(57)【要約】【課題】  サファイア基板上に低温緩衝層を介してＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成しようとしても、画一的な配向性を有するＧａＮ系半導体層を充分に安定してもたらすことができない問題点を解決する。【解決手段】  本発明では、サファイア基板１００上に設ける、基板１００と接合する領域に単結晶層を備えた低温緩衝層１０１にあって、その単結晶層を、サファイアの［２．−１．−１．０．］方向に、［１．０．−１．０．］方向を平行にして画一的な方向に配向したＧａをＡｌに比べて富裕に含む六方晶のＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）単結晶から構成する、ことを特徴としている。【選択図】  図１
2006024903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイアを基板とし、該サファイア基板の（０００１）Ｃ面と接合する領域に、アズ・グローンの単結晶体を備えた、アルミニウムよりもガリウムを主体的に含むＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）系ＩＩＩ族窒化物材料からなる低温緩衝層が設けられ、その低温緩衝層上に形成された窒化ガリウム系半導体層を含んでなる窒化ガリウム系半導体積層構造体であって、
前記低温緩衝層には、サファイアの（０００１）底面格子の［２．−１．−１．０．］方向に対し、［１．０．−１．０．］方向を平行として配向した、アズ・グローンの単結晶体が主体的に備えられていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体積層構造体。
【請求項２】
前記低温緩衝層と該低温緩衝層に積層された活性層との間に、インジウムまたはアルミニウムを含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層が設けられている、ことを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
【請求項３】
前記インジウムまたはアルミニウムを含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層の層厚が、２ｎｍ以上で１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
【請求項４】
前記低温緩衝層と該低温緩衝層に積層された前記活性層との間に、前記インジウムまたはアルミニウムを含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層を含んで超格子構造層が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
【請求項５】
前記インジウムまたはアルミニウムを含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層か、または、そのＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層を含む前記超格子構造層が前記低温緩衝層上に設けた窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層と前記活性層との間に設けられ、
前記窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層が
組成式：ＡｌαＧａβＩｎ１−α−βＮ
（０≦α，β≦１、０≦α＋β≦１）
とされていることを特徴とする請求項２から４のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
【請求項６】
前記インジウムまたはアルミニウムを含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層の配向が、前記低温緩衝層に内包されるアズ・グローンの単結晶体の配向方向と同一であることを特徴とする請求項２から５のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
【請求項７】
サファイアを基板とし、該サファイア基板の（０００１）Ｃ面と接合する領域に、アズ・グローンの単結晶体を備えた、アルミニウムよりもガリウムを主体的に含むＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）系ＩＩＩ族窒化物材料からなる低温緩衝層を設け、その低温緩衝層上に窒化ガリウム系半導体層を形成する窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法であって、
前記サファイア基板の（０００１）表面上に、該サファイア基板と接合する領域にサファイアの（０００１）底面格子の［２．−１．−１．０．］方向に対し、［１．０．−１．０．］方向を平行として配向した、アズ・グローンの単結晶体を主体的に配置させて低温緩衝層を形成する、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
【請求項８】
前記サファイア基板の（０００１）表面上に、３５０℃以上４５０℃以下の範囲の温度で、前記低温緩衝層を形成することを特徴とする請求項７記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
【請求項９】
前記サファイア基板の（０００１）表面上に、成長速度を毎分１ｎｍ以上で３ｎｍ以下として前記低温緩衝層を形成することを特徴とする請求項７または８記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
【請求項１０】
前記サファイア基板の（０００１）表面上に、前記低温緩衝層の成長反応系へ供給するガリウムやアルミニウム等のＩＩＩ族元素原料の単位時間での供給量を調整することにより、前記低温緩衝層の成長速度を毎分１ｎｍ以上で３ｎｍ以下として制御することを特徴とする請求項９記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
【請求項１１】
前記低温緩衝層を形成した段階において、該低温緩衝層において前記サファイア基板と接合する領域に主体的に配置させるアズ・グローンの単結晶体の厚みが、少なくとも１ｎｍ以上とされることを特徴とする請求項７から１０のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
【請求項１２】
請求項１から６のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体、または、請求項７から１１のいずれか記載の製造方法記載により製造された窒化ガリウム系半導体積層構造体を設けてなることを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配向性に優れる窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から積層構造体を構成するために有用となる低温で形成する緩衝層の構成要件、及びその積層構造体を利用した化合物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、立方晶閃亜鉛鉱（ｚｉｎｃ  ｂｌｅｎｄｅ）結晶型またはウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型の窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、例えば、短波長可視発光素子を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照）。また、窒化ガリウム系半導体素子を作製するための積層構造体は、例えば、サファイア（α−Ａｌ２Ｏ３単結晶）やガーネット（ｇａｒｎｅｔ）固体体単結晶などの耐熱性の高いアルミニウムの酸化物単結晶を基板として作製されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
しかしながら、サファイア等のアルミニウム酸化物からなる単結晶基板と窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体材料との格子定数は大きく異なる。このため、窒化ガリウム系半導体素子を作製するに利用する積層構造体は、基板上に緩衝層を介して形成するのが一般となっている。格子の不整合性を緩和するための緩衝層は、従来から、比較的に低温で成膜されているため、低温緩衝層と称されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
低温緩衝層は、例えば、窒化ガリウム（例えば、特許文献３参照）から形成されている。これらの低温緩衝層は、基板結晶との格子のミスマッチ性を緩和するために、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質或いは多結晶から構成されているのが好ましいとされている（例えば、特許文献３参照）。また、一方で、基板結晶との接合領域をａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で単結晶とする層から低温緩衝層を構成する技術も開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平２−２８８３８８号公報
【特許文献２】特開平７−２８８２３１号公報
【特許文献３】特開平８−２５５９２６号公報
【特許文献４】特開平１０−３２１９０５号公報
【非特許文献１】赤崎  勇著、「ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体」、１９９５年５月２０日、（株）培風館発行、初版、１３章。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、サファイア基板に表面に形成される低温緩衝層にあっては、その内部に含まれる単結晶層のサファイア基板の表面での配向が充分に画一的ではないために、その上に、配向性の揃った単結晶性に優れるＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成できない問題が残っている。
【０００６】
本発明は、基板との接合界面近傍の領域を単結晶層とするＡｌＸＧａＹＮ（０＜Ｘ，Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＝１）低温緩衝層にあって、その上方に単結晶性に優れる窒化ガリウム系半導体層を成長させるに好都合となる様に、低温緩衝層に内包される単結晶層が備えるべき結晶構成を提示することを目的とする。また、その結晶構成からなる単結晶層を備えた低温緩衝層を利用して形成した単結晶性に優れるＧａＮ系窒化物半導体層からなる積層構造体を提供し、しいては、その積層構造体を用いて特性に優れる化合物半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用した。
（１）  サファイアを基板とし、該サファイア基板の（０００１）Ｃ面と接合する領域に、アズ・グローン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）の単結晶体を備えた、アルミニウム（Ａｌ）よりもガリウム（Ｇａ）を主体的に含むＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）系ＩＩＩ族窒化物材料からなる低温で成長した低温緩衝層が設けられ、その低温緩衝層上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体層を含んでなる窒化ガリウム系半導体積層構造体であって、前記低温緩衝層には、サファイアの（０００１）底面格子の［２．−１．−１．０．］方向に対し、［１．０．−１．０．］方向を平行として配向した、アズ・グローンの単結晶体が主体的に備えられている、窒化ガリウム系半導体積層構造体であることを特徴としている。
（２）  前記低温緩衝層と該低温緩衝層に積層された活性層との間に、インジウム（Ｉｎ）、またはアルミニウム（Ａｌ）を含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層が設けられていることを特徴とする前記（１）記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
（３）  前記ＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層の層厚が、２ｎｍ以上で１００ｎｍ以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
（４）前記低温緩衝層と該低温緩衝層に積層された活性層との中間に、インジウム（Ｉｎ）、またはアルミニウム（Ａｌ）を含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層を含む超格子構造層が設けられていることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
（５）  前記インジウム（Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層か、または、そのＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層を含む前記超格子構造層が前記低温緩衝層上に設けた窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層と前記活性層との間に設けられ、
前記窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム層が
組成式：ＡｌαＧａβＩｎ１−α−βＮ
（０≦α，β≦１、０≦α＋β≦１）
とされていることを特徴とする前記（２）から（４）のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
（６）  インジウム（Ｉｎ）、またはアルミニウム（Ａｌ）を含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層の配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）が、前記低温緩衝層に内包される単結晶層の配向方向と同一であることを特徴とする前記（２）から（５）のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体。
【０００８】
（７）  サファイアを基板とし、該サファイア基板の（０００１）Ｃ面と接合する領域に、アズ・グローンの単結晶体を備えた、アルミニウムよりもガリウムを主体的に含むＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）系III族窒化物材料からなる低温緩衝層を設け、その低温緩衝層上に窒化ガリウム系半導体層を形成する窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法であって、
前記サファイア基板の（０００１）表面上に、該サファイア基板と接合する領域にサファイアの（０００１）底面格子の［２．−１．−１．０．］方向に対し、［１．０．−１．０．］方向を平行として配向した、アズ・グローンの単結晶体を主体的に配置させて低温緩衝層を形成する、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
（８）  前記サファイア基板の（０００１）表面上に、３５０℃以上４５０℃以下の範囲の温度で、前記低温緩衝層を形成することを特徴とする前記（７）記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
（９）  前記サファイア基板の（０００１）表面上に、成長速度を毎分１ｎｍ以上で３ｎｍ以下として前記低温緩衝層を形成することを特徴とする前記（７）または（８）記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
（１０）  前記サファイア基板の（０００１）表面上に、前記低温緩衝層の成長反応系へ供給するガリウムやアルミニウム等のＩＩＩ族元素原料の単位時間での供給量を調整することにより、前記低温緩衝層の成長速度を毎分１ｎｍ以上で３ｎｍ以下として制御することを特徴とする前記（９）記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
（１１）  前記低温緩衝層を形成した段階において、該低温緩衝層において前記サファイア基板と接合する領域に主体的に配置させるアズ・グローンの単結晶体の厚みが、少なくとも１ｎｍ以上とされることを特徴とする前記（７）から（１０）のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体の形成方法。
（１２）  前記（１）から（６）のいずれか記載の窒化ガリウム系半導体積層構造体、または、前記（７）から（１１）の何れか記載の製造方法記載により製造された窒化ガリウム系半導体積層構造体を設けてなることを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子。
【０００９】
本発明のように、低温緩衝層の内部に、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で、サファイア基板の表面と接合をなす領域に設けられた単結晶層は、低温緩衝層上に堆積されるＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層の配向を画一的に統一させる作用を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に依れば、サファイアを基板とし、該サファイア基板の（０００１）面と接合する近傍の領域をアズ・グローン状態で単結晶層とするとともに低温で成長させた、ＩＩＩ族窒化物材料からなる低温緩衝層が設けられ、その低温緩衝層上に形成された窒化ガリウム系半導体層を備えてなる窒化ガリウム系半導体積層構造体に於いて、上記の基板の表面領域に、アズ・グローン状態で、サファイアの［２．−１．−１．０．］方向に、［１．０．−１．０．］方向を平行とする、配向が画一的に揃った、六方晶のＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）結晶から構成されている単結晶体を備えた低温緩衝層を介して形成したＧａＮ系半導体層を利用して積層構造体を構成することとしたので、画一的な配向を有する単結晶性に優れるＧａＮ系半導体層から積層構造体を構成できる利点がある。
【００１１】
また、本発明に依れば、規定した成長温度に於いて、規定された成長速度で、ガリウムをアルミニウムより富裕に含む単結晶体を備えた低温緩衝層を形成することとしたので、基板をなすサファイアの特定の結晶方向に対して画一的に配向した単結晶層を形成することができ、ひいては、その上に、これまた画一的な配向性を有するＧａＮ系半導体単結晶層を形成するに優位である。また、その様な配向の揃った単結晶性に優れる積層構造体を利用すれば、例えば、逆方向の耐電圧不良の少ない耐電圧特性に優れる発光ダイオードをもたらすという効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係わるＡｌＸＧａＹＮ低温緩衝層は、サファイアからなる基板上に、例えば、有機金属化学的気相堆積（略称ＭＯＣＶＤ）手段に依り形成される。このＭＯＣＶＤ手段でＡｌＸＧａＹＮ層を形成するには、例えば、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ３）３Ｇａ）、トリエチルガリウム（分子式：（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ）、トリメチルアルミニウム（分子式：（ＣＨ３）３Ａｌ）などの有機金属（略称ＭＯ）化合物を原料として使用する。また、窒素源としては、アンモニア（分子式：ＮＨ３）等を使用できる。熱分解する温度がより低いヒドラジン類も低温緩衝層を成長させるための窒素（Ｎ）の原料として使用できる。
【００１３】
サファイア基板の表面、特に（０００１）面（Ｃ面）上に、基板との接合部が六方晶からなる、アズ・グローン単結晶体を備えたＡｌＸＧａＹＮ低温緩衝層を形成するには、成長温度を好適な範囲に制御することが重要である。このような成長温度は、２５０℃以上で５００℃以下の範囲に設定することが適するものである。
ここで、上記成長温度が２５０℃未満の低温とされた場合では、成長用原料の熱分解が不十分であるため、ＡｌＸＧａＹＮ低温緩衝層の成膜を充分に進行させるに至らないという不具合がある。また、５００℃を超える高温とされた場合では、結晶が乱立して発生し、このため、基板表面を一様に充分に被覆できる単結晶体を有する低温緩衝層、例えば、連続性のある層状の単結体（単結晶層）を有する低温緩衝層を安定して得られなくなるという不具合がある。
アズ・グローンの単結晶体とは、その層の成長段階で既に単結晶体となっていることを示し、その後の、他の層の成膜工程、素子化工程を経てもその層の単結晶体は維持される。
【００１４】
さらに、ＡｌＸＧａＹＮ低温緩衝層を成長させるための温度は、３５０℃以上で４５０℃以下の範囲とすることがより好ましい。このような特定の温度では、特定の結晶方向に配向したＡｌＸＧａＹＮ単結晶体を、サファイア基板との接合界面に備えた低温緩衝層を構成できる。
特に、上記温度範囲に設定することで、ガリウムをアルミニウムよりも富裕に含むＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）から低温緩衝層を構成する際において、サファイアのＣ面（底面単位格子）の［２．−１．−１．０．］（ａ軸）方向に対し、［１．０．−１．０．］方向を平行として配向したＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）からなる単結晶体を含む低温緩衝層を形成することができる。ここで、形成された低温緩衝層が単結晶体であるか否かは、例えば、電子線回折像に斑点（ｓｐｏｔ）状の回折が出現するか否かで判定できる。ハロ−（ｈａｌｏ）な、或いは環（ｒｉｎｇ）状の回折像を生ずれば、それは非晶質或いは多結晶であることを示している。
【００１５】
サファイアの特定の結晶軸方向に対して、画一的な方向に配向した単結晶体、或いはそれらが連結してなる単結晶層は、成長速度を毎分１ナノメーター（ｎｍ）以上で３ｎｍ以下の範囲として成長させるとより効果的に且つ安定に形成することができる。上記のような成長速度に設定するためには、低温緩衝層の成長反応系へ供給するガリウムやアルミニウム等のＩＩＩ族元素原料の単位時間での供給量を調整して制御することで対応可能である。つまり、成長反応系へ供給するガリウムまたはアルミニウム或いはそれらの総量を増加させれば、成長速度を増加させることができる。また、アルミニウムを上回る濃度のガリウムを成長反応系へ供給することにより、ＡｌよりもＧａを富裕に含むＡｌＸＧａＹＮ（０．５＜Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）からなる低温緩衝層を形成することが可能となる。
【００１６】
サファイア基板と接合する領域に存在する低温緩衝層の一部をなす単結晶層の配向性は、例えば、電子線回折法を利用して調べることができる。
このような配向製を調べるためには、例えば、基板をなすサファイアの［２．−１．―１．０．］方向に平行に電子線を入射させてＡｌＸＧａＹＮ低温緩衝層の電子線回折パターンを撮像する。この際、撮像した電子線回折パターンに、［１．０．−１．０．］方向から鳥瞰したＡｌＸＧａＹＮ低温緩衝層からの逆格子像が出現していれば、サファイアの［２．−１．−１．０．］方向に、［１．０．−１．０．］方向を平行として低温緩衝層をなすＡｌＸＧａＹＮ単結晶層が配向していることが知れる。
【００１７】
さらに、本発明に係わる低温緩衝層は、全体が層状の単結晶から構成されていても構わない。
つまり、低温緩衝層を形成して、このａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で低温緩衝層の断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像を撮像した場合、この低温緩衝層の一部を成す単結晶層上に、非晶質のＡｌＸＧａＹＮ体が存在している構成とされても構わない。なぜなら、この様な非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）体は、後工程として、低温緩衝層上にこの低温緩衝層を成長させる温度を超えた高温でＧａＮ系半導体層を成長させる際に、結晶化するのが認められるからである。
この際、本発明の如くの配向性（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）が揃った単結晶体、或いは単結晶層が下地層として存在していれば、非晶質体もその下地層の画一的な配向性を受け継いで、配向の揃った結晶層に変態するに優位となる。即ち、サファイア基板の表面に接合する領域に存在させる単結晶層は、画一的な配向性を保有する単結晶性に優れる上層をもたらせるように、非晶質体を配向性の揃った結晶体へと変態させるためにも有効に利用可能である。
【００１８】
サファイア基板の表面との接合領域に存在させる単結晶体、あるいは層状となった単結晶体（単結晶層）の層厚は、１ｎｍ程度以上であれば充分である。
このような単結晶においては、該単結晶を構成しているアルミニウム、ガリウム及び窒素原子が相互に堅牢に化学結合をしており、また、サファイア基板とも頑固に密着している。したがって、単結晶体の層厚が１ｎｍ程度であっても、単結晶が上述したように層状に形成されていれば、低温緩衝層上にＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際の様な高温に曝された場合であっても、この単結晶がサファイア基板の表面に残存する。このため、サファイア基板の表面が露呈するのを避けることができ、その結果、このような単結晶層を下地とすることによって、配向性の揃ったＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層を上層として形成することができる。
【００１９】
低温緩衝層上に形成するＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層は、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ；水素化物）法やＭＯＣＶＤ法等の気相成長手段によって形成することができる。また、分子線エピタキシャル法により形成することもできる。
例えば、本発明に係わる低温緩衝層上に、次記（ａ）〜（ｇ）項に記載のＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層を、順次積層させることによって、発光ダイオード（英略称ＬＥＤ）を作製するための積層構造体を形成できる。（ａ）〜（ｇ）項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層の各々は、互いに相違する手段で成長させても構わないが、低温緩衝層を含めて同一の手段、例えば、ＭＯＣＶＤ法に依り成長させることが積層構造体を得るうえで利便である。
【００２０】
（ａ）珪素（元素記号：Ｓｉ）ドープｎ形ＧａＮ層（ｂ）Ｓｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム（ＧａＹ１ＩｎＺ１Ｎ：０＜Ｚ１＜１、Ｙ１＋Ｚ１＝１）とＧａＹ２ＩｎＺ２Ｎ：０＜Ｚ２＜１、Ｚ１≠Ｚ２、Ｙ２＋Ｚ２＝１）からなる超格子構造体（ｃ）ｎ形ＧａＮ層と、ｎ形ＧａＹ３ＩｎＺ３Ｎ（０＜Ｚ３＜１、Ｚ１＜Ｚ３、Ｚ２＜Ｚ３、Ｙ３＋Ｚ３＝１）層との量子井戸（ＱＷ）構造体（ｄ）ＡｌＸ１ＧａＹ１Ｎ（０≦Ｘ１、Ｙ１≦１、Ｘ１＋Ｙ１＝１）層と、ＡｌＸ２ＧａＹ２Ｎ（０≦Ｘ２，Ｙ２≦１、Ｘ１≠Ｘ２、Ｘ２＋Ｙ２＝１）層とからなる超格子構造体（ｅ）ｐ形ＡｌＸ３ＧａＹ３Ｎ（０≦Ｘ３、Ｙ３≦１、Ｘ３＜Ｘ１，Ｘ２、Ｘ３＋Ｙ３＝１）層（ｆ）ｐ形ＡｌＸ４ＧａＹ４Ｎ（０≦Ｘ４、Ｙ４≦１、Ｘ４＞Ｘ３、Ｘ４＋Ｙ４＝１）層（ｇ）ｐ形ＧａＮ層
【００２１】
また、上記の（ｅ）乃至（ｇ）項の各項に記載のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層、または（ｅ）〜（ｆ）項に記載の複数のｐ形層に代替して、例えば、ｐ形のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を堆積しても積層構造体を構成することができる。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としては、例えばリン化硼素系半導体層を例示できる。特に、単量体のリン化硼素（ＢＰ）は、ＧａＮのａ軸（＝０．３１９ｎｍ）と同等の間隔の格子面を有するため、ＧａＮとのマッチングに優れるｐ形層を備えた積層構造体を得るに優位に利用できる。
【００２２】
本発明に係わる化合物半導体素子は、上記の如くの積層構造体を適宣、加工し、電極等を設けて作製する。
例えば、上記の積層構造体の最表層をなす前記（ｆ）項に記載のｐ形ＧａＮ層をコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層として利用し、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を設ける。また、前記の（ａ）または（ｂ）項に記載のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層上に、上記とは別の極性のオーミック電極を設ける。この様に電極を配置することにより、前記の（ａ）または（ｂ）項に記載のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層をｎ形クラッド（ｃｌａｄ）層とし、（ｃ）項に記載の量子井戸構造体を発光層とし、（ｄ）または（ｅ）項に記載のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層をｐ形クラッド（ｃｌａｄ）層とするｐｎ接合型ダブルヘテロ（英略称ＤＨ）構造のＬＥＤを構成できる。
【００２３】
本発明における積層構造体を構成する各層は、画一的な配向性を有する単結晶層を含む低温緩衝層を介して成長させているため、特に、配向の揃った、従って、結晶粒界の無い単結晶層となっている。また、サファイア基板の表面上に成長した低温緩衝層内の単結晶層の表面を構成する結晶面も、サファイア基板の表面と同一に統一される。従って、（０００１）結晶面を表面とするサファイア基板上には、（０００１）面を表面とする単結晶層を含む低温緩衝層がもたらされる。
この表面を構成する結晶面の関係は、低温緩衝層より上層へと受け継がれるため、上層のＩＩＩ族窒化物半導体層も表面を構成する結晶面及び配向性が画一的に揃ったものとなる。このため、この様な積層構造体を利用して作製された上述のＬＥＤは、例えば、配向を相違する結晶粒が合体する際に形成される結晶粒界を介在した不要な漏洩（ｌｅａｋ）電流が少なく、電気的特性に優れたものとなる。
【００２４】
例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）の様な発光素子用途の積層構造体を形成するに際し、本発明に係わる構成の低温緩衝層と発光層との中間に、インジウム（元素記号：Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含むＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体の薄膜層、或いはその薄膜層を含む超格子構造層を挿入させた構成とすると、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）転位の少ない結晶性に優れる発光層を得るに効果が奏される。
例えば、低温緩衝層上に設けたＧａＮ層上に窒化アルミニウム・ガリウム混晶（組成式ＡｌＱＧａ１−ＱＮ；０＜Ｑ≦１）からなる薄膜層を介して発光層を形成して、積層構造体を構成すること、あるいはまた、別例として、低温緩衝層とｎ形発光層との中間に、ｎ形窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＱＩｎ１−ＱＮ；０≦Ｑ≦１）薄膜層を含む超格子構造層を挿入して積層構造体を構成することによって、高い強度の発光をもたらせることの可能な発光層を得ることができる。
【実施例】
【００２５】
（第１実施例）
サファイア基板上に、低温緩衝層を介して、ＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させて積層構造体を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
【００２６】
図１は、本第１実施例に記載の積層構造体１０の断面構造を示す模式図である。
【００２７】
積層構造体１０に含まれるＩＩＩ族窒化物半導体層１０２〜１０８は、サファイア基板１００の（０００１）表面上に、窒化アルミニウム・ガリウム混晶（組成式Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ）低温緩衝層１０１を介して形成した。低温緩衝層１０１は、トリエチルガリウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ）をガリウム（Ｇａ）源とし、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）をアルミニウム（Ａｌ）源とし、アンモニア（ＮＨ３）を窒素（Ｎ）源とする常圧（略大気圧）ＭＯＣＶＤ手段により、４００℃で成長させた。成長速度は、ＭＯＣＶＤ反応系へ単位時間あたりに供給する上記の（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａと（ＣＨ３）３Ａｌの濃度の総量を調整して、毎分３ｎｍとした。低温緩衝層１０１の層厚は１８ｎｍとした。
【００２８】
電子線回折技法に依り、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で低温緩衝層１０１の内部の結晶構造を解析した。サファイア基板１００の（０００１）表面から約８ｎｍの厚さの領域からはスポット（斑点）状の回折パターンが得られたことから、サファイア基板１００との接合する低温緩衝層１０１の内部領域には、単結晶が存在していると認められた。また、電子線回折パターンから、この単結晶層は、サファイアの（０００１）表面に、（０００１）面を平行として積重した六方晶結晶から構成されているのが示された。また、電子線の入射方向との関係から、単結晶層は、基板１００をなすサファイアの［２．−１．−１．０．］方向に、［１．０．−１．０］方向を平行として配向しているのが判明した。単結晶層上には高さを約１０ｎｍとする非晶質体が散在していた。
【００２９】
Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ低温緩衝層１０１上には、ＭＯＣＶＤ手段に依り、次の（イ）〜（ト）項に記載のＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体層１０２〜１０８を成長させて、本発明に係わる積層構造体１０を構成した。
【００３０】
（イ）Ｓｉドープｎ形ＧａＮ層１０２（キャリア濃度（ｎ）＝１×１０１８ｃｍ−３、層厚（ｔ）＝５５００ｎｍ）（ロ）１２層のＳｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ、ｔ＝１．５ｎｍ）層と、１１層のＳｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎ、ｔ＝１．５ｎｍ）層とからなる超格子構造層１０３（ハ）８層のｎ形ＧａＮ（ｔ＝１５ｎｍ）層と、７層のｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ（ｔ＝２．０ｎｍ）層とからなる量子井戸構造層１０４（ニ）Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる高抵抗層１０５（ｔ＝１．５ｎｍ）（ホ）３層のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層（ｔ＝１．５ｎｍ）と、４層のＡｌ０．１０Ｇａ０．８８Ｉｎ０．０２Ｎ混晶層（ｔ＝１．５ｎｍ）とからなる超格子構造層１０６（ヘ）ｐ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層１０７（キャリア濃度（ｐ）＝６×１０１７ｃｍ−３、ｔ＝２．０ｎｍ）（ト）ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１０８（キャリア濃度（ｐ）＝９×１０１７ｃｍ−３、ｔ＝３５０ｎｍ）
【００３１】
上記の（イ）〜（ト）の各項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層は、単結晶層を備えた低温緩衝層１０１を介して成長させたため、何れも単結晶層となった。断面ＴＥＭ技法での観察では、低温緩衝層１０１と、より高温の１０８０℃で成長させたｎ形ＧａＮ層１０２との接合界面には、非晶質体の存在は認められず、ｎ形ＧａＮ層１０２は、低温緩衝層１０１内にａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で存在していた単結晶層に直接、接合して成長しているものと見受けられた。このことから、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で低温緩衝層をなす単結晶層上に散在していた非晶質体は、高温（１０８０℃）でｎ形ＧａＮ層１０２を堆積する際に、揮散して消失するものと推測された。
また、各ＩＩＩ族窒化物半導体層１０２〜１０８は、画一的な方向に配向した単結晶層を含む低温緩衝層１０１上に堆積したため、何れも、基板１００のサファイアの［２．−１．−１．０．］方向に、［１．０．−１．０．］方向を平行として配向した六方晶の単結晶層となっていた。このため、配向性の揃った単結晶性に優れるＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体単結晶層１０２〜１０８を備えた積層構造体１０がもたらされることとなった。
【００３２】
（第２実施例）
本発明に係わる構成の積層構造体からＬＥＤを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。
【００３３】
図２に、上記の第１実施例に記載した積層構造体１０を用いて作製した、本第２実施例に記載する発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ａの平面構造を模式的に示す。また、図３には、発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ａの断面模式図を示す。図２及び図３に於いて、図１に掲示したのと同一の構成要素については、同一の符号を付して図２及び３に示す。
【００３４】
上記の第１実施例に記載の積層構造体１０を、一般的なプラズマエッチング手段に依り加工して、ｎ形オーミック電極２０１を設ける領域に限り、低温緩衝層１０１を介して設けたｎ形ＧａＮ層１０２の表面を露出させた。
次に、露出させたｎ形ＧａＮ層１０２の表面上に、同表面に接触するタングステン（元素記号：Ｗ）膜と、その上にアルミニウム（Ａｌ）膜を重層させた構成を含むｎ形オーミック電極２０１を設けた。
一方、積層構造体１０の表面をなすｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１０８の表面には、金（Ａｕ）・ガリウム（Ｇａ）・ニッケル（元素記号：Ｎｉ）合金膜とニッケル酸化物膜とを重層させた膜を格子状に配置してｐ形オーミック電極２０２を形成した。また、ｐ形オーミック電極３０２に電気的に導通させて、ｐ形オーミック電極２０２の一端には、底部がニッケル（Ｎｉ）から構成され、上層が金（Ａｕ）・チタン（元素記号：Ｔｉ）合金膜からなる台座（ｐａｄ）電極２０３を設けた。
【００３５】
これより、第１実施例に記載のｎ形ＧａＮ層１０２をｎ形クラッド（ｃｌａｄ）層とし、ＧａＮ層／ｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ層とからなる量子井戸構造層１０４を発光層とし、最表層のｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１０８をｐ形コンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層とするｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ａを作製した。
【００３６】
この発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ａにおいて、ｎ形及びｐ形オーミック電極２０１、２０２の間に、順方向に２０ｍＡの素子駆動電流を流通したところ、発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ａからは中心の波長を４５０ｎｍとする青色帯光が放射された。また、一般的な積分球を利用して測定された、樹脂でモールドする以前のチップ（ｃｈｉｐ）状態での発光強度は約５ミリワット（ｍＷ）に達した。順方向電圧（Ｖｆ）は３．３Ｖと低値となった。
また、共に画一的な配向を有する単結晶層をａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で備えている低温緩衝層１０１を介して形成して結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体層上に、ｎ形オーミック電極２０１及びｐ形オーミック電極２０２を設ける構成としたため、局所的な耐電圧不良（ローカルブレークダウン）の少ないものとなった。このため、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は１５Ｖを越える高値となった。
【００３７】
（第３実施例）
本発明に係わる構成の積層構造体からＬＥＤを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。
【００３８】
低温緩衝層１０１ａを、第１実施例とは異なる窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成し、その他の構成層は第１実施例に記載と全く同一として積層構造体を構成した。
図４には、発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ｂの断面模式図を示す。
ＧａＮ低温緩衝層１０１ａは、（ＣＨ３）３ＧａとＮＨ３を原料とする常圧（略大気圧）ＭＯＣＶＤ手段に依り３５０℃で形成した。低温緩衝層１０１ａをなすＧａＮ層の全体の層厚は１５ｎｍとした。
【００３９】
一般的な電子線回折法で調査した結果に依れば、低温緩衝層１０１ａのサファイア基板１００との接合する領域には、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で既に、サファイアの［０．１．−１．０．］方向に、ａ軸を平行とする六方晶のＧａＮからなる単結晶層が存在していることが確認された。この単結晶層は、基板としたサファイアの（０００１）表面の略全域を被覆する様に存在しており、領域が異なっていても上記の配向性は画一的に保持されているのが電子線回折パターンから示された。また、表面を（０００１）面とする、そのＧａＮ単結晶層の（０００１）表面上には、断面形状を略球状とする非晶質体が散在しているのが認められた。ＧａＮ低温緩衝層１０１ａ上に、積層構造体を構成する各層を形成した後に於いては、非晶質体は殆ど認められなかったことから、この非晶質体は、高温で構成層を形成する際に、揮散して、消失するものと察せられた。
【００４０】
その積層構造体１０ａに、上記の第２実施例に記載の如くのエッチング加工を及ぼした後、第２実施例に記載したのと同一の配置及び構成からなるｎ形ならびにｐ形オーミック電極２０１，２０２を設けた。上記の第２実施例と同様に作製した発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ｂからは、順方向電流を２０ｍＡとした際に、中心波長を４５０ｎｍとする青色帯光が放射された。また、一般的な積分球を利用して測定された、樹脂でモールドする以前のチップ（ｃｈｉｐ）状態での発光強度は約５ミリワット（ｍＷ）に達した。順方向電圧（Ｖｆ）は３．３Ｖと低値となった。また、本発明に係わる結晶構成からなる低温緩衝層１０１ａによって画一的な配向を有することとなったＧａＮ系単結晶層上に、ｎ形及びｐ形オーミック電極２０１，２０２の何れをも設けたため、局所的な耐電圧不良の少ないＬＥＤが提供された。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る第１実施例に記載の積層構造体の断面構造を示す模式図である。
【図２】本発明に係る第２実施例に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）の平面構造を示す模式図である。
【図３】本発明に係る第２実施例に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面構造を示す模式図である。
【図４】本発明に係る第３実施例に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１Ａ・・・発光ダイオード（ＬＥＤ）、１Ｂ・・・発光ダイオード（ＬＥＤ）、１０・・・積層構造体、１０ａ・・・積層構造体、１００・・・サファイア基板、１０１・・・低温緩衝層、１０１ａ・・・低温緩衝層、１０２・・・ｎ形ＧａＮ層、１０３・・・ＧａＩｎＮ超格子構造層、１０４・・・ＧａＮ／ＧａＩｎＮ量子井戸構造層、１０５・・・ＡｌＧａＮ層、１０６・・・ＡｌＧａＮ超格子構造層、１０７・・・ｐ形ＡｌＧａＮ層、１０８・・・ｐ形ＡｌＧａＮ層、２０１・・・ｎ形オーミック電極、２０２・・・ｐ形オーミック電極、２０３・・・ｐ形台座電極
【図１】
2006024903.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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