JP2018056551A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹凸パターンを表面に有する基板上にＡｌＮ層を介してＡｌＧａＮ層が形成された発光素子であって、ＡｌＧａＮ層の転位密度が低く、かつ表面が平坦な発光素子、及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様として、表面に凹凸パターンを有するパターン化基板１０の表面上に、スパッタリングによりＡｌＮを主成分とする核形成層１１を形成する工程と、核形成層１１を形成した後、１１５０℃以上の温度で熱処理を施す工程と、熱処理の後、核形成層１１が形成されたパターン化基板１０の表面上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０４≦ｘ≦１）を主成分とする、平坦な表面を有する下地層１２を形成する工程と、下地層１２上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、発光層２３を含む発光機能部２０を形成する工程と、を含む、発光素子の製造方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。

従来の発光素子として、表面に所定の凹凸を有するサファイア基板上にＡｌＮ低転位化層を介して窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層が形成された紫外発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の紫外発光素子によれば、表面に所定の凹凸を有する基板上にある程度の厚さの低転位化層をＭＯＣＶＤによって成長させることにより、貫通転位を低減することができる。また、低転位化層にＡｌＮを用いることにより、発光層から発せられる紫外光が低転位化層に吸収されることを防いでいる。

また、従来の発光素子として、複数の半球状の凸部を上面に有するサファイア基板上にＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッファ層を介してＩＩＩ族窒化物半導体層が形成された発光素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２の発光素子によれば、複数の半球状の凸部を上面に有する基板を用いることにより、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減し、光取出効率を向上させることができる。また、複数の半球状の凸部を有する基板の上面に均一にバッファ層を形成するため、原料粒子の直進性が高いスパッタリングがバッファ層の形成に用いられている。

また、従来の発光素子として、サファイア基板上にＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０．８≦ｐ≦１）からなる成長下地層を介してIII族窒化物層が形成された発光素子が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特許文献３の発光素子の製造工程においては、III族窒化物層の結晶品質の改善のため、成長下地層の形成後に１２５０℃以上の熱処理が施される。この熱処理は、特に、ＭＯＣＶＤ法により形成される成長下地層の転位の低減や表面におけるピットの解消やヒロックの抑制に有効であるとされている。

特開２００５−１２０６３号公報 特開２０１０−１０３５７８号公報 特許第５８９８３４７号公報

本発明者らは、鋭意研究により、凹凸を表面に有する基板上にＡｌＮ膜を介してＡｌＧａＮ系材料からなるＡｌＧａＮ層を形成する場合、ＡｌＮ膜の状態によって、ＡｌＧａＮ層の転位密度や表面状態に大きな差が出ることを見出した。

一般に、ＡｌＧａＮ系材料は、Ａｌの量が増えるほど融点が高くなるため、凹凸パターンを表面に有する基板上に螺旋転位の少ない高品質のＡｌＮ膜を形成することが難しい。このことも、転位密度が低いＡｌＧａＮ層の形成が困難であることの理由の一つになっていると考えられる。

また、ＡｌＮ膜上にＡｌＧａＮを成長させる場合、ＧａＮ膜等のＡｌを多く含まない膜上に成長させる場合と異なり、通常の成長条件ではＡｌＧａＮ層の上面に基板表面の凹凸パターンに由来する溝が残るおそれが高くなることも確認された。

上記の特許文献１〜３には、これらの問題点は開示されておらず、また、その解決手段についても当然ながら開示されていない。

本発明の目的は、凹凸パターンを表面に有する基板上にＡｌＮ層を介してＡｌＧａＮ層が形成された発光素子であって、ＡｌＧａＮ層の転位密度が低く、かつ表面が平坦な発光素子、及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［３］の発光素子の製造方法、及び［４］〜［７］の発光素子を提供する。

［１］表面に凹凸パターンを有するパターン化基板の前記表面上に、スパッタリングによりＡｌＮを主成分とする核形成層を形成する工程と、前記核形成層を形成した後、１１５０℃以上の温度で熱処理を施す工程と、前記熱処理の後、前記核形成層が形成された前記パターン化基板の表面上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦１）を主成分とする、平坦な表面を有するＡｌＧａＮ下地層を形成する工程と、前記ＡｌＧａＮ下地層上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、発光層を含む発光機能部を形成する工程と、を含む、発光素子の製造方法。

［２］前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦０．１５）を主成分とする、上記［１］に記載の発光素子の製造方法。

［３］前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．６≦ｘ≦１．０）を主成分とする、上記［１］に記載の発光素子の製造方法。

［４］平坦部と複数の凸部からなる凹凸パターンを表面に有するパターン化基板と、前記パターン化基板上に形成された、濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のＯ₂を含むＡｌＮを主成分とする核形成層と、前記核形成層が形成された前記パターン化基板上に形成された、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦１）を主成分とする、平坦な表面を有するＡｌＧａＮ下地層と、前記ＡｌＧａＮ下地層上に形成された、発光層を含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光機能部と、を有し、前記核形成層が、前記ＡｌＧａＮ下地層の表面を平坦にする程度に、前記パターン化基板の前記凸部からの前記ＡｌＧａＮ下地層の成長量に対する前記平坦部からの前記ＡｌＧａＮ下地層の成長量を大きくする構成を有する、発光素子。

［５］前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦０．１５）を主成分とする、上記［４］に記載の発光素子。

［６］前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．６≦ｘ≦１．０）を主成分とする、上記［４］に記載の発光素子。

［７］前記核形成層の転位密度が７×１０⁸／ｃｍ²以下である、上記［４］〜［６］のいずれか１項に記載の発光素子。

本発明によれば、凹凸パターンを表面に有する基板上にＡｌＮ層を介してＡｌＧａＮ層が形成された発光素子であって、ＡｌＧａＮ層の転位密度が低く、かつ表面が平坦な発光素子、及びその製造方法を提供することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る発光素子の垂直断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の発光素子の下地層周辺の拡大図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態に係る発光素子の製造工程を示す垂直断面図である。 図３（ａ）は、上記実施の形態のＡｌＧａＮを主成分とする下地層の代わりに、ＧａＮからなる下地層を成長させた場合の、成長途中の状態を示す鳥観ＳＥＭ観察像である。図３（ｂ）は、核形成層の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施せずに、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１）からなる下地層を成長させた場合の、成長途中の状態を示す鳥観ＳＥＭ観察像である。 図４（ａ）は、核形成層の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施せずに、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．０４）からなる下地層を成長させた場合の、成長途中の状態を示すＡＦＭ（原子間力顕微鏡）観察像である。図４（ｂ）は、核形成層の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施せずに、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１）からなる下地層を成長させた場合の、成長途中の状態を示すＡＦＭ観察像である。図４（ｃ）は、核形成層の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施した後、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１）からなる下地層を成長させた場合の、成長途中の状態を示すＡＦＭ観察像である。

〔実施の形態〕
（発光素子の構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係る発光素子１の垂直断面図である。発光素子１は、パターン化基板１０と、パターン化基板１０上に形成されたＡｌＮを主成分とする核形成層１１と、核形成層１１が形成されたパターン化基板１０上に形成された、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦１）を主成分とする下地層１２と、下地層１２上に形成された、発光層を含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光機能部２０と、を有する。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の発光素子１の下地層１２周辺の拡大図である。下地層１２は、第１層１２ａ、第１層１２ａ上の第２層１２ｂ、及び第２層１２ｂ上の第３層１２ｃから構成される。

（パターン化基板）
パターン化基板１０は、平坦部１０ａと複数の凸部１０ｂからなる凹凸パターンを表面に有する。この凹凸パターンにより光を乱反射させ、発光素子１の内部への光の閉じ込めを低減させることにより、光取り出し効率を向上させることができる。

パターン化基板１０は、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長する基板であり、例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等をパターン化基板１０として用いることができる。特に、紫外光の吸収を抑制するためには、サファイア基板を用いることが好ましい。

パターン化基板１０の主面は、例えば、ｃ面である。この場合、平坦部１０ａがｃ面であり、凸部１０ｂの斜面はｃ面と異なる面である。

凸部１０ｂの形状は、例えば、円錐又は多角錐であるが、ｃ面と異なる面から構成される形状であれば特に限定されない。また、凸部１０ｂの平面配置は、例えば、三角格子や四角格子のパターンを構成する配置である。

パターン化基板１０の凹凸パターンは、例えば、フォトリソグラフィーとエッチングにより形成される。

（核形成層）
核形成層１１は、パターン化基板１０の表面上に形成されたＡｌＮを主成分とする層であり、パターン化基板１０と下地層１２との格子定数の違いを緩和し、下地層１２のエピタキシャル成長を容易にする。

核形成層１１は、スパッタリングによりパターン化基板１０の表面上にＡｌＮを堆積させた後、１１５０℃以上の温度で熱処理（アニール処理）を施すことにより形成される層である。なお、この熱処理の温度は、パターン化基板１０の分解温度以下、例えばサファイア基板であれば１４５０℃以下であることが好ましい。

核形成層１１をスパッタリングで形成することにより、結晶欠陥を少なくすることができる。特に、螺旋転位及び螺旋転位を含む混合転位の低減に効果がある。例えば、サファイア基板であるパターン化基板１０上にＡｌＮからなる核形成層を形成する場合、ＭＯＣＶＤにより形成された核形成層の転位密度がおよそ１×１０⁹／ｃｍ²であるのに対し、スパッタリングにより形成された核形成層の転位密度は７×１０⁸／ｃｍ²以下である。すなわち、核形成層をスパッタリングで形成することにより、ＭＯＣＶＤで形成する場合と比較して、転位密度をおよそ３０％以上低減することができる。

ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子においては、通常、発光層の材料にＩｎＧａＮが用いられる。紫外光を発する発光素子は、可視光を発する発光素子と比較して、発光層のＩｎＧａＮのＩｎ組成が小さく（Ｉｎを含まない場合もある）、そのために出力が低い。このため、紫外光を発する発光素子においては、発光層近傍の転位に起因する出力の低下を抑えることが特に重要である。

核形成層１１をスパッタリングで形成して転位密度を低減することにより、核形成層１１上にエピタキシャル成長する層の転位密度を低減することができるため、発光素子１の発光層近傍の転位に起因する出力の低下を抑えることができる。また、核形成層１１上にエピタキシャル成長する層の転位密度を低減することにより、リーク電流を低減することもできる。例えば、核形成層１１の転位密度を７×１０⁸／ｃｍ²以下とすることにより、核形成層１１上の下地層１２の転位密度も７×１０⁸／ｃｍ²以下とすることができる。

スパッタリングで形成された核形成層１１は、ＭＯＣＶＤで形成された核形成層よりも単結晶に近く、典型的には、マルチドメイン単結晶である。ＭＯＣＶＤで形成された核形成層は、通常、多結晶又は非晶質である。

本実施の形態に係るスパッタリングにより形成された核形成層１１は、酸素（Ｏ₂）を含む（例えば、１×１０¹⁷／ｃｍ³以上）ことを特徴とする。ＭＯＣＶＤで形成された核形成層は、ほとんど酸素を含まない。

また、本実施の形態に係るスパッタリングにより形成された核形成層１１は、ＭＯＣＶＤで形成された核形成層と比較して、Ｃ濃度が低い（例えば、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下）。

また、本実施の形態に係るスパッタリングにより形成された核形成層１１は、スパッタリングに用いられる不活性ガス原子であるＡｒを含む（例えば、１×１０¹⁶／ｃｍ³以上）ことを特徴とする。

通常、パターン化基板上にＡｌＮ層を介してＧａＮやＡｌＧａＮを成長させる場合、ＧａＮやＡｌ組成の小さいＡｌＧａＮは、パターン化基板の凹凸パターンの平坦部から成長し、凸部からはほとんど成長しない。一方で、紫外光を発する発光素子を形成するために、Ａｌ組成の大きいＡｌＧａＮを成長させる場合、パターン化基板の凹凸パターンの平坦部のみならず、凸部からも成長が起き、ＡｌＧａＮ層の表面にパターン化基板の凹凸パターンに由来する溝が残ってしまう場合がある。

本発明者らは、鋭意研究の結果、パターン化基板上にスパッタリングによりＡｌＮ層を形成した後、１１５０℃以上の温度で熱処理を施すことにより、熱処理を施さない場合と比べてパターン化基板の凹凸パターンの凸部からのＡｌ組成の大きいＡｌＧａＮの成長量が少なくなることを見出した。これによって、ＡｌＧａＮ層の表面にパターン化基板の凹凸パターンに由来する溝を残さず、平坦にすることができる。

すなわち、本実施の形態において、下地層１２の表面にパターン化基板１０の凹凸パターンに由来する溝を残さないように、パターン化基板１０の表面の平坦部１０ａから下地層１２を構成するＡｌＧａＮが成長し易く、凸部１０ｂから成長し難くするためには、核形成層１１を形成する工程におけるスパッタリング後の熱処理が必要である。

このため、核形成層１１が、下地層１２の成長過程において下地層１２の表面の溝が埋め込まれる程度に、パターン化基板１０の凸部１０ｂからの下地層１２の成長量に対する平坦部１０ａからの下地層１２の成長量を大きくする機能を有するといえる。

なお、この熱処理により、核形成層１１の凸部１０ｂ上に形成された部分の一部又は全部が除去され、又は平坦部１０ａ上に移動している可能性があり、このことが、パターン化基板１０の表面の平坦部１０ａから下地層１２を構成するＡｌＧａＮが成長し易く、凸部１０ｂから成長し難い要因であると推測される。

（下地層）
下地層１２は、発光機能部２０の成長の下地となる、ＡｌＧａＮを主成分とする層であり、パターン化基板１０の凹凸パターンに由来する溝を含まない平坦な表面を有する。下地層１２は、上述のように、第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃから構成される。

第１層１２ａは、横方向への結晶成長成分が小さいファセット成長モードで形成される層であり、転位の進行方向を曲げてハーフループさせることにより転位を低減することができる。第３層１２ｃは、横方向への結晶成長成分が大きい条件で形成される層であり、パターン化基板１０の表面の凹凸パターンに由来するＡｌＧａＮ表面の溝を埋めることができる。第２層１２ｂは、第１層１２ａの成長条件と第３層１２ｃの成長条件の中間の条件で形成される。

このような第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃを形成することにより、転位密度が小さく、かつ表面の平坦な下地層１２を得ることができる。下地層１２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成される。

なお、横方向の結晶成長成分を大きくするためには、例えば、成長圧力を低くする、成長温度を高くする、ＡｌＧａＮの原料ガスであるＮＨ₃ガスの流量を増やす、等の方法をとることができる。横方向の結晶成長成分を小さくするためには、それらの逆を行えばよい。

また、下地層１２を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成は、下地層１２が発光機能部２０の発光層から発せられる光を吸収しないような値に設定される。

Ａｌ組成が大きいほどＡｌＧａＮのバンドギャップが大きくなるため、より波長の短い光の下地層１２による吸収を抑えることができる。一方で、上述のように、Ａｌ組成が大きいほど、パターン化基板１０の表面の凸部１０ｂからＡｌＧａＮが成長しやすくなるため、下地層１２の表面にパターン化基板１０の凹凸パターンに由来する溝が残りやすくなる。

このため、下地層１２を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成は、下地層１２が発光機能部２０の発光層から発せられる光を吸収しないような値であって、なるべく小さい値に設定されることが好ましい。

発光素子１の発光波長がＵＶ−Ａと呼ばれる波長域（４００〜３１５ｎｍ）にある場合は、下地層１２を構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘは、０．０４以上に設定されることが好ましい。一例としては、第１層１２ａを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．０４〜０．１５、第２層１２ｂを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．０９、第３層１２ｃを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．１０である。

なお、下地層１２がＳｉ等のドナーを含む場合は、Ａｌ組成ｘを０．０１程度増やす必要がある。ＡｌＧａＮのＡｌ組成が大きくなるほどパターン化基板１０の表面の凸部１０ｂから成長し易くなり、下地層１２の表面の平坦化が難しくなるため、第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃはノンドープのＡｌＧａＮからなることが好ましい。

発光素子１の発光波長がＵＶ−Ｂと呼ばれる波長域（３１５〜２８０ｎｍ）にある場合は、下地層１２を構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ノンドープ）のＡｌ組成ｘは、０．３５〜０．６５に設定されることが好ましい。一例としては、第１層１２ａを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．４〜０．６５、第２層１２ｂを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．３５〜０．６、第３層１２ｃを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．４〜０．６５である。

発光素子１の発光波長がＵＶ−Ｃと呼ばれる波長域（２８０ｎｍ未満）にある場合は、下地層１２を構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ノンドープ）のＡｌ組成ｘは、０．６以上に設定されることが好ましい。一例としては、第１層１２ａを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが１、第２層１２ｂを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．６〜１．０、第３層１２ｃを構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成ｘが０．６〜１．０である。

（発光機能部）
発光機能部２０は、ｎコンタクト層２１、ｎコンタクト層２１上のｎクラッド層２２、ｎクラッド層２２上の発光層２３、発光層２３上の電子ブロック層２４、電子ブロック層２４上のｐクラッド層２５、ｐクラッド層２５上のｐコンタクト層２６を含む。

ｎコンタクト層２１にはｎ側電極３１が接続され、ｐコンタクト層２６にはｐコンタクト層２６上に形成された透明電極３０を介してｐ側電極３２が接続される。

発光機能部２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体を主成分とし、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成される。下地層１２がパターン化基板１０の凹凸パターンに由来する溝を表面に有しないため、下地層１２上に成長する発光機能部２０は優れた結晶品質を有する。また、発光機能部２０に用いられるドナー、アクセプターとしてとして、例えば、Ｓｉ、Ｍｇがそれぞれ用いられる。

ｎコンタクト層２１及びｎクラッド層２２は、例えば、ドナーとしてのＳｉを含むＡｌＧａＮからなる。発光層２３は、例えば、ＡｌＧａＮ系材料からなるＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造を有する。電子ブロック層２４は、アクセプターとしてのＭｇを含むＡｌＧａＮからなる。ｐクラッド層２５は、Ｍｇを含むＧａＮからなる。ｐコンタクト層２６は、アクセプターとしてのＭｇを含むＡｌＧａＮからなる。これらの層を構成するＡｌＧａＮの組成比は、発光層２３の発光波長に応じて適宜設定される。

ｎ側電極３１及びｐ側電極３２は、Ａｕ等の導電材料からなる。また、透明電極３０は、ＩＴＯ（Ｉｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂）等の透明材料からなる。

（発光素子の製造工程）
図２（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態に係る発光素子１の製造工程を示す垂直断面図である。

まず、図２（ａ）に示されるように、パターン化基板１０上にスパッタ法によってＡｌＮを主成分とする核形成層１１を形成する。

単結晶構造を有する核形成層１１を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が５０％〜１００％、望ましくは７５％となるようにすることが望ましい。また、柱状結晶（多結晶）有する核形成層１１を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が１％〜５０％、望ましくは２５％となるようにすることが望ましい。

パターン化基板１０上に核形成層１１を形成する前に、前処理をパターン化基板１０に施すことが好ましい。例えば、パターン化基板１０をＡｒやＮ₂のプラズマ中に曝す事によって洗浄する前処理を実施し、パターン化基板１０の表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、スパッタリングターゲットにパワーを印加せずに、パターン化基板１０とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的にパターン化基板１０に作用する。

また、パターン化基板１０への前処理は、Ｎ⁺、（Ｎ₂）⁺などのイオン成分と、Ｎラジカル、Ｎ₂ラジカルなどの電荷を持たないラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理で行なうことが好ましい。パターン化基板１０への前処理を、上述のようなイオン成分とラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理を用いた方法とし、パターン化基板１０に適度なエネルギーを持つ反応種を作用させることにより、パターン化基板１０表面にダメージを与えずにコンタミ等の除去を行なうことが可能となる。

次に、図２（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、核形成層１１が形成されたパターン化基板１０上に第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃを順に形成し、下地層１２を得る。

下地層１２をＭＯＣＶＤ法で積層する場合、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）または窒素（Ｎ₃）、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）等が用いられる。また、ドーパントを添加する場合、Ｓｉ原料としてのモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）や、Ｍｇ原料としてのシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いることができる。

第１層１２ａは、横方向への結晶成長成分が小さいファセット成長モードで形成し、第２層１２ｂ及び第３層１２ｃは、第１層１２ａよりも横方向への結晶成長成分が大きい条件で形成する。具体的には、例えば、第１層１２ａの成長圧力を４０ｋＰａ以上、好ましくは６０ｋＰａ程度とし、第２層１２ｂ及び第３層１２ｃの成長圧力を４０ｋＰａ以下、好ましくは２０ｋＰａ程度とする。

第１層１２ａの成長圧力を４０ｋＰａ以上とする場合、下地層１２の表面のピットの発生を抑えるため、成長温度を１１４０℃以下とすることが好ましく、１１２０℃程度とすることがより好ましい。

次に、図２（ｅ）に示されるように、下地層１２上にｎコンタクト層２１を形成する。その後、ｎコンタクト層２１上の各部材を既知の製法により形成することにより、発光素子１を得る。

（実施の形態の効果）
上記の実施の形態によれば、基板が表面に凹凸パターンを有するパターン化基板であり、かつその上に成長する発光機能部の下地層がＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮを主成分とする層でありながら、下地層の転位密度を低く抑え、かつ下地層の表面に基板の凹凸パターンに由来する溝を残さずに平坦にすることができる。これによって、下地層上に形成される発光機能部の結晶品質が向上し、発光素子の内部量子効率等を向上させ、また、リーク電流を抑制することができる。

図３（ａ）は、上記実施の形態のＡｌＧａＮを主成分とする下地層１２の代わりに、ＧａＮからなる下地層を成長させた場合の、成長途中の状態を示す鳥観ＳＥＭ観察像である。このＧａＮ下地層の形成前には、核形成層１１の形成後の１１５０℃以上の熱処理は行っていない。

実施の形態で述べたように、ＧａＮやＡｌ組成の小さいＡｌＧａＮは、パターン化基板１０の凹凸パターンの平坦部１０ａから成長し、凸部１０ｂからはほとんど成長しない。このため、図３（ａ）に示されるように、成長途中のＧａＮ下地層には綺麗なファセットが形成されている。

図３（ａ）中の「Ａ」で示される部分は、パターン化基板１０の凹凸パターンの凸部１０ｂの頂点の真上に位置する部分である。また、「Ｂ」で示される部分は、成長に従って広がるＧａＮ下地層の上面であり、さらに成長を続ければ、ＧａＮ下地層の表面のパターン化基板１０の凹凸パターンに由来する溝は埋め込まれ、平坦になる。

すなわち、ＧａＮ下地層の形成のためには、核形成層１１の形成後の１１５０℃以上の熱処理は不要である。ただし、ＧａＮ下地層は紫外光を吸収するため、紫外光を発する発光素子には適していない。

図３（ｂ）は、核形成層１１の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施せずに、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１）からなる下地層１２を成長させた場合の、成長途中の状態を示す鳥観ＳＥＭ観察像である。

この下地層１２はＡｌを含むため、パターン化基板の凹凸パターンの凸部１０ｂからも成長する。そして、核形成層１１の形成後の熱処理が実施されていないため、凸部１０ｂからの成長が抑制されず、図３（ｂ）に示されるように、「Ａ」で示される凸部１０ｂの頂点の真上に位置する部分に異常成長した結晶が現れる。このため、成長を続けても下地層１２の表面のパターン化基板１０の凹凸パターンに由来する溝は埋め込まれない。

図４（ａ）は、核形成層１１の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施せずに、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０４）からなる下地層を成長させた場合の、成長途中の状態を示すＡＦＭ（原子間力顕微鏡）観察像である。

図４（ｂ）は、核形成層１１の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施せずに、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１）からなる下地層１２を成長させた場合の、成長途中の状態を示すＡＦＭ観察像である。

図４（ｃ）は、核形成層１１の形成後の１１５０℃以上の熱処理を実施した後、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１）からなる下地層１２を成長させた場合の、成長途中の状態を示すＡＦＭ観察像である。

図４（ａ）〜（ｃ）中の「Ａ」、「Ｂ」で示される部分は、図３（ａ）、（ｂ）の「Ａ」、「Ｂ」で示される部分に対応している。

図４（ａ）においては、「Ａ」で示される部分に観察される異常成長した結晶が小さい。これは、下地層のＡｌ組成が小さいことによると考えられる。ただし、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０４）は紫外光を吸収するため、紫外光を発する発光素子には適していない。

図４（ｂ）においては、「Ａ」で示される部分に大きな異常成長した結晶が観察される。これは、下地層のＡｌ組成が大きく、また、核形成層１１の形成後の熱処理が実施されていないことによると考えられる。

一方、図４（ｃ）において「Ａ」で示される部分に観察される異常成長した結晶は、図４（ｂ）において観察されるものよりも小さい。これは、核形成層１１の形成後の熱処理により、下地層１２の凸部１０ｂからの成長が抑制されたことによると考えられる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、発光素子の構成は、パターン化基板１０、核形成層１１、下地層、及び紫外光を発する発光層を含む構成であれば、特に限定されない。

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

１ 発光素子
１０ パターン化基板
１１ 核形成層
１２ 下地層
２０ 発光機能部
２３ 発光層

Claims (7)

1. 表面に凹凸パターンを有するパターン化基板の前記表面上に、スパッタリングによりＡｌＮを主成分とする核形成層を形成する工程と、
   前記核形成層を形成した後、１１５０℃以上の温度で熱処理を施す工程と、
   前記熱処理の後、前記核形成層が形成された前記パターン化基板の表面上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦１）を主成分とする、平坦な表面を有するＡｌＧａＮ下地層を形成する工程と、
   前記ＡｌＧａＮ下地層上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、発光層を含む発光機能部を形成する工程と、
   を含む、発光素子の製造方法。
2. 前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦０．１５）を主成分とする、
   請求項１に記載の発光素子の製造方法。
3. 前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．６≦ｘ≦１．０）を主成分とする、
   請求項１に記載の発光素子の製造方法。
4. 平坦部と複数の凸部からなる凹凸パターンを表面に有するパターン化基板と、
   前記パターン化基板上に形成された、濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のＯ₂を含むＡｌＮを主成分とする核形成層と、
   前記核形成層が形成された前記パターン化基板上に形成された、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦１）を主成分とする、平坦な表面を有するＡｌＧａＮ下地層と、
   前記ＡｌＧａＮ下地層上に形成された、発光層を含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光機能部と、
   を有し、
   前記核形成層が、前記ＡｌＧａＮ下地層の表面を平坦にする程度に、前記パターン化基板の前記凸部からの前記ＡｌＧａＮ下地層の成長量に対する前記平坦部からの前記ＡｌＧａＮ下地層の成長量を大きくする構成を有する、発光素子。
5. 前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０４≦ｘ≦０．１５）を主成分とする、
   請求項４に記載の発光素子。
6. 前記ＡｌＧａＮ下地層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．６≦ｘ≦１．０）を主成分とする、
   請求項４に記載の発光素子。
7. 前記核形成層の転位密度が７×１０⁸／ｃｍ²以下である、
   請求項４〜６のいずれか１項に記載の発光素子。