(57)【要約】【課題】  アモルファス状の低温バッファ層を形成することなく、直接窒化物半導体のａ軸とｃ軸の両方が揃った単結晶層を基板上に形成し、その単結晶層上に窒化物半導体層がエピタキシャル成長された窒化物半導体発光素子やトランジスタ素子などの窒化物半導体素子、およびその窒化物半導体単結晶層を直接成長する方法を提供する。【解決手段】  窒化物半導体が格子整合しない基板１上に窒化物半導体層３が成長される場合に、基板１上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなりａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層２が直接設けられ、その単結晶の緩衝層２上に窒化物半導体層３がエピタキシャル成長されている。この単結晶の緩衝層は、ＰＬＤ法を用いることにより形成することができる。【選択図】        図１
2006210578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体が格子整合しない基板と、該基板上に成長される窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、前記基板上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層が直接設けられ、該単結晶の緩衝層上に前記窒化物半導体層がエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
サファイア基板と、該サファイア基板上に成長される窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、窒化処理により前記サファイア基板の表面に窒化アルミニウム膜が形成され、該窒化アルミニウム膜上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層が直接設けられ、該単結晶の緩衝層上に前記窒化物半導体層がエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記単結晶の緩衝層上に成長される窒化物半導体が発光ダイオードまたはレーザダイオードの発光層を形成するように積層され、窒化物半導体発光素子を構成する請求項１または２記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
窒化物半導体が格子整合しない基板に窒化物半導体結晶層を成長する方法であって、前記基板の表面にＰＬＤ法を用いてＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層を成長し、該単結晶の緩衝層上に窒化物半導体結晶層を気相成長することを特徴とする窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項５】
前記基板としてサファイア基板を用い、プラズマにより精製したラジカル窒素を前記サファイア基板に照射し、またはＮを含む反応性ガス雰囲気中で前記サファイア基板をアニール処理することにより、前記サファイア基板表面に窒化膜を形成し、該窒化膜上に前記単結晶の緩衝層を成長する請求項４記載の窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項６】
前記基板温度を５００〜１０００℃に上昇させて、前記単結晶の緩衝層の成長を行う請求項４または５記載の窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項７】
前記窒化物半導体結晶層の気相成長を、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法によって行う請求項４ないし６のいずれか１項記載の窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項８】
請求項４ないし７のいずれか１項記載の窒化物半導体結晶層の成長方法において、前記窒化物半導体結晶層を、ｎ形層およびｐ形層を含み発光層を形成するように積層することにより発光素子を形成する窒化物半導体発光素子の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオードなどの発光素子、ＨＥＭＴなどのトランジスタ素子など、窒化物半導体結晶層を用いた半導体素子およびその窒化物半導体結晶層の成長方法に関する。さらに詳しくは、窒化物半導体を、その窒化物半導体と格子整合しない基板に成長する場合でも、結晶性の優れた窒化物半導体結晶層をエピタキシャル成長する方法およびその窒化物半導体結晶層を用いた窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体を用いた青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオードなどの窒化物半導体発光素子が実用化されている。この窒化物半導体層は、ホモ成長基板となるＧａＮ基板が、非常に高価であるため、サファイアやＳｉＣといった窒化物半導体とは格子整合しない基板上に成長されることが多い。ここに窒化物半導体と格子整合しない基板とは、（窒化物半導体と基板とのａ軸方向の格子定数の差）／（窒化物半導体のａ軸方向格子定数）≧０.５％の関係となる基板を意味する。そのため、たとえばサファイア基板上に、結晶成長する温度より低い低温で、アモルファス状のＡｌＧａＮ系化合物（ＡｌとＧａとの混晶比を種々変化し得ることを意味する、以下同じ）などからなる低温バッファ層を形成し、その上に結晶成長する高温で窒化物半導体結晶層をＭＯＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長させて形成する方法が知られている。
【０００３】
この低温バッファ層を設けてから窒化物半導体層をエピタキシャル成長する方法としては、たとえばＭＯＣＶＤ法による同一反応炉内で、窒化物半導体の単結晶薄膜を得るのに必要な結晶成長温度（たとえば１０２０℃）よりも低い温度（たとえば５００℃）でアモルファス状のＡｌＧａＮ系化合物層を堆積し、その後に結晶成長に適した温度にまで昇温し、この過程でできる小さい結晶化した核を種に結晶を成長させるものである（たとえば特許文献１参照）。また、別の方法としては、スパッタリング法など、有機金属化合物を用いない方法でアモルファス状の窒化物半導体層を形成し（たとえば４３０℃）、水素ガスとアンモニアガスとの混合ガスの雰囲気下で熱処理をし（１０００〜１２５０℃）、その後に、窒化物半導体層を成長する方法（たとえば特許文献２参照）も知られている。
【特許文献１】特開平４−２９７０２３号公報
【特許文献２】特開２０００−２８６２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、従来の窒化物半導体結晶層の成長は、窒化物半導体と格子整合しない基板上に成長するため、基板上に、まずアモルファス状の低温バッファ層を形成してからエピタキシャル成長する温度まで基板温度を上昇して、低温バッファ層に結晶化した核を形成し、その核を種として窒化物半導体層をエピタキシャル成長するものである。そのため、完全な単結晶層上に高温で窒化物半導体層をエピタキシャル成長するものではなく、その上に成長する窒化物半導体層に結晶欠陥が生じやすいという問題があり、発光素子を形成しても、しきい値電流の上昇などにより内部量子効率の低下の原因になりやすい。
【０００５】
さらに、前述の同一反応炉内で低温バッファ層と高温のエピタキシャル成長を行うと、空気中に基板を取り出すことなく結晶層の成長を行うことができるため、バッファ層とエピタキシャル成長層とを連続して形成することができるというメリットがある反面、２００〜１１００℃程度の広範囲の温度制御をすることができる装置構成が必要であり、加熱機構が大掛かりになり、装置が高価になるという問題がある。また、前述のスパッタリングにより低温バッファ層を形成する方法では、ターゲットに発生する自己バイアスにより、数十ｅＶといった高いエネルギーをもつ粒子が発生し、基板にダメージを与えるため、空隙や柱状構造などの特殊な欠陥を有する膜しか作れなく、その欠陥が、その上に成長する窒化物半導体層に貫通転位として現れ、同様に結晶性の優れた窒化物半導体層をエピタキシャル成長することができないという問題がる。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、アモルファス状の低温バッファ層を形成することなく、直接窒化物半導体のａ軸とｃ軸の両方が揃った単結晶層の緩衝層を窒化物半導体と格子整合しない基板（基板表面に窒化処理などにより窒化膜が形成されたものも含む、以下同じ）上に直接形成し、その単結晶層の緩衝層上に窒化物半導体層がエピタキシャル成長された窒化物半導体発光素子やトランジスタ素子などの窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、サファイア基板など、窒化物半導体と格子整合しない基板表面に、ａ軸およびｃ軸の揃った窒化物半導体単結晶層を直接成長する窒化物半導体層の成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、窒化物半導体と格子整合しない基板に窒化物半導体を積層する場合に、結晶欠陥や転位の少ない窒化物半導体をエピタキシャル成長するため鋭意検討を重ねた結果、サファイアのような窒化物半導体と格子整合しない基板であっても、ＰＬＤ（Plasma Laser Deposition）法のように、昇華した飛散物を自由に飛散させながら基板表面に付着し、たとえば基板温度を飛散してきた原子が自由に動き得るように５００〜１０００℃程度に上昇させておくことにより、ｃ軸のみならずａ軸も揃った単結晶層を成長し得ることを見出した。そして、ｃ軸およびａ軸の揃った単結晶の緩衝層を格子整合しない基板上に形成しておくことにより、その上にＭＯＣＶＤ法などの気相成長法によりさらに窒化物半導体層をエピタキシャル成長すると、結晶欠陥や転位の少ない窒化物半導体結晶層を成長することができることを見出した。
【０００９】
ここに窒化物半導体とは、III族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物(窒化物)からなる半導体をいう。
【００１０】
本発明による窒化物半導体素子は、窒化物半導体が格子整合しない基板と、該基板上に成長される窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、前記基板上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層が直接設けられ、該単結晶の緩衝層上に前記窒化物半導体層がエピタキシャル成長されている。
【００１１】
サファイア基板の表面に、窒化処理により窒化アルミニウム膜が形成され、該窒化アルミニウム膜上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる同様の単結晶の緩衝層が直接設けられる構造にすることにより、ＰＬＤによるＧａＮ成長などで成長させるＧａＮ膜の極性を制御することができ、電気的、光学的に特性のよいＧａ極性膜を作ることができる。
【００１２】
前記単結晶の緩衝層上に成長される窒化物窒化物半導体が発光ダイオードまたはレーザダイオードの発光層を形成するように積層され、窒化物半導体発光素子を構成することにより、内部量子効率の優れた窒化物半導体発光素子が得られる。
【００１３】
本発明による窒化物半導体結晶層の成長方法は、窒化物半導体が格子整合しない基板に窒化物半導体結晶層を成長する方法であって、前記基板の表面にＰＬＤ法を用いてＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層を成長し、該単結晶の緩衝層上に窒化物半導体結晶層を気相成長することを特徴とする。
【００１４】
前記基板としてサファイア基板を用い、プラズマにより精製したラジカル窒素を前記サファイア基板に照射し、またはＮを含む反応性ガス雰囲気中で前記サファイア基板をアニール処理することにより、前記サファイア基板表面に窒化膜を形成し、該窒化膜上に前記単結晶の緩衝層を成長することにより、窒化物半導体の残留キャリアが減少し、移動度の大きい窒化物半導体層が得られる。
【００１５】
前記基板温度を５００〜１０００℃に上昇させて、前述のＰＬＤ法により、前記単結晶の緩衝層の成長を行うことにより、格子整合をしない基板表面に窒化物半導体層の単結晶層を成長させることができる。
【００１６】
前記窒化物半導体結晶層の気相成長を、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法によって行うこり、成長層の組成を厳密に制御しやすいと共に、成長層の組成を小刻みに変化させる場合でも、ターゲットを一々変えることなく、簡単に組成制御をすることができるため好ましい。
【００１７】
請求項４ないし７のいずれか１項記載の窒化物半導体結晶層の成長方法において、前記窒化物半導体結晶層を、ｎ形層およびｐ形層を含み発光層を形成するように積層することにより窒化物半導体発光素子が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
窒化物半導体層は、一般に格子整合しないサファイア基板やＳｉＣなどに成長されることが多いが、本発明によれば、基板表面に直接ＡｌＧａＩｎＮ系化合物の単結晶の緩衝層が設けられているため、その上に積層される窒化物半導体層は、結晶欠陥や転位の少ない、非常に結晶性の優れた半導体層としてエピタキシャル成長されている。その結果、キャリアの移動度の大きい窒化物半導体層となり、半導体発光素子であれば、しきい値の低下や内部量子効率を大幅に向上させることができ、ＨＥＭＴなどのトランジスタではリーク電流や耐圧の特性が向上する。
【００１９】
また、本発明によれば、基板表面（基板の窒化処理により基板表面に窒化膜が形成された場合の窒化膜表面を含む）に直接単結晶の窒化物半導体層（緩衝層）を形成するのに、ＰＬＤ法を用いているため、非常に結晶性の優れた窒化物半導体単結晶の緩衝層を成長することができる。すなわち、スパッタリングの場合には、前述のように、ターゲットに発生する自己バイアスにより、数十ｅＶといった高いエネルギーをもつ粒子が発生し、基板にダメージを与えるが、ＰＬＤ法では、レーザをターゲットに照射することにより、ターゲットの構成物質を昇華させて飛散させ、基板表面に付着させる。このレーザの照射により飛散した原子は、加速電場がないため、入射レーザのエネルギーを超えることはなく、基板上に堆積する。そのため、基板温度を窒化物の構成元素が自由に動き得る温度に上昇させておくことにより、窒化物のａ軸およびｃ軸が自然に揃った単結晶の状態で成長させることができる。その結果、窒化物と格子整合のとれない基板の表面でも直接単結晶の状態で成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
つぎに、図面を参照しながら本発明の窒化物半導体素子および窒化物半導体結晶層の成長方法について説明をする。本発明による窒化物半導体素子は、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、窒化物半導体が格子整合しない基板１上に、窒化物半導体層３が成長される場合に、基板１上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層２が直接設けられ、その単結晶の緩衝層２上に窒化物半導体層３がエピタキシャル成長されている。
【００２１】
基板１としては、窒化物半導体と格子整合をしない材料からなるバルクの基板で、たとえばサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどからなる各種の基板を用いることができる。すなわち、ＧａＮ基板であればこのような単結晶の緩衝層を形成しなくても、直接結晶性の優れた窒化物半導体層をエピタキシャル成長することができるが、ＧａＮ基板以外の基板では、たとえばサファイアとＧａＮとは、ａ軸の格子定数が１４％程度異なり、また、ＳｉＣでも、ＧａＮとの間に３％程度の格子不整合があり、０.５％より遥かに大きく窒化物半導体と格子整合しない。本発明は、このような０.５％以上のズレを有する格子整合しない基板を用いても結晶性の優れた窒化物半導体層を成長することができることに特徴があり、このような窒化物化合物半導体と格子整合しない基板を用いることに意義がある。
【００２２】
この基板１の表面に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層２が直接設けられている。すなわち、従来の窒化物半導体層をサファイアやＳｉＣなどの窒化物半導体とは格子整合しない基板上にエピタキシャル成長するには、４００〜５００℃程度の低温で、まず、アモルファスの窒化物半導体層からなる低温バッファ層を形成し、その後６００℃以上の高温に上昇させて核を形成し、その核を種としてエピタキシャル成長するが、本発明では、直接基板１の表面にＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層を単結晶成長していることに特徴がある。この窒化物単結晶の緩衝層２は、ＧａＮでも、ＡｌＧａＮ系化合物でも、ＡｌＮでも、ＩｎＧａＮ系化合物でも主として成長する窒化物半導体層と格子整合しやすい窒化物半導体層により形成することができる。
【００２３】
このような窒化物半導体単結晶の緩衝層２を格子整合しない基板上に形成するには、前述のように、ＰＬＤ法を用いることにより単結晶の緩衝層２を成長するこことができ、たとえば図３にＰＬＤ法の概念説明図が示されるように、チャンバ内圧力が１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の真空チャンバ（図示せず）内に基板１とターゲット６とを対向配置し、基板１を加熱源９上に載置して、基板温度を５００〜１０００℃程度、さらに好ましくは、７００〜９００℃程度の高温に維持し、たとえば発振波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザからなるレーザ光７を、真空チャンバの石英窓からターゲット６に照射することにより、ターゲット６の材料が昇華（アブレーション）してブルーム８が形成され、昇華した原子が基板１の表面に付着し、単結晶の緩衝層２を成長することができる（そのため、このＰＬＤ法はレーザアブレーション法と呼ばれることもある）。
【００２４】
ターゲットとしては、たとえばＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ系化合物、ＩｎＧａＮ系化合物などの焼結体を用いることができ、一般的には、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成で、この単結晶の緩衝層上に成長する窒化物半導体結晶層の組成に応じて定めることができる。この場合、Ｉｎは入りにくい物質であるため、組成が変動しやすいことに注意する必要がある。また、ＧａＮ層の単結晶薄膜を形成する場合には、このような焼結体をターゲットとするのではなく、Ｇａメタルをターゲットにして、アンモニアまたは窒素プラズマのガス雰囲気で昇華させることによってもＧａＮ単結晶の緩衝層を成長することができる。
【００２５】
前述の焼結体で単結晶の緩衝層を成長する場合、具体的には、たとえばサファイア基板をロードロック室に入れ、まず、４００℃程度の温度で５〜１０分程度加熱し、余分な水分などを飛ばす。そして、チャンバ内に基板１を搬送し、基板温度を７００〜９００℃に設定する。なお、ＡｌＮを成長する場合には、ＧａＮの場合よりも１００〜２００℃程度基板温度を高くした方が好ましい。そして、ＫｒＦエキシマレーザ光７をターゲット６に照射することにより、たとえばターゲット６のＧａＮが昇華し、サファイア基板１の表面に堆積して単結晶の緩衝層２を形成することができる。成長時間を長くすれば、所望の厚さだけ厚い単結晶層を成長することができる。
【００２６】
この場合、ＧａＮは窒素空孔を形成しやすいため、Ｎを補給した方が高品質の膜を形成しやすい。Ｎの補給方法としては、チャンバ内に窒素ガスを入れる方法、アンモニアガスを入れる方法、窒素プラズマを用いる方法がある。窒素ガス、アンモニアガスの場合は、チャンバ内にマスフローコントローラで直接導入すれば、その量を制御することができ、窒素プラズマの場合は、ＲＦプラズマでガスを活性化するラジカルセルを使用する。いずれの場合も、成長中のチャンバ内圧力が１×１０-3Ｔｏｒｒ程度以上（真空度が悪くなること）にならないように抑制した方が好ましい。
【００２７】
このようにして形成されたＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮからなる単結晶の緩衝層上に、気相成長法により半導体素子を形成し得るように、単層または複層の窒化物半導体層を成長する。気相成長法としては、ＰＬＤ法によりそのまま続けて成長することもできるが、導電形の異なる半導体層や組成の異なる半導体層を連続して成長するためには、その都度ターゲットを変更する必要があるため、とくに半導体発光素子のように、異なる組成の半導体層を積層するような場合には、原材料を同一装置内で簡単に変更しやすいＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法またはＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法を用いることが好ましい。しかし、その他のＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＰＬＤ法などの他の気相成長法でも構わない。
【００２８】
ＰＬＤ法は、スパッタリング法よりもターゲット組成と薄膜組成のズレが小さく、しかもスパッタリング法と異なり、自己バイアスによる高いエネルギーをもった粒子が発生しないため、結晶薄膜を成長できるという性質を有している。さらに、ＰＬＤ法は、物理蒸着に近い方法であり、昇華材料の中にＧａＮ分子も存在するため、サファイア基板のような、ＧａＮにとって濡れ性の悪い材料でも容易に成膜することができるし、装置を高真空に保ったままの成長もできるため、窒化物半導体と格子整合しない基板表面に、低温バッファ層を形成することなく、直接窒化物半導体層を単結晶成長することができる。
【００２９】
図２は、本発明による窒化物半導体素子の他の実施形態を示す図１と同様の断面説明図である。この例は、サファイア基板１の表面を窒化処理して、基板表面を窒化膜層としたもので、窒化アルミニウム膜４を介して単結晶の緩衝層２が堆積されている。具体的には、基板１がサファイア基板の場合、アンモニアガス中で、７００〜１３００℃程度の熱処理をすることにより、または、サファイア基板に２００℃程度でプラズマ窒素を照射することにより、サファイア基板１の表面を薄いＡｌＮ膜の単結晶層とすることができる。
【００３０】
このようなＡｌＮ膜が基板１の表面に形成されると、この上に成長するＧａＮ層などの極性を制御することができ、膜質を向上させることができる。すなわち、一般にＧａＮは、ＭＯＣＶＤ法ではＧａ極性となりやすく、この極性であると残留キャリアが低下し、移動度が向上するため好ましいが、ＰＬＤ法では、Ｎ極性となりやすく、その上にＭＯＣＶＤ法で成長してもＮ極性となりやすい。しかし、ＡｌＮ膜を形成することにより、ＰＬＤ法で成長しても、Ｇａ極性となり、その上に成長するＧａＮ系化合物層もＧａ極性となるからである。
【００３１】
つぎに、窒化物半導体素子の具体例として、窒化物半導体発光素子の例を説明する。図４に示される例はＬＥＤの例で、サファイア基板１の表面に、前述の方法によりアンドープのＧａＮからなる単結晶の緩衝層２が形成され、さらにＭＯＣＶＤ装置によりアンドープで、半絶縁性のＧａＮからなる高温バッファ層１３が１〜３μｍ程度、その上に障壁層(バンドギャップエネルギーの大きい層)となるＳｉをドープしたＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｎ形層１４が１〜５μｍ程度、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 (ＭＱＷ)構造の活性層１５が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｐ形障壁層(バンドギャップエネルギーの大きい層)１６ａとｐ形ＧａＮからなるコンタクト層１６ｂとによるｐ形層１６とが合せて０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより半導体積層部１７が形成されている。
【００３２】
半導体積層部１７上には、たとえばＺｎＯなどからなり、ｐ形半導体層１６とオーミックコンタクトをとることができる透光性導電層１８が０.０１〜０.５μｍ程度設けられている。この透光性導電層１８は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯやＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。そして、透光性導電層１８上の一部に、ＴｉとＡｕとの積層構造により、ｐ側電極（上部電極）１９が形成され、半導体積層部１７の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層１４にオーミックコンタクト用のｎ側電極（下部電極）２０が、Ｔｉ-Ａｌ合金などにより形成されている。
【００３３】
なお、高温バッファ層１３はなくてもよいし、ｎ形層１４およびｐ形層１６は、共にキャリアの閉じ込め効果の点から活性層１５側にＡｌを含む層が設けられることが好ましいものの、ＧａＮ層だけでもよいし、それぞれ他の窒化物半導体層を含む２種以上の複層にすることもできる。さらに、この例では、ｎ形層１４とｐ形層１６とで活性層１５が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。さらに、前述の例では、基板としてサファイア基板を用いているため、単結晶の緩衝層２および高温バッファ層１３をアンドープで形成したが、基板１としてＳｉＣのような半導体基板が用いられる場合には、その基板の導電形に合せた導電形にするのが基板１の裏面から一方の電極を取り出すことができるため好ましい。また、前述の例では、ＬＥＤの例であったが、ストライプ状の発光領域を形成してレーザダイオードを同様に形成することもできる。
【００３４】
前述の図４に示される構造の半導体発光素子を製造するには、図１に示される単結晶の緩衝層２を形成した後に、基板をたとえば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置に入れて、キャリアガスのＨ2 と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡ)、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ4 、ｐ形にする場合のドーパントガスとしてのシクロペンタジエチルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）またはジメチル亜鉛(ＤＭＺｎ)などの必要なガスを供給して、６００〜１２００℃程度の高温で順次成長することにより、所望の組成で、所望の導電形の半導体層を所望の厚さに形成することができる。
【００３５】
図５は、前述の基板表面に窒化物半導体の単結晶の緩衝層を形成する方法を用いて、トランジスタを構成した断面説明図である。発光素子の場合と同様に、単結晶の緩衝層２が形成された基板１をＭＯＣＶＤ装置に入れ、前述と同様に必要な有機金属ガスを導入して、アンドープのＧａＮ層２３を４μｍ程度、ｎ形ＡｌＧａＮ系化合物電子走行層２４を１０ｎｍ程度、アンドープのＡｌＧａＮ系化合物層２５を５ｎｍ程度、順次成長し、ゲート長とする１.５μｍ程度の幅を残してアンドープのＡｌＧａＮ系化合物層２５をエッチング除去して電子走行層２４を露出させる。そして、エッチングにより露出した電子走行層２４上にソース電極２６とドレイン電極２７を、たとえばＴｉ膜とＡｕ膜とで形成し、アンドープのＡｌＧａＮ系化合物層２５の表面に、たとえばＰｔ膜とＡｕ膜との積層によりゲート電極２８を形成することにより、トランジスタを構成している。このような基板表面に単結晶の緩衝層２を形成して、その上にＧａＮ層を成長させることにより、非常に結晶性の優れた窒化物半導体層が得られ、リーク電流が小さく、耐圧の優れた高速のトランジスタ（ＨＥＭＴ）が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による窒化物半導体素子の一実施形態の断面説明図である。
【図２】本発明による窒化物半導体素子の他の実施形態を示す断面説明図である。
【図３】図１の単結晶の緩衝層を形成する装置の概念図を示す図である。
【図４】本発明により形成したＬＥＤの構成断面説明図である。
【図５】本発明により形成したトランジスタの構成断面説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    サファイア基板
２    単結晶の緩衝層
３    窒化物半導体結晶層
４    窒化アルミニウム膜
１３    高温バッファ層
１４    ｎ形層
１５    活性層
１６    ｐ形層
１７    半導体積層部
１８    透光性導電層
１９    ｐ側電極
２０    ｎ側電極
【図１】
2006210578.tif 000003
【図２】
2006210578.tif 000004
【図３】
2006210578.tif 000005
【図４】
2006210578.tif 000006
【図５】
2006210578.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月15日(2006.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体が格子整合しないサファイアまたはＳｉＣからなる単結晶基板と、該基板上に成長される窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、前記基板上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびｃ軸が整列した単結晶の緩衝層が直接設けられ、該単結晶の緩衝層上に前記窒化物半導体層がエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体素子。
【請求項２】
サファイア基板と、該サファイア基板上に成長される窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、窒化処理により前記サファイア基板の表面に窒化アルミニウム膜が形成され、該窒化アルミニウム膜上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列し、かつ、表面がＧａ極性に制御された単結晶の緩衝層が直接設けられ、該単結晶の緩衝層上に前記窒化物半導体層がエピタキシャル成長されてなる窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記単結晶の緩衝層上に成長される窒化物半導体が発光ダイオードまたはレーザダイオードの発光層を形成するように積層され、窒化物半導体発光素子を構成する請求項１または２記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
窒化物半導体が格子整合しないサファイアまたはＳｉＣからなる単結晶基板に窒化物半導体結晶層を成長する方法であって、前記基板温度を７００〜９００℃に上昇させて、該基板の表面にＰＬＤ法を用い、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびｃ軸が整列した単結晶の緩衝層を成長し、該単結晶の緩衝層上に窒化物半導体結晶層を気相成長することを特徴とする窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項５】
前記基板としてサファイア基板を用い、プラズマにより精製したラジカル窒素を前記サファイア基板に照射し、またはＮを含む反応性ガス雰囲気中で前記サファイア基板を７００〜１３００℃でアニール処理することにより、前記サファイア基板表面に窒化膜を形成し、該窒化膜上に、表面がＧａ極性に制御された単結晶の緩衝層を成長し、該単結晶層上に前記窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長する請求項４記載の窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項６】
前記ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮの緩衝層を成長する際に、成長中のチャンバ内の圧力が１×１０-3Ｔｏｒｒ以上とならないように、チャンバ内に窒素ガス、アンモニアガスおよび窒素プラズマのいずれかをチャンバ内に供給してＮを補給しながら行う請求項４または５記載の窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項７】
前記窒化物半導体結晶層の気相成長を、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法によって行う請求項４記載の窒化物半導体結晶層の成長方法。
【請求項８】
請求項４ないし７のいずれか１項記載の窒化物半導体結晶層の成長方法において、前記窒化物半導体結晶層を、ｎ形層およびｐ形層を含み発光層を形成するように積層することにより発光素子を形成する窒化物半導体発光素子の製法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明による窒化物半導体素子は、窒化物半導体が格子整合しないサファイアまたはＳｉＣからなる単結晶基板と、該基板上に成長される窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子であって、前記基板上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびc軸が整列した単結晶の緩衝層が直接設けられ、該単結晶の緩衝層上に前記窒化物半導体層がエピタキシャル成長されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
サファイア基板の表面に、窒化処理により窒化アルミニウム膜が形成され、該窒化アルミニウム膜上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、表面がＧａ極性に制御された同様の単結晶の緩衝層が直接設けられる構造にすることにより、ＰＬＤによるＧａＮ成長などで成長させるＧａＮ膜の極性を制御することができ、電気的、光学的に特性のよいＧａ極性膜を作ることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明による窒化物半導体結晶層の成長方法は、窒化物半導体が格子整合しないサファイアまたはＳｉＣからなる単結晶基板に窒化物半導体結晶層を成長する方法であって、前記基板温度を７００〜９００℃に上昇させて、該基板の表面にＰＬＤ法を用い、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、該ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのａ軸およびｃ軸が整列した単結晶の緩衝層を成長し、該単結晶の緩衝層上に窒化物半導体結晶層を気相成長することを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
前記基板としてサファイア基板を用い、プラズマにより精製したラジカル窒素を前記サファイア基板に照射し、またはＮを含む反応性ガス雰囲気中で前記サファイア基板を７００〜１３００℃でアニール処理することにより、前記サファイア基板表面に窒化膜を形成し、該窒化膜上に、表面がＧａ極性に制御された単結晶の緩衝層を成長し、該単結晶層上に前記窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長することにより、窒化物半導体の残留キャリアが減少し、移動度の大きい窒化物半導体層が得られる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
前記ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮの緩衝層を成長する際に、成長中のチャンバ内の圧力が１×１０-3Ｔｏｒｒ以上とならないように、チャンバ内に窒素ガス、アンモニアガスおよび窒素プラズマのいずれかをチャンバ内に供給してＮを補給しながら前記単結晶の緩衝層の成長を行うことにより、格子整合をしない基板表面に窒化物半導体層の単結晶層を成長させることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
このような窒化物半導体単結晶の緩衝層２を格子整合しない基板上に形成するには、前述のように、ＰＬＤ法を用いることにより単結晶の緩衝層２を成長することができ、たとえば図３にＰＬＤ法の概念説明図が示されるように、チャンバ内圧力が１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の真空チャンバ（図示せず）内に基板１とターゲット６とを対向配置し、基板１を加熱源９上に載置して、基板温度を５００〜１０００℃程度、さらに好ましくは、７００〜９００℃程度の高温に維持し、たとえば発振波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザからなるレーザ光７を、真空チャンバの石英窓からターゲット６に照射することにより、ターゲット６の材料が昇華（アブレーション）してブルーム８が形成され、昇華した原子が基板１の表面に付着し、単結晶の緩衝層２を成長することができる（そのため、このＰＬＤ法はレーザアブレーション法と呼ばれることもある）。