CN101578715A - Ⅲ族氮化物化合物半导体元件及其制造方法、ⅲ族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法和灯 - Google Patents

Abstract

本发明的III族氮化物化合物半导体元件，具有：基板；设置于所述基板上的中间层；和基底层，所述基底层设置于所述中间层上，(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒以下，且(10－10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下。另外，本发明的III族氮化物化合物半导体元件的制造方法具有采用溅射法形成所述中间层的工序。

Description

Ⅲ族氮化物化合物半导体元件及其制造方法、Ⅲ族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法和灯

技术领域

本发明涉及可很适合地用于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、电子器件等的III族氮化物化合物半导体元件及其制造方法、III族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法、以及使用III族氮化物化合物半导体发光元件的灯。

本申请基于在日本国在2007年1月16日申请的专利申请2007-6790号、在2007年7月13日申请的专利申请2007-184456号、在2007年10月22日申请的专利申请2007-274458号和在2007年11月2日申请的专利申请2007-286691号要求优先仅，将这些申请的内容援引到其中。

背景技术

III族氮化物化合物半导体，例如在制成为发光元件的场合，是发光光谱在紫外至红外的宽范围的直接迁移型的半导体，应用于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)等的发光元件。这样的发光元件，与以往的照明关联的元件相比，发光效率高，因此消耗能量小。另外，这样的发光元件也具有寿命长等优点，市场在急速地扩大。

通常，III族氮化物化合物半导体形成于蓝宝石基板上。然而，在蓝宝石基板上形成III族氮化物化合物半导体时，由于蓝宝石与III族氮化物化合物半导体的晶格常数的错配而发生位错，由此，存在对元件特性造成不良影响的问题。由于错配而发生的位错，是沿纵向(垂直于基板面的方向)贯穿半导体层的贯穿位错。发光元件的半导体层中的贯穿位错，引起电子散射、电子的移动性(mobility)低、发生漏电流等的现象。因此，发光元件的半导体层中的贯穿位错，使发光元件的发光效率降低，使发光强度降低。

为了抑制错配，以往在基板上介由中间层而使III族氮化物化合物半导体生长(例如参照专利文献1、专利文献2)。中间层是采用金属有机气相淀积法(MOCVD法)使与III族氮化物化合物半导体相同的组成的GaN、相同的纤锌矿型结构(wurtzite structure)的AlN等成膜而成的层。

然而，即使是在基板上介由中间层而使III族氮化物化合物半导体生长的场合，也不能够充分地防止半导体层中的贯穿位错，需求贯穿位错更加少的半导体层。

专利文献1：日本专利3026087号公报

专利文献2：日本特开平4-297023号公报

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的研究，其目的是提供半导体层中的贯穿位错少的可得到优异的发光特性的III族氮化物化合物半导体发光元件。

另外，本发明的目的是提供半导体层中的贯穿位错少的具有优异的发光特性的III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法。

此外，本发明的目的是提供使用了上述的III族氮化物化合物半导体发光元件的灯。

本发明者们为了解决上述问题而反复潜心研究，调查了贯穿位错与发光元件的发光特性的关系。

作为检测半导体层中的贯穿位错的方法，可考虑使用透射电子显微镜(TEM)观察试样的截面的方法，然而，由TEM观察得到的贯穿位错的评价结果，是存在于某个受限的范围的贯穿位错的评价结果，因此是否成为代表半导体层整体的结果成为问题。另外，为了由TEM观察贯穿位错，需要对试样进行加工，因此用于观察的试样不能作为元件使用。因此，存在不能够将贯穿位错的评价结果与元件的特性正确地关联的问题。

于是，作为检测半导体层中的贯穿位错的方法，本发明者们研究了采用在非破坏下评价贯穿位错的方法。

图1是用于说明构成发光元件的半导体层的III族氮化物化合物半导体的晶体的贯穿位错的图，是从与基板面垂直的方向观察的概略模式图。图1中，标号41表示III族氮化物化合物半导体的晶体。III族氮化物化合物半导体的晶体41，如图1所示具有最密填充的晶体结构，形成六角柱在基板上垂直地生长的结构。在此，例如，在作为III族氮化物化合物半导体的晶体41的六角柱的平面内的配置，以相同朝向排齐时不形成间隙，但如图1所示，当朝向稍微不同时，在六角柱与六角柱之间发生间隙42。该间隙42是表示晶体41的取向程度的，可认为相当于贯穿位错。

作为评价晶体的取向程度方法之一，有使用X射线进行测定的摇摆曲线法。

图2是表示构成发光元件的半导体层的III族氮化物化合物半导体的(10-10)面的摇摆曲线半值宽度(full width at half maximum in rockingcurve)与发光元件的漏电流的关系的曲线图。

由摇摆曲线法测出的半值宽度，与图1所示的六角柱的晶体41间的间隙42的量对应，因此，如图2所示，由摇摆曲线法测出的半值宽度越小，六角柱的晶体41间的间隙越少，取向越良好。其结果，能够得到作为器件时的漏电流小等的效果。

另外，本发明者们对于由摇摆曲线法测出的半值宽度与发光元件的特性的关系反复潜心研究的结果发现，通过使发光元件的半导体层的半值宽度为规定的范围，能够提供半导体层中的贯穿位错少的可得到良好的发光特性的发光元件，从而完成了本发明。

即，本发明涉及以下发明。

[1]一种III族氮化物化合物半导体元件，具有：

基板；

设置于上述基板上的中间层；和

基底层，所述基底层设置于上述中间层上，(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒(arcsec)以下，且(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下。

[2]根据[1]所述的III族氮化物化合物半导体元件，上述(0002)面的摇摆曲线半值宽度为50弧度秒以下，且上述(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为250弧度秒以下。

[3]根据[1]或[2]所述的III族氮化物化合物半导体元件，上述基板是蓝宝石。

[4]根据[3]所述的III族氮化物化合物半导体元件，上述中间层形成于上述蓝宝石基板的c面上。

[5]根据[1]～[4]的任一项所述的III族氮化物化合物半导体元件，上述中间层由Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)形成。

[6]根据[1]～[5]的任一项所述的III族氮化物化合物半导体元件，上述中间层由AlN形成。

[7]根据[1]～[6]的任一项所述的III族氮化物化合物半导体元件，上述基底层由AlGaN形成。

[8]根据[1]～[6]的任一项所述的III族氮化物化合物半导体元件，上述基底层由GaN形成。

[9]一种III族氮化物化合物半导体发光元件，具有：

[1]～[8]的任一项所述的的III族氮化物化合物半导体元件；和

依次层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层而成的半导体层，

上述半导体层形成于上述III族氮化物化合物半导体元件所具有的基底层上。

[10]根据[9]所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，上述n型半导体层具有n型覆盖层，并且上述p型半导体层具有p型覆盖层，上述n型覆盖层和/或上述p型覆盖层至少含有超晶格结构。

另外，本发明者们着眼于贯穿位错的生成机理。尤其是当中间层是均匀性优异的中间层时，能够减少基底层中的贯穿位错，因此对于关于介在于基板与基底层之间的中间层可得到优异的均匀性的方法进行了研究。其结果发现，采用溅射法形成的中间层，与采用MOCVD法形成的中间比较，即使膜厚薄也成为面内均匀性优异的中间层，并且，通过采用溅射法形成介在于基板与基底层之间的中间层，能够减少基底层中的贯穿位错，从而完成了本发明。

[11]一种III族氮化物化合物半导体元件的制造方法，是制造[1]～[8]的任一项所述的III族氮化物化合物半导体元件的方法，其具有采用溅射法形成上述中间层的工序。

[12]根据[11]所述的III族氮化物化合物半导体元件的制造方法，还具有采用MOCVD法形成上述基底层的工序。

[13]一种III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法，具有：

在[1]～[8]的任一项所述的III族氮化物化合物半导体元件所具有的基底层上形成半导体层的工序，所述半导体层是依次层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层而成的；和

采用溅射法形成上述中间层的工序。

[14]根据[13]所述的III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法，还具有采用MOCVD法形成上述基底层的工序。

[15]一种III族氮化物化合物半导体元件，是采用[11]或[12]所述的制造方法得到的。

[16]一种III族氮化物化合物半导体发光元件，是采用[13]或[14]所述的制造方法得到的。

[17]一种灯，其使用了[9]、[10]、[16]的任一项所述的III族氮化物化合物半导体发光元件。

本发明的III族氮化物化合物半导体发光元件，具有设置于在基板上设置的中间层上的、(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒以下、且(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下的基底层，因此半导体层中的贯穿位错少，可得到优异的发光特性。

另外，根据本发明的III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法，由于采用溅射法形成中间层，因此能够形成均匀的中间层，能够在中间层上容易地形成(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒以下，且(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下的基底层。因此，根据本发明的III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法，能够容易地提供半导体层中的贯穿位错少的、具有优异的发光特性的本发明的III族氮化物化合物半导体发光元件。

此外，在本发明中，通过使n型覆盖层和/或p型覆盖层成为含有超晶格结构的层构成，输出功率格外地提高，可制成为电特性优异的发光元件。

此外，本发明的灯，是使用了本发明的III族氮化物化合物半导体发光元件的灯，因此成为具有优异的发光特性的灯。

附图说明

图1是用于说明构成发光元件的半导体层的III族氮化物化合物半导体的晶体的贯穿位错的图，是从垂直于基板的方向观察的概略模式图。

图2是表示构成发光元件的半导体层的III族氮化物化合物半导体的(10-10)面的摇摆曲线半值宽度与发光元件的漏电流的关系的曲线图。

图3是模式地表示本发明涉及的III族氮化物化合物半导体发光元件的一例的概略剖面图。

图4是表示图3所示的III族氮化物化合物半导体发光元件的平面结构的概略图。

图5是用于说明图3所示的III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法的图，是模式地表示叠层半导体的概略剖面图。

图6是模式地表示使用本发明涉及的III族氮化物化合物半导体发光元件构成的灯的一例的概略图。

附图标号说明

1-III族氮化物化合物半导体发光元件(III族氮化物化合物半导体元件、发光元件)、3-灯、10-叠层半导体、11-基板、11a-表面、12-中间层、14-n型半导体层、14c-n型覆盖层、14a-基底层、15-发光层、16-p型半导体导、16a-p型覆盖层、17-透光性正极、20-半导体层

具体实施方式

以下，适当参照附图对本发明涉及的III族氮化物化合物半导体元件及其制造方法、III族氮化物化合物半导体发光元件及其制造方法和灯的一个实施方式进行说明。

[III族氮化物化合物半导体发光元件]

图3是模式地表示本发明涉及的III族氮化物化合物半导体(III族氮化物化合物半导体元件：以下有时简称为发光元件)的一例的概略剖面图。另外，图4是表示图3所示的III族氮化物化合物半导体发光元件的平面结构的概略图。

本实施方式的发光元件，如图3所示，是一面电极型的发光元件，是在基板11上形成有中间层12、基底层14a、由含有Ga作为III族元素的III族氮化物化合物半导体形成的半导体层20的发光元件。半导体层20，如图3所示，是n型半导体层14、发光层15和p型半导体层16的各层按此顺序层叠而成的。

[发光元件的叠层结构]

<基板>

在本实施方式的发光元件1中，作为能够用于基板11的材料，只要是可在表面外延生长III族氮化物化合物半导体晶体的基板材料，就没有特别的限定，可选择各种材料使用。例如，可举出蓝宝石、SiC、硅、氧化锌、氧化镁、氧化锰、氧化锆、氧化锰锌铁、氧化镁铝、硼化锆、氧化镓、氧化铟、氧化锂镓、氧化锂铝、氧化钕镓、氧化镧锶铝钽、氧化锶钛、氧化钛、铪、钨、钼等。

另外，在上述基板材料中，特别优选使用蓝宝石，优选在蓝宝石基板的c面上形成有中间层12。

再者，在上述基板材料之中，在使用已知通过在高温下与氨接触引起化学改性的氧化物基板、金属基板等，不使用氨而成膜出中间层12，并且由使用氨的方法成膜出构成后述的n型半导体层14的基底层的场合，详细情况后述的中间层12作为涂层发挥作用，因此从防止基板11的化学改质的观点考虑是有效的。

另外，一般地，溅射法能够抑制基板11的温度使其低，因此即使是使用由具有在高温下分解的性质的材料形成的基板11的场合，也不会对基板11造成损伤，并能够在基板上成膜出各层。

<中间层>

在本实施方式的发光元件1中，在基板11上成膜出具有六方晶系的晶体结构的中间层12。

构成中间层12的III族氮化物半导体的晶体，优选由多晶的Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)构成，更优选是单晶的Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)晶体。

III族氮化物半导体的晶体，通过控制生长条件，不仅在上方向，而且在面内方向也生长，从而形成单晶结构。因此，通过控制中间层12的成膜条件，能够形成由单晶结构的III族氮化物半导体的晶体构成的中间层12。

在基板11上成膜出具有这样的单晶结构的中间层12的场合，由于中间层12的缓冲功能有效地发挥作用，因此在其上成膜出的III族氮化物半导体成为具有良好的取向性和结晶性的晶体膜。

另外，构成中间层12的III族氮化物半导体的晶体，通过控制成膜条件，也能够形成为由以六角柱为基本的织构构成的柱状晶体(多晶)。再者，所谓这里的由织构形成的柱状晶体，是指在与相邻的晶粒之间形成晶界而隔开，其本身作为纵截面形状为柱状的晶体。

中间层12，作为保护基板11避免高温下的化学反应的目的、缓和基板11的材料与半导体层20的晶格常数的不同的目的，或用于促进用于晶体生长的晶核发生的层而形成。

作为中间层12的材料，优选使用含有Ga的III族氮化物化合物。尤其是更优选由Al_xGa_1-xN层(0≤x≤1，优选0.5≤x≤1，更优选0.9≤x≤1)构成。另外，作为用于中间层12的材料，优选使用AlN。

另外，中间层12必须覆盖基板11的表面11a的至少60％以上，优选以覆盖80％以上方式形成，更优选以覆盖90％以上的方式形成。另外，最优选以覆盖表面11a的100％，即无间隙地覆盖基板11的表面11a上的方式形成中间层12。

中间层12覆盖基板11的表面11a的区域变小时，基板成为大大地露出的状态。这样的情况下，成膜于中间层12上的基底层14a与直接成膜于基板11上的基底层14a的晶格常数不同，不能成为均匀的晶体，有可能产生小丘(hillock)、凹坑。

另外，中间层12，也可以以除了覆盖基板11的表面11a以外，还覆盖侧面的方式形成，也可以以进一步覆盖基板11的背面的方式形成。

<基底层>

本实施方式的n型半导体层14的基底层14a，由III族氮化物化合物半导体形成，构成III族氮化物化合物半导体元件。基底层14a的材料，可以与中间层12相同也可以与之不同，但为了容易产生位错的环化，优选是含有Ga的III族氮化物化合物，即GaN系化合物半导体，更优选由Al_xGa_1-xN层(0≤x≤1，优选0≤x≤0.5，更优选0≤x≤0.1)构成。另外，本发明者们进行实验的结果，作为用于基底层14a的材料，优选是含有Ga的III族氮化物，尤其是优选AlGaN，GaN也很合适。

在本实施方式中，对基底层14a的厚度没有特别的限制，但优选为0.1μm～20μm的范围，更优选为0.5μm～15μm。基底层14a需要通过迁移使位错环化以避免原样地继承作为晶体界面明了的柱状晶体的集合体的中间层12的结晶性，但基底层14a的厚度不到0.5μm时，有时位错的环化不充分。另外，即使成为超过20μm的基底层14a的厚度，功能也没有变化，只是不必要地延长制造时间。

在基底层14a中，可以根据需要在1×10¹⁷～1×10¹⁹/cm³的范围内掺杂n型杂质，但也可以为无掺杂(＜1×10¹⁷/cm³)，从维持良好的结晶性的观点考虑，优选无掺杂。

例如，在基板11具有导电性的场合，通过对基底层14a掺杂掺杂物使其具有导电性，能够在发光元件1的上下形成电极。另一方面，作为基板11使用绝缘性的材料的场合，由于采取在发光元件1的同一面上设置了正极和负极的各电极的芯片结构，因此从结晶性良好的观点考虑，优选基板11正上方的层为不掺杂的晶体。作为n型杂质，没有特别的限定，例如，可举出Si、Ge和Sn等，优选举出Si和Ge。

基底层14a是(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒以下、且(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下的层。另外，优选基底层14a的上述(0002)面的摇摆曲线半值宽度为50弧度秒以下、且上述(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为250弧度秒以下。

再者，在本发明中，所谓「摇摆曲线半值宽度」，意指X射线衍射的摇摆曲线半值宽度。另外，在本发明中的「摇摆曲线半值宽度」的测定中，作为X射线发生装置，使用输出为电压45kV、电流40mA，在入射部光学系统中作为单色器设置Ge混合式单色器2次衍射装置，将来自X射线管球的发散束转换成单色平行束的装置。另一方面，作为受光部光学系统，使用分辨能力12”的三轴式模件(triple axis module)，作为X射线检测器使用比例计数器。另外，在X射线发生装置侧，作为发散狭缝使用1/8英寸的狭缝，将X射线束径缩小成长10mm×宽0.365mm的大小。

可以设置在由III族氮化物化合物半导体形成的基底层14a上层叠了半导体叠层结构的构成。例如，在形成用于发光元件的半导体叠层结构的场合，可以将掺杂有Si、Ge、Sn等的n型掺杂物的n型导电性层、掺杂有镁等的p型掺杂物的p型导电性层等层叠而形成。另外，作为材料，发光层等可以使用InGaN，覆盖层等可以使用AlGaN。这样，通过在基底层14a上进一步形成具有功能的III族氮化物半导体晶体层，能够制作可用于制作发光二极管、激光二极管或电子器件等的具有半导体叠层结构的晶片。

(半导体层)

如图3所示，半导体层20具有n型半导体层14、发光层15和p型半导体层16。

「n型半导体层」

n型半导体层14，层叠在基底层14a上，由n型接触层14b和n型覆盖层14c构成。

再者，n型接触层可兼作为基底层和/或n型覆盖层，但基底层也可兼作为n型接触层和/或n型覆盖层。

(n型接触层)

n型接触层14b由III族氮化物化合物半导体形成。n型接触层14b，优选与基底层14a同样地由Al_xGa_1-xN层(0≤x≤1，优选0≤x≤0.5，更优选0≤x≤0.1)构成。

另外，在n型接触层14b中，优选掺杂有n型杂质，当以1×10¹⁷～1×10¹⁹/cm³、优选以1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³的浓度含有n型杂质时，在维持与负极的良好的欧姆接触、抑制裂纹发生、维持良好的结晶性方面优选。作为n型杂质，没有特别的限定，例如可举出Si、Ge和Sn等，优选是Si以及Ge。

再者，构成基底层14a和n型接触层14b的氮化镓系化合物半导体，优选是同一组成，将它们的合计的膜厚设定在0.1～20μm，优选设定在0.5～15μm，更优选设定在1～12μm的范围。当膜厚为该范围时，可良好地维持半导体的结晶性。

(n型覆盖层)

优选在n型接触层14b与发光层15之间设置n型覆盖层14c。通过设置n型覆盖层14c，可具有向活性层(发光层15)供给电子、缓和晶格常数差别等的效果。n型覆盖层14c可由AlGaN、GaN、GaInN等进行成膜。另外，也可形成为这些结构的异质结、多次层叠的超晶格结构。在n型覆盖层14c为GaInN时，当然优选比发光层15的GaInN的带隙大。

n型覆盖层14c的n型掺杂物浓度优选为1×10¹⁷～1×10²⁰/cm³的范围，更优选为1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³的范围，当掺杂物浓度为该范围时，在维持良好的结晶性和降低发光元件的工作电压方面优选。

再者，在使n型覆盖层14c为含有超晶格结构的层的场合，虽然省略了详细的图示，但也可以是：含有具有100埃以下的膜厚的由III族氮化物化合物半导体形成的n侧第1层、和组成与该n侧第1层不同并且具有100埃以下的膜厚的由III族氮化物化合物半导体形成的n侧第2层层叠的结构的层。另外，n型覆盖层14c也可以是含有n侧第1层与n侧第2层交替地重复层叠的结构的层。另外，优选是上述n侧第1层或n侧第2层的任一层与活性层(发光层15)接触的构成。

如上所述的n侧第1层和n侧第2层，例如可为含有Al的AlGaN系(有时仅记载为AlGaN)、含有In的GaInN系(有时仅记载为GaInN)、GaN组成。另外，n侧第1层和n侧第2层，也可以是GaInN/GaN的交替结构、AlGaN/GaN的交替结构、GaInN/AlGaN的交替结构、组成不同的GaInN/GaInN的交替结构(本发明中的“组成不同”这一说明，是指各元素组成比不同，以下同样)、组成不同的AlGaN/AlGaN的交替结构。在本发明中，n侧第1层和n侧第2层，优选是GaInN/GaN的交替结构或组成不同的GaInN/GaInN。

上述n侧第1层和n侧第2层的超晶格层，优选分别是60埃以下，更优选分别是40埃以下，最优选分别是10埃～40埃的范围。形成超晶格层的n侧第1层和n侧第2层的膜厚超过100埃时，容易产生晶体缺陷因而不优选。

上述n侧第1层和n侧第2层可以分别是掺杂了的结构，还可以是掺杂结构/未掺杂结构的组合。作为掺杂的杂质，对于上述材料组成可以没有任何限制地使用以往公知的杂质。例如，作为n型覆盖层，使用GaInN/GaN的交替结构或组成不同的GaInN/GaInN的交替结构的层时，作为杂质优选Si。另外，如上所述的n侧超晶格多层膜，由GaInN、AlGaN、GaN所代表的组成可以相同，也可以一边适宜地开(ON)、停(OFF)掺杂一边进行制作。

<发光层>

发光层15是层叠在n型半导体层14上，并在其上层叠p型半导体层16的层。发光层可以采取多量子阱结构、单阱结构、整体(bulk)结构等。在本实施方式中，发光层15，如图3所示，由氮化镓系化合物半导体形成的势垒层15a和由含有铟的氮化镓系化合物半导体形成的阱层15b交替地重复层叠，并且，在n型半导体层14侧和p型半导体层16侧配置势垒层15a。在图3表示的例中，发光层15为多量子阱构成，即：6层的势垒层15a与5层的阱层15b交替地重复层叠，在发光层15的最上层和最下层配置势垒层15a，在各势垒层15a间配置阱层15b。

作为势垒层15a，例如，可优选使用带隙能量比阱层15b大的Al_cGa_1-cN(0≤c＜0.3)等的氮化镓系化合物半导体。

另外，在阱层15b中，作为含有铟的氮化镓系化合物半导体，可以使用例如Ga_1-sIn_sN(0＜s＜0.4)等的氮化镓铟。

<p型半导体层>

p型半导体层16由p型覆盖层16a和p型接触层16b构成。再者，也可以是p型接触层兼作为p型覆盖层的构成。

(p型覆盖层)

作为p型覆盖层16a，是比发光层15的带隙能量大的组成，只要是能够在发光层15中封闭载流子的组成就没有特别的限定，可优选举出Al_dGa_1-dN(0＜d≤0.4，优选0.1≤d≤0.3)覆盖层。当p型覆盖层16a由这样的AlGaN构成时，在发光层15中封闭载流子方面是优选的。

p型覆盖层16a的p型掺杂物浓度优选是1×10¹⁸～1×10²¹/cm³，更优选是1×10¹⁹～1×10²⁰/cm³。当p型掺杂物浓度为上述范围时，不会使结晶性降低并可得到良好的p型晶体。作为p型杂质，没有特别的限定，例如优选举出Mg。p型覆盖层16a也可以为多次层叠的超晶格结构。

再者，在使p型覆盖层16a为含有超晶格结构的层时，虽然省略了详细的图示，但也可以是包含具有100埃以下的膜厚的由III族氮化物化合物半导体形成的p侧第1层、和组成与该p侧第1层不同并具有100埃以下的膜厚的由III族氮化物化合物半导体形成的p侧第2层层叠的结构的层。另外，也可以是包含p侧第1层与p侧第2层交替地重复层叠的结构的层。

如上所述的p侧第1层和p侧第2层，可以是各自组成不同的、例如AlGaN、GaInN或GaN之中的任何组成，另外也可以是GaInN/GaN的交替结构、AlGaN/GaN的交替结构或GaInN/AlGaN的交替结构。在本发明中，p侧第1层和p侧第2层，优选是AlGaN/AlGaN或AlGaN/GaN的交替结构。

上述p侧第1层和p侧第2层的超晶格层，优选分别是60埃以下，更优选分别是40埃以下，最优选分别是10埃～40埃的范围。形成超晶格层的p侧第1层和p侧第2层的膜厚超过100埃时，就成为含有较多的晶体缺陷等的层，因而不优选。

上述p侧第1层和p侧第2层可以分别是掺杂了的结构，还可以是掺杂结构/未掺杂结构的组合。作为掺杂的杂质，对于上述材料组成可以没有任何限制地使用以往公知的杂质。例如，作为p型覆盖层，使用AlGaN/GaN的交替结构或组成不同的AlGaN/AlGaN的交替结构的p型覆盖层时，作为杂质优选Mg。另外，如上所述的p侧超晶格多层膜，由GaInN、AlGaN、GaN所代表的组成可以相同，也可以一边适宜地开(ON)、停(OFF)掺杂一边进行制作。

(p型接触层)

p型接触层16b，是至少含有Al_eGa_1-eN(0≤e＜0.5，优选0≤e≤0.2，更优选0≤e≤0.1)的氮化镓系化合物半导体层。当Al组成为上述范围时，在维持良好的结晶性和与p欧姆电极(参照后述的透光性电极17)的良好的欧姆接触方面优选。

另外，当p型接触层16b以1×10¹⁸～1×10²¹/cm³的范围的浓度含有p型掺杂物时，在维持良好的欧姆接触、防止裂纹发生、维持良好的结晶性方面优选，更优选是5×10¹⁹～5×10²⁰/cm³的范围。作为p型杂质，没有特别的限定，例如优选举出Mg。

再者，构成本发明的发光元件1的半导体层20，并不限于上述的实施方式的半导体层。

例如，作为构成本发明的半导体层的材料，除了上述的材料以外，还已知例如由通式Al_XGa_YIn_ZN_1-AM_A(0≤X≤1、0≤Y≤1、0≤Z≤1且X+Y+Z＝1。符号M表示与氮(N)不同的第V族元素，0≤A＜1)表示的氮化镓系化合物半导体，在本发明中，也可以没有任何限制地使用这些众所周知的氮化镓系化合物半导体。

另外，含有Ga作为III族元素的III族氮化物化合物半导体，除了Al、Ga和In以外，还可以含有其他的III族元素，也可以根据需要含有Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As和B等元素。此外，不限于有意地添加的元素，也有时含有依赖于成膜条件等而必然地含有的杂质以及在原料、反应管材质中含有的微量杂质。

<透光性正极>

透光性正极17，是在p型半导体层16上形成的具有透光性的电极。

作为透光性正极17的材质，没有特别的限定，可以采用ITO(In₂O₃-SnO₂)、AZO(ZnO-Al₂O₃)、IZO(In₂O₃-ZnO)、GZO(ZnO-Ga₂O₃)等材料。另外，作为透光性正极17，可以没有任何限制地使用包括以往公知的结构在内的任何结构的透光性正极。

另外，透光性正极17可以以覆盖p型半导体层16上的整个面的方式形成，也可以隔开间隙而呈格子状、树形状地形成。

<正极焊盘>

正极焊盘18，是如图4所示地在透光性正极17上形成的大致圆形的电极。

作为正极焊盘18的材料，众所周知的是使用了Au、Al、Ni以及Cu等的各种结构，可以没有任何限制使用这些众所周知的材料、结构的正极焊盘。

正极焊盘18的厚度优选是100～1000nm的范围内。另外，在焊盘的特性上，厚度大时接合性变高，因此更优选正极焊盘18的厚度为300nm以上。从制造成本的观点考虑优选为500nm以下。

<负极>

负极19是与构成半导体层20的n型半导体层14的n型接触层14b接触的电极。因此，负极19如图3和图4所示，在除去p型半导体层16、发光层15和n型半导体层14的一部分而使n型接解层14b露出的露出区域14d上呈大致圆形状地形成。作为负极19的材料，众所周知的是各种组成和结构的负极，可以没有任何限制地使用这些众所周知的负极。

[发光元件的制造方法]

制造图3所示的发光元件1时，首先，在基板11上形成形成有半导体层20的图5所示的叠层半导体10。为了形成图5所示的叠层半导体10，首先准备基板11。基板11，优选实施预处理后使用。

例如，在使用由硅形成的基板11的场合，可采用实施熟知的RCA洗涤方法等的湿式的方法，使表面成为氢末端的方法。由此成膜工艺稳定。

另外，也可以在溅射装置的室内配置基板11，在形成中间层12之前，采用溅射法等的方法进行预处理。具体地讲，在室内，通过将基板11暴露在Ar、N₂的等离子体中来进行清洗表面的预处理。通过使Ar气、N₂气等的等离子体作用于基板11表面，能够除去附着在基板11表面的有机物、氧化物。该场合下，如果不对靶施加电力，而在基板11与室之间施加电压，则等离子粒子高效率地作用于基板11。

对基板11进行预处理后，采用溅射法在基板11上成膜出图5所示的中间层12。

作为中间层12的成膜方法，可以没有任何问题地采用作为III族氮化物化合物半导体的晶体生长方法的一般所公知的方法，例如，可以采用MOCVD法、MBE法(分子束外延法)、溅射法以及HVPE法(氢化物气相生长法)等。

形成于中间层12上的n型半导体层14的取向，受中间层12的状态的影响大。迄今认为为了得到结晶性高的中间层12，优选采用MOCVD法。然而，MOCVD法是在基板11上淀积由分解的原料生成的金属的方法，最初形成晶核，接着在晶核的周围生长晶体，逐渐地成膜，因此在形成如中间层12那样薄的膜的场合，有时均匀性不充分。与此相对，溅射法在形成薄的膜的场合也能够生成均匀的膜，还适合于大量生产，因而优选。能够容易地形成具有单晶结构的中间层12、具有有适宜的结构的柱状晶体(多晶)结构的中间层12。

采用溅射法形成中间层12的场合，采用DC溅射法时会招致靶表面的充电，成膜速度不稳定的可能性高，因此优选为脉冲DC溅射或RF(高频)溅射法。另外，在溅射法中，一般地已实用通过在磁场内封闭等离子体而提高效率的方法，作为得到均匀的膜厚的方法，优选使磁铁的位置在靶内移动。具体的运动方法，可根据装置进行选择，可使其摇动或使其旋转运动。通过这样的操作，能够成膜出具有单晶结构的中间层12或具有适宜的密度且晶体界面明了的柱状晶体的中间层12。

在采用溅射法形成中间层12的场合，成膜时的基板温度优选为300～800℃。在为不到上述范围的温度时，不能够由中间层12覆盖基板11的整个面，有时基板11面露出。另外，当为超过上述范围的温度时，金属原料的迁移过于活跃，难以形成具有晶体界面明了的柱状晶体的中间层12，因而不优选。另外，当为超过上述范围的温度时，晶体的生长速度变得极小，因此难以形成具有单晶结构的中间层12，因而不优选。

另外，在采用溅射法形成中间层12的场合，优选使室内的压力为0.3Pa以上。在为不到上述范围的压力时，氮的存在量变少，有时溅射的金属不成为氮化物而附着。另外，室内的压力上限并没有特别的限定，但是当然需要能够产生等离子体的程度的低压。

另外，室内的氮流量相对于氮原料和惰性气体的流量的比存在优选的范围，在氮流量比过低时，溅射金属有可能以金属态附着，在氮流量比过高时，惰性气体的量少，溅射速度降低。

在形成具有单晶结构的中间层12的场合，室内的氮流量相对于氮原料和惰性气体的流量的比，氮原料为50％～100％，优选为60％～90％，更优选70％～80％，特别优选为75％。

另外，在形成具有柱状晶体(多晶)的中间层12的场合，室内的氮流量相对于氮原料和惰性气体的流量的比，氮原料为1％～50％，优选为10％～40％，更优选为20％～30％，特别优选为25％。

在此，作为本技术中使用的氮原料，可以没有任何问题地使用一般已知的化合物。将氮气作为氮原料使用时，虽然装置简便，但不能得到高的反应速度。然而，通过利用电场、热量等分解氮后导入装置中，虽然比氨差但能够得到可利用的程度的成膜速度。

因此，考虑到与装置成本的兼顾，氮气是最优选的氮原料。

在采用溅射法形成中间层12的场合，通过使成膜时的基板温度、室内的压力、室内的氮流量相对于氮气和惰性气体的流量的比为上述范围，能够成膜出具有单晶结构的中间层12或晶体界面明了且以优选的密度含有柱状晶体的中间层12。

通过这样地采用溅射法形成中间层12，能够形成由单晶结构或晶面一致的柱状晶体层构成的面内均匀性良好的中间层12，能够在面内均匀性良好的中间层12上外延生长(epitaxial growth)出结晶取向性高的n型半导体层14。

例如，通过由MOCVD法在中间层12上形成GaN系化合物半导体，以构成中间层12的单晶结构或晶面一致的柱状晶体层为生长核，可实现位错密度小的晶体生长。

然后，在成膜出中间层12的基板11上，如图5所示地形成基底层14a。

中间层12成膜后、成膜出基底层14a之前的退火不特别需要。但在采用MOCVD法、MBE法和HVPE法等气相化学成膜方法施加基底层14a的场合，一般地，伴随着成膜经过升温过程和温度的稳定化过程。在这些过程中，使V族的原料气流通的情况多，因此作为结果有可能产生退火的效果。然而，这并不是特别地利用退火效果的，是一般的公知的技术。

另外，此时流通的载气，可以没有问题地使用一般的载气。即，可以使用在MOCVD法等气相化学成膜方法中广泛使用的氢气、氮气。

然而，在化学上比较活泼的氢气中的升温有可能损害结晶性、晶体表面的平坦性，因此没有长时间进行为好。

层叠基底层14a的方法，只要是如上所述的能够产生位错的环化的晶体生长方法即可，没有特别的限定，但MOCVD法、MBE法和HVPE法能够通过迁移而使位错环化，因此能够形成良好的结晶性的膜，因此优选。其中，MOCVD法能够得到结晶性最好的膜，因此优选。

在由MOCVD法形成基底层14a时的基板温度，优选为800℃以上，这是因为当基板温度高时，容易发生原子的迁移，容易进行位错的环化的缘故。更优选为900℃以上，特别优选为1000℃以上。另外，形成基底层14a时的基板温度，当然为比晶体分解的温度低的温度，1200℃以上的温度不适合作为基底层14a的生长温度。

另外，基底层14a也可以采用溅射法进行成膜。在采用溅射法形成基底层14a时，与MOCVD法、MBE法相比，能够简便地制造装置，因而优选。

在由溅射法形成基底层14时，例如，可将氩气和氮气导入到溅射装置的室内后，使基板11的温度升温，对基板11侧施加高频偏压，并对由金属Ga形成的溅射靶侧施加电力，一边将室内的压力保持在设定的压力，一边在基板11上成膜出基底层14a。

优选通过采用RF(高频)溅射法或DC溅射法作为溅射法，来对溅射靶施加电力。

另外，在采用溅射法形成基底层14a的场合，采用使氮化物原料在反应器内流通的反应溅射法进行成膜的方法，可通过控制反应而良好地保持结晶性，能够稳定地再现其良好的结晶性，在这些方面是优选的。

在采用反应溅射法的场合，从能够容易地控制成膜速度的观点考虑，更优选采用RF溅射法。在DC溅射法中，采用反应溅射法时，若为在DC下连续地施加电场的状态，则溅射靶充电，难以提高成膜速度，因此优选为脉冲地赋予偏压的脉冲式DC溅射法

另外，由溅射法形成半导体层时，优选相对于溅射靶使磁场旋转或使磁场摇动。尤其是采用RF溅射时，作为得到均匀的膜厚的方法，优选一边使磁铁的位置在溅射靶内移动一边进行成膜。

在本实施方式中，N₂流量相对于氮(N₂)与氩(Ar)的流量的比优选为20％～90％的范围。当为低于该范围的N₂流量比时，溅射金属以金属态附着在基板上。另外，当为超过上述范围的流量比时，Ar的量过少，因此溅射速度降低。

另外，在本实施方式中，提高溅射装置的室内的气体中的N₂浓度，进而以上述流量比混合作为重量大的气体的Ar。室内的气体只是N₂时，轰击金属靶的力弱，因此成膜速度受到限制。在本实施方式中，通过以上述流量比与重量大的Ar混合，可提高成膜速度，并且使基板11上的迁移活跃。

作为本实施方式中使用的氮原料，除了上述的N₂气以外，可以没有任何限制地使用一般已知的氮化合物，氨、氮气由于操作简单，并且比较廉价，容易得到，因此优选。如果采用通过电场、热量等分解氮气后而导入装置中的方法，则能够得到比氨低但在工业生产上能够利用的程度的成膜速度，因此如果考虑与装置成本的兼顾，则N₂气是最优选的氮源。

在本实施方式的制造方法中，形成基底层14a时，优选室内的压力为10Pa以下，更优选为5Pa以下，最优选为1Pa以下。若室内的压力为上述范围，则能够以高效率形成结晶性良好的基底层14a。室内的压力超过10Pa时，有可能不能得到结晶性良好的基底层14a。

另外，采用溅射法形成基底层14a时的室内的压力，优选为0.3Pa以上。室内的压力不到0.3Pa时，氮的存在量过少，溅射的金属有可能以未成为氮化物的状态附着于基板11上。

通过溅射形成基底层14a时的基板11的温度，优选为400～1300℃的范围。通过提高形成基底层14a时的基板11的温度，容易发生原子的迁移，容易进行位错的环化。另外，形成基底层14a时的基板11的温度，必须是比晶体分解的温度低的温度，因此优选为不到1300℃。

在本实施方式的制造方法中，通过使由溅射法形成基底层14a时的基板11的温度为上述范围，能够使到达基板11的反应物质(从金属靶取出的金属)在晶体表面上的运动活化，可得到结晶性好的基底层14a。

另外，采用溅射法形成基底层14a时的成膜速度，优选为0.1～10nm/秒的范围。成膜速度不到0.1nm/秒时，成膜过程时间长，在工业生产上浪费大。另外，成膜速度超过10nm/秒时，难以得到良好的膜。

再者，通过采用溅射法形成基底层14a，与MOCVD法相比，能够提高成膜速度，能够缩短成膜(制造)时间。另外，通过缩短制造时间，能够将杂质进入溅射装置内的室内的现象抑制在最小限度，能够成膜出高品质的基底层14a。

然后，采用可形成结晶性良好的层的MOCVD(金属有机化学气相淀积法)，在已成膜出基底层14a的基板11上，如图5所示地形成n型接触层14b、n型覆盖层14c、包含势垒层15a和阱层15b的发光层15、p型半导体层16的p型覆盖层16a和p型接触层16b。

在采用MOCVD法时，作为载气可使用氢(H₂)或氮(N₂)，作为III族原料的Ga源可使用三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)，作为Al源可使用三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)，作为In源可使用三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)，作为V族原料的N源可使用氨(NH₃)、肼(N₂H₄)等。

另外，掺杂元素的n型杂质中，作为Si原料可使用甲硅烷(SiH₄)或乙硅烷(Si₂H₆)，作为Ge原料可使用锗烷气(GeH₄)、四甲基锗((CH₃)₄Ge)、四乙基锗((C₂H₅)₄Ge)等有机锗化合物。

掺杂元素的p型杂质中，作为Mg原料，例如可使用双环戊二烯基镁(Cp₂Mg)或双乙基环戊二烯基镁(EtCp₂Mg)。

采用光刻法在这样地得到的图5所示的叠层半导体10的p型接触层16上，依次形成透光性正极17和正极焊盘18。

接着，通过对形成有透光性正极17和正极焊盘18的叠层半导体10进行干蚀刻，使n型接触层14b上的露出区域14d露出。

然后，通过采用光刻法在露出区域14d上形成负极19，可得到图3和图4所示的发光元件1。

本实施方式的发光元件1，设置于在基板11上设置的中间层12上，具有(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒以下、且(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下的基底层14a，因此基底层14a中的贯穿位错少，可得到优异的发光特性。

另外，根据本实施方式的发光元件1的制造方法，由于采用溅射法形成中间层12，因此能够形成即使薄也均匀的中间层12，能够在中间层12上容易地形成(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒以下、且(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下的基底层14a。因此，根据本发明的发光元件1的制造方法，能够容易地提供半导体层20中的贯穿位错少的具有优异的发光特性的发光元件1。

另外，本实施方式的发光元件1，是在贯穿位错少的基底层14a上依次形成了n型半导体层14的n型接触层14b和n型覆盖层14c、发光层15、p型半导体层16的发光元件，因此成为发光层15和p型半导体层16中的贯穿位错少的发光元件，成为半导体层20中的贯穿位错少的具有优异的发光特性的发光元件。

再者，本发明的发光元件1的制造方法，不限于上述的例子，也可以将溅射法，MOCVD法(金属有机化学气相淀积法)、HVPE法(氢化物气相生长法)、MBE法(分子束外延法)等能够生长半导体层的任何的方法组合而进行半导体层20的成膜。

另外，本发明的III族氮化物化合物半导体元件，除了用于上述的发光元件以外，还可以用于激光元件、受光元件等的光电转换元件、或HBT、HEMT等的电子器件等。这些半导体元件，已知许多的各种结构的半导体元件，本发明涉及的III族氮化物化合物半导体发光元件的结构，包括这些众所周知的元件结构，没有任何限制。

[灯]

本发明的灯是使用本发明的发光元件而成的灯。

作为本发明的灯，例如，可举出将本发明的发光元件与荧光体组合而成的灯。组合了发光元件和荧光体的灯，可采用本领域技术人员众所周知的手段实现本领域技术人员众所周知的构成。另外，以往就知道通过将发光元件与荧光体组合来改变发光色的技术，本发明的灯也可以没有任何限制地使用这样的技术。

例如，通过适当选定用于灯的荧光体，能够得到波长比发光元件的波长长的发光，另外，通过将发光元件本身的发光波长和由荧光体转换后的波长混合，也能够制成呈白色发光的灯。

图6是模式地表示使用本发明涉及的III族氮化物化合物半导体发光元件构成的灯的一例的概略图。图6所示的灯3是炮弹型的灯，使用了图3所示的发光元件1。如图6所示，发光元件1的正极焊盘(参照图3中表示的标号18)由线33与2个框31、32中的一个(在图6中为框31)接合，发光元件1的负极(参照图4中表示的标号19)由线34与另一个框32接合，由此组装出发光元件1。另外，发光元件1的周边利用由透明的树脂形成的塑模35封装。

本发明的灯是使用本发明的发光元件1而成的灯，因此具有优异的发光特性。

另外，本发明的灯可以用于一般用途的炮弹型、便携式的背光用途的侧面发光型、在显示器中使用的正面发光型等的任何用途中。

实施例

接着示出实施例和比较例更详细地说明本发明，但本发明并不只限于这些实施例。

[实施例1]

采用RF溅射法在蓝宝石基板的c面上形成由AlN构成的层作为中间层，采用MOCVD法在该中间层上形成由GaN构成的层作为基底层。

<中间层的形成>

将C面蓝宝石基板导入到溅射装置中，在室内将基板加热到500℃，以15sccm的流量导入氮气。然后，将室内的压力保持在1Pa，对基板侧施加500W的高频偏压，通过暴露在氮等离子体中来洗净基板表面。

接着，导入氩和氮气，使基板温度为500℃。然后对靶侧施加2000W的高频电力，将炉内的压力保持在0.5Pa，在使氩气以5sccm流通、氮气以15sccm流通的条件(氮气在气体总量中的比例为75％)下，在蓝宝石基板的c面上开始AlN层的成膜。然后，以0.08nm/秒的生长速度成膜出具有单晶结构的厚度50nm的AlN层后，停止发生等离子体，使基板温度降低。

再者，在形成中间层时，作为溅射装置使用具有高频式的电源，并具有在靶内使磁铁的位置移动的机构的溅射装置，作为靶使用金属Al靶。另外，靶内的磁铁，在清洗基板时和成膜时都使其摇动。

<基底层的形成>

将从溅射装置中取出的形成有AlN膜的基板导入到MOCVD炉中，采用以下所示的方法进行GaN层的成膜。

首先，将基板载置于配置在MOCVD炉内的加热用的碳制基座上，使氮气在MOCVD炉内流通后，使加热器工作，使基板温度升温到1150℃。然后，确认温度已稳定，开始向MOCVD炉内流通氨。接着，向MOCVD炉内供给含有三甲基镓(TMG)的蒸气的氢气，开始在基板上形成GaN层。此时，进行调节以使V族元素/III族元素比为6000。进行约1小时的非掺杂、2μm的膜厚的GaN层的生长后，停止向MOCVD炉供给原料，从而使生长停止。然后，停止对加热器的通电，将基板的温度降到室温。取出的基板呈无色透明的镜面状。

[实施例2]

在实施例2中，除了清洗基板表面时的条件和形成中间层的条件以外，与实施例1同样地在基板上形成中间层和基底层。

<中间层的形成>

将C面蓝宝石基板导入到溅射装置中，在室内将基板加热到750℃，以15sccm的流量导入氮气。然后，将室内的压力保持在0.08Pa，对基板侧施加500W的高频偏压，通过暴露在氮等离子体中，来洗净基板表面。

接着，导入氩和氮气，使基板温度降到500℃。然后对靶侧施加2000W的高频电力，将炉内的压力保持在0.5Pa，在使氩气以15sccm流通、氮气以5sccm流通的条件(氮气相对于气体总量的比例为25％)下，在蓝宝石基板的c面上开始AlN层的成膜。然后，以0.08nm/秒的生长速度形成由柱状晶体的集合体(多晶)构成的厚度50nm的AlN层后，停止发生等离子体，使基板温度降低。

然后，与实施例1同样地进行基底层的成膜。从MOCVD炉内取出的基板呈无色透明的镜面状。

[比较例]

采用MOCVD法在与实施例1同样的蓝宝石基板的c面上形成由AlN构成的层作为中间层，与实施例1同样地在该中间层上形成与实施例1同样的基底层。

<中间层和基底层的形成>

将C面蓝宝石基板载置于配置在MOCVD炉内的加热用的碳制基座上，使氮气在MOCVD炉内流通后，使加热器工作，使基板温度升温到1150℃。然后，确认温度已稳定，向MOCVD炉内供给含有三甲基铝(TMA)蒸气的氢气，开始在基板上附着AlN。

然后，进行约10分钟的AlN生长后，与实施例1同样地进行GaN层的生长。取出的基板呈无色透明的镜面状。

然后，准备在基板上形成有实施例1以及实施例2的中间层和基底层的20个试验体、和在基板上形成有比较例的中间层的和基底层的40个试验体，分别测定GaN层的摇摆曲线半值宽度。摇摆曲线半值宽度的测定，是对于(0002)面和(10-10)面进行。

作为X射线源，使用CuKα射线，使用发散角为0.01°的入射光，使用スペクトリス公司制PANalytical X′pert Pro MRD装置进行测定。

另外，(0002)面的摇摆曲线测定，是通过发现相当于(0002)面的峰后，将2θ和ω最佳化，然后，调整Psi进行在峰强度最大的方向的摇摆曲线测定，由此来进行。通过这样地进行摇摆曲线测定，来修正由基板在装置上的安装方式和相对于基板的取向方向根据被测定试样而不同所引起的误差，能够进行在实施例1和实施例2与比较例之间的摇摆曲线半值宽度的比较。

(10-10)面的摇摆曲线测定，使用在X射线全反射的条件下透过面内的X射线进行。具体地讲，若从水平方向入射在相对于水平地放置的被测定试样垂直的方向发散的X射线源，则一部分进行全反射，因此利用该X射线。另外，将检测器固定在相当于(10-10)面的2θ位置，进行φ扫描。然后，测定6次对称的峰，在显示最大强度的峰位置固定光学系统后，将2θ和ω最佳化，进行摇摆曲线测定。

测定实施例1和实施例2、比较例的GaN基底层的摇摆曲线半值宽度的结果，实施例1和实施例2的GaN层的(0002)面的摇摆曲线半值宽度为40弧度秒左右，(10-10)面的半值宽度为220～250弧度秒的范围。

与此相对，比较例的GaN层的(0002)面的摇摆曲线半值宽度为200弧度秒左右，(10-10)面的半值宽度为400～500弧度秒的范围。

实施例1和实施例2与比较例的GaN层的摇摆曲线半值宽度的结果的差别，可以认为是由于，与采用MOCVD法成膜的中间层相比，采用溅射法成膜的AlN层其面内均匀性优异，因此在AlN层上生长的GaN层的取向性良好的缘故。

[实施例3]

接着，作为实施例3，制作了如图3和图4(参照图5的叠层半导体10)所示的发光元件1，并制作了图6所示的使用发光元件1的灯3(发光二极管：LED)。

在本例中，首先，在由蓝宝石制成的基板11的c面上，采用RF溅射法形成由ALN构成的单晶层作为中间层12，在中间层12上，采用MOCVD法按以下的方法形成由GaN(III族氮化物化合物半导体)构成的层作为基底层14a，然后将各层层叠。

<中间层的形成>

首先，向室中导入由对表面进行了镜面研磨的直径2英寸的(0001)c面蓝宝石制成的基板11。此时，使用高频式的溅射装置，作为靶使用由金属Al制成的靶。

然后，在室内将基板11加热到500℃，导入氮气后，对基板11侧施加高频偏压，通过暴露在氮等离子体中来洗净基板11表面。

接着，基板11的温度原样不变，向溅射装置内导入氩和氮气。然后，对金属Al靶侧施加高频偏压，将炉内的压力保持在0.5Pa，在使氩气以5sccm、氮气以15sccm流通的条件下，在由蓝宝石制成的基板11上，成膜出由AlN构成的单晶的中间层12。然后，按预先测定的成膜速度，通过规定的时间的处理，形成40nm的AlN膜(中间层12)后，停止等离子体工作，使基板11的温度降低。

然后，使用X射线测定装置(スペクトリス公司制，型号：X′pert ProMRD)测定形成于基板11上的中间层12的X射线摇摆曲线(XRC)。该测定使用CuKα射线X射线发生源作为光源来进行。其结果，中间层12的XRC半值宽度为0.1°，显示出优异的特性，可证实中间层12良好地取向。

<基底层的形成>

接着，从溅射装置内取出形成有AlN膜(中间层12)的基板11，送入MOCVD装置内，按以下的步骤在中间层12上成膜出由GaN构成的基底层14a。

首先，将该基板11导入反应炉(MOCVD装置)内。接着，使氮气在反应炉内流通后，使加热器工作，将基板温度从室温升温到500℃。

然后，将基板的温度保持在500℃，使NH₃气和氮气流通，使气相生长反应炉内的压力为95kPa。接着，使基板温度升温到1000℃，对基板的表面进行热清洗(thermal cleaning)。再者，热清洗结束后也继续向气相生长反应炉内供给氮气。

然后，一边继续氨气的流通，一边在氢气氛中使基板的温度升温到1100℃，并且使反应炉内的压力为40kPa。确认基板温度在1000℃稳定后，开始向气相生长反应炉内供给三甲基镓(TMG)，开始在中间层12上形成构成基底层14a的III族氮化物化合物半导体(GaN)膜的工序。这样地使GaN生长后，切换TMG的配管的阀，结束原料向反应炉的供给，停止GaN的生长。

通过以上的工序，在成膜于基板11上的单晶组织的由AlN构成的中间层12上，形成了非掺杂的8μm膜厚的由GaN构成的基底层14a。

<n型接触层的形成>

与基底层14a的形成接续，使用相同MOCVD装置形成由GaN构成的n型接触层14b的初始层。此时，在n型接触层14b中掺杂了Si。除了使作为Si的掺杂物原料的SiH₄流通以外，采用与基底层相同条件进行晶体生长。

通过以上说明的工序，在对表面实施了反溅射的蓝宝石制成的基板11上，形成具有单晶组织的AlN的中间层12，在该中间层12上形成了非掺杂的8μm膜厚的GaN层(n型基底层14a)、和具有5×10¹⁸cm^-3的载流子浓度的2μm的掺杂Si的GaN层(构成n型接触层14b的初始层)。成膜后从装置内取出的基板为无色透明，GaN层(在此为n型接触层14b的初始层)的表面为镜面。

使用X射线测定装置(スペクトリス公司制，型号：X′pert Pro MRD)测定如上所述地形成的掺杂Si的GaN层的X射线摇摆曲线(XRC)。该测定使用Cuβ射线X射线发生源作为光源，在作为对称面的(0002)面和作为非对称面的(10-10)面进行。一般地，在III族氮化物化合物半导体的场合，(0002)面的XRC光谱半值宽度成为晶体的平坦性(mosaicity)的指标，(10-10)面的XRC光谱半值宽度成为位错密度(twist)的指标。该测定的结果，采用本发明的制造方法制作的掺杂Si的GaN层(n型接触层)，在(0002)面的测定中半值宽度显示出46弧度秒，在(10-10)面的测定中显示出220弧度秒。

<n型覆盖层和发光层的形成>

采用MOCVD法在按上述步骤制作的n型接触层14b上，层叠n型覆盖层14c和发光层15。

「n型覆盖层14c的形成」

将按上述步骤生长出n型接触层14b的基板导入MOCVD装置中后，一边使氨流通，一边使载气为氮气使基板温度向760℃降低。

此时，在等待炉内温度变更的期间，设定SiH₄的供给量。预先对流通的SiH₄的量进行计算，并进行调整以使掺杂Si的层的电子浓度为4×10¹⁸cm^-3。氨以其原样不变的流量继续向炉内供给。

接着，一边使氨在室内流通，一边使SiH₄气、和通过沸腾而发生的TMI和TEG的蒸气向炉内流通，分别形成1.7nm的由Ga_0.99In_0.01N构成的层、1.7nm的由GaN构成的层。将这样的成膜处理重复进行19个循环后，最后，再次生长出1.7nm的由Ga_0.99In_0.01N构成的层。另外，在进行该工序处理的期间，继续SiH₄的流通。由此，形成了包含掺杂Si的Ga_0.99I_0.01N和GaN的超晶格结构的n型覆盖层14c。

「发光层的形成」

发光层15由由GaN构成的势垒层15a、和由Ga_0.92In_0.08N构成的阱层15b构成，具有多量子阱结构。在该发光层15的形成中，首先，在包含掺杂Si的GaInN和GaN的超晶格结构的n型覆盖层14c上，形成势垒层15a，在该势垒层15a上形成由In_0.2Ga_0.8N构成的阱层15b。在本例中，将这样的层叠步骤重复6次后，在第6次层叠的阱层15b上形成第7层的势垒层15a，成为在具有多量子阱结构的发光层15的两侧配置有势垒层15a的结构(再者，在图3和图5中显示出势垒层15a为6层、阱层15b为5层的例子)。

首先，在基板温度为760℃的状态下，开始TEGa和SiH₄向炉内的供给，以规定的时间形成0.8nm的由掺杂有Si的GaN构成的初始势垒层，停止TEGa和SiH₄的供给。然后，将基座的温度升温到920℃。然后，再开始TEGa和SiH₄向炉内的供给，在基板温度920℃的状态下，进一步进行1.7nm的中间势垒层的生长后，停止TEGa和SiH₄向炉内的供给。接着，将基座温度降到760℃，开始TEGa和SiH₄的供给，进而进行3.5nm的最终势垒层的生长后，再停止TEGa和SiH₄的供给，结束GaN势垒层的生长。通过如上所述的3个阶段的成膜处理，形成了包含初始势垒层、中间势垒层和最终势垒层这3层的、总膜厚为6nm的掺杂Si的GaN势垒层(势垒层15a)。调整SiH₄的量以使Si浓度为1×10¹⁷cm^-3。

上述GaN势垒层(势垒层15a)的生长结束后，向炉内供给TEGa和TMIn进行阱层的成膜处理，形成了膜厚为3nm的Ga_0.92In_0.08N层(阱层15b)。

然后，由Ga_0.92In_0.08N构成的阱层15b的生长结束后，变更TEGa的供给量的设定。接着，再开始TEGa和SiH₄的供给，进行了第2层的势垒层15a的形成。

通过将上述的步骤重复6次，形成了6层的由掺杂Si的GaN构成的势垒层15a和6层的由Ga_0.92In_0.08N构成的阱层15b。

然后，形成第6层的由Ga_0.92In_0.08N构成的阱层15b后，继续进行第7层的势垒层的形成。在第7层的势垒层的形成处理中，首先，停止SiH₄的供给，形成由非掺杂GaN构成的初始势垒层后，在继续TEGa向炉内的供给的状态下将基板温度升温到920℃，在该基板温度920℃下，以规定的时间进行中间势垒层的生长后，停止TEGa向炉内的供给。接着，将基板温度降到760℃，开始TEGa的供给，进行最终势垒层的生长后，再次停止TEGa的供给，结束GaN势垒层的生长。由此，形成了包含初始势垒层、中间势垒层和最终势垒这3层的、总膜厚为4nm的由非掺杂GaN构成的势垒层(参照图3中的发光层15之中的最上层的势垒层15a)。

按照以上的步骤，形成了包含厚度不均匀的阱层(从图3中的n型半导体层14侧起第1～5层的阱层15b)、和厚度均匀的阱层(参照从图3中的n型半导体层14侧起第6层的阱层15b)的多量子阱结构的发光层15。

<p型半导体层的形成>

与上述的各工序接续，使用相同的MOCVD装置，成膜出具有由4层的无掺杂的Al_0.06Ga_0.94N和3层的掺杂有Mg的GaN构成的超晶格结构的p型覆盖层16a，进而，在p型覆盖层16a上成膜出膜厚为200nm的由掺杂Mg的GaN构成的p型接触16b，从而形成为p型半导体层16。

首先，一边供给NH₃气一边使基板温度向975℃升温后，在该温度下将载气从氮气切换成氢气。接着，将基板温度变更为1050℃。然后，通过向炉内供给TMGa和TMAl，成膜出2.5nm的由无掺杂的Al_0.06Ga_0.94N构成的层。接着，不留时间间隔(interval)而关闭TMAl的阀，打开Cp₂Mg的阀，成膜出2.5nm的掺杂有Mg的GaN的层。

将以上的操作重复3次，最后形成无掺杂的Al_0.06Ga_0.94N层，由此形成了包含超晶格结构的p型覆盖层16a。

然后，向炉内只供给Cp₂Mg和TMGa，形成了200nm的由p型GaN构成的p型接触层16b。

如上所述地制作的LED用的外延晶片具有下述结构：在具有c面的蓝宝石制成的基板11上，形成具有单晶结构的AlN层(中间层12)后，从基板11侧依次地层叠8μm的无掺杂GaN层(基底层14a)；包含具有5×10¹⁸cm^-3的电子浓度的2μm的掺杂Si的GaN初始层和200nm的掺杂Si的GaN再生长层的n型接触层14b；具有4×10¹⁸cm^-3的Si浓度，具有由20层的1.7nm的Ga_0.99In_0.01N和19层的1.7nm的GaN构成的超晶格结构的覆盖层(n型覆盖层14c)；始于GaN势垒层，终于GaN势垒层，由层厚为6nm的6层的掺杂Si的GaN势垒层(势垒层15a)、层厚为3nm的6层的无掺杂的Ga_0.92In_0.08N阱层(阱层15b)、和具有由无掺杂的GaN构成的最终势垒层的最上位势垒层(参照图4中的发光层15之中的最上层的势垒层15a)构成的多量子阱结构(发光层15)；由p型覆盖层16a、和膜厚200nm的由掺杂Mg的GaN构成的p型接触层16b构成的p型半导体层106，所述p型覆盖层16a包含膜厚2.5nm的无掺杂Al_0.06Ga_0.94N构成的4个层、和膜厚2.5nm的掺杂Mg的Al_0.01Ga_0.99N构成的具有超晶格结构的3个层。

[实施例4]

在形成在上述实施例3中说明的发光层15的工序中，7层的势垒层15a之中，最后形成的势垒层为无掺杂，除此以外，采用与实施例3同样的操作步骤，制造了依次层叠n型半导体层14、发光层15、p型半导体层16而成的LED用的外延晶片(再者，在图3和图5中显示出势垒层15a为6层、阱层15b为5层的例子)。

[实施例5]

除了使在上述实施例3和实施例4中说明的在发光层15上形成p型半导体层16的工序为以下说明的步骤以外，采用与实施例3同样的操作步骤，制造了LED用的外延晶片。

在本例中，在发光层15上，使用与该发光层15的形成所使用的装置相同的MOCVD装置，适当调整TMGa、TMAl和Cp₂Mg的供给，成膜出具有由4层的无掺杂的Al_0.06Ga_0.94N和3层的掺杂Mg的Al_0.01Ga_0.99N构成的超晶格结构的p型覆盖层16a，再在该p型覆盖层16a上成膜出膜厚200nm的由掺杂Mg的GaN构成的p型接触层16b，从而形成为p型半导体层16。

[实施例6]

接着，使用由上述各实施例的方法得到的LED用的外延晶片制作了LED。

即，例如，采用公知的光刻技术在上述外延晶片的掺杂Mg的GaN层(p型接触层16b)的表面形成由IZO构成的透光性正极17，在该透光性正极17上形成具有依次层叠了铬、钛和金的结构的正极焊盘18(p电极焊盘)，作为p侧电极。进而，对晶片实施干蚀刻，使n型接触层14b的形成n侧电极(负极)的区域露出，在该露出区域14d上形成了依次层叠Cr、Ti和Cu这3层而成的负极19(n侧电极)。采用这样的步骤，在晶片上形成了具有图3和图4所示的形状的各电极。

然后，对于采用上述的步骤形成了p侧和n侧的各电极的晶片，将蓝宝石制成的基板11的背面进行磨削和研磨，形成为镜面状的面。然后，将该晶片切割成350μm见方的正方形的芯片，制成为图3和图4所示的发光元件1。然后，以各电极朝上的方式配置在引线框上，由金线与引线框连接，制成为发光二极管(LED)(参照图6的灯3)。在如上述那样制作的发光二极管的p侧和n侧的电极间流通正向电流的结果，在电流20mA下的正向电压为3.1V。另外，通过p侧的透光性正极17观察发光状态的结果，发光波长为460nm，发光输出功率显示出20mW。由制作的晶片的大致整个面制作的发光二极管，可没有偏差地得到这样的发光二极管的特性。

产业上的利用可能性

由本发明得到的III族氮化物化合物半导体发光元件，具有有良好的结晶性的III族氮化物化合物半导体层，具有优异的发光特性。因此，因此能够制作具有优异的发光特性的发光二极管、激光二极管或电子器件等的半导体元件。

本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

Claims (19)

1、一种III族氮化物化合物半导体元件，具有：

基板；

设置于所述基板上的中间层；和

基底层，所述基底层设置于所述中间层上，(0002)面的摇摆曲线半值宽度为100弧度秒以下，且(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为300弧度秒以下。

2、根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件，所述(0002)面的摇摆曲线半值宽度为50弧度秒以下，且所述(10-10)面的摇摆曲线半值宽度为250弧度秒以下。

3、根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件，所述基板是蓝宝石。

4、根据权利要求3所述的III族氮化物化合物半导体元件，所述中间层形成于所述蓝宝石基板的c面上。

5、根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件，所述中间层由Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)形成。

6、根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件，所述中间层由AlN形成。

7、根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件，所述基底层由AlGaN形成。

8、根据权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件，所述基底层由GaN形成。

9、一种III族氮化物化合物半导体发光元件，具有：

权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件；和

依次层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层而成的半导体层，

所述半导体层形成于所述III族氮化物化合物半导体元件所具有的基底层上。

10、根据权利要求9所述的III族氮化物化合物半导体发光元件，所述n型半导体层具有n型覆盖层，并且所述p型半导体层具有p型覆盖层，所述n型覆盖层和/或所述p型覆盖层至少含有超晶格结构。

11、一种III族氮化物化合物半导体元件的制造方法，是制造权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件的方法，其具有采用溅射法形成所述中间层的工序。

12、根据权利要求11所述的III族氮化物化合物半导体元件的制造方法，还具有采用MOCVD法形成所述基底层的工序。

13、一种III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法，具有：

在权利要求1所述的III族氮化物化合物半导体元件所具有的基底层上形成半导体层的工序，所述半导体层是依次层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层而成的；和

采用溅射法形成所述中间层的工序。

14、根据权利要求13所述的III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法，还具有采用MOCVD法形成所述基底层的工序。

15、一种III族氮化物化合物半导体元件，是采用权利要求11所述的制造方法得到的。

16、一种III族氮化物化合物半导体发光元件，是采用权利要求13所述的制造方法得到的。

17、一种灯，其使用了权利要求9所述的III族氮化物化合物半导体发光元件。

18、一种灯，其使用了权利要求10所述的III族氮化物化合物半导体发光元件。

19、一种灯，其使用了权利要求16所述的III氮化物化合物半导体发光元件。

Images