(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層して成る積層構造体において、
立方晶の結晶基板と、
上記結晶基板上に形成したリン化硼素ガリウム混晶（ＢxＧａ1-xＰ：０≦ｘ≦１）から成り第III族元素の組成に勾配を付した緩衝層と、
上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII族窒化物半導体層と、
を備え、ミスマッチ度０．１％以下で上記III族窒化物半導体層の格子定数が上記緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致している、
ことを特徴とする積層構造体。
【請求項２】
基板上に積層して成る積層構造体において、
立方晶の結晶基板と、
上記結晶基板上に形成したリン化窒化硼素混晶（ＢＮzＰ1-z：０≦ｚ≦１）から成り第Ｖ族元素の組成に勾配を付した緩衝層と、
上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII族窒化物半導体層と、
を備え、ミスマッチ度０．１％以下で上記III族窒化物半導体層の格子定数が上記緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致している、
ことを特徴とする積層構造体。
【請求項３】
上記緩衝層は、緩衝層を構成する第Ｖ族元素の組成比を異にする層を重層させることにより、組成に勾配を付して成る、請求項２に記載の積層構造体。
【請求項４】
基板上に積層して成る積層構造体において、
立方晶の結晶基板と、
上記結晶基板上に、リン化硼素ガリウム混晶（ＢxＧａ1-xＰ：０≦ｘ≦１）から成り第III族元素の組成に勾配を付して成る第１の緩衝層と、リン化窒化硼素混晶（ＢＮzＰ1-z：０≦ｚ≦１）から成り第Ｖ族元素の組成に勾配を付した第２の緩衝層とを順次重層させて形成した緩衝層と、
上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII族窒化物半導体層と、
を備え、ミスマッチ度０．１％以下で上記III族窒化物半導体層の格子定数が上記第２の緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致している、
ことを特徴とする積層構造体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の積層構造体を用い、上記緩衝層上に設けたIII族窒化物半導体が、ＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）を下部クラッド層とし、ＧａＩｎＮを発光層とし、ＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）を上部クラッド層とするダブルへテロ接合発光構造から成る、
ことを特徴とする化合物半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、結晶基板上に緩衝層を介して積層されたIII 族窒化物半導体層を備えた積層構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌxＧａyＮ：０≦ｘ、ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）や窒化ガリウム・インジウム混晶（ＧａxＩｎyＮ：０≦ｘ、ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）などのIII 族窒化物半導体は、青色等の短波長可視光発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザダイオード（英略称：ＬＤ）或いはフォトダイオード（英略称：ＰＤ）などのIII 族窒化物半導体光デバイスを構成する層として利用されている（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．、Ｖｏｌ．４４９（１９９７）、５０９〜５１８頁参照）。また、ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合電界効果型トランジスタ（英略称：ＭＥＳＦＥＴ）などのIII 族窒化物半導体電子デバイスを構成するのに利用されている（Ｐｒｏｃ．ＯＦ  ＴＨＥ  ＴＯＰＩＣＡＬ  ＷＯＲＫＳＨＯＰ  ＯＮ  III −Ｖ  ＮＩＴＲＩＤＥＳ（２１〜２３．Ｓｅｐｔ．１９９５）（ＰＥＲＧＡＭＯＮ  ＰＲＥＳＳ）、９７〜１００頁参照）。
【０００３】
これらの化合物半導体デバイスは、従来から、もっぱら六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）系に属するサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3単結晶）を基板とする積層構造体から構成されている。サファイアのａ軸の格子定数は４．７８５Åである。従来の積層構造体の主要な構成材料である六方晶の窒化ガリウム（化学式：ＧａＮ）のａ軸の格子定数は３．１８０Åである（赤崎  勇編著、「III −Ｖ族化合物半導体」（１９９４年５月２０日初版、（株）培風館発行、１４８頁の表７．１）。したがって、窒化ガリウムと基板たるサファイアとのミスマッチ（ｍｉｓ−ｍａｔｃｈ）度は、サファイア上でのＧａＮの配向を考慮しても１３．８％の大きさに達する（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．３＆４（１９８８）、７５〜８２頁参照）。
従来の積層構造体の一構成材料である格子定数を３．５３３Åとする窒化インジウム（化学式：ＩｎＮ）と、六方晶の窒化ガリウムとの格子不整合度も約１１．１％に達する。このように従来のIII 族窒化物半導体デバイス用途の積層構造体は、大凡、１０％程度の不整合性を内包する格子不整合系の構成からなっているものである。
【０００４】
基板材料と積層構造体の構成層間の格子の不整合度が大きい場合、連続性のある良好な結晶性のエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）薄膜層を積層するには困難を極める。したがって、従来のIII 族窒化物半導体デバイス用途の積層構造体にあっては、例えば六方晶のサファイア基板と積層構造体構成層との格子不整合性を緩和する目的で緩衝層を配置するのが常套手段となっている。
【０００５】
緩衝層は通常、ＡｌXＧａYＮ（０≦Ｘ、Ｙ≦１）混晶から構成される（特開平２−２２９４７６号公報明細書及び特開平４−２９７０２３号公報明細書参照）。緩衝層は実用上、約４００℃〜約６００℃と比較的に低温で成膜されるため、低温緩衝層と呼称されている。従来に於いて、緩衝層として備えるべき重要な要件は、六方晶ウルツァイト（ｗｕｒｚｉｔｅ）型の、微結晶が混在したアモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）結晶層であるとされている（特開平２−２２９４７６号公報明細書参照）。すなわち、従来の積層体は、六方晶の結晶基板表面上に六方晶系のIII 族窒化物半導体からなる緩衝層を内包するものとなっているのが通例である。
【０００６】
ところで、従来の積層構造体が、上記のように六方晶を主体とする結晶層から構成されていることについては、次のような特異な問題点が存在する。
【０００７】
それは、六方晶の窒化ガリウム系半導体が元来、ピエゾ（ｐｉｅｚｏ）効果（圧電効果）を呈することである。電子の高速応答性が必要とされるＭＯＤＦＥＴや、大容量の電力（パワー）デバイスでは、圧電効果による電荷分離は電子の正常な走行を決定的に阻害するものである。したがって、高速応答性に優れるデバイスを構成するには、圧電効果による分極を内包しない積層構造体から構成するのが優位となる。
【０００８】
圧電（ピエゾ）効果の強弱は、同一のIII 族窒化物半導体であっても、その結晶系によって異なる。立方晶（ｃｕｂｉｃ）のIII 族窒化物半導体では、圧電効果が発生し難いとされている（平成８年度先導研究報告書  ＮＥＤＯ−ＰＲ−９６０５、「ハードエレクトロニクス」（平成９年３月（財）新機能素子研究開発協会発行）、７５頁参照）。これは、電子の高速応答性を発揮するデバイスを獲得するに優位な潜在的要因である。
【０００９】
また、立方晶では、価電子帯側のバンドの縮帯が解放されていないため（生駒俊明、生駒英明共著、「化合物半導体の基礎物性入門」（１９９１年９月１０日初版、（株）培風館発行、１７頁参照）、低抵抗のｐ形伝導層を形成するのが六方晶に比較すれば容易であるとされる（特開平２−２７５６８２号公報明細書参照）。このような、低抵抗のｐ形伝導層を容易に形成できるという立方晶の有する特性は、ｐｎ接合を内包するＬＥＤ、ＬＤ、或いは略称ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジシスタ）等のパワー電子デバイス系ダイオード用途の各積層構造体を安定して構築する上で、重要な優れた特質である。
【００１０】
このため、最近では立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層をもってデバイス用途の積層構造体を構築する試みがなされている。デバイス用積層構造体を立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層から構成することを意図した従来技術は、基板結晶を単結晶の珪素（Ｓｉ）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）とするのを基本としている。これは、六方晶の結晶上には六方晶の結晶が優勢的に育成されるように、立方晶の結晶を優勢的に成長させるには立方晶系に属するダイヤモンド構造型のＳｉ及び閃亜鉛鉱構造（ｚｉｎｃ  ｂｌｅｎｄ）型のＧａＡｓを基板結晶として利用するのが元来、有利であることに依るものである。
【００１１】
しかし、立方晶の基板結晶上に直接成膜されたIII 族窒化物半導体層の内部には、立方晶と六方晶の結晶相が混在することが知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上に成膜したＧａＮ成長層の例では、１０％程度で六方晶が混在することが報告されている（１９９７年（平成９年）第５８回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎｏ．１（（社）応用物理学会、１９９７年１０月２日発行）、講演番号３ｐ−Ｑ−１５、３１６頁参照）。
【００１２】
この背景に鑑み、立方晶のＳｉ単結晶を基板として積層構造体を構成する場合にあっても、緩衝層を介して積層構造体の各構成層を堆積する操作が行われる。この場合の緩衝層の構成材料としては、炭化珪素（ＳｉＣ）が使用されるが、この炭化珪素には、六方晶の炭化珪素（６Ｈ−ＳｉＣと称される）と立方晶の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣと称される）とが存在する（「ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会第５回講演会予稿集」（応用物理学会主催、１９９６年１０月３１日〜１１月１日）、２０頁及びＰｒｏｃ．ＴＯＰＩＣＡＬ  ＭＥＥＴＩＮＧ  ＷＯＲＫＳＨＯＰ  ＯＮ  III −Ｖ  ＮＩＴＲＩＤＥＳ（Ｓｅｐｔ．２１〜２３、１９９５）、ＰＥＲＧＡＭＯＮ  ＰＲＥＳＳ、３３５〜３３８頁参照）。そして、六方晶の６Ｈ−ＳｉＣ上には、六方晶のIII 族窒化物半導体層が優勢的に成長するため、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層を形成するのには適していない。
【００１３】
一方、立方晶の３Ｃ−ＳｉＣから緩衝層を構成すれば、立方晶のIII 族窒化物半導体層が重層できると期待されるが、その緩衝層上には実際は六方晶と立方晶の結晶相とが混在する結晶層が形成されてしまう（１９９７年（平成９年）秋季第５８回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎｏ．１（（社）応用物理学会、１９９７年１０月２日発行）、講演番号３ｐ−Ｑ−１９、３１７頁））。積層するIII 族窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）を例にすれば、六方晶のＧａＮの室温での禁止帯幅は３．３９エレクトロンボルト（ｅＶ）であり、立方晶のそれは３．２９ｅＶである。また、ａ軸の格子定数も六方晶では、３．１８Åであるのに対し、立方晶のそれは４．５１Åと大きく相違する。すなわち、同一成長層内に異なる結晶系が混在することは、その層が禁止帯幅及び格子定数を異にする半導体材料からなる混合体であることを意味する。これにより、このような結晶系が混在する層を発光層とする発光デバイスでは、発光波長の不均一性などの不具合が帰結される。発光デバイスのみならず、他のデバイスにおいても、六方晶／立方晶界面での格子定数の相違に因る不用意な格子歪みの発生などは、均質な半導体機能層を形成するのに障害となるのは自明である。
【００１４】
このように、緩衝層に立方晶の３Ｃ−ＳｉＣを用いると、その上層の積層体は六方晶と立方晶とが混在した不均質なものとなり、したがって、結晶形が統一された成長層を得る上では立方晶の３Ｃ−ＳｉＣも必ずしも緩衝層に適しているとはいえない。
【００１５】
Ｓｉ基板上の緩衝層材料として、リン（燐）化硼素（化学式：ＢＰ）を利用する従来例もある（特開平２−２７５６８２号、特開平２−８８３８１号及び特開平２−２８８３８８号公報明細書参照）。Ｓｉ結晶上にＢＰ単結晶膜を成膜できることは既に知られている（渋沢直哉、寺嶋一高、第２８回結晶成長学会国内会議  講演番号２８ａＢ１１（日本結晶成長学会誌、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．２（１９９７）、１５０頁参照））。ＢＰ層を利用する利点は、立方晶たるＢＰの格子定数（４．５３８Å）（赤崎勇編著、「III −Ｖ族化合物半導体」（１９９４年５月２０日初版、（株）培風館発行）、１４８頁の表７．１参照）と立方晶の窒化ガリウム（格子定数＝４．５１０Å）とのミスマッチ度が僅か０．６％であることにある。立方晶窒化ガリウムに対するこの格子不整合度の矮小さが故に、最近ではＢＰはレーザ光の発振モードを統一せんがための活性（発光）層を囲繞するサイドブロック（ｓｉｄｅ  ｂｌｏｃｋ）層を構成する材料としても利用されるに至っている（特開平９−２３２６８５号公報明細書参照）。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＢＰと、立方晶のＧａＮとは、格子整合性が良好であるとはいえ、完全な格子整合関係とはならず、僅かながらも格子不整合性が残存している。そして、この程度の格子不整合性を残存させたままで積層させていくと、この格子不整合性を原因として発生するミスフィット転位は、積層体構成層内の結晶欠陥密度をより拡大させるものとなり、結果的に各種のデバイス特性を阻害させてしまう。このため、緩衝層との間での格子整合性をほぼ完全なものとすることが極めて重要であることが分かってきた。
【００１７】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、その上面に積層させる立方晶のIII 族窒化物半導体層との整合性をほぼ完全なものとすることができる緩衝層を有する積層構造体を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に積層して成る積層構造体において、立方晶の結晶基板と、上記結晶基板上に形成したリン化硼素ガリウム混晶（ＢxＧａ1-xＰ：０≦ｘ≦１）から成り第III族元素の組成に勾配を付した緩衝層と、上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII族窒化物半導体層と、を備え、ミスマッチ度０．１％以下で上記III族窒化物半導体層の格子定数が上記緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致している、ことを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、基板上に積層して成る積層構造体において、立方晶の結晶基板と、上記結晶基板上に形成したリン化窒化硼素混晶（ＢＮzＰ1-z：０≦ｚ≦１）から成り第Ｖ族元素の組成に勾配を付した緩衝層と、上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII族窒化物半導体層と、を備え、ミスマッチ度０．１％以下で上記III族窒化物半導体層の格子定数が上記緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致している、ことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記緩衝層は、緩衝層を構成する第Ｖ族元素の組成比を異にする層を重層させることにより、組成に勾配を付して成る、ことを特徴としている。
【００２１】
さらに、請求項４に記載の発明は、基板上に積層して成る積層構造体において、立方晶の結晶基板と、上記結晶基板上に、リン化硼素ガリウム混晶（ＢxＧａ1-xＰ：０≦ｘ≦１）から成り第III族元素の組成に勾配を付して成る第１の緩衝層と、リン化窒化硼素混晶（ＢＮzＰ1-z：０≦ｚ≦１）から成り第Ｖ族元素の組成に勾配を付した第２の緩衝層とを順次重層させて形成した緩衝層と、上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII族窒化物半導体層と、を備え、ミスマッチ度０．１％以下で上記III族窒化物半導体層の格子定数が上記第２の緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致している、ことを特徴としている。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は、化合物半導体デバイスであって、請求項１から４のいずれかに記載の積層構造体を用い、上記緩衝層上に設けたIII族窒化物半導体が、ＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）を下部クラッド層とし、ＧａＩｎＮを発光層とし、ＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）を上部クラッド層とするダブルへテロ接合発光構造から成る、ことを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２はこの発明の積層構造体の構成を概略的に示す図である。図１において、この発明の積層構造体（エピタキシャルウェハ）１０ａは、立方晶の結晶基板１と、その結晶基板１上に形成したリン化硼素ガリウム混晶（ＢxＧａ1-xＰ：０≦ｘ≦１）から成る緩衝層２１と、その緩衝層２１上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＡｌpＧａqＩｎrＮsＭ1-s 層（０≦ｐ、ｑ、ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０＜ｓ≦１で記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）で表されるIII 族窒化物半導体層３と、を備えて成る積層構造体である。
【００２６】
また、図２に示すように、この発明の積層構造体１０ｂは、図１の積層構造体１０ａにおけるリン化硼素ガリウム混晶から成る緩衝層２１に代えて、結晶基板１上にリン化窒化硼素混晶（ＢＮzＰ1-z：０≦ｚ≦１）から成る緩衝層２２を設けて成るものである。
【００２７】
先ず、積層構造体１０ａ、１０ｂにおける結晶基板１について説明する。結晶基板１は、上記したように、結晶系を立方晶とする基板である。これは、下地層から立方晶の材料を利用することにより、基板１上に重層する半導体層３の結晶系を立方晶優勢とするためである。この結晶基板１の立方晶半導体の結晶構造の代表的な例には、面心立方格子を有するダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎｄ）型構造や閃亜鉛鉱（ｚｉｎｃ  ｂｌｅｎｄ）型構造がある。珪素（Ｓｉ）はダイヤモンド型の半導体結晶である。リン化ガリウム（化学式：ＧａＰ）、砒化ガリウム（化学式：ＧａＡｓ）、リン化インジウム（化学式：ＩｎＰ）や砒化インジウム（化学式：ＩｎＡｓ）等のIII −Ｖ族化合物半導体は閃亜鉛鉱型の半導体結晶である。
【００２８】
結晶基板１として用いることのできる立方晶結晶には、他に酸化マグネシウム（化学式：ＭｇＯ）、酸化マンガン（化学式：ＭｎＯ）、酸化ニッケル（化学式：ＮｉＯ）や酸化コバルト（化学式：ＣｏＯ）等の岩塩構造型の酸化物がある。ペロブスカイト型のニオブ酸リチウム（化学式：ＬｉＮｂＯ3 ）やタンタル酸リチウム（化学式：ＬｉＴａＯ3 ）などの酸化物結晶も用いることのできる立方晶である。さらに、ＬｉＧａＯ2 やＬｉＡｌＯ2 などの酸化物結晶も立方晶結晶であり、基板１として利用できる。
ニッケル（元素記号：Ｎｉ）等の等軸立方格子の金属結晶も基板１として利用できる。
【００２９】
上記の酸化物結晶は劈開性がないか明瞭な劈開性を呈しないため（「ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会第５回講演会（１９９６年１０月３１日〜１１月１日）予稿集、講演番号IV−３、２０〜２１頁参照）、レーザーダイオードの共振面を作製するのが困難となる場合がある。劈開性の保有、基板表面の研磨技術、清浄化技術や大口径単結晶の製造技術等の実用上の技術水準の観点から総合的に判断すれば、ダイヤモンド型構造を有する珪素（Ｓｉ）や閃亜鉛鉱型の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）等の半導体結晶が実用上、本発明に係わる立方晶の基板１として実用的に利用できるものである。
また、このような面心立方晶結晶の上に立方晶の半導体層を積層させた構成から成る構造体も基板１として利用することができる。
【００３０】
デバイスを駆動するための駆動回路や信号の入出力を制御するための回路等を描画したＳｉやＧａＡｓ結晶も基板１として利用できる。このような描画回路を有する立方晶の半導体結晶基板１を利用すれば、同一基板上に複合化されたデバイスを形成することができる。この複合化されたデバイスの一例として、Ｓｉ基板上にＬＤとＰＤ、それらを駆動、制御するための素子、動作状況を記録、記憶するための記憶素子などを形成したものがある。
【００３１】
基板１の材料の導電形や導電率（抵抗率）は特に限定しない。例えば、硼素（元素記号：Ｂ）を添加（ドーピング）したｐ形珪素単結晶や、砒素をドーピングしたｎ形珪素単結晶を基板１として利用できる。
【００３２】
ＭＯＤＦＥＴ等の、導電性活性層と基板結晶とを電気的に絶縁する必要性が求められる電子デバイスにあっては、比抵抗（抵抗率）を数Ω・ｃｍ程度或いはそれ以上とする高抵抗のアンドープ珪素単結晶基板や約１０5 Ω・ｃｍを越える半絶縁性の砒化ガリウム単結晶も基板１として利用可能である。
【００３３】
基板１とする結晶表面の面方位についても特別な限定はない。例えば、［０１１］方向への傾斜角度を±１０度以内とする｛００１｝面を有する硼素、砒素或いは燐を添加した導電性の単結晶珪素が基板１として利用できる。亜鉛ドープのｐ形、或いは珪素ドープのｎ形砒化ガリウム単結晶も基板１として好適である。
【００３４】
次に、緩衝層２１，２２について説明する。上記したように、緩衝層２１は、リン化硼素ガリウム混晶（ＢxＧａ1-xＰ：０≦ｘ≦１）から構成し、緩衝層２２は、リン化窒化硼素混晶（ＢＮzＰ1-z：０≦ｚ≦１）から構成する。
【００３５】
リン化硼素ガリウム混晶から緩衝層２１を、またリン化窒化硼素混晶から緩衝層２２を構成する第１の利点は、これらのリン化硼素ガリウム混晶及びリン化窒化硼素混晶が立方晶、特に閃亜鉛鉱型の結晶材料であることに依っている。すなわち、結晶型の観点からして、緩衝層２１，２２上に積層するIII 族窒化物半導体層３を立方晶を主体とする構成とするに優位に作用するからである。ここで、立方晶を主体とするとは、成長層内で占有する立方晶結晶相の体積比率が、概ね９５％を越えることを指す。
【００３６】
第２の利点は、リン化硼素ガリウム混晶において、その第III 族構成元素であるガリウムと硼素との組成比を調整すれば、緩衝層２１の格子定数を任意に制御することができ、またリン化窒化硼素混晶において、その第Ｖ族構成元素である窒素とリンとの組成比を調整すれば、緩衝層２２の格子定数を任意に制御することができることである。したがって、例えば、これらの緩衝層２１，２２の格子定数を、その上に積層させるIII 族窒化物半導体層３の持つ格子定数に合わせるように組成比を調整すれば、緩衝層２１，２２とIII 族窒化物半導体層３との間の格子整合性をほぼ完全なものとすることができる。
また、これらの緩衝層２１，２２の格子定数を、基板１の持つ格子定数に合わせるように組成比を調整すれば、基板１と緩衝層２１，２２との間の格子整合性をほぼ完全なものとすることができる。
【００３７】
次に、上記の緩衝層２１，２２における格子定数制御について、詳細に説明する。
【００３８】
先ず緩衝層２１の格子定数について説明すると、リン化硼素ガリウム混晶（ＢXＧａ1-XＰ）での硼素組成比ｘ＝１の場合に相当するリン化硼素（ＢＰ）は、閃亜鉛鉱型の立方晶であり、その格子定数は４．５３８Åである。また、ＢXＧａ1-XＰ混晶での硼素組成比ｘ＝０の場合に相当するリン化ガリウム（ＧａＰ）は、同様に閃亜鉛鉱型の立方晶であり、その格子定数は５．４４９５Åである。したがって、ＢXＧａ1-XＰ（０≦ｘ≦１）混晶の取り得る格子定数Ｌ１の範囲は、図３に示すように、４．５３８Å以上で５．４４９Å以下となり、またこの格子定数Ｌ１は組成比ｘに対して直線的に変化するものである。
【００３９】
一方、Ｓｉ基板１の格子定数は、５．４３０９Åである。したがって、上記のＢXＧａ1-XＰ（０≦Ｘ≦１）混晶が取り得る格子定数の範囲内にある。このことは、ＢXＧａ1-XＰ混晶が硼素の組成比ｘ若しくはガリウムの組成比（１−ｘ）、即ち、第III 族構成元素の組成比如何によってＳｉ基板１と一致する格子定数を採れることを意味している。硼素組成比ｘを０．０２（２％）とするＢ0.02Ｇａ0.98Ｎ混晶の格子定数は、ベガード（Ｖｅｇａｒｄ）則に基づいて単純な線形補間から求めると５．４３０９Åとなる。したがって、具体的には、硼素組成比ｘを０．０２とすることをもって、Ｓｉ基板１と格子整合を果たすＢＧａＰ緩衝層２１が得られる。また、硼素組成比ｘを０（零）とすれば、当然ながらＧａＰと格子整合する。即ち、緩衝層２１をＢXＧａ1-XＰ（０≦Ｘ≦１）混晶から構成すれば、立方晶の基板材料として実用的なＳｉやＧａＰと格子整合の関係にある緩衝層が得られる利点がある。
【００４０】
次に緩衝層２２の格子定数について説明すると、リン化窒化硼素混晶層（ＢＮzＰ1-z（０≦ｚ≦１））での窒素組成比ｚ＝０の場合に相当するリン化硼素（ＢＰ）は、上記したように、閃亜鉛鉱型の立方晶であり、その格子定数は、４．５３８Åである。また、ＢＮzＰ1-z混晶での窒素組成比ｚ＝１の場合に相当する窒化硼素（ＢＮ）は、立方晶であり、その格子定数は、３．６１５Åである。したがって、ＢＮzＰ1-z（０≦ｚ≦１）混晶の取り得る格子定数Ｌ２の範囲は、図４に示すように、３．６１５Å以上で４．５３８Å以下となり、またこの格子定数Ｌ２は組成比ｚに対して直線的に変化するものである。
【００４１】
上記したＢＮzＰ1-z（０≦ｚ≦１）混晶が取り得る格子定数の範囲内には、立方晶のＧａＮ（格子定数＝４．５１Å）や、閃亜鉛鉱型立方晶のＢＰ（格子定数＝４．５３８Å）、立方晶のＢＮ（格子定数＝３．６１５Å）などがあり、これらのＧａＮ、ＢＰ、ＢＮは基板１として採用可能である。このことは、ＢＮzＰ1-z混晶は、窒素組成比ｚ或いはリン組成比（１−ｚ）如何に依って、これらの立方晶の基板１にほぼ完全に格子整合できることを意味している。例えば、窒素組成比ｚを０．０３（３％）とするＢＮ0.03Ｐ0.97混晶の格子定数は４．５１Åであり、したがって、ＢＮ0.03Ｐ0.97混晶は、立方晶のＧａＮからなる基板１に格子整合する緩衝層の構成材料として利用できる。
【００４２】
この発明に係る実施形態では、さらに、緩衝層２１，２２を組成勾配層として形成するようにしてもよい。すなわち、緩衝層２１においては、その第III 族構成元素である硼素の組成比ｘに、基板１からIII 族窒化物半導体層３に向けての層厚ｔに対して、図５に示すような勾配を付し、組成勾配層とする。また、緩衝層２２においては、その第Ｖ族構成元素である窒素の組成比ｚに、基板１からIII 族窒化物半導体層３に向けての層厚ｔに対して、図６に示すような勾配を付し、組成勾配層とする。このように、組成勾配を付すことをもって、基板１及びIII 族窒化物半導体層３との双方の接合界面で格子整合関係を果たせる緩衝層２１，２２を得ることができる。
【００４３】
一例として、Ｓｉ単結晶から成る基板１上に、ＧａＮ0.87Ａｓ0.13混晶からなるIII 族窒化物半導体層３を積層する場合を挙げる。この場合、基板１との接合界面側で硼素組成比ｘを０．０２とし、III 族窒化物半導体層３との接合界面で硼素組成比ｘを０．１３とするＢxＧａ1-xＰ（０≦ｘ≦１）組成勾配層は、Ｓｉ基板１とＧａＮ0.87Ａｓ0.13混晶から成るIII 族窒化物半導体層３との双方に格子整合する緩衝層として好ましく利用できる。
【００４４】
また、ＧａＰ単結晶から成る基板１上の、硼素組成比ｘを層厚ｔの増加方向に０から１に増加させてなるＢXＧａ1-XＰ（０≦Ｘ≦１）組成勾配層は、基板１と、ＧａＮ0.02Ａｓ0.98  混晶から成るIII 族窒化物半導体層３との双方との接合界面で格子整合関係にある緩衝層として利用できる。
【００４５】
また、格子定数を４．５３８ÅとするＢＰから成る結晶上の、窒素組成比ｚを層厚の増加方向に０から増加させてなるＢＮzＰ1-z（０≦ｚ≦１）組成勾配層は、ＢＰ結晶層と、立方晶ＡＩＮ（格子定数＝４．３８Å）から成るIII 族窒化物半導体層との双方の接合界面で格子整合する緩衝層として利用できる。
【００４６】
上記では、緩衝層２１，２２における組成勾配を、層厚ｔの増加方向に対して単調に増加するものとして説明したが、この組成勾配は、要は基板１とIII 族窒化物半導体層３との双方に格子整合するように付すものであり、したがって、単調に増加させる構成に限定されない。例えば、緩衝層２１，２２の層厚ｔの増加方向に対して単調に減少させるように構成してもよい。
また、緩衝層２１における第III 族構成元素の組成比ｘを階段状に増減させ、図７に示すように、組成比ｘを異にする層２１ａ，２１ｂ，…を重層させ、その重層緩衝層２１ａ，２１ｂ，…によって積層構造体１０ｃを構成するようにしてもよい。同様に、緩衝層２２における第Ｖ族構成元素の組成比ｚを階段状に増減させ、図８に示すように、組成比ｚを異にする層２２ａ，２２ｂ，…を重層させ、その重層緩衝層２２ａ，２２ｂ，…によって積層構造体１０ｄを構成するようにしてもよい。
【００４７】
この発明に係る実施形態では、上記の組成勾配を付した緩衝層２１，２２を組み合わせて新たな緩衝層を構成することも可能である。例えば、図９に示すように、Ｓｉ単結晶から成る基板１ａの表面上に、基板１ａとの接合面での硼素組成比ｘを０．０２（２％）とし、表層面での硼素組成比ｘを１とするＢX Ｇａ1-X Ｐ混晶から成る組成勾配を付した第１の緩衝層２１ｍを堆積する。次に、第１の緩衝層２１ｍとの接合面で窒素組成比ｚを０とし、表層面での窒素組成比ｚを０．０３とするＢＮXＰ1-X（０≦Ｘ≦１）混晶からなる組成勾配を付した第２の緩衝層２２ｍを重層する。このような組成勾配を付した緩衝層２１ｍ、２２ｍを形成することによって、Ｓｉ基板１ａとの接合面での格子定数は５．４３０９ÅとなってＳｉ基板１ａの格子定数に一致し、表面での格子定数は４．５１００Åとなって、その上に積層させるIII 族窒化物半導体層としての立方晶のＧａＮ層３ａの格子定数に一致し、全体としてほぼ完全な格子整合を有する積層構造体１０ｅを構成することができる。
【００４８】
上記のように、材料が異なる緩衝層２１ｍ，２２ｍを重層させて新たな緩衝層２３を構成することにより、基板１及びIII 族窒化物半導体３の各材料の選択の幅を拡げることができる。例えば、上記の例では、Ｓｉ単結晶基板１ａ上に ＢXＧａ1-XＰ 混晶からなる緩衝層を単独に設けても、立方晶のＧａＮ（格子定数＝４．５１Å）に格子整合する緩衝層は形成できない。ＢXＧａ1-XＰ（０≦ｘ≦１）が取り得る最小の格子定数は４．５３８Å（ＢＰの格子定数）であるからである。しかし、上記した例の如く、ＢＮXＰ1-X混晶からなる緩衝層を重層させれば、基板１ａであるＳｉとIII 族窒化物半導体層３ａである立方晶ＧａＮとの双方に格子整合する緩衝層となる。即ち、単結晶のＳｉを基板として採用する場合にあっても、格子整合関係を保持しながらＳｉ基板に積層できるIII 族窒化物半導体層の材料の種類を多くできる利点をもたらす。
【００４９】
逆に、緩衝層上に積層するIII 族窒化物半導体層を立方晶のＧａＮから構成することが決定されている場合、上記の例では、Ｓｉ単結晶基板１ａのみならず、ＧａＰからなる基板に格子整合する緩衝層を構成することができる。即ち、基板材料の選択の幅を広げることができる。
【００５０】
上記の例では、緩衝層２３の各層に組成勾配を付すようにしたが、少なくとも一つの層にのみ組成勾配を付すように構成してもよいし、各層に組成勾配を付さないで重層させる構成としてもよく、要は基板１とIII 族窒化物半導体層３との双方に格子整合する構成であればよい。
また、緩衝層２３を二層で形成したが、それ以上の多層構造に形成することもできる。
【００５１】
図１及び図２に戻って、緩衝層２１，２２の層厚について説明する。緩衝層２１，２２の層厚等の機械的な構成については、特に厳密な規定はない。緩衝層２１，２２を、立方晶を主体とするIII 族窒化物半導体層３の成長を誘発するための成長層として利用するならば、緩衝層２１，２２は、数Å程度の単原子層でも効果を発揮できる。
【００５２】
逆に、数μｍ程度の比較的厚い膜も緩衝層２１，２２として利用され得る。このように、緩衝層２１，２２を厚くできるのは、次の理由によるものである。すなわち、本発明の緩衝層２１，２２は、第III 族或いは第Ｖ族の構成元素の組成に変化を与えることにより、立方晶の基板１と格子整合させることができ、尚且、徐々に格子定数に変化を与えることができる。したがって、従来の単一の組成からなる緩衝層に比較すれば、基板１或いはIII 族窒化物半導体層３との間の格子不整合性に起因して、緩衝層に亀裂（クラック）が必然的に発生する事態を抑制することができるからである。
【００５３】
例えば、比較的厚い半導体層の成長も可能なハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）或いはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法で、百数十μｍ程度に厚く成長した緩衝層２１，２２でも、表面には亀裂の発生が殆ど認められない。基板１と格子整合を果たし、層厚を大としても表面に亀裂が殆ど発生しない本発明の緩衝層２１，２２は、下記のように、所謂高輝度の発光デバイスの形成にも優位に働く。
【００５４】
先ず、Ｓｉ単結晶から成る基板１上に、数十μｍから数百μｍの緩衝層２１，２２を成膜する。このＳｉ単結晶は、禁止帯幅が約１．１エレクトロンボルト（ｅＶ）と小さいため、可視短波長光に対して不透明な材料である。次に、緩衝層２１，２２の表面上に緩衝層２１，２２と格子整合を果たすIII 族窒化物半導体層３を積層させ、積層構造体１０ａ，１０ｂを完成させる。然る後、基板１を化学的な溶解等の手段により除去する。本発明では、緩衝層２１，２２を亀裂の発生を伴うことなく厚膜とすることができるため、基板１を除去して厚膜の緩衝層２１，２２自体を支持基体としても積層構造体１０ａ、１０ｂの支持に然したる支障が帰結されることはなく、積層構造体１０ａ，１０ｂは緩衝層２１，２２によって支持され得る。このことは即ち、所謂「基板除去法」を利用して、発光の吸収体たる基板材料を除去し、高輝度の発光デバイスを得ることができる優位性が帰結されることを意味している。
【００５５】
次に、緩衝層２１，２２の導電性について説明する。この緩衝層２１，２２の導電性についても特に規定はなく、デバイスの果たす機能に鑑み、またデバイスを駆動する電流の通流方向に鑑み決定すれば良い。ドナー性不純物或いはアクセプタ性不純物を故意に添加（ドーピング）したｎ形伝導性或いはｐ形伝導性を有する層が緩衝層２１，２２として利用できる。ｎ形導電性の緩衝層、例えばｎ形のＢＮxＰ1-x混晶（０≦ｘ≦１）２２は、成膜時にＳｉや錫（元素記号：Ｓｎ）などの第IV族不純物やセレン（元素記号：Ｓｅ）、硫黄（元素記号：Ｓ）等の第VI族不純物をドーピングすれば得られる。また、ｐ形導電性の緩衝層、例えばｐ形のＢＮxＰ1-x混晶２２は、第II族不純物の亜鉛（元素記号：Ｚｎ）やマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）或いは第IV族の炭素（元素記号：Ｃ）をドーピングして得られる。これらの不純物は、導電性の指標となるキャリア濃度が約１×１０17ｃｍ-3から概ね１０19ｃｍ-3を越える程度の範囲内となるようにドーピングするのが良い。
【００５６】
成膜時にドーピングするのではなく、成膜後に上記の不純物をイオン注入法で注入したる後、活性化アニール（ａｎｎｅａｌ）を施しても、ｎ形或いはｐ形緩衝層２１，２２は形成される。例えば、質量数を２８或いは２９とし原子価を１価或いは２価とするＳｉイオンの注入は、ｎ形の緩衝層２１，２２を得るのに利用できる。Ｚｎイオンの注入はｐ形の緩衝層２１，２２を得るのに利用できる。イオン注入法に依る場合、キャリア濃度はイオンの注入量、所謂ドーズ（ｄｏｓｅ）量をもって調節できる。好ましく利用できるドーズ量の範囲は通常、大凡、１×１０11ｃｍ-2〜５×１０13ｃｍ-2程度の範囲である。キャリア濃度の深さ方向（層厚方向）の分布状況は、イオンの加速電圧をもって制御できる。約３０キロボルト（ＫＶ）〜約４００ＫＶの加速電圧が一般的に利用されている。加速電圧に制限がある場合などは、１価のイオンに代替して、同一元素の２価イオンを注入する手法を選択すれば、加速電圧は１価イオンの場合の半分で済ますことができる。イオンの価数と加速電圧との積値で与えられる加速エネルギーが同一であれば、注入原子の深さ方向の分布状況には然したる相違は帰結されない。
【００５７】
基板１の裏面側に電極を敷設することを意図して導電性材料を基板１とするデバイスにあっては、緩衝層２１，２２も導電性を有する材料から構成する。
【００５８】
デバイスに依っては、不純物を敢えてドーピングしていないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）若しくは電気的に補償（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）するように不純物ドーピングを施した高抵抗の層を緩衝層２１，２２として利用する。鉄（元素記号：Ｆｅ）、クロム（元素記号：Ｃｒ）やバナジウム（元素記号：Ｖ）等の遷移金属をドーピングしても高抵抗の緩衝層２１，２２を得ることができる。成膜後に緩衝層２１，２２内に水素イオン（Ｈ+ ）（プロトン）などを注入することによっても高抵抗の緩衝層となすことができる。基板１と積層構成層３とのアイソレーション（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を要求するデバイスには、高抵抗或いは絶縁性の緩衝層２１，２２を利用するのが望ましい。電界効果型トランジスタ（英略称：ＦＥＴ）などのマイクロ波デバイスにあっては、緩衝層２１，２２は約１０4 Ω・ｃｍを越える高抵抗率であるのが望ましい。
【００５９】
次に、III 族窒化物半導体層３について説明する。緩衝層２１，２２上には、上記したように、立方晶を主体とするＡｌpＧａqＩｎrＮsＭ1-s （０≦ｐ、ｑ、ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０＜ｓ≦１で記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）から成るIII 族窒化物半導体層３を積層させて積層構造体１０ａ，１０ｂを形成する。ここで、立方晶を主体とするとは、一結晶層内部で占有する立方晶結晶相の体積比率が概ね、９５％を越えることを指す。
【００６０】
上記のIII 族窒化物半導体層３を形成する材料は、立方晶を主体とするＧａＮ、窒化アルミニウム（化学式：ＡｌＮ）や窒化インジウム（化学式：ＩｎＮ）等の２元結晶（２元素結晶）である。また、立方晶を主体とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌaＧａbＮ：０≦ａ、ｂ≦１、ａ＋ｂ＝１）であり、立方晶を主体とする窒化ガリウム・インジウム混晶（ＧａbＩｎcＮ：０≦ｂ、ｃ≦１、ｂ＋ｃ＝１、）であり、また立方晶を主体とする窒化アルミニウム・インジウム混晶（ＡｌaＩｎcＮ：０≦ａ、ｃ≦１、ａ＋ｃ＝１）である。また、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム系混晶 （ＡｌaＧａbＩｎcＮ：０≦ａ、ｂ、ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である。更に、砒化窒化ガリウム混晶（化学式：ＧａＡｓＮ）、リン化窒化アルミニウム混晶（化学式：ＡｌＮＰ）などである。即ち、本発明ではこれらを統括して一般式ＡｌpＧａqＩｎrＮsＭ1-s （０≦ｐ、ｑ、ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０＜ｓ≦１で記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）で表記する。インジウムを含む混晶にあっては、被熱に因るインジウムの凝縮等によりインジウム組成比が均一で組成的に均質な混晶層とは成り難い場合があるが、此処では、インジウム組成比の均質度に拘わらず便宜上、混晶層と称する。
【００６１】
上記のIII 族窒化物半導体層３を構成する各層は、ｎ形、ｐ形、あるいは高抵抗のｉ形のいずれでもよい。例えば、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）や亜鉛（元素記号：Ｚｎ）或いはベリリウム（元素記号：Ｂｅ）などの第II族元素をドーピング若しくは拡散してなる、或いはカルシウム（元素記号：Ｃａ）をイオン注入してなるｐ形ＡｌpＧａqＩｎrＮsＭ1-s 混晶層と、Ｓｉなどの第IV族元素、またはセレン（元素記号：Ｓｅ）や硫黄（元素記号：Ｓ）などの第VI族元素をドーピング或いはイオン注入してなるｎ形ＡｌpＧａqＩｎrＮsＭ1-s 混晶層を構成層として利用すれば、ｐｎ接合構成を内包する発光デバイス用途或いは大電力サイリスタ用途の積層構造体１０ａ，１０ｂを構築することができる。
【００６２】
基板１と、緩衝層２１あるいは２２とをいずれも高抵抗とし、その上に、III 族窒化物半導体層３として、ＡｌpＧａqＩｎrＮsＭ1-s 混晶からなるｎ形のチャネル層とｎ形のコンタククト層を積層してなる積層構造体１０ａ，１０ｂは、ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）用途として利用することができる。ｎ形チャネル層（電子走行層）とｎ形コンタクト層との中間に、さらにＡｌpＧａqＩｎrＮsＭ1-s から成るｎ形の電子供給層を配置してなる積層構造体１０ａ，１０ｂは、ＭＥＳＦＥＴの中で特に、２次元電子ガスＦＥＴ（ＴＥＧＦＥＴ）用途として好ましく利用できる。
【００６３】
基板１を含めた上記の積層構造体１０ａ，１０ｂに、デバイス化のための加工や表面処理などを施した後、、デバイス動作電源の入・出力用の電極を敷設することで、化合物半導体デバイスを形成する。この化合物半導体デバイスのうち、ＭＥＳＦＥＴやＭＯＤＦＥＴ（ＴＥＧＦＥＴ）などのＦＥＴ系デバイスは、ショットキー接合ゲート電極を配置するためのリセス（ｒｅｃｅｓｓ）加工を一般的な湿式若しくはプラズマエッチング法により施した後、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）及びドレイン（ｄｒａｉｎ）電極をなすｎ形オーミック電極を配置すれば形成できる。また、ＬＥＤやＬＤ等の発光デバイスにあっては、ｐｎ接合からなる発光部をメサ（ｍｅｓａ）型に残置するメサ加工を施し、ｐ形及びｎ形双方のオーミック電極を設けて形成する。
【００６４】
本発明では、基板１を立方晶とするため、この基板１に導電性材料を使用することができるようになる。上記のＬＥＤやＬＤ等の発光デバイスにあって、導電性の基板１を利用すれば、基板１の裏面側に一方のオーミック電極を敷設できるようになる。電気的な絶縁体であるサファイアを基板とする従来のＬＥＤやＬＤでは、ｐ形、ｎ形の双方の電極を同一主面側に設置する必要性から一電極（多くはｎ側電極）の形成に必要な面積を発光層から削除する必要があった（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３４（１９９５）、Ｌ１３３２〜Ｌ１３３５頁参照）。この実施形態では、ｎ側及びｐ側電極の何れか一方のオーミック電極を基板１の裏面側に敷設できるため、発光面積（ｐｎ接合面積）を徒に削除する必要もなくなり、したがって、発光面積の削減を回避でき、同一のチップサイズに於いて発光面積を大とする発光デバイスを作製できるようになる。
【００６５】
ｐ形のオーミック電極は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（元素記号：Ｐｄ）、銀（元素記号：Ａｇ）、白金（元素記号：Ｐｔ）、金（元素記号：Ａｕ）、金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金や金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金などから構成できる。ｎ形オーミック電極は、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）、チタン（元素記号：Ｔｉ）、クロム（元素記号：Ｃｒ）やインジウム（元素記号：Ｉｎ）などの金属材料から構成できる。
【００６６】
上記した本発明に係る積層構造体１０ａ，１０ｂを構成するには、立方晶の結晶材料からなる基板１表面上に、下記（ａ）〜（ｅ）に記載のエピタキシャル成膜手段により、緩衝層２１（２２）、及びIII 族窒化物半導体層３を成長させる。
（ａ）ホスフィン（化学式：ＰＨ3）、アンモニア（化学式：ＮＨ3）やジボラン（化学式：Ｂ2Ｈ6）などを第Ｖ族元素の原料とし、トリメチルガリウム（化学式：（ＣＨ3）3Ｇａ）等の有機金属化合物をIII 族元素の原料とする常圧（大気圧）或いは減圧有機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）法（ＭＯＶＰＥ法或いはＯＭＶＰＥ法などとも称される。）
（ｂ）三塩化砒素（化学式：ＡｓＣｌ3）や三塩化硼素（化学式：ＢＣｌ3）等の第Ｖ族元素の塩化物と金属ガリウム（元素記号：Ｇａ）を原料とするハライド気相成長（ＶＰＥ）法
（ｃ）アルシン、アンモニアやジボラン等の第Ｖ族元素の水素化物と金属ガリウムなどを原料とするハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法
（ｄ）金属ガリウムと砒素などを原料とする分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法
（ｅ）アンモニアやヒドラジン等のガス状原料と金属原料を使用するガスソース（ｇａｓ−ｓｏｕｒｃｅ）ＭＢＥ法など。
【００６７】
以上述べたように、この発明に係る実施形態では、基板１上に積層して成る積層構造体１０ａを、立方晶の結晶基板１と、その結晶基板１上に形成したリン化硼素ガリウム混晶から成る緩衝層２１と、その緩衝層２１上に形成したIII 族窒化物半導体層３と、から構成したので、緩衝層２１は、基板１とIII 族窒化物半導体層３との間の格子不整合性を緩和し、また、III 族窒化物半導体層３の結晶系を立方晶を主体とする層となす作用を積極的に有し、このため、当該積層構造体１０ａの全体を格子整合性の良好な立方晶を主体とする構成とすることができる。
【００６８】
そして、立方晶で全体を構成できるので、圧電効果が発生し難くなり、この積層構造体１０ａからデバイスを形成したとき、そのデバイスとしての高速応答性を確保する上で、大きく貢献することができる。
【００６９】
また、立方晶であるため、低抵抗のｐ形伝導層を容易に形成することができ、したがって、ｐｎ接合構造を必要とする、例えばＬＥＤやＬＤ等の光デバイスや大電力サイリスタなどの電子デバイスをも容易に形成できるようになる。
【００７０】
また、緩衝層２１をリン化硼素ガリウム混晶から構成したので、硼素の組成比ｘを調整することで、格子定数を任意に制御することができ、したがってその上に積層させたIII 族窒化物半導体層３との間でほぼ完全な格子整合性を持たせることができ、結晶欠陥の少ない良質の活性層等の機能層を備えた積層構造体１０ａをもたらし、デバイスとしての諸特性も大幅に向上させることができる。例えば、発光デバイスにあっては、発光強度等の発光特性に優れる発光デバイスを得ることができ、ＦＥＴデバイスにあっては、活性層たるチャネル層の結晶性の向上に起因して高い移動度が発現され、相互コンダクタンス（所謂、ｇm ）等の重要特性の向上を可能とする。
【００７１】
また、緩衝層２１を構成する硼素の組成比ｘに勾配を付したので、緩衝層２１は、III 族窒化物半導体層３のみでなく、基板１側との間でもほぼ完全な格子整合性を持つことができ、したがって、当該積層構造体１０ａの全体をほぼ完全な格子整合性のもとで構築することができる。
【００７２】
さらに、緩衝層２１を、当該緩衝層２１を構成する硼素の組成比ｘを異にする層２１ａ，２１ｂ…を重層させて構成したので、格子定数の異なる層を重層させることにより、緩衝層２１内に格子定数の異なる結晶歪を内包させることとなり、したがって、上層のIII 族窒化物半導体層３に転位等の結晶欠陥が伝搬するのを防止でき、結晶性に優れるIII 族窒化物半導体層３を積層させることができる。
【００７３】
また、この発明に係る実施形態では、基板１上に積層して成る積層構造体１０ｂを、立方晶の結晶基板１と、その結晶基板１上に形成したリン化窒化硼素混晶から成る緩衝層２２と、その緩衝層２２上に形成したIII 族窒化物半導体層３と、から構成したので、緩衝層２２は、基板１とIII 族窒化物半導体層３との間の格子不整合性を緩和し、また、III 族窒化物半導体層３の結晶系を立方晶を主体とする層となす作用を積極的に有し、このため、当該積層構造体１０ｂの全体を立方晶を主体とする構成とすることができる。
【００７４】
そして、立方晶で全体を構成できるので、上記の積層構造体１０ａの場合と同様の効果を奏する。
【００７５】
すなわち、圧電効果が発生し難くなり、この積層構造体１０ｂからデバイスを形成したとき、そのデバイスとしての高速応答性を確保する上で、大きく貢献することができる。
また、立方晶であるため、低抵抗のｐ形伝導層を容易に形成することができ、したがって、ｐｎ接合構造を必要とする、例えばＬＥＤやＬＤ等の光デバイスや大電力サイリスタなどの電子デバイスをも容易に形成できるようになる。
【００７６】
また、緩衝層２２をリン化窒化硼素混晶から構成したので、窒素の組成比ｚを調整することで、格子定数を任意に制御することができ、したがってその上に積層させたIII 族窒化物半導体層３との間でほぼ完全な格子整合性を持たせることができ、結晶欠陥の少ない良質の活性層等の機能層を備えた積層構造体１０ｂをもたらし、デバイスとしての諸特性も大幅に向上させることができる。例えば、発光デバイスにあっては、発光強度等の発光特性に優れる発光デバイスを得ることができ、ＦＥＴデバイスにあっては、活性層たるチャネル層の結晶性の向上に起因して高い移動度が発現され、相互コンダクタンス（所謂、ｇm ）等の重要特性の向上を可能とする。デバイスとしての諸特性を大幅に向上させることができる。
【００７７】
また、緩衝層２２を構成する窒素の組成比ｚに勾配を付したので、緩衝層２２は、III 族窒化物半導体層３のみでなく、基板１側との間でもほぼ完全な格子整合性を持つことができ、したがって、当該積層構造体１０ｂの全体をほぼ完全な格子整合性のもとで構築することができる。
【００７８】
さらに、緩衝層２２を、当該緩衝層２２を構成する窒素の組成比ｚを異にする層２２ａ，２２ｂ…を重層させて構成したので、格子定数の異なる層を重層させることにより、緩衝層２２内に格子定数の異なる結晶歪を内包させることとなり、したがって、上層のIII 族窒化物半導体層３に転位等の結晶欠陥が伝搬するのを防止でき、結晶性に優れるIII 族窒化物半導体層３を積層させることができる。
【００７９】
また、この発明に係る実施形態では、上記の緩衝層２１，２２を重層させて新たな緩衝層２３を構成するようにしたので、緩衝層２３はより幅広い格子定数を持つことができるようになり、したがって、その上下に接合させる基板１及びIII 族窒化物半導体３をより多様な材料から選択しても、ほぼ完全な格子整合性の下で接合させることができるようになる。
【００８０】
上記の説明では、緩衝層２１（あるいは２２）の上に直接III 族窒化物半導体層３を積層させるようにしたが、直接積層させず、図１０に示すように、緩衝層２１（２２）と略同一の組成を有するＢXＧａ1-XＰ混晶（またはＢＮzＰ1-z混晶）からなる下地層４１（４２）を介してIII 族窒化物半導体層３を積層させ、これにより積層構造体１０ｆを構成することもできる。この構成によると、緩衝層／下地層間が擬似的なホモ（ｈｏｍｏ）接合となるため、両層の接合界面でのミスフィットに起因する転位等の結晶欠陥の発生がより一層抑制でき、下地層４１（４２）は、結晶欠陥密度の極めて小さい、結晶性において顕著に優れたものとなる。このような下地層４１（４２）上には、下地層４１（４２）の高品質性を受け継いで、より一層結晶欠陥の少ない品質の優れたクラッド層や活性（発光）層などの機能層を形成することができる。
【００８１】
次に、本発明の積層構造体及びその積層構造体から形成した化合物半導体デバイスについて、より具体的な実施例を以て説明する。
【００８２】
【実施例】
下記の各実施例では、先ずｐｎ接合を含むヘテロ接合構造から成る積層構造体を形成し、次にその積層構造体からＬＥＤを形成した。
【００８３】
（第１実施例）
図１１は第１実施例での積層構造体の断面構造を示す図である。この実施例では、緩衝層をＢxＧａ1-xＰ混晶で形成する。図において、積層構造体１００は、基板１０１上に積層して構成されている。基板１０１には、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有し、抵抗率が約２ミリオーム・センチメートル（ｍΩ・ｃｍ）で、｛１００｝２゜オフ（ｏｆｆ）リン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶を用いた。
【００８４】
低抵抗で導電性の基板１０１の一主面上に、一般的な常圧（大気圧）ＭＯＣＶＤ法により７５０℃に於いて水素気流中でＢxＧａ1-xＰ混晶からなる低温緩衝層１２１を堆積した。緩衝層１２１を構成するＢxＧａ1-xＰ（０≦ｘ≦１）混晶の硼素（Ｂ）組成比ｘは、基板１０１との接合界面で０（零）とした。即ち、基板１０１表面に接する緩衝層１２１は、基板１０１と同じＧａＰとした。ジボラン（化学式：Ｂ2Ｈ6）／ホスフィン（化学式：ＰＨ3 ）／トリメチルガリウム（化学式：（ＣＨ3）3Ｇａ））からなるＭＯＣＶＤ反応系を利用して、２０分間に亘り成膜を継続し、層厚を約２０００Åとする緩衝層１２１を成膜した。２０分間に亘る成膜期間中に、ＭＯＣＶＤ反応系に供給するガリウム（Ｇａ）源としたトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）に対する硼素源のジボランガス（１０体積％Ｂ2Ｈ6−９０体積％Ｈ2 ）の供給比率を時間的に一律に減少させた。緩衝層１２１の成膜終了時には、トリメチルガリウムのＭＯＣＶＤ反応系への供給を停止してガリウムの組成比（１−ｘ）を０（零）とし、逆に硼素の組成比ｘを１．０とした。この第III 族構成元素の供給流量を変化させる操作により、緩衝層１２１の表面は、リン化硼素（ＢＰ）となした。緩衝層１２１の成膜に要した２０分間には、ホスフィンガス（１０体積％ＰＨ3−９０％体積Ｈ2）及びジシランガスのＭＯＣＶＤ反応系への供給量は変化させず、一定に保った。また、成膜期間中に、体積濃度にして約５ｐｐｍのジシラン（化学式：Ｓｉ2Ｈ6）を含むジシラン−水素混合ガスをドーピングガスとして、硼素組成比ｘを層厚の増加方向に０から１．０に増加させた組成勾配を有する緩衝層１２１に珪素（Ｓｉ）をドーピングした。このＳｉのドーピング操作により緩衝層１２１にｎ形の伝導性を付与した。
【００８５】
次に、緩衝層１２１に立方晶を主体とするIII 族窒化物半導体層１３１，１３２，１３３を順次積層させた。すなわち、緩衝層１２１の成膜終了後、基板１０１の温度を７５０℃に維持したままで、上記の表面でＢＰとなした緩衝層１２１上に、水素気流中で砒素（Ａｓ）組成比を０．０２とする立方晶を主体とするｎ形のＳｉドープの砒化窒化ガリウム混晶層（ＧａＮ0.98Ａｓ0.02）を下部クラッド層１３１として積層した。この下部クラッド層１３１の格子定数は４．５３３Åであり、緩衝層１２１を成すＢＰの格子定数４．５３８Åにほぼ一致している。下部クラッド層１３１の堆積時の砒素（Ａｓ）原料としては、アルシン（ＡｓＨ3）混合ガス（１０体積％ＡｓＨ3−９０％体積％水素）を利用した。Ｓｉのドーピング源には上記のジシラン−水素混合ガスを使用した。下部クラッド層１３１の層厚は約１．５μｍとし、キャリア濃度は約２×１０18ｃｍ-3とした。
【００８６】
次に、７５０℃で下部クラッド層１３１上にインジウム組成比を０．０６（６％）とするＳｉドープ窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ0.94Ｉｎ0.06Ｎ）をｎ形発光層１３２として、トリメチルインジウム（化学式：（ＣＨ3）3Ｉｎ）をインジウム（Ｉｎ）源とする常圧ＭＯＣＶＤ法により積層させた。Ｇａ0.94Ｉｎ0.06Ｎ発光層１３２の層厚は、約７０Åとし、キャリア濃度は約１×１０18ｃｍ-3とした。
【００８７】
さらに、７５０℃で常圧ＭＯＣＶＤ法により、層厚を約１０００ÅとしたＭｇをドーピングしたｐ形砒化窒化ガリウム混晶（ＧａＮ0.98Ａｓ0.02）を上部クラッド層１３３として、ｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶から成る発光層１３２上に積層させた。上部クラッド層１３３をなすｐ形ＧａＮ0.98Ａｓ0.02  混晶層も立方晶を主体として構成されているため、正孔濃度も約１×１０18ｃｍ-3の高濃度に容易に到達した。
【００８８】
上部クラッド層１３３上には、亜鉛（Ｚｎ）をドーピングしたｐ形のリン化硼素（ＢＰ）からなるコンタクト層１０５を積層した。亜鉛は、ジエチル亜鉛（化学式：（Ｃ2Ｈ5）2Ｚｎ） を体積濃度にして約１００ｐｐｍ含むジエチル亜鉛−水素混合ガスをドーピング源としてドーピングした。Ｚｎドープｐ形ＢＰコンタクト層１０５の層厚は約５００Åで、正孔濃度は約２×１０18ｃｍ-3とした。ＢＰは元来、閃亜鉛鉱型の立方晶であるために容易に１０18ｃｍ-3を越える低抵抗層のｐ形層となった。
【００８９】
以上の積層操作により、立方晶であるＧａＰ単結晶基板１０１上に、基板１０１を構成する単結晶材料とも格子整合し、且つ下部クラッド層１３１とも格子整合を果たす、基板１０１と下部クラッド層１３１間の格子不整合を緩和するに効果を奏する緩衝層１２１を具備し、尚且、緩衝層１２１上に格子整合関係を保持しつつ積層してなるＬＥＤ用途のｐｎ接合型ＤＨ（ダブルヘテロ）構造の積層構造体１００を形成した。
【００９０】
上記の積層構造体１００を母体材料として短波長可視光を放射するＬＥＤを作製した。
図１２は第１実施例でのＬＥＤの断面構造を示す図である。図において、ＬＥＤ１０１は次の手順で形成した。先ず、基板１０１としたＧａＰ単結晶の裏面側に、金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）合金（Ａｕ９５重量％：Ｇｅ５重量％）／Ｎｉ／Ａｕの３層からなる金属膜を順次、一般的な真空蒸着法により被着させ、４５０℃で１０分間のアロイ処理を水素雰囲気中で施してｎ形オーミック電極１０９を形成した。
【００９１】
次に、積層構造体１００の最表層をなすｐ形のリン化硼素からなるコンタクト層１０５の表面上に、約２０００Åの厚さの金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）合金（Ａｕ９７重量％：Ｚｎ３重量％）膜、約１０００Åのニッケル（Ｎｉ）膜、及び約１μｍの金（Ａｕ）膜を順次、通常の真空蒸着法により被着した。一般的なフォトリソグラフィー技術を利用したパターニング加工により、Ａｕ・Ｚｎ／Ｎｉ／Ａｕ３層重層構成の金属被膜を、３７０μｍの一定のピッチ（間隔）で直径１２０μｍの円形状に残置させた。
【００９２】
然る後、コンタクト層１０５上に円形状に残置させた金属被膜を付した状態で、水素雰囲気内で４５０℃で２分間、アロイング処理（合金化処理）を施した。このアロイ（ａｌｌｏｙ）処理により、３層の金属被膜を重層させてなるｐ形オーミック電極１０８を形成した。
【００９３】
コンタクト層１０５の表面に、中心線間のピッチ（間隔）を３７０μｍとし幅を２０μｍとした格子状のストライプ（帯状溝）を、一般的なフォトリソグラフィー技術によるパターニングと湿式エッチング法を利用して描画した。格子状に直交するストライプは、ＧａＰが劈開を呈する［０１１］方向に平行に設けた。また、ストライプは、上記の円形のｐ形オーミック電極１０８がそれらが区画する正方形の格子の中心に位置する様に設けた。
【００９４】
上記のストライプラインに沿って、ダイヤモンド製切削刃を付したカッターを走行させ、スクライブ（劈開）により、一辺を約３５０μｍとする正方形のチップに分離した。元来、［０１１］方向に劈開性を有する閃亜鉛鉱型の等軸立方晶のＧａＰ結晶を基板として使用したが故に、また、積層構成層も立方晶の結晶層から構成されているがために、積層構造体１００を不必要なチッピング（欠け）が発生しないように裁断するのは容易であった。
【００９５】
個別に分離したチップを、ステム（台座）に備えられた銀（Ａｇ）を被着して外部への発光の反射の効率を高めた円錐状の反射カップ（ｃｕｐ）の内部にマウント（支持）した。次に、一般的な半導体素子封止用の透明エポキシ（ｅｐｏｘｙ）樹脂で円筒型の外形に囲繞し、ＬＥＤ１０１を形成した。
【００９６】
ステムに備え付けの陽極及び陰極用のリード端子を介して、ＬＥＤ１０１の上下に敷設したｐ形及びｎ形両オーミック電極間に順方向に動作電流を通流した。順方向への電流の通流により、ＬＥＤ１０１は青色発光を呈した。発光の中心波長は約４３００Åであり、発光スペクトルの半値幅は約７０Åであった。近紫外帯領域に副次的な発光スペクトルは特に計測されず、単色性に優れる発光であった。順方向電流を２０ミリアンペア（ｍＡ）とした際の発光出力は約８４０ミリカンデラ（ｍｃｄ）と発光強度的にも優れたＬＥＤとなった。順方向電圧は２０ｍＡ通電時に約４．２ボルト（Ｖ）となった。以上により、本発明に係わる積層構造体１００は、発光強度や発光の単色性などの発光特性に優れるＬＥＤ１０１が帰結するものであることが提示された。
【００９７】
（実施例２）
図１３は第２実施例での積層構造体を示す図である。この実施例では、緩衝層をＢＮzＰ1-z混晶で形成する。図において、積層構造体２００は、基板２０１上に積層して構成されている。基板２０１は、下層の基板２０１ａと表層側の基板２０１ｂとから成っている。すなわち、基板２０１ａは、［０１１］方向に４゜オフしたリンをドーピングしたｎ形｛００１｝−Ｓｉ単結晶であり、この基板２０１ａ表面上に、三塩化硼素（ＢＣｌ3）と三塩化リン（ＰＣｌ3）を各々硼素及びリン源とする、一般的なＶＰＥ法により、厚さ約２μｍのＳｉドープｎ形ＢＰ層を８００℃で堆積し、この閃亜鉛鉱型の結晶型を有するｎ形ＢＰ層を表層側の基板２０１ｂとした。
【００９８】
基板２０１ｂの一主面上には、一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により８００℃で閃亜鉛鉱型のＢＮzＰ1-z混晶からなる緩衝層２２２を積層した。トリメチル硼素（化学式：（ＣＨ3）3Ｂ）／アンモニア（ＮＨ3 ）／ホスフィン（１０体積％ＰＨ3−９０％Ｈ2）反応系を利用したＢＮzＰ1-z（０≦ｚ≦１）混晶層を成長させるに当たり、表層側の基板２０１ｂを形成するＢＰ層に格子整合させるために、緩衝層２２２の成長初期の段階では、アンモニアガスの反応系への供給量は０（零）、即ち窒素の組成比ｚを０とした。これにより、表層側の基板２０１ｂと、緩衝層２２２とは、その接合部分がいずれもＢＰから成り、ほぼ完全に格子整合することとなった。
【００９９】
緩衝層２２２の成長に費やす時間が経過すると共に、即ち、緩衝層２２２の層厚が増加するに伴い窒素の組成比ｚを単調に漸次、増加させ、最終的に０．０２（２％）とした。層厚を約２００ÅとするＢＮzＰ1-zから成る緩衝層２２２の成長には１０分間を要したが、この間には、アンモニアガスの反応系への供給量のみを増加させ、窒素組成比ｚが０から０．０２まで変化するように勾配を付した。この成長期間中にはまた、第１実施例のジシラン−水素混合を利用してＳｉをドーピングし、緩衝層２２２をｎ形となした。
【０１００】
次に、緩衝層２２２に立方晶を主体とするIII 族窒化物半導体層２３１，２３２，２３３を順次積層させた。すなわち、表面の組成をＢＮ0.02Ｐ0.98とする緩衝層２２２の成膜終了後、その表面上には、水素気流中で７４０℃に於いて、砒素（Ａｓ）組成比を０．０１（１％）とする立方晶を主体とするＳｉドープｎ形砒化窒化ガリウム混晶層（ＧａＮ0.99Ａｓ0.01）を下部クラッド層２３１として積層した。成膜は、第１実施例に記載のアルシン−水素混合ガスを砒素（Ａｓ）源とし、ジシラン−水素混合ガスをＳｉのドーピング源とする常圧のＭＯＣＶＤ法で実施した。下部クラッド層２３１の層厚は約２μｍで、キャリア濃度は約３×１０18ｃｍ-3とした。この下部クラッド層２３１の格子定数は４．５２１Åであり、緩衝層２２２の表面組成ＢＮ0.02Ｐ0.98の格子定数４．５２０Åにほぼ一致している。
【０１０１】
ＧａＮ0.99Ａｓ0.01下部クラッド層２３１上には、７４０℃でインジウム組成比を０．０２（２％）とする、立方晶を主体とするＳｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶層（Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ）を発光層２３２として積層した。発光層２３２の層厚は約１０００Åとした。発光層２３２のキャリア濃度として、約５×１０17ｃｍ-3が得られるように、上記のジシラン−水素混合ガスのドーピング流量を調節した。
【０１０２】
ｎ形発光層２３２の上には、Ｍｇをドーピングした、砒素（Ａｓ）組成比を０．０１（１％）とするｐ形砒化窒化ガリウム混晶層（ＧａＮ0.99Ａｓ0.01）を上部クラッド層２３３して積層した。成膜は、７４０℃で行った。上部クラッド層２３３の層厚は約５０００Åとし、キャリア濃度は約８×１０17ｃｍ-3とした。上部クラッド層２３３のＧａＮ0.99Ａｓ0.01混晶層を対象としたＸ線精密回折測定法では六方晶に帰属される回折ピークは観測されなかった。
【０１０３】
以上の積層操作により、立方晶である基板２０１上に、表層側の基板２０１ｂを構成する材料とも格子整合し、且つ下部クラッド層２３１とも格子整合を果たす、基板２０１と下部クラッド層２３１間の格子不整合を緩和するに効果を奏する緩衝層２２２を具備し、尚且、緩衝層２２２上に格子整合関係を保持しつつ積層してなるＬＥＤ用途のｐｎ接合型ＤＨ（ダブルヘテロ）構造の積層構造体２００を形成した。
【０１０４】
上記の積層構造体２００を母体材料として近紫外光を放射するＬＥＤを作製した。
図１４は第２実施例でのＬＥＤの断面構造を示す図である。図において、ＬＥＤ２０１は、次のようにして形成した。積層構造体２００の最表層をなすｐ形の砒化窒化ガリウム混晶（ＧａＮ0.99Ａｓ0.01）から成る上部クラッド層２３３の表面上に、第１実施例に記載の手法と手順に則り、Ａｕ・Ｚｎ／Ｎｉ／Ａｕの３層構成からなるｐ形オーミック電極２０８を設けた。ｎ形オーミック電極２０９は、ｎ形Ｓｉ単結晶から成る下層側の基板２０１の裏面側に真空蒸着したＡｕ単体からなる被膜から構成した。
【０１０５】
然る後、第１実施例に記載の裁断法に従いチップとなし、半導体素子封止用の透明エポキシ樹脂でモールド（ｍｏｌｄ）してＬＥＤ２０１となした。その後、ｎ形及びｐ形両オーミック電極間に順方向に直流電流を流通させてＬＥＤ２０１の発光特性を調査した。発光波長は約３８０ｎｍとなった。発光スペクトルの半値幅は約１６０Åであった。紫外帯及び黄色、赤色帯での副次的なスペクトルは認められず、単色性に優れた発光を呈すＬＥＤであった。順方向電圧はを２０ｍＡとした際の順方向電圧は約４Ｖであった。一般的な積分球を利用して通常に測定した発光出力（発光輝度（ｃｄ／ｃｍ2 ）×発光面積）は約５００ミリカンデラ（ｍｃｄ）と高く、これをもって本発明に依れば、従来の如く電極を形成するために発光面を削除する必要が無く発光面積の広さが維持できるため、格子整合系積層構造に起因する本来の発光強度の大きさと相俟って、高出力の発光デバイスが形成できることが提示された。
【０１０６】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
この発明では、基板上に積層して成る積層構造体を、立方晶の結晶基板と、その結晶基板上に形成したリン化硼素ガリウム混晶から成り第III族元素の組成に勾配を付した緩衝層と、その緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII 族窒化物半導体層とを備え、ミスマッチ度０．１％以下でIII族窒化物半導体層の格子定数が緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致するように構成したので、緩衝層は、結晶基板とIII 族窒化物半導体層との間の格子不整合性を緩和し、また、III 族窒化物半導体層の結晶系を立方晶を主体とする層となす作用を積極的に有し、このため、当該積層構造体の全体を格子整合性の良好な立方晶を主体とする構成とすることができる。
【０１０７】
そして、立方晶で全体を構成できるので、圧電効果が発生し難くなり、この積層構造体からデバイスを形成したとき、そのデバイスとしての高速応答性を確保する上で、大きく貢献することができる。
【０１０８】
また、立方晶であるため、低抵抗のｐ形伝導層を容易に形成することができ、したがって、ｐｎ接合構造を必要とする、例えばＬＥＤやＬＤ等の光デバイスや大電力サイリスタなどの電子デバイスをも容易に形成できるようになる。
【０１１０】
また、この発明では、緩衝層を構成するリン化硼素ガリウム混晶の第III 族元素の組成比に勾配を付したので、緩衝層は、III 族窒化物半導体層のみでなく、結晶基板側との間でもほぼ完全な格子整合性を持つことができ、したがって、当該積層構造体の全体をほぼ完全な格子整合性のもとで構築することができ、結晶欠陥の少ない良質の活性層等の機能層を備えた積層構造体をもたらし、デバイスとしての諸特性も大幅に向上させることができる。例えば、発光デバイスにあっては、発光強度等の発光特性に優れる発光デバイスを得ることができ、ＦＥＴデバイスにあっては、活性層たるチャネル層の結晶性の向上に起因して高い移動度が発現され、相互コンダクタンス（所謂、ｇm ）等の重要特性の向上を可能とする。
【０１１２】
この発明では、基板上に積層して成る積層構造体を、立方晶の結晶基板と、その結晶基板上に形成したリン化窒化硼素混晶から成り第Ｖ族元素の組成に勾配を付した緩衝層と、その緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＧａＮqＡｓ1-q（０＜ｑ＜１）で表されるIII族窒化物半導体層と、を備え、ミスマッチ度０．１％以下で上記III族窒化物半導体層の格子定数が緩衝層の表面組成の格子定数にほぼ一致するように構成したので、緩衝層は、結晶基板とIII 族窒化物半導体層との間の格子不整合性を緩和し、また、III 族窒化物半導体層の結晶系を立方晶を主体とする層となす作用を積極的に有し、このため、当該積層構造体の全体を立方晶を主体とする構成とすることができる。
【０１１３】
そして、立方晶で全体を構成できるので、圧電効果が発生し難くなり、この積層構造体からデバイスを形成したとき、そのデバイスとしての高速応答性を確保する上で、大きく貢献することができる。
また、立方晶であるため、低抵抗のｐ形伝導層を容易に形成することができ、したがって、ｐｎ接合構造を必要とする、例えばＬＥＤやＬＤ等の光デバイスや大電力サイリスタなどの電子デバイスをも容易に形成できるようになる。
【０１１５】
また、緩衝層を構成する第Ｖ族元素の組成比に勾配を付したので、緩衝層は、III 族窒化物半導体層のみでなく、結晶基板側との間でもほぼ完全な格子整合性を持つことができ、したがって、当該積層構造体の全体をほぼ完全な格子整合性のもとで構築することができ、デバイスとしての諸特性も大幅に向上させることができる。
【０１１７】
また、この発明では、緩衝層を、当該緩衝層を構成する第Ｖ族元素の組成比を異にする層を重層させることにより、組成に勾配を付して構成したので、格子定数の異なる層を重層させることにより、緩衝層内に格子定数の異なる結晶歪を内包させることとなり、したがって、上層のIII 族窒化物半導体層に転位等の結晶欠陥が伝搬するのを防止でき、結晶性に優れるIII 族窒化物半導体層を積層させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の積層構造体の構成を概略的に示す図である。
【図２】この発明の積層構造体の構成を概略的に示す図である。
【図３】リン化硼素ガリウム混晶（ＢXＧａ1-XＰ）の硼素組成比ｘと格子定数Ｌ１との関係を示す図である。
【図４】リン化窒化硼素混晶（ＢＮZＰ1-Z）の窒素組成比Ｚと格子定数Ｌ２との関係を示す図である。
【図５】リン化硼素ガリウム混晶から成る緩衝層の硼素組成に勾配を付したときの層厚と硼素組成比との関係を示す図である。
【図６】リン化窒化硼素混晶から成る緩衝層の窒素組成に勾配を付したときの層厚と窒素組成比との関係を示す図である。
【図７】硼素の組成比を異にする層を重層させて成るリン化硼素ガリウム混晶から成る緩衝層を有する積層構造体を示す図である。
【図８】窒素の組成比を異にする層を重層させて成るリン化窒化硼素混晶から成る緩衝層を有する積層構造体を示す図である。
【図９】リン化硼素ガリウム混晶から成る層と、リン化窒化硼素混晶から成る層とを重層させて形成した緩衝層を有する積層構造体を示す図である。
【図１０】緩衝層上に下地層を形成して成る積層構造体を示す図である。
【図１１】第１実施例での積層構造体の断面構造を示す図である。
【図１２】第１実施例でのＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図１３】第２実施例での積層構造体の断面構造を示す図である。
【図１４】第２実施例でのＬＥＤの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１    基板
２１    リン化硼素ガリウム混晶から成る緩衝層
２２    リン化窒化硼素混晶から成る緩衝層
３    III 族窒化物半導体層
１０ａ  積層構造体
１０ｂ  積層構造体
１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ  積層構造体
２１ａ，２１ｂ…  硼素組成比を異にするリン化硼素ガリウム混晶から成る緩衝層
２２ａ，２２ｂ…  窒素組成比を異にするリン化窒化硼素混晶から成る緩衝層
２１ｍ  リン化硼素ガリウム混晶から成る層
２２ｍ  リン化窒化硼素混晶から成る層
２３    層２１ｍ、層２２ｍから成る緩衝層
４１，４２  下地層
１００    積層構造体
１０１    基板
１０５    コンタクト層
１０８    ｐ形オーミック電極
１０９    ｎ形オーミック電極
１１０    ＬＥＤ
１２１    緩衝層
１３１    下部クラッド層
１３２    発光層
１３３    上部クラッド層
２００    積層構造体
２０１ａ，２０１ｂ    基板
２０８    ｐ形オーミック電極
２０９    ｎ形オーミック電極
２１０    ＬＥＤ
２２２    緩衝層
２３１    下部クラッド層
２３２    発光層
２３３    上部クラッド層
ｘ    リン化硼素ガリウム混晶における硼素の組成比
ｚ    リン化窒化硼素混晶における窒素の組成比
【図１】
0003767660.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】
0003767660.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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