(57)【要約】【課題】発光ダイオードなどとして用いることのできる、III族窒化物系半導体の積層構造を有する半導体素子の転位密度を低減し、その結晶性を向上させる。【解決手段】第１のIII族窒化物半導体からなる下地層と、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を呈する機能層とを具えるようにして、半導体素子を構成する。【選択図】図１
2012009784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のIII族窒化物半導体からなる下地層と、
ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を呈する機能層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子。
【請求項２】
前記機能層の厚さが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記機能層は、第１の層と第２の層とが交互に積層されてなる周期的超格子構造であって、前記第１の層の厚さが０．２５ｎｍ〜２０ｎｍであり、前記第２の層の厚さが０．２５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記機能層の表層部における転位密度は、前記周期的超格子構造を有しない場合に比較して１／１００以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記機能層の前記表層部の転位密度は２×１０７／ｃｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記下地層は導電層であり、前記機能層は活性層であって、前記半導体素子は、発光ダイオードを構成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項７】
第１のIII族窒化物半導体からなる下地層上に、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を呈する機能層を形成して半導体素子を形成する工程を具え、
前記機能層の表層部における転位密度を、前記周期的超格子構造を有しない場合に比較して１／１００以下とすることを特徴とする、半導体素子の転位低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子（発光ダイオード）などとして用いることのできる、III族窒化物系半導体の積層構造を有する半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、発光ダイオードは長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用のみならず一般照明用途への適用も試みられている。
【０００３】
現在、発光ダイオード、特に緑色から青色領域の光を発する発光ダイオードは、ＧａＮやＡｌＮモル分率の比較的低いＡｌＧａＩｎＮなどのIII族窒化物半導体が用いられている。例えば、特許文献１には、サファイア基板上にバッファ層を形成した後、このバッファ層上に順次にｎ型ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ活性層及びｐ型ＧａＮ層を順次に形成して発光ダイオードを作製していた。しかしながら、このような方法で上記発光ダイオードを作製した場合、十分なデバイス特性を発揮することができないという問題があった。
【０００４】
この原因としては、例えばサファイア基板とｎ型ＧａＮ層との界面で発生したミスフィット転位がｎ型ＧａＮ層中を伝播して貫通し、その表面にまで達してしまうことによって、ｎ型ＧａＮ層上に形成したＡｌＧａＮ活性層及びｐ型ＧａＮ層中にも前記転位が伝播してしまい、発光ダイオードを構成する半導体層の結晶性が劣化してしまうことに起因する。
【０００５】
半導体中の転位密度を低減するための作製技術としては、「Japanese Journal Applied Physics, 36 (1997) L899」にＥＬＯ技術、「MRS internet Journal Nitride Semicond. Res.4S1, G3.37 (1999)」におけるＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術、及び「第４６回秋期応用物理学関係関連講演会 講演予稿集No.1 (1999)p416」における周期溝構造技術などが提案されている。
【０００６】
ＥＬＯ技術は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成し、このＧａＮ層上にＳｉＯ２などの選択性を有する誘電体材料からなるストライプ状の層を形成する。その後、この層から横方向への選択成長させることにより、低転位の例えばＧａＮ半導体を形成する技術である。
【０００７】
また、ＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成する。そして、このＧａＮ層に前記サファイア基板まで貫通するストライプ状の底面を有する凹部を形成する。そして、この凹部の段差を埋めるようにして、例えばＧａＮ半導体を横方向成長させることにより形成する。すると、ＧａＮ半導体の前記凹部上方の部分は低転位となっているため、この部分を基板として用いるものである。
【０００８】
さらに、周期溝構造技術は、同じくサファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成する。そして、このＧａＮ層の主面にストライプ状の段差を形成し、この段差を埋めるようにして、例えばＧａＮ半導体を形成するものである。すると、ＧａＮ半導体の前記段差上方の部分は低転位となっているため、この部分を基板として使用するものである。
【０００９】
しかしながら、これらの転位低減技術は、発光ダイオードを構成する各層を形成する工程以外に、ＳｉＯ２からなるストライプ状の層などを形成すると余分な操作が必要になり、発光ダイオードを製造する上での工程が煩雑になるとともに、それに伴って製造コストが増大してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１９６１９６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Japanese JournalApplied Physics, 36 (1997) L899
【非特許文献２】MRS internet Journal Nitride Semicond. Res.4S1, G3.37 (1999)
【非特許文献３】第４６回秋期応用物理学関係関連講演会 講演予稿集No.1 (1999)p416
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、発光ダイオードなどとして用いることのできる、III族窒化物系半導体の積層構造を有する半導体素子の転位密度を低減し、その結晶性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成すべく、本発明は、第１のIII族窒化物半導体からなる下地層と、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を呈する機能層と、を具えることを特徴とする、半導体素子に関する。
【００１４】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、所定のIII族窒化物半導体からなる下地層上に、同じくIII族窒化物半導体からなる機能層を形成して所定の半導体素子を形成する場合に、機能層を、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体から周期的超格子構造として構成することにより、上記半導体素子中の転位密度を低減することができ、その結晶性を向上できることを見出した。
【００１５】
すなわち、本発明の半導体素子によれば、上記下地層と上記機能層との間にミスフィット転位が発生し、さらに上記機能層中に転位が発生した場合においても、これらの転位は機能層を貫通することがなく、機能層の表層部は低転位の状態となる。したがって、機能層の特に表層部の結晶性が向上するとともに、半導体素子の使用用途に応じて、機能層上に、例えば導電層などの所定の層を形成した場合においても、この層が下方に位置する機能層の転位の影響を受けることがない。結果として、半導体素子全体の結晶性が向上し、目的とする半導体素子及びこれを用いたデバイスとしての特性を十分に発揮することができるようになる。
【００１６】
なお、上記機能層は、例えば発光ダイオードにおいては活性層（発光層）として機能し、発光素子においても同じく活性層（発光層）として機能するものである。また、高電子移動度トランジスタにおいては導電層として機能するものである。すなわち、上記機能層は、上記半導体素子がその本来的な機能を発揮するための層であって、前記半導体素子において必須の要素である。
【００１７】
したがって、本発明によれば、半導体素子を構成する各層を形成する工程以外に、ＳｉＯ２からなるストライプ状の層などを形成する余分な工程が不要となり、半導体素子を製造する上での工程の煩雑化や、製造コストの増大を回避することができる。
【００１８】
なお、本発明における”III族窒化物半導体“とは、一般式ＡｌＰＧａＱＩｎＲＮ（０≦Ｐ≦１、０≦Ｑ≦１、０≦Ｒ≦１、Ｐ＋Ｑ＋Ｒ＝１）で表され、必要に応じてＳｉ、ＰなどのドナーやＭｇなどのアクセプターを含有する場合をも包含するものである。
【００１９】
本発明の一例において、機能層の厚さは２００ｎｍ以上とすることができる。これによって、上述した作用効果をより顕著に奏することができ、半導体素子中の転位密度を低減してその結晶性を向上させることができる。なお、機能層の厚さの上限は特に限定されるものではないが、例えば３００ｎｍとすることができる。機能層の厚さを２０００ｎｍよりも大きくしても、最早、上述した作用効果には寄与しない。
【００２０】
また、本発明の一例において、機能層は、第１の層と第２の層とが交互に積層されてなる周期的超格子構造であって、前記第１の層の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍとし、前記第２の層の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍとすることができる。この場合においても、半導体素子中の転位密度を低減してその結晶性を向上させることができる。
【００２１】
本発明によれば、機能層の表層部における転位密度を、上述した周期的超格子構造を設けない場合に比較して、１／１００以下とすることができ、具体的には、２×１０７／ｃｍ以下とすることができる。
【００２２】
なお、機能層の表層部とは、機能層の厚さにも依存するが、おおよそ機能層の表面から数十ｎｍまでの深さの領域を意味するものである。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、発光ダイオードなどとして用いることのできる、III族窒化物系半導体の積層構造を有する半導体素子の転位密度を低減し、その結晶性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の半導体素子の一例として、発光素子（発光ダイオード）の構成を概略的に示す図である。
【図２】従来の発光素子（発光ダイオード）の構成を概略的に示す図である。
【図３】実施例における発光素子の断面ＴＥＭ写真である。
【図４】比較例における発光素子の断面ＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本発明の半導体素子の一例として、発光素子（発光ダイオード）の構成を概略的に示す図である。
【００２７】
図１に示す発光素子１０は、ＧａＮ基板１１上に、μｍオーダーの厚さを有するｎ型ＧａＮ層１２、ＧａＩｎＮ活性層１３及びμｍオーダーの厚さを有するｐ型ＧａＮ層１４が順次に形成されてなる。ＧａＩｎＮ活性層１３は、周期的超格子構造を呈し、Ｇａ１−ＳＩｎＳＮなる組成を有する第１の層１３１と、Ｇａ１−ＴＩｎＴＮなる組成を有する第２の層１３２（Ｓ＞Ｔ）とが交互に周期的に積層されてなる。
【００２８】
図１に示す発光素子１０において、ＧａＩｎＮ活性層１３を構成する第１の層１３１の組成比Ｘが０．０５〜０．２５の範囲、及び第２の層１３２の組成比Ｙが０．３５〜０．５０の範囲の場合、発光素子１０は赤色の光を発するようになり、ＧａＩｎＮ活性層１３を構成する第１の層１３１の組成比Ｘが０．０５〜０．２５の範囲、及び第２の層１３２の組成比Ｙが０．２５〜０．３５の範囲の場合、発光素子１０は緑色の光を発するようになる。また、ＧａＩｎＮ活性層１３を構成する第１の層１３１の組成比Ｘが０．０５〜０．２０の範囲、及び第２の層１３２の組成比Ｙが０．１５〜０．２５の範囲の場合、発光素子１０は青色の光を発するようになる。
【００２９】
なお、ここでいう赤色光とは、一般に波長６２０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域に発光ピークを有するような光を意味し、緑色光とは、一般に波長４９５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長領域に発光ピークを有するような光を意味し、青色光は、一般に波長４５０ｎｍ〜４９５ｎｍの波長領域に発光ピークを有するような光を意味する。
【００３０】
また、例えば、基板としてサファイア基板を用いた場合は、ｎ型導電層、活性層及びｐ型導電層は、ＡｌＧａＮ系のIII族窒化物半導体又はＡｌＧａＩｎＮ系の窒化物半導体から構成することができる。この場合も、これらIII族窒化物半導体の組成比を適宜に調整することによって、赤色光から青色光までを発することができるようになる。
【００３１】
図１に示す発光素子１０においては、機能層であるＧａＩｎＮ活性層１３を、周期的超格子構造として構成しているので、その転位密度を低減することができ、その結晶性を向上できる。
【００３２】
すなわち、ｎ型ＧａＮ層１２及びＧａＩｎＮ活性層１３間の界面にミスフィット転位が発生し、さらにＧａＩｎＮ活性層１３中に転位が発生した場合においても、これらの転位はＧａＩｎＮ活性層１３を貫通することがなく、ＧａＩｎＮ活性層１３の表層部は低転位の状態となる。したがって、ＧａＩｎＮ活性層１３の特に表層部の結晶性が向上するとともに、その上に形成されているｐ型ＧａＮ層１４も転位の影響を受けることなく、良好な結晶性を示すようになる。結果として、発光素子１０全体の結晶性が向上し、発光効率などの特性を向上させることができるようになる。
【００３３】
なお、ＧａＩｎＮ活性層１３は、発光素子１０がその本来的な機能を発揮するための層であって、必須の要素である。したがって、発光素子１０を構成する各層を形成する工程以外に、ＥＬＯ技術などにおけるＳｉＯ２からなるストライプ状の層などを形成する余分な工程が不要となり、発光素子１０を製造する上での工程の煩雑化や、製造コストの増大を回避することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、発光素子１０のＧａＩｎＮ活性層１３を、第１の層１３１及び第２の層１３２が交互に積層されてなる周期的超格子構造としているので、第１の層１３１の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍ、第２の層１３２の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍとすることにより、ＧａＩｎＮ活性層１３の表層部及びその上のｐ型ＧａＮ層１４中の転位密度をより低減し、結晶性を向上させることができる。
【００３５】
さらに、ＧａＩｎＮ活性層１３の厚さを２００ｎｍ以上とすれば、上記作用効果をより顕著に奏することができるようになる。また、ＧａＩｎＮ活性層１３の厚さの上限値は２０００ｎｍとすることができる。
【００３６】
なお、ＧａＩｎＮ活性層１３の表層部とは、ＧａＩｎＮ活性層１３の厚さにも依存するが、おおよそＧａＩｎＮ活性層１３の表面から数十ｎｍまでの深さの領域を意味するものである。
【００３７】
図２は、ＧａＩｎＮ活性層が周期的超格子構造を有しない従来の発光素子の概略構成を示す図である。
【００３８】
図２に示す発光素子２０は、ＧａＮ基板２１上に、μｍオーダーの厚さを有するｎ型ＧａＮ層２２、ＧａＩｎＮ活性層２３及びμｍオーダーの厚さを有するｐ型ＧａＮ層２４が順次に形成されてなる。ＧａＩｎＮ活性層２３は、周期的超格子構造を呈することなく、単一の層として形成されている。なお、図１に示す発光素子１０と同様に、ＧａＩｎＮ活性層２３における組成比を制御することによって、赤色光から青色光までを発することができるようになる。
【００３９】
図２に示す発光素子２０は、ＧａＩｎＮ活性層２３が周期的超格子構造を呈していないので、ｎ型ＧａＮ層２２及びＧａＩｎＮ活性層２３間の界面にミスフィット転位が発生し、さらにＧａＩｎＮ活性層２３中に転位が発生した場合において、これらの転位はＧａＩｎＮ活性層２３を貫通し、ＧａＩｎＮ活性層２３の表面に露出するようになる。したがって、ＧａＩｎＮ活性層２３の結晶性が低下するとともに、その上に形成されているｐ型ＧａＮ層１４も転位の影響を受け、結晶性が低下してしまうようになる。結果として、発光素子２０全体の結晶性が低下し、発光効率などの特性を向上させることができない。
【００４０】
図１の発光素子１０の、例えばＧａＩｎＮ活性層１３の表層部の転位密度と、図２の発光素子２０のＧａＩｎＮ活性層２３の転位密度とを比較すると、前者の転位密度は後者の転位密度の少なくとも１／１００以下とすることができ、具体的には、２×１０７／ｃｍ以下とすることができる。
【実施例】
【００４１】
（実施例）
図１に示す発光素子１０において、ＧａＩｎＮ活性層１３を、第１の層１３１をＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎとし、第２の層１３２をＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎとした周期的超格子構造とし、得られた発光素子１０の転位の状態をＴＥＭによって観察した。なお、周期的超格子構造は、第１の層１３１及び第２の層１３２の厚さをそれぞれ３ｎｍとし、合計５０周期の周期的超格子構造（厚さ３００ｎｍ）とした。また、ｎ型ＧａＮ層１２及びｐ型ＧａＮ層１４の厚さはそれぞれ３μｍとした。
【００４２】
なお、各層は、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニア（ＮＨ３）を用い、ＭＯＣＶＤ法によって形成した。
【００４３】
図３は、発光素子１０の断面ＴＥＭ写真である。図３から明らかなように、本実施例の発光素子１０においては、ｎ型ＧａＮ層１２とＧａＩｎＮ活性層１３との界面、及びＧａＩｎＮ活性層１３中に転位が発生していることが認められるが、転位がＧａＩｎＮ活性層１３の表面に抜けていないことが分かる。したがって、ＧａＩｎＮ活性層１３及びその上のｐ型ＧａＮ層１４に転位が伝播しないので、ＧａＩｎＮ活性層１３の表層部及びｐ型ＧａＮ層１４中に存在する転位密度を十分に低減でき、これらの結晶性を向上できることが分かる。
【００４４】
実際、ＴＥＭ観察により、ＧａＩｎＮ活性層１３の表層部の転位密度は２×１０−７／ｃｍであることが判明した。
【００４５】
（比較例）
図２に示す発光素子２０において、ＧａＩｎＮ活性層２３を、厚さ３００ｎｍのＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎ単層とし、得られた発光素子２０の転位の状態をＴＥＭによって観察した。また、ｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層の厚さはそれぞれ３μｍとした。
【００４６】
なお、各層は、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニア（ＮＨ３）を用い、ＭＯＣＶＤ法によって形成した。
【００４７】
図４は、発光素子２０の断面ＴＥＭ写真である。図４から明らかなように、本実施例の発光素子２０においては、ｎ型ＧａＮ層２２とＧａＩｎＮ活性層２３との界面、及びＧａＩｎＮ活性層２３中に転位が発生していることが認められるが、ＧａＩｎＮ活性層２３が周期的超格子構造を呈していないため、転位はＧａＩｎＮ活性層２３を貫通して表面に抜けるとともに、さらにその上のｐ型ＧａＮ層２４にまで伝播していることが分かる。したがって、本比較例では、ＧａＩｎＮ活性層２３が周期的超格子構造を呈していないことに起因して、ＧａＩｎＮ活性層２３及びｐ型ＧａＮ層２４中に存在する転位密度を十分に低減できず、これらの結晶性が低下することが分かる。
【００４８】
実際、ＴＥＭ観察により、ＧａＩｎＮ活性層２３の表層部の転位密度は１×１０−１０／ｃｍであることが判明した。したがって、上記実施例と比較して、転位密度が１００倍以上となっていることが分かる。換言すれば、上記実施例における転位密度は、比較例の転位密度と比較して、１／１００以下であることが分かる。
【００４９】
以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００５０】
例えば、上記具体例では、ＧａＩｎＮ活性層２３を３００ｎｍと厚く形成しているが、ＧａＩｎＮ活性層２３を１００ｎｍ程度としても、ＧａＩｎＮ活性層２３中の転位密度を十分に低減することができ、発光層としての機能を十分に奏することができる。
【００５１】
また、上記具体例では、半導体素子として素子を中心に述べてきたが、本発明の半導体素子は発光素子のみならず、受光素子や高電子移動トランジスタ、太陽電池などに適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０，２０  発光素子
１１、２１  ＧａＮ基板
１２，２２  ｎ型ＧａＮ層
１３  ＧａＩｎＮ活性層（周期的超格子構造）
１４、２４  ｐ型ＧａＮ層
２３  ＧａＩｎＮ活性層（単層）
【図１】
2012009784.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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