(57)【要約】【目的】窒化ガリウムの形成時の高温に耐え、かつ高結晶性を有する発光層を形成することができる窒化ガリウム系半導体発光素子とする。【構成】シリコン基板１００上に窒化ガリウム系の化合物半導体からなる発光層４００を形成してなる窒化ガリウム系半導体発光素子であって、前記シリコン基板１００と発光層４００との間に、炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００が形成されている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に窒化ガリウム系の化合物半導体からなる発光層を形成してなる窒化ガリウム系半導体発光素子において、前記シリコン基板と発光層との間に、炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】
前記炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層は、シリコン基板の炭化層とその上に積層された炭化ケイ素エピタキシャル層とからなることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項３】
前記炭化ケイ素エピタキシャル層は、高周波加熱ＣＶＤ装置によって１２００℃以上の温度で形成されていることを特徴とする請求項２記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項４】
前記炭化ケイ素エピタキシャル層がＳｉＣ構造であり、前記炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層の層厚が１００〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項２又は３記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】
前記シリコン基板は、面方位が（１１１）の低抵抗シリコンであることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項６】
前記炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層と発光層との間にバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項７】
前記バッファ層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ或いはＧａＮのいずれかであることを特徴とする請求項６記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に窒化ガリウム系の化合物半導体からなる発光層を構成する半導体層を形成してなる窒化ガリウム系半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子には、ダイオードや各種のトランジスタ、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子等がある。近年、優れた紫外、青色、青緑色、緑色、黄色の高効率発光素子の材料として、窒化ガリウム系化合物半導体等の発光層にバンドギャップが広い半導体が用いられている。
【０００３】
かかる高効率発光素子では、少なくともｐ型窒化ガリウム系化合物半導体と、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体とからなる積層構造が用いられており、この積層構造では、ｐｎ接合部が発光領域とされており、凡そ１０１ｍ／ｗ以上の発光効率を有する発光ダイオードがすでに実用化されている。また、窒化ガリウム発光素子の形成方法については、数多くの方法が知られているが、サファイア基板を基板として用いるものが多い。
【０００４】
窒化ガリウムの単結晶としてのエピタキシャル層は、通常、結晶基板としてのサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板の（０００１）面やスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）の（１１１）面を用い、これにＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させることで形成している。
【０００５】
具体的には、サファイア基板を１０００〜１０４０℃程度の高温に加熱し、２００Ｔｏｒｒ程度の圧力下において、原料ガスとしてのＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＮＨ３ガス、Ｈ２ガスを処理室内に供給し、これらを反応分解させサファイア基板上にＧａＮエピタキシャル層を形成している。なお、各原料ガスの流量としては、例えばＴＭＧガスが２０〔ＳＬＭ〕、Ｈ２ガスが３０〔ＳＣＣＭ〕とされ、成膜速度としては１．８（□ｍ／時）程度とされる。また、このようなＳｉＣエピタキシャル層に対するドーパント用の原料ガスとしては、ｎ型用としては微量のシランが用いられ、ｐ型用としては微量のビスシクロペンタジニエールマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）が用いられる。
【０００６】
窒化ガリウム系の化合物半導体においては、格子整合するＧａＮバルク結晶等をＧａＮ基板上に成長させることが困難で、ＧａＮ基板が期待できないために、通常は、格子定数の異なるサファイア基板の上にバッファ層を介してＧａＮを成長させる方法が採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコン基板を用いた場合には、発光素子の層形成において、超格子の形成が困難であるという不都合があった。これは、シリコン基板と窒化ガリウム系の化合物半導体からなる発光層との間のミスマッチが原因と考えられている。
【０００８】
また、窒化ガリウムのエピタキシャル層を形成する方法では、サファイア基板と得られる窒化ガリウムのエピタキシャル層との間で、サファイア基板の熱膨張係数が７．５×１０−６／°Ｋ、窒化ガリウムのエピタキシャル層の熱膨張係数が５．５９．１０−６／°Ｋと大きく異なることから、この熱膨張係数の大幅な差により、サファイア基板と窒化ガリウムのエピタキシャル層との間に大きな熱歪みが発生する。すなわち、上述したように、窒化ガリウムのエピタキシャル層は、１０００〜１０４０℃の高温で形成されるものであるから、サファイア基板上の窒化ガリウムのエピタキシャル層を室温に戻すと、熱膨張係数の大幅な差により、サファイア基板と窒化ガリウムのエピタキシャル層との間に大きな熱歪みが発生するのである。
【０００９】
さらに、サファイア基板の上にバッファ層を介して窒化ガリウムのエピタキシャル層を形成する方法では、サファイア基板が絶縁体であることから電極構造が複雑化するという問題があり、へき開性に乏しいということからチップ化が困難であるという問題がある。
【００１０】
近年では、半導体素子の小型化、高集積化を図るべく、例えばモノシリック化された装置が望まれている。例えば、発光素子とこれを駆動或いは制御を行う半導体素子とについても小型化、高集積化を図るべくこれらを同一結晶層上や同一基板上に形成したものが望まれている。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであって、窒化ガリウムの形成時の高温に耐え、かつ高結晶性を有する発光層を形成することができる窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、シリコン基板上に窒化ガリウム系の化合物半導体からなる発光層を構成する半導体層を形成してなる窒化ガリウム系半導体発光素子であって、前記シリコン基板と発光層との間に、炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層が形成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図、図２は本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を製造する製造装置の概略的構成図、図３は本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層のパターン１の形成条件を示すグラフ、図４は本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層のパターン２の形成条件を示すグラフ、図５は本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層のパターン３の形成条件を示すグラフ、図６は前記パターン１の形成条件で形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層の表面形状の顕微鏡写真、図７は前記パターン２の形成条件で形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層の表面形状の顕微鏡写真、図８は前記パターン３の形成条件で形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層の表面形状の顕微鏡写真である。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、シリコン基板１００上に窒化ガリウム系の化合物半導体からなる発光層４００を形成してなる窒化ガリウム系半導体発光素子であって、前記シリコン基板１００と発光層４００との間に、炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００が形成されている。
【００１５】
まず、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を製造する製造装置は、図２に示すように、横型熱ＣＶＤ装置５００であって、横方向に原料ガスが流通する石英チューブからなる処理室５１０と、この処理室５１０内にセットされたサセプタである基板ホルダ５２０と、前記処理室５１０の外部に処理室５１０を取り囲むようにセットされた高周波加熱コイル５３０と、前記処理室５１０に原料ガスを導入するためのガス導入系５４０と、処理室５１０に導入された原料ガスを排気するガス排気系５５０とを有している。
【００１６】
前記基板ホルダ５２０は、表面に炭化シリコンがコーティングされたグラファイト製のものであり、高周波加熱コイル５３０に高周波電流を流すことによって表面に誘導電流が流れ、この誘導電流によっで基板ホルダ５２０自体が加熱され、ひいてはシリコン基板１００が加熱されるようになっている。高周波加熱コイル５３０を用いて基板ホルダ５２０を加熱するのは、温度の立上り、立下がりを急峻にすることが可能だからである。
【００１７】
シリコン基板１００としては、（１００）面や（１１１）面のものや、これらのオフ基板が用いられる。発光効率の点からは特に、Ｓｉ（１１１）正基板上に形成されたＳｉＣの３Ｃ−（１１１）結晶が好適である。かかるシリコン基板１００を炭化することによって、その下地は不均一核の形成により６Ｈ型炭化水素になるため、シリコン基板１００と炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の間の格子不整合は遙に小さくなり、炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の結晶成長が行われる。
【００１８】
まず、シリコン基板１００への処理に先立って、アルゴンガスＡｒによる処理室５１０内のサイクルパージを行い、処理室５１０内のパーティクルの低減と、酸化種等の除去による処理室５１０内の雰囲気の安定化を行う。
【００１９】
まず、前記シリコン基板１００の表面に炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００の一部を構成する炭化層２１０を形成するには、横型熱ＣＶＤ装置５００において、処理室５１０内に水素ガスＨ２をキャリアとしてエッチングガスとしての塩化水素ガスＨＣｌを導入し、塩化水素ガスＨＣｌ中で処理室５１０内にセットされたシリコン基板１００を１２００℃以上に加熱してエッチング処理を施す。もちろん、このエッチング処理は、前記雰囲気の安定化が行われた後に行われる。
【００２０】
エッチング処理が施されたシリコン基板１００に炭化層２１０を形成するには、シリコン基板１００の温度を一旦室温ＲＴまで戻し、次に水素ガスＨ２をキャリアガスとしてプロパンガスＣ３Ｈ８を処理室５１０に導入し、シリコン基板１００を１３５０℃以上に加熱することで行う。なお、炭化層２１０の層厚は、１００ｎｍ以下が望ましく、さらに望ましくは５０ｎｍである。なお、炭化層２１０の層厚が１００ｎｍ以上では、炭化層２１０の上に高品位の炭化ケイ素エピタキシャル層２２０が形成できない。
【００２１】
次に、前記炭化層２１０の上に炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００の一部を構成する炭化ケイ素エピタキシャル層２２０を形成する。この炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の形成には、熱ＣＶＤ法が用いられる。前記シリコン基板１００を１３００℃以上の高温に加熱し、２００Ｔｏｒｒ程度の圧力下において、キャリアガスとしての水素ガスＨ２、原料ガスとしてのシランガスＳｉＨ４、プロパンガスＣ３Ｈ８を処理室５１０内に供給し、これらを反応分解させ、シリコン基板１００の炭化層２１０の上に炭化ケイ素エピタキシャル層２２０を形成する。この炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の成膜速度は、４０（ｎｍ／分）程度である。この炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の層厚としては、５０ｎｍ以上が望ましい。なお、処理室５１０の内部の圧力としては大気圧でも減圧下でもよい。
【００２２】
炭化ケイ素エピタキシャル層２２０に対するドーパント用の原料ガスとしては、ｎ型としては例えばフォスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）などの周期律表第５族元素の水素化物が用いられ、ｐ型としてはジボラン（Ｂ２Ｈ６）などの周期律表第３族元素の水素化物が用いられる。
【００２３】
これによって、シリコン基板１００の上に炭化層２１０と炭化ケイ素エピタキシャル層２２０とが積層してなる炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００が形成されたことになる。
【００２４】
この炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００の形成条件としては、例えば、図３〜図５にそれぞれ示すパターン１〜パターン３がある。
【００２５】
まず、図３に示すパターン１について説明する。
このパターン１におけるシリコン基板１００のエッチング処理は、キャリアガスとしての水素ガスＨ２を１．０〔ＳＬＭ〕、エッチングガスとしての塩化水素ガスＨＣｌを５．０〔ＳＣＣＭ〕それぞれ導入し、シリコン基板１００の温度を１２００℃まで加熱することで行う。このパターン１におけるエッチング処理は、図３に示すように、１１分間にわたって行われた。
【００２６】
また、このパターン１であれば、炭化層２１０の形成時には、シリコン基板１００の温度を室温ＲＴまで低下させた後、キャリアガスとしての水素ガスを１０〔ＳＬＭ〕、原料ガスとしてのプロパンガス（Ｃ３Ｈ８）を１．０〔ＳＣＣＭ〕それぞれ導入することで行う。このパターン１における炭化層２１０の形成は、図３に示すように、２分間にわたって行われた。
【００２７】
さらに、このパターン１であれば、炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の形成時には、シリコン基板１００の温度を室温ＲＴから１３５０℃まで上昇させ、キャリアガスとしての水素ガスＨ２を３．０〔ＳＬＭ〕、原料ガスとしてのＨＭＤＳ（Ｓｉ２（ＣＨ３））を０．２〔ＳＣＣＭ〕に対して水素ガスＨ２を６．９〔ＳＣＣＭ〕導入してバブリングしたものを処理室５１０内にそれぞれ導入することで行う。このパターン１における炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の形成は、図３に示すように、５分間にわたって行われた。なお、ＨＭＤＳのバブリングは、２０℃の恒温槽５６０で行われた。
【００２８】
次に、図４に示すパターン２について説明する。
このパターン２におけるシリコン基板１００のエッチング処理は、キャリアガスとしての水素ガスＨ２を１．０〔ＳＬＭ〕、エッチングガスとしての塩化水素ガスＨＣｌを５．０〔ＳＣＣＭ〕それぞれ導入し、シリコン基板１００の温度を１１５０℃まで加熱することで行う。このパターン２におけるエッチング処理は、図４に示すように、１１分間にわたって行われた。
【００２９】
また、このパターン２であれば、炭化層２１０の形成時には、シリコン基板１００の温度を室温ＲＴまで低下させた後、キャリアガスとしての水素ガスを３．０〔ＳＬＭ〕、原料ガスとしてのプロパンガス（Ｃ３Ｈ３）を１．０〔ＳＣＣＭ〕それぞれ導入することで行う。このパターン２における炭化層２１０の形成は、図４に示すように、２分間にわたって行われた。
【００３０】
さらに、このパターン２であれば、炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の形成時には、シリコン基板１００の温度を室温ＲＴから１３５０℃まで上昇させ、キャリアガスとしての水素ガスＨ２を３．０〔ＳＬＭ〕、原料ガスとしてのＨＭＤＳ（Ｓｉ２（ＣＨ３））を０．１〔ＳＣＣＭ〕に対して水素ガスＨ２を４．０〔ＳＣＣＭ〕導入してバブリングしたものを処理室５１０内にそれぞれ導入することで行う。このパターン２における炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の形成は、図４に示すように、５分間にわたって行われた。なお、ＨＭＤＳのバブリングは、２０℃の恒温槽５６０で行われた。
【００３１】
次に、図５に示すパターン３について説明する。
このパターン２におけるシリコン基板１００のエッチング処理は、キャリアガスとしての水素ガスＨ２を１．０〔ＳＬＭ〕、エッチングガスとしての塩化水素ガスＨＣｌを５．０〔ＳＣＣＭ〕それぞれ導入し、シリコン基板１００の温度を１２００℃まで加熱することで行う。このパターン３におけるエッチング処理は、図５に示すように、１１分間にわたって行われた。
【００３２】
また、このパターン２であれば、炭化層２１０の形成時には、シリコン基板１００の温度を室温ＲＴまで低下させた後、キャリアガスとしての水素ガスを１．０〔ＳＬＭ〕、原料ガスとしてのプロパンガス（Ｃ３Ｈ８）を１．０〔ＳＣＣＭ〕それぞれ導入することで行う。このパターン３における炭化層２１０の形成は、図５に示すように、２分間にわたって行われた。
【００３３】
さらに、このパターン２であれば、炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の形成時には、シリコン基板１００の温度を室温ＲＴから１３７０℃まで上昇させ、キャリアガスとしての水素ガスＨ２を３．０〔ＳＬＭ〕、原料ガスとしてのＨＭＤＳ（Ｓｉ２（ＣＨ３））を０．２〔ＳＣＣＭ〕に対して水素ガスＨ２を６．９〔ＳＣＣＭ〕導入してバブリングしたものを処理室５１０内にそれぞれ導入することで行う。このパターン３における炭化ケイ素エピタキシャル層２２０の形成は、図５に示すように、５分間にわたって行われた。なお、ＨＭＤＳのバブリングは、２０℃の恒温槽５６０で行われた。
【００３４】
パターン１〜パターン３によって形成された炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００の層厚は、ＦＥ−ＳＥＭの測定結果から、約１５０〜２００ｎｍであることが確認されている。
【００３５】
この結果、パターン１及びパターン３におけるプロセスで形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００は、ほぼ同等の結晶性を有することが確認できた。また、パターン２におけるプロセスで形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００では結晶性が若干乱れていることが確認できた。なお、この結晶性の確認はＸ線回析法によって行われた。
【００３６】
このようにして形成された炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００の上に、バッファ層３００を形成する。このバッファ層３００は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ或いはＧａＮのいずれかが望ましいが、より望ましくはＡｌＮ或いはＧａＮである。
【００３７】
次に、このバッファ層３００の上に窒化ガリウム系の化合物半導体からなる発光層４００を形成する。この発光層４００は、図１に示すように、下側からｎ型のＧａＮ層４１０、ｎ型のＡｌＧａＮ層４２０、ＩｎＧａＮ層４３０、ｐ型のＡｌＧａＮ層４４０、ｐ型のＧａＮ層４５０をそれぞれ順次積層したものである。
【００３８】
かかる発光層４００の上にはＩＴＯ等の透明電極（図示省略）を、シリコン基板１００には電極（図示省略）をそれぞれ形成して窒化ガリウム系半導体発光素子とする。なお、前記電極は、シリコン基板１００の側面にも、炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００の側面にも形成することが可能である。
【００３９】
前記パターン１で形成された炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層２００の上に発光層４００を形成した窒化ガリウム系半導体発光素子は、５Ｖの順方向電圧（Ｖｆ）を印加すると、出力２００μＷ、波長４８５ｎｍの発光を確認することができた。
【００４０】
なお、上述した実施の形態では、製造装置は、横型熱ＣＶＤ装置５００であるとしたが、縦方向に原料ガスを流通させるいわゆる縦型熱ＣＶＤ装置であってもよいことはいうまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、シリコン基板と発光層との間に炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層を形成したことにより、高品位のＧａＮ発光層を形成することができた。
【００４２】
また、同一のシリコン基板上に、炭化ケイ素エピタキシャル層、ＧａＮエピタキシャル層を形成することから、例えばシリコン基板にシリコン製の半導体（例えば、素子単体、ＩＣ等）を形成し、炭化ケイ素エピタキシャル層に炭化ケイ素製の半導体素子（例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、ＩＣ）を形成することにより、複合化した半導体素子を形成することができる。この場合、同一シリコン基板上に形成するため、小型化、高集積化を図ることができるとともに、電気配線の高密度化を図ることができる。また、このように同一のシリコン基板上に各半導体素子を形成することができるので、半導体素子間の信号を電気ではなく、光で行う半導体素子の実現も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を製造する製造装置の概略的構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層のパターン１の形成条件を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層のパターン２の形成条件を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層のパターン３の形成条件を示すグラフである。
【図６】前記パターン１の形成条件で形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層の表面形状の顕微鏡写真である。
【図７】前記パターン２の形成条件で形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層の表面形状の顕微鏡写真である。
【図８】前記パターン３の形成条件で形成した炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層の表面形状の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１００　　シリコン基板
２００　　炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル層
２１０　　炭化層
２２０　　炭化ケイ素エピタキシャル層
３００　　バッファ層
４００　　発光層
【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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