(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体以外の六方晶系の結晶構造を有する材料からなり、上面の少なくとも一部に平坦面を有する基板と、少なくとも前記平坦面上に設けられた窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記基板の上面に、厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、上面が＋ｃ面である単結晶のＡｌＮからなる第１窒化物半導体層を積層する第１窒化物半導体層積層工程と、
前記第１窒化物半導体層の上面に、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層を積層する第２窒化物半導体層積層工程と、を有し、
前記第２窒化物半導体層積層工程において、前記第２窒化物半導体層は、上面が平坦となるように成長されるまでの過程で、少なくとも前記平坦面上において、前記第２窒化物半導体層の上面に実質的に同一平面上に位置する平坦部と逆六角錐又は逆六角錐台の形状を有する複数の凹部が形成されることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板は、サファイアからなり、前記平坦面が＋ｃ面であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１窒化物半導体層積層工程において、前記第１窒化物半導体層として積層されるＡｌＮの結晶性は、ミラー指数が（００２）の面についてのＸＲＣ（Ｘ線ロッキングカーブ）の半値全幅が１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記第２窒化物半導体層積層工程において、前記第２窒化物半導体層の厚さが８００ｎｍに達するまでに、前記凹部が埋められて前記平坦面上における前記第２窒化物半導体層の上面が平坦になることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１窒化物半導体層積層工程において、前記第１窒化物半導体層が、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法によって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１窒化物半導体層積層工程において、少なくとも前記基板の上面全体が前記第１窒化物半導体層で被覆されるまでは、前記第１窒化物半導体層は、酸素を供給しながら積層されることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記第２窒化物半導体層積層工程において、前記第２窒化物半導体層が、ＭＯＣＶＤ法によって形成され、ＩＩＩ族元素の供給源であるＩＩＩ族ガスに対するＶ族元素の供給源であるＶ族ガスの供給量のモル比が３０以上３００００以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２窒化物半導体層積層工程において、前記第２窒化物半導体層が、８００℃以上１１００℃以下の温度で形成されることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１窒化物半導体層積層工程において、前記第１窒化物半導体層が、９００℃以上の温度で形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記基板は、上面に複数の凸部を有し、前記凸部の間に前記平坦面が配置されており、
前記第２窒化物半導体層積層工程において、前記第２窒化物半導体層が積層される過程で、前記平坦面上において、前記第２窒化物半導体層の上面が前記凸部の上端よりも低い高さで平坦となることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第２窒化物半導体層上に、少なくともｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とが積層された発光素子構造を形成する発光素子構造形成工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されたｎ側電極及び前記ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続されたｐ側電極を形成する電極形成工程と、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載に窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
窒化物半導体以外の六方晶系の結晶構造を有する材料からなり、上面の少なくとも一部に平坦面を有する基板と、少なくとも前記平坦面上に設けられた窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、
前記基板の上面に積層される単結晶のＡｌＮからなる第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の上面に積層されるＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層と、を有し、
前記第１窒化物半導体層は、厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、上面が＋ｃ面であり、
前記平坦面上において、前記第１窒化物半導体層から前記第２窒化物半導体層内を上方に向かって伸びる結晶欠陥の少なくとも一部が、前記第１窒化物半導体層の上面から８００ｎｍ以下で途切れており、前記第２窒化物半導体層は、前記第１窒化物半導体層の上面から８００ｎｍ以下の高さまでの領域に、８００ｎｍよりも上方の領域よりも結晶欠陥の密度が高い部分を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記基板は、サファイアからなり、前記平坦面が＋ｃ面であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記基板は、上面に複数の凸部を有し、前記凸部の間に平坦面が配置されており、
前記凸部が前記第２窒化物半導体層によって上端まで埋め込まれ、前記第２窒化物半導体層の上面が平坦であることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１５】
前記第２窒化物半導体層上に、少なくともｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とが積層された発光素子構造を有し、
前記ｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されたｎ側電極及び前記ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続されたｐ側電極を有することを特徴とする請求項１２乃至請求項１４の何れか一項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体素子の製造方法において、サファイアなどからなる基板上に、格子定数の違いを緩和するためのＡｌＮなどの窒化物からなるバッファ層を設け、更に窒化ガリウム系半導体を積層する方法が提案されている。
例えば、特許文献１や特許文献２には、サファイアなどの基板上に、有機金属気相成長法によって、バッファ層として高炭素濃度のＡｌＮからなる第１バッファ層と低炭素濃度のＡｌＮからなる第２バッファ層とを積層し、更に、結晶欠陥を低減するためのアンドープのＧａＮからなる欠陥低減層を積層する方法が記載されている。
また、特許文献３には、サファイアからなる基板上に、スパッタリング法によって、ＡｌＮからなるバッファ層を積層し、更に、有機金属気相成長法によって、下地層としてアンドープのＧａＮ層を積層する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２００６−０８０３７８号公報
【特許文献２】特願２０１３−０６５８４９号公報
【特許文献３】特願２００９−０８１４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１又は特許文献２に記載の製造方法では、第１バッファ層の厚さは５〜２０ｎｍ程度であるものの、第２バッファ層の厚さは１〜４μｍ程度が必要な上、バッファ層上に積層されるＧａＮ層は、上面が平坦化されるまでに１．５〜５μｍ程度の積層が必要である。
また、特許文献３に記載の製造方法では、ＡｌＮからなるバッファ層の厚さは４０ｎｍ程度であるももの、下地層であるＧａＮ層の厚さは２μｍ程度が必要である。
【０００５】
すなわち、従来の製造方法では、バッファ層と下地層とを合わせて、相当の厚さの半導体層を積層する必要があり、これらの層を形成するために長時間を必要する。
そこで、本開示は、窒化物半導体層の結晶欠陥が低減され、簡便に製造することができる窒化物半導体素子と、その製造方法とを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に係る窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体以外の六方晶系の結晶構造を有する材料からなり、上面の少なくとも一部に平坦面を有する基板と、少なくとも前記平坦面上に設けられた窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子の製造方法であって、前記基板の上面に、厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、上面が＋ｃ面である単結晶のＡｌＮからなる第１窒化物半導体層を積層する第１窒化物半導体層積層工程と、前記第１窒化物半導体層の上面に、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層を積層する第２窒化物半導体層積層工程と、を有し、前記第２窒化物半導体層積層工程において、前記第２窒化物半導体層が積層される過程で、少なくとも前記平坦面上において、前記第２窒化物半導体層に逆六角錐又は逆六角錐台の形状を有する複数の凹部が形成された後、前記第２窒化物半導体層を、上面が平坦となるように成長させることとする。
【０００７】
また、本開示に係る窒化物半導体素子は、窒化物半導体以外の六方晶系の結晶構造を有する材料からなり、上面の少なくとも一部に平坦面を有する基板と、少なくとも前記平坦面上に設けられた窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、前記基板の上面に積層される単結晶のＡｌＮからなる第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上面に積層されるＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層と、を有し、前記第１窒化物半導体層は、厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、上面が＋ｃ面であり、前記平坦面上において、前記第１窒化物半導体層から前記第２窒化物半導体層内を上方に向かって伸びる結晶欠陥の少なくとも一部が、前記第１窒化物半導体層の上面から８００ｎｍ以下で途切れており、前記第２窒化物半導体層は、前記第１窒化物半導体層の上面から８００ｎｍ以下の高さまでの領域に、８００ｎｍよりも上方の領域よりも結晶欠陥の密度が高い部分を有する構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る窒化物半導体素子の製造方法によれば、窒化物半導体層の結晶欠陥が低減された窒化物半導体素子を簡便に製造することができる。
また、本開示に係る窒化物半導体素子によれば、窒化物半導体層の結晶欠陥が低減された品質の高い窒化物半導体素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を示す模式的断面図である。
【図２Ａ】実施形態に係る窒化物半導体素子における基板の一部を拡大して示す模式的平面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線における模式的断面図である。
【図３】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法の流れを示すフローチャートである。
【図４Ａ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における基板準備工程のサブ工程であるエッチング工程を示す模式的断面図である。
【図４Ｂ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第１窒化物半導体層積層工程を示す模式的断面図である。
【図５Ａ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の初期段階を示す模式的断面図である。
【図５Ｂ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の途中の段階を示す模式的断面図である。
【図５Ｃ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の途中の段階を示す模式的断面図である。
【図５Ｄ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の途中の段階を示す模式的断面図である。
【図５Ｅ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の最終段階を示す模式的断面図である。
【図６Ａ】図５Ａにおける平坦部の一部についての拡大断面図である。
【図６Ｂ】図５Ｂに示した段階における平坦部の一部についての模式的平面図である。
【図６Ｃ】図５Ｂにおける平坦部の一部についての拡大断面図であり、図６ＢのＶＩＣ−ＶＩＣ線における断面図である。
【図６Ｄ】図５Ｃにおける平坦部の一部についての拡大断面図である。
【図７Ａ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における発光素子構造形成工程のサブ工程を示す模式的断面図である。
【図７Ｂ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における発光素子構造形成工程のサブ工程を示す模式的断面図である。
【図７Ｃ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における電極形成工程を示す模式的断面図である。
【図７Ｄ】実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における絶縁膜形成工程を示す模式的断面図である。
【図８Ａ】実施形態に係る窒化物半導体素子における第２窒化物半導体層であるＧａＮ層について、第１窒化物半導体層であるＡｌＮ層の膜厚とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を示すグラフ図である。
【図８Ｂ】実施形態に係る窒化物半導体素子における第２窒化物半導体層であるＧａＮ層について、第１窒化物半導体層であるＡｌＮ層の膜厚とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を示すグラフ図である。
【図９】実施形態に係る窒化物半導体素子における第１窒化物半導体層であるＡｌＮ層の電子線回折像を示す写真である。
【図１０】実施形態に係る窒化物半導体素子における第２窒化物半導体層であるＧａＮ層について、第２窒化物半導体層積層工程で供給されるガリウム原料ガスであるＴＭＧの流量とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を示すグラフ図である。
【図１１】実施形態に係る窒化物半導体素子における第２窒化物半導体層であるＧａＮ層について、結晶成長の途中の段階の上面を撮影した走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ画像）である。
【図１２】実施形態に係る窒化物半導体素子について、断面のカソードルミネッセンス像を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態に係る窒化物半導体素子及びその製造方法について説明する。
なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、平面図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明は適宜省略することとする。
【００１１】
［窒化物半導体素子の構成］
まず、実施形態に係る窒化物半導体素子の構成について、図１〜図２Ｂを参照して説明する。
図１は、実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を示す模式的断面図である。図２Ａは、実施形態に係る窒化物半導体素子における基板の一部を拡大して示す模式的平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線における模式的断面図である。
【００１２】
本実施形態に係る窒化物半導体素子１は、窒化物半導体を支持するとともに結晶成長させるための基板１１と、基板１１上に積層される第１窒化物半導体層１２と、第１窒化物半導体層１２上に積層される第２窒化物半導体層１３と、第２窒化物半導体層１３上に積層される発光素子構造１４と、を有する。更に、発光素子構造１４は、基板１１側から順に、ｎ型半導体層１４ｎと、ｐ型半導体層１４ｐとを少なくとも有し、これらの間に活性層１４ａを有することが好ましい。発光素子構造１４は、一領域において少なくともｐ型半導体層１４ｐと活性層１４ａとが除去されて、底面がｎ型半導体層１４ｎである段差部１４ｂを有している。段差部１４ｂの底面であるｎ型半導体層１４ｎの上面には、ｎ側電極１５が設けられ、ｐ型半導体層１４ｐの上面の略全面には、全面電極１６が設けられ、全面電極１６の上面の一部にｐ側電極１７が設けられている。更に、窒化物半導体素子１の上面は、ｎ側電極１５及びｐ側電極１７の上面の一部に開口を有するように、絶縁膜１８で被覆されている。
【００１３】
本実施形態において、発光素子構造１４は、ＬＥＤ構造を有する半導体積層体である。ｎ側電極１５とｐ側電極１７を外部電源に接続して、発光素子構造１４に電力を供給することにより、活性層１４ａが発光するように構成されている。
なお、本実施形態において、窒化物半導体素子１として、ＬＥＤ構造を有する発光素子構造１４を備えた構成を例に説明するが、発光素子構造１４はＬＤ（レーザダイオード）構造を有するものでもよく、発光素子構造１４に代えて、例えば、電界効果トランジスタなど、他の機能を有する構造を備えた半導体素子にも適用することが可能である。
【００１４】
基板１１は、第１窒化物半導体層１２、第２窒化物半導体層１３及び発光素子構造１４からなる窒化物半導体層を支持するとともに、これらの窒化物半導体層を結晶成長させるためのものである。基板１１は、上面に窒化物半導体を結晶成長させるために適したものを用いることができる。後記する窒化物半導体が六方晶系の結晶構造を有するため、基板１１も六方晶系の結晶構造を有するものが用いられる。このような基板材料としては、サファイア、ＳｉＣを挙げることができ、透光性を有するサファイアを、より好適に用いることができる。また、窒化物半導体を結晶成長させる基板１１の主面は、＋ｃ面（サファイアの場合は、Ａｌ極性面）とすることが好ましい。基板１１の主面をサファイアのＡｌ極性面とすることで、第１窒化物半導体層１２の上面をＡｌＮのＡｌ極性面に統一し易いと考えられる。
【００１５】
また、基板１１は、第１窒化物半導体層１２が積層される主面（上面）側に複数の凸部１１ａが形成されている。また、基板１１の主面の凸部１１ａが形成されていない領域は、平坦面からなる平坦部１１ｂである。基板１１の主面に複数の凸部１１ａを形成することで、第２窒化物半導体層１３を結晶成長させる際に、第２窒化物半導体層１３の上面にまで貫通する転位を低減させることができる。
【００１６】
また、窒化物半導体素子１が、ＬＥＤ構造の発光素子構造１４を備える場合は、凸部１１ａを設けることにより、窒化物半導体の積層体の内部において横方向に伝播する光を凸部１１ａで反射して、縦方向に伝播させることができる。これにより、窒化物半導体素子１の正面輝度を向上させること、及び／又は、光の取り出し効率を向上させることができる。
なお、凸部１１ａは必須の構成ではなく、主面の全体が平坦面である基板１１を用いるようにしてもよい。
【００１７】
凸部１１ａは、柱状、錐体状、錐台状、半球状などとすることができる。また、その場合の底面の形状は、円形、楕円、長円、正多角形、長方形などとすることができる。第２窒化物半導体層１３を構成するＧａＮなどの窒化物半導体の結晶構造が６回対称性を有しているため、凸部１１ａは、底面の形状が６回対称性を有する正六角形が好ましく、簡易に形成できる形状として円形も好適に用いることができる。また、凸部１１ａは、表面からの結晶成長を抑制できるように、ｃ面を有さないことが好ましい。そのため、凸部１１ａの側面を傾斜面とし、頂部が尖った錐体状が好ましい。なお、凸部１１ａの頂部は、丸味を有していてもよい。
【００１８】
凸部１１ａは、それぞれ同一形状で多数が配列するように形成されている。また、凸部１１ａは、平面視で、隣接する凸部１１ａの中心間の距離が同じになるように規則的に配置され、例えば、図２Ａに示すように、それぞれの中心が破線で示した正三角形格子の頂点に位置するように配置される。なお、凸部１１ａの正三角形格子状の配置は一例であり、例えば四角形格子、六角形格子など、その他の多角形格子状に配置されてもよい。
【００１９】
凸部１１ａ間の間隔Ｇは、例えば０．２μｍ〜５μｍの範囲内とすることが好ましい。また、凸部１１ａは、幅Ｗが、例えば０．２μｍ〜５μｍの範囲内とすることが好ましく、高さＨが、例えば０．２μｍ〜２μｍの範囲内とすることが好ましい。なお、凸部１１ａの個数は、基板１１の主面の面積に応じて、前記した凸部１１ａ間の間隔Ｇ及び幅Ｗを考慮して決定される。例えば、凸部１１ａは、基板１１の上面全体にわたって均等に配置されている。
【００２０】
第１窒化物半導体層１２は、ＡｌＮの単結晶からなる薄膜のバッファ層である。第１窒化物半導体層１２は、基板１１の表面に直接に接しており、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法によって形成される。
なお、第１窒化物半導体層１２が単結晶かどうかは、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いた電子線回折像を観察することで同定することができる。観察対象が単結晶である場合は、二次元点配列のネットパターン（格子状のスポット）の回折像が観察される。また、観察対象が多結晶である場合は、デバイシェラーリング（回折環）が観察され、アモルファスである場合は、ハロー（ぼやけたリング）が観察される。
【００２１】
また、結晶性の度合は、転位などの結晶欠陥の多寡又は結晶の配向性で評価することができる。転位などの結晶欠陥が少ないほど、又は配向性が高いほど結晶性が良好であることを示す。
ここで、結晶欠陥は、ＣＬ（カソードルミネセンス）法による画像であるＣＬ像を観察することで評価することができる。例えば、窒化物半導体の結晶が電子線を照射されることで発する波長の光を観察することで、当該波長の光の強度を可視化したＣＬ像を得ることができる。そして、結晶欠陥があると光が吸収されるため、当該ＣＬ像において、暗くなる箇所を結晶欠陥として検出することができる。ＣＬ像については後記する。
なお、転位などの結晶欠陥はＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によっても観察可能である。但し、ＴＥＭ像を観察するための試料は、例えば、厚さが０．１μｍなどのように、極めて薄い薄膜に加工する必要があり、観察できる範囲がＣＬ像よりも狭い。結晶欠陥が少ない試料の場合は、ＴＥＭ像では十分な数の結晶欠陥が観察できないことがあるため、後記する例では、より多くの結晶欠陥を観察可能なＣＬ像を用いた。
【００２２】
また、結晶の配向性は、ＸＲＣ（Ｘ線ロッキングカーブ）の測定で得られるスペクトルの半値幅（半値全幅；ＦＷＨＭ）によって評価することができる。
六方晶系の結晶においては、ミラー指数が（００２）の面についてのＸＲＣの半値幅の大きさが、チルト、すなわちｃ軸のばらつきの程度を示しており、ｃ軸のばらつきは平坦性に影響を与える。この値が小さいほど螺旋転位が少ないことを示す。言い換えれば、（００２）面についてのＸＲＣの半値幅の大きさによって、結晶の上面の平坦性を評価することができ、半値幅の大きさは、その上に成長する層の平坦性に影響を与える。特に、ＩｎＧａＮは、ＧａＮなどと比較して良好な平坦性で成長することが困難であるため、その下地となる層は、ｃ軸のばらつきが少ないほど好ましい。従って、ＩｎＧａＮ層を含む活性層を形成する場合は、その下に形成される第１窒化物半導体層１２などの層における（００２）面のＸＲＣの半値幅が小さいほど好ましい。
また、ミラー指数が（３０２）の面についての半値幅の大きさが、ツイスト、すなわち回転ずれの大きさの情報を有しており、この値が小さいほど刃状転位が少ないことを示す。刃状転位は、螺旋転位よりは素子の特性に与える影響は少ないが、非発光中心になるため少ない方が好ましい。
【００２３】
ここで、第１窒化物半導体層１２の上面に積層される第２窒化物半導体層１３の結晶性にとって、第１窒化物半導体層１２の結晶のｃ面の配向性が特に重要である。そのために、ミラー指数が（００２）の面についてのＸＲＣの半値幅が、１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることが好ましい。
ＸＲＣの半値幅が、前記した範囲となるように第１窒化物半導体層１２を形成することで、その上面に積層される第２窒化物半導体層１３を、良好な結晶性で形成することができる。
【００２４】
第１窒化物半導体層１２として、基板１１に近い格子定数のＡｌＮの単結晶の薄膜を設けることで、窒化ガリウム系の半導体からなる第２窒化物半導体層１３の結晶性を向上させることができる。
【００２５】
第１窒化物半導体層１２の膜厚は、基板１１の上面全体を第１窒化物半導体層１２が十分に被膜できる１０ｎｍ以上、かつ、上面に積層される第２窒化物半導体層１３の結晶性が向上する１００ｎｍ以下程度の範囲とするのが好ましく、１８ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度の範囲とすることがより好ましく、２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下程度の範囲とすることが更に好ましい。
【００２６】
また、第１窒化物半導体層１２の酸素含有濃度は、１％以上程度とすることが好ましい。この範囲の酸素含有濃度とすることで、上面がＡｌ極性化された第１窒化物半導体層１２を安定して得ることができる。
また、第１窒化物半導体層１２の酸素含有濃度は、１０％以下程度とすることが好ましい。この範囲の酸素含有濃度とすることで、第１窒化物半導体層１２上に積層される第２窒化物半導体層１３の結晶性を良好なものとすることができる。
なお、ここでいう第１窒化物半導体層１２の酸素含有濃度とは、後記する第１窒化物半導体層積層工程Ｓ１０２の第１サブ工程で成膜される部分に含有される酸素の濃度をいう。
【００２７】
第２窒化物半導体層１３は、第１窒化物半導体層１２上に積層される。第２窒化物半導体層１３は、第１窒化物半導体層１２の表面に直接に接しており、典型的にはＭＯＣＶＤ法によって結晶成長させる。また、基板１１が凸部１１ａを有する場合は、当該凸部１１ａによる凹凸形状が埋め込まれ、上面が平坦面となる膜厚に形成される。第２窒化物半導体層１３は、好ましくは、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ＜１）で表される組成を有する窒化ガリウム系の半導体が用いられ、より好ましくはＧａＮが用いられる。第２窒化物半導体層１３の上面は、鏡面状の平坦面として形成され、当該上面に積層される窒化物半導体層である発光素子構造１４を良好な結晶性で成長させることができる。
【００２８】
第２窒化物半導体層１３は、平坦部１１ｂ上での結晶成長の過程において、側面がファセット面１３ｂで構成される逆六角錐又は逆六角錐台の形状の凹部が形成され、膜厚が、好ましくは８００ｎｍ、より好ましくは５００ｎｍに達するまでに当該凹部が埋め込まれることで、上面が鏡面状の平坦面となるように形成される。なお、逆六角錐とは、六角錐の底面が上側となるように上下が転置した形状のことであり、逆六角錐台とは、六角錐台の下底が上側となるように上下が転置した形状のことである。
【００２９】
このように結晶成長させることによって、第２窒化物半導体層１３は、平坦部１１ｂ上において、第１窒化物半導体層１２の上面から第２窒化物半導体層１３内を上方に伸びる転位が、少なくとも一部が８００ｎｍ以下で、より好ましくは５００ｎｍ以下で途切れるように形成される。このため、第１窒化物半導体層１２の上面からの高さが８００ｎｍより上方の領域に比べて、第１窒化物半導体層１２の上面から高さが８００ｎｍ以下の領域における転位などの結晶欠陥の密度が高い部分を有している。すなわち、第２窒化物半導体層１３は、第１窒化物半導体層１２の上面からの高さが８００ｎｍより上方の領域では、結晶欠陥の密度が、８００ｎｍ以下の領域よりも低い部分を有している。
結晶欠陥の多寡は、断面ＣＬ像又は断面ＴＥＭ像により確認することができる。結晶欠陥の密度が低い部分においては、転位密度が１×１０８／ｃｍ２以下であることが好ましい。また、下限値は特に限定すものではないが、転位密度は、例えば１×１０４／ｃｍ２以上である。
なお、第２窒化物半導体層１３は、前記した結晶成長の過程を経て、上面が鏡面状の平坦面となるように形成されれば、膜厚は特に限定されるものではない。
【００３０】
また、基板１１が凸部１１ａを有する場合は、第２窒化物半導体層１３は、少なくとも凸部１１ａの上端よりも高い位置に上面が位置する厚さで形成することが好ましく、更には、凸部１１ａ上を含めた基板１１の全面の上において平坦性が得られる程度の厚さで形成することが好ましい。この場合は、前記した転位密度は凸部１１ａよりも上で測定することができ、例えば基板１１からの距離が約５μｍの位置で測定することができる。
【００３１】
発光素子構造１４は、第２窒化物半導体層１３の上面に積層される窒化物半導体層である。典型的には、第２窒化物半導体層１３の形成から連続して、ＭＯＣＶＤ法により形成される。本実施形態において、発光素子構造１４は、ｎ型半導体層１４ｎ、活性層１４ａ及びｐ型半導体層１４ｐが積層されたＬＥＤ構造を有するものである。発光素子構造１４は、半導体発光素子に適した材料であればよく、例えば、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）などを好適に用いることができる。また、発光素子構造１４を構成する各半導体層は、それぞれ単層構造でもよいが、組成及び膜厚等の異なる層の積層構造、超格子構造等であってもよい。特に、活性層１４ａは、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸又は多重量子井戸構造であることが好ましい。
【００３２】
また、発光素子構造１４は、上面の一部の領域において、ｐ型半導体層１４ｐ及び活性層１４ａの全てと、ｎ型半導体層１４ｎの一部とが除去された段差部１４ｂが設けられている。段差部１４ｂの底面はｎ型半導体層１４ｎで構成されており、当該底面にｎ側電極１５が設けられている。また、ｐ型半導体層１４ｐの上面の略全領域には、全面電極１６が設けられている。また、発光素子構造１４のその他の表面は、ｎ側電極１５及び全面電極１６とともに、絶縁膜１８で被覆されている。
【００３３】
ｎ側電極１５は、ｐ側電極１７とともに、それぞれ金属ワイヤや半田などの接合部材を用いて外部電源と接続され、発光素子構造１４に電力を供給するためのパッド電極である。ｎ側電極１５は、発光素子構造１４を構成するｎ型半導体層１４ｎと接するように形成され、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗなどの単体金属又はこれらの金属を主成分とする合金などを用いることができ、更には、これらの金属材料を単層で、又は積層したものを利用することができる。なお、合金を用いる場合は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金のように、組成元素としてＳｉなどの非金属元素を含有するものであってもよい。
【００３４】
全面電極１６は、ｐ型半導体層１４ｐの上面の略全面を覆うように設けられており、ｐ側電極１７を介して外部から供給される電流を、ｐ型半導体層１４ｐの全面に均一に拡散する電流拡散層として機能する。
窒化物半導体素子１を、上面側を光取り出し面とするフェイスアップ型の発光素子とする場合は、全面電極１６は、例えば、ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）やＩＺＯ（インジウム・亜鉛酸化物）などの透光性導電材料が用いられる。
また、窒化物半導体素子１を、下面（基板１１）側を光取り出し面とするフェイスダウン型の発光素子とする場合は、全面電極１６は、発光素子構造１４が発した光を下方に反射する光反射層として機能するように、少なくとも全面電極１６の下層側には、特に可視光に対して光反射性の良好な材料を用いることが好ましい。このような材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ又はこれらの金属を主成分とする合金を挙げることができる。あるいは、全面電極１６に透光性を有する材料を用いて、その上に誘電体多層膜及び／又は良好な光反射性を有する金属膜から構成される光反射層を設けてもよい。
【００３５】
ｐ側電極１７は、全面電極１６の上面の一部に設けられ、金属ワイヤや半田などの接合部材を用いて外部電源と接続され、発光素子構造１４に電力を供給するためのパッド電極である。ｐ側電極１７としては、前記したｎ側電極１５と同様の材料を用いることができる。
【００３６】
絶縁膜１８は、発光素子構造１４及び全面電極１６の上面及び側面を被覆する膜である。また、絶縁膜１８は、ｎ側電極１５及びｐ側電極１７の上面及び側面についても、外部との接続領域となる上面の一部を除いて、被覆している。
絶縁膜１８は、窒化物半導体素子１の保護膜として機能する。絶縁膜１８は、特に窒化物半導体素子１がフェイスアップ型の発光素子の場合は、良好な透光性を有することが好ましい。絶縁膜１８としては、金属酸化物や金属窒化物を用いることができ、例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物又は窒化物を好適に用いることができる。
なお、絶縁膜１８は省略することもできる。
【００３７】
［窒化物半導体素子の製造方法］
次に、窒化物半導体素子１の製造方法について、図２Ａ〜図７Ｄを参照して説明する。
図３は、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法の流れを示すフローチャートである。図４Ａは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における基板準備工程のサブ工程であるエッチング工程を示す模式的断面図である。図４Ｂは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第１窒化物半導体層積層工程を示す模式的断面図である。図５Ａは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の初期段階を示す模式的断面図である。図５Ｂは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の途中の段階を示す模式的断面図である。図５Ｃは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の途中の段階を示す模式的断面図である。図５Ｄは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の途中の段階を示す模式的断面図である。図５Ｅは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における第２窒化物半導体層積層工程において、第２窒化物半導体層の結晶成長の最終段階を示す模式的断面図である。図６Ａは、図５Ａにおける平坦部の一部についての拡大断面図である。図６Ｂは、図５Ｂに示した段階における平坦部の一部についての模式的平面図である。図６Ｃは、図５Ｂにおける平坦部の一部についての拡大断面図であり、図６ＢのＶＩＣ−ＶＩＣ線における断面図である。図６Ｄは、図５Ｃにおける平坦部の一部についての拡大断面図である。図７Ａは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における発光素子構造形成工程のサブ工程を示す模式的断面図である。図７Ｂは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における発光素子構造形成工程のサブ工程を示す模式的断面図である。図７Ｃは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における電極形成工程を示す模式的断面図である。図７Ｄは、実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法における絶縁膜形成工程を示す模式的断面図である。
また、図５Ａ〜図５Ｅは、第２窒化物半導体層１３の結晶成長を、段階的に示した断面図である。また、図６Ａ、図６Ｃ及び図６Ｄは、それぞれ図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示した断面図の、平坦部１１ｂの一部を拡大した断面図であり、第２窒化物半導体層１３における転位の様子を破線で模式的に示したものである。また、図６Ｂは、図６Ｃに対応する平面図であり、図６Ｃは、図６ＢのＶＩＣ−ＶＩＣ線における断面図である。
なお、図４Ａ〜図７Ｄの各図において、各部材の形状、サイズ、位置関係を適宜に簡略化したり、誇張したりしている場合がある。
【００３８】
窒化物半導体素子１の製造方法は、基板準備工程Ｓ１０１と、第１窒化物半導体層積層工程Ｓ１０２と、第２窒化物半導体層積層工程Ｓ１０３と、発光素子構造形成工程Ｓ１０４と、電極形成工程Ｓ１０５と、絶縁膜形成工程Ｓ１０６と、個片化工程Ｓ１０７と、を有している。
以下、各工程について、順次に詳細に説明する。
【００３９】
まず、基板準備工程Ｓ１０１において、基板１１を準備する。すなわち、窒化物半導体層を結晶成長させる主面側に、例えばエッチング法によって、凸部１１ａが形成された基板１１を準備する。基板準備工程Ｓ１０１は、マスクを形成するマスク形成工程と、当該マスクを用いて基板１１をエッチングするエッチング工程とをサブ工程として含んでいる。
【００４０】
マスク形成工程においてマスクを形成した後に、エッチング工程において、基板１１を、例えばドライエッチングすることにより、基板１１の上面に凸部１１ａを形成する。その結果、例えば、錐体状ないし半球状の、基板１１の上面に垂直な軸であるｃ軸に対して傾斜した側面を有するドーム形状の凸部１１ａを形成することができる。凸部１１ａ以外の領域には平坦部１１ｂが形成される。
【００４１】
また、エッチング工程において、ドライエッチングの後に、基板１１をウェットエッチングすることで、凸部１１ａの先端側を、ｒ面に近い面を側面とする三角錐状に形成するようにしてもよい。これによって、凸部１１ａの表面からの結晶成長が、より抑制される。
【００４２】
なお、凸部１１ａを形成しないで、全面が平坦部１１ｂからなる基板１１を用いるようにしてもよい。その場合は、サブ工程であるマスク形成工程及びエッチング工程を省略し、＋ｃ面（サファイアの場合はＡｌ極性面）を主面とする基板１１を準備すればよい。
【００４３】
次に、第１窒化物半導体層積層工程Ｓ１０２において、基板１１上に、単結晶のＡｌＮからなる第１窒化物半導体層１２を積層する。第１窒化物半導体層１２は、基板１１に直接に形成することができ、ＭＯＣＶＤ法又はスパッタリング法によって形成することができる。第１窒化物半導体層１２は、好ましくは、ＭＯＣＶＤ法によって形成する。
具体的には、ＭＯＣＶＤ法による場合は、第１窒化物半導体層１２を形成するために、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を、Ｖ族元素であるＮの原料としてＮＨ３（アンモニア）ガスを、それぞれ用いることができる。また、これらの原料を供給する際のキャリアガスとして、例えば、Ｈ２、Ｎ２又はこれらの混合ガスを用いることができる。
【００４４】
また、第１窒化物半導体層１２を形成する際の温度は、８００℃以上とすることが好ましく、９００℃以上とすることが更に好ましい。結晶成長の温度を、前記した下限値以上とすることにより、第１窒化物半導体層１２を、より良好に単結晶化することができる。また、結晶成長の温度は、１３００℃以下とすることが好ましく、１２００℃以下とすることが更に好ましい。結晶成長の温度を、前記した上限値以下とすることにより、基板１１の上面のダメージを軽減することができる。
なお、このような温度範囲を外れた低温でＭＯＣＶＤ法により成長させた場合には、ＡｌＮ層は多結晶になる。
【００４５】
また、第１窒化物半導体層１２の膜厚は、その上面がＡｌ極性面で統一され易いように、１０ｎｍ以上とすることが好ましく、また、Ａｌ層の上面がＡｌ極性面で統一される範囲で薄膜となるように、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。ＡｌＮ層は、厚く形成すると、その上面がＮ極性面になり易いため、このような膜厚範囲であることが好ましい。
【００４６】
また、良好な結晶性が得られるように、ＭＯＣＶＤ法により成長させる際のＩＩＩ族元素の原料ガス（例えばＴＭＡ）の供給量は、５ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下程度とすることができる。また、Ｖ族元素の原料ガス（例えばＮＨ３ガス）の供給量は、１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下程度とすることができる。また、ＩＩＩ族元素の供給量に対するＶ族元素の供給量のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）は、７以上７００以下程度とすることが好ましい。また、成長レートは、０．０１ｎｍ／秒以上、１ｎｍ／秒以下程度とすることが好ましい。
なお、本明細書において、ｓｃｃｍは、１気圧で２５℃の温度における体積に換算した流量（ｃｍ３／分）を示し、後記するＳＬＭは、１気圧で２５℃に換算した体積での流量（リットル／分）を示す。
【００４７】
なお、ＡｌＮ層が基板１１の表面を隙間なく被覆し、かつ、ＡｌＮ層の上面がＡｌ極性に統一できれば、ＡｌＮ層の膜厚は、前記した範囲に限定されるものではない。ここで、上面がＡｌ極性に統一されるとは、ＡｌＮ層の上面の終端の原子が、５０％以上、更に好ましくは９０％以上がＡｌであることをいうものとする。
また、ＡｌＮ層の上面の終端の元素にＮが多くなると、ＧａＮ層が良好に成長できず、膜厚５μｍまでＧａＮ層を積層しても、上面にピットが残り、平坦面とすることが難しくなる。すなわち、ＡｌＮ層の上面にＮ極性が多く混在するほど、ＧａＮ層の結晶性が低下する。ＡｌＮ層の上面においてＡｌ極性面が支配的であることで、後記する第２窒化物半導体層１３の膜厚が、好ましくは８００ｎｍよりも、より好ましくは５００ｎｍよりも薄く積層された段階で、凹部１３ａを形成し、かつ当該凹部１３ａを埋める成長をさせることができる。
【００４８】
また、第１窒化物半導体層１２の上面は、前記したようにＡｌ極性に統一することが好ましい。そのために、第１窒化物半導体層積層工程Ｓ１０２において、少なくとも、第１窒化物半導体層１２で基板１１の上面全体が被覆されるまでは、酸素を供給しながら積層させることが好ましい。
ここで、第１窒化物半導体層積層工程Ｓ１０２において、酸素を供給しながら第１窒化物半導体層１２を積層させる工程を、第１サブ工程とし、酸素供給なし又は第１サブ工程よりも低濃度で酸素供給しながら第１窒化物半導体層１２を積層させる工程を第２サブ工程とする。
【００４９】
第１サブ工程では、酸素を、例えば０．０１ｓｃｃｍ以上０．１ｓｃｃｍ以下程度、更に好ましくは０．０２ｓｃｃｍ以上０．０６ｓｃｃｍ以下程度（ただし、酸素の供給方法は、Ａｒなどの不活性ガスに酸素を混合して目的の流量で供給してもよいし、直接、酸素を目的の流量で供給してもよい）供給しながら、基板１１の上面全体を第１窒化物半導体層１２で被膜させる。これにより、更に上層に、上面がＡｌ極性（＋ｃ面）となる第１窒化物半導体層１２を安定して成長させることができる。これは、酸素を加えることで、第１窒化物半導体層１２のＮ極性化（−ｃ面化）が抑制されて第１窒化物半導体層１２の成長が安定することによると考えられる。
【００５０】
第２サブ工程では、第１サブ工程で供給される酸素の流量よりも少ない流量の酸素を供給しながら、又は、酸素を供給しないで、第１サブ工程から連続して第１窒化物半導体層１２を結晶成長させる。これにより、第１窒化物半導体層１２の結晶性を向上できる。その結果、結晶性の良い第１窒化物半導体層１２上に積層される第２窒化物半導体層１３においても、結晶性を向上させることができ、上面に平坦な結晶面を形成することができる。なお、第２サブ工程において供給される酸素の流量を減少させる場合、第１サブ工程で供給される酸素の流量から、段階的または連続的に減少させてもよい。
【００５１】
次に、第２窒化物半導体層積層工程Ｓ１０３において、第１窒化物半導体層１２上に、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ＜１）で表される組成を有する窒化ガリウム系の半導体からなる第２窒化物半導体層１３を積層する。第２窒化物半導体層１３は、典型的にはＭＯＣＶＤ法によって形成される。第２窒化物半導体層１３は、アンドープで成長させることが好ましい。第２窒化物半導体層１３としては、アンドープのＧａＮを用いることがより好ましい。アンドープで成長させた第２窒化物半導体層１３は、典型的にはｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度がＳＩＭＳ分析（２次イオン質量分析）による検出限界以下であり、例えば１×１０１７ｃｍ−３以下である。
ＩＩＩ族元素であるＩｎ、Ａｌ、Ｇａの原料としては、例えば、それぞれＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用いることができる。また、Ｖ族元素であるＮの原料としては、例えばＮＨ３を用いることができる。
【００５２】
第２窒化物半導体層１３は、結晶成長の過程で形成される凹部１３ａが埋められて、上面が鏡面状の平坦面となる膜厚よりも厚ければ、膜厚は特に制限されるものではない。また、基板１１が凸部１１ａを有する場合は、第２窒化物半導体層１３は、上面が凸部１１ａの上端よりも高く、かつ上面が鏡面状の平坦面となる膜厚よりも厚ければよい。
【００５３】
第２窒化物半導体層１３をＭＯＣＶＤ法で形成する際の諸条件について説明する。温度は、８００℃以上１１００℃以下とすることが好ましい。ＩＩＩ族元素の原料ガス（例えばＴＭＧ）の供給量は、５ｓｃｃｍ以上８０ｓｃｃｍ以下程度とすることができる。また、Ｖ族元素の原料ガス（例えばＮＨ３ガス）の供給量は、１ＳＬＭ以上２０ＳＬＭ以下程度とすることが好ましい。また、ＩＩＩ族元素の供給量に対するＶ族元素の供給量のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）は、３０以上３００００以下程度とすることが好ましい。また、成長レートは、２５０ｎｍ／時以上、２５μｍ／時以下程度とすることが好ましい。圧力は特に限定されないが、０．５気圧〜１気圧程度とすることができる。
このような条件とすることで、好ましくは８００ｎｍ以上、より好ましくは５００ｎｍ以上の上部領域における結晶欠陥の密度が低く、上面が鏡面状の平坦面となるように第２窒化物半導体層１３を形成することができる。
【００５４】
ここで、第２窒化物半導体層１３の結晶成長について、図５Ａ〜図６Ｄを参照して説明する。以下、第２窒化物半導体層１３として、特に断らない限り、ＧａＮを用いる場合について説明するが、他の組成の窒化物半導体を用いる場合でも同様である。
第２窒化物半導体層１３の結晶成長の過程において、初期段階では、基板１１の平坦部１１ｂ上に形成された第１窒化物半導体層１２の上面において、複数の箇所に微小核が形成される。そして、第２窒化物半導体層１３は、基板１１の主面に垂直な軸であるｃ軸に対して傾斜したファセット面１３ｂが側面として形成され、それらの微小核が上方向に成長するとともに、横方向にファセット成長する。
平坦部１１ｂ上に形成された第１窒化物半導体層１２は、上面がＡｌＮの単結晶の＋ｃ面となっており、ＧａＮからなる第２窒化物半導体層１３を良好に結晶成長させることができる。
なお、第２窒化物半導体層１３は、主として平坦部１１ｂである＋ｃ面上で結晶成長し、非ｃ面で構成される凸部１１ａ上においては、第２窒化物半導体層１３の結晶成長が抑制される。
【００５５】
また、ＡｌＮとＧａＮとの格子定数に違いがあるため、第２窒化物半導体層１３に多数の転位１３ｃが生じ、当該転位１３ｃが結晶成長の方向に伝播する。このため、第２窒化物半導体層１３を上方向にのみ成長させると、転位１３ｃが上面に貫通する貫通転位となり、第２窒化物半導体層１３の上面に積層される発光素子構造１４にも多数の転位１３ｃが伝播することとなる。
【００５６】
本実施形態では、第２窒化物半導体層１３が横方向にファセット成長するため、転位１３ｃが横方向に伝播すると考えられる。このため、結晶成長が進むと、転位１３ｃが第２窒化物半導体層１３の上面側に現れない領域が大きくなる。
【００５７】
また、複数の微小核からファセット成長した第２窒化物半導体層１３は、互いに接合する。成長した微小核の接合の様子を平面視すると、逆六角錐又は逆六角錐台（より良好には、逆正六角錐又は逆正六角錐台）の形状の凹部１３ａが形成される。この凹部１３ａの内側面は、ファセット面１３ｂで構成される。なお、凹部１３ａの平面視での径は１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度である。
【００５８】
また、第２窒化物半導体層１３を形成する際に、結晶成長レートが速すぎると、結晶性が低下する傾向がある。すなわち、結晶成長レートが速すぎると、凹部１３ａがきれいな形状の逆六角錐又は逆六角錐台とならず、また上面が平坦面とならず、上面に凹凸形状が残りやすくなる。これは、結晶成長レートが速すぎると、横方向のファセット成長に対して縦方向の成長が相対的に速くなりすぎるため、異なる微小核から成長したＧａＮのファセット面１３ｂが接合されるとき、ファセット面１３ｂ同士の高さや結晶の向きのずれが大きくなるためと考えられる。このため、ファセット面１３ｂが接合されても、ファセット面１３ｂに露出していた転位１３ｃが途切れずに、上方に伝播するためと考えられる。
【００５９】
そこで、第２窒化物半導体層１３の膜厚が、好ましくは８００ｎｍ以下の段階で、より好ましくは５００ｎｍ以下の段階で凹部１３ａが埋められるような結晶成長レートで、第２窒化物半導体層１３を結晶成長させる。
なお、結晶成長レートは、原料ガスを供給する流量、ＩＩＩ族元素の供給量に対するＶ族元素の供給量のモル比、反応温度によって制御することができる。
【００６０】
第２窒化物半導体層１３を更に結晶成長させると、凹部１３ａが埋まり、上方に更に第２窒化物半導体層１３が積層される。また、横方向にファセット成長して凹部１３ａが埋まることにより、横方向に伝播していた転位１３ｃが第２窒化物半導体層１３の表面に現れなくなると考えられる。そして、これ以降に積層される第２窒化物半導体層１３の上面は鏡面状の平坦面となる。また、第２窒化物半導体層１３の膜厚が好ましくは８００ｎｍよりも、より好ましくは５００ｎｍよりも薄く積層された段階で、凹部１３ａが埋められる。このため、第１窒化物半導体層１２の上面から第２窒化物半導体層１３内を上方に伸びる転位１３ｃは、少なくとも一部が８００ｎｍ以下で、より好ましくは５００ｎｍ以下で途切れることになる。その結果、更に上方にまで伸びる転位１３ｃの数が低減される。このような極めて薄い膜厚の段階で凹部１３ａが埋められることにより、各ファセット面が、互いの高さが略均一な状態で結合すると考えられる。このため、ファセット面の結合部分において、転位などの結晶欠陥が発生し難く、結果として結晶欠陥の数を低減することができる。
【００６１】
従って、平坦部１１ｂ上において、第２窒化物半導体層１３は、第１窒化物半導体層１２の上面からの高さが８００ｎｍより上方の領域に比べて、第１窒化物半導体層１２の上面から高さが８００ｎｍ以下の領域における結晶欠陥の密度が高い部分を有することになる。言い換えれば、第１窒化物半導体層１２の上面からの高さが８００ｎｍより上方の領域では、結晶欠陥の密度が、８００ｎｍ以下の領域よりも低減される。
【００６２】
また、基板１１が凸部１１ａを有する場合は、凹部１３ａが埋まる高さは、凸部１１ａの上端よりも低いことが好ましい。つまり、凸部１１ａの上方において横方向に結晶成長してきた第２窒化物半導体層１３が接合する前に、凹部１３ａを埋めることが好ましい。
これによって、平坦部１１ｂにおいて結晶欠陥の密度を効果的に低減することができる。
なお、凸部１１ａの上端とは、凸部１１ａが錐形状の場合は頂点を指し、凸部１１ａが錐台形状の場合は上底を指す。
【００６３】
また、凸部１１ａを有する領域においては、凸部１１ａの傾斜した側面からはほとんど結晶成長せずに、主に平坦部１１ｂから横方向に成長してきた第２窒化物半導体層１３によって凸部１１ａが埋められる。従って、第２窒化物半導体層１３中を伝播する転位１３ｃは、凸部１１ａの上に収束する。このため、第２窒化物半導体層１３の凸部１１ａ上における転位１３ｃの数は減少する。但し、前記した本実施形態の方法であれば、凸部１１ａの有無に関わらず、平坦部１１ｂ上において転位１３ｃの数を減少させることができる。このため、凸部１１ａの配置などを、転位密度の低減を考慮せず、光取り出し効率の向上を主目的として設計することが可能である。
【００６４】
以上説明したように、第１窒化物半導体層１２として、単結晶で薄膜のＡｌＮ層を設けることにより、基板１１の平坦部１１ｂ上に結晶成長させた第２窒化物半導体層１３の上部領域の結晶欠陥の密度を低減することができる。更に、基板１１に凸部１１ａを設けることにより、転位１３ｃを凸部１１ａの頂点上に収束させることができるため、凸部１１ａ上に結晶成長させた第２窒化物半導体層１３の結晶欠陥の密度も低減することができる。
【００６５】
窒化物半導体素子１の製造方法について説明を続ける。
次に、発光素子構造形成工程Ｓ１０４において、ＭＯＣＶＤ法によって、第２窒化物半導体層１３上に、ｎ型半導体層１４ｎ、活性層１４ａ及びｐ型半導体層１４ｐを順次積層することで、発光素子構造１４を形成する。ＭＯＣＶＤ法によって各半導体層を積層する工程は、第２窒化物半導体層積層工程Ｓ１０３と同様にして行うことができるから、詳細な説明は省略する。
なお、第２窒化物半導体層１３の上層部は、結晶欠陥の密度が低くなるように形成されているため、第２窒化物半導体層１３上に、窒化物半導体の積層体である発光素子構造１４を良好な結晶性で形成することができる。
なお、第２窒化物半導体層１３は、発光素子構造１４の一部であってもよく、例えばｎ型不純物をドープして、ｎ型半導体層１４ｎの一部とすることもできる。但し、転位密度の低減のためには、第２窒化物半導体層１３はアンドープとすることが好ましい。
【００６６】
また、発光素子構造形成工程Ｓ１０４では、サブ工程として、ｎ型半導体層１４ｎ、活性層１４ａ及びｐ型半導体層１４ｐを積層した後で、ｐ型半導体層１４ｐの一部の領域について、上面からｐ型半導体層１４ｐ及び活性層１４ａの全てと、ｎ型半導体層１４ｎの一部をエッチングすることにより、段差部１４ｂを形成する。これによって、段差部１４ｂの底面に、ｎ型半導体層１４ｎが露出する。
【００６７】
次に、電極形成工程Ｓ１０５において、ｎ側電極１５、全面電極１６及びｐ側電極１７を形成する。まず、ｐ型半導体層１４ｐの上面の略全面を被覆するように、全面電極１６を形成する。次に、段差部１４ｂの底面にｎ側電極１５を形成するとともに、全面電極１６の上面の一部にｐ側電極１７を形成する。ｎ側電極１５及びｐ側電極１７を、同じ材料を用いて形成する場合には、同時に形成することができる。また、ｎ側電極１５とｐ側電極１７とを、それぞれ別個の工程で異なる材料を用いて形成することもできる。
なお、電極形成工程Ｓ１０５は、各電極を形成する工程を連続して行ってもよく、別の工程を間に挟んでもよい。例えば、全面電極及びｐ側電極を形成した後、ｐ側電極を支持基板に接合し、基板を除去し、基板除去面にｎ側電極を形成してもよい。
【００６８】
次に、絶縁膜形成工程Ｓ１０６において、ｎ側電極１５及びｐ側電極１７のそれぞれの上面の一部を除き、ＳｉＯ２などの絶縁材料を用いて絶縁膜１８を形成する。
【００６９】
また、１枚の基板１１上に、複数の窒化物半導体素子１が、ウエハレベルプロセスによって形成される場合は、次の個片化工程Ｓ１０７において、個々の窒化物半導体素子１を区画する仮想線である境界線３０に沿って、レーザスクライブ法、カッタースクライブ法、ダイシング法などによってウエハを切断することで、窒化物半導体素子１が個片化される。
なお、ウエハを切断する前に、基板１１の裏面を研磨することで薄肉化したり、ウエハを切断する前又は後に、ＬＬＯ（レーザリフトオフ）法などにより、基板１１を除去するようにしてもよい。
以上の工程によって、窒化物半導体素子１が形成される。
【００７０】
（ＡｌＮ層の膜厚とＧａＮ層の結晶性との関係についての確認実験）
次に、第１窒化物半導体層１２であるＡｌＮ層の膜厚と、当該ＡｌＮ層の上面に積層される第２窒化物半導体層１３であるＧａＮ層の結晶性との関係を確認するための実験結果について、図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明する。
図８Ａ及び図８Ｂは、実施形態に係る窒化物半導体素子における第２窒化物半導体層であるＧａＮ層について、第１窒化物半導体層であるＡｌＮ層の膜厚とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を示すグラフ図である。図８Ａに示した実験結果と図８Ｂに示した実験結果とは、同じサンプルについて、異なる位置についてＸＲＣの半値幅を測定した結果である。
なお、第１窒化物半導体層１２のＸＲＣは、第２窒化物半導体層１３を形成しない状態、つまり第１窒化物半導体層１２のみを形成した状態で測定した。同様に、第２窒化物半導体層１３のＸＲＣは、第２窒化物半導体層１３の上に何も形成しない状態で測定した。
【００７１】
基板１１として＋ｃ面を主面とするサファイア基板を用いて、第１窒化物半導体層１２であるＡｌＮ層を、膜厚が１８，２５，４０，５０ｎｍとなるように形成した。また、ＡｌＮ層は、温度が１０００℃、圧力が２００ｔｏｒｒ（２６．７ｋＰａ）、成長レートが０．１ｎｍ／秒程度の条件で形成した。
第２窒化物半導体層１３であるＧａＮ層は、各膜厚のＡｌＮ層の上面に、膜厚が約５μｍとなるように結晶成長させることで形成した。
なお、膜厚を４０ｎｍに形成したときのＡｌＮ層は、ミラー指数が（００２）の面についてのＸＲＣの半値幅が、３１３ａｒｃｓｅｃであった。
【００７２】
ＡｌＮ層の膜厚が厚くなるほど、その上面に積層されるＧａＮ層の結晶性が低下する傾向が見られる。このため、ＡｌＮ層の膜厚は、１００ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以下とすることがより好ましい。また、ＡｌＮ層の上面がＡｌ極性面で統一され易いように、ＡｌＮ層の膜厚は１０ｎｍ以上とすることが好ましく、１８ｎｍ以上とすることがより好ましい。
【００７３】
（ＡｌＮ層の結晶性についての確認）
次に、第１窒化物半導体層１２であるＡｌＮ層が単結晶であるかどうかを、図９を参照して確認する。図９は、実施形態に係る窒化物半導体素子における第１窒化物半導体層であるＡｌＮ層の電子線回折像を示す写真である。
図９において矢印等で示すように、結晶方位は、写真画像面に垂直な方向がＡｌＮ層のａ軸方向であり、写真画像面内で右下方向がｃ軸方向であり、写真画像面内で右上方向がｍ軸方向である。すなわち、写真画像面（紙面）に平行な面が［１１−２０］面、つまりａ面であり、ｃ軸に垂直な面がｃ面である。
なお、図９の左図に示すように、サファイア基板とＡｌＮ層とは、左上にサファイア基板が配置され、右下にＡｌＮ層が配置された位置関係にある。
【００７４】
前記したように、電子線回折像が二次元点配列のネットパターン（格子状のスポット）であるため、当該ＡｌＮ層が単結晶であることが確認できる。また、サファイア基板とＡｌＮ層との位置関係を合わせると、ＡｌＮ層の上面が＋ｃ面（Ａｌ極性面）であることが分かる。
【００７５】
（ＧａＮ層の結晶成長レートと結晶性との関係についての確認実験）
次に、第２窒化物半導体層１３としてＧａＮ層を形成する際の、結晶成長のレートとＧａＮ層の結晶性との関係を確認するための実験結果について、図１０を参照して説明する。
図１０は、実施形態に係る窒化物半導体素子における第２窒化物半導体層であるＧａＮ層について、第２窒化物半導体層積層工程で供給されるガリウム原料ガスであるＴＭＧの流量とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を示すグラフ図である。
【００７６】
この実験では、第２窒化物半導体層１３としてＧａＮを用い、ＧａＮ層の結晶成長レートを変化させるために、Ｇａの原料であるＴＭＧを供給する流量を、５，１０，２０，４０，８０，１００ｓｃｃｍに変化させた。また、ＧａＮ層の膜厚が、１μｍとなるように形成した。他のプロセス条件としては、温度が１０００℃、圧力が１気圧、成長レートが２．５μｍ／時（０．７ｎｍ／秒）程度とした。Ｖ／ＩＩＩ比は３０００程度である。
また、基板１１として＋ｃ面を主面とするサファイア基板を用いて、第１窒化物半導体層１２であるＡｌＮ層を、膜厚が３０ｎｍとなるように形成した。
【００７７】
ミラー指数が（００２）面及び（３０２）面についてのＸＲＣの半値幅は、前記した実験条件の範囲内のＴＭＧの流量において、何れも十分に小さく、ＧａＮ層は良好な結晶性が得られている。一方で、ＴＭＧの流量が大きいほど、すなわち、ＧａＮ層の結晶成長レートが速くなるほど、何れの半値幅も概ね大きくなり、結晶性が低下する傾向が見られる。また、ＴＭＧの流量が２０ｓｃｃｍよりも小さくなるほど、ミラー指数が（００２）面についての半値幅が大きくなる傾向が見られる。
従って、この実験条件においては、ＴＭＧ流量が５〜１００ｓｃｃｍとすることが好ましく、２０〜４０ｓｃｃｍとすることがより好ましい。
【００７８】
なお、（００２）面についてのＸＲＣの半値幅で示されるＧａＮ結晶のチルトの程度、及び（３０２）面についてのＸＲＣの半値幅で示されるＧａＮ結晶のツイストの程度は、何れも初期段階（膜厚が１００ｎｍ程度以下の段階）のＧａＮ層の横方向の成長（ラテラル成長）が非常に大きな影響を与えると考えられる。
特に、チルトの程度は、初期段階のＧａＮ層の平坦性が大きな影響を与え、ツイストの程度は、初期段階の横方向の成長（ラテラル成長）であるファセット成長が非常に大きな影響を与えると考えられる。
【００７９】
（ＧａＮ層の結晶成長の例）
次に、前記した「ＧａＮ層の結晶成長レートと結晶性との関係についての確認実験」の実験条件で形成したＧａＮ層の結晶成長の具体例について、図１１を参照して説明する。
図１１は、実施形態に係る窒化物半導体素子における第２窒化物半導体層であるＧａＮ層について、結晶成長の途中の段階の上面を撮影した走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ画像）である。なお、図１１は、第２窒化物半導体層１３としてＧａＮを用いて、基板１１の平坦部１１ｂ上において結晶成長する過程を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて上面側から撮影した写真画像である。また、図１１は、ＴＭＧを供給する流量を、１０，２０，８０ｓｃｃｍに変えることで、ＧａＮ層の結晶成長レートを３段階に変化させた場合の例を示しており、各ＴＭＧ流量について、ＧａＮの膜厚が２５ｎｍ及び１００ｎｍに成長した段階の上面の様子を示している。
また、図１１のＧａＮ層の膜厚が２５ｎｍに成長した段階は、図６Ａに示した段階に相当し、ＧａＮ層の膜厚が１００ｎｍに成長した段階は、図６Ｂ及び図６Ｃに示した段階に相当する。
【００８０】
ＧａＮ層の膜厚が２５ｎｍに成長した段階では、実験結果を示した範囲のＴＭＧ流量において、平坦部１１ｂ上におけるＧａＮが横方向にファセット成長しながら平坦部１１ｂを被覆している。
また、ＧａＮ層が１００ｎｍに成長した段階は、平坦部１１ｂ上でファセット成長する最終段階であり、複数の微小核からファセット成長したＧａＮ結晶が接合され、逆六角錐又は逆六角錐台の形状の凹部１３ａが形成されている。また、この段階では、平坦部１１ｂ上の凹部１３ａが形成された領域以外の上面は、略平坦面となっている。
【００８１】
（ＣＬ像による結晶欠陥の分布の画像化）
次に、サファイアからなる基板１１上に第１窒化物半導体層１２としてＡｌＮ層を、第２窒化物半導体層１３としてＧａＮ層を積層した窒化物半導体の結晶欠陥の分布について、図１２を参照して説明する。
図１２は、実施形態に係る窒化物半導体素子について、断面のカソードルミネッセンス像を示す写真である。
図１２において、基板１１との界面付近における黒く表示されている領域が結晶欠陥の存在する領域である。なお、図１２の中央部分は大部分が白色に表示され、図１２の上方の３分の１の領域はグレーに表示されているが、これは、キャリア濃度の違いによるものであって、図１２の上方のグレーの領域も、その直下の白色の領域と同様に、結晶欠陥が少なく、転位密度が低い領域である。図１２の中央部分において大部分が白色に表示されているのは、凸部１１ａの頂点上で埋まるまでは、ファセット成長をするが、ファセット成長は不純物を取り込み易いため、アンドープで成長してもキャリア濃度が高くなったことが原因であると推測される。本来、アンドープのＧａＮであれば、図１２の上方の領域のようにグレーで表示される。
なお、白色で表示された領域中に、平坦部１１ｂの端部付近から上方へと延びるグレーで表示される部分があるが、この部分も同様に、キャリア濃度が局所的に低いためにグレーに表示された可能性がある。
【００８２】
凸部１１ａの各寸法（図２Ｂ参照）は、高さＨが１．５μｍ、幅Ｗが約２μｍ、ピッチ（間隔Ｇ＋幅Ｗ）が約３．５μｍである。基板１１の平坦部１１ｂ上で黒く表示された領域は転位などの結晶欠陥が多く、つまり結晶欠陥の密度の高い領域である。第１窒化物半導体層１２であるＡｌＮ層は、第２窒化物半導体層１３であるＧａＮ層に比べて非常に薄いため画像では判別できないが、約３０ｎｍの膜厚で形成されている。
【００８３】
平坦部１１ｂ上において、ＧａＮ層は、ＡｌＮ層の上面から約５００ｎｍ以上の高さの領域では白く表示されており、転位などの結晶欠陥が非常に少なくなっていることが分かる。この領域では、転位などの結晶欠陥は確認されない。つまり、当該領域における転位は０本であるといえる。また、平坦部１１ｂの端部を除く領域上において、約５００ｎｍ以上の高さの領域は、上面が平坦面となって結晶が成長した領域であると推測される。また、当該白く表示された領域よりも上方はグレーで表示されているが、この領域も転位が少なく、上面が鏡面状の平坦面となって結晶の成長が進行した領域である。
【００８４】
すなわち、平坦部１１ｂ上では、ＧａＮ層が約５００ｎｍ積層された段階で上面が平坦面となり、転位が上方に伝播せずに途切れている。更に、凸部１１ａの上端よりも高い領域では、ＧａＮ層が平面視で全ての領域について、上面が平坦化されている。仮に、前記した特定のＡｌＮ層を設けない場合であれば、基板との界面近傍の結晶欠陥が凸部の上まで延びて収束することはあっても、凸部１１ａの上端よりも低い位置で結晶欠陥の大多数が途切れて消滅するという現象は生じない。このことから、平坦部１１ｂ上における結晶欠陥の減少は、前記した特定のＡｌＮ層を設けたことにより、第２窒化物半導体層１３が極めて薄い膜厚の段階でファセット成長したためと結論付けることができる。
【００８５】
以上説明したように、基板１１上の平坦部１１ｂにおいて、単結晶の薄膜のＡｌＮ層を設け、ＡｌＮ層上にＧａＮ層を８００ｎｍ以上、より好ましくは５００ｎｍ以上の比較的に薄い膜厚に結晶成長させるだけで、上面に貫通する転位が少なく、平坦な上面のバッファ層を形成できることが確認できた。そのため、第２窒化物半導体層１３の上面に、窒化物半導体を転位などの結晶欠陥の少ない良好な結晶性で積層することができる。その結果として、当該窒化物半導体からなる発光素子構造１４などの機能素子を有する窒化物半導体素子１の品質を向上させることができる。
【００８６】
以上、本開示に係る窒化物半導体素子及びその製造方法について、実施の形態により具体的に説明したが、本開示の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変などしたものも本開示の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８７】
１      窒化物半導体素子
１１    基板
１１ａ  凸部
１１ｂ  平坦部
１２    第１窒化物半導体層
１３    第２窒化物半導体層
１３ａ  凹部
１３ｂ  ファセット面
１３ｃ  転位
１４    発光素子構造
１４ｎ  ｎ型半導体層
１４ａ  活性層
１４ｐ  ｐ型半導体層
１４ｂ  段差部
１５    ｎ側電極
１６    全面電極
１７    ｐ側電極
１８    絶縁膜
３０    境界線
【図１】
0006375890.tif 000002
【図２Ａ】
0006375890.tif 000003
【図２Ｂ】
0006375890.tif 000004
【図３】
0006375890.tif 000005
【図４Ａ】
0006375890.tif 000006
【図４Ｂ】
0006375890.tif 000007
【図５Ａ】
0006375890.tif 000008
【図５Ｂ】
0006375890.tif 000009
【図５Ｃ】
0006375890.tif 000010
【図５Ｄ】
0006375890.tif 000011
【図５Ｅ】
0006375890.tif 000012
【図６Ａ】
0006375890.tif 000013
【図６Ｂ】
0006375890.tif 000014
【図６Ｃ】
0006375890.tif 000015
【図６Ｄ】
0006375890.tif 000016
【図７Ａ】
0006375890.tif 000017
【図７Ｂ】
0006375890.tif 000018
【図７Ｃ】
0006375890.tif 000019
【図７Ｄ】
0006375890.tif 000020
【図８Ａ】
0006375890.tif 000021
【図８Ｂ】
0006375890.tif 000022
【図９】
0006375890.tif 000023
【図１０】
0006375890.tif 000024
【図１１】
0006375890.tif 000025
【図１２】
0006375890.tif 000026