JP7481618B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体素子の製造方法に関する。

特許文献１及び２には、トンネル接合層を備える窒化物半導体発光素子が記載されている。トンネル接合層は、ｐ型不純物濃度が比較的高いｐ型半導体層とｎ型不純物濃度が比較的高いｎ型半導体層とを有する。特許文献１では、トンネル接合層の一部としてＮ_２キャリアガスを用いてＳｉ濃度４×１０^２０ｃｍ^－３以上のｎ^＋＋－ＧａＮ層を形成した後、Ｈ_２キャリアガスを用いてＳｉ濃度８×１０^１８ｃｍ^－３のｎ－ＧａＮ層を形成し、続いてｎ－ＧａＮコンタクト層を形成している。特許文献２では、窒素キャリアガスを用いてＳｉ濃度１×１０^２０ｃｍ^－３のｎ型Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎトンネル接合層を形成した後、Ｓｉ濃度１×１０^２０ｃｍ^－３のｎ型ＧａＮ蒸発抑制層を形成し、その後、水素キャリガスを用いてＳｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型ＧａＮ層を形成している。

特開２０１７－１５７６６７ 特開２００８－１３０８７７

本開示は、信頼性の向上した窒化物半導体素子を得ることを目的とする。

本発明の一態様によれば、窒化物半導体素子の製造方法は、型窒化物半導体トンネル接合層の上に、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とトンネル接合を形成する、第１ｎ型不純物濃度及び第１厚さを有する第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１ｎ型窒化物半導体層の上に、窒素雰囲気で、第２ｎ型不純物濃度及び第２厚さを有する第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記第２ｎ型窒化物半導体層の上に、水素雰囲気で、第３ｎ型不純物濃度及び第３厚さを有する第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、を備え、前記第２ｎ型不純物濃度及び前記第３ｎ型不純物濃度は、前記第１ｎ型不純物濃度よりも小さく、前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、第１温度で、前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成し、前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、前記第１温度よりも低い温度で、前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する。

本発明の一態様の製造方法によれば、信頼性の向上した窒化物半導体素子を得ることができる。

本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の模式断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の変形例の窒化物半導体素子の模式断面図である。 本発明の変形例の窒化物半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。 実験例の原子間力顕微鏡による観察像である。 比較例の原子間力顕微鏡による観察像である。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１は、本発明の一実施形態の窒化物半導体素子１の模式断面図である。図１に示す窒化物半導体素子１は、発光素子である。本実施形態の窒化物半導体素子１は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と、第１ｎ型窒化物半導体層５１と、第２ｎ型窒化物半導体層５２と、第３ｎ型窒化物半導体層５３とを有する。窒化物半導体素子１は、基板１０と、第１積層部２０と、発光層３０と、第２積層部４０と、第３積層部５０と、ｎ側電極８１と、ｐ側電極８２とを有することができる。

基板１０の材料は、例えば、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなどである。基板１０と第１積層部２０の間にバッファ層を設けてもよい。

第１積層部２０と発光層３０と第２積層部４０と第３積層部５０とを含む半導体積層体は、窒化物半導体からなる複数の半導体層が積層された積層体である。窒化物半導体は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる化学式において組成比ｘ及びｙ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み得る。半導体積層体において、第１積層部２０と、発光層３０と、第２積層部４０と、第３積層部５０とは、基板１０の側からこの順に配置されている。

第１積層部２０は、１以上のｎ型窒化物半導体層を含む。ｎ型窒化物半導体層としては、シリコン（Ｓｉ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体からなる層が挙げられる。ｎ型窒化物半導体層を構成する窒化物半導体は、例えばＧａＮであり、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいてもよい。例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含むｎ型窒化物半導体層のｎ型不純物濃度（Ｓｉ濃度）は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第１積層部２０は、アンドープの層を含んでいてもよい。アンドープの層は、ｎ型不純物及びｐ型不純物を意図的にドープしていない層である。アンドープの層のｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等の分析結果において検出限界を越えない濃度である。アンドープの層がｎ型不純物及び／又はｐ型不純物を意図的にドープした層と隣接している場合は、その隣接層からの拡散等によって、アンドープの層にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物が含まれる場合がある。

第１積層部２０は、例えば、ＧａＮ層２１と、ｎ型ＧａＮ層２２と、多層膜２３とを含むことができる。ＧａＮ層２１は、アンドープの層である。ＧａＮ層２１の厚さは、２μｍ以上５μｍ以下とすることができる。ＧａＮ層２１は省略してもよい。ｎ型ＧａＮ層２２は、ｎ型不純物としてＳｉを含む。ｎ型ＧａＮ層２２のｎ型不純物濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３以下とすることができる。ｎ型ＧａＮ層２２の厚さは、３μｍ以上７μｍ以下とすることができる。多層膜２３は、アンドープのＧａＮ層とアンドープのＩｎＧａＮ層のペアを複数積層した膜である。多層膜２３の合計厚さは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。

発光層３０は、第１積層部２０と第２積層部４０との間に設けられている。発光層３０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造を有する。複数の井戸層には、例えば、ＩｎＧａＮを用いる。複数の障壁層には、例えば、ＧａＮを用いる。発光層３０は、その全体がアンドープの層であってもよく、その少なくとも一部にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物を含有してもよい。発光層３０が発する光は、紫外光又は可視光であってよい。発光層３０は、例えば青色の光（ピーク波長４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下）を発することができる。

第２積層部４０は、１以上のｐ型窒化物半導体層を含む。ｐ型窒化物半導体層としては、マグネシウム（Ｍｇ）等のｐ型不純物を含有する窒化物半導体からなる層が挙げられる。ｐ型窒化物半導体層を構成する窒化物半導体は、例えばＧａＮであり、Ｉｎ及び／又はＡｌを含んでいてもよい。例えば、Ｍｇをｐ型不純物として含むｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度（Ｍｇ濃度）は、５×１０^１９／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２積層部４０は、アンドープの層を含んでいてもよい。

第２積層部４０は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層４１と、ＧａＮ層４２と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３とを含むことができる。ｐ型ＡｌＧａＮ層４１は、ｐ型不純物としてＭｇを含む。ｐ型ＡｌＧａＮ層４１のｐ型不純物濃度は、５×１０^１９／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下とすることができる。ｐ型ＡｌＧａＮ層４１の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。ＧａＮ層４２は、アンドープの層である。ＧａＮ層４２の厚さは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。ＧａＮ層４２のように、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３とその下方のｐ型窒化物半導体層の間に、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３とｐ型窒化物半導体層と比較して抵抗の高い高抵抗層を設けることで、第２積層部４０の積層方向と交差する方向（図１における横方向）における電流の拡散を促進することができる。ＧａＮ層４２のような高抵抗層の厚さは、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３の厚さよりも大きくすることができる。

ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３は、ｐ型不純物を含む。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３は、例えばｐ型不純物としてＭｇを含むｐ型ＧａＮ層である。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３のｐ型不純物濃度及び厚さは、後述する第１ｎ型窒化物半導体層５１とトンネル接合が可能となるように設定する。

第３積層部５０は、第１ｎ型窒化物半導体層５１と、第２ｎ型窒化物半導体層５２と、第３ｎ型窒化物半導体層５３とを有する。これらのｎ型窒化物半導体層としては、Ｓｉ又はＧｅ等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体からなる層が挙げられる。これらのｎ型窒化物半導体層を構成する窒化物半導体は、例えばＧａＮであり、Ｉｎ及び／又はＡｌを含んでいてもよい。

第１積層部２０が有するｎ型窒化物半導体層は、その上に他の半導体層が設けられていないｎコンタクト面を有する。そのｎコンタクト面の表面にｎ側電極８１が設けられている。ｎ側電極８１は第１積層部２０が有するｎ型窒化物半導体層に電気的に接続している。ｐ側電極８２は、第３積層部５０の表面に設けられている。ｐ側電極８２は第３積層部５０の第３ｎ型窒化物半導体層５３に電気的に接続している。すなわち、ｎ側電極８１は発光層３０の一方の側に位置する半導体層と電気的に接続しており、ｐ側電極８２は発光層３０の他方の側に位置する半導体層と電気的に接続している。

ｐ側電極８２とｎ側電極８１との間に、順方向電圧を印加する。このとき、第２積層部４０のｐ型窒化物半導体層と第１積層部２０のｎ型窒化物半導体層との間には順方向電圧が印加され、発光層３０にホールおよび電子が供給されることで発光層３０が発光する。

ｐ側電極８２に正電位が、ｎ側電極８１にｐ側電極８２よりも低い電位（例えば負電位）が印加されたとき、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と、第１ｎ型窒化物半導体層５１との間には逆方向電圧が印加されることになる。そのため、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と、第１ｎ型窒化物半導体層５１との間の電流はトンネル効果を利用する。つまり、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３の価電子帯に存在する電子を、第１ｎ型窒化物半導体層５１の伝導帯にトンネリングさせることで電流を流す。

このようなトンネル効果を得るために、高濃度でｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と、高濃度でｎ型不純物がドープされた第１ｎ型窒化物半導体層５１とによりｐｎ接合を形成する。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と第１ｎ型窒化物半導体層５１に含まれる各導電型不純物の濃度が高いほど、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と第１ｎ型窒化物半導体層５１との界面に形成される空乏層の幅を狭くすることができる。そして、その空乏層の幅が狭いほど、電圧印加時に、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３の価電子帯の電子が空乏層をトンネリングし、第１ｎ型窒化物半導体層５１の伝導帯に移動しやすくなる。

例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含む第１ｎ型窒化物半導体層５１のＳｉ濃度は、５×１０^１９／ｃｍ^３以上２×１０^２１／ｃｍ^３以下である。例えば、Ｍｇをｐ型不純物として含むｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３のＭｇ濃度は、１×１０^２０／ｃｍ^３以上５×１０^２１／ｃｍ^３以下である。このようなｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と第１ｎ型窒化物半導体層５１とが形成する空乏層の幅は、例えば、５ｎｍ以上８ｎｍ以下である。

図２は、本実施形態の窒化物半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。図２に示すとおり、本実施形態の窒化物半導体素子の製造方法は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層形成工程Ｓ１０３と、第１ｎ型窒化物半導体層形成工程Ｓ１０４と、第２ｎ型窒化物半導体層形成工程Ｓ１０５と、第３ｎ型窒化物半導体層形成工程Ｓ１０６とを有する。窒化物半導体素子の製造方法は、工程Ｓ１０３の前に、１以上のｎ型窒化物半導体層形成工程Ｓ１０１と、発光層形成工程Ｓ１０２と、をさらに有することができる。図３Ａ～図３Ｆは、本実施形態の窒化物半導体素子１の製造方法を示す模式断面図である。

窒化物半導体素子１が含有する前述した各窒化物半導体層は、圧力および温度の調整が可能な炉内においてＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により、基板１０上にエピタキシャル成長される。各窒化物半導体層は、炉内にキャリアガス及び原料ガスを導入することで形成することができる。キャリアガスとしては、水素（Ｈ_２）ガス、または窒素（Ｎ_２）ガスを用いることができる。Ｎ源の原料ガスとしては、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いることができる。Ｇａ源の原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを用いることができる。Ｉｎ源の原料ガスとしては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いることができる。Ａｌ源の原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いることができる。Ｓｉ源の原料ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを用いることができる。Ｍｇ源の原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガスを用いることができる。

まず、基板１０の上に１以上のｎ型窒化物半導体層を形成する（工程Ｓ１０１）。図３Ａに示すように、１以上のｎ型窒化物半導体層を有する第１積層部２０を形成することができる。第１積層部２０として、ＧａＮ層２１と、ｎ型ＧａＮ層２２と、多層膜２３とをこの順に積層する。基板１０上にＧａＮ層２１を形成する前に、基板１０の表面にバッファ層を形成してもよい。

次に、図３Ｂに示すように、１以上のｎ型窒化物半導体層の上に、発光層３０を形成する（工程Ｓ１０２）。

次に、発光層３０の上に、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３を形成する（工程Ｓ１０３）。図３Ｃに示すように、発光層３０の上に、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３を含む第２積層部４０を形成することができる。第２積層部４０として、ｐ型ＡｌＧａＮ層４１と、ＧａＮ層４２と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３とをこの順に積層する。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３として、例えば、２×１０^２０／ｃｍ^３の濃度でＭｇがドープされたＧａＮ層を厚さ２０ｎｍで形成する。

ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３のｐ型不純物濃度及び厚さは、後述する第１ｎ型窒化物半導体層５１とトンネル接合が可能となるように設定する。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３のｐ型不純物濃度は、５×１０^１９／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下とすることができる。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３のｐ型不純物濃度は、発光層３０からｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３までの間にあるいずれの層のｐ型不純物濃度よりも高くすることができる。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３の厚さは、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３を構成する窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＧａＮが挙げられる。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３を構成する窒化物半導体は例えばＧａＮとすることができる。

発光層３０の形成工程よりも後の各窒化物半導体層の形成工程における温度は、発光層３０への影響を考慮して、比較的低温であることが好ましい。発光層３０がＩｎＧａＮ層を含む場合は、それより後の各窒化物半導体層の形成工程における温度は、１０００℃未満が好ましく、９５０℃以下がより好ましく、８００℃以上であってよい。各窒化物半導体層の形成工程における温度は、基板１０の温度とすることができる。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３を形成した後、基板１０と各半導体層からなるウェハーを炉から一旦取り出してもよい。炉から取り出したウェハーを洗浄した後で、ウェハーを反応装置の炉内に戻してもよい。

次に、図３Ｄに示すように、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３の上に、第１ｎ型窒化物半導体層５１を形成する（工程Ｓ１０４）。第１ｎ型窒化物半導体層５１は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３とトンネル接合を形成する。第１ｎ型窒化物半導体層５１は、第１ｎ型不純物濃度及び第１厚さを有する。第１ｎ型窒化物半導体層５１は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３と接して形成することができる。

第１ｎ型窒化物半導体層５１は、炉内に、キャリアガスと原料ガスとを導入することで形成する。キャリアガスとしては、窒素ガスまたは水素ガスを用いることができる。第１ｎ型窒化物半導体層５１の形成工程における温度は、１０００℃未満が好ましく、９５０℃以下がより好ましく、８００℃以上であってよい。第１ｎ型窒化物半導体層５１として、例えば、１×１０^２０／ｃｍ^３の濃度でＳｉがドープされたＧａＮ層を厚さ３０ｎｍで形成する。

第１ｎ型窒化物半導体層５１の第１ｎ型不純物濃度及び第１厚さは、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３とトンネル接合が可能となるように設定する。例えば、以下に挙げる第１ｎ型不純物濃度及び第１厚さにより、トンネル接合を可能とすることができる。第１ｎ型不純物濃度は、第２ｎ型窒化物半導体層５２の第２ｎ型不純物濃度及び第３ｎ型窒化物半導体層５３の第３ｎ型不純物濃度のいずれよりも高くすることができる。第１ｎ型不純物濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以上とすることができる。第１ｎ型不純物濃度は、２×１０^２１／ｃｍ^３以下とすることができる。例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含む第１ｎ型窒化物半導体層５１のＳｉ濃度は、５×１０^１９／ｃｍ^３以上２×１０^２１／ｃｍ^３以下である。第１厚さは、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。

第１ｎ型窒化物半導体層５１を構成する窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＧａＮが挙げられる。第１ｎ型窒化物半導体層５１を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ又はＡｌＧａＮとすることができる。これにより、第１ｎ型窒化物半導体層５１を構成する窒化物半導体がＩｎＧａＮである場合と比較して、発光層３０からの光の吸収を低減することができる。第１ｎ型窒化物半導体層５１を構成する窒化物半導体は、ＧａＮとしてもよい。第１ｎ型窒化物半導体層５１は、比較的高濃度にｎ型不純物を含有させるため結晶性の悪化が懸念されるが、ＧａＮであれば結晶性の悪化の程度を小さくすることができる。

次に、図３Ｅに示すように、第１ｎ型窒化物半導体層５１の上に、第２ｎ型窒化物半導体層５２を形成する（工程Ｓ１０５）。第２ｎ型窒化物半導体層５２は、第２ｎ型不純物濃度及び第２厚さを有する。

第２ｎ型窒化物半導体層５２は、炉内に、キャリアガスと原料ガスとを導入することで形成する。第２ｎ型窒化物半導体層５２は、窒素雰囲気で形成する。本開示における窒素雰囲気とは、炉内に導入されるガスにおけるＮ_２の割合が９９．９体積％以上であることを指す。また、後述するとおりＨ_２が存在すると窒化物半導体の横方向成長が促進されるため、炉内に導入されるガスにおけるＨ_２の割合は０．０１体積％以下であることが好ましい。例えば、キャリアガスとして窒素ガスを用いることで、炉内を窒素雰囲気とすることができる。第２ｎ型窒化物半導体層５２の形成工程における温度は、１０００℃未満が好ましく、９５０℃以下がより好ましく、８００℃以上とすることができる。第２ｎ型窒化物半導体層５２の形成工程における温度は、第１ｎ型窒化物半導体層５１の形成工程における温度と同じかそれよりも低いことが好ましい。これは、第２ｎ型不純物濃度は第１ｎ型不純物濃度よりも小さいためである。不純物濃度が大きいほど結晶性や表面のモフォロジーが悪化しやすく、形成時の温度が高いほど結晶性やモフォロジーが良好なものとなりやすい。このため、第２ｎ型窒化物半導体層５２は第１ｎ型窒化物半導体層５１よりも低い温度で成長させてよく、これにより発光層３０の特性悪化の可能性を低減することができる。第１ｎ型窒化物半導体層５１の形成工程から後述する第３ｎ型窒化物半導体層５３の形成工程にかけて、徐々に温度を上昇させてもよい。第２ｎ型窒化物半導体層５２として、例えば、５×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でＳｉがドープされたＧａＮ層を厚さ２０ｎｍで形成する。

第２ｎ型窒化物半導体層５２の第２ｎ型不純物濃度は、第１ｎ型窒化物半導体層５１の第１ｎ型不純物濃度よりも小さい。これにより、第２ｎ型窒化物半導体層５２の結晶性を向上し、次に成長する第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性を向上させることができる。第２ｎ型不純物濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上とすることができる。第２ｎ型窒化物半導体層５２に意図的にｎ型不純物をドープすることで、第２ｎ型窒化物半導体層５２の抵抗を低減することができるため、得られる窒化物半導体素子１の駆動電圧を低減することができる。第２ｎ型不純物濃度は、第１ｎ型不純物濃度よりも小さく、且つ、１×１０^２０／ｃｍ^３以下とすることができる。例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含む第２ｎ型窒化物半導体層５２のＳｉ濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２厚さは第１厚さより小さくてもよい。第２厚さは、１０ｎｍ以上とすることができ、４０ｎｍ以下とすることができる。

第２ｎ型窒化物半導体層５２を構成する窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＧａＮが挙げられる。第２ｎ型窒化物半導体層５２を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ又はＡｌＧａＮであることが好ましく、ＧａＮであることがより好ましい。第２ｎ型窒化物半導体層５２がｎ型ＧａＮ層であることにより、次に形成する第３ｎ型窒化物半導体層５３の結晶性を向上することができる。

次に、図３Ｆに示すように、第２ｎ型窒化物半導体層５２の上に、第３ｎ型窒化物半導体層５３を形成する（工程Ｓ１０６）。第３ｎ型窒化物半導体層５３は、第３ｎ型不純物濃度及び第３厚さを有する。第１ｎ型窒化物半導体層５１と、第２ｎ型窒化物半導体層５２と、第３ｎ型窒化物半導体層５３とは、連続して形成することができる。

第３ｎ型窒化物半導体層５３は、炉内に、キャリアガスと原料ガスとを導入することで形成する。第３ｎ型窒化物半導体層５３は、水素雰囲気で形成する。本開示における水素雰囲気とは、炉内に導入されるガスにおけるＨ_２の割合が６０体積％以上であることを指す。例えば、キャリアガスとして水素ガスを用いることで、炉内を水素雰囲気とすることができる。第３ｎ型窒化物半導体層５３の形成工程における温度は、１０００℃未満が好ましく、９５０℃以下がより好ましく、８００℃以上とすることができる。第３ｎ型窒化物半導体層５３の形成工程における温度は、第１ｎ型窒化物半導体層５１の形成工程における温度と同じかそれよりも低いことが好ましい。これにより、発光層３０の特性悪化の可能性を低減することができる。第３ｎ型窒化物半導体層５３を形成する工程における温度は、第２ｎ型窒化物半導体層５２を形成する工程における温度と同じかそれよりも高くすることができる。第３ｎ型窒化物半導体層５３として、例えば、５×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でＳｉがドープされたＧａＮ層を厚さ８０ｎｍで形成する。

第３ｎ型窒化物半導体層５３の第３ｎ型不純物濃度は、第１ｎ型窒化物半導体層５１の第１ｎ型不純物濃度よりも小さい。これにより、第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性を向上させることができる。第３ｎ型窒化物半導体層５３に意図的にｎ型不純物をドープすることで、第３ｎ型窒化物半導体層５３の抵抗を低減することができるため、得られる窒化物半導体素子１の駆動電圧を低減することができる。第３ｎ型不純物濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上とすることができる。第３ｎ型不純物濃度は、第１ｎ型不純物濃度よりも小さく、且つ、１×１０^２０／ｃｍ^３以下とすることができる。例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含む第３ｎ型窒化物半導体層５３のＳｉ濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。

第３厚さは、１０ｎｍ以上とすることができ、５００ｎｍ以下とすることができる。第３ｎ型窒化物半導体層５３の第３厚さは、第２ｎ型窒化物半導体層５２の第２厚さよりも大きくしてもよい。これにより、第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性を向上させることができる。同様の理由から、第３厚さは第１厚さよりも大きくしてもよい。

第３ｎ型窒化物半導体層５３を構成する窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＧａＮが挙げられる。第３ｎ型窒化物半導体層５３を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ又はＡｌＧａＮであることが好ましく、ＧａＮであることがより好ましい。第３ｎ型窒化物半導体層５３がｎ型ＧａＮ層であることにより、結晶性を向上させることができる。

次に、半導体積層体の一部を除去して、第１積層部２０の一部を露出させる。そして、図１に示すように、第３積層部５０の上にｐ側電極８２が形成され、第１積層部２０の露出された表面にｎ側電極８１が形成される。ｎ側電極８１及びｐ側電極８２として、まずＩＴＯ電極等の透光性電極８１Ａ及び８２Ａを形成し、その後、金属電極８１Ｂ及び８２Ｂを形成することができる。これにより、図１に示す窒化物半導体素子１を得ることができる。

第３ｎ型窒化物半導体層５３の上に、さらに別の半導体層を形成してもよい。図４は、変形例の窒化物半導体素子２の模式断面図である。図５は、変形例の窒化物半導体素子２の製造方法を示すフローチャートである。図４に示すように、窒化物半導体素子２は、第１発光層３０Ａと第２発光層３０Ｂを有する。ｐ型窒化物半導体トンネル接合層４３及び第１ｎ型窒化物半導体層５１は、第１発光層３０Ａと第２発光層３０Ｂに挟まれる位置に配置されている。第２発光層３０Ｂの上には、１以上のｐ型窒化物半導体層を含む第４積層部６０が配置されている。ｐ側電極８２は、第４積層部６０に接続されている。図５に示すように、窒化物半導体素子２の製造方法は、第３ｎ型窒化物半導体層５３の上に第２発光層３０Ｂを形成する工程Ｓ１０７と、第２発光層３０Ｂの上に１以上のｐ型窒化物半導体層を形成する工程Ｓ１０８と、を有する。

第１発光層３０Ａの発光のピーク波長と第２発光層３０Ｂの発光のピーク波長は、同じであってもよく、異なっていてもよい。第１発光層３０Ａの発光ピーク波長および第２発光層３０Ｂの発光ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。第１発光層３０Ａ及び第２発光層３０Ｂは、青色光や緑色光を発する。第１発光層３０Ａの上に第２発光層３０Ｂを積層することで、１つの発光層を有する発光素子に比べて、単位面積当たりの出力を高くすることができる。

本実施形態の窒化物半導体素子１のように、トンネル接合を利用する場合、不純物濃度の比較的高い窒化物半導体層を形成する。このような窒化物半導体層は、不純物濃度が高いために平坦性が悪化しやすい。また、発光層３０の後に形成するため、発光層３０が熱ダメージにより劣化しない程度の低い温度で形成することが好ましく、この点からも平坦性が悪化しやすい。本実施形態によれば、第１ｎ型窒化物半導体層５１に続いて、第２ｎ型窒化物半導体層５２と第３ｎ型窒化物半導体層５３とを形成することにより、第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性を向上することができる。第２ｎ型窒化物半導体層５２は窒素雰囲気で形成し、第３ｎ型窒化物半導体層５３は水素雰囲気で形成する。形成時の雰囲気の相違により、第２ｎ型窒化物半導体層５２の方が三次元的な結晶成長がなされ、第３ｎ型窒化物半導体層５３の方が横方向成長が促進された結晶成長がなされる。第１ｎ型窒化物半導体層５１の荒いモフォロジー上に第２ｎ型窒化物半導体層５２を成長することで、その荒いモフォロジーの凹凸部上にそれより細かいスケールで三次元的な結晶成長がなされ、これにより大きな凹凸部が少なくなると推測される。その結果、その後に形成する第３ｎ型窒化物半導体層５３によって凹凸部を横方向成長で埋め込むような成長を行う際に、平坦化が容易になると考えられる。このように第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性を向上させることで、第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性悪化に起因する耐圧特性の低下やリークの発生を抑えることができる。これにより、信頼性の向上した窒化物半導体素子を得ることができる。

実験例として、第３ｎ型窒化物半導体層５３までを形成し、その表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した。実験例では、第１ｎ型窒化物半導体層５１として、１×１０^２０／ｃｍ^３の濃度でＳｉがドープされたＧａＮ層を厚さ３０ｎｍで形成し、第２ｎ型窒化物半導体層５２として、５×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でＳｉがドープされたＧａＮ層を厚さ２０ｎｍで形成し、第３ｎ型窒化物半導体層５３として、５×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でＳｉがドープされたＧａＮ層を厚さ８０ｎｍで形成した。また、比較例として、第２ｎ型窒化物半導体層５２を形成せずに５×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でＳｉがドープされたＧａＮ層を厚さ１００ｎｍで形成した以外は上述の実験例と同じとして各窒化物半導体層を形成し、そのＳｉドープＧａＮ層の表面をＡＦＭ像で観察した。

図６に、実験例のＡＦＭによる観察像を示し、図７に、比較例のＡＦＭによる観察像を示す。図６及び図７はいずれも、１辺２．０μｍの正方形の領域の観察像である。図６及び図７に示すように、第２ｎ型窒化物半導体層５２を形成した方がピットが少ない表面状態であった。すなわち、第２ｎ型窒化物半導体層５２を形成することにより、第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性を向上可能であることがわかった。このように第３ｎ型窒化物半導体層５３の平坦性を向上させることで、信頼性の向上した窒化物半導体素子を得ることができる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態及び実施例について説明した。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。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、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。

本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、各種照明器具、車両搭載用照明、ディスプレイ等の窒化物半導体素子を用いる各種の分野に利用することができる。

１、２ 窒化物半導体素子
１０ 基板
２０ 第１積層部、２１ ＧａＮ層、２２ ｎ型ＧａＮ層、２３ 多層膜
３０ 発光層、３０Ａ 第１発光層、３０Ｂ 第２発光層
４０ 第２積層部、４１ ｐ型ＡｌＧａＮ層、４２ ＧａＮ層、４３ ｐ型窒化物半導体トンネル接合層
５０ 第３積層部、５１ 第１ｎ型窒化物半導体層、５２ 第２ｎ型窒化物半導体層、５３ 第３ｎ型窒化物半導体層
６０ 第４積層部
８１ ｎ側電極、８１Ａ 透光性電極、８１Ｂ 金属電極
８２ ｐ側電極、８２Ａ 透光性電極、８２Ｂ 金属電極

Claims (10)

1. ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の上に、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とトンネル接合を形成する、第１ｎ型不純物濃度及び第１厚さを有する第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第１ｎ型窒化物半導体層の上に、窒素雰囲気で、第２ｎ型不純物濃度及び第２厚さを有する第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第２ｎ型窒化物半導体層の上に、水素雰囲気で、第３ｎ型不純物濃度及び第３厚さを有する第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   を備え、
   前記第２ｎ型不純物濃度及び前記第３ｎ型不純物濃度は、前記第１ｎ型不純物濃度よりも小さく、
   前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、第１温度で、前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成し、
   前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、前記第１温度よりも低い温度で、前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する、窒化物半導体素子の製造方法。
2. ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の上に、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とトンネル接合を形成する、第１ｎ型不純物濃度及び第１厚さを有する第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第１ｎ型窒化物半導体層の上に、窒素雰囲気で、第２ｎ型不純物濃度及び第２厚さを有する第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第２ｎ型窒化物半導体層の上に、水素雰囲気で、第３ｎ型不純物濃度及び第３厚さを有する第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   を備え、
   前記第２ｎ型不純物濃度及び前記第３ｎ型不純物濃度は、前記第１ｎ型不純物濃度よりも小さく、
   前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、第１温度で、前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成し、
   前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、前記第１温度と同じかそれよりも低い温度で、前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成し、
   前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層は、ｐ型ＧａＮ層であり、
   前記第１ｎ型窒化物半導体層は、ｎ型ＧａＮ層又はｎ型ＡｌＧａＮ層である、窒化物半導体素子の製造方法。
3. ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の上に、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とトンネル接合を形成する、第１ｎ型不純物濃度及び第１厚さを有する第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第１ｎ型窒化物半導体層の上に、窒素雰囲気で、第２ｎ型不純物濃度及び第２厚さを有する第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第２ｎ型窒化物半導体層の上に、水素雰囲気で、第３ｎ型不純物濃度及び第３厚さを有する第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   を備え、
   前記第２ｎ型不純物濃度及び前記第３ｎ型不純物濃度は、前記第１ｎ型不純物濃度よりも小さく、
   前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、第１温度で、前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成し、
   前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程において、前記第１温度と同じかそれよりも低い温度で、前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成し、
   前記第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程における温度は、前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程における温度よりも低い、窒化物半導体素子の製造方法。
4. 前記第３厚さは、前記第２厚さよりも大きい、請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
5. 前記第２厚さは、１０ｎｍ以上である、請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
6. 前記第１ｎ型不純物濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以上である、請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
7. 前記第２ｎ型不純物濃度及び前記第３ｎ型不純物濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上である、請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
8. 前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程における温度は、前記第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程における温度と同じかそれよりも高い、請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
9. 前記第１ｎ型窒化物半導体層を形成する工程の前に、
   基板の上に、１以上のｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記１以上のｎ型窒化物半導体層の上に、発光層を形成する工程と、
   前記発光層の上に、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層を形成する工程と、を備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
10. 前記発光層は第１発光層であり、
    前記第３ｎ型窒化物半導体層を形成する工程の後に、
    前記第３ｎ型窒化物半導体層の上に、第２発光層を形成する工程と、
    前記第２発光層の上に、１以上のｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を備える、請求項９に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

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