(57)【要約】【課題】  半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させる半導体ヘテロ接合材料を提供する。【解決手段】  半導体基板１００と、半導体基板１００上に形成され、構成元素の価電子数よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素と、構成元素と同一の価電子数を有し、かつ、構成元素よりも小さい電気陰性度を有する局在バンド形成元素とを含むｐ型半導体層１１０と、ｐ型半導体層１１０上に形成され、構成元素の少なくとも１つの元素の電子親和力がｐ型半導体層１１０の構成元素の電子親和力よりも小さい目標材料層１２０とからなる半導体ヘテロ接合材料。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と接合し、前記ｐ型半導体層から正孔の注入を受ける目標材料層とを備える半導体ヘテロ接合材料であって、
前記ｐ型半導体層は、当該ｐ型半導体層の構成元素の価電子数よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素と、当該ｐ型半導体層の構成元素と同一の価電子数を有し、かつ、当該ｐ型半導体層の構成元素よりも小さい電気陰性度を有する局在バンド形成元素とを含み、
前記目標材料層は、前記ｐ型半導体層を構成する少なくとも１つの元素の電子親和力よりも小さい電子親和力の元素を構成元素とする
ことを特徴とする半導体ヘテロ接合材料。
【請求項２】
前記局在バンド形成元素は、前記目標材料層の価電子帯上端エネルギーと同程度または低エネルギー側にエネルギーバンドを形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項３】
前記目標材料層は、さらに、前記アクセプタ元素を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項４】
前記ｐ型半導体層は、前記目標材料層の格子定数よりも小さな格子定数を有し、
前記ｐ型半導体層と目標材料層との接合部において、引っ張り歪みを有する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項５】
前記ｐ型半導体層は、前記目標材料層と異なる結晶構造を有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項６】
前記ｐ型半導体層と目標材料層との接合部において、欠陥およびダングリングボンドが無い
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項７】
前記ｐ型半導体層と目標材料層との接合部において、双方の面方位あるいは面内の原子配列の方向、もしくはその両方が異なる
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項８】
前記半導体ヘテロ接合材料は、さらに、
前記ｐ型半導体層と目標材料層との間に、前記ｐ型半導体層および目標材料層の組成が混在する中間層を備える
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項９】
前記ｐ型半導体層はアモルファスまたは多結晶構造を有する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１０】
前記目標材料層は高濃度のｎ型半導体層である
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１１】
前記目標材料層はアルミニウムインジウムガリウム窒素層（インジウム含有量０〜１００％、アルミニウム含有量０〜１００％）である
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１２】
前記ｐ型半導体層は、窒化物半導体層である
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１３】
前記目標材料層は窒化ガリウム層であり、前記ｐ型半導体層は硼素アルミニウムガリウム窒素層（硼素含有量０〜１００％、ガリウム含有量０〜１００％）である
ことを特徴とする請求項１２に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１４】
前記ｐ型半導体層は窒化アルミニウム層であり、前記局在バンド形成元素は燐あるいは砒素である
ことを特徴とする請求項１３に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１５】
前記ｐ型半導体層は酸化物半導体層である
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１６】
前記ｐ型半導体層は弗化物半導体層である
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１７】
前記ｐ型半導体層は下地のバッファ層である
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の半導体ヘテロ接合材料を備える
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項１９】
半導体基板上に形成され、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と接合し、前記ｐ型半導体層から正孔の注入を受ける目標材料層とを備える半導体ヘテロ接合材料の製造方法であって、
結晶成長法により、前記半導体基板上に１層以上の半導体層を形成する半導体層形成ステップと、
結晶成長法により、前記半導体層上に前記ｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成ステップと、
結晶成長法により、前記ｐ型半導体層上に前記目標材料層を形成する目標材料層形成ステップと
を含むことを特徴とする半導体ヘテロ接合材料の製造方法。
【請求項２０】
前記半導体ヘテロ接合材料が備えるｐ型半導体層は、前記ｐ型半導体層の構成元素の価電子数よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素と、前記ｐ型半導体層の構成元素と同一の価電子数を有し、かつ、前記ｐ型半導体層の構成元素よりも小さい電気陰性度を有する局在バンド形成元素とを含み、
前記半導体ヘテロ接合材料の製造方法は、さらに、
イオン注入法または拡散法により、前記ｐ型半導体層の前記目標材料層との接合近傍（深さ０．１μｍまで）のみに前記局在バンド形成元素およびアクセプタ元素を添加する添加ステップを含む
ことを特徴とする請求項１９に半導体ヘテロ接合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体へテロ接合材料に関するものであり、特に、ｐ型半導体層を備える半導体へテロ接合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムをベースにした窒化物半導体は、青色発光素子や高速高耐圧素子等の半導体素子への応用が期待されている。
【０００３】
しかしながら、上記半導体素子を実現かつ普及させようとしたとき、発熱による信頼性の低下という問題が生じる。つまり、窒化物半導体を構成する窒素の電気陰性度は高く、アクセプタ準位は禁制帯の深い位置に形成されるので、アクセプタ不純物をドープしても正孔キャリア濃度の高いｐ型窒化物半導体が得られず、ｐ型窒化物半導体を用いた半導体素子において、電極とのオーミック抵抗および半導体内の電気抵抗が高くなり、発熱による信頼性の低下が起きるのである。例えば、マグネシウムをアクセプタ不純物としてドープした窒化ガリウムにおいて、活性化エネルギーは、約２００ｍｅＶあり、約２６ｍｅＶという室温における熱エネルギーと比較して非常に大きく、正孔キャリア濃度の高いｐ型窒化ガリウム半導体は得られない。
【０００４】
このような問題を解決する技術として、ｐ型窒化物半導体のアクセプタ準位の近傍に電子で満たされたエネルギーバンド（以下、局在バンドという）を形成させる技術がある。これは、窒化物半導体を構成する窒素の一部を、燐あるいは砒素等の窒素と同じ価電子数で窒素よりも小さな電気陰性度の元素に置き換えることで、正孔の活性化効率を向上させ、半導体素子の発熱による信頼性の低下を防ぐものである。なお、上記局在バンドの形成に関する先行事例として、「半導体発光素子」（特許文献１参照）があるが、これは、発光波長域を可視光にすることを目的とするものであって、半導体素子の発熱による信頼性の低下を防ぐことを目的とするものではない。
【特許文献１】特開平７−２４９８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記局在バンドを形成させる技術では、正孔の活性化効率を向上させ、正孔の活性化効率に起因する半導体素子の発熱による信頼性の低下の問題は解決することはできるが、半導体素子のｐ型半導体層と半導体層とがヘテロ接合してなる半導体ヘテロ接合材料のへテロ接合面には大きな電気抵抗が存在するため、へテロ接合面における電気抵抗に起因する半導体素子の発熱による信頼性の低下の問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、正孔の活性化効率を向上させ、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させる半導体ヘテロ接合材料を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の半導体ヘテロ接合材料は、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と接合し、前記ｐ型半導体層から正孔の注入を受ける目標材料層とを備える半導体ヘテロ接合材料であって、前記ｐ型半導体層は、当該ｐ型半導体層の構成元素の価電子数よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素と、当該ｐ型半導体層の構成元素と同一の価電子数を有し、かつ、当該ｐ型半導体層の構成元素よりも小さい電気陰性度を有する局在バンド形成元素とを含み、前記目標材料層は、前記ｐ型半導体層を構成する少なくとも１つの元素の電子親和力よりも小さい電子親和力の元素を構成元素とすることを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記局在バンド形成元素は、前記目標材料層の価電子帯上端エネルギーと同程度または高エネルギー側にエネルギーバンドを形成してもよい。また、前記目標材料層は、さらに、前記アクセプタ元素を含んでもよいし、前記ｐ型半導体層は、前記目標材料層の格子定数よりも小さな格子定数を有し、前記ｐ型半導体層と目標材料層との接合部において、引っ張り歪みを有してもよい。また、前記半導体ヘテロ接合材料は、さらに、前記ｐ型半導体層と目標材料層との間に、前記ｐ型半導体層と目標材料層の組成が混在した中間層を備えてもよい。
【０００９】
また、前記目標材料層はアルミニウムインジウムガリウム窒素層（インジウム含有量０〜１００％、アルミニウム含有量０〜１００％）であってもよいし、前記ｐ型半導体層は、窒化物半導体層であってもよい。また、前記ｐ型半導体層は酸化物半導体層であってもよいし、前記ｐ型半導体層は弗化物半導体層であってもよい。また、前記目標材料層は窒化ガリウム層であり、前記ｐ型半導体層は硼素アルミニウムガリウム窒素層（硼素含有量０〜１００％、ガリウム含有量０〜１００％）であってもよい。また、前記ｐ型半導体層は窒化アルミニウム層であり、前記局在バンド形成元素は燐あるいは砒素であってもよい。
【００１０】
これによって、アクセプタ準位の近傍で、かつ、目標材料層の価電子帯上端と同一または低エネルギー側に局在バンドが形成されるので、正孔の活性化効率を向上させ、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させることができる半導体ヘテロ接合材料を実現できるという効果が発揮される。
【００１１】
また、前記ｐ型半導体層は、前記目標材料層と異なる結晶構造を有してもよい。ここで、前記ｐ型半導体層はアモルファスまたは多結晶構造を有してもよい。
これによって、高いｐ型半導体層および目標材料層を高い自由度を持って選択することができるので、設計自由度の高い半導体ヘテロ接合材料を実現できるという効果が発揮される。
【００１２】
また、前記ｐ型半導体層と目標材料層との接合部において、双方の面方位あるいは面内の原子配列の方向、もしくはその両方が異なってもよい。
これによって、結晶成長法に限られず、例えば、ウエハー融着法でも半導体ヘテロ接合材料を製造することができるので、高い自由度を持って製造方法を選択することができる半導体ヘテロ接合材料を実現できるという効果が発揮される。
【００１３】
また、前記目標材料層は高濃度のｎ型半導体層であってもよい。
これによって、トンネル効果を利用したユニポーラデバイスを実現することができるので、ｐ型半導体層に電極を形成するというプロセスを省略することができる半導体ヘテロ接合材料を実現できるという効果が発揮される。
【００１４】
また、前記ｐ型半導体層は下地のバッファ層であってもよい。
これによって、ｐ型半導体層をバッファ層として利用し、半導体ヘテロ接合材料を製造することができるので、半導体ヘテロ接合材料の製造工程を簡略化することができる半導体ヘテロ接合材料を実現できるという効果が発揮される。
【００１５】
本発明は、また、本発明の半導体ヘテロ接合材料を備えることを特徴とする半導体素子とすることもできる。
これによって、半導体素子は、高い正孔の活性化効率を有し、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させる半導体ヘテロ接合材料を備えることとなるので、低消費電力化を可能にする半導体素子を実現できるという効果が発揮される。
【００１６】
本発明は、また、半導体基板上に形成され、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と接合し、前記ｐ型半導体層から正孔の注入を受ける目標材料層とを備える半導体ヘテロ接合材料の製造方法であって、結晶成長法により、前記半導体基板上に１層以上の半導体層を形成する半導体層形成ステップと、結晶成長法により、前記半導体層上に前記ｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成ステップと、結晶成長法により、前記ｐ型半導体層上に前記目標材料層を形成する目標材料層形成ステップとを含むことを特徴とする半導体ヘテロ接合材料の製造方法とすることもできる。ここで、前記半導体ヘテロ接合材料が備えるｐ型半導体層は、ｐ型半導体層の構成元素の価電子数よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素と、前記ｐ型半導体層の構成元素と同一の価電子数を有し、かつ、前記ｐ型半導体層の構成元素よりも小さい電気陰性度を有する局在バンド形成元素とを含み、前記半導体ヘテロ接合材料の製造方法は、さらに、イオン注入法または拡散法により、前記ｐ型半導体層の前記目標材料層との接合近傍（深さ０．１μｍまで）のみに前記局在バンド形成元素およびアクセプタ元素を添加する添加ステップを含んでもよい。
【００１７】
これによって、ｐ型半導体層が形成された後に目標材料層が形成されるので、ｐ型半導体層の形成に際しておこなわれる加熱の温度にとらわれることなく、目標材料層を形成することができる、つまり、低温で目標材料層を形成することができる半導体ヘテロ接合材料の製造方法を実現できるという効果が発揮される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る半導体ヘテロ接合材料によれば、局在バンドがアクセプタ準位の近傍で、かつ、目標材料層の価電子帯上端と同一または低エネルギー側に形成されるので、正孔の活性化効率を向上させ、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させる半導体ヘテロ接合材料を実現できるという効果が奏される。
【００１９】
よって、本発明により、正孔の活性化効率を向上させ、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させ、発熱による信頼性の低下を防ぐ半導体ヘテロ接合材料を提供することが可能となり、実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態おける半導体ヘテロ接合材料について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態における半導体ヘテロ接合材料の断面図である。
本実施の形態の半導体ヘテロ接合材料は、正孔の活性化効率を向上させ、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させることを目的とするものであって、半導体基板１００上に形成された正孔を生成するｐ型半導体層１１０と、ｐ型半導体層１１０に形成されたｐ型半導体層１１０の正孔が注入される目標材料層１２０とからなる。なお、ｐ型半導体層１１０と目標材料層１２０との間には、それぞれの組成が混在した中間層が形成されてもよい。
【００２２】
ここで、半導体基板１００は、サファイア、ケイ素、炭化ケイ素、砒化ガリウム、ホウ化ジルコニウム、マグネシウムアルミニウム複合酸化物、リチウムガリウム複合酸化物あるいは窒化ガリウム等の基板である。
【００２３】
また、ｐ型半導体層１１０は、図２に示されるように、シリコン半導体、ゲルマニウム半導体およびダイヤモンド半導体に代表される単一元素半導体、あるいは窒化物半導体、酸化物半導体および弗化物半導体に代表される化合物半導体である母体材料２００に、母体材料２００を構成する元素よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素２１０と、母体材料２００を構成する元素と同じ価電子数を有し、かつ、その元素よりも小さな電気陰性度を有する局在バンド形成元素２２０とが添加されてなる半導体層である。なお、ｐ型半導体層１１０は、アモルファスあるいは多結晶構造を有してもよい。
【００２４】
また、目標材料層１２０は、ｐ型半導体層１１０を構成する元素の少なくとも１つの電子親和力よりも小さい電子親和力の元素を構成元素とする半導体層（例えば、下記の具体例Ａ１、Ａ２、Ａ３）である。なお、目標材料層１２０は、ｐ型半導体層１１０よりも大きな格子定数を有し、ｐ型半導体層１１０との接合面において引っ張り歪を有してもよい（例えば、下記の具体例Ａ４）。
（具体例Ａ１）ｐ型半導体層１１０：ｐ−ＺｎＳｅ、局在バンド形成元素２２０：Ｔｅ、目標材料層１２０：ＺｎＳｅ
（具体例Ａ２）ｐ型半導体層１１０：ｐ−ＺｎＳＳｅ、局在バンド形成元素２２０：Ｔｅ、目標材料層１２０：ＺｎＳｅ
（具体例Ａ３）ｐ型半導体層１１０：ｐ−ＳｉＣ、局在バンド形成元素２２０：Ｇｅ、目標材料層１２０：Ｓｉ
（具体例Ａ４）ｐ型半導体層１１０：ｐ−ＡｌＮ、局在バンド形成元素２２０：Ｐ、目標材料層１２０：ＩｎＧａＮ
【００２５】
以上のような構成を有する半導体ヘテロ接合材料は、結晶成長法により、半導体基板１００上に１層以上の半導体層を形成し、その半導体層上にｐ型半導体層１１０および目標材料層１２０を順次形成し、その後、イオン注入法あるいは拡散法により、ｐ型半導体層１１０の目標材料層１２０との接合面の近傍（深さ０．１μｍ）に局在バンド形成元素２２０およびアクセプタ元素２１０を添加することにより製造される。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態おける半導体ヘテロ接合材料のエネルギー構造を示す図である。図３の縦軸はエネルギーを表し、横軸は状態密度を表している。なお、図３において、左側は目標材料層１２０のエネルギー構造を示し、右側はｐ型半導体層１１０のエネルギー構造を示している。
【００２７】
図３において、ｐ型半導体層１１０の禁制帯の価電子帯（Valence Band、以下ＶＢという。一方、伝導帯バンド（Conduction Band）を以下ＣＢという。）寄りにアクセプタ準位３００が形成され、そのアクセプタ準位３００の近傍で、かつ、目標材料層１２０のＶＢ上端と同一または低エネルギー側に局在バンド３１０が形成されている。ここで、アクセプタ準位３００は、母体材料２００にアクセプタ元素２１０を添加することにより形成されるものであり、局在バンド３１０は、電子で満たされ、母体材料２００に局在バンド形成元素２２０を添加することにより形成されるものである。
【００２８】
以上のようなエネルギー構造を有する半導体ヘテロ接合材料において、局在バンド３１０の電子がアクセプタ準位３００に移動することにより局在バンド３１０に生成した正孔は、目標材料層１２０のＶＢに移動する。なお、局在バンド３１０の上端よりも低エネルギー側にアクセプタ準位３００が形成されるようにアクセプタ元素２１０と局在バンド形成元素２２０とは選択されており、局在バンド３１０の電子は熱エネルギーに依らずアクセプタ準位３００に移動する。また、局在バンド形成元素２２０の含有量がアクセプタ元素２１０の含有量よりも多くなるように、局在バンド形成元素２２０およびアクセプタ元素２１０は添加されており、非常に幅の広い局在バンド３１０が形成され、局在バンド３１０に生成した正孔は大きな抵抗を受けず目標材料層１２０のＶＢに移動する。
【００２９】
以上のように本実施の形態によれば、局在バンド３１０がアクセプタ準位３００の高エネルギー側で、かつ、目標材料層１２０のＶＢ上端と同一または低エネルギー側に形成される。よって、アクセプタ準位３００の正孔を全て活性化し、かつ、ヘテロ接合部における電気抵抗を低減することができるので、本実施の形態の半導体ヘテロ接合材料は、正孔の活性化効率を向上させ、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させる半導体ヘテロ接合材料を実現することができる。
【００３０】
また、本実施の形態において、ｐ型半導体層１１０と目標材料層１２０との間には、それぞれの組成が混在した中間層が形成される。よって、ｐ型半導体層１１０と目標材料層１２０との界面での正孔のトラップが減り、ヘテロ接合部における電気抵抗を低減することができるので、本実施の形態の半導体ヘテロ接合材料は、正半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を更に減少させる半導体ヘテロ接合材料を実現することができる。
【００３１】
なお、ｐ型半導体層１１０と目標材料層１２０との接合部において欠陥およびダングリングボンドが除去されてもよい。これによって、界面ピンニングは無くなり、局在バンド３１０が欠陥およびダングリングボンドの影響を受けなくなるので、ヘテロ接合部における電気抵抗を低減することができ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を更に減少させることができる。
【００３２】
また、ｐ型半導体層１１０と目標材料層１２０との接合部において、双方の面方位あるいは面内の原子配列の方向、もしくはその両方が異なっていてもよい。
また、ｐ型半導体層１１０および目標材料層１２０は、例えば、ｐ型半導体層１１０が立方晶、目標材料層１２０が六方晶等の異なる結晶構造を有してもよい。
【００３３】
また、本発明の半導体ヘテロ接合材料について、ｐ型半導体層１１０あるいは目標材料層１２０に電極を形成すれば、良好なｐ型オーミック電極を得ることができる。そしてそのようなｐ型オーミック電極構造は、例えば半導体レーザ、発光ダイオード、バイポーラトランジスタあるいは電界効果トランジスタ等の半導体素子に対し用いることができ、それらの電流−電圧特性を向上させることができる。
【００３４】
また、本実施の形態において、ｐ型半導体層１１０にのみアクセプタ元素２１０が添加されるとした。しかし、ｐ型半導体層１１０だけでなく、目標材料層１２０にもアクセプタ元素２１０が添加されてもよい。このとき、半導体ヘテロ接合材料は、イオン注入法あるいは拡散法により、ｐ型半導体層１１０の目標材料層１２０との接合面近傍にアクセプタ元素２１０および局在バンド形成元素２２０を添加した後、さらに目標材料層１２０のｐ型半導体層１１０との接合面近傍にもアクセプタ元素２１０を添加することにより製造される。
【００３５】
また、本実施の形態において、アクセプタ準位３００が局在バンド３１０の上端よりも低くなるようにアクセプタ元素２１０と局在バンド形成元素２２０とを選択した。しかし、アクセプタ準位３００が局座バンド３１０の上端よりも高く、かつ、アクセプタ準位３００と局在バンド３１０の上端とのエネルギー差が室温における熱エネルギーよりも小さくなるようにアクセプタ元素２１０と局在バンド形成元素２２０とを選択してもよい。
【００３６】
また、半導体基板１００上に１層以上の半導体層を形成するとした。しかし、ｐ型半導体層１１０を下地のバッファ層として用い、半導体基板１００上に１層以上の半導体層を形成しなくてもよい。
【００３７】
また、目標材料層１２０は高濃度のｎ型半導体であってもよい。この場合、半導体ヘテロ接合材料に活性層およびＮ型半導体層を接合させることで、半導体ヘテロ接合材料は、図４に示されるようなエネルギー構造を有するユニポーラデバイスを実現することができ、ｐ型半導体層に電極を形成するというプロセスを省略することができる。
【００３８】
（実施例）
次に、本実施の形態の半導体ヘテロ接合材料の具体例を、実施例によって示す。
図５は、本実施例における窒化ガリウム系材料を用いた半導体ヘテロ接合材料の構成を示す図である。
【００３９】
本実施例の半導体ヘテロ接合材料は、ｐ型半導体層１１０としてのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５１０（０≦ｘ≦１）と、目標材料層１２０としてのＧａＮ層５２０とからなり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５１０には、アクセプタ元素２１０としてのマグネシウムが添加され、局在バンド形成元素２２０としての砒素が添加されている。なお、ｐ型半導体層１１０として、硼素アルミニウムガリウム窒素（ＢｙＡｌＸＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いてもよいし、目標材料層１２０として、アルミニウムインジウムガリウム窒素（ＡｌＸＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いてもよいし、局在バンド形成元素２２０として、燐を用いてもよい。
【００４０】
以上のような構成を有する半導体ヘテロ接合材料は、結晶成長法により、サファイア基板上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５１０およびＧａＮ層５２０をエピタキシャル成長させ、その後、イオン注入法により、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５１０のＧａＮ層５２０との接合面の近傍（深さ０．１μｍ）に砒素およびマグネシウムを添加することにより製造される。なお、砒素およびマグネシウムは、拡散法により添加されてもよい。
【００４１】
図６は、本実施例における半導体ヘテロ接合材料のエネルギー構造を示す図である。図６の縦軸は任意単位を表し、横軸はエネルギーを表し、ＶＢＭ  ｏｆ  ＧａＮはＧａＮの価電子帯バンド端のエネルギー位置（−８．３７ｅＶ）を表している。なお、図６はＡｌＮ層と、砒素（砒素添加量：３族元素の３％）およびマグネシウム（マグネシウム添加量：１０２０ｃｍ−３）が添加されたＧａＮ層とからなる半導体ヘテロ接合材料に関するものであり、図６（ａ）は砒素およびマグネシウムが添加されていないときのエネルギー構造を示し、図６（ｂ）は砒素のみが添加されたときのエネルギー構造を示し、図６（ｃ）は砒素およびマグネシウムの両方が添加されたときのエネルギー構造を示している。
【００４２】
図６より、砒素およびマグネシウムが添加されていないとき、ＧａＮのバンド端近傍に局在バンドは形成されていないが（図６（ａ））、砒素を添加することにより、−８．４７ｅＶ、−８．５３ｅＶ近傍に局在バンドが形成されるので（図６（ｂ）（ｃ））、マグネシウムは局在バンドを形成することがわかる。また、マグネシウムが添加されることにより、局在バンドが低下しているので、マグネシウムは、局在バンドの上端よりも低エネルギー側にアクセプタ準位を形成することがわかる。さらに、局在バンドは、−８．３７ｅＶよりも低エネルギー側に形成されているので、ＧａＮはその価電子帯バンド端を局在バンドよりも高エネルギー側に有することがわかる。
【００４３】
以上のように本実施例の窒化ガリウム系材料を用いた半導体ヘテロ接合材料によれば、局在バンドがアクセプタ準位の高エネルギー側で、かつ、ＧａＮ層５２０のＶＢ上端よりも低エネルギー側に形成される。よって、アクセプタ準位の正孔を全て活性化し、かつ、ヘテロ接合部における電気抵抗を低減することができるので、本実施例の半導体ヘテロ接合材料は、正孔の活性化効率を向上させ、かつ、半導体ヘテロ接合材料の電流−電圧特性に現れる電気抵抗成分を減少させる半導体ヘテロ接合材料を実現することができる。
【００４４】
なお、ｐ型半導体層１１０としてＺｎＯ層を用い、目標材料層１２０としてＭｇＯを用いてもよいし、ｐ型半導体層１１０としてＬｉＦ層を用い、目標材料層１２０としてＣａＦ２層を用いてもよい。
【００４５】
また、サファイア基板上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５１０およびＧａＮ層５２０をエピタキシャル成長させるとしたが、窒化ガリウム系材料がエピタキシャル成長可能であればそれにかぎられず、炭化ケイ素基板等であってもよい。特に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層５１０とＧａＮ層５２０との接合面において引っ張り歪みを生じさせる基板であれば、歪みにより局在バンドを制御することができるので好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、半導体ヘテロ接合材料に利用でき、特に半導体レーザ、発光ダイオード、バイポーラトランジスタあるいは電界効果トランジスタ等の半導体素子に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における半導体ヘテロ接合材料の断面図である。
【図２】同実施の形態におけるｐ型半導体層１１０の構成を概念的に示す図である。
【図３】同実施の形態おける半導体ヘテロ接合材料のエネルギー構造を示す図である。
【図４】同実施の形態の半導体ヘテロ接合材料を用いたユニポーラデバイスのエネルギー構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例における窒化ガリウム系材料を用いた半導体ヘテロ接合材料の構成を示す図である。
【図６】同実施例における半導体ヘテロ接合材料のエネルギー構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００    半導体基板
１１０    ｐ型半導体層
１２０    目標材料層
２００    母体材料
２１０    アクセプタ元素
２２０    局在バンド形成元素
３００    アクセプタ準位
３１０    局在バンド
５１０    ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層
５２０    ＧａＮ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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