(57)【要約】【課題】ターゲットの表面に窒化物の被膜が形成されることを防止でき、膜厚を精度良く制御でき、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる装置を提供する。【解決手段】基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体層をスパッタ法によって形成するための製造装置であって、ＩＩＩ族元素を含有するターゲット４７が配置され、ターゲット４７をスパッタしてターゲット４７に含まれる原料からなる原料粒子を生成する第１プラズマ発生領域４５ａと、基板１１が配置され、窒素元素含有プラズマを発生させる第２プラズマ発生領域４５ｂとがチャンバ４１内に設けられ、第１プラズマ発生領域４５ａと第２プラズマ発生領域４５ｂとが、原料粒子を基板１１上に供給するための開口部４３を有する遮蔽壁４５によって分離されているＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置とする。【選択図】図１
2008305967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層をスパッタ法によって形成するための製造装置であって、
ＩＩＩ族元素を含有するターゲットが配置され、前記ターゲットをスパッタして前記ターゲットに含まれる原料からなる原料粒子を生成する第１プラズマ発生領域と、
前記基板が配置され、窒素元素含有プラズマを発生させる第２プラズマ発生領域とがチャンバ内に設けられ、
前記第１プラズマ発生領域と前記第２プラズマ発生領域とが、前記原料粒子を前記基板上に供給するための開口部を有する遮蔽壁によって分離されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置。
【請求項２】
前記ターゲットと前記基板とが、前記開口部を介して対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置。
【請求項３】
前記ターゲットが、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選ばれる少なくとも１種を含有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置を用い、スパッタ法によって基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法であって、
前記第１プラズマ発生領域で前記原料粒子を生成する第１プラズマ発生工程と、
前記第２プラズマ発生領域で前記基板上に前記窒素元素含有プラズマを供給する第２プラズマ発生工程とを有し、
前記第１プラズマ発生工程と前記第２プラズマ発生工程とを同時に行ない、前記開口部を介して前記原料粒子を前記基板上に供給することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項５】
前記原料粒子を、前記開口部を介して前記基板と対向配置された前記ターゲットから前記基板上に供給することを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項６】
前記ターゲットが、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選ばれる少なくとも１種を含有するものであることを特徴とする請求項４または５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【請求項７】
基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が積層された半導体層を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体層の少なくとも一部を、請求項４〜６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法で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８】
基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が積層された半導体層を有し、前記基板と前記ｎ型半導体層との間にＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記バッファ層を、請求項４〜６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法で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９】
請求項７または請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項９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族窒化物半導体層の製造装置、ＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子及びランプに関し、特に、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置およびＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、窒化物化合物半導体結晶などからなるＩＩＩ族窒化物半導体層を反応性スパッタリング法などのスパッタ法によって形成する製造装置や製造方法が検討されている。従来の反応性スパッタリング法では、スパッタ装置のチャンバ内に配置されたＧａやＡｌなどのＩＩＩ族元素を含有するターゲットをスパッタするとともに、窒素など窒素元素を含む反応性ガスのプラズマを発生させて、ＩＩＩ族元素と反応性ガスとを反応させてＩＩＩ族窒化物半導体層を形成している。
【０００３】
具体的には、例えば、Ｎ２ガスを用いた高周波マグネトロンスパッタリングにより、Ｓｉの（１００）面、及びサファイア（Ａｌ２Ｏ３）の（０００１）面上にＧａＮ層を成膜する方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。
【非特許文献１】牛玖  由紀子（Ｙ．ＵＳＨＩＫＵ）他、「２１世紀連合シンポジウム論文集」、Ｖｏｌ．２ｎｄ、ｐ２９５（２００３）、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の反応性スパッタリング法では、反応性ガスのプラズマの一部がターゲットの表面と反応して、ターゲットの表面に窒化物の被膜が形成される場合があった。ターゲットの表面に窒化物の被膜が形成されると、スパッタレートが変化するので形成されるＩＩＩ族窒化物半導体層の膜厚の制御が困難となるし、ターゲットの表面に存在する窒化物の被膜がスパッタされる現象によって基板上に優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶が形成できない場合があるため、問題となっていた。この問題は、特に、長時間連続してＩＩＩ族窒化物半導体層を成膜する場合に顕著であった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ターゲットの表面に窒化物の被膜が形成されることを防止でき、膜厚を精度良く制御でき、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置を提供することを目的とする。
また、ターゲットの表面に窒化物の被膜が形成されることを防止でき、膜厚を精度良く制御でき、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法を用いるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及び本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、及び本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、本発明は以下に関する。
［１］基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層をスパッタ法によって形成するための製造装置であって、ＩＩＩ族元素を含有するターゲットが配置され、前記ターゲットをスパッタして前記ターゲットに含まれる原料からなる原料粒子を生成する第１プラズマ発生領域と、前記基板が配置され、窒素元素含有プラズマを発生させる第２プラズマ発生領域とがチャンバ内に設けられ、前記第１プラズマ発生領域と前記第２プラズマ発生領域とが、前記原料粒子を前記基板上に供給するための開口部を有する遮蔽壁によって分離されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置。
【０００７】
［２］前記ターゲットと前記基板とが、前記開口部を介して対向配置されていることを特徴とする［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置。
［３］前記ターゲットが、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選ばれる少なくとも１種を含有するものであることを特徴とする［１］または［２］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置。
【０００８】
［４］［１］〜［３］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置を用い、スパッタ法によって基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法であって、前記第１プラズマ発生領域で前記原料粒子を生成する第１プラズマ発生工程と、前記第２プラズマ発生領域で前記基板上に前記窒素元素含有プラズマを供給する第２プラズマ発生工程とを有し、前記第１プラズマ発生工程と前記第２プラズマ発生工程とを同時に行ない、前記開口部を介して前記原料粒子を前記基板上に供給することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
［５］前記原料粒子を、前記開口部を介して前記基板と対向配置された前記ターゲットから前記基板上に供給することを特徴とすることを特徴とする［４］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
［６］前記ターゲットが、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選ばれる少なくとも１種を含有するものであることを特徴とする［４］または［５］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法。
【０００９】
［７］基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が積層された半導体層を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体層の少なくとも一部を、［４］〜［６］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法で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。
［８］基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が積層された半導体層を有し、前記基板と前記ｎ型半導体層との間にＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記バッファ層を、［４］〜［６］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法で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。
［９］［７］または［８］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
［１０］［９］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】
【００１０】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置は、ＩＩＩ族元素を含有するターゲットが配置され、前記ターゲットをスパッタして前記ターゲットに含まれる原料からなる原料粒子を生成する第１プラズマ発生領域と、前記基板が配置され、窒素元素含有プラズマを発生させる第２プラズマ発生領域とがチャンバ内に設けられ、前記第１プラズマ発生領域と前記第２プラズマ発生領域とが、前記原料粒子を前記基板上に供給するための開口部を有する遮蔽壁によって分離されているので、ターゲットの表面と窒素元素とが接触しにくく、ターゲットの表面に窒化物の被膜が形成されることを防止できる。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置によれば、膜厚を精度良く制御でき、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
【００１１】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置を用いるＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法であって、前記第１プラズマ発生領域で前記原料粒子を生成する第１プラズマ発生工程と、前記第２プラズマ発生領域で前記基板上に前記窒素元素含有プラズマを供給する第２プラズマ発生工程とを有し、前記第１プラズマ発生工程と前記第２プラズマ発生工程とを同時に行ない、前記開口部を介して前記原料粒子を前記基板上に供給するので、ターゲットの表面と窒素元素とが接触しにくく、ターゲットの表面に窒化物の被膜が形成されることを防止できる。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によれば、膜厚を精度良く制御でき、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
【００１２】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法を用いるので、膜厚が精度良く制御され、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。
さらに、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子並びにランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によって得られたものであるので、膜厚が精度良く制御され、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を備えたものとなり、優れた発光特性を有するものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置、ＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプの一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。
【００１４】
［スパッタ装置（ＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置）］
図１は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置の一例であるスパッタ装置を模式的に示した概略図である。図１に示すスパッタ装置４０は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＮなどからなるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するためのものである。スパッタ装置４０では、図１に示すように、チャンバ４１内に、第１プラズマ発生領域４５ａと第２プラズマ発生領域４５ｂとが設けられている。
第１プラズマ発生領域４５ａには、ＩＩＩ族元素を含有するターゲット４７が配置されている。第１プラズマ発生領域４５ａでは、ターゲット４７をスパッタするアルゴン元素を含む第１プラズマが発生されて、ターゲット４７に含まれる原料からなる原料粒子が生成される。また、第２プラズマ発生領域４５ｂには、基板１１が配置されている。第２プラズマ発生領域４５ｂでは、窒素元素を含む第２プラズマ（窒素元素含有プラズマ）が発生され、基板１１上に供給される。
【００１５】
図１に示すように、第１プラズマ発生領域４５ａと第２プラズマ発生領域４５ｂとは、遮蔽壁４５によって分離されている。遮蔽壁４５には、開口部４３が設けられており、開口部４３を介して、第１プラズマ発生領域４５ａに配置されたターゲット４７と、第２プラズマ発生領域４５ｂに配置された基板とが対向配置されている。そして、図１に示すスパッタ装置４０では、第１プラズマ発生領域４５ａで生成された原料粒子が、開口部４３を介して第２プラズマ発生領域４５ｂに配置された基板１１上に供給されるようになっている。
【００１６】
また、図１に示すスパッタ装置４０には、アルゴン元素を含む第１プラズマを発生させる第１プラズマ発生手段５１と、窒素元素を含む第２プラズマを発生させる第２プラズマ発生手段５２と、第１プラズマ発生手段５１と第２プラズマ発生手段５２とを制御する制御手段（図示略）とが備えられている。
【００１７】
第１プラズマ発生手段５１は、ターゲット４７に所定のパワーを印加するためのマッチングボックス４６ｂと、マッチングボックス４６ｂに導電接続された電源４８ｂと、第１プラズマ発生領域４５ａ内にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給手段４２ｂとを備えている。アルゴンガス供給手段４２ｂは、図１に示すように、アルゴンガスをターゲット４７に対し均一に供給できるリング状の導入口を有するものであることが好ましいが、リング状の導入口を有するものでなくてもよい。また、ターゲット４７に印加されるパワー（印加電力）は、マッチングボックス４６ｂに制御させることによって調整可能とされている。また、マッチングボックス４６ｂおよびアルゴンガス供給手段４２ｂは、制御手段（図示略）によって制御されている。
【００１８】
また、第２プラズマ発生手段５２は、基板１１を加熱するためのヒータ４４と、基板１１に導電接続されたマッチングボックス４６ａと、マッチングボックス４６ａに導電接続された電源４８ａと、第２プラズマ発生領域４５ｂ内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段４２ａとを備えている。窒素ガス供給手段４２ａは、図１に示すように、窒素ガスを基板１１に対し均一に供給できるリング状の導入口を有するものであることが好ましいが、リング状の導入口を有するものでなくてもよい。また、基板１１に供給されるパワー（印加電力）は、マッチングボックス４６ａに制御させることによって調整可能とされている。また、マッチングボックス４６ａおよび窒素ガス供給手段４２ｂは、制御手段（図示略）によって制御されている。
【００１９】
ターゲット４７は、ＧａやＡｌなど成膜されるＩＩＩ族窒化物半導体層に対応するＩＩＩ族元素を含有するものである。また、ターゲット４７は、必要に応じてＳｉやＭｇなどのドーパント元素が含まれていてもよいし、ターゲット４７上にドーパント元素からなるドーパント用ターゲット片を配置してもよい。
【００２０】
また、図１に示すスパッタ装置４０の第１プラズマ発生領域４５ａには、第１プラズマ発生領域４５ａ内の圧力を所定の圧力に制御するためのポンプなどからなる圧力制御手段４９ｂが設けられている。また、第２プラズマ発生領域４５ｂには、第２プラズマ発生領域４５ｂ内の圧力を所定の圧力に制御するためのポンプなどからなる圧力制御手段４９ａが設けられている。
【００２１】
また、本実施形態では、電源４８ａ、４８ｂより供給されるパワー（印加電力）が、パルスＤＣ方式またはＲＦ（高周波）方式により印加されるようになっている。なお、印加電力は、成膜レートを容易にコントロールできる点から、ＲＦ（高周波）方式とすることが好ましい。しかし、ＲＦ放電ではプラズマの分布が広くなり、チャンバ内の部材が叩かれ、その構成元素が不純物として成膜内に取り込まれる不都合が生じる。不純物を低く抑えるためには、ＤＣ放電を用いることが望ましい。また、ＤＣ方式で連続してターゲット４７に電場をかけた状態にすると、ターゲット４７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。このため、印加電力がＤＣ方式である場合、パルス的にバイアスを与えるパルスＤＣ方式とすることが好ましい。
【００２２】
［ＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法］
図１に示すスパッタ装置４０を用いて基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成膜する場合、第１プラズマ発生領域４５ａでターゲット４７に含まれる原料からなる原料粒子を生成する第１プラズマ発生工程と、第２プラズマ発生領域４５ｂで基板１１上に窒素元素を含む第２プラズマを供給する第２プラズマ発生工程とを同時に行ない、遮蔽壁４５に設けられた開口部４３を介して、第１プラズマ発生領域４５ａで生成された原料粒子を第２プラズマ発生領域４５ｂに配置された基板１１上に供給する。
【００２３】
「第１プラズマ発生工程」
アルゴンガス供給手段４２ｂを用いてアルゴンガスを供給し、圧力制御手段４９ｂを用いて制御することによって、第１プラズマ発生領域４５ａ内を０．１〜１０Ｐａのアルゴン雰囲気とすることが好ましい。第１プラズマ発生領域４５ａ内の圧力を０．１Ｐａ未満とすると、安定してプラズマ放電しない場合がある。また、第１プラズマ発生領域４５ａ内の圧力が１０Ｐａを超えると、基板１１側までプラズマが広がってしまう場合がある。
【００２４】
また、電源４８ｂからマッチングボックス４６ｂを介してターゲット４７に０．２Ｗ／ｃｍ２〜２０Ｗ／ｃｍ２のパワーを印加することが好ましく、１Ｗ／ｃｍ２〜１０Ｗ／ｃｍ２の範囲とすることがより好ましい。ターゲット４７に印加するパワーを０．２Ｗ／ｃｍ２未満とすると、安定して放電しない場合があるし、成膜レートが遅くなるため好ましくない。また、ターゲット４７に印加するパワーが２０Ｗ／ｃｍ２を超えると、スパッタ粒子のエネルギーが高くなり、成膜した結晶にダメージを与える場合がある。
【００２５】
このように第１プラズマ発生領域４５ａ内を所定の圧力のアルゴン雰囲気とするとともに、ターゲット４７に所定のパワーを印加することにより、アルゴン元素を含む第１プラズマが発生し、ターゲット４７から第１プラズマ発生領域４５ａ内の気相中にＩＩＩ族元素などのターゲット４７を形成している材料からなる原料粒子が飛び出す。
【００２６】
「第２プラズマ発生工程」
窒素ガス供給手段４２ａを用いて窒素ガスを供給し、圧力制御手段４９ａを用いて制御することによって、第２プラズマ発生領域４５ｂ内を０．１〜１０Ｐａの窒素ガスとすることが好ましい。第２プラズマ発生領域４５ｂ内の圧力を０．１Ｐａ未満とすると、安定してプラズマ放電しない場合がある。また、第２プラズマ発生領域４５ｂ内の圧力が１０Ｐａを超えると、基板１１側までプラズマが広がってしまう場合がある。
【００２７】
なお、本実施形態では、活性ガスとして窒素ガス用いたが、窒素ガスに代えて一般に知られている窒化物原料を何ら制限されることなく用いることができる。なお、活性ガスとしては、取り扱いが簡単で、比較的安価で入手可能であるアンモニアや窒素を用いることが好ましい。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り、好ましい。しかし、アンモニアは、反応性が高いため、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り、装置コストがかかる。したがって、装置コストとの兼ね合いを考えると、活性ガスとしては、アンモニアよりも窒素（Ｎ２）を用いることがより好ましい。
【００２８】
また、電源４８ａからマッチングボックス４６ａを介して基板１１側に０．１Ｗ／ｃｍ２〜１０Ｗ／ｃｍ２のパワーを印加することが好ましく、０．５Ｗ／ｃｍ２〜５Ｗ／ｃｍ２の範囲とすることがより好ましい。基板１１側へのパワーを０．１Ｗ／ｃｍ２未満とすると、安定に放電できない場合があるし、活性ガスとして用いた窒素ガスを十分に分解できず、十分に窒素ガスが活性化されない場合がある。また、基板１１側へのパワーが１０Ｗ／ｃｍ２を超えると、スパッタ粒子のエネルギーが高くなり、成膜した結晶にダメージを与える場合がある。
また、基板１１の温度は、３００〜１５００℃の範囲とすることが好ましく、５００〜１２００℃の範囲とすることが最も好ましい。基板１１の温度が上記下限未満だと、第１プラズマ発生領域４５ａ内で生成された原料粒子と窒素元素を含む第２プラズマとの反応が不十分となる場合がある。
また、基板１１の温度が上記上限を超えると、基板１１上に成膜されたＩＩＩ族窒化物の分解速度が速くなり、ＩＩＩ族窒化物の結晶が成長しにくくなるため好ましくない。
【００２９】
このように、第２プラズマ発生領域４５ｂ内を所定の圧力の窒素雰囲気とするとともに、基板１１側へ所定のパワーを印加することにより窒素元素を含む第２プラズマが発生されて基板１１上に供給される。
ここで、本実施形態においては、第１プラズマ発生領域４５ａ内で生成された原料粒子が、第２プラズマ発生領域４５ｂ内に配置された基板１１の表面にぶつかるように、開口部４３を介して供給される。そして、第２プラズマ発生領域４５ｂ内で発生された第２プラズマにより原料粒子が窒化されて窒化物とされることにより、基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体層が成膜される。
【００３０】
本実施形態においてＩＩＩ族窒化物半導体層を成膜する際の成膜レートは、０．０１ｎｍ／ｓ〜１０ｎｍ／ｓの範囲とすることが好ましい。成膜レートが０．０１ｎｍ／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、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層が得られない場合がある。
【００３１】
本実施形態のスパッタ装置４０は、ターゲット４７をスパッタする第１プラズマを発生させて原料粒子を生成する第１プラズマ発生領域４５ａと、窒素元素を含む第２プラズマを発生させて基板１１上に供給する第２プラズマ発生領域４５ｂとがチャンバ４１内に設けられ、ターゲット４７が配置された第１プラズマ発生領域４５ａと基板１１が配置された第２プラズマ発生領域４５ｂとが、原料粒子を基板１１上に供給するための開口部４３を有する遮蔽壁４５によって分離されているので、ターゲット４７の表面と窒素元素とが接触しにくく、ターゲット４７の表面に窒化物の被膜が形成されることを防止できる。したがって、本実施形態のスパッタ装置４０によれば、膜厚を精度良く制御でき、優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
【００３２】
本実施形態のスパッタ装置４０は、ターゲット４７と基板１１とが、開口部４３を介して対向配置されたものであるので、原料粒子を基板１１上に均一に供給することができ、より一層優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
また、本実施形態のスパッタ装置４０は、リング状の導入口を有するアルゴンガス供給手段４２ｂを備えているので、アルゴンガスをターゲット４７に対し均一に供給でき、原料粒子を基板１１上に均一に供給することができるので、より一層優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
また、本実施形態のスパッタ装置４０は、リング状の導入口を有する窒素ガス供給手段４２ａを備えているので、窒素ガスを基板１１に対し均一に供給でき、より一層優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
【００３３】
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法は、第１プラズマ発生領域４５ａで原料粒子を生成する第１プラズマ発生工程と、遮蔽壁４５によって第１プラズマ領域４５ａと分離された第２プラズマ発生領域４５ｂで、基板１１上に第２プラズマを供給する第２プラズマ発生工程とを有し、第１プラズマ発生工程と第２プラズマ発生工程とを同時に行ない、遮蔽壁４５に設けられた開口部５３を介して、第１プラズマ発生領域４５ａで生成された原料粒子を第２プラズマ発生領域４５ｂに配置された基板上に供給するので、ターゲット４７の表面と窒素元素とが接触しにくく、ターゲット４７の表面に窒化物の被膜が形成されることを防止できる。
【００３４】
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法では、ターゲット４７に含まれる原料からなる原料粒子を、基板１１と開口部４３を介して対向配置されたターゲット４７から基板１１上に供給しているので、原料粒子を基板１１上に容易に均一に供給することができ、より一層優れた結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
【００３５】
次に、本発明の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）およびその製造方法について説明する。
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子］
図２は、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示した概略断面図である。また、図３は、図２に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の平面構造を示す概略図である。
本実施形態の発光素子１は、図２に示すように、一面電極型のものであり、基板１１上に、バッファ層１２と、ＩＩＩ族元素としてＧａを含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層２０とが形成されているものである。半導体層２０は、図２に示すように、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６の各層がこの順で積層されてなるものである。
【００３６】
［発光素子の積層構造］
＜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。
【００３７】
＜バッファ層＞
本実施形態の発光素子１においては、基板上に、スパッタ法などのプラズマを用いた製膜方法で成膜したＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層１２が成膜されている。
バッファ層１２は、柱状結晶の集合体からなっていてもよい。また、バッファ層は、単結晶のＡｌＮ膜でも良い。いずれの結晶構造を取るにせよ、スパッタ法でバッファ層１２を基板１１上に成膜することが多い。
【００３８】
また、バッファ層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、バッファ層１２を、Ａｌを含んだ組成とすることが好ましく、ＧａＡｌＮとすることが好ましい。この際、Ａｌの組成が５０％以上とされていることが好ましく、ＡｌＮからなる構成とすることが、より好ましい。
【００３９】
また、バッファ層１２の膜厚は、１０〜５００ｎｍの範囲とされていることが好ましく、２０〜１００ｎｍの範囲とされていることがより好ましい。
バッファ層１２の膜厚が１０ｎｍ未満だと、上述したようなバッファ機能が充分でなくなる。また、５００ｎｍを超える膜厚でバッファ層１２を形成し場合、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。なお、バッファ層１２の膜厚は、断面ＴＥＭ写真により、容易に測定することが可能である。
【００４０】
＜半導体層＞
図２に示すように、半導体層２０は、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６を備えている。
「ｎ型半導体層」
ｎ型半導体層１４は、バッファ層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から構成されている。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／又はｎ型クラッド層を兼ねることも可能である。
【００４１】
（下地層）
本実施形態のｎ型半導体層１４の下地層１４ａは、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる。下地層１４ａの材料は、バッファ層１２と同じであっても異なっていても構わないが、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物半導体、即ちＧａＮ系化合物半導体が好ましく、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。
例えば、バッファ層１２をＡｌＮからなる構成とした場合、下地層１４ａは、柱状結晶の集合体であるバッファ層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ことが望ましい。ＧａＮ系化合物半導体は、転位のループ化を生じやすく、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮが好適である。
【００４２】
また、下地層１４ａの膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌＸＧａ１―ＸＮ層が得られやすい。
【００４３】
下地層１４ａ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、アンドープの方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。
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１の上下に電極を形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、基板１１直上の層はドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となることから好ましい。
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。
【００４４】
（ｎ型コンタクト層）
ｎ型コンタクト層１４ｂは、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる。ｎ型コンタクト層１４ｂ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型コンタクト層１４ｂ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。
【００４５】
なお、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。
【００４６】
（ｎ型クラッド層）
ｎ型コンタクト層１４ｂと発光層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修復することができる。ｎ型クラッド層１４ｃ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１４ｃ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。
【００４７】
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／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。
【００４８】
＜発光層＞
発光層１５は、図２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、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２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が配される構成とされている。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
＜ｐ型半導体層＞
ｐ型半導体層１６は、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂから構成されている。なお、ｐ型コンタクト層がｐ型クラッド層を兼ねる構成であってもよい。
【００５２】
（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。
【００５３】
ｐ型クラッド層１６ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはＭｇが挙げられる。
【００５４】
（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、発光出力を高く維持できる点で好ましい。
【００５５】
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、好ましくはＭｇが挙げられる。
【００５６】
なお、本発明の発光素子１を構成する半導体層２０は、上述した実施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、上記のものの他、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。
【００５７】
＜透光性正極＞
透光性正極１７は、ｐ型半導体層１６上に形成された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）、ＡＺｎＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺｎＯ（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。
【００５８】
＜正極ボンディングパッド＞
正極ボンディングパッド１８は、図３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。
正極ボンディングパッド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。
【００５９】
＜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１４ｂに接するものである。このため、負極１９は、図２および図３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１４ｂ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。
【００６０】
［発光素子の製造方法］
図２に示す発光素子１を製造するには、まず、基板１１上に半導体層２０の形成された図４に示す積層半導体１０を形成する。図４に示す積層半導体１０を形成するには、まず、基板１１上に、上述した図１に示すスパッタ装置４０を用いる上述したＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって、バッファ層１２、下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂを成膜する。
【００６１】
本実施形態においては、基板１１上にバッファ層１２を成膜する前に、基板１１に前処理を施す。基板１１に前処理を施すことにより、成膜プロセスが安定する。基板１１の前処理は、例えば、スパッタ装置４０の第２プラズマ発生領域４５ｂ内に基板１１を配置し、バッファ層１２を形成する前にスパッタする方法によって行ってもよい。具体的には、第２プラズマ発生領域４５ｂ内において、基板１１をＮ２ガスのプラズマ中に曝す事によって基板１１の表面を洗浄することができる。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、ターゲット４７にパワーを印加せずに、基板１１とチャンバ４１との間に電圧を印加すれば、Ｎ２ガスのプラズマ粒子が効率的に基板１１の洗浄に作用する。
【００６２】
なお、基板１１の前処理は、上述した方法に限定されるものでなく、例えば、基板１１としてシリコンからなる基板１１を用いる場合には、よく知られたＲＣＡ洗浄方法などの湿式の方法を行いて、表面を水素終端させておく方法を用いることができる。
【００６３】
基板１１に前処理を行なった後、上述した図１に示すスパッタ装置４０を用いる上述したＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって、バッファ層１２、アンドープの半導体層からなる下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂを順に成膜する。
【００６４】
その後、ｎ型半導体層１４のｎ型クラッド層１４ｃ、障壁層１５ａと井戸層１５ｂとからなる発光層１５、ｐ型半導体層１６のｐ型クラッド層１６ａおよびｐ型コンタクト層１６ｂを、膜厚制御性の観点で好ましいＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法で成膜する。
【００６５】
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。
【００６６】
また、ドーパント元素のｎ型不純物には、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ｎ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。
【００６７】
このようにして得られた図４に示す積層半導体１０のｐ型コンタクト層１６ｂ上に、フォトリソグラフィー法を用いて透光性正極１７および正極ボンディングパッド１８を順次形成する。
次いで、透光性正極１７および正極ボンディングパッド１８の形成された積層半導体１０をドライエッチングすることにより、ｎ型コンタクト層１４ｂ上の露出領域１４ｄを露出させる。
その後、露出領域１４ｄ上に、フォトリソグラフィー法を用いて負極１９を形成することにより、図２および図３に示す発光素子１が得られる。
【００６８】
本実施形態の発光素子は、半導体層２０のうちｎ型半導体層１４の下地層１４ａおよびｎ型コンタクト層１４ｂが、図１に示すスパッタ装置４０を用いる上述したＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって形成されたものであるので、優れた結晶性を有する半導体層２０を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子となる。
また、本実施形態の発光素子は、図１に示すスパッタ装置４０を用いる上述したＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって、基板１１とｎ型半導体層１４との間に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層１２を形成してなるものであるので、優れた結晶性を有するバッファ層１２を備えたものとなる。このようにｎ型半導体層１４の下層に、優れた結晶性を有するバッファ層１２が形成されると、バッファ層１２上に、結晶性に優れたｎ型半導体層１４が形成されやすくなる。したがって、本実施形態の発光素子は、非常に優れた結晶性を有する半導体層２０を備えたものとなる。
【００６９】
なお、本実施形態では、発光素子１の半導体層２０のうち、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａおよびｎ型コンタクト層１４ｂを、図１に示すスパッタ装置４０を用いる上述したＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって成膜する方法を例に挙げて説明したが、本発明は上述した例に限定されるものではなく、半導体層２０のうち少なくとも一部が本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって成膜されていればよい。
例えば、本実施形態では、ｎ型半導体層１４のｎ型クラッド層１４ｃやｐ型半導体層１６をＭＯＣＶＤ法で成膜したが、ｎ型クラッド層１４ｃやｐ型半導体層１６も本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって成膜できる。
【００７０】
また、本発明の発光素子１は、半導体層２０のうち少なくとも一部が本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法によって成膜されていればよく、半導体層２０の成膜は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体層の製造方法と、従来のスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）等、ＩＩＩ族窒化物半導体層を製造できる如何なる方法とを組み合わせて行なってもよい。
【００７１】
なお、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体は、上述の発光素子の他、レーザ素子や受光素子等の光電気変換素子、又は、ＨＢＴやＨＥＭＴ等の電子デバイスなどに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族窒化物半導体発光素子の構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。
【００７２】
［ランプ］
本発明のランプは、本発明の発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明の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。
【００７３】
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。
【００７４】
図５は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。図５に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図５に示す発光素子１が用いられている。図５に示すように、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）がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図５ではフレーム３１）に接着され、発光素子１の負極（図３に示す符号１９参照）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でモールドされている。
【００７５】
本発明のランプは、本発明の発光素子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。
【実施例】
【００７６】
次に、本発明を、実施例および比較例を示してより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
［実施例１］
図２および図３に示す発光素子１を図１に示すスパッタ装置４０を用いる製造方法を用いて以下に示すように製造した。
まず、サファイアからなる基板１１のｃ面上に、図１に示すスパッタ装置４０を用いて、バッファ層１２としてＡｌＮ層を形成し、その上に、アンドープのＧａＮ層からなるｎ型半導体層１４の下地層１４ａ、ＳｉドープＧａＮ層からなるｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂを順に形成した。
【００７７】
より詳細には、片面のみをエピタキシャル成長に使用できる程度に鏡面研磨したサファイアからなる２インチの基板１１を用意し、湿式等の前処理を行わずに図１に示すスパッタ装置４０の第２プラズマ発生領域４５ｂ内に設置した。スパッタ装置４０としては、高周波（ＲＦ）式の電源を有し、Ａ１からなるターゲット４７内でマグネットの位置を動かすことができる機構を有するものを使用した。なお、ターゲット４７内のマグネットは、後述する基板１１の洗浄時、及び成膜時の何れにおいても回転させておいた。
【００７８】
次いで、基板１１を５００℃まで加熱し、第２プラズマ発生領域４５ｂ内に窒素ガスのみを３０ｓｃｃｍの流量で導入して、第２プラズマ発生領域４５ｂ内の圧力を１．０Ｐａに保持し、基板１１側に５０Ｗの高周波バイアスを印加して、窒素プラズマに晒すことによって基板１１の表面を洗浄した。
【００７９】
次いで、第２プラズマ発生領域４５ｂへの窒素ガスの導入を継続しつつ、第１プラズマ発生領域４５ａへのアルゴンガスの導入を開始して、基板１１の温度を５００℃に保持した。
その後、第１プラズマ発生領域４５ａ内の圧力を０．５Ｐａにし、アルゴンガスの流量を５ｓｃｃｍに保ち、Ａｌからなるターゲット４７に５Ｗ／ｃｍ２のＲＦパワーを印加することにより、アルゴン元素を含む第１プラズマを発生させる（第１プラズマ発生工程）と同時に、第２プラズマ発生領域４５ｂ内の圧力を０．５Ｐａにし、窒素の流量を１５ｓｃｃｍ（チャンバ４１内のガス全体における窒素の比は７５％）に保ち、基板１１側に０．５Ｗ／ｃｍ２のＲＦパワーを印加することにより、窒素元素を含む第２プラズマを基板１１上に供給した（第２プラズマ発生工程）。
【００８０】
そして、予め測定しておいた成膜速度（０．１２ｎｍ／ｓ）に従って規定した時間、第１プラズマ発生工程および第２プラズマ発生工程を行なうことにより、基板１１のｃ面上に、５０ｎｍの膜厚のＡｌＮからなるバッファ層１２を成膜した。成膜後、チャンバ４１内におけるプラズマ動作を停止し、基板１１の温度を室温まで低下させた。
【００８１】
次いで、バッファ層１２が成膜された基板１１をスパッタ装置４０の第２プラズマ発生領域４５ｂ内から取り出して、同じ構成の別のスパッタ装置４０の第２プラズマ発生領域４５ｂ内に搬送した。ｎ型半導体層１４の下地層１４ａを成膜するスパッタ装置４０としては、ターゲット４７が金属Ｇａからなり、ターゲット４７内に冷媒を流通させるための配管が設置されているものを用いた。そして、下地層１４ａの成膜中、配管内に２０℃に冷却した冷媒を流通させ、熱によるＧａの融解を防止した。
【００８２】
そして、下地層１４ａの成膜を行なう前に、バッファ層１２の成膜を行なう前に行なった基板１１の洗浄と同様にして、バッファ層１２の形成されている基板１１の表面を洗浄した。
次いで、基板１１の温度を１０００℃まで上昇させ、温度を安定させた後、第２プラズマ発生領域４５ｂへの窒素ガスの導入を継続しつつ、第１プラズマ発生領域４５ａへのアルゴンガスの導入を開始した。
【００８３】
その後、第１プラズマ発生領域４５ａ内の圧力を０．５Ｐａにし、アルゴンガスの流量を５ｓｃｃｍに保ち、Ｇａからなるターゲット４７に５Ｗ／ｃｍ２のＲＦパワーを印加することにより、アルゴン元素を含む第１プラズマを発生させる（第１プラズマ発生工程）と同時に、第２プラズマ発生領域４５ｂ内の圧力を０．５Ｐａにし、窒素の流量を１５ｓｃｃｍ（チャンバ４１内のガス全体における窒素の比は７５％）に保ち、基板１１側に０．５Ｗ／ｃｍ２のＲＦパワーを印加することにより、窒素元素を含む第２プラズマを基板１１上に供給した（第２プラズマ発生工程）。
【００８４】
このようにして基板１１上に成膜されたバッファ層１２上に、６μｍの膜厚のＧａＮからなる下地層１４ａを成膜した。下地層１４ａの成膜速度は、１ｎｍ／ｓであった。成膜後、チャンバ４１内におけるプラズマ動作を停止し、基板１１の温度を室温まで低下させた。
【００８５】
このようにして成膜されたアンドープＧａＮ層（下地層１４ａ）のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定器（パナリティカル社製；四結晶Ｘ線測定装置、型番：Ｘ‘ｐｅｒｔ）を用いて測定した。この測定は、Ｃｕβ線Ｘ線発生源を光源として用い、対称面である（０００２）面と非対称面である（１０−１０）面で行った。一般的に、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体の場合、（０００２）面のＸＲＣスペクトル半値幅は結晶の平坦性（モザイシティ）の指標となり、（１０−１０）面のＸＲＣスペクトル半値幅は転位密度（ツイスト）の指標となる。
Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定の結果、実施例１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４０ａｒｃｓｅｃを示し、（１０−１０）面では半値幅３５０ａｒｃｓｅｃを示した。
【００８６】
次いで、下地層１４ａまで成膜された基板１１をスパッタ装置４０の第２プラズマ発生領域４５ｂから取り出して、同じ構成の別のスパッタ装置４０の第２プラズマ発生領域４５ｂに搬送した。ｎ型コンタクト層１４ｂを成膜するスパッタ装置４０は、ターゲット４７として、Ｇａターゲット上にＳｉ片を配置したものを用いたこと以外は、下地層１４ａを成膜したスパッタ装置４０と同じものを用いた。
【００８７】
また、ｎ型コンタクト層１４ｂの成膜は、下地層１４ａの成膜と同じ条件で行い、下地層１４ａまで成膜された基板１１上に、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層１４ｂを成膜した。成膜後、チャンバ４１内におけるプラズマ動作を停止し、基板１１の温度を室温まで低下させた。ｎ型コンタクト層１４ｂの成膜速度は１ｎｍ／ｓであった。
【００８８】
このようにして得られた実施例１のｎ型コンタクト層１４ｂまで成膜された基板１１は、表面が無色透明のミラー状を呈した。
【００８９】
次に、ｎ型コンタクト層１４ｂまで成膜された基板１１を、ＭＯＣＶＤ炉に導入し、ｎ型コンタクト層１４ｂ上に半導体層２０となる各層を形成し、図４に示す積層半導体１０を得た。
得られた積層半導体１０は、ｃ面を有するサファイアからなる基板１１上に、基板１１側から順に、柱状構造を有するＡｌＮからなる５０ｎｍのバッファ層１２、６μｍのアンドープＧａＮからなる下地層１４ａ、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂ、１×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ型クラッド層（ｎ型クラッド層１４ｃ）、ＧａＮ障壁層に始まりＧａＮ障壁層に終わる積層構造であって、層厚を１６ｎｍとしたＧａＮからなる６層の障壁層１５ａと、層厚を３ｎｍとしたノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる５層の井戸層１５ｂとが交互に積層されてなる多重量子井戸構造の発光層１５、５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａ、及び膜厚２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂとを具備したｐ型半導体層１６を積層した構造を有するものであった。
【００９０】
得られた積層半導体１０を構成するＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂは、ｐ型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもｐ型特性を示した。
【００９１】
次いで、積層半導体１０を用いて、図２および図３に示す発光素子１を作製した。
まず、積層半導体１０のｐ型コンタクト層１６ｂの表面上に、公知のフォトリソグラフィーによって、ＩＴＯからなる透光性正極１７と、その上に透光性正極１７の表面側から順にＴｉ、Ａｌ、Ａｕを積層した構造を有する正極ボンディングパッド１８とを形成した。
その後、透光性正極１７および正極ボンディングパッド１８の形成された積層半導体１０をドライエッチングすることにより、ｎ型コンタクト層１４ｂ上の露出領域１４ｄを露出させた。その後、露出領域１４ｄ上に、フォトリソグラフィー法を用いてＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＡｕの４層よりなる負極１９を形成することにより、図２および図３に示す発光素子１を得た。
【００９２】
このようにして得られた発光素子１の基板１１の裏側を、研削及び研磨してミラー状の面とし、３５０μｍ角の正方形のチップに切断した。その後、得られたチップを各電極が上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線することにより、発光ダイオードとした。
この発光ダイオードの正極ボンディングパッド１８及び負極１９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４７０ｎｍであり、発光出力は１４．５ｍＷを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、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。
【００９３】
［比較例１］
図２および図３に示す発光素子１を、図１に示すスパッタ装置４０における遮蔽壁４５の設けられていない従来のスパッタ装置を用いる製造方法を用いて以下に示すように製造した。
まず、サファイアからなる基板１１のｃ面上に、従来のスパッタ装置を用い、チャンバ内にアルゴンと窒素の混合ガスを導入し、ターゲットにのみＲＦパワーを印加して、バッファ層１２としてＡｌＮからなる柱状結晶の集合体を形成し、その上に、アンドープのＧａＮ層からなるｎ型半導体層１４の下地層１４ａ、ＳｉドープＧａＮ層からなるｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂを順に形成した。
【００９４】
そして、このようにして成膜されたアンドープＧａＮ層（下地層１４ａ）のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、実施例１と同様にして測定した。
Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定の結果、比較例１の製造方法で作製したアンドープＧａＮ層は、（０００２）面の測定では半値幅１００ａｒｃｓｅｃを示し、（１０−１０）面では半値幅６００ａｒｃｓｅｃを示した。
また、ｎ型コンタクト層１４ｂまで成膜された基板１１の表面は、鏡面であることが目視で確認された。
【００９５】
次いで、ｎ型コンタクト層１４ｂまで成膜された基板１１を、ＭＯＣＶＤ炉に導入し、実施例１と同様に半導体層２０となる各層を形成し、図４に示す積層半導体１０を得た。
次いで、積層半導体１０を用いて、実施例１と同様にして図２および図３に示す発光素子１を作製し、得られた発光素子１を用いて、実施例１と同様にして発光ダイオードとした。
この発光ダイオードの正極ボンディングパッド１８及び負極１９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３．２Ｖ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４７０ｎｍであり、発光出力は１４．０ｍＷを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、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。
【００９６】
しかしながら、比較例１では、バッファ層１２、下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂのいずれにおいても、スパッタにより連続して成膜を行うことにより、成膜速度が徐々に低下した。また、スパッタ装置のチャンバを大気開放してターゲットを目視して確認したところ、バッファ層の成膜に用いたＡｌターゲットも、下地層、コンタクト層の成膜に用いたＧａターゲットも、表面が白濁しており、分析の結果、窒化物よりなる被膜が生じていることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】図１は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体層の製造装置の一例であるスパッタ装置を模式的に示した概略図である。
【図２】図２は、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示した概略断面図である。
【図３】図３は、図２に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の平面構造を示す概略図である。
【図４】図４は、図２に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図であり、積層半導体を模式的に示した概略断面図である。
【図５】図５は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。
【符号の説明】
【００９８】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（発光素子）、３…ランプ、１０…積層半導体、１１…基板、１２…バッファ層、１４…ｎ型半導体層、１５…発光層、１６…ｐ型半導体層、１７…透光性正極、４０…スパッタ装置、４１…チャンバ、４３…開口部、４４…ヒータ、４５…遮蔽壁、４５ａ…第１プラズマ発生領域、４５ｂ…第２プラズマ発生領域、４６ａ、４６ｂ…マッチングボックス、４７…ターゲット、４８ａ、４８ｂ…電源、５１…第１プラズマ発生手段、５２…第２プラズマ発生手段。
【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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