(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン(Si)から成る基板上に形成された３族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記基板の直上に、単結晶のAlX2Ga1-X2N (0＜X2≦1)から成る中間層を形成し、
当該中間層の直上に、GaNから成る第１層と、GaY1In1-Y1N(0≦Y1＜1)から成る第２層とが、交互に積層された超格子層を形成し、
前記超格子層の上に一般式(AlXGa1-X)YIn1-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1)で表される複数の層から成る素子層を形成すること
を特徴とする３族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記中間層の組成は、0＜X2≦0.4であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記超格子層は、シリコン(Si)がドープされたｎ型伝導形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記超格子層及び前記中間層は、シリコン(Si)がドープされたｎ型伝導形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記超格子層は、２族元素がドープされたｐ型伝導形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記超格子層及び前記中間層は、２族元素がドープされたｐ型伝導形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記素子層の最上層に第１の電極を形成し、前記基板の裏面に第２の電極を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記素子層が、バリア層と井戸層とが交互に所定周期で積層された多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン(Si)基板上に形成された３族窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３族窒化物半導体素子は、サファイア基板上にAlN 又はGaN からなるバッファ層を介してｎ層、ｐ層又はｎ層、発光層、ｐ層を結晶成長していたが、サファイア基板が高価であること、又、サファイア基板が絶縁性であるので電極を素子の同一面側に形成せざるを得ず、そのためにｎ層までエッチングを要すること、ｎ層内での電流パスが長くなり、駆動電圧が若干高くなること、ｎ電極、ｐ電極のそれぞれに対してワイヤボンディングが必要（合計２本）であること等の問題がある。そのために、導電性であるSi基板の適用が望まれていた。しかし、Si基板上にAlN を介することで３族窒化物半導体のエピタキシャル成長が可能となるが、基板とAlN との熱膨張係数の違いによりクラックを生ずるという問題があった。
この問題を解決するために、例えば特開平8-56015 号公報に開示されている技術がある。この技術は、図３に示されるように、Si基板１１をメタンガス雰囲気中で熱処理することによりSi基板１１の表面を炭化し、基板１１内にSiからSiC に連続的に変化したSiC 層１２を形成し、SiC 層１２上にバッファ層としてGaN から成る非晶質層１３を膜厚約200nm 程度形成し、非晶質層１３上に上にGaN から成る単結晶層１４を形成するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、SiC 上へのGaN の形成は困難であり、又、非晶質層１３を、サファイア基板上に形成されるGaN 非晶質層と同等の品質を有するものを得ることは困難である。従って、Si基板上において、素子を形成できる程の良質なAlGaInN 半導体は未だ得られていない。
【０００４】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、Si基板上に３族窒化物半導体を良好に結晶成長させることで、Si基板を用いた素子の特性を改善することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の手段によれば、Si基板の直上に、単結晶のAlX2Ga1-X2N (0＜X2≦1)から成る中間層を形成し、当該中間層の直上に、GaNから成る第１層と、GaY1In1-Y1N(0≦Y1＜1)から成る第２層とが、交互に積層された超格子層が形成され、この超格子層上に一般式(AlXGa1-X)YIn1-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1)で表される複数の層から成る素子層が形成される。尚、ここでいう素子層とは、発光層やトランジスタ機能を有する素子なども含む。このように、Si基板上に、３族窒化物半導体から成る第１層と第２層とが積層された超格子層上に素子層を形成することにより、基板との熱膨張係数の違いによる歪みを超格子層で吸収することができ、クラックの発生を防止し、超格子層上に形成される素子層の結晶性が向上し、高品質な半導体素子を得ることができる。
【０００６】
また、当該中間層の直上に前記超格子層を形成することにより、基板との熱膨張係数の違いによる歪みを中間層と超格子層とで吸収できるので、結晶性がより向上する。
【０００７】
また、中間層の組成をAlX2Ga1-X2N (0＜X2≦1)とすることにより、中間層による歪みの吸収をより効果的に行える。中間層の組成を0＜X2≦0.4とすることで、より良質な結晶性を得ることができる。
【０００８】
請求項３に記載の手段によれば、Siドープにより超格子層がｎ型にされることで、それら各層が低抵抗化されるので、素子の駆動電圧を低減できる。又、基板の裏面に電極を形成できる。
又、請求項４に記載の手段の如く、Siドープにより超格子層及び中間層がｎ型にされることで、それら各層が低抵抗化されるので、素子の駆動電圧をより低減できる。又、基板の裏面に電極を形成できる。
【０００９】
【００１０】
請求項５に記載の手段によれば、２族元素のドープにより超格子層がｐ型にされることで、それら各層が低抵抗化される。これにより、素子の駆動電圧を軽減できると共に、光取出側の層の端の一部に小さく第１の電極を形成できるので、その電極を非透光性とすることができる。
又、請求項６に記載の手段の如く、２族元素のドープにより超格子層及び中間層がｐ型にされることで、それら各層が低抵抗化される。これにより、素子の駆動電圧をより低減できると共に、第１の電極に非透光性電極を用いることができる。
【００１１】
請求項７に記載の手段によれば、素子層の最上層に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されることにより、基板の両側に電極を設けることができるので、従来のように基板の同一側に電極を設けてエッチングする必要がなく、製造工程が簡素化できる。又、半導体層内での電流パスが短縮されるので、駆動電圧をより低減できる。さらに、ワイヤボンディング数を半減できる。
【００１２】
請求項８に記載の手段によれば、素子層を、バリア層と井戸層とが交互に所定周期で積層された多重量子井戸構造とすることで、高発光強度を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は、Si基板１上に形成されたGaN 系化合物半導体で形成された発光素子１０の模式的な断面構成図である。ｎ型Si基板１の上にはSiドープのAl0.15Ga0.85N から成る膜厚約20nmの単結晶の中間層２が設けられ、その上にはSiドープの膜厚約35ÅのGaN から成る第１層３１とSiドープの膜厚約35ÅのGa0.80In0.20N から成る第２層３２とが交互に所定周期で積層された超格子層３が設けられている。この超格子層３の上に、SiドープのGaN から成る膜厚約4.0 μｍの高キャリア濃度層４が形成されている。この高キャリア濃度層４の上には、膜厚約35ÅのGaN から成るバリア層５１と膜厚約35ÅのGa0.80In0.20N から成る井戸層５２とが交互に所定周期で積層されたＭＱＷ構造の多重量子井戸層（発光層）５が形成されている。バリア層５１は６層、井戸層５２は５層で構成されている。多重量子井戸層５の上にはｐ型Al0.15Ga0.85N から成る膜厚約50nmのクラッド層６が形成されている。さらに、クラッド層６の上にはｐ型GaN から成る膜厚約100nm のコンタクト層７が形成されている。高キャリア濃度層３からコンタクト層７までが発光素子を形成している素子層である。
又、コンタクト層７の上には金属蒸着による透光性の電極（第１の電極）９が形成され、基板１の裏面１ａ上には電極（第２の電極）８が形成されている。透光性の電極９は、コンタクト層７に接合する膜厚約40Åのコバルト(Co)と、このCoに接合する膜厚約60Åの金(Au)とで構成されている。電極８は膜厚約１μｍのアルミニウム(Al)又はAuで構成されている。
【００１４】
次に、この発光素子１０の製造方法について説明する。
発光素子１０は、有機金属気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ」と略す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス(H2,N2) 、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す）、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す）、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2) （以下「CP2Mg 」と記す）である。
【００１５】
まず、フッ酸系溶液(HF:H2O=1:1)を用いて洗浄した (111)面又は (100)面を主面としたｎ−Si基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で約10分間反応室に流しながら温度1150℃で基板１をベーキングした。
次に、基板１の温度を1150℃に保持し、N2又はH2を10liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を1.0 ×10-4モル／分、TMA を1.0 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で供給し、膜厚約20nm、Si濃度1.0 ×1018/cm3のAl0.15Ga0.85N から成る中間層２を形成した。
【００１６】
次に、基板１の温度を600 ℃にしてN2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を2.0 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で供給して、膜厚約35ÅのGaN から成る第１層３１を形成した。
次に、同一温度で、N2又はH2、NH3 、シランの供給量を一定として、TMG を7.2 ×10-5モル／分、TMI を0.19×10-4モル／分で供給して、膜厚約35ÅのGa0.80In0.20N から成る第２層３２を形成した。さらに、第１層３１と第２層３２を同一条件で３０周期形成し、その上に第１層３１を形成した。このようにして３０周期の超格子層３を形成した。
次に、基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を1.7 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で供給し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3、Si濃度4 ×1018/cm3のGaN から成る高キャリア濃度層４を形成した。
【００１７】
上記の高キャリア濃度層４を形成した後、基板１の温度を900 ℃にしてN2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を2.0 ×10-4モル／分で供給して、膜厚約35ÅのGaN から成るバリア層５１を形成した。次に、基板１の温度を600 ℃まで低下させ、N2又はH2、NH3 の供給量を一定として、TMG を7.2 ×10-5モル／分、TMI を0.19×10-4モル／分で供給して、膜厚約35ÅのGa0.80In0.20N から成る井戸層５２を形成した。さらに、バリア層５１と井戸層５２を同一条件で５周期形成し、その上にバリア層５１を形成した。このようにして５周期の多重量子井戸層５を形成した。
【００１８】
次に、基板１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2を10liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を1.0 ×10-4モル／分、TMA を1.0 ×10-4モル／分、CP2Mg を2 ×10-5モル／分で供給して、膜厚約50nm、濃度5 ×1019/cm3のマグネシウム(Mg)をドープしたｐ型Al0.15Ga0.85N から成るクラッド層６を形成した。
次に、基板１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を1.12×10-4モル／分、CP2Mg を2 ×10-5モル／分で供給して、膜厚約100nm 、濃度5 ×1019/cm3のMgをドープしたｐ型GaN から成るコンタクト層７を形成した。
【００１９】
次に、コンタクト層７上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフによりコンタクト層７上の電極形成部分のフィトレジストを除去して窓を形成し、コンタクト層７を露出させる。露出させたコンタクト層７の上に、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、Coを膜厚約40Åに成膜し、このCo上にAuを膜厚約60Åに成膜する。次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したCoとAuとを除去し、コンタクト層７に対する透光性の電極９を形成する。
【００２０】
この後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、O2ガスを供給して圧力３Paとし、その状態で雰囲気温度を約550 ℃にして、３分程度、加熱し、コンタクト層７、クラッド層６をｐ型低抵抗化すると共にコンタクト層７と電極９との合金化処理を行った。
次に、基板１の裏面１ａ上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより電極形成領域に窓を形成し、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約１μｍのAl又はAuを蒸着する。この後、フォトレジストを除去することにより、基板１の裏面１ａ上に電極８が形成される。
【００２１】
上記に示されるように、Si基板１上にSiドープのAl0.15Ga0.85N から成る中間層２と、SiドープのGaN から成る第１層３１とSiドープのGa0.80In0.20N から成る第２層３２とから成る超格子層３を順次積層することにより、基板１との熱膨張係数の違いによる歪みをそれら各層で吸収することができるので、クラックが発生することがない。よって、結晶性が向上し、高品質な発光素子１０を得ることができる。
又、導電性であるSi基板１を用いることで、基板１の両側に電極８、９を設けることができるので、従来のように絶縁性基板を用いてｎ層までエッチングを行い、同一側に電極を設ける場合に比べて製造工程が簡略化され、生産性が向上する。又、基板１の裏面と最上層に、それぞれ電極８、９を設けることで、電流パスが短縮され、駆動電圧を低減できる。又、中間層２及び超格子層３がSiドープの導電性とすることも、駆動電圧の低減に寄与できる。
又、このようにして形成された発光素子１０のワイヤボンディングが低減される。従来では、図２（ｂ）に示されるように、絶縁性基板を用いるので発光素子２０の同一側に電極が設けられ、発光素子２０を平坦部２０４に載置し、各電極とリードフレーム２０１、２０１との間をワイヤボンディングする必要があった。本実施例では、図２（ａ）に示されるように、平坦部２０４上に発光素子１０を載置することで、電極８とリードフレーム２０１とが電気的に接続するので、ワイヤボンディングは電極９とリードフレーム２０２との間だけで十分である。
【００２２】
上記実施例において、中間層２を設けず、Si基板１上に直接超格子層３を形成し、その上に素子層を形成してもよい。
又、上記実施例において、Si基板１、中間層２及び超格子層３をｎ型としたが、ｐ型Si基板を用い、中間層２及び超格子層３をマグネシウム(Mg)などの２族元素のドーピングによりｐ型にしてもよい。又、中間層２はノンドープでもよい。これにより、コンタクト層７上に、その層の隅に小さな電極９を形成すればよく、その電極は透光性とする必要がない。
又、中間層２の組成をAl0.15Ga0.85Nとしたが、(AlX4Ga1-X4)Y4In1-Y4N(0≦X4≦1,0≦Y4≦1)を満たしていればよく、望ましくは、0＜X4≦0.4,Y4=1であればよい。
又、第１層３１及び第２層３の形成温度を600 ℃にしたが、400 〜800 ℃の範囲であればよい。
又、第１層３１の組成をGaN としたが、(AlX1Ga1-X1)Y1In1-Y1N(0≦X1≦1,0≦Y1≦1)を満たしていればよい。又、第２層３２の組成をGa0.80In0.20N としたが、(AlX2Ga1-X2)Y2In1-Y2N(0≦X2≦1,0≦Y2≦1,X1≠X2,又はY1≠Y2)を満たしていればよい。又、超格子層３は、第１層３１と第２層３２とが交互に３１周期積層された構成としたが、必要な周期だけ或いは非周期で積層してよい。
又、バリア層５１の組成をGaNとし、井戸層５２の組成をGa0.80In0.20Nとしたが、それら各層は(AlX3Ga1-X3)Y3In1-Y3N(0≦X3≦1,0≦Y3≦1)を満たしていればよい。又、多重量子井戸層５は、必要な周期だけバリア層５１と井戸層５２を積層してよい。
又、発光層として多重量子井戸層５を設けたが、ＳＱＷ構造でもよい。又、発光層以外のトランジスタ機能など他の機能を有する素子層を設けた構成としてもよい。
本発明はＬＥＤやＬＤなどの発光素子や受光素子、トランジスタなどのスイッチング素子に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係わる３族窒化物半導体素子の構造を示した模式図。
【図２】３族窒化物半導体素子をリードフレーム上に載置した状態を示した模式図。
【図３】従来のSi基板上に形成された３族窒化物半導体素子の構造を示した模式図。
【符号の説明】
１        シリコン基板
２        中間層
３        超格子層
４        高キャリア濃度層
５        多重量子井戸層
６        クラッド層
７        コンタクト層
８、９    電極
１０      発光素子
３１      第１層
３２      第２層
５１      バリア層
５２      井戸層
【図１】
0003606015.tif 000002
【図２】
0003606015.tif 000003
【図３】
0003606015.tif 000004