(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成された単結晶ＡｌＮからなる第１のバッファー層と、
前記第１のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上６μｍ以下の単結晶ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦０．９７）からなる第２のバッファー層と、
前記第２のバッファー層上に形成された窒化物半導体からなる素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成された炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下のＡｌＮからなる第１のバッファー層と、
前記第１のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上６μｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦０．９７）からなる第２のバッファー層と、
前記第２のバッファー層上に形成された窒化物半導体からなる素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第２のバッファー層が厚さ０．７μｍ以上３μｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５）であることを特徴とする請求項１或いは２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１のバッファー層の厚さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記素子構造部が半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記サファイア基板が前記半導体レーザの形成されている面側に凹状に反っていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成された高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層と、
前記高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層上に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５）からなる第２のバッファー層と、
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５）からなる第２のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２５≦ｙ≦０．７５）格子緩和層と、
前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２５≦ｙ≦０．７５）格子緩和層上に形成されたＡｌＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合を有する素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項８】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成された高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層と、
前記高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層上に形成されたＡｌＮからなる第２のバッファー層と、
前記ＡｌＮからなる第２のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．３≦ｙ≦０．７）格子緩和層と、
前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．３≦ｙ≦０．７）格子緩和層上に形成されたＡｌＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合を有する素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項９】
サファイア基板上に、Ｖ族原料／III族原料が０．７以上５０以下の条件で原料を供給してＡｌＮからなる第１のバッファー層を形成する工程と、
前記第１のバッファー層上に、厚さ０．３μｍ以上６μｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦０．９７）からなる第２のバッファー層を形成する工程と、
前記第２のバッファー層上に、窒化物半導体からなる素子構造部を形成する工程を具備することを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第１のバッファー層を形成する工程は、基板温度を１０５０℃以上１２００℃以下とすることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一つであるＧａＮはバンドギャップが３．４ｅＶと大きく、直接遷移型であり、短波長発光素子用材料として注目されている。また、そのバンドギャップの大きさから高い耐圧が必要な高出力電子素子用材料として期待されている。
【０００３】
一方ＧａＮは、格子整合する良質な基板がないため、便宜上、サファイア基板上に成長している。しかしながらサファイアとＧａＮは格子不整合が１５％程度と大きいために、結晶性が良質なＧａＮ層を形成することが困難である。
【０００４】
そこで、格子不整合の影響を緩和するためにサファイア基板上に、バッファー層としてアモルファスまたは多結晶のＡｌＮまたはＧａＮを極薄く低温（６００℃程度）成長させ、このバッファー層上に素子構造部となるＧａＮ層を高温（１０００℃程度）成長させる方法が用いられている。
【０００５】
このバッファー層を用いる方法では、アモルファスまたは多結晶ＡｌＮやＧａＮが素子構造部のＧａＮ層を形成する際に熱歪を緩和する効果や、バッファー層内部に含まれている微結晶が、ＧａＮ層成長時に方位の揃った種結晶となりＧａＮの結晶品質が向上すると考えられている。
【０００６】
しかしながら、この方法を用いた場合にもやはり格子不整合による貫通転移が高密度に発生し、また、残留歪によるそりやひび割れを避けられず、量産に必要な大面積ウエハ上の成長には大きな問題であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のアモルファスまたは多結晶のＡｌＮまたはＧａＮをバッファー層として用いる方法では、格子不整合による貫通転移が高密度化する問題や残留歪みによるひび割れ問題があり、量産に必要な大面積ウエハ上に成長できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、貫通転移などの欠陥が少なく、さらに不要な歪みのない高品質窒化物結晶層をサファイア基板上に形成することにより、高性能な窒化物半導体装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成された単結晶ＡｌＮからなる第１のバッファー層と、前記第１のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上６μｍ以下の単結晶ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦０．９７）からなる第２のバッファー層と、前記第２のバッファー層上に形成された窒化物半導体からなる素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
また、本発明は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成された炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下のＡｌＮからなる第１のバッファー層と、前記第１のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上６μｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦０．９７）からなる第２のバッファー層と、前記第２のバッファー層上に形成された窒化物半導体からなる素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【００１０】
このとき、前記第２のバッファー層が厚さ０．７μｍ以上３μｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ０．９５）であることが好ましい。
【００１１】
また、前記第１のバッファー層の厚さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、前記素子構造部が半導体レ-ザであることが好ましい。
【００１３】
また、前記サファイア基板が前記半導体レーザの形成されている面側に凹状に反っていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成された高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層と、前記高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層上に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５）からなる第２のバッファー層と、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５）からなる第２のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２５≦ｙ≦０．７５）格子緩和層と、前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２５≦ｙ≦０．７５）格子緩和層上に形成されたＡｌＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合を有する素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【００１５】
また、本発明は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成された高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層と、前記高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層上に形成されたＡｌＮからなる第２のバッファー層と、前記ＡｌＮからなる第２のバッファー層上に形成された厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．３≦ｙ≦０．７）格子緩和層と、前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．３≦ｙ≦０．７）格子緩和層上に形成されたＡｌＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合を有する素子構造部とを具備することを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
また、本発明は、サファイア基板上にＶ族原料／III族原料が０．７以上５０以下の条件で原料を供給してＡｌＮからなる第１のバッファー層を形成する工程と、前記第１のバッファー層上に、厚さ０．３μｍ以上６μｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦０．９７）からなる第２のバッファー層を形成する工程と、前記第２のバッファー層上に、窒化物半導体からなる素子構造部を形成する工程を具備することを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法を提供する。
このとき、前記第１のバッファー層を形成する工程は、基板温度を１０５０℃以上１２００℃以下とすることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し本発明について、詳細に説明する。
【００１７】
先ず、本発明者らは、サファイア基板上に単結晶ＡｌＮバッファー層を成長し、この上にＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＩｎＮ層を成長した場合の各層の成長段階でそりが発生する様子を調べた。この結果、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＧａＩｎＮ層等の素子構造部に用いられる層間の格子不整合に基づく影響の他に、サファイア基板と単結晶ＡｌＮバッファー層間の格子定数差に基づくと思われる歪の影響が大きいことがわかった。
【００１８】
この結果より、本発明者らは、サファイア基板上にＡｌＮバッファー層を形成し、この上にＧａを添加して格子定数を大きくしたＡｌＧａＮバッファー層を形成することにより歪が緩和され、そりがなくなると考えた。
【００１９】
そこで本発明者らは、ＡｌＧａＮバッファー層のＧａ組成比及び膜厚を種々選択して実験したところ、ＡｌＮよりもわずかに大きい格子定数を有するＡｌ組成が８０％から９７％、厚さ０．３μｍ以上６μｍ以下のＡｌＧａＮ層を第２のバッファー層としてＡｌＮバッファー層上に形成したとき、この第２のバッファー層はほぼ無歪となりウエハのそりがなくなることを見出した。
【００２０】
第２のバッファー層の厚さが０．３μｍよりも薄いと十分な平坦化が得られず、６μｍよりも大きいとサファイア基板との熱膨張係数差によりひび割れが生じた。
【００２１】
また、第２のバッファー層の厚さが０．７μｍ以上であるとより欠陥の密度が低減した。また、膜さが厚くなることにより徐々に欠陥は低下し、３μｍよりも厚いと効果は飽和することが分かった。そこで原材料を削減し、スループットを向上するために、第２のバッファー層の厚さは３μｍ以下が好ましい。
【００２２】
また、ＡｌＧａＮからなる第２のバッファー層のＡｌ組成は８５％以上９５％以下であることが歪を低減するためにより好ましい。
【００２３】
また、ＡｌＧａＮからなる第２のバッファー層のＡｌ組成を８０％以上９７％以下の間で調整することによりウエハのそりを任意に調整可能である。例えば、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＧａＩｎＮ層の厚さや組成比に応じて、第２のバッファー層のＡｌ組成を調整することで、歪の補正が可能である。より好ましくはＡｌ組成を８５％以上９５％以下とすることである。
【００２４】
また、半導体レーザの場合、用いるＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の格子不整が大きいために、素子部に対して凹状に基板面がそるように第２のバッファー層のＡｌ組成を調整すると、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層間の格子不整によるひび割れを低減でき素子特性の改善が可能である。
【００２５】
従来のＡｌＮ層のみをバッファー層として用いる方法と比較すると、第２のバッファー層を形成することで、歪を大幅に低減できバッファー層自体の結晶性が向上し、この上に成長する素子構造部となるＧａＮ層、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＩｎＮ層等の結晶性は大幅に向上した。
【００２６】
また、本発明者らは、さらにＡｌＧａＮ格子緩和層をバッファー層と素子構造部との間に形成することで、最も格子定数差が大きいＡｌＮ層及びＧａＮ層のヘテロ接合を有する基板においても歪を緩和させることができると考えた。
【００２７】
そこで本発明者らは、ＡｌＧａＮ格子緩和層のＧａ組成比及び膜厚を種々選択して実験したところ、Ａｌ組成が２５％から７５％、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下のＡｌＧａＮ格子緩和層をバッファー層と素子構造部との間に形成したとき、この基板はほぼ無歪となりウエハのそりがなくなることを見出した。
【００２８】
また、本発明らは、さらにＡｌ組成が８５％以上１００％以下のＡｌＧａＮ中間層を形成し、この上にＧａＮチャネル領域、このＧａＮチャネル領域上にＡｌＩｎＮ層を形成すると、ＡｌＩｎＮ層のＩｎ組成を３％以上１０％以下含有可能であることを見出した。通常ＡｌＮにＩｎを含有させることはＩｎの格子定数が大きく困難であるが、本発明ではＩｎを３％以上１０％以下も含有させることができる。このＡｌＩｎＮ層をゲート絶縁膜とすることでＦＥＴ素子の特性を大幅に向上させることが可能となる。
【００２９】
以下、図面を用いて本発明の実施形態にかかる窒化物半導体素子の具体的な構造を説明する。なお、本発明は以下にあげる実施形態に限定されることはなく、種々変形して用いることができる。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる青色半導体レーザを有する窒化物半導体素子の断面図である。
【００３１】
図１に示すように、サファイア基板１のｃ面上には、高炭素濃度ＡｌＮ（炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３から１×１０２０ｃｍ−３、厚さ１０ｎｍから５０ｎｍ）からなる第１のバッファー層２が形成されている。第１のバッファー層２は単結晶である。
【００３２】
第１のバッファー層２上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５、膜さ０．７μｍ以上３μｍ以下）からなる第２のバッファー層３が形成されている。第２のバッファー層２は単結晶である。
【００３３】
第２のバッファー層３上には、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の単結晶ＡｌＮ保護層４が形成されている。このＡｌＮ保護層４は、第２のバッファー層３からＧａが抜け難くするために設けている。
【００３４】
ＡｌＮ保護層４上には、ＧａＮ格子緩和層５が形成されている。ＧａＮ格子緩和層５は、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３で厚さが３μｍである。
【００３５】
ＧａＮ格子緩和層５上には、ｎ型ＧａＮコンタクト層６が形成されている。ｎ型ＧａＮコンタクト層６は、Ｓｉ濃度が３×１０１８ｃｍ−３で厚さが１μｍである。
【００３６】
ｎ型ＧａＮコンタクト層６上には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７は、Ｓｉ濃度が３×１０１８ｃｍ−３で厚さが１．３μｍである。
【００３７】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７上には、ｎ型ＧａＮからなる第１の光導波層８が形成されている。第１の光導波層８は、Ｓｉ濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍである。
【００３８】
第１の光導波層８上には、Ｇａ０．８ｌｎ０．２Ｎ発光層９（Ｓｉ濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ６ｎｍ）／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎバリア層１０（厚さ１．５ｎｍ）の３周期多層構造の発光部が形成されている。Ｇａ０．８ｌｎ０．２Ｎ発光層９のＩｎ組成は、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎバリア層１０のＩｎ組成よりも高くしてバンドギャップを低くするようにする。こうすることで電子を閉じ込めることができ量子効果により発光効率を高めることができる。
【００３９】
Ｇａ０．８ｌｎ０．２Ｎ発光層９（Ｓｉ濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ６ｎｍ）／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎバリア層１０（厚さ１．５ｎｍ）の３周期多層構造の発光部上には、厚さ２０ｎｍのＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＧａＮ傾斜層１１が形成されている。このＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＧａＮ傾斜層１１は発光部側から徐々にＩｎ組成が低くなっている。
【００４０】
Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＧａＮ傾斜層１１上には、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子バリア層１２が形成されている。ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子バリア層１２は、Ｍｇ濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ２０ｎｍである。
【００４１】
ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子バリア層１２上には、図示しない厚さ２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ−ＧａＮ傾斜層が形成されている。このＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ−ＧａＮ傾斜層のＭｇ濃度は５×１０１８ｃｍ−３で、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子バリア層１２側からＡｌ組成が徐々に低くなっている。
【００４２】
Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ−ＧａＮ傾斜層上には、ｐ型ＧａＮからなる第２の光導波層１３が形成されている。第２の光導波層１３は、Ｍｇ濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さが０．１μｍである。
【００４３】
第２の光導波層１３上には、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１４が形成されている。ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１４は、Ｍｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さが０．７μｍである。また図１に示すように、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１４の一部はエッチングされ薄くなっており、幅１．５μｍから３μｍのストライプ状の凸部を有する。
【００４４】
ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１４の凸部上には、ｐ型ＧａＮ中間コンタクト層１５が形成されている。ｐ型ＧａＮ中間コンタクト層１５は、Ｍｇ濃度が２×１０１９ｃｍ−３で厚さが０．２μｍである。
【００４５】
ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１４のエッチングされた薄膜上及び凸部の周辺には、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電流ブロック層１６が形成されている。ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電流ブロック層１６は、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３で厚さが０．５μｍである。
【００４６】
このように凸部を電流ブロック層１６によって覆う構造によって、横モードが制御される。
【００４７】
ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電流ブロック層１６及びｐ型ＧａＮ中間コンタクト層１５上には、ｐ型ＧａＮ電流拡散層１７が形成されている。ｐ型ＧａＮ電流拡散層１７は、Ｍｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さが０．４μｍである。
【００４８】
ｐ型ＧａＮ電流拡散層１７上には、ｐ型ＧａＮコンタクト層１８が形成されている。このｐ型ＧａＮコンタクト層１８は、Ｍｇ濃度が３×１０１９ｃｍ−３厚さ０．０５μｍである。
【００４９】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１８上には、Ｐｄ（厚さ０．０５μｍ）／Ｐｔ（厚さ０．０５μｍ）／Ａｕ（厚さ１．０μｍ）からなるｐ側電極１９が皮着してある。
【００５０】
ｎ型ＧａＮコンタクト層６上には、Ｔｉ（厚さ０．０５μｍ）／Ａｌ（厚さ１．０μｍ）からなるｎ側電極２０が皮着してある。
【００５１】
この構造は、サファイア基板１上に、ＡｌＮ第１のバッファー層２、ＡｌＧａＮ第２のバッファー層３、ＡｌＮ保護層４、ＧａＮ緩和層５、ＧａＮコンタクト層６、ＡｌＧａＮクラッド層７、ＧａＮ光導波層８、ＧａＩｎＮ発光層９、ＧａＩｎＮバリア層１０、ＧａＩｎＮ−ＧａＮ傾斜層１１、ＡｌＧａＮ電子バリア層１２、ＧａＮ光導波層１３、ＡｌＧａＮクラッド層１４及びＧａＮ中間コンタクト層１５まで連続して成長する。
【００５２】
次に、ＧａＮ中間コンタクト層１５及びＡｌＧａＮクラッド層１４を反応性イオンエッチングにより凸部状に整形する。次に、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電流ブロック層１６を再成長する。次に、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎブロック層１６を、ｐ型ＧａＮ中間コンタクト層１５が露出するまで研磨する。次に、ｐ型ＧａＮ電流拡散層１７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１８を成長することにより作成される。
【００５３】
ｐ型ＧａＮ中間コンタクト層１８は再成長時に表面を保護する役割を果たしており、ＡｌＧａＮクラッド層１４とは必要に応じて組成変化を緩やかにして通電抵抗の低減を図ることができる。
【００５４】
この半導体レーザは、貫通転移などの欠陥が少なく、さらに不要な歪みのない高性能なものであった。
【００５５】
また、第２のバッファー層３は、原子レベルで平坦化し、この上に成長するＧａＮ格子緩和層５の欠陥を十分に低減するためには０．７μｍよりも厚くすることが好ましい。
【００５６】
また、複雑な歪みが残留しやすい半導体レーザではひび割れ防止のために３μｍより薄くすればよい。
【００５７】
また、良好な結晶性を再現性よく成長させるためには、第２のバッファー層３は、厚さ１μｍ以上２μｍ以下が望ましい。
【００５８】
次に、図２に、第２のバッファー層３のＡｌ組成と素子に発生するクラック密度との関係を示す。
【００５９】
図２は、バッファー層３の膜厚を典型的な値である１．５μｍにしたときの素子発光部のクラック密度とＡｌ組成の関係を示している。バッファー層３のＡｌ組成が０．８５から０．９５の時にはクラックはほぼ発生しない。Ａｌ組成が０．８から０．９７の間から外れるとクラック密度が極端に増大することが分かる。
【００６０】
図３は、バッファー層３の膜厚と発光部に貫通する欠陥の密度の関係を示している。バッファー層３の膜厚が０．７μｍより薄くなると転位が増大し始め、０．３μｍより薄い場合には欠陥低減効果はほとんどない。また、膜厚が３．０μｍより厚くなるとマイクロクラックの発生により逆に欠陥が増大し、６．０μｍを超えるとマクロなクラックの発生により極端に貫通欠陥が増大することが分かる。
【００６１】
また、本実施形態による半導体レーザは、発光部に高Ｉｎ組成のＧａＩｎＮ発光層９と低Ｉｎ組成のＧａＩｎＮバリア層１０からなる多重量子井戸構造を用いている。
【００６２】
ＧａＩｎＮはＩｎの格子定数が大きいためにＧａＮに入り難く、下地層の僅かな格子欠陥や歪によってＩｎが析出するという問題がある。このため従来の半導体レーザでは、Ｉｎ組成を１５％以上ＧａＮに入れることができなかった。
【００６３】
これに対し本実施形態の半導体レーザでは、ＡｌＮからなる第１のバッファー層２及びＡｌＧａＮからなる第２のバッファー層３によって格子欠陥や残留歪みを少なく表面平坦性に優れたクラッド層７を形成できるために、量子井戸層はＩｎ組成が１５％から３０％までＧａＮに入れることが可能となる。こうすることで任意の発光波長を実現できるのみならず閾値電圧の低下を実現できる。
【００６４】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる青色半導体レーザを有する窒化物半導体素子の断面図である。
【００６５】
第１の実施形態との違いは、ＡｌＮからなる第１のバッファー層２とＡｌＧａＮからなる第２のバッファー層３との間に、高純度のＡｌＮ層２５を形成した点である。その他の構成は第１の実施形態と同様であるので詳しい説明は省略する。
【００６６】
大きな格子不整緩和に有効と思われる高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層２は表面が平坦になりにくいため、第１のバッファー層２と第２のバッファー層３の間に高純度のＡｌＮ層２５を挿入した。
【００６７】
この半導体レーザにおいても、第１の実施形態と同様の効果を実現できる。
【００６８】
図５は、本発明の第３の実施形態にかかるＡｌＮ／ＧａＮのヘテロ接合を有する多重量子井戸構造を有する窒化物半導体素子を示す。
【００６９】
図５に示すように、サファイア基板１のｃ面上には、高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層２が形成されている。第１のバッファー層２は、炭素濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下で、厚さ１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。第１のバッファー層２は単結晶である。
【００７０】
第１のバッファー層２上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５、膜さ０．７μｍ以上３μｍ以下）からなる第２のバッファー層３が形成されている。第２のバッファー層２は単結晶である。
【００７１】
第２のバッファー層３上には、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の単結晶ＡｌＮ保護層４が形成されている。このＡｌＮ保護層４は、第２のバッファー層３からＧａが抜け難くするために設けている。
【００７２】
ＡｌＮ保護層４上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６が形成されている。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６は、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３である。
【００７３】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６上には、ＡｌＮ／ＧａＮの多層構造層２７が形成されている。
【００７４】
ＡｌＮ／ＧａＮの多層構造層２７上には、ＧａＮ井戸層２８及びＡｌＮバリア層２９からなる繰り返し積層された量子井戸層が形成されている。この量子井戸層上には、ＡｌＮ閉じ込め層３０が形成されている。多層構造２７のＡｌＮは、Ｓｉ濃度５×１０１８ｃｍ−３で、厚さ３ｎｍである。多層構造２７のＧａＮは、厚さ１．５ｎｍである。多層構造２７はＡｌＮ層とＧａＮ層が３０周期積層する。
【００７５】
図５に示すように、ＡｌＮバリア層２９とＧａＮ井戸層２８のヘテロ接合は半導体中で最も大きなバンドエネルギ−差を有し、量子井戸構造に適応したとき非常に高性能な素子を実現できる。
【００７６】
しかしながらＡｌＮバリア層２９とＧａＮ井戸層２８間には２．４％の格子定数差があるために３次元成長が生じ良好なヘテロ接合がこれまでは実現できなかった。
【００７７】
本発明者らは、サファイア基板上にＡｌＮからなる第１のバッファー層２及びＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５）からなる第２のバッファー層３を形成し、この上にＡｌＧａＮ格子緩和層２６をＡｌ組成が２５％以上７５％以下、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以上３μｍ以下とすることにより、ひび割れなく平坦なヘテロ界面が形成できることを見出した。
【００７８】
以下に、ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成と、その上に成長するＡｌＮ／ＧａＮの繰り返し積層構造における成長状態との関係を、ＡＦＭを用いて詳細に調べた結果を示す。
【００７９】
（１）ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が０％の場合、ＡｌＮ成長層は３次元成長、ＧａＮ成長層は２次元成長を示す。
【００８０】
（２）ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が２５％の場合、ＡｌＮ成長層は略２次元成長、ＧａＮ成長層は２次元成長を示す。
【００８１】
（３）ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が３０％の場合、ＡｌＮ成長層は２次元成長、ＧａＮ成長層は２次元成長を示す。
【００８２】
（４）ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が５０％の場合、ＡｌＮ成長層は２次元成長、ＧａＮ成長層は２次元成長を示す。
【００８３】
（５）ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が７０％の場合、ＡｌＮ成長層は２次元成長、ＧａＮ成長層は２次元成長を示す。
【００８４】
（６）ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が７５％の場合、ＡｌＮ成長層は２次元成長、ＧａＮ成長層は略２次元成長を示す。
【００８５】
（７）ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が１００％の場合、ＡｌＮ成長層は２次元成長、ＧａＮ成長層は３次元成長を示す。
【００８６】
このように、ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成が２５％以上７５％以下であれば、ＡｌＮとＧａＮを原子レベルで平坦に成長可能であることを見出した。しかし、量産を考えた場合、ＡｌＮとＡｌＧａＮの格子不整合によるそりが問題となる。そりを無くすためにはＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成は３０％以上７０％以下であれば良い。
【００８７】
ＡｌＧａＮ格子緩和層２６の膜厚は、平坦化のためには最低０．３μｍ必要であり、残留歪によるひび割れ防止のためには５μｍ以下である必要がある。再現性を考慮すると、Ａｌ組成は３０％以上７０％以下、厚さは０．５μｍ以上３μｍ以下が望ましい。
【００８８】
また、量子井戸構造部への歪をより低減するためには、ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成は高めに設定すればよい。
【００８９】
また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ格子緩和層２６のＡｌ組成を５０％以上７０％以下、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下として、そりを制御した上にＡｌＮ／ＧａＮからなる多層構造２７を形成しても良い。
【００９０】
本実施形態における窒化物半導体素子は、例えば、光通信に有用な１．５μｍの波長にて量子効果に基づいた非線形を利用した極めて高速のスイッチに用いることができる。
【００９１】
図６は、本発明の第４の実施形態にかかるＡｌＮ／ＧａＮのヘテロ接合を有する多重量子井戸構造を有する窒化物半導体素子の断面図である。
【００９２】
第３の実施形態との違いは、高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層２上に、ＡｌＮからなる第２のバッファー層３を形成した点である。大面積にわたって素子を形成する必要のない時には、そりを考慮に入れる必要がないので、第２のバッファー層３としてＡｌＮ層を形成し、この上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６を形成することも可能である。その他の構成は第３の実施形態と同様であるので詳しい説明は省略する。
【００９３】
図７は、本発明の第５の実施形態にかかる電界効果トランジスタを有する窒化物半導体素子を示す。
【００９４】
図７に示すように、サファイア基板１のｃ面上には、高炭素濃度ＡｌＮ（炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３から１×１０２０ｃｍ−３、厚さ１０ｎｍから５０ｎｍ）からなる第１のバッファー層２が形成されている。第１のバッファー層２は単結晶である。
【００９５】
第１のバッファー層２上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５、厚さ０．７μｍ以上３μｍ以下）からなる第２のバッファー層３が形成されている。第２のバッファー層２は単結晶である。
【００９６】
第２のバッファー層３上には、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の単結晶ＡｌＮ保護層４が形成されている。このＡｌＮ保護層４は、第２のバッファー層３からＧａが抜け難くするために設けている。
【００９７】
ＡｌＮ保護層４上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６が形成されている。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６は、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３である。
【００９８】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６上には、高純度ＧａＮ（厚さ１．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）層３１が形成されている。
【００９９】
高純度ＧａＮ層３１上には、ＡｌＮまたはＳｉド−プＡｌＮ（厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下）層３２が形成されている。このＡｌＮまたはＳｉドープＡｌＮ層３２上には、Ｔｉ／Ｐｔからなるゲート電極３３が形成されている。
【０１００】
ゲート電極３３を挟むように、高純度ＧａＮ層３１上には、ＳｉドープのＧａＮ層３４及びＳｉドープのＧａＮ層３５が形成されている。ＳｉドープのＧａＮ層３４上には、Ｔｉ／Ａｌからなるソース電極３６が形成されている。ＳｉドープのＧａＮ層３５上には、Ｔｉ／Ａｌからなるドレイン電極３７が形成されている。
【０１０１】
量子井戸となるＧａＮ層３１に電子が有効に閉じ込められるにはＡｌＮ層３２はＧａＮ層３１よりも厚いことが望ましい。また、ＡｌＧａＮ格子緩和層２６のＡｌ組成としては、チャンネルとなるＧａＮ層３１の歪を低減するために３０％以上５０％以下であることが好ましい。
【０１０２】
図８は、本発明の第６の実施形態にかかる電界効果トランジスタを有する窒化物半導体素子の断面図である。
【０１０３】
第５の実施形態との違いは、高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層２上に、ＡｌＮからなる第２のバッファー層３を形成した点である。大面積にわたって素子を形成する必要のない時には、そりを考慮に入れる必要がないので、第２のバッファー層３として、ＡｌＮ層を形成し、この上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．７、厚さ０．３μｍ以上３μｍ以下）格子緩和層２６を形成することも可能である。その他の構成は第５の実施形態と同様であるので詳しい説明は省略する。
【０１０４】
図９は、本発明の第７の実施形態にかかる電界効果トランジスタを有する窒化物半導体素子を示す。
【０１０５】
図９に示すように、サファイア基板１のｃ面上には、高炭素濃度ＡｌＮ（炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３から１×１０２０ｃｍ−３、厚さ１０ｎｍから５０ｎｍ）からなる第１のバッファー層２が形成されている。第１のバッファー層２は単結晶である。
【０１０６】
第１のバッファー層２上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８５≦ｘ≦０．９５、厚さ０．７μｍ以上３μｍ以下）からなる第２のバッファー層３が形成されている。第２のバッファー層２は単結晶である。
【０１０７】
第２のバッファー層３上には、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の単結晶ＡｌＮ保護層４が形成されている。このＡｌＮ保護層４は、第２のバッファー層３からＧａが抜け難くするために設けている。
【０１０８】
ＡｌＮ保護層４上には、Ｃ添加ＧａＮ高抵抗層３８（厚さ２μｍ以上４μｍ以下）が形成されている。
【０１０９】
Ｃ添加ＧａＮ高抵抗層３８上には、ＡｌＩｎＮ（Ｉｎ組成３％以上１０％以下、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下）からなるゲート絶縁膜３９が形成されている。このゲート絶縁膜３９上には、Ｔｉ／Ｐｔからなるゲート電極３３が形成されている。
【０１１０】
ゲート電極３３を挟むように、Ｃ添加ＧａＮ高抵抗層３８上には、ＳｉドープのＧａＮ層３４及びＳｉドープのＧａＮ層３５が形成されている。ＳｉドープのＧａＮ層３４上には、Ｔｉ／Ａｌからなるソース電極３６が形成されている。ＳｉドープのＧａＮ層３５上には、Ｔｉ／Ａｌからなるドレイン電極３７が形成されている。
【０１１１】
このようにゲート絶縁膜３９として、ＡｌＮにＩｎを３％以上添加することによりトランジスタの特性を向上することが可能となる。一方Ｉｎが１０％を超えるとＡｌＮの良好な成長は困難となる。
【０１１２】
図１０は、本発明の第８の実施形態にかかる電界効果トランジスタを有する窒化物半導体素子の断面図である。
【０１１３】
第７の実施形態との違いは、高炭素濃度ＡｌＮからなる第１のバッファー層２上に、ＡｌＮ層４を直接形成した点である。大面積にわたって素子を形成する必要のない時には、そりを考慮に入れる必要がないので、第２のバッファー層３としてＡｌＮ層を形成し、この上にＧａＮ層３８を形成することも可能である。その他の構成は第６の実施形態と同様であるので詳しい説明は省略する。
【０１１４】
次に、各実施形態で示した窒化物半導体素子の各窒化物層の成長方法について具体的に説明する。成長装置は減圧ＭＯＣＶＤ装置を用いた。
【０１１５】
先ず、サファイア基板１を、ヒーターを兼ねたサセプタ上に載置する。次に、ガス導入管から高純度水素を毎分２０リットル導入し、反応管内の大気を置換する。次に、ガス排気口をロータリーポンプに接続し、反応管内を減圧し、内部の圧力を７４００Ｐａ以上２３０００Ｐａ以下の範囲に設定する。
【０１１６】
次に、１０５０℃以上１２００℃以下の基板温度で高純度水素の一部をＶ族原料であるＮＨ３ガスに切り替える。次に、ＩＩＩ族原料であるＡｌ（ＣＨ３）３或いはＡｌ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ａｌ化合物を反応管内に導入して結晶方位のそろったＡｌＮからなる第１のバッファー層２を厚さ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるように成長する。
【０１１７】
ここで、ＡｌＮからなる第１のバッファー層２の結晶方位をそろえるためにはＶ族原料とＩＩＩ族原料の供給比の制御が重要である。穴のない高品質な膜に成長するためにはＶ族原料／ＩＩＩ族原料が０．７以上５０以下の条件が必要である。また、十分な品質を再現性よく得るにはＶ族原料／ＩＩＩ族原料が１．２以上３．０以下の条件が望ましい。
【０１１８】
次に、基板温度を１２５０℃以上１３５０℃以下になるように昇温して、ＩＩＩ族原料としてＧａ（ＣＨ３）３或いはＧａ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｇａ化合物を追加導入して、ＡｌＧａＮからなる第２のバッファー層３を厚さ０．３μｍから６μｍ成長し表面を平坦化する。このときＡｌＮ層２５を形成する場合は、有機金属Ｇａ化合物は追加導入せず、同様の条件で成長する。
【０１１９】
次に、基板温度を１１００℃以上１２５０℃以下に設定し、ＧａＮ格子緩和層５やＡｌＧａＮ格子緩和層２６を成長する。
【０１２０】
次に、この上に素子構造部となるＡｌ、Ｉｎ、Ｇａ等を有する窒化物半導体層を積層する。
【０１２１】
ＩＩＩ族原料としては、前述した有機金属Ａｌ化合物のほかに、Ｇａ（ＣＨ３）３或いはＧａ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｇａ化合物、Ｉｎ（ＣＨ３）３或いはＩｎ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｉｎ化合物を用いればよい。
【０１２２】
ドーピング用原料としてはｎ型用としてＳｉＨ４等のＳｉ水素化物やＳｉ（ＣＨ３）４等の有機金属Ｓｉ化合物を用いればよい。ｐ型用としてはＣｐ２Ｍｇ或いはｍ−Ｃｐ２Ｍｇ等の有機金属Ｍｇ化合物を用いればよい。
【０１２３】
また、ｐ型ドーパントの活性化率をあげるためには成長層中に混入した水素を除去するために８００℃程度の熱処理が必要とされてきたが、大きなＶ属原料／ＩＩＩ族原料比下で成長することによりＮ原子空孔を抑制することができ水素による不活性化を本質的に避けられる。さらに、熱処理による結晶品質の劣化も避けられる。
【０１２４】
【発明の効果】
貫通転移などの欠陥が少なく、さらに不要な歪みのない高品質窒化物結晶層をサファイア基板上に形成することにより、高性能な窒化物半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【図２】  第２のバッファー層３のＡｌ組成と素子に発生するクラック密度との関係を示すグラフ。
【図３】  バッファー層の膜厚と発光部に貫通する欠陥の密度の関係を示すグラフ。
【図４】  本発明の第２の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【図５】  本発明の第３の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【図６】  本発明の第４の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【図７】  本発明の第５の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【図８】  本発明の第６の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【図９】  本発明の第７の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【図１０】  本発明の第８の実施形態にかかる窒化物半導体素子の断面図。
【符号の説明】
１・・・サファイア基板
２・・・第１のバッファー層
３・・・第２のバッファー層
４・・・ＡｌＮ保護層
５・・・ＧａＮ緩和層
６・・・ＧａＮコンタクト層
７・・・ＡｌＧａＮクラッド層
８・・・ＧａＮ光導波層
９・・・ＧａＩｎＮ発光層
１０・・・ＧａＩｎＮバリア層
１１・・・ＧａＩｎＮ−ＧａＮ傾斜層
１２・・・ＡｌＧａＮ電子バリア層
１３・・・ＧａＮ光導波層
１４・・・ＡｌＧａＮクラッド層
１５・・・ＧａＮ中間コンタクト層
１６・・・ＡｌＧａＮブロック層
１７・・・ＧａＮ電流拡散層
１８・・・ＧａＮコンタクト層
１９・・・Ｐｄ／Ａｕ電極
２０・・・Ｔｉ／Ａｌ電極
【図１】
0003866540.tif 000002
【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】
0003866540.tif 000008
【図８】
0003866540.tif 000009
【図９】
0003866540.tif 000010
【図１０】
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