(57)【要約】【課題】低抵抗であり、結晶性が良好な窒化物半導体テンプレート、及びそれを用いた発光ダイオードを提供する。【解決手段】窒化物半導体テンプレート１は、ＰＳＳ基板１１と、ＰＳＳ基板１１上に形成され、最上層をＳｉが添加されたＳｉドープＧａＮ層１４とするIII族窒化物半導体層とを備え、III族窒化物半導体層は、全膜厚が４μｍ以上１０μｍ以下であり、ＳｉドープＧａＮ層１４は、キャリア濃度が最表面に向かって徐々に低下し、III族窒化物半導体層の最表面でのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下のＳｉ濃度傾斜層１４ｂを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、最上層をＳｉが添加されたＳｉ添加層とするIII族窒化物半導体層とを備え、
前記III族窒化物半導体層は、全膜厚が４μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記Ｓｉ添加層は、キャリア濃度が最表面に向かって徐々に低下し、前記III族窒化物半導体層の最表面でのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下のＳｉ濃度傾斜層を有する窒化物半導体テンプレート。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体層は、前記基板と前記Ｓｉ添加層との間に、Ｏ（酸素）が添加されたＯ添加層を有する請求項１に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項３】
前記Ｏ添加層は、Ｏの不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3以上３×１０19ｃｍ-3以下であり、厚さ方向におけるＯ添加層の平均キャリア濃度が８×１０17ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下である請求項２に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項４】
前記Ｓｉ添加層は、キャリア濃度が厚さ方向で一様なＳｉ高濃度層を有し、前記Ｓｉ濃度傾斜層は、キャリア濃度が前記Ｓｉ高濃度層から前記最表面に向かって徐々に低下してなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項５】
前記Ｓｉ高濃度層のキャリア濃度が、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である請求項４に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項６】
前記基板の表面に複数の凸部が形成されたＰＳＳ基板（Patterned Sapphire Substrate）を用いた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項７】
表面比抵抗が１０Ω／□以上３０Ω／□以下である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項８】
Ｘ線回折測定の（０００４）面の半値幅が１００秒以下である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項９】
サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成されたＡｌＮバッファ層と、前記ＡｌＮバッファ層上に形成されたｎ型のIII族窒化物半導体層と、前記ｎ型のIII族窒化物半導体層上に形成された多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に形成されたｐ型の窒化物半導体層と、前記ｐ型の窒化物半導体層側からｎ型のIII族窒化物半導体層までエッチングが施されて形成された前記ｎ型のIII族窒化物半導体層の露出部と、前記ｎ型のIII族窒化物半導体層の前記露出部上に形成されたｎ型電極と、前記ｐ型の窒化物半導体層側に形成されたｐ型電極とを備え、前記ｎ型のIII族窒化物半導体層は、最上層をＳｉが添加されたＳｉ添加層とするIII族窒化物半導体層であり、前記III族窒化物半導体層は、全膜厚が４μｍ以上１０μｍ以下であり、前記Ｓｉ添加層は、キャリア濃度が最表面に向かって徐々に低下し、前記III族窒化物半導体層の最表面でのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下のＳｉ濃度傾斜層を有する発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体テンプレート及び発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）などの窒化物系化合物半導体は、赤色から紫外の発光が可能な発光素子材料として注目を集めている。これらの窒化物半導体材料の結晶成長法の一つに、金属塩化物ガスとアンモニアを原料とするハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy法）がある。
【０００３】
ＨＶＰＥ法の特徴としては、他の成長法（有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy法）で典型的な数μｍ／ｈｒと比較して格段に大きな１０μｍ／ｈｒ以上から１００μｍ／ｈｒ以上の成長速度が得られる点が挙げられる。このため、ＧａＮ自立基板（特許文献１参照）やＡｌＮ自立基板の製造に良く用いられる。ここで「自立基板」とは、自らの形状を保持でき、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板を言う。
【０００４】
また、窒化物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）は、通常サファイア基板上に形成されるが、その結晶成長に際しては、サファイア基板の表面にバッファ層を形成した後、その上にｎ層を含む１０〜１５μｍ程度の厚いＧａＮ層を成長し、その上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸の発光層（合計で数１００ｎｍ厚）、ｐ層（２００〜５００ｎｍ厚）の順に成長が行われる。発光層の下側のＧａＮ層が厚いのは、サファイア基板上のＧａＮの結晶性を改善するなどのためである。その後、電極形成などを行い最終的には後述する図４のような素子構造が形成される。ＭＯＶＰＥ法での成長の場合、結晶成長工程は典型的には６時間程度の時間を要するが、このうちの半分程度は、テンプレートと呼ばれる発光層の下側のＧａＮ層を成長するために必要な時間である。
【０００５】
以上のことから、テンプレート部分の成長に成長速度の格段に速いＨＶＰＥ法を適用できれば、大幅な成長時間の短縮が可能となり、ＬＥＤウエハの製造コストを劇的に低減することが可能となる。
【０００６】
一方、半導体発光素子（発光ダイオード）の内部への光閉じ込めを低減させて光取り出し効率を改善する方法として、例えば特許文献２が挙げられる。
【０００７】
特許文献２では、第１層に凹凸加工を施して光取り出し効率をアップして高輝度化している。また、特許文献３では、基板に凹凸加工を施して、前記と同じ効果を出している。この特許文献３が、所謂ＰＳＳ基板（Patterned Sapphire Substrate）を用いて光取り出し効率をアップして高輝度化している。
【０００８】
また、上記テンプレート部分は、横方向に電流が流れる部分であるため、低抵抗である必要がある。何故ならば、低抵抗でなければＬＥＤの駆動電圧（順方向電圧）が高くなってしまうからである。つまりテンプレート部分は、結晶性を良くして活性層での欠陥を少なくして内部量子効率を高める役割と、順方向電圧を低くする役割をもつ重要な部分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３８８６３４１号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０６１１号公報
【特許文献３】特開２００５−１８３９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般的な低抵抗化としては、添加する不純物の量を多くしてキャリア濃度を高くする方法がある。その方法として窒化物半導体テンプレート部分の最上層の上部のキャリア濃度を高くするために添加する不純物の量を多くする。しかし、最上層の不純物添加量を多くすると、結晶性が悪化してしまい、結果的に発光ダイオードの輝度の低下が起こる。なお、結晶性の指標は、一般にＸ線回折（ＸＲＤ）測定による（０００４）面の半値幅（ＦＷＨＭ）（以下「ＸＲＤ半値幅」という。）が用いられている。また、不純物量が多いと、テンプレート上に成膜される発光部、特に活性層へのドーパント拡散によって輝度低下が起こると共に、上記ドーパントの拡散によって信頼性が悪化する。よって、窒化物半導体テンプレートは結晶性が良好であり、かつ低抵抗化するのが望ましい。
【００１１】
しかし、低抵抗にするためには、不純物の量をある程度添加する必要がある。この不純物を多くしてキャリア濃度を高くすると、後にＭＯＶＰＥ法にて発光層部を成長している際に、窒化物半導体テンプレートの不純物が、発光層まで拡散してしまい、ＬＥＤとしての信頼性が悪化する。
本明細書や請求項において、「窒化物半導体テンプレート」あるいは単に「テンプレート」とは、基板と発光層の下側を構成するＧａＮ層やバッファ層などの窒化物半導体層を含んだものを意味する。さらに、テンプレート部分とは、「窒化物半導体テンプレート」中の窒化物半導体層を意味する。
【００１２】
本発明の目的は、低抵抗であり、結晶性が良好な窒化物半導体テンプレート、及びそれを用いた発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、上述の課題を達成すべく鋭意検討を行った結果、初期成長において島状成長させることで転位密度を低減できることを見出した。また、島状に成長させている間は、様々な方位の面が出ていて、傾斜面があるときには、Ｏ（酸素）の添加効率が良いことを見出した。つまり添加効率を良いことを見出したことにより、欠陥形成の一つの原因となる添加物の量を少なくできた。これにより、ｎ型添加物であるＯ（酸素）を、結晶性を悪化させずに良好な状態で添加できたことにより、ある程度の低抵抗化ができた。更に積極的に添加するｎ型添加層の添加物量も減らすことができ、転位密度を低減できた。しかし、上記方法に、更にｎ型のキャリアを添加するテンプレートの最上層であるＧａＮ層の最上部に位置する部分の不純物濃度を最表面側に向かって傾斜的に減少させることで、テンプレート上に成膜される発光部の結晶性が向上して、テンプレートを用いて製作された発光ダイオードの高輝度化が達成できることを見出した。更にこの構造のテンプレートより製作される発光ダイオードは、テンプレートからのドーパント拡散による劣化が無く高信頼性である。
【００１４】
つまりＨＶＰＥ法を用いて、欠陥が少なく低抵抗であり、かつドーパント拡散の少ない窒化物半導体発光素子用テンプレートを提供することに成功した。これにより低コストで、高輝度、かつ信頼性の優れた発光ダイオードを製作可能になった。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、以下の窒化物半導体テンプレート及び発光ダイオードを提供する。
【００１６】
［１］基板と、前記基板上に形成され、最上層をＳｉが添加されたＳｉ添加層とするIII族窒化物半導体層とを備え、前記III族窒化物半導体層は、全膜厚が４μｍ以上１０μｍ以下であり、前記Ｓｉ添加層は、キャリア濃度が最表面に向かって徐々に低下し、前記III族窒化物半導体層の最表面でのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下のＳｉ濃度傾斜層を有する窒化物半導体テンプレート。
【００１７】
［２］前記III族窒化物半導体層は、前記基板と前記Ｓｉ添加層との間に、Ｏ（酸素）が添加されたＯ添加層を有する前記［１］に記載の窒化物半導体テンプレート。
【００１８】
［３］前記Ｏ添加層は、Ｏの不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3以上３×１０19ｃｍ-3以下であり、厚さ方向におけるＯ添加層の平均キャリア濃度が８×１０17ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下である前記［２］に記載の窒化物半導体テンプレート。
【００１９】
［４］前記Ｓｉ添加層は、キャリア濃度が厚さ方向で一様なＳｉ高濃度層を有し、前記Ｓｉ濃度傾斜層は、キャリア濃度が前記Ｓｉ高濃度層から前記最表面に向かって徐々に低下してなる前記［１］乃至［３］のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレート。
【００２０】
［５］前記Ｓｉ高濃度層のキャリア濃度が、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である前記［４］に記載の窒化物半導体テンプレート。
【００２１】
［６］前記基板の表面に複数の凸部が形成されたＰＳＳ基板（Patterned Sapphire Substrate）を用いた前記［１］乃至［５］のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレート。
【００２２】
［７］表面比抵抗が１０Ω／□以上３０Ω／□以下である前記［１］乃至［６］のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
【００２３】
［８］Ｘ線回折測定の（０００４）面の半値幅が１００秒以下である前記［１］乃至［７］のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレート。
【００２４】
［９］サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成されたＡｌＮバッファ層と、前記ＡｌＮバッファ層上に形成されたｎ型のIII族窒化物半導体層と、前記ｎ型のIII族窒化物半導体層上に形成された多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に形成されたｐ型の窒化物半導体層と、前記ｐ型の窒化物半導体層側からｎ型のIII族窒化物半導体層までエッチングが施されて形成された前記ｎ型のIII族窒化物半導体層の露出部と、前記ｎ型のIII族窒化物半導体層の前記露出部上に形成されたｎ型電極と、前記ｐ型の窒化物半導体層側に形成されたｐ型電極とを備え、前記ｎ型のIII族窒化物半導体層は、最上層をＳｉが添加されたＳｉ添加層とするIII族窒化物半導体層であり、前記III族窒化物半導体層は、全膜厚が４μｍ以上１０μｍ以下であり、前記Ｓｉ添加層は、キャリア濃度が最表面に向かって徐々に低下し、前記III族窒化物半導体層の最表面でのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下のＳｉ濃度傾斜層を有する発光ダイオード。
【００２５】
なお、上記III族窒化物半導体層のエピタキシャル層中に２種類以上の添加物が含まれてもよい。また、上記III族窒化物半導体層がＧａＮを主成分としてもよい。また、上記窒化物半導体テンプレートにおいて、ＧａＮを主成分とした層と基板との間にバッファ層としてＡｌＮを形成するのが好ましい。このＡｌＮバッファ層の厚さが、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
【００２６】
基板は、表面に凸部を有するＰＳＳ基板や、表面に凸部を有していない平坦基板を用いてもよい。平坦基板を用いても初期の島状成長によって同様の効果が得られる。Ｘ線回折測定の（０００４）面の半値幅は、基板として、表面に凸部を有するＰＳＳ基板を用いる場合は、１００秒以下が好ましく、表面に凸部を有していない平坦基板を用いる場合は、３００秒以下であることが好ましい。凸部は、間隔（ピッチ(ｐ)）が０．５μｍ以上６．０μｍ以下、高さ(ｈ)が０．５μｍ以上３．０μｍ以下が好ましい。
【００２７】
上記III族窒化物半導体層は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）によって成長させるのが好ましい。バッファ層は、ＨＶＰＥ法以外の方法によって成長させてもよい。上記III族窒化物半導体層は、３０〜３００μｍ／ｈｒの速度で成長させるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明により、基板として表面に凸部を有する基板（ＰＳＳ基板）を用いた場合、低抵抗（表面抵抗比が３０Ω／□以下）であり、結晶性が良好な（ＸＲＤ半値幅が５０秒以上１００秒以下）窒化物半導体テンプレート、及びそれを用いた発光ダイオードを提供することができる。また、基板として表面に凸部を有していない平坦基板（ＰＳＳ基板以外）を用いた場合、低抵抗（表面抵抗比が３０Ω／□以下）であり、結晶性が良好な（ＸＲＤ半値幅が５０秒以上３００秒以下）窒化物半導体テンプレート、及びそれを用いた発光ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体テンプレートの断面図、図１（ｂ）は、基板の表面の状態を示す要部断面図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体テンプレートの断面図、図２（ｂ）は、基板の表面の状態を示す要部断面図である。
【図３】図３は、本発明の第３の実施の形態に係る発光ダイオード用エピタキシャルウエハの断面図である。
【図４】図４は、本発明の第４の実施の形態に係る発光ダイオードの断面図である。
【図５】図５は、実施例に係るＨＶＰＥ装置の概略の構成例を示す図である。
【図６】図６は、実施例１のＧａＮ層におけるＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）によるＯ（酸素）濃度のプロファイルを示す図である。
【図７】図７は、実施例１のＧａＮ層におけるＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）によるＳｉ（珪素）濃度のプロファイルを示す図である。
【図８】図８は、実施例１のＡｌＮバッファ層の膜厚とＸＲＤ半値幅との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例１の窒化物半導体テンプレートのＣｌ濃度のＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）の分析結果を示すプロファイルである。
【図１０】図１０は、変形例１のＳｉ濃度を示す概略図である。
【図１１】図１１は、比較例１のＧａＮ層におけるＳＩＭＳによるＳｉ(珪素)のプロファイルを示す図である。
【図１２】図１２は、比較例１に係る窒化物半導体テンプレートの断面図である。
【図１３】図１３は、比較例３に係る窒化物半導体テンプレートの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
【００３１】
［実施の形態の要約］
本実施の形態の窒化物半導体テンプレートは、基板と、前記基板上に形成され、最上層をＳｉが添加されたＳｉ添加層とするIII族窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体テンプレートにおいて、前記III族窒化物半導体層は、全膜厚が４μｍ以上１０μｍ以下であり、前記Ｓｉ添加層は、キャリア濃度が最表面に向かって徐々に低下し、前記III族窒化物半導体層の最表面でのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下のＳｉ濃度傾斜層を有する。
【００３２】
窒化物半導体テンプレートは、異種基板上に異種基板とは異なる材料であって、互いに同種の材料からなる複数の窒化物半導体層を形成したものである。III族窒化物半導体層の全体の膜厚を４μｍ以上１０μｍ以下とし、Ｓｉ添加層中のＳｉ濃度傾斜層のキャリア濃度が最表面に向かって徐々に低下し、最表面でのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下とすることで、低抵抗化でき、結晶性が良好となる。この窒化物半導体テンプレートを用いた発光ダイオードは、信頼性が向上する。
【００３３】
［第１の実施の形態］
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体テンプレートの断面図、
図１（ｂ）は、基板の表面状態を示す要部断面図である。
【００３４】
この窒化物半導体テンプレート１０は、表面がパターンニングされたサファイア基板、すなわちＰＳＳ基板（Patterned Sapphire Substrate）１１を有し、このＰＳＳ基板１１上にバッファ層としてのＡｌＮバッファ層１２を形成し、ＡｌＮバッファ層１２上に第１層として酸素（Ｏ）をドープしたＯ添加層としてのＯドープＧａＮ層１３を形成し、ＯドープＧａＮ層１３上に第２層（最上層）として珪素（Ｓｉ）をドープしたＳｉ添加層としてのＳｉドープＧａＮ層１４を形成したものである。
【００３５】
ＳｉドープＧａＮ層１４は、キャリア濃度が厚さ方向で一様な領域を有するＳｉ高濃度層１４ａと、キャリア濃度がＳｉ高濃度層１４ａから最表面に向かって徐々に低下してなるＳｉ濃度傾斜層１４ｂとを備える。ＯドープＧａＮ層１３及びＳｉドープＧａＮ層１４は、III族窒化物半導体層(窒化物半導体テンプレート部分)の一例である。
【００３６】
ＰＳＳ基板１１は、島状成長に基づく転位密度の低減の観点より、図１（ｂ）に示すように、表面１１ａに複数の凸部１１ｂを有する。凸部１１ｂのピッチは、０．５〜６．０μｍとすることが好ましい。また、凸部１１ｂの高さｈは、０．５〜３．０μｍが好ましく、０．８〜２．５μｍがより好ましい。凸部１１ｂの形状は凸状であれば良く、例えばピラミッド状、円錐状、半球状でも良い。凸部１１ｂの数値範囲の意義については、後述する。
【００３７】
ＡｌＮバッファ層１２の膜厚は、結晶欠陥の抑制などの観点から、１０〜１００ｎｍが好ましい。この膜厚の数値範囲の意義については、後述する。
【００３８】
第１層及び第２層のＧａＮ層（ＯドープＧａＮ層１３、ＳｉドープＧａＮ層１４）の総膜厚は、結晶性や低抵抗化の観点から、４μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以上９μｍ以下がより好ましい。また、窒化物半導体テンプレート１０全体（エピ層全体）の表面比抵抗は、動作電圧の低電圧化等の観点より、１０Ω／□以上３０Ω／□以下が好ましい。
【００３９】
ＯドープＧａＮ層１３中のＯ（酸素）不純物濃度は、結晶性や低抵抗化の観点より、１×１０16ｃｍ-3〜３×１０19ｃｍ-3が好ましく、０．９×１０18ｃｍ-3〜３×１０19ｃｍ-3がより好ましい。特には、ＯドープＧａＮ層１３に含まれるＯ（酸素）の最大不純物濃度が０．９×１０18〜３×１０19ｃｍ-3であると良い。ＯドープＧａＮ層１３の平均キャリア濃度は、８×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3が好ましい。
【００４０】
Ｓｉ高濃度層１４ａのキャリア濃度は、結晶性や低抵抗化の観点より、１×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3が好ましく、１×１０18ｃｍ-3〜４×１０18ｃｍ-3がより好ましい。
【００４１】
Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの最表面のキャリア濃度は、結晶性や低抵抗化及び発光ダイオードを製作したときの動作電圧の低電圧化や信頼性の観点より、１×１０17ｃｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3が好ましい。何故ならば、あまり低くし過ぎると、窒化物半導体テンプレート上に成長させるｎ型窒化物半導体層との間で抵抗が大きくなって、発光ダイオードを動作させるための駆動電圧、所謂順方向電圧が高くなってしまうからである。
【００４２】
Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの膜厚は、低抵抗化や発光ダイオードを製作したときの動作電圧の低電圧化及び高信頼性化の観点から、０．３〜１．５μｍが好ましく、０．５〜１．０μｍがより好ましい。
【００４３】
（基板の凸部の数値範囲の意義）
ＰＳＳ基板１１の表面の凸部１１ｂのピッチｐが狭過ぎると、結晶性の指標となるＸ線回折（ＸＲＤ）測定による（０００４）面の半値幅（ＦＷＨＭ）（以下「ＸＲＤ半値幅」という。）が狭くなりにくい。つまり、結晶性を向上させるのが困難となる。これは初期の島状成長が少なくなり、平坦化が早いためである。また、凸部１１ｂのピッチｐが広過ぎると、ピットが発生しやすくなる。このピットは、後に製作される発光ダイオードの特性を悪化させる原因となる。
【００４４】
凸部の高さｈは、低過ぎると、ＸＲＤ半値幅が狭くなりにくくなる。これは凸部１１ｂの高さｈが高い方が、島状成長時と同様の効果を生じるためである。逆に凸部１１ｂの高さｈが高過ぎると、今度は平坦化しにくくなってしまうため、ピットが発生しやすくなる。このため、ピットを無くそうとして膜厚を厚く成長しなければならなくなる。膜厚を厚くすると、ウエハの反りが大きくなるという問題が生じる。更に膜厚を厚くすると、結晶が壊れてしまう。これはエピ層中にクラックが発生するということであり、異種基板であるＰＳＳ基板１１との格子不整合の影響である。
【００４５】
よって、凸部１１ｂのピッチｐは、０．５〜６．０μｍが好ましく、１．０〜５．０μｍがより好ましい。また、凸部１１ｂの高さｈは、０．５〜３．０μｍが好ましく、０．８〜２．５がより好ましい。
【００４６】
（ＡｌＮバッファ層に関する数値範囲の意義）
ＡｌＮバッファ層１２の膜厚が薄すぎたり厚すぎたりすると、結晶欠陥数が増加して結晶性の指標となるＸＲＤ半値幅が広くなる傾向がある。つまり結晶性が、悪化傾向になる。特に凄く薄すぎた場合は、ＯドープＧａＮ層１３を、成長するのが困難になる。このためＡｌＮバッファ層１２の膜厚には、上述した適性値がある。
【００４７】
（膜厚の数値範囲の意義）
第１層のＯドープＧａＮ層１３及び第２層のＳｉドープＧａＮ層１４の総膜厚を規定したのは、以下の理由による。第１層のＯドープＧａＮ層１３及び第２層のＳｉドープＧａＮ層１４の総膜厚が４μｍよりも薄いと、表面にピット状の凹が形成される問題が生じる。また、高濃度の添加物を入れなければ、低抵抗化が難しくなる。すなわち、駆動電圧である順方向電圧が十分に低い半導体発光素子(発光ダイオード)を製造することができない。順方向電圧を十分に低くするために、添加物の量を増加して高キャリア濃度にすれば、低抵抗化は可能であるが、添加物の増加によって結晶性が悪化し、高輝度の半導体発光素子(発光ダイオード)を製造することができない。これはＸＲＤ半値幅が、平坦基板の場合は３００秒、ＰＳＳ基板の場合は１００秒より大きくなることからも、欠陥が多いことが覗える。
【００４８】
一方、ＯドープＧａＮ層１３及びＳｉドープＧａＮ層１４の総膜厚を１０μｍよりも厚くすると、基板とエピ層とが異種材料であることから、エピ層中にクラックが入ってしまう問題がある。当然クラックが入った窒化物半導体テンプレートは、半導体発光素子(発光ダイオード)用として使用できない。しかし、どうにか成長条件等を変えて成長すれば、クラックを抑制することは可能である。このため、ある成長条件下では、添加物量を増加することなく、つまりキャリア濃度を高くすることなく、順方向電圧が高くならないように低抵抗化ができる。また、結晶性も良くすることができる。言い換えれば、ＸＲＤ半値幅も狭くすることができ、結晶性が良好な半導体発光素子(発光ダイオード)用の窒化物半導体テンプレートを製造することができる。しかし、膜厚が厚いことが原因によりウエハの反りが大きくなる問題が生じる。この反りは、基板とエピ層とが異種材料であることによる。テンプレートの反りが大きくなると、テンプレート上に成長する発光部の成長に問題が生じる。この問題は、例えば発光出力の低下である。また、反りの影響で半導体発光素子（発光ダイオード）の発光波長の面内分布が悪化し、歩留まりの低下が起きる。これはテンプレートの反りによって、活性層であるＭＱＷ層中に使用するＩｎ濃度が面内で不均一になるためである。更に、膜厚を厚くするため、当然製造コストがアップするという問題もある。
【００４９】
Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの膜厚は、厚すぎると半導体発光素子（発光ダイオード）を製作したときに、順方向電圧が高くなる。これは直列抵抗が増加するためである。逆に薄すぎると、発光部成長時にＳｉ濃度傾斜層１４ｂやＳｉ高濃度層１４ａのＳｉが発光部に拡散し、その拡散の影響によって発光部に欠陥を形成してしまう。このため、半導体発光素子（発光ダイオード）を製作したときに、発光出力の低下が起きる。また、発光出力の低下により信頼性が著しく悪くなる。
【００５０】
以上のことから、第１層のＯドープＧａＮ層１３及び第２層のＳｉドープＧａＮ層１４の総膜厚は、４μｍ〜１０μｍが好ましく、再現性なども考慮すると５〜９μｍがより好ましい。また、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの膜厚は、０．３〜１．５μｍが好ましく、０．５〜１．０μｍがより好ましい。
【００５１】
（キャリア濃度及び不純物濃度の数値範囲の意義）
キャリア濃度すなわち不純物濃度が高過ぎると、結晶性が悪化する原因となり、ＸＲＤ半値幅が狭くならない。つまり、結晶欠陥の低減が不十分となる。一方、キャリア濃度が低過ぎると、表面比抵抗が低くならない。よって、第１層のＯドープＧａＮ層１３と第２層のＳｉドープＧａＮ層１４のキャリア濃度及び不純物濃度は、上記範囲が好ましい。
【００５２】
Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの最表面のｎ型窒化物半導体層と接する側の面のキャリア濃度は、高過ぎると、結晶性が悪化する原因となり、ＸＲＤ半値幅が狭くならない。つまり、結晶欠陥の低減が不十分となる。一方、キャリア濃度が低過ぎると、ｎ型窒化物半導体層との接触抵抗が増加して半導体発光素子（発光ダイオード）を製作したときに、順方向電圧が高くなる。よって、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂのｎ型窒化物半導体層と接する部分のキャリア濃度は、上記範囲が好ましい。このキャリア濃度の評価方法は、一つはパウ法による評価に基づくものである。パウ法で評価されるキャリア濃度がエピタキシャル層全体の平均のキャリア濃度になる。例えば膜中でキャリア濃度が変化している場合、パウ法で評価した場合は、その膜中の平均キャリア濃度となる。もう一つのキャリア濃度評価方法は、ＣＶ法である。これは前述したパウ法が、膜全体の平均キャリア濃度を測定するのに対し、表面のキャリア濃度を測定する方法である。Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの表面のキャリア濃度の測定は、前述したＣＶ法により測定した。Ｓｉ不純物濃度やＯ不純物濃度に関しては、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析から算出することができる。
【００５３】
Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂのキャリア濃度を傾斜状にするのは、段階状（階段状）にするよりも半導体発光素子（発光ダイオード）を製作したときに、順方向電圧が低くなるためである。
【００５４】
（テンプレートの表面比抵抗の数値範囲の意義）
窒化物半導体テンプレート１０全体（エピ層全体）の表面比抵抗は、上記キャリア濃度及び上記膜厚の好ましい範囲内で３０Ω／□以下にするのが良い。窒化物半導体テンプレート１０全体のより好ましい表面比抵抗は、１０〜３０Ω／□である。表面比抵抗が低過ぎると結晶が悪化するし、逆に高過ぎると半導体発光素子（発光ダイオード）を製作したときに順方向電圧が高くなる。
【００５５】
（製造方法）
窒化物半導体テンプレート１０は、ＨＶＰＥ法によって成長されることが好ましく、成長速度は、３０〜３００μｍ／ｈｒが好ましく、３０〜２００μｍ／ｈｒがより好ましい。ＨＶＰＥ法で成長することによって、原料費が安く且つ成長速度が速い（ＭＯＶＰＥ法及びＭＢＥ法との比較）ので、低コスト化できる。成長速度を３０〜３００μｍ／ｈｒとしたのは、あまり速過ぎると、制御するのが難しくなり、再現性が乏しくなるためである。ＨＶＰＥ法で成膜した場合は、原料として塩化水素（ＨＣｌ）等のガスを用いてＧａＣｌを生成し、このＧａＣｌをＧａ源としてＧａＮを成膜している。このためＨＶＰＥ法で成長した場合には、どうしてもエピ層中に若干のＣｌが混入してしまう。このためエピ層中のＣｌを分析すれば、ＨＶＰＥ法で成膜されたことは確認できる。何故ならば、ＭＯＶＰＥ法など他の方法で成長した場合は、エピ層中にＣｌは混入しないので、区別することができる。
【００５６】
ＨＶＰＥ法でのＡｌＮバッファ層１２の成長は、非常に難しい。このためＡｌＮバッファ層１２のみ制御性の優れたＭＯＶＰＥ法で成膜し、その後の成長をＨＶＰＥ法で成長させることもできる。しかし、コスト的に考えれば、本実施の形態のように、全ての層をＨＶＰＥ法で成長するのが良い。
【００５７】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）低抵抗と欠陥低減を達成できるため、順方向電圧が低く、かつ、光取り出し効率を高めることができる。また、添加物の拡散を抑制する構造としているため、高効率の半導体発光素子用途において、好適に用いることができる窒化物半導体テンプレートを製造することができる。
（ｂ）窒化物半導体テンプレートの全ての層をＨＶＰＥ法で作製していることから、成長時間を格段に短縮することができる。このため、低コストで高性能の窒化物半導体テンプレートを提供することができる。すなわち、この窒化物半導体テンプレートは、高輝度、かつ、高信頼性の半導体発光素子（発光ダイオード）に有用なテンプレートである。
【００５８】
［第２の実施の形態］
図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体テンプレートの断面図である。基本的には 図１に示す、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体テンプレートの断面図と同じである。図２（ｂ）は、基板の表面状態を示す要部断面図である。第１の実施の形態と異なるのは、基板として表面１１０ａに凸部１１ｂが無く、平坦な平坦基板１１０を用いたものである。平坦基板１１０としては、例えばサファイア基板を用いる。
【００５９】
［第３の実施の形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る発光ダイオード用エピタキシャルウエハの断面図である。本実施の形態の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ２０は、図１又は図２に示す窒化物半導体テンプレート１０上にｎ型ＧａＮ層２１を成長し、その上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２２を６ペア成長し、その上にｐ型ＡｌＧａＮ層２３及びｐ型ＧａＮコンタクト層２４を成長したものである。ここで図１及び図２に示した構造は、窒化物半導体テンプレートの一例である。ｎ型ＧａＮ層２１は、ｎ型窒化物半導体層の一例である。ｐ型ＡｌＧａＮ層２３及びｐ型ＧａＮコンタクト層２４は、ｐ型窒化物半導体層の一例である。
【００６０】
［第４の実施の形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る発光ダイオードの断面図である。この発光ダイオードとしての青色ＬＥＤ素子３０は、図３に示す発光ダイオード用エピタキシャルウエハ２０の表面を部分的に除去し、窒化物半導体テンプレート１０のＳｉ濃度傾斜層１４ｂの一部を露出させた露出部上にｎ型電極としてのＴｉ／Ａｌ電極３１を形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４上にｐ型電極としてのＮｉ／Ａｕ半透明電極３２及び電極パッド３３を形成したものである。
【００６１】
本発明を以下の実施例により、更に詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００６２】
図５は、本発明の実施例に係るＨＶＰＥ装置の概略の構成例を示す図である。実施例１においては、図５に示すＨＶＰＥ装置１を用いてＰＳＳ基板１１上にＡｌＮバッファ層１２を２０ｎｍ成長し、ＡｌＮバッファ層１２の成長後に引き続きＯドープＧａＮ層１３を６μｍ成長し、更にその上にＳｉドープＧａＮ層１４を２μｍ成長した。ＳｉドープＧａＮ層１４の最上層の０．５μｍは、Ｓｉの添加量を変化させながら成長している。このＳｉ添加量を徐々に減少させている層が、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂである。ＨＶＰＥ装置１は、上流部の原料部３ａと下流部の成長部３ｂに分かれており、それぞれが別々の原料部ヒータ４ａ、成長部ヒータ４ｂによりそれぞれ約８５０℃、１１００℃に加熱される。
【００６３】
原料部３ａから成長部３ｂに向けてドーピングライン６１、Ｖ族ライン６２、III族ライン（Ｇａ）６３、III族ライン（Ａｌ）６４の４系統のガス供給ライン６が設置されている。ドーピングライン６１からは、ドーピングが行われない場合などは、例えばアンドープＧａＮ層（ｕｎ−ＧａＮ層）成長時には、水素又は窒素、若しくは水素／窒素の混合ガスが導入される。ｎ型ＧａＮ層成長時、例えばＳｉドープ層の場合は、Ｓｉ源であるジクロロシラン（水素希釈１００ｐｐｍ）とＨＣｌガスと、または水素又は窒素、若しくは水素／窒素の混合ガスが導入される。Ｖ族ライン６２からは、原料としてのアンモニア（ＮＨ３）と共に、キャリアガスとしての水素又は窒素、若しくは水素／窒素の混合ガスが供給される。III族ライン（Ｇａ）６３の途中にはガリウム（Ｇａ）溶液７ａを収容したＧａタンク７が設置されており、ここでＨＣｌガスと金属ガリウムが反応しIII族原料としてのＧａＣｌガスが生成され、成長部３ｂへと送り出される。このIII族ライン（Ｇａ）６３も、ＨＣｌ以外にも、キャリアガスとしての水素又は窒素、若しくは水素／窒素の混合ガスが供給される。III族ライン（Ａｌ）６４の途中にはアルミニウム（Ａｌ）ペレット８ａを収容したＡｌタンク８が設置されており、ここでＨＣｌガスと金属アルミニウムが反応しIII族原料としてのＡｌＣｌ３ガスが生成され、成長部３ｂへと送り出される。このIII族ライン（Ａｌ）６４も、ＨＣｌ以外にも、キャリアガスとしての水素又は窒素、若しくは水素／窒素の混合ガスが供給される。
【００６４】
III族ライン（Ａｌ）６４の途中にあるアルミニウム（Ａｌ）ペレット８ａを収容したＡｌタンク８は、５００〜６００℃になる位置にセットしてある。これはアルミニウムが溶液になると、ＨＣｌガスと反応した時にＡｌＣｌになり、石英を腐食させるためである。つまりアルミニウムの融点である６６０℃より低い温度領域に、アルミニウム（Ａｌ）ペレット８ａを収容したＡｌタンク８を設ける。
【００６５】
成長後にＨＶＰＥ装置１内に付着したＧａＮ系の付着物を除去するために行うベーキング時には、ドーピングライン６１からＨＣｌガス、水素及び窒素ガスが導入される。
【００６６】
成長部３ｂには、３〜１００ｒ／ｍｉｎ程度の回転数で回転するトレー５が設置され、そのガス供給ライン６の出口と対向した面（設置面）５ａ上にＰＳＳ基板１１が設置される。ＰＳＳ基板１１以降に流れたガスは、最下流部から排気管９を介して排気される。本実施例１での成長は、略全て常圧（１気圧）状態にて実施した。
【００６７】
ガス供給ライン６、タンク７及び８とトレー回転軸５ｂは、高純度の石英製であり、トレー５は、ＳｉＣコートのカーボン製である。
【００６８】
（１）基板の準備
ＰＳＳ基板１１は、厚さ９００μｍ、直径１００ｍｍ（４インチ）、凸部１１ｂのピッチｐは２．５μｍ、高さｈは１．５μｍのものを用いた。
【００６９】
（２）ＨＶＰＥ成長
ＨＶＰＥ成長は、以下のように実施した。ＰＳＳ基板１１をＨＶＰＥ装置１のトレー５にセットした後、純窒素を流して反応炉２内の大気を追い出す。次に、水素３ｓｌｍと窒素７ｓｌｍの混合ガス中で基板温度を１１００℃として、１０分間保持した。その後、ＡｌＮバッファ層１２を成長するため、III族ライン（Ａｌ）６４にＨＣｌガスを５０〜５００ｓｃｃｍと、水素と窒素の混合ガスを２０００〜２４５０ｓｃｃｍ同時に流した。また、Ｖ族ライン６２には、ＮＨ3を５０〜２４５０ｓｃｃｍと水素と窒素の混合ガスを５０〜２４５０ｓｃｃｍ同時に流した。III族ライン（Ａｌ）６４とＶ族ライン６２以外のガス供給ライン６には、それぞれに水素と窒素の混合ガスを２５００ｓｃｃｍ導入した。ガス供給ライン６から導入されたガス総流量は、１０ｓｌｍである。
【００７０】
ＡｌＮバッファ層１２の成長時間は、１ｍｉｎとした。成長時間を１ｍｉｎとしたのは、ＡｌＮバッファ層１２の膜厚を２０ｎｍにするためである。因みにこの成長時間は、ＡｌＮバッファ層１２を約１μｍ成長させて成長速度を求め、決定した。
【００７１】
ＡｌＮバッファ層１２の成長に続き、ＯドープＧａＮ層１３を６０μｍ／ｈｒの成長速度で成長した。この際に流すガスは、III族ライン（Ｇａ）６３からＨＣｌガスを５０〜５００ｓｃｃｍと水素と窒素の混合ガスを２０００〜２４５０ｓｃｃｍ同時に導入した。また、Ｖ族ライン６２には、ＮＨ3を５０〜２４５０ｓｃｃｍと水素と窒素の混合ガスを５０〜２４５０ｓｃｃｍ同時に流した。更にドーピングライン６１からは、Ｏ（酸素）を導入した。ドーピングライン６１もIII族ライン（Ａｌ）６４も、それぞれ２５００ｓｃｃｍのガスを流し、総流量が１０ｓｌｍとなるように調整した。ＯドープＧａＮ層１３の成長時間は、１０ｍｉｎである。ＯドープＧａＮ層１３を約２μｍ成長させたところで、Ｏ（酸素）の供給を止めた。
【００７２】
ＯドープＧａＮ層１３の成長後、基本の成長条件は同じで、ドーピングライン６１からＳｉを導入して３．５ｍｉｎ間ＳｉドープＧａＮ層１４を成長した。この時のＳｉ源の流量は７５ｓｃｃｍであり、当然総流量は１０ｓｌｍになるように調整した。
【００７３】
ＳｉドープＧａＮ層１４のＳｉ高濃度層１４ａを２．５ｍｉｎ間成長した後の残りの１ｍｉｎは、Ｓｉ源の流量を徐々に少なくしていき、キャリア濃度を傾斜的に低下させた。上記の１ｍｉｎ成長がＳｉドープＧａＮ層１４中の最上部に位置するＳｉ濃度傾斜層１４ｂである。当然、Ｓｉ源の流量の変化と同時に窒素ガスを増加して、総流量は一定となるようにした（総流量１０ｓｌｍ）。
【００７４】
Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの成長終了後、総流量を１０ｓｌｍにしたままＮＨ3を２ｓｌｍ流しつつ、基板温度が室温付近になるまで冷却した。その後、数十分間窒素パージを行い、反応炉２内を窒素雰囲気としてから、図１に示す窒化物半導体テンプレート１０を取り出した。
【００７５】
上記のように製作された窒化物半導体テンプレート１０のＸＲＤ半値幅は、７１．６秒であった。また、窒化物半導体テンプレート１０の表面比抵抗を、比接触の比抵抗測定機を用いて評価した結果、表面比抵抗は１７Ω／□であった。
【００７６】
更に窒化物半導体テンプレート１０を、パウ法及びＣＶ法によりキャリア濃度の確認も実施した。その結果、パウ法で評価した窒化物半導体テンプレート１０のエピタキシャル層全体の平均キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3であり、ＣＶ法で評価したＳｉドープＧａＮ層１４表面のＳｉ濃度傾斜層１４ｂのキャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3であることが確認できた。
【００７７】
図６は、窒化物半導体テンプレート１０の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）によるＯ（酸素）濃度プロファイルを示す。図７は、窒化物半導体テンプレート１０のＳＩＭＳによるＳｉ（珪素）濃度プロファイルを示す。Ｏ不純物濃度は、図６に示すように、３×１０19ｃｍ-3以下となった。Ｓｉ不純物濃度は、図７に示すように、安定部で７×１０18ｃｍ-3であり、最上層のＳｉ濃度傾斜層１４ｂのＳｉ不純物濃度は、Ｓｉ高濃度層１４ａから表面に向かって傾斜しながら徐々に低下し、最表面では１×１０17ｃｍ-3となった。
【００７８】
図８は、ＡｌＮバッファ層１２の膜厚とＸＲＤ半値幅の関係を示すグラフである。ＡｌＮバッファ層１２の膜厚は、１０〜１５０ｎｍにおいて、ＸＲＤ半値幅が１００以下と小さくなっていることが分かる。
【００７９】
図９は、実施例１の窒化物半導体テンプレート１０のＣｌのＳＩＭＳの分析結果を示す。エピタキシャル層中にＣｌが現れているので、窒化物半導体テンプレート１０がＨＶＰＥ法によって製造されたことが分かる。
【００８０】
（３）発光ダイオード用エピタキシャル成長
図１に示す窒化物半導体テンプレート１０の上に、ｎ型ＧａＮ層２１を成長し、更にその上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２２を６ペア成長した。更にその上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層２３及びｐ型ＧａＮコンタクト層２４を成長した。前述の積層構造を成長後、室温付近の温度まで冷却し、図３に示す発光ダイオード用エピタキシャルウエハ２０が得られた。窒化物半導体テンプレート１０までは、ＨＶＰＥ法で成長され、ｎ型ＧａＮ層２１からｐ型ＧａＮコンタクト層２４までの成長は、ＭＯＶＰＥ法により行った。
【００８１】
（４）発光ダイオード（ＬＥＤ素子）の作製
図３に示す発光ダイオード用エピタキシャルウエハ２０の表面側をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により部分的に除去し、窒化物半導体テンプレート１０のＳｉ濃度傾斜層１４ｂの一部を露出させてＴｉ／Ａｌ電極３１を形成した。更にｐ型ＧａＮコンタクト層２４上にＮｉ／Ａｕ半透明電極３２及び電極パッド３３を形成して、図４に示す青色ＬＥＤ素子３０を作製した。詳細な作製方法は、後述する。
【００８２】
電極のパターン形成や電極の形成は、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィプロセスに用いられる器材と周知の方法を駆使して行った。
【００８３】
また、素子分離を行う前には、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて４００℃に加熱し、５分間熱処理することで行った。その後、上記の様にして構成された電極が形成された発光ダイオード用エピタキシャルウエハ２０を、ダイシング装置を用いて切断し、青色ＬＥＤ素子３０を作製した。更に青色ＬＥＤ素子３０をステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後、更にマウントされた青色ＬＥＤ素子３０に、ワイヤボンディングを行い、青色ＬＥＤ素子３０を作製した。
【００８４】
青色ＬＥＤ素子３０の発光特性を通電電流２０ｍＡにて評価した所、発光ピーク波長は約４５０ｎｍであり、順方向電圧（駆動電圧）３．２８Ｖ、発光出力３０ｍＷを達成した。また、青色ＬＥＤ素子３０の信頼性試験を、室温、５０ｍＡ通電の条件で１０００ｈｒ通電試験を実施した。その結果、相対出力（相対出力＝（１０００ｈｒ通電後の発光出力／初期発光出力）×１００）は９９．８％であり、全く劣化せず、十分に良い信頼性特性を有していることが確認された。
【実施例２】
【００８５】
実施例２は、基本条件を実施例１と同じとし窒化物半導体テンプレート１０を作製した。但し実施例２では、一部に実施例１と異なる項目がある。このため実施例１と異なる項目のみ後述する。
【００８６】
実施例１では、ＯドープＧａＮ層１３の成長時間を１０ｍｉｎとして約６μｍの厚さ成長した。しかし、実施例２では成長時間を１３ｍｉｎとして、ＯドープＧａＮ層１３の膜厚を約８μｍとした。このため、エピタキシャル層の全体の膜厚は、約１０μｍとなった。また、実施例１では、III族ライン（Ｇａ）６３からＨＣｌガス５０ｓｃｃｍと水素４５０ｓｃｃｍと窒素２０００ｓｃｃｍの混合ガスとしたが、実施例２では、水素２０００ｓｃｃｍと窒素４５０ｓｃｃｍの混合ガスとした。
【００８７】
実施例２の窒化物半導体テンプレート１０のＸＲＤ半値幅は５０．１秒と狭く、表面比抵抗は１１Ω／□であり、実施例１よりも良好な結果が得られた。また、ＳＩＭＳの分析結果は、実施例１とほぼ同様の結果であることを確認した。また、今回は窒化物半導体テンプレート１０のエピ層の総膜厚を１０μｍと厚くしたが、若干反りが大きくなった程度で、クラック等は無く良好であった。更に青色ＬＥＤ素子３０の特性も、実施例１と同等以上の特性であることが確認された。特に順方向電圧は、実施例１よりも低く、発光出力は実施例１よりも高い３５ｍＷを達成し、相対出力は９９．６％と実施例１と同等の結果となった。
【実施例３】
【００８８】
実施例３も実施例１とほぼ同条件で、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの最表面のキャリア濃度を５×１０17ｃｍ-3になるようにして、窒化物半導体テンプレート１０を作製した。実施例３の窒化物半導体テンプレート１０のＸＲＤ半値幅は７４．５秒と狭く、表面比抵抗は１５Ω／□であった。青色ＬＥＤ素子３０としては、発光出力３４ｍＶを達成し、相対出力９９．７％と十分な信頼性特性を有していることが確認できる。
【実施例４】
【００８９】
実施例４は、実施例２とほぼ同条件で実験を行った。但しＯドープＧａＮ層１３の膜厚を約４μｍと薄くした。実施例４では、窒化物半導体テンプレート１０のＸＲＤ半値幅が８６．９秒となり、表面比抵抗が２８Ω／□と若干悪化したが、良好な結果が得られた。また、青色ＬＥＤ素子３０の特性も、順方向電圧の若干の上昇はあったが、発光出力３５ｍＶを達成し、相対出力１００．１％と実施例２とほぼ同じ結果を得た。
【実施例５】
【００９０】
ＰＳＳ基板１１の凸部１１ｂのピッチｐを０．５〜６．０μｍ、高さｈを０．５〜３．０μｍとして、実施例１と同様の実験を行った。その結果、実施例５では、窒化物半導体テンプレート１０のＸＲＤ半値幅が７１．６秒、表面比抵抗が１７Ω／□となり、良好な結果が得られた。また、青色ＬＥＤ素子３０の特性も、発光出力３０ｍＶを達成し、相対出力９９．８％と実施例１と同じく良好な結果を得た。
【実施例６】
【００９１】
実施例６では、実施例１とほぼ全てを同じ条件で実験を行った。しかし、実施例１では、ＰＳＳ基板１１を使用したが、実施例６では、基板表面が加工されていない、所謂平坦な平坦基板１１０を用いた（図２（ｂ）参照）。実施例６では、窒化物半導体テンプレート１０のＸＲＤ半値幅が２５６．１秒となり、表面比抵抗が２０Ω／□と若干悪化したが、良好な結果が得られた。また、青色ＬＥＤ素子３０の特性は、発光出力は１５ｍＷと実施例１の約半分に低下したが、発光出力以外は、実施例１とほぼ同じ結果を得た。特に信頼性の指標でもある相対出力は、９９．７％を得た。発光出力の低下は、当然の結果である。何故ならば、ＰＳＳ基板１１は光取り出し効率が高くなるためである。よって、実施例６の発光出力の低下原因は、本発明によるものではない。これについては、後述する比較例にて明らかとなる。
【実施例７】
【００９２】
実施例７では、実施例２とほぼ同条件で実験を行った。しかし、実施例２と異なるのは、実施例６でも述べたように、平坦基板１１０を用いた点である。実施例７では、窒化物半導体テンプレート１０のＸＲＤ半値幅が２１３．４秒となり、表面比抵抗が１９Ω／□となった。この結果は、実施例６よりも優れた評価結果を得た。また、青色ＬＥＤ素子３０の特性も、発光出力が１９ｍＷとなり、発光出力以外は、実施例２とほぼ同じ結果を得た。特に信頼性の指標でもある相対出力は、９９．５％を得た。発光出力も実施例６よりも向上し、良好な結果である。
【実施例８】
【００９３】
実施例８では、実施例１と同じ成長条件で実験を行った。しかし、実施例８では、ＡｌＮバッファ層１２をＭＯＶＰＥ法で成長して一旦取り出し、その後のＯドープＧａＮ層１３及びＳｉドープＧａＮ層１４をＨＶＰＥ法にて成長し、窒化物半導体テンプレート１０を作製した。上記以外は、全て実施例１と同じである。因みにＭＯＶＰＥ法で成長したＡｌＮバッファ層１２の膜厚は２０ｎｍである。上記の条件で作製された実施例８の窒化物半導体テンプレート１０の結果は、実施例１と同等に良好で、ＸＲＤ半値幅が７０．９秒、表面比抵抗が１８Ω／□となった。また、青色ＬＥＤ素子３０の特性も、発光出力が３１ｍＷ、相対出力は、９９．７％と実施例１とほぼ同じく良好な結果を得た。
よって、ＡｌＮバッファ層１２をＭＯＶＰＥ法で成長しても、本発明の効果が得られることが確認された。
【００９４】
（比較例１）
図１１は、比較例１の窒化物半導体テンプレート１００のＳＩＭＳによるＳｉ濃度のプロファイルを示す。図１２は、比較例１に係る窒化物半導体テンプレートの断面図である。比較例１に係る窒化物半導体テンプレート１００の基本構造は、図１に示す実施例１の構造と同じである。よって、以下には、実施例１と異なる項目についてのみ述べる。
【００９５】
実施例１と異なるのは、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂが無く、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの部分もＳｉ高濃度層になっていることである。
【００９６】
上記のように製作された窒化物半導体テンプレート１００のＸＲＤ半値幅は、１２１．４秒であった。また、窒化物半導体テンプレート１００の表面比抵抗を比接触の比抵抗測定機を用いて評価した結果、表面比抵抗は７Ω／□であった。ＸＲＤ半値幅が広くなったのは、Ｓｉ濃度が高いために結晶性が悪化し、欠陥ができたためであり、表面比抵抗が低くなったのは、上記結果によると、Ｓｉ添加が多い、つまりキャリア濃度が高いためである。
【００９７】
窒化物半導体テンプレート１００上に、ＭＯＶＰＥ法により発光素子用のエピタキシャル成長を実施したが、このＭＯＶＰＥ法の成長も、実施例１と同じ条件である。詳細に述べると、ＭＯＶＰＥ法による成膜は、多数枚を同時に成長できるため、実施例と比較例は同時に成長している。つまり本発明の実施例と比較例全てで、発光素子用のエピタキシャル成長は同時成長で実施している。このため、発光素子用のエピタキシャル成長に関して、バラツキはほとんどない。
【００９８】
比較例１の青色ＬＥＤ素子の発光特性を通電電流２０ｍＡにて評価した所、発光ピーク波長は約４５３ｎｍであり、順方向電圧は３．２２Ｖ、発光出力は２０ｍＷであった。つまりＳｉ添加量が多いことで結晶性が悪化し、結果的にＸＲＤ半値幅が広くなり、発光出力が低くなったのであろう。また、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂが無いことで、ＭＯＶＰＥ法での発光ダイオード用エピタキシャル層を成膜中に、熱履歴によってＳｉが発光部にまで拡散して欠陥が形成されたことよる発光出力の低下もある。これは信頼性の指標でもある相対出力が、８５．２％と悪化している点を考慮すると、Ｓｉの拡散が多いことは明らかである。
【００９９】
（比較例２）
比較例１で、ＳｉドープＧａＮ層１４のＳｉ濃度が高いことで信頼性が悪化することが明らかとなった。そこで比較例２では、ＳｉドープＧａＮ層１４のＳｉ濃度、言い換えればキャリア濃度を全体的に低くして信頼性の向上を図ることにした。具体的には、窒化物半導体テンプレートの構造は比較例１と同じにし、ＳｉドープＧａＮ層１４のＳｉ不純物濃度を一定にして、平均キャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3と一定にした。上記の条件で作製された窒化物半導体テンプレートのＸＲＤ半値幅は１１８．１秒であり、表面比抵抗を測定した所、４５Ω／□と高い値になった。
【０１００】
これは、ＳｉドープＧａＮ層１４中の上層にＳｉ濃度傾斜層１４ｂを設けずに、一律に１×１０17ｃｍ-3と低濃度にしたため、表面比抵抗が低くならなかったと考えられる。
【０１０１】
また、上記の窒化物半導体テンプレートを用いて製作された青色ＬＥＤ素子の特性は、順方向電圧が４Ｖ以上となり、発光出力は１７ｍＷであった。通電による青色ＬＥＤ素子の信頼性は、順方向電圧が高くなったことによる熱の影響も加わり、相対出力は２１．４％となった。当然平均キャリア濃度は、パウ法にて評価し、設計通りになっていることは確認している。
【０１０２】
（比較例３）
比較例３は、実施例６及び７との比較のためである。つまり基板として、図１３に示すように平坦基板１１０を使用している。本比較例３では、実施例６と殆ど全て同じ構造であり、条件また素子の作製方法や特性評価方法も同じである。唯一実施例６と異なる項目について、以下に述べる。
【０１０３】
実施例６と異なるのは、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂが無く、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂの部分もＳｉ高濃度層１４ａになっていることである。
【０１０４】
上記のように製作された窒化物半導体テンプレート３００のＸＲＤ半値幅は、３０６．９秒であった。また、窒化物半導体テンプレート３００の表面比抵抗を、比接触の比抵抗測定機を用いて評価した結果、表面比抵抗は９Ω／□であった。ＸＲＤ半値幅が広くなったのは、Ｓｉ濃度が高いために欠陥ができたためである。表面比抵抗が低くなったのは、前記結果によるものとＳｉ添加が多い、つまりキャリア濃度が高いためである。
【０１０５】
比較例３の青色ＬＥＤ素子の発光特性を通電電流２０ｍＡにて評価した所、発光ピーク波長は約４５６ｎｍであり、順方向電圧は３．１２Ｖ、発光出力は１０ｍＷであった。つまりＳｉ添加量が多いことで結晶性が悪化し、結果的にＸＲＤ半値幅が広くなり、発光出力が低くなったのであろう。また、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂが無いことで、ＭＯＶＰＥ法での発光ダイオード用エピタキシャル層を成膜中に、熱履歴によってＳｉが発光部にまで拡散して欠陥が形成されたことよる発光出力の低下もある。これは信頼性の指標でもある相対出力が、７８．４％と悪化している点を考慮すると、Ｓｉの拡散が多いことは明らかである。
【０１０６】
平坦基板１１０を用いると、実施例６及び７でも、ＰＳＳ基板１１を用いた時よりも、発光出力が低くなったが、平坦基板１１０を用いた同じ構造での比較例３では、実施例６及び７よりも、さらに低い発光出力となっている。このことからも、実施例６及び７は、ＰＳＳ基板１１を用いた時の、その他の実施例よりも発光出力が低くなって当然である。この比較例３の結果からも、実施例６及び７の発光出力が、その他の実施例よりも大幅に低くなるのは、基板による光取り出し効率の差異の影響であることが分かる。
【０１０７】
上記各実施例及び上記各比較例の要点を表１に示す。
【表１】
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【０１０８】
（変形例１）
図１０に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４の平均キャリア濃度が一定になるように、Ｓｉ高濃度層１４ａのＯドープＧａＮ層１３側のＳｉ不純物濃度を高くして、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂ側のＳｉ不純物濃度をステップ上に低くしても、Ｓｉ濃度傾斜層１４ｂを設けてあれば、本実施の形態、実施例と同様の効果が得られる。
【０１０９】
（変形例２）
本発明は、基板上に設けるＧａＮ系膜に関するものであるため、バッファ層がＡｌＮではなくても本発明の意図する効果が得られることは容易推考である。
【０１１０】
なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲で種々に変形実施が可能である。また、本発明の要旨を変更しない範囲内で、各実施の形態及び各実施例の構成要素の一部を省くことが可能であり、各実施の形態及び各実施例の構成要素を任意に組み合わせることが可能であり、各実施の形態及び各実施例のフローにおいて、ステップの追加、削除、変更、入替え等が可能である。
【符号の説明】
【０１１１】
１…ＨＶＰＥ装置、２…反応炉、３ａ…原料部、３ｂ…成長部、４ａ…原料部ヒータ、４ｂ…成長部ヒータ、５…トレー、５ａ…設置面、５ｂ…トレー回転軸、６…ガス供給ライン、７…Ｇａタンク、７ａ…Ｇａ溶液、８…Ａｌタンク、８ａ…Ａｌペレット、９…排気管、１０、１００、３００…窒化物半導体テンプレート、１１…ＰＳＳ基板、１１ａ…表面、１１ｂ…凸部、１２…ＡｌＮバッファ層、１３…ＯドープＧａＮ層、１４…ＳｉドープＧａＮ層、１４ａ…Ｓｉ高濃度層、１４ｂ…Ｓｉ濃度傾斜層、２０…発光ダイオード用エピタキシャルウエハ、２１…ｎ型ＧａＮ層、２２…ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層、２３…ｐ型ＡｌＧａＮ層、２４…ｐ型ＧａＮコンタクト層、３０…青色ＬＥＤ素子、３１…Ｔｉ／Ａｌ電極、３２…Ｎｉ／Ａｕ半透明電極、３３…電極パッド、６０…ガス導入管、６０ａ…ガス出口、６１…ドーピングライン、６２…Ｖ族ライン、６３…III族ライン（Ｇａ）、６４…III族ライン（Ａｌ）、１１０…平坦基板、１１０ａ…表面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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