特開 2024-18244 発光素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024018244

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】発光素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/22 20100101AFI20240201BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20240201BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20240201BHJP

   H01L 21/203 20060101ALI20240201BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20240201BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

H01L33/22

H01L33/32

H01L21/205

H01L21/203 S

C23C14/06 A

C23C16/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022121448

(22)【出願日】2022-07-29

(71)【出願人】

【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】110002583

【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】永田 賢吾

(72)【発明者】

【氏名】三輪 浩士

(72)【発明者】

【氏名】坊山 晋也

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 義樹

【テーマコード（参考）】

4K029

4K030

5F045

5F103

5F241

【Ｆターム（参考）】

4K029AA07

4K029AA24

4K029BA58

4K029BB09

4K029BD01

4K029CA06

4K029DA08

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4K029FA05

4K030AA11

4K030AA13

4K030AA17

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4K030BA08

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4K030CA05

4K030DA03

4K030FA10

4K030HA04

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4K030LA14

5F045AA04

5F045AA19

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5F045AC12

5F045AC15

5F045AC19

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5F045AD15

5F045AD16

5F045AD17

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5F045AE25

5F045AF09

5F045AF11

5F045BB12

5F045BB16

5F045CA10

5F045CB02

5F045DA53

5F045DA55

5F045DA57

5F045EE12

5F045HA01

5F045HA16

5F103AA08

5F103DD01

5F103GG01

5F103HH04

5F103LL02

5F103NN01

5F103NN05

5F103PP01

5F103RR05

5F103RR06

5F241AA03

5F241CA05

5F241CA40

5F241CA65

5F241CA73

5F241CA87

5F241CA88

5F241CB36

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光機能部を備えた発光素子の製造方法であって、透過率及び表面の平坦性に優れた下地層をＰＳＳ上に形成することのできる発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様として、ＰＳＳ１０上に、ＡｌＮからなるバッファ層１１を介して、ＡｌＮからなる下地層１２を形成する工程と、下地層１２上に、ＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、発光層１３２を含む発光機能部１３を形成する工程と、を含み、下地層１２を形成する工程において、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１．０以上、２．０以下の範囲内として、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮをエピタキシャル成長させて、下地層１２を形成する、発光素子１の製造方法を提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＰＳＳ上に、ＡｌＮからなるバッファ層を介して、ＡｌＮからなる下地層を形成する工程と、
前記下地層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、発光層を含む発光機能部を形成する工程と、
を含み、
前記下地層を形成する工程において、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１．０以上、２．０以下の範囲内として、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮをエピタキシャル成長させて、前記下地層を形成する、
発光素子の製造方法。

【請求項2】

前記下地層を形成する工程において、前記原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１．５以上、２．０以下の範囲内とする、
請求項１に記載の発光素子の製造方法。

【請求項3】

前記下地層を形成する工程において、スパッタリングにより前記バッファ層を形成する、
請求項１又は２に記載の発光素子の製造方法。

【請求項4】

前記発光機能部を形成する工程が、前記下地層上に第１のＡｌＧａＮ層を形成する工程と、前記第１のＡｌＧａＮ層上に第２のＡｌＧａＮ層を形成する工程とを含み、
８００℃以上、１１００℃以下の範囲内の成長温度でｎ型のＡｌＧａＮをエピタキシャル成長させることにより前記第１のＡｌＧａＮ層を形成し、
前記第１のＡｌＧａＮ層を形成した後、前記ｎ型のＡｌＧａＮのＧａ原料ガスの供給を止めた状態で、８００℃以上、１１００℃以下の範囲内の温度でのアニール処理を３０秒以上実施した後、前記第２のＡｌＧａＮ層を形成する、
請求項１又は２に記載の発光素子の製造方法。

【請求項5】

前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が、０．６以上、０．７以下の範囲内にある、
請求項４に記載の発光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、表面に凹凸パターンが形成されたサファイア基板（ＰＳＳ）上にバッファ層としてのＡｌＮ層を介して平坦な表面を有するＡｌＧａＮ下地層を形成し、その上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、発光層を含む発光機能部を形成する発光素子の製造方法が知られている（特許文献１を参照）。

【0003】

特許文献１に記載の発光素子の製造方法によれば、ＰＳＳ上にスパッタリングによりＡｌＮ層を形成した後、１１５０℃以上の温度で熱処理を施すことにより、ＰＳＳの凹凸パターンの突起の斜面からのＡｌ組成の大きいＡｌＧａＮの成長量を減らし、ＡｌＧａＮ下地層の表面にＰＳＳの凹凸パターンに由来する溝を残さず、平坦にすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－５６５５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ＰＳＳの突起の斜面から成長するＡｌＧａＮには、ＧａとＡｌの組成の不均一性が生じる。これは、ＧａＮが基板に垂直な方向に成長しやすい（Ｃ面成長しやすい）のに対して、ＡｌＮがマイグレーションしにくいために突起の斜面から優先的に成長することによる。このため、特許文献１に記載の発光素子の製造方法によれば、凸部からのＡｌＧａＮの成長量を減らすことにより、ＡｌＧａＮ下地層の表面が平坦になるものの、ＧａとＡｌの組成の不均一性によりＡｌＧａＮ下地層の透過率が低下し、発光素子の光取出効率が低減するおそれがある。

【0006】

本発明の目的は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光機能部を備えた発光素子の製造方法であって、透過率及び表面の平坦性に優れた下地層をＰＳＳ上に形成することのできる発光素子の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［５］の発光素子の製造方法を提供する。

【0008】

［１］ＰＳＳ上に、ＡｌＮからなるバッファ層を介して、ＡｌＮからなる下地層を形成する工程と、前記下地層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、発光層を含む発光機能部を形成する工程と、を含み、前記下地層を形成する工程において、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１．０以上、２．０以下の範囲内として、ＭＯＶＰＥによりＡｌＮをエピタキシャル成長させて、前記下地層を形成する、発光素子の製造方法。
［２］前記下地層を形成する工程において、前記原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１．５以上、２．０以下の範囲内とする、上記［１］に記載の発光素子の製造方法。
［３］前記下地層を形成する工程において、スパッタリングにより前記バッファ層を形成する、上記［１］又は［２］に記載の発光素子の製造方法。
［４］前記発光機能部を形成する工程が、前記下地層上に第１のＡｌＧａＮ層を形成する工程と、前記第１のＡｌＧａＮ層上に第２のＡｌＧａＮ層を形成する工程とを含み、８００℃以上、１１００℃以下の範囲内の成長温度でｎ型のＡｌＧａＮをエピタキシャル成長させることにより前記第１のＡｌＧａＮ層を形成し、前記第１のＡｌＧａＮ層を形成した後、前記ｎ型のＡｌＧａＮのＧａ原料ガスの供給を止めた状態で、８００℃以上、１１００℃以下の範囲内の温度でのアニール処理を３０秒以上実施した後、前記第２のＡｌＧａＮ層を形成する、上記［１］又は［２］に記載の発光素子の製造方法。
［５］前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が、０．６以上、０．７以下の範囲内にある、上記［４］に記載の発光素子の製造方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光機能部を備えた発光素子の製造方法であって、透過率及び表面の平坦性に優れた下地層をＰＳＳ上に形成することのできる発光素子の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の垂直断面図である。

【図2】図２は、下地層の形成における原料ガスのＶ／ＩＩＩ比と下地層の表面の平坦性の関係を示す表である。

【図3】図３は、下地層の形成における原料ガスのＶ／ＩＩＩ比と下地層の表面の平坦性の関係を示す表である。

【図4】図４は、下地層の形成における原料ガスのＶ／ＩＩＩ比と下地層の表面の平坦性の関係を示す表である。

【図5】図５は、図２～４に示される９つのウェハの透過率を示すグラフである。

【図6】図６は、バッファ層の成膜方法と下地層の表面の平坦性の関係を示す表である。

【図7】図７（ａ）は、ｎ型コンタクト層の形成条件と発光素子の逆方向リーク特性との関係を示す表である。図７（ｂ）は、ｎ型コンタクト層の形成条件と発光素子の順方向リーク特性との関係を示す表である。

【図8】図８（ａ）、（ｂ）は、ｎ型コンタクト層の形成後にｎアニールを実施した発光素子の時間の経過による出力の変化を示すグラフである。

【図9】図９は、ｎ型コンタクト層のＸ線ロッキングカーブ測定により得られた（１０２）面回折ピークの半値幅と発光素子の出力との関係を示すグラフである。

【図10】図１０は、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成と発光素子の時間の経過による出力の変化との関係を示すグラフである。

【図11】図１１は、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成と下地層の表面の状態との関係を示す表である。

【図12】図１２（ａ）は、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成とｎ型コンタクト層のＸ線ロッキングカーブ測定により得られた（１０５）面回折ピークの半値幅との関係を示すグラフである。図１２（ｂ）は、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成とｎ型コンタクト層の緩和率との関係を示すグラフである。

【図13】図１３は、ｎ型コンタクト層のＡｌ組成と発光素子１に６３Ａ／ｃｍ^－２の電流を流すときの動作電圧との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（発光素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子１の垂直断面図である。発光素子１は、フリップチップ実装型の発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、表面に凹凸パターンが形成されたサファイア基板（ＰＳＳ）１０と、ＰＳＳ１０上のＡｌＮからなるバッファ層１１と、バッファ層１１上のＡｌＮからなる下地層１２と、下地層１２上の発光層を含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光機能部１３と、を備える。

【0012】

なお、発光素子１の構成における「上」とは、図１に示されるような向きに発光素子１を置いたときの「上」であり、ＰＳＳ１０からｐ電極１６に向かう方向を意味するものとする。

【0013】

ＰＳＳ１０は、複数の突起１０１からなる凹凸パターンを上面に有する。この凹凸パターンにより光を乱反射させ、発光素子１の内部への光の閉じ込めを低減させることにより、光取り出し効率を向上させることができる。ＰＳＳ１０の凹凸パターンは、例えば、フォトリソグラフィーとエッチングにより形成される。

【0014】

突起１０１の形状は、ＮとＡｌが表面に配列した斜面を有する形状であり、典型的には、円錐や多角錐である。突起１０１の平面配置パターンは、例えば、三角格子、四角格子、六角格子などの多角格子のパターンである。ＰＳＳ１０の主面は、例えば、ｃ面であり、この場合、突起１０１の斜面はｃ面と異なる面である。

【0015】

バッファ層１１は、ＰＳＳ１０の上面を覆うように形成され、下地層１２のエピタキシャル成長のために、ＰＳＳ１０と下地層１２との格子定数差を緩衝する。突起１０１の大きさに対してバッファ層１１の厚さは小さい（例えば２０ｎｍ）ため、バッファ層１１の表面はＰＳＳ１０の凹凸パターンに由来する凹凸パターンを有する。バッファ層１１は、スパッタリングや有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などにより形成することができるが、下記の理由でスパッタリングを用いることが好ましい。

【0016】

バッファ層１１をスパッタリングで形成することにより、結晶欠陥を少なくすることができる。特に、螺旋転位及び螺旋転位を含む混合転位の低減に効果がある。バッファ層１１をスパッタリングで形成して転位密度を低減することにより、バッファ層１１上にエピタキシャル成長する層の転位密度を低減することができるため、発光素子１の発光層近傍の転位に起因する出力の低下を抑えることができる。また、バッファ層１１上にエピタキシャル成長する層の転位密度を低減することにより、リーク電流を低減することもできる。また、本実施の形態に係るスパッタリングにより形成されたバッファ層１１は、ＭＯＶＰＥ法で形成された核形成層と比較して、Ｃ濃度が低いため、Ｃによる光の吸収を抑えることができる。

【0017】

下地層１２は、発光機能部１３の成長の下地となる層であり、ＰＳＳ１０の凹凸パターンに由来する凹凸が抑えられた、平坦性の高い表面を有する。下地層１２は、ＰＳＳ１０の凹凸パターンに由来する凹凸を抑えるように形成されるため、その表面の全体がＰＳＳ１０の突起１０１よりも高い位置にある。下地層１２の厚さは、例えば５００ｎｍである。下地層１２は、ＭＯＶＰＥ法により形成される。

【0018】

発光機能部１３は、例えば、図１に示されるように、ｎ型コンタクト層１３１と、ｎ型コンタクト層１３１上の発光層１３２と、発光層１３２上の電子ブロック層１３３と、電子ブロック層１３３上のｐ型クラッド層１３４と、ｐ型クラッド層１３４上のｐ型コンタクト層１３５を含む。ｎ型コンタクト層１３１にはｎ電極１５が接続され、ｐ型コンタクト層１３５にはｐ型コンタクト層１３５上に形成された透明電極１４を介してｐ電極１６が接続される。

【0019】

発光機能部１３は、ＩＩＩ族窒化物半導体を主成分とし、例えば、ＭＯＶＰＥ法により形成される。発光機能部１３をＭＯＶＰＥ法により形成する場合、下地層１２と発光機能部１３を同じ装置のチャンバー内で連続して形成することができる。下地層１２の表面が高い平坦性を有するため、発光機能部１３を構成する下地層１２上に成長するＩＩＩ族窒化物半導体は優れた結晶品質を有する。

【0020】

発光層１３２は、ｎ型コンタクト層１３１に積層される層である。発光層１３２は、ＡｌＧａＮからなり、好ましくは多重量子井戸（ＭＱＷｓ）構造を有する。発光層１３２のＡｌ組成ｘ（ＭＱＷｓ構造を有する場合は井戸層のＡｌ組成ｘ）は、所望の発光波長に応じて設定され、例えば、発光波長がおよそ２８０ｎｍである場合には、０．３５～０．４５に設定される。ここで、上記のＡｌ組成ｘは、Ｇａの含有量とＡｌの含有量の合計を１としたときのＡｌの含有量の割合であり、ＡｌＧａＮの理想的な組成においてはＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表される。

【0021】

例えば、発光層１３２は、井戸層が２層のＭＱＷｓ構造、すなわち、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、第３障壁層の順に積層された構造を有する。第１井戸層及び第２井戸層は、ｎ型のＡｌＧａＮからなる。第１障壁層、第２障壁層、及び第３障壁層は、第１井戸層及び第２井戸層よりもＡｌ組成の高いｎ型のＡｌＧａＮ（Ａｌ組成ｘが１のもの、すなわちＡｌＮを含む）からなる。

【0022】

一例としては、第１井戸層及び第２井戸層のＡｌ組成ｘ、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、それぞれ０．４、１．８ｎｍ、９．０×１０^１８／ｃｍ^３である。また、第１障壁層及び第２障壁層のＡｌ組成ｘ、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、それぞれ０．５、１１ｎｍ、９．０×１０^１８／ｃｍ^３である。また、第３障壁層のＡｌ組成ｘ、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、０．５、５．５ｎｍ、５．０×１０^１８／ｃｍ^３である。

【0023】

ｎ型コンタクト層１３１は、Ｓｉ、ＧｅなどのＩＶ族元素をドナーとして含むｎ型のＡｌＧａＮからなる。ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘの下限値は、発光層１３２から発せられる光の吸収を抑えることのできる範囲の下限値として設定される。ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘが発光層１３２を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成ｘ（発光層１３２がＭＱＷｓ構造を有する場合は井戸層のＡｌ組成ｘ）よりも０．１以上大きければ、発光層１３２から発せられる光のｎ型コンタクト層１３１による吸収を効果的に抑えることができ、０．１５以上大きければ、より効果的に抑えることができる。したがって、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘが発光層１３２のＡｌ組成ｘよりも０．１以上大きいことが好ましく、０．１５以上大きいことがより好ましい。

【0024】

例えば、発光層１３２のＡｌ組成ｘが０．３５～０．４５である場合、およそ２８０ｎｍの波長を有する光が発せられ、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘが０．５以上であれば効果的に吸収を抑えることができ、０．５５以上であればより効果的に吸収を抑えることができる。

【0025】

また、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘの上限値は、Ａｌ組成ｘの増加に伴う電気抵抗の増加を抑えることのできる範囲の上限値として設定することができる。ＡｌＧａＮの電気抵抗は、Ａｌ組成ｘを増加させていったときに、０．７まではほとんど一定であるが、０．７を超えると増加し始める。このため、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘは０．７以下に設定されることが好ましい。

【0026】

また、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘを０．６以上、０．７以下の範囲内とすることにより、ｎ型コンタクト層１３１の結晶性を高め、発光素子１のデバイス特性の向上や長寿命化を図ることができる。この場合、理想的には、ｎ型コンタクト層１３１は、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０．６≦ｘ≦０．７）で表される組成を有する。一例としては、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘ、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、それぞれ０．６、１．３μｍ、２．０×１０^１９／ｃｍ^３である。

【0027】

電子ブロック層１３３は、第３障壁層よりもＡｌ組成ｘの高いｐ型のＡｌＧａＮからなる。電子ブロック層１３３によって、発光層１３２からｐ型コンタクト層１３５側への電子の拡散を抑制している。電子ブロック層１３３のＡｌ組成ｘ、厚さ、ドーパントとしてのＭｇの濃度は、例えば、それぞれ０．８５、２５ｎｍ、１．０×１０^２０／ｃｍ^３である。

【0028】

ｐ型クラッド層１３４は、第１ｐ型クラッド層と第２ｐ型クラッド層を順に積層した構造を有する。第１ｐ型クラッド層及び第２ｐ型クラッド層は、ｐ型のＧａＮからなる。第１ｐ型クラッド層の厚さ、ドーパントとしてのＭｇ濃度は、例えば、それぞれ５０ｎｍ、４．０×１０^１９／ｃｍ^３である。また、第２ｐ型クラッド層の厚さ、ドーパントとしてのＭｇの濃度は、例えば、それぞれ４００ｎｍ、１．０×１０^１９／ｃｍ^３である。

【0029】

ｐ型コンタクト層１３５は、ｐ型のＧａＮからなる。ｐ型コンタクト層１３５の厚さ、ドーパントとしてのＭｇ濃度は、例えば、それぞれ１８ｎｍ、１．５×１０^２０／ｃｍ^３である。

【0030】

ｐ型コンタクト層１３５表面の一部領域には溝が設けられている。溝はｐ型コンタクト層１３５、ｐ型クラッド層１３４、電子ブロック層１３３、及び発光層１３２を貫通し、ｎ型コンタクト層１３１に達しており、この溝により露出したｎ型コンタクト層１３１の表面にｎ電極１５が接続されている。

【0031】

透明電極１４は、例えば、ＩＺＯ、ＩＴＯ、ＩＣＯ、ＺｎＯなどの導電性酸化物からなる。ｐ電極１６は、例えば、Ｎｉ／Ａｕからなる。ｎ電極１５は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ、Ｖ／Ａｌ／Ｎｉ、Ｖ／Ａｌ／Ｒｕなどからなる。

【0032】

（発光素子の製造方法）
以下に、本発明の実施の形態に係る発光素子１の製造方法の一例について説明する。ＭＯＶＰＥ法による発光素子１の各層の形成においては、Ｇａ原料ガス、Ａｌ原料ガス、Ｎ原料ガスとしては、例えば、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアを用いる。また、ｎ型ドーパントの原料ガス、ｐ型ドーパントの原料ガスとしては、例えば、それぞれＳｉの原料ガスであるシランガス、Ｍｇの原料ガスであるビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムガスを用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素ガスや窒素ガスを用いる。また、本実施の形態における各層の成長温度は、成膜装置の加熱用ヒーターの温度であり、ＰＳＳ１０の表面温度は加熱用ヒーターの温度よりもおよそ１００℃低い。

【0033】

まず、ＰＳＳ１０をＡｒやＮ_２のプラズマ中に曝す事によって洗浄する前処理を実施し、ＰＳＳ１０の表面に付着した有機物や酸化物を除去する。

【0034】

次に、ＰＳＳ１０上に、スパッタリングやＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮからなるバッファ層１１を形成する。スパッタリングによりバッファ層１１を形成する場合の成長温度は、例えば、６００℃であり、例えば、単結晶構造を有するバッファ層１１を形成する場合、Ｎ原料ガスの流量と不活性ガスの流量の合計に対してＮ原料ガスの流量を５０％～１００％、好ましくは５０％とする。また、ＭＯＶＰＥ法によりバッファ層１１を形成する場合は、成長温度が、例えば、９００℃であり、バッファ層１１の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比が、例えば、５６である。ここで、Ｖ／ＩＩＩ比は、ＩＩＩ族元素であるＡｌとＶ族元素であるＮの原料ガスにおける原子数の比を意味する。

【0035】

次に、バッファ層１１上に、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮからなる下地層１２を形成する。このとき、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を、１．０以上、２．０以下の範囲内とすることにより、ＰＳＳ１０の表面の突起１０１の斜面から成長するＡｌＮの結晶性がよくなり、その結果、結晶性及び表面の平坦性に優れた下地層１２が得られる。

【0036】

これは、突起１０１の斜面の表面にＡｌとＮが交互に１：１で配置されているために、原料ガスにおけるＡｌとＮの比が１にある程度近いことがＡｌＮの成長に適していることによると考えられる。すなわち、下地層１２の材料としてＡｌＧａＮではなくＡｌＮを用いて、かつ原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を、１．０以上、２．０以下の範囲内とすることにより、ＭＯＶＰＥ法により結晶性及び表面の平坦性に優れた下地層１２を形成することができる。

【0037】

さらに、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を、１．５以上、２．０以下の範囲内とすることにより、下地層１２の結晶性をより高めて、透過率を向上させることができる。

【0038】

下地層１２の成長温度は、例えば、１０００℃以上、１４５０℃以下の範囲内にある。また、下地層１２の成長圧力は、例えば、２０ｍｂａｒ以上、５００ｍｂａｒ以下の範囲内にある。

【0039】

また、下地層１２の結晶性をより向上させるため、バッファ層１１を形成した後、下地層１２の形成前に１１５０℃以上で、かつＰＳＳ１０の分解温度である１４５０℃以下であるアニール処理を実施する方法や、下地層１２の上面をＧａＮキャップ層で覆った状態で１０００～１３００℃の高温の熱処理を実施する方法を用いてもよい。ＧａＮキャップ層は、上記の高温の熱処理における下地層１２の蒸発を抑えるために用いられ、高温の熱処理により蒸発して消滅する。

【0040】

次に、下地層１２上に、ＭＯＶＰＥ法によってＳｉなどのＩＶ族元素を含むＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３１を形成する。ｎ型コンタクト層１３１の形成においては、ｎ型コンタクト層１３１の電気抵抗を低くするため、ｎ型コンタクト層１３１の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１０００以上、３２００以下の範囲内に設定する。このＶ／ＩＩＩ比は、ＩＩＩ族元素であるＧａ、ＡｌとＶ族元素であるＮの原料ガスにおける原子数の比を意味する。

【0041】

また、ｎ型コンタクト層１３１の形成においては、ｎ型コンタクト層１３１の成長温度を１１００℃以下に設定することが好ましい。成長温度を１１００℃以下に設定することにより、成長温度の増加に伴う電気抵抗の増加を抑えることができる。成長温度を１１００℃以下に設定することにより、ＩＩＩ族元素、特に蒸発しやすいＧａの蒸発が抑えられて、ＩＩＩ族空孔の過剰な発生が抑えられる。これにより、ＩＩＩ族空孔とＩＶ族元素との複合欠陥の影響による電気抵抗の増加が抑えられるものと考えられる。

【0042】

また、ｎ型コンタクト層１３１の形成においては、ｎ型コンタクト層１３１の成長温度を８００℃以上に設定することが好ましい。成長温度が８００℃に満たない場合、Ｖ族元素Ｎの原料であるアンモニアが分解し難くなるため、アンモニアの供給量を大きくしなければならなくなり、Ｖ／ＩＩＩ比を異常に高く設定しなければならなくなる。また、成長温度が低い場合、ＩＩＩ族原料からＣが混入するという問題も生じ得るため、成長温度をこの問題を回避できる温度、例えば８００℃以上に設定することが好ましい。

【0043】

また、ｎ型コンタクト層１３１の成長圧力は、例えば、２０～２００ｍｂａｒに設定する。

【0044】

下地層１２上にｎ型コンタクト層１３１を形成した後、ｎ型コンタクト層１３１を構成するＡｌＧａＮのＧａ原料ガスの供給を止めた状態、例えばアンモニアガスなどのＮ原料ガスとキャリアガスのみを供給する状態で、８００℃以上、１１００℃以下の範囲内の温度でのアニール処理を３０秒以上、例えば１８０秒の間実施することが好ましい。これにより、ｎ型コンタクト層１３１の表面のＧａが脱離して結晶性が低下することによる発光素子１の出力の低下を抑えることができる。

【0045】

次に、ｎ型コンタクト層１３１上に、ＭＯＶＰＥ法によって発光層１３２を形成する。発光層１３２の形成は、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、第３障壁層の順に積層して行う。発光層１３２の成長条件は、例えば、成長温度が９７５℃、成長圧力が４００ｍｂａｒである。

【0046】

次に、発光層１３２上に、ＭＯＶＰＥ法によって電子ブロック層１３３を形成する。電子ブロック層１３３の成長条件は、例えば、成長温度が１０２５℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。

【0047】

次に、電子ブロック層１３３上に、ＭＯＶＰＥ法によってｐ型クラッド層１３４を形成する。ｐ型クラッド層１３４の形成は、第１ｐ型クラッド層、第２ｐ型クラッド層の順に積層して行う。第１ｐ型クラッド層及び第２ｐ型クラッド層の成長条件は、例えば、成長温度が１０５０℃、成長圧力が２００ｍｂａｒである。

【0048】

次に、ｐ型クラッド層１３４上に、ＭＯＶＰＥ法によってｐ型コンタクト層１３５を形成する。ｐ型コンタクト層１３５の成長条件は、例えば、成長温度が１０５０℃、成長圧力が１００ｍｂａｒである。

【0049】

次に、ｐ型コンタクト層１３５表面の所定領域をドライエッチングし、ｎ型コンタクト層１３１に達する深さの溝を形成する。

【0050】

次に、ｐ型コンタクト層１３５上に透明電極１４を形成する。次に、透明電極１４上にｐ電極１６、溝の底面に露出するｎ型コンタクト層１３１上にｎ電極１５を形成する。透明電極１４、ｐ電極１６、およびｎ電極１５は、スパッタや蒸着などによって形成する。

【0051】

（評価実験）
図２～４は、下地層１２の形成における原料ガスのＶ／ＩＩＩ比と下地層１２の表面の平坦性の関係を示す表である。図２～４は、ＰＳＳ１０上にバッファ層１１を介して下地層１２が形成されたウェハの上面及び断面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像、並びに外観写真を含む。また、図２～４は、それぞれのウェハについての、下地層１２の形成における成長温度、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比、及び成膜速度を含む。

【0052】

図２～４は、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比がおよそ１．０以上、２．０以下の範囲内にあるときに、下地層１２の表面の平坦性が高くなり、かつ外観写真で確認される変色が抑えられることを示している。

【0053】

図５は、図２～４に示される９つのウェハの透過率を示すグラフである。図５に含まれる「Ｖ／ＩＩＩ比」の値は、下地層１２の形成における原料ガスのＶ／ＩＩＩ比の値である。

【0054】

図５は、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比が１．０以上であるときに、下地層１２の結晶性が高まって透過率が大きくなり、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比が１．５以上であるときに、さらに下地層１２の結晶性が高まって透過率が大きくなることを示している。

【0055】

図６は、バッファ層１１の成膜方法と下地層１２の表面の平坦性の関係を示す表である。図６は、図２～４と同様に、ＰＳＳ１０上にバッファ層１１を介して下地層１２が形成されたウェハの上面及び断面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像、並びに外観写真を含む。また、図６は、それぞれのウェハについての、下地層１２の形成における成長温度、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比、及び成膜速度を含む。

【0056】

図６の左側のウェハは、ＭＯＶＰＥ法によりバッファ層１１が形成されたものである。このＭＯＶＰＥ法によるバッファ層１１の形成は、成長温度が９００℃、バッファ層１１の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比が５６の条件により実施した。図６の右側のウェハは、スパッタリングによりバッファ層１１が形成されたものである。このスパッタリングによるバッファ層１１の形成は、成長温度が６００℃、成膜圧力が１．８Ｐａ、Ｎ原料ガスの流量と不活性ガスの流量の合計に対するＮ原料ガスの流量が５０％の条件により実施した。

【0057】

図６は、バッファ層１１をＭＯＶＰＥ法とスパッタリングのいずれの方法を用いて形成した場合であっても、表面の平坦性の高い下地層１２が得られることを示している。

【0058】

図７（ａ）は、ｎ型コンタクト層１３１の形成条件と発光素子１の逆方向リーク特性との関係を示す表である。図７（ａ）は、発光素子１に－５Ｖの逆方向電圧を印加したときに流れるリーク電流の大きさを示している。図７（ｂ）は、ｎ型コンタクト層１３１の形成条件と発光素子１の順方向リーク特性との関係を示す表である。図７（ｂ）は、発光素子１に１μＡのリーク電流が流れるときの順方向電圧の大きさを示している。

【0059】

図７（ａ）、（ｂ）の「ｎアニール」は、ｎ型コンタクト層１３１を形成した後、Ｎ原料ガスとしてのアンモニアガスとキャリアガスのみをチャンバー内に供給した状態で実施する、９８０℃、１８０秒のアニール処理である。図７（ａ）、（ｂ）は、ｎ型コンタクト層１３１の形成後にｎアニールを実施した場合に、逆方向及び順方向のリーク電流の発生が抑えられることを示している。

【0060】

図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれｎ型コンタクト層１３１の形成後にｎアニールを実施した２つの発光素子１の時間の経過による出力（エレクトロルミネッセンススペクトルのピーク強度）の変化を示すグラフである。図８（ａ）、（ｂ）は、ｎ型コンタクト層１３１の形成後にｎアニールを実施することにより、発光素子１の寿命が延びることを示している。

【0061】

図９は、ｎ型コンタクト層１３１のＸ線ロッキングカーブ測定により得られた（１０２）面回折ピークの半値幅と発光素子１の出力との関係を示すグラフである。図９は、ｎ型コンタクト層１３１のＸ線ロッキングカーブの半値幅が狭い、すなわちｎ型コンタクト層１３１の結晶性が高いほど、発光素子１の出力が大きくなることを示している。

【0062】

図１０は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成と発光素子１の時間の経過による出力の変化との関係を示すグラフである。図１０における「Ａｌ：０．５８」、「Ａｌ：０．６８」、「Ａｌ：０．７３」、「Ａｌ：０．７８」は、それぞれｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成を示している。図１０は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成ｘが０．６８～０．７３であるときに発光素子１の寿命が延びることを示している。

【0063】

図１１は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成と下地層１２の表面の状態との関係を示す表である。図１１は、ｎ型コンタクト層１３１の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を含む。図１１は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成によりｎ型コンタクト層１３１の結晶性が変化し、Ａｌ組成ｘが０．６０～０．８０であるときにｎ型コンタクト層１３１の結晶性が高くなることを示している。

【0064】

図１２（ａ）は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成とｎ型コンタクト層１３１のＸ線ロッキングカーブ測定により得られた（１０５）面回折ピークの半値幅との関係を示すグラフである。図１２（ｂ）は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成とｎ型コンタクト層１３１の緩和率との関係を示すグラフである。図１２（ａ）、（ｂ）は、Ａｌ組成ｘが０．５５～０．８の範囲内では、Ａｌ組成ｘが小さいほど結晶性が劣化する（半値幅が大きくなる）ことを示している。

【0065】

図１３は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成と発光素子１に６３Ａｃｍ^－２の電流を流すときの動作電圧との関係を示すグラフである。図１３は、ｎ型コンタクト層１３１のＡｌ組成がおよそ０．６以上、０．７以下の本以内にあるときに発光素子１の動作電圧が抑えられることを示している。

【0066】

（実施の形態の効果）
上記の本発明の実施の形態によれば、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１．０以上、２．０以下の範囲内として、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮを成長させることにより、透過率及び表面の平坦性に優れた下地層をＰＳＳ上に形成することができる。

【0067】

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、発光素子１は、フェイスアップ実装型であってもよい。また、発光素子１の下地層１２の形成条件などの本発明の特徴は、レーザーダイオードなどのＬＥＤ以外の発光素子の製造方法に適用することもできる。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。

【0068】

また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【符号の説明】

【0069】

１ 発光素子
１０ ＰＳＳ
１１ バッファ層
１２ 下地層
１３ 発光機能部
１３１ ｎ型コンタクト層
１３２ 発光層
１３３ 電子ブロック層
１３４ ｐ型クラッド層
１３５ ｐ型コンタクト層
１４ 透明電極
１５ ｎ電極
１６ ｐ電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】