(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙかつ０≦ｘ＋ｙ≦１）結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ、Ｓｉ結晶からなる基板上に形成されたＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ層を含むＩＩＩ族窒化物半導体装置において、前記基板と前記ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ層との間に基板材料およびＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ材料からなる応力緩和層を介在させて、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮに生ずる応力を緩和するとともに、前記応力緩和層と前記基板との間に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙかつ０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる酸化防止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成されるＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ膜の結晶性の悪化を防止することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記応力緩和層は酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）またはネオジウムガレイト（ＮｄＧａＯ３）の内の少なくとも１種類からなることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体装置。
【請求項３】
電極を、前記基板の前記酸化防止層が形成される側とは反対側に設けて基板と接続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体装置。
【請求項４】
発光ダイオードまたはレーザダイオードであることを特徴とする請求項１ないし３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
III 族窒化物半導体(Al x Gay In1-x-y N  (0 ≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)を用いたレーザダイオードまたは発光ダイオードなどのIII 族窒化物半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接遷移で、しかも、光学ギャップが1.9 〜6.2 eVの範囲で制御可能なIII 族窒化物 (Alx Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)) を用いたレーザダイオードや発光ダイオードなどのIII 族窒化物半導体装置が試作されている。以下、III 族窒化物をAlx Gay In1-x-y N またはAlGaInN と略記する。III 族窒化物半導体装置は、結晶格子や熱膨張係数の整合性の良さから、主として、サファイア基板上に形成されてきた。そして、Alx Gay In1-x-y N の組成( x 、y ) を変えることによる光学ギャップの制御、Siやマグネシウム (Mg) を添加することによるｎ型やｐ型への価電子制御により、ダブルヘテロ構造 (M.C.Yoo,K.H.Shim,et al.: Proceedings of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba Univ.,Japan,March 5-7, 1996,p554-557 ) あるいは量子井戸構造 (S.Nakamura,et al,J.Japanese Journal of Applied Physics,vol35,part2,No 2B(1996),L217 〜L220) などのIII 族窒化物半導体装置が報告されている。
【０００３】
図８は従来のIII 族窒化物半導体装置の１例であるレーザダイオードの断面図である。サファイア(c面) からなる基板1 上に、AlN のバッファ層2 、GaN のコンタクト層3 が成膜されている。さらにn 型AlGaN のクラッド層4 、GaN の活性層5 およびp 型のAlGaN のクラッド層6 からなるダブルヘテロ構造が形成されている。その上にはp 型のGaN のキャップ層7 が形成されており、ダブルヘテロ構造とキャップ層7 は一括してフォトエッチされ側面は基板面に垂直にされている。サファイアの導電性が低いために、コンタクト層3 が基板側の電気リードのためにダブルヘテロ構造の外側に延びており、その表面にはAu/Cr からなる第１の電極層8 が形成されている。キャップ層7 の上にはAl/Tｉからなる第２の電極層9 が形成されている。
【０００４】
Alx Gay In1-x-y N 膜の有機金属気相成長 (以下MOCVD と記す) においては、基板の温度を1000℃程度まで上昇させるため、基板の選択には格子定数の整合性の他に熱膨張係数の整合性も考慮する必要がある。格子定数の整合が良い基板であっても、熱膨張係数がAlx Gay In1-x-y N よりも小さな基板材料を用いると、成膜後の冷却中に Al x Gay In1-x-y N 膜に引っ張り応力が生じ、状況によっては膜に亀裂が入ることが知られている (A. Kuramata,K.Horino,et al.; Proceedings of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba Univ., Japan,March 5-7, 1996, p80-85)。
【０００５】
Alx Gay In1-x-y N の成膜用基板材料としてはサファイアが用いられてきた。サファイア基板はAlx Gay In1-x-y N 結晶と格子整合性も良く、しかも、サファイアの熱膨張係数、α（サファイア）は7.5 ×10-6/Kであり（以下、α( 物質名）はその物質の熱膨張係数を表す）、Alx Gay In1-x-y N のα(Al x Gay In1-x-y N)＝5.6 ×10-6/Kよりも大きいため、亀裂は発生しない。
【０００６】
しかし、サファイア基板には下に挙げる欠点がある。1.へき開性がないため、レーザーダイオードにおける光共振器を簡便な劈開により形成できない。2.導電性が小さく、基板面から電極を取ることができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一方、Si結晶または6H-SiC結晶の基板を用いれば、上に挙げた２つの欠点は解決されるが、熱膨張係数がα(Si)＝3.59×10-6/K、α(6H-SiC)＝4.2 ×10-6/KとAlx Gay In1-x-y N 系の熱膨張係数( 例えばα(GaN)=5.6 ×10-6/K) より小さいため、成膜後の成膜温度 (約1000℃) から室温までの冷却時に、基板より膜の方が多く収縮することになるが、基板の方が膜より厚いため、膜側には引っ張り応力が生じる。その結果、膜に亀裂が生じることがある。そのため、半導体装置が製造できない。図９はSi結晶基板に直接形成されたAlx Gay In1-x-y N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。亀裂が生じていることが判る。
【０００８】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、Si結晶または6H-SiC結晶の基板上に亀裂の生じないAlx Gay In1-x-y N 結晶からなるIII 族窒化物半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結晶からなる基板上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層を含むIII 族窒化物半導体装置において、前記基板と前記Alx Gay In1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx Gay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ材料からなる応力緩和層を介在させて、Alx Gay In1-x-y N に生ずる応力を緩和することとする。
【００１０】
前記基板材料はシリコン (Si) 結晶または炭素化シリコン (SiC)結晶であると良い。
前記応力緩和層は酸化亜鉛 (ZnO)、酸化マグネシウム (MgO)、サファイア (α−Al2O3)、スピネル (MgAl2O4)またはネオジウムガレイト (NdGaO3) の内の少なくとも1 種類からなると良い。
【００１１】
前記応力緩和層と基板との間に、Alx Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)からなる酸化防止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成されるAlx Gay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止すると良い。
前記III 族窒化物半導体装置は発光ダイオードまたはレーザダイオードであると良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るIII 族窒化物半導体装置の層構成の断面図である。基板 1上に酸化防止層T 、応力緩和層S 、次いでAlx Gay In1-x-y N 層Ntが積層されている。
基板 1の表面はSi結晶の(1,1,1) 面またはSiC 結晶の(0,0,0,1) 面である。Alx Gay In1-x-y N 層Ntは組成(x、y)やドーピングの異なる複数の層からなっている。例えばダブルヘテロ構造のダイオードの場合は図 8のバッファ層2 〜キャップ層7 と同じである。用途に応じて他の半導体層または電極層がさらに積層される。
【００１３】
応力緩和層S について以下に説明する。
基板材料の熱膨張係数はAlGaInN 結晶の熱膨張係数よりも小さいので、AlGaInN の成膜後の成膜温度 (約1000℃) から室温までの冷却時に、基板よりAlGaInN 膜の方が多く収縮することになるが、基板の方がAlGaInN 膜より厚いため、AlGaInN 膜側には引っ張り応力が生じる。その結果、AlGaInN 膜に亀裂が生じることがある。しかし、基板とAlGaInN 膜との間に、これら２種の材料の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ材料の層を挿入した場合、この挿入層は基板をより収縮させようとする、即ち基板のみかけ上の熱膨張係数を大きくしAlGaInN 膜のそれに近づけるので、AlGaInN 膜に対する引っ張り力は緩和され、AlGaInN 膜に亀裂が入ることが防止される。従って、この挿入層を応力緩和層と呼称する。
【００１４】
応力緩和層に適した材料には格子不整合率の小さいことも必要である。表1 にこのような材料を挙げる。表1 に応力緩和層に適した材料のの熱膨張係数とGaN 結晶に対する格子不整合率を示す。
【００１５】
【表１  】
0003756575.tif 000002
しかし、これらの応力緩和層材料は全て酸化物であるため、成膜時におけるSiやSiC 表面の酸化が懸念される。仮に、基板表面が酸化したときには、多くの場合、基板と酸化物材料との界面に非晶質層が形成され、その上に形成された膜の結晶性が悪化する。このため、基板上に酸化抑制のための酸化防止層T として、Alx Gay In1-x-y N を極薄く(10nm 程度) 形成し、その上に応力緩和層S を形成する。そして最後に、Alx Gay In1-x-y N からなるダブルヘテロ構造や量子井戸構造など、目的の半導体装置用の多層AlGaInN 層Ntを形成する。成膜方法として分子線エピタキシャル（MBE)または有機金属気相成長法などが適用できる。
実施例１
先ず、Si単結晶の (1,1,1)面の基板上に直接、厚さ100nm のZnO 層を形成した。スパッタ条件としては、基板温度を250 ℃とし、スパッタガスはArとしその圧力を1Pa とした。ターゲットにはAlを2wt%添加したZnO 焼結体を用いた。Alの添加は応力緩和層に導電性を持たせるためである。
【００１６】
得られたZnO 膜は、Ｘ線回折パターンからｃ軸配向していることが確認できた。図２はSi基板上に直接形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射が(1,0,0) 方向の場合であり（ａ）に対してｃ面内で30°回転させた場合のパターンの図である。図２から、単結晶のパターン（（ｂ）における高輝度（大きい白点）のみ) と低輝度（淡い白点）のみのパターン）がずれて重なっていることから、ZnO 膜のｃ面内でａ軸の向きが回転した多結晶膜であることが判った。
【００１７】
図３はSi基板上に直接形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図である。Si基板の領域にも大量の酸素が検出され、Si基板表面が酸化されていることが判る。このため、ZnO の多結晶化は、ZnO を形成するときにSi表面が酸化されたことに起因していることが想定できる。
このZnO 膜上に、多層のAl x Ga y In1-x-y N 膜を窒素ラジカルを使った分子線エピタキシャル（MBE)により形成した。層構成はAlN の第 1のバッファ層、その上にGaN の第 2のバッファ層、n 型AlGaN のクラッド層、GaN の活性層、p 型AlGaN のクラッド層からなるダブルヘテロ構造としたが、亀裂は観測されず、ZnO の応力緩和層の効果が確認できた。
【００１８】
Si基板表面の酸化を抑制するため、酸化防止層としてSi基板上にn 型GaN 膜を10nm形成した。その上にZnO 応力緩和層を100nm 形成した。図４はSi基板にGaN 膜を形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図である。図３と比較して、図４からGaN 膜がSiの酸化を防止していることが確認できる。
【００１９】
図５はSi基板上のGaN 膜上に形成されたZnO 膜のRHEED 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射が(1,0,0) 方向の（（ａ）に対してｃ面内で30°回転させた）場合のパターンの図である。酸化防止層の形成されない場合（図２）と異なり、パターンは二重構造になっていず、ZnO のｃ面内のａ軸の回転は観測されない。このことから、酸化抑制のための GaN層を導入することにより、Si基板の酸化が抑制され、ZnO はエピタキシャル成長（単結晶成長）することが判った。
【００２０】
このZnO 膜上に、上記と同じ層構成の多層のAl x Ga y In1-x-y N のダブルヘテロ構造を形成し、さらにキャップ層を形成した。図６はSi基板上のGaN 膜、ZnO 膜の二重層上の Al x Gay In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。図から、その表面は平滑であり、亀裂は生じていないことが判る。この状態の AlGaInN膜を用いて、特に精細な構造を必要としないフォトダイオード等のIII 族窒化物半導体装置は成立する。
【００２１】
上記のダブルヘテロ構造を含む層構成のIII 族窒化物半導体装置の１例としてレーザダイオードを作製した。図７は本発明に係るレーザダイオードのへき開面に垂直な面での断面図である。基板1 は(1,1,1) 面Siであり、酸化防止層11、応力緩和層12が順次積層されている。厚さ50nmのAlN の第1 のバッファ層２を形成し、その上に厚さ0.5 μm のGaN の第２のバッファ層、厚さ150nm のn 型AlGaN のクラッド層４、厚さ50nmのGaN の活性層５、厚さ150nm のp 型AlGaN のクラッド層6 からなるダブルヘテロ構造を形成し、さらに厚さ100nm p 型GaN キャップ層７を形成してある。基板1 の電極8aはAl、キャップ層7 の電極9 はAu/Cr である。
【００２２】
Si基板1 をへき開することによりIII 族窒化物半導体層は（1,-1,0,0) 面がへき開面となり、光共振器が形成できる。このレーザダイオードにパルス電流を流し、電流密度約10kA/cm2以上でレーザ発振させることができた。
また、酸化防止層として、Ga1-x Alx N  (0 ＜x ≦1)も実施したが、同様に酸化防止の効果があり、応力緩和層は単結晶であり、III 族窒化物半導体層は良好に成膜できた。
実施例２
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタにより形成したサファイア (α−Al2O3)を用いた。なお、基板温度は５００℃、ターゲットにはAl2O3 の焼結体を用い、スパッタガスにはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。
【００２３】
サファイア応力緩和層の場合も、ZnO 応力緩和層の場合と同様、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ軸配向に成長はするが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、サファイアおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例３
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタリングにより形成したマグネシア (MgO)を用いた。なお、基板温度は400 ℃、ターゲットにはMgO の焼結体を用い、スパッタガスはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は100nm とした。MgO の場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ軸配向ではあるが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、MgO およびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例４
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタリングにより形成したスピネル (MgAl2 O4) を用いた。なお、基板温度は600 ℃、ターゲットにはMgAl2 O4焼結体を用い、スパッタガスにはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。スピネルの場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ軸配向ではあるが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、スピネルおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例５
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタリングにより形成したネオジガレイト (NdGaO3) を用いた。なお、基板温度は700 ℃、ターゲットにはNdGaO3焼結体を用い、スパッタガスにはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。ネオジガレイトの場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ軸配向ではあるが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、ネオジガレイトおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例６
また、6H-SiC基板を用いて、実施例1 と同様に、ZnO を応力緩和層、GaN 酸化防止層とした実験を行ったが、実施例1 と同様に応力緩和層、酸化防止層の効果が確認できた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結晶からなる基板上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層を含むIII 族窒化物半導体装置において、前記基板と前記Alx Gay In1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx Gay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ材料からなる応力緩和層を介在させて、Alx Gay In1-x-y N に生ずる応力を緩和したため、熱膨張係数がAlx Gay In1-x-y N 膜より小さい基板上のAlx Gay In1-x-y N からなる多層膜を有するIII 族窒化物半導体装置には亀裂がなく、またへき開性を利用して個別化が簡単にできる。
【００２５】
さらに、応力緩和層と基板との間に、Alx Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)からなる酸化防止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成されるAlx Gay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止するようにしたので、精細な層構成の発光ダイオードやレーザダイオードを形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るIII 族窒化物半導体装置の層構成の断面図
【図２】  Si基板上に直接形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射が(1,-1,1)方向の場合の結晶構造の写真、（ｂ）は電子線入射が(1, 0, 0) 方向の場合であり(a) に対してc 面内で30°回転させた場合の結晶構造の写真
【図３】  Si基板上に直接形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
【図４】  Si基板にGaN 膜を形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
【図５】  Si基板上のGaN 膜上に形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射が(1,-1,1)方向の場合の結晶構造の写真、（ｂ）は電子線入射が(1, 0, 0) 方向の（(a) に対してc 面内で30°回転させた）場合の結晶構造の写真
【図６】  Si基板上のGaN 膜、ZnO 膜の二重層上のAlx Gay In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す顕微鏡写真
【図７】本発明に係るレーザダイオードのへき開面に垂直な面での断面図
【図８】従来のIII 族窒化物半導体装置の１例であるレーザダイオードの断面図
【図９】  Si結晶基板上に直接形成されたAlx Gay In1-x-y N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す顕微鏡写真
【符号の説明】
１    基板
２    バッファ層
２ａ  第１のバッファ層
２ｂ  第２のバッファ層
３    コンタクト層
４    クラッド層
５    活性層
６    クラッド層
７    キャップ層
８    第１の電極層
８ａ  第１の電極層
９    第２の電極層
Ｓ    応力緩和層
Ｔ    酸化防止層
Ｎｔ  AlGaInN 層
【図１】
0003756575.tif 000003
【図２】
0003756575.tif 000004
【図３】
0003756575.tif 000005
【図４】
0003756575.tif 000006
【図５】
0003756575.tif 000007
【図６】
0003756575.tif 000008
【図７】
0003756575.tif 000009
【図８】
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【図９】
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