(57)【要約】【課題】Ａｌ含有率が低いＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を用いた超格子歪緩衝層を平坦性良く形成すると共に、該超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層を形成した窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】基板と、基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、超格子歪緩衝層上に形成された窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする、窒化物半導体素子である。【選択図】図３
2011205053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成された窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、
前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする、窒化物半導体素子。
【請求項２】
基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極とを備える窒化物半導体素子であって、
前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする、窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ｐ型不純物がＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅであ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の層の厚さが０．１〜３ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第１の層中の前記ｐ型不純物の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上に窒化物半導体層を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項７】
基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、該ｎ型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、該発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極を形成する工程と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記ｎ側電極を形成する工程は、前記発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成した後に、前記ｎ型窒化物半導体層の前記発光層側の一部を露出させ、該露出させた一部にｎ側電極を形成することを含むことを特徴する、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記ｐ型不純物がＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅであることを特徴とする、請求項６〜８の何れかに記載の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の層の厚さを０．１〜３ｎｍとすることを特徴とする、請求項６〜９の何れかに記載の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の層中の前記ｐ型不純物の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満とすることを特徴とする、請求項６〜１０の何れかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子および窒化物半導体素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、殺菌、浄水、医療、照明、高密度光記録などの分野で好適に用いることができる発光ダイオード（ＬＥＤ）として、紫外線領域で発光するＬＥＤ、特に発光波長が３６５ｎｍ未満の紫外ＬＥＤが着目されている。また、近年では、化合物半導体を用いたＨＥＭＴ等の電子デバイスも、注目されている。
【０００３】
ここで、このような紫外ＬＥＤとしては、素子材料としてＡｌＧａＮ系薄膜を用いて素子構造を形成したものが知られている。そして、このようなＡｌＧａＮ系薄膜を用いて素子構造を形成した紫外ＬＥＤでは、高品質なＡｌＧａＮ系薄膜を得て紫外ＬＥＤの発光出力を向上させるための様々な取り組みがなされている。
【０００４】
具体的には、基板上にＡｌＮ歪緩衝層（ＡｌＮテンプレート）を設けると共に、該ＡｌＮ歪緩衝層とｎ型窒化物半導体（ｎ型ＡｌＧａＮ層）との間にＡｌａＧａ１−ａＮ／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１、ａ＞ｂ）の超格子歪緩衝層を設けることにより、薄膜応力を制御すると共にｎ型ＡｌＧａＮ層でのクラック発生を抑制し、発光出力を向上させた紫外ＬＥＤが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
しかしここで、上述した紫外ＬＥＤ（窒化物半導体素子）の発光出力は十分ではなかった。
【０００６】
また、上述したような化合物半導体を用いたＨＥＭＴ等の電子デバイスとしては、窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子が知られている。そして、このような窒化物半導体を用いたＨＥＭＴでは、電流特性を向上させるための様々な取り組みがなされている。
【０００７】
具体的には、基板上にバッファ層（ＧａＮ層）を形成し、該バッファ層上にノンドープ窒化物半導体（ｉ型ＡｌＧａＮ層）からなるチャネル層およびバリア層を設けると共に、ソース／ドレイン領域にＳｉを注入して、低接触抵抗を実現したＨＥＭＴが開発されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
しかしここで、上述したＨＥＭＴでは、ＧａＮよりなるバッファ層の上に形成したチャネル層（ｉ型ＡｌＧａＮ層）の表面の平坦性が十分ではなく、十分な電流特性を得ることができなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ヴィノッド・アディバラハン（Vinod Adivarahan）他、“パルス横方向過成長ＡｌＮ上の強固な２９０ｎｍ発光ＬＥＤ（Robust 290nm Emission Light Emitting Diodes over Pulsed Laterally Overgrown AlN）”、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Japanese Journal of Applied Physics）、２００７年、第４６巻、第３６号、Ｐ．８７７
【非特許文献２】ナンジョウ・タクマ他、“ＡｌＧａＮチャネルＨＥＭＴの初運転(First Operation of AlGaN Channel High Electron Mobility Transistors)”、アプライド・フィジクス・エクスプレス（Applied Physics Express）、第１巻、２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、上述したような窒化物半導体素子（ＨＥＭＴなどの電子デバイス）の電流特性の問題に対し、本発明者らは、ＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮと、ＡｌＮとを組み合わせた超格子歪緩衝層を基板上に平坦性良く形成し、該超格子歪緩衝層上に積層する窒化物半導体層の結晶性を改善することで、窒化物半導体素子の電流特性、例えばシート抵抗などを改善できることを見出した。
【００１１】
そのため、本発明者らは、基板の上にＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を用いた超格子歪緩衝層を平坦性良く形成すると共に、該超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層を形成した、電流特性の良好な窒化物半導体素子、および、そのような素子の製造方法を開発することを目指し、鋭意研究を行った。
【００１２】
また、上述したような窒化物半導体素子（紫外ＬＥＤ）の発光出力の問題に対し、本発明者らは、ＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮと、ＡｌＮとを組み合わせた超格子歪緩衝層が、その上に積層する層の結晶性を改善して窒化物半導体素子の発光出力を向上させるのに有効であることを見出した。しかしながら、紫外領域の発光波長よりもバンドギャップの狭いＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮは、発光素子としては光吸収要素となるため、超格子歪緩衝層中のＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮの量はできるだけ減らすことが好ましい。そのため、本発明者らは、超格子歪緩衝層中の、ＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮからなる層の厚さを可能な限り薄くすることを目指した。
【００１３】
しかしここで、ＡｌＮテンプレート上においては、ＡｌＮ層は比較的平坦に成長するが、ＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮは、横方向への結晶成長速度が小さく、層厚を薄くするほど平坦性が良好な結晶を得ることが非常に困難である。そのため、ＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮからなる層を用いた超格子歪緩衝層では、平坦性が悪化し、超格子構造の面内バラつきが大きくなり、超格子歪緩衝層の上に積層する層の結晶性が悪くなることが分かった。
【００１４】
そのため、本発明者らは、ＡｌＮテンプレート基板の上にＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を用いた超格子歪緩衝層を平坦性良く形成すると共に、該超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成した、発光出力の高い窒化物半導体素子、および、そのような素子の製造方法を開発することを目指し、鋭意研究を行った。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明は、上記電流特性の課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の窒化物半導体素子は、基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成された窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物を含有させた超格子歪緩衝層の上に窒化物半導体層を形成すれば、該窒化物半導体層をベースに半導体素子として機能する層を積層することにより、電流特性の良好な窒化物半導体素子を得ることができる。因みに、本発明においては、窒化物半導体層は、特に限定されることなく、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層などの任意の窒化物半導体層とすることができる。なお、本発明において、ｉ型窒化物半導体層とは、ＭｇやＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加していない窒化物半導体層（アンドープ層ともいう）を指し、ｉ型窒化物半導体層は、理想的には不純物を全く含まない半導体層であるのが好ましいが、電気的にｐ型またはｎ型として機能しない半導体層であれば良い。そのため、本発明では、キャリア密度が小さいもの（例えば、５×１０１６／ｃｍ３未満のもの）をｉ型と称することができる。
【００１６】
また、この発明は、上記発光出力の課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の窒化物半導体素子は、基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極とを備える窒化物半導体素子であって、前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、ｎ型窒化物半導体層〜ｐ型窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物を含有させた超格子歪緩衝層の上にｎ型窒化物半導体層を形成して窒化物半導体素子とすれば、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成して、発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
【００１７】
ここで、本発明の窒化物半導体素子は、前記ｐ型不純物がＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅであることが好ましく、ＭｇまたはＺｎであることがより好ましく、Ｍｇであることが特に好ましい。窒化物半導体に対する偏析効果の観点からは、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅを用いることができるところ、ＭｇやＺｎは、ＡｌＧａＮやＧａＮの横方向の結晶成長を促進するための横方向結晶成長促進物質として適しており、中でも、Ｍｇは他の層へ拡散し難い点から横方向結晶成長促進物質として特に適しているからである。なお、本発明では、アンチサーファクタント効果により３次元で結晶成長が促進されるＳｉ（ｎ型不純物）やＣ等ではなく、横方向の結晶成長が促進されるＭｇ等（ｐ型不純物）を第１の層に含ませているので、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成することができる。なお、本発明では、「ｐ型不純物」と記載しているが、本発明の窒化物半導体素子においては、上記の不純物が活性化しているかどうかは重要ではなく、活性化していなくても良い。
【００１８】
更に、本発明の窒化物半導体素子は、前記第１の層の厚さが０．１〜３ｎｍであることが好ましい。超格子歪緩衝層を形成する層の厚みが薄いほど窒化物半導体素子の発光出力は高くなるところ、第１の層の厚さを３ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下とすれば、発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることができるからである。また、超格子歪緩衝層を形成する層の厚みが薄いほど窒化物半導体素子の電流特性が向上するからである。一方、厚さ０．１ｎｍ未満の層を製膜制御するのは困難だからである。
【００１９】
また、本発明の窒化物半導体素子は、前記第１の層中の前記ｐ型不純物の濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満であることが好ましく、７×１０１７ｃｍ−３〜１．７×１０１９ｃｍ−３とすることがより好ましい。ｐ型不純物の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上とすれば、超格子歪緩衝層の平坦性をより向上させて平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層を形成することができるからである。また、ｐ型不純物の濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上では、不純物の凝縮が起こって超格子歪緩衝層の結晶性が悪化し、続いて積層する窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層等の平坦性および結晶性に悪影響を及ぼすからである。なお、本発明において、ｐ型不純物濃度とは、ＳＩＭＳによる測定値を示す。
【００２０】
ここで、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上に窒化物半導体層を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物を含有させて超格子歪緩衝層を形成すると共に、該超格子歪緩衝層の上に窒化物半導体層を形成して窒化物半導体素子とすれば、該窒化物半導体層をベースに半導体素子として機能する層を更に積層することにより、電流特性の良好な窒化物半導体素子を得ることができる。因みに、本発明においては、窒化物半導体層は、特に限定されることなく、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層などの任意の窒化物半導体層とすることができる。なお、本発明において、ｉ型窒化物半導体層とは、ＭｇやＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加していない窒化物半導体層（アンドープ層ともいう）を指し、ｉ型窒化物半導体層は、理想的には不純物を全く含まない半導体層であるのが好ましいが、電気的にｐ型またはｎ型として機能しない半導体層であれば良い。そのため、本発明では、キャリア密度が小さいもの（例えば、５×１０１６／ｃｍ３未満のもの）をｉ型と称することができる。
【００２１】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、該ｎ型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、該発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極を形成する工程と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層と、ＡｌＮよりなる第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、ｎ型窒化物半導体層〜ｐ型窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物を含有させて超格子歪緩衝層を形成すると共に、該超格子歪緩衝層の上にｎ型窒化物半導体層を形成して窒化物半導体素子とすれば、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成して、発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
【００２２】
ここで、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、前記ｎ側電極を形成する工程は、前記発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成した後に、前記ｎ型窒化物半導体層の前記発光層側の一部を露出させ、該露出させた一部にｎ側電極を形成することを含むことが好ましい。
【００２３】
更に、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、前記ｐ型不純物がＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅであることが好ましく、ＭｇまたはＺｎであることがより好ましく、Ｍｇであることが特に好ましい。窒化物半導体に対する偏析効果の観点からは、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅを用いることができるところ、ＭｇやＺｎは、ＡｌＧａＮやＧａＮの横方向の結晶成長を促進するための横方向結晶成長促進物質として適しており、中でも、Ｍｇは他の層へ拡散し難い点から横方向結晶成長促進物質として特に適しているからである。なお、本発明では、アンチサーファクタント効果により３次元で結晶成長が促進されるＳｉ（ｎ型不純物）やＣ等ではなく、横方向の結晶成長が促進されるＭｇ等（ｐ型不純物）を第１の層に含ませているので、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成することができる。なお、本発明では、「ｐ型不純物」と記載しているが、本発明の窒化物半導体素子においては、上記の不純物が活性化しているかどうかは重要ではなく、活性化していなくても良い。
【００２４】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第１の層の厚さを０．１〜３ｎｍとすることが好ましい。超格子歪緩衝層を形成する層の厚みが薄いほど窒化物半導体素子の発光出力は高くなるところ、第１の層の厚さを３ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下とすれば、発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることができるからである。また、超格子歪緩衝層を形成する層の厚みが薄いほど窒化物半導体素子の電流特性が向上するからである。一方、厚さ０．１ｎｍ未満の層を成膜制御するのは困難だからである。
【００２５】
更に、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第１の層中の前記ｐ型不純物の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満とすることが好ましい。ｐ型不純物の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上とすれば、超格子歪緩衝層の平坦性をより向上させて平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層を形成することができるからである。また、ｐ型不純物の濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上では、不純物の凝縮が起こって超格子歪緩衝層の結晶性が悪化し、続いて積層する窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層等の平坦性および結晶性に悪影響を及ぼすからである。なお、本発明において、ｐ型不純物濃度とは、ＳＩＭＳによる測定値を示す。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、Ａｌ含有率が低いＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を用いた超格子歪緩衝層を基板上のＡｌＮ歪緩衝層の上に平坦性良く形成すると共に、該超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層を形成した、電流特性の良好な窒化物半導体素子を提供することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、Ａｌ含有率が低いＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を用いた超格子歪緩衝層を基板上のＡｌＮ歪緩衝層の上に平坦性良く形成すると共に、該超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成した、発光出力の高い窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の窒化物半導体素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の窒化物半導体素子の製造方法の一例を説明する説明図である。
【図３】本発明の窒化物半導体素子の他の例を模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の実施例の窒化物半導体素子の超格子歪緩衝層の最表面ＡＦＭ像であり、（ｂ）は、本発明の比較例の窒化物半導体素子の超格子歪緩衝層の最表面ＡＦＭ像である。
【図５】（ａ）は、本発明の参考例で作製したＧａＮ単膜層のＳＩＭＳプロファイルであり、（ｂ）は、本発明の実施例の窒化物半導体素子のＳＩＭＳプロファイルである。
【図６】（ａ）は、本発明の実施例の窒化物半導体素子のi型窒化物半導体層の最表面ＡＦＭ像であり、（ｂ）は、本発明の比較例の窒化物半導体素子のi型窒化物半導体層の最表面ＡＦＭ像である。
【図７】ＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶のフォトルミネッセンス発光波長と強度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。ここに、本発明の窒化物半導体素子の一例は、図１にその断面を模式的に示すように、基板１と、基板１上に形成されたＡｌＮ歪緩衝層２と、ＡｌＮ歪緩衝層２の上に形成された超格子歪緩衝層３と、超格子歪緩衝層３上に形成されたｎ型窒化物半導体層４と、ｎ型窒化物半導体層４上に形成された発光層５と、発光層５上に形成されたｐ型窒化物半導体層６と、ｎ型窒化物半導体層４に電気的に連結されたｎ側電極７と、ｐ型窒化物半導体層６に電気的に連結されたｐ側電極８とを備える窒化物半導体素子１０である。そして、この窒化物半導体素子１０の超格子歪緩衝層３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層３１と、ＡｌＮよりなる第２の層３２とを交互に積層して超格子構造を形成したものである。なお、図１では超格子歪緩衝層３の積層構造の一部を省略している。
【００３０】
ここで、基板１としては、例えば、サファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などを用いることができる。
【００３１】
また、ＡｌＮ歪緩衝層２としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等の既知の手法を用いて基板１上にエピタキシャル成長させた、例えば厚さ２０〜１５００ｎｍ、好ましくは５００〜１５００ｎｍ、より好ましくは８００〜１０００ｎｍのＡｌＮからなる層を用いることができる。
【００３２】
超格子歪緩衝層３としては、第１の層３１と、第２の層３２とを既知の手法を用いて交互にエピタキシャル成長させ、超格子構造にしたものを用いることができる。なお、第１の層３１および第２の層３２を交互に積層して超格子構造とする際の第１の層３１の各層の厚さは、例えば０．１〜３ｎｍ、好ましくは２ｎｍ以下とすることができ、第２の層３２の各層の厚さは、例えば０．１〜９ｎｍ、好ましくは０．９〜９ｎｍとすることができる。また、第１の層３１および第２の層３２の積層数は、例えば第１の層３１と第２の層３２との組合せが２０〜７０組、好ましくは２０〜５０組となるようにすることができる。このような積層数とすれば、転位の発生を充分に抑制することができるからである。
【００３３】
なお、超格子歪緩衝層３は、ＡｌＮ歪緩衝層２側ではＡｌＮよりなる第２の層の厚さが厚く（第２の層の割合が多く）、ｎ型窒化物半導体層４側にかけて第１の層に対する第２の層の割合が次第に減少することが好ましい。このような構成とすれば、ｎ型窒化物半導体層４の結晶性のさらなる向上が得られるからである。
【００３４】
また、超格子歪緩衝層３は、全体としては導電性が実質的には無く（例えばシート抵抗測定装置で測定した比抵抗が１０Ω・ｃｍ／□以上であり）、ＳＩＭＳで測定した超格子歪緩衝層３全体としての不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、７×１０１７ｃｍ−３以下であることが更に好ましい。不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３超となると、窒化物半導体素子にサイリスタ不良を引き起こす恐れがあるからである。
【００３５】
ここで、一般にＡｌＮ層に対するｐ型不純物の導入は困難であり、結晶性の劣化を伴う。これに対し、本発明での超格子歪緩衝層は導電性を要求していないため、第２の層３２中の不純物の量は、第１の層３１からの不可避的な不純物拡散分を除き、通常の不純物ドープ量程度よりもかなり小さいことが好ましい。
【００３６】
ここで、第１の層３１としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）、より好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２３）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む、Ａｌ含有率が低い層を用いることができる。なお、ｐ型不純物としては、例えばＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅを用いることができ、該ｐ型不純物は、第１の層３１中に原料ガスと同時に供給することにより、或いは、ＡｌＮ歪緩衝層２や第２の層３２上に間欠的に供給した後に第１の層３１を形成し、ｐ型不純物を第１の層３１中に拡散させることにより、第１の層３１中に含有させることができる。また、第１の層３１中のｐ型不純物の濃度は、例えば５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満、好ましくは７×１０１７〜１.７×１０１９ｃｍ−３、より好ましくは７×１０１８〜１.７×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
【００３７】
なお、例えば基板１上に大気中の酸素等が付着している状態でＡｌＮ歪緩衝層２および超格子歪緩衝層３を積層した場合などには、拡散等により第１の層３１中に酸素（Ｏ）が混入する場合がある。しかし、このような酸素は、窒化物半導体素子１０の発光出力の低下の原因となるため、第１の層３１中の酸素の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００３８】
そして、ｎ型窒化物半導体層４としては、Ｓｉ等をドープしたＡｌｃＧａ１−ｃＮ（但し、０≦ｃ≦１）よりなる層を用いることができ、発光層５としては、ＡｌｄＩｎｅＧａ１−ｄ−ｅＮ（但し、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｄ＋ｅ≦１）よりなる層を用いることができ、ｐ型窒化物半導体層６としては、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅをドープしたＡｌｆＧａ１−ｆＮ（但し、０≦ｆ≦１）よりなる層を用いることができる。また、各層の厚みは、例えばｎ型窒化物半導体層４は１３００〜１４００ｎｍ、発光層５は５０〜８０ｎｍ、ｐ型窒化物半導体層６は２００〜３００ｎｍとすることができる。なお、これらの層は既知の手法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成することができる。
【００３９】
また、ｎ側電極７としては、たとえば真空蒸着法によりＴｉ含有膜およびＡｌ含有膜を順次蒸着させたＴｉＡｌ電極を用いることができ、ｐ側電極８としては、たとえば真空蒸着法によりＮｉ含有膜およびＡｕ含有膜を順次蒸着させたＮｉＡｕ電極を用いることができる。
【００４０】
そして、窒化物半導体素子１０は、例えば以下のようにして製造することができる。
【００４１】
まず、図２（ａ）に示すように、基板１上に、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、ＡｌＮ歪緩衝層２、超格子歪緩衝層３、ｎ型窒化物半導体層４、発光層５、ｐ型窒化物半導体層６を順にエピタキシャル成長させてエピタキシャル積層体を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、ドライエッチング法を用いて、ｎ型窒化物半導体層４、発光層５、ｐ型窒化物半導体層６の一部をエッチングし、ｎ型窒化物半導体層４の発光層５側（図２（ｂ）では上側）の一部を露出させる。そして、最後に、ｎ側電極７およびｐ側電極８を真空蒸着法により形成してｎ型窒化物半導体層４およびｐ型窒化物半導体層６と電気的に連結させ、図１に示すような窒化物半導体素子１０とする。
【００４２】
そして、このようにして製造した窒化物半導体素子１０では、超格子歪緩衝層３を形成する第１の層３１および第２の層３２のうち、Ａｌ含有率が低い層（第１の層３１）にｐ型不純物を含有させているので、第１の層３１の横方向結晶成長が促進されて超格子歪緩衝層３の平坦性が向上している。よって、超格子歪緩衝層３の上に形成されたｎ型窒化物半導体層４の平坦性および結晶性が向上するので、その上の発光層５およびｐ型窒化物半導体層６の結晶性も向上し、高い発光出力の窒化物半導体素子１０を得ることができる。
【００４３】
なお、本発明の窒化物半導体素子は、ＡｌＮ歪緩衝層を有するＡｌＮテンプレート基板を用いて、その上にエピタキシャル成長層を形成する際は、超格子歪緩衝層とＡｌＮテンプレート基板との間に、初期層としてＡｌＮ層を形成しても良い。また、本発明の窒化物半導体素子のｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層は、積層体としても良い。具体的には、ｎ−クラッド層、ｎ−コンタクト層の積層体や、ｐ−クラッド層、ｐ−コンタクト層の積層体としても良い。更に、基板の上に形成するＡｌＮ歪緩衝層は、例えばＧａＮやＡｌＧａＮなど他の窒化物半導体からなる窒化物半導体層を用いた歪緩衝層としても良い。
【００４４】
以上、本発明の窒化物半導体素子について、窒化物半導体発光素子を例に説明したが、本発明の窒化物半導体素子は、上記一例の窒化物半導体発光素子に限定されることは無い。
【００４５】
具体的には、本発明の窒化物半導体素子の他の例は、図３にその断面を模式的に示すように、基板１と、基板１上に形成されたＡｌＮ歪緩衝層２と、ＡｌＮ歪緩衝層２の上に形成された超格子歪緩衝層３と、超格子歪緩衝層３上に形成された窒化物半導体層４’とを備える窒化物半導体素子２０であり、この窒化物半導体素子２０の超格子歪緩衝層３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、ｐ型不純物を含む第１の層３１と、ＡｌＮよりなる第２の層３２とを交互に積層して超格子構造を形成したものである。そして、この窒化物半導体素子２０は、例えばＨＥＭＴなどの電子デバイスに用いることができる。なお、図３では超格子歪緩衝層３の積層構造の一部を省略している。また、図３では、先の一例の窒化物半導体素子と同様の構成を有する部位は、同一の符号を用いて表している。
【００４６】
ここで、この窒化物半導体素子２０の基板１、ＡｌＮ歪緩衝層２および超格子歪緩衝層３は、先の一例と同様の構成および組成とすることができる。
【００４７】
窒化物半導体層４’は、複数層のＩＩＩ族窒化物層をエピタキシャル成長させて形成されており、Ｂａ１Ａｌｂ１Ｇａｃ１Ｉｎｄ１Ｎ(０≦ａ１≦１，０＜ｂ１≦１，０≦ｃ１≦１，０≦ｄ１≦１，ａ１＋ｂ１＋ｃ１＋ｄ１＝１)材料からなるチャネル層４’ａおよびチャネル層４’ａよりバンドギャップの大きいＢａ２Ａｌｂ２Ｇａｃ２Ｉｎｄ２Ｎ(０≦ａ２≦１，０＜ｂ２≦１，０≦ｃ２≦１，０≦ｄ２≦１，ａ２＋ｂ２＋ｃ２＋ｄ２＝１)材料からなる電子供給層４’ｂを有することができる。なお、チャネル層４’ａおよび電子供給層４’ｂの両層は、単一もしくは複数の組成で構成することができる。また。合金散乱をさけ、電流導通部分の比抵抗を下げるためには、チャネル層４’ａの少なくとも電子供給層４’ｂと接する部分は、ＧａＮ材料で構成することが好ましい。因みに、この窒化物半導体２０をＨＥＭＴに用いる場合には、電子供給層４’ｂの表面にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を配設してＨＥＭＴを形成することができる。
【００４８】
そして、窒化物半導体素子２０は、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、Ｓｉ基板などの基板１上に、ＡｌＮ歪緩衝層２、超格子歪緩衝層３および窒化物半導体層４’を順にエピタキシャル成長させてエピタキシャル積層体を形成することにより、製造することができる。
【００４９】
そして、このようにして製造した窒化物半導体素子２０では、超格子歪緩衝層３を形成する第１の層３１および第２の層３２のうち、Ａｌ含有率が低い層（第１の層３１）にｐ型不純物を含有させているので、第１の層３１の横方向結晶成長が促進されて超格子歪緩衝層３の平坦性が向上している。よって、超格子歪緩衝層３の上に形成された窒化物半導体層４’の平坦性および結晶性が向上するので、電流特性の良好な窒化物半導体素子２０を得ることができる。
【００５０】
なお、本発明の窒化物半導体素子は、ＡｌＮ歪緩衝層を有するＡｌＮテンプレート基板を用いて、その上にエピタキシャル成長層を形成する際は、超格子歪緩衝層とＡｌＮテンプレート基板との間に、初期層としてＡｌＮ層を形成しても良い。また、本発明の窒化物半導体素子は、用途に合わせて任意の構造および組成とすることができる。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例を用いて本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではい。なお、以下の実施例および比較例に記載のＡｌ組成は基板中央部での値を記載した。
【００５２】
（実施例１）
サファイア基板(０００１)面上にＡｌＮ歪緩衝層を有するＡｌＮテンプレートの上に、ＭＯＣＶＤ法により、初期層としてＡｌＮ層（厚さ２７ｎｍ）を積層後、超格子歪緩衝層、ｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層を順次エピタキシャル成長させ、エピタキシャル積層体を形成した。その後、ドライエッチング法によりｎ型窒化物半導体層を一部露出させ、ｎ側電極（Ｔｉ／Ａｌ）をｎ型窒化物半導体層上に形成し、ｐ側電極（Ｎｉ／Ａｕ）をｐ型窒化物半導体層上に形成して窒化物半導体素子を作製した。なお、ＡｌＮ歪緩衝層は厚さが８００ｎｍであり転位密度が１×１０１０ｃｍ−２以下のものを使用した。なお、超格子歪緩衝層は第１の層をＧａＮとし、ＡｌＮ層（厚さ９ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に２０組積層した超格子層Ｉと、ＡｌＮ層（厚さ２．７ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に３０組積層した超格子層ＩＩと、ＡｌＮ層（厚さ０．９ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に５０組積層した超格子層ＩＩＩとを順次積層した構造とし、ＧａＮ層（第１の層）には、Ｍｇを添加した。その他、作製した窒化物半導体素子の構造を表１に、超格子歪緩衝層およびＡｌＮ初期層の作製条件を表２に示す。
なお、実施例１の超格子歪緩衝層における比抵抗を測定するため、超格子歪緩衝層を形成した段階のサンプルに対し、シート抵抗測定装置で比抵抗を測定した結果、比抵抗は１５．２Ω・ｃｍ／□であった。
【００５３】
【表１】
2011205053.tif 000003
【００５４】
【表２】
2011205053.tif 000004
【００５５】
（比較例１）
超格子歪緩衝層中のＧａＮ層にＭｇを添加しなかった以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作製した。
【００５６】
（実施例２−１）
超格子歪緩衝層中の第１の層をＧａＮではなくＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１５）とした以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作製した。
【００５７】
（比較例２−１）
超格子歪緩衝層中のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１５）層にＭｇを添加しなかった以外は、実施例２−１と同様にして窒化物半導体素子を作製した。
【００５８】
（実施例２−２）
超格子歪緩衝層中の第１の層をＧａＮではなくＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．２３）とした以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作製した。
【００５９】
（比較例２−２）
超格子歪緩衝層中のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．２３）層にＭｇを添加しなかった以外は、実施例２−２と同様にして窒化物半導体素子を作製した。
【００６０】
（比較例３）
超格子歪緩衝層中の第１の層をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．４３）とし、エピタキシャル積層体を形成するまでは実施例２−１と同様の操作を行った。発光出力は確認していない。
【００６１】
（比較例４）
超格子歪緩衝層中のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．４３）にＭｇを添加しなかった以外は、比較例３と同様にしてエピタキシャル積層体を形成した。
【００６２】
（超格子歪緩衝層の平坦性評価）
実施例１、２−１、２−２および比較例１、２−１、２−２、３、４において、超格子歪緩衝層を形成した段階のサンプルに対し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて超格子歪緩衝層の表面を観察し、ｎ型窒化物半導体層の表面粗さＲａを求めた。結果を表３に示す。また、実施例１および比較例１に関し、超格子歪緩衝層の最表面の状態を図４（ａ）および（ｂ）に示す。
【００６３】
（ｎ型窒化物半導体層の結晶性の評価）
実施例１、２−１、２−２および比較例１、２−１、２−２、３、４において、エピタキシャル積層体を形成した段階のサンプルをＸ線回折装置で分析し、ｎ型窒化物半導体層〜ｐ型窒化物半導体層を形成している結晶の（００２）面および（１０２）面に相当するピークの半値幅を求めた。結果を表３に示す。なお、半値幅は小さいほど結晶性が良好であり、特に、（１０２）面が発光層に影響を与えやすいので、（１０２）面に相当するピークの半値幅が小さいことが好ましい。
【００６４】
（窒化物半導体素子の発光出力の評価）
実施例１、２−１、２−２および比較例１、２−１、２−２において、エピタキシャル積層体を形成した段階で、成長面をダイヤペンで罫書き、ｎ型窒化物半導体層を露出させた点と、該露出させた点から１．５ｍｍ離れた点とにドット状Ｉｎを物理的に押圧して成形した２点をｎ型およびｐ型電極として簡易的な窒化物半導体素子を作製した。そして、それらにプローブを接触し、通電後の光出力を裏面より射出させ、光ファイバを通じてマルチ・チャネル型分光器へ導光し、スペクトルのピーク強度をＷ換算して発光出力Ｐｏを求めた。結果を表３に示す。
【００６５】
【表３】
2011205053.tif 000005
【００６６】
表３より、超格子歪緩衝層中のＧａＮ層にＭｇを添加した実施例１、２−１および２−２では、ｎ型窒化物半導体層の平坦性および結晶性が向上して、窒化物半導体素子の発光出力が著しく向上していることが分かる。
【００６７】
また、第１の層へＭｇを添加することによる平坦性および結晶性の向上、並びに出力の向上効果は、第１の層のＡｌ組成がｘ＝０で大きく、ｘ＝０．４３では逆に悪化することが分かる。従って、第１の層を形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮの組成は０≦ｘ≦０．２５とし、０≦ｘ≦０．１５とするのがより好ましい。
【００６８】
なお、ｘ＝０．２５を越えると、欠陥が多く導入され始め、結晶性の値も飛躍的に悪くなる。図７にＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるフォトルミネッセンス評価の結果を示す。当測定はＡｒレーザーとＳＨＧ結晶を用い、２４４ｎｍなるレーザーを発生させ、ウェハ中央部分を測定した。当該評価によって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるｘの値や、結晶中に存在する欠陥の量の増減を見ることが出来る。フォトルミネッセンスにおける発光波長からｘ（Ａｌ組成）への変換については、Yun F. etal, J. Appl. Phys. 92,4837(2002)に記載されたボーイングパラメータを用いた。
【００６９】
所定のＡｌｘＧａ１−ｘＮを成長し、ｘ＝０．２１、０．２５、０．３０におけるフォトルミネッセンス発光波長について、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのピーク(最短波長で見られるピーク)強度にて規格化したもので比較すると、ｘ＝０．２１では長波長側では特に大きなピークが見られない。長波長側で見られるピークはＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップとは異なる別のエネルギー準位があることを示すため、結晶中に欠陥、特に点欠陥が導入されていることを示唆する。すなわち、Ａｌ０．２１Ｇａ０．７９Ｎは結晶欠陥が少ないことを示している。それに対し、ｘ＝０．２５なるＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎでは３８０ｎｍ付近にピークが出現し出している。さらに、ｘ＝０．３０なるＡｌ０．３０Ｇａ０．７０ＮではＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎのピーク強度よりも最大で６倍程度の欠陥起因のピークが出現している。このことからも、ｘ＝０．４３では急激にＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶内に欠陥が導入され、結果、Ｘ線測定における半値幅の値も急激に悪化しているものと考えられる。
【００７０】
（実施例３）
超格子歪緩衝層のＧａＮ層を形成する際のＭｇガス流量を２倍にした以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作製した。そして、実施例１と同様にして、超格子歪緩衝層の平坦性、エピタキシャル積層体の結晶性および窒化物半導体素子の発光出力を評価した。結果を表４に示す。
【００７１】
【表４】
2011205053.tif 000006
【００７２】
表４の結果から、Ｍｇ量が多い実施例３では、Ｍｇをドープしない比較例１よりも結晶性の向上が見られるものの、実施例１に比べて効果は小さくなり、Ｍｇドープ量に適正な範囲があることが分かる。
【００７３】
（参考例１）
実施例１の第１の層に含まれるＭｇ量を測定するため、実施例１の第２の層（ＡｌＮ）の原料ガスを流さないで、第１の層（ＧａＮ）のみの積層体を作成し、ＳＩＭＳによる不純物濃度の測定を行った。図５（ａ）にその結果を示す。これより、実施例１における第１の層に含まれるＭｇの濃度は７×１０１７〜１．７×１０１９ｃｍ−３であることが分かる。また、拡散の影響を排除した層形成時の第１の層に含まれるＭｇの濃度は、７×１０１８〜１.７×１０１９ｃｍ−３であることも分かる。
【００７４】
（参考例２）
また、実施例１の超格子歪緩衝層全体でのＭｇ濃度を測定するため、エピタキシャル積層体のＳＩＭＳによる不純物濃度の測定を行った。図５（ｂ）にその結果を示す。図５（ｂ）の破線で囲まれた部分が超格子歪緩衝層に当たる。これより、実施例１における超格子に該当する領域に含まれるＭｇ量は全体として７×１０１７ｃｍ−３以下であることが分かる。なお、ＳＩＭＳでは超格子歪緩衝層の第１の層と、第２の層とを分離して測定することは不可能であり、図５（ｂ）では、第１の層からの信号と第２の層からの信号が合わさり第１の層のＭｇ濃度が薄まって検出されている。ここで、第１の層から第２の層への拡散の度合いは不明であるが、Ｍｇは主として第１の層にとどまっており、第２の層との間でドープ量は平坦化していないと推測される。
【００７５】
（実施例４）
サファイア基板(０００１)面上にＡｌＮ歪緩衝層を有するＡｌＮテンプレートの上に、ＭＯＣＶＤ法により、初期層としてＡｌＮ層（厚さ２７ｎｍ）を積層後、超格子歪緩衝層と、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなるi型窒化物半導体層とを順次エピタキシャル成長させ、エピタキシャル積層体を作製した。なお、ＡｌＮ歪緩衝層は厚さが８００ｎｍであり転位密度が１×１０１０ｃｍ−２以下のものを使用した。ここで、超格子歪緩衝層は第１の層をＧａＮとし、ＡｌＮ層（厚さ９ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に２０組積層した超格子層Ｉと、ＡｌＮ層（厚さ２．７ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に３０組積層した超格子層ＩＩと、ＡｌＮ層（厚さ０．９ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ２．１ｎｍ）とを交互に５０組積層した超格子層ＩＩＩとを順次積層した構造とし、ＧａＮ層（第１の層）には、Ｍｇを添加した。因みに、超格子歪緩衝層およびＡｌＮ初期層の作製条件は実施例１と同様である。
そして、作製したエピタキシャル積層体に対し、ＡＦＭを用いてi型窒化物半導体層の表面を観察し、表面の平坦性を確認したところ、図６（ａ）に示すように原子一層あるいは二層分の原子ステップのみが観察され、表面粗さＲａは、０．７３ｎｍであった。
【００７６】
（比較例５）
超格子歪緩衝層中のＧａＮ層にＭｇを添加しなかった以外は、実施例４と同様にしてエピタキシャル積層体を作製した。
そして、作製したエピタキシャル積層体に対し、ＡＦＭを用いてi型窒化物半導体層の表面を観察し、表面の平坦性を確認したところ、図６（ｂ）に示すように原子三層分以上の段差であるバンチングが多く観察され、Ｒａ値は、２．８７ｎｍであった。
【００７７】
実施例４および比較例５より、第１の層（ＧａＮ層）へのＭｇの添加により、超格子歪緩衝層上に形成したｉ型窒化物半導体層の平坦性が向上できることが確認できた。従って、受発光素子や電子デバイスなどの一般的な半導体素子に対して、本発明が有効であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明によれば、基板上のＡｌＮ歪緩衝層の上にＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を用いた超格子歪緩衝層を平坦性良く形成すると共に、該超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成した、発光出力の高い窒化物半導体素子を提供することができる。
また、本発明によれば、基板上のＡｌＮ歪緩衝層の上にＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を用いた超格子歪緩衝層を平坦性良く形成すると共に、該超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層を形成した、良好な電流特性を有する窒化物半導体素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１      基板
２      ＡｌＮ歪緩衝層
３      超格子歪緩衝層
４      ｎ型窒化物半導体層
４’    窒化物半導体層
４’ａ  チャネル層
４’ｂ  電子供給層
５      発光層
６      ｐ型窒化物半導体層
７      ｎ側電極
８      ｐ側電極
１０    窒化物半導体素子
２０    窒化物半導体素子
３１    第１の層
３２    第２の層
【図１】
2011205053.tif 000007
【図２】
2011205053.tif 000008
【図３】
2011205053.tif 000009
【図４】
2011205053.tif 000010
【図５】
2011205053.tif 000011
【図６】
2011205053.tif 000012
【図７】
2011205053.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月22日(2010.11.22)
【手続補正１】
【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】
この発明は、上記電流特性の課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の窒化物半導体素子は、基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成された窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物としてＭｇを含有させた超格子歪緩衝層の上に窒化物半導体層を形成すれば、該窒化物半導体層をベースに半導体素子として機能する層を積層することにより、電流特性の良好な窒化物半導体素子を得ることができる。因みに、本発明においては、窒化物半導体層は、特に限定されることなく、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層などの任意の窒化物半導体層とすることができる。なお、本発明において、ｉ型窒化物半導体層とは、ＭｇやＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加していない窒化物半導体層（アンドープ層ともいう）を指し、ｉ型窒化物半導体層は、理想的には不純物を全く含まない半導体層であるのが好ましいが、電気的にｐ型またはｎ型として機能しない半導体層であれば良い。そのため、本発明では、キャリア密度が小さいもの（例えば、５×１０１６／ｃｍ３未満のもの）をｉ型と称することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、この発明は、上記発光出力の課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の窒化物半導体素子は、基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極とを備える窒化物半導体素子であって、前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、ｎ型窒化物半導体層〜ｐ型窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物としてＭｇを含有させた超格子歪緩衝層の上にｎ型窒化物半導体層を形成して窒化物半導体素子とすれば、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成して、発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
ここで、本発明の窒化物半導体素子は、前記ｐ型不純物としてＭｇを含む。窒化物半導体に対する偏析効果の観点からは、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅを用いることができるところ、Ｍｇは、ＡｌＧａＮやＧａＮの横方向の結晶成長を促進するための横方向結晶成長促進物質として特に適しているからである。なお、本発明では、アンチサーファクタント効果により３次元で結晶成長が促進されるＳｉ（ｎ型不純物）やＣ等ではなく、横方向の結晶成長が促進されるＭｇ（ｐ型不純物）を第１の層に含ませているので、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成することができる。なお、本発明では、「ｐ型不純物」と記載しているが、本発明の窒化物半導体素子においては、上記の不純物が活性化しているかどうかは重要ではなく、活性化していなくても良い。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、本発明の窒化物半導体素子は、前記第１の層中の前記Ｍｇの濃度が、５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満であることが好ましく、７×１０１７ｃｍ−３〜１．７×１０１９ｃｍ−３とすることがより好ましい。Ｍｇの濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上とすれば、超格子歪緩衝層の平坦性をより向上させて平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層を形成することができるからである。また、Ｍｇの濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上では、不純物の凝縮が起こって超格子歪緩衝層の結晶性が悪化し、続いて積層する窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層等の平坦性および結晶性に悪影響を及ぼすからである。なお、本発明において、Ｍｇ濃度とは、ＳＩＭＳによる測定値を示す。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
ここで、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上に窒化物半導体層を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物としてＭｇを含有させて超格子歪緩衝層を形成すると共に、該超格子歪緩衝層の上に窒化物半導体層を形成して窒化物半導体素子とすれば、該窒化物半導体層をベースに半導体素子として機能する層を更に積層することにより、電流特性の良好な窒化物半導体素子を得ることができる。因みに、本発明においては、窒化物半導体層は、特に限定されることなく、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層などの任意の窒化物半導体層とすることができる。なお、本発明において、ｉ型窒化物半導体層とは、ＭｇやＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加していない窒化物半導体層（アンドープ層ともいう）を指し、ｉ型窒化物半導体層は、理想的には不純物を全く含まない半導体層であるのが好ましいが、電気的にｐ型またはｎ型として機能しない半導体層であれば良い。そのため、本発明では、キャリア密度が小さいもの（例えば、５×１０１６／ｃｍ３未満のもの）をｉ型と称することができる。
【手続補正６】
【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】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、該ｎ型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、該発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極を形成する工程と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする。このように、基板と超格子歪緩衝層との間にＡｌＮ歪緩衝層を形成すれば、基板と超格子歪緩衝層との間の転位の発生を抑制すると共に、ｎ型窒化物半導体層〜ｐ型窒化物半導体層における歪の発生を抑制して転位の発生をさらに低減することができる。また、Ａｌの含有率が低い第１の層にｐ型不純物としてＭｇを含有させて超格子歪緩衝層を形成すると共に、該超格子歪緩衝層の上にｎ型窒化物半導体層を形成して窒化物半導体素子とすれば、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成して、発光出力の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
【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】
更に、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、前記ｐ型不純物としてＭｇを含む。窒化物半導体に対する偏析効果の観点からは、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ、ＣａまたはＢｅを用いることができるところ、Ｍｇは、ＡｌＧａＮやＧａＮの横方向の結晶成長を促進するための横方向結晶成長促進物質として特に適しているからである。なお、本発明では、アンチサーファクタント効果により３次元で結晶成長が促進されるＳｉ（ｎ型不純物）やＣ等ではなく、横方向の結晶成長が促進されるＭｇ（ｐ型不純物）を第１の層に含ませているので、平坦な超格子歪緩衝層上に平坦性および結晶性が良好なｎ型窒化物半導体層を形成することができる。なお、本発明では、「ｐ型不純物」と記載しているが、本発明の窒化物半導体素子においては、上記の不純物が活性化しているかどうかは重要ではなく、活性化していなくても良い。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
更に、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第１の層中の前記Ｍｇの濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満とすることが好ましい。Ｍｇの濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上とすれば、超格子歪緩衝層の平坦性をより向上させて平坦性および結晶性が良好な窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層を形成することができるからである。また、Ｍｇの濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上では、不純物の凝縮が起こって超格子歪緩衝層の結晶性が悪化し、続いて積層する窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層等の平坦性および結晶性に悪影響を及ぼすからである。なお、本発明において、Ｍｇ濃度とは、ＳＩＭＳによる測定値を示す。
【手続補正９】
【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】
基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成された窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、
前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする、窒化物半導体素子。
【請求項２】
基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極とを備える窒化物半導体素子であって、
前記超格子歪緩衝層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする、窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記超格子歪緩衝層全体としてのＭｇ濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下であ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の層の厚さが０．１〜３ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第１の層中の前記Ｍｇの濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上に窒化物半導体層を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項７】
基板上にＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層を形成する工程と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に超格子歪緩衝層を形成する工程と、該超格子歪緩衝層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、該ｎ型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、該発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極を形成する工程と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されたｐ側電極を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記超格子歪緩衝層を形成する工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成する工程であることを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記ｎ側電極を形成する工程は、前記発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成した後に、前記ｎ型窒化物半導体層の前記発光層側の一部を露出させ、該露出させた一部にｎ側電極を形成することを含むことを特徴する、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記超格子歪緩衝層全体としてのＭｇ濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする、請求項６〜８の何れかに記載の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の層の厚さを０．１〜３ｎｍとすることを特徴とする、請求項６〜９の何れかに記載の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の層中の前記Ｍｇの濃度を５×１０１６ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３未満とすることを特徴とする、請求項６〜１０の何れかに記載の製造方法。