(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に下地層を有する窒化物半導体基板と、
窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）からなるｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを順に備える窒化物半導体素子であって、
前記下地層が、
窒化物半導体からなり多結晶を含むバッファ層と、
その上にｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層と、
を備えており、
さらに前記下地層と前記活性層の間に、ｎ型不純物がドープされた第１窒化物半導体素子層と、
前記活性層と前記第１窒化物半導体素子層との間に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜x≦０．４）からなる第２窒化物半導体素子層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記下地層がさらに、前記第１窒化物半導体下地層の上にアンドープのＧａＮからなる第２窒化物半導体下地層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１窒化物半導体素子層又は第２窒化物半導体素子層が、前記ｎ型窒化物半導体層を構成する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１窒化物半導体下地層が、ＭｇをドープしたＧａＮ層である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体素子が紫外領域に発光する発光素子である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子、トランジスタ等に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）素子に係り、特に、３６５ｎｍ〜３９０ｎｍの特定の紫外領域に発光するか、若しくは受光感度を有する窒化物半導体素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は１．９５ｅＶ（ＩｎＮ）〜６．１６ｅＶ（ＡｌＮ）までのバンドギャップエネルギーを有する半導体材料として知られており、理論的には約６３３ｎｍ〜２０１ｎｍまでの発光、受光が可能である。本出願人はこの材料を用い、１９９３年１１月末、世界で初めて１ｃｄを超える青色ＬＥＤを実用化した。このＬＥＤは、ＺｎとＳｉとがドープされた膜厚０．２μｍ前後のＩｎＧａＮ層を発光層とするダブルへテロ構造を有していた。さらに本出願人はこのＬＥＤの活性層のＩｎ組成比を増加させて信号灯用青緑色ＬＥＤ、ディスプレイ用緑色ＬＥＤを実用化した。
【０００３】
このように、窒化物半導体素子の用途は、多岐にわたり、またこのようなニーズに対応するため、更なる素子特性向上が望まれている。一方、窒化物半導体は、一般に異種基板上に成長させること等、様々な要因から他の半導体素子にはみられない特有の問題が発生する。
【０００４】
その一つとして、静電耐圧が極めて低いことであり、実際にその取扱いにおいて、一般的な半導体素子に比べ過剰すぎるほどの注意を要し、そのための特別な対策が必要となり、深刻な問題となっている。このようなため、成長させる窒化物半導体の結晶性、表面モフォロジーを改善することに、多くの方法が検討されている。
【０００５】
更に、窒化物半導体は良好な結晶性が得られず素子の駆動が困難であった経緯があり、実用化された今でも、その結晶性は十分に満足のゆくものではない。そのため、結晶性の向上が僅かであっても、その素子特性向上に対しては、大きく寄与する。このため、窒化物半導体素子及びそれに用いる基板の結晶性の向上は、重要な課題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の窒化物半導体素子は、窒化物半導体と異なる材料の異種基板上に成長させるため、その格子定数差などにより、その結晶性、表面モフォロジーは、半導体素子を形成するために十分なものではなかった。このため、異種基板上に、低温で成長させた窒化物半導体のバッファ層を形成した後、窒化物半導体を成長させることで、そのような結晶性などの悪化を防ぐことが見いだされている。しかし、それでもまだ十分なものではなく、さらなる素子特性の向上のため、素子構造となる窒化物半導体の結晶性を改善する必要がある。
【０００７】
上述したように、異種基板上に成長させる窒化物半導体は、幾らかの結晶欠陥若しくは表面の凹凸を有している。これを完全には解決できず、これを改善するために設けられた層（下地層）を介して、ある程度改善した状態で初めて素子構造となる半導体層を成長させる。窒化物半導体は、成長を続けることでその結晶性若しくは表面の凹凸が改善される傾向にあり、すなわちある程度の膜厚以上に成長させることで、好ましい結晶、表面状態になる。しかし、窒化物半導体層を厚く成長させるには、製造において非常に時間が掛かる。また、下地層の窒化物半導体層を厚く形成すると、基板に反りが発生し、素子分離の際などに割れ・欠けなどの原因となる。
【０００８】
窒化物半導体をその結晶性、表面の凹凸などがある程度改善されるまで、厚膜で成長させたとしても、改善しない素子特性がある。その典型的な例として、静電耐圧がある。
【０００９】
窒化物半導体素子は、その他の素子に比べて、その静電耐圧が著しく低いことが挙げられる。通常、窒化物半導体の静電耐圧は数百〜５００Ｖ程度で、これは製造若しくはその使用において、深刻な問題を引き起こすものである。その上、Ａｌ含む窒化物半導体層を有する場合には、特にその静電耐圧が悪化する傾向にあり、１００Ｖに達しないものまで存在する。このように極めて低い静電耐圧では、極めて慎重な取扱いが要求され、そのような環境下で製造工程を経たとしても、多くの素子が破壊されることになる。従って、静電耐圧の向上は、例えその値が僅かなものであったとしても、製造歩留まり向上に大きく寄与するものである。
【００１０】
それに加えて、窒化物半導体素子は、それを構成する層の組成によりその結晶性、表面モフォロジーも異なる。特にＡｌを含む窒化物半導体層を有している場合には、その結晶性を悪化させるため、その層が素子中に含まれると結晶性を良好に保つことが困難である。すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させるために、その成長開始時の表面を良好なものとする必要がある。しかし、上記窒化物半導体の結晶性のため、ある程度窒化物半導体の結晶性、表面モフォロジーが改善されたところで、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させるため、素子の結晶性をそれ以上に向上させることは、困難となる。さらに、異種基板と活性層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体がある場合には、ｐ−ｎ接合付近の結晶性が必然的に悪くなるため、素子特性の悪化を招くものとなる。
【００１１】
窒化物半導体が実用化されたため、次なる課題は、歩留まりの向上、製造工程を簡略化して製造量を増大させることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、比較的薄い膜厚の下地層でもって、素子構造を構成する半導体層の良好な成長面となり、素子特性が良好で、簡略化された製造方法で得られる窒化物半導体素子を見いだし、上記課題を解決することができた。
【００１３】
すなわち、本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）からなるｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを順に備える。この窒化物半導体素子は、前記下地層が、窒化物半導体からなり多結晶を含むバッファ層と、その上にｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層とを備えている。さらに前記下地層と前記活性層の間に、ｎ型不純物がドープされた第１窒化物半導体素子層と、前記活性層と前記第１窒化物半導体素子層との間に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜x≦０．４）からなる第２窒化物半導体素子層とを備える。これにより、窒化物半導体素子を形成するための基板として良好な結晶性、表面モフォロジーとなる。
【００１４】
また、下地層が、前記第１窒化物半導体下地層の上にアンドープのＧａＮからなる第２窒化物半導体下地層を有することで、第１窒化物半導体下地層中のｐ型不純物が拡散するのを防止する拡散防止層として機能し、下地層の上に形成される窒化物半導体素子への影響を防ぐことが可能となる。
【００１５】
上記窒化物半導体基板の上に、素子構造となる窒化物半導体が成長されていることで、素子特性の向上、及びその基板に均一な下地層があることによる製造歩留まりの向上が達成された窒化物半導体素子が得られる。
【００１６】
更にまた、その素子構造となる窒化物半導体が、少なくとも窒化物半導体よりなる活性層を有し、該活性層と前記下地層との間であって、前記第１窒化物半導体下地層若しくは前記第２窒化物半導体下地層表面に形成されたｎ型不純物がドープされた第１窒化物半導体下地層を有することにより、良好な素子特性の窒化物半導体素子となる。これは、下地層と素子の活性層との間の層が、好適な成長により導電型の窒化物半導体層が形成されるため、素子全体の各層の結晶性を向上させ、ひいては素子特性を向上させるものである。
【００１７】
そして、前記活性層と前記第１窒化物半導体素子層との間に、第２窒化物半導体素子層とを有し、該第２窒化物半導体素子層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜x≦０．４）からなることで、活性層の下に比較的結晶性の悪いＡｌＧａＮ層を形成しても、成長開始面となる下地層が良好であるため、その結晶性の悪化を最小限に抑えられるため、その上に形成する活性層などの素子構造の成長を良好なものとすることができ、素子の特性が向上する。また、紫外領域に発光する発光素子である場合には、その極めて低い静電耐圧特性を大幅に向上でき、その製造において素子破壊の数が飛躍的に減少させることができる。
【００１８】
以上のように、本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体からなり多結晶を含むバッファ層と、ｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層と、ｎ型不純物がドープされたｎ型の窒化物半導体層とが順に積層された窒化物半導体素子であって、該ｎ型の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなることにより、良好な素子特性向上を達成でき、またその素子は、ばらつきが少なく、歩留まりの良好な状態で、製造できる。さらに前記第１窒化物半導体素子層又は第２窒化物半導体素子層が、前記ｎ型窒化物半導体層を構成することもできる。さらにまた、前記第１窒化物半導体下地層は、好適にはＭｇをドープしたＧａＮ層とできる。さらに、前記窒化物半導体素子は、好適には紫外領域に発光する発光素子とできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の窒化物半導体基板、素子について説明する。
【００２０】
本発明の窒化物半導体基板は、異種基板の上に成長させた下地層を有するもので、下地層は、バッファ層と、ｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層を有するものである。以下、順を追って説明する。
【００２１】
（異種基板）
本発明に用いられる異種基板としては、従来知られているものを用いることができ、具体的には、サファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等がある。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。
【００２２】
また、窒化物半導体の成長方法としては、一般的に知られているＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等を適用できる。
【００２３】
（下地層）
次に、異種基板の上に下地層を形成する。本発明において下地層とは、素子構造となる各層を成長させる前に形成されるものであり、素子構造の成長面となる基板として機能する。本発明の下地層としては、少なくともバッファ層と、その上に形成するｐ型不純物がドープされた第１窒化物半導体下地層とを有するものである。詳しくは、バッファ層は、多結晶を含む窒化物半導体であり、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられ、好ましくはアンドープのＧａＮとすることで、異種基板と窒化物半導体との格子定数差などを比較的良好に緩和することができる。また、このバッファ層の形成方法は、具体的には、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚１０Å〜０．５μｍで成長させる。
【００２４】
バッファ層の上に成長させる第１窒化物半導体下地層は、窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）にｐ型不純物がドープされたものであり、好ましくはｐ型不純物をドープしたＧａＮとすることで、後述する表面の状態が最も良好なものとなる。窒化物半導体としては、そのｐ型不純物としては、Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｇが挙げられる。第２窒化物半導体下地層にドープするｐ型不純物として好ましくは、Ｍｇであり、ｐ型不純物の中で比較的膜厚が薄くても、良好な結晶性、表面の平坦性を実現できる。また、第２の窒化物半導体の膜厚としては、特に限定されないが、１μｍ程度であれば良好な基板の形成に十分であり、具体的には、０．１〜５μｍの範囲で形成する。なぜなら、０．１μｍ以下であると十分に平坦な表面が形成されず、５μｍ以上であると基板として厚くなりすぎるため、チップに分離する際に基板の反りの影響がでる。
【００２５】
本発明の下地層は、バッファ層と、その上の第１窒化物半導体下地層とを有することで、素子構造となる窒化物半導体を成長させるための良好な表面を提供する窒化物半導体基板となる。以下詳しく説明すると、従来、異種基板上に形成される下地層は、バッファ層だけ、又はその上にアンドープ若しくはｎ型不純物をドープした窒化物半導体を成長させたものであった。これは、異種基板上に窒化物半導体素子を形成するためには、結晶性、表面モフォロジーの良好な基板となる層（下地層）を介する必要があるためである。しかし、図４に観るように、このような従来の下地層では、その表面がピット等の凹凸を呈しており、その表面に素子構造を形成すると、素子特性を悪化させる原因となる。このような構造となるのには、バッファ層だけでは窒化物半導体の成長が可能になるだけで、良好な結晶性の確保にはいたらず、更に下地層として窒化物半導体の成長させることが必要とされたためである。この下地層の窒化物半導体は、バッファ層で解消できない結晶性、表面の平坦性を確保するために形成され、結晶性を良好なものとしていた。この時の窒化物半導体としては、アンドープの窒化物半導体層が、その中でも最も結晶性の良好なＧａＮが用いられてきた。このようなアンドープの窒化物半導体を成長させ続けることで、結晶性、表面の平坦性は改善される。しかし、図４に観るように、従来用いられてきた比較的薄い膜厚の下地層では、表面の凹凸が大幅には改善されず、それは素子特性に影響を与える程度のものであり、必ずしも十分ではない。このとき、膜厚を厚くすること、例えば５０μｍ以上に成長させることで結晶性、表面の平坦性は良好なものとなるが、これでは生産性が大きく低下し、またコストも大幅に増加する。
【００２６】
具体的には、窒化物半導体素子は、それとは材料の異なるサファイアなどの異種基板上に成長させるが、この際に異種基板との格子定数差などを緩和し、良好な結晶成長面を形成するために下地層が設けられる。下地層としては、低温で成長させたバッファ層があり、その他に窒化物半導体層を成長させたものもあり、これらを組み合わせたものが用いられる。例えば、下地層としてアンドープのＧａＮを形成し、ｎ型コンタクト層としてｎ型不純物をドープしたＧａＮを形成する場合には、ｎ型コンタクト層も下地層として機能する。これは、上述したように、ＧａＮが窒化物半導体の中では、良好な結晶成長が成されるためであり、成長させることにより、上記結晶性、表面の平坦性が改善されるためである。しかし、本発明の第１窒化物半導体下地層は、下地層に含まれるものであり、ｐ型不純物がドープされたものである。本発明では、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体層を下地層に有することで、ｐ型不純物をドープしない場合に比べて、異なった結晶性の下地層が得られる。これは、アンドープのものに比べて、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体は、少し異なった結晶成長が成されていると考えられ、そのためアンドープ若しくはｎ型不純物をドープした窒化物半導体では不可能な膜厚で良好な基板の形成ができるものと思われる。すなわち、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体層は、成長開始時において凹凸を有していても、成長するに従い表面を平坦にすることが優先的に行われていると考えられ、その表面は、平坦で良好な鏡面となる。このことにより確認される現象について、詳しくは後述するとおりである。
【００２７】
下地層の窒化物半導体層に、ｎ型不純物をドープするのでは、アンドープのものに比べて結晶性が悪化するだけで、ｐ型不純物をドープするような効果はない。従って、本発明において、第１窒化物半導体下地層は、ｐ型不純物だけがドープされていることが好ましい。
【００２８】
このように、下地層は素子構造を形成するための基板として用いるため、良好な基板を提供すると共に、製造工程が短縮されることを考慮して決定される。従って、図２に示すように本発明において下地層２０は、バッファ層２と第１窒化物半導体下地層３だけで構成されていても、素子構造２１を形成するための良好な基板となる。更には、製造工程を最小限にまで減らせるため、製造コストの削減が可能である。
【００２９】
ここで、本発明における第１窒化物半導体下地層にドープするｐ型不純物量としては、特に限定されないが、１×１０18〜１×１０20／cm3程度であれば、良好な基板の形成が可能である。これは、本発明における第１窒化物半導体下地層を有することによる効果が、ｐ型不純物濃度に依存する傾向が確認されていないことを指すものであって、上記範囲でドープされていれば十分にその効果を奏することができる傾向にある。
【００３０】
（第２窒化物半導体下地層）
本発明において、第２窒化物半導体下地層は、下地層を構成し、前記バッファ層、第１窒化物半導体下地層の上に形成されるものである。この第２窒化物半導体下地層があることにより、下地層の上に素子構造を形成する場合に、第２の窒化物半導体のｐ型不純物が素子構造側へ拡散するのを防止することができる。具体的には、図３に示すように、下地層の上に素子構造のｎ側コンタクト層となるｎ型不純物をドープした窒化物半導体層５を形成すると、前記第２窒化物半導体下地層４がない場合では、第１窒化物半導体下地層２からｐ型不純物が拡散し、図で示すｎ型不純物ドープした窒化物半導体層５の中に拡散し、お互いに補償するため抵抗値が上がる。このため、ｎ電極の形成層として、ｎ型不純物をドープした窒化物半導体層５は、好ましいものでなくなる。また、下地層の表面に直接ｎ型不純物をドープした窒化物半導体層を形成しない場合でも、素子構造、特に各層の不純物ドープ量を制御するために、ｐ型不純物の拡散を防止することは好ましい。
【００３１】
以上説明してきたように、本発明において、下地層は少なくともバッファ層とその上に第１窒化物半導体下地層を有していれば良く、好ましくは、異種基板表面に接して、バッファ層を、更にそのバッファ層表面に接して第１窒化物半導体下地層を形成して下地層とすることで、最も製造工数が少なくすることができる。なぜなら、下地層は、その他の層を有していても良いが、例えばアンドープのＧａＮをバッファ層と第１窒化物半導体下地層との間に形成しても、下地層の表面の平坦性、結晶性は上述したように鈍い改善であるため、このような層の有無による本発明の下地層への効果はほとんどない傾向にあるからである。
【００３２】
（窒化物半導体素子）
本発明において、上述した下地層を有する窒化物半導体基板を用いることで、良好な結晶性を維持して素子構造となる半導体層を成長させることができる。すなわち、下地層の良好な結晶性、表面の平坦性を基に、素子構造を成長させることができるため、素子特性特に素子寿命の向上が観られる。窒化物半導体素子としては、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）からなる層を素子構造として、下地層の表面に成長させたものである。
【００３３】
（発光素子）
上述した窒化物半導体素子がｐ−ｎ接合部を有するものである場合には、特にその周辺部の結晶性に素子特性が大きく依存する場合がある。詳しくは、発光素子である場合に、下地層と活性層との間の層を結晶性を良好に成長させる理由は、良好なＶｆ若しくは閾値を有する発光素子の形成に貢献するものだからである。この時、下地層と活性層との間に、結晶性の比較的悪いＡｌを含む窒化物半導体層を有する場合には、上記ｐ−ｎ接合部の結晶性に悪影響を与える。しかし、本発明の上記下地層を有する窒化物半導体基板に素子を成長させることで、Ａｌを含む窒化物半導体であっても、良好なｐ−ｎ接合部の形成が可能である。これは、本発明の窒化物半導体基板が良好な結晶性、表面の平坦性を有しているため、その上に直接、又は比較的結晶性の良好なＧａＮ等を介して、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させると、素子の結晶性の悪化を最小限に抑え、従来と比較して良好なｐ−ｎ接合部の形成が可能となるためである。このＡｌを含む窒化物半導体層は、発光素子、レーザ素子などに多用されているため、このような効果は有用なものである。この時、Ａｌを含む窒化物半導体としては、特に限定されないが、具体的にはＡｌＧａＮのアンドープ、ｐ型、ｎ型不純物をドープしたもので、良好な結晶性の改善が観られる傾向にある。
【００３４】
ここで、上述したように本発明の下地層の表面に、素子構造を構成するｎ型不純物ドープした窒化物半導体層を成長させた素子について説明する。下地層として、バッファ層と、ｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層、若しくは更にその上にアンドープのＧａＮを有し、その下地層の上に素子構造となるｎ型不純物ドープが窒化物半導体を成長させた窒化物半導体素子では、良好な製造歩留まりで製造でき、コストの削減が可能となる。これは、上述したように、下地層にバッファ層とその上の第１窒化物半導体下地層を有することで、従来では不可能であった薄い膜厚で、素子構造を形成するための良好な基板表面が提供されるためである。そのため、その下地層表面に、アンドープのものに比べて結晶性の劣るｎ型不純物ドープの窒化物半導体層において良好な結晶成長を可能にし、この層を素子構造とする場合には、良好な導電性を有するものとなる。なぜなら、上述したように従来における素子形成の基板表面が、平坦性を欠いたままで、素子として機能する層を成長させ、その表面の平坦性を改善するため、基板表面に成長させた窒化物半導体層は、結晶性及び表面の平坦性が改善が充分でないため、最良の状態で結晶成長がなされていないからである。更に好ましくは、上記バッファ層と、その上にｐ型不純物ドープの窒化物半導体層とｎ型不純物ドープの窒化物半導体層との間に、アンドープのＧａＮを有することである。このアンドープのＧａＮは、ｐ型不純物ドープの窒化物半導体層の上に形成されるため、すなわち良好な結晶性、表面の平坦性が確保された状態であるため、素子構造として形成されても良く、下地層として形成されていても良い。このアンドープのＧａＮがあることにより、上述したように下地層中のｐ型不純物が素子を構成する層の成長中に素子内へ拡散することを防ぐことができる。
【００３５】
（第１窒化物半導体素子層）
上述したように本発明の第１窒化物半導体素子層は、ｎ型不純物がドープされ、下地層の上に形成され、素子構造を構成し、下地層と活性層との間に形成されるものである。本発明の第１導電型の窒化物半導体にドープされるｎ型不純物としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等が挙げられ、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉである。なぜなら、ｎ型不純物の中でも、Ｓｉ、Ｇｅが好ましい導電性を有し、その中でもＳｉがより好ましいためである。具体的には、第１窒化物半導体素子層は、ｎ型不純物ドープ層をｎ側コンタクト層とし、電極形成層にすることが好ましい。なぜなら、下地層に近い側に形成されるため結晶性が良好な状態で形成することができ、そのため最も好ましくは、下地層表面に形成することである。逆にいうと、既に本発明の下地層があることにより、鏡面で結晶性の良好な基板表面が提供されているため、何らかの層を介在させる必要はなく、下地層表面に直接第１導電型の窒化物半導体を形成することで、良好な素子として機能する、すなわちその層を電極形成層とするに足るものである。従って、本発明の窒化物半導体素子では、下地層の上に第１窒化物半導体素子層を形成することが素子特性において好ましく、更に下地層表面に直接形成することで、工程を簡略化できコスト削減において好ましい。また、組成としては、結晶性の良好なＧａＮが好ましく用いることができ、その他にもＩｎ、Ａｌを含むものであっても良い。
【００３６】
また、本発明でアンドープの窒化物半導体層とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば原料に含まれる不純物、反応装置内のコンタミネーション、意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する。また、第１窒化物半導体素子層は、単一の膜、若しくは不純物量、混晶比等が異なる多層膜であっても良い。
【００３７】
（紫外線発光素子）
更に、上記窒化物半導体基板と活性層との間に、上記Ａｌを含む窒化物半導体層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．４）である紫外領域に発光する素子では、新たに顕著な効果を奏する。それは、従来の紫外領域の発光素子は、極めて低い静電耐圧であったのが、大幅に向上し、２００〜３００Ｖにまで向上することである。詳しく説明すると、従来の紫外領域の発光素子では、そのほとんどが１００Ｖ程度若しくは、それを下回るものであり、これは発光素子の製造工程において、素子が破壊される危険性のある静電耐圧である。すなわち、このような静電耐圧の極めて低い従来の発光素子では、製造歩留まりを大きく低下させる要因となっていた。しかし、本発明の下地層を用いることで、静電耐圧は向上し、それは従来の様な製造歩留まりの低下を回避できるものである。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体ＡｌxＧａ1-xＮにおいて、ｘが０．１５〜０．２の範囲にある場合には、従来のものはその静電耐圧が極めて低く、そのため、静電耐圧が上記範囲にまで向上した本発明の窒化物半導体素子は、その取扱い易さが飛躍的に向上し、素子破壊を大幅に改善でき、製造歩留まりも顕著な向上を示すものとなる。
【００３８】
（第２窒化物半導体素子層）
本発明において第２窒化物半導体素子層は、上述したＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．４）層であり、下地層と活性層との間で、第１窒化物半導体素子層より上に形成される。混晶比ｘが０．１５〜０．２の範囲にある場合には、特に静電耐圧の向上が顕著となる。第２導電型の窒化物半導体としては、単一の層であっても多層膜であっても良く、互いにバンドギャップエネルギーが異なる２種類の窒化物半導体層が積層されてなるか、若しくは同一組成の窒化物半導体層が積層されてなる超格子構造としても良い。また、図３に示すように下地層の上であって、第１窒化物半導体素子層より上に形成されるものであり、ｎ側クラッド層等として、その上の活性層と好ましいオフセットを確保でき、発光素子において、有用なものである。
【００３９】
以上説明してきたように、本発明の下地層を用いることで、比較的薄い膜厚で、窒化物半導体を成長させるための良好な基板を形成することができるため、素子構造の形成までの製造工程が短縮できる。また、従来のものより良好な基板の上に、素子が形成されるため素子特性も向上し、ウェーハ当たりの歩留まりも向上する。これは、図４（ｂ）の斜線部で結晶の状態の違いを示すように、従来の基板では、ウェーハの中央部から端部にかけてその成長にむらがあり、この上に素子構造を形成してもその傾向は引き継がれるため、ウェーハ端部の素子が良好なものとならない傾向があった。詳しく説明すると、下地層がアンドープ若しくは、ｎ型不純物ドープの窒化物半導体層では、比較的薄い膜厚では、表面の凹凸が目立ち、良好なものではない。図４（ｂ）は、そのような表面の凹凸が主に関係して、ウェーハを観察すると凹凸有する表面が斜線部で示すように白濁している。特に、下地層を構成する窒化物半導体層の膜厚が薄い、具体的には５μｍ以下では、ウェーハ、特に端部が白濁しており、ウェーハ全体にわたって良好な素子の形成が困難である。このように、従来のアンドープ、ｎ型不純物の窒化物半導体を用いた下地層では、少なくとも５μｍ以下で白濁領域が確認される。このことは、従来の下地層では、ウェーハ全体にその成長、結晶性、表面の平坦性にむらがあることを示唆するものである。このような現象は、制御の比較的困難な気相成長であることに起因するが、その条件を変えても程度の大小に変化があるものの、根本的な解決に至るものではない。
【００４０】
しかし、本発明では、鏡面でウェーハ全体にわたって従来と比較して均一な窒化物半導体基板が形成され、その上に素子が形成されるため歩留まりが向上する。すなわち、従来では不可能な５μｍ以下の下地層の膜厚で、上記白濁領域が完全に無くなる。さらに驚くべきは、そのような白濁領域は、１μｍ以下の膜厚であっても十分に解消されていることである。これは、本発明の下地層、特に第１窒化物半導体下地層が、従来とは異なる成長形態であることを示唆するものであり、比較的凹凸を有する表面に第１の窒化物半導体を成長させると、膜厚方向に成長するよりも、結晶性の改善、表面の平坦性の確保が優先されることと考えられる。この優先と度合いが、良好な基板表面を形成するに至る膜厚を決めるものと考えられ、ｐ型不純物の中でもＭｇが最も良好な成長形態を示す。その他の上記ｐ型不純物であるＺｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃｒでは、Ｍｇに劣るものの、従来に比べて良好な成長形態を示す傾向にある。ここで、ｐ型不純物として上記元素が複数選ばれても、良好な第１窒化物半導体下地層が形成される傾向にある。
【００４１】
【実施例】
［実施例１］
図５は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図をもとに、本発明の素子の製造方法について述べる。
【００４２】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を、反応容器内において水素雰囲気中、１０５０℃で表面のクリーニングを行う。
【００４３】
（バッファ層１０２）
続いて、下地層として、水素雰囲気中、５１０℃で、アンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、基板１上にＧａＮよりなる低温成長バッファ層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４４】
（第１窒化物半導体下地層１０３）
バッファ層２成長後、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用い、Ｍｇを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮ層よりなる第１窒化物半導体下地層を１μｍの膜厚で成長させる。この時、バッファ層１０２の上に別の窒化物半導体層を介して成長させても良い。次にアンモニアとＴＭＧを用い、アンドープのＧａＮ（第２窒化物半導体下地層）を１μｍの膜厚で成長させる。以上を下地層として、次に素子構造となる窒化物半導体層を成長させる。また、この時得られたウェーハを装置から取り出し、観察したところその表面は良好な鏡面であり、ウェーハ全体に均一に窒化物半導体基板が形成されていた。
【００４５】
（窒化物半導体発光素子）
（ｎ側コンタクト層１０４）
１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、シラン（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを１×１０18／cm3以上ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層（第１窒化物半導体素子層）１０４を２μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層は、ｎ電極を形成するための層であり、ｎ型不純物をドープしたＧａＮとすると高キャリア濃度、低抵抗率の層が得られやすくｎ電極と好ましいオーミックが得られやすい。またこの層を不純物を変調ドープした超格子層としても良い。
【００４６】
（ｎ側クラッド層１０５）
次に１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）アンモニア、シランを用い、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ側クラッド層１０５を４５０オングストロームの膜厚で形成する。
【００４７】
（活性層１０６）
次に窒素雰囲気中、７００℃でＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる活性層を４００オングストロームの膜厚で成長させる。なおこの活性層ＩｎaＧａ1-aＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は式Ｅｇ＝１．９６・a＋３．４(1-a)−a・(1-a)により算出できる。発光波長λは１２４０／Ｅｇに相当する。
【００４８】
（ｐ側クラッド層１０７）
次に水素雰囲気中、１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｐ側クラッド層７を６００オングストロームの膜厚で成長させる。なお窒化物半導体にドープするｐ型不純物としてはＭｇの他にＣａ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ等のII族元素が挙げられるが、Ｍｇが最も一般的に使用されている。
【００４９】
（ｐ側コンタクト層１０８）
続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇで、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０８を０．１２μｍの膜厚で成長させる。このｐ側コンタクト層１０８はｐ電極を形成するための層であって、ｐ型不純物をドープしたＧａＮとすると、ｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。このｐ側コンタクト層の膜厚は通常１００Å〜１μｍの範囲に調整することが望ましい。
【００５０】
成長終了後、窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化した後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１０８の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ側コンタクト層１０４の表面を露出させる。
【００５１】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極１０９と、そのｐ電極１０９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１１０を０．２μｍの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させたｎ型不純物ドープした窒化物半導体層１０４（第１窒化物半導体素子層）の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１１を形成する。最後にｐ電極１０９の表面を保護するためにＳｉＯ2よりなる絶縁膜１１２を図１に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００５２】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、およそ３６８ｎｍの発光を示し、Ｖｆは３．４Ｖ、出力は５ｍＷと、良好な出力を示した。更に、ウェーハ当たりの歩留まりも向上しており、ウェーハから得られる素子ごとの出力特性も平均的に向上していた。また、静電耐圧も３００Ｖと比較例１に示す素子に比べて、大幅に向上しているものであった。
【００５３】
［実施例２］
ｎ側クラッド層（第２窒化物半導体素子層）がＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎであることを除いて実施例１と同様にして発光素子を形成した。得られた発光素子は、実施例１と同様に良好な発光特性を有するものであり、静電耐圧も同程度に向上していた。このことは、従来の発光素子では、上記ｎ側クラッド層の組成、すなわちＡｌ混晶比が高くなれば、その静電耐圧は大きく低下（１００Ｖ未満）する傾向にあったが、それを大幅に改善できたことを示すものである。
【００５４】
［実施例３］
下地層がアンドープのＧａＮを有していないことを除いて実施例１と同様にして発光素子を形成した。得られた発光素子は、実施例１に比べて僅かに劣るものの良好な発光特性を有するものであった。また、実施例１に比べ素子特性のばらつきが多くなっていた。
【００５５】
［実施例４］
実施例１と同様にしてサファイアの上に下地層を形成した後、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮ３μｍからなるｎ側コンタクト層、アンドープＧａＮ０．１５μｍからなるｎ側クラッド層、アンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層を３０Åの膜厚で成長させた活性層、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を積層した後、実施例１と同様にして、ｎ，ｐ電極を形成し、発光素子を形成した。得られた発光素子は、従来に比べて発光特性が向上しており、また素子のばらつきも少なく、歩留まりも向上した。
【００５６】
［比較例１］
下地層として、ＭｇドープＧａＮ層を形成せずに、バッファ層に直接アンドープＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で成長させたものを下地層として用いる以外は、実施例１と同様にして、窒化物半導体発光素子を得た。得られた発光素子は、静電耐圧が７５Ｖと非常に低く、その製造において素子破壊されているものもあった。また、ウェーハ当たりの素子のばらつきが多く、製造歩留まりを低下させるものであった。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板は、従来にない良好な結晶性、表面の平坦性を比較的簡略化された製造により形成されるため、それにより得られる素子も素子特性が向上している。
【００５８】
また、本発明の下地層は従来と異なり、ウェーハ全体の広い領域において、均一な表面の形成が可能であり、製造歩留まりも向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板を説明する模式断面図。
【図２】本発明に係る窒化物半導体基板を説明する模式断面図。
【図３】本発明に係る窒化物半導体基板を説明する模式断面図。
【図４】従来の基板を説明する模式図。
【図５】本発明の一実施例に係る発光素子の模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・・異種基板
２・・・・・バッファ層
３・・・・・第１窒化物半導体下地層（ｐ型不純物ドープ）
４・・・・・第２窒化物半導体下地層（アンドープ）
５・・・・・第１窒化物半導体素子層（ｎ型不純物ドープ）
６・・・・・第２窒化物半導体素子層（ＡｌＧａＮ）
１０・・・・下地層
１１・・・・素子構造
１２・・・・従来の窒化物半導体の下地層
１３・・・・ウェーハ
１４・・・・白濁領域
１５・・・・オリエンテーションフラット面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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