(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系の半導体層と、
導電性の基板と、
Ｃｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒから選ばれる１種又は２種以上の金属からなるバッファ層と、から構成される半導体素子。
【請求項２】
前記バッファ層の金属がＴｉ、Ｖ、Ｚｒから選ばれる１種又は２種以上の金属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】
前記バッファ層の金属がＺｒ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４】
前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＧａＮ系の半導体層を含む半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系の半導体は例えば青色発光素子として利用できることが知られている。かかる発光素子では、基板には一般的にサファイアが用いられ、例えばＡｌＮ製の層を介してＧａＮ系の半導体層が積層されて発光素子構造が形成される。ここにＡｌＮ製の層はＧａＮ系の半導体層を成長させるときの核発生を与える役目をしていると考えられる。
【０００３】
このような素子において、サファイア基板を他の材料に置換することが望まれている。サファイア基板は高価であるからである。更には、サファイア基板は絶縁体であるため同一面側に電極を形成する必要があり半導体層の一部をエッチングしなければならず、それに応じてボンディングの工程も２倍となる。また、同一面側にｎ、ｐ両電極を形成するため、素子サイズの小型化にも制限があった。加えて、チャージアップの問題もあった。
【０００４】
このようなサファイア基板の不具合を回避するため、シリコン基板上にＧａＮ系の半導体層を成長させる技術が検討されている。特開平８−３１０９００号公報、特開平９−９２８８２号公報等を参照されたい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、シリコン基板の上にＧａＮ系半導体層を成長させることは非常に困難であった。その原因の一つに、シリコンとＧａＮ系半導体の熱膨張率の差がある。シリコンの線膨張係数が４．７ X １０−６／Ｋであるのに対しＧａＮの線膨張係数は５．５９  X １０−６／Ｋであり、前者が後者より大きい。従って、ＧａＮ系半導体を成長させる際に加熱をすると、図１に示す如く、シリコン基板１が伸長されＧａＮ系半導体層３側が圧縮するように素子が変形する。このとき、ＧａＮ系半導体層３内に引っ張り応力が生じ、その結果クラック５の発生するおそれがある。また、クラック５が生じないまでも格子に歪みが生じる。従って、ＧａＮ系半導体素子がその本来の機能を発揮できなくなる。
【０００６】
そこで、この発明はシリコン基板の上にＧａＮ系半導体層が容易に形成できる新規な構成の半導体発光素子を提供することを目的とする。
更に、かかる検討を通して得られた知見を敷衍して、任意の材料の基板の上にＧａＮ系半導体層を形成する技術、即ち任意の材料の基板とその上に形成されたＧａＮ系半導体層とを備えてなる新規な構成の半導体素子を提供することをも目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記目的の少なくとも一つを達成する。そしてその構成は次のとおりである。
ＧａＮ系の半導体層と、
基板と、
前記半導体層と前記基板との間に設けられ、応力等を緩衝するバッファ層と、を備えてなる半導体素子。
【０００８】
このように構成された半導体素子によれば、図２に示すように、バッファ層１２がＧａＮ系半導体層１３と基板１１との熱膨張係数の差により生じた応力を緩衝するので、ＧａＮ系半導体層１３内の引っ張り応力が小さくなる。従って、そこにクラックが発生することはほとんどなくなり、格子歪みも緩和される。よって、ＧａＮ系半導体層１３はその本来の機能を設計どおりに発揮できることとなる。
【発明の実施の形態】
【０００９】
ＧａＮ系の半導体とはIII属窒化物半導体であって、一般的にはＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｘ＝Ｙ＝０を含む）で表される。
発光素子及び受光素子では、周知のように、発光層が異なる導電型の半導体層（クラッド層）で挟まれる構成であり、発光層には超格子構造やダブルヘテロ構造等が採用される。
ＦＥＴ構造の電子デバイスをＧａＮ系の半導体で形成することもできる。
【００１０】
基板の材質は特に限定されない。
基板は導電性とすることが好ましい。導電性の材料としてＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＯ及びＺｎＳｅ等を挙げることができる。
【００１１】
バッファ層はＧａＮ系半導体層と基板の応力を緩衝する作用をするものであれば、その材質は特に限定されない。また、このバッファ層を２層以上とすることもできる。
上記の作用を奏させる条件として、次のものがある。
(ア)  該バッファ層の材料の熱膨張係数が半導体層の材料と基板の材料の各熱膨張係数のううちの大きい方の３倍以下である。
(イ)  該バッファ層の材料の弾性率が２０ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である。
即ち、バッファ層の材料の熱膨張係数をある程度ＧａＮやシリコンに近づけるものとし、かつ弾性率を比較的小さくすることにより柔らかいものとしてこのバッファ層で素子の内部応力を緩和する。
なお、バッファ層の材料の弾性率は１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下とすることが更に好ましい。
【００１２】
視点を変えれば、上記において、(ウ)  バッファ層の材料の熱膨張係数をＧａＮ系半導体と基板の材料の各熱膨張係数の間とすることが好ましい。更に好ましくはバッファ層の材料の熱膨張係数をＧａＮ系半導体と基板の材料の各熱膨張係数のほぼ中央とする。
また、具体的には、(エ)  該バッファ層の材料の熱膨張係数を１０ X １０−６／Ｋ以下とする。
【００１３】
バッファ層とＧａＮ系の半導体層との密着力を高めるためには、窒化物生成自由エネルギーが負の値である材料からバッファ層が形成されること、若しくはかかる材料をバッファ層が含むことが好ましい。即ち、バッファ層の材料とＧａＮ系の半導体層との反応が不可逆的に行われるものとする。
【００１４】
更には、バッファ層とＧａＮ系半導体層とのなじみをよくし、ＧａＮ系半導体層の格子歪みを小さくするために、バッファ層の結晶構造をＧａＮと同じ六方晶とすることが好ましい。
また、同様の見地から、バッファ層は下記要件
｜バッファ層の格子定数−ＧａＮの格子定数｜／ＧａＮの格子定数
≦  ０．０５
を満足することが好ましい。
バッファ層が下記要件
｜バッファ層の格子定数−ＧａＮの格子定数｜／ＧａＮの格子定数
≦  ０．０２
を満足することが更に好ましい。
【００１５】
バッファ層の材料を導電性とし、更に基板の材料を導電性とすることが好ましい。
これにより、基板に電極を接続し、基板側よりＧａＮ系半導体層に通電することが可能になる。従って、ＧａＮ系半導体層で素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する複雑なエッチングが不要になる。図３の例で言えば、ｎクラッド層がバッファ層及び基板を介して外部に電気的に接続可能となる。一方、サファイア基板の場合は、これが絶縁性であったため発光層及びｐクラッド層をエッチングしてｎクラッド層を露出し、これを外部と電気的に接続させる必要があった。
基板及びバッファ層を介して半導体層へ通電可能となったので、外部電源に対するボンディングも容易になる。また、半導体層の上下で電極形成が可能となるので素子を小型化することができる。
更には、アースをとればチャージアップの問題も容易に解決される。
【００１６】
基板の材料がシリコンであるとき、バッファ層は前記シリコンと反応してシリサイドを形成する金属材料からなること、若しくはかかる材料を含んでいることが好ましい。
【００１７】
なお、当然のことであるが、バッファ層の材料はこれを形成した後の半導体素子の製造過程で加えられる温度より高い融点を持っていなければならない。
従って、バッファ層の材料は１０００℃を超える融点を持つ必要がある。
【００１８】
バッファ層が金属で形成され、ＧａＮ系半導体層が発光素子構造若しくは受光素子構造を採る場合、このバッファ層自体が反射層の役目をする。
従って、従来例の透明なサファイア基板を用いた発光素子や受光素子で必要とされていた別個の反射層の形成が不要となる。また、ＧａＡｓのように光を吸収する材料で基板を形成した場合における当該基板の除去作業が不要になる。
【００１９】
本発明者らの検討によれば、上記の条件の多く満足するバッファ層の材料として次のものがあった。
Ｃｒ：▲１▼融点が１０００℃以上であり、▲２▼線膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下であり、▲３▼窒化物生成エネルギーが負であり、▲４▼ＧａＮとの格子定数の差が２％以下であり、▲５▼シリサイドを形成できる。
Ｈｆ：▲１▼融点が１０００℃以上であり、▲２▼線膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下であり、▲３▼弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下であり、▲４▼ＧａＮとの格子定数の差が２％以下であり、▲５▼シリサイドを形成できる。
Ｎｂ：▲１▼融点が１０００℃以上であり、▲２▼線膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下であり、▲３▼弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下であり、▲４▼ＧａＮとの格子定数の差が２％以下であり、▲５▼シリサイドを形成できる。
Ｔａ：▲１▼融点が１０００℃以上であり、▲２▼線膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下であり、▲３▼窒化物生成エネルギーが負であり、▲４▼ＧａＮとの格子定数の差が２％以下であり、▲５▼シリサイドを形成できる。
Ｖ  ：▲１▼融点が１０００℃以上であり、▲２▼線膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下であり、▲３▼弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下であり、▲４▼窒化物生成エネルギーが負であり、▲５▼ＧａＮとの格子定数の差が２％以下であり、▲６▼シリサイドを形成できる。
Ｔｉ：▲１▼融点が１０００℃以上であり、▲２▼線膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下であり、▲３▼弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下であり、▲４▼窒化物生成エネルギーが負であり、▲５▼ＧａＮとの格子定数の差が２％以下であり、▲６▼シリサイドを形成できる。▲７▼結晶構造がｈｃｐである。
Ｚｒ：▲１▼融点が１０００℃以上であり、▲２▼線膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下であり、▲３▼弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下であり、▲４▼窒化物生成エネルギーが負であり、▲５▼ＧａＮとの格子定数の差が２％以下であり、▲６▼シリサイドを形成できる。▲７▼結晶構造がｈｃｐである。
【００２０】
以上より、バッファ層を形成する金属はＣｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれる１種又は２種以上の金属とすることが好ましい。
更に好ましくは、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒから選ばれる１種又は２種以上の金属でバッファ層を形成する。
最も好ましくは、Ｚｒでバッファ層を形成する。
【００２１】
バッファ層の形成の方法は特に限定されず、基板の材料やバッファ層自身の材料の特性に応じて適宜選択される。例えば、既述の金属でバッファ層を形成する場合はプラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、蒸着等の（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を採用できる。
【００２２】
【実施例】
以下、この発明の一の実施例を説明する。この実施例は発光ダイオード２０であり、その構成を図３に示す。
【００２３】
各半導体層のスペックは次の通りである。
0003765457.tif 000002
【００２４】
上記において、バッファ層２２はＣＶＤにより基板２１へ積層する。
ｎクラッド層２３は発光層２４側の低電子濃度ｎ層とバッファ層２２側の高電子濃度ｎ＋層とからなる２層構造とすることができる。
発光層２４は超格子構造のものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。
発光層２４とｐクラッド層２５との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（X=0,Y=0,X=Y=0を含む）層を介在させることができる。これは発光層２４中に注入された電子がｐクラッド層２５に拡散するのを防止するためである。
ｐクラッド層２５を発光層２４側の低ホール濃度ｐ層と電極２６側の高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造とすることができる。
【００２５】
バッファ層の上の各半導体層は周知の有機金属化合物気相成長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」という。）により形成される。この成長法においては、アンモニアガスと３族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ)、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
【００２６】
このＭＯＣＶＤ法を実行する際の熱により、図４に示すように、バッファ層２２の材料（Ｚｒ）が基板２１の材料（Ｓｉ)と反応してシリサイド（ＺｒＳｉ２）が形成される。また、ＺｒはＧａＮと同じ結晶構造（六方晶）を持ちかつ格子定数もＧａＮに近い。よって、クラッド層２３とバッファ層２２との間には２つの層が融合してＺｒＮ層が形成されていることが予想される。
【００２７】
透光性電極２６は金を含む薄膜であり、ｐクラッド層２５の上面の実質的な全面を覆って積層される。ｐ電極２８も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極２６の上に形成される。
ｎ電極２７は、蒸着により基板２１へ取り付けられる。
【００２８】
この発明は上記発明の実施の形態及び実施例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態様を包含する。
【００２９】
以下、次の事項を開示する。
(2)  前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(ア)  該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のうちの大きい方の３倍以下である、
(イ)  該バッファ層材料の弾性率が２０ X １０１０Ｎ／ｍ２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。
(3)  前記バッファ層材料の弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(2)に記載の半導体素子。
【００３０】
(4)  前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(ウ)  該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体層と前記基板の各熱膨張係数の間にある、
(イ)  該バッファ層材料の弾性率が２０ X １０１０Ｎ／ｍ２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。
(5)  前記バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のほぼ中央にあることを特徴とする(4)に記載の半導体素子。
【００３１】
(6)  前記バッファ層材料の弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(4)又は(5)に記載の半導体素子。
(7)  前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(エ)  該バッファ層材料の熱膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下である、
(イ)  該バッファ層材料の弾性率が２０ X １０１０Ｎ／ｍ２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。
【００３２】
(8)  前記バッファ層材料の弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(7)に記載の半導体素子。
(9)  前記バッファ層は窒化物生成自由エネルギーが負の値である材料を含んでいることを特徴とする請求項１及び(2)〜(8)のいずれかに記載の半導体素子。
【００３３】
(10)  前記バッファ層が下記要件
｜バッファ層の格子定数−ＧａＮの格子定数｜／ＧａＮの格子定数
≦  ０．０５
を満足することを特徴とする請求項１及び(2)〜(9)のいずれかに記載の半導体素子。
(11)  前記バッファ層が下記要件
｜バッファ層の格子定数−ＧａＮの格子定数｜／ＧａＮの格子定数
≦  ０．０２
を満足することを特徴とする(10)に記載の半導体素子。
【００３４】
(12)  前記バッファ層の結晶構造が六方晶であることを特徴とする請求項１及び(2)〜(11)のいずれかに記載の半導体素子。
(13)  前記基板材料及び前記バッファ層材料が導電性であることを特徴とする請求項１及び(2)〜(12)のいずれかに記載の半導体素子。
【００３５】
(14)  前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(13)に記載の半導体素子。
(15)  前記バッファ層は前記シリコンと反応する材料を含んでいることを特徴とする(14)に記載の半導体素子。
【００３６】
(16)  前記バッファ層の材料は半導体素子の製造過程で加えられる温度より高い融点を持つことを特徴とする請求項１、(2)〜(15)のいずれかに記載の半導体素子。
(17)  ＧａＮ系の半導体層と、
基板と、
前記半導体層と前記基板との間に設けられる金属製のバッファ層と、を備えてなる半導体素子。
【００３７】
(21)  ＧａＮ系の半導体層と、
導電性の基板と、
前記半導体層と前記基板との間に設けられ、下記要件を満足する導電性の金属を含む材料で形成されるバッファ層と、
(ア)  該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のうちの大きい方の３倍以下である、
(イ)  該バッファ層材料の弾性率が２０ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
を備えてなる半導体素子。
(22)  前記バッファ層材料の弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(21)に記載の半導体素子。
【００３８】
(23)  前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(ウ)  該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数の間にある、
(イ)  該バッファ層材料の弾性率が２０ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(21)に記載の半導体素子。
(24) 前記バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のほぼ中央にあることを特徴とする(23)に記載の半導体素子。
【００３９】
(25)  前記バッファ層材料の弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(23)又は(24)に記載の半導体素子。
(26)  前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(エ)  該バッファ層材料の熱膨張係数が１０ X １０−６／Ｋ以下である、
(イ)  該バッファ層材料の弾性率が２０ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(21)に記載の半導体素子。
【００４０】
(27)  前記バッファ層材料の弾性率が１５ X １０１０Ｎ／ｍ２以下である、
ことを特徴とする(26)に記載の半導体素子。
(28)  前記バッファ層は窒化物生成自由エネルギーが負の値である材料を含んでいることを特徴とする(21)〜(27)のいずれかに記載の半導体素子。
【００４１】
(29)  前記バッファ層が下記要件
｜バッファ層の格子定数−ＧａＮの格子定数｜／ＧａＮの格子定数
≦  ０．０５
を満足することを特徴とする(21)〜(28)のいずれかに記載の半導体素子。
(30)  前記バッファ層が下記要件
｜バッファ層の格子定数−ＧａＮの格子定数｜／ＧａＮの格子定数
≦  ０．０２
を満足することを特徴とする(29)に記載の半導体素子。
【００４２】
(31)  前記バッファ層の結晶構造が六方晶であることを特徴とする(21)〜(30)のいずれかに記載の半導体素子。
(32)  前記バッファ層材料が導電性であることを特徴とする(21)〜(31)のいずれかに記載の半導体素子。
【００４３】
(33)  前記基板材料がシリコンであることを特徴とする(32)に記載の半導体素子。
(34)  前記バッファ層は前記シリコンと反応する材料を含んでいることを特徴とする(33)に記載の半導体素子。
(35)  前記基板の材料は半導体素子の製造過程で加えられる温度より高い融点を持つことを特徴とする(21)〜(34)のいずれかに記載の半導体素子。
【００４４】
(41)  ＧａＮ系の半導体層と、
導電性の基板と、
Ｃｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒから選ばれる１種又は２種以上の金属からなるバッファ層と、から構成される半導体素子。
(42) 前記バッファ層の金属がＴｉ、Ｖ、Ｚｒから選ばれる１種又は２種以上の金属であることを特徴とする(41)に記載の半導体素子。
【００４５】
(43)  前記バッファ層の金属がＺｒであることを特徴とする(41)に記載の半導体素子。
(44)  前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(41)〜(43)に記載の半導体素子。
【００４６】
(51)  前記半導体素子は発光素子若しくは受光素子であることを特徴とする請求項１及び前記全ての項のいずれかに記載の半導体素子。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はシリコン製の基板とＧａＮ系半導体層との熱膨張率の差に起因する素子の反りを説明する図である。
【図２】図２は本発明の概念図であり、シリコン製の基板とＧａＮ系半導体層との間にバッファ層を介在させたときの応力緩和を示す。
【図３】図３はこの発明の実施例の発光ダイオードを示す図である。
【図４】図４は図３における基板、バッファ層及びｎクラッド層との拡大図であり、基板ーバッファ層間及びバッファ層−ＧａＮ間の反応を示す。
【符号の説明】
１、１１、２１  基板
１２、２２  バッファ層
３、１３、２３、２４、２５  ＧａＮ系の半導体層
２０  半導体発光素子
【図１】
0003765457.tif 000003
【図２】
0003765457.tif 000004
【図３】
0003765457.tif 000005
【図４】
0003765457.tif 000006