JP2003086837A

JP2003086837A - 窒化物半導体素子とその製造方法

Info

Publication number: JP2003086837A
Application number: JP2001279338A
Authority: JP
Inventors: Norikatsu Koide; 典克小出
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-03-20

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板上に成長させられる窒化物半導体膜
の結晶性を改善し、ひいては低コストで高性能の窒化物
半導体素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体素子は、立方晶のシリコン
単結晶の｛１１１｝面から任意の方向に０．１度以上
１．６度以下の範囲内のオフ角で傾斜した主面を有する
シリコン基板（１）と、その傾斜主面上において六方晶
のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1- _x-yＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）
層の＜０００１＞方向がシリコン基板の＜１１１＞方向
と実質的に平行になるようにエピタキシャル成長させら
れた窒化物半導体層の１以上（１０，２，３，４，５）
を含むことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体素子と
その製造方法に関し、特に、シリコン基板上に形成され
る窒化物半導体素子とその製造方法の改善に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年では、基板上にエピタキシャル成長
させられたＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらの混
晶からなる窒化物層を利用した窒化物半導体素子が作製
されている。このような窒化物半導体素子には、発光素
子、ＨＥＭＴ(高電子移動度トランジスタ）、パワー素
子などが含まれる。そして、そのような窒化物半導体素
子用の基板として、従来は主にサファイア基板が用いら
れているが、Ｓｉ基板を利用し得ることも知られてい
る。

【０００３】窒化物半導体素子用基板としてＳｉ基板を
用いる場合、Ｓｉ基板はサファイア基板に比べて安価で
大面積のものが市場に供給されており、窒化物半導体素
子の製造コストを低減させることが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｓｉ基板上へ六方晶の
窒化物半導体膜をエピタキシャル成長させる方法とし
て、結晶学的な[１１１]面に平行な主面を有するＳｉ基
板の使用が試みられている。この場合、[１１１]面から
傾斜していない主面を有するジャスト[１１１]Ｓｉ基板
が用いられている。そして、立方晶のＳｉ基板の[１１
１]主面に垂直な結晶軸方向＜１１１＞と六方晶の窒化
物半導体膜の[０００１]面に垂直な結晶軸方向＜０００
１＞とが整合するように、窒化物半導体膜が成長する傾
向がある。

【０００５】しかし、ジャスト[１１１]Ｓｉ基板を用い
た場合、その基板主面において原子レベルのステップが
存在しないか少ないので、窒化物半導体膜を構成する原
子がそのようなステップサイトに取り込まれにくい。し
たがって、図５の模式的な斜視図に示されているよう
に、基板主面に平行な面内で各結晶核から成長する結晶
粒が合体して形成される窒化物半導体膜中で結晶方位の
揺らぎが見られる。

【０００６】すなわち、ジャスト[１１１]Ｓｉ基板上に
成長させられた窒化物半導体膜は、結晶方位が不安定に
揺らいだ小傾角結晶粒を含み、良質の結晶性を有してい
るとはいえない。したがって、たとへばダブルヘテロ構
造を含む窒化物半導体発光素子をジャスト[１１１]Ｓｉ
基板上に作製した場合、発光効率の低い発光素子しか得
られない。

【０００７】また場合によっては、窒化物半導体膜に含
まれる結晶方位の揺らぎから、小傾角結晶粒同士が合体
する際に、その窒化物半導体膜を貫通する微小なピット
が形成される。そのようなピットを含む窒化物半導体膜
を利用して発光素子を作製した場合、その素子に電圧を
印加した時に発光に寄与しない無効なリーク電流が増大
し、高輝度の発光素子を得ることが困難である。

【０００８】すなわち、Ｓｉ基板を用いて窒化物半導体
素子を作製する場合、Ｓｉ基板上に成長させられる窒化
物半導体膜の結晶性を改善することが望まれている。

【０００９】そこで、本発明はＳｉ基板上に成長させら
れる窒化物半導体膜の結晶性を改善し、ひいては低コス
トで高性能の窒化物半導体素子を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様によ
る窒化物半導体素子は、立方晶のシリコン単結晶の[１
１１]面から任意の方向に０．１度以上１．６度以下の
範囲内で傾斜した主面を有するシリコン基板と、その傾
斜主面上において六方晶のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x- _yＮ（０
≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層の＜０００１＞方向がシリコ
ン基板の＜１１１＞方向と実質的に平行になるようにエ
ピタキシャル成長させられた窒化物半導体層の１以上を
含むことを特徴としている。なお、その傾斜主面は、
[１１１]面から０．２度以上１．２度以下の範囲内で傾
斜していることがより好ましい。

【００１１】また、その傾斜主面に接して、Ａｌ_xＩｎ_y
Ｇａ_1-x-yＮ（０．５≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）中間層が
形成されていることが好ましい。その中間層は、Ａｌ_x
Ｉｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０．９≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）の組
成を有することがより好ましい。さらに、中間層の厚さ
方向において、Ａｌ濃度はＳｉ基板の傾斜主面に近いほ
うで高められていることが好ましい。

【００１２】中間層は、２５ｎｍ〜１μｍの範囲内の厚
さを有することが好ましく、１５０ｎｍ〜３００μｍの
範囲内の厚さを有することがより好ましい。

【００１３】窒化物半導体素子は発光層を含む発光素子
であり得て、その発光層は２ｎｍ〜６ｎｍの範囲内の極
めて小さな厚さの量子井戸層を含み得る。また、その発
光素子は、１５ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内の小さな厚さ
のキャリアブロック層をも含み得る。

【００１４】本発明のもう一つ態様による窒化物半導体
素子の製造方法は、立方晶のシリコン単結晶の[１１１]
面から任意の方向に０．１度以上１．６度以下の範囲内
で傾斜した主面を有するシリコン基板を準備し、その傾
斜主面上において六方晶のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０
≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層の＜０００１＞方向がシリコ
ン基板の＜１１１＞方向と実質的に平行になるように窒
化物半導体層の１以上をエピタキシャル成長させる工程
を含むことを特徴としている。

【００１５】なお、そのＳｉ基板の傾斜主面に接してＡ
ｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０．５≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）
中間層を成長させ、その上に１以上のＡｌ_xＩｎ_yＧａ
_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層がさらに成長さ
せられることが好ましい。

【００１６】また、その中間層はシリコン基板が配置さ
れたＭＯＣＶＤ反応室内へＩＩＩ族元素用原料の有機金
属材料とＶ族元素用原料のＮＨ₃とを導入することによ
って成長させられ、その成長開始時においてＮＨ₃に先
立って有機金属材料が反応室内に導入されることが好ま
しい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明者は、多くの実験に基づい
て以下のような知見を得た。すなわち、ジャスト[１１
１]面から任意の方向にわずかなオフ角で傾斜させた主
面を有するオフ[１１１]Ｓｉ基板を窒化物半導体素子用
の基板として用いる場合、その基板主面上に原子レベル
のステップが形成される。そして、窒化物半導体膜を構
成する原子がそれらのステップサイトに取り込まれやす
くなることで、各結晶成長領域の結晶粒の方位がそろい
易くなる。したがって、図６の模式的な斜視図に示され
ているように、基板主面に平行な面内方向においても結
晶軸の揺らぎが少なくて結晶性の高い窒化物半導体膜を
Ｓｉ基板上に成長させることが可能になる。

【００１８】また、単結晶Ｓｉ基板の主面上のステップ
サイトを基礎とする結晶成長においては、各結晶核から
成長した成長結晶粒同士がそれらの結晶軸を一致させて
合体し易くてピットの生成も減少し、この点からも結晶
性が改善される。

【００１９】なお、Ｓｉと窒化物半導体との間には熱膨
張係数の違いがあり、ジャスト[１１１]Ｓｉ基板上に窒
化物半導体膜を成長させた後にその基板を室温まで冷却
する際に、熱歪の影響から窒化物半導体膜にクラックが
生じることがある。しかし、オフ[１１１]Ｓｉ基板の主
面上では原子レベルのステップが形成されるので、窒化
物半導体膜の表面も完全には平坦な面ではなくなり、部
分的にストレスの発生を緩和することができて、クラッ
クの発生が低減され得る。

【００２０】このように、ジャスト[１１１]面からわず
かに傾斜した主面を有するオフ[１１１]Ｓｉ基板を用い
ることによって高品質の結晶性を有する窒化物半導体膜
を成長させることができ、高性能の窒化物半導体素子を
低コストで提供することが可能となる。特に、そのよう
に成長させられた窒化物半導体膜を利用することによっ
て、長寿命で高輝度の発光素子を提供することができ
る。

【００２１】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
よる窒化物半導体発光素子の積層構造を模式的な断面図
で示している。この窒化物半導体発光素子では、[１１
１]面から任意の方向にわずかに傾斜させられた主面を
有するＳｉ基板１上において、Ｓｉド−プされたｎ−Ａ
ｌＩｎＮ中間（バッファ）層１０、ｎ−ＧａＩｎＮの第
１クラッド層２、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮの発光層３、ｐ−Ａｌ
ＧａＩｎＮのキャリアブロック層４、およびｐ−ＧａＮ
の第２クラッド層５が順に積層されている。そして、Ｓ
ｉ基板１の下面上には電極１５が形成されている。ま
た、第２クラッド層５上面上には透明電極層１６が形成
され、その一部領域上にボンデイング電極１７が設けら
れている。

【００２２】ここで、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ発光層の組成比ｘ
を調整することによってバンド間発光の波長を紫外から
赤色まで変化させることができるが、本実施例では青色
で発光する窒化物半導体素子を対象とした。なお、Ｉｎ
ＧａＮのみならず、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＡｓＮ、Ｇａ
ＩｎＡｓＮ、ＧａＰＮ、ＧａＩｎＰＮ等のようにＶ族元
素として主にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体を利
用して発光層を形成しても、本発明の効果が同様に得ら
れる。

【００２３】また、ｎ導電型のＳｉ基板１上に形成され
る電極１５としては金属を用いればよく、Ａｌ、Ｔｉ、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、またはＮｂを含むことが望ましい。他
方、ｐ導電型ＧａＮの第２クラッド層５上に形成される
透明電極層１６には２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いれ
ばよく、Ｔａ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、
Ａｇ、またはＡｕを含むことが望ましい。

【００２４】図１の発光素子の製造においては、ジャス
ト[１１１]面から任意の方向に０．５度程度のオフ角で
わずかに傾斜した主面を有するオフ[１１１]Ｓｉ基板１
を有機洗浄してから５％ＨＦ水溶液で１分間洗浄した後
にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置内に導入
し、Ｈ₂雰囲気中で約９００℃の高温でその基板のクリ
ーニングを行う。

【００２５】その後、反応室内へキャリアガスとしてＮ
₂を１０ｌ／ｍｉｎの流量率で流しながら、８００℃の
基板温度のもとでＮＨ₃、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）、およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）をそれ
ぞれ５ｌ／ｍｉｎ、２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、および１３
７μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で導入するとともにＳｉＨ ₄
ドーパントガスを導入し、ＳｉドープされたＡｌ_0.85Ｉ
ｎ_0.15Ｎ中間層１０を約３０ｎｍの厚さに成長させる。

【００２６】ただし、本実施例のＭＯＶＰＥ(有機金属
気相エピタキシ)法による窒化物半導体結晶成長におい
ては、Ｖ族元素用原料のＮＨ₃ガスより数秒先にＩＩＩ
族元素用原料ガスである有機金属を反応室内に導入する
ことによって、より平坦な成長膜が得られる結果になっ
た。これは、おそらくＮＨ₃ガスを先に導入することで
Ｓｉ表面が窒化されてしまうこと未然に防止できるから
であり、Ｓｉと窒化物半導体との界面においてはＩＩＩ
族原子が配列されていると考えられる。

【００２７】また、図１のＡｌＩｎＮ中間層１０は厚さ
方向に同じＩｎ組成比を保ちつつ成長させられたが、Ｓ
ｉ基板との界面近傍においてＡｌ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ中間層
の下部にＡｌの組成比がより高い厚さ２０ｎｍのＡｌ
_0.95Ｉｎ_0.05Ｎ層を設けた場合には、さらに表面状態の
良好な中間層が得られた。

【００２８】続いて、同じ基板温度において、ＴＭＡの
供給を停止し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＴＭＩ
をそれぞれ約２０μｍｏｌ／ｍｉｎと１００μｍｏｌ／
ｍｉｎ割合で導入し、Ｓｉドープされたｎ型Ｇａ_0.92Ｉ
ｎ_0.08Ｎの第１クラッド層２を約１μｍの厚さに成長さ
せる。

【００２９】ＡｌＩｎＮ中間層１０上のＳｉドープされ
たｎ型の第１クラッド層２としてはＧａＮ膜が用いられ
てもよいが、Ｉｎを含みかつＡｌを含まないＧａＩｎＮ
膜を用いることによって、基板温度を高くすることなく
クラッド層の低温成長が可能となり、またクラッド層の
クラック発生を低減させることが可能となる。

【００３０】その後、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を
停止して基板を７８０℃まで降温し、ＴＭＩとＴＭＧを
それぞれ６．５μｍｏｌ／ｍｉｎと２．８μｍｏｌ／ｍ
ｉｎの割合で導入し、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎの量子井戸層
を３ｎｍの厚さに成長させる。その後再び基板を８５０
℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で
導入してＧａＮの障壁層を成長させる。同様にこれらの
井戸層と障壁層の成長を繰り返し、４周期の多重量子井
戸（ＭＱＷ）を含むの発光層３を成長させる。

【００３１】発光層３の成長が終了した後、最後の障壁
層の成長のときと同じ基板温度のもとで、ＴＭＧを１１
μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを１．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、
ＴＭＩを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ、そしてｐ型ドーピンク
ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃ
ｐ２Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのそれぞれの割合で
導入し、Ｍｇドープされたｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.75Ｉｎ
_0.05Ｎのキャリアブロック層４を５０ｎｍの厚さに成長
させる。

【００３２】ｐ型キャリアブロック層４の成長後に、同
じ基板温度のもとでＴＭＡの供給を停止し、Ｍｇドープ
されたｐ型ＧａＮの第２クラッド層５を１００ｎｍの厚
さに成長させる。

【００３３】以上のようにして窒化物半導体膜の成長が
終了すれば、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＣｐ２Ｍｇの供給を停
止した後に、得られたウエハを室温まで冷却してＭＯＣ
ＶＤ装置から取り出す。

【００３４】そして、ｐ型ＧａＮの第２クラッド層５上
に透明電極層１６を形成するとともに、その一部領域上
ににボンデイング電極１７を形成する。さらに、Ｓｉ基
板１の裏面上に電極１５を形成し、これによって図１の
窒化物半導体発光素子が完成する。

【００３５】ここで、オフ[１１１]Ｓｉ基板１の主面が
ジャスト[１１１]面から傾斜しているオフ角度に関して
は、０．１度以上１．６度以下の範囲で任意の方向に傾
斜させた場合にその基板上に成長する窒化物半導体膜の
結晶性が良くなり、それによって顕著に発光効率が改善
された窒化物半導体発光素子を得ることができた。

【００３６】この理由に関して、オフ角度が小さい場合
については既に上述された。他方、オフ角が２度より大
きい場合、図７の模式的な斜視図で仮想的に示されてい
るように基板主面上に形成されるステップの段差が大き
くなり、その上に成長させられる窒化物半導体層の段切
れが生じることがある。したがって、得られた発光素子
構造上に電極を形成して電圧を印加した場合に、そのス
テップの段差部でリーク電流が生じやすくて時には短絡
を生じることもあり、輝度の高い発光素子が得られにく
くなる。

【００３７】オフ角度としては、図２のグラフからわか
るように、０．１度以上１．６度以下の範囲内にあるこ
とが好ましく、０．２度以上１．２度以下の範囲内にあ
ることがより好ましい。すなわち、図２のグラフの横軸
はＳｉ基板の主面が[１１１]面から傾斜させられたオフ
角（度）を表し、縦軸はそのＳｉ基板上に作製された窒
化物半導体発光素子の発光強度を任意単位（ａ．ｕ．）
で表している。なお、ジャスト[１１１]Ｓｉ基板を用い
た場合の発光強度は、０．５度のオフ[１１１]Ｓｉ基板
の場合に比べて約１／１０である。

【００３８】発光素子構造に関しては、量子井戸層の厚
さが２ｎｍから６ｎｍの範囲内にある場合に発光効率が
高い。また、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層４の厚
さが１５ｎｍから２５ｎｍの範囲にある場合に、発光層
からの電子の漏れを少なくさせる良好なキャリアブロッ
ク作用が生じる。したがって、これらの条件を満たす発
光素子構造によって、輝度の高い窒化物半導体発光素子
が得られる。ここで、小さなオフ角を有するオフ｛１１
１｝Ｓｉ基板上に成長させられる窒化物半導体膜は良好
な表面状態を有しているので、極めて薄い量子井戸層や
キャリアブロック層も良好に形成され得る。

【００３９】ところで、窒化物半導体膜を成長させるた
めにＳｉ基板を用いる場合、窒化物半導体の熱膨張係数
がＳｉに比べて大きいので、成長膜と基板を室温に冷却
するときに、その窒化物半導体膜には引っ張り応力が発
生してクラックが発生しやすい。しかし、オフ[１１１]
Ｓｉ基板を用いた場合、その主面上にステップが形成さ
れているので、窒化物半導体膜中の引っ張り応力が周期
的に緩和され、クラック発生の抑制に関してもよい結果
が得られる。

【００４０】さらには、オフ角のないジャスト[１１１]
Ｓｉ基板を用いた場合、上述のように窒化物半導体膜を
貫通するピットが形成されやすく、それらのピットを介
してＧａが異常拡散してＳｉ基板と反応することによっ
て膜の表面状態を悪化させることがある。また、高い基
板温度下でピットを介してＳｉが拡散することによって
ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層４やｐ−ＧａＮ層５がＳｉでオー
トドープされ、そのＳｉドナーによって生成される電子
が正孔を補償するように作用するので、ｐ型層のキャリ
ア濃度の制御を行うことが困難になる。

【００４１】以上のことから明らかなように、窒化物半
導体素子をＳｉ基板上に作製する場合、ジャスト[１１
１]面から任意の方向にわずかなオフ角で傾斜させられ
た主面を有するオフ[１１１]Ｓｉ基板を用いることが、
その素子特性を改善するためにも作製上の制御を容易に
するためにも有効である。

【００４２】（実施例２）図３は、本発明の実施例２に
よる窒化物半導体発光素子の積層構造を模式的な断面図
で示している。本実施例の窒化物半導体発光素子では、
オフ[１１１]Ｓｉ基板１上において、ＡｌＮ中間層１１
０、Ｓｉドープされたｎ−ＧａＮの第１クラッド層１１
２、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮの発光層１１３、ｐ−ＡｌＧａＮの
キャリアブロック層１１４、およびｐ−ＧａＮの第２ク
ラッド層１１５が順に積層されている。

【００４３】本実施例の場合はＡｌＮ中間層１１０の導
電率が低いので、Ｓｉ基板１の下面側から電流を流すこ
とは困難である。したがって、成長させられた窒化物半
導体膜上側から部分的に反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）を行って、ｎ側の導電コンタクトを形成する。

【００４４】すなわち、ｐ型ＧａＮの第２クラツド層１
１５の上に透明電極層２１６を形成し、続いてその一部
領域上にボンデイング電極２１７を形成する。そして、
ＲＩＥ技術を用いて部分的にエッチングを行い、部分的
に露出されたｎ−ＧａＮコンタクト層１１２上に電極層
２１５を形成し、その一部領域上にｎ側のボンデイング
電極２１８を形成する。これによって、図３の窒化物半
導体発光素子が完成する。

【００４５】図３の発光素子の製造においても、０．５
度程度のオフ角を有するオフ[１１１]Ｓｉ基板１を有機
洗浄してから５％ＨＦ水溶液で１分間洗浄した後にＭＯ
ＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ₂雰囲気中で約１０００℃の
高温でその基板のクリーニングを行う。

【００４６】その後、反応室内へキャリアガスとしてＨ
₂を１０ｌ／ｍｉｎの流量で導入しながら、１２００℃
の基板温度のもとでＮＨ₃とＴＭＡをそれぞれ５ｌ／ｍ
ｉｎと２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で導入して、ＡｌＮ
中間層１１０を約２００ｎｍの厚さに成長させる。

【００４７】続いて、基板温度を１１５０℃にした後、
ＴＭＧを約２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で導入し、Ｓｉ
ドープされたｎ型ＧａＮの第１クラッド層１１２を約１
μｍの厚さに成長させる。

【００４８】その後、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を
停止して、基板を７６０℃まで降温し、ＴＭＩとＴＭＧ
をそれぞれ６．５μｍｏｌ／ｍｉｎと２．８μｍｏｌ／
ｍｉｎの割合で導入し、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎの量子井戸
層を３ｎｍの厚さに成長させる。その後再び、基板を８
５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎの割
合で導入し、ＧａＮ障壁層を成長させる。同様にこれら
の井戸層と障壁層の成長を繰り返し、４周期の多重量子
井戸（ＭＱＷ）を含む発光層１１３を形成する。

【００４９】発光層１１３の形成後、基板を１０５０℃
に昇温し、ＴＭＧを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを
１．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、そしてｐ型ドーピングガスで
あるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍ
ｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのそれぞれの割合で導入
し、Ｍｇドープされたｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎのキャリ
アブロック層１１４を２０ｎｍの厚さに成長させる。

【００５０】このｐ型キャリアブロック層１１４の成長
終了後、同じ基板温度においてＴＭＡの供給を停止し、
Ｍｇドープされたｐ型ＧａＮの第２クラツド層１１５を
１００ｎｍの厚さに成長させる。

【００５１】以上のようにして窒化物半導体膜の成長が
終了すれば、ＴＭＧとＣｐ２Ｍｇの供給を停止した後、
得られたウエハを室温まで冷却してＭＯＣＶＤ装置から
取り出す。

【００５２】ｐ型ＧａＮの第２クラツド層１１５上に透
明電極層２１６を形成し、続いてその一部領域上にボン
デイング電極２１７を形成する。また、ＲＩＥ技術を用
いて部分的にエッチングを行い、部分的に露出されたｎ
−ＧａＮコンタクト層１１２上に電極層２１５を形成
し、その一部領域上にｎ側のボンデイング電極２１８を
形成しする。こうして、図３の窒化物半導体発光素子が
完成する。

【００５３】（実施例３）実施例３においては、実施例
２でＳｉ基板１上に作製された窒化物半導体膜を用い、
その膜上にｐ型用電極層３１６がＥＢ（電子ビーム）蒸
着によって２００ｎｍの厚さに形成される。続いて、メ
ッキ技術を用いて、このｐ型用電極３１６上に、Ｎｉメ
ッキ膜３０１を３００μｍの厚さに形成する。

【００５４】Ｎｉメッキ膜３０１が形成されたウエハか
らＳｉ基板１をフツ酸系エッチャントで除去した後、高
抵抗のＡｌＮ中間層１１０をＲＩＥ技術でエッチング除
去する。そしてｎ型クラッド層１１２上に透明電極層３
１５を形成し、その一部領域上にボンデイング電極３１
８を形成する。その後にダイシング装置で、ウエハを２
５０μｍ角に分割することによって、図４の窒化物半導
体発光素子が得られる。

【００５５】なお、以上の実施例は窒化物半導体発光素
子を例にして説明されたが、本発明はＳｉ基板上に成長
させられる窒化物半導体膜の結晶性を顕著に改善するこ
とができ、窒化物半導体膜を利用するＨＥＭＴやパワー
素子などにも好ましく適用され得るものである。

【００５６】

【発明の効果】本発明におけるように、窒化物半導体膜
成長用基板としてジャスト[１１１]面から任意の方向に
わずかなオフ角で傾斜させられた主面を有するオフ[１
１１]Ｓｉ基板を用いれば、原子レベルのステップがそ
の主面上に形成される。そして、このステップサイトに
窒化物半導体構成原子が取りこまれやすくなるので、各
結晶核から成長する結晶粒の方位がそろい、基板主面に
平行な面内方向にも結晶軸の揺らぎの少なく高い結晶性
の窒化物半導体膜をＳｉ基板上に成長させることが可能
になる。

【００５７】また、ステップサイトを基礎とした膜成長
においては、各結晶核から成長する結晶粒同士がそれら
の結晶軸を一致させて合体しやすい。したがって、窒化
物半導体膜を貫通するピットの生成も減少し、その点か
らも膜結晶の質が向上し、さらには部分的に膜中のスト
レス発生を緩和することができ、クラックの発生を低減
することができる。

【００５８】特に、窒化物系半導体発光素子にオフ[１
１１]Ｓｉ基板を利用した場合には、窒化物半導体膜の
結晶品質が高くてリーク電流の低減を図ることができ、
長寿命で高輝度の窒化物系半導体発光素子を提供するこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による窒化物半導体発光素
子の積層構造を模式的に示す断面図である。

【図２】Ｓｉ基板主面が[１１１]面から傾斜させられ
たオフ角度とその基板上に作製された窒化物半導体発光
素子の発光強度との関係を示すグラフである。

【図３】本発明の他の実施例による窒化物半導体発光
素子の積層構造を模式的に示す断面図である。

【図４】本発明のさらに他の実施例による窒化物半導
体発光素子の積層構造を模式的に示す断面図である。

【図５】ジャスト[１１１]Ｓｉ基板を用いて窒化物半
導体膜を成長させた場合に各結晶核から成長する結晶粒
が合体する様子を示す模式的な斜視図である。

【図６】オフ[１１１]Ｓｉ基板を用いて窒化物半導体
膜を成長させた場合に各結晶核から成長する結晶粒が合
体する様子を示す模式的な斜視図である。

【図７】比較的大きなオフ角を有するＳｉ基板を用い
て窒化物半導体膜を成長させた場合の大きなステップの
様子を示す仮想的な斜視図である。

【符号の説明】

１オフ[１１１]Ｓｉ基板、２ｎ型の第１クラッド
層、３ノンドープＩｎＧａＮ発光層、４Ｉｎを含む
ｐ型キャリアブロック層、５ｐ型の第２クラッド層、
１０ＡｌＩｎＮ中間層、１５電極、１６透明電
極、１７ボンデイング電極、１１０ＡｌＮ中間層、
１１２ｎ型の第１クラッド層、１１３ノンドープＩ
ｎＧａＮ発光層、１１４ｐ型のキャリアブロック層、
１１５ｐ型の第２クラッド層、２１５電極、２１６
透明電極、２１７ボンデイング電極、２１８ボン
デイング電極、３０１Ｎｉメッキ層、３１５透明電
極、３１６電極、３１８ボンデイング電極。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年９月２６日（２００１．９．２
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】窒化物半導体素子とその製造方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｓｉ基板上へ六方晶の
窒化物半導体膜をエピタキシャル成長させる方法とし
て、結晶学的な｛１１１｝面に平行な主面を有するＳｉ
基板の使用が試みられている。この場合、｛１１１｝面
から傾斜していない主面を有するジャスト｛１１１｝Ｓ
ｉ基板が用いられている。そして、立方晶のＳｉ基板の
｛１１１｝主面に垂直な結晶軸方向＜１１１＞と六方晶
の窒化物半導体膜の｛０００１｝面に垂直な結晶軸方向
＜０００１＞とが整合するように、窒化物半導体膜が成
長する傾向がある。

【０００５】しかし、ジャスト｛１１１｝Ｓｉ基板を用
いた場合、その基板主面において原子レベルのステップ
が存在しないか少ないので、窒化物半導体膜を構成する
原子がそのようなステップサイトに取り込まれにくい。
したがって、図５の模式的な斜視図に示されているよう
に、基板主面に平行な面内で各結晶核から成長する結晶
粒が合体して形成される窒化物半導体膜中で結晶方位の
揺らぎが見られる。

【０００６】すなわち、ジャスト｛１１１｝Ｓｉ基板上
に成長させられた窒化物半導体膜は、結晶方位が不安定
に揺らいだ小傾角結晶粒を含み、良質の結晶性を有して
いるとはいえない。したがって、たとへばダブルヘテロ
構造を含む窒化物半導体発光素子をジャスト｛１１１｝
Ｓｉ基板上に作製した場合、発光効率の低い発光素子し
か得られない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様によ
る窒化物半導体素子は、立方晶のシリコン単結晶の｛１
１１｝面から任意の方向に０．１度以上１．６度以下の
範囲内で傾斜した主面を有するシリコン基板と、その傾
斜主面上において六方晶のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x- _yＮ（０
≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層の＜０００１＞方向がシリコ
ン基板の＜１１１＞方向と実質的に平行になるようにエ
ピタキシャル成長させられた窒化物半導体層の１以上を
含むことを特徴としている。なお、その傾斜主面は、
｛１１１｝面から０．２度以上１．２度以下の範囲内で
傾斜していることがより好ましい。

【００１４】本発明のもう一つ態様による窒化物半導体
素子の製造方法は、立方晶のシリコン単結晶の｛１１
１｝面から任意の方向に０．１度以上１．６度以下の範
囲内で傾斜した主面を有するシリコン基板を準備し、そ
の傾斜主面上において六方晶のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ
（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層の＜０００１＞方向がシ
リコン基板の＜１１１＞方向と実質的に平行になるよう
に窒化物半導体層の１以上をエピタキシャル成長させる
工程を含むことを特徴としている。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明者は、多くの実験に基づい
て以下のような知見を得た。すなわち、ジャスト｛１１
１｝面から任意の方向にわずかなオフ角で傾斜させた主
面を有するオフ｛１１１｝Ｓｉ基板を窒化物半導体素子
用の基板として用いる場合、その基板主面上に原子レベ
ルのステップが形成される。そして、窒化物半導体膜を
構成する原子がそれらのステップサイトに取り込まれや
すくなることで、各結晶成長領域の結晶粒の方位がそろ
い易くなる。したがって、図６の模式的な斜視図に示さ
れているように、基板主面に平行な面内方向においても
結晶軸の揺らぎが少なくて結晶性の高い窒化物半導体膜
をＳｉ基板上に成長させることが可能になる。

【００１９】なお、Ｓｉと窒化物半導体との間には熱膨
張係数の違いがあり、ジャスト｛１１１｝Ｓｉ基板上に
窒化物半導体膜を成長させた後にその基板を室温まで冷
却する際に、熱歪の影響から窒化物半導体膜にクラック
が生じることがある。しかし、オフ｛１１１｝Ｓｉ基板
の主面上では原子レベルのステップが形成されるので、
窒化物半導体膜の表面も完全には平坦な面ではなくな
り、部分的にストレスの発生を緩和することができて、
クラックの発生が低減され得る。

【００２０】このように、ジャスト｛１１１｝面からわ
ずかに傾斜した主面を有するオフ｛１１１｝Ｓｉ基板を
用いることによって高品質の結晶性を有する窒化物半導
体膜を成長させることができ、高性能の窒化物半導体素
子を低コストで提供することが可能となる。特に、その
ように成長させられた窒化物半導体膜を利用することに
よって、長寿命で高輝度の発光素子を提供することがで
きる。

【００２１】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
よる窒化物半導体発光素子の積層構造を模式的な断面図
で示している。この窒化物半導体発光素子では、｛１１
１｝面から任意の方向にわずかに傾斜させられた主面を
有するＳｉ基板１上において、Ｓｉド−プされたｎ−Ａ
ｌＩｎＮ中間（バッファ）層１０、ｎ−ＧａＩｎＮの第
１クラッド層２、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮの発光層３、ｐ−Ａｌ
ＧａＩｎＮのキャリアブロック層４、およびｐ−ＧａＮ
の第２クラッド層５が順に積層されている。そして、Ｓ
ｉ基板１の下面上には電極１５が形成されている。ま
た、第２クラッド層５上面上には透明電極層１６が形成
され、その一部領域上にボンデイング電極１７が設けら
れている。

【００２４】図１の発光素子の製造においては、ジャス
ト｛１１１｝面から任意の方向に０．５度程度のオフ角
でわずかに傾斜した主面を有するオフ｛１１１｝Ｓｉ基
板１を有機洗浄してから５％ＨＦ水溶液で１分間洗浄し
た後にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置内に導
入し、Ｈ₂雰囲気中で約９００℃の高温でその基板のク
リーニングを行う。

【００３５】ここで、オフ｛１１１｝Ｓｉ基板１の主面
がジャスト｛１１１｝面から傾斜しているオフ角度に関
しては、０．１度以上１．６度以下の範囲で任意の方向
に傾斜させた場合にその基板上に成長する窒化物半導体
膜の結晶性が良くなり、それによって顕著に発光効率が
改善された窒化物半導体発光素子を得ることができた。

【００３７】オフ角度としては、図２のグラフからわか
るように、０．１度以上１．６度以下の範囲内にあるこ
とが好ましく、０．２度以上１．２度以下の範囲内にあ
ることがより好ましい。すなわち、図２のグラフの横軸
はＳｉ基板の主面が｛１１１｝面から傾斜させられたオ
フ角（度）を表し、縦軸はそのＳｉ基板上に作製された
窒化物半導体発光素子の発光強度を任意単位（ａ．
ｕ．）で表している。なお、ジャスト｛１１１｝Ｓｉ基
板を用いた場合の発光強度は、０．５度のオフ｛１１
１｝Ｓｉ基板の場合に比べて約１／１０である。

【００３９】ところで、窒化物半導体膜を成長させるた
めにＳｉ基板を用いる場合、窒化物半導体の熱膨張係数
がＳｉに比べて大きいので、成長膜と基板を室温に冷却
するときに、その窒化物半導体膜には引っ張り応力が発
生してクラックが発生しやすい。しかし、オフ｛１１
１｝Ｓｉ基板を用いた場合、その主面上にステップが形
成されているので、窒化物半導体膜中の引っ張り応力が
周期的に緩和され、クラック発生の抑制に関してもよい
結果が得られる。

【００４０】さらには、オフ角のないジャスト｛１１
１｝Ｓｉ基板を用いた場合、上述のように窒化物半導体
膜を貫通するピットが形成されやすく、それらのピット
を介してＧａが異常拡散してＳｉ基板と反応することに
よって膜の表面状態を悪化させることがある。また、高
い基板温度下でピットを介してＳｉが拡散することによ
ってｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層４やｐ−ＧａＮ層５がＳｉで
オートドープされ、そのＳｉドナーによって生成される
電子が正孔を補償するように作用するので、ｐ型層のキ
ャリア濃度の制御を行うことが困難になる。

【００４１】以上のことから明らかなように、窒化物半
導体素子をＳｉ基板上に作製する場合、ジャスト｛１１
１｝面から任意の方向にわずかなオフ角で傾斜させられ
た主面を有するオフ｛１１１｝Ｓｉ基板を用いること
が、その素子特性を改善するためにも作製上の制御を容
易にするためにも有効である。

【００４２】（実施例２）図３は、本発明の実施例２に
よる窒化物半導体発光素子の積層構造を模式的な断面図
で示している。本実施例の窒化物半導体発光素子では、
オフ｛１１１｝Ｓｉ基板１上において、ＡｌＮ中間層１
１０、Ｓｉドープされたｎ−ＧａＮの第１クラッド層１
１２、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮの発光層１１３、ｐ−ＡｌＧａＮ
のキャリアブロック層１１４、およびｐ−ＧａＮの第２
クラッド層１１５が順に積層されている。

【００４５】図３の発光素子の製造においても、０．５
度程度のオフ角を有するオフ｛１１１｝Ｓｉ基板１を有
機洗浄してから５％ＨＦ水溶液で１分間洗浄した後にＭ
ＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ₂雰囲気中で約１０００℃
の高温でその基板のクリーニングを行う。

【００５６】

【発明の効果】本発明におけるように、窒化物半導体膜
成長用基板としてジャスト｛１１１｝面から任意の方向
にわずかなオフ角で傾斜させられた主面を有するオフ
｛１１１｝Ｓｉ基板を用いれば、原子レベルのステップ
がその主面上に形成される。そして、このステップサイ
トに窒化物半導体構成原子が取りこまれやすくなるの
で、各結晶核から成長する結晶粒の方位がそろい、基板
主面に平行な面内方向にも結晶軸の揺らぎの少なく高い
結晶性の窒化物半導体膜をＳｉ基板上に成長させること
が可能になる。

【００５８】特に、窒化物系半導体発光素子にオフ｛１
１１｝Ｓｉ基板を利用した場合には、窒化物半導体膜の
結晶品質が高くてリーク電流の低減を図ることができ、
長寿命で高輝度の窒化物系半導体発光素子を提供するこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図２】Ｓｉ基板主面が｛１１１｝面から傾斜させら
れたオフ角度とその基板上に作製された窒化物半導体発
光素子の発光強度との関係を示すグラフである。

【図５】ジャスト｛１１１｝Ｓｉ基板を用いて窒化物
半導体膜を成長させた場合に各結晶核から成長する結晶
粒が合体する様子を示す模式的な斜視図である。

【図６】オフ｛１１１｝Ｓｉ基板を用いて窒化物半導
体膜を成長させた場合に各結晶核から成長する結晶粒が
合体する様子を示す模式的な斜視図である。

【符号の説明】１オフ｛１１１｝Ｓｉ基板、２ｎ型の第１クラッド
層、３ノンドープＩｎＧａＮ発光層、４Ｉｎを含む
ｐ型キャリアブロック層、５ｐ型の第２クラッド層、
１０ＡｌＩｎＮ中間層、１５電極、１６透明電
極、１７ボンデイング電極、１１０ＡｌＮ中間層、
１１２ｎ型の第１クラッド層、１１３ノンドープＩｎ
ＧａＮ発光層、１１４ｐ型のキャリアブロック層、１
１５ｐ型の第２クラッド層、２１５電極、２１６
透明電極、２１７ボンデイング電極、２１８ボンデ
イング電極、３０１Ｎｉメッキ層、３１５透明電
極、３１６電極、３１８ボンデイング電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】立方晶のシリコン単結晶の[１１１]面か
ら任意の方向に０．１度以上１．６度以下の範囲内で傾
斜した主面を有するシリコン基板と、前記傾斜主面上において六方晶のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-y
Ｎ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層の＜０００１＞方向が
前記シリコン基板の＜１１１＞方向と実質的に平行にな
るようにエピタキシャル成長させられた窒化物半導体層
の１以上を含むことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】前記傾斜主面は[１１１]面から０．２度
以上１．２度以下の範囲内のオフ角度で傾斜しているこ
とを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】前記傾斜主面に接してＡｌ_xＩｎ_yＧａ
_1-x-yＮ（０．５≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）中間層が形成
されていることを特徴とする請求項１または２に記載の
窒化物半導体素子。
【請求項４】前記中間層はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ
（０．９≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）の組成を有することを
特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】前記中間層の厚さ方向において、Ａｌ濃
度は前記傾斜主面に近いほうで高められていることを特
徴とする請求項３または４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】前記中間層は２５ｎｍ〜１μｍの範囲内
の厚さを有することを特徴とする請求項３から５のいず
れかの項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】前記中間層は１５０ｎｍ〜３００μｍの
範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項６に記載
の窒化物半導体素子。
【請求項８】前記窒化物半導体素子は発光層を含む発
光素子であり、その発光層は２ｎｍ〜６ｎｍの範囲内の
極めて小さな厚さの量子井戸層を含むことを特徴とする
請求項１から７のいずれかの項に記載の窒化物半導体素
子。
【請求項９】前記発光素子は１５ｎｍ〜２５０ｎｍの
範囲内の小さな厚さのキャリアブロック層を含むことを
特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】立方晶のシリコン単結晶の[１１１]面
から任意の方向に０．１度以上１．６度以下の範囲内で
傾斜した主面を有するシリコン基板を準備し、前記傾斜主面上において六方晶のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-y
Ｎ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層の＜０００１＞方向が
前記シリコン基板の＜１１１＞方向と実質的に平行にな
るように窒化物半導体層の１以上をエピタキシャル成長
させる工程を含むことを特徴とする窒化物半導体素子の
製造方法。
【請求項１１】前記傾斜主面に接してＡｌ_xＩｎ_yＧａ
_1-x-yＮ（０．５≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１）中間層を成長
させ、その上に１以上のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x- _yＮ（０≦
ｘ≦１；０≦ｙ≦１）層がさらに成長させられることを
特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子の製造
方法。
【請求項１２】前記中間層は前記シリコン基板が配置
されたＭＯＣＶＤ反応室内へＩＩＩ族元素用原料の有機
金属材料とＶ族元素用原料のＮＨ₃とを導入することに
よって成長させられ、その成長開始時において前記ＮＨ
₃に先立って前記有機金属材料が前記反応室内に導入さ
れることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体
素子の製造方法。