(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる緩衝層と、
前記緩衝層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる第１伝導形の第１障壁層と、
前記第１障壁層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる発光層と、
前記発光層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる第２伝導形の第２障壁層とを備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、
前記緩衝層が、前記基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、
さらに前記第１障壁層が、前記基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２障壁層が、前記基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記柱状結晶の天面が、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有することを特徴とする請求項１、請求項２のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２障壁層上に、第２伝導形のための電極が備えられていることを特徴とする請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記間隙の密度が１×１０９／ｃｍ−２以上１×１０１０／ｃｍ−２以下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族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記緩衝層をスパッタ法で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７】
前記第１障壁層をスパッタ法で形成することを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記発光層をＭＯＣＶＤ法で形成することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びランプに関し、特に、発光層からの発光が効率的に素子の外部に取り出される高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、青色又は緑色等の短波長光を出射する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザダイオード（英略称：ＬＤ）は、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）や窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）等のＩＩＩ族窒化物半導体材料からなるＩＩＩ族窒化物半導体層を使用して構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなＩＩＩ族窒化物半導体層を、例えば、サファイア（α−Ａｌ２Ｏ３単結晶）などの基板の表面上に設けてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成するに際し、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）は、例えば、緩衝（バッファ（ｂｕｆｆｅｒ））層や、クラッド（ｃｌａｄ）層、量子井戸構造に於ける障壁層（バリア（ｂａｒｒｉｅｒ））層を構成するために使用されている（例えば、特許文献２参照）。また、ＧａＸＩｎ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）は、例えば、発光層を構成するために使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
最近では、ＧａＩｎＮを発光層として用いるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子にあって、素子の外部への発光の取り出し効率を向上させる目的で、その発光素子を構成する積層構造体の最表層をなすｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層に、逆六角錘形状の多数の穴（ピット）を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成する積層構造体の表面ではなく、サファイア基板の一表面側の表面に、凹凸を有する光取り出し膜を形成することによりＬＥＤの高輝度化を図る技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献２】特開昭６０−１７３８２９号公報
【特許文献３】特開２００６−１００４７５号公報
【特許文献４】特開２００６−２２２２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子にあって、外部への発光の取り出し効率を向上させることを目的とする従来の技術手段は、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を積層させて発光素子用途の積層構造体を形成する工程の後、積層構造体を加工するための加工工程を必要とするなど発光素子の作製工程が複雑で冗長である。このため、外部への発光の取り出し効率に優れる高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を容易に製造することができなかった。
【０００６】
また、従来、外部への発光の取り出し効率を高めるために、積層構造体の表面又は基板の表面に微細な形状加工を行う技術では、煩瑣で精密な形状加工技術が要求される上に、例えば、大きさや形状が一定である微細な形状加工を安定して行なうことが技術的に難しいという不都合があった。従って、従来の形状加工技術では、外部への発光の取り出し効率を向上させるための構造を充分に安定して形成できず、高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を安定して供給することは困難であった。
【０００７】
また、基板上に発光素子用途の積層構造体の最表層をなすＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる際に同層の内部に発生する逆六角錘形状の穴（ピット）を使用して、外部への発光の取り出し効率を向上させる従来の技術を利用したとしても、形成された穴の大きさや密度などが不安定であった。従って、外部への発光の取り出し効率に優れる高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を充分に安定して供給することは困難であった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、煩瑣で複雑な従来の基板の精密加工技術などを用いることなく製造でき、発光層からの発光が効率的に発光素子の外部に取り出される高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を容易に得ることができるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及び本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなる高輝度のランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は以下に関する。
［１］基板と、前記基板の表面上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる緩衝層と、前記緩衝層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる第１伝導形の第１障壁層と、前記第１障壁層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる発光層と、前記発光層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる第２伝導形の第２障壁層とを備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記緩衝層が、前記基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、さらに前記第１障壁層が、前記基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００１０】
［２］前記第２障壁層が、前記基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであることを特徴とする［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００１１】
［３］前記柱状結晶の天面が、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有することを特徴とする［１］、［２］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
［４］前記第２障壁層上に、第２伝導形のための電極が備えられていることを特徴とする［３］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
［５］前記間隙の密度が１×１０９／ｃｍ−２以上１×１０１０／ｃｍ−２以下であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【００１２】
［６］［１］〜［５］のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記緩衝層をスパッタ法で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。
［７］前記第１障壁層をスパッタ法で形成することを特徴とする［６］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００１３】
［８］前記発光層をＭＯＣＶＤ法で形成することを特徴とする［６］または［７］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［９］［１］〜［５］のいずれかに記載の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】
【００１４】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（以下、「発光素子」と略記する場合がある。）は、緩衝層が、基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙（キャビティ（ｃａｖｉｔｙ））を有するものであるので、以下に示すように、発光層からの発光が効率的に発光素子の外部に取り出される高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子となる。
屈折率の異なる材料が接触してなる界面に一方の材料側から光が侵入した場合、界面に対する光の角度によって、一方の材料側から侵入した光が一方の材料側に反射されるか、他方の材料の側に取り出されるかが決定される。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光層で発生した光が、モールド樹脂などの発光素子の外部と発光素子との界面に入射した場合においては、光と界面との角度が小さい（言い換えると、光の入射方向が界面と平行に近い）ほど、光が発光素子側に反射されやすく、光と界面との角度が大きい（言い換えると、光の入射方向が界面と垂直に近い）ほど、光が外部側に取り出されやすい。
【００１５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、緩衝層が、基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであるので、発光層において発生したランダムな方向の光が、緩衝層の間隙で効率よく反射されることによって、基板の表面に対して垂直に近い方向の光の割合が増加されて、基板の表面に対して水平な発光素子と発光素子の外部との界面である光取り出し界面に入射するものとなる。基板の表面に対して垂直に近い方向の光は、基板の表面に対して水平な光取り出し界面から、取り出されやすい光であるため、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、発光層で発生した光が、基板の表面に対して水平な光取り出し界面から外部側に効率よく取り出されるものとなる。
【００１６】
さらに、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、緩衝層が、基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであるので、発光層で発生した光が発光素子内で反射する反射面の表面積が広いものとなり、発光層で発生した光が、発光素子から効率よく取り出されるものとなる。
【００１７】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、第１障壁層が、基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものとすることで、発光層において発生したランダムな方向の光が、緩衝層および第１障壁層の間隙で効率よく反射されることの相乗効果によって、基板の表面に対して垂直に近い方向の光の割合が効果的に増加されて、基板の表面に対して水平な光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、発光層で発生した光が、発光素子からより一層効率よく取り出されるものとなる。
【００１８】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、第２障壁層が、基板の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものとすることで、発光層において発生したランダムな方向の光が、緩衝層および第２障壁層の間隙で効率よく反射されることの相乗効果によって、基板の表面に対して垂直に近い方向の光の割合が効果的に増加されて、基板の表面に対して水平な光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、発光層で発生した光が、発光素子からより一層効率よく取り出されるものとなる。
【００１９】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、柱状結晶の天面が、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものとすることで、例えば、柱状結晶上にスパッタ法によりＩＩＩ族窒化物半導体材料層を設けた場合に、隣接する柱状結晶の側面間の間隙が、柱状結晶上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体材料層に受け継がれるものとなる。したがって、柱状結晶上に、間隙を有するＩＩＩ族窒化物半導体材料層を容易に形成できる。
また、柱状結晶の天面が、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものとすることで、柱状結晶の天面上に接触抵抗の小さなオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性電極を形成することができるものとなる。したがって、高輝度で、且つ順方向電圧の低い優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供できる。
【００２０】
また、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、緩衝層をスパッタ法で形成するので、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を容易に得ることができる。
また、本発明のランプは、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものであるので、高輝度のものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法及びランプの一実施形態について、図面を参照して説明する。
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子］
図１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２は、図１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。
【００２２】
本実施形態の発光素子１は、図１における上方向に光を取り出すものであって、発光素子１の上面全面が、発光素子１と発光素子１の外部との主たる光取り出し界面とされており、光取り出し界面が基板１１の表面に対して水平とされたものである。また、図１に示す発光素子１は、一面電極型のものであり、基板１１上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層１２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が形成されているものである。半導体層２０は、図１に示すように、ｎ型半導体層１４、発光層１５及び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。
【００２３】
［発光素子の積層構造］
＜基板＞
本実施形態の発光素子１において、基板１１に用いることができる材料としては、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイアや酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化物結晶、シリコン（Ｓｉ）やリン化ガリウム（ＧａＰ）等の元素半導体結晶又は化合物半導体結晶、４Ｈ又は６Ｈ又は３Ｃ型の炭化珪素（ＳｉＣ）等の炭化物結晶、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体結晶などが挙げられる。また、比較的に低温でＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる場合には、ガラスなどの非晶質な材料を基板１１として使用してもよい。
また、基板１１は、バッファ層１２によって反射されずに基板１１側へ洩れてくる光を、基板１１を透過させて発光素子の外部へ取り出せるように、発光層１５から出射される光を透過する禁止帯幅の大きな材料であることが好ましい。
【００２４】
また、基板１１として、例えば、サファイアからなるものを用いる場合、基板１１の表面は（０００１）面（ｃ面）、（１１−２０）面（ａ面）、（１−１０２）面（ｒ面）、（１０−１０）面（ｍ面）のいずれかであることが好ましい。なお、本明細書においては、ミラー指数の数字の上に付す（−）を数字の前に付して表記する。
【００２５】
＜バッファ層（緩衝層）＞
本実施形態の発光素子１においては、基板１１上にバッファ層１２が成膜されている。図３は、本実施形態のバッファ層を構成する結晶構造を模式的に示した概略図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線に対応する断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、バッファ層１２は基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶１１２の集合体からなる。柱状結晶１１２は、隣接する柱状結晶１１２の側面１２ａ間に、基板１１の表面に対して略垂直方向に形成された六角形状又は三角形状の間隙１２ｂ（図３（ａ）においては斜線で示す）を有するものである。
【００２６】
間隙１２ｂの横幅Ｗや深さｄは、例えば、ＴＥＭを使用する断面ＴＥＭ分析法などで観察できる。間隙１２ｂの横幅（基板１１の表面に平行な方向の幅）Ｗは、２０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。また、間隙１２ｂの横幅Ｗは、発光層１５から出射される光を効率的に且つ安定して反射させるために、ばらつきが少ないほど好ましい。
【００２７】
また、図３（ｂ）に示すように、間隙１２ｂは、基板１１の表面を底面としてバッファ層１２を貫通する多数の貫通孔１２ｅと、バッファ層１２中に底面が形成された少数の非貫通穴１２ｆとからなる。非貫通穴１２ｆは、柱状結晶１１２を成長させる際に柱状結晶１１２の横幅が変化することによって生成されるものであるため、バッファ層１２の厚みが厚いほど多く生成される。非貫通穴１２ｆは、存在していてもよいが、発光層１５から出射される光を効率的に且つ安定して反射させるためには、バッファ層１２の厚み方向のばらつきが少ないほど好ましいので、貫通孔１２ｅが多く非貫通穴１２ｆが少ない程好ましい。
【００２８】
間隙１２ｂの密度は、１×１０９／ｃｍ−２以上１×１０１０／ｃｍ−２以下であることが好ましい。間隙１２ｂの数が多いほど、発光層１５において発生した光を効率よく反射させることができ好ましい。間隙１２ｂの密度が、上記範囲未満であると、発光層１５において発生した光を間隙１２ｂによって十分に反射させることができない場合がある。しかし、間隙１２ｂの数が多いと、発光素子１を動作させるための素子動作電流を通流できる領域が減少するため、例えば、発光素子１を用いたＬＥＤにおいて順方向電圧を増加させるなどの不都合が生じる場合がある。したがって、間隙１２ｂの密度は、１×１０１０／ｃｍ−２以下であることが好ましい。
【００２９】
また、間隙１２ｂは、バッファ層１２中に周期的に配列されていることが好ましい。ここで、間隙１２ｂが周期的に配列されているとは、柱状結晶１１２の幅および間隙１２ｂの横幅Ｗがほぼ均一であることにより、間隙１２ｂが、基板１１の表面に水平方向に、周期的に配列された状態とされていることを意味する。
このようにバッファ層１２中に間隙１２ｂが周期的に配列されていることにより、屈折率の異なる領域が周期的に配列されることになり、フォトニック結晶としての光学的な特性を効果的に発現させることができる。このことにより、発光層１５において発生したランダムな方向の光がバッファ層１２に反射されることによって、光取り出し界面に対して垂直に近い方向の光の割合がより効果的に増加されて、光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、発光層１５で発生した光が、発光素子１からより一層効率よく取り出されるものとなる。
【００３０】
また、柱状結晶１１２の天面１２ｃは、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものであることが好ましい。バッファ層１２の柱状結晶１１２の天面１２ｃの再配列構造は高速反射電子回析（ＲＨＥＥＤ）法などの分析方法を用いて確認できる。なお、ＲＨＥＥＤ法は、一般に真空環境を使用して分析するので、スパッタ法や分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法などの真空環境下で結晶を形成する方法により柱状結晶を成長させた場合には、得られた柱状結晶の天面の再配列構造を簡便に確認できる。
【００３１】
また、バッファ層１２は、発光層１５から出射される発光を透過するＩＩＩ族窒化物半導体材料からなり、Ａｌを含有する組成とされていることが好ましく、ＡｌＮからなる構成とすることにより、効率的に柱状結晶１１２の集合体とすることができ、より好ましい。
なお、バッファ層１２を構成する材料としては、一般式ＡｌＧａＩｎＮで表されるＩＩＩ族窒化物半導体であれば、どのような材料でも用いることができる。さらに、Ｖ族として、ＡｓやＰが含有される構成としても良い。また、バッファ層１２を、Ａｌを含んだ組成とした場合、ＧａＡｌＮとすることが好ましく、この際、Ａｌの組成が５０％以上とされていることが好ましい。
また、電気的絶縁性の高いサファイア等の酸化物結晶やＡｌＮなどからなる基板１１上にバッファ層１２を設ける場合、バッファ層１２は、絶縁性の層であっても良いし、ｎ型層であってもよい。
【００３２】
また、バッファ層１２の膜厚は、５〜５００ｎｍの範囲とされていることが好ましく、１０〜１００ｎｍの範囲とされていることがより好ましい。
バッファ層１２の膜厚が５ｎｍ未満であると、間隙１２ｂの深さｄが不十分となり、間隙１２ｂによる発光層１５からの光の反射効果が十分に得られない場合がある。また、５００ｎｍを超える膜厚でバッファ層１２を形成した場合、成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。また、バッファ層１２の厚みが５００ｎｍを超えると、バッファ層１２を構成する柱状結晶１１２の形状が、基板１１の表面から遠ざかるに従って基板１１の表面に水平な方向に徐々に拡幅されたものとなり、間隙１２ｂが充填されて消失し、発光層１５からの光を反射する間隙１２ｂの密度が小さくなってしまうという不都合が生じる。
なお、バッファ層１２の膜厚についても、上述したような断面ＴＥＭ分析法により、測定することが可能である。
【００３３】
＜半導体層＞
図１に示すように、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（第１伝導形の第１障壁層）」
本実施形態のｎ型半導体層１４は、図１に示すように、下地層１４ａとｎ型コンタクト層１４ｂとｎ型クラッド層１４ｃとが、バッファ層１２上に順に積層されたものである。なお、ｎ型コンタクト層は、下地層、及び／又は、ｎ型クラッド層を兼ねることが可能である。
【００３４】
（下地層）
本実施形態のｎ型半導体層１４の下地層１４ａは、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、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物半導体、即ちＧａＮ系化合物半導体が好ましく、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。
【００３５】
また、下地層１４ａの膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌＸＧａ１―ＸＮ層が得られやすい。
【００３６】
下地層１４ａには、必要に応じて、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）とすることもでき、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。
例えば、基板１１およびバッファ層１２が導電性を有する場合には、下地層１４ａにドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子１の上下に電極を形成することができる。一方、基板１１および／またはバッファ層１２として絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子１の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、基板１１直上の層はドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となることから好ましい。
ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅが挙げられる。
【００３７】
（ｎ型コンタクト層）
ｎ型コンタクト層１４ｂは、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる。ｎ型コンタクト層１４ｂは、下地層１４ａと同様にＡｌＸＧａ１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。
また、ｎ型コンタクト層１４ｂには、ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
【００３８】
なお、下地層１４ａ及びｎ型コンタクト層１４ｂを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を０．１〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１５μｍ、さらに好ましくは１〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
【００３９】
（ｎ型クラッド層）
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、ｎ型コンタクト層１４ｂの最表面に生じた平坦性の悪化を修復することできる。ｎ型クラッド層１４ｃは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等により成膜することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ｎ型クラッド層１４ｃをＧａＩｎＮとする場合には、発光層１５のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００４０】
ｎ型クラッド層１４ｃの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは５〜５００ｎｍの範囲であり、より好ましくは５〜１００ｎｍの範囲である。
また、ｎ型クラッド層１４ｃのｎ型ドープ濃度は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。
【００４１】
また、本実施形態のｎ型半導体層１４を構成する下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃの各層は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すバッファ層１２の間隙１２ｂが受け継がれているものである。また、ｎ型半導体層１４を構成する下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃの各層は、バッファ層１２と同様に、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に、基板１１の表面に対して略垂直方向に形成された六角形状又は三角形状の間隙を有するものである。
また、ｎ型半導体層１４を構成する柱状結晶においても、バッファ層１２と同様に、天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものであることが好ましい。
【００４２】
また、ｎ型半導体層１４は、発光層１５からの発光波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍである場合には、発光層１５からの発光波長以上の厚みを有するものであることが好ましい。ｎ型半導体層１４の厚みが発光層１５からの発光波長未満である場合、発光層１５からの光が、ｎ型半導体層１４を構成する間隙によって効率よく反射されない場合があるため好ましくない。また、ｎ型半導体層１４の厚みは、１０μｍ以下であることが好ましい。ｎ型半導体層１４の厚みが１０μｍを超えると、ｎ型半導体層１４の形成に要する時間が長時間となるため好ましくない。また、ｎ型半導体層１４の厚みが１０μｍを超えると、ｎ型半導体層１４を構成する柱状結晶の形状が、基板１１の表面から遠ざかるに従って基板１１の表面に水平な方向に徐々に拡幅されたものとなり、間隙が充填されて消失し、発光層１５からの光を反射する間隙の密度が小さくなってしまうという不都合が生じる。
【００４３】
また、ｎ型半導体層１４は、発光層１５から出射される光を透過するＩＩＩ族窒化物半導体材料からなり、発光層１５を構成するＩＩＩ族窒化物半導体よりも屈折率の大きい材料で形成されていることが好ましい。
【００４４】
＜発光層＞
本実施形態において、発光層１５は、基板１１の表面方向に発達した連続性のあるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる。発光層１５は、ｎ型半導体層１４の表面に露出している間隙を天蓋の如く覆うように形成されることにより、バッファ層１２およびｎ型半導体層１４と比較して大きな平面積を有するものとされている。
発光層１５は、例えば、インジウム（Ｉｎ）組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）を従属的に含む窒化ガリウム・インジウム（ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０＜Ｘ＜１）などから構成できる。また、発光層１５は、窒素とは別のＶ族元素であるリン（元素記号：Ｐ）や砒素（元素記号：Ａｓ）を含む窒化リン化ガリウム・インジウム（ＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＰ１−Ｙ：０＜Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）などから構成されていてもよい。
【００４５】
また、発光層１５は、数量的に単一な第１又は第２の伝導形の単一の層から構成しても構わない。さらに、発光層１５は、井戸（ｗｅｌｌ）層を含む単一量子井戸構造（英略称：ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（英略称：ＭＱＷ）から構成しても構わない。発光層１５が多重量子井戸構造である場合、井戸層の数量は、高強度の発光を安定して得る観点から５以上２０以下が適する。
【００４６】
本実施形態において、発光層１５は、図１に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）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、且つ、ｎ型半導体層１４側及びｐ型半導体層１６側に障壁層１５ａが配されている。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が配される構成とされている。
【００４７】
障壁層１５ａは、井戸層１５ｂよりも大きな禁止幅（バンドギャップエネルギー）を有するＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成することが好ましい。具体的には、例えば、障壁層１５ａとして、井戸層１５ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜０．３）等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層１５ｂには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ｇａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
【００４８】
発光層１５の膜厚は、１〜５００ｎｍの範囲であることが好ましく、１００ｎｍ前後の膜厚であればより好ましい。膜厚が上記範囲であると、発光出力の向上に寄与する。
【００４９】
＜ｐ型半導体層（第２伝導形の第２障壁層）＞
本実施形態のｐ型半導体層１６は、図１に示すように、ｐ型クラッド層１６ａとｐ型コンタクト層１６ｂとから構成されている。なお、ｐ型コンタクト層がｐ型クラッド層を兼ねる構成であってもよい。
（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、好ましくは、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐ型クラッド層１６ａが、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層１５へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
【００５０】
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。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【００５３】
また、本実施形態のｐ型半導体層１６を構成するｐ型クラッド層１６ａおよびｐ型コンタクト層１６ｂは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すバッファ層１２およびｎ型半導体層１４と同様に、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に、基板１１の表面に対して略垂直方向に形成された六角形状又は三角形状の間隙を有するものである。
また、ｐ型半導体層１６のｐ型クラッド層１６ａおよびｐ型コンタクト層１６ｂを構成する柱状結晶においても、バッファ層１２およびｎ型半導体層１４と同様に、天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものであることが好ましい。
【００５４】
例えば、ｐ型半導体層１６を、ＭｇをドーピングしたＡｌＸＧａ１−ＸＮからそれぞれなるｐ型クラッド層１６ａとｐ型コンタクト層１６ｂとからなるものとした場合、ｐ型クラッド層１６ａの膜厚とｐ型コンタクト層１６ｂの膜厚との合計寸法（ｐ型半導体層１６の膜厚）は、０．０５μｍ〜０．５μｍとすることが望ましい。ｐ型半導体層１６の膜厚が０．０５μｍ未満であると、発光層１５に十分なキャリアを注入できない場合がある。また、ｐ型半導体層１６の膜厚が０．５μｍを超えると、発光層１５からの光を吸収してしまう場合があるため、好ましくない。
【００５５】
また、ｐ型半導体層１６を、ＭｇをドーピングしたＡｌＸＧａ１−ＸＮからそれぞれなるｐ型クラッド層１６ａとｐ型コンタクト層１６ｂとからなるものとした場合、ｐ型クラッド層１６ａおよびｐ型コンタクト層１６ｂのＭｇのドーピング濃度が５×１０２０原子／ｃｍ３を超えることは望ましくない。Ｍｇのドーピング濃度が上記範囲を超えると、ｐ型半導体層１６を構成する柱状結晶の合着部に在る粒界にＭｇが蓄積され、粒界に蓄積したＭｇを介して発光素子を動作させるための動作電流が漏洩してしまい、光電変換効率に優れる発光素子１を得るに不都合となるからである。
【００５６】
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及びＡｓ等の元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００５７】
＜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）、ＡＺｎＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）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。
【００５８】
＜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２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。
【００５９】
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。
【００６０】
＜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１および図２に示すように、ｐ型半導体層１６、発光層１５及びｎ型半導体層１４の一部を除去して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。
【００６１】
また、本実施形態においては、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂを露出させてなる露出領域１４ｄ上に、負極１９が備えられているので、ｎ型コンタクト層１４ｂがＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合であっても、ｎ型コンタクト層１４ｂと負極１９となる金属との反応による窒化物の生成が抑制される。したがって、本実施形態においては、負極１９の材料として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｈｆなどの窒化物を形成しやすい金属を用いた場合であっても、接触抵抗の高い窒化物の生成が抑制されて、接触抵抗の小さいオーミック性電極を形成できる。
【００６２】
［発光素子の製造方法］
図１に示す発光素子１を製造するには、まず、基板１１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。
【００６３】
本実施形態においては、基板１１上にバッファ層１２を成膜する前に、基板１１に前処理を施すことが好ましい。基板１１に前処理を施すことにより、成膜プロセスが安定する。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うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板１１をＡｒガスやＮ２ガスのプラズマ中に曝す事によって基板１１の表面を洗浄することができる。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の洗浄に作用する。
【００６４】
なお、基板１１の前処理は、上述した方法に限定されるものでなく、湿式の方法を用いることができる。
【００６５】
基板１１に前処理を行なった後、基板１１上に、バッファ層１２と、ｎ型半導体層１４（下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｎ型クラッド層１４ｃ）とを成膜する。
本実施形態のバッファ層１２およびｎ型半導体層１４は、スパッタ法やレーザーアブレーション法やイオンビーム蒸着法などの物理的堆積手段、ハライド（ｈａｌｙｄｅ）気相堆積法やハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）気相堆積法や有機金属化学的気相堆積（英略称：ＭＯＣＶＤ）法などの化学的堆積手段、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）法などによって形成できる。これらの形成方法の中でも、基板１１の表面での成膜原料の拡散性が小さく、柱状結晶１１２を成長させる際における柱状結晶１１２の横幅Ｗの変化が少なく、基板１１の表面を底とする深い間隙１２ｂを安定して形成できるスパッタ法や分子線エピタキシャル法などが適する。さらに、スパッタ法は、容易に本実施形態のバッファ層１２を形成できるため好ましい。
【００６６】
スパッタ法としては、例えば、高周波マグネトロンスパッタリング法、電子サイクロトロン（ＥＣＲ）共鳴型スパッタリング法、リアクティブイオンスパッタリング法などを用いることができる。また、スパッタ装置としては、ＲＨＥＥＤ分析装置を備えたスパッタ装置を用いることが好ましい。ＲＨＥＥＤ分析装置を備えたスパッタ装置を用いてバッファ層１２とｎ型半導体層１４とを連続して形成することで、バッファ層１２およびｎ型半導体層１４の再配列構造を確認しつつ、バッファ層１２とｎ型半導体層１４を簡便に形成できる。
【００６７】
本実施形態においては、高周波リアクティブイオンスパッタリング法により、基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体層からなるバッファ層１２、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａとｎ型コンタクト層１４ｂとを形成する。また、本実施形態において、バッファ層１２、下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂを形成するには、窒素原料を含まないガス雰囲気中でスパッタを行なう初期スパッタ工程と、初期スパッタ工程後に窒素原料を含むガス雰囲気中でスパッタを行なう本スパッタ工程とを行なう。
【００６８】
初期スパッタ工程は、窒素原料を含まないガス雰囲気中でＡｌやＧａ等のＩＩＩ族元素をスパッタリングする工程であり、例えば、ガス雰囲気がＡｒとＮ２との混合ガスである場合には、ガス雰囲気をＡｒのみとしてＩＩＩ族元素をスパッタリングする。初期スパッタ工程を行なうことにより、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、かつ、互いに合着した柱状結晶が集合してなるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成できる。
【００６９】
初期スパッタ工程を行なう時間、すなわち、スパッタを開始してから窒素原料を含むガス雰囲気とするまでの時間は、スパッタリングされるＩＩＩ族元素の量が多いほど短時間とされ、少ないほど長時間とされる。具体的には、高周波（ＲＦ）スパッタリング法によりＩＩＩ族窒化物半導体層からなるバッファ層１２を形成する場合には、雰囲気ガスをプラズマ化させるために印加する高周波（ＲＦ）電力（パワー）を大きくして、スパッタリングされるＩＩＩ族元素の量を増加させる程、初期スパッタ工程を行なう時間が短時間とされる。
【００７０】
例えば、スパッタ法によりＡｌＮからなるバッファ層１２を形成するに際し、金属Ａｌターゲットに印加する高周波（ＲＦ）電力を１Ｗ／ｃｍ２とし、ガス雰囲気をＡｒのみとして初期スパッタ工程を行なう場合、初期スパッタ工程を行なう時間は、３秒以上３０秒以下であることが望ましい。この場合、初期スパッタ工程を行なう時間が３秒未満であると、ＡｌＮの柱状結晶を形成するための成長核を、基板１１上に低い密度でしか形成できず、疎らにしか柱状結晶を形成できないため、互いに合着した柱状結晶の集合体からなるバッファ層１２を形成できない恐れがある。また、初期スパッタ工程を行なう時間が３０秒を超えると、ＡｌＮの柱状結晶を形成するための成長核が、基板１１上に高い密度で形成されすぎて、間隙が形成されにくくなり、発光層１５からの光を反射する間隙の密度が小さくなるため、好ましくない。
【００７１】
また、例えば、基板１１としてサファイアからなる基板１１を用い、サファイア基板の（０００１）表面上に、ＡｌＮからなるバッファ層１２を堆積する場合、初期スパッタ工程および本スパッタ工程は、以下の条件で行なうことが好ましい。
（１）基板の温度＝４００〜９００℃、（２）圧力＝０．０５〜１０パスカル（Ｐａ）、（３）印加電力（金属Ａｌのターゲットに印加する電力）＝０．１〜１０キロワット（ｋｗ）。
また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）との混合ガスであって、ガスの合計の流量に占める窒素の体積分率が５０％以下である混合ガス雰囲気であることが好ましい。また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、比較的大きな成膜速度が得られるアンモニアを含むものであってもよい。
【００７２】
初期スパッタ工程および本スパッタ工程を上記の条件で行なうことで、基板１１上に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、柱状結晶１１２の天面１２ｃが（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するＡｌＮからなるバッファ層１２が形成される。
【００７３】
また、例えば、スパッタ法によりバッファ層１２上にアンドープのＧａＮからなる下地層１４ａを形成するに際し、金属Ｇａターゲットに印加する高周波（ＲＦ）電力を１Ｗ／ｃｍ２とし、ガス雰囲気をＡｒのみとして初期スパッタ工程を行なう場合、初期スパッタ工程を行なう時間は、１秒以上６０秒以下であることが望ましい。
【００７４】
また、バッファ層１２上に、アンドープのＧａＮからなる下地層１４ａを堆積する場合、初期スパッタ工程および本スパッタ工程は、以下の条件で行なうことが好ましい。
（１）基板の温度＝４００〜９００℃、（２）圧力＝０．０５〜１０Ｐａ、（３）印加電力（金属Ｇａのターゲットに印加する電力）＝０．１〜１０ｋｗ。
また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）との混合ガスであって、ガスの合計の流量に占める窒素の体積分率が５０％以下である混合ガス雰囲気であることが好ましい。また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、比較的大きな成膜速度が得られるアンモニアを含むものであってもよい。
【００７５】
初期スパッタ工程および本スパッタ工程を上記の条件で行なうことで、バッファ層１２上に、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するアンドープのＧａＮからなる下地層１４ａを効率よく形成できる。
【００７６】
本実施形態においては、バッファ層１２の上に、バッファ層１２を形成する場合と同様にして下地層１４ａを形成するので、バッファ層１２の内部に存在する間隙１２ｂが、下地層１４ａの内部に受け継がれる。また、本実施形態においては、柱状結晶１１２の天面１２ｃが（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するバッファ層１２の上に、下地層１４ａを形成するので、下地層１４ａの結晶性が良好なものとなる。
【００７７】
また、例えば、スパッタ法により下地層１４ａ上にＳｉドープのＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを形成するに際し、金属Ｇａターゲットに印加する高周波（ＲＦ）電力を１Ｗ／ｃｍ２とし、ガス雰囲気をＡｒのみとして初期スパッタ工程を行なう場合、初期スパッタ工程を行なう時間は、１秒以上６０秒以下であることが望ましい。
【００７８】
また、下地層１４ａ上にＳｉドープのＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを形成する場合、初期スパッタ工程および本スパッタ工程は、以下の条件で行なうことが好ましい。
（１）基板の温度＝４００〜９００℃、（２）圧力＝０．０５〜１０Ｐａ、（３）印加電力（金属Ｇａのターゲットに印加する電力）＝０．１〜１０ｋｗ。
また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）との混合ガスであって、ガスの合計の流量に占める窒素の体積分率が５０％以下である混合ガス雰囲気であることが好ましい。また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、比較的大きな成膜速度が得られるアンモニアを含むものであってもよい。
【００７９】
初期スパッタ工程および本スパッタ工程を上記の条件で行なうことで、下地層１４ａ上に、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するＳｉドープのＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを効率よく形成できる。
【００８０】
本実施形態においては、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有する下地層１４ａの上に、ｎ型コンタクト層１４ｂを形成することにより、下地層１４ａの内部に存在する間隙が、ｎ型コンタクト層１４ｂの内部に受け継がれる。
【００８１】
次に、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂ上に、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなるｎ型半導体層１４のｎ型クラッド層１４ｃを形成する場合について説明する。ｎ型クラッド層１４ｃは、膜厚制御性と結晶性の観点で好ましいＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法を用いて形成する。
【００８２】
本実施形態においては、ｎクラッド層１４ｃを成膜する下地となるｎ型コンタクト層１４ｂが、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に基板１１の表面に対して略垂直方向に形成された六角形状又は三角形状の間隙を有するものであるので、ｎクラッド層１４ｃとして形成される結晶にｎ型コンタクト層１４ｂを構成する結晶が引き継がれる。したがって、ＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＮを成膜するときの通常の条件で成膜することにより、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に基板１１の表面に対して略垂直方向に形成された六角形状又は三角形状の間隙を有するｎクラッド層１４ｃを形成できる。
ＭＯＣＶＤ法でｎクラッド層１４ｃを形成する場合、具体的には、例えば、以下の条件とすることができる。すなわち、ＴＭＩとＴＭＧまたはＴＥＧおよびＮＨ３を原料とし、キャリアガスとして窒素ガスを用い、温度を６００℃〜９００℃の範囲とし、圧力を５０ｍｂａｒ〜９８０ｍｂａｒの範囲とする。
また、ｎクラッド層１４ｃは、ＭＯＣＶＤ法に限らず、スパッタ法を用いて形成してもよい。この場合、初期スパッタ工程および本スパッタ工程は、以下の条件で行なうことが好ましい。（１）基板の温度＝４００〜９００℃、（２）圧力＝０．０５〜１０Ｐａ、（３）印加電力＝０．１〜１０ｋＷ。また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）との混合ガスであって、ガスの合計の流量に占める窒素の体積分率が５０％以下である混合ガス雰囲気であることが好ましい。
【００８３】
ＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、上記の条件で成膜を行なうことで、ｎ型コンタクト層１４ｂ上に、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に基板１１の表面に対して略垂直方向に形成された六角形状又は三角形状の間隙を有し、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するＳｉドープのＩｎＧａＮからなるｎ型クラッド層１４ｃを形成できる。
【００８４】
次に、ｎ型半導体層１４のｎ型クラッド層１４ｃ上に、障壁層１５ａと井戸層１５ｂとからなる発光層１５を形成する。発光層１５は、膜厚制御性の観点で好ましいＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法などの化学的気相成長法を用いて形成する。
【００８５】
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。
【００８６】
次に、高周波リアクティブイオンスパッタリング法により、発光層１５上に、ｐ型半導体層１６のｐ型クラッド層１６ａおよびｐ型コンタクト層１６ｂを形成する。
本実施形態において、ｐ型半導体層１６を形成するには、バッファ層１２およびｎ型半導体層１４と同様に、初期スパッタ工程と本スパッタ工程とを行なう。
【００８７】
例えば、スパッタ法により発光層１５上にＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１６ａを形成するに際し、金属Ｇａターゲットに印加する高周波（ＲＦ）電力を１Ｗ／ｃｍ２とし、金属Ａｌターゲットに印加する高周波（ＲＦ）電力を１Ｗ／ｃｍ２とし、ガス雰囲気をＡｒのみとして初期スパッタ工程を行なう場合、初期スパッタ工程を行なう時間は、１秒以上６０秒以下であることが望ましい。
【００８８】
また、例えば、発光層１５上にＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１６ａを堆積する場合、初期スパッタ工程および本スパッタ工程は、以下の条件で行なうことが好ましい。
（１）基板の温度＝４００〜９００℃、（２）圧力＝０．０５〜１０Ｐａ、（３）印加電力（金属Ａｌのターゲットに印加する電力）＝０．１〜１０ｋｗ、（４）印加電力（金属Ｇａのターゲットに印加する電力）＝０．１〜１０ｋｗ。
また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）との混合ガスであって、ガスの合計の流量に占める窒素の体積分率が５０％以下である混合ガス雰囲気であることが好ましい。
【００８９】
初期スパッタ工程および本スパッタ工程を上記の条件で行なうことで、発光層１５上に、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１６ａを効率よく形成できる。
【００９０】
例えば、スパッタ法によりｐ型クラッド層１６ａ上にＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６ｂを形成するに際し、金属Ｇａターゲットおよび金属Ａｌターゲットに印加する高周波（ＲＦ）電力を１Ｗ／ｃｍ２とし、ガス雰囲気をＡｒのみとして初期スパッタ工程を行なう場合、初期スパッタ工程を行なう時間は、１秒以上６０秒以下であることが望ましい。
【００９１】
また、例えば、ｐ型クラッド層１６ａ上にＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６ｂを堆積する場合、初期スパッタ工程および本スパッタ工程は、以下の条件で行なうことが好ましい。
（１）基板の温度＝４００〜９００℃、（２）圧力＝０．０５〜１０Ｐａ、（３）印加電力（金属Ａｌのターゲットに印加する電力）＝０．１〜１０ｋｗ、（４）印加電力（金属Ｇａのターゲットに印加する電力）＝０．１〜１０ｋｗ。
また、本スパッタ工程におけるガス雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）との混合ガスであって、ガスの合計の流量に占める窒素の体積分率が５０％以下である混合ガス雰囲気であることが好ましい。
【００９２】
初期スパッタ工程および本スパッタ工程を上記の条件で行なうことで、ｐ型クラッド層１６ａ上に、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有し、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するＡｌＧａＮからなるＭｇドープのｐ型コンタクト層１６ｂを効率よく形成できる。
【００９３】
本実施形態においては、柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するｐ型クラッド層１６ａの上に、ｐ型コンタクト層１６ｂを形成することにより、ｐ型クラッド層１６ａの内部に存在する間隙が、ｐ型コンタクト層１６ｂの内部に受け継がれる。
【００９４】
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１および図２に示す発光素子１が得られる。
【００９５】
本実施形態の発光素子１は、バッファ層１２が、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶１１２の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶１１２の側面１２ａ間に間隙１２ｂを有するものであるので、発光層１５において発生したランダムな方向の光が、バッファ層１２の間隙１２ｂで効率よく反射されることによって、基板１１の表面に対して垂直に近い方向の光の割合が増加されて、基板１１の表面に対して水平な発光素子１と外部との光取り出し界面に入射するものとなる。基板１１の表面に対して垂直に近い方向の光は、基板１１の表面に対して水平な発光素子１と外部との光取り出し界面から、取り出されやすい光であるため、本実施形態の発光素子１では、発光層１５で発生した光が、基板１１の表面に対して水平な発光素子１と外部との界面から外部側に効率よく取り出されるものとなる。
【００９６】
また、本実施形態の発光素子１は、ｎ型半導体層１４が、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであるので、発光層１５において発生したランダムな方向の光が、バッファ層１２およびｎ型半導体層１４の間隙で効率よく反射されることの相乗効果によって、基板１１の表面に対して垂直に近い方向の光の割合が効果的に増加されて、基板１１の表面に対して水平な発光素子１と外部との光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、発光層１５で発生した光が、発光素子１からより一層効率よく取り出されるものとなる。
【００９７】
さらに、本実施形態の発光素子１は、ｐ型半導体層１６が、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するものであるので、発光層１５において発生したランダムな方向の光のうち、基板１１側に出射された光がバッファ層１２およびｎ型半導体層１４の間隙で反射されることと、基板１１と反対側に出射された光がｐ型半導体層１６の間隙で反射されることの相乗効果によって、基板１１の表面に対して垂直に近い方向の光の割合が効果的に増加されて、基板１１の表面に対して水平な発光素子１と外部との光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、発光層１５で発生した光が、発光素子１から非常に効率よく取り出されるものとなる。
【００９８】
また、本実施形態の発光素子１では、バッファ層１２の柱状結晶１１２の天面が、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものであるので、バッファ層１２上にスパッタ法によりｎ型半導体層１４の下地層１４ａを設けることにより、バッファ層１２の間隙１２ｂが、下地層１４ａに受け継がれるものとなり、柱状結晶の側面間に間隙を有する下地層１４ａをバッファ層１２上に容易に形成できる。
【００９９】
また、本実施形態の発光素子１では、ｎ型半導体層１４の柱状結晶の天面が、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものであるので、柱状結晶の天面が窒素リッチな表面である良好な結晶からなるｎ型半導体層１４となる。したがって、良好な結晶性を有するｎ型半導体層１４上に高輝度の発光を呈する発光層１５が形成できる。
【０１００】
また、本実施形態の発光素子１では、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂの柱状結晶の天面が、（３×１）又は（６×２）再配列構造を有するものであるので、ｎ型コンタクト層１４ｂ上に接触抵抗の小さなオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性電極を形成することができる。したがって、高輝度で、且つ順方向電圧の低い優れた発光素子１を提供できる。
【０１０１】
また、本実施形態の発光素子１では、発光層１５が、基板１１の表面方向に発達した連続性のあるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなり、ｎ型クラッド層１４ｃの表面に露出している間隙を天蓋の如く覆うように形成され、バッファ層１２およびｎ型半導体層１４と比較して大きな平面積を有するものであるので、電流を注入した際に発光する面積を大きくすることができ、本実施形態の発光素子１を用いて得られた発光ダイオードの発光出力を向上できる。また、ｎ型クラッド層１４ｃの間隙を天蓋のごとく覆う発光層１５上に、ｐ型半導体層１６を形成することで、発光層１５と連続した膜としてｐ型半導体層１６を形成できるので、電流を平面方向に効率的に広げることが可能となる。
【０１０２】
また、本実施形態の発光素子１の製造方法によれば、バッファ層１２、ｎ型半導体層１４、ｐ型半導体層１６をスパッタ法で形成するので、基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした略六角柱状の柱状結晶の集合体からなり、且つ、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有するバッファ層１２、ｎ型半導体層１４、ｐ型半導体層１６を有する本実施形態の発光素子１を容易に得ることができる。
【０１０３】
また、本実施形態の発光素子１の製造方法において、ＲＨＥＥＤ分析装置を備えたスパッタ装置を用いて、バッファ層１２とｎ型半導体層１４とを連続して形成した場合、再配列構造を確認しつつ、バッファ層１２及びｎ型半導体層１４を簡便に形成できる。
また、バッファ層１２とｎ型半導体層１４とを連続してスパッタ法で形成することで、バッファ層１２の間隙１２ｂを受け継いで生じた間隙を有するｎ型半導体層１４の下地層１４ａを容易に形成でき、バッファ層１２に含まれる間隙１２ｂと平面形状が同じで、且つ、間隙１２ｂの横幅も略同一の間隙１２ｂを有する下地層１４ａを形成できる。
【０１０４】
なお、本実施形態の製造方法では、発光素子１の半導体層２０のうち、バッファ層１２、ｎ型半導体層１４、ｐ型半導体層１６をスパッタ法によって形成する方法を例に挙げて説明したが、本発明の製造方法は上述した例に限定されるものではなく、少なくともバッファ層１２がスパッタ法によって形成されていればよい。具体的には、例えば、ｎ型半導体層１４およびｐ型半導体層１６は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法などの化学的気相成長法を用いて形成されていてもよい。
【０１０５】
また、本実施形態では、第１の伝導形をｎ形、第２の伝導形をｐ形とした場合を例に挙げて説明したが、本発明は上述した例に限定されるものではなく、第１の伝導形をｐ形、第２の伝導形をｎ形としてもよい。第１の伝導形をｐ形、第２の伝導形をｎ形とし、第２の障壁層をスパッタ法で形成する場合には、ガス雰囲気がアンモニア（ＮＨ３）などの水素原子を含む窒素源を含むものであってもよい。
【０１０６】
また、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。
【０１０７】
［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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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１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２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４ではフレーム３１）に接着され、発光素子１の負極（図２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で封止されている。
【０１１０】
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高輝度のものとなる。
また、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】
【０１１１】
以下、本発明を、実施例を示してより詳細に説明する。しかし、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。
（実施例１）
図１および図２に示す発光素子１を以下に示すように製造した。
まず、スパッタ法を用いて、第一のスパッタチャンバ内で、サファイアからなる基板１１のｃ面上に、ＡｌＮ層からなるバッファ層１２を形成し、第二のスパッタチャンバ内で、アンドープのＧａＮ層からなる下地層１４ａと、ＳｉドープのＧａＮ層からなるｎコンタクト層１４ｂとを形成した。
【０１１２】
より詳細には、片面のみをエピタキシャル成長に使用できる程度に鏡面研磨したサファイアからなる基板１１を用意し、湿式の前処理を行わずに第一のスパッタチャンバ内へ導入した。バッファ層１２の成膜に使用するスパッタ装置としては、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持つものを用いた。
そして、第一のスパッタチャンバ内で基板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、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で、基板表面を洗浄した。
【０１１３】
続いて、アルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板１１の温度を５００℃まで低下させた。
その後、１ｋＷの高周波バイアスを金属Ａｌターゲットに印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍ流通させた条件で、初期スパッタ工程を５秒間行った。
【０１１４】
その後、２０００Ｗの高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５ｓｃｃｍ流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は２５％）で、基板１１上にＡｌＮ層からなるバッファ層１２を成膜した。成長速度は０．１２ｎｍ／ｓであった。なお、ターゲット内のマグネットは、基板１１の洗浄の際もバッファ層１２の成膜の際も回転させておいた。そして、５０ｎｍのＡｌＮ層を成膜後、プラズマを立てるのを止めた。
【０１１５】
続いて、バッファ層１２の成膜された基板１１を第二のスパッタチャンバ内に搬送した。下地層１４ａおよびｎコンタクト層１４ｂの成膜に使用するスパッタ装置としては、高周波式の電源を持ち、四角形のＧａターゲット内をマグネットがスイープすることで磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を持つものを用いた。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。
その後、１ｋＷの高周波バイアスを金属Ｇａターゲットに印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍ流通させた条件で、初期スパッタ工程を５秒間行った。
【０１１６】
その後、バッファ層１２の成膜された基板１１の設置された第二の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１１の温度を１０００℃まで上昇させた。そして、２０００Ｗの高周波バイアスを金属Ｇａターゲット側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５ｓｃｃｍ流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は２５％）で、バッファ層１２上にアンドープのＧａＮ層からなる下地層１４ａを成膜した。成長速度は、おおよそ１ｎｍ／ｓであった。そして、６μｍのアンドープのＧａＮ層を成膜後、プラズマを立てるのを止めた。
【０１１７】
その後、１ｋＷの高周波バイアスを金属Ｇａターゲットに印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍ流通させた条件で、初期スパッタ工程を５秒間行った。
続いて、同じ第二のスパッタチャンバ内で、基板１１の温度、金属Ｇａターゲットに印加するパワー、炉内の圧力、ガス雰囲気の各条件を下地層１４ａの成膜時と同じとしたまま、第二のスパッタチャンバ内に設置したＳｉターゲットへパワーを導入して、金属Ｇａターゲットと同時にＳｉターゲットをスパッタすることによってＳｉを気相中に取り出し、ＧａＮ結晶中にＳｉをドープした。これにより、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層からなるｎコンタクト層１４ｂを成膜した。成長速度は１ｎｍ／ｓｅｃであった。その後、上記の成長方法で作製したｎコンタクト層１４ｂまでの各層が形成された基板１１を第二のスパッタチャンバから取り出した。
【０１１８】
以上の工程により、下から順に、バッファ層１２、下地層１４ａ、ｎコンタクト層１４ｂの形成された基板１１を得た。ここで得られたｎコンタクト層１４ｂまでの各層が形成された基板１１は無色透明のミラー状を呈した。
【０１１９】
そして、上記の成長方法で作製した下地層１４ａを構成するアンドープのＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を行った。この測定は、Ｃｕβ線Ｘ線発生源を光源として用い、対称面である（０００２）面と非対称面である（１０−１０）面で行った。一般的に、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体の場合、（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（ＸＲＣ）測定の結果、実施例１の方法で作製した下地層１４ａは、（０００２）面の測定では半値幅２０ａｒｃｓｅｃ、（１０−１０）面では半値幅８００ａｒｃｓｅｃを示した。
【０１２０】
また、上記の成長方法で作製したｎコンタクト層１４ｂまでの各層が形成された基板１１を一般的な断面透過型電子顕微鏡（英略号：ＴＥＭ）にて観察した。断面からＴＥＭにて観察した結果、バッファ層１２からｎコンタクト層１４ｂにかけて一様な結晶膜とはなっておらず、バッファ層１２からｎコンタクト層１４ｂの全ての層が、図３（ｂ）に示すような基板１１の表面の垂直方向を長軸方向とした柱状結晶の集合体であって、隣接する柱状結晶の側面間に間隙を有していることが確認できた。また、同じサンプルを平面方向に薄膜化してＴＥＭにて観察した結果、各柱状結晶が、図３（ａ）に示すような六角柱状であって、六角柱状の柱状結晶が集合して集合体とされていることが確認できた。
【０１２１】
更に、上記の成長方法でアンドープのＧａＮ層からなる下地層１４ａまでの各層が形成された基板１１を真空中に導入し、反射式高エネルギー電子線回折（英略号：ＲＨＥＥＤ）と呼ばれる方法にて下地層１４ａを構成する結晶の配列を調査した。その結果、下地層１４ａを構成する柱状結晶の天面が（３×１）又は（６×２）再配列構造を有することが確認できた。
【０１２２】
その後、ｎコンタクト層１４ｂまでの各層が形成された基板１１の上に、ｎ型クラッド層１４ｃ、発光層１５、ｐ型クラッド層１６ａ、ｐ型コンタクト層１６ｂをＭＯＣＶＤ法にて連続して形成した。
まず、ｎコンタクト層１４ｂまでの各層が形成された基板１１を、ＭＯＣＶＤチャンバ内へ搬送した。その後、チャンバ内を窒素で置換した状態で、基板１１の温度を１０００℃まで上昇させ、ｎコンタクト層１４ｂの最表面に付着した汚れを昇華させて除去した。昇温中、３００℃から原料ガスであるアンモニアの流通を開始した。
その後、炉内の圧力を４００ｍｂａｒとし、基板１１の温度を７５０℃とし、キャリアガスを窒素にした。そして、炉内の圧力と温度が安定するのを待って、バルブを切り替えて、原料であるＴＥＧ、ＴＭＩの炉内への供給を開始し、ＳｉドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層からなるｎ型クラッド層１４ｃの成長を行った。これにより、２０ｎｍのＳｉをドープしたＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層からなるｎ型クラッド層１４ｃを形成した。
【０１２３】
続いて、ｎ型クラッド層１４ｃ上に、ＧａＮ層からなる障壁層１５ａとＩｎＧａＮ層からなる井戸層１５ｂとからなる多重量子井戸構造の発光層１５を作製した。多重量子井戸構造の作製にあたっては、ＳｉドープしたＩｎＧａＮ層からなるｎ型クラッド層１４ｃ上に、始めにＧａＮからなる障壁層１５ａを形成し、その障壁層１５ａ上にＩｎＧａＮ層からなる井戸層１５ｂを形成した。この構造を５回繰り返し積層したのち、５番目の井戸層１５ｂ上に、６番目の障壁層１５ａを形成し、多重量子井戸構造２０の両側が障壁層１５ａからなる構造とした。
【０１２４】
すなわち、ｎ型クラッド層１４ｃの最表面に付着した汚れを除去した後、基板１１の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧのバルブを切り替えてＴＥＧの炉内への供給を行い、ＧａＮ層からなる障壁層１５ａを成長した。これにより、１６ｎｍの膜厚を成す障壁層１５ａを形成した。
その後、基板１１の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧとＴＭＩのバルブを切り替えてＴＥＧとＴＭＩの炉内への供給を行い、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層からなる井戸層１５ｂを成長した。これにより３ｎｍの膜厚を成すＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層からなる井戸層１５ｂを形成した。
【０１２５】
そして、井戸層１５ｂの成長終了後、再び障壁層１５ａの成長を行った。このような手順を５回繰り返し、５層の障壁層１５ａと５層の井戸層１５ｂを作製した。更に、最後の井戸層１５ｂ上に障壁層１５ａを形成して、発光層１５とした。
【０１２６】
このようにして得られた発光層１５上に、引き続きＭＯＣＶＤ法を用いて、ＭｇをドープしたＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層からなるｐ型クラッド層１６ａを作製した。
まず、炉内の圧力を２００ｍｂａｒ、基板１１の温度を１０２０℃とし、キャリアガスを窒素から水素に変更した。そして、炉内の圧力と温度が安定するのを待って、ＴＥＧとＴＭＡと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、ＭｇドープのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層からなるｐ型クラッド層１６ａの成長を行った。これにより、５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層からなるｐ型クラッド層１６ａを形成した。
【０１２７】
このようにして得られたｐ型クラッド層１６ａ上に、ＭｇドープのＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層からなるｐ型コンタクト層１６ｂを作製した。
すなわち、温度、圧力、キャリアガスをｐ型クラッド層１６ａ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、ｐ型コンタクト層１６ｂの成長を行った。Ｃｐ２Ｍｇを流通させる量は事前に検討してあり、ＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層からなる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、膜厚０．２μｍの膜厚を成すＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層からなるｐ型コンタクト層１６ｂを形成した。
【０１２８】
ｐ型コンタクト層１６ｂの成長を終了した後、ヒータを停止して、基板１１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の成長を終了した直後、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て、ロードロックを通じてウェーハをウエーハトレイごと大気中に取り出した。
【０１２９】
以上の工程により、図４に示す積層半導体１０を得た。得られた積層半導体１０は、ｃ面を有するサファイアからなる基板１１上に、基板１１側から順に、５０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層１２、６μｍのアンドープＧａＮ層からなる下地層１４ａ、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層からなるｎコンタクト層１４ｂ、１×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２０ｎｍのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層からなるｎクラッド層１４ｃ、ＧａＮ障壁層に始まりＧａＮ障壁層に終わる、層厚を１６ｎｍとしたＧａＮからなる６層の障壁層１５ａと、層厚を３ｎｍとした５層のノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂとからなる多重量子井戸構造の発光層１５、５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層からなるｐ型クラッド層１６ａ、膜厚０．２μｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層からなるｐ型コンタクト層１６ｂを積層した構造を有するものであった。
【０１３０】
得られた積層半導体１０を構成するｐ型クラッド層１６ａおよびｐ型コンタクト層１６ｂは、ｐ型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもｐ型を示した。
【０１３１】
次に、積層半導体１０を用いて図１および図２に示す発光素子１を作製した。
まず、積層半導体１０のｐ型コンタクト層１６ｂの表面上に、公知のフォトリソグラフィーによって、ＩＴＯからなる透光性正極１７と、その上に透光性正極１７の表面側から順にＴｉ、Ａｌ、Ａｕを積層した構造を有する正極ボンディングパッド１８とを形成し、ｐ側電極とした。
その後、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を露出させた。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Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＡｕの４層よりなる負極１９を形成し、ｎ側電極とすることにより、図１および図２に示す発光素子１を得た。
【０１３２】
このようにして得られた発光素子１の基板１１の裏側を、研削及び研磨してミラー状の面とし、３５０μｍ角の正方形のチップに切断した。その後、得られたチップを各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。
この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ところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．０Ｖであった。また、ｐ側の透光性正極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１５ｍＷを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】図１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２】図２は、図１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３】図３は、本実施形態のバッファ層を構成する結晶構造を模式的に示した概略図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線に対応する断面図である。
【図４】図４は、図１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】
【０１３４】
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（緩衝層）、１２ａ…側面、１２ｂ…間隙、１４…ｎ型半導体層（第１伝導形の第１障壁層）、１４ａ…下地層、１４ｂ…ｎ型コンタクト層、１４ｃ…ｎ型クラッド層、１５…発光層、１６…ｐ型半導体層（第２伝導形の第２障壁層）、１６ａ…ｐ型クラッド層、１６ｂ…ｐ型コンタクト層、１７…透光性正極、１８…正極ボンディングパッド、１９…負極、１１２…柱状結晶。
【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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