JP2015023164A - 半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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真司 斎藤
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Abstract

【課題】発光効率を向上させることのできる半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、発光層と、第１半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。第１半導体層は、第１方向において前記発光層と並び、窒化物半導体を含む。第１半導体層は、第１の格子極性を有する第１部分と、第１方向に対して垂直な第２方向において第１部分と並び、第１の格子極性とは異なる第２の格子極性を有する第２部分と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法に関する。
発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子がある。半導体発光素子の製造に用いられる半導体ウェーハがある。半導体発光素子では、発光効率の向上が望まれる。
特許第４５５６９８３号
本発明の実施形態は、発光効率を向上させることのできる半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、発光層と、第１半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第１半導体層は、第１方向において前記発光層と並び、窒化物半導体を含む。前記第１半導体層は、第１の格子極性を有する第１部分と、前記第１方向に対して垂直な第２方向において前記第１部分と並び、前記第１の格子極性とは異なる第２の格子極性を有する第２部分と、を含む。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を表す模式図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を表す模式図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を模式的に表す断面図である。 半導体製造装置の一例を模式的に表すブロック図である。 実験結果の一例を表すグラフ図である。 図６（ａ）〜図６（ｉ）は、実験結果の一例を表す顕微鏡写真である。 実験結果の一例を模式的に表すグラフ図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実験結果の一例を表す逆格子空間マッピング図である。 実験結果の一例を表す逆格子空間マッピング図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を模式的に表す断面図である。 第２の実施形態に係る半導体ウェーハを模式的に表す断面図である。 第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を表す模式図である。
図１（ａ）は、半導体発光素子１１０の模式的断面図である。図１（ｂ）は、半導体発光素子１１０の一部を拡大して模式的に表す部分平面部である。
図１（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０は、機能層１０ｓと、第１半導体層５１と、を含む。第１半導体層５１は、第１方向において機能層１０ｓと並ぶ。機能層１０ｓは、発光層３０を含む。第１半導体層５１は、第１方向において発光層３０と並ぶ。半導体発光素子１１０は、下地層５２をさらに含む。第１半導体層５１は、下地層５２と発光層３０との間に設けられる。
下地層５２は、窒化物半導体を含む。すなわち、下地層５２は、窒化物半導体を含む窒化物半導体層である。下地層５２は、例えば、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。下地層５２は、例えば、ＧａＮ層である。下地層５２は、例えば、アンドープである。下地層５２は、例えば、ｎ形の不純物を含んでいてもよい。下地層５２のｎ形の不純物には、例えば、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかを用いることができる。
下地層５２は、第１の面５２ｕを有する。第１の面５２ｕは、例えば、（０００１）方向の側の面である。下地層５２の第１の面５２ｕと反対側に、コンタクト層（導電層）を設けてもよい。
ここで、第１方向に対して平行な方向を±Ｚ軸方向とする。±Ｚ軸方向に対して垂直で第１の面５２ｕと平行な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向及び±Ｚ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。±Ｚ軸方向は、第１の面５２ｕに対して垂直な方向である。すなわち、この例では、±Ｚ軸方向が、下地層５２の（０００１）方向の側の面に対して垂直である。
第１半導体層５１は、下地層５２の上に設けられる。第１半導体層５１は、窒化物半導体を含む。第１半導体層５１は、例えば、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。第１半導体層５１には、例えば、ｎ形のＧａＮ層が用いられる。
第１半導体層５１は、第２の面５１ｕを有する。第２の面５１ｕは、例えば、（０００１）方向の側の面である。第２の面５１ｕは、第１の面５２ｕと実質的に平行である。第１半導体層５１のａ軸方向の格子長は、例えば、０．３１８２ｎｍ以上である。ａ軸方向とは、より詳しくは、ウルツ鉱型結晶構造における｛１１−２０｝方向である。
図１（ｂ）は、第１半導体層５１の第２の面５１ｕと平行な面を模式的に表す。
図１（ｂ）に表したように、第１半導体層５１は、第１部分５１ａと、第２部分５１ｂと、を有する。第２部分５１ｂは、例えば、Ｘ−Ｙ平面内で第１部分５１ａと並ぶ。すなわち、第２部分５１ｂは、Ｚ軸方向に対して垂直な方向（第２方向）において第１部分５１ａと並ぶ。第２部分５１ｂは、例えば、複数設けられる。例えば、複数の第２部分５１ｂが、第１部分５１ａに分散して設けられる。第２の面５１ｕの面積に対する各第２部分５１ｂの総面積（複数の第２部分５１ｂのそれぞれの面積の総和）の割合は、例えば、０．１％以上５０％以下である。
第１部分５１ａは、第１の格子極性を有する。第２部分５１ｂは、第２の格子極性を有する。第２部分５１ｂの第２の格子極性は、第１部分５１ａの第１の格子極性と異なる。第２の格子極性は、例えば、第１の格子極性に対して反転している。すなわち、第２部分５１ｂは、極性反転部（インバージョンドメイン）を含む。なお、図１（ｂ）では、各第２部分５１ｂを円形状に図示しているが、第２部分５１ｂの形状は、円形に限定されない。第２部分５１ｂの形状は、任意である。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を表す模式図である。
図２（ａ）は、第１部分５１ａの格子構造を表す模式図である。図２（ｂ）は、第２部分５１ｂの格子構造を表す模式図である。
図２（ａ）に表したように、第１部分５１ａでは、第２の面５１ｕにＧａが表れる。すなわち、第１部分５１ａは、ＧａＮを含む第１半導体層５１において、Ｇａ極性の部分を含む。第１の格子極性は、例えば、Ｇａ極性である。一方、図２（ｂ）に表したように、第２部分５１ｂでは、第２の面５１ｕにＮが表れる。すなわち、第２部分５１ｂは、ＧａＮを含む第２半導体層５１において、Ｎ極性の部分を含む。第２の格子極性は、例えば、Ｎ極性である。
機能層１０ｓは、第１半導体層５１の（０００１）方向の側に設けられる。機能層１０ｓは、例えば、第１半導体層５１の上に設けられる。この例において、機能層１０ｓは、第２半導体層１０と、第３半導体層２０と、発光層３０と、を含む。半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＤ（Laser Diode）でもよい。この場合には、例えば、第２半導体層１０と第３半導体層２０との少なくとも一部が、発光層３０から放出される光を導波する。
第２半導体層１０は、第１半導体層５１の（０００１）方向の側に設けられる。第２半導体層１０は、例えば、第１半導体層５１の上に設けられる。すなわち、第２半導体層１０は、第１半導体層５１と発光層３０との間に設けられる。第２半導体層１０は、窒化物半導体を含む。第２半導体層１０は、例えば、第１導電形のＧａＮを含む。第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でもよい。以下では、第１導電形がｎ形、第２導電形がｐ形である場合として説明を行う。第２半導体層１０は、例えば、ｎ形ＧａＮ層である。第２半導体層１０のｎ形の不純物には、例えば、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかを用いることができる。
発光層３０は、第２半導体層１０の（０００１）方向の側に設けられる。発光層３０は、Ｚ軸方向（第１方向）において第１半導体層５１と並ぶ。発光層３０は、例えば、障壁層３３と井戸層３４とを含む。井戸層３４は、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを含む。障壁層３３は、例えば、ＧａＮを含む。
第３半導体層２０は、発光層３０の（０００１）方向の側に設けられる。すなわち、発光層３０は、第２半導体層１０と第３半導体層２０との間に配置される。第３半導体層２０は、例えば、発光層３０の上に設けられる。第３半導体層２０は、窒化物半導体を含み、第２導電形である。第３半導体層２０は、例えば、ｐ形ＧａＮ層である。第３半導体層２０のｐ形の不純物には、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ及びＭｎの少なくともいずれかを用いることができる。
第２半導体層１０と第３半導体層２０とを介して発光層３０に電流を流すことで、発光層３０から光が放出される。発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば、３９０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下である。すなわち、発光層３０は、可視光域の光を放出する。
機能層１０ｓは、Ｉｎ含有層３２をさらに含む。Ｉｎ含有層３２は、第２半導体層１０と発光層３０との間に設けられる。すなわち、Ｉｎ含有層３２は、第２半導体層１０の（０００１）方向の側に設けられ、発光層３０は、Ｉｎ含有層３２の（０００１）方向の側に設けられる。すなわち、Ｉｎ含有層３２は、第２半導体層１０の上に設けられ、発光層３０は、Ｉｎ含有層３２の上に設けられる。Ｉｎ含有層３２は、機能層１０ｓに適宜設けられ、省略可能である。
Ｉｎ含有層３２は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む。Ｉｎ含有層３２は、例えば、ＩｎｙＧａ１−ｙＮを含む。Ｉｎ含有層３２のＩｎの組成比は、発光層３０のＩｎの組成比と異なる。Ｉｎ含有層３２のＩｎの組成比ｙは、例えば、井戸層３４のＩｎの組成比ｘよりも低い。Ｉｎ含有層３２のＩｎの組成比ｙは、井戸層３４のＩｎの組成比ｘより高くてもよい。Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長は、第１半導体層５１のａ軸方向の格子長よりも０．１％以上大きい。すなわち、Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長は、０．３１８５ｎｍ以上である。
また、Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長と、発光層３０のａ軸方向の格子長と、の差は、±０．１％以内である。すなわち、発光層３０のａ軸方向の格子長は、第１半導体層５１のａ軸方向の格子長よりも大きい。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を模式的に表す断面図である。
図３（ａ）に表したように、発光層３０は、複数の障壁層３３と、複数の井戸層３４と、を含む。複数の障壁層３３のそれぞれと複数の井戸層３４のそれぞれとは、±Ｚ軸方向に交互に積層される。
井戸層３４の数は、１つでも良く、２以上でも良い。すなわち、発光層３０は、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）構造、または、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造を有することができる。
障壁層３３のバンドギャップエネルギーは、井戸層３４のバンドギャップエネルギーよりも高い。井戸層３４には、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）が用いられる。障壁層３３には、例えばＡｌｐＩｎｚＧａ１−ｚ−ｐＮ（０＜ｚ＜１、０＜ｐ＜１、ｚ＋ｐ＜１）が用いられる。
例えば、井戸層３４のバンドギャップエネルギー及び井戸層３４の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）を調整する。これにより、発光層３０から放出される光のピーク波長が、３９０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下になる。井戸層３４は、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．１＜ｘ≦０．４）を含む。井戸層３４の厚さは、例えば、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。障壁層３３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。障壁層３３の厚さが１ｎｍ以下だと、例えば、発光層３０の結晶性が劣化する。障壁層３３の厚さが５０ｎｍ以上だと、例えば、動作電圧が高くなる。
図３（ｂ）に表したように、Ｉｎ含有層３２は、複数の第１中間層３５と、複数の第２中間層３６と、を含む。複数の第１中間層３５のそれぞれと複数の第２中間層３６のそれぞれとは、±Ｚ軸方向（第２半導体層１０から発光層３０に向かう第１方向）に交互に積層される。Ｉｎ含有層３２は、例えば、超格子層である。
各第１中間層３５は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む。各第２中間層３６は、窒化物半導体を含む。各第１中間層３５は、例えば、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ＜１）を含む。各第１中間層３５のＩｎの組成比は、例えば、０．０１以上０．２以下である。各第２中間層３６は、例えば、Ｇａを含む窒化物半導体を含む。各第２中間層３６は、例えば、ＧａＮを含む。
複数の第１中間層３５のそれぞれのバンドギャップエネルギーは、複数の第２中間層３６のそれぞれのバンドギャップエネルギーよりも低い。複数の第１中間層３５のそれぞれのバンドギャップエネルギーは、複数の井戸層３４のそれぞれのバンドギャップエネルギーよりも高い。各第１中間層３５の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。各第２中間層３６の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
このように、この例では、発光層３０において井戸層３４がＩｎを含み、Ｉｎ含有層３２において第１中間層３５がＩｎを含む。すなわち、第１中間層３５のＩｎの組成比は、井戸層３４のＩｎの組成比と異なる。第１中間層３５のＩｎの組成比は、例えば、井戸層３４のＩｎの組成比よりも低い。第１中間層３５のａ軸方向の格子長は、第１半導体層５１のａ軸方向の格子長よりも０．１％以上大きい。第１中間層３５のａ軸方向の格子長と、井戸層３４のａ軸方向の格子長と、の差は、±０．１％以内である。
次に、半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。
なお、以下では、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いる場合を例示する。実施形態に係る半導体発光素子の製造においては、例えば、有機金属気相成長法（Metal-Organic Vaper Phase Epitaxy）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Halide Vapor Phase Epitaxy）、または、分子線気相成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）など、窒化物半導体を成長させるために用いられる任意の方法が採用できる。
図４は、半導体製造装置の一例を模式的に表すブロック図である。
図４に表したように、半導体製造装置２００は、反応炉２１０と、原料供給部２２０と、キャリアガス供給部２３０と、第１〜第３の配管２８１〜２８３と、を含む。この例において、半導体製造装置２００は、ＭＯＣＶＤ装置である。
反応炉２１０は、サセプタ２１２と、ヒータ２１４と、を含む。サセプタ２１２及びヒータ２１４は、反応炉２１０の内部に設けられる。サセプタ２１２は、基板５を支持するための支持台である。ヒータ２１４は、サセプタ２１２の温度を制御する。
原料供給部２２０は、例えば、第１〜第６タンク２４１〜２４６と、第１〜第６バルブ２５１〜２５６と、を含む。第１タンク２４１は、例えば、アンモニアを収容する。第１タンク２４１は、第１バルブ２５１を介して第１配管２８１に接続されている。第２タンク２４２は、例えば、モノシランを収容する。第２タンク２４２は、第２バルブ２５２を介して第１配管２８１に接続されている。第３タンク２４３は、例えば、トリメチルガリウムを収容する。第３タンク２４３は、第３バルブ２５３を介して第２配管２８２に接続されている。第４タンク２４４は、例えば、トリメチルインジウムを収容する。第４タンク２４４は、第４バルブ２５４を介して第２配管２８２に接続されている。第５タンク２４５は、例えば、トリメチルアルミニウムを収容する。第５タンク２４５は、第５バルブ２５５を介して第２配管２８２に接続されている。第６タンク２４６は、例えば、シクロペンタジエニルマグネシウムを収容する。第６タンク２４６は、第６バルブ２５６を介して第２配管２８２に接続されている。
原料供給部２２０は、窒素精製装置と水素精製装置とを、さらに含む（図示せず）。窒素精製装置及び水素精製装置は、例えば、第２配管２８２に接続されている。
キャリアガス供給部２３０は、例えば、窒素精製装置と水素精製装置とを含む（図示せず）。窒素精製装置及び水素精製装置は、例えば、第３配管２８３に接続されている。
第１〜第３配管２８１〜２８３は、反応炉２１０に接続されている。これにより、第１〜第６タンク２４１〜２４６に収容された各ガスが、第１〜第６バルブ２５１〜２５６の開閉の調節に応じた所定の流量で、反応炉２１０内に供給される。そして、窒素ガス及び水素ガスが、各精製装置から所定の流量で反応炉２１０内に供給される。
Ｇａの原料には、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）などが用いられる。Ｉｎの原料には、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）が用いられる。Ａｌの原料には、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）が用いられる。Ｎの原料には、例えば、アンモニア（ＮＨ３）が用いられる。Ｓｉの原料には、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）が用いられる。Ｍｇの原料には、例えば、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）が用いられる。ＴＭＧａ、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌ、ＮＨ３、ＳｉＨ４及びＣｐ２Ｍｇは、ガス原料として用いられる。原料は、上記に限定されず、本実施形態に係る半導体発光素子１１０を製造できる任意の材料を適用できる。キャリアガスには、例えば、窒素及び水素が用いられる。
半導体発光素子１１０の製造では、まず、半導体製造装置２００の反応炉２１０内に設けられたサセプタ２１２に、基板５をセットする。水素をキャリアガスとして反応炉２１０内に供給し、サセプタ２１２の温度を１１６０℃にすることにより、水素雰囲気中で基板５のサーマルクリーニングを行う。
基板５には、例えば、サファイア基板を用いる。基板５は、例えば、シリコン基板でもよい。例えば、（１１０）、（１１１）及び（１００）のいずれかのシリコン基板を、基板５として用いてもよい。
サセプタ２１２の温度を５００℃に下げた後、水素をキャリアガスとして供給し、ＴＭＧａとＮＨ３とを原料ガスとして供給することにより、基板５の上に、ＧａＮ層を下地層５２として形成する。下地層５２の成長温度は、例えば、４００℃以上６００℃以下である。下地層５２の成長時間は、例えば、３分である。下地層５２の厚さは、例えば、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
この例において、成長温度は、例えば、サセプタ２１２の温度である。成長温度は、基板５の温度でもよいし、基板５の周囲の気体の温度（雰囲気温度）でもよいし、成長中の膜自体の温度でもよい。基板５の温度や成長中の膜の温度は、例えば、赤外線などを利用した非接触型の温度センサによって測定できる。
下地層５２の形成の後、サセプタ２１２の温度を１１２０℃に上昇させる。この時、サセプタ２１２の温度は、例えば、約１２分かけて５００℃から１１２０℃に徐々に上昇させる。
サセプタ２１２の温度を１１２０℃まで上げた後、窒素と水素との混合ガスをキャリアガスとして供給し、ＴＭＧａとＮＨ３とを原料ガスとして供給することにより、下地層５２の上に、ＧａＮ層を第１半導体層５１として形成する。第１半導体層５１の厚さは、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。
キャリアガスにおいて、反応炉２１０内に供給する窒素の流量は、例えば、１５．５ｓｌｍ（standard liter/minute）である。水素の流量は、例えば、５ｓｌｍである。このように、第１半導体層５１の形成では、キャリアガスが、少なくとも窒素と水素とを含む。このキャリアガスの窒素の混合比は、水素の混合比よりも大きい。水素の混合比を１としたときに、窒素の混合比は、１よりも大きくする。すなわち、第１半導体層５１の形成においては、反応炉２１０内の窒素の濃度を水素の濃度よりも高くする。窒素の混合比は、例えば、０．５以上０．９５以下である。
第１半導体層５１の形成の後、ＴＭＧａ及びＮＨ３に加えてＳｉＨ４をさらに供給することにより、第１半導体層５１の上に、Ｓｉを含むＧａＮ層を第２半導体層１０として形成する。第２半導体層１０の厚さは、例えば、２μｍ以上５μｍ以下である。第２半導体層１０の成長温度は、例えば、１１００℃以上１２００℃以下である。
サセプタ２１２の温度を８１０℃まで下げた後、窒素をキャリアガスとして供給し、ＴＭＧａとＴＭＩｎとＮＨ３とを原料ガスとして供給することにより、第２半導体層１０の上に、ＩｎＧａＮ層を第１中間層３５として形成する。第１中間層３５の厚さは、例えば、１ｎｍである。窒素をキャリアガスとして供給し、ＴＭＧａとＮＨ３とＳｉＨ４とを原料ガスとして供給することにより、第１中間層３５の上に、Ｓｉを含むＧａＮ層を第２中間層３６として形成する。第２中間層３６の厚さは、例えば、２ｎｍである。第１中間層３５の形成と第２中間層３６の形成とを例えば３０回繰り返す。これにより、第１中間層３５と第２中間層３６とを３０周期積層させた積層構造を有するＩｎ含有層３２を、第２半導体層１０の上に形成する。
サセプタ２１２の温度を８９０℃に上げた後、窒素をキャリアガスとして供給し、ＴＭＧａとＮＨ３とを原料ガスとして供給することにより、Ｉｎ含有層３２の上に、ＧａＮ層を障壁層３３として形成する。障壁層３３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。サセプタ２１２の温度を７５０℃に下げた後、ＴＭＩｎを原料ガスとしてさらに供給することで、ＩｎＧａＮ層である井戸層３４を障壁層３３の上に形成する。井戸層３４の厚さは、例えば、３ｎｍである。障壁層３３の形成と井戸層３４の形成とを例えば４回繰り返す。これにより、障壁層３３と井戸層３４とを４周期積層させた積層構造を有する発光層３０をＩｎ含有層３２の上に形成する。
サセプタ２１２の温度を１０３０℃まで上げた後、窒素と水素との混合ガスをキャリアガスとして供給し、ＴＭＧａとＣｐ２ＭｇとＮＨ３とを原料ガスとして供給することにより、発光層３０の上に、Ｍｇを含むＧａＮ層を第３半導体層２０として形成する。第３半導体層２０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
以上により、図１に例示した半導体発光素子１１０が得られる。
次に、本願発明者らが実施した実験について説明する。
実験では、上記の製造手順で半導体発光素子１１０の複数の試料ＳＰ０１を作成した。また、実験では、参考例の半導体発光素子の複数の試料ＳＰ０２を作成し、各試料ＳＰ０１、ＳＰ０２のそれぞれの特性を評価した。参考例の試料ＳＰ０２では、第１半導体層５１の形成において、キャリアガスの水素の混合比を、窒素の混合比よりも大きくした。すなわち、参考例の試料ＳＰ０２では、反応炉２１０内の水素の濃度を窒素の濃度よりも高くした状態で、第１半導体層５１を形成した。具体的には、キャリアガスにおいて、反応炉２１０内に供給する窒素の流量を５ｓｌｍとし、水素の流量を１５．５ｓｌｍとした。半導体発光素子１１０の試料ＳＰ０１では、キャリアガスに対する窒素の割合が７５．６％であり、参考例の試料ＳＰ０２では、キャリアガスに対する水素の割合が７５．６％である。
このように、本願発明者らは、第１半導体層５１の製造手順の異なる複数の試料を作成し、各試料の特性を測定することにより、第１半導体層５１と素子の特性との関係性について鋭意検討を行った。実験では、各試料ＳＰ０１、ＳＰ０２のそれぞれのフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度を測定した。
図５は、実験結果の一例を表すグラフ図である。
図５の縦軸は、ＰＬ測定において発光層３０から放出された光のＰＬ強度（任意単位）であり、横軸は、発光層３０から放出された光の波長（ｎｍ）である。
図５に表したように、半導体発光素子１１０の試料ＳＰ０１では、参考例の試料ＳＰ０２に比べてＰＬ強度が向上した。実験では、測定した波長域（５４０ｎｍ〜６００ｎｍ）の全ての範囲において、試料ＳＰ０１のＰＬ強度が、試料ＳＰ０２のＰＬ強度よりも高かった。試料ＳＰ０１のＰＬ強度は、試料ＳＰ０２のＰＬ強度よりも約１５％高い。すなわち、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、参考例に比べて発光効率が高い。
本願発明者らは、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）を用いた収束電子線回折（Convergent Beam Electron Diffraction：ＣＢＥＤ）法により、各試料ＳＰ０１、ＳＰ０２のそれぞれについて、第１半導体層５１の第２の面５１ｕを観察した。その結果、試料ＳＰ０１では、試料ＳＰ０２に比べて、第２部分５１ｂが多いことを見出した。すなわち、本願発明者らは、第２部分５１ｂ（極性反転部）を含む第１半導体層５１の上に機能層１０ｓを設けることで、発光効率が向上することを見出した。
本願発明者らは、第１半導体層５１を形成する際のキャリアガスの窒素の割合、及び、第１半導体層５１の成長温度を変化させた複数の試料をさらに作成し、第１半導体層５１の成長条件と極性反転の発生との関係性についてさらに検討を行った。
実験では、キャリアガスに対する窒素の割合を２５．４％、５０．０％、及び、７５．６％に変化させた。そして、成長温度を１１１０℃、１１１５℃、及び、１１２０℃に変化させた。すなわち、実験では、窒素の割合を３段階に変化させ、成長温度を３段階に変化させた、計９つの試料のそれぞれについて、第１半導体層５１の第２の面５１ｕをＴＥＭで観察した。
図６（ａ）〜図６（ｉ）は、実験結果の一例を表す微分干渉顕微鏡写真である。
図６（ａ）〜図６（ｉ）に表したように、キャリアガスに対する窒素の割合を２５．４％としたとき、及び、５０．０％としたときには、第２部分５１ｂが、ほとんど発生していない。これに対して、キャリアガスに対する窒素の割合を７５．６％としたときには、第２部分５１ｂが発生している。このように、キャリアガスに対する窒素の割合を７５．６％としたときの第２部分５１ｂの発生頻度は、キャリアガスに対する窒素の割合を２５．４％としたとき及び５０．０％としたときの第２部分５１ｂの発生頻度よりも高い。
上記の試料ＳＰ０１は、窒素の割合を７５．６％とし、成長温度を１１２０℃としたとき（図６（ｉ））に相当する。一方、上記の試料ＳＰ０２は、窒素の割合を２５．４％とし、成長温度を１１２０℃としたとき（図６（ｇ））に相当する。このように、第２部分５１ｂを含む第１半導体層５１の上に機能層１０ｓを設けることで、発光効率が向上する。
第１半導体層５１の形成において、キャリアガスに対する窒素の割合を７５．６％（例えば、５０％以上９５．０％以下）にする。そして、成長温度を１１２０℃（例えば、１１００℃以上１１８０℃以下）にする。これにより、第１半導体層５１に第２部分５１ｂを設けることができる。
上記のように、第２部分５１ｂの有無は、例えば、ＴＥＭを用いたＣＢＥＤ法によって判定することができる。第１半導体層５１の上に機能層１０ｓなどが設けられている場合には、例えば、イオンミリング法やＦＩＢ（Focused Ion beam）法などにより、機能層１０ｓなどを研削し、第１半導体層５１の第２の面５１ｕを露出させる。これにより、ＣＢＥＤ法などで判定することができる。
本願発明者らは、上記の試料ＳＰ０１、ＳＰ０２のそれぞれについて、各層のａ軸方向の格子長を測定した。ａ軸方向の格子長は、例えば、ＸＲＤ（X‐ray diffraction）測定によって評価することができる。
図７は、実験結果の一例を模式的に表すグラフ図である。
図７の横軸は、ａ軸方向の格子長ＬＣａであり、縦軸は、＋Ｚ軸方向の位置Ｚｘである。図７の横軸は、右側に向かうほど、格子長が大きくなることを表す。
また、図７において、５１ｐｐは、第１半導体層５１（ＧａＮ層）のａ軸方向の格子長の物性値を表す。物性値５１ｐｐは、例えば、０．３１８９ｎｍである。３２ｐｐは、Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長の物性値の平均を表す。物性値３２ｐｐは、例えば、０．３２０６ｎｍである。３０ｐｐは、発光層３０のａ軸方向の格子長の物性値の平均を表す。物性値３０ｐｐは、例えば、０．３２９３ｎｍである。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実験結果の一例を表す逆格子空間マッピング図である。 図８（ａ）は、試料ＳＰ０２の実験結果の一例を表す。図８（ｂ）は、試料ＳＰ０１の実験結果の一例を表す。
図９は、図８（ｂ）の高分解能の逆格子空間マッピング図である。
図７〜図９に表したように、試料ＳＰ０１の第１半導体層５１のａ軸方向の格子長は、試料ＳＰ０２の第１半導体層５１のａ軸方向の格子長よりも大きい。第１半導体層５１のａ軸方向の実際の格子長は、ラマン分光によるラマンシフトなどにより見積もることができる。試料ＳＰ０２の第１半導体層５１のａ軸方向の格子長は、０．３１８１ｎｍであった。一方、試料ＳＰ０１の第１半導体層５１のａ軸方向の格子長は、０．３１８５ｎｍであった。
第１半導体層５１のａ軸方向の格子長は、例えば、基板５との格子定数差などにより、物性値５１ｐｐよりも小さくなる。すなわち、第１半導体層５１には、圧縮歪みが加えられる。試料ＳＰ０１では、試料ＳＰ０２よりも第１半導体層５１のａ軸方向の格子長が、物性値５１ｐｐに近づいている。
また、参考例の試料ＳＰ０２では、Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長、及び、発光層３０のａ軸方向の格子長が、第１半導体層５１のａ軸方向の格子長と実質的に同じである。これに対して、実施形態に係る半導体発光素子１１０の試料ＳＰ０１では、Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長、及び、発光層３０のａ軸方向の格子長が、第１半導体層５１のａ軸方向の格子長よりも大きくなっている。試料ＳＰ０１において、Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長、及び、発光層３０のａ軸方向の格子長は、例えば、０．３３７６ｎｍである。このように、試料ＳＰ０１の発光層３０のａ軸方向の格子長は、試料ＳＰ０２の発光層３０のａ軸方向の格子長よりも約０．７％大きい。そして、これにより、試料ＳＰ０１では、試料ＳＰ０２よりも発光層３０のａ軸方向の格子長が、物性値３０ｐｐに近づいている。
このように、本願発明者らは、第２部分５１ｂを含む第１半導体層５１のａ軸方向の格子長が、第２部分５１ｂを実質的に含まない第１半導体層５１のａ軸方向の格子長に比べて大きくなることを見出した。第２部分５１ｂを含む第１半導体層５１のａ軸方向の格子長が、０．３１８２ｎｍ以上になることを見出した。そして、この第１半導体層５１の上にＩｎ含有層３２を設けることにより、Ｉｎ含有層３２のａ軸方向の格子長が、第１半導体層５１のａ軸方向の格子長よりも０．１％以上大きくなることを見出した。
前述のように、実施形態に係る半導体発光素子１１０では、参考例に比べて、発光効率が向上する。これは、例えば、発光層３０のａ軸方向の格子長が、物性値３０ｐｐに近づき、発光層３０の結晶品質が改善されたためであると考えられる。
ＧａＮ層に含まれる極性反転部は、リークを発生させるなど、半導体発光素子の特性を劣化させることが知られている。本願発明者らは、あえて極性反転部（第２部分５１ｂ）を多く含む第１半導体層５１を用いて可視光領域の半導体発光素子１１０を作製した。その結果、リークなどの電流特性の劣化もなく、発光効率が向上することを見出した。これは、本願発明者らの実験によって見出された新たな効果である。
図１０は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を模式的に表す断面図である。
図１０に表したように、半導体発光素子１１２は、シリコン基板５ｓと、下地層５２ｓと、第１半導体層５１と、機能層１０ｓと、を含む。半導体発光素子１１２において、シリコン基板５ｓは、必要に応じて設けられ、省略可能である。
下地層５２ｓは、シリコン基板５ｓの上に設けられる。下地層５２ｓは、シリコン基板５ｓの上に設けられたＡｌＮバッファ層６１と、ＡｌＮバッファ層６１の上に設けられたＡｌＧａＮバッファ層６２と、を含む。下地層５２ｓは、例えば、更にＡｌＧａＮバッファ層６２の上に設けられた多層バッファ層６３を含む。多層バッファ層６３は、例えば、Ｚ軸方向に沿って交互に積層された複数のＡｌＧａＮ層６４と、複数のＧａＮ層６５と、を含む。
第１半導体層５１は、下地層５２ｓの（０００１）方向の側に設けられる。すなわち、第１半導体層５１は、下地層５２ｓの上に設けられる。第１半導体層５１より（０００１）方向の側の部分は、上記の半導体発光素子１１０と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。
この例の半導体発光素子１１２においても、リークなどの電流特性の劣化を抑え、発光効率を向上させることができる。
（第２の実施の形態）
図１１は、第２の実施形態に係る半導体ウェーハを模式的に表す断面図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る半導体ウェーハ１２０は、基板５と、第１半導体層５１と、機能層１０ｓと、を含む。基板５には、前述のように、サファイア基板、ＧａＮ基板やシリコン基板などが用いられる。基板５がサファイア基板、シリコン基板である場合には、下地層５２が、半導体ウェーハ１２０にさらに含まれる。第１半導体層５１は、基板５の上に設けられる。発光層３０は、Ｚ軸方向において基板５と並ぶ。第１半導体層５１は、基板５と発光層３０との間に設けられる。下地層５２は、基板５と第１半導体層５１との間に設けられる。第１半導体層５１、下地層５２及び機能層１０ｓには、上記第１の実施形態で説明したものを用いることができる。半導体発光素子１１０の製造に半導体ウェーハ１２０を用いる。これにより、高発光効率の半導体発光素子１１０が提供される。
（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体製造装置２００の反応炉２１０内に基板５をセットするステップＳ１１０と、基板５の上に第１半導体層５１を形成するステップＳ１２０と、第１半導体層５１の上に機能層１０ｓを形成するステップＳ１３０と、を含む。
第１半導体層５１を形成するステップＳ１２０は、例えば、基板５の上に下地層５２（または下地層５２ｓ）を形成するステップＳ１２１と、下地層５２の上に第１半導体層５１を形成するステップＳ１２２と、を含む。
機能層１０ｓを形成するステップＳ１３０は、例えば、第１半導体層５１の上に第２半導体層１０を形成するステップＳ１３１と、第２半導体層１０の上に発光層３０を形成するステップＳ１３２と、発光層３０の上に第３半導体層２０を形成するステップＳ１３３と、を含む。なお、機能層１０ｓを形成するステップ１４０は、第１半導体層５１の上に発光層３０を形成するステップを少なくとも含んでいればよい。
また、第１半導体層５１を形成するステップＳ１２０は、窒素と水素とを含むキャリアガスを反応炉２１０内に供給することを含む。そして、キャリアガスの窒素の混合比は、水素の混合比よりも大きくする。
これにより、高発光光率の半導体発光素子が製造される。
実施形態によれば、高発光効率の半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法が提供される。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢａＩｎｂＡｌｃＧａ１−ａ−ｂ−ｃＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）なる化学式において組成比ａ、ｂ及びｃをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。本願明細書において、「・・・側に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。本願明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。「積層される」状態は、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。「対向する」状態は、直接的に面する状態の他に、間に他の要素が挿入されて面する状態も含む。本願明細書において、「電気的に接続」には、直接接触して接続される場合の他に、他の導電性部材などを介して接続される場合も含む。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子及び半導体ウェーハに含まれる、基板、下地層、第１半導体層、機能層、第２半導体層、第３半導体層、発光層、第１部分、第２部分、Ｉｎ含有層、第１中間層及び第２中間層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子、半導体ウェーハ及び半導体発光素子の製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
５…基板、 １０…第２半導体層、 １０ｓ…機能層、 ２０…第３半導体層、 ３０…発光層、 ３２…Ｉｎ含有層、 ３３…障壁層、 ３４…井戸層、 ３５…第１中間層、 ３６…第２中間層、 ５１…第１半導体層、 ５１ａ…第１部分、 ５１ｂ…第２部分、 ５２、５２ｓ…下地層、 １１０…半導体発光素子、 １２０…半導体ウェーハ、 ２００…半導体製造装置、 ２１０…反応炉、 ２１２…サセプタ、 ２１４…ヒータ、 ２２０…原料供給部、 ２３０…キャリアガス供給部、 ２４１〜２４６…第１〜第６タンク、 ２５１〜２５６…第１〜第６バルブ、 ２８１〜２８３…第１〜第３の配管

Claims (20)

  1. 発光層と、
    第１方向において前記発光層と並び、窒化物半導体を含む第１半導体層であって、第１の格子極性を有する第１部分と、前記第１方向に対して垂直な第２方向において前記第１部分と並び、前記第１の格子極性とは異なる第２の格子極性を有する第２部分と、を含む第１半導体層と、
    を備えた半導体発光素子。
  2. 前記第２の格子極性は、前記第１の格子極性に対して反転している請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記第１半導体層は、ＧａＮを含み、
    前記第１の格子極性は、Ｇａ極性であり、前記第２の格子極性は、Ｎ極性である請求項２記載の半導体発光素子。
  4. 前記第１半導体層と前記発光層との間に設けられた第１導電形の第２半導体層と、
    第２導電形の第３半導体層であって、前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に前記発光層が配置される第３半導体層と、
    前記第２半導体層と前記発光層との間に設けられ、Ｉｎを含む窒化物半導体を含むＩｎ含有層と、
    を、さらに備え、
    前記発光層は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含み、
    前記Ｉｎ含有層のＩｎの組成比は、前記発光層のＩｎの組成比と異なり、
    前記Ｉｎ含有層のａ軸方向の格子長は、前記第２半導体層のａ軸方向の格子長よりも０．１％以上大きく、
    前記Ｉｎ含有層のａ軸方向の格子長と、前記発光層のａ軸方向の格子長と、の差は、０．１％以内である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  5. 前記Ｉｎ含有層は、
    Ｉｎを含む窒化物半導体を含む複数の第１中間層と、
    窒化物半導体を含む複数の第２中間層と、
    を含み、
    前記複数の第１中間層のそれぞれと前記複数の第２中間層のそれぞれとは、前記第１方向に交互に積層される請求項４記載の半導体発光素子。
  6. 前記複数の第１中間層のそれぞれのＩｎの組成比は、０．０１以上０．２以下である請求項５記載の半導体発光素子。
  7. 前記複数の第１中間層のそれぞれは、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ＜１）を含む請求項６記載の半導体発光素子。
  8. 前記複数の第１中間層のそれぞれのバンドギャップエネルギーは、前記複数の第２中間層のそれぞれのバンドギャップエネルギーよりも低い請求項５〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  9. 前記発光層は、前記第１方向に交互に積層された複数の障壁層と複数の井戸層とを含み、
    前記複数の障壁層のそれぞれのバンドギャップエネルギーは、前記複数の井戸層のそれぞれのバンドギャップエネルギーよりも高く、
    前記複数の第１中間層のそれぞれのバンドギャップエネルギーは、前記複数の井戸層のそれぞれのバンドギャップエネルギーよりも高い請求項５〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  10. 前記複数の井戸層のそれぞれは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む請求項９記載の半導体発光素子。
  11. 前記複数の第１中間層のそれぞれのＩｎの組成比は、前記複数の井戸層のそれぞれのＩｎの組成比よりも低い請求項１０記載の半導体発光素子。
  12. 前記第１半導体層のａ軸方向の格子長は、０．３１８２ｎｍ以上である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  13. 窒化物半導体を含む下地層をさらに備え、
    前記第１半導体層は、前記下地層と前記発光層との間に設けられる請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  14. 前記第１半導体層は、前記第１部分に分散された複数の前記第２部分を有する請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  15. 前記第１方向に対して垂直な面において、前記第１半導体層の面積に対する前記複数の第２部分の総面積の割合は、０．１％以上５０％以下である請求項１４記載の半導体発光素子。
  16. 基板と、
    第１方向において前記基板と並ぶ発光層と、
    前記基板と前記発光層との間に設けられ、窒化物半導体を含む第１半導体層であって、第１の格子極性を有する第１部分と、前記第１方向に対して垂直な第２方向において前記第１部分と並び、前記第１の格子極性とは異なる第２の格子極性を有する第２部分と、を含む第１半導体層と、
    を備えた半導体ウェーハ。
  17. 窒素と水素とを含むキャリアガスの前記窒素の混合比を、前記水素の混合比よりも大きくし、基板の上に、窒化物半導体を含む第１半導体層を形成する工程と、
    前記第１半導体層の上に発光層を形成する工程と、
    を備えた半導体発光素子の製造方法。
  18. 前記キャリアガスの前記窒素の前記混合比は、０．５以上０．９５以下である請求項１７記載の半導体発光素子の製造方法。
  19. 前記第１半導体層の成長温度は、１１００℃以上１１８０℃以下である請求項１７または１８に記載の半導体発光素子の製造方法。
  20. 前記第１半導体層を形成する前記工程は、前記基板の上に窒化物半導体を含む下地層を形成し、前記下地層の上に前記第１半導体層を形成することを含み、
    前記下地層の成長温度は、４００℃以上６００℃以下である請求項１９記載の半導体発光素子の製造方法。
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