【手続補正書】
【提出日】令和2年5月25日(2020.5.25)
【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】
導電部と電極とが接続されたコンタクト構造が備えられ、前記導電部に薄膜の窒化物半導体が用いられたＧａＮ系のＬＥＤ素子であって、
前記窒化物半導体は、窒素と、Ｂ、Ａｌ、ＧａまたはＩｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の１３族元素を含有し、電子濃度が１×１０20ｃｍ-3以上で、且つ、比抵抗が０．３×１０-3Ω・ｃｍ以下である、ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記電子濃度が２×１０20ｃｍ-3以上である、請求項１に記載のＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記窒化物半導体は、ｎ型オーミック電極金属に対するコンタクト抵抗が１×１０-4Ωｃｍ2以下である、請求項１または２に記載のＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記窒化物半導体は、４０５ｎｍの波長領域の光に対する吸光係数が２０００ｃｍ-1以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体は、４５０ｎｍの波長領域の光に対する吸光係数が１０００ｃｍ-1以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体は、電子移動度が６０ｃｍ2／（Ｖ・ｓ）以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記窒化物半導体は、ＡＦＭによる表面粗さ測定で得られるＲＭＳ値が５．０ｎｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記少なくとも１種の１３族元素はＧａである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体は、比抵抗が０．２×１０-3Ω・ｃｍ以上である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１０】
前記窒化物半導体は、比抵抗が０．１５×１０-3Ω・ｃｍ以上である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１１】
前記窒化物半導体は、比抵抗が０．１×１０-3Ω・ｃｍ以上である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１２】
前記窒化物半導体は、
（ａ）電子濃度が１×１０20ｃｍ-3、且つ、比抵抗が０．３×１０-3Ω・ｃｍ、
（ｂ）電子濃度が３×１０20ｃｍ-3、且つ、比抵抗が０．３×１０-3Ω・ｃｍ、
（ｃ）電子濃度が４×１０20ｃｍ-3、且つ、比抵抗が０．１５×１０-3Ω・ｃｍ、及び
（ｄ）電子濃度が９×１０20ｃｍ-3、且つ、比抵抗が０．１５×１０-3Ω・ｃｍ
の４点で囲まれた数値範囲を満たす請求項１〜８のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１３】
前記窒化物半導体と格子が整合する条件または擬似的に整合し得る条件の材料が下地として用いられてなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１４】
前記下地の材料がＧａＮである請求項１３に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１５】
前記窒化物半導体は、貫通転位密度が１×１０6／ｃｍ2〜５×１０10／ｃｍ2である請求項１〜１４のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】ＬＥＤ素子
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
態様６は、態様１〜５のいずれかのＬＥＤ素子における前記窒化物半導体のｎ型オーミック電極金属に対するコンタクト抵抗が１×１０-4Ωｃｍ2以下である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
また、第２の発明は、導電部と電極とが接続されたコンタクト構造が備えられ、前記導電部に薄膜の窒化物半導体が用いられたＧａＮ系のＬＥＤ素子であって、
前記窒化物半導体は、窒素と、Ｂ、Ａｌ、ＧａまたはＩｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の１３族元素を含有する、導電型がｎ型の窒化物半導体であって、電子濃度が１×１０20ｃｍ-3以上で、且つ、比抵抗が０．３×１０-3Ω・ｃｍ以下である、ＬＥＤ素子である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
また、好ましくは、前記窒化物半導体のｎ型オーミック電極金属に対するコンタクト抵抗が１×１０-4Ωｃｍ2以下である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
次に、本発明の窒化物半導体の物性に関して説明する。ｎ型窒化物半導体膜の比抵抗ρは、電子移動度μnとキャリア濃度ｎに反比例するから、高い電子濃度においても高い電子移動度を示すことは、即ち、電気的に低抵抗である良質な膜とすることができることを意味している。つまり、本発明によれば、半導体デバイスとして利用し易く良質な１３族窒化物半導体膜を提供することができる。本発明に係わる窒化物半導体の貫通転位密度は１×１０6／ｃｍ2〜５×１０10／ｃｍ2程度である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
【図１】ＰＳＤ法で作製したＳｉドープのｎ型ＧａＮ膜の電子濃度（Ｎe）と電子移動度（μe）の関係を示すグラフ。
【図２】Ｓｉ濃度が２×１０20ｃｍ-3のＧａＮ膜の酸素濃度の深さ方向のプロファイルを示すＳＩＭＳデータのグラフ。
【図３】図２に示したＳｉドープのＧａＮスパッタリング膜の表面ＡＦＭ像。
【図４】Ｓｉ濃度（電子濃度）が２×１０20ｃｍ-3のＧａＮ膜の吸収係数と屈折率をエリプソメータで測定した結果を示すグラフ。
【図５】ＧａＮの結晶構造を示す模式図（Ａ）、平面方向の模式図（Ｂ）。
【図６】本発明で用いるスパッタ装置の構成を示す模式図。
【図７】本発明においてスパッタリング時にスパッタ装置の電極に印加するパルスシーケンスの一例を示すグラフ。
【図８】本発明で用いるスパッタリング装置の内部構造を示す縦断面の模式図。
【図９】本発明の実施形態１に係る半導体素子の断面模式図。
【図１０】本発明の実施形態２に係わるコンタクト構造を示す断面模式図。
【図１１】本発明の実施形態３に係わるコンタクト構造を示す断面模式図。
【図１２】本発明を適用し得る薄膜トランジスタの断面模式図。
【図１３】本発明を適用し得るＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの断面模式図。
【図１４】本発明を適用し得るＬＥＤ素子の断面模式図。
【図１５】本発明を適用し得る面発光レーザ素子の断面模式図。
【図１６】本発明に係るＧａＮの電子濃度と抵抗率の関係を説明するための図である。
【図１７】本発明に係るＧａＮにおける、ＳＩＭＳ測定で得たドナー不純物の濃度と電子濃度との関係を纏めた図である。
【図１８】ＧａＮの表面状態の例としての、ＧｅドープのＧａＮの試料表面のＡＦＭ像である。
【図１９】縦形パワーＭＯＳＦＥＴの断面概略図である。
【図２０】ＧａＮ系ＬＥＤ素子の断面概略図である。
【図２１】ショットキダイオードの断面概略図である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態として、１３族窒化物半導体をパルススパッタリングで製造して形成した化合物半導体について説明する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
このようにして、スパッタ膜として形成されたＧａＮの半導体化合物は６角形状の軸方向（膜の厚み方向）に徐々に成長し面内で均一であって、かつ一定以上の面積を持つ化合物半導体の膜が最終的に製造できると考えられる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
電源制御部１５は、直流電源１４に接続されており、直流電源１４の動作のタイミングに関する制御を行う。電源制御部１５により、基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧を印加することが可能になっている。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
つまり、ＰＳＤ法で作製した本実施例に係るｎ型ＧａＮ膜は、５×１０19ｃｍ-3以上の電子濃度においても、４６ｃｍ2／（Ｖ・ｓ）以上の電子移動度を示す極めて良質な膜であることが分かった。好ましくは５０ｃｍ2／（Ｖ・ｓ）以上の電子移動度の膜を利用することができる。ｎ型窒化物半導体膜の比抵抗ρは、電子移動度μnとキャリア濃度ｎに反比例するから、高い電子濃度においても高い電子移動度を示すことは、即ち、低抵抗の良質な膜とすることができることを意味している。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９７】
図４は、Ｓｉ濃度（電子濃度）が２×１０20ｃｍ-3のＧａＮ膜の吸収係数（図４（ａ））と屈折率（図４（ｂ））をエリプソメータで測定した結果を示すグラフである。なお、この膜の電子移動度は１１５ｃｍ2／（Ｖ・ｓ）である。青色ＬＥＤで標準的に使われる波長である４５０ｎｍにおける吸収係数は８４４ｃｍ-1であり、青紫色レーザで標準的に使われる波長である４０５ｎｍにおける吸収係数は１８６０ｃｍ-1であった。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０３】
（応用例）
図１２は、本発明を適用し得る薄膜トランジスタの模式的な断面図である。薄膜トランジスタの電極のコンタクト層に高濃度のｎ型ＧａＮ層を適用することができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０５】
図１３は、本発明を適用し得るＨＥＭＴの模式的な断面図である。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴのソース・ドレイン電極に接触する下部に配置されるコンタクト層に、本発明に係わる高濃度のｎ型ＧａＮ層を適用することができる。同図中、６１はＧａＮ、サファイア、ＳｉＣまたはＳｉ等の基板、６２はＧａＮまたはＡｌＮ等のバッファ層、６３はＧａＮアンドープ層、６４はＡｌＧａＮバリア層、６５は高濃度ｎ型ＧａＮ層を用いたコンタクト層である。さらに、ソース電極６６、ゲート電極６７、及びドレイン電極６８がＨＥＭＴの上部に備えられている。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０６】
上記の薄膜トランジスタ（図１２）及びＨＥＭＴ（図１３）において、高濃度のｎ型ＧａＮ層をコンタクト層に適用することができる。そして、動作電流が流れる回路要素（これらの素子においては、即ちソース、ドレインの部位）における電極との接触抵抗をかなり低減することができる。その結果、電子デバイスの性能向上に大きく寄与することができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０８】
同図において、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣまたはＳｉの基板７１側から複数の化合物半導体層を順次積層していく。バッファ層７２、ｎ型ＧａＮ層７３、ＧａＩｎＮ／ＧａＮのＭＱＷ発光層７４、ｐ型ＧａＮ層７５、ｐ型ＩｎＧａＮ層７６ａ、高濃度のｎ型ＧａＮ層７６ｂからなるトンネル接合部７６、ｎ型ＧａＮ層７７、高濃度のｎ型ＧａＮ層のコンタクト層７８，及び電極７９Ａ、電極７９Ｂが備えられている。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１０】
同図中、８１はＧａＮ基板、８２Ｄは内部の多層膜反射鏡、８３はｎ型ＧａＮ層、８４はＧａＩｎＮ／ＧａＮからなるＭＱＷ活性層、８５はｐ型ａｌＧａＮ層、８６ａはｐ型ＩｎＧａＮ層、８６ｂは高濃度のｎ型ＧａＮ層であり、８６ａと８６ｂでトンネル接合部８６が形成されている。さらに、８７はｎ型ＧａＮ層、８８は高濃度のｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）、８９Ａと８９Ｂは電極、及び８２Ｕは上部の多層膜反射鏡が備えられている。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
図１６は、本発明に係るＧａＮの電子濃度（ｃｍ-3）と比抵抗率（ｍΩ・ｃｍ）の関係を説明するための図である。図中に星印で示したものが本発明に係るＧａＮであり、白抜きのものはＳｉドープのもの、灰色のものはＧｅドープのものである。同図には、比較のため、これまでに報告されている、ＭＯＣＶＤ法（菱形印）およびＭＢＥ法（丸印）で得られたＧａＮのデータも示すと同時に、理論計算から得られる電子濃度と抵抗率の関係も示した。なお、図中にθで示した値はイオン化不純物濃度の補償比（アクセプタ濃度ＮAとドナー濃度ＮDの比：ＮA／ＮD）である。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２４】
この図に示した結果から明らかなように、本発明に係るＧａＮは、従来のものに比較して、特に電子濃度が１×１０20ｃｍ-3以上の場合に、０．３×１０-3Ω・ｃｍ以下という顕著に低い比抵抗を示すという特徴をもち、この特徴は電子濃度が２×１０20ｃｍ-3以上であっても失われない。この傾向は、下表に整理したように、少なくとも０．１９６×１０-3Ω・ｃｍまでの比抵抗範囲で実験的に確認済みである。なお、イオン化不純物散乱による比抵抗の下限の理論値は０．０４×１０-3Ω・ｃｍであるが、成膜条件等により、例えば０．２×１０-3Ω・ｃｍ、或いは０．１５×１０-3Ω・ｃｍ、または０．１×１０-3Ω・ｃｍなどとなる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４０】
さらに、表１〜４に示した各窒化物半導体のコンタクト抵抗を測定したところ、いずれの試料においても、ｎ型オーミック電極金属に対するコンタクト抵抗が１×１０-4Ωｃｍ2以下であることを確認した。この値は十分に低い値であり、上述した窒化物半導体を導電部として備えたコンタクト構造とすることで、ＨＥＭＴなどの電子素子における寄生抵抗の低減、ＩＴＯなどの透明導電膜に代わる材料の提供、ＬＥＤモジュールのカスケード接続といった種々の用途への利用が期待できる。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４７】
なお、一般的な傾向として、ドナーとしてＧｅを用いたものの方が、Ｓｉを用いたものに比して、窒化物半導体結晶中に高濃度で取り込まれ易い。その理由のひとつとして、Ｇｅのイオン半径がＧａのイオン半径に近いためにＧａイオンサイトを容易に置換することが考えられる。その結果、窒化物半導体膜中の応力の蓄積も小さくなり、膜の表面も平坦になり易い傾向が認められる。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６４】
導電部と電極とが接続されたコンタクト構造が備えられ、前記導電部に薄膜の窒化物半導体が用いられたＧａＮ系のＬＥＤ素子であって、 前記窒化物半導体は、窒素と、Ｂ、Ａｌ、ＧａまたはＩｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の１３族元素を含有する、導電型がｎ型の窒化物半導体であって、電子濃度が１×１０20ｃｍ-3以上で、且つ、比抵抗が０．３×１０-3Ω・ｃｍ以下である、ＬＥＤ素子である。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６６】
また、好ましくは、前記窒化物半導体は、ｎ型オーミック電極金属に対するコンタクト抵抗が１×１０-4Ωｃｍ2以下である。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７７】
本発明によれば、電気抵抗が低くかつ大電流を必要とする電子デバイス、例えば、ＨＥＭＴなど横型のパワー半導体デバイス、縦型のパワー半導体デバイス、高耐圧ダイオード、薄膜トランジスタ、ディスプレイデバイス等の配線構造のコンタクト部、活性層など、電子回路の性能を決定づける重要な回路要素に適用することができる。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2019062204.tif 000001