(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホウ化ジルコニウムを主成分とする単結晶からなる基体の上面に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を被着させて成る半導体基板において、
前記基体との界面近傍に位置する半導体層内に、基体中のホウ素を１．０×１０16個／ｃｍ3〜１．０×１０19個／ｃｍ3の濃度で拡散させてなるコンタクト領域を形成するとともに、該コンタクト領域中のホウ素濃度を前記基体より離間するにしたがって漸次小さくなるように設定したことを特徴とする半導体基板。
【請求項２】
前記基体を形成する単結晶の結晶構造が六方晶構造であり、且つ該基体上面の面方位が（０００１）面を０°〜５°だけ傾斜させた面と一致させてあることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記半導体層は一導電型半導体薄膜と逆導電型半導体薄膜とを順次積層して形成された発光素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光デバイスや電子デバイス等の半導体装置に組み込んで使用される半導体基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発光デバイスや電子デバイス等の半導体装置に半導体基板が組み込んで使用されている。
【０００３】
かかる従来の半導体基板は、例えば、図３に示す如く、サファイア製の単結晶から成る基体１１の上面に、窒化ガリウム製のｐ型半導体薄膜及びｎ型半導体薄膜を順次積層して成る半導体層１２を被着させた構造を有しており、かかる半導体基板をＬＥＤ（Light Emitting Diode）や半導体レーザ等の発光デバイスに組み込んで使用する場合、半導体層１２に被着された一対の電極層１３を介して半導体層１２に所定の電力を印加し、半導体層内部のｐｎ接合付近で電子と正孔とを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の上方に放出することによって半導体基板として機能する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体層１２を構成する窒化ガリウムの格子定数（０．３１８ｎｍ）は、基体１１を構成するサファイアの格子定数（０．２７４ｎｍ）に比し大きく、両者の格子定数は大きく異なっていることから、サファイア製の基体１１上に窒化ガリウム製の半導体層１２を被着させた場合、両者間で格子不整合が生じ、半導体層１２中に格子欠陥が数多く発生してしまう。このため、半導体層１２に所定の電力を印加して発光させようとすると、半導体層内部の電子や正孔が格子欠陥にトラップされ、再結合する電子や正孔の数が少なくなり、半導体層１２の発光強度が著しく低下する欠点を有していた。また、半導体基板をＨＢＴ（Heterojunction Bipolar Transistor）やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等の電子デバイスに組み込んで使用する場合においても、半導体層１２に所定の電力を印加して駆動すると、半導体層１２の格子欠陥中に電子や正孔がトラップされ、これらの電子や正孔が格子欠陥を介して外部に洩れてしまい、半導体装置を正常に機能させることが不可となる欠点を誘発する。
【０００５】
そこで上記欠点を解消すべく、半導体層１２を、窒化ガリウムと格子定数が略等しいホウ化ジルコニウム（格子定数０．３１７ｎｍ）から成る基体１１の上面に被着させることにより、格子欠陥の少ない半導体層１２を得ることを意図した半導体基板が提案されている。
【０００６】
このような半導体基板においては、基体１１’を構成するホウ化ジルコニウムの電気伝導性が高いことから、基体１１’及び電極層１３’を介して半導体層１２’に電力を供給し、基体１１’を電極として使用する形となる（図４参照）。
【０００７】
しかしながら、基体１１’を構成するホウ化ジルコニウムと半導体層１２’を構成する窒化ガリウムとは仕事関数が大きく異なることから（仕事関数の差：約１．３ｅＶ）、基体１１’上に半導体層１２’を被着させると、半導体層１２’の下部領域でエネルギー準位の変動が極めて大きくなる。その結果、電流の流れが極めて悪くなり、大きな電力損失が発生する欠点を誘発する。
【０００８】
本発明は、上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は組み込まれる半導体装置の消費電力を小さく抑えることができ、しかも格子欠陥の少ない窒化ガリウム製の半導体層を得ることが可能な小型の半導体基板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体基板は、ホウ化ジルコニウムを主成分とする単結晶から成る基体の上面に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を被着させて成る半導体基板において、前記基体との界面近傍に位置する半導体層内に、基体中のホウ素を１．０×１０16個／ｃｍ3〜１．０×１０19個／ｃｍ3の濃度で拡散させてなるコンタクト領域を形成するとともに、該コンタクト領域中のホウ素濃度を前記基体より離間するにしたがって漸次小さくなるように設定したことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の半導体基板は、前記基体を形成する単結晶の結晶構造が六方晶構造であり、且つ該基体上面の面方位が（０００１）面を０°〜５°だけ傾斜させた面と一致させてあることを特徴とするものである。
【００１１】
更に、本発明の半導体基板は、前記半導体層が一導電型半導体薄膜と逆導電型半導体薄膜とを順次積層して形成された発光素子であることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の半導体基板によれば、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を、窒化ガリウムと格子定数が略等しいホウ化ジルコニウムを主成分とする単結晶から成る基体上に被着させたことから、格子欠陥数の少ない良質の半導体層を形成することができる。従って、半導体基板を発光デバイスに組み込んで使用する場合には、半導体層内の正孔や電子を良好に再結合させて、半導体層の発光強度を向上させることができ、一方、半導体基板を電子デバイスに組み込んで使用する場合には、半導体層内の正孔や電子が半導体層の外部に洩れることを有効に防止し、半導体基板の信頼性を向上させることができる。
【００１３】
しかもこの場合、前記基体を構成するホウ化ジルコニウムの電気伝導性が比較的高いことから、基体を介して半導体層に電力を印加し、基体を電極として兼用することで、電極の一部を省き、半導体基板を小型化することができる。
【００１４】
また、上記ホウ化ジルコニウムは、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜１３３Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高いことから、半導体層中で発生した熱は基体を介して外部へ良好に放出されることとなり、半導体基板を発光デバイスや電子デバイス等の半導体装置に組み込んで長時間にわたり使用する場合であっても、半導体層が過度に高温となることはなく、半導体基板を常に使用に適した状態に保持することが可能となる。
【００１５】
更に、本発明の半導体基板によれば、前記基体と半導体層との界面近傍に位置する半導体層内に、基体中のホウ素を１．０×１０16個／ｃｍ3〜１．０×１０19個／ｃｍ3の濃度で拡散させてなるコンタクト領域を形成するとともに、該コンタクト領域中のホウ素濃度を前記基体より離間するにしたがって漸次小さくなるように設定したことから、上記界面近傍の半導体層内におけるエネルギー準位の変動は小さく抑えられ、電流が良好に流れるようになり、消費電力の小さい高性能の半導体装置が実現される。
【００１６】
また更に、本発明の半導体基板によれば、六方晶構造を有する基体上面の面方位を（０００１）面を０°〜５°だけ傾斜させた面と一致させることにより、ホウ化ジルコニウムと窒化ガリウムとの格子整合性が高められ、半導体層中の格子欠陥数が更に少ない高品質の半導体層を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体基板を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る半導体基板の断面図であり、図中の１は基体、２は半導体層としての発光素子、２ａはコンタクト領域、３は電極層である。
【００１８】
前記基体１は、六方晶構造を有する単結晶のホウ化ジルコニウムにより四角形状に形成され、その上面の面方位が（０００１）面を０°〜５°だけ傾斜させた面と一致しており、その上面には発光素子２や電極層３等が被着され、これらを支持する支持母材として機能する。
【００１９】
また、前記基体１を構成するホウ化ジルコニウムは、その熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜１３３Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高く、半導体基板を発光デバイス等の半導体装置に組み込んで使用する際に、基体１の上面に被着される発光素子２の発する熱が基体１を介して外部へ良好に放出されることとなる。従って、半導体基板を長時間にわたり使用する場合であっても、発光素子２が過度に高温となることはなく、発光素子２の発光特性を略一定に保持することが可能となる。
【００２０】
更に、前記基体１を構成するホウ化ジルコニウムは、その電気伝導性が比較的高く、基体１を介して発光素子２に所定の電力を印加することで、電極としても兼用できる。従って、電極の一部を省き、半導体基板を小型化することができる。
【００２１】
このような基体１は、例えば、従来周知の高周波誘導体溶融法等によって形成したホウ化ジルコニウムのインゴット（塊）を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。
【００２２】
また、前記基体１上の発光素子２は、ＧａＮやＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ型半導体薄膜及びｎ型半導体薄膜を順次積層させた構造を有しており、かかる発光素子２に前記基体１や電極層３を介して所定の電力が印加されると、ｎ型半導体薄膜中に正孔が、ｐ型半導体薄膜中に電子がそれぞれ注入され、両者をｐｎ接合付近で再結合させることによって発光素子２が所定の輝度で発光する。
【００２３】
そして、前記発光素子２は、基体１との界面近傍、具体的には、基体１より５ｎｍ〜１００ｎｍ離間した領域にコンタクト領域２ａを有している。
【００２４】
前記コンタクト領域２ａは、発光素子２を構成するＧａＮ等をベースとして、その直下に存在する基体１より拡散されたホウ素を１．０×１０16個／ｃｍ3〜１．０×１０19個／ｃｍ3の濃度で含んで構成されており、かかるホウ素濃度は基体１より離間するにしたがって漸次小さくなるように、具体的には、図２に示す如く、ホウ素濃度の勾配が基体１より離間するにしたがって漸次小さくなるように設定されている。このため、ホウ化ジルコニウムからなる基体１の上面に、ホウ化ジルコニウムと仕事関数の異なる窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子２を被着させた場合であっても、基体１と発光素子２との界面近傍に位置する発光素子２のエネルギー準位の変動が小さく抑えられ、電流が良好に流れるようになり、消費電力の小さい高性能の発光デバイスが実現される。
【００２５】
ここで、前記コンタクト領域２ａ中のホウ素濃度が１．０×１０16個／ｃｍ3よりも小さいと、ホウ素の含有量が不足するため、基体１と発光素子２との界面近傍におけるエネルギー準位の変動が大きくなり、電力損失が大きくなってしまい、一方、前記コンタクト領域２ａ中のホウ素濃度が１．０×１０19個／ｃｍ3よりも大きいと、ホウ素の含有量が多くなりすぎるため、発光素子２の結晶性が低下し、発光素子２の発光特性が不安定になる欠点を誘発する。従って、前記コンタクト領域２ａ中のホウ素濃度を１．０×１０16個／ｃｍ3〜１．０×１０19個／ｃｍ3に設定しておくことが重要である。
【００２６】
尚、前記発光素子２は、例えば、従来周知のＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等を採用し、ＧａＮやＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を基体１の上面に順次、エピタキシャル成長させることによって形成され、また前記コンタクト領域２ａは、基体１上に発光素子２を形成した後、例えば、これらを６００℃〜１０００℃の温度で３０分間〜１時間加熱することで基体１中のホウ素を所定量、発光素子２に拡散させることにより、５ｎｍ〜１００ｎｍの厚みに形成される。
【００２７】
この場合、上述の基体１は窒化ガリウムと略等しい格子定数を有するホウ化ジルコニウムにより形成されているため（窒化ガリウムの格子定数：０．３１８ｎｍ、ホウ化ジルコニウムの格子定数：０．３１７ｎｍ）、格子欠陥の数を１．０×１０5個／ｃｍ3〜１．０×１０9個／ｃｍ3程度に低く抑えた良質の発光素子２を得ることができる。従って、発光素子２内の正孔や電子を良好に再結合させて、発光素子２の発光強度を向上させることが可能となる。
【００２８】
しかもこの場合、基体上面の面方位は、（０００１）面を０°〜５°だけ傾斜させた面と一致させてあるため、ホウ化ジルコニウムと窒化ガリウムとの格子整合性が高められ、格子欠陥数が更に少ない高品質の半導体層２を得ることができる。尚、前記発光素子中の格子欠陥数をできる限り小さくするには、前記基体上面の面方位を、（０００１）面を２°〜４°だけ傾斜させた面と一致させておくことが好ましい。
【００２９】
かくして上述した半導体基板は、ＬＥＤや半導体レーザ等の発光デバイスに組み込んで使用する場合、基体１及び電極層３を介して発光素子２に所定の電力を印加し、半導体層内部のｐｎ接合付近で電子と正孔とを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、得られた光を発光素子２の上方に放出することによって半導体基板として機能する。
【００３０】
尚、本発明は上述の実施形態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において種々の変更、改良等が可能である。
【００３１】
例えば、上述の実施形態においては、本発明の半導体基板を発光デバイスに組み込んで使用した場合を例に説明したが、本発明の半導体基板をＨＢＴやＨＥＭＴ等の電子デバイスに組み込んで使用することも可能である。
【００３２】
また、上述の実施形態においては、発光素子２を形成する際、ＭＯＣＶＤ法を採用するようにしたが、これ以外の方法、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等により形成するようにしても構わない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の半導体基板によれば、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を、窒化ガリウムと格子定数が略等しいホウ化ジルコニウムを主成分とする単結晶から成る基体上に被着させたことから、格子欠陥数の少ない良質の半導体層を形成することができる。従って、半導体基板を発光デバイスに組み込んで使用する場合には、半導体層内の正孔や電子を良好に再結合させて、半導体層の発光強度を向上させることができ、一方、半導体基板を電子デバイスに組み込んで使用する場合には、半導体層内の正孔や電子が半導体層の外部に洩れることを有効に防止し、半導体基板の信頼性を向上させることができる。
【００３４】
しかもこの場合、前記基体を構成するホウ化ジルコニウムの電気伝導性が比較的高いことから、基体を介して半導体層に電力を印加し、基体を電極として兼用することで、電極の一部を省き、半導体基板を小型化することができる。
【００３５】
また、上記ホウ化ジルコニウムは、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜１３３Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高いことから、半導体層中で発生した熱は基体を介して外部へ良好に放出されることとなり、半導体基板を発光デバイスや電子デバイス等の半導体装置に組み込んで長時間にわたり使用する場合であっても、半導体層が過度に高温となることはなく、半導体基板を常に使用に適した状態に保持することが可能となる。
【００３６】
更に、本発明の半導体基板によれば、前記基体と半導体層との界面近傍に位置する半導体層内に、基体中のホウ素を１．０×１０16個／ｃｍ3〜１．０×１０19個／ｃｍ3の濃度で拡散させてなるコンタクト領域を形成するとともに、該コンタクト領域中のホウ素濃度を前記基体より離間するにしたがって漸次小さくなるように設定したことから、上記界面近傍の半導体層内におけるエネルギー準位の変動は小さく抑えられ、電流が良好に流れるようになり、消費電力の小さい高性能の半導体装置が実現される。
【００３７】
また更に、本発明の半導体基板によれば、六方晶構造を有する基体上面の面方位を（０００１）面を０°〜５°だけ傾斜させた面と一致させることにより、ホウ化ジルコニウムと窒化ガリウムとの格子整合性が高められ、半導体層中の格子欠陥数が更に少ない高品質の半導体層を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体基板の断面図である。
【図２】図１の半導体基板を構成するコンタクト領域中のホウ素濃度の勾配を示すグラフである。
【図３】従来の半導体基板の断面図である。
【図４】従来の半導体基板の断面図である。
【符号の説明】
１・・・基体、２・・・発光素子（半導体層）、２ａ・・・コンタクト領域、３・・・電極層
【図１】
0003934973.tif 000002
【図２】
0003934973.tif 000003
【図３】
0003934973.tif 000004
【図４】
0003934973.tif 000005