JP2003077835A - Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板Info
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- JP2003077835A JP2003077835A JP2001270758A JP2001270758A JP2003077835A JP 2003077835 A JP2003077835 A JP 2003077835A JP 2001270758 A JP2001270758 A JP 2001270758A JP 2001270758 A JP2001270758 A JP 2001270758A JP 2003077835 A JP2003077835 A JP 2003077835A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】特にＡｌを含むIII族窒化物膜から構成される
素子の転位量を低減させてその結晶性を向上させるとも
に、前記素子を構成するに際して好適に用いることので
きるエピタキシャル基板を提供する。 【解決手段】所定の基材１上にIII族窒化物下地層２、
超格子構造３、及びIII族窒化物層群５をこの順に形成
する。基材１、III族窒化物下地層２、及び超格子構造
３はエピタキシャル基板４を構成する。超格子構造３
は、複数のIII族窒化物膜が積層されるとともに、隣接
する前記III族窒化物膜のＡｌ組成差が１０原子％以上
である。
素子の転位量を低減させてその結晶性を向上させるとも
に、前記素子を構成するに際して好適に用いることので
きるエピタキシャル基板を提供する。 【解決手段】所定の基材１上にIII族窒化物下地層２、
超格子構造３、及びIII族窒化物層群５をこの順に形成
する。基材１、III族窒化物下地層２、及び超格子構造
３はエピタキシャル基板４を構成する。超格子構造３
は、複数のIII族窒化物膜が積層されるとともに、隣接
する前記III族窒化物膜のＡｌ組成差が１０原子％以上
である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、III族窒化物素子
及びIII族窒化物エピタキシャル基板に関し、詳しく
は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導
体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子として好
適に用いることのできるIII族窒化物素子、及び前記素
子を構成する基板として好適に用いることのできるIII
族窒化物エピタキシャル基板に関する。
及びIII族窒化物エピタキシャル基板に関し、詳しく
は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導
体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子として好
適に用いることのできるIII族窒化物素子、及び前記素
子を構成する基板として好適に用いることのできるIII
族窒化物エピタキシャル基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】III族窒化物膜は、フォトニックデバイ
ス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体
膜として用いられており、近年においては、携帯電話な
どに用いられる高速ＩＣチップなどを構成する半導体膜
としても注目を浴びている。また、特にＡｌを含むIII
族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として
注目されている。
ス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体
膜として用いられており、近年においては、携帯電話な
どに用いられる高速ＩＣチップなどを構成する半導体膜
としても注目を浴びている。また、特にＡｌを含むIII
族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として
注目されている。
【０００３】そして、近年においては、このようなIII
族窒化物膜を形成する基板として、所定の基材上にエピ
タキシャル成長により形成した下地膜を具える、いわゆ
るエピタキシャル基板が頻繁に用いられている。そし
て、このエピタキシャル基板上に、単層のIII族窒化物
膜あるいは複数のIII族窒化物膜が積層されてなる所定
のIII族窒化物層群をＭＯＣＶＤ法などを用いて形成す
ることにより、目的とする素子を得ている。
族窒化物膜を形成する基板として、所定の基材上にエピ
タキシャル成長により形成した下地膜を具える、いわゆ
るエピタキシャル基板が頻繁に用いられている。そし
て、このエピタキシャル基板上に、単層のIII族窒化物
膜あるいは複数のIII族窒化物膜が積層されてなる所定
のIII族窒化物層群をＭＯＣＶＤ法などを用いて形成す
ることにより、目的とする素子を得ている。
【０００４】前記下地膜は、特にＡｌを含有したIII族
窒化物膜のエピタキシャル成長を容易にすべく、Ａｌを
含有したIII族窒化物から構成することが好ましい。さ
らに、Ａｌ含有窒化物は大きなバンドギャップを有する
ため、このようなバンドギャップの大きな材料からなる
下地膜をIII族窒化物膜と基材との間に挿入することに
より、半導体素子などの効率を向上させることもでき
る。
窒化物膜のエピタキシャル成長を容易にすべく、Ａｌを
含有したIII族窒化物から構成することが好ましい。さ
らに、Ａｌ含有窒化物は大きなバンドギャップを有する
ため、このようなバンドギャップの大きな材料からなる
下地膜をIII族窒化物膜と基材との間に挿入することに
より、半導体素子などの効率を向上させることもでき
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにして作製した素子においては、エピタキシャル基板
を構成する基材とＡｌ含有III族窒化物下地膜との格子
定数差に起因してミスフィット転位が発生してしまい、
このミスフィット転位が貫通転位として前記III族窒化
物下地膜中を貫通し、その表面、すなわちエピタキシャ
ル基板の表面に到達してしまう。このため、前記III族
窒化物下地膜上、すなわち前記エピタキシャル基板上に
形成される前記III族窒化物層群にも、前記ミスフィッ
ト転位に起因した多量の転位が生成されてしまう。
うにして作製した素子においては、エピタキシャル基板
を構成する基材とＡｌ含有III族窒化物下地膜との格子
定数差に起因してミスフィット転位が発生してしまい、
このミスフィット転位が貫通転位として前記III族窒化
物下地膜中を貫通し、その表面、すなわちエピタキシャ
ル基板の表面に到達してしまう。このため、前記III族
窒化物下地膜上、すなわち前記エピタキシャル基板上に
形成される前記III族窒化物層群にも、前記ミスフィッ
ト転位に起因した多量の転位が生成されてしまう。
【０００６】すなわち、従来の特にＡｌを含むIII族窒
化物膜から構成される素子においては、転位を多量に含
むことに起因する低結晶性のものしか得ることができ
ず、例えば半導体発光素子などにおいては、その発光効
率が劣化していまい、所望の特性を有する半導体発光素
子を得ることができないでいた。
化物膜から構成される素子においては、転位を多量に含
むことに起因する低結晶性のものしか得ることができ
ず、例えば半導体発光素子などにおいては、その発光効
率が劣化していまい、所望の特性を有する半導体発光素
子を得ることができないでいた。
【０００７】本発明は、特にＡｌを含むIII族窒化物膜
から構成される素子の転位量を低減させてその結晶性を
向上させるともに、前記素子を構成するに際して好適に
用いることのできるエピタキシャル基板を提供すること
を目的とする。
から構成される素子の転位量を低減させてその結晶性を
向上させるともに、前記素子を構成するに際して好適に
用いることのできるエピタキシャル基板を提供すること
を目的とする。
【０００８】
【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、所定の基材と、III族窒化物下地層と、超格
子構造と、III族窒化物層群とを含み、前記III族窒化物
下地層は少なくともＡｌを含むとともに、前記超格子構
造は、複数のIII族窒化物膜が積層されてなり、隣接す
る前記III族窒化物膜のＡｌ組成差が１０原子％以上で
あることを特徴とする、III族窒化物素子に関する。
本発明は、所定の基材と、III族窒化物下地層と、超格
子構造と、III族窒化物層群とを含み、前記III族窒化物
下地層は少なくともＡｌを含むとともに、前記超格子構
造は、複数のIII族窒化物膜が積層されてなり、隣接す
る前記III族窒化物膜のＡｌ組成差が１０原子％以上で
あることを特徴とする、III族窒化物素子に関する。
【０００９】また、本発明は、所定の基材と、III族窒
化物下地層と、超格子構造とを含み、前記III族窒化物
下地層は少なくともＡｌを含むとともに、前記超格子構
造は、複数のIII族窒化物膜が積層されてなり、隣接す
る前記III族窒化物膜のＡｌ組成差が１０原子％以上で
あることを特徴とする、III族窒化物エピタキシャル基
板に関する。
化物下地層と、超格子構造とを含み、前記III族窒化物
下地層は少なくともＡｌを含むとともに、前記超格子構
造は、複数のIII族窒化物膜が積層されてなり、隣接す
る前記III族窒化物膜のＡｌ組成差が１０原子％以上で
あることを特徴とする、III族窒化物エピタキシャル基
板に関する。
【００１０】本発明者らは、主としてＡｌ系のIII族窒
化物膜から構成される素子中の転位量を低減させて結晶
性を向上させるべく鋭意検討を行なった。その結果、上
述したＡｌ組成差を有する複数のIII族窒化物膜からな
る超格子構造を含ませることにより、前記目的を達成で
きることを見出した。
化物膜から構成される素子中の転位量を低減させて結晶
性を向上させるべく鋭意検討を行なった。その結果、上
述したＡｌ組成差を有する複数のIII族窒化物膜からな
る超格子構造を含ませることにより、前記目的を達成で
きることを見出した。
【００１１】すなわち、前記基板から発生した貫通転位
は前記超格子構造に至ると、その進行方向を変化させる
ため、前記超格子構造を超えて上方に伝播しなくなる。
したがって、前記超格子構造より上方においては前記貫
通転位量が大幅に低減され、良好な結晶性を実現でき
る。
は前記超格子構造に至ると、その進行方向を変化させる
ため、前記超格子構造を超えて上方に伝播しなくなる。
したがって、前記超格子構造より上方においては前記貫
通転位量が大幅に低減され、良好な結晶性を実現でき
る。
【００１２】なお、前記III族窒化物素子において、前
記超格子構造は、必要に応じて前記基材と前記III族窒
化物下地層との間、前記下地層内、前記III族窒化物下
地層と前記III族窒化物層群との間、及び前記III族窒化
物層群を構成するIII族窒化物膜間の少なくとも１つに
設けることができる。いずれの場合においても、前記超
格子構造の上方においては貫通転位の低減に伴って結晶
性が改善される。したがって、目的とする素子の効率な
どの諸特性を向上させることができる。
記超格子構造は、必要に応じて前記基材と前記III族窒
化物下地層との間、前記下地層内、前記III族窒化物下
地層と前記III族窒化物層群との間、及び前記III族窒化
物層群を構成するIII族窒化物膜間の少なくとも１つに
設けることができる。いずれの場合においても、前記超
格子構造の上方においては貫通転位の低減に伴って結晶
性が改善される。したがって、目的とする素子の効率な
どの諸特性を向上させることができる。
【００１３】同様に、前記III族窒化物エピタキシャル
基板においては、前記基材と前記III族窒化物下地層と
の間、及び前記III族窒化物下地層上の少なくとも１つ
に設けることができる。
基板においては、前記基材と前記III族窒化物下地層と
の間、及び前記III族窒化物下地層上の少なくとも１つ
に設けることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面と関連させ
ながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
ながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】図１は、本発明のIII族窒化物素子の一例
を概略的に示す構成図であり、図２及び図３は、前記II
I族窒化物素子を構成する超格子構造の具体例を示す構
成図である。
を概略的に示す構成図であり、図２及び図３は、前記II
I族窒化物素子を構成する超格子構造の具体例を示す構
成図である。
【００１６】図１に示すIII族窒化物素子１０において
は、所定の基材１上にIII族窒化物下地層２、超格子構
造３、及びIII族窒化物層群５がこの順に形成されてい
る。なお、基材１、III族窒化物下地層２、及び超格子
構造３はエピタキシャル基板４を構成する。超格子構造
３は、本発明に従って複数のIII族窒化物膜が積層され
るとともに、隣接する前記III族窒化物膜のＡｌ組成差
が１０原子％以上であることが必要である。
は、所定の基材１上にIII族窒化物下地層２、超格子構
造３、及びIII族窒化物層群５がこの順に形成されてい
る。なお、基材１、III族窒化物下地層２、及び超格子
構造３はエピタキシャル基板４を構成する。超格子構造
３は、本発明に従って複数のIII族窒化物膜が積層され
るとともに、隣接する前記III族窒化物膜のＡｌ組成差
が１０原子％以上であることが必要である。
【００１７】したがって、例えば、図２に示すように、
ＧａＮ膜とＡｌＮ膜とが交互に積層された構成を採るこ
とにより、上記要件を満足することができる。なお、Ｇ
ａＮ膜とＡｌＮ膜との積層順序は、図２に示す場合と逆
であっても良い。
ＧａＮ膜とＡｌＮ膜とが交互に積層された構成を採るこ
とにより、上記要件を満足することができる。なお、Ｇ
ａＮ膜とＡｌＮ膜との積層順序は、図２に示す場合と逆
であっても良い。
【００１８】さらに、図２に示すような態様の他に、基
材１、III族窒化物下地層２、及びIII族窒化物層群５の
種類や、目的とする素子の種類などに応じて上記Ａｌ組
成差の要件を満足する限り、超格子構造を構成するIII
族窒化物膜は如何なる組成をも有することができる。
材１、III族窒化物下地層２、及びIII族窒化物層群５の
種類や、目的とする素子の種類などに応じて上記Ａｌ組
成差の要件を満足する限り、超格子構造を構成するIII
族窒化物膜は如何なる組成をも有することができる。
【００１９】なお、超格子構造３を構成するIII族窒化
物膜それぞれの厚さは５Å〜１０００Åであることが好
ましく、III族窒化物膜の積層数は２〜２０であること
が好ましい。
物膜それぞれの厚さは５Å〜１０００Åであることが好
ましく、III族窒化物膜の積層数は２〜２０であること
が好ましい。
【００２０】また、図２に示すような、異なる２種類の
組成のIII族窒化物膜が交互に積層されてなる２層周期
の超格子構造３の代わりに、上記Ａｌ組成差の要件を満
足する限り、異なる３種類以上の組成のIII族窒化物膜
が交互に積層されてなる３層周期以上の超格子構造を作
製することもできる。
組成のIII族窒化物膜が交互に積層されてなる２層周期
の超格子構造３の代わりに、上記Ａｌ組成差の要件を満
足する限り、異なる３種類以上の組成のIII族窒化物膜
が交互に積層されてなる３層周期以上の超格子構造を作
製することもできる。
【００２１】図１に示すIII族窒化物素子１０のIII族窒
化物層群５などは、一般にＭＯＣＶＤ法によって形成す
るため、超格子構造３についても同じくＭＯＣＶＤ法を
用いて形成し、素子１０全体の作製工程を簡略化するこ
とが好ましい。
化物層群５などは、一般にＭＯＣＶＤ法によって形成す
るため、超格子構造３についても同じくＭＯＣＶＤ法を
用いて形成し、素子１０全体の作製工程を簡略化するこ
とが好ましい。
【００２２】具体的には、図２に示すような２層周期の
超格子構造３を作製する場合、予め必要量が設定された
Ａｌ原料供給ライン及びＧａ原料供給ラインを設け、Ａ
ｌＮ膜を作製する場合は、前記Ａｌ原料供給ラインを開
にし、前記Ｇａ原料供給ラインを閉にする。ＧａＮ膜を
作製する場合は、前記Ａｌ原料供給ラインを閉にし、前
記Ｇａ原料供給ラインを開にする。そして、前記Ａｌ原
料供給ライン及び前記Ｇａ原料供給ラインの開閉を交互
にスイッチングすることにより、図２に示すような超格
子構造３を簡易に作製することができる。
超格子構造３を作製する場合、予め必要量が設定された
Ａｌ原料供給ライン及びＧａ原料供給ラインを設け、Ａ
ｌＮ膜を作製する場合は、前記Ａｌ原料供給ラインを開
にし、前記Ｇａ原料供給ラインを閉にする。ＧａＮ膜を
作製する場合は、前記Ａｌ原料供給ラインを閉にし、前
記Ｇａ原料供給ラインを開にする。そして、前記Ａｌ原
料供給ライン及び前記Ｇａ原料供給ラインの開閉を交互
にスイッチングすることにより、図２に示すような超格
子構造３を簡易に作製することができる。
【００２３】なお、組成の異なるＡｌＧａＮ膜の超格子
構造を作製する場合は、第１のＡｌ原料供給ライン及び
第２のＡｌ原料供給ラインを設けると共に、第１のＧａ
原料供給ライン及び第２のＧａ原料供給ラインを設け
る。そして、第１のＡｌ原料供給ライン及び第１のＧａ
原料供給ラインから、超格子構造を構成する第１のIII
族窒化物膜を形成するためのＡｌ原料及びＧａ原料の必
要量を供給し、第２のＡｌ原料供給ライン及び第２のＧ
ａ原料供給ラインから、同じく超格子構造を構成する第
２のIII族窒化物膜を形成するためのＡｌ原料及びＧａ
原料の必要量を供給する。
構造を作製する場合は、第１のＡｌ原料供給ライン及び
第２のＡｌ原料供給ラインを設けると共に、第１のＧａ
原料供給ライン及び第２のＧａ原料供給ラインを設け
る。そして、第１のＡｌ原料供給ライン及び第１のＧａ
原料供給ラインから、超格子構造を構成する第１のIII
族窒化物膜を形成するためのＡｌ原料及びＧａ原料の必
要量を供給し、第２のＡｌ原料供給ライン及び第２のＧ
ａ原料供給ラインから、同じく超格子構造を構成する第
２のIII族窒化物膜を形成するためのＡｌ原料及びＧａ
原料の必要量を供給する。
【００２４】そして、前記第１のIII族窒化物膜を形成
する際には、前記第２のＡｌ原料供給ライン及び前記第
２のＧａ原料供給ラインを閉状態にし、前記第２のIII
族窒化物膜を形成する際には、前記第１のＡｌ原料供給
ライン及び前記第１のＧａ原料供給ラインを閉状態にす
る。
する際には、前記第２のＡｌ原料供給ライン及び前記第
２のＧａ原料供給ラインを閉状態にし、前記第２のIII
族窒化物膜を形成する際には、前記第１のＡｌ原料供給
ライン及び前記第１のＧａ原料供給ラインを閉状態にす
る。
【００２５】すなわち、前記第１のIII族窒化物膜及び
前記第２のIII族窒化物膜毎に、予め必要量が設定され
たＡｌ原料供給ラインとＧａ原料供給ラインとを設け、
各III族窒化物膜を形成する際に対応するラインの切り
替えを行なうことによって、迅速に原料供給量を調節す
ることができ、２層周期超格子構造を簡易に形成するこ
とができる。
前記第２のIII族窒化物膜毎に、予め必要量が設定され
たＡｌ原料供給ラインとＧａ原料供給ラインとを設け、
各III族窒化物膜を形成する際に対応するラインの切り
替えを行なうことによって、迅速に原料供給量を調節す
ることができ、２層周期超格子構造を簡易に形成するこ
とができる。
【００２６】３層周期以上の超格子構造を作製する場合
は、原料供給を行なっていない一方の側の原料供給ライ
ンにおける原料供給量を随時変更し、原料供給ラインの
切り替えと、原料供給量の変更とを並行して用いること
により行なう。あるいは、異なるIII族窒化物膜毎に異
なる原料供給ラインを設け、各窒化物膜を形成する際
に、これら原料供給ラインを切り替えることによって実
施する。
は、原料供給を行なっていない一方の側の原料供給ライ
ンにおける原料供給量を随時変更し、原料供給ラインの
切り替えと、原料供給量の変更とを並行して用いること
により行なう。あるいは、異なるIII族窒化物膜毎に異
なる原料供給ラインを設け、各窒化物膜を形成する際
に、これら原料供給ラインを切り替えることによって実
施する。
【００２７】また、超格子構造を構成する異なる組成の
III族窒化物膜毎に原料供給ラインを設ける代わりに、
単一の原料供給ラインを設け、各窒化物膜を形成する際
の原料の供給量を適宜調節することによっても実施する
ことができる。しかしながら、界面において急峻に組成
が変化し、明瞭なＡｌ組成差を有する界面を有する超格
子構造を形成するためには、上述したように、超格子構
造を構成するIII族窒化物毎に原料供給ラインを設け、
この原料供給ラインの切り替えを行なうのが好ましい。
III族窒化物膜毎に原料供給ラインを設ける代わりに、
単一の原料供給ラインを設け、各窒化物膜を形成する際
の原料の供給量を適宜調節することによっても実施する
ことができる。しかしながら、界面において急峻に組成
が変化し、明瞭なＡｌ組成差を有する界面を有する超格
子構造を形成するためには、上述したように、超格子構
造を構成するIII族窒化物毎に原料供給ラインを設け、
この原料供給ラインの切り替えを行なうのが好ましい。
【００２８】図１に示すIII族窒化物素子１０におい
て、III族窒化物下地層２は、本発明に従って、少なく
ともＡｌを含むことが必要である。これは、高結晶性の
特にＡｌを含むIII族窒化物層群５を形成するに際して
要求されるものである。
て、III族窒化物下地層２は、本発明に従って、少なく
ともＡｌを含むことが必要である。これは、高結晶性の
特にＡｌを含むIII族窒化物層群５を形成するに際して
要求されるものである。
【００２９】III族窒化物下地層２は、基材１とIII族窒
化物層群５との間に位置し、いわばバッファ層的な役割
をも果たすものである。従来、Ｇａ系窒化物膜を作製す
るに際しては、この窒化物膜と基材との格子定数差を緩
和してミスフィット転位の発生を抑制すべき低結晶性、
例えば、ＭＯＣＶＤ法を用い、前記基材を５００〜６０
０℃に加熱して、ＧａＮ又はＡｌＮバッファ層などを形
成することが試みられていた。しかしながら、上記のよ
うな低い形成温度に起因して、形成されるＧａ系窒化物
膜の結晶性は、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅で２００
秒程度と低くかった。
化物層群５との間に位置し、いわばバッファ層的な役割
をも果たすものである。従来、Ｇａ系窒化物膜を作製す
るに際しては、この窒化物膜と基材との格子定数差を緩
和してミスフィット転位の発生を抑制すべき低結晶性、
例えば、ＭＯＣＶＤ法を用い、前記基材を５００〜６０
０℃に加熱して、ＧａＮ又はＡｌＮバッファ層などを形
成することが試みられていた。しかしながら、上記のよ
うな低い形成温度に起因して、形成されるＧａ系窒化物
膜の結晶性は、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅で２００
秒程度と低くかった。
【００３０】しかしながら、少なくともＡｌを含む結晶
性の高い窒化物膜を下地層として用い、隣接するＡｌ組
成差が１０原子％以上の超格子を挿入することにより、
Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下の高い結晶
性を有するのみならず、転位密度を大幅に低減したＧａ
系窒化物膜を作製できることを確認した。下地層２の結
晶性は高いほど好ましく、具体的には、下地層２の（０
０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅で１０
０秒以下の高結晶性を呈することが好ましい。
性の高い窒化物膜を下地層として用い、隣接するＡｌ組
成差が１０原子％以上の超格子を挿入することにより、
Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下の高い結晶
性を有するのみならず、転位密度を大幅に低減したＧａ
系窒化物膜を作製できることを確認した。下地層２の結
晶性は高いほど好ましく、具体的には、下地層２の（０
０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅で１０
０秒以下の高結晶性を呈することが好ましい。
【００３１】なお、このような効果は、Ｇａ系窒化物膜
のみならず、Ａｌ系窒化物膜に対しても同様の効果を示
すことも確認した。
のみならず、Ａｌ系窒化物膜に対しても同様の効果を示
すことも確認した。
【００３２】このような高結晶性のIII族窒化物下地層
２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により基材１を１１００℃
以上、好ましくは１２５０℃以下に加熱して形成する。
２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により基材１を１１００℃
以上、好ましくは１２５０℃以下に加熱して形成する。
【００３３】また、上述したような傾向はIII族窒化物
下地層２中のＡｌ含有量が多くなるほど顕著になり、特
にIII族元素中のＡｌ含有量が５０原子％以上、さらに
はIII族窒化物下地層２がＡｌＮ膜（III族元素中のＡｌ
含有量が１００原子％）から構成されることが好まし
い。
下地層２中のＡｌ含有量が多くなるほど顕著になり、特
にIII族元素中のＡｌ含有量が５０原子％以上、さらに
はIII族窒化物下地層２がＡｌＮ膜（III族元素中のＡｌ
含有量が１００原子％）から構成されることが好まし
い。
【００３４】なお、III族窒化物下地層２の厚さは０．
５μｍ以上であることが好ましく、さらには１μｍ〜３
μｍであることが好ましい。
５μｍ以上であることが好ましく、さらには１μｍ〜３
μｍであることが好ましい。
【００３５】なお、III族窒化物層群５、超格子構造
３、及びIII族窒化物下地層２は、Ａｌの他にＧａ及び
ＩｎなどのIII族元素を含有することができ、必要に応
じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、Ａｓ及
びＢなどの元素を含有することもできる。超格子構造３
においては、各層毎に不純物種類及び不純物濃度を変化
させることもできる。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。
３、及びIII族窒化物下地層２は、Ａｌの他にＧａ及び
ＩｎなどのIII族元素を含有することができ、必要に応
じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、Ａｓ及
びＢなどの元素を含有することもできる。超格子構造３
においては、各層毎に不純物種類及び不純物濃度を変化
させることもできる。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。
【００３６】また、基材１は、サファイア単結晶、Ｚｎ
Ｏ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、Ｚ
ｒＢ２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。
Ｏ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、Ｚ
ｒＢ２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。
【００３７】なお、必要に応じて、基材１の、III族窒
化物下地層２を形成すべき主面に対して窒化処理を行な
い、表面窒化層を形成することもできる。これによっ
て、III族窒化物下地層２、さらにはIII族窒化物層群５
の結晶性をさらに向上させることができる。
化物下地層２を形成すべき主面に対して窒化処理を行な
い、表面窒化層を形成することもできる。これによっ
て、III族窒化物下地層２、さらにはIII族窒化物層群５
の結晶性をさらに向上させることができる。
【００３８】上述した態様を採ることにより、図１に示
すIII族窒化物素子１０の、超格子構造３上に位置するI
II族窒化物層群５中の転位密度を、例えば、Ｇａ系窒化
物膜を主として含む場合は、１０９／ｃｍ２以下、さら
には１０８／ｃｍ２以下にまで低減させることができ
る。また、Ａｌ系窒化物膜を主として含む場合は、１０
１０／ｃｍ２以下、さらには１０９／ｃｍ２以下にまで
低減させることができる。
すIII族窒化物素子１０の、超格子構造３上に位置するI
II族窒化物層群５中の転位密度を、例えば、Ｇａ系窒化
物膜を主として含む場合は、１０９／ｃｍ２以下、さら
には１０８／ｃｍ２以下にまで低減させることができ
る。また、Ａｌ系窒化物膜を主として含む場合は、１０
１０／ｃｍ２以下、さらには１０９／ｃｍ２以下にまで
低減させることができる。
【００３９】また、図１に示すIII族窒化物素子１０に
おいては、エピタキシャル基板４を構成するIII族窒化
物下地層２とIII族窒化物層群５との間に超格子構造３
を設けているが、エピタキシャル基板４を構成する基材
１とIII族窒化物下地層２との間、又はIII族窒化物層群
５を構成するIII族窒化物膜間に設けることができる。
さらには、III族窒化物下地層２を上下に分割し、この
間に形成することもできる。また、単独の超格子構造３
のみならず、複数の超格子構造を上述した複数の位置に
設けることもできる。
おいては、エピタキシャル基板４を構成するIII族窒化
物下地層２とIII族窒化物層群５との間に超格子構造３
を設けているが、エピタキシャル基板４を構成する基材
１とIII族窒化物下地層２との間、又はIII族窒化物層群
５を構成するIII族窒化物膜間に設けることができる。
さらには、III族窒化物下地層２を上下に分割し、この
間に形成することもできる。また、単独の超格子構造３
のみならず、複数の超格子構造を上述した複数の位置に
設けることもできる。
【００４０】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 （実施例）本実施例においては、図４に示すようなＰＩ
Ｎ型の半導体発光素子１１を作製した。図４に示す半導
体発光素子１１においては、基材１、III族窒化物下地
層２、及び超格子構造３から構成されるエピタキシャル
基板４上において、III族窒化物層群５が形成されてい
る。III族窒化物層群５は、第１の導電層５−１、第１
のクラッド層５−２、発光層５−３、第２のクラッド層
５−４、及び第２の導電層５−５が積層されて構成され
ている。また、第１の導電層５−１上には第１の電極６
が形成され、第２の導電層５−５上には第２の電極７が
形成されている。
る。 （実施例）本実施例においては、図４に示すようなＰＩ
Ｎ型の半導体発光素子１１を作製した。図４に示す半導
体発光素子１１においては、基材１、III族窒化物下地
層２、及び超格子構造３から構成されるエピタキシャル
基板４上において、III族窒化物層群５が形成されてい
る。III族窒化物層群５は、第１の導電層５−１、第１
のクラッド層５−２、発光層５−３、第２のクラッド層
５−４、及び第２の導電層５−５が積層されて構成され
ている。また、第１の導電層５−１上には第１の電極６
が形成され、第２の導電層５−５上には第２の電極７が
形成されている。
【００４１】基材１として、Ｃ面サファイア単結晶を用
い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に
載置した。次いで、圧力を１５Ｔｏｒｒに設定して、水
素キャリアガスを流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給し
た後、ヒータにより、基材１を１２００℃まで加熱し
た。
い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に
載置した。次いで、圧力を１５Ｔｏｒｒに設定して、水
素キャリアガスを流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給し
た後、ヒータにより、基材１を１２００℃まで加熱し
た。
【００４２】次いでに、アンモニアガス（ＮＨ３）を水
素キャリアガスとともに５分間流し、基材１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。
素キャリアガスとともに５分間流し、基材１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供給原料としてトリメチルア
ルミニウム（ＴＭＡ）を用いるとともに、窒素供給原料
としてアンモニアガス（ＮＨ３）を用い、これら原料ガ
スを水素キャリアガスとともに、ＴＭＡとＮＨ３とのモ
ル比が１：４５０となるようにして前記反応管内に導入
するとともに、基材１上に供給した。そして、１２０分
間エピタキシャル成長させることによって、III族窒化
物下地層２としてのＡｌＮ膜を厚さ２μｍに形成した。
ルミニウム（ＴＭＡ）を用いるとともに、窒素供給原料
としてアンモニアガス（ＮＨ３）を用い、これら原料ガ
スを水素キャリアガスとともに、ＴＭＡとＮＨ３とのモ
ル比が１：４５０となるようにして前記反応管内に導入
するとともに、基材１上に供給した。そして、１２０分
間エピタキシャル成長させることによって、III族窒化
物下地層２としてのＡｌＮ膜を厚さ２μｍに形成した。
【００４４】このＡｌＮ下地膜の表面平坦性を評価した
ところ、５μｍのＲａで２Åの平坦な膜であることが判
明し、（００２）のロッキングカーブ半値幅が５０秒と
いう高結晶を呈することが判明した。
ところ、５μｍのＲａで２Åの平坦な膜であることが判
明し、（００２）のロッキングカーブ半値幅が５０秒と
いう高結晶を呈することが判明した。
【００４５】次いで、２種類の原料供給ラインより、Ｔ
ＭＡ及びＮＨ３のモル比が１：４５０に設定された原料
供給ガス、並びにＧａ原料供給ガスとしてのＴＭＧ及び
ＮＨ３のモル比が１：４５０に設定された原料供給ガス
を交互の前記反応管内に導入して、図２に示すようなＧ
ａＮ膜とＡｌＮ膜とが交互に積層された超格子構造３を
形成した。なお、ＧａＮ膜の厚さは１５Åとし、ＡｌＮ
膜の厚さは１５Åとするとともに、積層数は４とした。
ＭＡ及びＮＨ３のモル比が１：４５０に設定された原料
供給ガス、並びにＧａ原料供給ガスとしてのＴＭＧ及び
ＮＨ３のモル比が１：４５０に設定された原料供給ガス
を交互の前記反応管内に導入して、図２に示すようなＧ
ａＮ膜とＡｌＮ膜とが交互に積層された超格子構造３を
形成した。なお、ＧａＮ膜の厚さは１５Åとし、ＡｌＮ
膜の厚さは１５Åとするとともに、積層数は４とした。
【００４６】次いで、圧力を１００Ｔｏｒｒに設定し
て、基板温度を１０５０℃に変更し、第１の導電層５−
１としてＳｉをドープしたｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０． ９Ｎ
層を厚さ２μm成長させた。さらに、このｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層上に、第１のクラッド層５−２としてＳｉをドープ
したｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１０００Åに成長さ
せた。その後、この上に発光層５−３を構成するｉ−Ａ
ｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１００Åで成長させた。
て、基板温度を１０５０℃に変更し、第１の導電層５−
１としてＳｉをドープしたｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０． ９Ｎ
層を厚さ２μm成長させた。さらに、このｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層上に、第１のクラッド層５−２としてＳｉをドープ
したｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１０００Åに成長さ
せた。その後、この上に発光層５−３を構成するｉ−Ａ
ｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１００Åで成長させた。
【００４７】次いで、前記ｉ−ＡｌＧａＮ層上に第２の
クラッド層５−４として、Ｍｇをドープしたｐ−Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１００Åに成長させ、最後に第２
の導電層５−５としてＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層を
厚さ２０００Åに成長させた。
クラッド層５−４として、Ｍｇをドープしたｐ−Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１００Åに成長させ、最後に第２
の導電層５−５としてＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層を
厚さ２０００Åに成長させた。
【００４８】成長終了後、上記のようにして形成した多
層膜の一部を第１の導電層５−１が露出するまで除去
し、第２の導電層５−５としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ
／Ｎｉからなるｐ−電極７を形成し、露出した第１の導
電層５−１としてのｎ−ＧａＮ層の表面上にＡｌ／Ｔｉ
からなるｎ−電極６を形成した。
層膜の一部を第１の導電層５−１が露出するまで除去
し、第２の導電層５−５としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ
／Ｎｉからなるｐ−電極７を形成し、露出した第１の導
電層５−１としてのｎ−ＧａＮ層の表面上にＡｌ／Ｔｉ
からなるｎ−電極６を形成した。
【００４９】III族窒化物層群５を構成する第１の導電
層５−１から第２の導電層５−５の転位密度をＴＥＭ観
察により調べたところ、いずれの層においても５×１０
８／ｃｍ２以下にまで低減されていることが判明した。
層５−１から第２の導電層５−５の転位密度をＴＥＭ観
察により調べたところ、いずれの層においても５×１０
８／ｃｍ２以下にまで低減されていることが判明した。
【００５０】本例では、III族窒化物下地層２から、III
族窒化物層群５までの総てを同一のＭＯＣＶＤ装置を用
いて作製したが、異なるＭＯＣＶＤ装置を用いて作製す
ることも可能である。
族窒化物層群５までの総てを同一のＭＯＣＶＤ装置を用
いて作製したが、異なるＭＯＣＶＤ装置を用いて作製す
ることも可能である。
【００５１】（比較例）超格子構造３を設けない以外
は、実施例と同様にしてＰＩＮ型の半導体発光素子を作
製した。なお、このときのIII族窒化物層群を構成する
第１の導電層から第２の導電層の転位密度をＴＥＭ観察
により調べたところ、いずれの層においても８×１０９
／ｃｍ２程度の転位密度を有することが判明した。
は、実施例と同様にしてＰＩＮ型の半導体発光素子を作
製した。なお、このときのIII族窒化物層群を構成する
第１の導電層から第２の導電層の転位密度をＴＥＭ観察
により調べたところ、いずれの層においても８×１０９
／ｃｍ２程度の転位密度を有することが判明した。
【００５２】以上、実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明に従って超格子構造３を有する半導体発光素
子１１においては、第１の導電層などから構成されるII
I族窒化物層群５中の転位密度が低減され、それに伴っ
て発光効率が大きく向上していることが分かる。
に、本発明に従って超格子構造３を有する半導体発光素
子１１においては、第１の導電層などから構成されるII
I族窒化物層群５中の転位密度が低減され、それに伴っ
て発光効率が大きく向上していることが分かる。
【００５３】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明
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。
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。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
特にＡｌを含むIII族窒化物膜から構成される素子の転
位量を低減させてその結晶性を向上させるともに、前記
素子を構成するに際して好適に用いることのできるエピ
タキシャル基板を提供することができる。
特にＡｌを含むIII族窒化物膜から構成される素子の転
位量を低減させてその結晶性を向上させるともに、前記
素子を構成するに際して好適に用いることのできるエピ
タキシャル基板を提供することができる。
【図１】本発明のIII族窒化物素子の一例を概略的に示
す構成図である。
す構成図である。
【図２】III族窒化物素子を構成する超格子構造の具体
例を示す構成図である。
例を示す構成図である。
【図３】本発明に従った、ＰＩＮ型の半導体発光素子の
一例を示す構成図である。
一例を示す構成図である。
１ 基材、２ III族窒化物下地層、３ 超格子構造、
４ エピタキシャル基板、５ III族窒化物層群、１０
III族窒化物素子
４ エピタキシャル基板、５ III族窒化物層群、１０
III族窒化物素子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 小田 修
愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日
本碍子株式会社内
(72)発明者 平松 和政
三重県四日市市芝田１−４−22
(72)発明者 三宅 秀人
三重県久居市野村町372−303
Ｆターム(参考） 5F041 CA04 CA08 CA22 CA40 CA65
CA85 CA87
5F052 DA04 DB01 HA08 JA07 KA02
KA05
Claims (10)
- 【請求項１】所定の基材と、III族窒化物下地層と、超
格子構造と、III族窒化物層群とを含み、前記III族窒化
物下地層は少なくともＡｌを含むとともに、前記超格子
構造は複数のIII族窒化物膜が積層されてなり、前記超
格子構造の、隣接する前記III族窒化物膜のＡｌ組成差
が１０原子％以上であることを特徴とする、III族窒化
物素子。 - 【請求項２】前記超格子構造は、前記基材と前記III族
窒化物下地層との間、前期下地層内、前記III族窒化物
下地層と前記III族窒化物層群との間、及び前記III族窒
化物層群を構成するIII族窒化物膜間の少なくとも１つ
に設けたことを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒
化物素子。 - 【請求項３】前記III族窒化物下地層の（００２）面に
おけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が、１００秒以下
であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のIII
族窒化物素子。 - 【請求項４】前記III族窒化物下地層の、III族元素中に
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１〜３のいずれか一に記載のIII族窒化物
素子。 - 【請求項５】前記III族窒化物下地層はＡｌＮ膜から構
成することを特徴とする、請求項４に記載のIII族窒化
物素子。 - 【請求項６】所定の基材と、III族窒化物下地層と、超
格子構造とを含み、前記III族窒化物下地層は少なくと
もＡｌを含むとともに、前記超格子構造は、複数のIII
族窒化物膜が積層されてなり、隣接する前記III族窒化
物膜のＡｌ組成差が１０原子％以上であることを特徴と
する、III族窒化物エピタキシャル基板。 - 【請求項７】前記超格子構造は、前記基材と前記III族
窒化物下地層との間、及び前記III族窒化物下地層上の
少なくとも１つに設けたことを特徴とする、請求項６に
記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。 - 【請求項８】前記III族窒化物下地層の（００２）面に
おけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が、１００秒以下
であることを特徴とする、請求項６又は７に記載のIII
族窒化物エピタキシャル基板。 - 【請求項９】前記III族窒化物下地層の、III族元素中に
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６〜８のいずれか一に記載のIII族窒化物
エピタキシャル基板。 - 【請求項１０】前記III族窒化物下地層はＡｌＮ膜から
構成することを特徴とする、請求項９に記載のIII族窒
化物エピタキシャル基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001270758A JP2003077835A (ja) | 2001-09-06 | 2001-09-06 | Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001270758A JP2003077835A (ja) | 2001-09-06 | 2001-09-06 | Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003077835A true JP2003077835A (ja) | 2003-03-14 |
Family
ID=19096370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001270758A Pending JP2003077835A (ja) | 2001-09-06 | 2001-09-06 | Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003077835A (ja) |
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2001
- 2001-09-06 JP JP2001270758A patent/JP2003077835A/ja active Pending
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