(57)【要約】  本発明は、基板上に各層を形成した際の反りを抑制し、結晶性に優れた発光層を含む半導体層が形成でき、発光特性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子並びにランプを提供する。具体的に本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板の主面上に中間層、下地層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を順次積層するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、  前記基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされた基板を準備し、前記基板上に前記中間層を形成した後、該中間層上に前記下地層及びｎ型コンタクト層を形成した状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であり、さらに、前記ｎ型コンタクト層の上に、前記ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を形成することを特徴とする。
2010032423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上に中間層、下地層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を順次積層するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされた基板を準備し、
前記基板上に前記中間層を形成した後、該中間層上に前記下地層及びｎ型コンタクト層を形成した状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であり、
さらに、前記ｎ型コンタクト層の上に、前記ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト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】
前記中間層上に前記下地層及びｎ型コンタクト層を形成した状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２５０ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記基板がサファイア基板であり、サファイア基板のｃ面上に前記中間層を形成することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記中間層を、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）から形成することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記中間層を、ＡｌＮから形成することを特徴とする請求項４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】
前記中間層をスパッタ法で形成することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記下地層を、ＡｌＧａＮから形成することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記下地層を、ＧａＮから形成することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記下地層をＭＯＣＶＤ法で形成することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記下地層をスパッタ法で形成することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記中間層、下地層及びｎ型コンタクト層の合計の厚さを８μｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１に記載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。
【請求項１３】
請求項１２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法と、この方法によって得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにこれを用いたランプに関する。
本願は、２００８年９月１６日に、日本に出願された特願２００８−２３７２０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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】
このようなＩＩＩ族窒化物半導体は、一般的に、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料として、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって製造されている。ＭＯＣＶＤ法は、キャリアガスに原料の蒸気を含ませて基板表面に運搬し、加熱された基板の表面で原料を分解させることにより、結晶を成長させる方法である。【０００４】
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。【０００５】
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を参照）。
また、基板上に、スパッタ法によって予めバッファ層を形成し、このバッファ層が形成された基板をＭＯＣＶＤ反応炉へ導入し、その上のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するという方法が提案されている（例えば、特許文献３、４を参照）。
特許文献１〜４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子によれば、上記構成により、基板とＩＩＩ族窒化物半導体結晶との間に格子不整合が生じることなく、結晶性が良好な半導体層を形成することができるというものである。【０００６】
また、特許文献１〜４等に記載されたような従来の方法を用いて、基板上に形成された中間層の上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法等を用いて下地層を積層して半導体基板（ウェーハ）を形成した場合、下地層を成膜する際に半導体基板全体が高温に曝される。ここで、図５Ａ、図５Ｂに示すように、基板１１１をなすサファイアとＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体との間には熱膨張係数の差があることから、基板１１１に、主として、基板１１１の積層面１１１ａとは反対側に基板端部１１１ｂが向かう反りが発生し、半導体基板全体が大きく反った状態となる。このような、大きな反りの発生した半導体基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を積層して発光素子を製造した場合、特に、フォトリソグラフィー工程における露光や、基板の裏面研削工程等に支障が生じることがある。例えば、フォトリソグラフィー法を用いて露光する際、基板に大きな反りが生じていると、フォトマスクとレジストとの間の距離が基板面内で不均一になったり、基板面内でフォトマスクと基板との寸法のずれが生じたりするため、基板面全体で精度良くマスク合わせを行うことができないという問題がある。また、基板を劈開して発光素子チップ単位に分割する際、基板の裏面を研削して薄くする必要があるが、基板に大きな反りが生じていると、研削時に基板が割れてしまうという問題がある。またさらに、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を積層する際、基板に大きな反りが生じていると、面内温度分布が不均一となるため、各層の膜厚や組成が不均一となり、結晶性の低下ひいては発光特性の低下を招くという問題があった。【０００７】
上述のような半導体基板並びに発光素子の反りを抑制するため、基板の反り量を所定の範囲に規定し、且つ、基板上に中間層を介して形成されるエピタキシャル層（ＩＩＩ族窒化物化合物：下地層）を薄く形成する技術が提案されている（例えば、特許文献５を参照）。特許文献５に記載の技術によれば、基板の反り量を所定範囲とし、この上に形成される下地層を薄肉に構成することにより、下地層の上に半導体層を形成する工程において高温に曝された場合であっても、基板を含むウェーハの反りを抑制することができるというものである。
しかしながら、特許文献５のように、基板上に形成される下地層を薄く形成した場合、この上に形成される半導体層に備えられる発光層の結晶性が低下し、これに伴って発光出力が低下するとともに、発光波長のばらつきが生じるという大きな問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】特許第３４４０８７３号公報
【特許文献４】特許第３７００４９２号公報
【特許文献５】特開２００３−６３８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、基板上に中間層、下地層及びｎ型コンタクト層を形成した際の、当該エピタキシャル成長基板の反りを抑制し、発光波長分布（σ）が小さく、結晶性に優れた発光層を含む半導体層が形成でき、発光特性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びそれによって得られる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、本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いた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】
【００１０】
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た。その結果、予め、所定の反り量を設けた基板上に中間層、下地層及びｎ型コンタクト層を積層し、さらに、中間層上に下地層及びｎ型コンタクト層を形成した状態におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅を規定して結晶性を制御することにより、その上に発光層を含む半導体層を形成する際の反り量を極力低減でき、さらに、半導体層の結晶性が向上し、優れた発光強度並びに安定した発光波長が得られることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は以下に関する。【００１１】
［１］  基板の主面上に中間層、下地層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を順次積層するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされた基板を準備し、前記基板上に前記中間層を形成した後、該中間層上に前記下地層及びｎ型コンタクト層を形成した状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であり、さらに、前記ｎ型コンタクト層の上に、前記ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト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］  前記中間層上に前記下地層及びｎ型コンタクト層を形成した状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２５０ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする上記［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。【００１２】
［３］  前記基板がサファイア基板であり、サファイア基板のｃ面上に前記中間層を形成することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［４］  前記中間層を、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）から形成することを特徴とする上記［１］〜［３］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［５］  前記中間層を、ＡｌＮから形成することを特徴とする上記［４］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［６］  前記中間層をスパッタ法で形成することを特徴とする上記［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］  前記下地層を、ＡｌＧａＮから形成することを特徴とする上記［１］〜［６］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。
［８］  前記下地層を、ＧａＮから形成することを特徴とする上記［１］〜［６］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。
［９］  前記下地層をＭＯＣＶＤ法で形成することを特徴とする上記［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］  前記下地層をスパッタ法で形成することを特徴とする上記［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。
［１１］  前記中間層、下地層及びｎ型コンタクト層の合計の厚さを８μｍ以上とすることを特徴とする上記［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。【００１３】
［１２］  上記［１］〜［１１］の何れか１項に記載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。
［１３］  上記［１２］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】
【００１４】
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れば、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされた基板を準備し、この基板上に中間層を形成した後、該中間層上に前記下地層及びｎ型コンタクト層を形成した状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であり、さらに、このｎ型コンタクト層の上に、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を形成する方法なので、基板上に中間層、下地層及びｎ型コンタクト層を形成した際の反りを極力抑制し、結晶性に優れた発光層を含む半導体層が形成できる。これにより、優れた発光強度並びに安定した発光波長を備えるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。【００１５】
さらに、本発明のランプは、上記本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いたものであるので、優れた発光特性を備えたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を模式的に説明する概略図であり、積層構造を示す断面図である。
【図２】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を模式的に説明する概略図であり、図１に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の平面図である。
【図３Ａ】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法一例を模式的に説明する概略図である。
【図３Ｂ】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法一例を模式的に説明する概略図である。
【図３Ｃ】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法一例を模式的に説明する概略図である。
【図４】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に説明する概略図である。
【図５Ａ】従来の半導体基板の構成を模式的に説明する断面図である。
【図５Ｂ】従来の半導体基板の構成を模式的に説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、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、図面を適宜参照しながら説明する。
【００１８】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子］
図１は、本発明に係る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）の一例を模式的に示した概略断面図であり、図２は図１に示す発光素子１の平面図である。
本実施形態の発光素子１は、図１に示すように一面電極型のものであり、基板１１の主面１１ａ上に、中間層１２、下地層１３、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り、概略構成される。
以下、本実施形態の発光素子１の構成について詳述する。
【００１９】
『基板』
本実施形態の発光素子１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。
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、つまり、本実施形態においては、基板１１の主面１１ａ上に、詳細を後述する中間層１２が形成されていることが望ましい。また、サファイアを用いる場合には、好ましくは０．１〜０．７度のオフ角を有する基板がよく、さらに望ましくは０．２〜０．４度のオフ角を有する基板がよい。
【００２０】
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１２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下地層１３を成膜した場合には、中間層１２がコート層としても作用するので、基板１１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１１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１１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。
【００２１】
なお、本実施形態においては、後述の製造方法で説明するように、基板１１の主面１１ａ上に中間層１２及び下地層１３を成膜する際、予め、基板１１が、基板端部１１ｂの少なくとも一部が主面１１ａに向かう方向で、一定の反り量で反った状態に調整されている必要がある（図３Ａを参照）。このように、基板１１に予め付与される反り量Ｈとしては、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上の基板を用いた場合、０．１〜３０μｍの範囲であることが好ましい。基板１１の反り量Ｈが予め上記範囲とされていれば、後述の発光層１５を含む半導体層２０を形成した際の基板１１の反り量をほぼ０（ゼロ）μｍとすることができ、最小限に抑制することが可能となる。
また、基板１１の反り量Ｈが予め上記範囲とされていたとしても、基板の主面１１ａ上に半導体層２０を形成した際の基板１１の反り量は、基板１１の厚みの影響を受ける場合がある。本発明においては、基板の厚みは、好ましくは０．４ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲から選ばれるのがよい。
また、使用する基板の直径が、４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上、好ましくは４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）〜８ｉｎｃｈ（２１０ｍｍ）の範囲、さらに望ましくは４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）〜６ｉｎｃｈ（１５５ｍｍ）の範囲がよく、かつ基板の厚さが、０．４ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲であることが好ましい。
基板１１の厚さが０．４ｍｍ未満の場合は基板１１と半導体層２０との熱膨張係数の差による影響を大きく受け、半導体層２０を形成した際の基板１１に大きな反りが発生してしまう。この結果、基板１１上に形成された発光層１５における発光波長の分布が大きくなってしまう。一方、基板１１の厚さが１．５ｍｍを超える場合は前述のような、半導体層２０を形成する際の基板１１の反りには問題ないが基板単価の上昇となり、生産コストが大きくなってしまう。
本明細書中では、発光層１５を含む半導体層２０を形成した基板１１（化合物半導体ウェーハ）から発光される波長の標準偏差σ（ｎｍ）を「波長分布σ」と記載する。特に、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、波長分布σが６ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下にすることができる。化合物半導体ウェーハの波長分布σの測定は、後述するように本発明において限定されないが、好ましくはＰＬマッパー（ＡＣＣＥＮＴ社製：ＲＰＭ−Σ）を用いて測定することができる。
【００２２】
『中間層』
本実施形態の発光素子１においては、基板１１上に、六方晶系の結晶構造を持つ中間層１２が成膜されている。
中間層１２は、基板１１を高温における化学反応から守る目的や、基板１１の材料と半導体層２０との格子定数の違いを緩和する目的、あるいは、結晶成長のための核発生を促すための層として形成される。
【００２３】
中間層１２の材料としては、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物半導体結晶を用いることが好ましく、特に、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１、好ましくは０．５≦Ｘ≦１、さらに好ましくは０．９≦Ｘ≦１）から構成されることが好ましい。また、上記組成の中でも、ＡｌＮを用いることがより好ましい。
また、中間層１２は、多結晶のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）からなる構成とすることができるが、単結晶のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）からなる構成とすることがより好ましい。
【００２４】
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、中間層１２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中間層１２とすることができる。
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有する結晶膜となる。
【００２５】
また、中間層１２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、上述したような、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、本発明において説明する、「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。
【００２６】
また、中間層１２は、基板１１の表面１１ａの少なくとも６０％以上、好ましくは８０％以上を覆っている必要があり、９０％以上を覆うように形成されていることがより好ましい。また、中間層１２は、表面１１ａの１００％、即ち、基板１１の表面１１ａ上を隙間無く覆うように形成されていることが最も好ましい。
中間層１２が基板１１の表面１１ａを覆う領域が小さくなると、基板１１が大きく露出した状態となる。このような場合、中間層１２上に成膜される下地層１３と基板１１上に直接成膜される下地層１３との格子定数が異なるものとなり、均一な結晶とならず、ヒロックやピットを生じてしまう恐れがある。
また、中間層１２は、基板１１の表面１１ａに加え、側面を覆うようにして形成されていても良く、さらに、基板１１の裏面を覆うようにして形成しても良い。
【００２７】
『下地層』
本実施形態の下地層１３は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる。下地層１３の材料は、中間層１２と同じであっても、あるいは異なっていても良いが、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物半導体、即ちＧａＮ系化合物半導体を用いることが、転位のループ化が生じやすい点から好ましく、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より好ましい。また、本発明者等が実験したところ、下地層１３に用いる材料として、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物、特に、ＡｌＧａＮが好ましく、ＧａＮも好適であった。
【００２８】
本実施形態において、下地層１３の厚さについては、特に制限はないが、０．１μｍから２０μｍの範囲とすることが好ましく、０．５μｍから１５μｍとすることがより好ましい。下地層１３は、中間層１２を、結晶界面が明瞭な柱状結晶の集合体（多結晶）として構成した場合には、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が、下地層１３の厚さが０．５μｍ未満だと転位のループ化が不十分となる場合がある。また、下地層１３の厚さを２０μｍ超としても、機能には変化がないのにも関わらず、成膜工程時間が長くなることから好ましくない。
【００２９】
下地層１３には、必要に応じて、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）とすることもでき、アンドープとすることが、良好な結晶性を維持できる点から好ましい。
例えば、基板１１が導電性を有する場合には、下地層１３にドーパントをドープして導電性とすることにより、半導体層の上下に電極を形成し、上下電極構造の発光素子を構成することができる。一方、基板１１として絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子１の同一面側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、中間層１２を介して基板１１の直上に配される下地層１３は、ドープしない結晶とすることが、結晶性が良好となる点から好ましい。
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。
【００３０】
本実施形態では、中間層１２上に下地層１３及び後述のｎ型コンタクト層１４ａを形成した状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ、（１０‐１０）面のＸＲＣ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であることが好ましい。また、上記ＸＲＣ半値幅は、（０００２）面のＸＲＣ半値幅が５０ａｒｃｓｅｃ以下であり、且つ、（１０‐１０）面のＸＲＣ半値幅が２５０ａｒｃｓｅｃ以下であることがより好ましい。
本実施形態では、詳細を後述するように、基板１１の反り量を予め所定量に規定し、さらに、下地層１３のＸＲＣ半値幅を上記範囲に制御することにより、基板１１上に各層が形成された際の反り量を、ほぼ０（ゼロ）μｍの最小限に抑制し、下地層１３の表面１３ａ上に、結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層２０を形成することが可能となる。
【００３１】
なお、本発明において説明する「Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）半値幅」とは、Ｘ線回析のロッキングカーブ半値幅のことを意味する。また、このようなＸＲＣ半値幅の測定には、Ｘ線発生装置として、例えば、出力が電圧４５ｋＶ、電流４０ｍＡであり、入射部光学系にモノクロメータとしてＧｅハイブリッドモノクロメータ２回回折装置が設けられ、Ｘ線管球からの発散ビームを単色平行ビームに変換したものを用いることができる。また、受光部光学系としては、例えば、分解能１２“のトリプルアクシスモジュールを用い、Ｘ線検出器としてはプロポーショナルカウンタを用いることができる。また、Ｘ線発生装置側には、発散スリットとして１／８’’のものを用い、Ｘ線ビーム径を縦１０ｍｍ×横０．３６５ｍｍの大きさに絞った条件で測定を行うことができる。
【００３２】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層１３の上には、後述の半導体層２０を積層することにより、発光素子を構成することができる。このように、発光素子のための半導体層を形成する場合、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のｎ型ドーパントをドープしたｎ型導電性の層や、マグネシウム等のｐ型ドーパントをドープしたｐ型導電性の層等を積層して形成することができる。また、材料としては、発光層等にはＩｎＧａＮを用いることができ、クラッド層等にはＡｌＧａＮを用いることができる。このように、下地層１３上に、さらに機能を持たせたＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を形成することにより、発光ダイオードやレーザダイオード、あるいは電子デバイス等の作製に用いられる、半導体積層構造を有するウェーハを作製することが出来る。
【００３３】
『半導体層』
図１に示すように、半導体層２０は、基板１１上に形成された中間層１２及び下地層１３の上に形成され、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６を、下地層１３側から、この順で備えている。
【００３４】
「ｎ型半導体層」
ｎ型半導体層１４は、下地層１３上に積層され、ｎ型コンタクト層１４ａと、ｎ型クラッド層１４ｂとから構成されている。
ここで、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、上述した下地層１３が、ｎ型コンタクト層、及び／又はｎ型クラッド層を兼ねることも可能である。
【００３５】
（ｎ型コンタクト層）
ｎ型コンタクト層１４ａは、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、上述の下地層１３と同様、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型コンタクト層１４ａ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１×１０１７〜１×１０１９／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、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。
【００３６】
なお、下地層１３及びｎ型コンタクト層１４ａを構成するＩＩＩ族窒化物半導体は、同一組成であることが好ましい。また、下地層１３と、ｎ型コンタクト層１４ａとの合計の膜厚を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。
【００３７】
（ｎ型クラッド層）
ｎ型コンタクト層１４ａと後述の発光層１５との間には、ｎ型クラッド層１４ｂを設けることが好ましい。ｎ型クラッド層１４ｂを設けることにより、活性層（発光層１５）への電子供給、格子定数差の緩和、などの効果を持たせることができる。
ｎ型クラッド層１４ｂは、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。ｎ型クラッド層１４ｂを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。
【００３８】
ｎ型クラッド層１４ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲が好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／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。
【００３９】
なお、ｎ型クラッド層１４ｂ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族窒化物化合物半導体からなる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族窒化物化合物半導体からなる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型クラッド層１４ｂ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、後述の発光層１５に接する構成とすれば良い。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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型クラッド層として、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。
【００４３】
「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活性層である。発光層１５としては、例えば、多重量子井戸構造、単一井戸構造、バルク構造等の各構造を採用することができる。本実施形態において、発光層１５は、図１に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる障壁層１５ａと、インジウムを含有するＩＩＩ族窒化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、且つ、ｎ型半導体層１４側及びｐ型半導体層１６側に障壁層１５ａが配されている。図１に示す例では、発光層１５は、６層の障壁層１５ａと５層の井戸層１５ｂとが交互に繰り返して積層され、発光層１５の最上層及び最下層に障壁層１５ａが配され、各障壁層１５ａ間に井戸層１５ｂが配される多重量子井戸構成とされている。
【００４４】
障壁層１５ａとしては、例えば、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。
【００４５】
本実施形態の発光素子１は、上述のように規定された反り量Ｈを有する基板１１上に中間層１２及び下地層１３が形成され、この上に半導体層２０が形成されてなるものなので、発光層１５の形成時に約７５０℃の成長温度が付与された場合でも、基板１１及び各層の反りが抑制され、成長面がフラットな状態となる。これにより、発光層１５は、結晶性及び均一性に優れた層となり、高い発光強度並びに安定した発光波長が得られるものとなる。
【００４６】
「ｐ型半導体層」
ｐ型半導体層１６は、図１に示すように、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂから構成されるが、例えば、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可能である。
【００４７】
（ｐ型クラッド層）
ｐ型クラッド層１６ａとしては、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組成の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からなるものであれば、発光層１５へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
【００４８】
ｐ型クラッド層１６ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲である。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。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｍｇ等を好適に用いることができる。
【００４９】
なお、ｐ型クラッド層１６ａは、複数回積層した超格子構造として構成されていても良い。ｐ型クラッド層１６ａ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。
【００５０】
上述のような、ｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれ組成の異なる、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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型クラッド層として、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。
【００５３】
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層１６ｂ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ＩＩＩ族窒化物半導体層である。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。
【００５４】
また、ｐ型コンタクト層１６ｂは、ｐ型ドーパントを１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲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く、より好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲である。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｍｇ等を好適に用いることができる。
【００５５】
なお、本発明の発光素子１を構成する半導体層２０は、上述した形態のものに限定されるものではない。
例えば、本発明を構成する半導体層の材料としては、上記材料の他、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何ら制限なく用いることができる。
また、ＩＩＩ族元素としてＧａを含有するＩＩＩ族窒化物半導体は、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、Ａｓ及びＢ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。
【００５６】
『透光性正極』
透光性正極１７は、ｐ型半導体層１６上に形成される、透光性を有する電極である。
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）等の材料を用いることができる。また、透光性正極１７としては、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、ｐ型半導体層１６上の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。
【００５７】
『正極』
正極１８は、図２に示すように透光性正極１７上に形成された略円形の電極である。
正極１８の材料としては、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、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極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としての特性上、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。
【００５８】
『負極』
負極１９は、半導体層２０を構成するｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ａに接するものである。このため、負極１９は、図１および図２に示すように、ｐ型半導体層１６、発光層１５及びｎ型半導体層１４の一部を除去してｎ型コンタクト層１４ａを露出させてなる露出領域１４ｄの上に略円形状に形成されている。
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る。
【００５９】
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、予め上記規定範囲とされた反り量Ｈを有する基板１１上に、中間層１２と、上記規定範囲とされたＸＲＣ半値幅を有する下地層１３とが積層され、この下地層１３の表面１３ａに、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、発光層１５を含む半導体層２０が形成されてなる構成なので、半導体層２０、特に発光層１５の結晶性に優れ、高い発光強度並びに安定した発光波長を備えるものとなる。
【００６０】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法］
以下に、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法について、図３Ａ〜図３Ｃを適宜参照しながら説明する。
本実施形態の発光素子の製造方法は、図１に示すような発光素子１を製造する際、基板１１の主面１１ａ上に中間層１２、下地層１３、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として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、反り量Ｈが、基板端部１１ｂの少なくとも一部が主面１１ａ側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍの範囲とされた基板を準備し、基板１１上に中間層１２を形成した後、該中間層１２上に（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下である下地層１３を形成し、さらに、下地層１３の表面１３ａ上に、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６を形成する方法である。
【００６１】
『基板の準備』
本実施形態の製造方法では、図３Ａに示すように、まず、例えば反り量Ｈが上記範囲とされた、直径４ｉｎｃｈの基板１１を準備する。
基板１１には、予め、主面１１ａをはじめとする表面全体に前処理を施しておくことが好ましく、例えば、従来公知のＲＣＡ洗浄方法等の湿式の方法で表面を水素終端させておくことにより、その後の成膜プロセスが安定するという効果が得られる。
【００６２】
また、スパッタ装置のチャンバ内に基板１１を配置し、中間層１２を形成する前に、基板１１の表面全体に逆スパッタを施す等の方法により、前処理を行っても良い。具体的には、スパッタ装置のチャンバ内において、基板１１をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝すことにより、主面１１ａをはじめとする表面全体を洗浄する方法を採用することができる。ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板１１の表面に作用させることで、基板１１表面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、チャンバ内のターゲット側にはパワーを印加せず、基板１１とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効果的に基板１１の表面に作用する。
【００６３】
本実施形態の製造方法においては、基板１１として、直径４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上のものを準備し、予め、反り量Ｈが、基板端部１１ｂの少なくとも一部が主面１１ａに向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされた基板を用いることが好ましい。本実施形態では、基板１１単体の反り量Ｈを上記範囲とすることにより、基板１１上に中間層１２及び下地層１３が積層され、さらに、この上に発光層１５を含む半導体層２０を積層する際、発光層１５の形成面を平坦な状態に制御するのが容易になる。
【００６４】
なお、基板１１に、予め所定量の逆反りを付与するための方法としては、例えば、ダメージを与えない範囲の温度で基板１１を加熱しながら変形させる方法や、基板１１を破壊しない程度の応力を付加して変形させる方法が挙げられる。また、上記の基板１１を加熱する方法と、基板１１に応力を付与する方法とを併用する方法を採用することも可能である。
【００６５】
『中間層の形成』
次いで、図３Ｂに示すように、上記手順で前処理が施され、さらに、反り量Ｈが所定範囲に調整された基板１１の、サファイアｃ面からなる主面１１ａ上に、スパッタ法によって中間層１２を成膜する。
中間層１２の成膜方法としては、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶成長方法として一般に知られる方法を何ら問題なく採用することができる。このような方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、スパッタ法およびＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）などが挙げられる。具体的には、これらの内の何れかの方法を用いて、基板１１の主面１１ａ上に、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）の組成を有する膜、例えば、ＡｌＮからなる中間層１２を形成する。
【００６６】
中間層１２上に形成される下地層１３や、その上に形成されるｎ型半導体層１４の配向は、中間層１２の結晶状態に拠る影響が大きい。従来、結晶性の高い中間層１２を得るためにはＭＯＣＶＤ法が好ましいとされていた。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法は、基板１１上で分解した原料から生成した金属を積み上げる方法であり、最初に核が形成され、次いで核の周囲に結晶が成長し、次第に成膜されてゆくので、中間層１２のような薄い膜を形成する場合には、均一性が不充分となる場合がある。これに対してスパッタ法は、薄い膜を形成する場合でも均一な膜が生成でき、量産にも適している点から好ましい。スパッタ法は、例えば、単結晶構造を有する中間層１２や、適切な構造を有する柱状結晶（多結晶）構造を有する中間層を容易に成膜することができる。
【００６７】
中間層１２をスパッタ法によって形成する場合、ＤＣスパッタ法では、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ため、パルスＤＣ、あるいはＲＦ（高周波）スパッタ法とすることが望ましい。また、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効率をあげる方法が一般的に用いられており、この場合の均一な膜厚を得るための方法として、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。この際の、マグネットの具体的な運動方法は、装置によって選択することができ、例えば、マグネットを揺動させたり、回転運動させたりする方法とすることができる。このような操作により、単結晶構造を有する中間層１２、又は適切な密度で結晶界面の明瞭な柱状結晶を有する中間層１２を成膜することができる。
【００６８】
中間層１２をスパッタ法によって形成する場合、成膜時の基板温度を３００〜８００℃の範囲とすることが好ましい。上記範囲を下回る温度では、中間層１２によって基板１１の全面を覆うことができず、基板１１の表面の一部が露出する虞がある。また、上記範囲を超える温度では、金属原料のマイグレーションが活発となり、結晶界面の明瞭な柱状結晶を有する中間層１２を形成し難くなるため好ましくない。また、上記範囲を超える温度では、結晶の成長速度が極端に小さくなるため、単結晶構造を有する中間層１２を形成し難くなるため好ましくない。
【００６９】
また、中間層１２をスパッタ法によって形成する場合、チャンバ内の圧力を０．３Ｐａ以上とすることが望ましい。チャンバ内の圧力が０．３Ｐａ未満だと、窒素の存在量が少なくなり、スパッタされた金属が窒化物とならずに付着する場合がある。また、チャンバ内の圧力の上限は特に定めるものではないが、プラズマを発生させることができる程度の低圧であることが必要なことは言うまでもない。
【００７０】
また、チャンバ内の窒素流量と不活性ガスの流量の合計流量に対する窒素流量の比には好ましい範囲があり、窒素流量比が低過ぎる場合には、スパッタ原料が金属のまま付着する恐れがあり、高過ぎる場合には、不活性ガスの量が少なく、スパッタ速度が低下してしまう。
単結晶構造を有する中間層１２を形成する場合には、上記窒素流量の比を５０％〜１００％とすることが好ましく、７５％程度とすることがより好ましい。
また、柱状結晶（多結晶）有する中間層１２を形成する場合、上記窒素流量の比を１％〜５０％とすることが好ましく、２５％程度とすることがより好ましい。
【００７１】
ここで、本技術に用いる窒素原料としては、一般に公知の窒素化合物を何ら問題なく用いることができる。例えば、窒素ガスを窒素原料として用いた場合、装置が簡便で済む代わりに、高い反応速度は得られない。しかしながら、窒素を電界や熱などにより分解してからスパッタ装置に導入することで、成膜速度はアンモニアに比べれば低いものの、工業的に利用可能な程度の成膜速度を得ることができる。したがって、装置コストとの兼ね合いを考えると、窒素が最も好適な窒素原料である。
【００７２】
中間層１２をスパッタ法によって形成する場合、成膜時の基板温度、チャンバ内の圧力、チャンバ内の窒素と不活性ガスの合計流量に対する窒素流量の比の各々を上記範囲とすることにより、単結晶構造を有する中間層１２、又は結晶界面が明瞭で柱状結晶を望ましい密度で含む中間層１２を成膜することができる。
このように、中間層１２をスパッタ法によって形成することで、単結晶構造又は結晶面の揃った柱状結晶層からなる面内均一性の良好な中間層１２を形成することができる。そして、このような中間層１２上に、結晶配向性の高い下地層１３及びｎ型半導体層１４をエピタキシャル成長させることが可能となる。例えば、中間層１２の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体を形成することで、中間層１２を構成する単結晶構造または結晶面の揃った柱状結晶層を成長核として、転位密度の小さい結晶成長が実現できる。
【００７３】
『下地層の形成』
次いで、図３Ｃに示すように、基板１１上に形成された中間層１２の上に、下地層１３を形成する。
本実施形態の製造方法では、下地層１３を、下記に説明するような方法を用いて、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）からなる組成、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等から形成する。
【００７４】
本実施形態では、上記手順で基板１１上に中間層１２を成膜した後、下地層１３を成膜する前のアニール処理は特段に必要ではない。但し、下地層１３を、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法又はＨＶＰＥ法等の気相化学成膜方法で形成する場合には、一般に、成膜を伴わない昇温過程と温度の安定化過程を経る。これらの過程において、Ｖ族の原料ガスを流通させることが多いので、結果としてアニールの効果を生じている可能性はある。しかしながら、これは特段にアニールの効果を利用するものではなく、一般的な公知の技術である。
【００７５】
また、その際に流通するキャリアガスは、一般的なガスを問題なく使用することができ、即ち、ＭＯＣＶＤ等の気相化学成膜方法で広く用いられる水素や窒素を用いれば良い。しかしながら、化学的に比較的活性な水素中での昇温は、結晶性や結晶表面の平坦性を損なう恐れがあることから、短時間の工程処理とすることが好ましい。
【００７６】
下地層１３を積層する方法としては、上記のような転位のループ化を生じさせることができる結晶成長方法であれば良く、特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法は、マイグレーションによって転位をループ化させることができるため、良好な結晶性の膜を成膜することができ、好適である。中でも、ＭＯＣＶＤ法は、最も結晶性に優れた膜を得ることができる点から好ましい。
【００７７】
本実施形態の製造方法では、上述したように、中間層１２上に下地層１３及びｎ型コンタクト層１４ａが形成された状態における（０００２）面のＸＲＣ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸＲＣ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下となるように形成することが好ましい。また、本実施形態では、上記ＸＲＣ半値幅を、（０００２）面のＸＲＣ半値幅が５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸＲＣ半値幅が２５０ａｒｃｓｅｃ以下となるように形成することがより好ましい。
本実施形態の製造方法では、中間層１２上に下地層１３及びｎ型コンタクト層１４ａが形成された状態におけるＸＲＣ半値幅を上記範囲に制御し、さらに、基板１１の反り量Ｈを予め上記範囲に規定することにより、後述の半導体層２０に含まれる発光層１５を形成する際の基板１１の反り量Ｈをほぼ０（ゼロ）μｍに抑制できる。これにより、結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層１５を形成することが可能となる。
【００７８】
下地層１３をＭＯＣＶＤ法で成膜する場合の基板温度は、８００℃以上であることが好ましい。これは、基板温度が高いほうが原子のマイグレーションを生じやすく、転位のループ化が容易に進行するためであり、さらに好ましくは９００℃以上であり、１０００℃以上であることが最も好ましい。また、下地層１３を成膜する際の基板温度は、結晶の分解温度よりも低温とする必要があることは言うまでもなく、１２００℃以上の温度は、下地層１３の成長温度としては適合しない。
【００７９】
また、下地層１３は、スパッタ法を用いて成膜することも可能である。下地層１３をスパッタ法で成膜した場合、成膜速度が向上できるとともに、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法に比較して装置を簡便に構成することができる点から好ましい。
下地層１３をスパッタ法で成膜する場合、例えば、スパッタ装置の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の温度を昇温させ、基板１１側に高周波バイアスを印加するとともに、金属Ｇａからなるスパッタターゲット側にパワーを印加し、チャンバ内の圧力を所定の圧力に保ちながら、基板１１上に下地層１３を成膜することができる。
【００８０】
下地層１３の成膜に用いるスパッタ法としては、ＲＦ（高周波）スパッタ法、又はＤＣスパッタ法の何れかを採用することにより、スパッタターゲットに対してパワーを印加することが好ましい。
また、下地層１３をスパッタ法によって成膜する場合、窒化物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、反応を制御することで結晶性を良好に保つことができ、その良好な結晶性を安定に再現することができる点でより好ましい。
リアクティブスパッタ法を用いた場合には、成膜レートを容易にコントロールできることから、ＲＦスパッタ法を用いることがより好ましい。ＤＣスパッタ法でリアクティブスパッタ法を用いる場合、ＤＣで電場を連続してかけた状態にするとスパッタターゲットがチャージアップしてしまい、成膜レートを高くすることが困難になるため、パルス的にバイアスを与えるパルス式ＤＣスパッタ法とすることが好ましい。
また、スパッタ法で半導体層を成膜する際、スパッタターゲットに対し、磁場を回転させるか、又は磁場を揺動させることが好ましい。特に、ＲＦスパッタを用いた場合、均一な膜厚を得る方法として、マグネットの位置をスパッタターゲット内で移動させつつ成膜することが好ましい。
【００８１】
本実施形態では、下地層１３をスパッタ法で成膜する際、窒素（Ｎ２）とアルゴン（Ａｒ）の流量に対するＮ２流量の比が２０％以上９０％以下の範囲であることが好ましい。この範囲を下回るＮ２流量比だと、スパッタ原料が金属のままの状態で基板に付着してしまう。また、上記範囲を上回る流量比だと、Ａｒの量が少な過ぎるためにスパッタレートが低下してしまう。
また、本実施形態では、スパッタ装置のチャンバ内におけるガス中のＮ２濃度を高くし、さらに、重量の大きな気体であるＡｒを上記流量比で混合している。チャンバ内のガスがＮ２のみの場合だと、金属ターゲットを叩く力が弱いために成膜レートが制限されてしまう。本実施形態では、重量の大きなＡｒと上記流量比で混合することにより、成膜レートを向上させるとともに、基板１１上におけるマイグレーションを活発にすることができる。
【００８２】
本実施形態で用いる窒素原料としては、上述した窒素ガスのほか、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、アンモニアや窒素ガス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。窒素ガスは、電界や熱等によって分解してからスパッタ装置に導入する方法とすれば、成膜速度はアンモニアに比べれば低いものの、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、窒素ガスが最も好適な窒素源である。
【００８３】
本実施形態の製造方法では、下地層１３を成膜する際、チャンバ内の圧力を１０Ｐａ以下とすることが好ましく、５Ｐａ以下とすることがより好ましく、１Ｐａ以下とすることが最も好ましい。チャンバ内の圧力が上記範囲であれば、結晶性の良好な下地層１３を高効率で成膜することができる。チャンバ内の圧力が１０Ｐａを超えると、結晶性の良好な下地層１３が得られなくなる虞がある。
また、スパッタ法で下地層１３を成膜する際のチャンバ内の圧力は、０．３Ｐａ以上であることが好ましい。チャンバ内の圧力を０．３Ｐａ未満とすると、窒素の存在量が小さくなり過ぎ、スパッタされた金属が窒化物とならない状態で基板１１上に付着する虞がある。
【００８４】
下地層１３をスパッタで成膜する際の基板１１の温度は、４００〜１３００℃の範囲とすることが好ましい。下地層１３を成膜する際の基板１１の温度を高くすることによって原子のマイグレーションが生じやすくなり、転位のループ化が容易に進行する。また、下地層１３を成膜する際の基板１１の温度は、結晶の分解する温度よりも低温である必要があるため、１３００℃未満とすることが好ましい。
本実施形態の製造方法では、スパッタ法による下地層１３成膜時の基板１１の温度を上記範囲とすることにより、基板１１に到達した反応種（金属ターゲットから取り出された金属）の結晶表面での運動を活性化することができ、結晶性の良い下地層１３が得られる。
【００８５】
また、スパッタ法によって下地層１３を成膜する際の成膜速度は０．１〜１０ｎｍ／ｓｅｃの範囲とすることが好ましい。成膜レートが０．１ｎｍ／ｓ未満だと、成膜プロセスが長時間となってしまい、工業生産的に無駄が大きくなる。また、成膜レートが１０ｎｍ／ｓを超えると、良好な膜を得ることが困難となる。
【００８６】
なお、スパッタ法を用いて下地層１３を成膜することで、ＭＯＣＶＤ法に比べ、成膜レートを高くすることができ、成膜（製造）時間を短縮することが可能となる。また、製造時間が短縮されることにより、スパッタ装置内のチャンバ内に不純物が入り込むのを最小限に抑制することができ、高品質な下地層１３を成膜できる。
【００８７】
『半導体層の形成』
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（ＩＩＩ族窒化物半導体）の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）の他、スパッタ法、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。これらの内、ＭＯＣＶＤ法が、結晶性に優れた半導体層を形成できる点で好ましい。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
ドーパント元素のｐ型不純物には、Ｍｇ原料として、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）を用いることができる。
【００９０】
上述したようなＩＩＩ族窒化物半導体は、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、及びＢｅ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。
【００９１】
「ｎ型半導体層の形成」
まず、図１に示すように、下地層１３の表面１３ａに、従来公知のＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型コンタクト層１４ａ及びｎ型クラッド層１４ｂをこの順で成膜する。この際、ｎ型コンタクト層１４ａ及びｎ型クラッド層１４ｂの各層は、同じＭＯＣＶＤ装置を用いて成膜することができ、また、後述の発光層１５と共通の装置とすることもできる。このような場合には、各層の形成にあたり、ＭＯＣＶＤ装置の各種条件を適宜変更して使用する。
【００９２】
「発光層の形成」
次いで、図１に示すように、ｎ型クラッド層１４ｂ上に、発光層１５を、ＭＯＣＶＤ法によって形成する。
本実施形態の製造方法で形成する発光層１５は、ＧａＮ障壁層に始まりＧａＮ障壁層に終わる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）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Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎ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型半導体層１４の成膜に用いるＭＯＣＶＤ装置と同じものを使用し、各種成膜条件を変更することによって発光層１５を成膜することができる。
【００９３】
一般に、ＭＯＣＶＤ法を用いて多重量子井戸構造を有する発光層１５を形成する場合、例えば、井戸層１５ｂの成長温度を６００〜８００℃程度とし、障壁層１５ａの成長温度を７５０〜１０００℃程度として成膜処理を行なう。即ち、発光層１５を形成する際は、ウェーハが最高で１０００℃程度の高温に加熱された状態となる。従来、例えウェーハが反りの無い状態とされている場合であっても、基板と下地層との間には熱膨張係数の差があることから、発光層成膜時の高温加熱により、基板において主面側に基板端部が向かう正反りが発生し、これに伴って、基板並びにウェーハ全体に大きな正反りが発生する虞がある。
【００９４】
本実施形態は、基板１１として、反り量Ｈが、予め、基板端部１１ｂの少なくとも一部が主面１１ａ側に向かう反り方向で０．１〜３０μｍの範囲とされた直径４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上の基板を準備し、さらに、中間層１２上に下地層１３及びｎ型コンタクト層１４ａが形成された状態における（０００２）面のＸＲＣ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、（１０‐１０）面のＸＲＣ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下となるように形成する方法としている。このように、上記ＸＲＣ半値幅を上記範囲に制御し、さらに、基板１１の反り量Ｈを予め上記範囲に規定することにより、後述の半導体層２０に含まれる発光層１５を形成する際の基板１１の反り量Ｈをほぼ０（ゼロ）μｍに抑制できる。これにより、例えば７５０℃程度の成長温度で発光層１５を形成する際、成長面が概ね平坦な状態となるので、結晶性に優れた発光層１５を形成することが可能となる。従って、層内におけるＩｎ濃度が均一となり、基板１１上に形成された発光層１５の全面において、発光強度並びに発光波長が一定となり、優れた発光特性が得られるものとなる。
【００９５】
ここで、従来の構成の発光素子の場合、基板と下地層との間には熱膨張係数の差があることから、基板上に下地層が成膜される際の高温の影響により、一般に、基板の主面とは反対面の裏面側に基板端部が向かう反りが発生することがある。このような状態の反りが生じた基板上の下地層の上に半導体層を形成し、発光素子を構成した場合には、発光層内におけるＩｎ濃度の組成や膜厚等が不均一となり、結晶性が低下するため、発光面内における発光強度や発光波長が不均一となり、発光特性の低下を招くという問題があった。
また、このような基板と下地層との間の熱膨張係数の差による反りを低減するため、下地層の膜厚を薄く形成した場合には、下地層の結晶性が低下し、その上に形成され、発光層を含む半導体層の結晶性も低下するので、発光特性が低下する等の問題があった。
【００９６】
これに対し、本実施形態の発光素子１の製造方法では、基板１１として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、反り量Ｈが、基板端部１１ｂの少なくとも一部が主面１１ａ側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされた基板を準備し、基板１１上に中間層１２を形成した後、該中間層１２上に下地層１３及びｎ型コンタクト層１４ａが形成された状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であり、さらに、ｎ型コンタクト層１４ａ上に、発光層１５を含む半導体層２０の各層を形成する方法としている。これにより、発光層１５を形成する際の基板１１の反り量Ｈをほぼ０（ゼロ）μｍに抑制できるので、成長面が概ね平坦な状態となり、結晶性に優れた発光層１５を形成することが可能となる。従って、基板１１上に形成された発光層１５全体においてＩｎ濃度を均一とすることができ、優れた発光特性を備える発光素子１を製造することが可能となる。
ここで、「基板の反り」とは、基板を水平な基準面に置いた時の、基準面とウェーハ表面との距離の最大値と最小値の差と定義される。本発明においては、基板１１の反り量Ｈの測定は、ＮＩＤＥＫ社製のレーザ光斜入射干渉計（フラットネステスターＦＴ−１７）によりＳＯＲＩ値を測定することで行った。そして、反りが凹形状の場合、すなわち基板端部が基板の主面側に向かう方向に反っている場合、マイナス値表示とした。
【００９７】
「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、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成する。ｐ型半導体層１６は、ｎ型半導体層１４や発光層１５の成膜に用いるＭＯＣＶＤ装置と同じものを使用し、各種成膜条件を変更することによって成膜することができる。
【００９８】
ｐ型半導体層１６の形成にあたっては、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。
なお、上述したように、ｐ型不純物としては、Ｍｇのみならず、例えば亜鉛（Ｚｎ）等も同様に用いることができる。
【００９９】
『透光性正極の形成』
上記方法によって各層が形成されてなる半導体層２０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、フォトリソグラフィー法等、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。
【０１００】
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。
【０１０１】
『正極及び負極の形成』
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（正極ボンディングパッド）１８を形成する。
この正極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。
【０１０２】
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１及び図２参照）。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、詳細な図示を省略する４層構造の負極１９を形成することができる。
【０１０３】
そして、上述のようにして形成した半導体層２０の上に、透光性正極１７、正極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。
【０１０４】
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、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、反り量Ｈが、基板端部１１ｂの少なくとも一部が主面１１ａ側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされた基板１１を準備し、この基板１１上に中間層１２を形成した後、該中間層１２上に下地層１３及びｎ型コンタクト層１４ａが形成された状態における（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下であり、さらに、このｎ型コンタクト層１４ａの上に、ｎ型クラッド層１４ｂ、発光層１５、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂを形成する方法なので、基板１１上に各層を形成した際の反りを極力抑制し、結晶性に優れた発光層１５を含む半導体層２０が形成できる。これにより、優れた発光強度並びに安定した発光波長を備えるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が得られる。
【０１０５】
［ランプ］
本発明に係るランプは、本発明の発光素子が用いられてなるものであり、例えば、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。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、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。
【０１０６】
例えば、ランプに用いる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。
【０１０７】
図４は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物化合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４に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図１に示す発光素子１が用いられている。図４に示すように、発光素子１の正極ボンディングパッド（図１に示す符号１８を参照）がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図４ではフレーム３１）に接着され、発光素子１の負極（図１に示す符号１９を参照）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、発光素子１が実装されている。また、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。
【０１０８】
本発明のランプは、本発明の発光素子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。
また、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。
【０１０９】
［その他の半導体素子（デバイス）］
本発明で得られ、優れた結晶性を備えるＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造（図１の発光素子１を参照）は、上述のような発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子に備えられる半導体層の他、太陽電池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）等の電子デバイスの積層構造にも応用することができる。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】
【０１１０】
次に、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子並びにランプを、実施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。【０１１１】
［実施例１］
本実施例においては、サファイアからなる直径４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）の基板１１のｃ面（主面１１ａ）上に、中間層１２としてＲＦスパッタ法を用いてＡｌＮからなる層を形成し、その上に下地層１３としてＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮからなる層を形成し、基板１１上に中間層１２及び下地層１３が積層されたウェーハを作製した。そして、さらに、下地層１３上に半導体層２０を形成することにより、図１に示すような発光素子１を作製した。また、この発光素子１を用い、図４に示すようなランプ３（発光ダイオード：ＬＥＤ）を作製した。【０１１２】
『基板の準備』
まず、サファイアからなる直径が４ｉｎｃｈ（１０１．６ｍｍ；本願明細書中では１００ｍｍと簡略して記載）の基板１１を準備し、加熱並びに応力付与の方法を併用しながら、基板１１の、基板端部１１ｂの少なくとも一部が主面１１ａ側に向かう反り方向での反り量Ｈが、１０μｍ程度となるように調整した。
次いで、基板１１のサファイアｃ面からなる主面１１ａをはじめとする表面全体に、従来公知のＲＣＡ洗浄法による湿式の前処理を施した。
そして、基板１１をスパッタ装置に導入し、チャンバ内で基板を５００℃まで加熱し、窒素ガス下で１Ｐａの圧力として、基板側に５００Ｗの高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことで、基板１１の表面全体を洗浄した。【０１１３】
『中間層の形成』
次に、チャンバ内にアルゴンと窒素ガスを導入し、基板温度を５００℃に昇温した。その後、２０００Ｗの高周波パワーをターゲット側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ちながら、アルゴンガスを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、基板１１の主面１１ａ上にＡｌＮ膜の成膜を開始した。そして、０．０８ｎｍ／ｓの成長速度で、単結晶構造を有する厚さ５０ｎｍのＡｌＮからなる中間層１２を成膜後、プラズマ放電を停止し、基板温度を低下させた。【０１１４】
なお、中間層１２の形成には、スパッタ装置として、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機構を有するものを用い、ターゲットとして、金属Ａｌターゲットを用いた。そして、ターゲット内のマグネットは、基板１１の洗浄の際も、中間層１２の成膜の際も揺動させた。【０１１５】
そして、基板１１上に形成した中間層１２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、中間層１２のＸＲＣ半値幅は０．１°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。【０１１６】
『下地層の形成』
次に、基板１１上に中間層１２が形成されたサンプルをスパッタ装置のチャンバ内から取り出してＭＯＣＶＤ装置に導入し、中間層１２上に、以下に示す手順によってＧａＮからなる下地層１３を成膜した。【０１１７】
まず、基板１１上に中間層１２が形成されたサンプルを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、アンモニア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。【０１１８】
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）の炉内への供給を開始し、中間層１２上に下地層１３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１１上に成膜された単結晶組織のＡｌＮからなる中間層１２の上に、アンドープで８μｍの膜厚のＧａＮからなる下地層１３を成膜した。【０１１９】
『ｎ型コンタクト層の形成』
まず、下地層１３の表面１３ａ上に、ｎ型コンタクト層１４ａを成膜した。この際、ｎ型コンタクト層１４ａの成膜には、下地層１３の成膜に用いたＭＯＣＶＤ装置を同じ装置を用い、ＳｉをドープしながらＧａＮ層を形成した。また、この際の結晶成長は、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１３と同じ条件によって行った。
上記手順により、下地層１３上に、５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ａを形成した。【０１２０】
上述のようにして、中間層１２上に下地層１３及びｎ型コンタクト層１４ａが形成された状態における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サンプルは、（０００２）面の測定では半値幅３７ａｒｃｓｅｃ、（１０−１０）面では２２０ａｒｃｓｅｃを示した。【０１２１】
『ｎ型クラッド層の形成』
次に、ｎ型コンタクト層１４ａ上に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型クラッド層１４ｂを積層した。
まず、上記手順でｎ型コンタクト層１４ａを成長させたサンプルを、同じＭＯＣＶＤ装置に収容した状態で、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。【０１２２】
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型クラッド層１４ｂを形成した。【０１２３】
『発光層の形成』
発光層１５は、ＧａＮからなる障壁層１５ａと、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎ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。この発光層１５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型クラッド層１４ｂ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。本例では、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。【０１２４】
まず、基板温度は７６０℃のままでＴＥＧ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、ＴＥＧ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、ＴＥＧ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、ＴＥＧ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、ＴＥＧ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ＴＥＧ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１５ａ）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。【０１２５】
上記ＧａＮ障壁層（障壁層１５ａ）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１５ｂ）を形成した。
そして、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１５ｂ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１５ａの形成を行なった。【０１２６】
上述のような手順を５回繰り返すことにより、５層のＳｉドープＧａＮからなる障壁層１５ａと、５層のＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１５ｂを形成した。【０１２７】
そして、５層目のＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１５ｂを形成した後、引き続いて６層目の障壁層の形成を行った。６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２における発光層１５の内、最上層の障壁層１５ａを参照）。【０１２８】
以上の手順にて、厚さが不均一な井戸層（図２におけるｎ型半導体層１４側から１〜４層目の井戸層１５ｂ）と、厚さが均一な井戸層（図２におけるｎ型半導体層１４側から５層目の井戸層１５ｂを参照）を含んだ多重量子井戸構造の発光層１５を形成した。【０１２９】
そして、上記各手順によって発光層１５を形成した際の、基板１１の反り量Ｈを確認したところ、ほぼ０（ゼロ）μｍの反り量であり、基板１１がほぼ平坦に近い状態であることが確認できた。【０１３０】
『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型クラッド層１６ａ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型コンタクト層１６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１６とした。【０１３１】
まず、アンモニア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ＴＭＧとＴＭＡ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、ＴＭＡ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型クラッド層１６ａを形成した。【０１３２】
その後、Ｃｐ２ＭｇとＴＭＧのみを炉内へ供給して、２００ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１６ｂを形成した。【０１３３】
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１１上に、単結晶構造ＡｌＮ層からなる中間層１２を形成した後、基板１１側から順に、８μｍのアンドープＧａＮ層からなる下地層１３、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型コンタクト層１４ａ、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ｎ型クラッド層１４ｂ、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５層のＳｉドープの障壁層１５ａと、層厚が３ｎｍとされた５層のノンドープのＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層１５ｂ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２における発光層１５の内、最上層の障壁層１５ａを参照）からなる多重量子井戸構造の発光層１５、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型クラッド層１６ａ、及び、膜厚が２００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６ｂから構成されるｐ型半導体層１６を積層した構造を有する。【０１３４】
『電極の形成』
次いで、上記エピタキシャルウェーハのｐ型コンタクト層１６ｂの表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってＩＺＯからなる透光性正極１７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１８（ｐ電極ボンディングパッド）を形成した。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１４ａ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Ｃｒ、Ｔｉ及びＡｕの３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、ウェーハ上に、図１及び図２に示すような形状を有する各電極を形成した。【０１３５】
『ＬＥＤの作製』
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。
そして、上述の手順で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、図１及び図２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４のランプ３を参照）。【０１３６】
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１７を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４５２ｎｍ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、発光出力が大きく、また、発光波長のばらつきが小さいことが確認された。実施例１で製造された、半導体発光素子が形成された基板の特徴を表１にまとめた。【０１３７】
『サファイア基板の反り量Ｈ』
サファイア基板の反り量Ｈは、レーザ光斜入射干渉計（株式会社ニデック社製：フラットネステスターＦＴ−１７）により測定したＳＯＲＩ値により評価した。ＳＯＲＩ値は、サファイア基板をフラットネステスターのバウチャックに吸着し、垂直より手前方向に８度傾斜した状態で測定した。測定はサファイア基板の外周１ｍｍを除いた（インサイド値１ｍｍ）範囲とした。【０１３８】
『化合物半導体ウェーハから得られた発光波長の分布（波長分布σ）』
発光波長の波長分布σの測定は、本発明において限定されないが、好ましくはＰＬマッパー（ＡＣＣＥＮＴ社製：ＲＰＭ−Σ）を用いて測定することができる。【０１３９】
［実施例２］
実施例１と同様にサファイアからなる４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）の基板を準備し、実施例１に記載の基板の厚さ、室温での反り量Ｈ（μｍ）、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）を表１に記載の数値にした以外は、実施例１と同様に実施して、半導体発光素子を基板上に形成した。波長分布σを評価したところ、３．２ｎｍであり、好ましい範囲に入ることがわかった。【０１４０】
［実施例３］
サファイアからなる６ｉｎｃｈ（１５０ｍｍ）の基板を準備し、実施例１に記載の基板の厚さ、室温での反り量Ｈ（μｍ）、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）を表１に記載の数値にした以外は、実施例１と同様に実施して、半導体発光素子を基板上に形成した。波長分布σを評価したところ、４．４ｎｍであり、好ましい範囲に入ることがわかった。【０１４１】
［実施例４］
実施例３と同様にサファイアからなる６ｉｎｃｈ（１５０ｍｍ）の基板を準備し、実施例１に記載の基板の厚さ、室温での反り量Ｈ（μｍ）、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）を表１に記載の数値にした以外は、実施例１と同様に実施して、半導体発光素子を基板上に形成した。波長分布σを評価したところ、２．８ｎｍであり、好ましい範囲に入ることがわかった。【０１４２】
［比較例１］
実施例１と同様にサファイアからなる４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）の基板を準備し、この基板に反りを付与しなかった点と、下地層の結晶性を格別に高められるような制御を行なわなかった点を除き、実施例１と同様の手順で、基板上に中間層及び下地層を順次積層してウェーハを作成した。そして、実施例と同様の手順を用いて、下地層上に半導体層を形成することにより、発光素子を作製し、また、この発光素子を用いて示すようなランプを形成した後、実施例と同様の方法によって評価した。【０１４３】
本比較例１において下地層までを形成したウェーハの、下地層のＸＲＣ半値幅を測定したところ、（０００２）面の測定では半値幅１１０ａｒｃｓｅｃ、（１０−１０）面では４４６ａｒｃｓｅｃを示した。【０１４４】
また、上記各手順によって発光層を形成した際の、基板の反り量Ｈを確認したところ、基板の主面とは反対面である裏面側に向けて、４０μｍの反り量となっており、大きな反りを生じていることが確認された。波長分布σを評価したところ、σを見積もることができず測定不可となった。
これは、発光層を形成する際の成長温度により、基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との間の熱膨張係数の違いに起因して、基板に反りが生じたものと考えられる。【０１４５】
そして、比較例１の発光素子を用いて作製したランプ（ＬＥＤ）の発光特性を、上記実施例と同様に測定したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．１Ｖ、発光波長は４５０ｎｍ、発光出力は１５ｍＷであった。このように、比較例１で得られた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間において、大きくばらついていることが確認された。【０１４６】
［比較例２］
サファイアからなる６ｉｎｃｈ（１５０ｍｍ）の基板を準備し、この基板における基板の厚さ（ｍｍ）を１．２ｍｍ、室温での反り量Ｈ（μｍ）を４．５μｍとし、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）を１７０ａｒｃｓｅｃ、（１０‐１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅（ａｒｃｓｅｃ）を３５０ａｒｃｓｅｃにした以外は、実施例１又は比較例１と同様にして半導体発光素子を基板上に形成した。波長分布σを評価したところ、１１．６ｎｍであり、基板における発光波長のばらつきが大きかった。【０１４７】
【表１】
2010032423.tif 000003
【０１４８】
以上の結果により、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が、結晶性に優れた発光層を備え、発光波長の波長分布σが５ｎｍ以下の良好な数値を示し、発光特性に優れていることが明らかである。これにより、半導体発光素子を形成した基板からの製品の不良率を著しく低減することができる。
【符号の説明】
【０１４９】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（発光素子）、３…ランプ、１１…基板、１１ａ…表面（基板）、１１ｂ…基板端部、１２…中間層、１３…下地層、１３ａ…表面（下地層）、１４…ｎ型半導体層、１５…発光層、１６…ｐ型半導体層、２０…半導体層、Ｈ…反り量
【図１】
2010032423.tif 000004
【図２】
2010032423.tif 000005
【図３Ａ】
2010032423.tif 000006
【図３Ｂ】
2010032423.tif 000007
【図３Ｃ】
2010032423.tif 000008
【図４】
2010032423.tif 000009
【図５Ａ】
2010032423.tif 000010
【図５Ｂ】
2010032423.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月15日(2010.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記基板の主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされたサファイア基板を準備し、
前記基板の前記主面上にスパッタ法によりＡｌＮからなる中間層を形成し、
該中間層上にＭＯＣＶＤ法により膜厚１〜１２μｍのＧａＮ層を形成して、
該基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を３００ａｒｃｓｅｃ以下とする工程と、
該ＧａＮ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、井戸層を６００〜８００℃の温度で、障壁層を７５０〜１０００℃の温度で
成膜して発光層を形成する工程とを有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】
前記基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下とすることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の製造方法によって得られることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
［１］  基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記基板の主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされたサファイア基板を準備し、前記基板の前記主面上にスパッタ法によりＡｌＮからなる中間層を形成し、該中間層上にＭＯＣＶＤ法により膜厚１〜１２μｍのＧａＮ層を形成して、該基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を３００ａｒｃｓｅｃ以下とする工程と、該ＧａＮ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、井戸層を６００〜８００℃の温度で、障壁層を７５０〜１０００℃の温度で成膜して発光層を形成する工程とを有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］  前記基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下とすることを特徴とする上記［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
［３］  上記［１］〜［２］に記載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。
［４］  上記［３］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。
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月4日(2010.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記基板の主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされたサファイア基板を準備し、
前記基板の前記主面上にスパッタ法により、チャンバ内の窒素と不活性ガスの合計流量に対する窒素流量の比を５０％〜１００％として単結晶のＡｌＮからなる中間層を形成し、
該中間層上にＭＯＣＶＤ法により膜厚１〜１２μｍのＧａＮ層を形成して、該基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を３００ａｒｃｓｅｃ以下とする工程と、
該ＧａＮ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、井戸層を６００〜８００℃の温度で、障壁層を７５０〜１０００℃の温度で成膜して発光層を形成する工程とを有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】
前記基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下とすることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の製造方法によって得られることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３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５】
基板上に半導体発光素子積層構造を形成したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法であって、
基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記基板の主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされたサファイア基板を準備し、
前記基板の前記主面上にスパッタ法により、チャンバ内の窒素と不活性ガスの合計流量に対する窒素流量の比を５０％〜１００％として単結晶のＡｌＮからなる中間層を形成し、
該中間層上にＭＯＣＶＤ法により膜厚１〜１２μｍのＧａＮ層を形成して、
該基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を３００ａｒｃｓｅｃ以下とし、
該ＧａＮ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、井戸層を６００〜８００℃の温度で、障壁層を７５０〜１０００℃の温度で成膜して発光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ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法。
【請求項６】
前記基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下とすることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法と、この方法によって得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにこれを用いたランプ、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法に関する。
本願は、２００８年９月１６日に、日本に出願された特願２００８−２３７２０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、基板上に中間層、下地層及びｎ型コンタクト層を形成した際の、当該エピ成長基板の反りを抑制し、発光波長分布（σ）が小さく、結晶性に優れた発光層を含む半導体層が形成でき、発光特性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びそれによって得られる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を用いたランプを提供することを目的とする。
さらに、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法を提供することを目的とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
［１］  基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記基板の主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされたサファイア基板を準備し、前記基板の前記主面上にスパッタ法により、チャンバ内の窒素と不活性ガスの合計流量に対する窒素流量の比を５０％〜１００％として単結晶のＡｌＮからなる中間層を形成し、該中間層上にＭＯＣＶＤ法により膜厚１〜１２μｍのＧａＮ層を形成して、該基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を３００ａｒｃｓｅｃ以下とする工程と、該ＧａＮ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、井戸層を６００〜８００℃の温度で、障壁層を７５０〜１０００℃の温度で成膜して発光層を形成する工程とを有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］  前記基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下とすることを特徴とする上記［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
［３］  上記［１］〜［２］に記載の製造方法によって得られることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
［４］  上記［３］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。
［５］  基板上に半導体発光素子積層構造を形成したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法であって、基板として、直径が４ｉｎｃｈ（１００ｍｍ）以上であり、室温での反り量Ｈが、基板端部の少なくとも一部が前記基板の主面側に向かう反り方向で、０．１〜３０μｍの範囲とされたサファイア基板を準備し、前記基板の前記主面上にスパッタ法により、チャンバ内の窒素と不活性ガスの合計流量に対する窒素流量の比を５０％〜１００％として単結晶のＡｌＮからなる中間層を形成し、該中間層上にＭＯＣＶＤ法により膜厚１〜１２μｍのＧａＮ層を形成して、該基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を１００ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を３００ａｒｃｓｅｃ以下とし、該ＧａＮ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、井戸層を６００〜８００℃の温度で、障壁層を７５０〜１０００℃の温度で成膜して発光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ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法。
［６］  前記基板主面上に形成された状態の該ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を５０ａｒｃｓｅｃ以下、且つ、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下とすることを特徴とする上記［５］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子ウエーハの発光波長分布のばらつき低減方法。
【国際調査報告】
2010032423.tif 000012
2010032423.tif 000013
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