JP2017028046A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧を低減できる窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、窒化物半導体素子は、ｐ形半導体層と、ｐ側電極と、を含む。前記ｐ形半導体層は、窒化物半導体を含み第１面を有する。前記ｐ側電極は、前記第１面と接する。前記第１面は、半極性面である。前記第１面は、複数の凸部を有する。前記ｐ形半導体層から前記ｐ側電極に向かう第１方向に沿った、前記複数の凸部の高さは、１ナノメートル以上５ナノメートル以下である。前記複数の凸部の前記第１面における密度は、１．０×１０^１０／ｃｍ^２よりも高く、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体素子に関する。

窒化物半導体素子の１つである発光ダイオード（ＬＥＤ）は、例えば、表示装置や照明などに用いられている。窒化物半導体素子として、高速電子デバイスやパワーデバイスもある。このような窒化物半導体素子において、駆動電圧を低減することが望まれる。

特開２０１２−１１４３８９号公報

本発明の実施形態は、駆動電圧を低減できる窒化物半導体素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、窒化物半導体素子は、ｐ形半導体層と、ｐ側電極と、を含む。前記ｐ形半導体層は、窒化物半導体を含み第１面を有する。前記ｐ側電極は、前記第１面と接する。前記第１面は、半極性面である。前記第１面は、複数の凸部を有する。前記ｐ形半導体層から前記ｐ側電極に向かう第１方向に沿った、前記複数の凸部の高さは、１ナノメートル以上５ナノメートル以下である。前記複数の凸部の前記第１面における密度は、１．０×１０^１０／ｃｍ^２よりも高く、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下である。

第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、窒化物半導体素子を示す原子間力顕微鏡像である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、窒化物半導体素子を示す模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、窒化物半導体素子を示す模式図である。 窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図９（ａ）〜図９（ｆ）は、窒化物半導体素子を示す模式図である。

以下に、本発明の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。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の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体素子に係る。実施形態に係る窒化物半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）などを含む。半導体受光素子は、フォトダイオード（ＰＤ）などを含む。電子デバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、電界トランジスタ（ＦＥＴ）及びショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などを含む。

図１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図１に示すように、実施形態に係る窒化物半導体素子１１０は、ｐ形半導体層５０と、ｐ側電極８０と、を含む。この例では、窒化物半導体素子１１０は、ｎ形半導体層２０と、発光層４０と、をさらに含む。窒化物半導体素子は、半導体発光素子である。

ｐ形半導体層５０は、ｎ形半導体層２０とｐ側電極８０との間に設けられる。発光層４０は、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層５０との間に設けられる。

ｐ形半導体層５０からｐ側電極８０に向かう方向を第１方向（Ｚ軸方向）とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

この例では、窒化物半導体素子１１０は、基板１０、バッファ層１８、下地層１９、積層体３０及びｎ側電極７０を含む。基板１０の上にバッファ層１８が設けられる。バッファ層１８の上に下地層１９が設けられる。下地層１９の上にｎ形半導体層２０が設けられる。ｎ形半導体層２０の第１部分２０ｐの上に積層体３０が設けられる。ｎ形半導体層２０の第２部分２０ｑの上にｎ側電極７０が設けられる。第１部分２０ｐの上に積層体３０が設けられる。積層体３０の上に発光層４０が設けられる。発光層４０の上にｐ形半導体層５０が設けられる。ｐ形半導体層５０の上にｐ側電極８０が設けられる。第１部分２０ｐから第２部分２０ｑに向かう方向は、ｐ形半導体層５０からｐ側電極８０に向かう方向（Ｚ軸方向）と交差する。

本願明細書において、第１の要素が第２の要素の上に設けられる状態は、第１の要素が第２の要素に接している状態と、第１の要素と第２の要素との間に第３の要素が設けられる状態と、を含む。

ｐ形半導体層５０、発光層４０、積層体３０、及び、ｎ形半導体層２０のそれぞれは、窒化物半導体を含む。

ｐ形半導体層５０は、ｐ側電極８０と接する。例えば、ｐ形半導体層５０は、ｐ形コンタクト層５４を含む。ｐ側電極８０は、ｐ形コンタクト層５４と接する。ｐ側電極８０は、ｐ形半導体層５０（ｐ形コンタクト層５４）と電気的に接続される。

この例では、ｐ形半導体層５０は、第１ｐ形層５１と、第２ｐ形層５２と、をさらに含む。第１ｐ形層５１は、ｐ形コンタクト層５４と発光層４０との間に設けられる。第２ｐ形層５２は、ｐ形コンタクト層５４と第１ｐ形層５１との間に設けられる。

第１ｐ形層５１は、例えば、ｐ形不純物を含むＡｌＧａＮ層を含む。ｐ形不純物は、例えば、Ｍｇである。第１ｐ形層５１は、例えば、電子オーバーフロー抑制層（電子オーバーフロー防止層）として機能する。第１ｐ形層５１の厚さは、例えば３ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、例えば、１０ｎｍである。第１ｐ形層５１におけるｐ形不純物濃度は、例えば、１×１０^１９／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、例えば、１×１０^２０／ｃｍ^３である。第１ｐ形層５１におけるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のＡｌ組成比ｘは、０．０５以上０．３以下であり、例えば、０．１である。

第２ｐ形層５２は、例えばｐ形不純物を含むＧａＮ層を含む。ｐ形不純物は、例えば、Ｍｇである。第２ｐ形層５２の厚さは、例えば５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、例えば、１００ｎｍである。第２ｐ形層５２におけるｐ形不純物濃度は、例えば、５×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、例えば、６×１０^１９／ｃｍ^３である。第２ｐ形層５２におけるｐ形不純物濃度は、例えば、第１ｐ形層５１におけるｐ形不純物濃度よりも低い。

ｐ形コンタクト層５４は、例えばｐ形不純物を含むＧａＮ層を含む。ｐ形不純物は、例えば、Ｍｇである。例えば、ｐ形コンタクト層５４におけるｐ形不純物濃度は、第２ｐ形層５２に含まれるｐ形不純物濃度よりも高い。ｐ形コンタクト層５４の厚さは、例えば１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。ｐ形コンタクト層５４の厚さは、より好ましくは、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。ｐ形コンタクト層５４におけるｐ形不純物濃度は、２×１０^１９／ｃｍ^３以上１×１０^２２／ｃｍ^３以下である。例えば、ｐ形半導体層５０のうちで、ｐ側電極８０と接し、第２ｐ形層５２に比べてｐ形不純物濃度が高い領域がｐ形コンタクト層５４に対応する。ｐ形コンタクト層５４は、例えば、ｐ側のコンタクト層として機能する。

ｐ形不純物として、例えばＭｇ（マグネシウム）が用いられる。ｐ形不純物として、Ｍｇのほかに、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）を用いてもよい。

ｐ形コンタクト層５４が不連続でも良い。ｐ形コンタクト層５４が島状でも良い。ｐ形コンタクト層５４が網目状でも良い。ｐ形コンタクト層５４が開口部を有しても良い。ｐ形コンタクト層５４が不連続である場合も「層」とする、ｐ形コンタクト層５４が不連続である場合、第２ｐ形層５２の一部がｐ側電極８０と接しても良い。

実施形態において、第１ｐ形層５１及び第２ｐ形層５２は必要に応じて設けられる。

ｎ形半導体層２０は、例えば、ｎ形の不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物として、例えばＳｉ（シリコン）が用いられる。ｎ形半導体層２０の厚さは、例えば５００ｎｍ以上１０μｍ以下である。ｎ形半導体層２０における不純物濃度は、５×１０^１７／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３以下である。ｎ形半導体層２０は、例えば、ｎ側のコンタクト層として機能する。

積層体３０は、交互に積層された複数の第１層（図示しない）及び複数第２層（図示しない）を含む。第１層は、例えばＧａＮ層である、第１層の厚さは、例えば約３ナノメートル（ｎｍ）（例えば２ｎｍ以上４ｎｍ以下）である。第２層は、例えばＩｎＧａＮ層である。第２層の厚さは、例えば約１ｎｍ（例えば０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下）である。第１層の数は、例えば２１層であり、第２層の数は例えば２０層である。積層体３０は、例えば超格子層である。

発光層４０は、複数の障壁層（図示しない）と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層（図示しないと、を含む。井戸層の数は１でも良い。井戸層の数は２以上でも良い。複数の障壁層と、複数の井戸層と、は交互に設けられる。発光層４０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造、または、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。

障壁層には、例えば、アンドープのＧａＮ層が用いられる。障壁層の厚さは、例えば３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、例えば約５ｎｍである。井戸層には、例えば、アンドープのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層が用いられる。井戸層の厚さは、例えば例えば１．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、例えば約２．５ｎｍである。実施形態において、障壁層及び井戸層の、材料及び厚さは、任意である。

障壁層及び井戸層には、窒化物半導体が用いられる。井戸層には、インジウム（Ｉｎ）を含む窒化物半導体が用いられる。障壁層のバンドギャップエネルギーは、井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。例えば、障壁層がＩｎを含む場合、障壁層におけるＩｎの濃度は、井戸層におけるＩｎの濃度よりも低い。

障壁層及び井戸層は、発光層４０から放出される光の波長が所望の値になるように設計される。発光層４０から放出される光のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。発光層４０から放出される光の強度は、ピーク波長において最高となる。例えば、室温における発光層４０のフォトルミネッセンスの波長は、３８０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であり、例えば約４５０ｎｍである。

ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０と接する。ｎ側電極７０は、例えば、アルミニウム／タンタル／チタン／アルミニウム／チタン（Ａｌ／Ｔａ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）の複合膜が用いられる。例えば、厚さはそれぞれ、１００ｎｍ／５０ｎｍ／５０ｎｍ／１０００ｎｍ／５０ｎｍ程度である。

ｐ側電極８０は、例えば、導電性の金属化合物、及び、金属の少なくともいずれかが用いられる。導電性の金属化合物は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などを含む。ＩＴＯをｐ側電極８０に用いる際には、ｐ側電極８０の厚さは、例えば、約０．２５マイクロメートル（μｍ）（例えば０．１μｍ以上０．３μｍ以下）である。ｐ側電極８０に用いられる金属は、例えば、ニッケル／銀（Ｎｉ／Ａｇ）などの複合膜を含む。ｐ側電極８０は、例えば、Ａｇを含む金属膜を含む。ｐ側電極８０の上に、パッド電極となる金属層が設けられても良い。

ｎ側電極７０とｐ側電極８０との間に電圧が印加される。ｎ形半導体層２０及びｐ形半導体層５０を介して発光層４０に電流が流れ、発光層４０から光が放出される。

窒化物半導体素子１１０においては、基板１０の上に機能層４５が設けられる。機能層４５は、ｎ形半導体層２０、発光層４０及びｐ形半導体層５０を含む。この例では、機能層４５は、積層体３０を含む。機能層４５は、窒化物半導体を含む。機能層４５は、半導体結晶を含む。

基板１０は、上面１０ｕと下面１０ｌとを有する。下面１０ｌは、上面１０ｕとは反対側の面である。上面１０ｕの上に機能層４５が設けられる。上面１０ｕは、機能層４５と対向する。

基板１０は、結晶成長用の基板である。基板１０の上に、例えば、バッファ層１８が形成され、バッファ層１８の上に、下地層１９が形成され、下地層１９の上に機能層４５が形成される。機能層４５が形成された後に、基板１０が除去されても良い。このとき、バッファ層１８の少なくとも一部が除去されても良い。さらに、下地層１９の少なくとも一部が除去されても良い。

基板１０が除去された状態において、ｎ側電極７０と発光層４０との間に、ｎ形半導体層２０が配置されても良い。例えば、ｎ側電極７０の少なくとも一部は、Ｚ軸方向においてｐ側電極８０の少なくとも一部と重なっても良い。

基板１０には、例えばシリコンが用いられる。バッファ層１８には、例えばノンドープのＡｌＮ層が用いられる。バッファ層１８の厚さは、例えば約１００ｎｍ（例えば７０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下）である。下地層１９には、例えばノンドープのＧａＮ層が用いられる。下地層１９の厚さは、例えば５００ｎｍ以上１０００μｍ以下である。バッファ層１８及び下地層１９に含まれる不純物の濃度は、ｎ形半導体層２０に含まれるｎ形不純物の濃度よりも低い。バッファ層１８及び下地層１９に含まれるｎ形不純物の濃度は、例えば、５×１０^１７／ｃｍ^３以下である。バッファ層１８及び下地層１９に含まれるｎ形不純物の濃度は、例えば、１×１０^１６／ｃｍ^３（例えば検出限界）以上でも良い。ｎ形不純物は、例えば、Ｓｉである。

不純物濃度は、例えば、ＳＩＭＳ分析により測定できる。

基板１０は、例えば、{１１３}面のシリコン基板である。基板１０の上面１０ｕは、複数の凹部１５（溝）を有する。後述するように、複数の凹部１５は、機能層４５（例えばｎ形半導体層２０）のｃ軸方向に対して垂直な方向に沿って延びる。

基板１０は、ｒ面（{１−１０２}面）のサファイア基板でも良い。サファイア基板のｒ面に、複数の凹部１５が設けられる。

複数の凹部１５は、基板１０となる基体の表面の一部を除去することで形成される。基板１０の上面１０ｕにおいて、複数の凹部１５を除く部分は、頂面１５ｕである。上面１０ｕは、複数の凹部１５と、頂面１５ｕと、を含む。凹部１５は、底面１５ｂと側面１５ｓと、を含む。凹部１５の深さ１０ｈは、頂面１５ｕのＺ軸方向の位置と、底部１６ｂのＺ軸方向の位置と、のＺ軸方向上の差である。１つの凹部１５は、２つの側面１５ｓを含む。２つの側面１５ｓは、凹部１５の延在方向に対して垂直な方向において、対向する。凹部１５の幅ｗ１０は、この２つの側面１５ｓの、凹部１５の延在方向に対して垂直でＺ軸方向に対して垂直な方向における間隔である。

バッファ層１８は、上面１０ｕを覆う。バッファ層１８は、例えば、凹部１５の側面１５ｓと接する。バッファ層１８の一部は、頂面１５ｕを覆う。バッファ層１８が底面１５ｂと離間していても良い。下地層１９は、バッファ層１８を覆う。下地層１９は、例えば、バッファ層１８のうちの、凹部１５の側面１５ｓと接する部分と接する。下地層１９のうちの、Ｚ軸方向において底面１５ｂ重なる部分は、バッファ層１８と離間していても良い。下地層１９のうちの、Ｚ軸方向において頂面１５ｕと重なる部分は、バッファ層１８と離間していても良い。

ｐ形半導体層５０は、第１面５０ｓと第２面５０ｒとを有する。第２面５０ｒは、第１面５０ｓとは反対側の面である。ｐ側電極８０は、第１面５０ｓと接する。第２面５０ｒは、発光層４０に対向する。

ｐ形半導体層５０の第１面５０ｓは、半極性面である。半極性面は、例えば、ｃ面（すなわち、｛０００１｝面）から傾いている。半極性面と、ｃ面と、の間の角度は、０度よりも大きく、９０度よりも小さい角度である。または、半極性面と、ｃ面と、の間の角度は、９０度よりも大きく、１８０度よりも小さい。半極性面は、例えば、ｃ面から小さい角度で傾いている。例えば、第１面５０ｓは、ｐ形半導体層５０の｛１１−２２｝面である。実施形態において、第１面５０ｓが、｛１１−２２｝面に対して、小さい角度で傾斜していても良い。例えば、第１面５０ｓと、ｐ形半導体層５０の｛１１−２２｝面と、の間の角度は、５度以下である。

半極性面は、{１１−２２}面の他に、｛１０−１１｝面、｛２０−２１｝面、｛１０−１２｝面、または、｛１０−１３｝面などでも良い。例えば、第１面５０ｓと、ｐ形半導体層５０の上記結晶面（半極性面）と、の間の角度は、５度以下である。

実施形態においては、第１面５０ｓは、複数の凸部５４ｂを有する。例えば、Ｚ軸方向（ｐ形半導体層５０からｐ側電極８０に向かう第１方向）に沿った、複数の凸部５４ｂの高さｈ５４（複数の凸部５４ｂの１の高さ）は、例えば、５ｎｍ以下である。高さｈ５４は、例えば、１ｎｍ以上である。

例えば、複数の凸部５４ｂの第１面５０ｓにおける密度は、１．０×１０^１０／ｃｍ^２よりも高い。密度は、例えば、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下である。複数の凸部５４ｂの第１面５０ｓにおける密度は、より好ましくは、１．５×１０^１０／ｃｍ^２以上で、５．２×１０^１０／ｃｍ^２以下である。

複数の凸部５４ｂの幅ｗ５４（複数の凸部５４ｂの１つの幅）は、１０ｎｍ以上である。幅ｗ５４は、１００ｎｍ以下である。幅ｗ５４は、Ｚ軸方向（第１方向）に対して垂直な方向（例えばＸ軸方向）における、複数の凸部５４ｂの１つの長さである。

例えば、ｐ形コンタクト層５４は、底部５４ａを含んでも良い。複数の凸部５４ｂの高さは、凸部５４ｂの頂部５４ｔと、底部５４ａと、の間のＺ軸方向に沿った距離である。

複数の凸部５４ｂの１つの幅は、複数の凸部５４ｂのその１つの、Ｘ軸方向に沿った長さの最大値である。

複数の凸部５４ｂは、頂部５４ｔと、側面５４ｂｓと、を含む。ｐ形コンタクト層５４のうちで、発光層４０との距離が一番長い部分である。側面５４ｂｓは、Ｘ−Ｙ平面と交差する。

１つの凸部５４ｂの頂部５４ｔを含みＺ軸方向を含む平面で、その１つの凸部５４ｂを切断したときに、２つの底部５４ａの間に、その１つの凸部５４ｂが設けられる。その１つの凸部５４ｂの幅ｗ５４は、その２つの底部５４ａの間の距離である。

複数の凸部５４ｂのそれぞれは、底部５４ａからｐ側電極８０に向かって突出している。凸部５４ｂの側面５４ｂｓは、ｐ側電極８０に取り囲まれている。凸部５４ｂの頂部５４ｔは、ｐ側電極８０に取り囲まれている。

実施形態においては、このような凸部５４ｂを設けることで、ｐ形半導体層５０の第１面５０ｓとｐ側電極８０との間の接触抵抗を低減できる。これにより、低駆動電圧の窒化物半導体素子１１０を提供できる。

凸部５４ｂを設けることで駆動電圧が低下できることは、発明者が行った独自の実験により見出された。以下、この実験について説明する。以下、作製した試料及びその評価結果について説明する。

基板１０の上面１０ｕに、複数の凹部１５が設けられる。

例えば、基板１０となる基体には、｛１１３｝面のシリコン基板が用いられる。シリコン基板のオリエンテーションフラットの方位は、例えば、＜−１１０＞方向である。シリコン基板の上に、マスク層となる酸化シリコン膜が形成されている。酸化シリコン膜は、例えば、熱酸化膜である。酸化シリコン膜の厚さは、例えば、約１００ｎｍ（例えば６０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下）である。酸化シリコン膜の上に、所定の形状のレジスト膜を形成する。レジスト膜の形状は、例えば、ストライプ状である。

レジスト膜の幅（ストライプの延在方向に対して直交する方向の長さ）は、例えば、０．５μｍ以上１５μｍ以下であり、例えば約３μｍである。レジスト膜の開口部の幅（複数のストライプどうしの間隔）は、例えば０．５μｍ以上５μｍ以下であり、例えば約７μｍである。ストライプの周期は、例えば１μｍ以上２０μｍ以下であり、例えば約１０μｍである。

レジスト膜の開口部において、酸化シリコン膜が露出している。レジスト膜をマスクとして、酸化シリコン膜の一部を除去する。すなわち、開口部から露出する酸化シリコン膜を除去する。除去においては、例えば、バッファードフッ酸を用いたエッチングが行われる。除去の前に、Ｏ_２アッシャ処理を行っても良い。これにより、親水性が向上し、エッチングの均一性が向上する。酸化シリコン膜の一部の除去の後に、レジスト膜を除去する。これにより、マスク層が形成される。この加工において、ドライエッチング処理が用いられてもよい。

マスク層をマスクとして用いて、基板（この例ではシリコン基板）の一部を除去する。すなわち、マスク層から露出する基体の一部を除去する。基体を加工することで基板１０が得られる。例えば、基体に、複数のストライプ状の凹部１５を形成する。凹部１５の深さｈ１０は、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。この加工においては、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液（２５ｗｔ％、４５℃）を用い、例えば５分間の処理が行われる。これにより、凹部１５が形成される。凹部１５の深さｈ１０は、例えば、約５００ｎｍである。シリコンのエッチングレートの異方性により、凹部１５の側面１５ｓは、Ｚ軸方向に対して傾斜する。側面１５ｓは、例えば斜面である。シリコンをＫＯＨ溶液でエッチングする場合、シリコンの（１１１）面のエッチングレートが、他の結晶面に比べて遅い。このため、シリコンの（１１１）面が、側面１５ｓとなり易いため、側面１５ｓは、斜面となり易い。この加工において、ドライエッチング処理を用いて斜面（側面１５ｓ）を形成しても良い。

実施形態において、例えば、凹部１５の深さｈ１０は、凹部１５の幅ｗ１０よりも小さい。深さｈ１０を幅ｗ１０よりも小さくすることで、例えば、側面１５ｓからの結晶成長が容易になりやすい。深さｈ１０を幅ｗ１０よりも小さくすることで、例えば、窒化物結晶（例えば、下地層１８）における欠陥密度が低減しやすい。

これにより、図１に例示した基板１０が得られる。基板１０の上面１０ｕにおいて、複数の凹部１５が設けられる。複数の凹部１５のそれぞれの側面１５ｓは、Ｚ軸方向に対して傾斜している。

凹部１５の側面１５ｓ（側壁）の少なくとも一部は、シリコンの（１−１１）面となる。この側面１５ｓ（斜面）は、基板１０の上面１０ｕの（１１３）面に対して傾斜する。側面１５ｓ（斜面）と、（１１３）面との間の角度は、約５８．５度である。この側面１５ｓ（斜面である（１−１１）面）から、窒化物結晶が成長される。

実施形態において、側面１５ｓ（側壁）の少なくとも一部は、例えば、（１１１）面と等価な結晶面である。側面１５ｓ（側壁）の少なくとも一部は、例えば、ミラー指数の包括表現で｛１１１｝面で表される結晶面である。側面１５ｓ（側壁）の少なくとも一部は、例えば、（１−１１）面でも良く、（１１−１）面でも良く、（−１１−１）でも良い。基板１０において、シリコンの（１１１）面と等価な結晶面を形成することで、窒化物結晶（例えば機能層４５など）の結晶成長が容易となる。

基板１０の上面１０ｕ上にバッファ層１８を形成する。このとき、例えば、基板１０の上面１０ｕの凹部１５の側面１５ｓから、バッファ層１８が成長する。バッファ層１８は、頂面１５ｕを覆う。バッファ層１８は、基板１０の上面１０ｕを覆う。バッファ層１８の上に、下地層１９を形成する。下地層１９の上に、機能層４５（ｎ形半導体層２０、積層体３０、発光層４０及びｐ形半導体層５０）を形成する。すなわち、エピタキシャル成長が行われる。

エピタキシャル成長の例について、以下説明する。
例えば、凹部１５が形成された基板１０を、有機洗浄及び酸洗浄によって処理する。この後、基板１０をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入する。水素雰囲気（例えば、水素含有雰囲気）において、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）及びアンモニア（ＮＨ_３）を用いて、バッファ層１８となるＡｌＮ層を形成する。バッファ層１８の厚さは、約１００ｎｍである。このときの成長温度（基板温度）は約１０６０℃であり、成長圧力は２００ｈＰａであり、Ｖ／III比は、１５０である。

その後、窒素及び水素を含む雰囲気にて、ＴＭＧａ及びアンモニアを用い、下地層１９となるアンドープのＧａＮ層を成長させる。このときの成長温度は約１０６０℃であり、成長圧力は６００ｈＰａであり、Ｖ／III比は、３３００である。このアンドープのＧａＮ層は、基板１０の凹部１５の側面１５ｓ（（１−１１）面であり、斜面）から成長する。

これにより、結晶方位が傾斜した下地層１９（ＧａＮ結晶）が得られる。この下地層１９においては、ｃ軸が、Ｚ軸方向（基板１０の上面１０ｕに対して垂直な方向）に対して傾斜している。下地層１９のｃ軸とＺ軸方向との間の角度は、約５８．５度である。このように、ｃ軸がＺ軸方向から約５８．５度で傾斜したＧａＮ結晶が得られる。すなわち、下地層１９（ＧａＮ層）のｃ軸と、上面１０ｕと、の間の角度は、約３１．５度である。

下地層１９となるアンドープＧａＮ層の成長初期では、アンドープＧａＮ層は、ストライプ状の結晶である。成長時間を長くすることで、隣り合うストライプ状の結晶が会合する。これにより、アンドープＧａＮ層の主面（表面）は、{１１−２２}面となる。さらに結晶成長を続け、下地層１９が形成される。下地層１９の厚さは、例えば約３μｍである。

引き続き、キャリアガスとして窒素及び水素を用い、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びシラン（ＳｉＨ_４）を用い、１０３０℃で、ｎ形半導体層２０（ｎ形コンタクト層）となるｎ形ＧａＮ層が形成される。ｎ形半導体層２０の厚さは、約２μｍである。ｎ形不純物は、Ｓｉである。ＳｉＨ_４が、ｎ形不純物の原料となる。ｎ形ＧａＮ層におけるＳｉ濃度は、５×１０^１８／ｃｍ^３である。

次に、積層体３０が形成される。すなわち、窒素雰囲気にて、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びＳｉＨ_４を用いて、８００℃で、ｎ形のＧａＮ層を形成し、続いて、８００℃で、ＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＮＨ_３を用いて、アンドープのＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層が形成される。ｎ形のＧａＮ層が、第１層となる。第１層の厚さは、約３ｎｍである。アンドープのＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層が第２層となる。第２層の厚さは、約１ｎｍである。その後、上記の第１層の形成及び第２層の形成が繰り返される。第１層の形成の回数は、２０であり、第２層の形成の回数は、２０回ある。そして、最後に、第１層がさらに形成される。これにより、積層体３０が形成される。積層体３０における、ｎ形のＧａＮ層のＳｉ濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３である。

次に、発光層４０が形成される。すなわち、窒素雰囲気にて、ＴＭＧ及びＮＨ_３を用い、障壁層となるアンドープのＧａＮ層が形成される。障壁層の厚さは、約５ｎｍである。続いて、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ_３を用い、井戸層となるアンドープのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層が形成される。井戸層の厚さは、約２．５ｎｍである。上記の障壁層の形成及び井戸層の形成が繰り返される。障壁層の形成の回数は、３であり、井戸層の形成の回数は、３である。さらに、最後に、障壁層がさらに形成される。これにより、発光層４０が形成される。

次に、窒素及び水素を含む雰囲気にて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いて、第１ｐ形層５１となるｐ形Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層が形成される。このときの成長温度は約９００℃であり、成長圧力は１０１３ｈＰａであり、Ｖ／III比は、１００００である。Ｃｐ_２Ｍｇが、ｐ形不純物の原料となる。第１ｐ形層５１の厚さは、約５ｎｍである。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層におけるＡｌ組成比ｘは、０．１である。

さらに、窒素及び水素を含む雰囲気にて、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びＣｐ_２Ｍｇを用いて、第２ｐ形層５２となるｐ形ＧａＮ層が形成される。第２ｐ形層５２の厚さは、約８０ｎｍである。このときの成長温度（基板温度）は、９００℃であり、成長圧力は１０１３ｈＰａであり、Ｖ／III比は、１６００である。

次に、窒素、水素及びアンモニアの供給比を変化させるとともに、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量を増加させ、ｐ形コンタクト層５４となるｐ形ＧａＮ層が形成される。ｐ形コンタクト層５４の厚さは、平均で約５ｎｍである。このときの成長温度（基板温度）は、８８０℃であり、成長圧力は１０１３ｈＰａであり、Ｖ／III比は、８５００である。成長速度は、約１ｎｍ／分である。

ｐ形コンタクト層５４は、底部５４ａと凸部５４ｂとを有している。底部５４ａの厚さが、例えば４ｎｍ程度であり、凸部５４ｂの高さが５ｎｍ程度である。凸部５４ｂの密度を考慮すると、底部５４ａと凸部５４ｂとを合計し平均したときのｐ形コンタクト層５４の平均厚さは、５ｎｍ程度となる。
上記の結晶成長の後、温度を室温まで下げる。

上記のようにして得られた半導体積層体の一部をドライエッチングによって除去して、ｎ形半導体層２０の一部の表面を露出させる。露出したｎ形半導体層２０の上に、ｎ側電極７０となるＡｌ／Ｔａ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉの積層膜が形成される。ｐ形コンタクト層５４の上には、ｐ側電極８０となるＡｇ膜が形成される。
これにより、窒化物半導体素子１１０（半導体発光素子）が得られる。

実験では、複数の試料が作製される。これらの試料においては、ｐ形コンタクト層５４となるｐ形ＧａＮ層の形成条件が変更される。そして、ｐ形コンタクト層５４の表面状態（第１面５０ｓの状態）及び駆動電圧が評価される。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、窒化物半導体素子を例示する原子間力顕微鏡像である。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、ｐ形コンタクト層５４となるｐ形ＧａＮ層の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）像である。これらの像は、１辺が１μｍの正方形の領域を示している。高さスケールは、１５ｎｍである。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、３種類の試料（第１試料ＳＰ１、第２試料ＳＰ２、及び第３試料ＳＰ３）に対応する。これらの試料においては、ｐ形コンタクト層５４となるｐ形ＧａＮ層の形成条件が互いに異なる。すなわち、ｐ形コンタクト層５４となるｐ形ＧａＮ層の形成におけるｐ形不純物の供給量が変更されている。第２試料ＳＰ２におけるｐ形不純物の供給量（第２供給量）は、第１試料ＳＰ１におけるｐ形不純物の供給量（第１供給量）の４倍である。第３試料ＳＰ３におけるｐ形不純物の供給量（第３供給量）は、第１供給量の６倍である。ｐ形不純物は、Ｍｇである。

図２（ａ）に示すように、第１供給量の第１試料ＳＰ１においては、ｐ形コンタクト層５４に、凸部５４ｂが形成されていない。

図２（ｂ）に示すように、ｐ形不純物の供給量が多い第２供給量の第２試料ＳＰ２においては、ｐ形コンタクト層５４に、凸部５４ｂが形成されている。凸部５４ｂは、多角錐台状である。

図２（ｃ）に示すように、ｐ形不純物の供給量がさらに多い第３供給量の第３試料ＳＰ３においては、さらに多くの凸部５４ｂが形成されている。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、窒化物半導体素子を例示する模式図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第２試料ＳＰ２に対応する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第３試料ＳＰ３に対応する。図３（ａ）及び図４（ａ）は、ｐ形コンタクト層５４の表面のＡＦＭ像である。図３（ｂ）及び図４（ｂ）は、ｐ形コンタクト層５４の表面（ｐ形半導体層５０の第１面５０ｓ）の形状（プロファイル）を例示するグラフ図である。図３（ｂ）及び図４（ｂ）は、図３（ａ）及び図４（ａ）のＡＦＭの解析結果から得られる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ１−Ｂ２線上のプロファイルに対応する。Ｂ１−Ｂ２線は、ｐ形コンタクト層５４のｃ軸方向に沿っており、ｎ形半導体層２０のｃ軸方向に沿っている。図３（ｂ）の横軸は、Ｂ１−Ｂ２線上の位置ｐＸに対応する。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ１−Ｃ２線上のプロファイルに対応する。Ｃ１−Ｃ２線は、ｐ形コンタクト層５４のｃ軸方向に沿っており、ｎ形半導体層２０のｃ軸方向に沿っている。図４（ｂ）の横軸は、Ｃ１−Ｃ２線上の位置ｐＸ（μｍ）に対応する。図３（ｂ）及び図４（ｂ）の縦軸は、高さＨＺ（ｎｍ）である。高さＨＺは、Ｚ軸方向に沿った位置である。図３（ｂ）及び図４（ｂ）中の矢印は、凸部５４ｂに対応する。

図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、凸部５４ｂの高さｈ５４は、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下（１ｎｍ以上５ｎｍ以下）である。複数の凸部５４ｂの幅ｗ５４は、約５０ｎｍ（約１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下）である。

図５は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。
図５の横軸は、凸部５４ｂの密度Ｃｐ（／ｃｍ^２）である。縦軸は、駆動電圧Ｖｆ（Ｖ）の値である。駆動電圧Ｖｆは、１ｍＡの電流を流したときの電圧である。

図５に示すように、第１試料ＳＰ１において、駆動電圧Ｖｆは、約５Ｖである。第２試料ＳＰ２において、駆動電圧Ｖｆは、約３．３Ｖである。第３試料ＳＰ３において、駆動電圧Ｖｆは、約３．５Ｖである。

凸部５４ｂの密度Ｃｐが、１．０×１０^１０／ｃｍ^２を超えるときに、低い駆動電圧Ｖｆが得られる。密度Ｃｐが、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下のときに、低い駆動電圧Ｖｆが得られる。凸部５４ｂの密度Ｃｐが、１．５×１０^１０／ｃｍ^２以上のときに、さらに低い駆動電圧Ｖｆが得られる。密度Ｃｐが、５．２×１０^１０／ｃｍ^２以下のときに、さらに低い駆動電圧Ｖｆが得られる。

窒化物半導体素子は、一般に、窒化物半導体のｃ面を利用して形成される。しかしながら、ｃ面を用いた半導体層においては、大きな内部電界が生じ、素子の特性に影響を与える。素子の高性能化のために、ｃ面とは異なる結晶面（例えば半極性面または無極性面）を利用することが検討されている。しかしながら、例えば、半極性面や無極性面を利用した窒化物半導体素子においては、極性面（ｃ面）を用いた場合に比べて、駆動電圧が高くなりやすいことが分かった。このため、半極性面または無極性面の窒化物半導体素子において、駆動電圧を低減することが望まれる。

本実施形態においては、半極性面を用いた窒化物半導体素子において、ｐ形半導体層２０のｐ側電極８０と接する第１面５０ｓに、複数の凸部５４ｂを設ける。この複数の凸部５４ｂの密度を上記の範囲とすることで、駆動電圧Ｖｆを低減できる。

例えば、ｃ面（{０００１}）を用いた参考例がある。この場合に、ｐ形半導体層２０のｐ側電極８０と接する第１面５０ｓに、複数の凸部５４ｂを設ける参考例がある。しかしながら、この参考例における複数の凸部５４ｂの適正な密度は、半極性面における複数の凸部５４ｂの適正な密度とは異なる。

図６は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。
図６は、第３試料ＳＰ３の二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）法による分析結果を示している。横軸は、深さｄＺ（ｎｍ）である。深さｄＺは、Ｚ軸方向に沿った位置である。縦軸は、ＳＩＭＳ分析により検出されたＭｇの濃度Ｃｍ０（１／ｃｍ^３）である。ＳＩＭＳの分析においては、Ｃｓイオンビームが使用される。ＳＩＭＳ分析における測定面積は、約２００μｍ×２００μｍである。ＳＩＭＳ分析においては、深さ方向（Ｚ軸方向）に、約０．６ｎｍステップで分析が行われる。この分析においては、約２００μｍ×２００μｍ×０．６ｎｍの領域の平均のＭｇの濃度が得られる。例えば、凸部５４ｂと底部５４ａとの平均のＭｇの濃度が得られる。Ｍｇの濃度Ｃｍ０は、例えば、実質的に、面内の平均の濃度である。

図６において、表面の側（図中左側）からＭｇ濃度が急峻に変化している領域と、変化が緩やかな領域と、がある。Ｍｇ濃度が急峻に変化している領域が、ｐ形コンタクト層５４に対応する。変化が緩やかな領域が、第２ｐ形層５２に対応する。ｐ形コンタクト層５４における厚さの変化に対するＭｇ濃度の変化は、第２ｐ形層５２における厚さの変化に対するＭｇ濃度の変化の５倍以上である。図６に示す例においては、Ｍｇ濃度が５．０×１０^１９／ｃｍ^３よりも大きい領域がｐ形コンタクト層５４に対応する。

図６に示すように、ｐ形コンタクト層５４の浅い位置において、Ｍｇの濃度Ｃｍ０は高く、深い位置ではＭｇの濃度Ｃｍ０は低い。ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍ０の最高値は、約５．９×１０^２１／ｃｍ^３である。ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍ０の最低値は、５．０×１０^１９／ｃｍ^３である。ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの平均濃度は、３．０×１０^２１／ｃｍ^３と算出される。ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの平均濃度は、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍ０の積分値を、ｐ形コンタクト層５４の厚さ（深さ）で割った値である。

第３試料ＳＰ３と同様に、第１試料ＳＰ１及び第２試料ＳＰ２についてもＳＩＭＳ分析が行われる。さらに、これらの試料とは別の試料も、異なる条件で作製され、同様に、ＳＩＳＭ分析が行われる。

第１の実験においては、上記のように、下地層１９の主面が｛１１−２２｝面であり、ｐ形コンタクト層５４の第１面５０ｓが｛１１−２２｝面である試料が作製される。第１の実験において、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度が、上記のように変更される。

第２の実験においては、下地層１９の主面が｛０００１｝面であり、ｐ形コンタクト層５４の第１面５０ｓが｛０００１｝面である試料が作製される。第２の実験においても、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度が変更される。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍａ（／ｃｍ^３）と、凸部５４ｂの密度Ｃｐ（／ｃｍ^２）と、の関係を示している。
図７（ａ）は、第１の実験（｛１１−２２｝）に対応する。図７（ｂ）は、第２の実験（｛０００１｝）に対応する。

既に図６に関して説明したように、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍ０は、ｐ形コンタクト層５４のＭｇの面内の平均の濃度（具体的には、約２００μｍ×２００μｍ×０．６ｎｍの領域の濃度）に対応する。図６に示したように、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇ濃度は、ｐ形コンタクト層５４内で厚さ方向に沿って変化する。ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍａは、ｐ形コンタクト層５４における濃度Ｃｍ０の最高値（図６の例では約５．９×１０^２１／ｃｍ^３）である。すなわち、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍａは、ｐ形コンタクト層５４の少なくとも一部におけるＭｇの濃度である。

図７（ａ）に示すように、第１の実験において、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度（濃度Ｃｍａ）が高くなると、凸部５４ｂの密度Ｃｐは高くなる。Ｍｇの濃度Ｃｍａが１．０×１０^２１／ｃｍ^３よりも低いときには、凸部５４ｂの密度Ｃｐは０である。すなわち、凸部５４ｂが形成されない。Ｍｇの濃度Ｃｍａが１．０×１０^２１／ｃｍ^３以上の場合に、凸部５４ｂが形成される。｛１１−２２｝面の場合は、凸部５４ｂの密度は、３×１０^９／ｃｍ^２〜７×１０^１０／ｃｍ^２程度である。｛１１−２２｝面においては、凸部５４ｂの密度は高い。

図７（ｂ）に示すように、第２の実験において、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度（濃度Ｃｍａ）が高くなると、凸部５４ｂの密度Ｃｐは高くなる。しかし、Ｍｇの濃度Ｃｍａが２．０×１０^２１／ｃｍ^３以上においては、凸部５４ｂの密度Ｃｐはほぼ一定となる。凸部５４ｂの密度Ｃｐは、約２．０×１０^８／ｃｍ^２で飽和する。｛０００１｝面においては、凸部５４ｂの高い密度を得ることは、困難である。

図５に関して既に説明したように、凸部５４ｂの密度Ｃｐが、１．０×１０^１０／ｃｍ^２を超え、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下のときに、低い駆動電圧Ｖｆが得られる。凸部５４ｂの密度Ｃｐが、１．５×１０^１０／ｃｍ^２以上で、５．２×１０^１０／ｃｍ^２以下のときに、さらに低い駆動電圧Ｖｆが得られる。このことと、図７（ａ）に示した結果と、から、以下となる。ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍａが、３．２×１０^２１／ｃｍ^３を超え７．０×１０^２１／ｃｍ^３以下のときに、低い駆動電圧Ｖｆが得られる。ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍａが、４．０×１０^２１／ｃｍ^３以上５．５×１０^２１／ｃｍ^３以下のときに、低い駆動電圧Ｖｆが安定して得られる。

図７（ｂ）に示した参考例（{０００１}面の第２実験）においては、上記のように、凸部５４ｂの密度Ｃｐの最大値は、約２．０×１０^８／ｃｍ^２である。本実施形態における範囲（３×１０^９／ｃｍ^２〜７×１０^１０／ｃｍ^２）とは、異なる。そして、参考例（{０００１}面の第２実験）においては、Ｍｇの濃度Ｃｍａは、１×１０^２１／ｃｍ^３以下である。例えば、参考例（{０００１}面の第２実験）において、Ｍｇの濃度Ｃｍａを１×１０^２１／ｃｍ^３以下よりも高くすることが現実的には困難である。すなわち、Ｍｇの濃度Ｃｍａを１×１０^２１／ｃｍ^３以下よりも高くすると、例えば結晶品質が著しく低下する。

これに対して、本実施形態（半極性面である{１１−２２}面）においては、凸部５４ｂの密度を３×１０^９／ｃｍ^２〜７×１０^１０／ｃｍ^２程度にすることができる。そして、Ｍｇの濃度Ｃｍａは、３．２×１０^２１／ｃｍ^３以上にすることができる。これは、半極性面（{１１−２２}面）においては、極性面（{０００１}）に比べてＭｇの凝集が生じにくいためであると考えられる。

半極性面（例えば{１１−２２}面）においては、極性面（{０００１}面）に比べて、Ｍｇに起因した結晶品質の低下が生じにくいためと考えられる。極性面（{０００１}）では、結晶の最表面の原子が、ガリウム（III族原子）となりやすい。一方、半極性面（{１１−２２}面）においては、結晶の最表面において、ガリウム（III族原子）と窒素（Ｖ族原子）との両方の原子が表れる。このような結晶表面の原子の構成（結晶面の原子の配列）の違いによって、ｐ形不純物（Ｍｇ）の取り込みが変化すると考えられる。このような結晶表面の原子の構成の違いによって、ｐ形不純物原子の表面拡散のしやすさが変化すると考えられる。

半極性面においては、結晶表面において、Ｍｇ原子の表面拡散長が長くなりやすく、Ｍｇの凝集が生じにくいと考えられる。このため、凸部５４ｂの高い密度を得ることができる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、凸部５４ｂの密度Ｃｐ（／ｃｍ^２）と、コンタクト抵抗Ｒ（Ωｃｍ^２）と、の関係を例示している。コンタクト抵抗Ｒ（Ωｃｍ^２）は、ｐ形コンタクト層５４とｐ側電極８０との間のコンタクト抵抗である。図８（ａ）は、第１の実験（｛１１−２２｝）に対応する。図８（ｂ）は、第２の実験（｛０００１｝）に対応する。

図８（ａ）に示すように、第１の実験（｛１１−２２｝面）においては、凸部５４ｂの密度Ｃｐ（／ｃｍ^２）が１．０×１０^１０／ｃｍ^２を超え、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下のときに、低いコンタクト抵抗Ｒが得られる。

図８（ｂ）に示すように、第２の実験（｛０００１｝面）においては、凸部５４ｂの密度Ｃｐ（／ｃｍ^２）が１．０×１０^８／ｃｍ^２以上、２．１×１０^８／ｃｍ^２以下のときに、比較的低いコンタクト抵抗Ｒが得られる。

図９（ａ）〜図９（ｆ）は、窒化物半導体素子を例示する模式図である。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第３試料ＳＰ３に対応する。
図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、以下に説明する第４試料ＳＰ４に対応する。
図９（ｅ）及び図９（ｆ）は、以下に説明する第５試料ＳＰ５に対応する。
図９（ａ）、図９（ｃ）及び図９（ｅ）は、ｐ形コンタクト層５４の表面のＡＦＭ像である。
図９（ｂ）、図９（ｄ）及び図９（ｆ）は、ｐ形コンタクト層５４の表面（ｐ形半導体層５０の第１面５０ｓ）のプロファイルを例示するグラフ図である。
図９（ｂ）、図９（ｄ）及び図９（ｆ）は、図９（ａ）、図９（ｃ）及び図９（ｅ）のＡＦＭの解析結果から得られる。

図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ３−Ｃ４線上のプロファイルに対応する。Ｃ３−Ｃ４線は、ｐ形コンタクト層５４のｃ軸方向に対して垂直であり、ｎ形半導体層２０のｃ軸方向に対して垂直である。例えば、第１方向（Ｚ軸方向）に対して垂直で、ｃ軸方向に対して垂直な方向を第２方向Ｄ２とする。図９（ｂ）の横軸は、Ｃ３−Ｃ４線上（第２方向Ｄ２上）の位置ｐ２に対応する。
図９（ｄ）は、図９（ｃ）のＤ３−Ｄ４線上のプロファイルに対応する。Ｄ３−Ｄ４線は、ｐ形コンタクト層５４のｃ軸方向に対して垂直であり、ｎ形半導体層２０のｃ軸方向に対して垂直である。図９（ｄ）の横軸は、Ｄ３−Ｄ４線上（第２方向Ｄ２上）の位置ｐ２に対応する。
図９（ｆ）は、図９（ｅ）のＥ３−Ｅ４線上のプロファイルに対応する。Ｅ３−Ｅ４線は、ｐ形コンタクト層５４のｃ軸方向に対して垂直であり、ｎ形半導体層２０のｃ軸方向に対して垂直である。図９（ｆ）の横軸は、Ｅ３−Ｅ４線上（第２方向Ｄ２上）の位置ｐ２に対応する。
図９（ｂ）、図９（ｄ）及び図９（ｆ）の縦軸は、高さＨＺ（ｎｍ）である。高さＨＺは、Ｚ軸方向に沿った位置である。図９（ｂ）中の矢印は、凸部５４ｂに対応する。

第４試料ＳＰ４においては、第２ｐ形層５２となるｐ形ＧａＮ層を形成する際のアンモニアの供給を、第３試料ＳＰ３のそれの１／２倍である。第４試料ＳＰ４において、ＴＭＧおよびＣＰ_２Ｍｇの供給量は、第３試料ＳＰ３と同じである。第４試料ＳＰ４においては、ｐ形コンタクト層５４となるｐ形ＧａＮ層の形成におけるｐ形不純物の供給量は、第３試料ＳＰ３のそれの１／６倍である。

第５試料ＳＰ５においては、第２ｐ形層５２を形成する際の、アンモニアの供給は、第３試料ＳＰ３のそれの１／４倍である。第５試料ＳＰ５において、ＴＭＧおよびＣＰ_２Ｍｇの供給量は、第４試料ＳＰ４と同じである。第５試料ＳＰ５においては、ｐ形コンタクト層５４となるｐ形ＧａＮ層の形成におけるｐ形不純物の供給量は、第３試料ＳＰ３のそれの１／６倍である。

図９（ｂ）に示すように、第３試料ＳＰ３において、複数の凸部５４ｂが設けられる。さらに、凹凸５４ｄｐが存在する。すなわち、第１面５０ｓは、凹凸５４ｄｐを有する。凹凸５４ｄｐのサイズは、凸部５４ｂのサイズよりも大きい。凹凸５４ｄｐどうしの距離は、複数の凸部５４ｂどうしの距離よりも大きい。凹凸５４ｄｐの高さは、凸部５４ｂの高さよりも高い。凹凸５４ｄｐは、凸領域ＰＲと、凹領域ＤＲと、を含む。凸領域ＰＲは、ｎ形半導体層２０のｃ軸方向（ｐ形コンタクト層５４のｃ軸方向）を含む面に沿って延びる。凹領域ＤＲは、そのｃ軸方向を含むその面に沿って延びる。

凹凸５４ｄｐの高さは、５ｎｍよりも高い。凹凸５４ｄｐの高さは、１００ｎｍ以下である。凹凸５４ｄｐの高さは、より好ましくは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。凹凸５４ｄｐの高さは、凸領域ＰＲの頂領域と、凹領域ＤＲの底領域と、の間のＺ軸方向に沿った距離である。

凹凸５４ｄｐの幅は、例えば、約８０ｎｍ以上約１５００ｎｍ以下である。凹凸５４ｄｐの幅は、より好ましくは、２００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下である。凹凸５４ｄｐの幅は、さらに好ましくは、２５０ｎｍ以上５００ｎｍである。複数の凸領域ＰＲどうしの間の距離（１つの凹領域ＤＲの幅）は、例えば、約８０ｎｍ以上約１５００ｎｍ以下である。複数の凸領域ＰＲどうしの間の距離は、より好ましくは、２００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下である。複数の凸領域ＰＲどうしの間の距離は、より好ましくは、２５０ｎｍ以上５００ｎｍである。複数の凹領域ＤＲどうしの間の距離（１つの凸領域ＰＲの幅）は、例えば、約８０ｎｍ以上約１５００ｎｍ以下である。複数の凹領域ＤＲどうしの間の距離（１つの凸領域ＰＲの幅）は、より好ましくは、２００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下である。複数の凹領域ＤＲどうしの間の距離（１つの凸領域ＰＲの幅）は、さらに好ましくは、２５０ｎｍ以上５００ｎｍである。

例えば、第２方向Ｄ２における凸領域ＰＲの幅は、８０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。より好ましくは、凸領域ＰＲの第２方向における幅は、２００ｎｍ以上９００ｎｍである。さらに好ましくは、凸領域ＰＲの第２方向における幅は、２５０ｎｍ以上５００ｎｍである。第２方向Ｄ２における凹領域ＤＲの幅は、８０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。より好ましくは、凹領域ＤＲの第２方向Ｄ２における幅は、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下でも良い。さらに好ましくは、凹領域ＤＲの第２方向Ｄ２における幅は、２５０ｎｍ以上５００ｎｍである。

既に説明したように、このような第３試料ＳＰ３における駆動電圧Ｖｆ（１ｍＡの電流の時の電圧）は、約３．５Ｖである。

図９（ｄ）に示すように、第４試料ＳＰ４においては、複数の凸部５４ｂが設けられない。しかしながら、第４試料ＳＰ４には、凸領域ＰＲ及び凹領域ＤＲを含む凹凸５４ｄｐが設けられている。このような第４試料ＳＰ４における駆動電圧Ｖｆ（１ｍＡの電流の時の電圧）は、約４．７Ｖである。

図９（ｆ）に示すように、第５試料ＳＰ５においては、複数の凸部５４ｂが設けられず、凸領域ＰＲ及び凹領域ＤＲを含む凹凸５４ｄｐも設けられていない。このような第５試料ＳＰ５における駆動電圧Ｖｆ（１ｍＡの電流の時の電圧）は、約５．５Ｖである。

このように、上記のような凹凸５４ｄｐが設けられることにより、駆動電圧Ｖｆが低下することが分かる。従って、実施形態において、凸部５４ｂと共に凹凸５４ｄｐを設けることがさらに望ましい。

半極性面である｛１０−１１｝面についても、同様の検討が行われた。
基板１０となる基体には、｛００１｝面のシリコン基板が用いられる。それ以外は、前述した｛１１−２２｝面と同様の作製方法で、試料が作製される。この試料においては、下地層１９の主面が｛１０−１１｝であり、ｐ形コンタクト層５４の第１面５０ｓが｛１０−１１｝である。

用いられたシリコン基板においては、｛００１｝面が、〈００１〉軸から〈１１０〉軸方向に約８度で回転している。＜００１＞軸を含む面において、基板１０の上面１０ｕとＳｉ｛００１｝面との間の角度は、約８度である。用いられたシリコン基板においては、｛００１｝面が、＜１１０＞方向に向かって約８度で傾斜している。凹部１５（例えば、ストライプ状）の延在方向は、＜−１１０＞方向に沿う。

以下の３種類の試料が作製される。
第７試料ＳＰ７においては、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度（濃度Ｃｍａ）が８×１０^２０／ｃｍ^３であり、複数の凸部５４ｂが設けられない。

第８試料ＳＰ８においては、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度（濃度Ｃｍａ）が３×１０^２１／ｃｍ^３であり、凸部５４ｂの密度は、１×１０^１０／ｃｍ^２である。

第９試料ＳＰ９においては、ｐ形コンタクト層５４におけるＭｇの濃度（濃度Ｃｍａ）が５×１０^２１／ｃｍ^３であり、凸部５４ｂの密度は、３×１０^１０／ｃｍ^２である。

これらの試料について、１ｍＡの電流を流した時の電圧は、第７〜第９試料ＳＰ７、ＳＰ８、ＳＰ９において、それぞれ、４．５Ｖ、３．４Ｖ、３．５Ｖである。
第１０試料ＳＰ１０は、第９試料ＳＰ９において、第２ｐ形層５２となるｐ形ＧａＮ層を形成する際に、アンモニアの供給を３倍にしたものである。第１０試料ＳＰ１０においては、凸領域ＰＲ及び凹領域ＤＲを含む凹凸５４ｄｐが設けられる。第１０試料ＳＰ１０において、１ｍＡの電流を流した時の電圧は、３．１Ｖである。

半極性の｛１０−１１｝面においても、凸部５４ｂの密度Ｃｐが、１．０×１０^１０／ｃｍ^２よりも大きい場合に、低い駆動電圧Ｖｆが得られる。凸部５４ｂの密度Ｃｐが、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下のときに、低い駆動電圧Ｖｆが得られる。凸部５４ｂと共に凹凸５４ｄｐを設けることで、さらに低い駆動電圧Ｖｆが得られる。

｛１０−１１｝面においては、結晶の最表面の原子が窒素（Ｖ属原子）である。一方、極性面（{０００１}）においては、結晶の最表面にガリウム（III属原子）が存在し易い。このように、｛１０−１１｝面と{０００１}面と、で異なる。このことから、窒素原子（Ｖ属原子）が表面に現れる半極性面において、凸部５４ｂによる低駆動電圧化の効果が得られやすいと考えられる。

例えば、結晶の最表面（結晶面の原子配列）に窒素原子（Ｖ属原子）を含む半極性面において、ｐ形コンタクト層５４に凸部５４ｂが設けられ、凸部の密度Ｃｐが、１．０×１０^１０／ｃｍ^２よりも高く、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下のときに、低い駆動電圧Ｖｆが得られる。

半導体層に凹凸を設け、発光光の光路を変化させて、光取り出し効率を向上する構成がある。例えば、半導体層に、選択成長によって突起部を形成する方法がある。このときの突起部の高さは約１．５μｍである。半導体層として、ウエットエッチングにより形成された凹凸を有する極性反転層を用いる構成もある。この場合において、極性反転層の望ましい厚さは、０．１μｍ以上（さらに望ましくは０．３μｍ以上）である。

このように、凹凸によって発光光の光路を変化させる場合には、発光光の波長程度の大きさの凹凸が用いられる。発光光の波長よりも著しく小さい凹凸においては、発光光の光路を実質的に変化させない。例えば、発光光の波長の１／４以下の大きさの凹凸においては、光路を変化させる効果が小さい。

実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、複数の突起部５４ｂのＺ軸方向に沿った高さ（高さｈ５４）は、発光層４０から放出される光の主波長の１／４の長さよりも小さい。実施形態においては、突起部５４ｂによって、光路の変化の効果を得るのではなく、例えば、接触抵抗Ｒを低減する。実施形態においては、突起部５４ｂによって、例えば、駆動電圧を低減する。

実施形態において、｛００１｝面のシリコン基板において、Ｓｉ｛００１}面を〈００１〉軸から〈１１０〉軸方向へ傾斜させる角度は、８度に限らない。傾斜させる角度は、例えば、５度以上１１度以下でも良い。例えば、このＳｉ｛００１｝面から任意の方向に３度以内の角度で傾く結晶面のシリコン基板を用いても良い。

実施形態において、第１面５０ｓが、｛１０−１１｝面に対して、小さい角度で傾斜していても良い。例えば、第１面５０ｓと、ｐ形半導体層５０の｛１０−１１｝面と、の間の角度は、５度以下である。

実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法において、窒化物半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法、及び、ハライド気相エピタキシー（Halide Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）法などを用いることができる。

実施形態によれば、駆動電圧を低減できる窒化物半導体素子が提供できる。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚ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。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。

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、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、窒化物半導体素子に含まれるｐ形半導体層、ｎ形半導体層、発光層、下地層、バッファ層、基板、ｐ側電極及びｎ側電極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窒化物半導体素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての窒化物半導体素子も、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。

１０…基板、 １０ｌ…下面、 １０ｕ…上面、 １５…凹部、 １５ｂ…底面、 １５ｓ…側面、 １５ｕ…頂面、 １８…バッファ層、 １９…下地層、 ２０…ｎ形半導体層、 ２０ｐ…第１部分、 ２０ｑ…第２部分、 ３０…積層体、 ４０…発光層、 ４５…機能層、 ５０…ｐ形半導体層、 ５０ｒ…第２面、 ５０ｓ…第１面、 ５１…第１ｐ形層、 ５２…第２ｐ形層、 ５４…ｐ形コンタクト層、 ５４ａ…底部、 ５４ｂ…凸部、 ５４ｂｓ…側面、 ５４ｄｐ…凹凸、 ５４ｔ…頂部、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０…窒化物半導体素子、 Ｃｍ０…濃度、 Ｃｍａ…濃度、 Ｃｐ…密度、 Ｄ２…第２方向、 ＤＲ…凹領域、 ＨＺ…高さ、 ＰＲ…凸領域、 Ｒ…コンタクト抵抗、 ＳＰ１〜ＳＰ５…第１〜第５試料、 Ｖｆ…駆動電圧、 ｄＺ…深さ、 ｈ１０…深さ、 ｈ５４…高さ、 ｐ２…位置、 ｐＸ…位置、 ｗ１０…幅、 ｗ５４…幅

Claims (16)

1. 窒化物半導体を含み第１面を有するｐ形半導体層と、
   前記第１面と接するｐ側電極と、
   を備え、
   前記第１面は、半極性面であり、
   前記第１面は、複数の凸部を有し、
   前記ｐ形半導体層から前記ｐ側電極に向かう第１方向に沿った、前記複数の凸部の高さは、１ナノメートル以上５ナノメートル以下であり、
   前記複数の凸部の前記第１面における密度は、１．０×１０^１０／ｃｍ^２よりも高く、６．１×１０^１０／ｃｍ^２以下である、窒化物半導体素子。
2. 前記第１面は、前記ｐ形半導体層の｛１１−２２｝面である、請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 前記第１面と、前記ｐ形半導体層の｛１１−２２｝面と、の間の角度は、５度以下である、請求項１記載の窒化物半導体素子。
4. 前記第１面は、前記ｐ形半導体層の｛１０−１１｝面である、請求項１記載の窒化物半導体素子。
5. 前記第１面と、前記ｐ形半導体層の｛１０−１１｝面と、の間の角度は、５度以下である、請求項１記載の窒化物半導体素子。
6. 前記複数の凸部の１つの前記第１方向に対して垂直な方向における幅は、１０ナノメートル以上１００ナノメートル以下である、請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
7. ｎ形半導体層と、
   発光層と、
   をさらに備え、
   前記ｐ形半導体層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ側電極との間に設けられ、
   前記発光層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられる、請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
8. 前記複数の凸部の前記第１面における前記密度は、１．５×１０^１０／ｃｍ^２以上である、請求項１〜７のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
9. 前記複数の凸部の前記第１面における前記密度は、５．２×１０^１０／ｃｍ^２以下である、請求項８記載の窒化物半導体素子。
10. 前記ｐ形半導体層は、ｐ形コンタクト層を含み、
    前記ｐ形コンタクト層は、前記第２電極と接し、
    前記ｐ形コンタクト層の厚さは１ナノメートル以上５０ナノメートル以下であり、
    前記ｐ形コンタクト層に含まれるｐ形不純物の濃度は、３．２×１０^２１／ｃｍ^３を超え７．０×１０^２１／ｃｍ^３以下である、請求項１〜９いずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
11. 前記濃度は、４．０×１０^２１／ｃｍ^３以上５．５×１０^２１／ｃｍ^３以下である、請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
12. 前記第１面は、凹凸を有し、
    前記凹凸は、凸領域と、凹領域と、を含み、
    前記凸領域は、前記ｎ形半導体層のｃ軸方向を含む面に沿って延び、
    前記凹領域は、前記ｃ軸方向を含む前記面に沿って延び、
    前記第１方向に対して垂直で前記ｃ軸方向に対して垂直な第２方向における前記凸領域の幅は、８０ナノメートル以上１５００ナノメートル以下である、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
13. 前記凸領域の前記幅は、２００ナノメートル以上９００ナノメートル以下である、請求項１２記載の窒化物半導体素子。
14. 前記第２方向における前記凹領域の幅は、８０ナノメートル以上１５００ナノメートル以下である、請求項１２または１３に記載の窒化物半導体素子。
15. 前記凹領域の前記幅は、２００ナノメートル以上９００ナノメートル以下である、請求項１４記載の窒化物半導体素子。
16. 前記凹凸の高さは、５ナノメートルよりも高い、請求項１２〜１５のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。