(57)【要約】【課題】半導体素子の消費電力を小さく保つことができ、しかも長期にわたり使用することが可能な高性能の半導体素子を提供する。【解決手段】単結晶基板１上にＡｌＮ系もしくはＧａＮ系の半導体層２を形成するとともに、該半導体層２上に電極３を被着させた半導体素子において、前記電極３をＸＢ２（ＸはＴｉもしくはＺｒの少なくとも１種を含む）の化学式で示される二棚化物単結晶により形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板上にＡｌＮ系もしくはＧａＮ系の半導体層を形成するとともに、該半導体層上に電極を被着させた半導体素子において、
前記電極をＸＢ２（ＸはＴｉもしくはＺｒの少なくとも１種を含む）の化学式で示される二棚化物単結晶により形成したことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記半導体層は、その内部にｐｎ接合を有する発光層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記電極上にＡｌＮ系もしくはＧａＮ系の第２半導体層をエピタキシャル成長させた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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光デバイスやガン効果ダイオード、ショットキーダイオード等の電子デバイスとして使用される半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発光ダイオード等の発光デバイスやガン効果ダイオード等の電子デバイスとして、基板上に半導体層を被着させて構成される半導体素子が知られており、近年、半導体層として、ＧａＮ系半導体を用いることが進められている。
【０００３】
このようなＧａＮ系半導体を用いた半導体素子としては、発光ダイオード等の発光素子が知られており、かかる従来の発光ダイオードは、図３に示す如く、サファイア基板１１の上面に、ＧａＮ系化合物半導体により形成されたｎ型半導体層１２ａ、発光層１２ｂ、ｐ型半導体層１２ｃを順次エピタキシャル成長させてなる半導体層１２を被着させるとともに、ｎ型半導体層１２ａの上面及びｐ型半導体層１２ｃの上面に、Ａｌからなる一対の電極１３を被着させた構造を有しており、半導体層１２に一対の電極１３を介して所定の電力を印加し、電子と正孔とを半導体層１２内のｐｎ接合付近で再結合させるとともに、該再結合に伴って生じたエネルギーを光に変換し、得られた光を半導体層１２より出射させることによって発光ダイオードとして機能する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−８４１３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の半導体素子においては、半導体層１２上に被着される電極１３としてＡｌが使用されていたことから、半導体素子を長時間使用すると、使用時に発生する熱が原因で、電極１３中のＡｌが半導体層１２中に拡散し、半導体層１２の特性を劣化させてしまい、半導体素子の消費電力が大きくなったり、あるいは、半導体素子の寿命が低下したりする問題を有していた。
【０００６】
また、前記半導体層１２を構成するＧａＮ系半導体と電極１３を構成するＡｌとは線膨張係数が大きく異なっていることから（ＧａＮの線膨張係数：５．６×１０−６／Ｋ、Ａｌの線膨張係数：２３．１×１０−６／Ｋ）、半導体層１２と電極１３との間には両者の線膨張係数の差に起因した熱応力が印加されることとなり、該熱応力によって半導体層１２中に格子欠陥が生じたり、あるいは、電極１３が半導体層１２より剥離したりして、半導体素子として使用することが不可となる問題を有していた。
【０００７】
このような問題は半導体素子を半導体レーザ素子やガン効果ダイオード、ショットキーダイオードに適用した場合にも発生する。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、半導体素子の消費電力を小さく保つことができ、しかも長期にわたり使用することが可能な高性能の半導体素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子は、単結晶基板上にＡｌＮ系もしくはＧａＮ系の半導体層を形成するとともに、該半導体層上に電極を被着させた半導体素子において、前記電極をＸＢ２（ＸはＴｉもしくはＺｒの少なくとも１種を含む）の化学式で示される二棚化物単結晶により形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の半導体素子は、前記半導体層の内部にｐｎ接合を有する発光層を含むことを特徴とするものである。
【００１１】
更に本発明の半導体素子は、前記電極上にＡｌＮ系もしくはＧａＮ系の第２半導体層をエピタキシャル成長させたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の半導体素子によれば、半導体層上に被着される電極をＸＢ２（ＸはＴｉもしくはＺｒの少なくとも１種を含む）の化学式で示される二棚化物単結晶により形成したことから、電極内部の結合を安定化させるとともに、電極の耐熱性を高くなり、電極中の成分が半導体層の内部に拡散することが有効に防止されることとなる。その結果、半導体層の特性を良好に保持し、半導体素子の消費電力を小さくすることができる上に、半導体素子を長寿命化することもできる。
【００１３】
しかも、上記電極を構成するＸＢ２と半導体層を構成するＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体とは線膨張係数が近いことから、電極と半導体層との線膨張係数差に起因した熱応力を小さく抑えることができ、従って、半導体層中に生じる格子欠陥数を少なくできるとともに、半導体層上より電極が剥離することを有効に防止できる。
【００１４】
また上記電極を構成するＸＢ２は、ＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体と格子定数が極めて近いことから、かかる電極内の格子欠陥数を小さく抑え、電極の抵抗を小さく抑えることができる上に、かかる電極上に、ＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体からなる第２半導体層を直接被着させることができ、半導体素子を上下方向に複数個、簡単に積層することが可能であるという利点もある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体素子を発光ダイオードに適用した場合について添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の半導体素子を発光ダイオードに適用した場合の一実施形態を示す断面図であり、同図に示す発光ダイオードは、単結晶基板１上に半導体層２、電極３を順次積層した構造を有している。
【００１６】
前記単結晶基板１は、ＴｉＢ２やＺｒＢ２等のＸＢ２（ＸはＴｉもしくはＺｒの少なくとも１種を含む）の化学式で示される二棚化物単結晶や、あるいは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等、ＧａＮ系の半導体に対して格子定数が比較的近い単結晶材料により四角形状に形成されており（本実施形態においてはＸＢ２）、その上面に被着される半導体層２等を支持する支持母材として機能する。
【００１７】
また前記単結晶基板１を構成するＸＢ２は導電性を有しているため、後述する電極３と共に半導体層２に外部からの電源電力を供給するための給電配線としても機能する。
【００１８】
このような単結晶基板１は、ＺｒＢ２から成る場合、例えば従来周知の高周波誘導体溶融法等を採用することによってＺｒＢ２のインゴット（塊）を形成するとともに、これをダイヤモンドカッター等で所定厚みにスライスし、表面研磨することによって製作される。
【００１９】
また単結晶基板１上に被着される半導体層２は、ＧａＮ系化合物半導体からなる一導電型半導体層（本実施形態においてはｎ型半導体層）２ａ、発光層２ｂ、逆導電型半導体層（本実施形態においてはｐ型半導体層）２ｃとを順次積層した構造を有している。
【００２０】
前記半導体層２の最下層であるｎ型半導体層２ａは、単結晶基板１を構成する材料と格子定数が近い化合物半導体材料、例えばＡｌＧａＮにより０．５μｍ〜２μｍの厚みに形成されており、かかるＡｌＧａＮはＺｒＢ２と格子定数を略一致させることができるため、ｎ型半導体層２ａの膜質を極めて高くなる。
【００２１】
このようなｎ型半導体層２ａは、その内部に電子を発生させて発光層２ｂに送り込む作用を為しており、電子を適度に発生させるべく、ｎ型半導体層２ａの内部にＳｉ等の不純物を１×１０１６〜１０１９原子／ｃｍ３程度含有させることが好ましい。
【００２２】
また前記半導体層２の最上層であるｐ型半導体層２ｃは、ＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体により０．５μｍ〜２μｍの厚みに形成されており、その内部で正孔を発生させて発光層２ｂに送り込む作用を為している。尚、正孔を適度な量発生させるため、ＭｇやＺｎ等を１×１０１６〜１０１９原子／ｃｍ３程度含有させておくことが好ましい。
【００２３】
一方、前記ｎ型半導体層２ａ及びｐ型半導体層２ｃとの間に介在される前記発光層２ｂは、ＧａＮ系の化合物半導体材料、例えば、ＡｌＧａＮ，ＧａＰＮ，ＧａＡｓＮ，ＧａＰＡｓＮ等により０．１μｍ〜１μｍの厚みに形成されており、それ自体、ｐ型半導体の性質を有しているため、ｎ型半導体層２ａと発光層２ｂとの間にｐｎ接合が形成されることとなり、電極３を介して半導体層２に所定の電力が供給されると、ｎ型半導体層２ａ中の電子と、ｐ型半導体層２ｃ中の正孔とが発光層２ｂ内に注入され、これら電子と正孔とを発光層２ｂ内で再結合させることによって発光層２ｂより所定の波長（０．２５μｍ〜０．６μｍ）を有する光が発せられる。
【００２４】
尚、発光層２ｂの内部にＡｌを（Ａｌの含有量）／（Ａｌの含有量＋Ｇａの含有量）が０．１〜０．３となるように含ませておくことが、格子整合の点から好ましく、更に（Ａｌの含有量）／（Ａｌの含有量＋Ｇａの含有量）が約０．２６となるようにＡｌを発光層２ｂの内部に含ませておけば、格子定数がＺｒＢ２と略合致するため、単結晶基板１や後述の電極３の材料としてＺｒＢ２を用いる際に格子整合の点で特に良好となる。
【００２５】
更にこの場合、発光層２ｂ内のＡｌの含有量を、その上下に配されるｎ型半導体層２ａとｐ型半導体層２ｃの内部に含まれるＡｌの含有量よりも小さく設定しておけば、発光層２ｂの内部に電子や正孔を良好に閉じ込めて両者を再結合させ易くなり、より高輝度の発光ダイオードが得られるという利点がある。このとき、発光層２ｂ内のＡｌの含有量を、その上下に配されるｎ型半導体層２ａやｐ型半導体層２ｃの内部に含まれるＡｌの含有量よりも大きく設定すると、発光層２ｂの内部に電子や正孔等のキャリアが不足気味になり、発光ダイオードを高輝度に保持することが難しくなる傾向にある。
【００２６】
尚、上述の半導体層２は、従来周知のＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を採用することにより形成される。
【００２７】
具体的には、上述の半導体層２のｎ型半導体層２ａ、発光層２ｂ、ｐ型半導体層２ｃがそれぞれＡｌＧａＮから成る場合、まず単結晶基板１の表面に形成された酸化膜を除去すべく、単結晶基板１を硝酸やフッ酸を含む希釈溶液に含浸させて酸化膜をエッチングするとともに、かかる単結晶基板１をアンモニア（ＮＨ３）雰囲気で成長温度である１０３０℃〜１０７０℃まで温度上昇させ、しかる後、原料ガスとしてトリメチルガリウム（（ＣＨ３  ）３  Ｇａ）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３  ）３  Ａｌ）、アンモニア（ＮＨ３）を、不純物を含有させるためのガスとしてシラン（ＳｉＨ４  ）を、それぞれ所定量チャンバー内に導入させた状態で、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型半導体層２ａを０．５μｍ〜２μｍの厚みに形成し、次に、原料ガスとしてトリメチルガリウム（（ＣＨ３  ）３  Ｇａ）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３  ）３  Ａｌ）、アンモニア（ＮＨ３）を所定量チャンバー内に導入した状態で、ＭＯＣＶＤ法を採用することによって発光層２ｂを０．１μｍ〜１μｍの厚みに形成する。最後に、原料ガスとしてトリメチルガリウム（（ＣＨ３  ）３  Ｇａ）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３  ）３  Ａｌ）、アンモニア（ＮＨ３）を、不純物を含有させるためのガスとしてシニエルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をそれぞれ所定量チャンバー内に導入した状態で、ＭＯＣＶＤ法を採用することによりｐ型半導体層２ｃを０．５μｍ〜２μｍの厚みに形成し、これによって半導体層２が完成する。
【００２８】
そして、前記半導体層２上には電極３が被着されている。
【００２９】
前記電極３は、上述の単結晶基板１と共に半導体層２に外部からの電源電力を供給するための給電配線として機能するものであり、ＸＢ２（ＸはＴｉもしくはＺｒの少なくとも１種を含む）の化学式で示される二棚化物単結晶により形成され、更に、その内部には不純物として炭素（Ｃ）が１×１０１５原子／ｃｍ３〜５×１０１８原子／ｃｍ３含有されている。
【００３０】
前記電極３を構成するＸＢ２は、結合が非常に安定しており、且つ融点が非常に高いという性質を有しているため、電極３中の成分が半導体層２の内部に拡散することを有効に防止することができる。従って、半導体層２の特性を良好に保持し、発光ダイオードの消費電力を小さくすることができる上に、発光ダイオードを長寿命化することもできる。
【００３１】
しかも、上記電極３を構成するＸＢ２と半導体層３を構成するＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体とは線膨張係数が近いことから（ＴｉＢ２の線膨張係数：５．５×１０−６／Ｋ、ＺｒＢ２の線膨張係数：５．９×１０−６／Ｋ、ＡｌＮの線膨張係数：５．３×１０−６／Ｋ、ＧａＮの線膨張係数：５．６×１０−６／Ｋ）、電極３と半導体層２との線膨張係数差に起因した熱応力を小さく抑えることができ、従って、半導体層２中に生じる格子欠陥数を少なくできるとともに、半導体層２上より電極３が剥離することを有効に防止できる。
【００３２】
また上記電極３を構成するＸＢ２は、ＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体と格子定数が極めて近いことから（ＴｉＢ２の格子定数：３．０３０３、ＺｒＢ２の格子定数：３．１６９６、ＡｌＮの格子定数：３．１１１４、ＧａＮの格子定数：３．１８６）、電極３上に直接、半導体層２をエピタキシャル成長させることができ、発光ダイオードを上下方向に複数個、簡単に積層することが可能であるという利点もある。
【００３３】
更に、上記電極３の内部には、炭素（Ｃ）が１×１０１５原子／ｃｍ３〜５×１０１８原子／ｃｍ３含有されていることから、電極３の抵抗を良好に小さくすることができ、これによっても発光ダイオードの消費電力を極めて小さくすることが可能となる。
【００３４】
このとき、電極３内部の炭素（Ｃ）含有量が１×１０１５原子／ｃｍ３よりも小さいと、電極３の抵抗をそれほど小さくすることができず、発光ダイオードの消費電力の低減に寄与することが難しい傾向にあり、一方、電極３内部の炭素（Ｃ）含有量が５×１０１８原子／ｃｍ３よりも大きいと、電極３の結晶性が悪化し、かえって電極３の抵抗が大きくなるという問題がある。従って、上記電極３の内部に、炭素（Ｃ）を１×１０１５原子／ｃｍ３〜５×１０１８原子／ｃｍ３含有させておくことが好ましい。
【００３５】
また更に、先に述べたように、単結晶基板１をＸＢ２により形成することにより、単結晶基板１が電極として兼用され、半導体層２を一対の電極で挟持したシンプルな構成のＡｌＮ系もしくはＧａＮ系の発光ダイオードを得ることができる。それ故、半導体層２中に流れる電流経路を単純化し、発光ダイオードの消費電力を更に小さくすることが可能となる。
【００３６】
尚、上述した電極３は、ＺｒＢ２から成る場合、例えば、半導体層２を単結晶基板１上に形成した後、これらをアンモニア（ＮＨ３）雰囲気中またはＢ２Ｈ６雰囲気中で半導体層２の成長温度よりも高い温度、すなわち、１０８０℃〜１１２０℃まで昇温させるとともに、原料ガスとして（ＣＨ３）４ＺｒやＢ２Ｈ６を所定量チャンバー内に導入した状態で従来周知のＭＯＣＶＤ法を採用することによってＺｒＢ２膜を０．３μｍ〜１μｍの厚みに形成され、しかる後、炭素（Ｃ）を所定量ドーピングすることで製作される。ちなみに、電極３の形成時、半導体層２の成長温度よりも高い温度するのは、電極３を構成するＺｒＢ２の結晶性を高めるためであり、これによって電極３の抵抗を小さくすることが可能となる。
【００３７】
かくして上述した発光ダイオードとしての半導体装置は、半導体層２に単結晶基板１及び電極３を介して所定の電力を印加し、電子と正孔とを半導体層２内のｐｎ接合付近で再結合させるとともに、該再結合に伴って生じたエネルギーを光に変換し、得られた光を半導体層２より出射させることによって発光ダイオードとして機能する。
【００３８】
本発明は、上述の実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更・改良が可能である。
【００３９】
例えば、上述の実施形態においては、本発明の半導体素子を発光ダイオードとして用いられる場合について説明したが、本発明の半導体素子を半導体レーザ素子や、ガン効果ダイオード、ショットキーダイオード等の種々のダイオードにも適用可能であり、例えば、本発明の半導体素子をガン効果ダイオードとして用いる場合、前記半導体層２を、ＡｌＧａＮ等のＡｌＮ系もしくはＧａＮ系の化合物半導体により形成するとともに、該半導体層の上部領域及び下部領域にシリコン（Ｓｉ）等の不純物を１×１０１６〜１×１０１９原子／ｃｍ３含有させるとともに、半導体層の中央領域に、シリコン（Ｓｉ）等の不純物を上部領域や下部領域よりも少ない量、例えば４×１０１５〜６×１０１５原子／ｃｍ３含有させておくことが一例として考えられ、かかる構成において半導体層に所定の電圧を印加し、半導体間に所定の電界を生じさせるとともに、該電界によってある伝導帯に存在していた電子を他の伝導帯へ遷移させ、該電子遷移により生じる電流振動によってミリ波などを発振することでガン効果ダイオードとして機能する。
【００４０】
また上述の実施形態においては、単結晶基板１をＴｉＢ２やＺｒＢ２により形成するようにしたが、これに代えて、ＳｉＣやサファイアにより形成するようにしても良く、この場合、単結晶基板１を電極として使用することはできないため、図２に示す如く、半導体層２’の上面を一部除去してｎ型半導体層２’ａの上面を露出させ、該露出したｎ型半導体層２’ａの上面と、ｐ型半導体層２’ｃの上面とに対してＸＢ２からなる電極３を被着させるようにすれば良い。
【００４１】
更に上述の実施形態において、発光層２ｂにＩｎを含有させてもよく、この場合、原料ガスとしてＴＭＩ（（ＣＨ３  ）３  Ｉｎ）を原料ガスに加え、Ｉｎが有効的に混入されるようにすべく、成膜時の温度を９５０度程度まで低下させてもよい。また、ＩＩＩ−Ｖ−Ｎ型窒化物を成長させるためにアルシン（ＡｓＨ３  ）、フォスフィン（ＰＨ３）を添加してもよい。また更に、発光層内に不純物をドーピングしない構造にしてもよいし、あるいは、発光層を量子井戸構造等の構造にしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の半導体素子によれば、半導体層上に被着される電極をＸＢ２（ＸはＴｉもしくはＺｒの少なくとも１種を含む）の化学式で示される二棚化物単結晶により形成したことから、電極内部の結合を安定化させるとともに、電極の耐熱性を高くなり、電極中の成分が半導体層の内部に拡散することが有効に防止されることとなる。その結果、半導体層の特性を良好に保持し、半導体素子の消費電力を小さくすることができる上に、半導体素子を長寿命化することもできる。
【００４３】
しかも、上記電極を構成するＸＢ２と半導体層を構成するＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体とは線膨張係数が近いことから、電極と半導体層との線膨張係数差に起因した熱応力を小さく抑えることができ、従って、半導体層中に生じる格子欠陥数を少なくできるとともに、半導体層上より電極が剥離することを有効に防止できる。
【００４４】
また上記電極を構成するＸＢ２は、ＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体と格子定数が極めて近いことから、かかる電極内の格子欠陥数を小さく抑え、電極の抵抗を小さく抑えることができる上に、かかる電極上に、ＡｌＮ系半導体やＧａＮ系半導体からなる第２半導体層を直接被着させることができ、半導体素子を上下方向に複数個、簡単に積層することが可能であるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子を発光ダイオードに適用した場合の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体素子を発光ダイオードに適用した場合の他の実施形態を示す断面図である。
【図３】従来の発光ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１・・・単結晶基板
２，２’・・・半導体層
２ａ，２’ａ・・・一導電型半導体層（ｎ型半導体層）
２ｂ，２’ｂ・・・発光層
２ｃ，２’ｃ・・・逆導電型半導体層（ｐ型半導体層）
３，３’・・・電極
【図１】
2004235373.tif 000003
【図２】
2004235373.tif 000004
【図３】
2004235373.tif 000005