特許 6919553 ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子とその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6919553

(24)【登録日】2021年7月28日

(45)【発行日】2021年8月18日

(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子とその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/32 20100101AFI20210805BHJP

   H01L 33/16 20100101ALI20210805BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20210805BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20210805BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20210805BHJP

   C23C 16/02 20060101ALI20210805BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/32

   H01L33/16

   H01L21/205

   C30B29/38 C

   C23C16/34

   C23C16/02

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-245885(P2017-245885)

(22)【出願日】2017年12月22日

(65)【公開番号】特開2018-107448(P2018-107448A)

(43)【公開日】2018年7月5日

【審査請求日】2020年3月4日

(31)【優先権主張番号】特願2016-252006(P2016-252006)

(32)【優先日】2016年12月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087723

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 修

(74)【代理人】

【識別番号】100165962

【弁理士】

【氏名又は名称】一色 昭則

(74)【代理人】

【識別番号】100206357

【弁理士】

【氏名又は名称】角谷 智広

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 義樹

(72)【発明者】

【氏名】篠田 大輔

【審査官】 嵯峨根 多美

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／０１５６１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２３２５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０８２０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１６８５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４６８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１８８２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０２４９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１５４８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２３４３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１３７１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０９０４２２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／３２

Ｃ２３Ｃ １６／０２

Ｃ２３Ｃ １６／３４

Ｃ３０Ｂ ２９／３８

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ３３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に接触している状態で形成された第１の酸化膜と、
前記第１の酸化膜に接触している状態で形成された第１のIII 族窒化物層と、
前記第１のIII 族窒化物層に接触している状態で形成された第２の酸化膜と、
前記第２の酸化膜の上に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成された発光層と、
前記発光層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と、
を有し、
前記基板は、
ＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板であり、
前記第１の酸化膜は、
Ａｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有するものであり、
前記第１のIII 族窒化物層は、
ＡｌＮまたはＡｌＧａＮからなり、
前記第２の酸化膜は、
Ａｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有するものであり、
前記第１の酸化膜の膜厚および前記第２の酸化膜の膜厚は、
３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１の酸化膜は、
前記基板の表面が酸化されたものであり、
前記第２の酸化膜は、
前記第１のIII 族窒化物層の表面が酸化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3】

請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１導電型の前記第１半導体層の極性は、
前記基板の極性と同じであること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記基板は、ＡｌＮであり、
前記第１のIII 族窒化物層は、ＡｌＮ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5】

請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１の酸化膜は、
ＡｌＯＮであり、
前記第２の酸化膜は、
ＡｌＯＮ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6】

請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１のIII 族窒化物層のＡｌ組成は、０．５以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項7】

請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１導電型の前記第１半導体層のＡｌ組成は、０．５以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項8】

基板の上に第１の酸化膜を形成する第１の酸化膜形成工程と、
前記第１の酸化膜の上に第１のIII 族窒化物層を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、
前記第１のIII 族窒化物層の上に第２の酸化膜を形成する第２の酸化膜形成工程と、
前記第２の酸化膜の上に第１導電型の第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、
前記第１半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上に第２導電型の第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、
を有し、
前記基板としてＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板を用い、
前記第１の酸化膜形成工程では、
前記第１の酸化膜としてＡｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する酸化膜を形成し、
前記第１のIII 族窒化物層形成工程では、
前記第１のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成し、
前記第２の酸化膜形成工程では、
前記第２の酸化膜としてＡｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する酸化膜を形成し、
前記第１の酸化膜の膜厚および前記第２の酸化膜の膜厚は、
３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内であること
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】

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において、
前記第１のIII 族窒化物層のＡｌ組成は、０．５以上であること
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10】

請求項８または請求項９に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記第１導電型の前記第１半導体層のＡｌ組成は、０．５以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体発光素子とその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

III 族窒化物半導体層を有する半導体素子を製造する際には、サファイア基板上にＡｌＮを成膜することがある。その場合には、多くの貫通転位が発生する。貫通転位密度の高い半導体層では、結晶性はそれほど高くない。

【0003】

そのため、近年では、ＨＶＰＥ法で作製したテンプレート基板やバルクの自立基板が用いられるようになってきている。しかし、これらの基板が製造された後には、もちろん製造装置から取り出される。その際に、これらの基板の表面に酸化膜が形成される。このような酸化膜は、その上層に形成される半導体層に種々の問題をもたらすおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−４２５９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、ＡｌＮ基板の酸化の影響について説明する。まず、ＡｌＮ基板が酸化されていない場合について説明する。酸素原子がない場合には、Ａｌ原子が配置された面とＮ原子が配置された面との組が、ｃ軸方向に繰り返し配列されている。

【0006】

次に、ＡｌＮ基板が大気により自然に酸化されている場合について説明する。ＡｌＮ基板の表面が自然に酸化されることにより、Ｎ原子の一部は酸素原子に置換される。つまり、ＡｌＮの酸化により基板の上にＡｌＯＮが部分的に形成される。ＡｌＮに酸素原子が入ると、例えば、ｃ軸方向に…−Ａｌ−Ｎ−Ａｌ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ−…という結合ができる。このＡｌ−Ｏ−Ａｌの結合があることにより、極性が反転する。そして、部分的な酸化のために、基板の上層に成長させる半導体層には、III 族極性面が優勢な箇所と窒素極性面が優勢な箇所とが発生する。その結果、基板の上に成長させる半導体層の結晶性は比較的悪い。また、このような半導体層の不純物濃度は比較的高い。このままでは、高性能な半導体発光素子を製造することは困難である。ＡｌＮ膜の結晶性を向上させる技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。

【0007】

本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、ＡｌＮ基板等のＡｌを含有する基板を用いて、半導体層の極性の部分的な反転を抑制しつつ半導体層を成長させたIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、基板と、基板に接触している状態で形成された第１の酸化膜と、第１の酸化膜に接触している状態で形成された第１のIII 族窒化物層と、第１のIII 族窒化物層に接触している状態で形成された第２の酸化膜と、第２の酸化膜の上に形成された第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された発光層と、発光層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と、を有する。基板は、ＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である。第１の酸化膜は、Ａｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有するものである。第１のIII 族窒化物層は、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮからなる。第２の酸化膜は、Ａｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有するものである。第１の酸化膜の膜厚および第２の酸化膜の膜厚は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。

【0009】

このIII 族窒化物半導体発光素子は、ＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板の上に第１の酸化膜と第１のIII 族窒化物層と第２の酸化膜とを有する。均一かつ完全に酸化された第１の酸化膜および第２の酸化膜が、下層からの極性を反転させる。そのため、１つの半導体層のうちにIII 族極性面が優勢な箇所と窒素極性面が優勢な箇所との共存状態が発生するおそれがほとんどない。これにより、不純物濃度および結晶性に優れた半導体層を成長させることができる。

【0010】

第１の酸化膜は、基板の表面が酸化されたものであるとよい。第２の酸化膜は、第１のIII 族窒化物層の表面が酸化されたものであるとよい。第１導電型の第１半導体層の極性は、基板の極性と同じであるとよい。基板は、ＡｌＮであり、第１のIII 族窒化物層は、ＡｌＮであるとよい。この場合、第１の酸化膜は、ＡｌＯＮであり、第２の酸化膜は、ＡｌＯＮである。第１の酸化膜の膜厚および第２の酸化膜の膜厚は、好ましくは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。好ましくは、第１のIII 族窒化物層のＡｌ組成は、０．５以上である。好ましくは、第１導電型の第１半導体層のＡｌ組成は、０．５以上である。

【0011】

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板の上に第１の酸化膜を形成する第１の酸化膜形成工程と、第１の酸化膜の上に第１のIII 族窒化物層を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、第１のIII 族窒化物層の上に第２の酸化膜を形成する第２の酸化膜形成工程と、第２の酸化膜の上に第１導電型の第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、第１半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上に第２導電型の第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、を有する。この製造方法においては、基板としてＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板を用いる。第１の酸化膜形成工程では、第１の酸化膜としてＡｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する酸化膜を形成する。第１のIII 族窒化物層形成工程では、第１のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成する。第２の酸化膜形成工程では、第２の酸化膜としてＡｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する酸化膜を形成する。第１の酸化膜の膜厚および第２の酸化膜の膜厚は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。

【発明の効果】

【0012】

本明細書では、ＡｌＮ基板等のＡｌを含有する基板を用いて、半導体層の極性の部分的な反転を抑制しつつ半導体層を成長させたIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法が提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１の実施形態の発光素子の概略構成を示す図である。

【図2】第１の実施形態の発光素子における酸化膜周辺の拡大図である。

【図3】第１の実施形態の変形例における発光素子の概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。

【0015】

（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
図１は、第１の実施形態の発光素子１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。また、発光素子１００は、紫外発光する素子である。

【0016】

図１に示すように、発光素子１００は、基板Ｓ１と、第１の酸化膜Ｏ１と、第１のIII 族窒化物層Ｉ１と、第２の酸化膜Ｏ２と、ｎ型コンタクト層１１０と、ｎ側クラッド層１３０と、発光層１４０と、ｐ側クラッド層１５０と、ｐ型コンタクト層１６０と、透明電極ＴＥ１と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有する。

【0017】

ｎ型コンタクト層１１０と、ｎ側クラッド層１３０とは、ｎ型半導体層である。ここで、ｎ型半導体層は、第１導電型の第１半導体層である。ｐ側クラッド層１５０と、ｐ型コンタクト層１６０とは、ｐ型半導体層である。ここで、ｐ型半導体層は、第２導電型の第２半導体層である。また、ｎ型半導体層は、ドナーをドープしていないｕｄ−ＧａＮ層等を有していてもよい。ｐ型半導体層は、アクセプターをドープしていないｕｄ−ＧａＮ層等を有していてもよい。

【0018】

基板Ｓ１は、＋ｃ極性のＡｌＮ基板である。図１では基板Ｓ１の主面は平坦である。基板Ｓ１の主面は凹凸形状を有していてもよい。

【0019】

第１の酸化膜Ｏ１は、基板Ｓ１の主面の上に直接接触している状態で形成されている。第１の酸化膜Ｏ１は、基板Ｓ１におけるＡｌＮの表面が酸化されることにより得られた表面酸化膜である。第１の酸化膜Ｏ１は、例えば、表面のＡｌＮが酸化されることにより基板上に均一に得られたＡｌ2 Ｏ3 またはＡｌＯx Ｎy である。基板Ｓ１がＡｌＧａＮの場合には、第１の酸化膜Ｏ１は、表面のＡｌＧａＮが酸化されることにより基板上に均一に得られたＡｌa Ｇａb Ｏx Ｎy である。

【0020】

第１のIII 族窒化物層Ｉ１は、第１の酸化膜Ｏ１に直接接触している状態で形成されている。第１のIII 族窒化物層Ｉ１は、第１の酸化膜Ｏ１と第２の酸化膜Ｏ２との中間に位置する中間層である。第１のIII 族窒化物層Ｉ１の材質は、例えば、ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ（０＜Ｘ≦１）である。

【0021】

第２の酸化膜Ｏ２は、第１のIII 族窒化物層Ｉ１に直接接触している状態で形成されている。第２の酸化膜Ｏ２は、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の表面が酸化することにより得られた表面酸化膜である。第２の酸化膜Ｏ２は、例えば、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（ＡｌＮを含む）が酸化することにより均一に得られたＡｌ2 Ｏ3 、ＡｌＯx Ｎy 、Ａｌa Ｇａb Ｏx Ｎy のいずれかである。

【0022】

第１の酸化膜Ｏ１の膜厚および第２の酸化膜Ｏ２の膜厚は、好ましくは、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。より好ましくは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。第１の酸化膜Ｏ１および第２の酸化膜Ｏ２は、それぞれ、基板Ｓ１のおよび第１のIII 族窒化物層Ｉ１の表面上にこれらの膜厚で均一に形成されている。第１の酸化膜Ｏ１の膜厚は、基板Ｓ１の極性から第１のIII 族窒化物層Ｉ１の極性に完全かつ均一に反転させるために十分な膜厚である。第２の酸化膜Ｏ２の膜厚は、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の極性からｎ型コンタクト層１１０の極性に完全かつ均一に反転させるために十分な膜厚である。

【0023】

ｎ型コンタクト層１１０は、ｎ電極Ｎ１とオーミック接触をとるためのものである。ｎ型コンタクト層１１０は、第２の酸化膜Ｏ２に直接接触している状態で形成されている。また、ｎ型コンタクト層１１０の上には、ｎ電極Ｎ１が位置している。ｎ型コンタクト層１１０は、例えば、ｎ型ＧａＮである。

【0024】

ｎ側クラッド層１３０は、発光層１４０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。ｎ側クラッド層１３０は、ｎ型コンタクト層１１０の上に形成されている。ｎ側クラッド層１３０は、例えば、ＳｉドープしたＡｌＧａＮ層を積層したものである。もちろん、半導体の材料は、その他の組成の半導体層であってもよい。

【0025】

発光層１４０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１４０は、ｎ側クラッド層１３０の上に形成されている。発光層１４０は、井戸層と障壁層とを積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。つまり、発光層１４０は、多重量子井戸構造を有する。また、発光層１４０は、井戸層の上に形成されたキャップ層を有していてもよい。また、発光層１４０は、単一量子井戸構造であってもよい。

【0026】

ｐ側クラッド層１５０は、発光層１４０の上に形成されている。ｐ側クラッド層１５０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層を積層したものである。もちろん、半導体の材料は、その他の組成の半導体層であってもよい。

【0027】

ｐ型コンタクト層１６０は、透明電極ＴＥ１とオーミック接触するためのものである。ｐ型コンタクト層１６０は、ｐ側クラッド層１５０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１６０の材質は、例えば、ＡｌY Ｇａ1-Y Ｎ（０≦Ｙ＜１）である。

【0028】

透明電極ＴＥ１は、電流を発光面内に拡散するためのものである。透明電極ＴＥ１は、ｐ型コンタクト層１６０の上に形成されている。透明電極ＴＥ１の材質は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＣＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 、ＳｎＯ2 のいずれかであるとよい。透明電極ＴＥ１は青色透明電極であってもよい。

【0029】

ｐ電極Ｐ１は、透明電極ＴＥ１の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、等から１以上を組み合わせて形成したものである。もちろん、これ以外の構成であってもよい。ｐ電極Ｐ１は、ｐ型半導体層と導通している。

【0030】

ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１１０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ等から１以上を組み合わせて形成したものである。もちろん、これ以外の構成であってもよい。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型半導体層と導通している。

【0031】

また、発光素子１００は、半導体層を保護する保護膜を有していてもよい。

【0032】

２．酸化膜
２−１．酸化膜の周辺構造
図２は、酸化膜の周辺を抜き出して描いた図である。図２に示すように、基板Ｓ１は、主面Ｓ１ｕを有している。第１の酸化膜Ｏ１は、下面Ｏ１ｄと上面Ｏ１ｕとを有する。第１のIII 族窒化物層Ｉ１は、下面Ｉ１ｄと上面Ｉ１ｕとを有する。第２の酸化膜Ｏ２は、下面Ｏ２ｄと上面Ｏ２ｕとを有する。ｎ型コンタクト層１１０は、下面１１０ｄを有する。

【0033】

図２に示すように、第１の酸化膜Ｏ１の下面Ｏ１ｄは、基板Ｓ１の主面Ｓ１ｕと接触している。第１の酸化膜Ｏ１の上面Ｏ１ｕは、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の下面Ｉ１ｄと接触している。

【0034】

第２の酸化膜Ｏ２の下面Ｏ２ｄは、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の上面Ｉ１ｕと接触している。第２の酸化膜Ｏ２の上面Ｏ２ｕは、ｎ型コンタクト層１１０の下面１１０ｄと接触している。

【0035】

２−２．酸化膜における極性反転
ここで、第１の酸化膜Ｏ１および第２の酸化膜Ｏ２は、極性反転層である。まず、酸素原子がない場合について説明する。酸素原子がない場合には、Ａｌ原子が配置された面とＮ原子が配置された面との組が、ｃ軸方向に繰り返し配列されている。

【0036】

基板Ｓ１の表面のＡｌＮが均一かつ一様に酸化された場合には、基板Ｓ１の表面の窒素原子は酸素原子に置き換えられ、Ａｌ−Ｏ共有結合が生成される。このとき、酸素原子およびＡｌ原子の結晶は、八面体配位構造を有する。八面体配位の極性は、基板Ｓ１のＡｌＮの極性により決定される。したがって、Ｏ原子とＡｌ原子の八面体結晶の上に成長するIII 族窒化物半導体の極性は、基板Ｓ１のＡｌＮの結晶の極性と反対である。よって、Ａｌ−Ｏ−Ａｌの結合があることにより、極性が反転する。

【0037】

第１の酸化膜Ｏ１のＯ原子とＡｌ原子の八面体配位結晶が存在するため、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の下面Ｉ１ｄはＡｌ極性面（＋ｃ面）であり、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の上面Ｉ１ｕはＮ極性面（−ｃ面）である。第２の酸化膜Ｏ２のＯ原子とＡｌ原子の八面体配位結晶が存在するため、ｎ型コンタクト層１１０の下面１１０ｄはＮ極性面（−ｃ面）である。つまり、図２の矢印で示すように、基板Ｓ１の極性はＡｌ極性（＋ｃ極性）である。第１のIII 族窒化物層Ｉ１の極性はＮ極性（−ｃ極性）である。ｎ型コンタクト層１１０の極性はＡｌ極性（＋ｃ極性）である。このように、ｎ型コンタクト層１１０の極性は、基板Ｓ１の極性と同じである。第１のIII 族窒化物層Ｉ１の極性は、基板Ｓ１およびｎ型コンタクト層１１０の極性と反対である。

【0038】

図２の矢印に示すように、第１の酸化膜Ｏ１は、半導体層の極性をＡｌ極性（＋ｃ極性）からＮ極性（−ｃ極性）に変える。第２の酸化膜Ｏ２は、半導体層の極性をＮ極性（−ｃ極性）からＧａ極性（＋ｃ極性）またはＡｌ極性（＋ｃ極性）に変える。

【0039】

第１のIII 族窒化物層Ｉ１およびｎ型コンタクト層１１０が０．５以上のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮである場合には、第１の酸化膜Ｏ１および第２の酸化膜Ｏ２は、極性反転に有効である。好ましくは、第１のIII 族窒化物層Ｉ１およびｎ型コンタクト層１１０のＡｌ組成は０．８以上である。

【0040】

基板Ｓ１の酸化または第１のIII 族窒化物層Ｉ１の酸化が全面に対して均一かつ完全でなかった場合には、窒素極性面が支配的な箇所とＡｌ極性面またはＧａ極性面が支配的な箇所との混合状態が発生する。例えば１０００℃以上の高温状況下では、Ａｌ組成の小さい＋ｃ極性のＡｌＧａＮは、−ｃ極性のＡｌＧａＮの上に横方向成長する。結果として、第１のIII 族窒化物層Ｉ１のＡｌＧａＮを厚く成長させたとすると、基板Ｓ１の上に＋ｃ極性のＡｌＧａＮが得られる。

【0041】

高温下であっても、Ａｌ組成が０．５以上のＡｌＧａＮが横方向成長するのは困難である。結果として、Ａｌ組成が０．５以上のＡｌＧａＮをを成長させるために、第１の酸化膜Ｏ１は、基板Ｓ１の全面のＡｌＧａＮの均一な極性を得るために特に有効である。好ましくは、ＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．８以上である。

【0042】

第２の酸化膜Ｏ２についても同様である。ｎ型コンタクト層１１０のＡｌＧａＮを厚く成長させたとすると、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の上に＋ｃ極性のＡｌＧａＮが得られる。Ａｌ組成が０．５以上のＡｌＧａＮをを成長させるために、第２の酸化膜Ｏ２は、第１のIII 族窒化物層Ｉ１のＡｌＧａＮの均一な極性を得るために特に有効である。好ましくは、ＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．８以上である。

【0043】

図２に示すように、極性を反転させる効果を備える第１の酸化膜Ｏ１および第２の酸化膜Ｏ２はハッチングされている。

【0044】

２−３．極性反転の効果
通常、ＡｌＮ基板は、製造後に製造装置から取り出される。その場合には、大気中の酸素によりＡｌＮ基板が部分的に自然に酸化されてしまう。ＡｌＮ基板の表面上に部分的に酸化膜が形成されるため、ＡｌＮ基板の表面上で極性反転が部分的に生じる。そして、先行技術によれば、極性反転の程度に局所的にばらつきが生じる。そのため、このようなＡｌＮ基板の上にIII 族窒化物半導体層を成長させた場合に、一つの層の内部でＡｌ極性が優勢な箇所とＮ極性が優勢な箇所とが生じることがあった。

【0045】

これに対して、本実施形態では、あえてＡｌを含有する酸化膜（第１の酸化膜Ｏ１等）を形成することによって、一旦は全体的に極性を反転させる。これにより、Ａｌ極性が優勢な箇所とＮ極性が優勢な箇所とが生じることを抑制することができる。次に、Ａｌを含有する第２の酸化物層Ｏ２により極性を均一に反転させることにより、成長させようとする半導体層（例えば、ｎ型コンタクト層１１０）の極性が得られる。したがって、発光素子１００における半導体層の結晶性はよく、不純物濃度は低い。

【0046】

３．半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法について説明する。半導体層を成長させる際には、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。ここで用いるキャリアガスは、水素（Ｈ2 ）もしくは窒素（Ｎ2 ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）を用いる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）を用いる。また、これら以外のガスを用いてもよい。

【0047】

３−１．基板のクリーニング
基板Ｓ１をＨ2 ガスでクリーニングする。基板温度は１１００℃程度である。もちろん、その他の基板温度であってもよい。

【0048】

３−２．第１の酸化膜形成工程
次に、表面が部分的に酸化している基板Ｓ１の上に第１の酸化膜Ｏ１を形成する。第１の酸化膜Ｏ１としてＡｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する酸化膜を形成する。そのために、基板温度を２５℃以上４００℃以下の範囲内として酸素雰囲気中で基板Ｓ１を加熱する。基板温度は２００℃以上４００℃以下であってもよい。または、基板Ｓ１を大気中またはＭＯＣＶＤ炉の外部の酸素雰囲気中に放置してもよい。

【0049】

３−３．第１のIII 族窒化物層形成工程
次に、第１の酸化膜Ｏ１の上に第１のIII 族窒化物層Ｉ１を形成する。その際にＭＯＣＶＤ法を用いてもよい。また、スパッタリングを用いてもよい。このときの基板温度は８５０℃以上１２００℃以下の範囲内である。この温度範囲では、ＡｌＮが好適に成長する。第１の酸化膜Ｏ１の上に成長する第１のIII 族窒化物層Ｉ１（例えばＡｌＮ）の極性は、酸素原子の八面体結晶と第１の酸化膜Ｏ１のＡｌの極性により決定される。酸素原子の八面体結晶およびＡｌの極性は、基板の極性の反対である。したがって、Ａｌ極性（＋ｃ極性）の基板の上に成長するＡｌＮの極性は、均一なＮ極性（−ｃ極性）である。

【0050】

３−４．第２の酸化膜形成工程
次に、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の上に表面酸化膜として第２の酸化膜Ｏ２を形成する。第２の酸化膜Ｏ２としてＡｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する酸化膜を形成する。そのために、第１の酸化膜Ｏ１および第１のIII 族窒化物層Ｉ１を形成された基板Ｓ１を酸素雰囲気中で２５℃以上４００℃以下の範囲内で加熱する。加熱温度は２００℃以上４００℃以下であってもよい。基板Ｓ１を大気中またはＭＯＣＶＤ炉の外部の酸素雰囲気中に放置してもよい。

【0051】

３−５．第１半導体層形成工程
３−５−１．ｎ型コンタクト層形成工程
次に、第２の酸化膜Ｏ２の上にｎ型コンタクト層１１０を形成する。このときの基板温度は、９００℃以上１１４０℃以下である。この温度範囲内では、ｎ型コンタクト層１１０のＧａＮは好ましく成長する。第２の酸化膜Ｏ２の上に成長するＧａＮの極性は、酸素原子の八面体結晶および第２の酸化膜Ｏ２のＡｌの極性により決定される。酸素原子の八面体結晶およびＡｌの極性は、第１のIII 族窒化物層Ｉ１の極性と反対である。そのため、Ｎ極性（−ｃ極性）の第１のIII 族窒化物層Ｉ１の上に成長するＧａＮの極性は、均一なＧａ極性（＋ｃ極性）、すなわちIII 族金属極性である。したがって、半導体層の均一かつ完全な極性のために、発光素子１００における半導体層は優れた結晶性を有する。

【0052】

ｎ型コンタクト層１１０のＡｌ組成は、０．５以上のＡｌＧａＮ（ＡｌＮを含む）であってもよい。この場合には、前述の理由により、第２の酸化膜Ｏ２は均一な極性を得るために特に有効である。より好ましくは、ｎ型コンタクト層１１０のＡｌ組成は、０．８以上である。

【0053】

３−５−２．ｎ側クラッド層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１１０の上にｎ側クラッド層１３０を形成する。そのために、ＳｉドープしたＡｌＧａＮ層を積層する。

【0054】

３−６．発光層形成工程
次に、ｎ側クラッド層１３０の上に発光層１４０を形成する。そのために、井戸層と障壁層とを積層した単位積層体を繰り返し積層する。また、井戸層を形成した後にキャップ層を形成してもよい。

【0055】

３−７．第２半導体層形成工程
３−７−１．ｐ側クラッド層形成工程
次に、発光層１４０の上にｐ側クラッド層１５０を形成する。ここでは、ｐ型ＡｌＧａＮ層を積層する。

【0056】

３−７−２．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、ｐ側クラッド層１５０の上にｐ型コンタクト層１６０を形成する。

【0057】

３−８．透明電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１６０の上に透明電極ＴＥ１を形成する。

【0058】

３−９．電極形成工程
次に、透明電極ＴＥ１の上にｐ電極Ｐ１を形成する。そして、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１６０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１１０を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。

【0059】

３−１０．その他の工程
また、上記の工程の他、熱処理工程、絶縁膜形成工程、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１に示す発光素子１００が製造される。

【0060】

４．変形例
４−１．フリップチップ
図３は、変形例における発光素子２００の概略構成を示す図である。発光素子２００は、フリップチップ型の半導体発光素子である。発光素子２００は、反射層Ｒ１を有する。反射層Ｒ１は、透明電極ＴＥ１とｐ電極Ｐ１との間に配置されている。

【0061】

４−２．基板の材質
本実施形態では、基板Ｓ１はＡｌＮ基板である。しかし、基板Ｓ１はＡｌＧａＮ基板であってもよい。また、基板は、サファイア基板の上にＡｌＮもしくはＡｌＧａＮが形成されたテンプレート基板であってもよい。

【0062】

４−３．第１の酸化膜の材質
本実施形態では、第１の酸化膜Ｏ１の材質はＡｌ2 Ｏ3 、ＡｌＯx Ｎy 、Ａｌa Ｇａb Ｏx Ｎy のいずれかである。しかし、第１の酸化膜Ｏ１の材質は、その他のＡｌを含有するIII 族窒化物が酸化したものであってもよい。その場合であっても、第１の酸化膜Ｏ１は、Ａｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する。

【0063】

４−４．第１のIII 族窒化物層の材質
本実施形態の第１のIII 族窒化物層Ｉ１の材質はＡｌＮ、ＡｌＧａＮまたはＧａＮであってもよい。

【0064】

４−５．第２の酸化膜の材質
本実施形態では、第２の酸化膜Ｏ２の材質はＡｌ2 Ｏ3 、ＡｌＯx Ｎy 、Ａｌa Ｇａb Ｏx Ｎy のいずれかである。しかし、第２の酸化膜Ｏ２の材質は、その他のＡｌを含有するIII 族窒化物が酸化したものであってもよい。その場合であっても、第２の酸化膜Ｏ２は、Ａｌ原子とＮ原子とＯ原子とを含有する。

【0065】

４−６．第２の酸化膜の上層
本実施形態では、第１の酸化膜Ｏ２の上にはｎ型コンタクト層１１０が形成されている。しかし、第１の酸化膜Ｏ２とｎ型コンタクト層１１０との間に任意のIII 族窒化物層を形成してもよい。

【0066】

４−７．半導体層の積層構造
本実施形態においては、第２の酸化膜Ｏ２の上に、ｎ型コンタクト層１１０と、ｎ側クラッド層１３０と、発光層１４０と、ｐ側クラッド層１５０と、ｐ型コンタクト層１６０と、を形成する。しかし、これ以外の積層構造であってももちろん構わない。また、上記の各層の積層構造も、本実施形態で説明した構成以外の構成であってもよい。

【0067】

４−８．極性反転
第１の実施形態においては、第１のIII 族窒化物層Ｉ１が成長する基板Ｓ１の表面Ｓ１ｕが、Ａｌ極性面（＋ｃ面）である。第１のIII 族窒化物層Ｉ１の極性は、成長方向に沿ってＮ極性面（−ｃ極性）である。第２の酸化膜Ｏ２の上に成長するｎ型コンタクト層１１０の極性は、成長方向に沿ってＧａ極性面またはＡｌ極性面（＋ｃ極性）である。しかし、基板の極性は反対であってもよい。つまり、基板Ｓ１の表面Ｓ１ｕが、Ｎ極性面（−ｃ面）であってもよい。その場合には、第１のIII 族窒化物層Ｉ１は、Ａｌ極性またはＧａ極性（＋ｃ極性）である。そして、ｎ型コンタクト層１１０の極性は、Ｎ極性（−ｃ極性）である。

【0068】

４−９．発光波長
本実施形態の発光素子１００は、紫外発光する素子である。本明細書の技術は、基板および全てのエピタキシャル層がＡｌＧａＮ（ＡｌＮを含む）であり紫外発光する発光素子（井戸層にＩｎを含む発光素子を除く）に対して特に有効である。しかし、発光素子は紫外線以外の波長の光を発してもよい。

【0069】

４−１０．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

【0070】

５．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００は、第１の酸化膜Ｏ１と、第１のIII 族窒化物層Ｉ１と、第２の酸化膜Ｏ２と、を有する。第１の酸化膜Ｏ１と、第２の酸化膜Ｏ２とは、下地層からの極性を反転させる。そのため、成長させる半導体層の内部でIII 族極性面とＮ極性面とが混在することを抑制することができる。つまり、半導体層の結晶性はよい。

【0071】

なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、半導体層の成長方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。また、液相エピタキシー法、分子線エピタキシー法等、その他のエピタキシャル成長法により半導体層を形成することとしてもよい。

【符号の説明】

【0072】

１００、２００…発光素子
Ｓ１…基板
Ｏ１…第１の酸化膜
Ｉ１…第１のIII 族窒化物層
Ｏ２…第２の酸化膜
１１０…ｎ型コンタクト層
１３０…ｎ側クラッド層
１４０…発光層
１５０…ｐ側クラッド層
１６０…ｐ型コンタクト層
ＴＥ１…透明電極
Ｒ１…反射層
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極

【図1】

【図2】

【図3】