(57)【要約】【課題】  Ｓｉ基板１の上に形成される窒化物半導体層８の結晶性を向上させた半導体素子を、さらには導電性をも向上させることができる半導体素子を提供する。【解決手段】  Ｓｉ基板１の上に窒化物半導体層８を備えた半導体素子である。この半導体素子１は、Ｓｉ基板１の側に、少なくとも第１の層４と第２の層５とを交互に積層した第１多層膜構造２と、第１多層膜構造２の上に、少なくとも第３の層６と第４の層７とを交互に積層した第２多層膜構造３と、を有している。第１の層４及び第３の層６は、第２の層５及び第４の層７のいずれよりもＳｉ基板１との格子定数差が小さな組成の窒化物半導体であり、且つ、第２の層５及び第４の層７のいずれよりも膜厚が大きく、第１の層４は、第３の層６よりも膜厚が大きい。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備えた半導体素子であって、
前記窒化物半導体層は、
前記Ｓｉ基板の側に、少なくとも第１の層と第２の層とを交互に積層した第１多層膜構造と、
前記第１多層膜構造の上に、少なくとも第３の層と第４の層とを交互に積層した第２多層膜構造と、
を有し、
前記第１の層及び前記第３の層は、前記第２の層及び前記第４の層のいずれよりも前記Ｓｉ基板との格子定数差が小さな組成の窒化物半導体であり、且つ、前記第２の層及び第４の層のいずれよりも膜厚が大きく、
前記第１の層は、前記第３の層よりも膜厚が大きい、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記第１多層膜構造の総膜厚が前記第２多層膜構造の総膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第２の層と前記第４の層とは膜厚が略同一であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第２の層および前記第４の層は、Ａｌを含み、前記第１の層および第３の層は、Ｇａを含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１の層および前記第３の層は、Ａｌを含み、前記第２の層および前記第４の層よりもＡｌ混晶比が小さいことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第２の層および前記第４の層は、Ｇａを含み、前記第１の層および前記第３の層よりもＧａ混晶比が小さいことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第１の層および前記第３の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、
前記第２の層および前記第４の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）である、
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記第１の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、
前記第２の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）であり、
（ｙ−ｘ）＞０．５である、
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第１の層および前記第３の層は窒化物半導体のｎ型不純物を含むことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記第１の層は、前記第３の層よりも窒化物半導体のｎ型不純物を多く含むことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記第１多層膜構造と第２多層膜構造が第１導電型であり、
前記窒化物半導体層が基板側から順に、少なくとも活性層と、第２導電型層とを備える、
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１２】
Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備え、前記Ｓｉ基板と前記窒化物半導体層との間に緩衝領域を備えた半導体素子であって、
前記緩衝領域は、基板側の第１の領域と、前記第１の領域よりも前記Ｓｉ基板から離れた第２の領域を有し、
前記第１の領域及び前記第２の領域は、窒化物半導体からなる第１の層と、前記第１の層よりも膜厚が小さくかつ前記第１の層と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層と、を交互に積層した多層膜構造をそれぞれ有し、
前記第１の領域が有する第１の層の膜厚は、前記第２の領域が有する第１の層の膜厚よりも大きい、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項１３】
Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備え、前記Ｓｉ基板と前記窒化物半導体層との間に緩衝領域を備えた半導体素子であって、
前記緩衝領域は、窒化物半導体の組成が異なる第１の層と第２の層とを周期的に有し、
膜厚方向における一周期の長さ（一周期長）が前記Ｓｉ基板側よりも前記窒化物半導体層側が短くなる、または、膜厚方向の所望の長さ（少なくとも二周期以上の長さ）における周期数が前記Ｓｉ基板よりも前記窒化物半導体層側が大きくなる、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項１４】
Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備え、前記Ｓｉ基板と前記窒化物半導体層との間に緩衝領域を備えた半導体素子であって、
前記緩衝領域は、少なくとも、窒化物半導体からなる第１の層と、前記第１の層より膜厚が小さく前記Ｓｉ基板との格子定数差が前記第１の層よりも大きな組成の窒化物半導体からなる第２の層と、を交互に積層した多層膜構造であり、
前記第１の層と前記第２の層との膜厚差（〔第１の層〕−〔第２の層〕）が前記Ｓｉ基板側よりも前記窒化物半導体層側が小さい、または、前記第１の層と前記第２の層との膜厚比（〔第１の層〕／〔第２の層〕）が前記Ｓｉ基板側よりも前記窒化物半導体層側が小さい、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項１５】
前記緩衝領域における前記第２の層は膜厚が略同一であることを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記第２の層は、Ａｌを含み、前記第１の層は、Ｇａを含むことを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記第１の層は、Ａｌを含み、前記第２の層よりもＡｌ混晶比が小さいことを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１８】
前記第２の層は、Ｇａを含み、前記第１の層よりもＧａ混晶比が小さいことを特徴とする請求項１２〜請求項１７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１９】
前記第１の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、
前記第２の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）である、
ことを特徴とする請求項１２〜請求項１８のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項２０】
前記第１の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、
前記第２の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）であり、
（ｙ−ｘ）＞０．５である、
ことを特徴とする請求項１２〜請求項１９のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項２１】
前記第１の層は窒化物半導体のｎ型不純物を含むことを特徴とする請求項１２〜請求項２０のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項２２】
前記緩衝領域は、前記Ｓｉ基板側が前記窒化物半導体層側よりも窒化物半導体のｎ型不純物を多く含むことを特徴とする請求項１２〜請求項２１のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項２３】
請求項１２〜請求項２２のいずれか１項に記載の半導体素子において、
前記緩衝領域が第１導電型層であり、
前記緩衝領域の上に、活性層と、前記緩衝領域とは逆の導電型の第２導電型層と、を備えた、
ことを特徴とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に関し、特に、窒化物系の半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体と異なる基板上に窒化物半導体層を形成して、窒化物半導体素子を得る場合、窒化物半導体層と基板との間には格子定数に差があるため、多くの場合、窒化物半導体層と基板との間には、バッファ層が形成される。例えば、特許文献１には、Ｓｉ（シリコン）やＳｉＣ（炭化シリコン）、Ａｉ２Ｏ３（サファイア）などの基板の上に、第１の層と第２の層とを基板上に交互に所定数積層して超格子構造を形成する発明が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１７０７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特にＳｉ基板上に窒化物半導体層を形成する場合は、結晶性のよい窒化物半導体層が得られにくい傾向にある。このため、かかる従来の超格子構造では、特にＳｉ基板を基板として窒化物半導体層を形成する場合において、依然結晶性のよい窒化物半導体層が得られないのが現状である。
そこで、本発明は、Ｓｉ基板の上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上させた半導体素子を、さらには導電性をも向上させることができる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】
【０００４】
本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。
【０００５】
第１の発明は、Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備えた半導体素子であって、前記窒化物半導体層は、前記Ｓｉ基板の側に、少なくとも第１の層と第２の層とを交互に積層した第１多層膜構造と、前記第１多層膜構造の上に、少なくとも第３の層と第４の層とを交互に積層した第２多層膜構造と、を有し、前記第１の層及び前記第３の層は、前記第２の層及び前記第４の層のいずれよりも前記Ｓｉ基板との格子定数差が小さな組成の窒化物半導体であり、且つ、前記第２の層及び第４の層のいずれよりも膜厚が大きく、前記第１の層は、前記第３の層よりも膜厚が大きい、ことを特徴とする半導体素子である。
第１の発明によれば、Ｓｉ基板との格子定数差が大きい層（第２の層、第４の層）が、Ｓｉ基板との格子定数差が小さい層（第１の層、第３の層）よりも薄膜で形成される。第１の層と第２の層について説明する。第１の層と第２の層とは、いずれも窒化物半導体であるため、Ｓｉ基板に対して、格子定数が小さい。つまり、Ｓｉ基板に窒化物半導体層を形成すると、格子定数に差があるので、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との界面にはそれぞれ圧縮応力と引張応力が働く。詳しくは、Ｓｉ基板に窒化物半導体からなる第１の層を形成すると、格子定数が大きいＳｉ基板には、圧縮応力が働くのに対し、格子定数の小さい第１の層には引張応力が働く。第１の層に引張応力が働くので、この第１の層を成長し続けると、その成長面において、クラックが発生してしまう。またこのクラックの発生は、さらに窒化物半導体層を成長することを困難にしてしまう。ここに、Ｓｉ基板に対する格子定数差が、第１の層よりも大きい窒化物半導体からなる第２の層を薄膜で形成すると、第１の層と第２の層との界面において、第２の層には引張応力が、第１の層には圧縮応力が働く。つまり、引張応力を持ち続ける第１の層の成長面に圧縮応力が働くことから、クラックの発生を抑えることができる。つまりクラックの発生を抑えながら第１の層を形成することができ、第１の層と第２の層とを交互に積層した多層膜構造とすることで、クラックを抑えた窒化物半導体からなる多層膜構造を得ることが可能となる。第１の層と第２の層との関係は、第３と第４の層とについても同様のことがいえる。
さらに、Ｓｉ基板上に、第１の層と第２の層とのクラックの発生を抑えた多層膜構造の上に、第３の層と第４の層とを交互に積層した多層膜構造を形成することで、結晶性のよい窒化物半導体層を形成することが可能となる。ここで第１の発明によれば、第１の層は、第３の層よりも膜厚が大きい。つまり、第３の層は第１の層よりも薄い層とする。これにより、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることができる。この第３の層と第４の層との多層膜構造は、第１の層と第２の層との多層膜構造の上にあることで、その機能を発揮する。例えば、同様の膜厚で第３の層と第４の層との多層膜構造をＳｉ基板上に直接形成しても、結晶性のよい窒化物半導体層は得られない。つまり、第３の層と第４の層との多層膜構造は、Ｓｉ基板上でかつ、クラックの発生を抑えた膜上に形成することで、その効果を発揮することができる。
以上から、第１の発明により、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることが可能となる。
【０００６】
第２の発明は、前記第１多層膜構造の総膜厚が前記第２多層膜構造の総膜厚よりも小さいことを特徴とする第１の発明に係る半導体素子である。
第１多層膜構造の総膜厚を第２多層膜構造の総膜厚よりも小さくすれば、窒化物半導体層の結晶性をさらに良くすることができる。
【０００７】
第３の発明は、前記第２の層と前記第４の層とは膜厚が略同一であることを特徴とする第１の発明または第２の発明に係る半導体素子である。
第３の発明によれば、第２の層と第４の層の膜厚が略同一とされるため、多層膜の周期性や膜厚比変化などの設計が容易となる。
【０００８】
第４の発明は、前記第２の層および前記第４の層は、Ａｌを含み、前記第１の層および第３の層は、Ｇａを含むことを特徴とする第１の発明〜第３の発明いずれか１つに係る半導体素子である。
第４の発明によれば、第２の層と第４の層とがＡｌを含む窒化物半導体であり、第１の層と第３の層とがＧａを含む窒化物半導体であることから、さらにＡｌを含む窒化物半導体の性質と、Ｇａを含む窒化物半導体の性質とを有効に利用した多層膜構造とすることができる。
【０００９】
第５の発明は、前記第１の層と前記第３の層は、Ａｌを含み、前記第２の層および前記第４の層よりもＡｌ混晶比が小さいことを特徴とする第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第５の発明によれば、Ａｌの混晶比でもって、格子定数の異なる層を設けており、Ａｌを含む窒化物半導体の性質を有効に利用した多層膜構造とすることができる。
【００１０】
第６の発明は、前記第２の層および前記第４の層は、Ｇａを含み、前記第１の層および前記第３の層よりもＧａ混晶比が小さいことを特徴とする第１の発明〜第５の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第６の発明によれば、Ｇａの混晶比でもって、格子定数の異なる層を設けており、Ｇａを含む窒化物半導体の性質を有効に利用した多層膜構造とすることができる。
【００１１】
第７の発明は、前記第１の層および前記第３の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、前記第２の層および前記第４の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）である、ことを特徴とする第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
多層膜においては、これを構成する２種の層の組成比の差を大きく取らないと、各組成特有の結晶的性質、機械的性質の差が小さくなり、第１の層および第２の層（第３の層および第４の層）の組成の性質を引き出して結晶成長を果たす目的が達しにくいところ、第７の発明によれば、第１の層および第３の層がＡｌＧａＮ（０≦ｘ＜０．５）とされ、第２の層および第４の層がＡｌＧａＮ（０．５＜ｙ≦１）とされるため、第１の層および第２の層（第３の層および第４の層）の双方の性質を引き出して、結晶成長を果たすことができる。
【００１２】
第８の発明は、前記第１の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、前記第２の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）であり、（ｙ−ｘ）＞０．５である、ことを特徴とする第１の発明〜第７の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第８の発明によれば、第１の層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）とされ、第２の層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）とされ、さらに（ｙ−ｘ）＞０．５とされるため、この２種の層の組成比の差を大きくすることができ、クラックを抑える層として十分に機能を発揮する。
【００１３】
第９の発明は、前記第１の層および前記第３の層は窒化物半導体のｎ型不純物を含むことを特徴とする第１の発明〜第８の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第９の発明によれば、第１の層および第３の層に窒化物半導体のｎ型不純物が含まれることで、多層膜構造を好適な電荷移動層とできる。また、Ｓｉ基板と多層膜構造との界面では、バンド構造の違いに起因するバンド不連続が生ずるため、その界面に電位障壁が形成される。そこで多層膜構造の第１の層および第３の層に窒化物半導体のｎ型不純物を含ませることで、電位障壁の厚みが薄くなり、Ｖｆの低減が図れる。特に第１の層がｎ型不純物を含むことで、Ｖｆの低減が効果的となる。
【００１４】
第１０の発明は、前記第１の層は、前記第３の層よりも窒化物半導体のｎ型不純物を多く含むことを特徴とする第１の発明〜第９の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第１０の発明は、多層膜構造の第１の層がｎ型不純物を含むことで、Ｖｆが低減されるが、この効果は、Ｓｉ基板と多層膜との界面に生じる電位障壁によるものであることから、ｎ型不純物を含む層は、Ｓｉ基板側の第１の層であることが好ましく、逆にＳｉ基板側と反対の窒化物半導体層側では顕著な効果は得られにくい。また結晶性の観点からすると、ｎ型不純物を含むことは、多層膜構造上の窒化物半導体層の結晶性を低下させることになる。そこで、第１０の発明は、Ｓｉ基板側に対して、窒化物半導体層側のｎ型不純物を少なくすることで、Ｖｆの低減に加えて、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることができる。さらには、Ｓｉ基板側に最も近い第１の層を、他の第１の層に対してｎ型不純物を多く含むことで、Ｓｉ基板と多層膜構造との間での電位障壁の厚みを薄くし、結晶性の低下をおさえ、好適な電荷移動層とできる。
【００１５】
第１１の発明は、前記第１多層膜構造と第２多層膜構造が第１導電型であり、前記窒化物半導体層が基板側から順に、少なくとも活性層と、第２導電型層とを備える、ことを特徴とする第１の発明〜第１０の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第１１の発明によれば、上記第１多層膜構造および第２多層膜構造によって窒化物半導体層の結晶性が良くされた後に、活性層、第２導電型層が形成されるため、これらの各層の機能を好適に発揮できる。また、第１１の発明によれば、第１多層膜構造および第２多層膜構造が１つの導電型領域内に収められるため、結晶性の変化と導電性の変化による相乗的な問題悪化を回避することが可能となる。
【００１６】
第１２の発明は、Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備え、前記Ｓｉ基板と前記窒化物半導体層との間に緩衝領域を備えた半導体素子であって、前記緩衝領域は、基板側の第１の領域と、前記第１の領域よりも前記Ｓｉ基板から離れた第２の領域を有し、前記第１の領域及び前記第２の領域は、窒化物半導体からなる第１の層と、前記第１の層よりも膜厚が小さくかつ前記第１の層と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層と、を交互に積層した多層膜構造をそれぞれ有し、前記第１の領域が有する第１の層の膜厚は、前記第２の領域が有する第１の層の膜厚よりも大きい、ことを特徴とする半導体素子である。
第１２の発明によれば、Ｓｉ基板との格子定数差が大きい層（第２の層）が、Ｓｉ基板との格子定数差が小さい層（第１の層）よりも薄膜で形成される。第１の層は、窒化物半導体であるため、Ｓｉ基板に対して格子定数が小さい。つまり、Ｓｉ基板に窒化物半導体層を形成すると、格子定数に差があるので、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との界面にはそれぞれ圧縮応力と引張応力が働く。詳しくは、Ｓｉ基板に窒化物半導体からなる第１の層を形成すると、格子定数が大きいＳｉ基板には、圧縮応力が働くのに対し、格子定数の小さい第１の層には引張応力が働く。第１の層に引張応力が働くので、この第１の層を成長し続けると、その成長面において、クラックが発生してしまう。またこのクラックの発生は、さらに窒化物半導体層を成長することを困難にしてしまう。ここに、Ｓｉ基板に対する格子定数差が、第１の層よりも大きい窒化物半導体からなる第２の層を薄膜で形成すると、第１の層と第２の層との界面において、第２の層には引張応力が、第１の層には圧縮応力が働く。つまり、引張応力を持ち続ける第１の層の成長面に圧縮応力が働くことから、クラックの発生を抑えることができる。つまりクラックの発生を抑えながら第１の層を形成することができ、第１の層と第２の層とを交互に積層した多層膜構造とすることで、クラックを抑えた窒化物半導体からなる緩衝領域を得ることが可能となる。
さらに、Ｓｉ基板上に、第１の層と第２の層とのクラックの発生を抑えた第１の領域の上に、第１の層と第２の層とを交互に積層した第２の領域を形成することで、結晶性のよい窒化物半導体層を形成することが可能となる。ここで第１２の発明によれば、第１の領域が有する第１の層の膜厚は、第２の領域が有する第１の層の膜厚よりも大きい、つまり、第２の領域が有する第１の層の膜厚は第１の領域が有する第１の層の膜厚よりも薄い層とする。これにより、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることができる。この第２の領域は、第１の領域の上にあることで、その機能を発揮する。例えば、同様の膜厚で第２の領域をＳｉ基板上に直接形成しても、結晶性のよい窒化物半導体層は得られない。つまり、第２の領域は、Ｓｉ基板上でかつ、クラックの発生を抑えた膜上に形成することで、その効果を発揮することができる。
以上から、第１２の発明により、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることが可能となる。
【００１７】
第１３の発明は、Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備え、前記Ｓｉ基板と前記窒化物半導体層との間に緩衝領域を備えた半導体素子であって、前記緩衝領域は、窒化物半導体の組成が異なる第１の層と第２の層とを周期的に有し、膜厚方向における一周期の長さ（一周期長）が前記Ｓｉ基板側よりも前記窒化物半導体層側が短くなる、または、膜厚方向の所望の長さ（少なくとも二周期以上の長さ）における周期数が前記Ｓｉ基板よりも前記窒化物半導体層側が大きくなる、ことを特徴とする半導体素子である。
第１３の発明によれば、Ｓｉ基板との格子定数差が大きい層（第２の層）が、Ｓｉ基板との格子定数差が小さい層（第１の層）よりも薄膜で形成される。第１の層は、窒化物半導体であるため、Ｓｉ基板に対して格子定数が小さい。つまり、Ｓｉ基板に窒化物半導体層を形成すると、格子定数に差があるので、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との界面にはそれぞれ圧縮応力と引張応力が働く。詳しくは、Ｓｉ基板に窒化物半導体からなる第１の層を形成すると、格子定数が大きいＳｉ基板には、圧縮応力が働くのに対し、格子定数の小さい第１の層には引張応力が働く。第１の層に引張応力が働くので、この第１の層を成長し続けると、その成長面において、クラックが発生してしまう。またこのクラックの発生は、さらに窒化物半導体層を成長することを困難にしてしまう。ここに、Ｓｉ基板に対する格子定数差が、第１の層よりも大きい窒化物半導体からなる第２の層を薄膜で形成すると、第１の層と第２の層との界面において、第２の層には引張応力が、第１の層には圧縮応力が働く。つまり、引張応力を持ち続ける第１の層の成長面に圧縮応力が働くことから、クラックの発生を抑えることができる。つまりクラックの発生を抑えながら第１の層を形成することができ、第１の層と第２の層とを交互に積層した多層膜構造とすることで、クラックを抑えた窒化物半導体からなる緩衝領域を得ることが可能となる。
さらに、Ｓｉ基板上に、第１の層と第２の層とのクラックの発生を抑えた第１の領域の上に、第１の層と第２の層とを交互に積層した第２の領域を形成することで、結晶性のよい窒化物半導体層を形成することが可能となる。ここで第１３の発明によれば、第１の領域が有する第１の層の膜厚は、第２の領域が有する第１の層の膜厚よりも大きい、つまり、第２の領域が有する第１の層の膜厚は第１の領域が有する第１の層の膜厚よりも薄い層とする。これにより、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることができる。この第２の領域は、第１の領域の上にあることで、その機能を発揮する。例えば、同様の膜厚で第２の領域をＳｉ基板上に直接形成しても、結晶性のよい窒化物半導体層は得られない。つまり、第２の領域は、Ｓｉ基板上でかつ、クラックの発生を抑えた膜上に形成することで、その効果を発揮することができる。
以上から、第１３の発明により、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることが可能となる。
【００１８】
第１４の発明は、Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を備え、前記Ｓｉ基板と前記窒化物半導体層との間に緩衝領域を備えた半導体素子であって、前記緩衝領域は、少なくとも、窒化物半導体からなる第１の層と、前記第１の層より膜厚が小さく前記Ｓｉ基板との格子定数差が前記第１の層よりも大きな組成の窒化物半導体からなる第２の層と、を交互に積層した多層膜構造であり、前記第１の層と前記第２の層との膜厚差（〔第１の層〕−〔第２の層〕）が前記Ｓｉ基板側よりも前記窒化物半導体層側が小さい、または、前記第１の層と前記第２の層との膜厚比（〔第１の層〕／〔第２の層〕）が前記Ｓｉ基板側よりも前記窒化物半導体層側が小さい、ことを特徴とする半導体素子である。
第１４の発明においても、第１３の発明と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
第１５の発明は、前記緩衝領域における前記第２の層は膜厚が略同一であることを特徴とする第１２の発明〜第１４の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第１５の発明によれば、第２の層の膜厚が略同一とされるため、多層膜の周期性や膜厚比変化などの設計が容易となる。
【００２０】
第１６の発明は、前記第２の層は、Ａｌを含み、前記第１の層は、Ｇａを含むことを特徴とする第１２の発明〜第１５の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第１６の発明によれば、第２の層がＡｌを含む窒化物半導体であり、第１の層がＧａを含む窒化物半導体であることから、さらにＡｌを含む窒化物半導体の性質と、Ｇａを含む窒化物半導体の性質とを有効に利用した緩衝領域とすることができる。
【００２１】
第１７の発明は、前記第１の層は、Ａｌを含み、前記第２の層よりもＡｌ混晶比が小さいことを特徴とする第１２の発明〜第１６の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
多層膜においては、これを構成する２種の層の組成比の差を大きく取らないと、各組成特有の結晶的性質、機械的性質の差が小さくなり、双方の組成の性質を引き出して結晶成長を果たす目的が達しにくいところ、第１７の発明によれば、第１の層のＡｌ混晶比が第２の層よりも小さいとされるため、第１の層及び第２の層の双方の性質を引き出して、結晶成長を果たすことができる。
【００２２】
第１８の発明は、前記第２の層は、Ｇａを含み、前記第１の層よりもＧａ混晶比が小さいことを特徴とする第１２の発明〜第１７の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第１８の発明によれば、Ｇａの混晶比でもって、格子定数の異なる層を設けており、Ｇａを含む窒化物半導体の性質を有効に利用した緩衝領域とすることができる。
【００２３】
第１９の発明は、前記第１の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、前記第２の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）である、ことを特徴とする第１２の発明〜第１８の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
多層膜においては、これを構成する２種の層の組成比の差を大きく取らないと、各組成特有の結晶的性質、機械的性質の差が小さくなり、双方の組成の性質を引き出して結晶成長を果たす目的が達しにくいところ、第１９の発明によれば、第１の層がＡｌＧａＮ（０≦ｘ＜０．５）とされ、第２の層がＡｌＧａＮ（０．５＜ｙ≦１）とされるため、第１の層及び第２の層の双方の性質を引き出して、結晶成長を果たすことができる。
【００２４】
第２０の発明は、前記第１の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）であり、前記第２の層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）であり、（ｙ−ｘ）＞０．５である、ことを特徴とする第１２の発明〜第１９の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第２０の発明によれば、第１の層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）とされ、第２の層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．５＜ｙ≦１）とされ、さらに（ｙ−ｘ）＞０．５とされるため、この２種の層の組成比の差を大きくすることができ、クラックを抑える層として十分に機能を発揮する。
【００２５】
第２１の発明は、前記第１の層は窒化物半導体のｎ型不純物を含むことを特徴とする第１２の発明〜第２０の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第２１の発明によれば、第１の層に窒化物半導体のｎ型不純物が含まれることで、緩衝領域を好適な電荷移動層とできる。また、Ｓｉ基板と多層膜との界面では、バンド構造の違いに起因するバンド不連続が生ずるため、その界面に電位障壁が形成される。そこで、緩衝領域の第１の層に窒化物半導体のｎ型不純物を含ませることで、電位障壁の厚みが薄くなり、Ｖｆの低減が図れる。特に第１の層がｎ型不純物を含むことで、Ｖｆの低減が効果的となる。
【００２６】
第２２の発明は、前記緩衝領域は、前記Ｓｉ基板側が前記窒化物半導体層側よりも窒化物半導体のｎ型不純物を多く含むことを特徴とする第１２の発明〜第２１の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。
第２２の発明は、多層膜構造の第１の層がｎ型不純物を含むことで、Ｖｆが低減されるが、この効果は、Ｓｉ基板と多層膜との界面に生じる電位障壁によるものであることから、ｎ型不純物を含む層は、Ｓｉ基板側の第１の層であることが好ましく、逆にＳｉ基板側と反対の窒化物半導体層側では顕著な効果は得られにくい。また結晶性の観点からすると、ｎ型不純物を含むことは、多層膜構造上の窒化物半導体層の結晶性を低下させることになる。そこで第２２の発明は、Ｓｉ基板側に対して、窒化物半導体層側のｎ型不純物を少なくすることで、Ｖｆの低減に加えて、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることができる。さらには、Ｓｉ基板側に最も近い第１の層を、他の第１の層に対してｎ型不純物を多く含むことで、Ｓｉ基板と多層膜構造との間での電位障壁の厚みを薄くし、結晶性の低下をおさえ、好適な電荷移動層とできる。
【００２７】
第２３の発明は、第１２の発明〜第２２の発明のいずれか１つに係る半導体素子において、前記緩衝領域が第１導電型層であり、前記緩衝領域の上に、活性層と、前記緩衝領域とは逆の導電型の第２導電型層と、を備えた、ことを特徴とする半導体素子である。
第２３の発明によれば、上記緩衝領域によって窒化物半導体層の結晶性が良くされた後に、活性層、第２導電型層が形成されるため、これらの各層の機能を好適に発揮できる。また、第２３の発明によれば、緩衝領域が１つの導電型領域内に収められるため、結晶性の変化と導電性の変化による相乗的な問題悪化を回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、半導体素子において、Ｓｉ基板の上に形成される窒化物半導体層の結晶性と導電性とをともに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子の一部を示す図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子は、Ｓｉ基板１を備えており、その上に、第１の多層膜構造２と、第２の多層膜構造３と、を備えている。第１の多層膜構造２においては、第１の層４と第２の層５とが交互に積層されており、第２の多層膜構造３においては、第３の層６と第４の層７とが交互に積層されている。ここで、第１の層４は、Ｓｉ基板１との格子定数差が第２の層５および第４の層７のいずれよりも小さな組成の窒化物半導体である。また、第３の層６も、Ｓｉ基板１との格子定数差が第２の層５および第４の層７のいずれよりも小さな組成の窒化物半導体である。さらに、第１の層４は、第３の層６よりも膜厚が大きい。また、この第１の実施の形態に係る半導体素子においては、Ｓｉ基板１との格子定数差が大きい層（第２の層５、第４の層７）が、Ｓｉ基板１との格子定数差が小さい層（第１の層４、第３の層６）よりも薄膜で形成される。
この第１の実施の形態に係る半導体素子においては、第１の層４と第２の層５とがいずれも窒化物半導体であるため、Ｓｉ基板１よりも格子定数が小さい。このため、Ｓｉ基板１に窒化物半導体を形成すると、格子定数に差があるので、Ｓｉ基板１と窒化物半導体との界面にはそれぞれ圧縮応力と引張応力が働く。詳しくは、Ｓｉ基板１に窒化物半導体からなる第１の層４を形成すると、格子定数が大きいＳｉ基板１には、圧縮応力が働くのに対し、格子定数の小さい第１の層４には引張応力が働く。第１の層４に引張応力が働くので、この第１の層４を成長し続けると、その成長面において、クラックが発生してしまう。またこのクラックの発生は、さらに窒化物半導体を成長することを困難にしてしまう。ここに、Ｓｉ基板１に対する格子定数差が第１の層よりも大きい窒化物半導体からなる第２の層５を薄膜で形成すると、第１の層４と第２の層５との界面において、第２の層５には引張応力が、第１の層４には圧縮応力が働く。つまり、引張応力を持ち続ける第１の層４の成長面に圧縮応力が働くことから、クラックの発生を抑えることができる。つまりクラックの発生を抑えながら第１の層４を形成することができ、第１の層４と第２の層５とを交互に積層した多層膜構造２とすることで、クラックを抑えた窒化物半導体からなる多層膜構造を得ることが可能となる。第１の層４と第２の層５との関係は、第３の層６と第４の層７とについても同様のことがいえる。
また、第１の実施の形態に係る半導体素子においては、Ｓｉ基板１上に、第１の層４と第２の層５とのクラックの発生を抑えた第１多層膜構造２の上に、第３の層６と第４の層７とを交互に積層した第２多層膜構造３が形成されるため、結晶性のよい窒化物半導体層８を形成することが可能となる。また、第１の実施の形態に係る半導体素子においては、第１の層４は、第３の層６よりも膜厚が大きい。つまり、第３の層６が第１の層４よりも薄い層となっている。これにより、結晶性のよい窒化物半導体層８を得ることができる。この第３の層６と第４の層７との第２多層膜構造３は、第１の層４と第２の層５との第１多層膜構造２の上にあることで、その機能を発揮する。例えば、同様の膜厚で第３の層６と第４の層７との第２多層膜構造３をＳｉ基板１上に直接形成しても、結晶性のよい窒化物半導体層８は得られない。つまり、第３の層６と第４の層７との第２多層膜構造３は、Ｓｉ基板１上でかつ、クラックの発生を抑えた膜上に形成することで、その効果を発揮することができる。なお、第１の実施の形態においては、第１多層膜構造２の直上に第２多層膜構造３が形成されているが、本発明においては、第２多層膜構造３を第１多層膜構造２よりも上に形成していれば、直上に形成していなくとも、結晶性及び導電性の向上という効果を得ることができる。もっとも、第１多層膜構造２の直上に第２多層膜構造３が形成されている場合には、直上に形成されていない場合と比較して、結晶性および導電性をより向上させることができる。
以上から、第１の実施の形態により、結晶性のよい窒化物半導体層８を得ることが可能となる。
【００３１】
なお、図１に示すように、第１多層膜構造２の総膜厚が第２多層膜構造３の総膜厚よりも小さい場合には、窒化物半導体層８の結晶性をさらに良くすることができる。
また、第２の層５と第４の層７の膜厚が略同一であれば、多層膜の周期性や膜厚比変化などの設計が容易となる。なお、本発明において「略同一」とは、厳密に同一であることはもちろんのこと、厳密には同一でない場合をも含む意味である。
また、第２の層５と第４の層７とがＡｌを含む窒化物半導体であり、第１の層４と第３の層６とがＧａを含む窒化物半導体であれば、さらにＡｌを含む窒化物半導体の性質と、Ｇａを含む窒化物半導体の性質とを有効に利用した多層膜構造とすることができる。
また、第１の層４と第３の層６が、Ａｌを含み、第２の層５および第４の層７よりもＡｌ混晶比が小さい場合には、Ａｌの混晶比でもって格子定数の異なる層が設けられ、Ａｌを含む窒化物半導体の性質を有効に利用した多層膜構造とすることができる。
また、第２の層５および第４の層７が、Ｇａを含み、第１の層４および第３の層６よりもＧａ混晶比が小さい場合には、Ｇａの混晶比でもって格子定数の異なる層が設けられ、Ｇａを含む窒化物半導体の性質を有効に利用した多層膜構造とすることができる。
また、多層膜においては、これを構成する２種の層の組成比の差を大きく取らないと、各組成特有の結晶的性質、機械的性質の差が小さくなり、第１の層および第２の層（第３の層および第４の層）の組成の性質を引き出して結晶成長を果たす目的が達しにくい。したがって、第１の層４および第３の層６がＡｌＧａＮ（０≦ｘ＜０．５）とされ、第２の層５および第４の層７がＡｌＧａＮ（０．５＜ｙ≦１）とされる場合には、第１の層４および第２の層５（第３の層６および第４の層７）の双方の性質を引き出して、結晶成長を果たすことができる。さらに（ｙ−ｘ）＞０．５である場合には、この２種の層の組成比の差を大きくすることができ、クラックを抑える層として十分に機能を発揮する。
また、第１の層４および第３の層６に窒化物半導体のｎ型不純物が含まれる場合には、多層膜構造が好適な電荷移動層となる。Ｓｉ基板１と多層膜構造との界面では、バンド構造の違いに起因するバンド不連続が生ずるため、その界面に電位障壁が形成される。そこで多層膜構造の第１の層４および第３の層６に窒化物半導体のｎ型不純物を含ませることで、電位障壁の厚みが薄くなり、Ｖｆの低減が図れる。特に第１の層４がｎ型不純物を含むことで、Ｖｆの低減が効果的となる。
また、多層膜構造の第１の層がｎ型不純物を含む場合には、Ｖｆが低減されるが、この効果は、Ｓｉ基板１と多層膜との界面に生じる電位障壁によるものであることから、ｎ型不純物を含む層は、Ｓｉ基板１側の第１の層４であることが好ましく、逆にＳｉ基板１側と反対の窒化物半導体層８側では顕著な効果は得られにくい。また結晶性の観点からすると、ｎ型不純物を含むことは、多層膜構造上の窒化物半導体層８の結晶性を低下させることになる。そこで、Ｓｉ基板１側に対して、窒化物半導体層８側のｎ型不純物を少なくすることで、Ｖｆの低減に加えて、結晶性のよい窒化物半導体層８を得ることができる。さらには、Ｓｉ基板１側に最も近い第１の層４を、他の第１の層４に対してｎ型不純物を多く含むことで、Ｓｉ基板１と多層膜構造との間での電位障壁の厚みを薄くし、結晶性の低下をおさえ、好適な電荷移動層とできる。
【００３２】
以上説明したように、第１の実施の形態によれば、後述する図２に示す半導体素子と同様に、半導体素子が、Ｓｉ基板１と窒化物半導体層８との間に緩衝領域９を備えることとなる。また、この緩衝領域９は、基板側の第１の領域１０と、第１の領域１０よりもＳｉ基板１から離れた第２の領域１１において、窒化物半導体からなる第１の層１２と、第１の層１２よりも膜厚が小さくかつ第１の層１２と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層１３と、を交互に積層した多層膜構造をそれぞれ有することとなる。そして、第１の領域１０が有する第１の層１２の膜厚は、第２の領域１１が有する第１の層１２の膜厚よりも大きくなる。したがって、第１の実施の形態においては、基板側から近い領域と遠い領域において、窒化物半導体からなる第１の層１２と第１の層１２よりも膜厚が小さくかつ第１の層１２と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層１３とを交互に積層した多層膜構造がそれぞれ形成されるため、各層（第１の層１２・第２の層１３）の特性（結晶的、機械的）を好適に引き出せる。また、第１の実施の形態によれば、第１の領域１０が有する第１の層１２の膜厚が、第２の領域１１が有する第１の層１２の膜厚よりも大きいため、基板距離に依存した結晶性（格子不整合）・機械的（応力）な問題を、それに適合した多層膜構造とでき、好適な結晶が得られる。
また、上記第１多層膜構造および第２多層膜構造によって窒化物半導体層８の結晶性が良くされた後に、活性層、第２導電型層が形成される場合には、これらの各層の機能を好適に発揮できる。また、第１多層膜構造２および第２多層膜構造３が１つの導電型領域内に収められるため、結晶性の変化と導電性の変化による相乗的な問題悪化を回避することが可能となる。
【００３３】
なお、第１の実施の形態においては、第１多層膜構造２が第１の層４と第２の層５とを有するとしたが、第１多層膜構造２は、第１の層４及び第２の層５以外の層を有していてもよい。同様に、第１の実施の形態においては、第２多層膜構造３が第３の層６と第４の層７とを有するとしたが、第２多層膜構造３は、第３の層６及び第４の層７以外の層を有していてもよい。
また、これらの第１の実施の形態を実現する第１の層〜第４の層の好ましい膜厚は次のとおりである。第１の層は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下、第２の層および第４の層は第１の層よりも薄くかつ、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下、第３の層は、第２の層よりも厚くかつ、第１の層よりも薄い。また好ましくは第１の層は、第３の層の２倍程度である。
【００３４】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体素子の一部を示す図である。
図２に示すように、第２の実施の形態に係る半導体素子は、Ｓｉ基板１の上に窒化物半導体層８を備え、また、Ｓｉ基板１と窒化物半導体層８との間に緩衝領域９を備えている。この緩衝領域９は、窒化物半導体の組成が異なる第１の層１２と第２の層１３とを周期的に有し、膜厚方向における一周期の長さ（一周期長）がＳｉ基板１側よりも窒化物半導体層８側が短くなっている。
この第２の実施の形態に係る半導体素子によれば、Ｓｉ基板１との格子定数差が大きい層（第２の層１３）が、Ｓｉ基板１との格子定数差が小さい層（第１の層１２）よりも薄膜で形成される。第１の層１２は、窒化物半導体であるため、Ｓｉ基板１に対して格子定数が小さい。つまり、Ｓｉ基板１に窒化物半導体層８を形成すると、格子定数に差があるので、Ｓｉ基板１と窒化物半導体層８との界面にはそれぞれ圧縮応力と引張応力が働く。詳しくは、Ｓｉ基板１に窒化物半導体からなる第１の層１２を形成すると、格子定数が大きいＳｉ基板１には、圧縮応力が働くのに対し、格子定数の小さい第１の層１２には引張応力が働く。第１の層１２に引張応力が働くので、この第１の層１２を成長し続けると、その成長面において、クラックが発生してしまう。またこのクラックの発生は、さらに窒化物半導体層８を成長することを困難にしてしまう。ここに、Ｓｉ基板１に対する格子定数差が、第１の層１２よりも大きい窒化物半導体からなる第２の層１３を薄膜で形成すると、第１の層１２と第２の層１３との界面において、第２の層１３には引張応力が、第１の層１２には圧縮応力が働く。つまり、引張応力を持ち続ける第１の層１２の成長面に圧縮応力が働くことから、クラックの発生を抑えることができる。つまりクラックの発生を抑えながら第１の層１２を形成することができ、第１の層１２と第２の層１３とを交互に積層した多層膜構造とすることで、クラックを抑えた窒化物半導体からなる緩衝領域９を得ることが可能となる。
さらに、Ｓｉ基板１上に、第１の層１２と第２の層１３とのクラックの発生を抑えた第１の領域１０の上に、第１の層１２と第２の層１３とを交互に積層した第２の領域１１を形成することで、結晶性のよい窒化物半導体層８を形成することが可能となる。ここで第２の実施の形態によれば、第１の領域１０が有する第１の層１２の膜厚は、第２の領域１１が有する第１の層１２の膜厚よりも大きい、つまり、第２の領域１１が有する第１の層１２の膜厚は第１の領域１０が有する第１の層１２の膜厚よりも薄い層とする。これにより、結晶性のよい窒化物半導体層８を得ることができる。この第２の領域１１は、第１の領域１０の上にあることで、その機能を発揮する。例えば、同様の膜厚で第２の領域１１をＳｉ基板１上に直接形成しても、結晶性のよい窒化物半導体層８は得られない。つまり、第２の領域１１は、Ｓｉ基板１上でかつ、クラックの発生を抑えた膜上に形成することで、その効果を発揮することができる。
以上から、第２の実施の形態により、結晶性のよい窒化物半導体層８を得ることが可能となる。
第２の実施の形態によれば、半導体素子が、Ｓｉ基板１と窒化物半導体層８との間に緩衝領域９を備えることとなる。また、この緩衝領域９は、基板側の第１の領域１０と、第１の領域１０よりもＳｉ基板１から離れた第２の領域１１において、窒化物半導体からなる第１の層１２と、第１の層１２よりも膜厚が小さくかつ第１の層１２と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層１３と、を交互に積層した多層膜構造をそれぞれ有することとなる。そして、第１の領域１０が有する第１の層１２の膜厚は、第２の領域１１が有する第１の層１２の膜厚よりも大きくなる。したがって、第２の実施の形態においては、基板側から近い領域と遠い領域において、窒化物半導体からなる第１の層１２と第１の層１２よりも膜厚が小さくかつ第１の層１２と組成が異なる窒化物半導体からなる第２の層１３とを交互に積層した多層膜構造がそれぞれ形成されるため、各層（第１の層１２・第２の層１３）の特性（結晶的、機械的）を好適に引き出せる。また、第１の実施の形態によれば、第１の領域１０が有する第１の層１２の膜厚が、第２の領域１１が有する第１の層１２の膜厚よりも大きいため、基板距離に依存した結晶性（格子不整合）・機械的（応力）な問題を、それに適合した多層膜構造とでき、好適な結晶が得られる。
【００３５】
なお、第２の実施の形態においては、緩衝領域９が窒化物半導体の組成が異なる第１の層１２と第２の層１３とを周期的に有し、膜厚方向における一周期の長さ（一周期長）がＳｉ基板１側よりも窒化物半導体層８側が短くなっているとしたが、本発明には、膜厚方向の所望の長さ（少なくとも二周期以上の長さ）における周期数がＳｉ基板１よりも窒化物半導体層８側が大きくなっている場合や、第１の層１２と第２の層１３との膜厚差（〔第１の層１２〕−〔第２の層１３〕）がＳｉ基板１側よりも窒化物半導体層８側が小さい場合や、第１の層１２と第２の層１３との膜厚比（〔第１の層１２〕／〔第２の層１３〕）がＳｉ基板１側よりも窒化物半導体層８側が小さい場合も含まれる。
なお、上記第２の実施の形態に係る半導体素子において、第２の層１３の膜厚が略同一であれば、多層膜の周期性や膜厚比変化などの設計が容易となる。
また、第２の層１３がＡｌを含む窒化物半導体であり、第１の層１２がＧａを含む窒化物半導体であれば、さらにＡｌを含む窒化物半導体の性質と、Ｇａを含む窒化物半導体の性質とを有効に利用した緩衝領域９とすることができる。
また、多層膜においては、これを構成する２種の層の組成比の差を大きく取らないと、各組成特有の結晶的性質、機械的性質の差が小さくなり、双方の組成の性質を引き出して結晶成長を果たす目的が達しにくい。したがって、第１の層１２のＡｌ混晶比が第２の層１３よりも小さい場合には、第１の層１２及び第２の層１３の双方の性質を引き出して、結晶成長を果たすことができる。
また、第２の層１３が、Ｇａを含み、第１の層１２よりもＧａ混晶比が小さい場合には、Ｇａの混晶比でもって、格子定数の異なる層が設けられ、Ｇａを含む窒化物半導体の性質を有効に利用した緩衝領域９とすることができる。
また、多層膜においては、これを構成する２種の層の組成比の差を大きく取らないと、各組成特有の結晶的性質、機械的性質の差が小さくなり、双方の組成の性質を引き出して結晶成長を果たす目的が達しにくいため、第１の層１２がＡｌＧａＮ（０≦ｘ＜０．５）とされ、第２の層１３がＡｌＧａＮ（０．５＜ｙ≦１）とされれば、第１の層１２及び第２の層１３の双方の性質を引き出して、結晶成長を果たすことができる。さらに（ｙ−ｘ）＞０．５とされれば、この２種の層の組成比の差を大きくすることができ、クラックを抑える層として十分に機能を発揮する。
また、第１の層１２に窒化物半導体のｎ型不純物が含まれる場合には、緩衝領域９を好適な電荷移動層となる。Ｓｉ基板１と多層膜との界面では、バンド構造の違いに起因するバンド不連続が生ずるため、その界面に電位障壁が形成されるが、緩衝領域９の第１の層１２に窒化物半導体のｎ型不純物を含ませることで、電位障壁の厚みが薄くなり、Ｖｆの低減が図れる。特に第１の層１２がｎ型不純物を含むことで、Ｖｆの低減が効果的となる。
また、緩衝領域９の第１の層１２がｎ型不純物を含む場合にはＶｆが低減されるが、この効果は、Ｓｉ基板１と多層膜との界面に生じる電位障壁によるものであることから、ｎ型不純物を含む層は、Ｓｉ基板１側の第１の層１２であることが好ましく、逆にＳｉ基板１側と反対の窒化物半導体層８側では顕著な効果は得られにくい。また結晶性の観点からすると、ｎ型不純物を含むことは、緩衝領域９上の窒化物半導体層８の結晶性を低下させることになる。そこで、Ｓｉ基板１側に対して、窒化物半導体層８側のｎ型不純物を少なくすることで、Ｖｆの低減に加えて、結晶性のよい窒化物半導体層８を得ることができる。さらには、Ｓｉ基板１側に最も近い第１の層１２を、他の第１の層１２に対してｎ型不純物を多く含むことで、Ｓｉ基板１と緩衝領域９との間での電位障壁の厚みを薄くし、結晶性の低下をおさえ、好適な電荷移動層とできる。
また、緩衝領域９を第１導電型層とし、この緩衝領域９の上に、活性層と、緩衝領域９とは逆の導電型の第２導電型層と、を備えることとすれば、上記緩衝領域９によって窒化物半導体層８の結晶性が良くされた後に、活性層、第２導電型層が形成されるため、これらの各層の機能を好適に発揮できる。また、このようにすれば、緩衝領域９が１つの導電型領域内に収められるため、結晶性の変化と導電性の変化による相乗的な問題悪化を回避することが可能となる。
なお、第２の実施の形態においては、緩衝領域９が第１の層１２と第２の層１３とを有するとしたが、緩衝領域９は、第１の層１２及び第２の層１３以外の層を有していてもよい。
また、これらの第２の実施の形態を実現する第１の層と第２の層の好ましい膜厚は次のとおりである。第１の層は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下、第２の層は第１の層よりも薄くかつ、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
【００３６】
なお、本発明は、Ｓｉ基板１の導電型を特に限定するものではなく、ｎ型、ｐ型のいずれとすることもできる。しかしながら、Ｓｉ基板１の少なくとも表面の導電型をｐ型とすれば、Ｓｉ基板１と第１の多層膜構造２または緩衝領域９との間でキャリアの注入をより良好に行うことができ、ｎ型のＳｉ基板１よりも効率よく第１の多層膜構造２または緩衝領域９にキャリアが注入されるので好ましい。この理由は明らかではないが、これを仮説として述べると次のようになる。Ｓｉ基板１における能動領域の導電型をｐ型とすれば、Ｓｉ基板１の能動領域におけるフェルミ準位が価電子帯に近づき、さらに高濃度ドーピングすることにより、全部または一部が縮退してフェルミ準位が価電子帯中に存在することとなる。また、第１の多層膜構造２または緩衝領域９における能動領域に多くの電子が存在すると、第１の多層膜構造２または緩衝領域９の能動領域におけるフェルミ準位が導電帯に近づき、さらに高濃度ドーピングすることにより、縮退してフェルミ準位が導電帯中に存在することとなる。このような状態で、半導体素子に順方向電圧（Ｖｆ）をかけると、Ｓｉ基板１と第１の多層膜構造２または緩衝領域９との接合面には逆バイアスがかかるため、Ｓｉ基板１の能動領域における価電子帯が第１の多層膜構造２または緩衝領域９の能動領域における導電帯よりも高くなり、かつ接合部に形成されていた空乏層がせまくなる。これによりＳｉ基板１の価電子帯における多数の電子が狭い空乏層をトンネルして第１の多層膜構造２または緩衝領域９の伝導帯に注入されると考えられる。このため、ｎ型のＳｉ基板１よりも効率よく第１の多層膜構造２または緩衝領域９にキャリアが注入されるようになったものと考えられる。なお、基板にＳｉを用いる場合には、このＳｉ基板１の裏面にｎ電極を設けてｐ電極とｎ電極とを対向させることができ、半導体素子の小型化を図ることができる。ここで能動領域とは、半導体素子の基本構造を決定する領域であり、素子において正電極と負電極との間に電圧を印加したときに電流が通過する領域のことをいう。
【実施例１】
【００３７】
図３は、本発明の実施例に係る半導体素子を示す図である。
以下、本発明の実施例に係る半導体素子について説明する。
〔Ｓｉ基板１〕
基板１は、Ｓｉである。本発明は、基板１の導電型を限定しないため、基板１は、ｎ型、ｐ型のいずれともすることもできる。
〔バッファ層１４〕
バッファ層１４は、上記した第１の実施の形態で説明した第１多層膜構造２及び第２多層膜構造３、または、上記した第２の実施の形態で説明した緩衝領域９を有している。
〔窒化物半導体層８〕
窒化物半導体層８は、ｎ型窒化物半導体層１５、活性層１６、ｐ型窒化物半導体層１７を有している。
（ｎ型窒化物半導体層１５）
ｎ型窒化物半導体層１５は、たとえば、一般式ＩｎｅＡｌｆＧａ１−ｅ−ｆＮ（０≦ｅ、０≦ｆ、ｅ＋ｆ≦１）で表される材料で構成できるが、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を得るために、ＧａＮ又はｆ値０．２以下のＡｌｆＧａ１−ｆＮとすることが好ましい。また、ｎ型窒化物半導体層１５の膜厚は、クラックの発生を防止しつつ、抵抗値を低くし半導体素子の順方向電圧（Ｖｆ）を低くするために、好ましくは０．１〜５μｍ、より好ましくは０．３〜２μｍとする。
（活性層１６）
活性層１６には、単一量子井戸構造や多重量子井戸構造を用いることができ、Ｉｎ及びＧａを含有する窒化物半導体、好ましくは、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）で形成される。多重量子井戸構造を用いる場合には、活性層１６が障壁層および井戸層を有することとなるが、障壁層は例えばアンドープＧａＮとし、井戸層は例えばアンドープＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎとすることができる。井戸層の膜厚としては１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは５０オングストローム以下に調整する。井戸層の膜厚の下限は、特に限定されないが、１原子層以上、好ましくは１０オングストローム以上とする。井戸層が１００オングストロームよりも厚いと、出力が向上しにくい傾向にある。なお、順方向電圧（Ｖｆ）を下げるために、活性層５の一部にＳｉをドープしてもよい。障壁層の厚さは２０００オングストローム以下、好ましくは５００オングストローム以下、より好ましくは２００オングストローム以下に調整する。障壁層の膜厚の下限は特に限定されないが、１原子層以上、好ましくは１０オングストローム以上とする。障壁層の膜厚を上記範囲とすると出力を向上させることができる。また、活性層１６全体の膜厚はとくに限定されるものではなく、発光波長等を考慮して、障壁層及び井戸層の各積層数や積層順を調整し活性層１６の総膜厚を設定することができる。
（ｐ型窒化物半導体層１７）
ｐ型窒化物半導体層１７は、Ｓｉ基板１側から順に、ｐ型クラッド層（図示せず）とｐ型コンタクト層（図示せず）とを有している。
ｐ型クラッド層は、多層膜構造（超格子構造）または単一膜構造である。ｐ型クラッド層を超格子構造とすると、結晶性を良くでき、抵抗率を低くできるので、順方向電圧（Ｖｆ）を低くすることができる。ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。また、ｐ型不純物ドープのｐ型クラッド層が、ｐ型不純物を含むＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０≦ｔ≦１）よりなる単一層からなる場合は、やや発光出力が低下するが、静電耐圧は超格子の場合とほぼ同等の良好なものにできる。  
ｐ型コンタクト層は、一般式ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）で表される窒化物半導体を用いて形成することができるが、結晶性の良好な層を形成するために、好ましくは３元混晶の窒化物半導体、より好ましくはＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶のＧａＮからなる窒化物半導体とする。更にｐ型コンタクト層をＩｎ、Ａｌを含まない２元混晶とすると、正電極とのオーミック接触をより良好にでき、発光効率を向上させることができる。ｐ型コンタクト層のｐ型不純物としては、ｐ型クラッド層と同様の種々のｐ型不純物を用いることができるが、好ましくはＭｇとする。ｐ型コンタクト層にドープするｐ型不純物をＭｇとすると、ｐ型特性が容易に得られ、またオーミック接触を容易に形成することができる。
なお、本発明においては、不純物濃度の測定方法を限定するものでないが、不純物濃度は、たとえば二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定することができる。
本実施例で得られる窒化物半導体素子は、Ｓｉ基板上の窒化物半導体層の結晶性と導電性に優れ、Ｖｆの低い半導体素子を得ることができた。
また実施例１の比較例として、第１の層と第２の層との膜厚を同じにした多層膜構造を形成して、他は実施例１と同様にして半導体素子を得たところ、Ｖｆは実施例１よりも高かった。特に、第１の層を第２の層と同じ程度の膜厚としたところ、実施例１よりもＶｆが１Ｖ程度高く、窒化物半導体層へのキャリアが十分に供給されないことによるものと考えられる。また第２の層を第１の層と同じ程度の膜厚としたところ、Ｖｆは１０Ｖ以上で測定不能であり、ほとんど電気を通さないものであった。
さらに別の比較例として、Ｓｉ基板上に第１の層と第２の層との多層膜構造とするときの、第１の層の膜厚をｎ型窒化物半導体層を形成するまで同じ膜厚で形成して、他は実施例１と同様にして半導体素子を得たところ、第１の層が比較的厚い場合、多層膜構造にクラックが発生し、半導体素子としては、リークの発生や部分的な発光領域しか得られず、第１の層が比較的薄い場合、ほとんど電気の通さない素子であった。
【実施例２】
【００３８】
実施例１に係る半導体素子は、たとえば次のようにして製造することができる。
まず、Ｓｉ基板１を反応容器内にセットし、水素を流しながら、Ｓｉ基板１の温度を上昇させ、Ｓｉ基板１のクリーニングを行う。
次ぎに、Ｓｉ基板１の上に、第１の実施の形態に係るバッファ層１４または第２の実施の形態に係るバッファ層１４を成長させる。
次に、所定の温度でｎ型窒化物半導体層１５を成長させる。
次に、障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、多重量子井戸構造よりなる活性層１６を成長させる。
次に、超格子構造の多層膜よりなるｐ型多層膜クラッド層を成長させる。
次に、ｐ型コンタクト層を成長させる。  
次に、窒素雰囲気中、Ｓｉ基板１を反応容器内においてアニーリングを行い、ｐ型窒化物半導体層１７をさらに低抵抗化する。  
ここで、正電極１８と負電極１９を同一面側に設ける場合には、Ｓｉ基板１を反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層において、正電極１８を形成する位置に所定の形状のＳｉＯ２マスクを厚さ１μｍで形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側からエッチングを行う。そして、形成したＳｉＯ２マスクの上に更に一部を残してレジスト膜を形成し、ＲＩＥによってＳｉ基板１１またはｎ型窒化物半導体層１５における一部の表面を露出させる。  
次ぎに、最上層にあるｐ型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を含む透光性の正電極１８と、その正電極１８の上にボンディング用のＡｕよりなるパッド電極（図示せず）を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、Ｓｉ基板１の反窒化物半導体層側（またはエッチングにより露出させたＳｉ基板１ないしはｎ型窒化物半導体層１５の表面）にはＷとＡｌを含む負電極１９を形成する。
以上のようにして形成したＳｉ基板１をチップ化すれば、実施例１に係る半導体素子を得ることができる。
このようにして得た半導体素子を、リードフレーム（図示せず）などにマウントしてボンディングした後、封止部材（図示せず）で封止する。ここで、封止部材としては、所望の波長の光を透過させる透光性樹脂が用いられ、たとえば、エポキシ樹脂やＳｉ樹脂やアクリル樹脂などが適している。なお、封止部材には、光を拡散させる光拡散材や、半導体素子からの光によって励起されてその波長よりも長波長の光が発光可能な蛍光物質などを混入させてもよい。封止部材の形状は、任意に設計することができ、たとえば半円柱状や直線状などとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、すべての半導体素子に適用できるが、特に、窒化物系の半導体素子に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子の一部を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体素子の一部を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る半導体素子を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    Ｓｉ基板、
２    第１多層膜構造、
３    第２多層膜構造、
４    第１の層、
５    第２の層、
６    第３の層、
７    第４の層、
８    窒化物半導体層、
９    緩衝領域、
１０    第１の領域、
１１  第２の領域、
１２    第１の層、
１３    第２の層
１４    バッファ層、
１５    ｎ型窒化物半導体層、
１６    活性層、
１７    ｐ型窒化物半導体層、
１８    正電極、
１９    負電極。
【図３】
2006332125.tif 000003
【図１】
2006332125.tif 000004
【図２】
2006332125.tif 000005