(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系III−Ｖ族化合物半導体発光素子において、結晶構造として岩塩構造をとる金属窒化物の（１１１）面を基板として用いてなり、
前記基板としてＣｒＳｃＮ混晶基板を用い、その上に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体として少なくともＡｌＧａＮクラッド層が形成されてなることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体装置。
【請求項２】
窒化物系III−Ｖ族化合物半導体発光素子において、結晶構造として岩塩構造をとる金属窒化物の（１１１）面を基板として用いてなり、
前記基板としてＶＹｂＮ混晶基板を用い、その上に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体として少なくともＡｌＧａＮクラッド層が形成されてなることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置に関する。さらに詳しくは、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置のための基板材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなど窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置に用いられる基板としては、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）（特開平５−１９０９０３号公報）、あるいは炭化ケイ素（ＳｉＣ）が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の基板上に形成された窒化物系III−Ｖ族化合物半導体は、良好な単結晶を得ることができず、そのため、これを用いて発光素子を作製すると、レーザでは発振しない、ＬＥＤでは寿命が短いなどの問題があった。これは基板と化合物半導体との格子不整が大きな原因であるが、これまで窒化物系III−Ｖ族化合物半導体に格子整合した基板は見いだされていなかった。
【０００４】
例えば、従来Ａｌ2Ｏ3基板の場合、ＧａＮに対する格子不整は１０％以上にもおよび、またＳｉＣ基板の場合も、ＧａＮ、ＡｌＮに対してそれぞれ３．５％、１．０％の格子不整を有している。
【０００５】
本発明の目的は、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体との格子不整が極めて小さくできる基板材料を見いだすことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
各種金属窒化物の基板を検討した結果、金属窒化物より成る基板を用いることにより、格子整合した基板が得られることを見いだした。
【０００７】
本発明の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置は、結晶構造として岩塩構造をとる金属窒化物の（１１１）面を基板として用いることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置は、前記基板としてＣｒ0.24Ｓｃ0.76Ｎを用い、その上に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体として少なくともＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層が形成されたことを特徴とする。
【０００９】
岩塩構造をとる単体の金属窒化物例としては表１のような材料がある。
【００１０】
【表１】
0003779766.tif 000002
【００１１】
ここで、表中の数値の単位は、オングストロームである。
【００１２】
基板材料の結晶面としては（１１１）面が好ましい。
【００１３】
これらの中に単体で窒化物系III−Ｖ族化合物半導体と格子整合するものがない場合には、これらのうちの２種以上からなる混晶基板を用いてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を示す。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明の一実施例である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置の概要を示す断面図である。１は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎに格子整合したＣｒ0.24Ｚｒ0.76Ｎ基板、２はｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層（Ｎd−Ｎa＝５×１０17ｃｍ-3、膜厚２μｍ）、３はＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ活性層（膜厚２０ｎｍ）、４はｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層（Ｎa−Ｎd＝５×１０17ｃｍ-3、膜厚１μｍ）、５はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｎa−Ｎd＝１×１０19ｃｍ-3、膜厚０．１μｍ）、６はｐ型ＧａＮコンタクト層５の上に形成した電極である。ｎ型側の電極は、基板をそのまま電極として用いている。
【００１６】
Ｃｒ0.24Ｚｒ0.76Ｎ基板の作製法としては、例えば、スパッタ膜のＣｒとＺｒの組成比が２４：７６となるようにターゲットの組成を調整し、ＺｒＮ基板の上に窒素あるいはアンモニア等のガスを用いて反応性スパッタリングを行う方法等を用いることができる。
【００１７】
この半導体発光素子の電流−電圧特性を図２に、発光スペクトルを図３に示す。金属窒化物を基板として用いた場合、従来のサファイア基板上の発光素子に比べて、約３倍の発光強度を有する素子が、作製可能となった。
【００１８】
次に、格子整合の取り方について説明する。
【００１９】
例えばＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ化合物半導体に対して格子整合した基板を得るには、以下のように行う。
【００２０】
表１は、岩塩構造をとる金属窒化物の格子定数ａcubicを表したものである。この格子定数をもとにして、
ａhex＝ａcubic／√２
を用いて求めた（１１１）面の窒素原子間の距離（この距離がウルツ鉱構造のａ軸の格子定数と対応する）ａhexを合わせて表１に示している。また、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体、ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮの格子定数を表２に示す。
【００２１】
【表２】
0003779766.tif 000003
【００２２】
ここで、表中の数値の単位はオングストロームである。
【００２３】
クラッド層としてＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎを用いた場合、ａ軸の格子定数は、
ａ＝３．１１＋（３．１９−３．１１）×０．８＝３．１７４Å
となる。この格子定数と同一の格子定数を持つことができる組み合わせとしては、これより小さい格子定数をもつもの例えばＶＮと、大きい格子定数をもつもの例えばＹｂＮとの組み合わせが挙げられる。その組成は、ＹｂＮの組成比をＸとすると、
３．１７４＝２．９２＋（３．３８−２．９２）×Ｘ
これより
Ｘ＝０．５５
となり、基板材料としてＶ0.45Ｙｂ0.55Ｎが考えられる。
【００２４】
基板材料の結晶面としては（１１１）面が好ましく、（１００）面、（１１０）面は結晶面としては適さない。これは、図４に示すように（１１１）面の最表面層を窒素原子でターミネートした場合、最表面層は結晶学的に等価な窒素原子で覆われているため、例えばガリウム原子が付着する位置も結晶学的に等価となり、引き続いて良好なウルツ鉱構造のＧａＮ単結晶が成長して行く。しかしながら、（１００）面、（１１０）面の場合、最表面層を窒素原子でターミネートした場合、ガリウム原子は、図５に示す結晶学的に異なる２つの位置に付着することが可能となる。したがって、基板直上では岩塩構造のＧａＮが成長しようとするが、岩塩構造は安定な結晶構造でないため閃亜鉛鉱構造あるいはウルツ鉱構造のＧａＮへと遷移し、その結果、基板との界面で転位が生じてしまい、良好な単結晶成長が困難となる。
【００２５】
以上のように、表１から２種以上の金属窒化物を任意に組み合わせることによって、各種の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体に格子整合する基板材料を得ることが可能となり、その結果、転位等の結晶欠陥の少ない良好な単結晶を得ることが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体発光素子において、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体と格子整合した基板を用いることによって転位等の結晶欠陥の少ない良好な単結晶を得ることが可能となる。
【００２７】
また、金属窒化物は導電性があるため、基板そのものを電極として用いることができる。
【００２８】
さらに、基板そのものを電極として用いることができるため、素子の作製がサファイア基板上の場合よりも容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置の断面図である。
【図２】実施例の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置の電流−電圧特性を示す図である。
【図３】実施例の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置の発光スペクトルを示す図である。
【図４】（１１１）面の原子配列を示す図である。
【図５】（１００）及び（１１０）面の原子配列を示す図である。
【符号の説明】
１  Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎに格子整合したＣｒ0.1Ｓｃ0.9Ｎ基板
２  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
３  Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ活性層
４  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
５  ｐ型ＧａＮコンタクト層
６  ｐ型電極
【図１】
0003779766.tif 000004
【図２】
0003779766.tif 000005
【図３】
0003779766.tif 000006
【図４】
0003779766.tif 000007
【図５】
0003779766.tif 000008