(57)【要約】【課題】ドナー不純物の添加量によって導電性を制御することができ、しかも、スパッタ法によって効率よくＩＩＩ族窒化物半導体を形成できるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を提供する。【解決手段】２０〜８０％の窒素原子含有ガスと不活性ガスとを含む雰囲気中で、スパッタ法によって、ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するスパッタ工程を備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の製造方法とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０〜８０％の窒素原子含有ガスと不活性ガスとを含む雰囲気中で、スパッタ法によって、ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するスパッタ工程を備え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】
前記スパッタ工程において、ターゲットとして、ＩＩＩ族金属を含有する金属ターゲットとドナー不純物を含有するドーパントターゲットとを用いることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記スパッタ工程において、ターゲットとして、ＩＩＩ族金属とドナー不純物とを含有する混合ターゲットを用いることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記窒素原子含有ガスが窒素ガス（Ｎ２）であり、前記不活性ガスがアルゴンガス（Ａｒ）であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記ドナー不純物がシリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層が、ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
前記スパッタ工程の前に、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の下層となる下地層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
前記下地層を有機金属化学気相成長法で積層す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族窒化物半導体層をスパッタ法によって形成する際の基板温度を８００℃〜１２００℃とすることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１０】
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族窒化物半導体層からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を請求項１〜請求項９のいずれかに記載の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１１】
請求項１０に記載の製造方法を用いて得られたことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１１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、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、好適に用いられるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法、およびＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いたランプに関し、特にシリコン（Ｓｉ）等のドナー不純物の添加されたｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、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、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子として用いられている。
また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、電子デバイスに用いた場合でも、従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた場合に比べ、優れた特性を有する電子デバイスが得られる。
【０００３】
このようなＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌＧａＩｎＮ）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、トリメチルインジ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法（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分解することにより、結晶を成長させる方法である。
【０００４】
一般に、ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体とは異なる材料からなるウエーハ（異種基板）上に、結晶をエピタキシャル成長させる方法によって形成されている。異種基板とＩＩＩ族窒化物半導体の結晶との間には大きな格子不整合が存在する。基板と基板上に成長された結晶との間の大きな格子不整合は、基板上に成長された結晶の結晶性を低下させ、基板上に結晶を直接エピタキシャル成長させることを困難にしている。しかし、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶からなる基板は、いまだ市販されていない。
【０００５】
そこで、この問題を解決するために、特許文献１や特許文献２に記載されているように、基板上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やＡｌＧａＮからなるバッファ層を堆積し、バッファ層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が行われている。
【０００６】
このような、基板上にバッファ層を成膜し、バッファ層上にＩＩＩ族窒化物半導体を成膜する技術としては、例えば、高周波スパッタで成膜したバッファ層上にＭＯＣＶＤ法で同じ組成の結晶を成長させる技術（特許文献３）などがある。さらに、安定して良好なＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶を得るために、バッファ層の成長後、アンモニアと水素からなる混合ガス中でアニールする技術（特許文献４）や、バッファ層を４００℃以上の温度でＤＣスパッタにより成膜する技術（特許文献５）が提案されている。
【０００７】
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶をスパッタによって形成する研究も行われている。例えば、特許文献６には、高抵抗のＧａＮを積層することを目的として、サファイア基板上に直接スパッタ法を用いてＧａＮを成膜する方法が記載されている。
【０００８】
また、非特許文献１には、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ってＳｉ（１００）面およびＡｌ２Ｏ３（０００１）面上にＧａＮ膜を成膜する技術が記載されている。
【０００９】
また、非特許文献２には、カソードと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を成膜する技術が記載されている。
【特許文献１】特許第３０２６０８７号公報
【特許文献２】特開平４−２９７０２３号公報
【特許文献３】特公平５−８６６４６号公報
【特許文献４】特許第３４４０８７３号公報
【特許文献５】特許第３７００４９２号公報
【特許文献６】特開昭６０−３９８１９号公報
【非特許文献１】２１世紀連合シンポジウム論文集、Ｖｏｌ  ２ｎｄ、ｐ２９５（２００３）
【非特許文献２】Ｖａｃｕｕｍ、Ｖｏｌ６６、Ｐ２３３（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のＩＩＩ族窒化物半導体をスパッタによって形成する技術は、ドナー不純物の添加量によって導電性を制御することができ、しかも、効率よく結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体を形成することのできる製造方法ではなかった。
例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体をスパッタ法によって形成する場合、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合と比較して、短時間で効率よく形成することができる。しかしながら、従来の技術では、スパッタ法によって基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を形成する場合には、ドナー不純物の添加量によって導電性を制御することは困難であった。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ドナー不純物の添加量によって導電性を制御することができ、しかも、スパッタ法によって効率よくＩＩＩ族窒化物半導体を形成できるＩＩＩ族窒化物半導体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ＩＩＩ族窒化物半導体を形成するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及び上記の製造方法で得られる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】
【００１２】
本発明者等は、上記問題を解決するために、スパッタ法によってＩＩＩ族窒化物半導体を形成する場合の雰囲気に着目し、雰囲気中の窒素原子含有ガスおよび不活性ガスの量と、形成されるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶の品質との関係について以下に示す知見を得た。
すなわち、スパッタ法によってＩＩＩ族窒化物半導体を形成する場合、雰囲気中の窒素原子含有ガスの量を高濃度とすると、スパッタでターゲットからはじき出されたＩＩＩ族金属の窒化が過剰に進み、基板上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性が劣化する。しかし、雰囲気中の窒素原子含有ガスの量を低濃度とすると、窒素原子含有ガスの量が相対的に少なくなって、窒化物が形成されにくくなる。
【００１３】
そこで、本発明者等は、鋭意研究を重ね、２０〜８０％の窒素原子含有ガスと不活性ガスとを含む雰囲気中で、スパッタ法によってドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成することで、ドナー不純物の添加量によって導電性を制御することが可能となり、しかも、効率よく結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体を形成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。
【００１４】
［１］２０〜８０％の窒素原子含有ガスと不活性ガスとを含む雰囲気中で、スパッタ法によって、ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するスパッタ工程を備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［２］前記スパッタ工程において、ターゲットとして、ＩＩＩ族金属を含有する金属ターゲットとドナー不純物を含有するドーパントターゲットとを用い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］前記スパッタ工程において、ターゲットとして、ＩＩＩ族金属とドナー不純物とを含有する混合ターゲットを用い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。
［４］前記窒素原子含有ガスが窒素ガス（Ｎ２）であり、前記不活性ガスがアルゴンガス（Ａｒ）であることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［５］前記ドナー不純物がシリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［６］前記ＩＩＩ族窒化物半導体層が、ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなることを特徴とする［１］〜［５］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１５】
［７］前記スパッタ工程の前に、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層の下層となる下地層を形成する工程を含むことを特徴とする［１］〜［６］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［８］前記下地層を有機金属化学気相成長法で積層す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族窒化物半導体層をスパッタ法によって形成する際の基板温度を８００℃〜１２００℃とすることを特徴とする［１］〜［８］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１６】
［１０］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族窒化物半導体層からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を［１］〜［９］のいずれかに記載の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。
［１１］［１０］に記載の製造方法を用いて得られたことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
［１２］［１１］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】
【００１７】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、２０〜８０％の窒素原子含有ガスと不活性ガスとを含む雰囲気中で、スパッタ法によって、ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するスパッタ工程を備えており、スパッタ工程におけるＩＩＩ族窒化物半導体の形成が、ＩＩＩ族金属の窒化が好適に起こる条件で行なわれるため、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体を十分に速い成長速度で形成することが出来る。よって、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によれば、ドナー不純物の添加量によって導電性を制御することが可能であり、しかも、効率よくＩＩＩ族窒化物半導体を形成できる。
【００１８】
さらに、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法が、スパッタ工程の前に、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなり、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の下層となる下地層を形成する工程を含む場合、下地層上に、より一層結晶性の良い単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層が形成される。したがって、ドナー不純物の添加量による導電性の制御をさらに容易に行なうことが可能となる。
例えば（０００１）Ｃ面のサファイア基板上に、直接スパッタ法で単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成すると、基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との格子定数の違いによって、良好な結晶の形成されない場合がある。
しかし、上述したように、スパッタ工程の前に、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層を形成した場合、基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との格子定数の違いによる悪影響が抑制されるので、下地層上に、スパッタ法により結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層を容易に形成できる。
さらに、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をスパッタ法によって形成する際の基板温度を８００℃以上とすることで、基板上での反応種のマイグレーションが活発化され、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成膜できる。したがって、ドナー不純物の添加による導電性の制御をさらに容易に行なうことができる。
【００１９】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型半導体層の少なくとも一部となるドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を、上記の製造方法で形成する方法であるので、導電性の制御された結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層からなるｎ型半導体層を備え、優れた発光特性を有する発光素子を製造できる。
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、上記の製造方法で得られるものであるので、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】
【００２０】
以下、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、図面を適宜参照して説明する。
【００２１】
［ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法］
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族窒化物半導体の形成された積層体の一例を示した概略断面図である。
図１に示す積層体１０Ａは、基板１１と、バッファ層１２と、下地層１４ａと、ｎ型半導体層１４ｂとからなる。ｎ型半導体層１４ｂは、ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなり、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たものである。
【００２２】
＜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、特に限定されないが、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、基板１１上に結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体を積層するためには、サファイア、ＳｉＣなど六方晶構造の材料を用いることが特に好ましい。
また、基板の大きさは、通常直径２インチ程度であるが、量産性に優れた直径４〜６インチの基板を使用することが望ましい。
【００２３】
＜バッファ層＞
本実施形態においては、基板１１上に幅１〜１００ｎｍの柱状結晶の集合体からなる多結晶のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）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、基板１１を高温における化学反応から守る目的や、基板１１の材料と半導体層２０との格子定数の違いを緩和する目的、あるいは、結晶成長のための核発生を促すための層として形成される。バッファ層１２の膜厚は５ｎｍ〜５００ｎｍとするのが好ましい。また、バッファ層１２は、ＩｎＧａＮから形成されていても良い。
【００２４】
また、バッファ層１２は、基板１１の表面１１ａの少なくとも６０％以上、好ましくは８０％以上を覆っている必要があり、９０％以上を覆うように形成されていることが好ましい。また、バッファ層１２は、表面１１ａの１００％、即ち、基板１１の表面１１ａ上を隙間無く覆うように形成されていることが最も好ましい。
バッファ層１２が基板１１の表面１１ａを覆う領域が小さくなると、基板１１が大きく露出した状態となる。このため、バッファ層１２上に成膜される下地層１４ａと基板１１上に直接成膜される下地層１４ａとの格子定数が異なるものとなり、均一な結晶とならず、ヒロックやピットを生じてしまう恐れがある。
【００２５】
＜下地層＞
本実施形態の下地層１４ａは、単結晶の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、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。なお、下地層１４ａは、ＩｎＧａＮから形成されていても良い。
【００２６】
下地層１４ａの膜厚は０．１〜８μｍとするのが結晶性の良い下地層１４ａを得るために好ましい。さらに、下地層１４ａの膜厚を０．１〜２μｍとすると、製造に要する時間を短縮でき、生産性を向上させることが出来るため好ましい。
【００２７】
また、下地層１４ａには、必要に応じて、ｎ型不純物が１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内でドープされていても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）とすることもでき、用途に合わせて任意に選ぶことができるが、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。
下地層１４ａにドープされる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。
【００２８】
＜ｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層１４ｂは、ドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる。ｎ型半導体層１４ｂは、下地層１４ａと同様にＡｌＸＧａ１―ＸＮ（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型半導体層１４ｂには、ｎ型不純物が１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有されている。ｎ型半導体層１４ｂのｎ型不純物濃度を上記範囲とすることが、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型半導体層１４ｂにドープされる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である。
【００２９】
なお、下地層１４ａ及びｎ型半導体層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い。
また、ｎ型半導体層１４ｂの膜厚は０．２〜２μｍの範囲とすることが好ましい。ｎ型半導体層１４ｂの膜厚が上記範囲であると、良好な結晶性が維持される。
【００３０】
「積層体の製造方法」
図１に示す積層体１０Ａを製造するには、まず、基板１１を用意する。基板１１は、前処理を施してから使用することが望ましい。基板１１の前処理としては、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。このことにより、成膜プロセスが安定する。
【００３１】
また、基板１１の前処理は、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板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、チャンバ内において、基板１１をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝す事によって表面を洗浄する前処理を行なうことができる。ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板１１の表面に作用させることで、基板１１表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、ターゲットにパワーを印加せずに、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。
【００３２】
基板１１に前処理を行なった後、基板１１上にスパッタ法によりバッファ層１２を成膜する。その後、バッファ層１２の成膜された基板１１上にスパッタ法によって、図３に示す下地層１４ａを成膜する。あるいは、バッファ層１２および下地層１４ａは、ＭＯＣＶＤ法で成膜してもよい。なお、バッファ層１２および下地層１４ａをＭＯＣＶＤ法で形成する場合には、下地層１４ａを形成する温度を、バッファ層１２を形成する温度よりも高温としてもよい。
【００３３】
次に、バッファ層１２および下地層１４ａの形成された基板１１上に、スパッタ法によりｎ型半導体層１４ｂを形成する。
ｎ型半導体層１４ｂとなるＩＩＩ族窒化物半導体をスパッタ法で形成するには、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（Ｎ２ガスやＮＨ３ガスなど）を導入し、気相中でＩＩＩ族金属と窒素とを反応させる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スパッタを用いてもよいしＤＣスパッタを用いてもよいが、リアクティブ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、成膜レートのコントロールが困難である。このため、ＲＦスパッタを用いることや、パルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパッタを用いることが望ましい。
【００３４】
また、ＲＦスパッタを用いた場合には、帯電を回避するために、マグネットの位置をターゲット内で移動させることが望ましい。具体的なマグネットの移動は、装置により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。
【００３５】
また、スパッタ法によってｎ型半導体層１４ｂとなるＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際には、基板の表面がプラズマにさらされることが望ましい。このため、スパッタ装置内におけるプラズマ中に基板が位置されるとともに、ターゲットと基板とが対面するように基板が位置されることが望ましい。また、基板とターゲットとの距離は１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲とすることが望ましい。また、スパッタ装置のチャンバ内には、不純物がないことが望ましいため、チャンバ内の到達真空度は１．０×１０−３Ｐａ以下であることが望ましい。
【００３６】
次に、ｎ型半導体層１４ｂとなるＩＩＩ族窒化物半導体をスパッタ法で形成する場合における以下の製造条件（雰囲気、成膜速度、基板温度、バイアス・パワー、圧力）について説明する。
（雰囲気）
スパッタ装置のチャンバ内の雰囲気は、窒素原子含有ガスと不活性ガスとからなる。なお、雰囲気ガスは、窒素原子含有ガスと不活性ガスのほかに水素ガス（Ｈ２）などを４０％以下の範囲で含んでいても良い。
【００３７】
窒素原子含有ガスは、チャンバ内でプラズマ化されて分解し、結晶成長の原料となる。窒素原子含有ガスとしては、窒素（Ｎ２）ガス、アンモニア（ＮＨ３）、窒素化合物など、活性ガスとして用いることができる窒素原子含有ガスを何ら制限されることなく用いることができる。しかし、窒素原子含有ガスとして窒素（Ｎ２）を用いた場合には、装置として簡便なものを用いることができるため、好ましい。
【００３８】
また、チャンバ内の雰囲気には、ターゲットを効率よくスパッタするために、窒素原子含有ガスの他に、アルゴン（Ａｒ）などの重くて反応性の低い不活性ガスが混入される。
【００３９】
また、チャンバ内の雰囲気は、窒素原子含有ガスが２０〜８０％、残部が不活性ガスとされ、雰囲気中における窒素原子含有ガスの割合が２０〜６０％とされることがより好ましい。
上記範囲を超える窒素原子含有ガスの量とした場合、スパッタで成膜する際のＩＩＩ族金属の窒化が過剰に進み、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体を形成することができないため、ドナー不純物の添加量によってＩＩＩ族窒化物半導体の導電性を制御することができない。また、雰囲気中における窒素原子含有ガスの量が上記範囲未満であると、ターゲットから供給されるＩＩＩ族金属の窒化が十分に進まないため、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶が劣化する恐れがある。
【００４０】
（成膜速度）
成膜速度は、０．０１ｎｍ／ｓ〜１０ｎｍ／ｓの範囲とすることが好ましい。成膜速度が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、成膜速度が１０ｎｍ／ｓを超えると、形成された膜が結晶体とならずに非晶質となり、良好な膜を得ることが困難となる。
【００４１】
（基板温度）
半導体層の形成時の基板温度は、３００〜１２００℃とすることができ、８００〜１２００℃であることが望ましい。基板の温度が８００℃未満だと、基板上でのマイグレーションが抑制され、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成膜することができない場合がある。また、基板の温度が１２００℃を超えると、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶が分解する虞がある。
【００４２】
（バイアス・パワー）
結晶成長時のマイグレーションを活発にするために、成膜時の基板にかけるバイアスを１．５Ｗ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。また、成膜時にターゲット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。ターゲットに印加するパワーを上記範囲とすることにより、大きなパワーの反応種を生成することができ、この反応種を高い運動エネルギーで基板へ供給することができる。このことにより、基板上におけるマイグレーションが活発になる。また、ターゲットに印加するパワーを、上記範囲を超えるパワーとした場合、結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体を成長できないため好ましくない。
【００４３】
（圧力）
チャンバ内の圧力は、０．３Ｐａ以上とすることが好ましい。チャンバ内の圧力を０．３Ｐａ未満とすると、スパッタの成膜速度が小さくなり過ぎる虞がある。また、チャンバ内の圧力の上限は特に限定されないが、プラズマを発生させることができる程度の圧力に抑制することが必要である。
【００４４】
ｎ型半導体層１４ｂをスパッタ法で形成する場合、形成されるＩＩＩ族窒化物半導体の組成は、ターゲットを構成する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層を形成する場合にはターゲットとしてＧａ金属を用い、ＡｌＧａＮ層を形成する場合にはターゲットとしてＡｌＧａ合金を用い、ＩｎＧａＮ層を形成する場合にはターゲットとしてＩｎＧａ合金を用いる。このようにスパッタ法により形成されるＩＩＩ族窒化物半導体の組成は、ターゲットを構成するＩＩＩ族金属の組成に応じて変化する。したがって、予め実験により決定された組成のターゲットを用いることで、所望の組成のＩＩＩ族窒化物半導体を形成することが出来る。
【００４５】
また、ｎ型半導体層１４ｂとなるＩＩＩ族窒化物半導体層への不純物のドーピングは、ターゲットとして、ＩＩＩ族金属を含有する金属ターゲットとドナー不純物を含有するドーパントターゲットとを用いる方法、またはターゲットとして、ＩＩＩ族金属とドナー不純物とを含有する混合ターゲットを用いる方法よって行うことが出来る。
例えば、ｎ型半導体層１４ｂとしてＳｉをドーピングしたＧａＮ層を形成する場合には、ターゲットとしてＧａ金属からなる金属ターゲットとＳｉからなるドーパントターゲットとを用いることによって行なうことができる。Ｓｉは室温ではＧａに固溶しないので、ターゲットとして固体のＧａ金属とＳｉの小片とを配置しておくことで、ＳｉをドープしたＧａＮ層を形成できる。
【００４６】
なお、ターゲットとして用いるＧａ金属とＳｉとの割合と、形成されるＳｉドープされたＧａＮ層中のドーピング濃度との関係を実験的に求めることで、ＳｉドープされたＧａＮ層中のドーピング濃度を制御することができる。例えば、ターゲットとして、固体のＧａ金属の表面にＳｉの小片を配置した場合、Ｇａ金属の表面積に対するＳｉの小片の表面積の割合を０．１〜５％とすることで、１×１０１８〜８×１０１９個／ｃｍ３のキャリア濃度のｎ型のＧａＮ単結晶層を成膜することが出来る。
【００４７】
また、例えば、ｎ型半導体層１４ｂとしてＳｉをドーピングしたＧａＮ層を形成する場合に、ターゲットとして、加熱して溶解されたＧａとＳｉとを含む混合液体ターゲットを用いてもよい。この場合、混合液体ターゲット中のＳｉの濃度と、得られたＳｉドープされたＧａＮ層中のドーピング濃度との関係を実験的に求めることで、ＳｉドープされたＧａＮ層中のドーピング濃度を制御することが出来る。
【００４８】
このようなスパッタ法を用いて、バッファ層１２および下地層１４ａの形成された基板１１上にｎ型半導体層１４ｂが形成され、図１に示す積層体１０Ａが得られる。
本実施形態においては、窒素原子含有ガスが２０〜８０％、残部が不活性ガスである雰囲気中で、スパッタ法によって、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るｎ型半導体層１４ｂを形成するスパッタ工程を備えているため、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体を十分に速い成長速度で形成することが出来る。よって、ドナー不純物の添加量によって導電性を制御することが可能であり、しかも、効率よくｎ型半導体層１４ｂを形成できる。
【００４９】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（以下、「発光素子」と略記することがある）］
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は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を用いて得られた図１に示す積層体１０Ａを用いて得られたものである。なお、図２および図３において、上述した図１と同じ構成についての説明を省略し、異なるところのみ説明する。なお、図１に示す積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂは本実施形態の発光素子でｎ型コンタクト層として用いられる。
【００５０】
本実施形態の発光素子は、図３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、下地層１４ａ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、図１に示す積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂからなるｎ型コンタクト層を含むｎ型半導体層１４と、発光層１５と、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。
【００５１】
［発光素子の積層構造］
＜半導体層＞
図２に示す半導体層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、下地層１４ａ上に積層されたｎ型コンタクト層１４ｂと、ｎ型クラッド層１４ｃとから構成されている。なお、ｎ型コンタクト層１４ｂをｎ型クラッド層１４ｃと兼用とし、ｎ型クラッド層１４ｃを省略することもできる。
ここで、本実施形態においては、ｎ型コンタクト層１４ｂのｎ型不純物濃度を所定の濃度に制御することができるので、ｎ型コンタクト層１４ｂのｎ型不純物濃度を負極との良好なオーミック接触が維持できるようにすることができる。
【００５２】
（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、活性層への電子供給、格子定数差の緩和などの効果が得られる。
ｎ型クラッド層１４ｃは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等により成膜することができる。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。
【００５３】
ｎ型クラッド層１４ｃには、ｎ型不純物がドープされていてもよいが、ｎ型不純物がドープされていなくてもよい。ｎ型クラッド層１４ｃにｎ型不純物がドープされている場合、ｎ型不純物のドープ濃度は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。また、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である。
【００５４】
＜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る。発光層１５は、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造、バルク構造などを採ることができる。多重量子井戸構造の発光層１５を有する本実施形態において、発光層１５は、図３に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる障壁層１５ａと、インジウムを含有する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いる。ｎ型半導体層１４側及びｐ型半導体層１６側に配されるのは、障壁層１５ａであってもよいし、井戸層１５ｂであってもよい。図１に示す例では、発光層１５は、６層の障壁層１５ａと５層の井戸層１５ｂとが交互に繰り返して積層され、発光層１５の最上層及び最下層に障壁層１５ａが配され、各障壁層１５ａ間に井戸層１５ｂが配される多重量子井戸構成とされている。
【００５５】
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、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
【００５６】
＜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１６ｂがｐ型クラッド層１６ａを兼ねる構成であってもよい。
【００５７】
（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、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）が好ましい。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。
【００５８】
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型クラッド層１６ａにドープされる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。
【００５９】
（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。
【００６０】
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型コンタクト層１６ｂにドープされる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。
【００６１】
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、Ａｓ及びＢ等の元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００６２】
＜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）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）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。
【００６３】
＜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。
【００６４】
＜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、発光層１５、ｐ型半導体層１６、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。
【００６５】
［発光素子の製造方法］
次に、本発明の発光素子の製造方法を説明する。
図２に示す発光素子１を製造するには、まず、図１に示す積層体１０Ａ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、図１に示す積層体１０Ａを用意し、積層体１０Ａのｎ型コンタクト層１４ｂ上に、図４に示すように、ｎ型クラッド層１４ｃ、障壁層１５ａ、井戸層１５ｂ、ｐ型クラッド層１６ａ、ｐ型コンタクト層１６ｂをＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法で成膜し、ｎ型コンタクト層１４ｂとｎ型クラッド層１４ｃとからなるｎ型半導体層１４、障壁層１５ａと井戸層１５ｂとからなる発光層１５、ｐ型クラッド層１６ａとｐ型コンタクト層１６ｂからなるｐ型半導体層１６を形成する。
【００６６】
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。
【００６７】
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ｐ型不純物には、Ｍｇ原料として例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を用いることができる。
【００６８】
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。
【００６９】
本実施形態の発光素子１の製造方法は、ｎ型半導体層１４の一部であるドナー不純物の添加された単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなるｎ型コンタクト層１４ｂを、上記の製造方法で形成する方法であるので、導電性の制御された結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体層からなるｎ型半導体層１４を備えたものとなり、優れた発光特性を有する発光素子１が得られる。
【００７０】
なお、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、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。
【００７１】
［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。
【００７２】
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。
【００７３】
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２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５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。
【００７４】
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。
なお、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】
【００７５】
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。
【００７６】
［実施例１］
基板上にＲＦスパッタ法によりバッファ層を形成し、続いてＭＯＣＶＤ法により下地層を形成し、再度スパッタ法によりｎ型半導体層を形成し、図１に示す積層体１０Ａを得た。
（バッファ層）
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイア基板からなる基板１１を用意し、フッ酸と有機溶媒で洗浄してから、Ａｌからなるターゲットの配置されたスパッタチャンバ内へ導入した。ここでは、スパッタチャンバとして、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネット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有するものを用いた。
【００７７】
そして、スパッタチャンバ内の基板１１を７５０℃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０．０８Ｐａに保持して、ターゲット内のマグネットを回転させながら、基板１１側に５０Ｗの高周波バイアスを印加し、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。
続いて、スパッタチャンバ内に、アルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板温度を５００℃まで低下させ、ターゲット内のマグネットを回転させながら、２０００Ｗの高周波バイアスをＡｌからなるターゲット側に印加し、スパッタチャンバ内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５ｓｃｃｍ流通させた条件（雰囲気中における窒素ガスの割合は２５％）で、基板１１上に、スパッタ法により５０ｎｍの厚さの多結晶のＡｌＮからなるバッファ層１２を成膜した。バッファ層１２の成長速度は０．１２ｎｍ／ｓであった。
【００７８】
（下地層）
続いて、バッファ層１２の形成された基板１１を、ＭＯＣＶＤ用の炉内へ搬送し、バッファ層１２の表面に付着した汚れを昇華させて除去するために、炉内に水素ガスを流通した状態で基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板１１の温度が８３０℃以上になった時点からアンモニアを炉内に流通させた。
その後、基板１１の温度を１０２０℃まで低下させ、アンモニアを炉内に流通させながら、バブリングによって発生したトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の蒸気を炉内へ流通し、バッファ層１２の形成された基板１１上に、２μｍの膜厚の単結晶のＧａＮからなる下地層１４ａを形成した。その後、ＴＭＧの供給を停止し成長を止めて降温した。
【００７９】
ここで、上記の方法で作製した単結晶のＧａＮからなる下地層１４ａの結晶状態を評価するために、上記と同様の基板上に、上記と同様にして、バッファ層および下地層を形成した評価用の試験体を形成した。そして、上記試験体の対称面である（０００２）面と非対称面である（１０−１０）面について、Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を行った。測定には、Ｃｕβ線Ｘ線発生源を光源として用いた。
一般的に、ＩＩＩ族窒化物半導体では、（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の測定の結果、上記試験体の下地層は、（０００２）面では半値幅８０ａｒｃｓｅｃ、（１０−１０）面では半値幅２５０ａｒｃｓｅｃを示した。このことにより、上記試験体の下地層は、結晶性に優れていることが確認できた。
【００８０】
また、上記の方法で作製した単結晶のＧａＮからなる下地層１４ａの抵抗値を測定したが、高抵抗で測定できなかった。このことにより、上記の方法で作製した下地層１４ａは、不純物がドーピングされていないため、高抵抗であることが分かった。
【００８１】
（ｎ型半導体層）
次に、下地層１４ａの形成された基板１１を、Ｇａからなる金属ターゲットとＳｉの小片とからなるドーパントターゲットとが配置されたスパッタチャンバ内に移送した。ここでは、スパッタチャンバとして、高周波式の電源を持ち、四角形の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有するものを用いた。また、Ｇａターゲット内に冷媒を流通させるための配管を設置し、配管内に２０℃に冷却した冷媒を流通させて、熱によるＧａの融解を防いだ。なお、金属ターゲットの表面積に対するドーパントターゲットの表面積の割合は２％とした。
【００８２】
そして、スパッタチャンバ内にアルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板温度を８００℃まで上昇させ、２０００Ｗの高周波バイアスを金属ターゲットおよびドーパントターゲット側に印加し、スパッタチャンバ内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを１０ｓｃｃｍ、窒素ガスを１０ｓｃｃｍ流通させた条件（雰囲気中における窒素ガスの割合は５０％）で、スパッタ法により下地層１４ａ上にＳｉドープされた厚さ２μｍ単結晶のＧａＮからなるｎ型半導体層１４ｂを成膜した。ｎ型半導体層１４ｂの成長速度は、おおよそ２ｎｍ／秒であった。
【００８３】
以上のようにして、基板上に、バッファ層、下地層、ｎ型半導体層の形成された実施例１の積層体１０Ａを得た。
得られた積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂの表面は鏡面で透明であった。また、ｎ型半導体層１４ｂを構成する単結晶のＧａＮ層のホール測定を行ったところ、ｎ型の導電性を示しキャリア濃度は４×１０１９個／ｃｍ３であった。
【００８４】
［実施例２］
ｎ型半導体層１４ｂを成膜する際に、金属ターゲットの表面積に対するドーパントターゲットの表面積の割合を０．２％としたこと以外は、実施例１と同様にして、下地層１４ａ上にｎ型半導体層１４ｂを成膜し、実施例２の積層体１０Ａを得た。
得られた積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂの表面は鏡面で透明であった。また、ｎ型半導体層１４ｂを構成する単結晶のＧａＮ層のホール測定を行ったところ、ｎ型の導電性を示しキャリア濃度は２×１０１８個／ｃｍ３であった。
【００８５】
［実施例３］
ｎ型半導体層１４ｂを成膜する際に、スパッタチャンバ内にＡｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍ流通させた条件（雰囲気中における窒素ガスの割合は７５％）としたこと以外は、実施例１と同様にして、下地層１４ａ上にｎ型半導体層１４ｂを成膜し、実施例２の積層体１０Ａを得た。
得られた積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂの表面は鏡面で透明であった。また、ｎ型半導体層１４ｂを構成する単結晶のＧａＮ層のホール測定を行ったところ、ｎ型の導電性を示しキャリア濃度は７×１０１９個／ｃｍ３であった。
【００８６】
［比較例］
ｎ型半導体層１４ｂを成膜する際に、スパッタチャンバ内にＡｒガスを２ｓｃｃｍ、窒素ガスを１８ｓｃｃｍ流通させた条件（雰囲気中における窒素ガスの割合は９０％）としたこと以外は、実施例１と同様にして、下地層１４ａ上にｎ型半導体層１４ｂを成膜し、実施例２の積層体１０Ａを得た。
得られた積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂの表面は鏡面で透明であった。しかし、ｎ型半導体層１４ｂを構成する単結晶のＧａＮ層のホール測定を行ったところ、電気的測定が出来なかった。これは、ｎ型半導体層１４ｂを構成するＧａＮ層の結晶性が悪く、導電性を制御できないためと考えられる。
【００８７】
［実施例４］
実施例１で得られた積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂ上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型クラッド層１４ｃ、障壁層１５ａ、井戸層１５ｂ、ｐ型クラッド層１６ａ、ｐ型コンタクト層１６ｂをＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法で成膜し、積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂからなるｎ型コンタクト層１４ｂとｎ型クラッド層１４ｃとからなるｎ型半導体層１４、障壁層１５ａと井戸層１５ｂとからなる発光層１５、ｐ型クラッド層１６ａとｐ型コンタクト層１６ｂからなるｐ型半導体層１６を備えた図４に示す積層半導体１０を形成した。
【００８８】
（ｎ型クラッド層）
まず、実施例１の積層体１０Ａを、ＭＯＣＶＤ用の炉内へ搬送し、ｎ型半導体層１４ｂの最表面に付着した汚れを昇華させて除去するために、炉内を窒素で置換した状態で基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、基板１１の温度が８３０℃以上になった時点からアンモニアを炉内に流通させた。
その後、基板１１の温度を７４０℃まで低下させ、アンモニアを炉内に流通させながら、ＳｉＨ4ガス、およびバブリングによって発生したトリメチルインジウム（ＴＭＩ）およびトリエチルガリウム（ＴＥＧ）の蒸気を炉内へ流通し、積層体１０Ａのｎ型半導体層１４ｂであるｎ型コンタクト層１４ｂ上に、１８ｎｍの膜厚のＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層１４ｃを形成した。その後、その後、ＴＭＩ、ＴＥＧおよびＳｉＨ４のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
【００８９】
（発光層）
次に、発光層１５は、ｎ型クラッド層１４ｃ上に、始めに障壁層１５ａを形成し、その障壁層１５ａ上に井戸層１５ｂを形成し、この構造を５回繰り返して積層し、５番目の井戸層１５ｂ上に６番目の障壁層１５ａを形成することにより、図４に示すように上下両側を障壁層１５ａから構成した多重量子井戸構造の発光層１５を形成した。
【００９０】
すなわち、ｎ型クラッド層１４ｃの形成終了後、基板１１の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量および種類はそのままで、ＴＥＧのバルブを切り替えてＴＥＧの炉内への供給を行い、１５ｎｍの膜厚を成すＧａＮからなる障壁層１５ａを形成した。その後、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量および種類はそのままで、ＴＥＧａとＴＭＩｎのバルブを切り替えてＴＥＧとＴＭＩの炉内への供給を行い、２ｎｍの膜厚を成すＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂを形成した。その後、井戸層１５ｂ上に再びＧａＮからなる１５ｎｍの障壁層１５ａの成長を行った。このような手順を５回繰り返し、各々１５ｎｍのＧａＮからなる５層の障壁層１５ａと、各々２ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる５層の井戸層１５ｂとを交互に形成した。そして、最後の５層目の井戸層１５ｂ上に６層目のＧａＮからなる障壁層１５ａを形成した。
【００９１】
（ｐ型クラッド層）
発光層１５の６層目の障壁層１５ａの形成終了後、炉内の圧力を２００ｍｂａｒ、基板１１の温度を１０２０℃、キャリアガスを窒素から水素に変更し、炉内の圧力と温度が安定するのを待って、ＴＭＧとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）のバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。これにより、発光層１５の障壁層１５ａ上に、３ｎｍの膜厚を成すＭｇドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを形成した。
【００９２】
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型クラッド層１６ａの形成終了後、温度、圧力、キャリアガスをクラッド層の成長時と同じに保ったまま、ＴＭＡとＴＭＧとＣｐ２Ｍｇの炉内への供給を開始し、成長を行った。ここで流通させるＣｐ２Ｍｇの量は事前に検討してあり、ｐ型コンタクト層１６ｂの正孔濃度が８×１０１７ｃｍ−３となるように調整した。これにより、０．１５μｍの膜厚を成すＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂが形成された。ｐ型コンタクト層１６ｂの形成終了後、ヒータを停止して、基板の温度を室温まで２０分をかけて降温した。また、ｐ型コンタクト層１６ｂの結晶成長終了直後、ＮＨ３の流量を１／５０に減量してキャリアを水素から窒素に切り替えた。その後９５０℃にてＮＨ３を完全に停止した。そして、基板１１の温度が３００℃近くまで降温したのを確認し、ロードロックを通じてｐ型コンタクト層１６ｂまでの各層の形成された基板１１をウエーハトレイごと大気中に取り出した。以上のようにして図４に示す積層半導体１０を得た。
【００９３】
このようにして得られた積層半導体１０のｐ型クラッド層１６ａおよびｐ型コンタクト層１６ｂのホール測定を行ったところ、いずれも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型を示した。
【００９４】
次いで、得られた積層半導体１０を用いて以下に示すようにして発光素子を作製した。
まず、得られた積層半導体１０のｐ型コンタクト層上に、フォトリソグラフィー法を用いてＩＴＯからなる透光性電極と、表面側から順にチタン、アルミニウム、金を積層した構造を有する正極ボンディングパッド１８とを順次形成した。
次いで、透光性電極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をドライエッチングすることにより、ｎ型コンタクト層上の露出領域を露出させ、露出領域上に、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を形成し、図５に示す発光素子１を得た。
【００９５】
このようにして得られた発光素子１の基板の裏側を研削及び研磨してミラー状の面とし、３５０μｍ角の正方形に切断しチップとした。そして、チップを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。
【００９６】
このように得られた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。
その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．０Ｖであった。また、ｐ型半導体層１６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４７０ｎｍであり、発光出力は１３ｍＷであった。このことより、実施例１の発光素子は、優れた発光特性を備えていることが確認できた。また、実施例１の発光素子の特性は、実施例４の積層半導体１０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。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、導電性を制御することができ、しかも、スパッタ法によって効率よくＩＩＩ族窒化物半導体を形成できるので、ＬＥＤやＬＤのｎ型コンタクト層やＦＥＴのような電子デバイスなど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】
【００９８】
【図１】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族窒化物半導体の形成された積層体の一例を示した概略断面図である。
【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】
【００９９】
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、１４ａ…下地層、１４ｂ…ｎ型コンタクト層（ｎ型半導体層）、１４…ｎ型半導体層、１５…発光層、１６…ｐ型半導体層、１７…透光性正極、２０…半導体層。
【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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