JP6571389B2 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ（Light Emitting Diode））またはレーザダイオード（ＬＤ（Laser Diode））などの材料として利用されている。また、窒化物半導体は、耐熱性または耐環境性に優れるという特徴を有し、よって、電子デバイスへも応用されている。
その一方、窒化物半導体のバルク結晶成長は難しい。そのため、実用可能な品質を有する窒化物半導体基板の製造にはコストがかかり、よって、実用可能な品質を有する窒化物半導体基板は非常に高価となる。したがって、窒化物半導体単結晶からなる層（以下では「窒化物半導体層」と記す）の成長用基板としては単結晶サファイア基板が広く実用化されており、窒化物半導体層の成長方法としては単結晶サファイア基板の上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法）などで窒化物半導体層（例えばＧａＮ層）をエピタキシャル成長させるという方法が一般的に使用されている。
ところで、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合には、窒化物半導体とサファイアとの格子定数差に起因する結晶欠陥または格子歪みなどを引き起こす。そのため、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合における窒化物半導体層の現在最も一般的な成長法は、６００℃程度の低温でＡｌＮまたはＧａＮなどからなる低温成長バッファ層を単結晶サファイア基板の上に成長させた後、１０００℃以上の高温で所望の窒化物半導体層を低温成長バッファ層の上に成長させるというものである（例えば特開２０００−２７７４３５号公報（特許文献１）参照）。この低温成長バッファ層の導入によって、上記結晶欠陥が減少し、上記格子歪みが緩和する。
窒化物半導体では、原子間の結合が強い。そのため、窒化物半導体層の結晶品質を向上させるためには１０００℃以上の高温での窒化物半導体層の成長が必要であると一般的に言われている。低温成長バッファ層の導入と１０００℃以上の高温での窒化物半導体層の成長とによって窒化物半導体層のエピタキシャル成長が可能となり、その結果、紫外線から緑色光まで発光可能なＬＥＤが広く実用化されるに至っている。
特開２０００−２７７４３５号公報 特開２０００−５８９１２号公報
しかしながら、窒化物半導体層を含む発光素子（窒化物半導体発光素子）、特に一般照明用ＬＥＤまたはバックライト用青色ＬＥＤでは、近年、普及拡大と共に価格低下が急速に進行している。市場調査によると、２０２０年の価格水準は現在の価格水準の約１／５倍であると予想されている。
その一方で、窒化物半導体発光素子の素子特性（例えば、発光効率、発光強度、光の取り出し効率など）については、現状維持、または、現状よりも向上させることが期待されている。また、近年、殺菌、浄水、各種医療分野、公害物質の高速分解処理、または、樹脂硬化などに用いられる小型且つ省電力な新しい光源として、窒化物半導体層を含む紫外線発光素子が大いに期待されている。
以上より、窒化物半導体発光素子の素子特性を現状維持または現状よりも向上させつつ窒化物半導体発光素子の製造コストの低減を図る必要がある。窒化物半導体層の成長用基板として一般的に使われている単結晶サファイア基板では、ここ数年で面積当たり単価の低減が進んでいる。しかし、単結晶サファイアの引き上げ、または、単結晶サファイアの加工などにコストがかかるため、単結晶サファイア基板のさらなるコスト低減は困難である。ところで、特開２０００−５８９１２号公報（特許文献２）などでは、Ｚカット水晶基板のＺ面に六方晶系のｎ−ＧａＮ薄膜などを形成することが提案されている。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性が現状維持または現状よりも向上された窒化物半導体発光素子を低コストで提供することである。
本発明の第１の窒化物半導体発光素子は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板と、基板の上に設けられた下地層と、下地層の上に設けられ、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造とを備える。下地層は、ｃ軸配向された結晶を含み、スパッタ法によって形成されたものである。
本発明の第２の窒化物半導体発光素子は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板と、基板の上に設けられた下地層と、下地層の上に設けられ、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造とを備える。下地層は、ｃ軸配向された結晶を含み、１０原子％以下の希ガス原子を含む。
下地層は、ｃ軸配向された結晶として、ｃ軸配向されたＡｌＮ結晶、ｃ軸配向されたＢＮ結晶およびｃ軸配向されたＧａ2Ｏ3結晶のうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。下地層は、ｃ軸配向された結晶とは別に、１０原子％以下の酸素原子をさらに含むことがより好ましい。
下地層側に位置する基板の表面には凹凸が形成されていることが好ましい。
基板は、ケイ素原子および酸素原子とは異なる第１原子をさらに含むことが好ましい。第１原子は、基板に含有されることによって基板の屈折率を二酸化ケイ素のみからなる基板の屈折率よりも大きくするものであることが好ましい。第１原子は、ランタン原子およびチタン原子のうちの少なくとも１つであることが好ましい。基板は、第１原子を１×１０10ｃｍ-3以上１×１０12ｃｍ-3以下含むことが好ましい。
積層構造の上にはｐ側電極が設けられていることが好ましく、下地層の下には基板に代えてｎ側電極が設けられていることが好ましい。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板の上に、ｃ軸配向された結晶を含む下地層をスパッタ法によって形成する工程と、下地層の上に、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造を形成する工程とを備える。
下地層側に位置する基板の表面に凹凸を形成する工程をさらに備えることが好ましい。サンドブラストによって凹凸を形成しても良いし、フッ化水素酸を含むエッチャントを用いたウエットエッチングによって凹凸を形成しても良い。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ形成した後に基板を除去する工程と、積層構造の上にｐ側電極を形成する工程と、基板が除去されることにより露出された下地層の表面にｎ側電極を形成する工程とをさらに備えることが好ましい。
本発明では、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性が現状維持または現状よりも高められた窒化物半導体発光素子を低コストで提供できる。
本発明の一実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体発光素子の製造工程の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。
上述したように、窒化物半導体発光素子の素子特性を現状維持または現状よりも向上させつつ窒化物半導体発光素子の製造コストの低減を図ることが要求されている。しかし、単結晶サファイア基板の製造コストの更なる低減を図ることは難しい。そのため、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いる限りにおいては、窒化物半導体発光素子の製造コストの更なる低減は難しい。
ところで、二酸化ケイ素については、水熱合成法による大口径結晶の育成技術が成熟している。また、単結晶材料よりも多結晶材料およびアモルファス材料の方が安価で提供できると言われている。これらのことから、本発明者らは、窒化物半導体層の成長用基板として多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板を用いれば窒化物半導体発光素子の製造コストを低減できるのではないかと考えた。
ここで、「単結晶」とは、結晶内のどの部分においても原子配列の向きが全く同一であるものを意味する。一方、「多結晶」とは、２以上の単結晶が互いに不規則に向きを異にして接触して形成されたものを意味する。そのため、多結晶二酸化ケイ素を主成分として含む基板の表面には、２以上の面方位が存在することとなる。また、「アモルファス」とは、結晶構造を有さないものを意味する。そのため、アモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板の表面には、面方位が全く存在しないこととなる。これらのことから、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板の上に下地層を挟んで窒化物半導体層を成長させると、結晶品質に優れた下地層を得ることが難しいので結晶品質に優れた窒化物半導体層を得ることは難しい、と考えられていた。実際、窒化物半導体層の成長用基板としては単結晶基板が使用されている。また、窒化物半導体単結晶が六方晶の結晶構造を有することを考慮して、Ｚカット水晶基板などを窒化物半導体層の成長用基板として使用する場合もある（例えば特許文献２など）。
以上をまとめると、従来では、結晶品質に優れた窒化物半導体層を成長させるために、つまり窒化物半導体発光素子の素子特性を高めるために、窒化物半導体層の成長用基板として高価な単結晶基板を敢えて使用している。そこで、本発明者らは、窒化物半導体層の成長用基板として多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板を用いた場合であっても結晶品質に優れた窒化物半導体層を成長可能な方法について、鋭意検討した。その結果、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板の上に所定のスパッタ法で下地層を形成することによって下地層の上には結晶品質に優れた窒化物半導体層を成長させることができるということが分かった。
以上の知見に基づいて、本発明の窒化物半導体発光素子が完成した。以下、本発明について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
以下では、位置関係を表すために、図１〜図４の下側に記載した部分を「下」と表現し、図１〜図４の上側に記載した部分を「上」と表現することがある。これは便宜上の表現であり、重力方向に対して定められる「上」及び「下」とは異なる。
≪第１の実施形態≫
［窒化物半導体発光素子の構造］
図１は、本発明の第１の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態の窒化物半導体発光素子は、基板１００と、基板１００の上に設けられた下地層１０１と、下地層１０１の上に設けられた積層構造とを備える。基板１００は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む。下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶を含み、スパッタ法によって形成されたものである。または、下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶を含み、１０原子％以下の希ガス原子を含む。積層構造は、窒化物半導体層（窒化物半導体単結晶からなる層）を少なくとも１つ有する。
本実施形態では、基板１００の上には下地層１０１とバッファ層１０２と積層構造とが順に設けられており、積層構造ではｎ型窒化物半導体層１０３と発光層１０６とキャリアバリア層１０７とｐ型窒化物半導体層１０８とがバッファ層１０２の上に順に設けられている。ｎ型窒化物半導体層１０３が露出するように積層構造がエッチングされており、ｎ型窒化物半導体層１０３の露出面にはｎ側電極１１０が設けられている。また、ｐ型窒化物半導体層１０８の上にはｐ側電極１１１が設けられている。
＜基板＞
（多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素）
基板１００は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む。そのため、基板１００の製造コストを単結晶二酸化ケイ素基板の製造コストよりも低く抑えることができ、よって、基板１００の製造コストを単結晶サファイア基板の製造コストよりも低く抑えることができる。したがって、本実施形態では、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、窒化物半導体層の成長用基板の製造コストを低減できるので、窒化物半導体発光素子の製造コストを低減できる。
本明細書では、「多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板」とは、基板１００が多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を５０質量％以上含むことを意味する。基板１００は、好ましくは多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を７０質量％以上含み、より好ましくは多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を９０質量％以上含む。
本明細書では、ラマン分光法によって、基板１００の材料が二酸化ケイ素であるか否かを確認している。また、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置で基板１００を薄膜に加工して測定試料を作製し、作製された測定試料のＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）画像またはＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）画像を観察することによって、基板１００が多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を含むか否かを確認している。上記ＴＥＭ画像または上記ＳＴＥＭ画像において、電子線回折像に弱いスポットが観察されれば多結晶二酸化ケイ素が基板１００に含まれていると言え、電子線回折像の背景にハロー状のパターンが観察されればアモルファス二酸化ケイ素が基板１００に含まれていると言える。
また、一般に、ラマンスペクトルには、分子構造の長距離秩序の程度が反映される。そのため、単結晶二酸化ケイ素と多結晶二酸化ケイ素とアモルファス二酸化ケイ素とでは、ラマンスペクトルの形状が明確に異なることとなる。よって、ラマンスペクトルの形状、ラマンスペクトルに現れる特定のピークのピーク強度、ラマンスペクトルに現れる特定のピークの半値幅、および、ラマンスペクトルに現れる特定のピークのピーク位置（ピーク波長）などを総合的に解析することによって、基板１００における多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素の含有量を求めている。
（第１原子）
基板１００は、ケイ素（Ｓｉ）原子および酸素（Ｏ）原子とは異なる第１原子をさらに含むことが好ましい。ここで、第１原子は、基板１００に含有されることによって基板１００の屈折率を二酸化ケイ素のみからなる基板の屈折率よりも大きくするものである。つまり、第１原子を基板１００に添加することによって基板１００の屈折率を高めることができる。よって、窒化物半導体発光素子からの光の取り出し効率をさらに高めることができる。ここで、「二酸化ケイ素のみからなる基板」とは、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素からなる基板であって、Ｓｉ原子およびＯ原子とは異なる原子をさらに含まない基板を意味する。
詳細には、窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮまたはＩｎＮなどが知られている。これらの屈折率については、ＧａＮの屈折率が２．５４であり、ＡｌＮの屈折率が２．２であり、ＩｎＮの屈折率が３．５である。これらの混晶の屈折率は、混晶の組成に応じて、混晶に含まれている窒化物半導体の屈折率の間の値を示すこととなる。そのため、何れの場合であっても、窒化物半導体と大気との屈折率差が１．２（＝２．２−１）以上となるので、窒化物半導体発光素子からの光の取り出し効率を高めることは難しい。
しかし、二酸化ケイ素の屈折率は、１．５程度である。そのため、基板１００を窒化物半導体層の成長用基板として用いれば、窒化物半導体層と基板１００との屈折率差が０．７（＝２．２−１．５）以上となり、基板１００と大気との屈折率差が０．５（＝１．５−１）程度となる。第１原子の添加によって、基板１００の屈折率が大きくなるので、窒化物半導体層と基板１００との屈折率差が小さくなる。これにより、下地層１０１側に位置する基板１００の表面１００Ａ（以下では「下地層側に位置する基板の表面」を「基板の上面」と記す）においては、発光層１０６で生じた光の反射率を低く抑えることができる（スネルの法則）。よって、基板１００がＳｉ原子およびＯ原子だけでなく第１原子を含んでいれば、二酸化ケイ素のみからなる基板に比べ窒化物半導体発光素子からの光の取り出し効率を高めることができる。
好ましくは、第１原子は、ランタン（Ｌａ）原子およびチタン（Ｔｉ）原子のうちの少なくとも１つであり、基板１００に１×１０10ｃｍ-3以上１×１０12ｃｍ-3以下含まれる。例えば、基板１００がＳｉ原子およびＯ原子だけでなくＬａ原子を１×１０10ｃｍ-3以上１×１０12ｃｍ-3以下含んでいれば、かかる基板１００の屈折率は二酸化ケイ素のみからなる基板の屈折率よりも約０．１〜０．１５程度大きくなる。基板１００がＳｉ原子およびＯ原子だけでなくＴｉ原子を１×１０10ｃｍ-3以上１×１０12ｃｍ-3以下含んでいれば、かかる基板１００の屈折率は二酸化ケイ素のみからなる基板の屈折率よりも約０．０３〜０．０５程度大きくなる。
また、本発明者らは、基板１００における第１原子の濃度が１×１０12ｃｍ-3以下であれば発光層１０６で生じた光が第１原子に吸収される量を低く抑えることができるということを確認している。これにより、窒化物半導体発光素子からの光の取り出し量を確保できるので、窒化物半導体発光素子からの光の取り出し効率を高く維持できる。より好ましくは、基板１００は第１原子を１×１０10ｃｍ-3以上５×１０11ｃｍ-3以下含む。
本明細書では、ＷＤ−ＴＸＲＦ（Wavelength-Dispersive Total reflection X-Ray Fluorescence）によって、基板１００に含まれる第１原子の種類および濃度を求めている。基板１００における第１原子の位置は特に限定されない。基板１００が多結晶二酸化ケイ素を主成分として含む場合には、第１原子は、隣り合う単結晶二酸化ケイ素の間に設けられていても良いし、基板１００において点在していても良い。基板１００がアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む場合には、第１原子は、基板１００において点在していることが好ましい。
以上、基板１００について説明したが、基板１００は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含むので、可視光のみならず紫外線および深紫外線に対しても高い透過率を示す。「可視光」とは、波長が３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下である電磁波を意味し、「紫外線」とは、波長が３２０ｎｍよりも大きく３６０ｎｍ未満である電磁波を意味し、「深紫外線」とは、波長が２００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下である電磁波を意味する。そのため、基板１００を用いて紫外線発光素子または深紫外線発光素子を提供することもできる。このことからも、単結晶サファイア基板の代替として基板１００を使用できる。このような基板１００の厚さは、２００μｍ以上１５００μｍ以下であることが好ましい。
＜下地層＞
上述したように、下地層１０１はスパッタ法で形成されたものである。そのため、基板１００を窒化物半導体層の成長用基板として使用した場合であっても、下地層１０１の上には結晶品質に優れた窒化物半導体層を成長させることができる。このような効果が得られる理由としては次に示すことが考えられる。
スパッタ法では、不活性ガスのイオン化によって発生した電子またはイオンが高速でターゲットに衝突し、ターゲットを構成する重原子または分子がターゲットから叩き出される（スパッタリング現象）。スパッタリング現象によってイオン化された重原子または分子は、大きな運動エネルギーを持った状態で成膜面（本実施形態では基板１００の上面１００Ａ）に到着し、その成膜面に付着する。このようにして、成膜面に膜が形成される。
このように、「スパッタ法」とは、成膜面において化学反応または相変化などを起こすことなくその成膜面に膜を物理的に形成する手法である。そのため、基板１００の選択性がない。つまり、膜を化学的に形成する（例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）法などで膜を形成する）場合には使用できない基板を窒化物半導体層の成長用基板として使用できる。よって、基板１００を窒化物半導体層の成長用基板として使用した場合であっても、基板１００の結晶品質などを受け継ぐことなく下地層１０１を形成できる。
また、スパッタ法では、膜が成膜面に物理的に形成されるので、ターゲットの材料が本来有する性質が維持された状態で成膜可能である。それだけでなく、ターゲットの材料として高融点な材料を用いた場合であっても、ターゲットの材料の組成が維持された状態で成膜可能である。例えば、イオン性結合を有する材料は、ｃ軸配向され易いという性質を有し、また、高い融点を有する。そのため、下地層１０１を形成するためのターゲットとしてイオン性結合を有する材料からなるターゲットを用いれば、ｃ軸配向され易いという性質とターゲットの材料の組成とが維持された状態で下地層１０１を形成できる。よって、形成された下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶であってターゲットの材料の組成からなる結晶を含むこととなる。したがって、結晶品質に優れた下地層１０１を形成できる。それだけでなく、イオン性結合を有する材料からなるターゲットは低コストで入手されるので、下地層１０１を低コストで提供できる。また、スパッタ法では、膜が成膜面に物理的に形成されるので、化学反応の進行を考慮して成膜条件を設定または変更する必要がない。以上のことから、結晶品質に優れた下地層１０１を低コスト且つ容易に形成できる。
さらに、スパッタ法では、イオン化された重原子または分子は、大きな運動エネルギーを持った状態で成膜面に到着するので、成膜面に対し強い付着力で付着する。よって、形成された下地層１０１の少なくとも一部が基板１００の上面１００Ａから剥離することを防止できるので、貫通孔（例えばマイクロパイプ状の貫通孔）の形成を伴うことなく下地層１０１を形成できる。
以上より、基板１００を窒化物半導体層の成長用基板として使用した場合であっても、イオン性結合を有する材料からなるターゲットを用いてスパッタ法で下地層１０１を基板１００の上面１００Ａに形成すれば、貫通孔の形成を伴うことなく結晶品質に優れた下地層１０１を基板１００の上面１００Ａに低コストで形成できる。これにより、基板１００の上面１００Ａは、結晶品質に優れた下地層１０１によって被覆されることとなる。よって、下地層１０１の上には、基板１００の結晶品質を継承することなく窒化物半導体層を形成できるので、結晶品質に優れた窒化物半導体層を形成できる。したがって、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性が現状維持または現状よりも高められた窒化物半導体発光素子を低コストで提供できる。
イオン性結合を有する材料としては、例えば、ＡｌＮ、ＢＮまたはＧａ2Ｏ3などが挙げられる。そのため、下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶として、ｃ軸配向されたＡｌＮ結晶、ｃ軸配向されたＢＮ結晶およびｃ軸配向されたＧａ2Ｏ3結晶のうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。下地層１０１のＸ線回折スペクトルを測定することによって、ｃ軸配向された結晶の材料を確認できる。
より好ましくは、下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶とは別に、１０原子％以下の酸素原子をさらに含む。これにより、下地層１０１に含まれる結晶（例えばＡｌＮ結晶、ＢＮ結晶またはＧａ2Ｏ3結晶など）のｃ軸配向性を高く維持できる。よって、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性がさらに高められた窒化物半導体発光素子を低コストで提供できる。さらに好ましくは、下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶とは別に、３原子％以上８原子％以下の酸素原子をさらに含む。本明細書では、「下地層は、ｃ軸配向された結晶とは別に、１０原子％以下の酸素原子をさらに含む」とは、かかる酸素原子がｃ軸配向された結晶の結晶構造を構成しないことを意味する。本明細書では、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）によって、下地層１０１における上記酸素原子の濃度を求めている。
上述したように、イオン性結合を有する材料からなるターゲットを用いてスパッタ法で下地層１０１を形成することによって、ｃ軸配向された結晶であってターゲットの材料の組成からなる結晶を含む下地層１０１を形成できる。そのため、本明細書では、「下地層は、ｃ軸配向された結晶を含」むとは、下地層１０１が、イオン性結合を有する材料からなるターゲットを用いてスパッタ法によって形成されたことを意味する。
また、「ｃ軸配向された結晶」とは、結晶のｃ面（（００１）面）が基板１００の上面１００Ａに対し平行となるように当該結晶が集積されていることを意味する。下地層１０１の面（０００２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１０００秒以下であり、且つ、下地層１０１の面（１−１０２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１０００秒以下であれば、下地層１０１に含まれている結晶がｃ軸配向されていると言える。
さらに、上述したように、スパッタ法では、不活性ガスの雰囲気下において成膜処理が行われるので、不活性ガスが取り込まれて成膜されると言われている。そのため、本明細書では、「下地層は、スパッタ法によって形成されたもの」は、「下地層は、１０原子％以下の希ガス原子を含む」と言い換えることができ、好ましくは「下地層は、３原子％以上８原子％以下の希ガス原子を含む」と言い換えることができる。本明細書では、ＳＩＭＳによって、下地層１０１における希ガス原子の濃度を求めている。なお、一般的には、不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）などの希ガスが使用されている。
以上、下地層１０１について説明したが、下地層１０１の厚さは５００ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、基板１００の上面１００Ａが下地層１０１によって完全に被覆されることとなるので、下地層１０１の上に形成される窒化物半導体層の結晶品質をさらに高めることができる。より好ましくは、下地層１０１の厚さは５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。
＜バッファ層＞
バッファ層１０２が下地層１０１と積層構造との間に設けられていることによって、積層構造に含まれる窒化物半導体層の結晶品質をさらに高めることができる。これにより、窒化物半導体発光素子の素子特性をさらに向上させることができる。よって、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性がさらに高められた窒化物半導体発光素子を低コストで提供できる。
バッファ層１０２は、ＡｌＧａＮからなっても良いが、ＡｌＮからなることが好ましい。バッファ層１０２がＡｌＮからなれば、下地層１０１の材料と積層構造に含まれる窒化物半導体層の材料との格子不整合に起因するクラックの発生を防止できる。詳細には、積層構造に含まれる窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の組成が考えられ得る組成のいずれであっても、バッファ層１０２が下地層１０１に対して圧縮応力を与えることとなる。よって、上記クラックの発生を防止できる。
このようなバッファ層１０２の厚さは２μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。これにより、積層構造に含まれる窒化物半導体層の結晶品質をさらに高めることができる。特に、バッファ層１０２の厚さが６μｍ以下であれば、バッファ層１０２が窒化物半導体層の結晶品質に対し悪影響を与えることを防止できる。
＜積層構造＞
（ｎ型窒化物半導体層）
ｎ型窒化物半導体層１０３を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮであることが好ましく、これらの少なくとも２つからなる混晶であっても良い。窒化物半導体発光素子に要求される発光波長に応じて、ｎ型窒化物半導体層１０３を構成する窒化物半導体の組成が決定されることが好ましい。これにより、発光層１０６で生じた光がｎ型窒化物半導体層１０３で吸収されることを防止できる。よって、窒化物半導体発光素子からの光の取り出し量を確保できるので、窒化物半導体発光素子からの光の取り出し効率を高く維持できる。
例えば、ｎ型窒化物半導体層１０３を構成する窒化物半導体がＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．７≦ｘ１≦１）であれば、発光層１０６で生じた光（例えば深紫外線）がｎ型窒化物半導体層１０３で吸収されることを防止できる。また、ｎ型窒化物半導体層１０３を構成する窒化物半導体がＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０．５≦ｘ２≦１）であれば、発光層１０６で生じた光（例えば紫外線）がｎ型窒化物半導体層１０３で吸収されることを防止できる。また、ｎ型窒化物半導体層１０３を構成する窒化物半導体がＩｎx3Ｇａ1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．０５）であれば、発光層１０６で生じた光（例えば可視光）がｎ型窒化物半導体層１０３で吸収されることを防止できる。
ｎ型窒化物半導体層１０３におけるｎ型不純物の濃度は、好ましくは１×１０16ｃｍ-3以上８×１０18ｃｍ-3以下であり、より好ましくは１×１０16ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下である。窒化物半導体発光素子に要求される素子特性に応じて、ｎ型窒化物半導体層１０３におけるｎ型不純物の濃度が決定されることが好ましい。ｎ型不純物は、Ｓｉ、ＳｅおよびＧｅのうちの少なくとも１つであれば良いが、Ｓｉであることが好ましい。
このようなｎ型窒化物半導体層１０３の厚さは、１μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。なお、ｎ型窒化物半導体層１０３は、窒化物半導体の組成、ｎ型不純物の濃度および厚さのうちの少なくとも１つが互いに異なる２以上の層が積層されて構成されたものであっても良い。
（発光層）
発光層１０６は、井戸層１０５が障壁層１０４で挟まれて構成されたものであることが好ましい。窒化物半導体発光素子に要求される発光波長または素子特性などに応じて、障壁層１０４を構成する窒化物半導体の組成、障壁層１０４の厚さ、井戸層１０５を構成する窒化物半導体の組成、または、井戸層１０５の厚さが決定されることが好ましい。また、障壁層１０４の厚さ、および、井戸層１０５の厚さに関しては、発光層１０６での量子準位の形成をさらに考慮して決定されることが好ましい。
例えば、深紫外線を発生させる窒化物半導体発光素子では、井戸層１０５は、好ましくはＡｌを含み、より好ましくはＡｌs1Ｇａ1-s1Ｎ（０．４≦ｓ１≦０．６）からなる。また、紫外線を発生させる窒化物半導体発光素子では、井戸層１０５は、好ましくはＡｌを含み、より好ましくはＡｌs2Ｇａ1-s2Ｎ（０．０５≦ｓ２≦０．３）からなる。また、可視光を発生させる窒化物半導体発光素子では、井戸層１０５は、好ましくはＩｎを含み、より好ましくはＩｎs3Ｇａ1-s3Ｎ（０．０８≦ｓ３≦０．７）からなる。
また、障壁層１０４は、井戸層１０５よりも大きなバンドギャップエネルギーを有することが好ましく、発光層１０６で生じた光を吸収しないことが好ましい。例えば、深紫外線を発生させる窒化物半導体発光素子では、障壁層１０４を構成する窒化物半導体のＡｌ組成は井戸層１０５を構成する窒化物半導体のＡｌ組成よりも高いことが好ましい。例えば、障壁層１０４は、Ａｌt1Ｇａ1-t1Ｎ（０．４５≦ｔ１≦０．６５）からなることが好ましい。このように、深紫外線を発生させる窒化物半導体発光素子では、障壁層１０４および井戸層１０５のそれぞれを構成する窒化物半導体のＡｌ組成が高くなるので、正孔（正孔は有効質量が大きい）がｐ型窒化物半導体層１０８から発光層１０６（特に井戸層１０５）に注入され難くなる。そのため、障壁層１０４の厚さを大きくすると、正孔が井戸層１０５に注入され難くなる。また、井戸層１０５の厚さを大きくすると、発光層１０６の厚さ方向中央に位置する井戸層１０５に対する正孔の注入が困難となる。以上のことから、障壁層１０４の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。また、井戸層１０５の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
また、紫外線を発生させる窒化物半導体発光素子では、障壁層１０４を構成する窒化物半導体のＡｌ組成は井戸層１０５を構成する窒化物半導体のＡｌ組成よりも高いことが好ましい。例えば、障壁層１０４は、Ａｌt2Ｇａ1-t2Ｎ（０．０８≦ｔ２≦０．３５）からなることが好ましい。この場合、障壁層１０４の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。また、井戸層１０５の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
また、可視光を発生させる窒化物半導体発光素子では、障壁層１０４を構成する窒化物半導体のＩｎ組成は井戸層１０５を構成する窒化物半導体のＩｎ組成よりも低いことが好ましい。例えば、障壁層１０４は、Ｉｎt3Ｇａ1-t3Ｎ（０．０５≦ｔ３≦０．６５）からなることが好ましい。この場合、障壁層１０４の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。また、井戸層１０５の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
ｐ型窒化物半導体層１０８から発光層１０６（特に井戸層１０５）への正孔の注入効率を高く維持できるのであれば、発光層１０６における障壁層１０４の層数は限定されず、発光層１０６における井戸層１０５の層数もまた限定されない。
（キャリアバリア層）
キャリアバリア層１０７とは、発光層１０６に注入された電子がｐ型窒化物半導体層１０８側へオーバーフローすることを防止する機能を有する層を意味する。そのため、キャリアバリア層１０７を構成する窒化物半導体のＡｌ組成は、障壁層１０４および井戸層１０５のそれぞれを構成する窒化物半導体のＡｌ組成よりも高いことが好ましい。また、キャリアバリア層１０７は、上記機能を発揮できる厚さの最小値以上の厚さを有することが好ましい。
一方、窒化物半導体のＡｌ組成が高い層の厚さを大きくすると、窒化物半導体発光素子の直列抵抗の増大を招き、よって、窒化物半導体発光素子の電力変換効率の低下を引き起こす。それだけでなく、キャリアバリア層１０７の厚さが大きければ、正孔がｐ型窒化物半導体層１０８から発光層１０６（特に井戸層１０５）に注入され難くなる。以上をふまえて、キャリアバリア層１０７を構成する窒化物半導体の組成とキャリアバリア層１０７の厚さとを決定することが好ましい。例えば、キャリアバリア層１０７は、好ましくはＡｌu1Ｇａ1-u1Ｎ（０．７≦ｕ１≦０．９）からなり、より好ましくはＡｌu1Ｇａ1-u1Ｎ（０．７５≦ｕ１≦０．９）からなる。また、キャリアバリア層１０７の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、より好ましくは３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
なお、キャリアバリア層１０７はｐ型不純物を含むことが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子の直列抵抗を低く抑えることができる。ｐ型不純物としてはＭｇを使用できる。
（ｐ型窒化物半導体層）
ｐ型窒化物半導体層１０８を構成する窒化物半導体については、ｎ型窒化物半導体層１０３を構成する窒化物半導体と同様のことが言える。例えば、ｐ型窒化物半導体層１０８を構成する窒化物半導体がＡｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（０．７≦ｙ１≦１）であれば、発光層１０６で生じた光（例えば深紫外線）がｐ型窒化物半導体層１０８で吸収されることを防止できる。また、ｐ型窒化物半導体層１０８を構成する窒化物半導体がＡｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０．５≦ｙ２≦１）であれば、発光層１０６で生じた光（例えば紫外線）がｐ型窒化物半導体層１０８で吸収されることを防止できる。また、ｐ型窒化物半導体層１０８を構成する窒化物半導体がＩｎy3Ｇａ1-y3Ｎ（０≦ｙ３≦０．０５）であれば、発光層１０６で生じた光（例えば可視光）がｐ型窒化物半導体層１０８で吸収されることを防止できる。
ｐ型窒化物半導体層１０８におけるｐ型不純物の濃度は１×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることが好ましい。窒化物半導体発光素子に要求される素子特性に応じて、ｐ型窒化物半導体層１０８におけるｐ型不純物の濃度が決定されることが好ましい。例えば、ｐ型窒化物半導体層１０８におけるｐ型不純物の濃度が高ければ、窒化物半導体発光素子の直列抵抗を低く抑えることができる。
このようなｐ型窒化物半導体層１０８の厚さは、好ましくは０．０５μｍ以上１．５μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。なお、ｐ型窒化物半導体層１０８は、キャリアバリア層１０７の上に設けられた第１ｐ型窒化物半導体層と、第１ｐ型窒化物半導体層の上に設けられ、且つ、ｐ型不純物の濃度が第１ｐ型窒化物半導体層よりも高い第２ｐ型窒化物半導体層とを有することが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子の直列抵抗をさらに低く抑えることができる。
＜ｎ側電極、ｐ側電極＞
ｎ側電極１１０の材料としては、ｎ型窒化物半導体層に対するコンタクト電極の材料として一般的な材料を特に限定されることなく使用でき、例えば、Ｎｉ／Ａｕを使用できる。ｐ側電極１１１の材料としては、ｐ型窒化物半導体層に対するコンタクト電極の材料として一般的な材料を特に限定されることなく使用でき、例えば、Ｐｄ／Ａｕを使用できる。
ｎ側電極１１０の厚さは、ｎ型窒化物半導体層に対するコンタクト電極の厚さとして一般的な厚さを特に限定されることなく採用できるが、１μｍ以上であることが好ましい。これにより、ｎ側電極１１０に対してワイヤーボンディングを行うことができる。ｐ側電極１１１の厚さについても同様のことが言える。
［窒化物半導体発光素子の製造］
以下に示す窒化物半導体発光素子の製造方法では、窒化物半導体発光素子形成用ウエハ（以下では単に「ウエハ」と記す）をチップに分割することによって本実施形態の窒化物半導体発光素子を得ている。以下では、ウエハの構成要素には窒化物半導体発光素子の対応する構成要素の符号を付して、窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する。なお、ウエハの構成要素の材料および厚さなどについては、上記［窒化物半導体発光素子の構造］で説明した通りである。
＜下地層の形成＞
下地層１０１の形成工程では、基板１００の上に、ｃ軸配向された結晶を含む下地層１０１をスパッタ法によって形成する。
例えば、まず、基板１００をスパッタ装置内の所定の位置に設置し、また、ターゲットをスパッタ装置内の所定の位置に設置する。このとき、基板１００の上面１００Ａがターゲットに対向するように、基板１００をスパッタ装置内に設置する。
スパッタ装置内に設置される基板１００としては、直径が２インチ（５０．８ｍｍ）以上の基板１００を使用することが好ましく、直径が４インチ（１０１．６ｍｍ）以上の基板１００を使用することがより好ましい。直径が４インチ以上の基板１００の方が、直径が２インチ以上の基板１００に比べ、単位面積当たりの価格を低く抑えることができる。よって、直径が４インチ（１０１．６ｍｍ）以上の基板１００を使用すれば、窒化物半導体発光素子の製造コストをさらに低く抑えることができる。
また、スパッタ装置内に設置される基板１００としては、有機溶媒により洗浄された後に純水により洗浄された基板１００を使用することが好ましい。この２回にわたる洗浄によって、基板１００の表面から有機物または微粒子状付着物などを除去することができる。よって、有機物または微粒子状付着物などが表面に付着していない基板１００を窒化物半導体層の成長用基板として用いることができる。ここで、有機溶媒としては、洗浄用溶媒として一般的に使用されている有機溶媒を使用できる。
スパッタ装置内に設置されるターゲットとしては、単結晶材料からなるターゲットを使用しても良いが、多結晶材料からなるターゲットを使用することが好ましい。これにより、下地層１０１の形成コストを低く抑えることができるので、窒化物半導体発光素子の製造コストを低く抑えることができる。
スパッタ装置としては、窒化物半導体発光素子を製造するために一般的に使用されているスパッタ装置を特に限定されることなく使用できる。
次に、スパッタ装置内を真空引きした後、不活性ガスをスパッタ装置内に導入し、基板１００とターゲットとの間に高周波電圧を印加する。これにより、スパッタ装置内では、高周波放電が起こるので、スパッタリング現象が発生する。よって、下地層１０１がスパッタ法によって基板１００の上面１００Ａに形成されることとなる。
下地層１０１の形成時には、基板１００を加熱しなくても良いが、基板１００を加熱する方が好ましい。下地層１０１の形成時における基板１００の加熱によって、下地層１０１に含まれる結晶がｃ軸配向され易くなるので、結晶品質に優れた下地層１０１が形成され易くなる。このような効果を効果的に得るためには、基板１００の加熱温度を４００℃以下とすることが好ましく、基板１００の加熱温度を５０℃以上１５０℃以下とすることがより好ましい。基板１００の加熱温度が４００℃以下であれば、ターゲットの材料が窒素原子を含む場合（例えばターゲットがＡｌＮからなる場合）において窒素原子がターゲットから解離することを防止できるという効果も得られる。
＜バッファ層の形成＞
バッファ層１０２の形成工程では、下地層１０１の上にバッファ層１０２を例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって形成する。これにより、バッファ層１０２の量産に資するので、窒化物半導体発光素子の量産に資する。
例えば、まず、下地層１０１が形成された基板１００をスパッタ装置から取り出しＭＯＣＶＤ装置内に設置する。ＭＯＣＶＤ装置としては、窒化物半導体発光素子を製造するために一般的に使用されているＭＯＣＶＤ装置を特に限定されることなく使用できる。
次に、基板１００の温度を上昇させる。このとき、水素、アンモニアおよび窒素のうちの少なくとも１つを含む雰囲気下で基板１００の温度を上昇させることが好ましい。下地層１０１が窒素原子を含む場合（例えば下地層１０１がｃ軸配向されたＡｌＮ結晶を含む場合）には、アンモニアを含む雰囲気下で基板１００の温度上昇させることが好ましい。これにより、基板１００の温度が４００℃を超えても、下地層１０１からの窒素原子の解離を防止できる。
続いて、基板１００の温度を保持した状態で、窒化物半導体単結晶の成長を開始する。深紫外線を発生させる窒化物半導体発光素子を製造する場合には、Ａｌを含む窒化物半導体単結晶を成長させる場合が多い。そのため、基板１００の温度を１０００℃以上の温度に保持した状態で窒化物半導体単結晶を成長させることが好ましい。紫外線を発生させる窒化物半導体発光素子を製造する場合には、Ａｌを含む窒化物半導体単結晶を成長させる場合が多い。そのため、基板１００の温度を１２００℃以上の温度に保持した状態で窒化物半導体単結晶を成長させることが好ましい。可視光を発生させる窒化物半導体発光素子を製造する場合には、Ｉｎを含む窒化物半導体単結晶を成長させる場合が多い。そのため、基板１００の温度を７００℃以下の温度に保持した状態で窒化物半導体単結晶を成長させることが好ましい。
＜積層構造の形成＞
積層構造の形成工程では、バッファ層１０２の上に、ｎ型窒化物半導体層１０３、発光層１０６、キャリアバリア層１０７およびｐ型窒化物半導体層１０８を順に形成する。ＭＯＣＶＤ法によって積層構造を形成することが好ましい。このとき、バッファ層１０２を形成するために使用したＭＯＣＶＤ装置を用いて積層構造を形成しても良いし、バッファ層１０２を形成するために使用したＭＯＣＶＤ装置とは異なるＭＯＣＶＤ装置を用いて積層構造を形成しても良い。このようにしてウエハが作製される。
＜ｎ側電極およびｐ側電極の形成＞
ｎ側電極１１０およびｐ側電極１１１の形成工程では、ｎ型窒化物半導体層１０３の露出面にｎ側電極１１０を形成し、ｐ型窒化物半導体層１０８の上面にｐ側電極１１１を形成する。
例えば、まず、ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、ｐ型不純物の活性化を行う。その後、フォトリソグラフィとＲＩＥ（Reactive Ion Etching）とによってｐ型窒化物半導体層１０８、キャリアバリア層１０７、発光層１０６およびｎ型窒化物半導体層１０３をエッチングし、ｎ型窒化物半導体層１０３の露出面を形成する。例えば真空蒸着法によって、ｎ型窒化物半導体層１０３の露出面にｎ側電極１１０を形成する。
また、例えばフォトリソグラフィによって、ｐ型窒化物半導体層１０８の上面のうちｐ側電極１１１の形成領域とは異なる領域にマスクを形成する。その後、例えば真空蒸着法によって、ｐ型窒化物半導体層１０８の上面のうち上記マスクから露出する部分にｐ側電極１１１を形成する。
ｎ側電極１１０およびｐ側電極１１１の形成後に熱処理を行うことが好ましい。これにより、ｎ側電極１１０が焼結化され、よって、ｎ側電極１１０とｎ型窒化物半導体層１０３とがオーミックコンタクトされる。また、ｐ側電極１１１が焼結化され、よって、ｐ側電極１１１とｐ型窒化物半導体層１０８とがオーミックコンタクトされる。
＜個片化＞
例えばダイシングまたはレーザスクライブなどによってウエハをチップに分割する。このようにして窒化物半導体発光素子が製造される。好ましくは、製造された窒化物半導体発光素子をステムに実装し、窒化物半導体発光素子とステムとを電気的に接続した後、樹脂などによって窒化物半導体発光素子を封止する。
≪第２の実施形態≫
図２は、本発明の第２の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態の窒化物半導体発光素子は、上記第１の実施形態の基板１００の代わりに、上面に凹凸２１０が形成された基板２００を備えている。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に説明する。
本実施形態では、基板２００の上面に凹凸２１０が形成されているので、基板２００の上面では発光層１０６で生じた光が散乱することとなる。これにより、凹凸２１０の表面に対して所定の入射角（０°＜入射角＜９０°）で入射した光（発光層１０６で生じた光）も窒化物半導体発光素子の外へ取り出されることとなるので、窒化物半導体発光素子からの光の取り出し効率をさらに高めることができる。
下地層１０１を基板２００の上面に化学的に形成する場合には、基板２００の上面では化学反応の進行または反応性ガスの流れなどが凹凸２１０によって不均一となる。そのため、基板２００の上面において成膜処理を均一に行うことが難しく、成膜処理は基板２００の上面の平坦性などの影響を受けることとなる。
しかし、本実施形態では、上記第１の実施形態と同じく、下地層１０１は、基板２００の上面にスパッタ法によって形成されたものであるので、基板２００の上面に物理的に形成されたものである。そのため、化学反応の進行または反応性ガスの流れなどの影響を受けることなく下地層１０１を形成できる。よって、基板２００の上面に凹凸２１０が形成されている場合であっても、基板２００の上面には結晶品質が均一な下地層１０１を形成することができるので、下地層１０１の上には結晶品質が均一な窒化物半導体層を形成できる。したがって、基板２００の上面に凹凸２１０を形成することによって窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率の向上を実現できる。以上より、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性（例えば光の取り出し効率）がさらに高められた窒化物半導体発光素子を低コストで提供できる。
凹凸２１０では、凹部または凸部の形状、凹部または凸部の大きさ、凹部または凸部の個数、または、凹部または凸部の間隔などは特に限定されない。また、隣り合う凹部においては、凹部の形状または大きさは互いに同じであっても互いに異なっても良い。このことは隣り合う凸部についても言える。さらに、基板２００の上面において凹部の間隔は均一であっても互いに異なっても良い。このことは基板２００の上面における凸部の間隔についても言える。例えば、凹部または凸部の形状は円錐または多角錐であることが好ましく、凹部の深さまたは凸部の高さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、隣り合う凹部の間隔または隣り合う凸部の間隔は５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。
凹凸２１０の形成方法は特に限定されない。単結晶サファイア基板に対して凹凸加工を行う場合には、高出力エキシマレーザ光などを単結晶サファイア基板に照射する必要がある。そのため、単結晶サファイア基板に対する凹凸加工には困難を伴う。しかし、基板２００は多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含んでいるので、サンドブラスト、または、フッ化水素酸を含むエッチャントを用いたウエットエッチングによって、基板２００に対して凹凸加工を行うことができる。よって、単結晶サファイア基板に対する凹凸加工よりも基板２００に対する凹凸加工を容易に且つ低コストで行うことができる。したがって、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性（例えば光の取り出し効率）がさらに高められた窒化物半導体発光素子をさらに低コストで提供できる。
サンドブラストの条件としては、基板の表面に凹凸を形成するときのサンドブラストの条件として一般的な条件を特に限定されることなく使用できる。サンドブラストで使用される研磨剤粒子の大きさ、または、研磨剤粒子を基板２００の上面に噴射する時間などを変更すれば、凹凸２１０の形状または大きさが変更される。
また、フッ化水素酸を含むエッチャントを用いたウエットエッチングの条件としては、基板の表面に凹凸を形成するときのウエットエッチングの条件として一般的な条件を特に限定されることなく使用できる。基板２００の上面を上記エッチャントに浸漬させる時間などを変更すれば、凹凸２１０の形状または大きさが変更される。
≪第３の実施形態≫
図３は、本発明の第３の実施形態の窒化物半導体発光素子の製造工程の一工程を示す断面図である。図４は、本実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態では、積層構造を形成した後に基板１００を除去する。そのため、製造された窒化物半導体発光素子は基板１００を備えていない（図４）。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に説明する。
［窒化物半導体発光素子の製造］
＜積層構造およびｐ側電極の形成＞
まず、上記第１の実施形態に記載の方法にしたがってウエハを形成した後、ｐ型不純物を活性化させる。積層構造などをエッチングすることなく、上記第１の実施形態に記載の方法にしたがってｐ型窒化物半導体層１０８の上面にｐ側電極３１１を形成する。その後、ｐ側電極３１１の上面に支持基体３１２を接着する。このようにして図３に示す積層体が形成される。
支持基体３１２は、導電性を有することが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子への電圧印加時に発生する電気抵抗を低く抑えることができる。
より好ましくは、支持基体３１２は、積層構造に含まれる窒化物半導体層を構成する窒化物半導体と同程度の熱膨張係数を有する材料からなる。これにより、支持基体３１２の材料と積層構造に含まれる窒化物半導体層の材料との熱膨張係数差に起因するクラックの発生を防止できる。このような材料としては、例えば、タングステンが挙げられる。
支持基体３１２をｐ側電極３１１の上面に接着させるための接着剤は導電性を有することが好ましい。これによっても、窒化物半導体発光素子への電圧印加時に発生する電気抵抗を低く抑えることができる。このような接着剤は、集積回路（Integrated Circuit）を実装基板などに接着させるときに一般的に使用される接着剤（例えば熱硬化性を有する接着剤）であることが好ましいが、低融点な接着剤（例えばハンダ）であっても良い。
＜基板の除去＞
次に、図３に示す積層体をフッ化水素酸を含むエッチャントに浸漬させる。これにより、基板１００が選択的に除去される。基板１００の大きさに応じて、図３に示す積層体を上記エッチャントへ浸漬させる時間を変更することが好ましい。
＜ｎ側電極の形成＞
続いて、基板１００が除去されることにより露出した下地層１０１の表面（「積層構造とは反対側に位置する下地層１０１の表面」とも言える。以下では、「下地層の露出面」と記す）１０１Ａにｎ側電極３１０を形成する。このとき、ｎ側電極３１０を下地層１０１の露出面１０１Ａにストライプ状に形成することが好ましく、より好ましくはｎ側電極３１０を下地層１０１の露出面１０１Ａにマトリックス状に形成する。このようにして、本実施形態の窒化物半導体発光素子が製造される（図４）。
［窒化物半導体発光素子の構成］
このようにして製造された窒化物半導体発光素子では、図４に示すように、下地層１０１とバッファ層１０２とｎ型窒化物半導体層１０３と発光層１０６とキャリアバリア層１０７とｐ型窒化物半導体層１０８とがこの順に設けられている。ｎ側電極３１０は、下地層１０１の露出面１０１Ａにおいてストライプ状またはマトリックス状に設けられており、ｐ側電極３１１は、ｐ型窒化物半導体層１０８の下面に設けられている。
本実施形態の窒化物半導体発光素子では、ｎ側電極３１０は素子の上面側に設けられており、ｐ側電極３１１は素子の下面側に設けられている。これにより、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、ｎ側電極３１０とｐ側電極３１１との間を流れる電流は、発光層１０６に対し垂直に流れることとなる。つまり、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、いわゆる縦型構造の窒化物半導体発光素子である。
ここで、窒化物半導体発光素子には、縦型構造の窒化物半導体発光素子と横型構造の窒化物半導体発光素子とが存在する。横型構造の窒化物半導体発光素子では、ｎ側電極とｐ側電極との間を流れる電流が発光層に対し平行に流れる（図１または図２参照）。そのため、横型構造の窒化物半導体発光素子では、縦型構造の窒化物半導体発光素子に比べ、発光層１０６での発光面積が小さくなるので、窒化物半導体発光素子の単位サイズ当たりの光の取り出し量が低下する。また、電流が窒化物半導体発光素子の内部を流れるときに発生する電気抵抗が増加する。よって、縦型構造の窒化物半導体発光素子と横型構造の窒化物半導体発光素子とにおいて素子構造が全く同一であれば、縦型構造の窒化物半導体発光素子の方が横型構造の窒化物半導体発光素子よりも優れた素子特性を示すこととなる。以上のことから、横型構造の窒化物半導体発光素子よりも縦型構造の窒化物半導体発光素子を提供することが好ましいと言われている。
しかし、縦型構造の窒化物半導体発光素子を製造するためには、その製造過程において窒化物半導体層の成長用基板を除去する必要がある。窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合には、高出力エキシマレーザ光などを単結晶サファイア基板に照射することによって単結晶サファイア基板を除去することとなる。そのため、窒化物半導体層の成長用基板の除去に困難を伴うため、縦型構造の窒化物半導体発光素子を低コストで提供することが難しくなる。
一方、窒化物半導体層の成長用基板として基板１００を用いた場合には、図３に示す積層体を上記エッチャントに浸漬させることによって基板１００を除去することができる。なぜならば、基板１００の主成分である多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素がフッ化水素酸によって溶解されるためである。よって、困難を伴うことなく基板１００を除去できるので、縦型構造の窒化物半導体発光素子を容易に且つ低コストで提供できる。以上より、本実施形態では、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性（例えば光の取り出し効率）がさらに高められた窒化物半導体発光素子をさらに低コストで提供できることとなる。
それだけでなく、ｐ側電極３１１は、上記第１の実施形態で説明したように金属からなるので、発光層１０６で生じた光をｎ側電極３１０側へ反射させるための反射層として機能し得る。これにより、発光層１０６で生じた光の多くは、ｎ側電極３１０側から窒化物半導体発光素子の外側へ取り出されることとなる。そのため、ｎ側電極３１０が下地層１０１の露出面１０１Ａにおいてストライプ状に設けられていれば、発光層１０６で生じた光は、下地層１０１の露出面１０１Ａのうちｎ側電極３１０が設けられていない部分から優先的に窒化物半導体発光素子の外へ取り出されることとなる。よって、ｎ側電極３１０が下地層１０１の露出面１０１Ａ全体に設けられている場合に比べ、光（発光層１０６で生じた光）がｎ側電極３１０によって遮られる量を少なく抑えることができる。したがって、本実施形態においてｎ側電極３１０が下地層１０１の露出面１０１Ａにおいてストライプ状に設けられていれば、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ素子特性（例えば光の取り出し効率）がより一層高められた窒化物半導体発光素子をさらに低コストで提供できる。
ｎ側電極３１０が下地層１０１の露出面１０１Ａにおいてマトリックス状に設けられていれば、光（発光層１０６で生じた光）がｎ側電極３１０によって遮られる量をさらに少なく抑えることができる。よって、本実施形態においてｎ側電極３１０が下地層１０１の露出面１０１Ａにおいてマトリックス状に設けられていれば、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ素子特性（例えば光の取り出し効率）がさらに一層高められた窒化物半導体発光素子をさらに低コストで提供できる。
ｎ側電極３１０の大きさまたは形状、または、隣り合うｎ側電極３１０の間隔などは特に限定されない。例えば、下地層１０１の露出面１０１Ａの露出割合（＝下地層１０１の露出面１０１Ａのうちｎ側電極３１０に被覆されていない部分の面積÷下地層１０１の露出面１０１Ａの面積）が５％以上２０％以下となるように、ｎ側電極３１０が下地層１０１の露出面１０１Ａに設けられていることが好ましい。
なお、基板１００を除去するタイミングは本実施形態で示すタイミングに限定されない。積層構造を構成する窒化物半導体層が１層以上形成された後に基板１００を除去することが好ましい。
また、本実施形態では、窒化物半導体層の成長用基板として基板１００ではなく基板２００を使用しても良い。しかし、基板１００の上面の方が基板２００の上面よりも平坦である。そのため、窒化物半導体層の成長用基板として基板１００を使用した方が、基板１００を容易に除去でき、また、外観に優れた窒化物半導体発光素子を製造できる。さらには、窒化物半導体発光素子の製造時または使用時における下地層１０１の欠けなどを防止できる。
［実施形態の総括］
図１または図２に示す窒化物半導体発光素子は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板１００，２００と、基板１００，２００の上に設けられた下地層１０１と、下地層１０１の上に設けられ、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造とを備える。下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶を含み、スパッタ法によって形成されたものである。これにより、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性が現状維持または現状よりも高められた窒化物半導体発光素子を低コストで提供できる。
図１または図２に示す窒化物半導体発光素子は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板１００，２００と、基板１００，２００の上に設けられた下地層１０１と、下地層１０１の上に設けられ、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造とを備える。下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶を含み、１０原子％以下の希ガス原子を含む。これによっても、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性が現状維持または現状よりも高められた窒化物半導体発光素子を低コストで提供できる。
下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶として、ｃ軸配向されたＡｌＮ結晶、ｃ軸配向されたＢＮ結晶およびｃ軸配向されたＧａ2Ｏ3結晶うちの少なくとも１つを含むことが好ましい。
下地層１０１は、ｃ軸配向された結晶とは別に、１０原子％以下の酸素原子をさらに含むことが好ましい。これにより、下地層１０１に含まれる結晶のｃ軸配向性を高めることができる。
下地層１０１側に位置する基板２００の表面には凹凸２１０が形成されていることが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率を高めることができる。
基板１００，２００は、ケイ素原子および酸素原子とは異なる第１原子をさらに含むことが好ましい。第１原子は、基板１００，２００に含有されることによって基板１００，２００の屈折率を二酸化ケイ素のみからなる基板の屈折率よりも大きくするものであることが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率を高めることができる。第１原子は、例えば、ランタン原子およびチタン原子のうちの少なくとも１つであることが好ましい。
基板１００，２００は、第１原子を１×１０10ｃｍ-3以上１×１０12ｃｍ-3以下含むことが好ましい。これにより、発光層１０６で生じた光が第１原子に吸収されることを防止できるという効果も得ることができる。
図３に示すように、積層構造の上にはｐ側電極３１１が設けられていることが好ましく、下地層１０１の下には基板１００，２００に代えてｎ側電極３１０が設けられていることが好ましい。これにより、縦型構造の窒化物半導体発光素子を提供できる。
図１〜図３に示す窒化物半導体発光素子の製造方法は、多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板１００，２００の上に、ｃ軸配向された結晶を含む下地層１０１をスパッタ法によって形成する工程と、下地層１０１の上に、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造を形成する工程とを備える。これにより、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合に比べ、素子特性が現状維持または現状よりも高められた窒化物半導体発光素子を低コストで製造できる。
図２に示す窒化物半導体発光素子の製造方法は、下地層１０１側に位置する基板２００の表面に凹凸２１０を形成する工程をさらに備えることが好ましい。これにより、光の取り出し効率が高められた窒化物半導体発光素子を製造することができる。サンドブラストによって凹凸を形成しても良いし、フッ化水素酸を含むエッチャントを用いたウエットエッチングによって凹凸を形成しても良い。
図３に示す窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ形成した後に基板１００，２００を除去する工程と、積層構造の上にｐ側電極３１１を形成する工程と、基板１００，２００が除去されることにより露出した下地層１０１の表面にｎ側電極３１０を形成する工程とをさらに備えることが好ましい。これにより、縦型構造の窒化物半導体発光素子を製造できる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下に限定されない。
［実施例１］
実施例１では、第１の実施形態に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した。まず、窒化物半導体層の成長用基板として、多結晶二酸化ケイ素からなる基板（直径：約４インチ（１００ｍｍ）、厚さ：９００μｍ）を準備した。この基板を、アセトンおよびイソプロピルアルコール（有機溶媒）で洗浄した後、純水で洗浄した。
次に、洗浄後の基板をスパッタ装置内の所定の位置に設置し、多結晶ＡｌＮからなるターゲットをスパッタ装置内の所定の位置に設置した。スパッタ装置内を真空引きした後、アルゴン（不活性ガス）をスパッタ装置内に導入した。上記基板の温度を１００℃にまで上昇させ、上記基板の温度を１００℃に保持した状態で上記基板とターゲットとの間に高周波電圧（電圧：３００Ｖ、周波数：１３．５６ＭＨｚ）を印加した。このようにして、上記基板の上面にＡｌＮ層（下地層、厚さ：５００ｎｍ）が形成された。本発明者らは、形成された下地層が９原子％のアルゴン原子を含んでいることを確認した。
続いて、下地層が形成された基板を、スパッタ装置から取り出し、ＭＯＣＶＤ装置内の所定の位置に設置した。アンモニアをＭＯＣＶＤ装置に供給した状態で、基板の温度を１０５０℃にまで上昇させた。基板の温度を１０５０℃に保持した状態で、ＴＭＡ（trimethylaluminium）をＭＯＣＶＤ装置に供給した。これにより、下地層の上面にＡｌＮ層（バッファ層、厚さ：４μｍ）が形成された。
続いて、ＴＭＧ（trimethylgallium）とＳｉＨ4とをＭＯＣＶＤ装置にさらに供給した。これにより、バッファ層の上面にｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（厚さ：２μｍ程度、ｎ型不純物の濃度：８×１０18ｃｍ-3）が形成された。
続いて、ＭＯＣＶＤ装置へのＳｉＨ4の供給を停止するとともにＭＯＣＶＤ装置へのＴＭＧの供給量を制御することによって、発光層を形成した。具体的には、ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層の上にＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる障壁層（厚さ：２ｎｍ）とＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる井戸層（厚さ：３ｎｍ）とを交互に３層ずつ、形成した後、最上に位置する井戸層の上にＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ障壁層を形成した。
続いて、ＭＯＣＶＤ装置へのＴＭＧの供給量を減少させて、また、ＣＰ2Ｍｇ（ビスメチルシクロペンタマグネシウム）をＭＯＣＶＤ装置にさらに供給した。これにより、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ障壁層の上にＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎからなるキャリアバリア層（厚さ：１０ｎｍ）が形成された。
続いて、ＭＯＣＶＤ装置へのＴＭＧの供給量を増加させて、キャリアバリア層の上にｐ型ＡｌＧａＮ層（厚さ：５０ｎｍ、ｐ型不純物の濃度：２×１０18ｃｍ-3）を形成した。その後、ＭＯＣＶＤ装置へのＣＰ2Ｍｇの供給量も増加させて、上記ｐ型ＡｌＧａＮ層の上にｐ+型ＡｌＧａＮ層（厚さ：１０ｎｍ、ｐ型不純物の濃度：７×１０18ｃｍ-3）を形成した。得られたウエハを、アンモニアを含む雰囲気下において室温まで冷却させた後、ＭＯＣＶＤ装置から取り出した。
ＭＯＣＶＤ装置から取り出されたウエハを、窒素雰囲気下において、約９００℃の温度で、熱処理した。フォトリソグラフィとＲＩＥとによってウエハをエッチングし、ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層の一部を露出させた。その後、真空蒸着法によって、ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層の露出面にＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極を形成した。
また、フォトリソグラフィによって、ｐ+型ＡｌＧａＮ層の上面の一部にマスクを形成した。その後、真空蒸着法によって、ｐ+型ＡｌＧａＮ層の上面のうち上記マスクから露出する部分にＰｄ／Ａｕからｐ側電極を形成した。
ｎ側電極およびｐ側電極の形成後、９００℃での熱処理を行った。その後、ダイシングによってウエハをチップに分割した。このようにして得られたチップをステムに実装した後、チップのｎ側電極とステムのｎ側電極とを電気的に接続し、チップのｐ側電極とステムのｐ側電極とを電気的に接続した。その後、樹脂を用いてチップを封止した。このようにして本実施例の窒化物半導体発光素子が得られた。
得られた窒化物半導体発光素子に対して電圧を印加してその素子特性を評価したところ、内部量子効率は４０％程度であり、光の取り出し効率は１０％であった。
また、ＭＯＣＶＤ装置から取り出されたウエハのｐ+型ＡｌＧａＮ層の上面にＸ線を照射して下地層の面（０００２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅と下地層の面（１−１０２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅とを求めたところ、下地層の面（０００２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅は１００秒以下であり、下地層の面（１−１０２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅は２００秒以下であった。この結果から、窒化物半導体層の成長用基板として単結晶サファイア基板を用いた場合と同程度の結晶品質を有する下地層が形成されたことが分かった。
また、収束電子回折（ＣＢＥＤ（Convergent Beam Electron Diffraction））法によってＡｌＮ結晶（下地層に含まれるＡｌＮ結晶）の配向性を調べたところ、ＡｌＮ結晶はｃ軸配向性に優れていることが分かった。
さらに、収束電子回折法によって、ＭＯＣＶＤ装置から取り出されたウエハの下地層に含まれるＡｌＮ結晶の配向性とバッファ層を下地層の上に形成する前の状態における下地層に含まれるＡｌＮ結晶の配向性とを調べた。その結果、下地層に含まれるＡｌＮ結晶は、どちらの場合においても、ｃ軸配向性に優れることが分かった。この結果から、下地層に含まれるＡｌＮ結晶は、基板の上面に成長した時点において優れたｃ軸配向性を示すのであって、積層構造などの形成後における熱処理などによって優れたｃ軸配向性を示すわけではない、ということが明らかとなった。このことは、後述の実施例２〜７においても言える。
なお、本発明者らは、多結晶二酸化ケイ素からなる基板の代わりにアモルファス二酸化ケイ素からなる基板を用いた場合であっても、本実施例と同様の効果が得られることを確認している。
［比較例１］
ＭＯＣＶＤ法によって下地層を形成したことを除いては実施例１に記載の方法にしたがって、本比較例の窒化物半導体発光素子を製造した。
実施例１に記載の方法にしたがって下地層の面（０００２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅と下地層の面（１−１０２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅とを求めたところ、下地層の面（０００２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅と下地層の面（１−１０２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅とは共に２０００秒を超えていた。この結果から、多結晶二酸化ケイ素からなる基板の上面にＭＯＣＶＤ法で下地層を形成すれば、下地層の結晶品質が低下することが分かった。
［実施例２］
実施例２では、第２の実施形態に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した。まず、実施例１で準備された基板の上面（基板の表面のうち下地層が形成される面）に、サンドブラストによって凹凸を形成した。段差計を用いて凹部の深さ（または凸部の高さ）を測定したところ、その平均値は５００ｎｍ程度であった。その後は、実施例１に記載の方法にしたがって本実施例の窒化物半導体発光素子を製造した。
実施例１に記載の方法にしたがって本実施例の窒化物半導体発光素子の素子特性を評価するために窒化物半導体発光素子に電圧を印加したところ、基板の上面が白濁した。この結果から、基板の上面においては発光層で生じた光が散乱していることが分かった。実際、内部量子効率は４０％程度（実施例１と同程度）であったが、光の取り出し効率は２５％（実施例１よりも向上）であった。この結果から、基板の上面に凹凸を形成すれば窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率がさらに向上することが分かった。
また、収束電子回折法によってＡｌＮ結晶（下地層に含まれるＡｌＮ結晶）の配向性を調べたところ、ＡｌＮ結晶のｃ軸配向性については実施例１と本実施例とで大差がないことが分かった。この結果から、基板の上面に凹凸が形成されていても、基板の上面にスパッタ法で下地層を形成すれば結晶品質に優れた下地層を形成できることが分かった。
［実施例３］
実施例３では、第３の実施形態に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した。まず、実施例１で記載の方法にしたがって、基板の上面に、下地層、バッファ層、ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層、発光層、キャリアバリア層、ｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ+型ＡｌＧａＮ層を順に形成した後、熱処理を行った。熱処理後の積層体をエッチングすることなく、実施例１で記載の方法にしたがってｐ側電極を形成した。
次に、熱硬化性を有する導電性接着剤を用いて、ｐ側電極の上面にタングステン（Ｗ）からなる支持基体を接着させた。その後、得られた積層体を、フッ化水素酸を含むエッチャントに浸漬させた。このようにして、基板が除去された。
続いて、基板が除去されることにより露出した下地層の表面（下地層の露出面）にｎ側電極をマトリックス状に形成した。その後は、実施例１に記載の方法にしたがって、本実施例の窒化物半導体発光素子（縦型構造の窒化物半導体発光素子）が得られた。
実施例１に記載の方法にしたがって本実施例の窒化物半導体発光素子の素子特性を評価したところ、内部量子効率は４０％程度（実施例１と同程度）であり、光の取り出し効率は３５％（実施例１および実施例２よりも向上）であった。この結果から、縦型構造の窒化物半導体発光素子では横型構造の窒化物半導体発光素子に比べ光の取り出し効率がさらに向上することが分かった。
［実施例４］
実施例４では、Ｌａ原子を５×１０11ｃｍ-3含む基板を用いたことを除いては実施例１に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した。
実施例１に記載の方法にしたがって本実施例の窒化物半導体発光素子の素子特性を評価したところ、内部量子効率は４０％程度（実施例１と同程度）であり、光の取り出し効率は２３％（実施例１よりも向上）であった。この結果から、Ｌａ原子を５×１０11ｃｍ-3含む基板を窒化物半導体層の成長用基板として用いれば窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率がさらに向上することが分かった。
なお、本発明者らは、Ｌａ原子を５×１０11ｃｍ-3含む基板の代わりにＴｉ原子を１×１０11ｃｍ-3含む基板を用いた場合であっても、本実施例と同様の効果が得られることを確認している。
［実施例５］
実施例５では、実施例２に記載の方法で実施例４の基板の上面に凹凸を形成したことを除いては実施例１に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した。
実施例１に記載の方法にしたがって本実施例の窒化物半導体発光素子の素子特性を評価したところ、内部量子効率は４０％程度（実施例１と同程度）であり、光の取り出し効率は２８％（実施例４よりも向上）であった。この結果から、Ｌａ原子を５×１０11ｃｍ-3含む基板であって上面に凹凸が形成された基板を窒化物半導体層の成長用基板として用いれば窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率がより一層向上することが分かった。
［実施例６］
実施例６では、多結晶ＢＮからなるターゲットを用いて下地層を形成したことを除いては実施例１に記載の方法にしたがって、窒化物半導体発光素子を製造した。実施例１に記載の方法にしたがって本実施例の窒化物半導体発光素子の素子特性を評価したところ、内部量子効率および光の取り出し効率共に実施例１と同様の結果が得られた。
なお、本発明者らは、多結晶ＢＮからなるターゲットの代わりに多結晶Ｇａ2Ｏ3からなるターゲットを用いた場合であっても、本実施例と同様の効果が得られることを確認している。
［実施例７］
実施例７では、多結晶ＡｌＮからなるターゲットであって酸素原子を１０原子％含むターゲットを用いて下地層を形成したことを除いては実施例１に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した。実施例１に記載の方法にしたがって本実施例の窒化物半導体発光素子の素子特性を評価したところ、内部量子効率および光の取り出し効率共に実施例１と同様の結果が得られた。
また、バッファ層を形成する前に、ＳＩＭＳによって下地層の組成を調べたところ、下地層の組成はターゲットの組成と同じであることが分かった。この結果から、所望の組成からなるターゲットを用い、且つ、下地層の形成中にターゲットの組成が変化しなければ、ターゲットの組成と同一の組成からなるバッファ層を形成できることが分かった。
なお、本発明者らは、多結晶ＡｌＮからなるターゲットであって酸素原子を１０原子％含むターゲットの代わりに多結晶ＢＮからなるターゲットであって酸素原子を１０原子％含むターゲットまたは多結晶Ｇａ2Ｏ3からなるターゲットであって酸素原子を１０原子％含むターゲットを用いた場合であっても、本実施例と同様の効果が得られることを確認している。
［比較例２］
比較例２では、多結晶ＡｌＮからなるターゲットであって酸素原子を１５原子％含むターゲットを用いて下地層を形成したことを除いては実施例７に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した。
実施例１に記載の方法にしたがって本比較例の窒化物半導体発光素子の素子特性を評価したところ、内部量子効率は実施例７の窒化物半導体発光素子の約半分であった。
実施例１に記載の方法にしたがって下地層の面（０００２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅と下地層の面（１−１０２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅とを求めたところ、下地層の面（０００２）のＸ線ロッキングカーブの半値幅は実施例７よりも１．５倍以上広かった。この結果から、下地層に含まれる結晶は下地層の面内においてｃ軸配向性に分布を持っていることが分かった。つまり、下地層に含まれる結晶はｃ軸配向性に優れないことが分かった。実際、ｐ側電極を形成する前にｐ+型ＡｌＧａＮ層の表面を観察したところ、ｐ+型ＡｌＧａＮ層の表面には六角錐状のクラックが多数形成されていることが分かった。
以上のことから、次に示すことが言える。本比較例では、下地層に含まれる結晶がｃ軸配向性に優れないので、その下地層の上に形成された窒化物半導体層（例えば発光層）には貫通転位が高密度に形成されてしまう。その結果、非発光再結合の増加を引き起こし、よって、内部量子効率の大幅な低下を招いた。
今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１００，２００ 基板、１００Ａ 上面、１０１ 下地層、１０１Ａ 露出面、１０２ バッファ層、１０３ ｎ型窒化物半導体層、１０４ 障壁層、１０５ 井戸層、１０６ 発光層、１０７ キャリアバリア層、１０８ ｐ型窒化物半導体層、１１０，３１０ ｎ側電極、１１１，３１１ ｐ側電極、２１０ 凹凸、３１２ 支持基体。

Claims (16)

  1. 多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板と、
    前記基板の上に設けられた下地層と、
    前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造とを備え、
    前記下地層は、イオン性結合を有する材料からなり、かつｃ軸配向された結晶を含み、
    前記下地層は、前記ｃ軸配向された結晶とは別に、１０原子％以下の酸素原子をさらに含み、
    前記下地層の厚さは、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
  2. 多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板と、
    前記基板の上に設けられた下地層と、
    前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造とを備え、
    前記下地層は、ｃ軸配向された結晶を含み、１０原子％以下の希ガス原子を含み、
    前記下地層は、前記ｃ軸配向された結晶とは別に、１０原子％以下の酸素原子をさらに含み、
    前記下地層の厚さは、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
  3. 前記下地層は、前記ｃ軸配向された結晶として、ｃ軸配向されたＡｌＮ結晶、ｃ軸配向されたＢＮ結晶およびｃ軸配向されたＧａ2Ｏ3結晶のうちの少なくとも１つを含む請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記下地層側に位置する前記基板の表面には凹凸が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記基板は、ケイ素原子および酸素原子とは異なる第１原子をさらに含み、
    前記第１原子は、前記基板に含有されることによって前記基板の屈折率を二酸化ケイ素のみからなる基板の屈折率よりも大きくするものである請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 前記第１原子は、ランタン原子およびチタン原子のうちの少なくとも１つである請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 前記基板は、前記第１原子を１×１０10ｃｍ-3以上１×１０12ｃｍ-3以下含む請求項５または６に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 前記積層構造の上にはｐ側電極が設けられており、
    前記下地層の下には前記基板に代えてｎ側電極が設けられている請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 多結晶二酸化ケイ素またはアモルファス二酸化ケイ素を主成分として含む基板の上に、ｃ軸配向された結晶を含む下地層をスパッタ法によって形成する工程と、
    前記下地層の上に、窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ有する積層構造を形成する工程とを備え、
    前記下地層は、前記ｃ軸配向された結晶とは別に、１０原子％以下の酸素原子をさらに含み、
    前記下地層の厚さは、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子の製造方法。
  10. 前記下地層側に位置する前記基板の表面に凹凸を形成する工程をさらに備える請求項９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  11. サンドブラストによって前記凹凸を形成する請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  12. フッ化水素酸を含むエッチャントを用いたウエットエッチングによって前記凹凸を形成する請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  13. 前記窒化物半導体単結晶からなる層を少なくとも１つ形成した後に前記基板を除去する工程と、
    前記積層構造の上にｐ側電極を形成する工程と、
    前記基板が除去されることにより露出した前記下地層の表面にｎ側電極を形成する工程とをさらに備える請求項９〜１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  14. 前記基板は、ケイ素原子および酸素原子とは異なる第１原子をさらに含み、
    前記第１原子は、前記基板に含有されることによって前記基板の屈折率を二酸化ケイ素のみからなる基板の屈折率よりも大きくするものである請求項９〜１３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  15. 前記第１原子は、ランタン原子およびチタン原子のうちの少なくとも１つである請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  16. 前記基板は、前記第１原子を１×１０10ｃｍ-3以上１×１０12ｃｍ-3以下含む請求項１４または１５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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