好適に用いられ、一般式ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、可視光から紫外光領域の範囲に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有し、発光効率に優れていることから、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子として製品化され、各種用途で使用されている。また、電子デバイスに用いた場合でも、ＩＩＩ族窒化物半導体は、従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた場合に比べて優れた特性が得られるポテンシャルを有している。
【０００３】
従来、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶ウェーハは市販されておらず、ＩＩＩ族窒化物半導体としては、異なる材料の単結晶ウェーハ上に結晶を成長させて得る方法が一般的である。このような、異種基板と、その上にエピタキシャル成長させるＩＩＩ族窒化物半導体結晶との間には、大きな格子不整合が存在する。例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を成長させた場合、両者の間には１６％の格子不整合が存在し、ＳｉＣ基板上に窒化ガリウムを成長させた場合には、両者の間に６％の格子不整合が存在する。一般に、上述のような大きな格子不整合が存在する場合、基板上に結晶を直接エピタキシャル成長させることが困難となり、また、成長させた場合であっても結晶性の良好な結晶が得られないという問題がある。
【０００４】
そこで、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、サファイア単結晶基板もしくはＳｉＣ単結晶基板の上に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる際、まず、基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる低温バッファ層と呼ばれる層を積層し、その上に高温でＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が提案されており、一般に行われている（例えば、特許文献１、２）。
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に記載された方法では、基本的に、基板とその上に成長されるＩＩＩ族窒化物半導体結晶との間が格子整合していないため、成長した結晶の内部に、表面に向かって伸びる貫通転位と呼ばれる転位を内包した状態となる。このため、結晶に歪みが生じてしまい、構造を適正化しなければ充分な発光強度を得ることができず、また、生産性が低下してしまう等の問題があった。
【０００６】
また、中間層（バッファ層）としてＡｌＮ等の層をＭＯＣＶＤ以外の方法で基板上に成膜し、その上に成膜される層をＭＯＣＶＤ法で成膜する方法に関し、例えば、高周波スパッタで成膜した中間層上に、ＭＯＣＶＤ法で同じ組成の結晶を成長させる方法が提案されている（例えば、特許文献３）。しかしながら、特許文献３に記載の方法では、基板上に、安定して良好な結晶を積層することができないという問題がある。
【０００７】
そこで、安定して良好な結晶を得るため、中間層を成長させた後、アンモニアと水素からなる混合ガス中でアニールする方法（例えば、特許文献４）や、バッファ層を４００℃以上の温度で、ＤＣスパッタによって成膜する方法（例えば、特許文献５）等が提案されている。また、特許文献４、５では、基板に用いる材料として、サファイア、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体単結晶等が挙げられ、この中でもサファイアのａ面基板が最も適合することが記載されている。
【０００８】
一方、半導体層上に電極を形成する際に、半導体層に対する前処理としてＡｒガスを用いて逆スパッタを行なう方法が提案されている（例えば、特許文献６）。特許文献６に記載された方法によれば、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層の表面に逆スパッタを施すことにより、半導体層と電極との間の電気的接触特性を改善することができるというものである。
【０００９】
しかしながら、上述した何れの方法においても、基板上にそのまま中間層を積層した後、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体をエピタキシャル成長させる方法であるため、基板とＩＩＩ族窒化物半導体結晶との間が格子不整合となり、安定して良好な結晶を得ることができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３０２６０８７号公報
【特許文献２】特開平４−２９７０２３号公報
【特許文献３】特公平５−８６６４６号公報
【特許文献４】特許第３４４０８７３号公報
【特許文献５】特許第３７００４９２号公報
【特許文献６】特開平８−２６４４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
基板表面に中間層を成長させる際、基板表面が洗浄された状態でないと、中間層を、基板に対して垂直な結晶として成長させることが困難である。このため、基板上に中間層を成長させる際には、予め、基板表面の不純物等を除去しておく必要がある。このため、例えば、上記特許文献６に記載の逆スパッタを用いた方法を基板の前処理に適用することにより、基板表面から不純物等を予め除去する方法が考えられる。
しかしながら、上述のような逆スパッタ処理によって基板上の不純物等を除去する場合、基板にパワーを印加し過ぎると、基板の表面がダメージを受けてしまい、不純物の除去による効果が得られない虞がある。このような場合、基板上に成長させる中間層が配向せず、基板と半導体層との間が格子整合しないことから、基板上に良好な結晶性を有する半導体層を形成することが出来ないという問題が発生する。
【００１２】
基板上に中間層を介して形成される半導体層の配向特性は、前記中間層の配向特性に依存する。このため、基板上に形成される中間層が配向していないと、その上に積層される半導体層も配向しない。従って、基板表面における配向成分が少ない場合には半導体層の結晶性が低いものとなり、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光特性が低下するという問題がある。
【００１３】
上述のような、基板に逆スパッタを施す際の問題点を解決するためには、逆スパッタ条件を、不純物等を除去しながらも基板表面に対してダメージを与えることが無い程度の条件とする必要がある。しかしながら、基板へのパワーの実際の印加状態等の各条件は、逆スパッタに用いる製造装置（チャンバ）毎に大きく異なり、逆スパッタ条件は装置毎にその都度管理する必要があるため、製造工程における条件管理に手間や時間がかかるという問題がある。
【００１４】
一方、従来から、結晶の配向特性を評価する方法の一つとして、Ｘ線を用いて測定するロッキングカーブ法があり、上述のようなＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においても、中間層や該中間層上のＩＩＩ族窒化物半導体の配向を最適に制御するための指標として、一般的に用いられている。しかしながら、図９のグラフに示すように、中間層の（０００２）面Ｘ線ロッキングカーブ半価幅と、中間層上に形成されＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層の（０００２）面Ｘ線ロッキングカーブ半価幅との間には相関が存在しない。このため、中間層の配向を、該中間層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半価幅を用いて制御した場合でも、その上に形成される下地層（ＧａＮ層）の結晶性は必ずしも良好とはならないという問題がある。
【００１５】
ここで、例えば、中間層の結晶組織における配向成分の部分のみであれば、Ｘ線ロッキングカーブ半価幅で配向特性を評価し、制御することが可能である。しかしながら、本発明者等が鋭意実験した結果、中間層の結晶組織において無配向なブロード成分の部分については、Ｘ線ロッキングカーブ半価幅を用いた配向特性の評価ができないため、上述のように、中間層と下地層との間でＸ線ロッキングカーブ半価幅が相関しないものと考えられる。
【００１６】
上述したような問題点から、基板上に形成される中間層の結晶組織を良好に配向させることで、中間層上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶性を向上させるために、基板表面の洗浄に逆スパッタを用い、複数の製造装置を用いる場合であっても、逆スパッタの条件を装置毎に適正に設定できるように標準化することが切に求められていた。
【００１７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、基板上に、配向特性の良好な中間層を形成し、その上に結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を形成することができ、優れた発光特性及び生産性を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が製造可能な、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法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】
【００１８】
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討を重ね、基板と中間層との間、及び、中間層とＩＩＩ族窒化物半導体との間の、配向特性並びに結晶組織についての関係を調べた。
この結果、スパッタ法による中間層の成膜前に、適正条件の逆スパッタで基板の前処理を行ない、基板表面から不純物等を除去することにより、中間層の配向特性を適正に制御することができ、また、その上に成長されるＩＩＩ族窒化物半導体結晶を安定した良好な結晶として得られることを見出した。また、基板上に成長させる中間層の結晶組織において、無配向の成分であるブロード成分の割合を一定以下となるように規定し、このブロード成分の割合を指標とすることにより、逆スパッタ条件を製造装置毎に適正に制御できることを見出した。
【００１９】
図７は、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成し、基板表面に形成される中間層の結晶組織における、無配向なブロード成分の割合（％）と、この中間層上に形成され、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層の（０００２）面ロッキングカーブ半価幅との関係を示したグラフである。図７のグラフに示すように、中間層の結晶組織におけるブロード成分の割合と、中間層上に形成される下地層の（０００２）面ロッキングカーブ半価幅とは、相関することが明らかとなった。
【００２０】
この結果、本発明者等は、基板上に形成される中間層において、無配向の成分であるブロード成分の割合が一定以下となるように規定することにより、中間層上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体が良好に配向することを見出した。さらに、本発明者等は、上記ブロード成分の割合を指標とすることにより、逆スパッタ条件を製造装置毎に適正に制御して設定できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
【００２１】
［１］  基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層を積層し、該中間層上に、下地層を備えるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記基板に対してプラズマ処理を行う前処理工程と、該前処理工程に次いで、前記基板上に前記中間層をスパッタ法によって形成するスパッタ工程とが備えられており、前記前処理工程は、前記基板の温度を２５〜１０００℃の範囲として行なうものであり、前処理工程及び前記スパッタ工程は同一のチャンバ内で行うものであり、前記スパッタ工程は、前記中間層のＸ線ロッキングカーブを、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分と、ナロー成分とに分離した場合の、前記ブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合を、中間層の面積比で３０％以下として前記中間層を形成することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［２］  前記前処理工程は、窒素含有ガスをチャンバ内に流通させて行なうことを特徴とする［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［３］  前記前処理工程は、チャンバ内に流通させる前記窒素含有ガス中の窒素ガスの比が５０％以上であることを特徴とする請求項［２］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［４］  前記前処理工程は、チャンバ内の圧力を１Ｐａ以上として行なうことを特徴とする［１］〜［３］の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［５］  前記前処理工程は、処理時間を３０秒以下として行なうことを特徴とする［１］〜［４］の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００２２】
［６］  前記スパッタ工程は、前記中間層を、Ｖ族元素を含有する原料をリアクタ内に流通させるリアクティブスパッタ法によって成膜することを特徴とする［１］〜［５］の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［７］  前記Ｖ族元素が窒素であることを特徴とする［６］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［８］  前記Ｖ族元素を含有する原料としてアンモニアを用いることを特徴とする［６］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［９］  前記スパッタ工程は、前記中間層を、ＲＦスパッタ法によって成膜することを特徴とする［１］〜［８］の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［１０］  前記スパッタ工程は、前記中間層を、ＲＦスパッタ法を用いて、カソードのマグネットを移動させつつ成膜することを特徴とする［９］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法
［１１］  前記スパッタ工程は、前記中間層を、前記基板の温度を４００〜８００℃の範囲として形成することを特徴とする［１］〜［１０］の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［１２］  前記下地層を、ＭＯＣＶＤ法によって前記中間層上に成膜することを特徴とする［１］〜［１１］の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、基板に対してプラズマ処理を行う前処理工程と、該前処理工程に次いで、前記基板上に前記中間層をスパッタ法によって形成するスパッタ工程とが備えられており、前記前処理工程は、前記基板の温度を２５〜１０００℃の範囲として行なうものであり、前処理工程及び前記スパッタ工程は同一のチャンバ内で行うものであり、前記スパッタ工程は、前記中間層のＸ線ロッキングカーブを、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分と、ナロー成分とに分離した場合の、前記ブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合を、中間層の面積比で３０％以下として前記中間層を形成する方法なので、基板上の不純物等が確実に除去され、均一性が高い結晶組織並びに良好な配向特性を有する中間層を成長させることができる。これにより、基板と、中間層上に成長されるＩＩＩ族窒化物半導体との間に格子不整合が生じることが無いので、良好に配向したＩＩＩ族窒化物半導体を形成することが可能となる。
また、前処理工程における各条件を規定し、さらに、中間層におけるブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合を指標として、前記中間層の配向特性並びに下地層の結晶性を制御する方法なので、使用するスパッタ装置の性能に依存することなく、各製造条件を正確に設定することが可能となる。
従って、発光特性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を、高い生産効率で製造することが可能となる。
【００２４】
またさらに、上記本発明の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いてランプを構成した場合には、優れた発光特性を備えるランプが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、本発明で得られる発光素子に備えられる積層半導体の断面構造を示す概略図である。
【図２】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、本発明で得られる発光素子の平面構造を示す概略図である。
【図３】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、本発明で得られる発光素子の断面構造を示す概略図である。
【図４】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法で得られる発光素子を用いて構成したランプを模式的に説明する概略図である。
【図５】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、チャンバ内にターゲットが備えられたスパッタ装置の構造を示す概略図である。
【図６】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、スパッタ工程で形成される中間層の結晶組織の配向状態を示す図である。
【図７】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、スパッタ工程で形成される中間層におけるブロード成分の割合に対する下地層の（０００２）面Ｘ線ロッキングカーブ半価幅の変化を示すグラフである。
【図８】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、スパッタ工程で形成され、ピーク分離を行なう前の中間層のＸ線ロッキングカーブを示す波形であり、（ａ）はブロード成分が少ないピーク、（ｂ）は殆どがブロード成分となっているピーク、（ｃ）は、ブロード成分が一見少ないものの、ピーク成分が細く少ないためにブロード成分の割合が多くなっているピーク、（ｄ）はブロード成分が多いピークである。
【図９】従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を説明するための模式図であり、中間層の（０００２）面Ｘ線ロッキングカーブ半価幅と下地層の（０００２）面Ｘ線ロッキングカーブとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法について、図１〜８（図９も参照）を適宜参照しながら説明する。
【００２７】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子］
本実施形態の製造方法で得られる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、基板１１上に、少なくともＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２が積層され、該中間層１２上に、下地層１４ａを備えるｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６が順次積層されてなる。また、中間層１２の結晶組織中には、中間層１２のＸ線ロッキングカーブをピーク分離手法によって、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上となるブロード成分と、ナロー成分とに分離した場合の、ブロード成分に対応する結晶組織の領域が含まれ、この中間層１２におけるブロード成分（図６の符号１２ｃ参照）に対応する結晶組織の領域の割合が、中間層１２の面積比で３０％以下とされ、概略構成されている（図１及び図２参照）。
【００２８】
＜発光素子の積層構造＞
図１は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によって得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を詳しく説明するための模式図であり、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体が形成された積層半導体の一例を示す概略断面図である。図１に示す積層半導体１０は、基板１１上にＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２が積層され、該中間層１２上に、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６が順次積層されてなる半導体層２０が形成されている。
また、図２及び図３は、図１に示す積層半導体１０を用いて発光素子１を構成した例を示す概略図で、図２は平面図、図３は断面図である。本実施形態の発光素子１は、積層半導体１０のｐ型半導体層１６上に透光性正極１７が積層され、その上に正極ボンディングパッド１８が形成されるとともに、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに形成された露出領域１４ｄに負極１９が積層される。
また、本実施形態の中間層１２は、上述したように、中間層１２においてブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合が、表面１２ａにおける面積比で３０％以下とされている。
以下、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の積層構造について詳述する。
【００２９】
『基板』
本実施形態において、基板１１に用いることができる材料としては、ＩＩＩ族窒化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。この中でも、サファイア、ＳｉＣ等の六方晶構造を有する材料を基板に用いることが、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を積層できる点で好ましい。
また、基板の大きさとしては、通常は直径２インチ程度のものが用いられるが、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体では、直径４〜６インチの基板を使用することも可能である。
【００３０】
なお、基板１１の表面１１ａは、中間層１２を成長させる前に予め洗浄処理を施して不純物等を除去しておくことが好ましく、特に、詳細を後述する本発明の製造方法に備えられた前処理工程において、プラズマ処理によって洗浄処理することが好ましい。
基板１１の表面１１ａから不純物等を予め除去しておくことにより、その上に成長させる中間層１２が、均一性の高い結晶組織を有し、また、良好な配向性を有する層となる。
【００３１】
また、アンモニアを使用せずに中間層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型半導体層を構成する下地層を成膜することにより、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た場合には、本実施形態の中間層がコート層として作用するので、基板の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。また、一般的に、スパッタ法は基板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を用いた場合でも、基板１１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。
【００３２】
『中間層』
本実施形態の積層半導体１０は、基板１１上に、金属原料とＶ族元素を含んだガスとがプラズマで活性化されて反応することにより、ＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２が成膜されている。本実施形態のような、プラズマ化した金属原料を用いた方法で成膜された膜は、配向が得られ易いという作用がある。
【００３３】
このような中間層をなすＩＩＩ族窒化物化合物の結晶は、六方晶系の結晶組織を持ち、成膜条件をコントロールすることにより、単結晶膜とすることができる。
【００３４】
「結晶組織」
中間層１２は、単結晶構造であることが、バッファ機能の面から好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、六方晶系の結晶を有し、六角柱を基本とした組織を形成する。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成膜時のプラズマ化の条件を制御することにより、面内方向にも成長した結晶を成膜することが可能となる。このような単結晶構造を有する中間層１２を基板１１上に成膜した場合、中間層１２のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されるＩＩＩ族窒化物半導体は、良好な配向性及び結晶性を持つ結晶膜となる。
【００３５】
（ブロード成分）
本実施形態の中間層１２は、ブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合が、表面１２ａにおける面積比で３０％以下とされている。ここで、本発明で説明するブロード成分とは、詳細を後述するが、結晶組織における無配向成分に対応する成分のことを言う。
【００３６】
本実施形態の中間層１２のように、六角柱の集合体からなる結晶構造を有する膜は、図６の模式図に示すように、基板１１に対して垂直な結晶として配向している領域のナロー成分（配向成分）１２ｂと、基板１１に対して結晶が垂直となっておらず、概ね無配向となっている領域のブロード成分１２ｃとが存在する。ここで、本発明で説明するブロード成分とは、具体的には、中間層１２のＸ線ロッキングカーブが、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上である成分のことを言う。
【００３７】
上述したように、中間層１２上に成膜される下地層１４ａ、ひいては半導体層２０の配向特性は、中間層１２の配向特性に依存する。このため、中間層１２が良好に配向している程、つまり、中間層１２におけるブロード成分１２ｃの割合がナロー（配向成分）１２ｂに比べて低い程、下地層１４ａが良好に配向する。これにより、さらに、下地層１４ａ上に成膜されるｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃ、発光層１５及びｐ型半導体層１６の各層の結晶性が向上するので、発光特性に優れた発光素子１とすることができる。
【００３８】
（ブロード成分の解析方法）
以下に、中間層１２の結晶組織におけるブロード成分１２ｃの測定及び解析を行う方法の一例について説明する。
まず、中間層１２の結晶組織のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、ＣｕＫα線Ｘ線発生源として、放物線ミラーと２結晶を用いて発散角が０．０１°とされた入射光を使用して測定する。次いで、得られたＸ線ロッキングカーブのデータを、一般的なデータ解析ソフトを用いてピーク分離解析を行なう。本実施形態では、データ解析ソフトとして「Ｐｅａｋ  Ｆｉｔ（登録商標）：Ｓｅａｓｏｌｖｅ社製」を使用した例を、図８（ａ）〜（ｄ）を用いるとともに、「Ｐｅａｋ  Ｆｉｔ（登録商標）ユーザーズマニュアル：Ｓｅａｓｏｌｖｅ社刊」も適宜参照しながら説明する（特に、前記ユーザーズマニュアルのＦｉｇ．１−１〜１−３，１−１４〜１−１６，２−１〜２−７，６−７〜６−９，７−１１参照）。
ここで、図８（ａ）〜（ｄ）は、ピーク分離を行なう前の中間層１２のＸ線ロッキングカーブを示す波形であり、図８（ａ）はブロード成分が少ないピークで、図８（ｂ）は殆どがブロード成分となっているピーク、図８（ｃ）は、ブロード成分が一見少ないものの、ピーク成分が細く少ないためにブロード成分の割合が多くなっているピークであり、図８（ｄ）はブロード成分が多いピークを示す。
【００３９】
まず、上述の方法で得られたＸ線ロッキングカーブのデータをコンピュータに読み込ませた後、上記「Ｐｅａｋ  Ｆｉｔ（登録商標）」におけるフィッティングプログラムである「ＡｕｔｏＦｉｔ  Ｐｅａｋｓ  Ｉ」を起動する。
次いで、上記中間層のＸ線ロッキングカーブのデータを基に、上記「ＡｕｔｏＦｉｔ  Ｐｅａｋｓ  Ｉ」を用いて解析波形を生成する。
次いで、上記「ＡｕｔｏＦｉｔ  Ｐｅａｋｓ  Ｉ」によって得られた解析波形からピーク分離処理を行い、Ｘ線ロッキングカーブ半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分のピーク波形と、シャープなナロー成分（配向成分）のピーク波形とに分離する。
次いで、これらブロード成分及び配向成分の強度及び幅を適宜調整した後、ピーク波形のピークフィット（フィッティング）処理を行なう。この際、フィッティング関数として、下記一般式（１）に示すような「Ｇａｕｓｓｉａｎ−Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ  Ｓｕｍ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）」を用いる（上記ユーザーズマニュアル：Ｆｉｇ．７−１１参照）。
【００４０】
【数１】
2010232700.tif 000003
上記一般式（１）中、
ａ０＝Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ（ピーク強度に関するパラメータ）、
ａ１＝ｃｅｎｔｅｒ（ピークの中心位置に関するパラメータ）、
ａ２＝ｗｉｄｔｈ（＞０）（ピーク幅に関するパラメータ）、
ａ３＝ｓｈａｐｅ（≧０、≦１）（ピーク形状に関するパラメータ）
であり、また、Ｆｉｔ  Ｔｉｍｅ  Ｉｎｄｅｘ＝２．９である。
【００４１】
ここで、ピークフィット処理は、Ｒ２の変化が見られなくなるまで行う。このようなピークフィット処理を行うことにより、ブロード成分のピークとシャープな配向成分とがフィッティングされた波形が生成されるとともに、中間層１２の表面１２ａにおける各成分の面積が算出される。そして、中間層１２の表面１２ａにおいて、上記ブロード成分が占める割合を算出することにより、中間層１２の結晶組織におけるブロード成分１２ｃの面積比を算出することができる。
【００４２】
本実施形態の発光素子１に備えられる中間層１２は、該中間層１２の結晶組織において、上記手順にて解析可能なブロード成分１２ｃの面積比を３０％以下として規定することにより、良好に配向した（０００２）面が得られる。これにより、中間層１２上に形成される下地層１４ａや、さらにその上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層は、結晶性が非常に優れたものとなる。
【００４３】
（Ｘ線ロッキングカーブ半価幅）
本実施形態の中間層１２は、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ(ＸＲＣ)半価幅が、０．１〜０．２（３６０〜７２０ａｒｃｓｅｃ）程度とされていることが好ましい。ＸＲＣ半価幅が上記範囲であれば、中間層１２が、ブロード成分１２ｃが低い割合に抑制された結晶組織で形成されているものと判断することができる。
【００４４】
ここで、一般に、中間層のＸＲＣ半価幅が０．２（７２０ａｒｃｓｅｃ）を多少超える数値であっても、ＡｌＮからなる中間層のＸＲＣ半価幅として単独でみた場合、決して大き過ぎる特性では無い。しかしながら、本発明者等は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層の配向特性は、中間層のＸＲＣ半価幅には左右されず、上記中間層のブロード成分の割合に依存することを知見した。本発明の発光素子１では、中間層１２おいてブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合を上述のように規定することで、後述の下地層の配向特性が良好なものとされている。
【００４５】
「膜厚」
中間層１２の膜厚は、２０〜４０ｎｍの範囲とされていることが好ましい。中間層１２の膜厚をこの範囲とすることにより、良好な結晶性を有し、また、中間層１２上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層を成膜する際に、コート層として有効に機能する中間層１２が得られる。中間層１２の膜厚が２０ｎｍ未満だと、上述したコート層としての機能が充分でなくなる虞がある。また、４０ｎｍを超える膜厚で中間層１２を形成した場合、コート層としての機能には変化が無いのにも関わらず成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
また、中間層１２は、基板１１の表面１１ａの少なくとも９０％を覆うように形成されていることが、コート層としての機能上、好ましい。
【００４６】
「組成」
中間層１２を構成する材料としては、一般式ＡｌＧａＩｎＮで表されるＩＩＩ族窒化物半導体であれば、どのような材料でも用いることができる。さらに、Ｖ族として、ＡｓやＰが含有される構成としても良い。
また、中間層１２は、Ａｌを含んだ組成とすることが好ましく、中でも、ＧａＡｌＮとすることが好ましく、この際、Ａｌの組成が５０％以上とされていることが好ましい。また、中間層１２は、ＡｌＮからなる構成とすることにより、効率的に六角柱集合体とすることができるので、より好ましい。
【００４７】
また、中間層１２を構成する材料としては、ＩＩＩ族窒化物半導体と同じ結晶組織を有するものであれば、どのような材料でも用いることができるが、格子の長さが後述の下地層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体に近いものが好ましく、特に周期表のＩＩＩａ族元素の窒化物が好適である。
【００４８】
『半導体層』
図１に示すように、本実施形態の積層半導体１０は、基板１１上に、上述のような中間層１２を介して、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなり、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６から構成される半導体層２０が積層されてなる。また、図示例の積層半導体１０は、ｎ型半導体層１４に備えられた下地層１４ａが中間層１２上に積層されている。
【００４９】
ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば、一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００５０】
窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ及びＡｓ等の元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００５１】
「ｎ型半導体層」
ｎ型半導体層１４は、通常、前記中間層１２上に積層され、下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃから構成される。なお、ｎ型コンタクト層は、下地層、及び／又は、ｎ型クラッド層を兼ねることが可能であるが、下地層が、ｎ型コンタクト層、及び、ｎ型クラッド層を兼ねることも可能である。
【００５２】
｛下地層｝
本実施形態の下地層１４ａはＩＩＩ族窒化物半導体からなり、本実施形態では、従来公知のＭＯＣＶＤ法によって中間層１２上に積層して成膜される。
下地層１４ａの材料としては、必ずしも基板１１上に成膜された中間層１２と同じである必要はなく、異なる材料を用いても構わないが、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。
【００５３】
（Ｘ線ロッキングカーブ半価幅）
本実施形態の下地層１４ａは、（０００２）面のロッキングカーブ半価幅が５０ａｒｃｓｅｃ以下とされていることが好ましい。
上述したように、中間層１２の結晶組織におけるブロード成分１２ｃの割合（％）と、中間層１２上に形成される下地層１４ａの（０００２）面ロッキングカーブ半価幅との関係は、図７のグラフに示すように、相関することが明らかとなっている。このため、まず、基板１１の表面１１ａから不純物等が確実に除去されることで、ブロード成分１２ｃの割合が低く、良好に配向した中間層１２を成膜することが可能となる。
【００５４】
本実施形態の下地層１４ａが積層される中間層１２は、ブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合が、中間層１２の表面１２ａにおける面積比で３０％以下とされている。このような、良好な配向特性を有する中間層１２上に形成される下地層１４ａは、良好に配向した層として成長するので、さらに、その上に成長され、ＩＩＩ族窒化物半導体の各層からなる半導体層２０は、結晶性が非常に優れたものとなる。
【００５５】
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層を成膜する場合、例えば、サファイアからなる基板の（０００１）Ｃ面上に、スパッタ法でＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶を直接形成することは、上述したように、基板とＩＩＩ族窒化物半導体の格子定数の違いから困難である。そこで、本発明では、まず、前処理を施された基板１１上に中間層１２を形成し、その上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層１４ａを予め形成する。単結晶の下地層１４ａの上には、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶層を、スパッタ法を用いて容易に形成することができる。
【００５６】
（成分組成）
本発明者等が鋭意実験したところ、下地層１４ａに用いる材料としては、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物化合物、即ちＧａＮ系化合物半導体が好ましいことが明らかとなった。
中間層１２をＡｌＮからなる構成とした場合、下地層１４ａは、中間層１２の結晶性をそのまま引き継がないように、マイグレーションによって転位をループ化させる必要がある。転位のループ化を生じ易い材料としては、Ｇａを含むＧａＮ系化合物半導体が挙げられ、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮを好適に用いることができる。
【００５７】
（膜厚）
下地層１４ａの膜厚は、０．１〜８μｍの範囲とすることが、結晶性の良好な下地層が得られる点で好ましく、０．１〜２μｍの範囲とすることが、成膜に要する工程時間を短縮でき、生産性が向上する点でより好ましい。
【００５８】
（ドーパント）
下地層１４ａは、必要に応じて、ｎ型不純物が１×１０１７〜１×１０１９個／ｃｍ３の範囲内でドープされた構成としても良いが、アンドープ（＜１×１０１７個／ｃｍ３）の構成とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性を維持できる点で好ましい。
基板１１が導電性である場合には、下地層１４ａにドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子の上下に電極を形成することができる。一方、基板１１に絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、下地層１４ａはドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となるので好ましい。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。
【００５９】
｛ｎ型コンタクト層｝
本実施形態のｎ型コンタクト層１４ｂはＩＩＩ族窒化物半導体からなり、ＭＯＣＶＤ法によって下地層１４ａ上に積層して成膜される。
ｎ型コンタクト層１４ｂとしては、下地層１４ａと同様に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１×１０１７〜１×１０１９個／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９個／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、クラック発生の抑制、良好な結晶性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である。成長温度は下地層と同様である。また、上述したように、ｎ型コンタクト層１４ｂは、下地層を兼ねた構成とすることもできる。
【００６０】
下地層１４ａ及びｎ型コンタクト層１４ｂを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を０．１〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１５μｍ、さらに好ましくは１〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
【００６１】
｛ｎ型クラッド層｝
上述のｎ型コンタクト層１４ｂと詳細を後述する発光層１５との間には、ｎ型クラッド層１４ｃを設けることが好ましい。ｎ型クラッド層１４ｃを設けることにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの最表面に生じた平坦性の悪化を改善することができる。ｎ型クラッド層１４ｃは、スパッタ法等を用いて、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等により成膜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。ＧａＩｎＮとする場合には、発光層１５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。
【００６２】
ｎ型クラッド層１４ｃの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは５〜５００ｎｍの範囲であり、より好ましくは５〜１００ｎｍの範囲である。
また、ｎ型クラッド層１４ｃのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０個／ｃｍ３の範囲とされていることが好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９個／ｃｍ３の範囲である。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発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００６３】
「ｐ型半導体層」
ｐ型半導体層１６は、通常、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂから構成され、反応性スパッタ法を用いて成膜されてなる。また、ｐ型コンタクト層がｐ型クラッド層を兼ねる構成とすることもできる。
【００６４】
本実施形態のｐ型半導体層１６は、導電性をｐ型に制御するためのｐ型不純物が添加されてなる。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｍｇを用いることが好ましく、また、同様にＺｎを用いることも可能である。
また、ｐ型半導体層１６全体の膜厚としては、特に限定されないが、好ましくは０．０５〜１μｍの範囲である。
【００６５】
｛ｐ型クラッド層｝
ｐ型クラッド層１６ａとしては、詳細を後述する発光層１５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１５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、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐ型クラッド層１６ａが、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層１５へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｐ型クラッド層１６ａ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。
【００６６】
ｐ型クラッド層１６ａにｐ型不純物を添加することによって得られるｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１個／ｃｍ３の範囲とされていることが好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０個／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。
【００６７】
｛ｐ型コンタクト層｝
ｐ型コンタクト層１６ｂとしては、少なくともＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。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型オーミック電極（後述の透光性電極１７を参照）との良好なオーミック接触の点で好ましい。
ｐ型コンタクト層１６ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０〜２００ｎｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００６８】
また、ｐ型コンタクト層１６ｂにｐ型不純物を添加することによって得られるｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１個／ｃｍ３の範囲とされていると、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く、より好ましくは５×１０１９〜５×１０２０個／ｃｍ３の範囲である。
【００６９】
「発光層」
発光層１５は、ｎ型半導体層１４上に積層されるとともにｐ型半導体層１６がその上に積層される層であり、従来公知のＭＯＣＶＤ法等を用いて成膜することができる。また、発光層１５は、図１に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１５ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１５ｂとが交互に繰り返して積層されてなり、図示例では、ｎ型半導体層１４側及びｐ型半導体層１６側に障壁層１５ａが配される順で積層して形成されている。
【００７０】
障壁層１５ａとしては、例えば、インジウムを含有した窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１５ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜０．３）等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層１５ｂには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ｇａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
【００７１】
また、発光層１５全体の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が好ましい。例えば、発光層１５の膜厚は、１〜５００ｎｍの範囲であることが好ましく、１００ｎｍ前後の膜厚であればより好ましい。膜厚が上記範囲であると、発光出力の向上に寄与する。
【００７２】
『透光性正極』
透光性正極１７は、ｐ型半導体層１６（ｐ型コンタクト層１６ｂ）上に形成される透光性の電極である。
透光性正極１７の材質としては、特に限定されず、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）等の材料を、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、その構造も、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１７は、Ｍｇがドープされたｐ型半導体層１６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。
【００７３】
『正極ボンディングパッド及び負極』
正極ボンディングパッド１８は、上述の透光性正極１７上に形成される電極である。
正極ボンディングパッド１８の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド１８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１８の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００７４】
負極１９は、基板１１上に、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６が順次積層された半導体層において、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに接するように形成される。
このため、負極１９を設ける際は、ｐ型半導体層１６、発光層１５及びｎ型半導体層１４の一部を除去することにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの露出領域１４ｄを形成し、この上に負極１９を形成する。
負極１９の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極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。
【００７５】
以上説明したような本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１によれば、基板１１上に積層された中間層１２において、Ｘ線ロッキングカーブ半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分と、ナロー成分とに分離した場合の、ブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合が、中間層１２の面積比で３０％以下とされていることにより、中間層１２が均一性の高い結晶組織となり、良好な配向特性を有する層となる。これにより、基板１１と、中間層１２上に成長されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層２０との間に格子不整合が生じることが無いので、ＩＩＩ族窒化物半導体の均一性が高まるとともに結晶性が良好となる。従って、優れた発光特性を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。
【００７６】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法］
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の製造方法は、基板１１上に、少なくともＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２を積層し、該中間層１２上に、下地層１４ａを備えるｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６を順次積層する方法であり、基板１１に対してプラズマ処理を行う前処理工程と、該前処理工程に次いで、基板１１上に中間層１２をスパッタ法によって成膜するスパッタ工程とが備えられている。そして、前処理工程は、基板１１の温度を２５〜１０００℃の範囲として行なうものであり、また、前処理工程及びスパッタ工程は同一のチャンバ内で行うものであり、またさらに、スパッタ工程は、中間層１２のＸ線ロッキングカーブを、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分（図６の符号１２ｃ参照）と、ナロー成分（図６の符号１２ｂ参照）とに分離した場合の、ブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合を、中間層１２の面積比で３０％以下として、中間層１２を形成する方法である。
【００７７】
そして、本実施形態の製造方法では、図２及び図３に示す模式図のように、基板１１上に各層が成膜されてなる積層半導体１０（図１参照）を用い、該積層半導体１０のｐ型半導体層１６上に透光性正極１７を積層し、その上に正極ボンディングパッド１８を形成するとともに、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに形成された露出領域１４ｄに負極１９を積層することにより、発光素子１が得られる。
【００７８】
本実施形態の製造方法では、基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、図１に示すような積層半導体１０を形成する際、前処理工程においてプラズマ処理を施した基板１１上にスパッタ工程において中間層１２を成膜し、その上に半導体層２０を形成する。本実施形態では、中間層１２を、スパッタ法を用いて形成し、その上に、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃ、発光層１５、及びｐ型半導体層１６の各層をＭＯＣＶＤ法で形成する方法としている。
【００７９】
『前処理工程（基板の洗浄）』
まず、基板１１の表面１１ａに対して前処理を施す。
本実施形態の前処理工程で行われるプラズマ処理は、窒素、酸素等、活性なプラズマ種を発生するガスを含むプラズマ中で行なうことが好ましい。中でも、窒素ガスが特に好適である。このような窒素ガス等のプラズマを基板１１表面に作用させることで、基板１１の表面１１ａに付着した有機物や酸化物等の不純物を除去することができる。
本実施形態のような前処理を基板１１に施すことにより、基板１１の表面１１ａ全面に、中間層１２を配向した状態で成膜することができ、その上に成膜されるＩＩＩ族窒化物半導体を良好に配向させることが可能となる。
【００８０】
（逆スパッタ）
また、本実施形態の前処理工程におけるプラズマ処理は、逆スパッタとすることが好適である。本実施形態では、基板１１とチャンバ４１（図５のスパッタ装置４０参照）との間に電圧を印加して逆スパッタを行なうことにより、プラズマ粒子が効率的に基板１１に作用する。
本実施形態の前処理工程では、逆スパッタに用いるプラズマを、高周波電源を用いたＲＦ放電によって発生させることが好ましく、また、窒素プラズマを発生させて行なうことがより好ましい。プラズマをＲＦ放電によって発生させることにより、絶縁体からなる基板に対しても、プラズマ処理によって前処理を施すことが可能となる。
【００８１】
（プラズマ処理用ガス）
基板１１にプラズマ処理を行うためのガスは、１種類のみの成分からなるガスで構成しても良いし、また、数種類の成分のガスを混合した構成のものを用いても良い。中でも、窒素含有ガスをチャンバ４１内に流通させることが好ましい。また、窒素含有ガス中の窒素ガスの比が５０％以上であることが好ましく、窒素ガスの比が１００％であることがより好ましい。
プラズマ処理用ガスとして窒素含有ガスを用い、また、窒素含有ガス中の窒素ガスの割合を５０％以上とすることにより、基板１１の表面１１ａに対して効果的にプラズマ処理を施すことができる。
なお、逆スパッタによってプラズマ処理を施す場合、基板上には成膜処理を行わないので、ガス中にＡｒ等は含有されていなくても構わない。Ａｒ等の不活性ガスは、基板上において不純物等と反応しないため、前処理の作用が生じないことのみならず、Ａｒの含有量が多すぎると、逆に基板を傷めてしまう虞がある。
【００８２】
（チャンバ内の圧力）
本実施形態の前処理工程は、チャンバ４１内の圧力を１Ｐａ以上として行なうことが好ましい。
逆スパッタによるプラズマ処理では、チャンバ４１内のガス圧力が高いほど、効果的に前処理を施すことができる。チャンバ４１内の圧力が１Ｐａ未満だと、逆スパッタによる前処理効果が得られにくくなるだけでなく、基板がダメージを受けてしまう。
【００８３】
（前処理時間）
プラズマ処理による前処理を行う時間は、３０秒以下であることが好ましい。処理時間が３０秒を超えると、基板１１の表面１１ａが変色する等のダメージを受ける虞がある。このような基板の変色が生じる原因としては、長時間のパワー印加による基板表面の劣化等の他、チャンバ内に備えられるステンレス鋼部材等がスパッタされ、基板表面に付着してしまうこと等が挙げられる。また、このような基板表面へのダメージの度合いは、処理時間が３０秒を超えると、例えば、処理時間が１分（６０秒）程度であっても、又は５分（３００秒）程度であっても同様となる。
また、処理時間が短すぎても、プラズマ処理による効果が得られない虞があるため、プラズマ処理を行う前処理時間は１秒以上であることが好ましい。
【００８４】
（前処理温度）
プラズマ処理を行う際の温度、つまり基板１１温度としては、２５〜１０００℃の範囲であることが好ましい。前処理温度が低すぎると、プラズマ処理を行ったとしても効果が充分に発揮されず、また、前処理温度が高すぎると、基板表面にダメージを与える虞がある。前処理温度のさらに好ましい範囲は、３００℃〜８００℃である。
【００８５】
（高周波パワー）
本実施形態の前処理工程では、基板１１に対し、０．１ｋＷ（１００Ｗ）以下の高周波パワーを印加して逆スパッタを行なうことが好ましい。
逆スパッタによるプラズマ処理の場合、基板１１に印加するパワーが弱めである方が、基板１１に対する前処理が効果的に作用する。基板１１に印加する高周波パワーが０．１ｋＷを超えると、逆スパッタによる前処理効果が低下し、基板１１上に形成される中間層のブロード成分の割合が増大する。
なお、基板１１に対して印加できる高周波パワーの下限としては特に規定しないが、高周波パワーが弱すぎても制御が困難になることと、使用するスパッタ装置の特性等から、０．０１ｋＷ（１０Ｗ）程度が限界と考えられる。
【００８６】
（前処理工程で使用するチャンバ）
本実施形態の前処理工程において用いるチャンバとしては、後述のスパッタ工程において中間層を成膜する際に用いられ、詳細を後述するスパッタ装置４０（図５参照）を用い、チャンバ４１内の雰囲気ガスを入れ替えて使用しても良いし、あるいは、別のチャンバを用いても良い。前処理工程及びスパッタ工程で用いる装置を共通のスパッタ装置とすれば、製造設備をコストダウンすることができる点で好適であり、工程時間のロスを低減することができ、稼働率が向上する。
【００８７】
（前処理工程における他の処理）
また、基板１１に施す前処理は、湿式の方法を併せて採用することもできる。例えば、シリコンからなる基板に対しては、従来公知のＲＣＡ洗浄方法などを行い、基板表面を水素終端させておくことにより、詳細を後述するスパッタ工程において、基板上に中間層を成膜する際のプロセスが安定するという効果が得られる。
【００８８】
本実施形態では、前処理工程において基板１１に対してプラズマ処理を施した後、後述するスパッタ工程においてＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２を積層し、該中間層１２上に下地層１４ａが備えられたｎ型半導体層１４を形成する。これにより、基板１１の表面１１ａが洗浄された状態で中間層１２を成膜できるので、中間層１２を、ブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合を、中間層１２の面積比で３０％以下に抑制しながら良好に配向させて成膜することができ、中間層１２上に成膜される下地層１４ａも良好な配向特性とすることができる。従って、後述の実施例に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶性が格段に向上し、発光素子の発光特性が高まる。
【００８９】
『スパッタ工程（中間層の形成）』
本実施形態のスパッタ工程は、スパッタ法を用いて基板１１上に中間層１２を成膜する工程であり、例えば、金属原料とＶ族元素を含んだガスとをプラズマで活性化して反応させることにより、中間層１２を成膜する。また、本実施形態のスパッタ工程では、中間層１２のＸ線ロッキングカーブを、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分１２ｃと、ナロー成分１２ｂとに分離した場合の、中間層１２においてブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合を、中間層１２の面積比で３０％以下として、この中間層１２を形成する。
【００９０】
本実施形態では、上記前処理工程において基板１１の表面１１ａに前処理を施した後、図５に示すような、詳細を後述するスパッタ装置４０のチャンバ４１内にアルゴン及び窒素ガスを導入し、基板１１の温度を後述の所定温度まで低下させる。そして、基板１１側に高周波バイアスを印加するとともに、金属ＡｌからなるＡｌターゲット側にパワーを印加し、炉内の圧力を一定に保ちながら、基板１１上にＡｌＮからなる中間層１２を成膜する。
【００９１】
中間層１２を基板１１上に成膜する方法としては、本実施形態のような特定の真空度で高電圧をかけて放電するスパッタ法の他、例えば、ＭＯＣＶＤ法や、高いエネルギー密度のレーザを照射してプラズマを発生させるパルスレーザーデポジション（ＰＬＤ）法、電子線を照射させることでプラズマを発生させるパルス電子線堆積（ＰＥＤ）法等が挙げられ、適宜選択して用いることができるが、スパッタ法が最も簡便で量産にも適しているため、好適な方法である。なお、ＤＣスパッタを用いる場合、ターゲット表面のチャージアップを招き、成膜速度が安定しない可能性があるので、パルスＤＣスパッタ法とするか、ＲＦスパッタ法とすることが望ましい。
【００９２】
スパッタ法では、磁場内にプラズマを閉じ込めることによってプラズマ密度を高くし、効率を向上させる技術が一般的に用いられており、マグネットの位置を移動させることにより、スパッタされるターゲットの面内での均一化が可能となる。具体的なマグネットの運動方法は、スパッタ装置によって適宜選択することができ、例えば、マグネットを揺動させたり、又は回転運動させたりすることができる。このように、カソードのマグネットを揺動、又は回転等の方法で移動させつつ成膜するＲＦスパッタ法は、詳細を後述する、基板１１側面に中間層１２を成膜する際の成膜効率に優れる点で好適である。
【００９３】
（チャンバ内の圧力）
スパッタ法を用いて中間層１２を成膜する場合、基板１１の温度以外の重要なパラメータとしては、チャンバ内の圧力や窒素分圧が挙げられる。
スパッタ法を用いて中間層１２を成膜する際のチャンバ４１内の圧力は、０．３Ｐａ以上であることが好ましい。この炉内の圧力が０．３Ｐａ未満だと、窒素の存在量が小さく、窒素プラズマ粒子の持つエネルギーが大きくなり、基板１１にダメージを与えてしまう。また、窒素プラズマに洗浄効果を発揮させるためには、粒子の持つエネルギーをある程度弱くし、プラズマ粒子の数を多くすることが効果的と考えられる。このため、炉内の圧力の上限は特に限定されないが、プラズマを発生させることができる程度の圧力に抑制することが必要である。
【００９４】
（窒素の流量比）
窒素（Ｎ２）とＡｒとを合わせた流量における窒素の比は、２０％以上８０％以下であることが好ましい。窒素の流量比が２０％未満だと、スパッタ金属が窒化物とならず、金属のまま基板１１に付着する虞がある。窒素の流量比が８０％を超えると、Ａｒの量が相対的に少なくなり、スパッタレートが低下してしまう。窒素（Ｎ２）とＡｒとを合わせた流量における窒素の比は、特に好ましくは、５０％以上８０％以下の範囲である。
【００９５】
（温度）
中間層１２を成膜する際の基板１１の温度は、３００〜８００℃の範囲とすることが好ましく、４００〜８００℃の範囲とすることがより好ましい。基板１１の温度が上記下限未満だと、中間層１２が基板１１全面を覆うことができず、基板１１表面が露出する虞がある。基板１１の温度が上記上限を超えると、基板１１に付着したスパッタ粒子の持つエネルギーが大きくなるため、中間層を配向した状態で成膜することができず、バッファ層としての機能の点から不適と考えられる。
【００９６】
（成膜速度）
中間層１２を成膜する際の成膜速度は、０．０１ｎｍ／ｓ〜１０ｎｍ／ｓの範囲とすることが好ましい。成膜速度が０．０１ｎｍ／ｓ未満だと、膜が層とならずに島状に成長してしまい、基板１１の表面を覆うことができなくなる虞がある。成膜速度が１０ｎｍ／ｓを超えると、膜が結晶体とならずに非晶質となってしまう。
【００９７】
なお、中間層１２をスパッタ法で成膜する際、Ｖ族原料をリアクタ内に流通させるリアクティブスパッタ法によって成膜する方法とすることが好ましい。
一般に、スパッタ法においては、ターゲット材料の純度が高い程、成膜後の薄膜の結晶性等の膜質が良好となる。中間層１２をスパッタ法によって成膜する場合、原料となるターゲット材料としてＩＩＩ族窒化物半導体を用い、Ａｒガス等の不活性ガスのプラズマによるスパッタを行なうことも可能であるが、リアクティブスパッタ法においてターゲット材料に用いるＩＩＩ族金属単体並びにその混合物は、ＩＩＩ族窒化物半導体と比較して高純度化が可能である。これにより、リアクティブスパッタ法では、成膜される中間層１２の結晶性をより向上させることが可能となる。
【００９８】
また、スパッタ法を用いて金属原料をプラズマ化し、中間層として合金を成膜する際には、ターゲットとなる金属を予め金属材料の混合物（必ずしも、合金を形成していなくても構わない）として作製する方法もあるし、異なる材料からなる２つのターゲットを用意して同時にスパッタする方法としても良い。例えば、一定の組成の膜を成膜する場合には混合材料のターゲットを用い、組成の異なる何種類かの膜を成膜する場合には複数のターゲットをチャンバ内に設置すれば良い。
【００９９】
本実施形態で用いる窒素原料としては、一般に知られている窒素化合物を何ら制限されることなく用いることができるが、アンモニアや窒素（Ｎ２）は取り扱いが簡単であるとともに、比較的安価で入手可能であることから好ましい。
アンモニアは分解効率が良好であり、高い成長速度で成膜することが可能であるが、反応性や毒性が高いため、除害設備やガス検知器が必要となり、また、反応装置に使用する部材の材料を化学的に安定性の高いものにする必要がある。
また、窒素（Ｎ２）を原料として用いた場合には、装置としては簡便なものを用いることができるが、高い反応速度は得られない。しかしながら、窒素を電界や熱等により分解してから装置に導入する方法とすれば、アンモニアよりは低いものの工業生産的に利用可能な程度の成膜速度を得ることができるため、装置コストとの兼ね合いを考えると、最も好適な窒素源である。
【０１００】
また、中間層１２は、基板１１の側面を覆うようにして形成することが好ましい。さらに、中間層１２は、基板１１の側面及び裏面を覆うようにして形成することが最も好ましい。
【０１０１】
本実施形態の製造方法では、上述したように、上記前処理工程において、基板１１の表面１１ａに逆スパッタを施して表面１１ａの不純物等を除去し、この洗浄された基板１１の表面１１ａ上に、上記スパッタ工程において中間層１２を成膜するので、該中間層１２を、ブロード成分１２ｃに対応する結晶組織が面積比で３０％以下とされた、良好な配向膜として成膜することができる。これにより、中間層１２上に成膜されＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層１４ａの結晶性を向上させることができるので、さらに下地層１４ａ上に成膜されるｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃ、発光層１５及びｐ型半導体層１６の各層が備えられた半導体層２０の結晶性が向上する。従って、このような結晶性に優れた半導体層２０を備えてなる発光素子１は、発光特性に優れたものとなる。
【０１０２】
『スパッタ装置』
図５に、本実施形態のスパッタ工程、並びに前処理工程で用いられるスパッタ装置の一例を示す。図５に示す例のスパッタ装置４０は、ターゲット４７の下方（図５の下方）にマグネット４２が配され、該マグネット４２が図示略の駆動装置によってターゲット４７の下方で揺動するＲＦスパッタ装置として構成されている。スパッタ装置４０に備えられるチャンバ４１には窒素ガス及びアルゴンガスが供給され、ヒータ４４に取り付けられた基板１１上に中間層１２が成膜される。この際、上述のようにマグネット４２がターゲット４７の下方で揺動しているため、チャンバ４１内に閉じ込められたプラズマが移動するので、基板１１の表面１１ａの他、基板１１の側面に対してもムラ無く中間層を成膜することが可能となる。
【０１０３】
本実施形態の製造方法のように、ＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層をスパッタ法で成膜する場合、一般に、ＩＩＩ族金属をターゲットにし、スパッタ装置のチャンバ内に窒素含有ガス（窒素ガス：Ｎ２、アンモニア：ＮＨ３等）を導入し、気相中でＩＩＩ族金属と窒素を反応させる反応性スパッタ法（反応性リアクティブスパッタ法）を用いる。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ及びＤＣスパッタがあるが、本発明に係る製造方法のように反応性スパッタ法を用いた場合には、連続的に放電させるＤＣスパッタでは帯電が激しく、成膜速度のコントロールが困難とある。このため、本発明に係る製造方法では、ＲＦスパッタ法、又は、ＤＣスパッタ法の中でもパルス的にバイアスを与えることができるパルスＤＣスパッタを用いることが好ましく、このようなスパッタ方法で処理可能なスパッタ装置を使用することが好ましい。
【０１０４】
また、ＲＦスパッタを用いた場合には、帯電を回避する方法として、マグネットの位置をターゲット内で移動させることが好ましい。具体的な運動の方法は、使用するスパッタ装置によって選択することができ、揺動させたり、回転運動させたりすることができる。
図５に例示するスパッタ装置４０では、ターゲット４７の下方にマグネット４２が備えられ、このマグネット４２がターゲット４７の下方で回転運動できる構成とされている。
【０１０５】
スパッタによってＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２を形成する場合には、より高エネルギーの反応種を基板１１に供給することが好ましい。このため、スパッタ装置４０内において基板１１がプラズマ中に位置するように構成し、また、ターゲット４７と基板１１とが対面する位置関係として構成することが好ましい。また、基板１１とターゲット４７との間の距離を、１０〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【０１０６】
また、チャンバ４１内には、できるだけ不純物を残さないことが好ましいので、スパッタ装置４０の到達真空度は、１．０×１０−３Ｐａ以下であることが好ましい。
【０１０７】
また、本実施形態の製造方法では、上述したように、前処理工程及びスパッタ工程を、同じスパッタ装置を用いて行なう方法とすることができる。この場合には、前処理工程とスパッタ工程との間に所定時間の間隔を設け、この間にチャンバ４７内の雰囲気ガスを入れ替えるようにしても良い。
【０１０８】
『半導体層の形成』
中間層１２上には、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６をこの順で積層することにより、半導体層２０を形成する。本実施形態の製造方法では、上述したように、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃ、発光層１５、及びｐ型半導体層１６の各層をＭＯＣＶＤ法で形成する。
【０１０９】
本実施形態において、半導体層２０を形成する際の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、上述したスパッタ法の他、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。これらの方法の内、ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）、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利用できる。ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を用いる。
【０１１０】
上述したような窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＡｓ等のドーパント元素を含有することができる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【０１１１】
「ｎ型半導体層の形成」
本実施形態の半導体層２０を形成する際、まず、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａを、従来公知のＭＯＣＶＤ法により、中間層１２上に積層して成膜する。次いで、下地層１４ａ上に、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃをＭＯＣＶＤ法によって成膜する。この際、下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃの各層は、同じＭＯＣＶＤ炉を用いて成膜することができる。
【０１１２】
基板１１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層１４ａを形成する方法としては、例えばＭＯＣＶＤ法により、上述のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる低温バッファ層を基板１１上に形成し、その上に、低温バッファ層を形成する温度より高温でＭＯＣＶＤ法により単結晶のＧａＮ層を形成する方法がある。また、ＭＯＣＶＤ法による低温バッファ層の代わりに、スパッタ法でＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるバッファ層を形成し、その上に、ＭＯＣＶＤ法によって単結晶のＧａＮ層を形成しても良い。また、単結晶のＧａＮ層を、スパッタ法を用いて成長させても良い。
【０１１３】
｛スパッタ法による半導体層成膜条件｝
スパッタ法を用いてＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成する場合、積層工程における重要なパラメータとしては、窒素原子含有ガスの分圧、成膜速度、基板温度、バイアス及びパワー等が挙げられる。
【０１１４】
（ガス雰囲気）
スパッタ装置のチャンバ内のガス雰囲気としては、窒素含有ガス（窒素：Ｎ２ガス、ＮＨ３ガス等）及び不活性ガスからなる雰囲気とし、必要に応じて水素含有ガス（Ｈ２）を流通させた雰囲気とするが、窒素含有ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることが好ましい。このような窒素含有ガスは、スパッタにより、プラズマ化されて窒素原子に分解し、結晶成長の原料となる。
また、チャンバ内のガス雰囲気に水素含有ガスを用いた場合には、半導体積層過程でのＩＩＩ族窒化物半導体の表面における反応種のマイグレーションが生じやすくなり、結晶性の優れたＡｌＧａＮからなる膜を成膜することが可能となる。
【０１１５】
また、ターゲットを効率よくスパッタするためには、さらに、アルゴン（Ａｒ）等の重量が大きく反応性の低い不活性ガスを混入させた雰囲気とすることがより好ましい。このような場合、チャンバ内におけるガス雰囲気中の窒素含有ガスの割合は、窒素ガス（Ｎ２）とアルゴン（Ａｒ）の全流量に占める窒素ガス流量の比は、例えば２０％〜９８％の範囲とすることができる。窒素ガスの流量比が２０％未満だと、スパッタ原料が金属のまま付着する虞があり、窒素ガスの流量比が９８％超だと、アルゴンの量が少なすぎ、スパッタ速度が低下する。一定以上のスパッタ速度を確保するためには、不活性ガスの割合を２％以上にすることが必要である。
【０１１６】
また、特に結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を積層するためには、チャンバ内の雰囲気中の窒素含有ガスの割合を２０〜８０％の範囲とし、残部が不活性ガスを含有するガスとされていることが好ましい。これにより、より結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが可能となる。
【０１１７】
上述したように、チャンバ内のガス雰囲気中において、窒素原子含有ガス及び水素ガスを除く残部は、不活性ガスとすることが好ましい。このような不活性ガスは、ターゲットを効率よくスパッタすることを目的に用いるので、重量が大きく反応性の低いＡｒ等を用いることが好ましい。また、ガス雰囲気中には、窒素原子含有ガス、水素ガス及び不活性ガスの働きを阻害しない範囲で、その他のガス成分を加えることも可能である。
【０１１８】
（基板温度）
スパッタ法によって半導体層２０を成膜する際の基板１１の温度は、３００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましい。本発明者等が鋭意実験したところ、一般に、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法で形成するためには、基板温度を３００〜１２００℃の範囲とすること好ましいことが明らかとなった。基板温度が３００℃より低いと、基板面での反応種のマイグレーションが抑えられ、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を形成するのが困難とある。また、基板温度が１２００℃を超えると、形成されたＩＩＩ族窒化物半導体が再分解を起こす虞がある。
【０１１９】
（成膜速度）
スパッタ法によって半導体層２０を成膜する際の成膜速度は、０．０１〜１０ｎｍ／秒とすることが好ましい。成膜速度が１０ｎｍ／秒を超えると、積層されたＩＩＩ族窒化物半導体が結晶とならずに非晶質となる虞があり、また、０．０１ｎｍ／秒未満だとプロセスが無駄に長時間となり、工業生産に利用することが困難となる。
【０１２０】
（パワー及びバイアス）
スパッタ法によって半導体層２０を成膜する際、結晶成長中の基板１１表面における反応種のマイグレーションを活発にするためには、基板側に印加されるバイアス、及びターゲット側に印加されるパワーは大きいほうが好ましい。例えば、成膜時に基板に印加するバイアスは１．５Ｗ／ｃｍ２以上が好ましく、また、成膜時にターゲットに印加するパワーを１．５Ｗ／ｃｍ２〜１５Ｗ／ｃｍ２の範囲とすることが好ましい。
【０１２１】
（ターゲット）
本実施形態の製造方法で成膜されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層の組成は、ターゲットに用いるＩＩＩ族金属の組成を所望の値に調整することによりコントロールすることができる。例えば、ＧａＮからなる層を形成する場合には、ターゲットにＧａ金属を用い、ＡｌＧａＮ層を形成する場合には、ターゲットにＡｌＧａ合金を用いれば良い。また、ＩｎＧａＮを形成する場合には、ＩｎＧａ合金を用いれば良い。ＩＩＩ族窒化物半導体の組成は、ターゲットのＩＩＩ族金属の組成に応じて変化するので、ターゲット４７の組成を実験的に求めることで、所望の組成のＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成することが可能となる。
【０１２２】
あるいは、例えば、ＡｌＧａＮ層を積層する場合、ターゲットとしてＧａメタルとＡｌメタルの両方を併置してもよい。この場合には、ＧａメタルターゲットとＡｌメタルターゲットの表面積の比を変化させることにより、積層されるＡｌＧａＮ層の組成を制御することが可能となる。同様に、ＩｎＧａＮ層を積層する場合には、ＧａメタルターゲットとＩｎメタルターゲットの両方を併置しても良い。
【０１２３】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体への不純物のドーピングは、ＩＩＩ族金属と不純物とが混合されてなる混合ターゲットを用いて行なっても良い。例えば、スパッタ法を用いてＳｉをドーピングしたＧａＮ（この場合はｐ型半導体層）を形成する場合には、Ｇａ金属とＳｉを含有した混合ターゲットを使用することができる。このような場合、固体のＧａ金属にＳｉが固溶した状態とし、Ｓｉが固溶したＧａメタルをターゲットに使用することにより、ＳｉをドープしたＧａＮを形成することができる。また、ＧａメタルとＳｉの小片を別々に併置してターゲットに用いることも可能である。この際、ターゲットとなるＧａとＳｉの割合を実験的に求めることにより、所望の不純物濃度のＧａＮを形成することができる。
【０１２４】
また、その他、ドーパント元素からなるターゲットをチャンバ内に設置してスパッタする方法や、ドーパント元素をイオンや気体（蒸気）としてチャンバ内に、あるいはウェーハに向けて送り込む方法等を用いることができる。これらの方法の利点としては、ターゲット毎、あるいは成膜の条件の変更に伴ってドーパントの量を調節できるので、長期の安定性を図れることが挙げられる。
【０１２５】
「発光層の形成」
ｎ型クラッド層１４ｃ上には、発光層１５を、従来公知のＭＯＣＶＤ法によって形成する。
本実施形態で形成する、図１に例示するような発光層１５は、ＧａＮ障壁層に始まりＧａＮ障壁層に終わる積層構造を有しており、ＧａＮからなる６層の障壁層１５ａと、ノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる５層の井戸層１５ｂとを交互に積層して形成する。
また、本実施形態の製造方法では、ｎ型クラッド層１４ｃの成膜に用いるＭＯＣＶＤ炉と同じものを使用することにより、従来公知のＭＯＣＶＤ法で発光層１５を成膜することができる。
【０１２６】
「ｐ型半導体層の形成」
発光層１５上、つまり、発光層１５の最上層となる障壁層１５ａ上には、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂからなるｐ型半導体層１６を、従来公知のＭＯＣＶＤ法を用いて形成する。
本実施形態では、まず、ＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを発光層１５（最上層の障壁層１５ａ）上に形成し、さらにその上に、ＭｇをドープしたＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂを形成する。この際、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの積層には、同じＭＯＣＶＤ装置を用いることができる。
【０１２７】
『透光性正極の形成』
上述のような方法により、基板１１上に、中間層１２及び半導体層が積層された積層半導体１０のｐ型コンタクト層１６ｂ上に、ＩＴＯからなる透光性正極１７を形成する。
透光性正極１７の形成方法としては、特に限定されず、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、その構造も、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。
【０１２８】
また、上述したように、透光性正極１７の材料は、ＩＴＯには限定されず、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＧＺＯ等の材料を用いて形成することが可能である。
また、透光性正極１７を形成した後、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。
【０１２９】
『正極ボンディングパッド及び負極の形成』
積層半導体１０上に形成された透光性正極１７上に、さらに、正極ボンディングパッド１８を形成する。
この正極ボンディングパッド１８は、例えば、透光性正極１７の表面側から順に、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕの各材料を、従来公知の方法で積層することによって形成することができる。
【０１３０】
また、負極１９を形成する際は、まず、基板１１上に形成されたｐ型半導体層１６、発光層１５及びｎ型半導体層１４の一部をドライエッチング等の方法によって除去することにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの露出領域１４ｄを形成する（図２及び図３参照）。そして、この露出領域１４ｄ上に、例えば、露出領域１４ｄ表面側から順に、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＡｕの各材料を、従来公知の方法で積層することにより、４層構造の負極１９を形成することができる。
【０１３１】
そして、上述のようにして、積層半導体１０上に、透光性正極１７、正極ボンディングパッド１８及び負極１９を設けたウェーハを、基板１１の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした後、例えば、３５０μｍ角の正方形に切断することにより、発光素子チップ（発光素子１）とすることができる。
【０１３２】
以上説明したような、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の製造方法によれば、基板１１に対してプラズマ処理を行う前処理工程と、該前処理工程に次いで、基板１１上に中間層１２をスパッタ法によって形成するスパッタ工程とが備えられ、前処理工程は、基板１１の温度を２５〜１０００℃の範囲として行なうものであり、また、前処理工程及びスパッタ工程は同一のチャンバ内で行う方法を採用している。そして、スパッタ工程は、中間層１２のＸ線ロッキングカーブを、ピーク分離手法を用いて、半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分１２ｃと、ナロー成分１２ｂとに分離した場合の、ブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合を、中間層１２の面積比で３０％以下として、この中間層１２を形成する方法なので、基板１１上の不純物等が確実に除去され、均一性が高い結晶組織並びに良好な配向特性を有する中間層１２を成長させることができる。これにより、基板１１と、中間層１２上に成長されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層２０との間に格子不整合が生じることが無いので、結晶性の良好な半導体層２０を形成することが可能となる。また、前処理工程における各条件を規定し、さらに、中間層１２におけるブロード成分１２ｃに対応する結晶組織の領域の割合を指標として、中間層１２の配向特性並びに下地層１４ａの結晶性を制御する方法なので、使用するスパッタ装置の性能に依存することなく、各製造条件を正確に設定することが可能となる。従って、発光特性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を、高い生産効率で製造することが可能となる。
【０１３３】
なお、図１に示す積層半導体１０のような、本発明に係る製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の他、レーザディスク（ＬＤ）等の発光素子や、トランジスタのような電子デバイス等の各種半導体素子に用いることができる。
【０１３４】
［ランプ］
以上説明したような、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせることにより、当業者周知の手段によってランプを構成することができる。従来より、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、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。
例えば、蛍光体を適正に選定することにより、発光素子より長波長の発光を得ることも可能となり、また、発光素子自体の発光波長と蛍光体によって変換された波長とを混ぜることにより、白色発光を呈するランプとすることもできる。
また、ランプとしては、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、何れの用途にも用いることができる。
【０１３５】
例えば、図４に示す例のように、同一面電極型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を砲弾型に実装する場合には、２本のフレームの内の一方（図４ではフレーム２１）に発光素子１を接着し、また、発光素子１の負極（図３に示す符号１９参照）をワイヤー２４でフレーム２２に接合し、発光素子１の正極ボンディングパッド（図３に示す符号１８参照）をワイヤー２３でフレーム２１に接合する。そして、透明な樹脂からなるモールド２５で発光素子１の周辺を封止することにより、図４に示すような砲弾型のランプ２を作成することができる。
【０１３６】
本実施形態のランプ２は、上記本発明の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものなので、優れた発光特性が得られる。
【０１３７】
また、本発明に係る製造方法を用いて得られる、図１の積層半導体１０に示すような半導体構造は、上述のような発光素子の他、レーザ素子や受光素子等の光電気変換素子、又は、ＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電子デバイスにも用いることができる。これらの半導体素子は、各種構造のものが多数知られており、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造体の素子構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。
【実施例】
【０１３８】
次に、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、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。
【０１３９】
［実験例１］
本実施例では、逆スパッタを施した基板上に中間層を成膜し、その上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層を積層することにより、図２及び図３に示すような発光ダイオード（ＬＥＤ）のサンプルを作製した（図１に示す積層半導体１０も参照）。
本例では、まず、サファイアからなる基板１１上に、ＲＦスパッタ法を用いてＡｌＮからなる中間層１２を積層し、その上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて単結晶のＧａＮからなる下地層１４ａを積層した。そして、この下地層１４ａの上に、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃ、発光層１５及びｐ型半導体層１６の各層をＭＯＣＶＤ法で形成した。
【０１４０】
『基板に対する逆スパッタ（前処理工程）』
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイア基板を、フッ酸及び有機溶媒によって洗浄した後、スパッタ装置のチャンバ中へ導入した。この際、スパッタ装置としては、高周波式の電源部を備え、ターゲット内でマグネットを回転させることにより、磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を備えたものを使用した。
【０１４１】
そして、スパッタ装置のチャンバ内で基板１１を５５０℃まで加熱し、窒素ガスを４０ｓｃｃｍの流量で導入してチャンバ内のガス雰囲気を窒素ガス１００％とした後、チャンバ内の圧力を２Ｐａに保持し、基板１１に０．１ｋＷの高周波バイアスを印加しながら窒素プラズマに晒すことにより、基板１１の表面に逆スパッタによるプラズマ処理を施して洗浄した。この際の処理時間は１５秒とした。
【０１４２】
『中間層の形成（スパッタ工程）』
次いで、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板１１の温度を５５０℃で保持しながら、１ｋＷの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１Ｐａに保ち、Ａｒガスを１０ｓｃｃｍ、窒素ガスを３０ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、サファイアからなる基板１１上にＡｌＮからなる中間層１２を成膜した。この際の成長速度は０．１２ｎｍ／ｓであった。
【０１４３】
なお、ターゲット内のマグネットは、基板１１への逆スパッタ及び中間層１２の成膜の何れの際も回転させた。上述のようにして４０ｎｍのＡｌＮからなる中間層１２を成膜した後、プラズマを立てるのを停止し、基板１１の温度を低下させた。以上の手順により、基板１１上に、４０ｎｍの厚さの単結晶のＡｌＮからなる中間層１２を形成した。
【０１４４】
そして、上述のようにして形成した中間層１２の結晶組織について、ＣｕＫα線Ｘ線発生源を光源として、放物線ミラーと２結晶で発散角を０．０１°にするＸ線測定装置（パナリティカル社製、型番：Ｘ‘ｐａｒｔ）を用いてＸ線ロッキングカーブを測定した後、データ解析ソフト「Ｐｅａｋ  Ｆｉｔ（登録商標）」（シスタット社製）を用いて解析した。この際、上記「Ｐｅａｋ  Ｆｉｔ（登録商標）」によるフィッティング方法として「ＡｕｔｏＦｉｔ  Ｐｅａｋｓ  Ｉ」を用い、フィッティング関数として「Ｇａｕｓｓｉａｎ−Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ  Ｓｕｍ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）」を用い、中間層１２の結晶組織におけるブロード成分の割合を解析した。
【０１４５】
また、中間層１２のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定装置（パナリティカル社製、型番：Ｘ‘ｐａｒｔ）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、中間層１２の結晶組織において、Ｘ線ロッキングカーブ半価幅が７２０ａｒｃｓｅｃ以上であるブロード成分は１９％と低い値を示した。また、中間層１２全体のＸＲＣ半価幅は０．１０６（３８１ａｒｃｓｅｃ）と優れた特性を示しており、中間層１２が良好に配向していることが確認できた。
【０１４６】
『下地層の形成』
次いで、表面に中間層１２が成膜された基板１１をスパッタ装置から取り出し、ＭＯＣＶＤ炉に導入した。そして、ＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体）が成膜された試料を、ＭＯＣＶＤ法を用いて以下の手順で作製した。
まず、基板１１を反応炉中に導入した。基板１１は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製のサセプタ上に載置した。そして、窒素ガスを炉内に流通させた後、ヒータによって基板１１の温度を１１５０℃に昇温させた。基板１１が１１５０℃の温度で安定したことを確認した後、アンモニア配管のバルブを開き、アンモニアの炉内への流通を開始した。次いで、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の蒸気を含む水素を炉内へ供給し、基板１１上に成膜された中間層１２の上に、下地層１４ａをなすＧａＮ系半導体を付着させる処理を行った。アンモニアの量は、Ｖ／ＩＩＩ比が６０００となるように調節した。約１時間に渡って上記ＧａＮ系半導体の成長を行った後、ＴＭＧの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉内への供給を停止して成長を停止させた。そして、ＧａＮ系半導体の成長を終了させた後、ヒータへの通電を停止して、基板１１の温度を室温まで降温した。
【０１４７】
以上の工程により、サファイアからなる基板１１上に、単結晶組織を有し、ＡｌＮからなる中間層１２を形成し、その上に、アンドープで２μｍの膜厚のＧａＮ系半導体からなる下地層１４ａを形成した。取り出した基板は無色透明のミラー状を呈した。
【０１４８】
上述のようにして形成したアンドープＧａＮからなる下地層１４ａのＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定装置（パナリティカル社製、型番：Ｘ‘ｐａｒｔ）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、対称面である（０００２）面で行なった。一般的に、ＩＩＩ族窒化物半導体の場合、（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）の指標となる。この測定の結果、本発明の製造方法で作製した下地層１４ａは、（０００２）面の測定では半値幅０．０１０１（３６．５ａｒｃｓｅｃ）を示した。
【０１４９】
『ｎ型コンタクト層の形成』
次いで、下地層１４ａを形成した基板１１をＭＯＣＶＤ装置内に搬送し、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層を、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成した。この際、ｎ型コンタクト層にはＳｉをドープした。
ここで、ＧａＮの成膜に使用するＭＯＣＶＤ装置としては、従来公知の装置を使用した。
【０１５０】
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１１上に、単結晶組織を持つＡｌＮの中間層１２を形成し、その上にアンドープで２μｍの膜厚のＧａＮ層（ｎ型下地層１４ａ）と、５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を持つ２μｍのＳｉドープのＧａＮ層（ｎ型コンタクト層１４ｂ）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型コンタクト層１４ｂ）の表面は鏡面であった。
【０１５１】
『ｎ型クラッド層及び発光層の形成』
上記手順で作製したサンプルのｎ型コンタクト層上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型クラッド層１４ｃ及び発光層１５を積層した。
【０１５２】
「ｎ型クラッド層の形成」
まず、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層が成長された基板を、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内へ搬送した。そして、チャンバ内を窒素で置換した状態として基板の温度を１０００℃まで上昇させ、ｎ型コンタクト層の最表面に付着した汚れを昇華させて除去した。また、この際、基板の温度が８３０℃以上となった時点から、アンモニアを炉内に流通させた。
【０１５３】
次いで、基板の温度を７４０℃まで低下させた後、アンモニアをチャンバ内にそのまま流通させながら、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、１８０Åの膜厚を有し、ＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｎ型クラッド層１４ｃを形成した。そして、ＴＭＩ、ＴＥＧ及びＳｉＨ４のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
【０１５４】
「発光層の形成」
次いで、ＧａＮからなる障壁層１５ａと、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂとから構成され、多重量子井戸構造を有する発光層１５を形成した。この、発光層１５の形成にあたっては、ＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｎ型クラッド層１４ｃ上に、まず、障壁層１５ａを形成し、この障壁層１５ａ上に、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂを形成した。このような積層手順を５回繰り返した後、５番目に積層した井戸層１５ｂ上に、６番目の障壁層１５ａを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層１５の両側に障壁層１５ａを配した構造とした。
【０１５５】
すなわち、ＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｎ型クラッド層１４ｃの成長終了後、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままとし、ＴＥＧのバルブを切り替え、炉内へＴＥＧを供給することにより、ＧａＮからなる障壁層１５ａを成長させた。これにより、１５０Åの膜厚を有する障壁層１５ａを形成した。
【０１５６】
次いで、障壁層１５ａの成長を終了させた後、基板１１の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままとして、ＴＥＧ及びＴＭＩのバルブを切り替えてＴＥＧ及びＴＭＩを炉内へ供給し、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂを成長させた。これにより、２０Åの膜厚を有する井戸層１５ｂを形成した。
【０１５７】
井戸層１５ｂの成長を終了させた後、再び障壁層１５ａを成長させた。そして、このような手順を５回繰り返すことにより、５層の障壁層１５ａと５層の井戸層１５ｂを形成した。さらに、最後に積層した井戸層１５ｂ上に、障壁層１５ａを形成し、発光層１５とした。
【０１５８】
『ｐ型半導体層の形成』
上述の各工程処理によって得られたウェーハ上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｐ型半導体層１６を成膜した。
ここで、ｐ型半導体層１６の成膜に用いるＭＯＣＶＤ装置としては、従来公知の装置を使用した。また、この際、ｐ型半導体層１６にはＭｇをドープした。
【０１５９】
そして、最終的に、膜厚が１０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａと、膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂとから構成されるｐ型半導体層１６を成膜した。
【０１６０】
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、図１に示す積層半導体１０のように、ｃ面を有するサファイアからなる基板１１上に、単結晶構造を持つＡｌＮ層（中間層１２）を形成した後、基板１１側から順に、２μｍのアンドープＧａＮ層（下地層１４ａ）、５×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層（ｎ型コンタクト層１４ｂ）、１×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ１８０ÅのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎクラッド層（ｎ型クラッド層１４ｃ）、ＧａＮ障壁層に始まってＧａＮ障壁層に終わり、層厚が１５０Åとされた６層のＧａＮ障壁層（障壁層１５ａ）と、層厚が２０Åとされた５層のノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ井戸層（井戸層１５ｂ）とからなる多重量子井戸構造（発光層１５）、膜厚が１０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａと、膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂとから構成されるＭｇドープＡｌＧａＮ層（ｐ型半導体層１６）を積層した構造を有する。
【０１６１】
『ＬＥＤの作製』
次いで、上記エピタキシャルウェーハ（積層半導体１０）を用いてＬＥＤを作製した。
すなわち、上記エピタキシャルウェーハのＭｇドープＡｌＧａＮ層（ｐ型半導体層１６ｂ）の表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってＩＴＯからなる透光性電極１７を形成し、その上に、チタン、アルミニウム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１８（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型コンタクト層１４ｂ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１４ｄにＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＡｕの４層が順に積層されてなる負極１９（ｎ側電極）を形成した。このような手順により、ウェーハ（図１の積層半導体１０を参照）上に、図２に示すような形状を有する各電極を形成した。
【０１６２】
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１１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、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素子とした（図４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３．２５Ｖであった。また、ｐ側の透光性電極１７を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６２ｎｍであり、発光出力は１２．５ｍＷ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。
【０１６３】
［実験例２〜１５］
前処理工程及びスパッタ工程を下記表１に示す条件とした点を除き、その他の成膜条件は上記実験例１と同様の条件として、実験例２〜１５の発光素子を作製した。
ここで、実験例３は、前処理工程におけるチャンバ内のガス圧力を０．０８Ｐａと、若干低く設定した例であり、実験例７は、前処理工程におけるガス雰囲気に窒素を含まない例である。
また、本実験例においては、前処理工程の処理時間に関し、実験例４及び実験例６〜１０については３０秒以下と短時間に設定する一方、その他の実験例については６０〜３００秒と長めに設定している。
【０１６４】
上記実験例１〜１５の各製造条件を下記表１に示すとともに、評価結果の一覧を下記表２に示す。
【０１６５】
【表１】
2010232700.tif 000004
【０１６６】
【表２】
2010232700.tif 000005
【０１６７】
［評価結果］
表１に示すように、本発明の製造方法に備えられた前処理工程で基板に逆スパッタが施され、また、本発明で規定する各条件によって製造された発光素子（実験例１、８〜１０参照）は、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が、中間層表面における面積比で全て３０％以下と配向特性に優れており、また、中間層上に形成される下地層のＸ線ロッキングカーブ半価幅が５０ａｒｃｓｅｃ以下と配向性に優れていることが明らかである。また、このような下地層上にＩＩＩ族窒化物半導体の各層が積層されてなる本発明の発光素子は、電流２０ｍＡにおける順方向電圧が全て３．２５Ｖ以下であり、また、発光波長は４６０〜４６４ｎｍ、発光出力は１２．５ｍＷ以上と、非常に優れた発光特性を示した。
【０１６８】
また、実験例２のサンプルでは、前処理工程の処理時間が３００秒と長めになっているものの、パワー値やチャンバ内のガス圧力が本発明で規定する範囲内となっているため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合は２６．２％と、比較的良好な配向特性を示している。
【０１６９】
また、実験例３のサンプルでは、前処理工程のガス圧力が０．０８Ｐａと低く、また、処理時間が３００秒と長めのため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が７６％と、配向性が低いものになっている。
また、実験例４では、前処理工程の処理時間が３０秒であり、また、パワー値やチャンバ内のガス圧力が本発明で規定する範囲内となっているため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合は１９．９％と良好な配向特性を示している。
また、実験例５のサンプルでは、基板に対する前処理工程を設けなかったため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が５０．４％と、配向性が低いものになっている。
【０１７０】
また、実験例６のサンプルでは、実験例４と同様、前処理工程の処理時間が３０秒であり、また、パワー値やチャンバ内のガス圧力が本発明で規定する範囲内となっているため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合は２２．６％と良好な配向特性を示している。
また、実験例７のサンプルでは、前処理工程においてチャンバ中に窒素を流通させなかったため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が１００％と、全く配向しない結果となった。
【０１７１】
また、実験例１１のサンプルでは、前処理工程の処理時間が６０秒と長めであるため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が６０．７％と、配向性が低いものになっている。
【０１７２】
また、実験例１２のサンプルでは、前処理工程のガス圧力が０．０８Ｐａと低く、また、処理時間が３００秒と長めであるものの、高周波パワーが０．０５ｋＷと低めであるため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が２０％と、比較的良好な配向特性を示している。
また、実験例１３も上記実験例１２と同様、前処理工程のガス圧力が０．０８Ｐａと低く、また、処理時間が３００秒と長めであるものの、高周波パワーが０．０２ｋＷと低めであるため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が１９．１％と、比較的良好な配向特性を示している。
【０１７３】
また、実験例１４も上記実験例１２及び１３と同様、前処理工程のガス圧力が０．０８Ｐａと低く、また、処理時間が３００秒と長めであるが、高周波パワーが１ｋＷと上記実験例１２及び１３よりも高めであることから、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が８３．９９％と、配向性が低いものになっている。
また、実験例１５のサンプルでは、高周波パワーが０．２ｋＷと高く、また、前処理工程のガス圧力が０．０８Ｐａと低く、さらに処理時間が３００秒と長めであるため、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合が９５．９％と、配向性が非常に低いものになっている。
【０１７４】
なお、上記表２に示す中間層の結晶特性の解析結果のように、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合、つまり配向特性と中間層のＸＲＣ半価幅との間には、相関が無いことが明らかである。例えば、実験例５及び１１のサンプルでは、ＸＲＣ半価幅が、各々、０．１１５７（実験例５）、０．１２３３（実験例１１）と比較的良好であるものの、ブロード成分の割合は、各々、５０．４％（実験例５）、６０．７％（実験例１１）であり、ＧａＮ層（下地層）のＸＲＣは、各々、９０．７ａｒｃｓｅｃ（実験例５）、１０８．４ａｒｃｓｅｃ（実験例１１）と、配向特性が低いものとなっている。
このような結果より、中間層のＸＲＣ半価幅を指標として、中間層上に形成されるＧａＮ層（下地層）のＸＲＣ半価幅を制御し、このＧａＮ層の結晶性を向上させることは実質的に不可能なことが明らかである。
これに対し、本発明者等は、上記結果のように、中間層においてブロード成分に対応する結晶組織の領域の割合と、中間層上に形成されるＧａＮ層（下地層）のＸＲＣ半価幅が相関することを見出した。そして、中間層のブロード成分の割合を指標として制御することにより、その上の下地層の結晶性を良好に制御し、さらに、その上に形成される各層の結晶性を良好に制御可能な本発明の発光素子及びその製造方法を完成させた。
【産業上の利用可能性】
【０１７５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法は、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を形成することができるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）のような発光素子の他、ＦＥＴのような電子デバイス等、様々な半導体素子の製造に適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１７６】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、１０…積層半導体、１１…基板、１１ａ…表面（基板）、１２…中間層、１２ｂ…ナロー成分（配向成分）、１２ｃ…ブロード成分、１４…ｎ型半導体層、１４ａ…下地層、１５…発光層、１６…ｐ型半導体層、１６ａ…ｐ型クラッド層、１６ｂ…ｐ型コンタクト層、２…ランプ、４０…スパッタ装置、４１…チャンバ、４２…マグネット、４７…ターゲット、４８…電源
【図１】
2010232700.tif 000006
【図２】
2010232700.tif 000007
【図３】
2010232700.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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