(57)【要約】【課題】結晶中におけるドーパント元素のドーピング濃度を容易に最適化でき、スパッタ法を用いて効率よく成膜することができるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】チャンバ内に基板１１及びＧａ元素を含有するターゲットを配置し、基板１１上にドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成する方法であり、チャンバの外部に設けられ、該チャンバの内部と連通されたドーパント容器内にドーパント元素を配置し、該ドーパント元素をドーパント容器内で気化してチャンバ内に供給することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体にドーパントを添加する方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に基板及びＧａ元素を含有するターゲットを配置し、前記基板上にドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
前記チャンバの外部に設けられ、該チャンバの内部と連通されたドーパント容器内にドーパント元素を配置し、該ドーパント元素を前記ドーパント容器内で気化してチャンバ内に供給することにより、前記ＩＩＩ族窒化物半導体に前記ドーパントを添加することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記ドーパント容器内に配された前記ドーパント元素を加熱することにより、該ドーパント元素を気化してチャンバ内に供給することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記ドーパント容器と前記チャンバとの間に流量制御手段を設けることにより、前記ドーパント容器で気化されたドーパント元素の、前記チャンバ内への供給量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の前記チャンバ内の雰囲気が、窒素原子含有ガスが２０〜８０％の範囲で含有され、残部が少なくとも不活性ガスを含有するガス雰囲気とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記チャンバ内のガス雰囲気中に存在する窒素原子含有ガスが窒素ガス（Ｎ２）とされ、前記不活性ガスがアルゴンガス（Ａｒ）とされていることを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の、前記基板の温度が６００℃〜１０５０℃の範囲とされていることを特徴とする請求項１〜５の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
前記ドーパント元素がドナー不純物からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
前記ドナー不純物がシリコン（Ｓｉ）元素であることを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の、前記チャンバ内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＳｉ元素との比が、１：０．０００１〜１：０．００００１の範囲とされていることを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１０】
前記ドーパント元素がアクセプター不純物からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１１】
前記アクセプター不純物がマグネシウム（Ｍｇ）元素であることを特徴とする請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１２】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の、前記チャンバ内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＭｇ元素との比が、１：０．０１〜１：０．０００１の範囲とされていることを特徴とする請求項１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１３】
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型半導体層が順に積層された半導体層を備え、前記ｎ型半導体層の少なくとも一部がドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記ｐ型半導体層の少なくとも一部がアクセプター不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記ｎ型半導体層の少なくとも一部を、請求項７〜９の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成する工程、及び／又は、前記ｐ型半導体層の少なくとも一部を、請求項１０〜１２の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成する工程、が備えられてい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１４】
請求項１３に記載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１５】
請求項１４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、電子デバイス等に、好適に用いられ、一般式ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に関し、特に、ドーパントが添加されてなるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するためのＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法、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、並びにランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、可視光から紫外光領域の範囲に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有し、発光効率に優れていることから、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子として製品化され、各種用途で使用されている。また、電子デバイスに用いた場合でも、ＩＩＩ族窒化物半導体は、従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた場合に比べて優れた特性が得られるポテンシャルを有している。
【０００３】
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、加熱された基板との反応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。
また、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。
【０００４】
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶をスパッタによって製造する研究も行われており、例えば、高抵抗のＧａＮを積層することを目的とし、サファイア基板上に、スパッタ法によってＧａＮを直接成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。スパッタ法を用いてＧａＮを成膜する場合、設備が安価で済むことや、工程が安定化する等の利点がある。
また、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）。
【０００５】
また、カソードと固体状のターゲットとを向かい合わせ、基板とターゲットとの間にメッシュを入れた装置を用いて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２）。
【０００６】
また、上述のようなＩＩＩ族窒化物化合物半導体の結晶からなる層を成膜するに際し、導電性を制御する目的で、ＳｉやＭｇ等のドーパント元素を添加する技術が求められるが、スパッタ法を用いてＧａＮ膜中へのドーピングを行なった実験結果についても報告例がある（例えば、非特許文献３）。しかしながら、この非特許文献３には具体的なドーピング方法は記載されておらず、第三者が追実験を行なうことは不可能である。
【特許文献１】特開昭６０−０３９８１９号公報
【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）、
【非特許文献２】ティー・キクマ（Ｔ．Ｋｉｋｕｍａ）他、「バキューム（Ｖａｃｕｕｍ）」、Ｖｏｌ．６６、Ｐ２３３（２００２）
【非特許文献３】応用物理学会編「第６６回応用物理学会」パンフレット、７ａ−Ｎ−６（２００５年秋）、ｐ２４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１及び非特許文献１〜３に記載されたような、従来のスパッタ法を用いてドーパント元素が添加されたＧａＮからなる結晶を成膜する場合、ドーピング濃度を微調整することが困難であるという問題がある。
このため、スパッタ法を用いてＧａＮの結晶を成膜する際に、Ｇａ元素が含有されるターゲットとドーパントとの混合バランスを容易に最適化でき、良好な特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体の層を、高効率で安定して基板上に成膜することが可能な方法が望まれていた。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶中におけるドーパント元素のドーピング濃度を容易に最適化でき、スパッタ法を用いて効率よく成膜することができるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法、及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、上記の製造方法で得られ、発光特性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子並びに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】
【０００９】
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際、ドーパント元素を気化してチャンバ内に供給することにより、Ｇａ元素が含有されるターゲットとドーパントとの混合バランスを容易に制御することができ、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を、高効率で安定して基板上に成膜できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
【００１０】
［１］  チャンバ内に基板及びＧａ元素を含有するターゲットを配置し、前記基板上にドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、前記チャンバの外部に設けられ、該チャンバの内部と連通されたドーパント容器内にドーパント元素を配置し、該ドーパント元素を前記ドーパント容器内で気化してチャンバ内に供給することにより、前記ＩＩＩ族窒化物半導体に前記ドーパントを添加することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［２］  前記ドーパント容器内に配された前記ドーパント元素を加熱することにより、該ドーパント元素を気化してチャンバ内に供給することを特徴とする［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［３］  前記ドーパント容器と前記チャンバとの間に流量制御手段を設けることにより、前記ドーパント容器で気化されたドーパント元素の、前記チャンバ内への供給量を調整することを特徴とする［１］又は［２］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１１】
［４］  前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の前記チャンバ内の雰囲気が、窒素原子含有ガスが２０〜８０％の範囲で含有され、残部が少なくとも不活性ガスを含有するガス雰囲気とされていることを特徴とする［１］〜［３］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［５］  前記チャンバ内のガス雰囲気中に存在する窒素原子含有ガスが窒素ガス（Ｎ２）とされ、前記不活性ガスがアルゴンガス（Ａｒ）とされていることを特徴とする［４］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［６］  前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の、前記基板の温度が６００℃〜１０５０℃の範囲とされていることを特徴とする［１］〜［５］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１２】
［７］  前記ドーパント元素がドナー不純物からなることを特徴とする［１］〜［６］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［８］  前記ドナー不純物がシリコン（Ｓｉ）元素であることを特徴とする［７］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［９］  前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の、前記チャンバ内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＳｉ元素との比が、１：０．０００１〜１：０．００００１の範囲とされていることを特徴とする［８］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１３】
［１０］  前記ドーパント元素がアクセプター不純物からなることを特徴とする［１］〜［６］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［１１］  前記アクセプター不純物がマグネシウム（Ｍｇ）元素であることを特徴とする［１０］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［１２］  前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の、前記チャンバ内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＭｇ元素との比が、１：０．０１〜１：０．０００１の範囲とされていることを特徴とする［１１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１４】
［１３］  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型半導体層が順に積層された半導体層を備え、前記ｎ型半導体層の少なくとも一部がドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記ｐ型半導体層の少なくとも一部がアクセプター不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記ｎ型半導体層の少なくとも一部を、上記［７］〜［９］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成する工程、及び／又は、前記ｐ型半導体層の少なくとも一部を、上記［１０］〜［１２］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成する工程、が備えられてい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。
［１４］  上記［１３］に記載の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
［１５］  上記［１４］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によれば、ドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法で成膜する際、チャンバの外部に設けられ、該チャンバの内部と連通されたドーパント容器内にドーパント元素を配置し、該ドーパント元素をドーパント容器内で気化してチャンバ内に供給することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体にドーパントを添加する方法としたので、Ｇａ元素が含有されるターゲットとドーパントとの混合バランスを容易に制御することができる。これにより、成膜するＩＩＩ族窒化物半導体のドーパント濃度を容易に制御することができるので、導電性が目的特性に合わせて最適に制御され、且つ、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を、高効率で安定して基板上に成膜することが可能となる。
【００１６】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、ｐ型半導体層、及び／又は、ｎ型半導体層の少なくとも一部が、上記製造方法により、ドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体から形成する方法とされているので、導電性の制御された結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を備え、優れた発光特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法、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１〜５を適宜参照しながら説明する。
【００１８】
［ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法］
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、チャンバ４１（図５を参照）内に基板１１（図１〜３を参照）及びＧａ元素を含有するターゲット４７（図５を参照）を配置し、基板１１上にドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成する方法であり、チャンバ４１の外部に設けられ、該チャンバ４１の内部と連通されたドーパント容器５０内にドーパント元素５１を配置し、該ドーパント元素５１をドーパント容器５０内で気化してチャンバ４１内に供給することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体にドーパントを添加する方法である。
【００１９】
＜半導体の積層構造＞
図１は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一例を説明するための図であり、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体が形成された積層半導体の一例を示す概略断面図である。図１に示す積層半導体１０は、基板１１上にＩＩＩ族窒化物化合物からなるバッファ層１２が積層され、該バッファ層１２上に、ｎ型半導体層１４、発光層１５、及びｐ型半導体層１６が順次積層されてなる半導体層２０が形成されている。
本実施形態のｐ型半導体層１６は、アクセプター不純物が添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、詳細を後述する本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成されるものである。
以下、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造について詳述する。
【００２０】
『基板』
本実施形態において、基板１１に用いることができる材料としては、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。この中でも、サファイア、ＳｉＣ等の六方晶構造を有する材料を基板に用いることが、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を積層できる点で好ましい。
また、基板の大きさとしては、通常は直径２インチ程度のものが用いられるが、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体では、直径４〜６インチの基板を使用することも可能である。
【００２１】
なお、アンモニアを使用せずにバッファ層を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述のｎ型半導体層を構成する下地層を成膜することにより、上記基板材料の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用いた場合には、本実施形態のバッファ層がコート層として作用するので、基板の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。また、一般的に、スパッタ法は基板の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板を用いた場合でも、基板１１にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
【００２２】
『バッファ層』
本実施形態の積層半導体１０は、基板１１上に、金属原料とＶ族元素を含んだガスとがプラズマで活性化されて反応することにより、ＩＩＩ族窒化物化合物からなるバッファ層１２が成膜されている。本実施形態のような、プラズマ化した金属原料を用いた方法で成膜された膜は、配向が得られ易いという作用がある。
【００２３】
このようなバッファ層をなすＩＩＩ族窒化物化合物の結晶は、六方晶系の結晶構造を持ち、成膜条件をコントロールすることにより、単結晶膜とすることができる。また、ＩＩＩ族窒化物化合物の結晶は、上記成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶とすることも可能である。なお、ここで説明する柱状結晶とは、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。
【００２４】
バッファ層１２は、単結晶構造であることが、バッファ機能の面から好ましい。上述したように、ＩＩＩ族窒化物化合物の結晶は、六方晶系の結晶を有し、六角柱を基本とした組織を形成する。ＩＩＩ族窒化物化合物の結晶は、成膜等の条件を制御することにより、面内方向にも成長した結晶を成膜することが可能となる。このような単結晶構造を有するバッファ層１２を基板１１上に成膜した場合、バッファ層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族窒化物半導体の層は、良好な配向性及び結晶性を持つ結晶膜となる。
【００２５】
バッファ層１２の膜厚は、２０〜８０ｎｍの範囲とされていることが好ましい。バッファ層１２の膜厚をこの範囲とすることにより、良好な配向性を有し、また、バッファ層１２上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層を成膜する際に、コート層として有効に機能するバッファ層１２が得られる。
バッファ層１２の膜厚が２０ｎｍ未満だと、上述したコート層としての機能が充分でなくなる虞がある。また、８０ｎｍを超える膜厚でバッファ層１２を形成した場合、コート層としての機能には変化が無いのにも関わらず成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
【００２６】
バッファ層１２は、Ａｌを含有する組成とされていることが好ましい。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を含んだ組成とした場合、中でも、ＧａＡｌＮとすることが好ましく、この際、Ａｌの組成が５０％以上とされていることが好ましい。また、バッファ層１２は、ＡｌＮからなる構成とすることがより好ましい。
【００２７】
また、バッファ層１２を構成する材料としては、ＩＩＩ族窒化物半導体と同じ結晶構造を有するものであれば、どのような材料でも用いることができるが、格子の長さが後述の下地層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体に近いものが好ましく、特に周期表のＩＩＩａ族元素の窒化物が好適である。
【００２８】
『半導体層』
図１に示すように、本実施形態の積層半導体１０は、基板１１上に、上述のようなバッファ層１２を介して、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなり、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６から構成される半導体層２０が積層されてなる。また、図示例の積層半導体１０は、ｎ型半導体層１４に備えられた下地層１４ａがバッファ層１２上に積層されている。
【００２９】
ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば、一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００３０】
窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ及びＡｓ等の元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００３１】
「ｎ型半導体層」
ｎ型半導体層１４は、通常、前記バッファ層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。
【００３２】
｛下地層｝
本実施形態の下地層１４ａはＩＩＩ族窒化物半導体からなり、従来公知のＭＯＣＶＤ法によってバッファ層１２上に積層して成膜される。
下地層１４ａの材料としては、必ずしも基板１１上に成膜されたバッファ層１２と同じである必要はなく、異なる材料を用いても構わないが、ＡｌｙＧａ１―ｙＮ層（０≦ｙ≦１、好ましくは０≦ｙ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｙ≦０．１）から構成されることが好ましい。
【００３３】
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層を成膜する場合、例えば、サファイアからなる基板の（０００１）Ｃ面上に、スパッタ法でＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶を直接形成することは、基板とＩＩＩ族窒化物半導体の格子定数の違いから困難である。そこで、本発明では、バッファ層１２上に、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層１４ａを予め形成する。単結晶の下地層１４ａの上には、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶層を容易にスパッタ法により形成することができるため、ドーパントを添加して導電性を制御したＩＩＩ族窒化物半導体が得られやすくなる。
【００３４】
下地層１４ａに用いる材料としては、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物化合物、即ちＧａＮ系化合物半導体が用いられ、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮを好適に用いることができる。
また、バッファ層１２をＡｌＮからなる柱状結晶の集合体として形成した場合には、下地層１４ａがバッファ層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必要があるが、このような材料としても上記Ｇａを含むＧａＮ系化合物半導体が挙げられ、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮが好適である。
【００３５】
下地層１４ａの膜厚は、０．１〜８μｍの範囲とすることが、結晶性の良好な下地層が得られる点で好ましく、０．１〜２μｍの範囲とすることが、成膜に要する工程時間を短縮でき、生産性が向上する点でより好ましい。
【００３６】
下地層１４ａは、必要に応じて、ドナー不純物（ｎ型不純物）が１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内でドープされた構成としても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）の構成とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性を維持できる点で好ましい。
基板１１が導電性である場合には、下地層１４ａにドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子の上下に電極を形成することができる。一方、基板１１に絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、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ので好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅが挙げられる。
【００３７】
｛ｎ型コンタクト層｝
本実施形態のｎ型コンタクト層１４ｂはＩＩＩ族窒化物半導体からなり、スパッタ法によって下地層１４ａ上に積層して成膜される。
ｎ型コンタクト層１４ｂとしては、下地層１４ａと同様にＡｌＸＧａ１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／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。成長温度は下地層と同様である。また、上述したように、ｎ型コンタクト層１４ｂは、下地層を兼ねた構成とすることもできる。
【００３８】
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。
【００３９】
｛ｎ型クラッド層｝
上述のｎ型コンタクト層１４ｂと詳細を後述する発光層１５との間には、ｎ型クラッド層１４ｃを設けることが好ましい。ｎ型クラッド層１４ｃを設けることにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの最表面に生じた平坦性の悪化を改善することができる。ｎ型クラッド層１４ｃは、スパッタ法等を用いて、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等により成膜することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、発光層１５のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００４０】
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におけるｎ型不純物のドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲とされていることが好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／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。
【００４１】
「ｐ型半導体層」
ｐ型半導体層１６は、通常、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂから構成され、反応性スパッタ法を用いて成膜されてなる。また、ｐ型コンタクト層がｐ型クラッド層を兼ねる構成とすることもできる。
【００４２】
本実施形態のｐ型半導体層１６は、導電性をｐ型に制御するためのドーパントとして、アクセプター不純物が添加されてなる。アクセプター不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｍｇを用いることが好ましく、また、同様にＢｅやＺｎを用いることも可能である。
【００４３】
｛ｐ型クラッド層｝
ｐ型クラッド層１６ａとしては、詳細を後述する発光層１５のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１５へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐ型クラッド層１６ａが、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層１５へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｐ型クラッド層１６ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。
【００４４】
ｐ型クラッド層１６ａにアクセプター不純物を添加することによって得られるｐ型ドープ濃度が、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲とされていることが好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／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。
【００４５】
｛ｐ型コンタクト層｝
ｐ型コンタクト層１６ｂとしては、少なくともＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極（後述の透光性電極１７を参照）との良好なオーミック接触の点で好ましい。
ｐ型コンタクト層１６ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０〜２００ｎｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００４６】
また、ｐ型コンタクト層１６ｂにアクセプター不純物を添加することによって得られるｐ型ドープ濃度が、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲とされていると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲である。
【００４７】
「発光層」
発光層１５は、ｎ型半導体層１４上に積層されるとともにｐ型半導体層１６がその上に積層される層であり、従来公知のＭＯＣＶＤ法等を用いて成膜することができる。また、発光層１５は、図１に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１５ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１５ｂとが交互に繰り返して積層されてなり、図示例では、ｎ型半導体層１４側及びｐ型半導体層１６側に障壁層１５ａが配される順で積層して形成されている。
【００４８】
障壁層１５ａとしては、例えば、インジウムを含有した窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１５ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜０．３）等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層１５ｂには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ｇａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
【００４９】
また、発光層１５全体の膜厚としては、特に限定されない。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。
【００５０】
＜製造方法＞
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、上述したように、チャンバ４１内に基板１１及びＧａ元素を含有するターゲット４７を配置し、基板１１上にドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成する方法であり、チャンバ４１の外部に設けられ、該チャンバ４１の内部と連通されたドーパント容器５０内にドーパント元素５１を配置し、該ドーパント元素５１をドーパント容器５０内で気化してチャンバ４１内に供給することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体にドーパントを添加する方法である。
【００５１】
本実施形態の製造方法では、基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、図１に示すような積層半導体１０を形成する際、基板１１上にバッファ層１２を成膜し、その上に半導体層２０を形成する。本実施形態で示す例では、バッファ層１２を、スパッタ法を用いて形成し、その上に、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａをＭＯＣＶＤ法によって形成した後、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃの各層をスパッタ法で形成し、その上の発光層１５をＭＯＣＶＤ法で形成し、そして、ｐ型半導体層１６を構成するｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層をスパッタ法で形成する方法としている。
【００５２】
そして、本実施形態の製造方法では、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃの各層を、上記製造方法を用いて、Ｓｉがドープされてｎ型特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体から成膜する。また、本実施形態では、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層を、上記製造方法を用いて、Ｍｇがドープされてｐ型特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体から成膜する。
【００５３】
『スパッタ装置及び成膜方法、並びに成膜条件』
以下に、本実施形態の製造方法で用いられ、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃ、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層を成膜するスパッタ装置の構成、成膜方法及び成膜条件について、図５に例示するスパッタ装置４０を用いて詳述する。
【００５４】
「スパッタ装置の構成」
図５に例示するスパッタ装置４０は、チャンバ４１にＧａ元素を含有してなるターゲット４７が電極４３上に配置されており、また、チャンバ４１には、該チャンバ４１の外部に設けられたドーパント容器５０が接続管５２を介して連通して接続され、ドーパント容器５０内には、ドーパント元素５１が配されている。
【００５５】
電極４３はマッチングボックス４６に接続されており、また、ヒータプレート４４には基板１１が取り付けられるとともにマッチングボックス４５が接続されている。このようなマッチングボックス４６及び４５は、各々、電源４８に接続されており、電極４３にはマッチングボックス４６を介して電流が供給され、ヒータプレート４４にはマッチングボックス４５を介して電流が供給される。これにより、ターゲット４７にはパワーが印加され、基板１１にはバイアスが印加される。
上述のマッチングボックス４６及び４５は、スパッタ装置４０内部と、高周波の電源４８とのインピーダンスのマッチングをとるために設けられる。
【００５６】
ドーパント容器５０は、内部にドーパント元素５１が収容され、本実施形態では、ドーパント容器５０の近傍に備えられた加熱器５３により、ドーパント元素５１が加熱、気化される構成とされている。ドーパント容器５１内で気化されたドーパント元素は、接続管５２を介してチャンバ４１内に供給される。また、図５に示す例のスパッタ装置４０では、接続管５２の経路中に制御バルブ（流量制御手段）５２ａが備えられており、該制御バルブ５２ａによって、気化されたドーパント元素のチャンバ４１内への供給量を調整できるようになっている。
【００５７】
本実施形態の製造方法で用いるスパッタ装置としては、ＲＦスパッタ法によって成膜処理を行う装置であることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法で成膜する場合、一般に、ＩＩＩ族金属をターゲットにし、スパッタ装置のチャンバ内に窒素原子含有ガス（窒素ガス：Ｎ２、アンモニア：ＮＨ３等）を導入し、気相中でＩＩＩ族金属と窒素を反応させる反応性スパッタ法（反応性リアクティブスパッタ法）を用いる。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ及びＤＣスパッタがあるが、本発明の製造方法のように反応性スパッタ法を用いた場合には、連続的に放電させるＤＣスパッタでは帯電が激しく、成膜速度のコントロールが困難となる。このため、本発明の製造方法では、ＲＦスパッタ法を用いることが好ましく、ＤＣスパッタ法を用いる場合には、パルス的にバイアスを与えることができるパルスＤＣスパッタ法が採用されたスパッタ装置を用いることが好ましい。
【００５８】
また、ＲＦスパッタを用いた場合には、帯電を回避する方法として、マグネットの位置をターゲット内で移動させることが好ましい。具体的な運動の方法は、使用するスパッタ装置によって選択することができ、揺動させたり、回転運動させたりすることができる。  図５に例示するスパッタ装置４０では、ターゲット４７の下方にマグネット４２が備えられ、このマグネット４２がターゲット４７の下方で回転運動できる構成とされている。
【００５９】
また、スパッタによってＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成する際には、より高エネルギーの反応種を基板に供給することが好ましいことから、スパッタ装置４０内において基板１１がプラズマ中に位置するように構成し、また、ターゲット４７と基板１１とが対面する位置関係として構成することが好ましい。また、基板１１とターゲット４７との間の距離を、１０〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましい。
また、チャンバ４１内には、できるだけ不純物を残さないことが好ましいので、スパッタ装置４０の到達真空度は、１．０×１０−３Ｐａ以下であることが好ましい。
【００６０】
なお、図示例のスパッタ装置４０では、ドーパント容器５０内に配置されるドーパント元素を気化する手段として加熱器５３を用いているが、これには限定されず、他の気化手段を用いることも可能である。
【００６１】
また、スパッタ装置４０では、接続管５２に制御バルブ５２ａを備えることにより、気化されたドーパント元素のチャンバ４１内への供給量を調整できるようになっているが、他の制御手段を用いても良いし、このような流量制御手段を省略することも可能である。そのような場合には、例えば、ドーパント元素を気化するためのドーパント容器５０に対し、加熱器５３で加える温度を調節する方法を採用することができる。このような方法とすることにより、ドーパント容器５０の内圧を上昇させてチャンバ４１の内圧よりも高圧とすることで、チャンバに向かって蒸気を供給するとともに、この供給量を加熱温度で調整することが可能となる。
【００６２】
「ドーパント元素を気化して行なう成膜方法」
上述のようなスパッタ装置４０を用いて基板１１上に半導体層を成膜する際は、まず、チャンバ４１内に、例えばアルゴンガス及び窒素ガスを供給した状態とし、ヒータプレート４４内に設けられた図示略の加熱手段によってヒータプレート４４を発熱させ、基板１１を所定の温度、つまり、基板１１上に成長させられる各層の成長温度に加温する。
そして、基板１１が加温された状態で電極４３に電流を供給し、ターゲット４７にパワーを印加するとともに、ヒータプレート４４に電流を供給して、基板１１にバイアスを印加する。また、これと同時に、ドーパント容器５０内に配置されたドーパント元素５１を加熱器５３によって加熱する。この際、制御バルブ５２ａは開状態とする。
【００６３】
このような操作により、Ｇａ元素を含有してなるターゲット４７がアルゴンガス及び窒素ガスのプラズマに曝され、ターゲット４７からＧａの粒子が飛び出し、また、これと同時に、ドーパント容器５０内で加熱、気化されたドーパント元素が、蒸気状態の粒子としてチャンバ４１内に供給される。そして、上述の各粒子が、ヒータプレート４４に取り付けられた基板１１、又は該基板１１上に積層された膜の表面にぶつかるように供給されることにより、基板１１上にドーパントが添加されたＧａＮ（ＩＩＩ族窒化物半導体）からなる層が成膜される。
【００６４】
ここで、本実施形態の製造方法では、制御バルブ５２ａを開閉操作して、気化されたドーパント元素粒子のチャンバ４１内への供給量を変化させることにより、チャンバ４１内の雰囲気ガス中におけるＧａ元素とドーパント元素との比を制御することができる。この際、チャンバ４１内の雰囲気ガス中におけるＧａ元素及びドーパント元素の粒子の量は、成膜されるＧａＮ結晶中のＧａ元素とドーパント元素との比と一致するので、チャンバ４１内へのドーパント元素の供給量を適宜調整することにより、成膜されるＧａＮ（半導体層）結晶中のドーピング濃度を最適値に制御することが可能となる。
【００６５】
「成膜条件」
本実施形態の製造方法では、ＩＩＩ族窒化物半導体へのドーパント元素（不純物）のドーピングを、上述したようなスパッタ装置４０に備えられたドーパント容器５０内にドーパント元素５１を配置し、加熱器５３によって加熱、気化してチャンバ４１内のガス雰囲気中に供給する方法で行なう。また、この際、ドーパント容器５０内に配置するドーパント元素としては、成膜するＩＩＩ族窒化物半導体の目的特性に合わせ、以下に説明するようなドナー不純物やアクセプター不純物を適宜用いることができる。
以下、スパッタ法による各成膜条件について詳述する。
【００６６】
（ドナー不純物）
本実施形態では、ドナー不純物からなるドーパント元素を気化して用いることにより、ドナー不純物が添加され、導電性がｎ型に制御されたＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を成膜することができる。
ドナー不純物としては、シリコン（Ｓｉ）元素を用いることが好ましいが、上述したように、Ｓｉの他、ＧｅやＳｎ等を用いることが可能である。
【００６７】
また、ドーパント元素としてＳｉ元素を用いてＩＩＩ族窒化物半導体を形成する場合、チャンバ４１内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＳｉ元素との比は、１：０．０００１〜１：０．００００１の範囲とされていることが好ましい。雰囲気ガス中のＧａ元素とＳｉ元素との比が上記範囲内であれば、導電性がｎ型に最適制御され、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を成膜することができる。
【００６８】
本実施形態の製造方法によれば、上述のように、ドーパント元素としてドナー不純物を用いることにより、例えば、図１に例示するような積層半導体１０の内のｎ型半導体層１４の少なくとも一部を、導電性がｎ型に制御されたｎ型ＧａＮ単結晶から成膜することができる。
【００６９】
（アクセプター不純物）
本実施形態では、アクセプター不純物からなるドーパント元素を気化して用いることにより、アクセプター不純物が添加され、導電性がｐ型に制御されたＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を成膜することができる。
アクセプター不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）元素を用いることが好ましいが、上述したように、Ｍｇの他、ＢｅやＺｎ等を用いることが可能である。
【００７０】
また、ドーパント元素としてＭｇ元素を用いてＩＩＩ族窒化物半導体を形成する場合、４１チャンバ内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＭｇ元素との比は、１：０．０１〜１：０．０００１の範囲とされていることが好ましい。雰囲気ガス中のＧａ元素とＭｇ元素との比が上記範囲内であれば、導電性がｐ型に最適制御され、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を成膜することができる。
【００７１】
本実施形態の製造方法によれば、上述のように、ドーパント元素としてアクセプター不純物を用いることにより、例えば、図１に例示するような積層半導体１０の内のｐ型半導体層１６の少なくとも一部を、導電性がｐ型に制御されて１〜４×１０１６個／ｃｍ３のキャリア濃度を有する、ｐ型ＧａＮ単結晶から成膜することが出来る。
【００７２】
（チャンバ内のガス雰囲気）
スパッタ法を用いてＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成する場合に重要となる他のパラメータとして、窒素原子含有ガスの分圧、成膜速度、基板温度、バイアス及びパワー等が挙げられる。
まず、スパッタ装置４０のチャンバ４１内のガス雰囲気は、窒素原子含有ガス（窒素：Ｎ２ガス、ＮＨ３ガス等）を含む雰囲気とする。このような窒素原子含有ガスは、スパッタにより、プラズマ化されて窒素原子に分解して結晶成長の原料となる。また、ターゲット４７を効率よくスパッタするために、さらに、アルゴン（Ａｒ）等の重量が大きく反応性の低い不活性ガスを混入させた雰囲気とする。
チャンバ４１内のガス雰囲気中の窒素原子含有ガスの割合、例えば、窒素ガス（Ｎ２）とアルゴン（Ａｒ）の全流量に占める窒素ガス流量の比は、２０％〜９８％とすることができる。窒素ガスの流量比が２０％未満だと、スパッタ原料が金属のまま付着する虞があり、窒素ガスの流量比が９８％超だと、アルゴンの量が少なすぎ、スパッタ速度が低下する。
【００７３】
また、特に結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を積層するためには、チャンバ４１内の雰囲気中の窒素原子含有ガスの割合を２０〜８０％の範囲とし、残部が不活性ガスを含有するガスとされていることが必要である。
なお、不活性ガスを含有するガスは、Ａｒなどの不活性ガスの他に、水素ガス（Ｈ２）など含有した構成としても良い。
【００７４】
（成膜速度）
スパッタ法による、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層の成膜速度は、０．０１〜１０ｎｍ／秒とすることが好ましい。成膜速度が１０ｎｍ／秒を超えると積層されたＩＩＩ族窒化物半導体が結晶とならずに非晶質となり、０．０１ｎｍ／秒未満だとプロセスが無駄に長時間となり、工業生産に利用することが困難となる。
【００７５】
（基板温度）
本発明者等が鋭意実験したところ、一般に、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法で形成するためには、基板温度を６００〜１２００℃の範囲とすること好ましいことが明らかとなった。基板温度が６００℃より低いと、基板面での反応種のマイグレーションが抑えられ、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を形成するのが困難となる。また、基板温度が１２００℃を超えると、形成されたＩＩＩ族窒化物半導体が再分解を起こす虞がある。
【００７６】
また、ドナー不純物やアクセプター不純物等のドーパントを添加して半導体層の導電性を容易に制御するためには、基板温度を６００℃〜１０５０℃の範囲とすることが必要となる。基板温度を６００℃〜１０５０℃の範囲とすることで、点欠陥等の欠陥密度が少なく結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることができる。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体にドーパントを添加して導電性を容易に制御することが可能になる。
【００７７】
（バイアス及びパワー）
また、結晶成長中の基板１１表面における反応種のマイグレーションを活発にするためには、基板１１側に印加されるバイアス、及びターゲット４７側に印加されるパワーは大きいほうが好ましい。例えば、成膜時に基板１１に印加するバイアスは１．５Ｗ／ｃｍ２以上が好ましく、また、成膜時にターゲット４７に印加するパワーを１．５Ｗ／ｃｍ２〜５ｋＷ／ｃｍ２の範囲とすることが好ましい。
【００７８】
（ターゲットの組成）
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層の組成は、ターゲットに用いるＩＩＩ族金属の組成を所望の値に調整することによりコントロールすることができる。例えば、ＧａＮからなる層を形成する場合には、ターゲットにＧａ金属を用い、ＡｌＧａＮ層を形成する場合には、ターゲットにＡｌＧａ合金を用いれば良い。また、ＩｎＧａＮを形成する場合には、ＩｎＧａ合金を用いれば良い。ＩＩＩ族窒化物半導体の組成は、ターゲット４７のＩＩＩ族金属の組成に応じて変化するので、ターゲット４７の組成を実験的に求めることで、所望の組成のＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成することが可能となる。
【００７９】
あるいは、例えば、ＡｌＧａＮ層を積層する場合、ターゲットとしてＧａメタルとＡｌメタルの両方を併置してもよい。この場合には、ＧａメタルターゲットとＡｌメタルターゲットの表面積の比を変化させることにより、積層されるＡｌＧａＮ層の組成を制御することが可能となる。同様に、ＩｎＧａＮ層を積層する場合には、ＧａメタルターゲットとＩｎメタルターゲットの両方を併置することも可能である。
【００８０】
『積層半導体の形成』
本実施形態の製造方法を用いて、図１に示すような積層半導体１０を形成する際の各層の成膜方法について以下に詳述する。
【００８１】
「バッファ層の形成」
基板１１を反応器の中に導入した後、バッファ層１２を形成する前に、スパッタ法等の方法を用いて前処理を行うことが望ましい。具体的には、基板１１をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝す事によって表面を整えることができる。例えば、ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板１１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、基板１１とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板１１に作用する。このような前処理を基板１１に施すことにより、基板１１の表面１１ａ全面にバッファ層１２を成膜することができ、その上に成膜される膜の結晶性を高めることが可能となる。
また、バッファ層１２を基板１１上に成膜する際、基板１１には湿式の前処理を行っても良い。例えば、シリコンからなる基板１１に対しては、よく知られたＲＣＡ洗浄方法などを行い、表面を水素終端させておくことにより、成膜プロセスが安定する。
【００８２】
基板１１表面の前処理を行なった後、スパッタ装置内にアルゴン及び窒素ガスを導入し、基板１１の温度を５００℃程度にする。そして、基板１１側に高周波バイアスを印加するとともに、金属ＡｌからなるＡｌターゲット側にパワーを印加し、炉内の圧力を一定に保ちながら、基板１１上にＡｌＮからなるバッファ層１２を成膜する。
【００８３】
バッファ層１２を基板１１上に成膜する方法としては、スパッタ法の他、例えば、ＭＯＣＶＤ法、パルスレーザーデポジション（ＰＬＤ）法、パルス電子線堆積（ＰＥＤ）法等が挙げられ、適宜選択して用いることができるが、スパッタ法が最も簡便で量産にも適しているため、好適な方法である。なお、ＤＣスパッタを用いる場合、ターゲット表面のチャージアップを招き、成膜速度が安定しない可能性があるので、パルスＤＣスパッタ法とするか、ＲＦスパッタ法とすることが望ましい。
【００８４】
「半導体層の形成」
バッファ層１２上には、ｎ型半導体層１４、発光層１５、ｐ型半導体層１６をこの順で積層することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層２０を形成する。本実施形態の製造方法では、上述したように、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａをＭＯＣＶＤ法によって形成した後、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃの各層をスパッタ法で形成し、その上の発光層１５をＭＯＣＶＤ法で形成し、そして、ｐ型半導体層１６を構成するｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層をスパッタ法で形成する。
【００８５】
本実施形態において、半導体層２０を形成する際の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、上述したスパッタ法の他、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。これらの方法の内、ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を用いる。
【００８６】
上述したような窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ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。
【００８７】
（ｎ型半導体層の形成）
本実施形態の半導体層２０を形成する際、まず、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａを、従来公知のＭＯＣＶＤ法を用いてバッファ層１２上に積層して成膜する。次いで、下地層１４ａ上に、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃを、上述したような本実施形態の製造方法によってスパッタ法で成膜する。この際、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃの各層は、同じスパッタ装置を用いて成膜することができる。
【００８８】
基板１１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層１４ａを形成する方法としては、本実施形態のように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、上述のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる低温バッファ層を基板１１上に形成し、その上に、低温バッファ層を形成する温度より高温でＭＯＣＶＤ法により単結晶のＧａＮ層を形成する方法がある。
また、ＭＯＣＶＤ法を用いて低温バッファ層を形成するのに代わり、スパッタ法を用いてＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる多結晶のバッファ層を形成し、その上に、ＭＯＣＶＤ法によって単結晶のＧａＮ層を形成しても良い。また、この際、単結晶のＧａＮ層を、スパッタ法を用いて成長させても良い。
【００８９】
ここで、下地層を、スパッタ法を用いて形成する方法とした場合には、例えば、上述したような本実施形態の製造方法を用いて、スパッタ法で形成するｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃと同一のチャンバ４１を使用して成膜処理を行うことができる。この場合、下地層については、チャンバ４１内にドナー不純物（Ｓｉ）からなるドーパント元素を供給せずにアンドープで成膜する。一方、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃについては、チャンバ４１内にドナー不純物（Ｓｉ）からなるドーパント元素を供給して成膜することにより、ドナー不純物が添加されて導電性がｎ型に制御されたＧａＮ層が得られる。
このように、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃに加え、下地層についてもスパッタ法を用いて成膜する方法とした場合には、ｎ型半導体層１４を成膜する際の製造設備（スパッタ装置）を共通化できるので、生産性が向上するとともに、製造コストを低減することが可能となる。
【００９０】
（発光層の形成）
ｎ型クラッド層１４ｃ上には、発光層１５を、従来公知のＭＯＣＶＤ法によって形成する。図１に例示するような、本実施形態で形成する発光層１５は、ＧａＮ障壁層に始まりＧａＮ障壁層に終わる積層構造を有しており、ＳｉドープのＧａＮからなる６層の障壁層１５ａと、ノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる５層の井戸層１５ｂとを交互に積層して形成する。
【００９１】
（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、上述したような本実施形態の製造方法を用いてスパッタ法で成膜する。
【００９２】
本実施形態では、まず、ＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを発光層１５（最上層の障壁層１５ａ）上に形成し、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、同じスパッタ装置を用いることができる。
これら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の成膜処理においては、上述した本実施形態の製造方法を用い、チャンバ４１内にアクセプター不純物（Ｍｇ）からなるドーパント元素を供給して成膜することにより、アクセプター不純物が添加されて導電性がｐ型に制御されたＧａＮ層が得られる。
【００９３】
以上説明したような、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によれば、ドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法で成膜する際、チャンバ４１の外部に設けられ、該チャンバ４１の内部と連通されたドーパント容器５０内にドーパント元素５１を配置し、該ドーパント元素５１をドーパント容器５０内で気化してチャンバ４１内に供給することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体にドーパントを添加する方法としたので、Ｇａ元素が含有されるターゲットとドーパントとの混合バランスを容易に制御することができる。
これにより、成膜するＩＩＩ族窒化物半導体のドーパント濃度を容易に制御することができるので、導電性が目的特性に合わせて最適に制御され、且つ、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を、高効率で安定して基板上に成膜することが可能となる。
【００９４】
また、本実施形態の製造方法では、上記構成により、ＩＩＩ族窒化物半導体の成膜工程を、ドーパント濃度を適宜変化させながら成膜処理を行う工程とすることができる。この場合、例えば、半導体層にドーパント濃度勾配を付与しながら成膜する処理や、目的特性に合わせてドーパント濃度を変化させる同期ドープを行ないながら各半導体層を積層する処理が可能となる。
これにより、導電性を最適に制御しながら高効率でＩＩＩ族窒化物半導体を成膜することができ、生産性が向上するとともに、スパッタ装置等の製造設備を共通化することができるので、製造コストを低減することが可能となる。
【００９５】
本発明に係る、ドーパント元素を気化して添加し、導電性を最適に制御したＩＩＩ族窒化物半導体は、詳細を後述する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザディスク（ＬＤ）等の発光素子に備えられるｐ型コンタクト層や、トランジスタのような電子デバイス等の各種半導体素子に用いることができる。
【００９６】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法］
本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法は、図３（図１も参照）に例示するようなＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６が順に積層された半導体層２０を備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（以下、発光素子と略称することがある）１を製造する際、ｎ型半導体層１４、及び／又は、ｐ型半導体層１６の少なくとも一部を、上述したようなＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成する工程が備えられた方法である。
【００９７】
＜発光素子の積層構造＞
図２及び図３は、本実施形態の発光素子の製造方法の一例を説明するための図であり、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層が形成された積層半導体１０（図１参照）を用いて発光素子１を構成した例を示す概略図で、図２は平面図、図３は断面図である。
本実施形態の発光素子１は、上記製造方法で製造された積層半導体１０のｐ型半導体層１６上に透光性正極１７が積層され、その上に正極ボンディングパッド１８が形成されるとともに、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに形成された露出領域１４ｄに負極１９が積層されて概略構成される。
そして、本実施形態のｎ型半導体層１４は、ドナー不純物が添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、また、ｐ型半導体層１６は、アクセプター不純物が添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、上記本実施形態の製造方法によって形成されたものである。
【００９８】
『透光性正極』
透光性正極１７は、上述した積層半導体１０のｐ型半導体層１６（ｐ型コンタクト層１６ｂ）上に形成される透光性の電極である。
透光性正極１７の材質としては、特に限定されず、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）等の材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
また、透光性正極１７は、Ｍｇがドープされたｐ型半導体層１６上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。
【００９９】
『正極ボンディングパッド及び負極』
正極ボンディングパッド１８は、上述の透光性正極１７上に形成される電極である。
正極ボンディングパッド１８の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド１８の厚さは、１００〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１８の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１００】
負極１９は、基板１１上に、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６が順次積層された半導体層において、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに接するように形成される。
このため、負極１９を設ける際は、ｐ型半導体層１６、発光層１５及びｎ型半導体層１４の一部を除去することにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの露出領域１４ｄを形成し、この上に負極１９を形成する。
負極１９の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【０１０１】
＜発光素子の製造方法＞
以下に、図２及び図３に示すような発光素子１の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の発光素子１の製造方法は、上記製造方法で得られた積層半導体１０を用い、該積層半導体１０のｐ型半導体層１６上に透光性正極１７を積層し、その上に正極ボンディングパッド１８を形成するとともに、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに形成された露出領域１４ｄに負極１９を積層する方法である。
【０１０２】
『透光性正極の形成』
上述のような方法により、基板１１上に、バッファ層１２及び半導体層が積層された積層半導体１０のｐ型コンタクト層１６ｂ上に、ＩＴＯからなる透光性正極１７を形成する。
透光性正極１７の形成方法としては、特に限定されず、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
『正極ボンディングパッド及び負極の形成』
積層半導体１０上に形成された透光性正極１７上に、さらに、正極ボンディングパッド１８を形成する。
この正極ボンディングパッド１８は、例えば、透光性正極１７の表面側から順に、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕの各材料を、従来公知の方法で積層することによって形成することができる。
【０１０５】
また、負極１９を形成する際は、まず、基板１１上に形成された発光層１５、ｐ型半導体層１６、及びｎ型半導体層１４の一部をドライエッチング等の方法によって除去することにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの露出領域１４ｄを形成する（図２及び図３参照）。そして、この露出領域１４ｄ上に、例えば、露出領域１４ｄ表面側から順に、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＡｕの各材料を、従来公知の方法で積層することにより、４層構造の負極１９を形成することができる。
【０１０６】
そして、上述のようにして、積層半導体１０上に、透光性正極１７、正極ボンディングパッド１８及び負極１９を設けたウェーハを、基板１１の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした後、例えば、３５０μｍ角の正方形に切断することにより、発光素子チップ（発光素子１）とすることができる。
【０１０７】
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の製造方法によれば、ｎ型半導体層１４、及び／又は、ｐ型半導体層１６の少なくとも一部が、上記本実施形態の製造方法により、ドーパントが添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体から形成する方法とされているので、導電性が最適に制御された結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を備え、優れた発光特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。
【０１０８】
［ランプ］
以上説明したような、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせることにより、当業者周知の手段によってランプを構成することができる。従来より、発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、このような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
例えば、蛍光体を適正に選定することにより、発光素子より長波長の発光を得ることも可能となり、また、発光素子自体の発光波長と蛍光体によって変換された波長とを混ぜることにより、白色発光を呈するランプとすることもできる。
また、ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。
【０１０９】
例えば、図４に示す例のように、同一面電極型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を砲弾型に実装する場合には、２本のフレームの内の一方（図４ではフレーム３１）に発光素子１を接着し、また、発光素子１の負極（図３に示す符号１９参照）をワイヤー３４でフレーム３２に接合し、発光素子１の正極ボンディングパッド（図３に示す符号１８参照）をワイヤー３３でフレーム３１に接合する。そして、透明な樹脂からなるモールド３５で発光素子１の周辺を封止することにより、図４に示すような砲弾型のランプ３を作成することができる。
【０１１０】
また、本発明に係る、ドーパントを添加して導電性を制御したＩＩＩ族窒化物半導体は、上述のような発光素子の他、レーザ素子や受光素子等の光電気変換素子、又は、ＨＢＴやＨＥＭＴ等の電子デバイスにも用いることができる。これらの半導体素子は、各種構造のものが多数知られており、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造体の素子構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。
【実施例】
【０１１１】
次に、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法、及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【０１１２】
［実施例１］
図１に、実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物化合物半導体発光素子の積層半導体の断面模式図を示す。
本例では、サファイアからなる基板１１のｃ面上に、バッファ層１２としてＲＦスパッタ法を用いてＡｌＮからなる単結晶層を形成し、その上に、ｎ型半導体層１４として、単結晶のＧａＮからなる下地層１４ａをＭＯＣＶＤ法で成膜し、下地層１４ａ上に、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃを、ＲＦスパッタ法を用いて成膜した。そして、この上にＭＯＣＶＤ法によって発光層１５を成膜し、該発光層１５上に、ｐ型半導体層１６として、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層を、ＲＦスパッタ法を用いてこの順で積層し、積層半導体サンプルを作製した。
【０１１３】
『バッファ層の形成』
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイアからなる基板１１を、フッ酸及び有機溶媒によって洗浄した後、スパッタ装置のチャンバ中へ導入した。この際、スパッタ装置としては、高周波式の電源部を備え、ターゲット内でマグネットを回転させることにより、磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を備えたものを使用した。
【０１１４】
そして、スパッタ装置のチャンバ内で基板１１を５００℃まで加熱し、窒素ガスを１５ｓｃｃｍの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を１．０Ｐａに保持し、基板１１に５０Ｗの高周波バイアスを印加しながら窒素プラズマに晒すことにより、基板１１の表面を洗浄した。
【０１１５】
次いで、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板１１の温度を５００℃まで低下させた。そして、基板１１側にバイアスを印加せず、２０００Ｗの高周波パワーを金属Ａｌターゲット側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、サファイアからなる基板１１上にＡｌＮからなるバッファ層１２を成膜した。この際の成長速度は０．１２ｎｍ／ｓであった。
【０１１６】
なお、ターゲット内のマグネットは、基板１１の洗浄時、及びバッファ層１２の成膜時の何れの際も回転させた。上述のようにして、５０ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層を成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。以上の手順により、基板１１上に、５０ｎｍの厚さの単結晶のＡｌＮからなるバッファ層１２を形成した。
【０１１７】
『下地層の形成』
次に、バッファ層１２が形成された基板１１を、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮからなる下地層を成長させるため、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内へ搬送した。そして、チャンバ内に水素ガスを流通した状態で基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、バッファ層１２の表面に付着した汚れを昇華させて除去した。また、この際、基板１１の温度が８３０℃以上となった時点から、アンモニアを炉内に流通させた。
【０１１８】
次いで、基板１１の温度を１０２０℃まで低下させた後、アンモニアをそのままチャンバ内に流通させながら、バブリングによって発生させたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の蒸気を炉内へ流通し、単結晶のＧａＮからなる下地層１４ａを２μｍの膜厚で形成した。その後、ＴＭＧの供給を停止し、ＧａＮの成長を停止させて降温した。
【０１１９】
『ｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層の形成』
次いで、下地層１４ａを形成した基板１１を図５に示すようなスパッタ装置４０のチャンバ４１内に搬送し、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを、ＲＦスパッタ法を用いて形成した。ここで、ＧａＮの成膜に使用するスパッタ装置４０としては、高周波式の電源部を有し、四角形のＧａターゲット内をマグネットがスイープすることで磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を備えたものを使用した。この際、Ｇａターゲット内には冷媒を流通させるための配管を設置し、２０℃に冷却した冷媒を配管内に流通させ、熱によるＧａの融解を防止した。
【０１２０】
次いで、チャンバ４１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１０００℃まで上昇させた。そして、２０００Ｗの高周波パワーを金属Ｇａからなるターゲット４７側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ちながら、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、下地層１４ａ上に、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを成膜した。この際、チャンバ４１内に連通して設けられたドーパント容器５０内に、Ｓｉからなるドーパント元素を配置し、加熱器５３への通電によってＳｉ元素を加熱して気化させ、チャンバ４１内に供給することにより、ｎ型コンタクト層１４ｂをなすＧａＮ結晶中にＳｉをドープした。この際の成長速度は、おおよそ２μｍ／ｓであった。そして、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。
上記手順により、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を有し、２μｍの膜厚のＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを成膜した。
【０１２１】
次いで、上記手順で作製したサンプルのｎ型コンタクト層１４ｂ上に、同じスパッタ装置４０を用い、同様の手順により、１×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を有し、２０ｎｍの膜厚のＳｉドープＧａＮからなるｎ型クラッド層１４ｃを成膜した。
【０１２２】
以上説明したような工程により、基板１１上に、単結晶組織を有し、ＡｌＮからなるバッファ層１２を形成し、その上にアンドープで２μｍの膜厚の下地層１４ａと、１×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度を持つ２μｍのＳｉドープのｎ型コンタクト層１４ｂを形成し、さらにその上に、１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度をもつ２０ｎｍのＳｉドープのｎ型クラッド層１４ｃを形成した。成膜後にチャンバから取り出した基板は無色透明であり、ＧａＮ層（ここではｎ型クラッド層１４ｃ）の表面は鏡面であった。
【０１２３】
『発光層の形成』
次いで、上記手順で作製したサンプルのｎ型クラッド層１４ｃ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮからなる障壁層１５ａと、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂとから構成され、多重量子井戸構造を有する発光層１５を形成した。この、発光層１５の形成にあたっては、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型クラッド層１４ｃ上に、まず、障壁層１５ａを形成し、この障壁層１５ａ上に、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂを形成した。このような積層手順を５回繰り返した後、５番目に積層した井戸層１５ｂ上に、６番目の障壁層１５ａを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層１５の両側に障壁層１５ａを配した構造とした。
【０１２４】
すなわち、基板温度を７５０℃とし、窒素ガスキャリアを流通させながら、アンモニア、ＴＥＧ及びモノシランを炉内へ供給することにより、１５０Åの膜厚を有するＧａＮからなる障壁層１５ａを形成した。
【０１２５】
次いで、障壁層１５ａの成長を終了させた後、基板１１の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままとして、ＴＥＧａ及びＴＭＩｎのバルブを切り替えてＴＥＧ及びＴＭＩを炉内へ供給し、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂを成長させた。これにより、２０Åの膜厚を有する井戸層１５ｂを形成した。
【０１２６】
井戸層１５ｂの成長を終了させた後、再び障壁層１５ａを成長させた。そして、このような手順を５回繰り返すことにより、５層の障壁層１５ａと５層の井戸層１５ｂを形成した。さらに、最後に積層した井戸層１５ｂ上に、障壁層１５ａを形成し、発光層１５とした。
【０１２７】
『ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の形成』
上述の各工程処理によって得られたウェーハを、上記ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃの成膜に使用したスパッタ装置４０内に搬送し、以下に説明する条件でｐ型半導体層１６（ｐ型クラッド層１６ａ、ｐ型コンタクト層１６ｂ）を成膜した。この際、ターゲットとして、Ａｌ元素からなるターゲット及びＧａ元素からなるターゲットの両方をチャンバ内に設置し、これらに対して同時にパワーを印加することにより、発光層１５上に、５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを成膜し、この上に、膜厚２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１６を形成した。
【０１２８】
まず、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板温度を１０００℃まで上昇させた。次いで、２０００Ｗの高周波パワーを金属Ｇａターゲット側に、５００Ｗの高周波パワーをＡｌターゲットに印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ちながら、Ａｒガスを８ｓｃｃｍ、窒素ガスを１２ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は６０％）でｐ型クラッド層１６ａを成膜した。この際、チャンバ４１内に連通して設けられたドーパント容器５０内に、Ｍｇからなるドーパント元素を配置し、加熱器５３への通電によってＭｇ元素を加熱して気化させ、チャンバ４１内に供給することにより、ｐ型クラッド層１６ａをなすＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶中にＭｇをドープした。この際の成長速度は、おおよそ０．２ｎｍ／ｓであった。そして、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。
上記手順により、５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを成膜した。
【０１２９】
次いで、上記手順で作製したｐ型クラッド層１６ａ上に、同じスパッタ装置４０を用い、同様の手順により、膜厚２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１６を形成した。
そして、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６ｂの成膜後、プラズマを立てるのを停止し、ロードロック室を通じてウェーハをウェーハトレイごとスパッタ装置４０外へ搬出した。
上述の工程で得られたＭｇドープＡｌＧａＮ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型を示し、キャリア濃度は３×１０１６個／ｃｍ３であった。
【０１３０】
このような工程により、最終的に、図１に示すようなＩＩＩ族窒化物化合物半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するエピタキシャルウェーハ（積層半導体１０）を作製した。
【０１３１】
上述のようにして作製したＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハは、図１に示す積層半導体１０のように、ｃ面を有するサファイアからなる基板１１上に、単結晶構造を有するＡｌＮ層（バッファ層１２）を形成した後、基板１１側から順に、２μｍのアンドープＧａＮ層（下地層１４ａ）、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層（ｎ型コンタクト層１４ｂ）、１×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２０ｎｍのＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層１４ｃ）、ＧａＮ障壁層に始まってＧａＮ障壁層に終わり、層厚が１５０Åとされた６層のＧａＮ障壁層（障壁層１５ａ）と、層厚が２０Åとされた５層のノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ井戸層（井戸層１５ｂ）とからなる多重量子井戸構造（発光層１５）、膜厚５ｎｍのＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（ｐ型クラッド層１６ａ）と、膜厚２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ（ｐ型コンタクト層１６ｂ）を積層した構造を有する。
【０１３２】
『ＬＥＤの作製』
次いで、上記エピタキシャルウェーハ（積層半導体１０）を用いてＬＥＤを作製した。
すなわち、上記エピタキシャルウェーハのＭｇドープＡｌＧａＮ層（ｐ型半導体層１６ｂ）の表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってＩＴＯからなる透光性電極１７を形成し、その上に、チタン、アルミニウム及び金を順に積層した構造を有する正極ボンディングパッド１８（ｐ電極ボンディングパッド）を形成し、ｐ側電極とした。さらに、ウェーハに対してドライエッチングを施し、ｎ型コンタクト層１４ｂのｎ側電極（負極）を形成する領域を露出させ、この露出領域１４ｄにＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＡｕの４層が順に積層されてなる負極１９（ｎ側電極）を形成した。このような手順により、ウェーハ（図１の積層半導体１０を参照）上に、図２に示すような形状を有する各電極を形成した。
【０１３３】
そして、上述の手順でｐ側及びｎ側の各電極が形成されたウェーハについて、サファイアからなる基板１１の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。そして、このウェーハを３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、各電極が上になるようにリードフレーム上に配置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした（図４のランプ３を参照）。
上述のようにして作製した発光ダイオードのｐ側およびｎ側の電極間に順方向電流を流したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．０Ｖであった。また、ｐ側の透光性電極１７を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６０ｎｍ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。
【０１３４】
［実施例２］
実施例２では、基板１１に成膜するバッファ層を、成膜条件を下記のようにコントロールすることにより、ＡｌＮからなる柱状結晶の集合体として多結晶構造で形成した点を除き、実施例１と同様の方法により、基板１１上にバッファ層及び各半導体層を成膜した。
この際、基板１１の表面を窒素プラズマに晒して洗浄する際の条件として、基板温度を７５０℃、チャンバ内の圧力を０．０８Ｐａとし、また、ＡｌＮからなるバッファ層の成膜条件として、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５ｓｃｃｍ（ガス全体に対する窒素の比は２５％）の流量とした点が、実施例１に示した条件とは異なる。
【０１３５】
このような工程により、基板１１上に、柱状結晶の集合体でＡｌＮからなるバッファ層を形成し、その上にアンドープで２μｍの膜厚の下地層１４ａと、１×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度を持つ２μｍのＳｉドープのｎ型コンタクト層１４ｂを形成し、さらにその上に、１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度をもつ２０ｎｍのＳｉドープのｎ型クラッド層１４ｃを形成した。成膜後にチャンバから取り出した基板は無色透明であり、ＧａＮ層（ここではｎ型クラッド層１４ｃ）の表面は鏡面であった。
また、実施例１と同様の方法によって半導体層を構成する各層を成膜した後、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６ｂの電気的特性を確認したところ、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型を示し、キャリア濃度は３×１０１６個／ｃｍ３であった。
【０１３６】
さらに、このようなウェーハを用い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３．０Ｖであった。また、ｐ側の透光性電極１７を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６０ｎｍ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。
【０１３７】
［比較例］
比較例では、チャンバ内に連通するドーピング容器が備えられておらず、液状のＧａに細粒状としたＳｉを混合し、これをターゲットの受け皿に流し込んで固めたものをチャンバ内に設置する従来の方法が採用されたスパッタ装置を用いて、Ｓｉドープのｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層、Ｍｇドープのｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を形成した点以外は、実施例と同様の成膜条件で、図１に示すような積層半導体のサンプルを作製した。
【０１３８】
比較例では、ｎ型クラッド層の成膜後にチャンバ内から取り出した基板は無色透明であり、表面は鏡面であった。
また、ｐ型コンタクト層の成膜後にチャンバ内から取り出したサンプルは、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層が、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型を示し、キャリア濃度は３×１０１６個／ｃｍ３であった。
【０１３９】
そして、この積層半導体のサンプルに、実施例と同様の手順で透光性正極、正極ボンディングパッド及び負極を形成し、さらに、サファイアからなる基板の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。そして、このウェーハを３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、各電極が上になるようにリードフレーム上に配置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。
上述のようにして作製した比較例の発光ダイオードの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３．２Ｖであった。また、ｐ側の透光性電極１７を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１３．８ｍＷを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
【０１４０】
上記結果に示すように、実施例及び比較例の発光素子の特性には、大きな違いは無かった。しかしながら、上記比較例では、スパッタターゲットを使い切るまでに５０回の成膜処理を行ったが、この場合には、成膜回数を重ねてゆくにつれて、製造された発光素子の特性が徐々に低下した。特に、５０回目の成膜を行なって製造した発光素子のサンプルは、駆動電圧（順方向電圧）が３．４Ｖまで上昇した。そして、５０回の成膜処理の後、スパッタ装置のチャンバ内を点検したところ、スパッタターゲットのＧａが液化後に再固化した様子が認められた。比較例では、この影響により、ドーパント元素がターゲットの表面近くに凝集する現象が発生して選択的に消費され、発光素子の特性の低下につながったものと考えられる。
また、この後、スパッタターゲットを交換して同条件で成膜処理を行ったところ、ターゲット交換後、最初に製造した発光素子は駆動電圧（順方向電圧）が３．０Ｖとなり、ターゲット交換前の発光素子とは特性が異なることが確認された。このように、ドーパント元素からなるターゲットを、Ｇａを含有するターゲットと同様にチャンバ内に設置する従来の方法では、成膜処理でターゲットを使用するにつれてドーピング量が変動し、スパッタターゲットを交換した際には、ターゲット毎に発光素子特性の変動が生じることが明らかとなった。
【０１４１】
以上の結果により、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体が素子特性に優れており、また、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が優れた発光特性を備えていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、スパッタ法によってドーパントを添加して導電性を最適に制御したＩＩＩ族窒化物半導体を作製することができるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）のｐ型コンタクト層、また、ＦＥＴのような電子デバイス等のさまざまな半導体素子の製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の一例を模式的に説明する図であり、積層半導体の断面構造を示す概略図である。
【図２】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の一例を模式的に説明する図であり、ＩＩＩ族窒化物半導体によって構成される発光素子の平面構造を示す概略図である。
【図３】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の一例を模式的に説明する図であり、ＩＩＩ族窒化物半導体によって構成される発光素子の断面構造を示す概略図である。
【図４】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプを模式的に説明する概略図である。
【図５】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、チャンバ内に連通するドーパント容器が備えられたスパッタ装置の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、１０…積層半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）、１１…基板、１１ａ…表面、１２…バッファ層、１４…ｎ型半導体層、１５…発光層、１６…ｐ型半導体層（ＩＩＩ族窒化物半導体）、１６ａ…ｐ型クラッド層、１６ｂ…ｐ型コンタクト層、３…ランプ、４０…スパッタ装置、４１…チャンバ、４７…ターゲット、５０…ドーパント容器、５１…ドーパント元素（ドナー不純物、アクセプター不純物）、５２ａ…制御バルブ（流量制御手段）、５３…加熱器
【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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