(57)【要約】【課題】  良好な結晶性を有する素子構成層を備え、特性の優れた半導体素子を提供することを目的とする。【解決手段】  基板上１に窒化物半導体からなる素子構成層２０を備える半導体素子であって、前記基板１上に、単結晶成長温度よりも低い低温で形成された第１バッファ層２Ａと、単結晶成長温度で形成され、第１バッファ層２Ａに接するＧａ及びＩｎを含まない第２バッファ層２Ｂとをこの順に備え、前記素子構成層２０が、前記第２バッファ層２Ａ上に形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化物半導体からなる素子構成層を備える半導体素子であって、前記基板上に、単結晶成長温度よりも低い低温で形成された多層膜からなる第１バッファ層と、単結晶成長温度で形成され、前記第１バッファ層に接するＧａ及びＩｎを含まない窒化物からなる層を有する第２バッファ層とをこの順に備え、前記素子構成層が、前記第２バッファ層上に形成されていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記第２バッファ層が、略単結晶状態であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第２バッファ層の前記第１バッファ層に接するＧａ及びＩｎを含まない窒化物からなる層が、Ａｌ1-xＢxＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第２バッファ層が、互いに異なる弾性率を有する２種以上の薄膜が周期的に積層されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第２バッファ層が、Ａｌ組成の多い窒化膜とＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層してなることを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第２バッファ層が、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向に厚さが順次減少するＡｌ組成の多い窒化膜と、厚さが順次増大するＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層してなることを特徴とする請求項５記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第２バッファ層が、前記Ａｌ組成の多い窒化膜を前記第１バッファ層側とすることを特徴とする請求項５又は６記載の半導体素子。
【請求項８】
前記Ａｌ組成の多い窒化膜がＡｌＮ膜であり、前記Ｇａ組成の多い窒化膜がＧａＮ膜であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第２バッファ層が、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向にＡｌが減少し且つＧａが増加する組成分布を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記第１バッファ層が、ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ，ＳｉＣ又はＺｎＯの多層膜からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項１１】
基板上に、単結晶成長温度よりも低い低温で多層膜からなる第１バッファ層を形成する工程と、該第１バッファ層上に該第１のバッファ層に接するＧａ及びＩｎを含まない窒化物からなる層を有する第２バッファ層を単結晶成長温度で形成する工程と、該第２バッファ層上に窒化物半導体からなる素子構成層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第２バッファ層の前記第１バッファ層に接するＧａ及びＩｎを含まない窒化物からなる層を、Ａｌ1-xＢxＮ（０≦ｘ≦１）から形成することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第２バッファ層を形成する工程において、互いに異なる弾性率を有する２種以上の薄膜を周期的に積層して第２バッファ層を形成することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第２バッファ層を形成する工程において、Ａｌ組成の多い窒化膜とＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層して第２バッファ層を形成することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第２バッファ層を形成する工程において、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向に厚さが順次減少するＡｌ組成の多い窒化膜と、厚さが順次増大するＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層することを特徴とする請求項１４記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記Ａｌ組成の多い窒化膜としてＡｌＮ膜を用い、前記Ｇａ組成の多い窒化膜としてＧａＮ膜を用いることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第２バッファ層を形成する工程において、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向にＡｌが減少し且つＧａが増加する組成分布を有する第２バッファ層を形成することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３−５族化合物半導体、特にＩｎ1-x-yＡｌxＧａyＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表わされるＧａを含むの窒化物半導体を用いた半導体素子及びその製造方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体を用いた半導体素子は、可視から紫外にわたる領域の光に対する受光・発光素子、高温下で使用する耐環境電子素子或いは移動体通信等で使用する高周波ハイパワー電子素子等への応用が期待されている。
【０００３】
斯かる窒化物半導体を用いた半導体素子は、通常サファイア、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＰ、或いはＧａＡｓ等からなる基板上に窒化物半導体層をＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法或いはＨＶＰＥ法等の方法を用いて形成するが、これらの基板と窒化物半導体層との間の格子定数の差が大きいために、基板上に直接窒化物半導体層を形成すると良好な結晶性を有する半導体層を得ることが困難である。そこで、斯かる格子定数の差に起因する課題を解決するために、従来はＡｌＮやＧａＮからなるバッファ層を介して窒化物半導体を基板上に形成している（例えば特許文献１、特許文献２）。
【０００４】
図９は斯かる従来の窒化物半導体を用いた半導体素子の一例であるＬＥＤ素子の構造を示す素子構造断面図であり、同図において１はサファイア、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＰ、或いはＧａＡｓ等の材料からなる基板、２はＡｌＮ或いはＧａＮからなるバッファ層、３はｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層、４はｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、５はＧａＩｎＮからなる発光層、６はｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層、７はｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層である。
【０００５】
８及び９は夫々ｐ型コンタクト層７上に形成された透光性を有するｐ側電極及びパッド電極であり、１０はｎ型コンタクト層３上に設けられたｎ側電極である。
【０００６】
また、２０はＬＥＤ素子の素子部を構成する素子構成層であり、ｎ側コンタクト層３〜ｐ側コンタクト層７の各層から構成される。
【０００７】
そして、従来はこの素子構成層２０をバッファ層２を介して基板１上に形成することで、素子構成層２０の結晶性を良好なものとし、ＬＥＤ素子の発光特性を向上させている。
【特許文献１】特開平２−８１４８２号
【特許文献２】特開平８−６４８６８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
然し乍ら、上記従来の技術においてはバッファ層２を単結晶成長温度より低い低温で形成していたために、以下のような課題があった。
【０００９】
即ち、このような低温で形成されたバッファ層２は、アモルファス或いは多結晶の状態であるために、未結合手や結晶粒界等の多数の欠陥を有しており、これらの欠陥が素子構成層２０形成時に素子構成層２０に伝播するために、結晶性の良好な素子構成層２０を得ることができなかった。
【００１０】
また、上記のように低温で形成されたバッファ層２上に素子構成層２０を形成すると、形成初期においてＩｎ原子或いはＧａ原子がバッファ層２表面の結晶成長表面を拡散し、特定の部分に集まり易い。このため形成初期においては素子構成層２０がこの特定の部分を中心として島状に結晶成長し、結晶粒界やナノパイプ等の結晶欠陥が多数生じるため、素子構成層２０の結晶性を劣化させるという課題があった。
【００１１】
さらに、ＧａＮ或いはＩｎＮ等のＧａやＩｎを含む窒化物は一般にＮが脱離し易いという性質を有している。このため、低温で形成されたバッファ層２上に素子構成層２０を形成すると、特に素子構成層２０とバッファ層２との界面付近に生じた上記島状成長した微小な結晶からＮが脱離して新たな欠陥が発生し、この欠陥が層中を伝播して上部にまで達するために、素子構成層２０全体の結晶性が劣化する、という課題があった。
【００１２】
本発明は、ＧａＮ系の窒化物半導体からなる半導体素子において、以上のような従来の課題を解決し、良好な結晶性を有する素子構成層を備え、特性の優れた半導体素子及びその製造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】
【００１３】
以上のような従来の課題を解決するために、本発明における半導体素子は、基板上に窒化物半導体からなる素子構成層を備える半導体素子であって、前記基板上に、単結晶成長温度よりも低い低温で形成された第１バッファ層と、単結晶成長温度で形成された第２バッファ層とをこの順に備え、前記素子構成層が、前記第２バッファ層上に形成されていることを特徴とし、前記第２バッファ層が、略単結晶状態であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明においては、前記第２バッファ層が、Ｇａ及びＩｎを含まない窒化物からなることを特徴とし、前記第２バッファ層が、Ａｌ1-xＢxＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする。
【００１５】
或いは、前記第２バッファ層が、互いに異なる弾性率を有する２種以上の薄膜が周期的に積層されてなることを特徴とし、前記第２バッファ層が、Ａｌ組成の多い窒化膜とＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層してなることを特徴とし、前記第２バッファ層が、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向に厚さが順次減少するＡｌ組成の多い窒化膜と、厚さが順次増大するＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層してなることを特徴とする。
【００１６】
加えて、前記第２バッファ層が、前記Ａｌ組成の多い窒化膜を前記第１バッファ層側とすることを特徴とし、前記Ａｌ組成の多い窒化膜がＡｌＮ膜であり、前記Ｇａ組成の多い窒化膜がＧａＮ膜であることを特徴とする。
【００１７】
もしくは、本発明においては、前記第２バッファ層が、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向にＡｌが減少し且つＧａが増加する組成分布を有することを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明半導体素子は、基板上に窒化物半導体からなる素子構成層を備える半導体素子であって、前記基板上に、単結晶成長温度よりも低い低温で形成された第１バッファ層と、単結晶成長温度で形成され且つＧａ及びＩｎを含まない窒化物からなる層、単結晶成長温度で形成され且つ互いに異なる弾性率を有する２種以上の薄膜が周期的に積層されてなる層、及び単結晶成長温度で形成され且つ前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向にＡｌが減少し且つＧａが増加する組成分布を有する層から選択される２以上の層を順次形成してなる第２バッファ層とをこの順に備え、前記素子構成層が、前記第２バッファ層上に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
加えて、前記第１バッファ層が、ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ，ＳｉＣ又はＺｎＯの単層又は多層膜からなることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明製造方法は、基板上に、単結晶成長温度よりも低い低温で第１バッファ層を形成する工程と、該第１バッファ層上に単結晶成長温度で第２バッファ層を形成する工程と、該第２バッファ層上に窒化物半導体からなる素子構成層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
また、前記第２バッファ層を、Ｇａ及びＩｎを含まない窒化物から形成することを特徴とし、前記第２バッファ層を、Ａｌ1-xＢxＮ（０≦ｘ≦１）から形成することを特徴とする。
【００２２】
或いは、前記第２バッファ層を形成する工程において、互いに異なる弾性率を有する２種以上の薄膜を周期的に積層して第２バッファ層を形成することを特徴とし、前記第２バッファ層を形成する工程において、Ａｌ組成の多い窒化膜とＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層して第２バッファ層を形成することを特徴とし、前記第２バッファ層を形成する工程において、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向に厚さが順次減少するＡｌ組成の多い窒化膜と、厚さが順次増大するＧａ組成の多い窒化膜とを交互に積層することを特徴とする。
【００２３】
また、前記Ａｌ組成の多い窒化膜としてＡｌＮ膜を用い、前記Ｇａ組成の多い窒化膜としてＧａＮ膜を用いることを特徴とする。
【００２４】
もしくは、前記第２バッファ層を形成する工程において、前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向にＡｌが減少し且つＧａが増加する組成分布を有する第２バッファ層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明した如く、本発明によれば、窒化物半導体からなる素子構成層の結晶性を良好なものとすることができ、優れた素子特性を有する半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
【００２７】
（第一の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る半導体素子の一例であるＬＥＤ素子の構造を説明するための素子構造断面図である。尚、同図において、図９と同様の機能を呈する部分には同一の符号を付している。
【００２９】
同図を参照して、本実施形態のＬＥＤ素子が図９に示した従来のＬＥＤ素子と異なる点は、単結晶成長温度よりも低い低温で形成された第１バッファ層２Ａ上に、単結晶成長温度で形成された第２バッファ層２Ｂを設け、この第２バッファ層２Ｂ上に素子構成層２０を形成した点にある。
【００３０】
尚、本発明において単結晶成長温度とは、略単結晶状態の膜が形成される範囲の温度のことを指すものとする。また、略単結晶状態とは全体が単結晶の状態、及び、一部（特に形成初期段階において形成された部分等）にアモルファスもしくは多結晶状態を含むものであっても、殆どの部分が単結晶状態であるものを指す。
【００３１】
ここで、上記第１バッファ層２Ａは単結晶成長温度よりも低い低温で形成された層であり、ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ等の窒
化物半導体や炭化ケイ素、酸化亜鉛等の単層或いは多層膜構成することができる。
【００３２】
また、上記第２バッファ層２Ｂは、Ｇａ及びＩｎを含まない窒化物、例えばＡｌＮ，ＡｌＢＮ，ＢＮ等のＡｌ1-xＢxＮ（０≦ｘ≦１）で表わされる窒化物から構成することができる。
【００３３】
そして、本発明にあっては上記のような第２バッファ層２Ｂ上に素子構成層２０が形成されていることから、以下のような効果を奏する。
【００３４】
まず、第２のバッファ層２Ｂは単結晶成長温度で形成されていることから、その構造が略単結晶状態となっており、この点からもバッファ層２Ｂ中に存在する欠陥が従来のアモルファス又は多結晶の状態のバッファ層よりも少ない。
【００３５】
従って、本発明における第２バッファ層２Ｂは、従来のバッファ層２よりも結晶性が良好なものとなる。
【００３６】
そして、本発明によればこの略単結晶状態で結晶性の良好なバッファ層２Ｂ上に素子構成層２０を形成することから、従来生じていたような島状成長やＮの脱離を抑制することが可能となり、素子構成層２０の結晶性を向上することができる。
【００３７】
さらに、上記第２バッファ層２ＢをＧａ及びＩｎを含まない窒化物、例えばＡｌＮ，ＡｌＢＮ，ＢＮ等のＡｌ1-xＢxＮ（０≦ｘ≦１）で表わされる窒化物から構成すると、第１バッファ層２Ａ上に第２バッファ層２Ｂを形成する際に、前述したようなＧａやＩｎ原子の表面拡散に起因する島状の結晶成長やＮの脱離を抑制することができる。従って、これらに起因する欠陥の発生を低減することができ、第２バッファ層２Ｂの結晶性を更に良好なものとできる。
（第１実施例）
本発明の実施例として、サファイア基板１上に、第１バッファ層２Ａ及び第２バッファ層２Ｂを順次形成し、この第２バッファ層２Ｂ上に直接アンドープのＧａＮ層を形成したサンプルを作製し、このＧａＮ層の結晶性をＸ線回折及びフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定により評価した。
【００３８】
尚、本サンプルにおいては第１バッファ層２Ａとして厚さ約２．５ｎｍのＡｌＮ膜と厚さ約２．５ｎｍのＧａＮ膜とを交互に４周期積層した積層膜を用い、また第２バッファ層２Ｂを厚さ約０．１μｍのＡｌＮから構成している。サンプルの作製は以下の様にして行った。
【００３９】
まず、ＭＯＶＰＥ装置内にサファイアからなる基板１を設置した後に、この基板１を単結晶成長温度よりも低い約６００℃の温度に保持し、キャリアガスとしてＨ2及びＮ2、原料ガスとしてＮＨ3、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用いて、基板１上に厚さ約２．５ｎｍのＡｌＮ膜と厚さ約２．５ｎｍのＧａＮ膜とを交互に４周期積層することにより、厚さ約２０ｎｍの第１バッファ層２Ａを形成した。
【００４０】
次いで基板１を単結晶成長温度、好ましくは約１０００〜１２００℃、例えば１１５０℃に保持し、前述のキャリアガス、ＮＨ3及びＴＭＡｌを用いて、前記第１バッファ層２Ａ上に、略単結晶状態のアンドープＡｌＮからなる厚さ約０．１μｍの第２バッファ層２Ｂを形成した。
【００４１】
さらに、基板１を単結晶成長温度、好ましくは約１０００〜１２００℃、例えば１１５０℃の温度に保持し、前述のキャリアガス、ＮＨ3及びＴＭＧａを用いて前記第２バッファ層２Ｂ上に、厚さ約３μｍのアンドープＧａＮ層を形成した。
【００４２】
そして、以上の様にして製造したサンプルをＸ線回折により測定し、アンドープＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅を調べた。この半値幅はＧａＮ層の結晶性に依存して変化し、半値幅が狭いほど結晶性が良好であることを示す。尚、比較のために、第２バッファ層を設けない以外は実施例のサンプルと同様にして作製した比較例サンプルを用意し、この比較例サンプルについても同様の測定を行った。
【００４３】
測定の結果、実施例のサンプルにおけるＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅は約２５０秒であった。一方、比較例サンプルにおける半値幅は約２９０秒であり、実施例サンプルにおけるＧａＮ層の方が良好な結晶性を有することがわかった。
【００４４】
次に、これらの実施例及び比較例サンプルについてＰＬスペクトルを比較した。このＰＬスペクトルもＧａＮの結晶性に依存して変化し、ピーク強度が強いほど結晶性が良好であることを示す。
【００４５】
図２はＰＬスペクトルの測定結果を示す特性図であり、同図（Ａ）が実施例サンプルの測定結果、（Ｂ）が比較例サンプルの測定結果である。
【００４６】
同図に示す如く、実施例サンプルにおけるピーク強度は比較例サンプルにおけるピーク強度よりも約２０％強い強度を有しており、本実施例サンプルにおけるＧａＮ層の方が良好な結晶性を有することが明らかである。
（第２実施例）
次に、第２実施例として前述の第１実施例におけるアンドープのＧａＮ層上に、約１１５０℃の温度で厚さ約０．５μｍのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を形成した。
【００４７】
次いで、約８５０℃の温度で厚さ約５ｎｍのアンドープＧａＮ層からなる障壁層と厚さ約５ｎｍのアンドープＧａ0.65Ｉｎ0.35Ｎからなる井戸層とを交互に１１層積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層及び厚さ約１０ｎｍのアンドープＧａＮ層を形成し、さらに、約１１５０℃の温度で厚さ約０．１５μｍのアンドープＧａＮ層を形成して本実施例サンプルを製造した。そして、このサンプルについても第１実施例と同様にしてＰＬスペクトルを測定した。斯かる構成の本実施例サンプルによれば、上記ＭＱＷ層のＰＬ強度が最も強く、従ってＭＱＷ層の結晶性を評価することが可能となる。尚、本実施例においても比較用に、第２バッファ層を設けない以外は実施例サンプルと同様にして作製した比較例サンプルを用意した。
【００４８】
図３はＰＬスペクトルの測定結果を示す特性図であり、同図（Ａ）が実施例サンプルの測定結果、（Ｂ）が比較例サンプルの測定結果である。
【００４９】
同図に示す如く、実施例サンプルにおけるピーク強度は比較例サンプルにおけるピーク強度の約２倍の強い強度を有しており、本実施例サンプルにおけるＭＱＷ層の方が良好な結晶性を有することが明らかである。
（第３実施例）
図４は本実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す構造断面図である。尚、同図において、図１及び図９と同様の機能を呈する部分には同一の符号を付している。
【００５０】
本実施例においては、まず、ＭＯＶＰＥ装置内にサファイアからなる基板１を設置した後に、この基板１を単結晶成長温度よりも低い約６００℃の温度に保持し、キャリアガスとしてＨ2及びＮ2、原料ガスとしてＮＨ3、ＴＭＡｌ又はＴＭＧａを用いて、基板１上に厚さ約２．５ｎｍのＡｌＮ層と厚さ約２．５ｎｍのＧａＮ層とを交互に４周期積層することにより、厚さ約２０ｎｍの第１バッファ層２Ａを形成した。
【００５１】
次に、基板１を単結晶成長温度、好ましくは約１０００〜１２００℃、例えば１１５０℃に保持し、前述のキャリアガス、ＮＨ3及びＴＭＡｌを用いて、前記第１バッファ層２Ａ上に、略単結晶状態のアンドープＡｌＮからなる厚さ約０．１μｍの第２バッファ層２Ｂを形成した。
【００５２】
次いで、基板１を単結晶成長温度、好ましくは約１０００〜１２００℃、例えば１１５０℃の温度に保持し、前述のキャリアガス、ＮＨ3、ＴＭＧａ及びドーパントガスとしてＳｉＨ4を用いて前記第２バッファ層２Ｂ上に直接、厚さ約５μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層３を形成し、該ｎ型コンタクト層３上に、前述のキャリアガス、ＮＨ3、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ及びＳｉＨ4を用いて、厚さ約０．５μｍのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド層４を形成した。
【００５３】
さらに、基板１を約８５０℃の温度に保持し、前述のキャリアガス、ＮＨ3、ＴＭＧａ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いて、前記ｎ型クラッド層４上に、厚さ約５ｎｍのアンドープＧａＮ層からなる障壁層と厚さ約５ｎｍのアンドープＧａ0.65Ｉｎ0.35Ｎからなる井戸層とを交互に１１層積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層５を形成し、さらに連続して厚さ約１０ｎｍのアンドープＧａＮからなる保護層１１を形成した。
【００５４】
そして、基板１を約１１５０℃の温度に保持し、前述のキャリアガス、ＮＨ3、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いて、保護層１１上にＭｇドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる厚さ約０．１５μｍのｐ型クラッド層６を形成した。
【００５５】
さらに、約１１５０℃の温度で前述のキャリアガス、ＮＨ3、ＴＭＧａ及びＣｐ2Ｍｇを用いて、ｐ型クラッド層６上にＭｇドープＧａＮからなる厚さ０．３μｍのｐ型コンタクト層７を形成した。
【００５６】
その後、反応性イオンビームエッチング法等の方法により、上記ｐ型コンタクト層７からｎ型コンタクト層３の層途中にまで到る領域の一部を除去し、ｐ型コンタクト層７上の略全面に薄膜のＮｉ及びＡｕ膜の積層膜からなる透光性のｐ側電極８を形成すると共に、該ｐ側電極８上の一部にパッド電極９を形成した。またｎ型コンタクト層３上にＡｌからなるｎ側電極１０を形成し、本実施例に係るＬＥＤ素子を完成した。
【００５７】
また、比較のために、本実施例素子において第２バッファ層２Ｂを備えない以外は同様にして製造した比較例素子を製造し、発光強度を比較したところ、本実施例素子では比較例素子の約２倍の発光強度が得られた。
【００５８】
以上説明した通り、本発明によれば素子構成層２０の結晶性を良好なものとすることができ、従ってＬＥＤ素子の発光特性を向上させることができる。
【００５９】
尚、上述した実施例においては第２バッファ層２Ｂを構成するＡｌＮ膜の厚さを約０．１μｍとしたが、ＡｌＮ膜の厚さは約５ｎｍ以上であれば、その上に形成される素子構成層２０の結晶性を向上することができる。また、ＡｌＮ膜の厚さを増加させると、５００ｎｍまでは厚さの増加に伴い素子構成層２０の結晶性が向上するが、５００ｎｍを越えると結晶性に変化は殆ど見られなかった。
（第二の実施の形態）
次に、本発明の第二の実施の形態に係る半導体素子について説明する。
【００６０】
本実施形態の特徴は、第２バッファ層２Ｂを、ＡｌＮ膜とＧａＮ膜といった、互いに異なる弾性率を有する膜を周期的に積層してなる多層膜から構成した点にある。このように、互いに異なる２以上の膜を周期的に積層した多層膜から第２バッファ層２Ｂを構成すると、第２バッファ層２Ｂから素子構成層２０への結晶欠陥の伝播の方向を、多層膜の界面において面内方向に変化させることができる。従って、素子構成層２０へ伝播する結晶欠陥の量を減少させることができるため、素子構成層２０の結晶性をさらに良好なものとすることができる。
【００６１】
尚、本実施の形態においても第２バッファ層２Ｂは結晶成長温度で形成されており、第２バッファ層２Ｂを構成する各層は略単結晶の状態を有している。また、上記ＡｌＮ膜の代わりに、Ｇａを微量に含むＡｌＧａＮ膜等のＡｌ組成の多い窒化膜を用いることもでき、ＧａＮ膜の代わりにＡｌを微量に含むＧａＡｌＮ膜等のＧａ組成の多い窒化膜を用いることもできる。
【００６２】
ここで、上記の構成の第２バッファ層２Ｂにおいて、ＡｌＮ膜（Ａｌ組成の多い窒化膜）の膜厚を層厚方向に順次減少させ、ＧａＮ膜（Ｇａ組成の多い窒化膜）の膜厚を厚さ方向に順次増大させるようにしても良い。斯かる構成によれば、厚さ方向における平均組成をＡｌＮに近い組成からＧａＮに近い組成へと順次変化させることができ、第２バッファ層２Ｂと素子構成層２０との間の格子不整合を緩和することができるので、素子構成層２０の結晶性を一層向上させることができる。
（第４実施例）
次に、本実施形態に係る実施例のＬＥＤ素子について、図５の素子構造断面図を参照して説明する。尚、同図において図４と同一の機能を呈する部分には同一の符号を付している。
【００６３】
同図に示す如く、本実施例においては第２バッファ層２Ｂを、単結晶成長温度の条件で膜厚２．５ｎｍのＡｌＮ膜と膜厚２．５ｎｍのＧａＮ膜とを周期的に積層してなる積層膜から構成している。
【００６４】
斯かる構成によれば、上述したように、ＡｌＮ膜とＧａＮ膜とが互いに異なる弾性率を有するので、第２バッファ層２Ｂ中の結晶欠陥の伝播方向をＡｌＮ膜とＧａＮ膜との界面において面方向に変化させることができる。このため、素子構成層２０に伝播する結晶欠陥の量を減少させることができ、素子構成層２０の結晶性をさらに良好なものとすることができる。
【００６５】
斯かる本実施例のＬＥＤ素子によれば、従来のＬＥＤ素子の約２倍以上の発光強度を得ることができた。
【００６６】
尚、本実施例において、ＡｌＮ膜とＧａＮ膜の形成順序は特に限定されるものではないが、第１バッファ層２Ａ上にまずＡｌＮ膜を形成し、次いでＧａＮ膜を形成した方が優れた発光特性を得ることができた。
【００６７】
また、第２バッファ層２Ｂを構成するＡｌＮ膜とＧａＮ膜の厚さは必ずしも同じ厚さにする必要はなく、ＡｌＮ膜の厚さは約０．５ｎｍ以上、ＧａＮ膜の厚さは約０．１μｍ以下であれば本発明の効果を奏する。多層構造の周期は１周期でも良いが、５周期以上にする方が好ましい。
（第５実施例）
次に、本実施例に係るＬＥＤ素子について、図６の素子構造断面図を参照して説明する。
【００６８】
本実施例に係るＬＥＤ素子が第４実施例のＬＥＤ素子と異なる点は、第２バッファ層２Ｂを構成するＡｌＮ膜とＧａＮ膜の厚さを、ＡｌＮ膜については第１バッファ層２Ａから素子構成層２０に向かう厚さ方向に順次減少し、ＧａＮ膜については順次増大した点にある。
【００６９】
前述の通り、斯かる構成によれば、第２バッファ層２Ｂの厚さ方向における平均組成を、ＡｌＮに近い組成から次第にＧａＮに近い組成へと変化させることができる。
【００７０】
従って、第１バッファ層２Ａと素子構成層２０との間の格子不整合を緩和でき
るため、素子構成層２０の結晶性をさらに良好なものとすることができる。
（第三の実施の形態）
本実施の形態にあっては、第２バッファ層２Ｂの構成を、第１バッファ層２Ａから素子構成層２０に向かう厚さ方向にＡｌが減少し且つＧａが増加する組成分布を有する構成としている。斯かる構成によれば、第１バッファ層２Ａと素子構成層２０との間の格子不整合を緩和することができるので、素子構成層２０の結晶性をより向上させることができる。尚、本実施形態においても第２バッファ層２Ｂは単結晶成長温度で形成されている。
（第６実施例）
次に、本実施例に係るＬＥＤ素子について、図７の素子構造断面図を参照して説明する。
【００７１】
上述した第５及び第６実施例のＬＥＤ素子においては第２バッファ層２Ｂを周期的な積層構造から構成していたが、本実施例においては第２バッファ層２Ｂの厚さ方向の組成を、ＡｌＮからＧａＮ層へと順次変化させている。
【００７２】
即ち、本実施例においては第１バッファ層２Ａ上に、単結晶成長温度で厚さ約２．５ｎｍのＡｌＮ膜、厚さ約２．５ｎｍのＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ膜、厚さ約２．５ｎｍのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ膜、厚さ約２．５ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ膜、及び厚さ約２．５ｎｍのＧａＮ膜を順次積層して第２バッファ層２Ａを形成している。
【００７３】
斯かる構成によっても第２バッファ層２Ｂと素子構成層２０との間の格子不整合を緩和でき、素子構成層２０の結晶性をさらに良好なものとすることができる。
【００７４】
尚、第２バッファ層２Ｂの厚さ方向の組成は、上述のように段階的に変化するものでもよく、また連続的に変化するものであっても良い。また、第２バッファ層２Ｂの組成は本実施例のようにＡｌＮからＧａＮへと変化させる必要はなく、Ａｌ組成の多い組成からＧａ組成の多い組成へと変化するものであれば良い。
【００７５】
本実施例のＬＥＤ素子においても、従来素子の約２倍以上の発光強度を得ることができる。
【００７６】
以上説明したように、本発明によれば窒化物半導体からなる素子構成層２０の結晶性を良好なものとすることができ、優れた素子特性を有する半導体素子を提供することができる。
【００７７】
尚、以上説明した第２バッファ層、即ち、単結晶成長温度で形成する点は共通で、Ｇａ及びＩｎを含まない窒化物から構成した第１構成の第２バッファ層、または、単結晶成長温度で形成され且つ互いに異なる弾性率を有する２種以上の薄膜が周期的に積層されてなる層からなる第２構成の第２バッファ層、或いは単結晶成長温度で形成され且つ前記第１バッファ層から前記素子構成層に向かう厚さ方向にＡｌが減少し且つＧａが増加する組成分布を有する膜からなる第３構成の第２バッファ層は、互いに組合わせて用いることもできる。
【００７８】
即ち、第１構成の第２バッファ層と第２構成の第２バッファ層とを組合わせて用いても良く、第１構成の第２バッファ層と第３構成の第２バッファ層とを組合わせて用いても良い。或いは、第２構成の第２バッファ層と第３構成の第２バッファ層とを組合わせて用いても良い。斯かる構成によっても同様の効果を奏することができる。
【００７９】
例えば、第１バッファ層上にまず第１構成の第２バッファ層を形成し、次いで第２構成の第２バッファ層を形成した後に素子構成層を形成した場合にあっては、まず第１構成の第２バッファ層が良好な結晶性を有すると共に、この第２バッファ層中に僅かに存在する結晶欠陥の伝播も第２構成のバッファ層によって低減することができるため、さらに良好な結晶性を有する素子構成層を得ることができる。
【００８０】
また、第１バッファ層上にまず第１構成の第２バッファ層を形成し、次いで第３構成の第２バッファ層を形成した後に素子構成層を形成した場合にあっては、まず第１構成の第２バッファ層が良好な結晶性を有すると共に、この第２バッファ層と素子構成層との間の格子不整合を第３構成の第２バッファ層によって緩和することができるため、さらに良好な結晶性を有する素子構成層を得ることができる。
【００８１】
さらに、第１バッファ層上にまず第２構成の第２バッファ層を形成し、次いで第３構成の第２バッファ層を形成した後に素子構成層を形成した場合にあっては、まず第２構成の第２バッファ層によって素子構成層への結晶欠陥の伝播を低減できると共に、この第２バッファ層と素子構成層との間の格子不整合を第３構成の第２バッファ層によって緩和することができるため、さらに良好な結晶性を有する素子構成層を得ることができる。
（第７実施例）
図８に、これらの組み合わせの一例を示す。
【００８２】
同図はＬＥＤ素子の構造を示す素子構造断面図であり、同図を参照して、第１バッファ層２Ａ上に、単結晶成長温度で厚さ約０．１μｍのＡｌＮ膜を形成することにより第１構成の第２バッファ層２Ｂを形成している。そして、この第２バッファ層２Ｂ上に、単結晶成長温度で厚さ０．１μｍのＧａＮ膜１２を介して厚さ約２．５ｎｍのＡｌＮ膜と厚さ約２．５ｎｍのＧａＮ膜とを交互に積層することにより、第２構成の第２バッファ層２Ｂ’を形成している。さらに、この第２バッファ層２Ｂ’上に素子構成層２０を形成している。
【００８３】
斯かる構成によれば、第２バッファ層２Ｂが良好な結晶性を有すると共に、該バッファ層２Ｂ中に僅かに存在する結晶欠陥の伝播も第２構成の第２バッファ層２Ｂ’により低減できるため、より結晶性の良好な素子構成層２０を得ることができ、従ってＬＥＤ素子の特性を向上させることができる。
【００８４】
尚、この実施例において、第２構成の第２バッファ層２Ｂ’をＧａＮ膜１２を介して第１構成の第２バッファ層２上に設けた理由は以下の通りである。
【００８５】
即ち、ＧａＮ膜１２を設けない場合には、第１構成の第２バッファ層２Ｂと素子構成層２０との間の格子定数の差に起因する格子不整合のために、素子構成層２０の結晶性が多少なりとも劣化する。
【００８６】
これに対し、上記の構成によれば、ＧａＮ膜１２と素子構成層２０との格子定数の差が小さいため、上記のような格子不整合による劣化を抑制することができる。さらに、この構成においては第１構成の第２バッファ層２ＢとＧａＮ膜１２との間の格子不整合のためにＧａＮ膜１２中に結晶欠陥が発生することが考えられるが、この格子欠陥の伝播は第２構成の第２バッファ層２Ｂ’により低減できるため、結晶性の良好な素子構成層を得ることができる。
【００８７】
尚、以上説明した本発明半導体素子における第１バッファ層については単結晶成長温度よりも低い温度で形成したものであれば実施例で説明した構造に限るものではなく、例えば単結晶成長温度より低い低温で形成されたＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体や炭化ケイ素、酸化亜鉛等の単層或いは多層膜から構成することができる。
【００８８】
また、素子構成層２０として用いる窒化物半導体の結晶構造は、ウルツ鉱型構造、閃亜鉛鉱型構造のいずれでも構わない。
【００８９】
さらに、以上の説明においては半導体素子として発光素子であるＬＥＤ素子について説明したが、基板上に窒化物半導体からなる素子構成層を有する素子であれば如何なる半導体素子にも本発明は適用可能であり、例えばレーザ素子、受光素子、電界効果トランジスタ等の半導体素子にも本発明は適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子の素子構造断面図である。
【図２】第１実施例に係る実施例サンプル及び比較例サンプルのＰＬスペクトルの測定結果を示す特性図である。
【図３】第２実施例に係る実施例サンプル及び比較例サンプルのＰＬスペクトルの測定結果を示す特性図である。
【図４】第３実施例に係るＬＥＤ素子の素子構造断面図である。
【図５】第４実施例に係るＬＥＤ素子の素子構造断面図である。
【図６】第５実施例に係るＬＥＤ素子の素子構造断面図である。
【図７】第６実施例に係るＬＥＤ素子の素子構造断面図である。
【図８】第７実施例に係るＬＥＤ素子の素子構造断面図である。
【図９】従来のＬＥＤ素子の素子構造断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１…基板、２…バッファ層、２Ａ…第１バッファ層、２Ｂ…第２バッファ層、２０…素子構成層
【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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