(57)【要約】【課題】  貫通転位の少ない窒化物系半導体素子を提供し、ひいては光出力の改善された窒化物系半導体発光素子を提供する。【解決手段】  窒化物系半導体素子の製造方法は、基板上にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層を第一の基板温度において成長させ、第二の基板温度においてバッファ層上にＳｉＮ層を成長させ、第三の基板温度においてＳｉＮ層上に第一導電型窒化物系半導体層を成長させる工程を含み、第一の基板温度は第二および第三の基板温度の少なくともいずれか一方以上の温度であることを特徴としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層を第一の基板温度において成長させ、
第二の基板温度において前記バッファ層上にＳｉＮ層を成長させ、
第三の基板温度において前記ＳｉＮ層上に第一導電型窒化物系半導体層を成長させる工程を含み、
前記第一の基板温度は前記第二および第三の基板温度の少なくともいずれか一方以上の温度であることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記第一の基板温度は前記第二および第三の基板温度の双方以上の温度であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項３】
基板上にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層を第一の基板温度において成長させ、第二の基板温度において前記バッファ層上に第一導電型窒化物系半導体層を成長させる工程を含み、前記第一の温度は前記第二の温度以上の温度であることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記バッファ層を成長させる基板温度は９００℃以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記バッファ層を成長させる工程におけるＶ族元素の分圧は５００Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記バッファ層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記第一導電型窒化物系半導体層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記発光層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記第二導電型窒化物系半導体層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記バッファ層を成長させる工程において、反応ガスが基板上を流れる流速は１０ｃｍ／秒以上であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記バッファ層は１０ｎｍ以上の厚さに成長させられることを特徴とする請求項１から１０いずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記ＳｉＮ層の厚さは３原子層以下に設定されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記バッファ層を成長させる基板温度以下の基板温度において前記第一導電型窒化物系半導体層上に発光層を成長させ、前記発光層上に第二導電型窒化物系半導体層を成長させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３の製造方法によって形成された前記基板上の前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０
≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層、前記ＳｉＮ層、前記第一導電型窒化物系半導体層、前記発光層、および前記第二導電型窒化物系半導体層を含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１３の製造方法によって形成された前記基板上の前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０
≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層、前記第一導電型窒化物系半導体層、前記発光層、および前記第二導電型窒化物系半導体層を含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項１６】
前記第一導電型窒化物系半導体層中に１層以上のＳｉＮ層を含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物系化合物半導体（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ：０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）層を含む半導体素子とその製造方法の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の特許第２７５１９６３号公報は、青色発光ダイオードや青色レーザダイオードなどに利用し得る窒化物系半導体素子の形成方法を開示している。特許文献１の開示によれば、サファイア基板上において、５１０℃の基板温度にてＧａＮバッファ層が約２０ｎｍの厚さに成長させられる。そのＧａＮバッファ層上には、１０３０℃の基板温度にて、ＧａＮ層が２μｍの厚さに成長させられる。さらに、そのＧａＮ層上に、８００℃の基板温度にて、ＩｎＧａＮ発光層が成長させられる。
【特許文献１】特許第２７５１９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に開示されているようにＧａＮバッファ層を５１０℃のような低温で成長させれば、アモルファス状のＧａＮバッファ層が成長する。そのアモルファス状のＧａＮバッファ層上に１０３０℃の高温でＧａＮ層を成長させれば、アモルファス状のＧａＮバッファ層との界面から転位が発生し、高温成長するＧａＮ層内を貫通して伸びる。そして、それらの貫通転位を含むＧａＮ層上に８００℃の高温でＩｎＧａＮ発光層を成長させれば、それらの貫通転位が発光層内にまで伸びる。その結果、それらの貫通転位を含む発光層を利用した窒化物系半導体発光素子において、発光効率が貫通転位によって低下することになる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一つの態様によれば、窒化物系半導体素子の製造方法は、基板上にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層を第一の基板温度において成長させ、第二の基板温度においてバッファ層上にＳｉＮ層を成長させ、第三の基板温度においてＳｉＮ層上に第一導電型窒化物系半導体層を成長させる工程を含み、第一の基板温度は第二および第三の基板温度の少なくともいずれか一方以上の温度であることを特徴としている。
【０００５】
なお、第一の基板温度は第二および第三の基板温度の双方以上の温度であってもよい。
本発明のもう一つの態様によれば、窒化物系半導体素子の製造方法は、基板上にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層を第一の基板温度において成長させ、第二の基板温度において前記バッファ層上に第一導電型窒化物系半導体層を成長させる工程を含み、前記第一の温度は前記第二の温度以上の温度であることを特徴としている。
【０００６】
上述のバッファ層を成長させる基板温度は、９００℃以上であることが好ましい。バッファ層を成長させる工程におけるＶ族元素の分圧は、５００Ｐａ以下であることが好ましい。バッファ層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることが好ましい。第一導電型窒化物系半導体層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることが好ましい。発光層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることが好ましい。第二導電型窒化物系半導体層の全部または一部は、９５ｋＰａ以下の圧力下で成長させられることがこのましい。バッファ層を成長させる工程において、反応ガスが基板上を流れる流速は、１０ｃｍ／秒以上であることが好ましい。バッファ層は、１００ｎｍ以上の厚さに成長させられることが好ましい。ＳｉＮ層の厚さは、３原子層以下に設定されることが好ましい。
【０００７】
また、バッファ層を成長させる基板温度以下の基板温度において第一導電型窒化物系半導体層上に発光層を成長させ、発光層上に第二導電型窒化物系半導体層を成長させる工程をさらに含むことができる。
【０００８】
このような製造方法によって形成された基板上のＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）バッファ層、ＳｉＮ層、第一導電型窒化物系半導体層、発光層、および第二導電型窒化物系半導体層を含むことによって、発光効率の改善された窒化物系半導体発光素子を得ることができる。なお、この窒化物系半導体発光素子において、第一導電型窒化物系半導体層中に、１層以上のＳｉＮ層を含めてもよい。他方、この窒化物系半導体発光素子において、ＳｉＮ層を省略することも可能である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明においては、上述のようにＳｉＮ層または第一導電型窒化物系半導体層の成長時の基板温度以上の基板温度にてバッファ層を基板上に成長させることによって、そのバッファ層の結晶品質が向上し得る。また、バッファ層成長時の基板温度以下の基板温度でバッファ層上にＳｉＮ層を成長させることによって、転位の発生を低減させることができる。さらに、バッファ層成長時の基板温度以下の基板温度でＳｉＮ層上に第一導電型窒化物系半導体層を成長させることによって、貫通転位の発生が抑制された高品質の窒化物系半導体素子が得られる。この窒化物系半導体素子上に発光層および第二導電型半導体層を成長させることにより、発光効率が改善された発光ダイオードやレーザダイオードが作製され得る。なお、ＳｉＮ層の形成は省略することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施例１）
図１の模式的線図は、本発明の実施例１における窒化物系化合物半導体層の成長温度プロファイルを示している。すなわち、図１の線図において、縦方向は温度を表し、横方向は半導体層の成長時間を表している。また、図２の模式的断面図は、本実施例１において作製された窒化物系化合物半導体素子を示している。さらに、図３の模式的グラフは、本実施例１で作製した窒化物系化合物半導体素子における貫通転位密度と従来の方法で作製した窒化物系化合物半導体素子の貫通転位密度を比較して示している。
【００１１】
まず図１と図２を参照して、サファイア基板１を１０００℃に保持しながら、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3を供給することによって、ＧａＮバッファ層２を約１０ｎｍの厚さに成長させる。次に、基板温度を１０００℃に保持したままで、ＳｉＨ4とＮＨ3を供給することによって、ＳｉＮ層３を約２０ｎｍの厚さに成長させる。さらに、基板温度を１０００℃に保持したままで、ＴＭＧ、ＮＨ3、およびＳｉＨ4を供給することによって、ｎ型ＧａＮ層４を４μｍの厚さに成長させる。その後、得られたウエハを室温まで冷却する。
【００１２】
このようにして成長させた窒化物系化合物半導体素子についてカソードルミネッセンス法によって転位密度を調べたところ、図３に示されているように１平方ｃｍ当たりに１×１０8の転位密度であった。他方、特許文献１の従来技術によって作製した窒化物系化合物半導体素子における転位密度は、図３に示されているように１×１０9である。すなわち、本実施例における窒化物系化合物半導体素子では、従来に比べて転位密度を１桁低減させることがきる。
【００１３】
（実施例２）
図４の模式的線図は、本発明の実施例２における窒化物系化合物半導体層の成長温度プロファイルを示している。すなわち、図４の線図においも、縦方向は温度を表し、横方向は半導体層の成長時間を表している。また、図５の模式的断面図は、本実施例２において作製された窒化物系化合物半導体発光素子を示している。図５における複数の層１１−１４は、図２中の複数の層１−４に対応している。すなわち、図５における基板１１上に順次積層された複数の半導体層１２−１４は、図２中の基板１上に順次積層された複数の半導体層２−４と同様にして形成される。
【００１４】
１０００℃の基板温度でｎ型ＧａＮ層１４を成長させた後には、基板温度を８００℃まで降温し、ＩｎＧａＮウェル層とＧａＮバリア層を含む量子井戸発光層１５を成長させる。その後、基板温度を９８０℃まで昇温し、ｐ型層１６を成長させる。
【００１５】
このようにして形成された本実施例２の窒化物系化合物半導体発光素子の光出力を測定したところ、２０ｍＡの注入電流において８ｍＷの光出力が得られた。他方、発光層より下の層に特許文献１の従来技術を適用したことのみにおいて本実施例２と異なる発光素子では、２０ｍＡの注入電流において６ｍＷの光出力しか得られなかった。すなわち、本実施例２の窒化物系化合物半導体発光素子は、従来技術を含む発光素子素子に比べて光出力が顕著に改善されていることが分かる。
【００１６】
（実施例３）
図６の模式的線図は、本発明の実施例３における窒化物系化合物半導体層の成長温度プロファイルを示している。すなわち、図６の線図においも、縦方向は温度を表し、横方向は半導体層の成長時間を表している。なお、本実施例３により作製される発光素子の断面構造は、図５に示されたものと同様である。
【００１７】
図５と図６を参照して、まずサファイア基板１１を１０２０℃に保持してＴＭＧとＮＨ3を供給することによって、ＧａＮバッファ層１２を約１０ｎｍの厚さに成長させる。次に、基板温度を１０００℃まで降温し、ＳｉＮ層１３を約２０ｎｍの厚さに成長させる。引き続いて、基板温度を１０００℃に保持したままで、ｎ型ＧａＮ層１４を４μｍの厚さに成長させる。次に、基板温度を８００℃まで降温し、ＩｎＧａＮウェル層とＧａＮバリア層を含む量子井戸発光層１５を成長させる。その後、基板温度を９８０℃まで昇温し、ｐ型層１６を成長させる。
【００１８】
このようにして形成した本実施例３の窒化物系化合物半導体発光素子の光出力を測定したところ、実施例２の場合と同様に２０ｍＡの注入電流において８ｍＷの光出力が得られた。他方、発光層より下の層に特許文献１の従来技術を適用したことのみにおいて本実施例３と異なる発光素子においても、２０ｍＡの注入電流において６ｍＷの光出力しか得られなかった。すなわち、本実施例３の窒化物系化合物半導体発光素子も、従来技術を含む発光素子素子に比べて光出力が顕著に改善されていることが分かる。
【００１９】
（実施例４）
図７の模式的線図は、本発明の実施例４における窒化物系化合物半導体層の成長温度プロファイルを示している。すなわち、図７の線図においも、縦方向は温度を表し、横方向は半導体層の成長時間を表している。なお、本実施例４により作製される発光素子の断面構造も、図５に示されたものと同様である。
【００２０】
図５と図７を参照して、まずサファイア基板１１を１０２０℃に保持して、ＧａＮバッファ層１２を約１０ｎｍの厚さに成長させる。次に、基板温度を９９０℃まで降温し、ＳｉＮ層１３を約２０ｎｍの厚さに成長させる。また、基板温度を１０２０℃まで昇温し、ｎ型ＧａＮ層１４を４μｍの厚さに成長させる。さらに、基板温度を８００℃まで降温し、ＩｎＧａＮウェル層とＧａＮバリア層を含む量子井戸発光層１５を成長させる。その後、基板温度を９８０℃まで昇温し、ｐ型層１６を成長させる。
【００２１】
このようにして形成した本実施例４の窒化物系化合物半導体発光素子の光出力を測定したところ、２０ｍＡの注入電流において８．５ｍＷの光出力が得られた。他方、発光層より下の層に特許文献１の従来技術を適用したことのみにおいて本実施例４と異なる発光素子においては、２０ｍＡの注入電流において６．５ｍＷの光出力しか得られなかった。すなわち、本実施例４の窒化物系化合物半導体発光素子も、従来技術を含む発光素子素子に比べて光出力が顕著に改善されていることが分かる。
【００２２】
（実施例５）
図８の模式的線図は、本発明の実施例５における窒化物系化合物半導体層の成長温度プロファイルを示している。すなわち、図８の線図においも、縦方向は温度を表し、横方向は半導体層の成長時間を表している。なお、本実施例５により作製される発光素子の断面構造も、図５に示されたものと同様である。
【００２３】
図５と図８を参照して、まずサファイア基板１１を１０００℃に保持して、ＧａＮバッファ層１２を約１０ｎｍの厚さに成長させる。次に、基板温度を１０２０℃まで昇温し、ＳｉＮ層１３を約２０ｎｍの厚さに成長させる。また、基板温度を１０００℃まで降温し、ｎ型ＧａＮ層１４を４μｍの厚さに成長させる。さらに、基板温度を８００℃まで降温し、ＩｎＧａＮウェル層とＧａＮバリア層を含む量子井戸発光層１５を成長させる。その後、基板温度を９８０℃まで昇温し、ｐ型層１６を成長させる。このようにして形成した本実施例５の窒化物系化合物半導体素子の光出力を測定したところ、２０ｍＡの注入電流において８．５ｍＷの光出力が得られた。他方、発光層より下の層に特許文献１の従来技術を適用したことのみにおいて本実施例５と異なる発光素子においては、２０ｍＡの注入電流において６．５ｍＷの光出力しか得られなかった。すなわち、本実施例５の窒化物系化合物半導体発光素子も、従来技術を含む発光素子素子に比べて光出力が顕著に改善されていることが分かる。
【００２４】
（実施例６）
図９の模式的線図は、本実施例６における窒化物系化合物半導体層の成長温度プロファイルを示している。すなわち、図９の線図においても、縦方向は温度を表し、横方向は半導体層の成長時間を表している。また、図１０の模式的断面図は、本実施例６において作製された窒化物系化合物半導体素子を示している。
【００２５】
まず、ＭＯＣＶＤ炉内は１３．３ｋＰａの圧力に制御される。次に、その１３．３ｋＰａの圧力下でサファイア基板２１を室温から１０００℃に昇温し、１０００℃で１０分間保持する。このとき、水素を毎分１５リットルで流す。次に、ＮＨ3を１００ｃｃｍで流しはじめ、それとほぼ同時にＴＭＧとＴＭＡを供給しはじめる。ＴＭＧは５１．３μｍｏｌ／分、ＴＭＡは２５．５μｍｏｌ／分の流量で流し、キャリアガスには水素を用い、全流量は３０リットル毎分とする。これによって、６０分間で厚さ約０．７μｍのＡｌＧａＮバッファ層２２が成長する。
【００２６】
次に、炉内へのＴＭＧとＴＭＡの供給を止め、ＮＨ3は１００ｃｃｍで流し、全流量が３０リットル毎分となるように水素を流す。この状態で、炉内の圧力を１３．３ｋＰａから９３．３ｋＰａに変更する。圧力が９３．３ｋＰａで安定したら、ＮＨ3を３．５リットル毎分の流量にし、ＴＭＧを１６０μｍｏｌ／分の流量で流し、ＳｉＨ4を７０ｃｃｍで供給することによってｎ型ＧａＮ層２４を４μｍの厚さに成長させる。
【００２７】
次に、基板温度を８００℃まで降温し、ＩｎＧａＮウェル層とＧａＮバリア層を含む量子井戸発光層２５を成長させる。その後、基板温度を９８０℃まで昇温し、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６ａとｐ型ＧａＮ層１６を順次成長させる。
【００２８】
このようにして形成した本実施例６の窒化物系化合物半導体素子の光出力を測定したところ、２０ｍＡの注入電流において８．５ｍＷの光出力が得られた。他方、発光層より下の層に特許文献１の従来技術を適用したことのみにおいて本実施例６と異なる発光素子においては、２０ｍＡの注入電流において６．５ｍＷの光出力しか得られなかった。すなわち、本実施例６の窒化物系化合物半導体発光素子も、従来技術を含む発光素子素子に比べて光出力が顕著に改善されていることが分かる。
【００２９】
（実施例７）
図１１の模式的断面図は、実施例７において作製された窒化物系化合物半導体発光素子を示している。この発光素子の作製において、まずＭＯＣＶＤ炉内を１３．３ｋＰａの圧力に制御する。その１３．３ｋＰａの圧力下でサファイア基板３１を室温から１０００℃に昇温し、１０００℃で１０分間保持する。このとき、水素を毎分１５リットルで流す。
【００３０】
次に、ＮＨ3を１００ｃｃｍで流しはじめ、それとほぼ同時にＴＭＧとＴＭＡを供給しはじめる。ＴＭＧは５１．３μｍｏｌ／分の流量で、ＴＭＡは２５．５μｍｏｌ／分の流量で流し、キャリアガスには水素を用い、全流量は３０リットル毎分とする。そうすれば、６０分間で約０．７μｍの厚さのＡｌＧａＮバッファ層３２が成長する。
【００３１】
次に、炉内へのＴＭＧとＴＭＡの供給を止め、ＮＨ3は１００ｃｃｍで流し、全流量が３０リットル毎分となるように水素を流す。この状態で、３０ｐｐｍのＳｉＨ4を５ｃｃｍで３分間流し、ＳｉＮ層（１）３３ａを形成する。
【００３２】
次に、炉内の圧力を１３．３ｋＰａから９３．３ｋＰａに変更する。圧力が９３．３ｋＰａで安定したら、ＮＨ3を３．５リットル毎分の流量にし、ＴＭＧを１６０μｍｏｌ／分の流量で流し、１ｐｐｍのＳｉＨ4を７０ｃｃｍで供給することによって、ｎ型ＧａＮ層３４ａを４μｍの厚さに成長させる。
【００３３】
次に、炉内へのＴＭＧの供給を止め、ＮＨ3は１００ｃｃｍで流し、全流量が３０リットル毎分となるように水素を流す。この状態で、３０ｐｐｍのＳｉＨ4を２ｃｃｍで１分間流し、ＳｉＮ層（２）３３ｂを形成する。
【００３４】
次に、ＮＨ3を３．５リットル毎分の流量にし、ＴＭＧを１６０μｍｏｌ／分の流量で流し、１ｐｐｍのＳｉＨ4を７０ｃｃｍで供給することによって、ｎ型ＧａＮ層３４ｂを２μｍの厚さに成長させる。
【００３５】
次に、基板温度を８００℃まで降温し、発光層３５を成長させる。その後、基板温度を９８０℃まで昇温し、ｐ型ＡｌＧａＮ層３６ａとｐ型ＧａＮ層３６を順次成長させる。
【００３６】
なお、本実施例７では、２層のＳｉＮ層３３ａ、３３ｂが設けられたが、より多くの層のＳｉＮ層が設けられてもよい。また、各種ガスの流量や圧力などの条件は、上述の具体例に限られず、適宜に変更が可能である。
【００３７】
上述のようにして形成した本実施例７の窒化物系化合物半導体素子の光出力を測定したところ、２０ｍＡの注入電流において８．５ｍＷの光出力が得られた。他方、発光層より下の層に特許文献１の従来技術を適用したことのみにおいて本実施例７と異なる発光素子においては、２０ｍＡの注入電流において６．５ｍＷの光出力しか得られなかった。すなわち、本実施例７の窒化物系化合物半導体発光素子も、従来技術を含む発光素子素子に比べて光出力が顕著に改善されていることが分かる。
【００３８】
（実施例８）
図１２の模式的断面図は、実施例８において作製された窒化物系化合物半導体素子を示している。この発光素子の作製においては、まずＭＯＣＶＤ炉内を１３．３ｋＰａの圧力に制御する。その１３．３ｋＰａの圧力下でサファイア基板を室温から１０００℃に昇温し、１０００℃で１０分間保持する。このとき、水素を毎分１５リットルで流す。
【００３９】
次に、ＮＨ3を１００ｃｃｍで流しはじめ、それとほぼ同時にＴＭＧとＴＭＡを供給しはじめる。ＴＭＧは５１．３μｍｏｌ／分の流量で、ＴＭＡは２５．５μｍｏｌ／分の流量で流し、キャリアガスには水素を用い、全流量は３０リットル毎分とする。そうすれば、６０分間で約０．７μｍの厚さのＡｌＧａＮバッファ層４２が成長する。
【００４０】
次に、炉内へのＴＭＧとＴＭＡの供給を止め、ＮＨ3は１００ｃｃｍで流し、全流量が３０リットル毎分となるように水素を流す。この状態で、３０ｐｐｍのＳｉＨ4を５ｃｃｍで３分間流し、ＳｉＮ層（１）４３ａを形成する。
【００４１】
次に、ＮＨ3を３．５リットル毎分の流量にし、ＴＭＧを１６０μｍｏｌ／分の流量で流し、１ｐｐｍのＳｉＨ4を７０ｃｃｍで供給することによって、ｎ型ＧａＮ層（１）４４ａを１μｍの厚さに成長させる。
【００４２】
次に、炉内の圧力を１３．３ｋＰａから９３．３ｋＰａに変更する。圧力が９３．３ｋＰａで安定したら、ＮＨ3を３．５リットル毎分の流量にし、ＴＭＧを１６０μｍｏｌ／分の流量で流し、１ｐｐｍのＳｉＨ4を７０ｃｃｍで供給することによって、ｎ型ＧａＮ層（２）４４ｂを３μｍの厚さ成長させる。
【００４３】
次に、炉内の圧力を９３．３ｋＰａから１３．３ｋＰａに変更する。圧力が１３．３ｋＰａで安定したら、ＮＨ3は１００ｃｃｍで流し、全流量が３０リットル毎分となるように水素を流す。この状態で、３０ｐｐｍのＳｉＨ4を５ｃｃｍで２分間流し、ＳｉＮ層（２）４３ｂを形成する。
【００４４】
次に、ＮＨ3を３．５リットル毎分の流量にし、ＴＭＧを１６０μｍｏｌ／分の流量で流し、１ｐｐｍのＳｉＨ4を７０ｃｃｍで供給することによって、ｎ型ＧａＮ層（３）４４ｃを１μｍの厚さに成長させる。
【００４５】
次に、炉内の圧力を１３．３ｋＰａから９３．３ｋＰａに変更する。圧力が９３．３ｋＰａで安定したら、ＮＨ3を３．５リットル毎分の流量にし、ＴＭＧを１６０μｍｏｌ／分の流量で流し、１ｐｐｍのＳｉＨ4を７０ｃｃｍで供給することによって、ｎ型ＧａＮ層（４）４４ｄを３μｍの厚さに成長させる。
【００４６】
次に基板温度を８００℃まで降温し、発光層を成長させる。その後、基板温度を９８０℃まで昇温し、ｐ型ＡｌＧａＮ層４６ａとｐ型ＧａＮ層４６を順次成長させる。
【００４７】
なお、本実施例８では、複数のｎ型ＧａＮ層の一部を圧力９３．３ｋＰａで成長させ、他の一部を圧力１３．３ｋＰａで成長させたが、圧力値はこれに限らず、複数のｎ型ＧａＮ層の全部を同一圧力で成長してもよい。
【００４８】
上述のようにして形成した本実施例８の窒化物系化合物半導体素子の光出力を測定したところ、２０ｍＡの注入電流において８．５ｍＷの光出力が得られた。他方、発光層より下の層に特許文献１の従来技術を適用したことのみにおいて本実施例８と異なる発光素子においては、２０ｍＡの注入電流において６．５ｍＷの光出力しか得られなかった。すなわち、本実施例８の窒化物系化合物半導体発光素子も、従来技術を含む発光素子素子に比べて光出力が顕著に改善されていることが分かる。
【００４９】
なお、以上において種々の実施例が示されたが、バッファ層の成長温度は９００℃以上であればよい。そうすることによって、サファイア基板との界面で発生する転位を低減させることができる。すなわち、バッファ層の成長温度が９００℃より下がれば下がるほど、転位密度が上昇してしまう。
【００５０】
また、Ｖ族元素の分圧は、５００Ｐａ以下にすることが好ましい。このようにすることで、Ｖ族元素とＩＩＩ族元素の気相反応を抑制することができ、半導体層の結晶品質を向上させると共に、面内均一性を向上させることができる。すなわち、Ｖ族元素の分圧を５００Ｐａ以上にすれば、気相反応が生じて面内均一性が低下する。
【００５１】
また、反応ガスが基板上を流れる流速は、１０ｃｍ／秒以上であることが好ましい。このようにすることで、成長する半導体層の面内均一性が向上する。流速をこれより下げれば下げるほど、面内均一性が低下する。
【００５２】
また、バッファ層厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。その厚さを１０ｎｍ以上にすることで、貫通転位密度を低減させることができる。すなわち、バッファ層がこれよりも薄ければ、貫通転位密度が増大する。さらに好ましくは、バッファ層の厚さを１００ｎｍ以上にすればよい。バッファ層の厚さを１００ｎｍ以上にすることで、バッファ層から上に伸びる貫通転位密度をさらに低減させることができる。
【００５３】
また、ＳｉＮ層は３原子層以下であることが好ましい。ＳｉＮ層が３原子層よりも厚い場合、転位密度が低くて結晶品質がよいものが成長するが、ＳｉＮ層を厚く形成するには時間がかかってしまう。ＳｉＮ層は非常に薄くてもでも効果が得られ、３原子層程度の厚さの場合に、成長時間も短くて生産性がよいので好ましい。なお、生産性の観点から望まれる場合には、ＳｉＮ層を省略することも可能である。
【００５４】
また、第一導電型窒化物系半導体層（上述の実施例ではｎ型層）の全部または一部を９５ｋＰａ以下の圧力で成長させるのが好ましい。このようにすることで、ｎ型層の横方向成長が促進し、ｎ型層の面内均一性が増す。また、発光層の全部または一部を９５ｋＰａ以下の圧力で成長させることで、その面内均一性が増す。さらに、第二導電型窒化物系半導体層（上述の実施例ではｐ型層）の全部または一部を９５ｋＰａ以下の圧力で成長させることにより、その面内均一性が増す。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明によれば、貫通転位の少ない窒化物系半導体素子を得ることができ、ひいては光出力の改善された窒化物系半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例における複数の化合物半導体層の成長中の温度プロファイルを示す模式的線図である。
【図２】図１の温度プロファイルを利用して作製され得る窒化物系化合物半導体素子の模式的断面図である。
【図３】図１の温度プロファイルを利用して作製さた窒化物系化合物半導体素子と従来技術による窒化物系化合物半導体素子とにおける転位密度の比較を示す模式的グラフである。
【図４】本発明の他の実施例における複数の化合物半導体層の成長中の温度プロファイルを示す模式的線図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例における複数の化合物半導体層の成長中の温度プロファイルを示す模式的断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例における複数の化合物半導体層の成長中の温度プロファイルを示す模式的線図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例における複数の化合物半導体層の成長中の温度プロファイルを示す模式的線図である。
【図８】本発明のさらに他の実施例における複数の化合物半導体層の成長中の温度プロファイルを示す模式的線図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例における複数の化合物半導体層の成長中の温度プロファイルを示す模式的線図である。
【図１０】図９の温度プロファイルを利用して作製され得る窒化物系化合物半導体素子の模式的断面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施例で作製され得る窒化物系化合物半導体素子の模式的断面図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施例で作製され得る窒化物系化合物半導体素子の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  サファイア基板、２  ＧａＮバッファ層、３  ＳｉＮ層、４  ｎ型ＧａＮ層、１１  サファイア基板、１２  ＧａＮバッファ層、１３  ＳｉＮ層、１４  ｎ型ＧａＮ層、１５  発光層、１６  ｐ型ＧａＮ層、２１  サファイア基板、２２  ＡｌＧａＮバッファ層、２４  ｎ型ＧａＮ層、２５  発光層、２６ａ  ｐ型ＡｌＧａＮ層、１６  ｐ型ＧａＮ層３１  サファイア基板、３２  ＡｌＧａＮバッファ層、３３ａ、３３ｂ  ＳｉＮ層、３４ａ、３４ｂ  ｎ型ＧａＮ層、３５  発光層、３６ａ  ｐ型ＡｌＧａＮ層、３６  ｐ型ＧａＮ層、４１  サファイア基板、４２  ＡｌＧａＮバッファ層、４３ａ、４３ｂ  ＳｉＮ層、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ  ｎ型ＧａＮ層、４５  発光層、４６ａ  ｐ型ＡｌＧａＮ層、４６  ｐ型ＧａＮ層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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