(57)【要約】【課題】酸化ガリウム基板上の半導体層と酸化ガリウム基板の主面との界面におけるオフセット電圧を低減可能な窒化物系半導体素子を提供する。【解決手段】III族窒化物結晶層１５は、酸化ガリウム基板１３の主面１３ａを覆う。III族窒化物結晶層１５は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも２種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。半導体積層１７は、窒化ガリウム半導体層２５を含む。第１の電極１９は、半導体積層１７の主面１７ａ上に設けられる。第２の電極２１は、酸化ガリウム基板１３の裏面１３ｂ上に設けられる。III族窒化物結晶層１５のバンドギャップＥ（１５）は窒化ガリウム半導体層のバンドギャップＥ（ＧａＮ）より大きい。III族窒化物結晶層１５のバンドギャップＥ（１５）は４．８エレクトロンボルトより小さい。【選択図】図１
2011061086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面及び裏面を有する導電性の酸化ガリウム基板と、
前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うIII族窒化物結晶層と、
前記III族窒化物結晶層とヘテロ接合を成しており、窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層と、
前記半導体積層上に設けられた第１の電極と、
前記酸化ガリウム基板の前記裏面上に設けられた第２の電極と
を備え、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは４．８エレクトロンボルトより小さく、
前記III族窒化物結晶層は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも２種の構成元素を含むIII族窒化物からなる、ことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項２】
最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.5V以下であることを特徴とする請求項１に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項３】
最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.3V以下であることを特徴とする請求項１に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項４】
最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.2V以下であることを特徴とする請求項１に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項５】
前記III族窒化物結晶層はｎ型ドーパントを含み、
前記ｎ型ドーパントの濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項６】
前記III族窒化物結晶層はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層（０≦Ｘ＜１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｘ＋Ｙ≦１）を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項７】
前記III族窒化物結晶層はＡｌＺＧａ１−ＺＮ層を含み、
前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮ層のアルミニウム組成Ｚは０．２以上０．３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項８】
前記III族窒化物結晶層はＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のインジウム組成Ｘは０．１以下であり、
前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．１５以上であり、
前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．３５以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項９】
前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の前記主面の法線軸の方向に配列された複数のＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
前記複数のＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６及び請求項８のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項１０】
前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
前記ＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６、請求項８及び請求項９のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項１１】
前記酸化ガリウム基板は単結晶からなり、
前記III族窒化物結晶層におけるａ軸の格子定数は前記酸化ガリウム基板におけるｂ軸の格子定数と前記窒化ガリウム半導体層におけるａ軸の格子定数との間にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項１２】
前記酸化ガリウム基板はｎ導電性を有し、
前記半導体積層は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層及び活性層を含み、
前記窒化ガリウム半導体層は、前記酸化ガリウム基板と前記活性層との間に設けられ、
前記活性層は、前記窒化ガリウム半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられており、
前記半導体積層は、前記III族窒化物結晶層と前記活性層との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記III族窒化物結晶層のバンドギャップより小さく、
当該窒化物系半導体素子は発光素子を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項１３】
当該窒化物系半導体素子は、前記第１及び第２の電極の一方から前記第１及び第２の電極の他方に電流が流れる縦型電子デバイスを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項１４】
当該窒化物系半導体素子は、前記第１及び第２の電極の一方から前記第１及び第２の電極の他方に電流が流れるダイオードを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
【請求項１５】
窒化物系半導体素子を作製する方法であって、
導電性の酸化ガリウム基板を成長炉に配置する工程と、
窒素ガスを前記成長炉に供給しながら、摂氏６００度以上摂氏７００度以下の温度範囲に前記酸化ガリウム基板の温度を上昇する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、前記温度範囲内の成長温度でIII族窒化物層を成長する工程と、
前記成長温度より高い温度で前記III族窒化物層の熱処理を行って、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うようにIII族窒化物結晶層を前記主面上に形成する工程と、
窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層を前記III族窒化物結晶層上に成長する工程と、
前記半導体積層上に第１の電極を形成すると共に、前記酸化ガリウム基板の裏面に第２の電極を形成する工程と
を備え、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは４．８エレクトロンボルトより小さく、
前記III族窒化物結晶層はアルミニウムをIII族構成元素として含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記III族窒化物層の成長は、前記成長炉にｎ型ドーパントを供給しながら行われる、ことを特徴とする請求項１５に記載された方法。
【請求項１７】
前記III族窒化物層の成長中に、前記成長炉への供給ガスが窒素ガスから水素ガスに切り替えられる、ことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載された方法。
【請求項１８】
前記III族窒化物結晶層はＡｌＺＧａ１−ＺＮ層を含み、
前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮ層のアルミニウム組成Ｚは０．２以上０．３以下であり、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは３．４エレクトロンボルト以上４．８エレクトロンボルト以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１５〜請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１９】
前記III族窒化物結晶層はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層を含み、
前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のインジウム組成Ｘは０．１以下であり、
前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．１５以上である、ことを特徴とする請求項１５〜請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２０】
前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の主面の法線軸の方向に配列された複数のＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
前記複数のＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項１５〜請求項１７及び請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２１】
前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
前記ＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項１５〜請求項１７及び請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２２】
前記半導体積層の形成において、前記窒化ガリウム半導体層は前記III族窒化物結晶層に接するように成長される、ことを特徴とする請求項１５〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体素子、及び窒化物系半導体素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、Ｇａ２Ｏ３基板上に形成された発光素子が記載されている。Ｇａ２Ｏ３基板上に、バッファ層を低温成長する。バッファ層の成長は、窒素雰囲気中で摂氏３５０度〜摂氏５５０度の範囲で行われる。このバッファ層は、ＡｌＮ層又はＡｌＧａＮ層である。発光素子のｐ側電極及び電流拡散層はｐ型ＧａＮ層上に形成されており、発光素子のｎ側電極は、Ｇａ２Ｏ３基板上に形成されたｎ＋型ＧａＮ層の露出面上に形成されている。このｎ＋ＧａＮ層は、低温バッファ層上に直接に成長されたＳｉドープＧａＮ厚膜である。低温成長バッファ層の厚さは２０ｎｍ〜３０ｎｍである。低温成長バッファ層の成長は、水素、アンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＡを成長炉に供給して成長されるので、低温成長バッファ層にはドーパントが添加されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１０７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された発光素子では、この発光素子に印加される電流は、ｐ側電極からｐ＋型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ＭＱＷ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層、及びｎ＋ＧａＮ層を介してｎ側電極に流れる。低温バッファ層を酸化ガリウム基板上に形成する理由は以下のものである：水素雰囲気においてＧａ２Ｏ３基板上に低温成長バッファ層を形成しても、Ｇａ２Ｏ３基板が変質しない低温成長バッファ層を成長する。
【０００５】
酸化ガリウム基板に形成された電極を含む半導体素子では、酸化ガリウム基板上に窒化ガリウム系半導体領域が形成される。この半導体素子に印加される電流は、窒化ガリウム系半導体領域と酸化ガリウム基板の主面との界面を横切ってｎ側電極に流れる。発明者らの知見は、上記の界面が半導体素子にオフセット電圧を生じさせている。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、酸化ガリウム基板上の半導体層と酸化ガリウム基板の主面との界面におけるオフセット電圧を低減可能な窒化物系半導体素子を提供することを目的とし、また、酸化ガリウム基板を用いた窒化物系半導体素子を製造する方法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】
本発明の一側面によれば、窒化物系半導体素子は、（ａ）主面及び裏面を有する導電性の酸化ガリウム基板と、（ｂ）前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うIII族窒化物結晶層と、（ｃ）前記III族窒化物結晶層とヘテロ接合を成しており、窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層と、（ｄ）前記半導体積層上に設けられた第１の電極と、（ｅ）前記酸化ガリウム基板の前記裏面上に設けられた第２の電極とを備え、前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは４．８エレクトロンボルトより小さく、前記III族窒化物結晶層は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも２種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。
【０００８】
この窒化物系半導体素子によれば、窒化物系半導体素子に印加された電流は、半導体積層上に設けられた第１の電極から、酸化ガリウム基板の裏面上に設けられた第２の電極に流れる。この電流経路上にIII族窒化物結晶層が設けられている。このIII族窒化物結晶層はアルミニウムをIII族構成元素として含んでおり、そのバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、４．８エレクトロンボルトより小さい。このIII族窒化物結晶層により、当該窒化物系半導体素子におけるオフセット電圧を低減できる。
【０００９】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が０．５Ｖ以下であることができる。また、本発明に係る窒化物系半導体素子では、最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が０．３Ｖ以下であることができる。さらに、本発明に係る窒化物系半導体素子では、最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が０．２Ｖ以下であることができる。
【００１０】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層は、ｎ型ドーパントを含み、前記ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上であることができる。この窒化物系半導体素子では、III族窒化物結晶層における抵抗を低減できる。
【００１１】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層（０≦Ｘ＜１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｘ＋Ｙ≦１）を含むことができる。
【００１２】
ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮを酸化ガリウム基板上に成長できる。また、このＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層上に、窒化物系半導体素子のために適用可能な半導体層を成長できる。この構造により、オフセット電圧を低減できる。
【００１３】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層はＡｌＺＧａ１−ＺＮ層を含み、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮ層のアルミニウム組成は０．２以上０，３以下であることができる。
【００１４】
この窒化物系半導体素子によれば、上記のＡｌＺＧａ１−ＺＮ層が酸化ガリウム基板上に設けられるとき、酸化ガリウム基板とＡｌＺＧａ１−ＺＮ層との界面におけるオフセット電圧、及び当該窒化物系半導体素子のための半導体積層とＡｌＺＧａ１−ＺＮ層との界面におけるオフセット電圧を低減できる。
【００１５】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層を含み、前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のインジウム組成Ｘは０．１以下であり、前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．１５以上であり、前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．３５以下であることができる。
【００１６】
この窒化物系半導体素子によれば、上記のＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層が酸化ガリウム基板上に設けられるとき、酸化ガリウム基板とＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層との界面におけるバンドギャップ差、及び当該窒化物系半導体素子のための半導体積層とＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層との界面におけるバンドギャップ差を低減できる。
【００１７】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の主面の法線軸の方向に配列された複数のＩｎＡｌＧａＮ層を含み、前記複数のＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなることができる。
【００１８】
複数のＩｎＡｌＧａＮ層を含むIII族窒化物結晶層の適用により、III族窒化物結晶層と該III族窒化物結晶層に隣接する領域との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、窒化物系半導体素子では、オフセット電圧だけでなく、基板と半導体積層との間の格子定数差の低減も可能になる。
【００１９】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するＩｎＡｌＧａＮ層を含み、前記ＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなることができる。
【００２０】
組成傾斜のＩｎＡｌＧａＮ層を含むIII族窒化物結晶層の適用により、III族窒化物結晶層と該III族窒化物結晶層に隣接する領域との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子によれば、オフセット電圧だけでなく、格子定数差の低減も可能になる。
【００２１】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記酸化ガリウム基板は単結晶からなり、前記III族窒化物結晶層におけるａ軸の格子定数は前記酸化ガリウム基板におけるｂ軸の格子定数と前記窒化ガリウム半導体層におけるａ軸の格子定数との間にあることができる。
【００２２】
このIII族窒化物結晶層の適用により、オフセット電圧だけでなく、III族窒化物結晶層と該III族窒化物結晶層に隣接する領域との間の格子定数差を小さくできる。
【００２３】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記酸化ガリウム基板はｎ導電性を有し、前記半導体積層は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層及び活性層を含み、前記窒化ガリウム半導体層は、前記酸化ガリウム基板と前記活性層との間に設けられ、前記活性層は、前記窒化ガリウム半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられており、前記半導体積層は、前記III族窒化物結晶層と前記活性層との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記III族窒化物結晶層のバンドギャップより小さく、当該窒化物系半導体素子は発光素子を含む。
【００２４】
この窒化物系半導体素子は、発光素子に適用可能である。
【００２５】
本発明に係る窒化物系半導体素子では、当該窒化物系半導体素子は、前記第１及び第２の電極の一方から前記第１及び第２の電極の他方に電流が流れる縦型電子デバイスを含む。この窒化物系半導体素子は、縦型構造のダイオード又はトランジスタ等に適用可能である。また、本発明に係る窒化物系半導体素子では、当該窒化物系半導体素子は、前記第１及び第２の電極の一方から前記第１及び第２の電極の他方に電流が流れるダイオードを含む。この窒化物系半導体素子は、縦型構造のｐｎダイオード又はショットキダイオード等に適用可能である。
【００２６】
本発明の別の側面は、窒化物系半導体素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）導電性の酸化ガリウム基板を成長炉に配置する工程と、（ｂ）窒素ガスを前記成長炉に供給しながら、摂氏６００度以上摂氏７００度以下の温度範囲に前記酸化ガリウム基板の温度を上昇する工程と、（ｃ）前記酸化ガリウム基板の主面上に、前記温度範囲内の成長温度でIII族窒化物層を成長する工程と、（ｄ）前記成長温度より高い温度で前記III族窒化物層の熱処理を行って、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うようにIII族窒化物結晶層を該前記主面上に形成する工程と、（ｅ）窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層を前記III族窒化物結晶層上に成長する工程と、（ｆ）前記半導体積層上に第１の電極を形成すると共に、前記酸化ガリウム基板の裏面に第２の電極を形成する工程とを備える。前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは４．８エレクトロンボルトより小さく、前記III族窒化物結晶は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも２種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。
【００２７】
この方法によれば、酸化ガリウム基板の主面を覆うように該主面上に上記の成長温度でIII族窒化物層を成長すると共にこの成長温度より高い温度でIII族窒化物層の熱処理を行ってIII族窒化物結晶層を主面上に形成する。この後に、窒化物系半導体素子のための半導体積層をIII族窒化物結晶層上に成長する。III族窒化物結晶層のバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、また４．８エレクトロンボルトより小さい。これ故に、窒化物系半導体素子の製造において、酸化ガリウム基板より小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体からなる半導体積層を酸化ガリウム基板上に形成することに起因するオフセット電圧を低減可能になる。
【００２８】
本発明に係る方法では、前記III族窒化物層の成長は、前記成長炉にｎ型ドーパントを供給しながら行われることができる。この結果、III族窒化物結晶層にはｎ型ドーパントが添加される。III族窒化物結晶層に起因する直列抵抗を低減できる。
【００２９】
本発明に係る方法では、前記III族窒化物層の成長中に、前記成長炉への供給ガスを窒素ガスから水素ガスに切り替えることができる。この方法によれば、III族窒化物結晶層上に半導体積層を水素キャリアガスを用いて成膜できる。
【００３０】
本発明に係る方法では、前記窒化物結晶層は三元ＡｌＧａＮ層及びは四元ＩｎＡｌＧａＮ層の少なくともいずれか一方を含むことができる。
【００３１】
本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層はＡｌＺＧａ１−ＺＮ層を含み、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮ層のアルミニウム組成Ｚは０．２以上０，３以下である。
【００３２】
この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、三元ＡｌＧａＮを用いて、酸化ガリウム基板上の窒化物結晶層と酸化ガリウム基板の主面との界面、及び窒化物結晶層と半導体積層との界面におけるバンドギャップ差を小さくできる製造方法を提供できる。
【００３３】
本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層を含み、前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のインジウム組成Ｘは０．１以下であり、前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．１５以上であり、前記ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．３５以下であることができる。
【００３４】
この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、四元ＩｎＡｌＧａＮを用いて、上記の界面におけるオフセット電圧を低減可能な製造方法を提供できる。
【００３５】
本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の主面の法線軸の方向に配列された複数のＩｎＡｌＧａＮ層を含み、前記複数のＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる。
【００３６】
この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、四元ＩｎＡｌＧａＮを用いて、階段状のバンドギャップの変化によりオフセット電圧を低減可能な製造方法を提供できる。
【００３７】
本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するＩｎＡｌＧａＮ層を含み、前記ＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる。
【００３８】
この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、四元ＩｎＡｌＧａＮを用いて、傾斜組成によるバンドギャップの変化によりオフセット電圧を低減可能な製造方法を提供できる。
【００３９】
本発明に係る方法では、前記半導体積層の形成において、窒化ガリウム半導体層は前記III族窒化物結晶層に接するように成長される。この方法によれば、窒化ガリウム半導体と酸化ガリウムとのバンドギャップに起因するオフセット電圧を低減できる。
【００４０】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００４１】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、酸化ガリウム基板上の半導体層と酸化ガリウム基板の主面との界面におけるオフセット電圧を低減可能な窒化物系半導体素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化物系半導体素子を製造する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を示す図面である。
【図２】図２は、III族窒化物結晶層の層構造を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを形成する方法、及び半導体素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハのための酸化ガリウム基板を示す図面である。
【図５】図５は、III族窒化物層の成長及び半導体積層の成長のためのシーケンスを示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る形成方法及び作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る形成方法及び作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、デバイスシミュレーションのためのデバイス構造及びシミュレーション結果を示す図面である。
【図９】図９は、電子デバイスの一例として作製したダイオードの構造、その特性、及び比較例の特性を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物系半導体素子及びエピタキシャル基板、並びに窒化物系半導体素子及びエピタキシャル基板を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４４】
図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を示す図面である。窒化物系半導体素子１１は、導電性の酸化ガリウム基板１３と、III族窒化物結晶層１５と、半導体積層１７と、第１の電極１９と、第２の電極２１とを備える。酸化ガリウム基板１３は、主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。III族窒化物結晶層１５は、酸化ガリウム基板１３の主面１３ａを覆っており、本実施例では主面１３ａの全面を覆う。III族窒化物結晶層１５は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも２種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。半導体積層１７は、窒化ガリウム半導体層２５を含む。第１の電極１９は、半導体積層１７の主面１７ａ上に設けられており、例えば主面１７ａに接触を成す。第２の電極２１は、酸化ガリウム基板１３の裏面１３ｂ上に設けられており、例えば裏面１３ｂに接触を成す。III族窒化物結晶層１５は、半導体積層１７とヘテロ接合２３ａを成しており、また酸化ガリウム基板１３の主面１３ａとヘテロ接合２３ｂを成す。III族窒化物結晶層１５のバンドギャップＥ（１５）は窒化ガリウム半導体層のバンドギャップＥ（ＧａＮ）より大きい。III族窒化物結晶層１５のバンドギャップＥ（１５）は４．８エレクトロンボルトより小さく、この値は、例えば単結晶の酸化ガリウムのバンドギャップと同程度である。
【００４５】
この窒化物系半導体素子１１によれば、この素子に印加された電流は、半導体積層１７上の第１の電極１９から、酸化ガリウム基板１３の裏面１３ｂ上の第２の電極２１に流れる。この電流経路上にIII族窒化物結晶層１５が設けられている。このIII族窒化物結晶層１５はアルミニウムをIII族構成元素として含んでおり、そのバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、４．８エレクトロンボルトより小さい。このIII族窒化物結晶層１５により、酸化ガリウム基板１３上にIII族窒化物からなる積層１７を形成することに起因するオフセット電圧を低減できる。
【００４６】
III族窒化物結晶層１５が単一の層からなるとき、III族窒化物結晶層１５、酸化ガリウム基板１３及び半導体積層１７の三者において、酸化ガリウム基板１３とIII族窒化物結晶層１５との界面２３ａにおけるオフセット電圧と半導体積層１７とIII族窒化物結晶層１５との界面２３ｂにおけるオフセット電圧との和は、参加我利宇宇と窒化ガリウムとの界面により電圧オフセットより小さい。
【００４７】
窒化物系半導体素子１１では、III族窒化物結晶層１５にはｎ型ドーパントが添加されていることが良い。このｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上であることができる。これによって、オフセット電圧の低減効果を提供できると共に、III族窒化物結晶層１５における抵抗を低減できる。
【００４８】
窒化物系半導体素子１１では、III族窒化物結晶層１５はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層（０≦Ｘ＜１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｘ＋Ｙ≦１）を含むことが良い。III族窒化物結晶層のＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層を酸化ガリウム基板上に成長できる。また、このＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層上に、窒化物系半導体素子のために適用可能な半導体積層１７を成長できる。III族窒化物結晶層１５の材料は、例えば三元及び四元のIII族窒化物であり、具体例としてＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等が示される。三元混晶ＡｌＧａＮは、ガリウムより小さい原子半径のアルミニウム構成元素のためＧａＮのバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。四元混晶ＩｎＡｌＧａＮは、ガリウムより大きい原子半径のインジウム構成元素とアルミニウム構成元素との組み合わせによりＧａＮのバンドギャップより大きなバンドギャップを提供できる。四元混晶ＩｎＡｌＧａＮは、ガリウムより大きい原子半径のインジウム構成元素とアルミニウム構成元素との組み合わせによりＧａＮの格子定数と酸化ガリウム基板の主面における主要な格子定数との間の格子定数を提供できる。
【００４９】
III族窒化物結晶層１５はＡｌＺＧａ１−ＺＮ層であることができる。上記のＡｌＺＧａ１−ＺＮ層が酸化ガリウム基板上に設けられるとき、酸化ガリウム基板１３とＡｌＺＧａ１−ＺＮ層との界面２３ｂにおけるオフセット電圧、及び当該窒化物系半導体素子のための半導体積層１７とＡｌＺＧａ１−ＺＮ層との界面２３ａにおけるオフセット電圧との和を、酸化ガリウムと窒化ガリウムとの界面におけるオフセット電圧より小さい。また、III族窒化物結晶層１５のＡｌＺＧａ１−ＺＮ層のアルミニウム組成は０．２以上であることが良く、０．３以下であることが良い。この組成範囲のＡｌＧａＮはオフセット電圧の低減に寄与できる。III族窒化物結晶層１５のバンドギャップは例えば３．４エレクトロンボルト以上４．８エレクトロンボルト以下の範囲であることが良い。このIII族窒化物結晶層１５のためのＡｌＺＧａ１−ＺＮ層の厚さは、例えば１０ｎｍ以上であり、また１００ｎｍ以下であることができる。
【００５０】
或いは、III族窒化物結晶層１５はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層であることができる。上記のＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層が酸化ガリウム基板１３上に設けられるとき、酸化ガリウム基板１３とＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層との界面２３ｂにおけるオフセット電圧、及び半導体積層１７とＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層との界面２３ａにおけるオフセット電圧の和、酸化ガリウムと窒化ガリウムとの界面におけるオフセット電圧より小さくできる。このIII族窒化物結晶層１５のためのＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層の厚さは、例えば１０ｎｍ以上であり、また１００ｎｍ以下であることができる。必要な場合には、酸化ガリウムのバンドギャップと同等のＡｌＧａＮ層又はＩｎＡｌＧａＮ層を酸化ガリウム基板の表面にます成長しても良い。また、半導体積層の最下層が、その最下層のバンドギャップと同等のバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮ層上に形成されていても良い。
【００５１】
また、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のインジウム組成Ｘはゼロより大きく０．１以下であることが良く、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．１５以上であることが良い。ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ層のアルミニウム組成Ｙは０．３５以下であることができる。この組成のＩｎＡｌＧａＮはオフセット電圧の低減に寄与できる。
【００５２】
III族窒化物結晶層１５は、以下のような構造を有することができる。
【００５３】
例えばIII族窒化物結晶層１５は、図２（ａ）に示されるように、構成元素の互いに異なる組成を有する複数のIII族窒化物膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆを含むことができる。複数のIII族窒化物膜１６ａ〜１６ｆは、酸化ガリウム基板１３の主面１３ａの法線軸Ａｘ及び法線ベクトルＮＶの方向に配列される。III族窒化物膜１６ａ〜１６ｆの各々は、例えばＩｎＡｌＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層からなる。III族窒化物膜１６ａ〜１６ｆのバンドギャップは、酸化ガリウム基板１３から半導体積層（窒化ガリウム半導体層）１７への方向に小さくなる。III族窒化物膜１６ａ〜１６ｆの各々における膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることができる。
【００５４】
複数のＩｎＡｌＧａＮ層を含むIII族窒化物結晶層１５を用いることによって、III族窒化物結晶層１５と該III族窒化物結晶層１５に隣接する領域１３、１７との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子１１では、オフセット電圧だけでなく、III族窒化物結晶層１５とこの層に隣接する半導体層との格子定数差の低減も可能になる。
【００５５】
或いは、III族窒化物結晶層１５は、図２（ｂ）に示されるように、構成元素の組成に傾斜を有するIII族窒化物層１４を含むことができる。ガリウムの原子半径より小さい元素、例えば構成元素のアルミニウムの組成が、酸化ガリウム基板１３から半導体積層（窒化ガリウム半導体層）１７への方向に小さくなるとき、同方向にIII族窒化物層１４のバンドギャップが小さくなる。また、ガリウムの原子半径より大きな元素、例えば構成元素のインジウムの組成が酸化ガリウム基板１３から半導体積層（窒化ガリウム半導体層）１７への方向に大きくなるとき、同方向にIII族窒化物層１４のバンドギャップが小さくなる。単一の構成元素に対して組成傾斜を行うことが簡便である。III族窒化物層１４が複数のIII族構成元素を含むとき、一または複数の構成元素に対して組成傾斜を適用できる。
【００５６】
III族窒化物結晶層１５は、傾斜組成を有するＩｎＡｌＧａＮ層を含むことができる。このＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップは酸化ガリウム基板１３から半導体積層（窒化ガリウム半導体層）１７への方向に小さくなる。III族窒化物結晶層１５が組成傾斜のＩｎＡｌＧａＮ層を含むので、III族窒化物結晶層１５とこの層に隣接する領域１３、１７との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子１１において、オフセット電圧及び格子定数差の低減も可能になる。
【００５７】
再び図１を参照すると、窒化物系半導体素子１１では、半導体積層１７は、活性層２７及びｐ型窒化ガリウム系半導体層２９を含むことができる。酸化ガリウム基板１３は導電性を有し、酸化ガリウムへのドーパントの添加により、酸化ガリウム基板１３はｎ導電性を示す。活性層２７は、ＧａＮ半導体層２５とｐ型窒化ガリウム系半導体層２９との間に設けられる。当該窒化物系半導体素子１１は、本実施例では、電流の印加に応答して発光する発光素子である。半導体積層１７はIII族窒化物結晶層１５と活性層２７との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、ＧａＮ層２５及びＩｎＧａＮ層３１）を含む。必要な場合には、半導体積層１７はｐ型窒化ガリウム系半導体層２９と活性層２７との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層（本実施例では、アンドープＧａＮ層３３）を含むことができる。本実施例では、ＧａＮ半導体層２５は、酸化ガリウム基板１３と活性層２５との間に設けられる。この窒化物系半導体素子１１は、酸化ガリウムとこの上に設けられた窒化ガリウム系半導体からなる半導体積層との間におけるオフセット電圧を低減でき、また例えば発光素子に適用可能である。
【００５８】
窒化物系半導体素子１１では、活性層２７は、例えば単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有することができる。多重量子井戸構造は、交互は配列された障壁層２７ａ及び井戸層２７ｂを含む。井戸層２７ｂは、構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、障壁層２７ａは窒化ガリウム系半導体、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層２９は、電子ブロック層２９ａ、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２９ｂ、及びｐ型コンタクト層２９ｃを含むことができる。
【００５９】
図３は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを形成する方法、及び半導体素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。図４は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハのための酸化ガリウム基板を示す図面である。図５は、III族窒化物層の成長及び半導体積層の成長のためのシーケンスを示す図面である。図６及び図７は、本実施の形態に係る形成方法及び作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。
【００６０】
図３に示される工程フローの工程Ｓ１０１では、酸化ガリウム基板を準備する。図４（ａ）を参照すると、酸化ガリウムウエハといった基板４１が示される。酸化ガリウム基板４１は主面４１ａ及び裏面４１ｂを含む。この酸化ガリウムウエハは、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。酸化ガリウムウエハは、表面と表面に反対側の裏面とを含み、表面及び裏面は互いに平行である。基板４１の主面４１ａは、例えば単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面である。この主面４１ａは、（１００）面に対して例えば１度以下の角度で傾斜することができる。図４（ａ）には、結晶座標系ＣＲが示されており、結晶座標系ＣＲはａ軸、ｂ軸及びｃ軸を有する。
【００６１】
図４（ｂ）を参照すると、単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子が示されている。単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子のａ軸、ｂ軸及びｃ軸の格子定数は、それぞれ、１．２２３ｎｍであり、０．３０４ｎｍ及び０．５８ｎｍである。ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸の方向を示す。ベクトルＶａ及びＶｂは（００１）面を規定し、ベクトルＶｂ、Ｖｃは（１００）面を規定し、ベクトルＶｃ及びＶａは（０１０）面を規定する。ベクトルＶａ及びＶｂの成す角度α及びベクトルＶｂ及びＶｃの成す角度γは９０度であり、ベクトルＶｃ及びＶａの成す角度βは１０３．７度である。ウエハ主面１１ａの傾斜角ＡＯＦＦを示すために、図４（ｂ）には、主面４１ａが一点鎖線で示されている。
【００６２】
工程Ｓ１０２では、成長炉１０のサセプタ１０ａ上に基板４１を配置する。
【００６３】
工程Ｓ１０３では、図５に示されるシーケンスに従って、酸化ガリウム基板４１の主面４１ａ上にIII族窒化物結晶層を形成する。工程Ｓ１０４では、時刻ｔ０において、引き続くIII族窒化物層の成長のための第１の成膜温度ＴＧ１に向けて、窒素雰囲気に酸化ガリウム基板４１の基板温度の上昇を開始する。時刻ｔ１において、成膜温度ＴＧ１に到達する。III族窒化物層の成膜温度ＴＧ１における温度は摂氏６００度以上であり、摂氏７００度以下である。III族窒化物層の成長は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等で行われる。図６（ａ）に示されるように、ガスＧ０を成長炉１０に供給しながら、成長炉１０内の酸化ガリウム基板４１の温度を変更する。ガスＧ０は、例えば実質的に水素を含まず窒素ガスからなる。成長炉１０に供給された窒素に酸化ガリウム基板４１が触れているので、水素によって酸化ガリウム基板４１が侵されることがない。これ故に、成長炉１０に水素を供給するときに比べて、基板温度を高めることができる。酸化ガリウム基板１１の基板温度が成膜温度ＴＧ１に到達した後に、酸化ガリウム基板４１の基板温度を例えば摂氏６００度の温度に維持する。
【００６４】
工程Ｓ１０５では、酸化ガリウム基板４１が十分に安定した第１の成膜温度ＴＧ１になった時刻ｔ２において、図５（ｂ）に示されるように成膜ガスＧ１を成長炉１０に供給して、III族窒化物層４３を成長する。工程Ｓ１０５では、時刻ｔ２において、窒素（N２）に加えて、有機III族化合物及び窒素原料を成長炉１０に供給して、主面４１ａ上にIII族窒化物層４３の成長を開始する。III族窒化物層４３は、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮといった、少なくともIII族元素としてＡｌを含むIII族窒化物からなる。III族窒化物層４３がＡｌＧａＮからなるとき、成長炉１０には、例えば窒素、ガリウム原料（トリメチルガリウム：ＴＭＧ）、アルミニウム原料（トリメチルアルミニウム：ＴＭＡ）及び窒素原料（アンモニア：ＮＨ３）を含む原料ガスＧ１が供給される。或いは、III族窒化物層４３がＩｎＡｌＧａＮからなるとき、成長炉１０には、例えば窒素、ガリウム原料（トリメチルガリウム：ＴＭＧ）、インジウム原料（トリメチルインジウム：ＴＭＩ）、アルミニウム原料（トリメチルアルミニウム：ＴＭＡ）及び窒素原料（アンモニア：ＮＨ３）を含む原料ガスＧ１が供給される。
【００６５】
III族窒化物層４３の成膜が開始された後に、工程Ｓ１０５では、有機金属化合物及び窒素原料に加えて水素（H２）の供給を開始する。本実施の形態では、時刻ｔ３において水素の供給を開始する。III族窒化物層４３がＡｌＧａＮからなるとき、時刻ｔ３では、水素、窒素、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びアンモニアが成長炉１０に供給される。この方法によれば、水素の使用により、III族窒化物層４３中への不純物の混入が低減される。必要な場合には、水素の供給を開始した後に、窒素の供給量を減少させることができ、またIII族窒化物層４３の成長中に窒素の供給を停止することがよい。本実施例では、時刻ｔ３〜ｔ４の間に窒素の供給量を減少して、時刻ｔ４において窒素の供給を停止する。また、時刻ｔ３〜ｔ４の間に水素の供給量を増加して、時刻ｔ４において水素の増加を停止して一定量の水素を供給する。時刻ｔ４では、例えば水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びアンモニアが成長炉１０に供給される。これ故に、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は、ガスの切り替え期間である。時刻ｔ４〜ｔ５の期間に、例えば水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びアンモニアを成長炉１０に供給して、III族窒化物層４３の残りを成長する。
【００６６】
この方法によれば、III族窒化物層４３の成長の開始前には水素を成長炉１０ａに供給することなくIII族窒化物層４３の成長途中で水素の供給を開始するので、水素を含む雰囲気に酸化ガリウム基板４１が直接にさらされることを防ぐことができる。III族窒化物層４３の成長開始時点及び成長初期では成長炉１０ａは窒素雰囲気であるので、III族窒化物層４３の成膜を摂氏６００度以上の温度で行うことができる。III族窒化物層４３の成長の途中で成長炉１０ａへの水素の供給を開始するので、III族窒化物層４３の品質が向上される。また、III族窒化物層４３の成長温度が摂氏７００度以下であることができる。III族窒化物層４３と基板４１との反応、あるいはIII族窒化物層４３の成膜時における基板へのダメージを防ぐためである。
【００６７】
III族窒化物層４３の厚さは１マイクロメートル以上であることができる。この厚さによれば、窒化物層４３の表面にピット等の凹凸が生じないからである。また、このIII族窒化物層４３上に成長される窒化ガリウム系半導体層の品質も良好になる。III族窒化物層４３の厚さは２０マイクロメートル以下であることができる。この厚さによれば、窒化ガリウム系半導体の剥がれが生じることがない。
【００６８】
次いで、ＴＭＧ及びＴＭＡの供給を停止してIII族窒化物層４３の成膜が完了した後に、工程Ｓ１０６におけるアニールのための熱処理温度に、酸化ガリウム基板４１の基板温度の変更を開始する。時刻ｔ６において、基板温度の上昇を開始する。この温度変更中に、例えば水素及びアンモニアが成長炉１０に供給されている。時刻ｔ８において第２の成膜温度ＴＧ２に到達する。この後に、酸化ガリウム基板４１の基板温度を第２の成膜温度ＴＧ２に保つ。
【００６９】
本実施例では、工程Ｓ１０６では、時刻ｔ７〜ｔ８〜ｔ９の期間において、図７（ａ）に示されるように、酸化ガリウム基板４１上に成長されたIII族窒化物層４３の熱処理を成長炉１０で行って、III族窒化物結晶層４３を形成する。この熱処理は、成長温度ＴＧ１より高い温度ＴＡＮで行われ、この熱処理温度は例えば摂氏１０００度以上であることができ、また摂氏１１００度以下であることができる。熱処理の期間には、例えばアンモニア及び水素を含むガスＧ２が成長炉１０に供給される。III族窒化物層４３は比較的低温で成長されたので、熱処理によりの期間に再結晶化が生じることがある。
【００７０】
上記の熱処理により、酸化ガリウム基板４１の主面４１ａの全面を覆うようにIII族窒化物結晶層４５が形成される。III族窒化物結晶４５は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも２種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。III族窒化物結晶層４５のバンドギャップは、後の工程においてIII族窒化物結晶層４５上に成長される半導体積層の最初の半導体層（例えばＧａＮ）のバンドギャップより大きい。III族窒化物結晶層４５のバンドギャップは４．８エレクトロンボルトより小さい。
【００７１】
工程Ｓ１０７では、温度変更が完了した後に、成長炉１０において、III族窒化物半導体素子のための半導体積層をIII族窒化物結晶層４５上に成長して、エピタキシャル基板を形成する。半導体積層は、六方晶系の一又は複数の窒化ガリウム系半導体エピタキシャル層（以下「エピタキシャル層」と記す）４７を含む。エピタキシャル層４７は、酸化ガリウムのバンドギャップより小さいバンドギャップを有する。また、III族窒化物結晶層４５のバンドギャップは酸化ガリウムのバンドギャップとエピタキシャル層４７のバンドギャップとの間の値である。
【００７２】
本実施例では、時刻ｔ１０〜ｔ１１では、水素及びアンモニアに加えて、成長されるべきエピタキシャル層１５のIII族構成元素のための有機III族元素原料ガスを含む原料Ｇ３を成長炉１０に供給する。この成膜は、第２の成膜温度ＴＧ２で行われる。本実施例では、ＴＭＧといった有機III族元素原料ガスＧ２を供給して、窒化ガリウム層をIII族窒化物結晶層４５上に成長する。このＧａＮ層のバンドギャップは、酸化ガリウムのバンドギャップより小さい。また、III族窒化物結晶層４５のバンドギャップは酸化ガリウムのバンドギャップとＧａＮ層のバンドギャップとの間の値である。これ故に、酸化ガリウムのバンドギャップとＧａＮ層のバンドギャップとのバンドギャップ差は大きいけれども、III族窒化物結晶層４５と酸化ガリウム基板４１とのヘテロ接合、及びIII族窒化物結晶層４５とＧａＮ層とのヘテロ接合を利用して、III族窒化物結晶層４５は当該半導体素子のオフセット電圧の低減に寄与できる。
【００７３】
半導体積層は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等といった六方晶系のIII族窒化物層からなる。半導体積層の膜厚は、例えば１マイクロメートル以上であることができる。また、半導体積層の膜厚は、２０マイクロメートル以下であることができる。半導体積層のエピタキシャル層４７がＧａＮからなるとき、成長炉１０には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニアを含む原料ガスＧ３が供給される。ＧａＮの成長温度は、例えば摂氏９００度以上摂氏１２００度以下であることができる。ＡｌＧａＮの成長温度は、例えば摂氏９００度以上摂氏１３００度以下であることができる。ＩｎＧａＮの成長温度は、例えば摂氏６００度以上摂氏１０００度以下であることができる。ＩｎＡｌＧａＮの成長温度は、例えば摂氏６００度以上摂氏１２００度以下であることができる。
【００７４】
また、半導体積層は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する少なくとも一つの半導体層を含み、該半導体層は、アンドープ、ｐ型ドーパント添加、及びｎ型ドーパントであることができる。半導体積層のエピタキシャル層にｐ導電性またはｎ導電性を付与するために、エピタキシャル層１５を成長する際に、原料ガスに加えてドーパントガスを供給する。ドーパントとしては、ｐ型導電性のためにシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用い、ｎ型導電性のためにシラン（例えばＳｉＨ４）を用いることができる。
【００７５】
また、酸化ガリウム基板４１の主面４１ａが実質的に（１００）面であるとき、この方法によれば、酸化ガリウム基板４１上に成長される窒化ガリウム系半導体はほぼｃ面の表面を有する。
【００７６】
単結晶の酸化ガリウム基板４１では、III族窒化物結晶層におけるａ軸の格子定数は酸化ガリウム基板４１におけるｂ軸の格子定数とＧａＮにおけるａ軸の格子定数との間にある。このIII族窒化物結晶層４５の適用により、III族窒化物結晶層４５と該III族窒化物結晶層４５に隣接する領域４７との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子のオフセット電圧だけでなく、格子定数差の低減も可能になる。
【００７７】
窒化物系半導体素子が発光素子（例えば、発光ダイオード等）であるとき、III族窒化物結晶層４５上に成長されるエピタキシャル層は第１導電型を有している。この第１導電型エピタキシャル層は、例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等といった六方晶系のIII族窒化物からなる。第１導電型エピタキシャル層がＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなるときは、成長炉１０には、水素、ＴＭＧ、アンモニア及びシランを含む原料ガスを供給して、ｎ型ＧａＮ膜を成長する。第１導電型エピタキシャル層がＧａＮからなるとき、第１導電型エピタキシャル層の成長温度は例えば摂氏９００度以上摂氏１２００度以下の範囲になり、第１導電型エピタキシャル層は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する半導体層である。次いで、第１導電型エピタキシャル層上に活性層を形成する。活性層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含む。井戸層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。障壁層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。井戸層の成長温度は、例えば摂氏５００度以上摂氏９００度以下の範囲にあり、障壁層の成長温度は、例えば摂氏５５０度以上摂氏９５０度以下の範囲にある。この後に、第２導電型エピタキシャル層を活性層上に形成する。第２導電型エピタキシャル層は、例えばｐ型電子ブロック層及びｐ型コンタクト層を含むことができる。第２導電型エピタキシャル層がＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮからなるとき、第２導電型エピタキシャル層の成長温度は例えば摂氏１０００度である。
【００７８】
これまでの窒化ガリウム系半導体の堆積により、エピタキシャル基板が得られる。
【００７９】
再び図３を参照すると、次いで、工程Ｓ１０８では、エピタキシャル基板上に第１及び第２の電極を形成する。例えば、エピタキシャルウエハの半導体積層の上面に第１の電極を形成すると共に、エピタキシャルウエハの裏面上に第２の電極を形成する。これらの工程により、窒化ガリウム系半導体発光デバイスのための基板生産物が作製される。この方法によれば、酸化ガリウム基板４１上に、半導体発光素子、そのための基板生産物及びそのためのエピタキシャル基板を作製できる。
【００８０】
この方法によれば、酸化ガリウム基板４１の主面４１ａの全面を覆うように上記の成長温度でIII族窒化物層４３を成長すると共にこの成長温度より高い温度でIII族窒化物層４３の熱処理を行ってIII族窒化物結晶層４５を形成する。この後に、窒化物系半導体素子のための半導体積層をIII族窒化物結晶層４５上に成長する。III族窒化物結晶層４５のバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、また４．８エレクトロンボルトより小さい。これ故に、窒化物系半導体素子の製造において、酸化ガリウム基板４１とこれより小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム半導体を酸化ガリウム基板４１上に形成することに起因するオフセット電圧を低減可能になる。
【００８１】
（実施例１）
酸化ガリウム基板とＧａＮエピタキシャル層の間に、ＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜０．５）層を挟んだデバイス構造を用いて、デバイスシミュレーションを行った。図８（ａ）は、デバイスシミュレーションのためのデバイス構造を示す図面である。デバイス構造は、Ｚ軸及び動径Ｒによる円柱座標を用いて規定されている。シミュレーションのためのデバイスは、基板（厚さ１０マイクロメートル、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３）、この基板上のＡｌＧａＮ層、及びＡｌＧａＮ層上のＧａＮ層（厚さ５マイクロメートル、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３）を含み、半径１５マイクロメートルの円柱形である。基板の裏面にはカソードが設けられ、ＧａＮ層上にはアノードが設けられる。このダイオード構造のモデルを用いて、ＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜０．５）層の様々なＡｌ組成と順方向電圧Ｖｆとの関係を計算した。
【００８２】
図８（ｂ）は、Ａｌ組成と順方向電圧Ｖｆとの関係を表すデバイスシミュレーション結果を示す図面である。
Ａｌ組成、順方向電圧Ｖｆ
０．０、０．５２５
０．１、０．３８
０．２、０．２８
０．３、０．２７
０．４、０．３５
０．５、０．５２５。
Ａｌ組成（０．１≦Ｚ≦０．４）における順方向電圧は、Ａｌ組成がゼロ及び０．５における順方向電圧に比べて小さくなる。また、Ａｌ組成（０．２≦Ｚ≦０．３）における順方向電圧は、Ａｌ組成０．１及び０．４における順方向電圧に比べて小さくなる。この結果、Ａｌ組成（０．２≦Ｚ≦０．３）のＡｌＧａＮからなるIII族窒化物結晶層を用いるとき、そのオフセット電圧は、酸化ガリウムとＧａＮ層との直接接触に比べて半分程度にまで低減される。また、ＧａＮと酸化ガリウムとの間に、バンドギャップを階段状にゆるやかに変化させる階段状の組成変化のＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを挟んでも、オフセット電圧を低減できる。
【００８３】
ＧａＮ（バンドギャップ：３．４ｅＶ）エピタキシャル成長膜とＧａ２Ｏ３（バンドギャップ：４．８ｅＶ）基板との間に上記のＡｌＧａＮ（バンドギャップＥｇ：３．４ｅＶ＜Ｅｇ＜４．８ｅＶ）を介在させることによって、ＧａＮ（３．４ｅＶ）エピタキシャル成長膜とＧａ２Ｏ３（４．８ｅＶ）基板との間に生じるオフセット電圧を低減できる。
【００８４】
III族窒化物結晶層は単一膜又は多層膜からなることができる。III族窒化物結晶層は、単一膜では実質的に単一の組成を成すことができ、或いはIII族窒化物結晶層は一又は複数の構成元素に傾斜組成を成すことができる。これ故に、III族窒化物結晶層は、階段状もしくはスロープ状のバンドギャップを有することができる。例えば、３．４ｅＶ≦Ｅｇ≦４．８ｅＶの範囲で階段状もしくはスロープ状に変化するバンドギャップを有する三元又は四元混晶を用いることができる。III族窒化物結晶層は、例えばＡｌ及びＩｎの少なくともいずれか一方の組成が単調に変化するＩｎＡｌＧａＮ、又はＡｌ及びＩｎの少なくともいずれか一方の徐々に変化するＩｎＡｌＧａＮを含むことができる。ＩｎＡｌＧａＮ多層膜は、Ｇａ２Ｏ３基板に近い層ほど高いバンドギャップとなると共に半導体層（例えばＧａＮ層）に近い層ほど低いバンドギャップとなる多層構造を有する。ＡｌＧａＮのＡｌ組成が０．５程度であるとき、ＡｌＧａＮのバンドギャップは、酸化ガリウムのバンドギャップと同程度になる。また、アンドープのＩｎＡｌＧａＮは高抵抗であるので、基板の導電性を活かすためには、ＩｎＡｌＧａＮにｎ型ドーピングにすることが良い。逆方向耐電圧は比較的大きいままであるため、ＧａＮエピタキシャル成長膜の上にＬＥＤ構造を作製する場合、ｎ電極はエピタキシャル膜ではなく酸化ガリウム基板にとることが良い。
【００８５】
（実施例２）
図９（ａ）に示されるような構造のダイオードを電子デバイスの一例として作製した。このダイオードは、ｎ型酸化ガリウム基板（厚さ４００マイクロメートル）上にIII族窒化物結晶層（厚さ１０ｎｍ）を介して、ｎ型ＧａＮ層（厚さ３マイクロメートル）を成長した。この酸化ガリウム基板の裏面にはカソード電極を形成し、ｎ型ＧａＮ層の表面にアノード電極（ショットキ電極）を形成した。図９（ｂ）のダイオードは、厚さ４００マイクロメートルのｎ型酸化ガリウム基板上にＡｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ層を介して厚さ３マイクロメートルのｎ型ＧａＮ層を成長した。図９（ｃ）のダイオードは、ｎ型酸化ガリウム基板（厚さ４００マイクロメートル）上にＡｌＮ層（厚さ１０ｎｍ）を介してｎ型ＧａＮ層（厚さ３マイクロメートル）を成長した。図９（ｃ）のダイオードのオフセット電圧は、図９（ｂ）のダイオードに比べて０．３ボルト程度に低減された。これらの測定において、オフセット電圧を近似直線の電圧軸との交点によって規定した。
【００８６】
（実施例３）
Ｇａ２Ｏ３基板上にＩｎＡｌＧａＮ層を成長して、ＬＥＤ構造のエピタキシャル積層を以下の成長シーケンスを用いて作製した。有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置内にＧａ２Ｏ３基板をセットする。成長装置に窒素雰囲気中を形成した後に、摂氏６００度〜摂氏７００度（好ましくは摂氏６００度）の温度に基板温度を上昇する。基板温度が安定した後に、窒素ガスと共に、原料ガスの一つであるアンモニアを成長装置に供給し始める。さらに、窒素ガス及びアンモニアと共に、III族原料ＴＭＡ、ＴＭＩ及びＴＭＧを成長装置に供給して、ＩｎＡｌＧａＮ層を成長し始める。成長開始の後に、Ｖ族及びIII族の原料ガスを供給しながら、雰囲気ガスを窒素から水素に切り替える。そして、引き続きＩｎＡｌＧａＮ層を成長する。これにより、基板のＧａ２Ｏ３が水素によりエッチングされることを避けることができる。成膜の初期にのみ窒素雰囲気を用いることにより、比較的高温でもＧａ２Ｏ３基板を保護しながら、III族窒化物層を成長できる。窒素ガス及びアンモニアを流し続けると共に、ＴＭＡ、ＴＭＩ及びＴＭＧの供給を停止して、ＩｎＡｌＧａＮ層の成長を終了する。このＩｎＡｌＧａＮ層は比較的低温で成長されるので、結晶性が十分には良くないことがある。この基板温度を摂氏１０００度〜摂氏１１００度の範囲のアニール温度でＩｎＡｌＧａＮ層を再結晶化する。成長装置にアンモニア及びＴＭＧを供給して、再結晶化されたＩｎＡｌＧａＮ層上にＧａＮエピタキシャル膜の成膜を行う。この上に、発光素子のためのエピタキシャル成長又は縦型電子デバイスのためのエピタキシャル成長を行う。Ｇａ２Ｏ３基板（バンドギャップ４．８ｅＶ）とＧａＮ（バンドギャップ３．４ｅＶ）エピタキシャル膜との間のオフセット電圧が０．５ボルト以下、或いは０．３ボルト以下であることができ、更に良好な特性では、０．２〜０．１ボルト以下であることができる。
【００８７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば発光ダイオードといった窒化物半導体発光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、窒化物半導体素子として窒化物半導体発光素子について例示的に説明しているけれども、窒化物半導体素子は、例えば縦型トランジスタ（例えば縦型電界効果トランジスタ又は縦型ＨＥＭＴ等）及び縦型ダイオード（例えば縦型ｐｎダイオード又は縦型ショットキダイオード等）といった窒化物電子デバイスであることもできる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００８８】
１０…成長炉、１０ａ…サセプタ、１１…窒化物系半導体素子、１３…酸化ガリウム基板、１４…組成傾斜のIII族窒化物層、１５…III族窒化物結晶層、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ…III族窒化物膜、１７…半導体積層、１９…第１の電極、２１…第２の電極、１３ａ…酸化ガリウム基板主面、１３ｂ…酸化ガリウム基板裏面、２３ａ、２３ｂ…ヘテロ接合（界面）、２５…ＧａＮ半導体層、２７…活性層、２９…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、３１…ＩｎＧａＮ層、３３…アンドープＧａＮ層、２７ａ…障壁層、２７ｂ…井戸層、２９ａ…電子ブロック層、２９ｂ…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、２９ｃ…ｐ型コンタクト層、４１…酸化ガリウム基板、４１ａ…酸化ガリウム基板主面、４１ｂ…酸化ガリウム基板裏面、４３…III族窒化物層、４５…III族窒化物結晶、４７…エピタキシャル層  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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