(57)【要約】【課題】良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって効率よく成膜することができるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置、並びにＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】スパッタチャンバ４１内に基板１１及びＧａ元素を含有するターゲット４７を配置し、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって、基板１１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法であり、スパッタチャンバ４１内に、基板１１を加熱するヒータ４４と、プラズマ発生空間７０を取り囲むシールド部材５０と、該シールド部材５０を冷却するパイプ部材（冷却手段）５１とが備えられ、ヒータ４４によって基板１１を加熱するとともに、パイプ部材５１によってシールド部材５０を冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタチャンバ内に基板及びＧａ元素を含有するターゲットを配置し、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって、前記基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
前記スパッタチャンバ内に、前記基板を加熱するヒータと、プラズマ発生空間を取り囲むシールド部材と、該シールド部材を冷却する冷却手段とが備えられ、前記ヒータによって前記基板を加熱するとともに、前記冷却手段によって前記シールド部材を冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記冷却手段が、前記シールド部材に取り付けられるとともに、冷媒が流通される流路を有することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するパイプ部材であることを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するプレート部材であることを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記冷却手段により、前記シールド部材のプラズマ発生空間側の面を５０℃以下に冷却することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記基板の温度が３００℃〜１２００℃の囲とされていることを特徴とする請求項１〜５の何れか1項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の前記スパッタチャンバ内の圧力が０．０１〜１０Ｐａの範囲であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層して半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体層の少なくとも一部を、請求項１〜７の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層を積層し、該中間層上に、前記半導体層をなすｎ型半導体層を形成することを特徴とする請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
スパッタチャンバ内に基板及びＧａ元素を含有するターゲットを配置し、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって、前記基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成するＩＩＩ族窒化物半導体製造装置であって、
前記スパッタチャンバ内に、前記基板を加熱するヒータと、プラズマ発生空間を取り囲むシールド部材と、該シールド部材を冷却する冷却手段とが備えられることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
【請求項１１】
前記冷却手段が、前記シールド部材に取り付けられるとともに、冷媒が流通される流路を有することを特徴とする請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
【請求項１２】
前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するパイプ部材であることを特徴とする請求項１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
【請求項１３】
前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するプレート部材であることを特徴とする請求項１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
【請求項１４】
請求項８又は９に記載の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなる半導体層が備えられ、該半導体層の少なくとも一部が、請求項１２〜１３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置で形成された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１６】
請求項１４又は１５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、電子デバイス等に、好適に用いられ、一般式ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に関し、特に、反応性スパッタ法を用いてＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するためのＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、可視光から紫外光領域の範囲に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有し、発光効率に優れていることから、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子として製品化され、各種用途で使用されている。また、電子デバイスに用いた場合でも、ＩＩＩ族窒化物半導体は、従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた場合に比べて優れた特性が得られるポテンシャルを有している。
【０００３】
このようなＩＩＩ族窒化物半導体は、一般的に、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料として、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって製造されている。ＭＯＣＶＤ法は、キャリアガスに原料の蒸気を含ませて基板表面に運搬し、加熱された基板表面で原料を分解させることにより、結晶を成長させる方法である。
また、従来、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶ウェーハは市販されておらず、ＩＩＩ族窒化物半導体としては、異なる材料の単結晶ウェーハ上に結晶を成長させて得る方法が一般的である。
【０００４】
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を反応性スパッタ法によって製造する研究も行われており、例えば、高抵抗のＧａＮを積層することを目的とし、サファイア基板上に、スパッタ法によってＧａＮを直接成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。このような反応性スパッタ法を用いてＧａＮを成膜する場合、設備が安価で済むことや、工程が安定化する等の利点がある。
また、Ｎ２ガスを用いた高周波マグネトロンスパッタリングにより、Ｓｉの（１００）面、及びＡｌ２Ｏ３の（０００１）面上にＧａＮ層を成膜する方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
また、カソードと固体状のターゲットとを向かい合わせ、基板とターゲットとを向かい合わせた状態としてスパッタを行い、ＧａＮ層を成膜する方法及び製造装置が提案されている（例えば、非特許文献２）。
【特許文献１】特開昭６０−０３９８１９号公報
【非特許文献１】牛玖  由紀子（Ｙ．ＵＳＨＩＫＵ）他、「２１世紀連合シンポジウム論文集」、Ｖｏｌ．２ｎｄ、ｐ２９５（２００３）、
【非特許文献２】ティー・キクマ（Ｔ．Ｋｉｋｕｍａ）他、「バキューム（Ｖａｃｕｕｍ）」、Ｖｏｌ．６６、Ｐ２３３（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
反応性スパッタ法によってＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を成膜する場合、基板の温度を、例えば７００℃以上の高温に保持しながら制御し、規定の成膜条件を常に再現することが重要となる。
しかしながら、本発明者等が鋭意研究したところ、上記特許文献１及び非特許文献１、２に記載されたような、従来のスパッタ装置及び方法によってＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成膜する場合、７００℃もの高温とされた基板等がスパッタチャンバ内に置かれることにより、スパッタチャンバの内壁、或いは、プラズマ発生空間を取り囲むように設置されたシールド部材のプラズマ発生空間側の面が、基板からの輻射熱を受けて高温となることが明らかとなった。このため、スパッタチャンバの内壁或いはシールド部材の温度が、成膜中又は成膜を繰り返す間に徐々に上昇することから、これら周囲部材の温度上昇の影響によって基板の温度が高温側にシフトし、基板上に成膜される半導体層の膜質が不安定になる虞があることが明らかとなった。また、スパッタチャンバ内の炉壁に付着するデポジション等の物性が変化し、この物性変化により、スパッタチャンバ内の温度が変化することも、基板の温度が変化する要因となっている。
【０００７】
また、反応性スパッタ法によって成膜される半導体層の膜質が不安定になる原因として、スパッタチャンバやシールド部材にプラズマの対流が接触した際、これらスパッタチャンバやシールド部材の表面温度上昇による影響を受け、プラズマ分布が一定しないこと等が考えられる。
このため、反応性スパッタ法によってＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成膜する際、基板温度を適正に管理するとともに、スパッタチャンバ内におけるプラズマの状態を安定させ、良好な特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体の層を、高効率で安定して基板上に成膜することが可能な方法及び装置が望まれていた。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって効率よく成膜することができるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置、並びにＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、上記製造方法及び製造装置によって得られ、発光特性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子並びにランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成膜する際、プラズマの発生空間並びに基板が取り付けられるヒータやターゲット、ターゲット皿を取り囲むように配されるシールド部材の温度を管理することにより、スパッタチャンバ内において、基板の温度やプラズマ分布状態等を適正に制御することが可能となり、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を、高効率で安定して基板上に成膜できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
【００１０】
［１］  スパッタチャンバ内に基板及びＧａ元素を含有するターゲットを配置し、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって、前記基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、前記スパッタチャンバ内に、前記基板を加熱するヒータと、プラズマ発生空間を取り囲むシールド部材と、該シールド部材を冷却する冷却手段とが備えられ、前記ヒータによって前記基板を加熱するとともに、前記冷却手段によって前記シールド部材を冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［２］  前記冷却手段が、前記シールド部材に取り付けられるとともに、冷媒が流通される流路を有することを特徴とする［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［３］  前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するパイプ部材であることを特徴とする［２］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［４］  前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するプレート部材であることを特徴とする［２］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［５］  前記冷却手段により、前記シールド部材のプラズマ発生空間側の面を５０℃以下に冷却することを特徴とする［１］〜［４］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１１】
［６］  前記基板の温度が３００℃〜１２００℃の囲とされていることを特徴とする［１］〜［５］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
［７］  ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際の前記スパッタチャンバ内の圧力が０．０１〜１０Ｐａの範囲であることを特徴とする［１］〜［６］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【００１２】
［８］  基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層して半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体層の少なくとも一部を、［１］〜［７］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［９］  前記基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層を積層し、該中間層上に、前記半導体層をなすｎ型半導体層を形成することを特徴とする［８］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００１３】
［１０］  スパッタチャンバ内に基板及びＧａ元素を含有するターゲットを配置し、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって、前記基板上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成するＩＩＩ族窒化物半導体製造装置であって、前記スパッタチャンバ内に、前記基板を加熱するヒータと、プラズマ発生空間を取り囲むシールド部材と、該シールド部材を冷却する冷却手段とが備えられることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
［１１］  前記冷却手段が、前記シールド部材に取り付けられるとともに、冷媒が流通される流路を有することを特徴とする［１０］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
［１２］  前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するパイプ部材であることを特徴とする［１１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
［１３］  前記冷却手段が、冷媒が流通される流路を有するプレート部材であることを特徴とする［１１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置。
【００１４】
［１４］  上記［８］又は［９］に記載の製造方法で得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
［１５］  基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなる半導体層が備えられ、該半導体層の少なくとも一部が、[１０]〜［１３］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体製造装置で形成された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。
［１６］  上記［１４］又は［１５］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置によれば、反応性スパッタ法でＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を基板上に成膜するにあたり、スパッタチャンバ内に、基板を加熱するヒータと、プラズマ発生空間を取り囲むシールド部材と、該シールド部材を冷却する冷却手段とが備えられ、ヒータによって前記基板を加熱するとともに、冷却手段によってシールド部材を冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法及び装置としたので、シールド部材の温度管理が容易になる。これにより、スパッタチャンバ内における基板の温度やプラズマ分布状態等を適正に制御することが可能となり、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を、高効率で安定して基板上に成膜することが可能となる。
【００１６】
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、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層して形成する半導体層の少なくとも一部を、上記製造方法によって形成する方法なので、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を備え、優れた発光特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、並びにランプの一実施形態について、図１〜図５（ａ）、（ｂ）を適宜参照しながら説明する。
【００１８】
［ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置］
本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法について、図５（ａ）、（ｂ）に示すスパッタ装置（ＩＩＩ族窒化物半導体製造装置）４０を用いた場合を例に説明する。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、スパッタチャンバ４１（図５（ａ）、（ｂ）参照）内に基板１１（図１〜３を参照）及びＧａ元素を含有するターゲット４７（図５（ａ）、（ｂ）参照）を配置し、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって、基板１１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法であり、スパッタチャンバ４１内に、基板１１を加熱するヒータ４４と、プラズマ発生空間７０を取り囲むシールド部材５０と、該シールド部材５０を冷却するためのパイプ部材（冷却手段）５１とが備えられ、ヒータ４４によって基板１１を加熱するとともに、パイプ部材５１に冷媒を流通させることにより、シールド部材５０のプラズマ発生空間７０側の内面（面）５０ａを冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法である。
また、図５（ａ）、（ｂ）に示す例のスパッタ装置４０は、チャンバ４１の外部に備えられる通水ポンプ６０により、シールド部材５０の外周面５０ｂに巻き付けられるように備えられるパイプ部材５１に、配管６１を介して冷却水を通水及び循環させることができるように構成されている。
【００１９】
＜ＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造＞
図１は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一例を説明するための図であり、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体が形成された積層半導体の一例を示す概略断面図である。図１に示す積層半導体１０は、基板１１上にＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２が積層され、該中間層１２上に、ｎ型半導体層１４、発光層１５、及びｐ型半導体層１６が順次積層されてなる半導体層２０が形成されている。
本実施形態の半導体層２０は、少なくとも一部が、上記本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成されるものである。
以下、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造について詳述する。
【００２０】
『基板』
本実施形態において、基板１１に用いることができる材料としては、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、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。この中でも、サファイア、ＳｉＣ等の六方晶構造を有する材料を基板に用いることが、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を積層できる点で好ましい。
また、基板の大きさとしては、通常は直径２インチ程度のものが用いられるが、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体では、直径４〜６インチの基板を使用することも可能である。
【００２１】
なお、アンモニアを使用せずに中間層（バッファ層）を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述のｎ型半導体層を構成する下地層を成膜することにより、上記基板材料の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用いた場合には、本実施形態の中間層がコート層として作用するので、基板の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。また、一般的に、スパッタ法は基板の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板を用いた場合でも、基板１１にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
【００２２】
『中間層』
本実施形態の積層半導体１０は、基板１１上に、金属原料とＶ族元素を含んだガスとがプラズマで活性化されて反応することにより、ＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層１２が成膜されている。本実施形態のような、プラズマ化した金属原料を用いた方法で成膜された膜は、配向が得られ易いという作用がある。
【００２３】
ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、六方晶系の結晶構造を持ち、成膜条件をコントロールすることにより、単結晶膜とすることができる。
また、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、六角柱を基本とした集合組織を形成しやすい面もあり、特に、プラズマ化した金属材料を用いた成膜方法によって形成した膜は柱状結晶となりやすい。ここで説明する柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
【００２４】
中間層１２は、単結晶構造であることが、バッファ機能の面から好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、六方晶系の結晶を有し、六角柱を基本とした組織を形成する。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成膜時のプラズマ化の条件を制御することにより、面内方向にも成長した結晶を成膜することが可能となる。このような単結晶構造を有する中間層１２を基板１１上に成膜した場合、中間層１２のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されるＩＩＩ族窒化物半導体は、良好な配向性及び結晶性を持つ結晶膜となる。
【００２５】
中間層１２の膜厚は、２０〜４０ｎｍの範囲とされていることが好ましい。中間層１２の膜厚をこの範囲とすることにより、良好な結晶性を有し、また、中間層１２上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層を成膜する際に、コート層として有効に機能する中間層１２が得られる。中間層１２の膜厚が２０ｎｍ未満だと、上述したコート層としての機能が充分でなくなる虞がある。また、４０ｎｍを超える膜厚で中間層１２を形成した場合、コート層としての機能には変化が無いのにも関わらず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、中間層１２は、基板１１の表面１１ａの少なくとも９０％を覆うように形成されていることが、コート層としての機能上、好ましい。
【００２６】
中間層１２は、Ａｌを含有する組成とされていることが好ましく、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。中でも、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、中間層１２は、ＡｌＮからなる構成とすることにより、効率的に六角柱集合体とすることができるので、より好ましい。
【００２７】
また、中間層１２を構成する材料としては、ＩＩＩ族窒化物半導体と同じ結晶組織を有するものであれば、どのような材料でも用いることができるが、格子の長さが後述の下地層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体に近いものが好ましく、特に周期表のＩＩＩａ族元素の窒化物が好適である。
【００２８】
『半導体層』
図１に示すように、本実施形態の積層半導体１０は、基板１１上に、上述のような中間層１２を介して、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなり、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６から構成される半導体層２０が積層されてなる。また、図示例の積層半導体１０は、ｎ型半導体層１４に備えられた下地層１４ａが中間層１２上に積層されている。
【００２９】
ＩＩＩ族窒化物半導体としては、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多数知られており、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含めて一般式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を何ら制限なく用いることができる。
【００３０】
窒化ガリウム系化合物半導体は、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。
【００３１】
「ｎ型半導体層」
ｎ型半導体層１４は、通常、前記中間層１２上に積層され、下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃから構成される。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が、下地層が、ｎ型コンタクト層、及び、ｎ型クラッド層を兼ねることも可能である。
【００３２】
｛下地層｝
本実施形態の下地層１４ａはＩＩＩ族窒化物半導体からなり、スパッタ法によって中間層１２上に積層して成膜される。
【００３３】
下地層１４ａに用いる材料としては、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物化合物、即ちＧａＮ系化合物半導体が用いられ、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮを好適に用いることができる。
また、中間層１２を、単結晶ではなく、ＡｌＮからなる柱状結晶の集合体として構成した場合には、中間層の結晶性をそのまま引き継がないように、マイグレーションによって転位をループ化させる必要があるが、上述のようなＧａＮ系化合物半導体、特に、ＡｌＧａＮ又はＧａＮは転位のループ化を生じやすい材料であるため、好適に用いることができる。
【００３４】
下地層１４ａの膜厚は、０．１〜８μｍの範囲とすることが、結晶性の良好な下地層が得られる点で好ましく、０．１〜２μｍの範囲とすることが、成膜に要する工程時間を短縮でき、生産性が向上する点でより好ましい。
【００３５】
下地層１４ａは、必要に応じて、ドナー不純物（ｎ型不純物）が１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内でドープされた構成としても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）の構成とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性を維持できる点で好ましい。
基板１１が導電性である場合には、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、発光素子の上下に電極を形成することができる。一方、基板１１に絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子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ので好ましい。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が挙げられる。
【００３６】
｛ｎ型コンタクト層｝
本実施形態のｎ型コンタクト層１４ｂはＩＩＩ族窒化物半導体からなり、スパッタ法によって下地層１４ａ上に積層して成膜される。
ｎ型コンタクト層１４ｂとしては、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。また、上述したように、ｎ型コンタクト層１４ｂは、下地層を兼ねた構成とすることもできる。
【００３７】
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。
【００３８】
｛ｎ型クラッド層｝
上述のｎ型コンタクト層１４ｂと詳細を後述する発光層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改善することができる。ｎ型クラッド層１４ｃは、スパッタ法やＭＯＣＶＤ法等を用いて、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。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。
【００３９】
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におけるｎ型不純物のドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲とされていることが好ましく、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。
【００４０】
「ｐ型半導体層」
ｐ型半導体層１６は、通常、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂから構成され、反応性スパッタ法やＭＯＣＶＤ法を用いて成膜されてなる。また、ｐ型コンタクト層がｐ型クラッド層を兼ねる構成とすることもできる。
【００４１】
本実施形態のｐ型半導体層１６は、導電性をｐ型に制御するためのドーパントとして、アクセプター不純物が添加されてなる。アクセプター不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｍｇを用いることが好ましく、また、同様にＢｅやＺｎを用いることも可能である。
【００４２】
｛ｐ型クラッド層｝
ｐ型クラッド層１６ａとしては、詳細を後述する発光層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。
ｐ型クラッド層１６ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。
【００４３】
ｐ型クラッド層１６ａにアクセプター不純物を添加することによって得られるｐ型ドープ濃度が、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲とされていることが好ましく、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。
【００４４】
｛ｐ型コンタクト層｝
ｐ型コンタクト層１６ｂとしては、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。
ｐ型コンタクト層１６ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０〜２００ｎｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００４５】
また、ｐ型コンタクト層１６ｂにアクセプター不純物を添加することによって得られるｐ型ドープ濃度が、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲とされていると、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。
【００４６】
「発光層」
発光層１５は、ｎ型半導体層１４上に積層されるとともにｐ型半導体層１６がその上に積層される層であり、反応性スパッタ法の他、従来公知のＭＯＣＶＤ法等を用いて成膜することもできる。また、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層１５ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１５ｂとが交互に繰り返して積層されてなり、図示例では、ｎ型半導体層１４側及びｐ型半導体層１６側に障壁層１５ａが配される順で積層して形成されている。
【００４７】
障壁層１５ａとしては、例えば、インジウムを含有した窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層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】
また、発光層１５全体の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚であることが好ましい。例えば、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】
＜製造方法＞
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、上述したように、スパッタチャンバ４１内に基板１１及びＧａ元素を含有するターゲット４７を配置し、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって、基板１１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法であり、スパッタチャンバ４１内に、基板１１を加熱するヒータ４４と、プラズマ発生空間７０を取り囲むシールド部材５０と、該シールド部材５０を冷却するためのパイプ部材５１とが備えられ、ヒータ４４によって基板１１を加熱するとともに、パイプ部材５１に冷媒を流通させることにより、シールド部材５０のプラズマ発生空間７０側の内面５０ａを冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法である。
【００５０】
本実施形態の製造方法では、基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、図１に示すような積層半導体１０を形成する際、基板１１上に中間層１２を成膜し、その上に半導体層２０を形成する。
この際、本発明に係る製造方法では、半導体層２０を構成する各層の内の少なくとも一部を、以下に詳述する方法で反応性スパッタ法を用いて形成する。本実施形態で示す例では、中間層１２をスパッタ法によって形成した後、その上に、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａ及びｎ型コンタクト層１４ｂをスパッタ法、ｎ型クラッド層１４ｃ及び発光層１５をＭＯＣＶＤ法で形成し、そして、ｐ型半導体層１６を構成するｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層をスパッタ法で形成する方法としている。
【００５１】
本発明者等は、基板の温度を適正に管理するとともに、スパッタチャンバ内におけるプラズマの状態を安定させ、良好な特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体の層を、高効率で安定して基板上に成膜するために鋭意研究を行なった。その結果、スパッタ装置のスパッタチャンバ内において、プラズマを閉じ込めるように設置されるシールド部材を冷却して一定温度に保つことによって基板の温度変化を抑制し、さらに、シールド部材５０の内面５０ａに付着するデポジションの色ムラの発生を防止することで、基板の温度変化をより一層抑制することが可能であることを知見した。
【００５２】
『スパッタ装置（ＩＩＩ族窒化物半導体製造装置）』
以下に、本実施形態の製造方法で用いられ、ｎ型下地層１４ａ、ｎ型コンタクト層１４ｂ、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層を成膜するスパッタ装置の構成について、図５（ａ）、（ｂ）に例示するスパッタ装置４０を用いて詳述する。
【００５３】
図５（ａ）、（ｂ）に例示するスパッタ装置４０は、スパッタチャンバ４１内に、Ｇａ元素を含有するターゲット４７を配置するターゲット皿４３と、基板１１を加熱するヒータ４４と、プラズマ発生空間７０を取り囲むシールド部材５０と、該シールド部材５０を冷却するためのパイプ部材５１とが備えられ、ヒータ４４によって基板１１を加熱するとともに、パイプ部材５１に冷媒を流通させることにより、シールド部材５０のプラズマ発生空間７０側の内面５０ａを冷却しつつ、プラズマを用いた反応性スパッタ法によって基板１１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体を成膜する装置である。
【００５４】
ターゲット皿４３は、ターゲット４７が載置される電極であり、マッチングボックス４６に接続されている。また、ヒータ４４は、ターゲット４７（ターゲット皿４３）と対向するように基板１１が取り付けられるとともに、マッチングボックス４５が接続されるプレート状部材である。このようなマッチングボックス４６及び４５は、各々、電源４８に接続されており、電極４３にはマッチングボックス４６を介して電流が供給され、ヒータ４４にはマッチングボックス４５を介して電流が供給される。これにより、ターゲット４７にはパワーが印加され、基板１１にはバイアスが印加される。
上述のマッチングボックス４６及び４５は、スパッタ装置４０内部と、高周波の電源４８とのインピーダンスのマッチングをとるために設けられる。
【００５５】
シールド部材５０は、スパッタチャンバ４１内において、プラズマ発生空間７０を取り囲むように設けられており、図５（ａ）、（ｂ）に例示するスパッタ装置４０では、基板１１が取り付けられるヒータ４４、ターゲット４７が載置されるターゲット皿４３、及びプラズマ発生空間７０の各々を取り囲むように設置されている。また、本例のスパッタ装置４０は、図５（ｂ）に示すように、シールド部材５０が略円筒状の壁部として構成されている。
一般に、ＩＩＩ族窒化物半導体等を成膜するためのスパッタ装置においては、図５（ａ）、（ｂ）に例示するスパッタ装置４０のように、プラズマ発生空間７０の周囲を取り囲むようにして、シールド部材５０が備えられた構成とされている。このようなシールド部材５０を設けることにより、スパッタチャンバ４１において、プラズマ発生空間７０内からプラズマが拡散するのを抑制してプラズマを効果的にターゲット４７に作用させるとともに、プラズマの発生状態を安定させることが可能となる。これにより、基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を効率良く成膜することができるとともに、ターゲット４７が部分的に偏って減少するのを抑制でき、ターゲット使用効率が向上する。
【００５６】
チャンバ４１の炉壁の材質としては、特に限定されないが、一般に、ステンレス鋼板等の材料が用いられる。
また、シールド部材５０の材質としては、特に限定されないが、一般に、ステンレス、アルミ、インコネル、インバー、石英等の他、ステンレス鋼板で成型した部材の表面にＡｌ２Ｏ３やＡｌＮ等を被覆したもの等を用いることができ、スパッタ装置の仕様や形成される膜の成分等により、適宜選択して採用することができる。
【００５７】
本実施形態のスパッタ装置４０は、スパッタチャンバ４１内において、シールド部材５０の冷却手段としてパイプ部材５１が備えられており、図５（ａ）、（ｂ）に示す例では、上述した略円筒状のシールド部材５０の外周面５０ｂに対してパイプ部材５１が巻き付けられるように、溶接等の手段によって取り付けられた構成とされている。
また、本実施形態では、チャンバ４１の外部に備えられる通水ポンプ６０により、配管６１を介してパイプ部材５１に冷媒を流通及び循環させることができるように構成されている。
本実施形態のスパッタ装置４０は、上記構成により、シールド部材５０の内面５０ａを、冷媒が流通されるパイプ部材５１で冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を反応性スパッタ法で成膜することができる。
【００５８】
また、本実施形態のスパッタ装置４０は、反応性スパッタ法によって基板１１上に成膜されるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶に、必要に応じてドナー不純物あるいはアクセプター不純物をドーパント可能な構成とすることができる。この場合、例えば、詳細な図示を省略するが、スパッタチャンバ４１内にドーパント元素のターゲットを収容してＩＩＩ族窒化物半導体にドーピングする構成としても良いし、あるいは、スパッタチャンバ４１の外部にドーパント容器を設置し、このドーパント容器の中でドーパント元素を気化してスパッタチャンバ４１内に導入する構成としても良い。
【００５９】
本実施形態の製造方法で用いるスパッタ装置としては、ＲＦスパッタ法によって成膜処理を行う装置であることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法で成膜する場合、一般に、ＩＩＩ族金属をターゲットにし、スパッタ装置のチャンバ内に窒素原子含有ガス（窒素ガス：Ｎ２、アンモニア：ＮＨ３等）を導入し、気相中でＩＩＩ族金属と窒素を反応させる反応性スパッタ法（反応性リアクティブスパッタ法）を用いる。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ及びＤＣスパッタがあるが、本発明の製造方法のように反応性スパッタ法を用いた場合には、連続的に放電させるＤＣスパッタでは帯電が激しく、成膜速度のコントロールが困難となる。このため、本発明の製造方法では、ＲＦスパッタ法を用いることが好ましく、ＤＣスパッタ法を用いる場合には、パルス的にバイアスを与えることができるパルスＤＣスパッタ法が採用されたスパッタ装置を用いることが好ましい。
【００６０】
また、ＲＦスパッタを用いた場合には、帯電を回避する方法として、マグネットの位置をターゲット内で移動させることが好ましい。具体的な運動の方法は、使用するスパッタ装置によって選択することができ、揺動させたり、回転運動させたりすることができる。  図５に例示するスパッタ装置４０では、ターゲット４７の下方にマグネット４２が備えられ、このマグネット４２がターゲット４７の下方で回転運動できる構成とされている。
【００６１】
また、スパッタによってＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成する際には、より高エネルギーの反応種を基板に供給することが好ましいことから、スパッタ装置４０内において基板１１がプラズマ中に位置するように構成し、また、ターゲット４７と基板１１とが対面する位置関係として構成することが好ましい。また、基板１１とターゲット４７との間の距離を、１０〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましい。
また、スパッタチャンバ４１内には、できるだけ不純物を残さないことが好ましいので、スパッタ装置４０の到達真空度は、１．０×１０−３Ｐａ以下であることが好ましい。
【００６２】
なお、本実施形態のスパッタ装置４０は、該シールド部材５０に取り付けられるとともに、冷媒が流通される流路を有する冷却手段を備えてなり、図５（ａ）、（ｂ）に示す例では、前記冷却手段として、冷媒が流通される流路を有するパイプ部材５１が用いられた構成とされているが、これには限定されない。
例えば、冷媒が流通される流路が内部に備えられたプレート部材を用い、該プレート部材をシールド部材に取り付けた構成としても良いし、あるいは、シールド部材を肉厚とし、該シールド部材内部に流路が設けられた構成としても良く、適宜選択して用いれば良い。
【００６３】
また、パイプ部材５１に流通させる冷媒としては、水（冷却水）の他、空気、液体窒素、エチレングリコール、ガルデン等を適宜選択して用いることができ、これらの内、水（冷却水）が、安価で取り扱いに優れている点で好ましい。
【００６４】
また、シールド部材を冷却するための構成としては、上述のような冷媒を流通させる構成の他、シールド部材の外面に対して平行にガスを流通させるか、あるいはシールド部材の外面に対してガスを吹き付けるためのガス流通手段が備えられた構成とすることもできる。
この際に用いられるガスとしては、室温レベル（例えば２５℃等）の温度のガスであれば良く、あるいは、水素、ヘリウム、窒素、アルゴン等の低温ガスを用いることができる。これらのガスの内、冷却効率の観点では、熱交換効率の高い水素ガスを用いることが好ましいが、ガスの取り扱いの容易さを考慮した場合、窒素ガスやアルゴンガスを用いることが好ましい。
【００６５】
また、スパッタチャンバ４１内においてシールド部材５０が取り付けられる基台４９ａ、４９ｂに図示略の冷却手段を取り付けることにより、伝熱作用によってシールド部材５０を冷却する構成とすることもできる。但し、このような構成とした場合には、スパッタチャンバ４１内における温度分布にグラデーションが発生する虞があるので、特に高温となるヒータ４４側の基台４９ｂ側に冷却手段を取り付けることにより、スパッタチャンバ４１内における温度分布グラデーションを打ち消すことができるように冷却することが可能な構成とすることが好ましい。
【００６６】
また、シールド部材の温度を一定に保つためには、上記冷却手段に加え、シールド部材に加熱手段が備えられた構成とすることがより好ましい。例えば、シールド部材にリボン式のヒータを取り付け、該ヒータに通電する電流を制御することにより、炉壁（シールド部材の内面）の温度を一定に保つ構成としても良い。
【００６７】
『シールド部材を冷却しつつＩＩＩ族窒化物半導体を成膜する方法』
上述のようなスパッタ装置４０を用いて基板１１上に半導体層を成膜する際は、まず、スパッタチャンバ４１内に、例えばアルゴンガス及び窒素ガスを供給した状態とし、ヒータ４４内に設けられた図示略の加熱手段によってヒータ４４を発熱させ、基板１１を所定の温度、つまり、基板１１上に成長させられる各層の成長温度に加温する。
そして、基板１１が加温された状態で電極４３に電流を供給し、ターゲット４７にパワーを印加するとともに、ヒータ４４に電流を供給して、基板１１にバイアスを印加する。また、これと同時に、通水ポンプ６０によって、シールド部材５０の外周面５０ｂに巻き付けられたパイプ部材５１に冷却水を通水して循環させる。
【００６８】
このような操作により、Ｇａ元素を含有してなるターゲット４７がアルゴンガス及び窒素ガスのプラズマに曝され、ターゲット４７からＧａの粒子がプラズマ発生空間７０に向けて飛び出す。そして、このようなＧａの粒子が、ヒータ４４に取り付けられた基板１１、又は該基板１１上に積層された膜の表面にぶつかるように供給されることにより、基板１１上にＧａＮ（ＩＩＩ族窒化物半導体）からなる層が成膜される。また、この際、必要に応じて、図示略のドーパント元素を用いてドナー不純物やアクセプター不純物等のドーパントの粒子をスパッタチャンバ４１内に供給し、成膜される半導体層にドーピングすることができる。
【００６９】
本実施形態では、上述のように、ＧａＮ（ＩＩＩ族窒化物半導体）からなる層を基板１１上に成膜する際、パイプ部材５１への冷却水の通水及び循環により、シールド部材５０を冷却しつつ上記半導体層を成膜する。これにより、シールド部材５０の温度を容易に管理することができるので、スパッタチャンバ４１内において高温に加熱された基板１１上に半導体層を成膜する工程を繰り返し行なった場合でも、基板１１の輻射熱によってシールド部材５０及び内面５０ａの温度が上昇するのを抑制することが可能となる。このように、シールド部材５０及び内面５０ａの温度上昇が抑制されるので、基板１１の温度にシフト変化が生じることがなく、基板１１上において、安定した膜質で半導体層を成膜することができる。
【００７０】
また、上述したように、シールド部材の内面温度が上昇すると、シールド部材の内面にプラズマの対流が接触した際に、プラズマが温度上昇の影響を受け、スパッタチャンバ内におけるプラズマ分布が一定しないということが考えられる。本実施形態では、上記構成のスパッタ装置４０を用い、本実施形態の製造方法で基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成膜することにより、プラズマ分布を適性に制御することができるので、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を基板上に安定して成膜することが可能となる。
【００７１】
本発明に係る製造方法のように、反応性スパッタ法を用いて基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を形成する方法を用いた場合、スパッタ装置のスパッタチャンバ内が非常に高い温度に上昇するため、上述のような、基板の温度のシフト変化や、スパッタチャンバ内におけるプラズマ分布の不安定化等の問題が生じやすい。
本実施形態では、上記構成により、スパッタ装置４０のスパッタチャンバ４１内において、プラズマ発生空間７０を取り囲むように設けられたシールド部材５０を冷却することにより、適正温度に管理することが可能となる。また、本実施形態では、実際にプラズマが発生するプラズマ発生空間７０を取り囲んで設けられるシールド部材５０を直接冷却する構成なので、例えば、スパッタチャンバ４１の炉壁を冷却した場合に比べ、基板１１の温度やプラズマ分布状態をより適正に制御することが可能となる。
【００７２】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を基板１１上に成膜する際、シールド部材５０の内面５０ａの温度が５０℃以下になるように冷却することが好ましい。
パイプ部材５１に冷却水を通水してシールド部材５０を冷却し、内面５０ａの温度を５０℃以下とすることにより、上述のような効果が確実に得られる。
半導体層成膜時の、シールド部材５０の内面５０ａの温度が５０℃を超えると、上記効果が得られ難くなる。
【００７３】
本実施形態のスパッタ装置４０によれば、上記構成により、シールド部材５０の温度管理が容易になるので、スパッタチャンバ４１内における基板１１の温度やプラズマ分布状態等をより適正に制御することが可能となり、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を、高効率で安定して基板１１上に成膜することが可能となる。
従来のスパッタ装置や製造方法を用いて、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を形成する際に連続成膜処理を行った場合、スパッタチャンバの炉壁やシールド部材の内側の面にデポジションが大量に付着する。このため、デポジション除去のためのメンテナンスを高頻度で行なうことが必要となり、この場合には生産効率が低下する一方、メンテナンスによるデポジション除去処理を高頻度で行なわなかった場合には、シールド部材の内面に付着したデポジットから発生するパーティクルが半導体層に混入するため、該半導体層からなるウェーハ上において欠陥を有する箇所が多数生じ、ひいては、発光素子の収率が大幅に低下するという問題がある。
これに対し、本発明に係るスパッタ装置及び製造方法によれば、上記構成により、デポジットからのパーティクルの発生量が低減し、スパッタチャンバ内のメンテナンスの頻度を低減することができるので、生産効率を向上させることが可能となり、また、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を形成することが可能となる。
【００７４】
「成膜条件」
本実施形態の製造方法では、上記スパッタ装置４０を用いてＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を成膜する際、以下に詳述するような各成膜条件で行なうことが好ましい。
【００７５】
（スパッタチャンバ内のガス雰囲気）
反応性スパッタ法を用いてＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成する場合に重要となる他のパラメータとして、窒素原子含有ガスの分圧、成膜速度、基板温度、バイアス及びパワー等が挙げられる。
まず、スパッタ装置４０のスパッタチャンバ４１内のガス雰囲気は、窒素原子含有ガス（窒素：Ｎ２ガス、ＮＨ３ガス等）を含む雰囲気とする。このような窒素原子含有ガスは、スパッタにより、プラズマ化されて窒素原子に分解して結晶成長の原料となる。また、ターゲット４７を効率よくスパッタするために、さらに、アルゴン（Ａｒ）等の重量が大きく反応性の低い不活性ガスを混入させた雰囲気とする。
スパッタチャンバ４１内のガス雰囲気中の窒素原子含有ガスの割合、例えば、窒素ガス（Ｎ２）とアルゴン（Ａｒ）の全流量に占める窒素ガス流量の比は、２０％〜９８％とすることができる。窒素ガスの流量比が２０％未満だと、スパッタ原料が金属のまま付着する虞があり、窒素ガスの流量比が９８％超だと、アルゴンの量が少なすぎ、スパッタ速度が低下する。
【００７６】
また、特に結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を積層するためには、スパッタチャンバ４１内の雰囲気中の窒素原子含有ガスの割合を２０〜８０％の範囲とし、残部が不活性ガスを含有するガスとされていることが必要である。
なお、不活性ガスを含有するガスは、Ａｒなどの不活性ガスの他に、水素ガス（Ｈ２）など含有した構成としても良い。
また、不活性ガスとしては、上記Ａｒの他、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ等の内の何れかであっても良く、適宜選択して使用することができる。
【００７７】
（チャンバ内圧力）
反応性スパッタ法によってＩＩＩ族窒化物半導体を成膜する際、基板１１の温度以外の重要なパラメータとしては、チャンバ内の圧力や窒素分圧が挙げられる。
本実施形態の製造方法では、反応性スパッタ法でＩＩＩ族窒化物半導体を成膜する際、スパッタチャンバ４１内の圧力を０．０１〜１０Ｐａの範囲とすることが好ましい。スパッタチャンバ４１内の圧力が０．０１Ｐａ未満だと、窒素の存在量が小さくなり過ぎ、スパッタされた金属が窒化物とならない状態で基板１１上（中間層１２上）に付着する虞がある。また、スパッタチャンバ４１内の圧力の上限は特に限定されないが、プラズマを発生させることができる程度の圧力に抑制することが必要であり、１０Ｐａ以下とすることが好ましい。
【００７８】
（基板温度）
本発明者等が鋭意実験したところ、一般に、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法で形成するためには、基板温度を３００〜１２００℃の範囲とすること好ましいことが明らかとなった。基板温度が３００℃より低いと、基板面での反応種のマイグレーションが抑えられ、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を形成するのが困難となる。また、基板温度が１２００℃を超えると、形成されたＩＩＩ族窒化物半導体が再分解を起こす虞がある。
【００７９】
また、ドナー不純物やアクセプター不純物等のドーパントを添加して半導体層の導電性を容易に制御するためには、基板温度を６００℃〜１０５０℃の範囲とすることがより好ましい。基板温度を６００℃〜１０５０℃の範囲とすることで、点欠陥等の欠陥密度が少なく結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることができる。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体にドーパントを添加して導電性を容易に制御することが可能になる。
【００８０】
（バイアス及びパワー）
基板１１表面における、結晶成長中の反応種のマイグレーションを活発にするためには、基板１１側に印加されるバイアス、及びターゲット４７側に印加されるパワーは大きいほうが好ましい。例えば、成膜時に基板１１に印加するバイアスは１．５Ｗ／ｃｍ２以上が好ましく、また、成膜時にターゲット４７に印加するパワーを１．５Ｗ／ｃｍ２〜５ｋＷ／ｃｍ２の範囲とすることが好ましい。
【００８１】
（成膜速度）
反応性スパッタ法によるＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層の成膜速度は、０．０１〜１０ｎｍ／秒とすることが好ましい。成膜速度が１０ｎｍ／秒を超えると積層されたＩＩＩ族窒化物半導体が結晶とならずに非晶質となり、０．０１ｎｍ／秒未満だとプロセスが無駄に長時間となり、工業生産に利用することが困難となる。
【００８２】
（ターゲットの組成）
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層の組成は、ターゲットに用いるＩＩＩ族金属の組成を所望の値に調整することによりコントロールすることができる。例えば、ＧａＮからなる層を形成する場合には、ターゲットにＧａ金属を用い、ＡｌＧａＮ層を形成する場合には、ターゲットにＡｌＧａ合金を用いれば良い。また、ＩｎＧａＮを形成する場合には、ＩｎＧａ合金を用いれば良い。ＩＩＩ族窒化物半導体の組成は、ターゲット４７のＩＩＩ族金属の組成に応じて変化するので、ターゲット４７の組成を実験的に求めることで、所望の組成のＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層を形成することが可能となる。
【００８３】
あるいは、例えば、ＡｌＧａＮ層を積層する場合、ターゲットとしてＧａメタルとＡｌメタルの両方を併置してもよい。この場合には、ＧａメタルターゲットとＡｌメタルターゲットの表面積の比を変化させることにより、積層されるＡｌＧａＮ層の組成を制御することが可能となる。同様に、ＩｎＧａＮ層を積層する場合には、ＧａメタルターゲットとＩｎメタルターゲットの両方を併置することも可能である。
【００８４】
（ドーパント元素の添加）
本実施形態の製造方法及び製造装置では、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層に、必要に応じてドーパント元素を添加することにより、導電性がｎ型あるはｐ型に制御された層を成膜することができる。
【００８５】
ＩＩＩ族窒化物半導体の導電性をｎ型に制御するためのドナー不純物（ドーパント）としては、シリコン（Ｓｉ）元素を用いることが好ましいが、その他、ＧｅやＳｎ等を用いることが可能である。ドーパント元素としてＳｉ元素を用いる場合、スパッタチャンバ４１内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＳｉ元素との比は、１：０．０００１〜１：０．００００１の範囲とされていることが好ましい。雰囲気ガス中のＧａ元素とＳｉ元素との比が上記範囲内であれば、導電性がｎ型に最適制御され、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ型半導体層１４を成膜することができる。
【００８６】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体の導電性をｐ型に制御するためのアクセプター不純物（ドーパント）としては、マグネシウム（Ｍｇ）元素を用いることが好ましいが、その他、ＢｅやＺｎ等を用いることが可能である。ドーパント元素としてＭｇ元素を用いる場合、スパッタチャンバ４１内における雰囲気ガス中のＧａ元素とＭｇ元素との比は、１：０．０１〜１：０．０００１の範囲とされていることが好ましい。雰囲気ガス中のＧａ元素とＭｇ元素との比が上記範囲内であれば、導電性がｐ型に最適制御され、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ型半導体層１６を成膜することができる。
なお、本発明においては、ドーパント元素の添加方法や成分については、上記方法や成分に限定されるものではなく、適宜採用することが可能である。
【００８７】
『積層半導体の形成』
本実施形態の製造方法を用いて、図１に示すような積層半導体１０を形成する際の各層の成膜方法について以下に詳述する。
【００８８】
「中間層の形成」
基板１１をスパッタチャンバ内に導入した後、中間層１２を形成する前に、逆スパッタ法等の方法を用いて前処理を行うことができる。具体的には、基板１１をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝す事によって表面を整えることができる。例えば、ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板１１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、基板１１とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板１１に作用する。このような前処理を基板１１に施すことにより、基板１１の表面１１ａ全面に中間層１２を成膜することができ、その上に成膜される膜の結晶性を高めることが可能となる。
また、中間層１２を基板１１上に成膜する際、上述のような逆スパッタを行なう前に、基板１１に対して湿式の前処理を行うことが望ましい。例えば、シリコンからなる基板１１に対しては、よく知られたＲＣＡ洗浄方法などを行い、表面を水素終端させておくことにより、成膜プロセスが安定する。
【００８９】
また、本実施形態の前処理工程では、イオン成分と、電荷を持たないラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理により、基板１１の表面を処理する方法としている。
ここで、基板の表面からコンタミ等を除去する際、例えば、イオン成分等を単独で基板表面に供給した場合には、エネルギーが強すぎて基板表面にダメージを与えてしまい、基板上に成長させる結晶の品質を低下させてしまうという問題がある。
本実施形態の前処理工程では、上述のように、イオン成分とラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理を用いた方法とし、基板１１に適度なエネルギーを持つ反応種を作用させることにより、基板１１表面にダメージを与えずにコンタミ等の除去を行なうことが可能となる。このような効果が得られるメカニズムとしては、イオン成分の割合が少ないプラズマを用いることで基板表面に与えるダメージが抑制されることと、基板表面にプラズマを作用させることによって効果的にコンタミを除去できること等が考えられる。
【００９０】
基板１１表面の前処理を行なった後、スパッタ装置内にアルゴン及び窒素ガスを導入し、基板１１の温度を５００℃程度にする。そして、基板１１側に高周波バイアスを印加するとともに、金属ＡｌからなるＡｌターゲット側にパワーを印加し、炉内の圧力を一定に保ちながら、基板１１上にＡｌＮからなる中間層１２を成膜する。
【００９１】
中間層１２を基板１１上に成膜する方法としては、スパッタ法の他、例えば、ＭＯＣＶＤ法、パルスレーザーデポジション（ＰＬＤ）法、パルス電子線堆積（ＰＥＤ）法等が挙げられ、適宜選択して用いることができるが、スパッタ法が最も簡便で量産にも適しているため、好適な方法である。なお、ＤＣスパッタを用いる場合、ターゲット表面のチャージアップを招き、成膜速度が安定しない可能性があるので、パルスＤＣスパッタ法とするか、ＲＦスパッタ法とすることが望ましい。
また、本実施形態では、基板１１上に中間層１２を成膜する工程を、上記スパッタ装置４０を用いて、ターゲットとして金属Ａｌを使用して行なうことも可能である。上記スパッタ装置４０を中間層１２の成膜にも適用すれば、中間層１２成膜時においても基板１１の温度やプラズマ分布状態等を適正に制御することが可能となり、良好な膜質を有する中間層１２を、高効率で安定して基板１１上に成膜することが可能となる。
【００９２】
「半導体層の形成」
本実施形態の製造方法では、基板１１上に成膜された中間層１２の上に形成され、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６の順に積層されてなる半導体層２０の内の少なくとも一部を、上述したようなシールド部材５０をパイプ部材５１（冷却手段）で冷却しつつ成膜する方法で成膜する。本実施形態で説明する例では、半導体層２０の内、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａ及びｎ型コンタクト層１４ｂの各層を反応性スパッタ法で形成し、その上のｎ型クラッド層１４ｃ及び発光層１５をＭＯＣＶＤ法で形成し、そして、ｐ型半導体層１６を構成するｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層を反応性スパッタ法で形成する。
【００９３】
本実施形態においては、半導体層２０を形成する際の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、特に限定されず、上述した本実施形態の製造方法及び製造装置による反応性スパッタ法の他、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。これらの方法の内、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。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を用いる。
【００９４】
上述したような窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外にも、他のＩＩＩ族元素が含有された構成とすることができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ等のドーパント元素を含有することができる。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。
【００９５】
（ｎ型半導体層の形成）
本実施形態の半導体層２０を形成する際、まず、ｎ型半導体層１４の下地層１４ａ及びｎ型コンタクト層１４ｂを、上述したような本実施形態の製造方法及び製造装置を用いて反応性スパッタ法で成膜し、その上に、ｎ型クラッド層１４ｃを従来公知のＭＯＣＶＤ法で成膜する。この際、下地層１４ａ及びｎ型コンタクト層１４ｂの各層は、同じスパッタ装置を用いて成膜することができる。
【００９６】
基板１１上に単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層１４ａを形成する方法としては、ＭＯＣＶＤ法を用いて、上述のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる低温中間層を基板１１上に形成し、その上に、低温中間層を形成する温度より高温でＭＯＣＶＤ法により単結晶のＧａＮ層を形成する方法がある。
一方、ＭＯＣＶＤ法を用いて低温中間層を形成する方法に代えて、反応性スパッタ法を用いてＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる多結晶の中間層を形成し、その上に、ＭＯＣＶＤ法によって単結晶のＧａＮ層を形成しても良い。また、この際、単結晶のＧａＮ層を、反応性スパッタ法を用いて成長させても良い。
【００９７】
（発光層の形成）
ｎ型クラッド層１４ｃ上には、発光層１５を、従来公知のＭＯＣＶＤ法によって形成する。図１に例示するような、本実施形態で形成する発光層１５は、ＧａＮ障壁層に始まりＧａＮ障壁層に終わる積層構造を有しており、ＳｉドープのＧａＮからなる６層の障壁層１５ａと、ノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる５層の井戸層１５ｂとを交互に積層して形成する。
また、発光層１５は、従来公知のＭＯＣＶＤ法の他、本実施形態の製造方法及び製造装置を用いた反応性スパッタ法によって成膜することも可能である。
【００９８】
（ｐ型半導体層の形成）
発光層１５上、つまり、発光層１５の最上層となる障壁層１５ａ上には、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂからなるｐ型半導体層１６を、上述したような本実施形態の製造方法を用いて反応性スパッタ法で成膜する。
【００９９】
本実施形態では、まず、ＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを発光層１５（最上層の障壁層１５ａ）上に形成し、その上に、ＭｇをドープしたＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂを形成する。この際、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの積層には、同じスパッタ装置を用いることができる。
これらｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂからなるｐ型半導体層１６の成膜処理においては、上述した本実施形態の製造方法を用い、スパッタチャンバ４１内にアクセプター不純物（Ｍｇ）からなるドーパント元素を供給して成膜することにより、アクセプター不純物が添加されて導電性がｐ型に制御されたＧａＮ層（ｐ型半導体層１６）が得られる。
【０１００】
以上説明したような、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置によれば、反応性スパッタ法でＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層２０を基板１１上に成膜するにあたり、スパッタチャンバ４１内に、基板１１を加熱するヒータ４４と、プラズマ発生空間７０を取り囲むシールド部材５０と、該シールド部材５０を冷却するパイプ部材（冷却手段）５１とが備えられ、ヒータ４４によって基板１１を加熱するとともに、パイプ部材５１に冷却水等を通水することによってシールド部材５０を冷却しつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する方法及び装置としたので、シールド部材５０の温度管理が容易になる。これにより、スパッタチャンバ４１内における基板１１の温度やプラズマ分布状態等を適正に制御することが可能となり、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体層２０を、高効率で安定して基板上に成膜することが可能となる。
【０１０１】
本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置は、詳細を後述する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザディスク（ＬＤ）等の発光素子に備えられる各半導体層や、トランジスタのような電子デバイス等の各種半導体素子の製造に用いることができる。
【０１０２】
［ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法］
本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法は、図３（図１も参照）に例示するようなＩＩＩ族窒化物半導体から各々なるｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６が順に積層された半導体層２０を備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（以下、発光素子と略称することがある）１を製造する際、半導体層２０の少なくとも一部を、上述したようなＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法あるいはＩＩＩ族窒化物半導体製造装置によって形成する工程が備えられた方法である。
【０１０３】
＜発光素子の積層構造＞
図２及び図３は、本実施形態の発光素子の製造方法の一例を説明するための図であり、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる各層が形成された積層半導体１０（図１参照）を用いて発光素子１を構成した例を示す概略図で、図２は平面図、図３は断面図である。
本実施形態の発光素子１は、上記製造方法で製造された積層半導体１０のｐ型半導体層１６上に透光性正極１７が積層され、その上に正極ボンディングパッド１８が形成されるとともに、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに形成された露出領域１４ｄに負極１９が積層されて概略構成される。
そして、本実施形態の積層半導体１０をなす半導体層２０の少なくとも一部が、上述したようなＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法あるいはＩＩＩ族窒化物半導体製造装置によって形成されたものである。
【０１０４】
『透光性正極』
透光性正極１７は、上述した積層半導体１０のｐ型半導体層１６（ｐ型コンタクト層１６ｂ）上に形成される透光性の電極である。
透光性正極１７の材質としては、特に限定されず、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）
ＧｅＯ２）等の材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、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上のほぼ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。
【０１０５】
『正極ボンディングパッド及び負極』
正極ボンディングパッド１８は、上述の透光性正極１７上に形成される電極である。
正極ボンディングパッド１８の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド１８の厚さは、１００〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１８の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１０６】
負極１９は、基板１１上に、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６が順次積層された半導体層において、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに接するように形成される。
このため、負極１９を設ける際は、ｐ型半導体層１６、発光層１５及びｎ型半導体層１４の一部を除去することにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの露出領域１４ｄを形成し、この上に負極１９を形成する。
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、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【０１０７】
＜発光素子の製造方法＞
以下に、図２及び図３に示すような発光素子１の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の発光素子１の製造方法は、上記製造方法あるいは製造装置で得られた積層半導体１０を用い、該積層半導体１０のｐ型半導体層１６上に透光性正極１７を積層し、その上に正極ボンディングパッド１８を形成するとともに、ｎ型半導体層１４のｎ型コンタクト層１４ｂに形成された露出領域１４ｄに負極１９を積層する方法である。
【０１０８】
『透光性正極の形成』
上述のような方法により、基板１１上に、中間層１２及び半導体層が積層された積層半導体１０のｐ型コンタクト層１６ｂ上に、ＩＴＯからなる透光性正極１７を形成する。
透光性正極１７の形成方法としては、特に限定されず、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、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。
【０１０９】
また、上述したように、透光性正極１７の材料は、ＩＴＯには限定されず、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＧＺＯ等の材料を用いて形成することが可能である。
また、透光性正極１７を形成した後、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
【０１１０】
『正極ボンディングパッド及び負極の形成』
積層半導体１０上に形成された透光性正極１７上に、さらに、正極ボンディングパッド１８を形成する。
この正極ボンディングパッド１８は、例えば、透光性正極１７の表面側から順に、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕの各材料を、従来公知の方法で積層することによって形成することができる。
【０１１１】
また、負極１９を形成する際は、まず、基板１１上に形成された発光層１５、ｐ型半導体層１６、及びｎ型半導体層１４の一部をドライエッチング等の方法によって除去することにより、ｎ型コンタクト層１４ｂの露出領域１４ｄを形成する（図２及び図３参照）。そして、この露出領域１４ｄ上に、例えば、露出領域１４ｄ表面側から順に、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＡｕの各材料を、従来公知の方法で積層することにより、４層構造の負極１９を形成することができる。
【０１１２】
そして、上述のようにして、積層半導体１０上に、透光性正極１７、正極ボンディングパッド１８及び負極１９を設けたウェーハを、基板１１の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした後、例えば、３５０μｍ角の正方形に切断することにより、発光素子チップ（発光素子１）とすることができる。
【０１１３】
以上説明したような、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、ｎ型半導体層１４、発光層１５及びｐ型半導体層１６を順次積層して形成する半導体層２０の少なくとも一部を、上記製造方法によって形成する方法なので、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を備え、優れた発光特性を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。
【０１１４】
［ランプ］
以上説明したような、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせることにより、当業者周知の手段によってランプを構成することができる。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、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。
例えば、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。
また、ランプとしては、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、何れの用途にも用いることができる。
【０１１５】
例えば、図４に示す例のように、同一面電極型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を砲弾型に実装する場合には、２本のフレームの内の一方（図４ではフレーム３１）に発光素子１を接着し、また、発光素子１の負極（図３に示す符号１９参照）をワイヤー３４でフレーム３２に接合し、発光素子１の正極ボンディングパッド（図３に示す符号１８参照）をワイヤー３３でフレーム３１に接合する。そして、透明な樹脂からなるモールド３５で発光素子１の周辺を封止することにより、図４に示すような砲弾型のランプ３を作成することができる。
【０１１６】
また、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置によって得られるＩＩＩ族窒化物半導体は、上述のような発光素子の他、レーザ素子や受光素子等の光電気変換素子、又は、ＨＢＴやＨＥＭＴ等の電子デバイスにも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族窒化物半導体の積層構造体の素子構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。
【実施例】
【０１１７】
次に、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【０１１８】
［実施例１］
図５に示すような、本発明に係るスパッタ装置４０を用い、以下に説明する方法で基板上にＧａＮ層を成膜した後、スパッタチャンバ内の様子、並びに、基板上に成膜されたＧａＮ層の状態を確認した。
図５に示すスパッタ装置４０は、スパッタチャンバ４１内において、ヒータ４４及びターゲット皿４３、並びにプラズマ発生空間７０を取り囲むようにシールド部材５０が備えられ、シールド部材５０の外周面５０ｂには、シールド部材５０の内面５０ａを冷却するためのパイプ部材５１が備えられた構成とされている。
【０１１９】
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイアからなる基板を、フッ酸及び有機溶媒によって洗浄した後、スパッタチャンバ中へ導入した。この際、スパッタ装置としては、図５に例示するような本発明に係るスパッタ装置を用いた。なお、ターゲットとしては、金属Ａｌからなるものを用いた。
そして、スパッタチャンバ内で基板を５００℃まで加熱し、窒素ガスを１５ｓｃｃｍの流量で導入した後、スパッタチャンバ内の圧力を１．０Ｐａに保持し、基板に５０Ｗの高周波バイアスを印加しながら窒素プラズマに晒すことにより、基板の表面を洗浄した。
次いで、スパッタチャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入し、基板の温度を５００℃のまま保持し、基板側にバイアスを印加せず、２０００Ｗの高周波パワーを金属Ａｌターゲット側に印加しながら炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、サファイアからなる基板上にＡｌＮからなる単結晶の中間層を、０．１２ｎｍ／ｓの成長速度で、５０ｎｍの膜厚で成膜した。この際、ターゲット内のマグネットは、基板の洗浄時、及び中間層の成膜時の何れの際も回転させ、また、パイプ部材に水を流通させてシールド部材を冷却することにより、該シールド部材の温度を２０℃に保持しながら処理を行なった。
【０１２０】
そして、同じスパッタ装置４０を用いるとともに、ターゲット４７としてＧａ元素を含有するものを用い、上記方法で基板上に成膜された中間層上に、反応性スパッタ法によってＧａＮ層を成膜した。この際、上記中間層の成膜時と同様、ターゲット内のマグネット４２を回転させ、また、パイプ部材５１に冷却水を流通させてシールド部材５０を冷却し、該シールド部材５０の温度を２０℃に保持しながら成膜処理を行なった。
まず、スパッタチャンバ４１内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板の温度を１０００℃まで上昇させた。そして、２０００Ｗの高周波パワーを金属Ｇａからなるターゲット４７側に印加し、炉内の圧力を０．５〜１Ｐａの範囲に保ちながら、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は２５％）で、中間層上にＧａＮ層を成膜した。この際、基板の温度を９５０℃に保持し、ターゲット４７側に０．５〜１ｋＷの範囲の高周波パワーを印加するとともに、基板側に１００Ｗのバイアスを印加し、基板−ターゲット間の距離ＴＳを１１０ｍｍとして成膜処理を行なった。このようにして、おおよそ１．１１ｎｍ／ｓの成長速度で、膜厚４μｍのＧａＮ層を成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。
【０１２１】
成膜後にスパッタチャンバ４１内から取り出した基板は無色透明であり、ＧａＮ層の表面は鏡面であった。
また、スパッタチャンバ４１内のシールド部材５０の内面５０ａへのデポジションの付着状態は、内面５０ａにおいてほぼ均一であり、また、内面５０ａにおけるターゲット４７周辺の位置からヒータ４４周辺の位置までが、ほぼ均一に黒色を呈していた。
さらに、上記ＧａＮ層の成膜処理を、連続して１０ラン（１０回）実施したが、成膜速度は一定しており、また、膜質も均一なものとなっていることが確認できた。
【０１２２】
［実施例２］
基板上に成膜する中間層の結晶組織を、柱状結晶の集合体からなる多結晶となるように成膜処理を行った点を除き、上記実施例と同様の手順で、基板上に中間層及びＧａＮ層をこの順で積層した。
成膜後にスパッタチャンバ内から取り出した基板は無色透明であり、ＧａＮ層の表面は鏡面であった。
また、スパッタチャンバ４１内のシールド部材５０の内面５０ａへのデポジションの付着状態は、内面５０ａにおいてほぼ均一であり、内面５０ａにおけるターゲット４７周辺の位置からヒータ４４周辺の位置までが、ほぼ均一に黒色を呈していた。
さらに、上記ＧａＮ層の成膜処理を、連続して１０ラン（１０回）実施したが、成膜速度は一定しており、膜質も均一なものとなっていることが確認できた。
【０１２３】
［比較例１］
比較例１では、シールド部材の外周面に巻き付けられるパイプ部材に冷却水を流通させず、冷却を行なわなかった点を除き、上記実施例１と同様の手順で、基板上に中間層及びＧａＮ層をこの順で積層した。
成膜後にスパッタチャンバ内から取り出した基板は無色透明であり、ＧａＮ層の表面は鏡面であった。
しかしながら、スパッタチャンバ内のシールド部材内面へのデポジションの付着状態は、シールド部材内面におけるターゲット周辺の位置では黒色を呈している一方、ヒータ周辺の位置では白色に近い色を呈しており、不均一な状態となっていることが明らかとなった。
さらに、比較例１の条件のＧａＮ層の成膜処理を、連続して１０ラン（１０回）実施したところ、徐々に製膜速度が低下し、また、膜質のばらつきが大きくなっていることが明らかとなった。
【０１２４】
［実施例３］
図１に、実施例３で作製したＩＩＩ族窒化物化合物半導体発光素子の積層半導体の断面模式図を示す。
また、本例では、上記実施例１と同様、図５に例示するようなスパッタ装置４０を用い、以下の手順にて半導体層を形成して評価を行なった。また、以下に説明する手順において、スパッタ装置４０を使用する際には、スパッタチャンバ４１内のシールド部材５０の外周面５０ｂに巻き付けられるように備えられるパイプ部材５１に冷却水を流通させ、シールド部材５０の温度を２０℃に保持した状態とした。
【０１２５】
本例では、サファイアからなる基板１１のｃ面上に、反応性スパッタ法を用いてＡｌＮからなる中間層１２を形成し、その上に、ｎ型半導体層１４として、単結晶のＧａＮからなる下地層１４ａ及びｎ型コンタクト層１４ｂを、反応性スパッタ法を用いて形成した。そしてこの上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型クラッド層１４ｃ及び発光層１５を成膜し、該発光層１５上に、ｐ型半導体層１６として、ｐ型クラッド層１６ａ及びｐ型コンタクト層１６ｂの各層を、反応性スパッタ法を用いてこの順で積層し、積層半導体１０のサンプルを作製した。
【０１２６】
『中間層の形成』
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイアからなる基板１１を、フッ酸及び有機溶媒によって洗浄した後、スパッタチャンバ中へ導入した。この際、スパッタ装置としては、図５に例示するような本発明に係るスパッタ装置を用いた。なお、ターゲットとしては、金属Ａｌからなるものを用いた。
【０１２７】
そして、スパッタチャンバ内で基板１１を５００℃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１．０Ｐａに保持し、基板１１に５０Ｗの高周波バイアスを印加しながら窒素プラズマに晒すことにより、基板１１の表面を洗浄した。
【０１２８】
次いで、スパッタチャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板１１の温度を５００℃に保持し、基板１１側にバイアスを印加せず、２０００Ｗの高周波パワーを金属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５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、サファイアからなる基板１１上にＡｌＮからなる単結晶の中間層１２を成膜した。この際の成長速度は０．１２ｎｍ／ｓであった。
【０１２９】
なお、ターゲット内のマグネットは、基板１１の洗浄時、及び中間層１２の成膜時の何れの際も回転させた。
以上の手順により、基板１１上に、５０ｎｍの厚さの単結晶のＡｌＮからなる中間層１２を形成した後、プラズマを立てるのを停止した。
【０１３０】
『下地層及びｎ型コンタクト層の形成』
次に、中間層１２が形成された基板１１を、反応性スパッタ法によってＧａＮからなる下地層を成長させるため、別のスパッタ装置のチャンバ内へ搬送した。ここで、ＧａＮ層を成膜するスパッタ装置としては、高周波式の電源を備え、回転磁石によって磁場のかかる位置を動かすことができる機構を有する装置を使用した。また、Ｇａターゲットの下には冷媒を流通させるための配管を設置し、配管内を２０℃に冷却した冷媒を流通させ、熱によるＧａの融解を防止した。
【０１３１】
まず、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、ヒータを図示略の加熱手段によって加熱し、基板１１の温度を１０００℃まで昇温させた。そして、ヒータへの電流供給により、基板１１側に０．５Ｗ／ｃｍ２の高周波バイアスを印加するとともに、１Ｗ／ｃｍ２のパワーをＧａターゲット４７ａに印加し、チャンバ内の圧力を０．５Ｐａに保ちながら、Ａｒガスを５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍ流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は７５％）で、サファイアからなる基板１１上（中間層１２上）に、反応性スパッタ法により、ＧａＮからなる下地層１４ａを成膜した。この際の成長速度は、おおよそ１ｎｍ／ｓであった。そして、６μｍのＧａＮ層を成膜後、プラズマを立てるのを停止した。
【０１３２】
次いで、同様の条件にて、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂを成膜した。成膜の各条件はアンドープＧａＮ層と同様とし、チャンバ内に設置した図示略のＳｉターゲットを励起してＳｉを取り出し、Ｓｉをドープした。
このような工程により、ＡｌＮからなるバッファ層１２上に、アンドープで６μｍの膜厚のＧａＮからなる下地層１４ａ、及び１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４ｂが形成された試料を作製した。この試料は、無色透明のミラー状を呈した。
【０１３３】
『ｎ型クラッド層の形成』
次いで、上記試料を従来公知のＭＯＣＶＤ炉に導入して、上述のようにして成膜したｎ型コンタクト層１４ｂ上に、１×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層１４ｃを成膜した。
【０１３４】
『発光層の形成』
次いで、上記手順で作製したサンプルのｎ型クラッド層１４ｃ上に、同じＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮからなる障壁層１５ａと、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂとから構成され、多重量子井戸構造を有する発光層１５を形成した。この、発光層１５の形成にあたっては、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型クラッド層１４ｃ上に、まず、障壁層１５ａを形成し、この障壁層１５ａ上に、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂを形成した。このような積層手順を５回繰り返した後、５番目に積層した井戸層１５ｂ上に、６番目の障壁層１５ａを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層１５の両側に障壁層１５ａを配した構造とした。
すなわち、基板温度を７５０℃とし、窒素ガスキャリアを流通させながら、アンモニア、ＴＥＧ及びモノシランを炉内へ供給することにより、１５０Åの膜厚を有するＧａＮからなる障壁層１５ａを形成した。
【０１３５】
次いで、障壁層１５ａの成長を終了させた後、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として、ＴＥＧ及びＴＭＩのバルブを切り替えてＴＥＧ及びＴＭＩを炉内へ供給し、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５ｂを成長させた。これにより、２０Åの膜厚を有する井戸層１５ｂを形成した。
次いで、上記井戸層１５ｂの成長を終了させた後、再び障壁層１５ａを成長させた。そして、このような手順を５回繰り返すことにより、５層の障壁層１５ａと５層の井戸層１５ｂを形成した。さらに、最後に積層した井戸層１５ｂ上に、障壁層１５ａを形成し、発光層１５とした。
【０１３６】
『ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の形成』
上述の各工程処理によって得られたウェーハを、上記ｎ型コンタクト層１４ｂ及びｎ型クラッド層１４ｃの成膜に使用したスパッタ装置４０内に搬送し、以下に説明する条件でｐ型半導体層１６（ｐ型クラッド層１６ａ、ｐ型コンタクト層１６ｂ）を成膜した。この際、ターゲットとして、Ａｌ元素からなるターゲット及びＧａ元素からなるターゲットの両方をチャンバ内に設置し、これらに対して同時にパワーを印加することにより、発光層１５上に、５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを成膜し、この上に、膜厚２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１６を形成した。
【０１３７】
まず、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板温度を１０００℃まで上昇させた。次いで、２０００Ｗの高周波パワーを金属Ｇａターゲット側に、５００Ｗの高周波パワーをＡｌターゲットに印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ちながら、Ａｒガスを８ｓｃｃｍ、窒素ガスを１２ｓｃｃｍの流量で流通させた条件（ガス全体に対する窒素の比は６０％）でｐ型クラッド層１６ａを成膜した。この際、スパッタチャンバ４１内にＭｇからなるドーパント元素を配置することにより、ｐ型クラッド層１６ａをなすＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶中にＭｇをドープした。この際の成長速度は、おおよそ０．２ｎｍ／ｓであった。そして、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。
上記手順により、５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１６ａを成膜した。
【０１３８】
次いで、上記手順で作製したｐ型クラッド層１６ａ上に、同じスパッタ装置４０を用い、同様の手順により、膜厚２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１６ｂを成膜し、ｐ型半導体層１６を形成した。
そして、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６ｂの成膜後、プラズマを立てるのを停止し、図示略のロードロック室を通じてウェーハをウェーハトレイごとスパッタ装置４０外へ搬出した。
上述の工程で得られたＭｇドープＡｌＧａＮからなる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、キャリア濃度は３×１０１６個／ｃｍ３であった。
【０１３９】
このような工程により、最終的に、図１に示すようなＩＩＩ族窒化物化合物半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するエピタキシャルウェーハ（積層半導体１０）を作製した。
上記各工程の後、スパッタ装置４０のスパッタチャンバ４１内の状態を点検したところ、シールド部材５０の内面５０ａへのデポジションの付着状態は、内面５０ａにおいてほぼ均一であり、また、内面５０ａにおけるターゲット４７周辺の位置からヒータ４４周辺の位置までが、ほぼ均一に黒色を呈していた。
【０１４０】
上述のようにして作製したＬＥＤ用のエピタキシャルウェーハは、図１に示す積層半導体１０のように、ｃ面を有するサファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮ層（中間層１２）を形成した後、基板１１側から順に、２μｍのアンドープＧａＮ層（下地層１４ａ）、１×１０１９ｃｍ−３の電子濃度を持つ２μｍのＳｉドープＧａＮ層（ｎ型コンタクト層１４ｂ）、１×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を持つ２０ｎｍのＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層１４ｃ）、ＧａＮ障壁層に始まってＧａＮ障壁層に終わり、層厚が１５０Åとされた６層のＧａＮ障壁層（障壁層１５ａ）と、層厚が２０Åとされた５層のノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ井戸層（井戸層１５ｂ）とからなる多重量子井戸構造（発光層１５）、膜厚５ｎｍのＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（ｐ型クラッド層１６ａ）と、膜厚２００ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ（ｐ型コンタクト層１６ｂ）を積層した構造を有する。
【０１４１】
『ＬＥＤの作製』
次いで、上記エピタキシャルウェーハ（積層半導体１０）を用いてＬＥＤを作製した。
すなわち、上記エピタキシャルウェーハのＭｇドープＡｌＧａＮ層（ｐ型半導体層１６ｂ）の表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってＩＴＯからなる透光性電極１７を形成し、その上に、チタン、アルミニウム及び金を順に積層した構造を有する正極ボンディングパッド１８（ｐ電極ボンディングパッド）を形成し、ｐ側電極とした。さらに、ウェーハに対してドライエッチングを施し、ｎ型コンタクト層１４ｂのｎ側電極（負極）を形成する領域を露出させ、この露出領域１４ｄにＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＡｕの４層が順に積層されてなる負極１９（ｎ側電極）を形成した。このような手順により、ウェーハ（図１の積層半導体１０を参照）上に、図２に示すような形状を有する各電極を形成した。
【０１４２】
そして、上述の手順でｐ側及びｎ側の各電極が形成されたウェーハについて、サファイアからなる基板１１の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。そして、このウェーハを３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、各電極が上になるようにリードフレーム上に配置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした（図４のランプ３を参照）。
上述のようにして作製した発光ダイオードのｐ側およびｎ側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側の透光性電極１７を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１４．０ｍＷを示した。このような発光ダイオードの特性は、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。
【０１４３】
［比較例２］
比較例２では、シールド部材の外周面に巻き付けられるパイプ部材に冷却水を流通させず、冷却を行なわなかった点を除き、上記実施例３と同様の手順及び成膜条件で、図１に示すような積層半導体のサンプルを作製した。
【０１４４】
比較例２において、ｎ型クラッド層の成膜後にチャンバ内から取り出した基板は無色透明であり、表面は鏡面であった。
また、ｐ型コンタクト層の成膜後にチャンバ内から取り出したサンプルは、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層が、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、キャリア濃度は３×１０１６個／ｃｍ３であった。
しかしながら、上記積層半導体のサンプルを作成した後の、スパッタチャンバ内のシールド部材内面へのデポジションの付着状態は、シールド部材内面におけるターゲット周辺の位置では黒色を呈している一方、ヒータ周辺の位置では白色に近い色を呈しており、不均一な状態となっていることが確認された。
【０１４５】
そして、上記積層半導体のサンプルに、上記実施例３と同様の手順で透光性正極、正極ボンディングパッド及び負極を形成し、さらに、サファイアからなる基板の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。そして、このウェーハを３５０μｍ角の正方形のチップに切断し、各電極が上になるようにリードフレーム上に配置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。
上述のようにして作製した比較例の発光ダイオードのｐ側およびｎ側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３．２Ｖであった。また、ｐ側の透光性電極を通して発光状態を観察したところ、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１３．８ｍＷを示した。このような発光ダイオードの特性は、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。
【０１４６】
上記結果に示すように、実施例３と比較例２の発光素子の特性には、大きな違いは無かった。しかしながら、比較例２では、比較例１と同様、ＧａＮ層の成膜処理を、連続して１０ラン（１０回）実施したところ、徐々に製膜速度が低下し、また、膜質のばらつきが大きくなっていることが明らかとなった。また、比較例２に示すような、従来の方法で発光素子を連続して作製した場合には、シールド部材の内面に付着したデポジットから発生するパーティクルが半導体層に混入するため、該半導体層からなるウェーハ上において欠陥を有する箇所が多数生じ、ひいては、発光素子の収率が大幅に低下する虞があることが明らかとなった。一方、シールド部材の内面に付着したデポジットを除去するためのメンテナンスを頻繁に行なった場合には、生産効率が著しく低下する虞があることが明らかとなった。
【０１４７】
以上の結果により、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置で得られるＩＩＩ族窒化物半導体が素子特性に優れており、また、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が優れた発光特性を備えていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法及びＩＩＩ族窒化物半導体製造装置は、反応性スパッタ法により、良好な膜質を有するＩＩＩ族窒化物半導体を、高効率で安定して作製することができるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）のｐ型コンタクト層、また、ＦＥＴのような電子デバイス等のさまざまな半導体素子の製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の一例を模式的に説明する図であり、積層半導体の断面構造を示す概略図である。
【図２】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の一例を模式的に説明する図であり、ＩＩＩ族窒化物半導体によって構成される発光素子の平面構造を示す概略図である。
【図３】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の一例を模式的に説明する図であり、ＩＩＩ族窒化物半導体によって構成される発光素子の断面構造を示す概略図である。
【図４】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を模式的に説明する概略図である。
【図５】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体製造装置の一例を模式的に説明する図であり、（ａ）は側方からの断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、１０…積層半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）、１１…基板、１１ａ…表面、１２…中間層、１４…ｎ型半導体層、１５…発光層、１６…ｐ型半導体層（ＩＩＩ族窒化物半導体）、１６ａ…ｐ型クラッド層、１６ｂ…ｐ型コンタクト層、３…ランプ、４０…スパッタ装置、４１…チャンバ、４４…ヒータ、４７…ターゲット、５０…シールド部材、５０ａ…内面（面）、５１…パイプ部材（冷却部材）
【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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