(57)【要約】  本発明は、極めて結晶性に優れた下地層を２μｍ程度の薄い膜厚により実現することによって、高い生産性を有する成膜技術を提供することを目的とする。本発明の一実施形態は、基板ホルダーに保持されたサファイア基板上にスパッタリング法によってバッファー層を形成する工程を有する成膜方法に関し、バッファー層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）に、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｒの群から選ばれた少なくとも一つの物質が添加されたウルツ鉱構造を有するエピタキシャル膜を備える。
2014141601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）に、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｒの群から選ばれた少なくとも一つの物質が添加されたウルツ鉱構造を有するエピタキシャル膜を備えるバッファー層を、基板ホルダーに保持されたサファイア基板上に、スパッタリング法によって形成する工程を有することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記基板ホルダーは、前記サファイア基板を任意の温度に加熱可能なヒーターを備えており、
前記バッファー層は、前記サファイア基板が前記基板ホルダーの基板対向面と所定距離だけ離間して保持された状態で、前記サファイア基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記バッファー層中の、前記Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｒの群から選ばれた少なくとも一つの物質の割合は、５ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記バッファー層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を備える下地層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記下地層の膜厚は５μｍ未満であることを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
【請求項６】
サファイア基板上にウルツ鉱構造を有するエピタキシャル膜を備えるバッファー層をスパッタリング法によって形成する工程と、
前記バッファー層の上に下地層を形成する工程と、
前記下地層の上に発光層を形成する工程と、を有し、
前記バッファー層は請求項１に記載された成膜方法によって形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１に記載された成膜方法によって形成された前記バッファー層を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体発光素子を備えることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜方法，半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子、照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜のエピタキシャル成長には、高い生産性が得られやすい有機金属化合物化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられている。また、ＭＯＣＶＤ法によって成長したＩＩＩ族窒化物半導体薄膜は、従来、１０９ｃｍ−２台後半から１０１０ｃｍ−２台にかけての貫通転位密度を有する低品質なものが多かったが、近年の技術開発の進展によって、高品質な単結晶膜として得られるようになってきた。例えば、現在市販されている青色ＬＥＤにおいて、平坦な表面を有するサファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を５乃至１０μｍ程度の厚みとして結晶成長させた場合には、１×１０９ｃｍ−２程度まで貫通転位密度を低減することに成功している。他の化合物半導体デバイスに比べれば、この貫通転位密度は非常に高い値であるが、平坦な表面を有するサファイア基板上に形成した青色ＬＥＤで用いられるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜としては良好な結晶性である。【０００３】
今後の更なるデバイス特性の向上を考えた場合、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜としては、５×１０８ｃｍ−２程度の貫通転位密度が得られることが望ましく、更に１×１０８ｃｍ−２程度の貫通転位密度であることがより望ましい。しかし、平坦な表面を有するサファイア基板上では、５×１０８ｃｍ−２程度まで貫通転位密度を下げることは難しく、更に１×１０８ｃｍ−２程度まで下げることはより難しい。このため、表面に凹凸のあるサファイア基板や、炭化珪素基板を用いることによって、貫通転位密度を低減することなどが検討されている。ただし、このような基板を用いると基板のコストが高くなるという問題がある。【０００４】
一方、サファイア基板上に、スパッタリング法により成膜したＡｌＮ膜からなるバッファー層を形成し、その上にＭＯＣＶＤ法によってＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層を形成することで高品質なＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を得る方法が検討されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、ＡｌＮ膜からなるバッファー層に１％未満の酸素が含有されることにより、サファイア基板とバッファー層との間の格子整合性が向上し、バッファー層の配向性が向上することによって、その上に形成するＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の結晶性が向上することが記載されている。また、特許文献１には、１％未満の酸素が含有されたＡｌＮ膜からなるバッファー層上に、結晶性の良好な下地層（特許文献１ではＧａを含むＩＩＩ族窒化物半導体）を形成するために、該下地層の膜厚を０．１乃至８μｍの範囲とすることが望ましく、生産性の観点からは０．１乃至２μｍの範囲が望ましいと記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−８２５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によれば、１％未満の酸素が含有されたＡｌＮ膜からなるバッファー層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる該下地層を形成し、その膜厚を０．１乃至８μｍの範囲とすることによって、結晶性の良好な下地層を得ることができると記載されている。しかし、該下地層の膜厚が０．１乃至８μｍの範囲における、該下地層の結晶性と膜厚との関係については何ら開示されていない。【０００７】
本発明者らが行った特許文献１に記載された発明の確認実験によれば、膜厚が５μｍ以上の下地層において極めて結晶性が良好となる。これは、サファイアとバッファー層、または、バッファー層と下地層の界面で発生する転位が、下地層の膜厚を厚くすることによって成長途中で曲がり、表面へ伝播する貫通転位密度が低減された結果である。【０００８】
一方、特許文献１によれば、１％未満の酸素が含有されたＡｌＮ膜からなるバッファー層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる該下地層を形成し、その膜厚を０．１乃至２μｍの範囲とすることによって、高い生産性を得ることができる。先述したように、本発明者らが行った特許文献１に記載された発明の確認実験によれば、膜厚を２μｍとした下地層では、貫通転位密度は１×１０９ｃｍ−２程度と結晶性は良好である。しかし、下地層を５μｍ以上とすることによって、貫通転位密度は５．０×１０８ｃｍ−２程度か、それ以下となり、更に結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を得ることができる。すなわち、特許文献１に開示された技術を用いて、５．０×１０８ｃｍ−２程度か、それ以下となる、極めて結晶性に優れた下地層を得るためには、その膜厚を５μｍ以上とする必要があるため、成膜に要する時間が長くなり、生産性が大きく損なわれるという問題がある。【０００９】
また、特許文献１に記載された技術は、ＡｌＮ／サファイア界面での格子不整合率を低減できる反面、ＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層）とＡｌＮ膜（バッファー層）との格子不整合率は増加する、というトレードオフの関係を有する。このため、特許文献１に記載された技術によれば、該バッファー層の配向の乱れに起因する下地層の転位については抑制することが可能であるが、ＧａＮ／ＡｌＮ界面の格子不整合により発生する転位を抑制することは困難である。ＧａＮ／ＡｌＮ界面の格子不整合により発生する転位を解消するためには、上述のように下地層の膜厚を例えば５μｍ以上に厚くする必要がある。すなわち、特許文献１に記載された技術だけでは、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層を２μｍ程度に薄くし、且つ、該下地層の貫通転位密度を良好に保つことが困難となる。【００１０】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、極めて結晶性に優れた下地層を２μｍ程度の薄い膜厚により実現することによって、高い生産性を有する成膜技術を提供することにある。本発明の他の目的は、貫通転位密度の良好な下地層を形成できる成膜技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋭意研究の結果、後述するように、サファイア基板上に形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）を主相とするバッファー層にＣなどを添加することで、バッファー層上に形成される下地層の結晶性を良好にできることを見出し、以下の本発明を完成させた。【００１２】
本発明の一態様は、成膜方法であって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）に、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｒの群から選ばれた少なくとも一つの物質が添加されたウルツ鉱構造を有するエピタキシャル膜を備えるバッファー層を、基板ホルダーに保持されたサファイア基板上に、スパッタリング法によって形成する工程を有することを特徴とする。【００１３】
上述の成膜方法により形成されたバッファー層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を備える下地層を形成することによって、該下地層の膜厚が２μｍ程度と薄くても、特許文献１に記載された技術を用いて成膜した５μｍ以上の該下地層と同等の結晶性を有する下地層を得ること、すなわち、該２μｍ程度の該下地層の結晶性を良好に保つことが可能となる。そのため、高い生産性で高品質なＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を得ることができる。【００１４】
上述の成膜方法においては、前記基板ホルダーは、前記サファイア基板を任意の温度に加熱可能なヒーターを備えており、前記バッファー層は、前記サファイア基板が前記基板ホルダーの基板対向面と所定距離だけ離間して保持された状態で、前記サファイア基板上に形成されるとより望ましい。【００１５】
また、本発明の別の態様は、半導体発光素子の製造方法であって、サファイア基板上にウルツ鉱構造を有するエピタキシャル膜を備えるバッファー層をスパッタリング法によって形成する工程と、前記バッファー層の上に下地層を形成する工程と、前記下地層の上に発光層を形成する工程と、を有し、前記バッファー層は上述の成膜方法によって形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、極めて結晶性に優れた下地層を５μｍ未満、例えば２μｍ程度の薄い膜厚により実現することによって、下地層の成膜に要する時間を低減し、高い生産性を有する技術を提供できる。また、本発明によれば、貫通転位密度の良好な下地層を形成できる技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るバッファー層の成膜に用いたスパッタリング装置の概略構成図である。
【図２Ａ】本発明に係るバッファー層におけるチルトのモザイク広がりを説明する概念図である。
【図２Ｂ】本発明に係るバッファー層におけるツイストのモザイク広がりを説明する概念図である。
【図３Ａ】本発明に係るバッファー層における＋ｃ極性を説明する概念図である。
【図３Ｂ】本発明に係るバッファー層における−ｃ極性を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変できることは勿論である。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係るバッファー層の成膜に用いたスパッタリング装置Ｓの概略構成図である。ここで、符号１０１は真空容器、１０２はチャンバーシールド、１０３はスパッタリングカソード、１０４はスパッタリングターゲット、１０５はターゲットシールド、１０６はマグネットユニット、１０７はスパッタリング電源、１０８は基板ホルダー、１０９はヒーター、１１０はリフレクター、１１１は基板載置機構、１１２はサファイア基板、１１３はプロセスガス供給手段、１１４は真空排気手段、である。
【００２０】
真空容器１０１は、Ａｌ合金またはＳＵＳなどの金属部材から構成されており、その内部は、真空排気手段１１４によって高真空に保つことができる。チャンバーシールド１０２は、真空容器１０１への膜の付着を抑制しうる部材であり、ＳＵＳやニッケル合金などの比較的高温に耐えうる金属部材によって構成されている。スパッタリングカソード１０３は、真空容器１０１と電気的に絶縁され、スパッタリング電源１０７から投入される電力を、スパッタリングターゲット１０４へ供給する役割を果している。スパッタリングターゲット１０４は、スパッタリングカソード１０３へ不図示のボンディングプレートを介して取り付けられる。スパッタリングターゲット１０４は、Ａｌ金属またはＡｌＧａ合金に、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒの少なくとも一種類の元素を５ａｔ％以下の濃度で均一に分散させたものである。
【００２１】
ターゲットシールド１０５は、Ａｌ合金またはＳＵＳなどの金属部材から構成されている。マグネットユニット１０６は、スパッタリングカソード１０３内部に内蔵され、ターゲット１０４表面に磁場を生じさせることによって、マグネトロンスパッタリングを実現する。スパッタリング電源１０７は、スパッタリングカソード１０３へ電力を供給し、プラズマを発生させることによって、スパッタリング現象を引き起こす。なお、スパッタリング電源１０７としては、１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ）電源が好ましく用いられるが、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源と直流（ＤＣ）電源とを組み合わせて、ＲＦ電力にＤＣ電力を重畳する方式としても良く、また、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を、より低周波数のパルス状にして供給できる電源としても良い。さらに、６０ＭＨｚや他の周波数の電源を用いることも可能である。基板ホルダー１０８は、ヒーター１０９、リフレクター１１０、基板載置機構１１１、から構成される。ヒーター１０９は基板を任意の温度に効率的に加熱可能な、パイロリティックグラファイト（ＰＧ：Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｇｒａｈｉｔｅ）、またはＰＧにパイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ：Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）をコートしたものが好ましく用いられる。
【００２２】
ここで、ＰＧはヒーター電極としての機能を有し、直流または交流の電流をＰＧからなるヒーター電極に流すことで、発熱体としての機能を果す。リフレクター１１０は、モリブデンやＰＢＮなどから構成され、ヒーター１０９を効率的に加熱するために用いられる。基板載置機構１１１は、石英などの絶縁部材で構成され、サファイア基板１１２を外周部で保持している。ここで、基板載置機構１１１は、サファイア基板１１２を基板ホルダー１０８（ヒーター１０９）の表面Ｐ（基板対向面）から所定距離だけ離間して保持している。こうすることで、＋ｃ極性のバッファー層が得られやすくなる。サファイア基板１１２は、表面がｃ面（（０００１）面）のものが好ましく用いられる。また、該サファイア基板１１２としては、ｃ軸が基板法線方向から傾いたオフ基板を用いても良い。
【００２３】
なお、サファイア基板１１２が小径基板の場合、石英などの絶縁物からなるトレイに基板を載せてもよい。プロセスガス供給手段１１３は、不図示のマスフローコントローラと不図示のプロセスガス供給源を有し、希ガスおよび窒素含有ガスを真空容器１０１内に所定流量で導入する。なお、希ガスとしてはＡｒ、窒素含有ガスとしてはＮ２が好ましく用いられる。真空排気手段１１４は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）やクライオポンプなどを主排気ポンプと、ドライポンプなどのあら引きポンプ（補助ポンプ）を有する。これらの真空ポンプによって真空容器１０１内を真空排気できる。
【００２４】
本実施形態に係るバッファー層の成膜手順は以下の通りである。まず、サファイア基板１１２を不図示のロードロック機構に導入し、ロードロック機構を真空状態に排気してから、不図示の真空搬送機構を介して、図１に示すスパッタリング装置Ｓに搬送する。スパッタリング装置Ｓに搬送されたサファイア基板１１２は、基板載置機構１１１へ設置される。その後、プロセスガス供給手段１１３を用いて希ガスおよび窒素含有ガスを真空容器１０１に所定流量で導入し、スパッタリングターゲット１０４へ電力を供給することで、真空容器１０１内にプラズマを発生させる。スパッタリングターゲット１０４へ電力供給は、スパッタリング電源１０７からスパッタリングカソード１０３を介して行う。
【００２５】
発生したプラズマ中の正イオン成分のうち、カソードシース内に入り込んだものは、ターゲット１０４の表面に印加されている負の電圧により、ターゲット１０４側へ引き寄せられ、ターゲット１０４をたたくことによって、スパッタリング現象を引き起こす。このようなスパッタリング現象によってターゲットから放出されるターゲット構成元素は、気相中に存在する活性な窒素と、ターゲット表面、気相中、または基板表面で反応して、本実施形態に係るバッファー層が形成される。なお、ヒーター１０９内部、または、基板載置機構１１１外周部に、不図示のＲＦバイアス電極を配置し、本実施形態に係るバッファー層を成膜する前に、窒素含有雰囲気でＲＦバイアス電極によって発生したプラズマによって、基板の前処理を行っても良い。
【００２６】
このようにしてサファイア基板上にウルツ鉱構造を有するエピタキシャル膜として形成された、本実施形態にかかるバッファー層のバッファー層／サファイア基板界面付近での面内格子定数は、ターゲットにＡｌを用いた場合、公知技術（例えば特許文献１参照）によって形成されたバッファー層と大きな差が見られない。また、それらの配向性についても大きな差が見られない。すなわち、格子整合性に関しては、公知技術のバッファー層と差がなく、その結果として、それらの配向性についても大きな差が生じないものと考えられる。なお、配向性の詳細な説明については後述する。
【００２７】
一方、本実施形態にかかるバッファー層の表面近傍での面内格子定数は、該バッファー層のバッファー層／サファイア基板界面付近での面内格子定数に比べて大きくなる。また、本実施形態にかかるバッファー層の表面近傍での面内格子定数は、公知技術のバッファー層の表面近傍での面内格子定数に比べても大きい。さらに、本実施形態にかかるバッファー層における表面近傍での＋ｃ極性の割合は、公知技術のバッファー層の表面近傍での＋ｃ極性の割合よりも多くなる。
【００２８】
すなわち、本実施形態にかかるバッファー層は、バッファー層／サファイア界面から表面側にかけて大きく格子緩和しており、＋ｃ極性の割合も多い。一方、公知技術のバッファー層では、上記格子緩和が小さく、＋ｃ極性の割合も少ない。しかも、本実施形態に係るバッファー層と公知技術のバッファー層とでは、配向性にほとんど差が見られない。
【００２９】
このように、本実施形態に係るバッファー層において、バッファー層／サファイア基板界面から表面側にかけての格子緩和が大きい理由としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｓｉ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｇｅ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｇ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｚｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃｒ（記号「：」は左側に記載された物質と右側に記載された物質との混合物を表す）なるウルツ鉱結晶構造のバッファー層（ただし、０≦ｘ≦１であり、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒのバッファー層全体に占める割合は、これらの物質の合計で５ａｔ％以下）を用いたことで、上記、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒの物質が、母体となるウルツ鉱結晶の格子点に入らず、格子間に入り込み、比較的容易に格子緩和が生じたことが考えられる。なお、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒのバッファー層全体に占める割合は５ａｔ％以下であることが必要である。該割合を５ａｔ％より大きくすると、配向性が著しく悪化するため好ましくない。また、公知技術に比べて、本実施形態ではバッファー層の＋ｃ極性の割合が多くなりやすい。これは、図１に示すようにサファイア基板１１２を基板ホルダー１０８の基板対向面から離間して保持した効果による。このような＋ｃ極性のバッファー層を用いることも、上記格子緩和が生じやすくなる一要因と考えられる。
【００３０】
本実施形態のように、＋ｃ極性の割合が多いバッファー層を用いた場合には、＋ｃ極性のドメインと−ｃ極性のドメインとが混在したバッファー層に比べて、面内方向の結晶不連続性が改善される。すなわち、反転境界におけるバッファー層全体に蓄積される歪の緩和が起こりにくくなることで、個々のドメインが格子緩和しやすくなると考えられる。一方、＋ｃ極性の割合が少ない公知の技術により成膜したＡｌＮ膜からなるバッファー層は、＋ｃ極性のドメインと−ｃ極性のドメインとが混在しており、その界面には反転境界なる面内方向の結晶不連続性が生じることになる。このような反転境界が高密度で存在することによって、その反転境界においてバッファー層全体に蓄積される歪が緩和され、個々のドメインに蓄積される格子歪が相対的に少なくなると考えられる。すなわち、個々のドメインが格子緩和しにくくなることが予想される。
【００３１】
なお、＋ｃ極性の割合が多いバッファー層が得られることは、本発明において必須ではない。何故ならば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｓｉ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｇｅ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｇ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｚｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃｒなるウルツ鉱結晶構造のバッファー層を用いることによって、格子緩和が引き起こされやすくなっているためである。ただし、サファイア基板１１２を基板ホルダー１０８の基板対向面から離間して保持することによって＋ｃ極性の割合が多くなるように制御することは、より格子緩和がしやすくなるため、好ましい。
【００３２】
また、バッファー層の＋ｃ極性への配向が制御できなければ、結晶品質の高いＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層を得られにくいといった問題もあるが、これは下地層の成膜方法や成膜条件を、大きく改善することによって、回避できる可能性がある。何故なら、一般に下地層（ＧａＮ膜）における成長速度は、−ｃ極性より＋ｃ極性の方が早いため、バッファー層の極性を引き継いで−ｃ極性に配向した下地層の一つのドメイン上を、＋ｃ極性に配向した下地層の他のドメインが覆う可能性があるためである。このため、バッファー層の＋ｃ極性への配向が制御できなかったとしても、本発明の効果が得られる。ただし、このように下地層を成長させることは、一般にはかなり困難であるため、バッファー層の＋ｃ極性への配向が制御できることは、好ましい形態である。
【００３３】
次に、本実施形態に係るバッファー層の上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層を形成する手段について説明する。まず、本実施形態にかかるスパッタリング法によってバッファー層が形成されたサファイア基板を、スパッタリング装置Ｓより大気中に取り出し、その後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内へ導入する。ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内へ導入されたサファイア基板は、所定の温度まで昇温され、その後、アンモニア（ＮＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）などの原料ガスを水素（Ｈ２）などのキャリアガスと共にリアクター内へ供給することによって、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層を形成することができる。
【００３４】
ここで、本実施形態に係るバッファー層は、バッファー層／サファイア基板界面部において、公知技術により形成されたＡｌＮ膜からなるバッファー層と同程度の格子整合性となっている。そのため、本実施形態に係るバッファー層と、公知の技術により形成されたバッファー層とは、同程度の配向性となっている。一方、本実施形態に係るバッファー層は、公知のものに比べて、格子緩和が引き起こされやすく、下地層／バッファー層界面で生じる格子不整合は、本実施形態に係るバッファー層の方が小さくなる。
【００３５】
以上のことから、上記のような方法でバッファー層上に形成した下地層は、公知の技術により得られる下地層に比べて、下地層／バッファー層界面で生じる転位が少なくなる。また、バッファー層の配向性の乱れに起因する下地層の転位は本実施形態と公知の技術によるバッファー層とで同程度となる。このため、本実施形態によるバッファー層を用い、該バッファー層上にＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層を形成することによって、該下地層の膜厚を２μｍまで低減しても、該下地層に生じる貫通転位は、公知の技術による下地層を５μｍとした場合と同程度になる。その結果、成膜に要する時間が低減されて高い生産性でＩＩＩ族窒化物半導体が形成される。
【００３６】
なお、本実施形態を利用して半導体発光素子を作成する方法としては、バッファー層上にＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層を形成し、その後、Ｓｉなどの不純物元素を微量添加したｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮとＧａＮの多重量子井戸構造からなる発光層と、Ｍｇなどの不純物元素を微量添加したｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体層とを順次積層することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるエピタキシャルウェハーを形成する。その後、エピタキシャルウェハーに対し、リソグラフィー技術およびＲＩＥ技術を用い、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体層上には、良く知られた透光性電極、ｐ型ボンディングパッド電極などを形成し、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体層上には、良く知られたｎ型電極を形成し、最終的に、良く知られた保護膜を形成する。
【００３７】
具体的には、透光性電極としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）、ｐ型ボンディングパッド電極としてチタン（Ｔｉ）、Ａｌ、金（Ａｕ）を積層した構造、ｎ型電極としてニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕを積層した構造、保護膜としてＳｉＯ２を用いることができる。また、このようにして得られたＬＥＤ構造を形成したウェハーをスクライブにより３５０μｍ角のＬＥＤチップに分離し、このＬＥＤチップをリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線することによりＬＥＤ素子とすることができる。また、このＬＥＤ素子を用いて照明装置などを構成することができる。
【００３８】
次に、本明細書に記載した配向性の概念について、図２Ａ、２Ｂを用いて簡潔に説明する。図２Ａ、２Ｂには、バッファー層の配向性を表す指標としての、チルトのモザイク広がり（基板垂直方向の結晶方位のバラつき）と、ツイストのモザイク広がり（面内方向の結晶方位のバラつき）の概念図を示している。図２Ａはサファイア基板上に形成したバッファー層のチルトのモザイク広がりを説明する図である。符号２０１乃至２０４は、バッファー層を構成するウルツ鉱結晶構造のドメイン構造を示しており、全てｃ軸配向している様子を表している。符号２０５はサファイア基板である。ドメイン２０１および２０２のｃ軸の向きは共に揃っており、バッファー層におけるｃ軸の主たる結晶方位となっているが、ドメイン２０３およびドメイン２０４のｃ軸の向きは、ドメイン２０１および２０２のｃ軸の向きに対して僅かに傾いている。
【００３９】
また、図２Ｂは、サファイア基板上に形成したバッファー層のツイストのモザイク広がりを説明する図である。符号２０６乃至２０９は、上述したバッファー層を構成するｃ軸配向のウルツ鉱結晶構造からなるドメイン構造を示している。ドメイン２０６および２０７のａ軸の向き（面内方向の結晶方位）は共に揃っており、バッファー層におけるａ軸の主たる結晶方位となっているが、ドメイン２０８およびドメイン２０９のａ軸の向きは、ドメイン２０６および２０７のａ軸の向きに対して僅かに面内回転している。
【００４０】
このような、全体に対して支配的な結晶方位からのバラつきをモザイク広がりと呼び、特に、基板垂直方向の結晶方位のバラつきをチルトのモザイク広がり、面内方向の結晶方位のバラつきをツイストのモザイク広がりと言う。一般に、チルトやツイストのモザイク広がりは、配向性の不完全性を示すため、少ないほど良いことが知られている。なお、チルトやツイストのモザイク広がりの大きさは、基板表面に平行に形成された特定の格子面（対称面）や、基板表面に垂直に形成された特定の格子面に対してＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を行い、得られた回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を調べることで評価することができる。
【００４１】
なお、図２Ａ、２Ｂや上記の説明は、チルトやツイストのモザイク広がりを、概念的にわかりやすく説明するもので、何ら厳密性を保証するものではない。例えば、上記の全体に対して支配的な基板垂直方向の結晶方位や、全体に対して支配的な面内方向の結晶方位は、必ずしもサファイア基板のｃ軸やａ軸の向きと完全に一致しない場合がある。また、図２Ａ、２Ｂに示すような結晶と結晶の間の隙間は、必ずしも形成されない場合がある。重要なことは、モザイク広がりとは、支配的な結晶方位からのバラつきの度合いを示しているということである。
【００４２】
次に、バッファー層における極性の概念について、図３Ａ、３Ｂを用いて説明する。図３Ａはバッファー層が＋ｃ極性で形成されている様子、図３Ｂはバッファー層が−ｃ極性で形成されている様子を示している。ただし、バッファー層に含まれるＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒは、省略している。図３Ａ、３Ｂにおいて、符号３０１はＡｌまたはＧａ原子、符号３０２はＮ原子、符号３０３はサファイア基板である。＋ｃ極性のバッファー層と、−ｃ極性のバッファー層とを比較すると、ＡｌまたはＧａ原子の格子位置と、Ｎ原子の格子位置とが入れ替わっている。このような極性は、ウルツ鉱結晶構造からなるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜にも存在し、一般には、＋ｃ極性のＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の方が、＋ｃ極性のＩＩＩ族窒化物半導体薄膜に比べて結晶品質が良好となりやすい。また、バッファー層から、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層へは、バッファー層の有する極性状態が維持されやすいため、バッファー層を＋ｃ極性として得ることが望ましい。ただし、上述したように、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層の成膜方法や成膜条件を改善することによって、バッファー層に含まれる−ｃ極性の配向状態を引き継がないように該下地層を成長させることも可能であるため、バッファー層を＋ｃ極性で形成することは必須ではない。
【００４３】
以上述べたように、本実施形態においては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｓｉ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｇｅ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｇ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｚｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃｒの、少なくともいずれか一つのウルツ鉱結晶構造を有するバッファー層（ただし、０≦ｘ≦１であり、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒのバッファー層全体に占める割合は５ａｔ％以下）をスパッタリング法によってサファイア基板上に形成することによって、公知の技術によるバッファーに比べて、バッファー層表面において格子緩和したバッファー層を得ることが可能となる。また、公知の技術によるバッファー層と同等の配向性を有するバッファー層を得ることが可能となる。その上に、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層を形成することによって、該下地層の膜厚が２μｍ程度と薄くても、該下地層は貫通転位密度を、公知の技術による５μｍの膜厚の下地層と同等とする、すなわち、該２μｍの該下地層の結晶性を良好に保つことが可能となり、そのため、成膜に要する時間を低減して高い生産性で高品質なＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を得ることができるわけである。
【００４４】
（実施例１）
本発明の一実施形態として、図１のスパッタリング装置Ｓを用いて、ＡｌＮ：Ｓｉからなるバッファー層をサファイア基板上に形成し、その後、ＭＯＣＶＤ法によって、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜からなる下地層を形成する例について説明する。なお、本実施例ではＡｌＮ：Ｓｉからなるバッファー層を用いるが、他のバッファー層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｓｉ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｇｅ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｇ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｚｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｍｎ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：Ｃｒの、少なくともいずれか一つのウルツ鉱結晶構造を有するバッファー層（ただし、０≦ｘ≦１であり、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒのバッファー層全体に占める割合は５ａｔ％以下））についても、同様の効果が得られる。
【００４５】
まず、図１のスパッタリング装置Ｓを用いてサファイア基板上にＡｌＮ：Ｓｉからなるバッファー層を以下の条件で成膜する。なお、本実施例におけるバッファー層の成膜条件は、ターゲットを除いて、特許文献１と同様の条件としている。
・基板：（０００１）サファイア
・基板洗浄：フッ酸および有機溶剤による洗浄
・プラズマ処理の有無：有および無
・プラズマ処理時の基板温度：５００℃
・プラズマ処理時の圧力：１．０Ｐａ
・プラズマ処理時のプロセスガス：Ｎ２
・プラズマ処理時のＲＦバイアス電力：５０Ｗ
・ダミー放電回数：０回および１６回
・成膜前の到達圧力：１．０×１０−５Ｐａ以下
・成膜に使用したターゲット：Ａｌ：Ｓｉ（Ｓｉ濃度：０．５％）
・成膜時の基板温度：５００℃
・成膜時の圧力：０．５Ｐａ
・成膜時のプロセスガス：Ａｒ＋Ｎ２（Ａｒ：５ｓｃｃｍ、Ｎ２：１５ｓｃｃｍ）
・成膜時のＲＦ電力：２０００Ｗ
【００４６】
上記の条件でＡｌＮ：Ｓｉからなるバッファー層を４０ｎｍ成膜したところ、ＡｌＮ：Ｓｉの（０００２）面および（１０−１０）面のＸＲＣにおけるＦＷＨＭは、それぞれ約０．１°および約１．４°である。また、ＡｌＮ：Ｓｉの（１０−１０）面の面間隔を見積もるため、低角入射（入射角度：０．１°）のＩｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定を行うと、表面近傍の面内格子定数は３．１０７Ａとなり、表面部の面内格子定数は、バルクのＡｌＮとほぼ同じ値となる。更に、ＡｌＮ：Ｓｉ／サファイア基板界面の面内格子定数を見積もるため、上記の方法で１０ｎｍのバッファー層を成膜し、低角入射のＩｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定によって面内格子定数を調べると、面内格子定数としては約３．０７２Ａが得られる。このことから、ＡｌＮ：Ｓｉ膜は、ＡｌＮ：Ｓｉ／サファイア基板界面側から、ＡｌＮ：Ｓｉ表面側にかけて格子緩和すると考えられる。
【００４７】
次に、上記４０ｎｍのＡｌＮ：Ｓｉバッファー層上に、ＭＯＣＶＤ法によって２μｍのＧａＮからなる下地層を形成する。得られた下地層の貫通転位密度は、カソードルミネッセンス法によって、約３．５×１０８ｃｍ−２と見積もられる。なお、本実施例において、バッファー層成膜前の基板のプラズマ処理の有無、プラズマ処理有の場合に公知の技術によるダミー放電の回数を０、１６回として、それぞれバッファー層を成膜するが、バッファー層の膜質、およびその上に形成したＧａＮからなる下地層の膜質には、大きな差が見られない。
【００４８】
（比較例１）
次に、比較例として、特許文献１に開示された発明の確認実験を行った。本比較例において、特許文献１の図５に記載されたスパッタリング装置と同様の構成を有するスパッタリング装置によって、ＡｌＮからなるバッファー層をサファイア基板上に形成した。その後、ＭＯＣＶＤ法によって２μｍおよび５μｍのＧａＮからなる下地層を形成する。また、ＡｌＮからなるバッファー層の成膜条件は、特許文献１に開示された成膜条件と同様であり、実施例１のバッファー層の成膜条件とも同じ条件としている。更に、ＭＯＣＶＤ法によって成膜したＧａＮからなる下地層の成膜条件は、実施例１と同様である。
【００４９】
本比較例において成膜したＡｌＮからなるバッファー層には１％未満の酸素が混入しており、４０ｎｍでの配向性および１０ｎｍでの面内格子定数は、実施例１におけるバッファー層とほぼ同様である。一方、４０ｎｍでの面内格子定数は、１０ｎｍでの面内格子定数と大きな変化がなく、格子緩和がほとんど生じていない。このバッファー層上に、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ膜からなる下地層を２μｍ、５μｍ、８μｍとして形成したところ、その貫通転位密度は、それぞれ約１×１０９ｃｍ−２、約５×１０８ｃｍ−２、約３．５×１０８ｃｍ−２となった。すなわち、実施例１の下地層の膜厚は２μｍと薄いにもかかわらず、比較例１の８μｍの膜厚を有する下地層と同等の貫通転位密度を実現したことがわかる。
【００５０】
以上のように、本発明の一実施形態にかかるバッファー層を用いることによって、ＧａＮ膜からなる下地層を５μｍ未満としても、特許文献１に開示された技術によって成膜した５μｍ以上の膜厚のＧａＮと同等の結晶品質が得られ、その結果、高い結晶品質を有しながら、高い生産性でＩＩＩ族窒化物半導体が得られるようになる。なお、本発明の一実施形態によって得られたバッファー層上に、８μｍのＧａＮからなる下地層を形成した場合は、約１．５×１０８ｃｍ−２の貫通転位密度となり、さらに高品質な結晶品質を有するＩＩＩ族窒化物半導体薄膜が得られる。ただし、この場合は、生産性が低くなるので、特に低い貫通転位密度が必要となる超ハイスペックＬＥＤの製造などに用いることが考えられる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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