(57)【要約】【課題】成長膜厚が薄く、生産性に優れると共に、十分な発光特性の発光素子が得られる窒化物半導体ウエハを提供する。【解決手段】最上層に窒化物半導体層を有する窒化物半導体テンプレート上に、再成長させた窒化物半導体からなる多重量子井戸構造の発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを積層した窒化物半導体ウエハであって、多重量子井戸構造の発光層における井戸層のうちｐ型窒化物半導体層に最も近い井戸層を最上井戸層としたとき、窒化物半導体テンプレートの窒化物半導体層の再成長界面から最上井戸層までの距離ｔが、１μｍ以下であり、且つ、最上井戸層における酸素濃度が、５．０×１０１６ｃｍ−３以下である窒化物半導体ウエハが提供される。【選択図】図１
2016032038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最上層に窒化物半導体層を有する窒化物半導体テンプレート上に、再成長させた窒化物半導体からなる多重量子井戸構造の発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを積層した窒化物半導体ウエハであって、
前記多重量子井戸構造の発光層における井戸層のうち前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い井戸層を最上井戸層としたとき、
前記窒化物半導体テンプレートの前記窒化物半導体層の再成長界面から前記最上井戸層までの距離ｔが、１μｍ以下であり、且つ、
前記最上井戸層における酸素濃度が、５．０×１０１６ｃｍ−３以下である
ことを特徴とする窒化物半導体ウエハ。
【請求項２】
前記距離ｔが、５００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体ウエハ。
【請求項３】
前記窒化物半導体層と前記多重量子井戸層との間にｎ型窒化物半導体層をさらに備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体ウエハ。
【請求項４】
前記多重量子井戸構造の発光層を、前記窒化物半導体層の直上に備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体ウエハ。
【請求項５】
最上層に窒化物半導体層を有する窒化物半導体テンプレート上に、再成長させた窒化物半導体からなる多重量子井戸構造の発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを積層した窒化物半導体ウエハの製造方法であって、
前記窒化物半導体テンプレートの前記窒化物半導体層上に、前記多重量子井戸構造の発光層と前記ｐ型窒化物半導体層とを順に再成長する再成長工程を有し、
前記多重量子井戸構造の発光層における井戸層のうち前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い井戸層を最上井戸層としたとき、
前記再成長工程では、
前記窒化物半導体テンプレートの前記窒化物半導体層の再成長界面から前記最上井戸層までの距離ｔ［ｎｍ］と、再成長する成長温度の最大値ＴＭＡＸ［℃］とが下記関係式（１）を満足すると共に前記距離ｔが１μｍ以下となるように再成長する
ことを特徴とする窒化物半導体ウエハの製造方法。
ｔ≧３．６８２×１０６×ｅｘｐ｛−Ｅａ／ｋ（ＴＭＡＸ＋２７３）｝・・・（１）
（ただし、式中、Ｅａは０．９１５［ｅＶ］、ｋはボルツマン定数を示す）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体ウエハおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物半導体は、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。このような窒化物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）などの窒化物半導体発光素子（以下、単に「発光素子」とも言う。）は、窒化物半導体ウエハに素子加工を施すことで作製される。窒化物半導体ウエハは、例えば、基板上に、窒化物半導体層（例えばｎ型ＧａＮ層）と、発光部（例えば発光層など）とが順次成長されることで形成される（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
窒化物半導体ウエハの製造としては、基板を用いて一から製造する方法と、基板上に窒化物半導体層が成長された、いわゆる窒化物半導体テンプレート（以下、単に「テンプレート」とも言う）を用いて製造する方法とがある。テンプレートを用いた製造方法では、例えば、テンプレートを購入し、テンプレートの窒化物半導体層上に発光部を成長させることで窒化物半導体ウエハを得られるため、工程数を簡略化することができる。
【０００４】
ところで、窒化物半導体ウエハから作成される発光素子においては、発光効率に優れていることが重要となる。発光素子の発光効率は発光部の結晶性に対応しており、その結晶性が高いほど発光効率は高くなる。発光部の結晶性は、一般に、発光部が成長されるテンプレートの窒化物半導体層の結晶性に依存している。すなわち、窒化物半導体層の結晶性が低いと、その上に成長される発光部の結晶性も低下する場合がある。したがって、発光特性に優れる発光素子を得るため、テンプレートの窒化物半導体層には高い結晶性が要求される。
【０００５】
窒化物半導体層の結晶性を向上させるため、テンプレートにおいては、窒化物半導体層は一般に厚く成長されて形成されており、窒化物半導体層は例えば１０μｍ程度の厚さを有する。窒化物半導体層を成長させる成長方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などが挙げられる。ただし、ＭＯＶＰＥ法では、成長速度が数μｍ／ｈｒと遅いため、一般に厚く形成される窒化物半導体層を成長させるには成長時間が長く、製造コストが高くなる場合がある。そこで、窒化物半導体層の成長方法としては、一般に、ＭＯＶＰＥ法と比較して成長速度が早く、成長速度が１０μｍ／ｈｒ以上あるいは１００μｍ／ｈｒ以上であるＨＶＰＥ法が用いられる。
【０００６】
窒化物半導体ウエハにおいては、例えばＨＶＰＥ法により形成されるテンプレート上に発光部が再び成長される（再成長される）ことで、結晶性に優れる発光部が形成される。この発光部としては、例えば、窒化物半導体からなるｎ型半導体層、多重量子井戸構造の発光層およびｐ型半導体層がテンプレート側から順に形成される。多重量子井戸構造の発光層は、バリア層と井戸層とが交互に成長されて形成される積層構造を有する。多重量子井戸構造の発光層においては、ｐ型半導体層に最も近い井戸層、つまり積層構造の最上部に位置する井戸層（以下、最上井戸層ともいう）が最も強く発光しており、発光素子の発光特性に大きく寄与している。
【０００７】
発光層における最上井戸層は、テンプレートの窒化物半導体層上に、ｎ型半導体層や複数のバリア層および井戸層を介して形成される。つまり、最上井戸層は、窒化物半導体層の成長面から所定の距離ｔ離れて位置している。距離ｔは、発光部が再成長される窒化物半導体層の成長面（以下、再成長界面ともいう）から発光層の最上井戸層までの成長膜の厚さ（成長膜厚）に対応する。従来の窒化物半導体ウエハにおいては、所定の発光特性を得る観点から、距離ｔ（成長膜厚）は２μｍ程度かそれ以上となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２８０６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、窒化物半導体ウエハには、更なる生産性の向上、及びコストの低減が図られている。このため、窒化物半導体ウエハにおいては、距離ｔ（成長膜厚）を低減して薄膜化したいという要請がある。成長膜厚の低減としては、例えば、発光層の最上井戸層よりも下部に位置するｎ型半導体層の厚さを低減することが考えられる。もしくは、多重量子井戸構造の発光層におけるバリア層および井戸層のペア数を低減して、発光層の厚さを低減することが考えられる。
【００１０】
しかしながら、テンプレートの再成長界面から発光層の最上井戸層までの距離ｔ（成長膜厚）を１μｍ程度あるいはそれ以下とした窒化物半導体ウエハでは、作製される発光素子の発光特性が十分に得られなかった。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、成長膜厚が薄く、生産性に優れると共に、十分な発光特性の発光素子が得られる窒化物半導体ウエハおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述したように、窒化物半導体ウエハにおいて、テンプレートの再成長界面から発光層の最上井戸層までの距離ｔ（成長膜厚）を小さくすると、発光素子に作製したときに十分な発光特性を得られない。この点につき、本発明者らは検討を行ったところ、窒化物半導体ウエハにおいては、その製造の際、不純物である酸素が発光部などへ不可避的に混入するため、十分な発光特性を得られないことが確認された。
【００１３】
ここで、窒化物半導体ウエハの製造工程、およびその工程において混入する酸素について説明をする。
【００１４】
上述したように、窒化物半導体ウエハの製造においては、例えば、ＨＶＰＥ法により基板上に窒化物半導体層を成長させてテンプレートを形成した後、ＭＯＶＰＥ法によりテンプレート上に発光部（例えば多重量子井戸構造の発光層など）を再成長させる。具体的には、まず、ＨＶＰＥ装置において基板上に窒化物半導体層を成長させてテンプレートを形成する。その後、形成されたテンプレートをＨＶＰＥ装置から搬出して、ＭＯＶＰＥ装置へと搬入する。そして、ＭＯＶＰＥ装置においてテンプレート上に発光部などを再び成長させる（再成長させる）ことで、窒化物半導体ウエハを製造する。このように、テンプレートを用いた窒化物半導体ウエハの製造においては、同一の成長方法による連続的な成長（連続成長）ではなく、窒化物半導体層と発光部とをそれぞれ異なる成長方法により成長させる。なお、本発明において、再成長とは、窒化物半導体層の成長後に発光部を再び再成長させることを示しており、上述のように異なる成長方法により成長させる場合だけでなく、例えば、所定の間、保管したテンプレート上に発光部を再び成長させるような場合も含む。
【００１５】
テンプレートを用いた窒化物半導体ウエハの製造では、連続成長ではないため、テンプレートのＨＶＰＥ装置からＭＯＶＰＥ装置への移動が伴う。この移動の際、テンプレートは大気に曝されて酸化され、その窒化物半導体層の成長面（再成長界面）に酸化膜が形成される。酸化膜の形成により、テンプレートの再成長界面は、酸素濃度が高い状態となる。
【００１６】
この酸化膜が形成されたテンプレートに発光部を再成長させると、発光部は、酸化膜を介して窒化物半導体層上に再成長されて形成されることになる。この結果、再成長の際に、酸化膜に含まれる酸素（酸素原子）が発光部へと拡散してしまう。具体的には、ＭＯＶＰＥ装置において、６００℃〜１０００℃程度に加熱された環境下で成長膜を徐々に再成長させて、その膜厚を増加させることで、発光部（例えばｎ型半導体層や多重量子井戸構造の発光層など）が形成される。この再成長の際、酸化膜も加熱されるため、酸化膜に含まれる酸素が活性化される。活性化された酸素は、酸化膜から、再成長されるｎ型半導体層、多重量子井戸構造の発光層などへと徐々に拡散することによって、発光部へと混入する。
【００１７】
酸素の発光部への混入により発光部の酸素濃度が高くなると、発光特性が低下する傾向がある。特に、発光特性に大きく寄与する最上井戸層に酸素が混入し、最上井戸層の酸素濃度が高くなると、発光特性が著しく低下することになる。
【００１８】
従来においては、上述したように、テンプレートの再成長界面から最上井戸層までの距離ｔ（成長膜厚）を２μｍ程度かそれ以上として厚く再成長させていた。つまり、テンプレート上に再成長されるｎ型半導体層と最上井戸層を除く発光層との合計の厚さを２μｍ程度かそれ以上としていた。これにより、従来においては、酸素が酸化膜からｎ型半導体層、発光層へと順に拡散するものの、発光層の最上井戸層までは拡散しにくいため、結果的に、発光特性の著しい低下が抑制されていた。
【００１９】
一方、距離ｔ（成長膜厚）を低減して１μｍ以下と薄く再成長させるような場合、例えばｎ型半導体層の厚さを低減する場合、もしくはバリア層および井戸層のペア数を減少させて発光層の厚さを低減する場合、酸素が酸化膜から最上井戸層まで拡散して混入するため、発光特性が著しく低下することとなっていた。
【００２０】
このように、テンプレートを用いて製造された窒化物半導体ウエハにおいては、製造工程において混入する酸素が、再成長の際に発光層の最上井戸層へ拡散するため、発光特性が低下することとなっていた。その結果、テンプレートを用いて窒化物半導体ウエハを製造する場合、成長膜厚を小さくすることと、高い発光特性を得ることとを両立することが困難となっていた。
【００２１】
以上のことから、本発明者は、成長膜厚の低減と高い発光特性とを両立するには、酸素が拡散する距離（以下、拡散距離ともいう）を把握することが重要であると考えた。すなわち、テンプレートの再成長界面から最上井戸層までの距離ｔ（成長膜厚）を、酸素の拡散距離（あるいは発光特性に問題を与える酸素濃度に至るまでの酸素の拡散距離）以上とすれば、酸素が多重量子井戸構造の発光層内に拡散したとしも最上井戸層までは拡散せず（あるいは発光特性に問題を与えるまでの酸素濃度とはならず）、発光特性の低下を抑制できるものと考えた。しかも、酸素の拡散距離に対応させて成長膜厚を調整できれば、成長膜厚を不必要に増加させることがないため、結果的に成長膜厚を低減し、窒化物半導体ウエハの生産性を向上できるものと考えた。
【００２２】
酸素の拡散距離は、再成長の際の成長温度、特に成長温度の最大値ＴＭＡＸに大きく依存することが知られている。すなわち、成長温度の最大値ＴＭＡＸが高いほど酸素はより遠くまで拡散するため、酸素の拡散距離はより大きくなる。ただし、酸素の拡散距離は、温度に依存することが知られるものの、その数値を正確に把握することまでは困難となっている。
【００２３】
このため、本発明者は、酸素の拡散距離の理論値に相当する、最上井戸層への酸素の拡散・混入によって発光素子の発光特性が劣化しない最小の距離（成長膜厚）ｔｍｉｎを求めようと試みた。なお、発光特性が劣化するとは、連続成長で作製した同一構造の発光素子の２０ｍＡ通電時の発光出力に対して、テンプレートを用いて作製される本発明の窒化物半導体ウエハから作製される発光素子の２０ｍＡ通電時の発光出力が５０％未満となる状態を言う。
【００２４】
本発明者は、酸素の拡散距離の理論値に相当する最小の距離（成長膜厚）ｔｍｉｎを求めるにあたって、酸素の拡散距離と温度との相関関係について検討を行った。酸素の拡散は、酸素原子が、窒化物半導体層中を拡散するための障壁エネルギーＥａに相当する活性化エネルギー（運動エネルギー）に打ち勝って移動することを示す。この酸素が移動する距離が酸素の拡散距離に対応する。酸素の拡散距離は、酸素原子の拡散定数によって決定され、拡散定数が大きいほど拡散距離も大きくなる。酸素原子の拡散定数は、温度Ｔと、酸素が拡散するための障壁エネルギーＥａとを用いて、Ａ×ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）という式に表すことができると考えられる（ここで、Ａは常数、ｋはボルツマン常数である）。この式によれば、酸素の拡散定数（酸素の拡散距離）は温度Ｔに依存しており、温度Ｔとの間に、いわゆるアレニウスの関係が成り立つことが考えられる。
【００２５】
そこで、本発明者は、酸素の拡散距離の理論値に相当する最小の距離ｔｍｉｎと成長温度の最大値ＴＭＡＸとからアレニウスプロットを作成し、そのアレニウスプロットから成長温度の最大値ＴＭＡＸと最小の距離ｔｍｉｎとの間の関係式を求めた。そして、本発明者は、実際に発光部を再成長させる際にテンプレートの再成長界面から発光層の最上井戸層までの距離ｔ（成長膜厚）を、所定の関係式から算出される最小の距離ｔｍｉｎ（酸素の拡散距離の理論値）以上とすることによって、発光層の最上井戸層への酸素の混入を抑制できることを見出した。また、最上井戸層における酸素濃度を低減し、所定の濃度範囲とすることによって、発光素子に形成した場合に十分な発光特性を得られることを見出した。しかも、酸素の拡散距離ないし発光素子の発光特性が劣化しない最小の距離ｔｍｉｎに対応させて再成長できるため、成長膜厚を低減し、生産性を向上できることを見出した。
【００２６】
本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、以下の通りである。
【００２７】
本発明の第１の態様によれば、
最上層に窒化物半導体層を有する窒化物半導体テンプレート上に、再成長させた窒化物半導体からなる多重量子井戸構造の発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを積層した窒化物半導体ウエハであって、前記多重量子井戸構造の発光層における井戸層のうち前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い井戸層を最上井戸層としたとき、前記窒化物半導体テンプレートの前記窒化物半導体層の再成長界面から前記最上井戸層までの距離ｔが、１μｍ以下であり、且つ、前記最上井戸層における酸素濃度が、５．０×１０１６ｃｍ−３以下である窒化物半導体ウエハが提供される。
【００２８】
本発明の第２の態様によれば、
前記距離ｔが、５００ｎｍ以下である、第１の態様の窒化物半導体ウエハが提供される。
【００２９】
本発明の第３の態様によれば、
前記窒化物半導体層と前記多重量子井戸層との間にｎ型窒化物半導体層をさらに備える、第１の態様又は第２の態様の窒化物半導体ウエハが提供される。
【００３０】
本発明の第４の態様によれば、
前記多重量子井戸構造の発光層を、前記窒化物半導体層の直上に備える、第１の態様又は第２の態様の窒化物半導体ウエハが提供される。
【００３１】
本発明の第５の態様によれば、
最上層に窒化物半導体層を有する窒化物半導体テンプレート上に、再成長させた窒化物半導体からなる多重量子井戸構造の発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを積層した窒化物半導体ウエハの製造方法であって、前記窒化物半導体テンプレートの前記窒化物半導体層上に、前記多重量子井戸構造の発光層と前記ｐ型窒化物半導体層とを順に再成長する再成長工程を有し、前記多重量子井戸構造の発光層における井戸層のうち前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い井戸層を最上井戸層としたとき、前記再成長工程では、前記窒化物半導体テンプレートの前記窒化物半導体層の再成長界面から前記最上井戸層までの距離ｔ［ｎｍ］と、再成長する成長温度の最大値ＴＭＡＸ［℃］とが下記関係式（１）を満足すると共に前記距離ｔが１μｍ以下となるように再成長する窒化物半導体ウエハの製造方法が提供される。
ｔ≧３．６８２×１０６×ｅｘｐ｛−Ｅａ／ｋ（ＴＭＡＸ＋２７３）｝・・・（１）
（ただし、式中、Ｅａは０．９１５［ｅＶ］、ｋはボルツマン定数を示す）
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、成長膜厚が薄く、生産性に優れると共に、十分な発光特性の発光素子を作製できる窒化物半導体ウエハが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体ウエハの断面図である。
【図２】再成長時の成長温度の最大値ＴＭＡＸと距離ｔｍｉｎとの相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
［本発明の一実施形態］
以下、本発明の一実施形態について説明をする。
【００３５】
（１）窒化物半導体ウエハ
まず、本実施形態に係る窒化物半導体ウエハについて図１を用いて説明をする。図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体ウエハの断面図である。
【００３６】
本実施形態の窒化物半導体ウエハ１は、基板１１上に窒化物半導体層１２が成長された窒化物半導体テンプレート１０を用いて形成されており、窒化物半導体層１２上に発光部２０を再成長させて形成されている。つまり、窒化物半導体層１２と発光部２０とは連続成長で形成されておらず、窒化物半導体層１２を成長させた後、発光部２０を再成長させることで別々に成長されて形成されている。
【００３７】
本実施形態に係る窒化物半導体ウエハ１は、図１に示すように、最上層に窒化物半導体層１２を有する窒化物半導体テンプレート１０（以下、単に「テンプレート１０」ともいう）上に、発光部２０として、ｎ型窒化物半導体層２１、多重量子井戸構造の発光層２２およびｐ型窒化物半導体層２３がこの順に再成長されて形成されている。
【００３８】
テンプレート１０は、基板１１上に窒化物半導体を成長させて形成されており、基板１１と、窒化物半導体層１２とを積層させた構造を有している。
【００３９】
基板１１は、その面上に窒化物半導体層１２を成長させて形成できるものであれば、特に限定されない。基板１１としては、例えば、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板などを用いることができる。この中でも、サファイア基板を用いることが好ましく、特にＬＥＤ用としてはサファイア基板の表面に凹凸が施されたＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）基板を用いることが好ましい。
【００４０】
窒化物半導体層１２は、基板１１上に形成されており、発光部２０が再成長されて形成される再成長界面１２ａを有している。窒化物半導体層１２としては、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウムインジウム（ＩｎＡｌＧａＮ）などから構成される。また、基板１１と窒化物半導体層１２との間にバッファ層を設けてもよい。バッファ層としては、低温成長のＧａＮ層、ＡｌＮ層など、あるいは高温成長のＡｌＮ層などが挙げられる。なお、窒化物半導体層１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などのｎ型不純物を含有してもよく、ｎ型半導体層としてもよい。ｎ型不純物の含有量は、テンプレートの用途などに応じて適宜選定される。
【００４１】
窒化物半導体層１２の厚さは、特に限定されず、例えば２μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。窒化物半導体層１２は、所定の厚さを有することで結晶性が改善されており、再成長界面１２ａ上に再成長される発光部２０の結晶性を向上させる。窒化物半導体層１２の成長方法としては、特に限定されず、成長速度が速いＨＶＰＥ法が好ましいが、ＭＯＶＦＥ法などを用いてもよい。なお、上述したように、再成長界面１２ａは、テンプレート１０が大気中に曝された際に酸化されており、酸化膜（図示略）が形成されている。
【００４２】
発光部２０は、テンプレート１０の窒化物半導体層１２の再成長界面１２ａ上に再成長されて形成されている。本実施形態においては、発光部２０として、窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層２１、多重量子井戸構造の発光層２２およびｐ型窒化物半導体層２３がこの順に再成長されて形成されている。発光部２０の成長方法としては、数ｎｍの薄い半導体層を制御性よく形成でき、かつ良好な結晶性を得られるＭＯＶＰＥ法が用いられる。
【００４３】
ｎ型窒化物半導体層２１は、窒化物半導体層１２の再成長界面１２ａ上に成長されて形成されている。ｎ型窒化物半導体層２１としては、例えばｎ型ＧａＮ層が成長されて形成されている。ｎ型窒化物半導体層２１は、所定のｎ型不純物を所定濃度含んでいる。ｎ型不純物としては、例えばシリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）などを用いることができる。ｎ型窒化物半導体層２１の厚さは、特に限定されず、例えば０μｍ以上１μｍ以下とすることができる。
【００４４】
多重量子井戸構造の発光層２２は、ｎ型窒化物半導体層２１上に井戸層２４とバリア層２５とを交互に成長させて形成される積層構造を有している。この積層構造において、複数の井戸層２４のうちｐ型窒化物半導体層２３に最も近い井戸層２４が最上井戸層２４´となっている。井戸層２４としては、例えばＩｎＧａＮ層が用いられ、バリア層２５としては、例えばＧａＮ層が用いられる。発光層２２を構成する井戸層２４の厚さは、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下、バリア層２５の厚さは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。井戸層２４およびバリア層２５は、所望の発光出力が得られるように、複数ペア形成される。
【００４５】
ｐ型窒化物半導体層２３は、多重量子井戸構造の発光層２２上に成長されて形成されており、多重量子井戸構造の発光層２２の最上井戸層２４´上に形成されている。ｐ型窒化物半導体層２３としては、例えばｐ型ＡｌＧａＮ層やｐ型ＧａＮ層が用いられる。なお、ｐ型窒化物半導体層２３としては、例えばｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とが、再成長界面１２ａ側から順に成長されて形成されていてもよい。ｐ型窒化物半導体層２３は、それぞれ所定のｐ型不純物を所定濃度含む。ｐ型不純物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型窒化物半導体層２３の厚さは、特に限定されず、例えば２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。
【００４６】
本実施形態の窒化物半導体ウエハ１は、テンプレート１０の窒化物半導体層１２の再成長界面１２ａ上に、窒化物半導体を再成長させることで、発光部２０として、ｎ型窒化物半導体層２１、多重量子井戸構造の発光層２２およびｐ型窒化物半導体層２３が形成されている。そして、テンプレート１０の窒化物半導体層１２の再成長界面１２ａから、多重量子井戸構造の発光層２２における最上井戸層２４´までの距離ｔが、１μｍ以下となっている。すなわち、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さｔ１と、最上井戸層２４´を除いた発光層２２の厚さｔ２との合計が、１μｍ以下となっている。好ましくは、距離ｔが５００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下となっている。これにより、発光部２０の成長時間を短縮し、窒化物半導体ウエハ１の生産性を向上することができる。
【００４７】
また、多重量子井戸構造の発光層２２における最上井戸層２４´は、酸素濃度が５．０×１０１６ｃｍ−３以下となっており、拡散による酸素の混入が低減されている。このため、最上井戸層２４´は結晶性の悪化が抑制されており、発光特性の低下が抑制されている。
【００４８】
なお、酸素濃度は、例えば２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）により、最上井戸層２４´の厚さ方向に測定される。
【００４９】
また、本実施形態においては、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さｔ１、および最上井戸層２４´を除いた発光層２２の厚さｔ２は、特に限定されず、その合計が１μｍ以下となるように適宜変更することが可能である。
【００５０】
（２）窒化物半導体ウエハの製造方法
次に、上述の窒化物半導体ウエハ１の製造方法について説明をする。本実施形態においては、テンプレート１０を形成し、そのテンプレート１０を用いて窒化物半導体ウエハ１を製造する。
【００５１】
〈基板１１の準備〉
まず、基板１１として例えばサファイア基板を準備する。
【００５２】
〈窒化物半導体層１２の成長〉
次に、基板１１として例えばサファイア基板をＨＶＰＥ装置内に搬入する。ＨＶＰＥ装置において、基板１１としてのサファイア基板上に所定の原料ガスを供給し、窒化物半導体層１２として所定の厚さ（例えば２μｍ以上５０μｍ以下）のＧａＮ層を成長させて形成する。これにより、テンプレート１０を得る。
【００５３】
〈テンプレート１０の搬送〉
次に、テンプレート１０をＨＶＰＥ装置からＭＯＶＰＥ装置内に搬送する（あるいは所定の間、保管した後に搬送する）。この際、テンプレート１０が大気に曝されることで、窒化物半導体層１２としてのＧａＮ層が酸化され、その再成長界面１２ａには酸化膜が形成される。
【００５４】
〈発光部２０の再成長工程〉
次に、ＭＯＶＰＥ装置において、テンプレート１０の窒化物半導体層１２上に発光部２０を再成長させる再成長工程を行う。再成長工程では、窒化物半導体層１２の再成長界面１２ａから最上井戸層２４´までの距離ｔ［ｎｍ］と、再成長する成長温度の最大値ＴＭＡＸ［℃］とが下記関係式（１）を満足すると共に距離ｔが１μｍ以下となるように再成長する。
ｔ≧ｔｍｉｎ＝３．６８２×１０６×ｅｘｐ｛−Ｅａ／ｋ（ＴＭＡＸ＋２７３）｝・・・（１）
（ただし、式中、Ｅａは０．９１５［ｅＶ］、ｋはボルツマン定数を示す）
【００５５】
具体的には、再成長工程では、関係式（１）に基づいて発光部２０の成長条件を決定し、その後、決定された成長条件に基づいて発光部２０の再成長を行う。以下、成長条件を決定するための関係式（１）、関係式（１）に基づく成長条件の決定、および成長条件に基づく発光部２０の再成長について説明をする。
【００５６】
（関係式（１））
関係式（１）は、実験（後述の実施例）から得られた、発光素子の発光特性が劣化しない最小の距離ｔｍｉｎと成長温度の最大値ＴＭＡＸとのアレニウスプロットから求められた関係式である。
【００５７】
関係式（１）において、距離ｔは、窒化物半導体層１２の再成長界面１２ａから発光層２２の最上井戸層２４´までの成長膜厚を示す。つまり、距離ｔは、再成長界面１２ａから最上井戸層２４´を形成するまでに実際に成長される成長膜の厚さ（成長膜厚）を示す。図１に示すように、発光部２０として、ｎ型半導体層２１、多重量子井戸構造の発光層２２、およびｐ型半導体層２３を形成する場合、距離ｔは、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さｔ１と、最上井戸層２４´を除く発光層２２の厚さｔ２との合計となる（ｔ＝ｔ１＋ｔ２）。
【００５８】
また、関係式（１）において、距離ｔｍｉｎは、発光素子の発光特性が劣化しない最小の距離を示しており、所定の温度における酸素の拡散距離の理論値に相当する。ｔｍｉｎは、上述のように、成長温度の最大値ＴＭＡＸとのアレニウスプロットから求められる。すなわち、関係式（１）に示すように、最小の距離ｔｍｉｎは成長温度の最大値ＴＭＡＸの関数となっており、成長温度の最大値ＴＭＡＸによって算出される。
【００５９】
また、関係式（１）において、成長温度の最大値ＴＭＡＸは、発光部２０を構成する各層を成長させるときの成長温度のうち最大のものを示す。発光部２０を構成する各層の成長温度の範囲は、例えば、ｎ型窒化物半導体層２１が８００℃以上１０００℃以下、発光層２２が６００℃以上９００℃以下、ｐ型窒化物半導体層２３が７００℃以上１０００℃以下となっている。このため、成長温度の最大値ＴＭＡＸは、少なくとも８００℃となる。一方、成長温度の最大値ＴＭＡＸは、多くとも１０００℃となる。成長温度の最大値ＴＭＡＸが１０００℃よりも高くなると、酸素の拡散がより促進されるため、距離ｔｍｉｎが１μｍよりも大きくなり、距離ｔ（成長膜厚）を１μｍ以下とするのが困難となる。
【００６０】
（成長条件の決定）
上述の関係式（１）に基づいて、発光部２０を再成長させる成長条件を決定する。成長条件の決定にあたっては、まず、再成長における成長温度の最大値ＴＭＡＸを決定する。続いて、関係式（１）から、決定された成長温度の最大値ＴＭＡＸにおける距離ｔｍｉｎを求める。そして、求められた距離ｔｍｉｎに基づいて、距離ｔ（成長膜厚）を決定する。
【００６１】
具体的には、まず、成長温度の最大値ＴＭＡＸを決定する。
成長温度の最大値ＴＭＡＸは、発光部２０を構成する各層の成長温度によって決定される。発光部２０は、ｎ型窒化物半導体層２１、発光層２２、およびｐ型窒化物半導体層２３から構成されており、それぞれの成長温度は所定の温度範囲から適宜選択する。各層の成長温度のうち、最大のものが成長温度の最大値ＴＭＡＸとなる。
【００６２】
続いて、決定された成長温度の最大値ＴＭＡＸにおける距離ｔｍｉｎを求める。
距離ｔｍｉｎは、関係式（１）に、決定された成長温度の最大値ＴＭＡＸを代入することにより求められる。距離ｔｍｉｎは、上述したように、所定の温度における酸素の拡散距離の理論値に相当しており、発光素子の発光特性が劣化しない最小の距離を示す。
【００６３】
続いて、求められた距離ｔｍｉｎに基づいて距離ｔを決定する。
距離ｔは、上述したように、実際に成長させる、再成長界面１２ａから最上井戸層２４´までの成長膜厚を示す。距離ｔは、図１に示すような場合、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さｔ１と最上井戸層２４´を除く発光層２２の厚さｔ２との合計となる（ｔ＝ｔ１＋ｔ２）。それぞれの厚さｔ１及び厚さｔ２は適宜変更することができ、それぞれの厚さを所定の数値とすることによって、距離ｔを適宜変更することができる。本実施形態では、成長温度の最大値ＴＭＡＸが所定の場合において、再成長界面１２ａに形成される酸化膜に含まれる酸素が最上井戸層２４´まで拡散して混入しないように、距離ｔを、求められた距離ｔｍｉｎ以上とする（距離ｔ≧距離ｔｍｉｎとする）。つまり、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さｔ１と最上井戸層２４´を除く発光層２２の厚さｔ２との合計が、距離ｔｍｉｎ以上となるようにする。距離ｔを距離ｔｍｉｎよりも小さくする（距離ｔ＜距離ｔｍｉｎとする）と、酸素が酸化膜から最上井戸層２４´まで拡散して混入するため、発光特性が低下するおそれがある。距離ｔの上限値は、距離ｔｍｉｎ以上１μｍ以下であれば特に限定されないが、成長膜厚を低減して生産性を向上させる観点からは薄いことが好ましい。
【００６４】
例えば、成長条件は以下のように決定される。
発光部２０を構成する各層について、ｎ型窒化物半導体層２１の成長温度を８９０℃、発光層２２の成長温度を７００℃、ｐ型窒化物半導体層２３の成長温度を８００℃として、再成長する場合、成長温度の最大値ＴＭＡＸは８９０℃となる。
この成長温度の最大値ＴＭＡＸ（８９０℃）においては、関係式（１）から、距離ｔｍｉｎは３５０ｎｍと求められる。
そして、求められた距離ｔｍｉｎ（３５０ｎｍ）に基づいて、距離ｔを３５０ｎｍ以上とする。距離ｔは、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さｔ１と最上井戸層２４´を除く発光層２２の厚さｔ２との合計となるので、これらの合計（ｔ１＋ｔ２）が３５０ｎｍ以上となるように、厚さｔ１および厚さｔ２をそれぞれ決定する。厚さｔ１および厚さｔ２は、特に限定されないので、例えば、厚さｔ１を２００ｎｍ、厚さｔ２を１５０ｎｍとすることができる。厚さｔ１および厚さｔ２は、その合計が３５０ｎｍ以上となるように適宜変更できるため、厚さｔ１を５０ｎｍ、厚さｔ２を３００ｎｍとすることもできる。
【００６５】
（発光部２０の再成長）
次に、ＭＯＶＰＥ装置において、上述のように決定された成長条件に基づいて、発光部２０の再成長を行う。発光部２０の再成長においては、成長条件で決定した成長温度の最大値ＴＭＡＸ（例えば８９０℃）を超えない成長温度で行う。
【００６６】
窒化物半導体層１２の再成長界面１２ａ上に、所定の原料ガスを供給し、ｎ型窒化物半導体層２１として厚さｔ１（例えば２００ｎｍ）のｎ型ＧａＮ層を成長させて形成する。なお、この成長の際に、酸化膜に含まれる酸素が拡散し、ｎ型窒化物半導体層２１中に混入する。
【００６７】
続いて、ｎ型窒化物半導体層２１上に、所定の原料ガスを供給し、井戸層２４としてＩｎＧａＮ層およびバリア層２５としてＧａＮ層を交互に成長させて、所定の厚さを有する多重量子井戸構造の発光層２２を形成する。発光層２２の成長では、ｎ型窒化物半導体層２１の厚さｔ１（例えば２００ｎｍ）と、最上井戸層２４´を除いた発光層２２の厚さｔ２（例えば１５０ｎｍ）との合計がｔｍｉｎ（例えば３５０ｎｍ）以上となった時点で、最上井戸層２４´を成長させて形成する。つまり、最上井戸層２４´は、再成長界面１２ａ上にｎ型窒化物半導体層２１および発光層２２を介して形成されることになり、再成長界面１２ａとの間に距離ｔ（厚さｔ１＋ｔ２）をおいて位置する。
【００６８】
発光層２２の再成長では、テンプレートの酸化膜に含まれる酸素が拡散し、またはｎ型窒化物半導体層２１に拡散して混入している酸素がさらに拡散し、発光層２２の一部へ混入することになる。しかし、本実施形態では、最上井戸層２４´は、再成長界面１２ａから距離ｔｍｉｎ（所定の温度における酸素の拡散距離の理論値）以上離間して位置しており、再成長工程における酸素の拡散・混入が抑制される。
【００６９】
続いて、発光層２２の最上井戸層２４´上に、所定の原料ガスを供給し、ｐ型窒化物半導体層２３としてｐ型ＧａＮ層を成長させて形成した。なお、このｐ型窒化物半導体層２３の再成長においても酸素の拡散が生じるが、距離ｔをｔｍｉｎ以上としているため、最上井戸層２４´への酸素の拡散は抑制されている。これにより、最上井戸層２４´の酸素濃度は５．０×１０１６ｃｍ−３以下となる。
【００７０】
〈窒化物半導体ウエハ１の搬出〉
再成長工程の後、ＭＯＶＰＥ装置から窒化物半導体ウエハ１を搬出し、本実施形態の窒化物半導体ウエハ１を得る。
【００７１】
［本実施形態に係る効果］
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。
【００７２】
本実施形態では、窒化物半導体ウエハは、再成長界面から最上井戸層までの距離ｔが１μｍ以下であり、最上井戸層における酸素濃度が５．０×１０１６ｃｍ−３以下となっている。これにより、成長膜厚が薄く、生産性に優れている。また、発光特性に大きく寄与する最上井戸層は酸素濃度が低く、酸素の混入による発光特性の低下が抑制されている。
【００７３】
本実施形態では、発光部の再成長において、再成長界面から最上井戸層までの距離ｔと再成長する成長温度の最大値ＴＭＡＸとが所定の関係式を満足すると共に、距離ｔが１μｍ以下となるように再成長させている。これにより、テンプレート上に発光部を再成長させるときに、発光特性に大きく寄与する最上井戸層への酸素の拡散を抑制することができる。また、成長温度から、発光特性が劣化しない最小の距離（成長膜厚）を得られるため、その成長膜厚に対応させて再成長することで、成長膜厚を低減し、生産性を向上できる。
【００７４】
［本発明の他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００７５】
上述の実施形態では、窒化物半導体層と多重量子井戸層との間にｎ型窒化物半導体層をさらに備える窒化物半導体ウエハの場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明においては、ｎ型窒化物半導体層を設けずに、テンプレートの窒化物半導体層の直上に発光層を設けてもよい。つまり、ｎ型窒化物半導体層の厚さｔ１を０として、発光層のみを形成してもよい。このとき、最上井戸層を除いた発光層の厚さｔ２を距離ｔｍｉｎ以上となるように設定する。
【００７６】
上述の実施形態では、ＨＶＰＥ法により成長させてテンプレートを形成した後、ＭＯＶＰＥ法により再成長させて窒化物半導体ウエハを製造する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明においては、例えばＭＯＶＰＥ法によりテンプレートを形成した後、テンプレートを搬出し、再度ＭＯＶＰＥ法により窒化物半導体ウエハを製造する場合であっても、酸素の拡散による発光特性の低下を抑制することができる。
【実施例】
【００７７】
次に、本発明の実施例について説明をする。これらの実施例は、本発明に係る窒化物半導体ウエハの一例であって、本発明はこれらの実施例により限定されない。
【００７８】
本実施例では、窒化物半導体ウエハを製造し、それからＬＥＤ素子を作製した。
具体的には、厚さ６５０μｍ、直径１００ｍｍのサファイア基板上に、ＨＶＰＥ法により、バッファ層として高温成長の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を１５０ｎｍ成長させて形成した後、テンプレート層となる窒化物半導体層としてｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層を８μｍ成長させてテンプレートを形成した。このテンプレート上に、ＭＯＶＰＥ法により、発光部として、ｎ型ＧａＮ層（厚さｔ１）、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸構造の発光層（厚さ７８ｎｍ：）、およびｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮコンタクト層とからなるｐ型窒化物半導体層（厚さ３００ｎｍ）を再成長させて、窒化物半導体ウエハを製造した。
【００７９】
実施例１〜５及び比較例１，２では、発光部の再成長において、成長温度の最大値ＴＭＡＸを種々に変更すると共に、それぞれの成長温度の最大値ＴＭＡＸの再成長において、厚さｔ１を種々に変更した窒化物半導体ウエハを製造した。それら窒化物半導体ウエハに対して電極形成等を行ってＬＥＤ素子を作製し、ＬＥＤ素子の２０ｍＡ通電時の発光出力を測定した。これらＬＥＤ素子の発光出力を評価するために、連続成長で作製した同一構造のＬＥＤ素子の２０ｍＡ通電時の発光出力に対して、実施例１〜５及び比較例１，２のＬＥＤ素子の２０ｍＡ通電時の発光出力の割合を算出した。この割合がほぼ５０％となる、ＬＥＤ素子の発光特性が劣化しない最小の距離（成長膜厚）ｔｍｉｎを求めた。
【００８０】
実施例１では、ＴＭＡＸ＝８２０℃、ｔｍｉｎ＝２４０ｎｍであり、実施例２では、ＴＭＡＸ＝８９０℃、ｔｍｉｎ＝３５０ｎｍであり、実施例３では、ＴＭＡＸ＝９５０℃、ｔｍｉｎ＝５００ｎｍであり、実施例４では、ＴＭＡＸ＝９８０℃、ｔｍｉｎ＝８００ｎｍであり、実施例５では、ＴＭＡＸ＝１０２０℃、ｔｍｉｎ＝１０００ｎｍであり、比較例１では、ＴＭＡＸ＝１０５０℃、ｔｍｉｎ＝１４００ｎｍであり、比較例２では、ＴＭＡＸ＝１１２０℃、ｔｍｉｎ＝２０００ｎｍであった。
【００８１】
図２は、これらの測定結果のデータを、縦軸ｙに関してｔｍｉｎ［ｎｍ］の値を対数で表示し、横軸ｘに関しては１０００／（ＴＭＡＸ＋２７３）［Ｔ−１］で表示した。図２はアウレニウスプロットである。プロットを近似する図２に破線で示す直線の傾きから、上述した酸素原子が拡散するための障壁エネルギー（活性化エネルギー）Ｅａが求まり、ｙ切片から拡散距離の定数部分が求まる。すなわち、図２の直線は、
ｔｍｉｎ＝３．６８２×１０６×ｅｘｐ｛−Ｅａ／ｋ（ＴＭＡＸ＋２７３）｝
（ただし、式中、Ｅａ＝０．９１５［ｅＶ］（＝０．９５１×１．６×１０−１９［Ｊ］）、ｋはボルツマン定数であり、ｋ＝１．３８×１０−２３［Ｊ・Ｋ−１］）
となる。
図２に示すように、距離ｔｍｉｎと成長温度の最大値ＴＭＡＸとは高い相関性を有しており、例えば成長温度の最大値ＴＭＡＸから、信頼性の高い距離ｔｍｉｎを得ることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１  窒化物半導体ウエハ
１０  テンプレート
１１  基板
１２  窒化物半導体層
２０  発光部
２１  ｎ型窒化物半導体層
２２  発光層
２３  ｐ型窒化物半導体層
２４  井戸層
２４´  最上井戸層
【図１】
2016032038.tif 000003
【図２】
2016032038.tif 000004