(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上において、０．５〜１０００μｍの厚さを有し、Ａｌを含み、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下の第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地層上において、０．００２〜０．５μｍの厚さを有し、第２の窒化物半導体からなるバッファ層と、このバッファ層上において、Ｇａを含む第３の窒化物半導体からなる半導体層群とを具え、前記半導体層群を構成する前記第３の窒化物半導体におけるＡｌ含有量が、前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体におけるＡｌ含有量よりも小さいことを特徴とする、半導体素子。
【請求項２】
前記バッファ層を構成する前記第２の窒化物半導体におけるＧａ含有量が、前記半導体層群を構成する前記第３の窒化物半導体におけるＧａ含有量以下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】
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体におけるＡｌ含有量が、５０原子％以上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】
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記下地層は、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃以上の温度で形成されたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記下地層は、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃の温度で形成されたことを特徴とする、請求項５に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記基板はサファイア単結晶からなり、前記下地層は前記サファイア単結晶の、表面窒化処理が施された主面上に形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体中のＡｌ含有量が、前記基板側から前記バッファ層側に向かって連続的又はステップ状に減少していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記半導体層群は、ＧａＮからなる半導体層を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記半導体層群のＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が、１５０秒以下であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一に記載の半導体素子を具えることを特徴とする、フォトニックデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子に関し、詳しくは発光ダイオードなどの半導体発光素子として好適に用いることのできる、半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体（以下、略して「ＧａＮ系半導体」という場合がある）は、青色発光デバイスなどにおける発光層を構成する半導体材料として注目を浴びている。前記ＧａＮ系半導体からなる発光層は、Ｇａ供給原料としてトリメチルガリウムなどを用い、Ｎ供給原料としてアンモニアガスなどを用い、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板などの上に成膜して、形成することが試みられていた。
【０００３】
しかしながら、このようにして形成した前記ＧａＮ系半導体からなる前記発光層は、その結晶性及び表面モルフォルジーが極めて悪いために、実際的には青色の光を発光することができないでいた。
【０００４】
かかる問題を解決すべく、特開平４−２９７０２３号公報において、サファイア基板とＧａＮ系半導体からなる発光層との間に、ＧａａＡｌ１−ａＮ（０＜ａ≦１）なる組成の窒化物半導体からなるバッファ層を介在させ、これによって発光層の結晶性及び表面モルフォルジーを改善させる試みがなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法によっても、特に結晶性に優れた発光層を得ることができず、このため十分な発光効率を有する半導体発光素子を得ることができないでいた。
【０００６】
本発明は、半導体発光素子などとして好適に使用することのできる、高い結晶性を有するＧａ系半導体層群を具えた半導体素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、基板と、この基板上において、０．５〜１０００μｍの厚さを有し、Ａｌを含み、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下の第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地層上において、０．００２〜０．５μｍの厚さを有し、第２の窒化物半導体からなるバッファ層と、このバッファ層上において、Ｇａを含む第３の窒化物半導体からなる半導体層群とを具え、前記半導体層群を構成する前記第３の窒化物半導体におけるＡｌ含有量が、前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体におけるＡｌ含有量よりも小さいことを特徴とする、半導体素子に関する。
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った。その結果、基板とＧａを含む窒化物半導体、すなわち、ＧａＮ系半導体からなる半導体層群との間に、特開平４−２９７０２３号公報に記載の技術と同様にして、上記要件を満足するバッファ層を設けるとともに、このバッファ層と前記基板との間に、上記要件を満足する下地層を設けることにより、本発明の目的を達成できることを見出した。
【０００９】
バッファ層は、基板と半導体層群との格子定数差を緩和するために、一般には５００〜７００℃の低い温度において、低結晶性の下に形成される。したがって、バッファ層上に目的とする半導体層群を形成した場合、このバッファ層の緩衝効果によって、前記半導体層群の結晶性はある程度までは改善される。しかしながら、バッファ層自体の結晶性が低いために、目的とする前記半導体層群自体もこの低結晶性を引き継ぎ、高い結晶性を得ることができない。
【００１０】
これに対して、本発明の半導体素子においては、前記バッファ層と前記基板との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる高結晶性の下地層を介在させている。したがって、上記のようなバッファ層が存在する場合においても、目的とする半導体層群は、この下地層の高い結晶性を引き継いで成長されるため、その結晶性を大きく改善することができる。
【００１１】
したがって、青色発光素子などとして好適に用いることのできる、結晶性及び表面モルフォルジーに優れたＧａ系半導体層群を有する半導体素子を提供することができる。
【００１２】
なお、ここでいう「Ｘ線ロッキングカーブの半値幅」とは、下地層を構成する第１の窒化物半導体の（００２）面からの回折ピークにおける半値幅を意味するものである。また、「半導体層群」とは、半導体素子の具体的な構成に基づいて、単一の半導体層あるいは複数の半導体層が積層されてなる多層構造を意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体素子の一例を示す断面図である。
図１に示す半導体素子１０は、基板１と、この基板１上に第１の窒化物半導体からなる下地層２と、この下地層２上に形成された第２の窒化物半導体からなるバッファ層３と、このバッファ層上に形成された第３の窒化物半導体からなる半導体層群４とを含む。上述したように、半導体層群４は、半導体素子１０の具体的な構成に基づいて、単一の半導体層あるいは複数の半導体層が積層されてなる多層構造から構成される。
【００１４】
前記第１の窒化物半導体は、本発明にしたがってＡｌを有することが必要である。一般には、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）なる組成式で表すことができる。また、必要に応じてＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐ、又はＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む。そして、特には、Ａｌを５０原子％以上含有していることが好ましく、さらにはＡｌの割合が１であってＡｌＮなる組成を有することが好ましい。
【００１５】
そして、下地層２は高い結晶性を有することが必要であり、そのＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下であることが要求される。さらに、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が５０秒以下の高結晶性を有することが好ましい。現状では、作製条件を制御することによって、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が３０秒程度の高結晶性下地層を得ることができる。
【００１６】
前記第１の窒化物半導体からなる下地層２は、Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）又はトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などを用い、窒素供給原料としてアンモニアなどを用いて、ＭＯＣＶＤ法により基板１上に直接製造することができる。また、厚膜化する際には、金属ＡｌあるいはＧａを塩化水素系ガスを用いて輸送するＨＶＰＥ法を組み合わせることもできる。
【００１７】
そして、その形成温度は１１００℃以上であることが好ましく、さらには１１００〜１２５０℃であることが好ましい。これによって、高結晶性の下地層を簡易に形成することができる。
【００１８】
これは、上述したバッファ層を形成する際の温度５００〜７００℃と比べると、はるかに高い温度である。
【００１９】
なお、下地層２中にＧａ又はＩｎなどを含有させる場合については、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルインジウム（ＴＭＩ）などのＧａ又はＩｎ供給原料を用い、その所定量を上記ＴＭＡ及びアンモニアガスなどとともに基板上に供給し、目的とする組成の前記第１の窒化物半導体からなる下地層２を作製する。
【００２０】
下地層２の厚さは、半導体層群４及びバッファ層２の厚さ、並びにこれらの作製条件などに依存して最適な値は変化する。好ましくは、０．０１μｍ以上であり、さらに好ましくは０．５〜１０００μｍであり、特に好ましくは０．８〜５μｍである。これによって、結晶性に優れた半導体層群４を簡易に得ることができる。
【００２１】
下地層２は、半導体素子からの発熱の放出を促進させる観点及び自身の結晶性を向上させることにより半導体層４の結晶性を向上させる観点からは厚い方が好ましく、成膜コストなどの観点からは薄い方が好ましい。また、下地層２が厚くなり過ぎると、クラックが発生したり剥離が生じたりする場合がある。したがって、特に上述した温度範囲の作製温度を選択し、高結晶性の下地層２を得るには、上述したような膜厚の範囲に設定する。
【００２２】
基板１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などの III−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００２３】
特に基板１をサファイア単結晶から構成する場合については、下地層２を形成すべき主面に対して表面窒化処理を施すことが好ましい。前記表面窒化処理は、前記サファイア単結晶基板をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって、前記主面に形成される窒化層の厚さを制御する。
【００２４】
このようにして表面窒化層が形成されたサファイア単結晶からなる基板１を用いれば、その主面上に直接的に形成される下地層２の結晶性をさらに向上させることができる。さらに、より厚く、例えば上述した好ましい厚さの上限値である５μｍまで、特別な成膜条件を設定することなくクラックや剥離を生じることなく簡易に厚くすることができる。
【００２５】
すなわち、下地層２自体の結晶性向上と、下地層２の膜厚が増大することによる結晶性向上との相乗効果によって、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅で５０秒以下、さらには３０秒程度まで簡易に向上させることができる。また、下地層２の高結晶化に伴って、半導体素子１０の主要部である半導体層群４の結晶性をさらに向上させることができる。
【００２６】
また、この場合において、III族窒化物下地膜を形成する際の温度も、上記好ましい温度範囲において１２００℃以下、あるいは１１５０℃程度まで低減しても、高結晶性の下地層２を簡易に形成することができる。
【００２７】
前記表面窒化層は、比較的に薄く、例えば１ｎｍ以下に形成する、又は比較的厚く、例えば、前記主面から１ｎｍの深さにおける窒素含有量が２原子％以上となるように厚く形成することが好ましい。
【００２８】
バッファ層３は、第２の窒化物半導体からなることが必要である。その一般式は、ＡｌｐＧａｑＩｎ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ≦１，０≦ｑ≦１）で表すことができ、必要に応じて上記添加元素を含有することもできる。
【００２９】
そして、半導体層群４を構成する第３の窒化物半導体のＡｌ含有量が、下地層２を構成する第１の窒化物半導体のＡｌ含有量よりも小さいことが必要である。これによって、下地層２からは半導体層群４に対して圧縮応力が作用するようになるため、半導体層群４におけるクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００３０】
なお、バッファ層３は、下地層２及び半導体層群４に比較して薄いため、上述したような応力の影響を受けない。したがって、バッファ層３を構成する第２の窒化物半導体は、下地層２を構成する第１の窒化物半導体及び半導体層群４を構成する第３の窒化物半導体に対する制約を受けることなく、バッファ層としての機能を失わない限りにおいて、如何なる組成をも有することができる。
【００３１】
下地層２の場合と同様の理由から、バッファ層３の厚さは０．００２〜０．５μｍであることが好ましく、さらには０．００５〜０．１ｎｍであることが好ましい。
【００３２】
また、下地層２がＡｌを比較的多く含んだ第１の窒化物半導体、例えば、ＡｌＮからなり、半導体層群４がＧａを比較的多く含んだ第３の窒化物半導体、例えば、ＧａＮからなる場合においては、両者の格子定数差が極めて大きくなってしまう。この場合において、特にバッファ層の厚さが小さいと、その作用効果を十分に発揮することができずに、結晶性並びに表面モルフォルジーに優れた半導体層群４を得ることができない場合がある。
【００３３】
したがって、この場合において、下地層２を構成する第１の窒化物半導体中における組成がその厚さ方向において、連続的又はステップ状に傾斜していることが好ましい。具体的には、Ａｌ含有量が基板１からバッファ層３に向かって連続的又はステップ状に減少し、これとは逆に、Ｇａ含有量が基板１からバッファ層３に向かって連続的又はステップ状に増加するようにする。
【００３４】
半導体層群４は、Ｇａを有し、いわゆるＧａＮ系半導体である第３の窒化物半導体から構成される。この第３の窒化物半導体は、第１の窒化物半導体と同様にＡｌ、Ｉｎ、及び他の添加元素を含むことができるが、ＧａＮなる組成を有することが好ましい。すなわち、半導体層群４がＧａＮ半導体層である場合に、バッファ層２及び下地層３を設けることによって、本発明の効果を最大限に発揮することができる。
【００３５】
なお、上述したように、半導体層群４は、単一のＧａＮ半導体層である他、ｐ型あるいはｎ型の導電性を付与したＧａＮ半導体層、又はＡｌやＩｎを含む半導体層などを含む複数の半導体層から構成することができる。
【００３６】
また、上述したような下地層２及びバッファ層３を設けることにより、Ｘ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下、さらには１５０秒以下の、良好な結晶性を有することができる。特に表面窒化層を有するサファイア単結晶基板を用いた場合は、１５０秒以下の高結晶性の半導体層群４を簡易に得ることができる。
【００３７】
なお、この場合における半値幅についても、半導体層群４を構成する第３の窒化物半導体の（００２）面からの回折ピークにおける半値幅を意味するものである。
【００３８】
バッファ層３及び半導体層群４は、下地層２の場合と同様にＭＯＣＶＤ法によって作製することができる。
【００３９】
なお、図１に示す半導体素子１０の全体をＭＯＣＶＤ法によって作製する場合、下地層２の成膜と、半導体層群４の成膜とを別バッチで行う場合がある。この場合、下地層２は形成後において一旦大気に晒されるため、その表面に薄い酸化膜が形成される場合がある。
【００４０】
したがって、半導体層群４を形成するバッチにおいて、半導体層群４を形成する以前にバッファ層３をキャップ層として形成しておくことにより、上記酸化膜の影響を低減し、半導体層群４の結晶性劣化を抑制することができる。この場合において、前記キャップ層の一部あるいは総てをエッチングすることも可能であり、その後においてバッファ層３を再成長させることも可能である。
【００４１】
【実施例】
基板としてｃ面サファイア基板を用い、これを反応管内に設置されたサセプタ上に載置した後、吸引固定した。次いで、水素キャリアガスを供給しながら、前記ｃ面サファイア基板を１１５０℃まで加熱した。
【００４２】
そして、アンモニアガスを水素キャリアガスとともに５分間流し、前記ｃ面サファイア基板の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されており、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原子％であることが判明した。
【００４３】
次いで、Ａｌ供給原料としてＴＭＡを用い、Ｎ供給原料としてアンモニアガスを用い、アンモニアガスからなるＶ族供給原料と、ＴＭＡからなるIII族供給原料との比（Ｖ／III比）が４５０、圧力が１５Ｔｏｒｒとなるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基板上に供給し、厚さ１μｍのＡｌＮ下地層を形成した。
【００４４】
このＡｌＮ下地層の結晶性をＸ線ロッキングカーブで評価したところ、半値幅が９０秒以下であり、結晶性に優れた高品質な膜であることが判明した。また、表面平坦性を評価したところ、５μｍ範囲におけるＲａが２Åであり、極めて平坦な表面を有することが確認された。
【００４５】
その後、反応圧力を大気圧とし、前記基板の温度を６００℃にするとともに、前記ＴＭＡ及び前記アンモニアガスに加えて、ＴＭＧを（Ｖ／III比）が、３０００となるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基板上に供給して、厚さ０．０２μｍのＧａＮバッファ層を形成した。
【００４６】
その後、基板を１０５０℃に加熱し、ＴＭＧとアンモニアガスとを（Ｖ／III比）が３０００となるようにして前記基板上に供給し、ＧａＮ半導体膜を厚さ２μｍに形成した。
【００４７】
このＧａＮ半導体膜の結晶性をＸ線ロッキングカーブで評価したところ、半値幅が１５０秒以下であり、結晶性に優れた高品質な膜であることが判明した。したがって、本実施例によって得た半導体素子は、ＧａＮ系青色発光素子として好適に用いることができる。
【００４８】
（比較例）
ＡｌＮ下地層を形成しない以外、上記実施例と同様にして半導体素子を作製した。このときのＧａＮ半導体層の結晶性をＸ線ロッキングカーブによって測定したところ、半値幅は３００秒であり、上記実施例によって形成したＧａＮ半導体層と比較して著しく結晶性に劣ることが判明した。
【００４９】
以上、具体例を挙げながら、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、半導体層群のさらなる高結晶化の目的で、その半導体層群を構成する半導体層間、あるいは半導体層群とバッファ層との界面などにひずみ超格子などの多層膜構造を挿入することもできる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、青色発光素子などとして好適に使用することのできる、結晶性に優れたＧａ系半導体層群を有する半導体素子を簡易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  基板、２  下地層、３  バッファ層、４  半導体層群、１０  半導体素子
【図１】
0004963763.tif 000002