JP2005286338A - ４ｈ型ポリタイプ基板上に形成された４ｈ型ポリタイプ窒化ガリウム系半導体素子 - Google Patents

４ｈ型ポリタイプ基板上に形成された４ｈ型ポリタイプ窒化ガリウム系半導体素子 Download PDF

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Abstract

【課題】ＳｉＣ基板および過成長III-V族窒化物の双方に最適な組み合わせのポリタイプを提供する。
【解決手段】無極性面上の４Ｈ−ＩｎＧａＡｌＮ合金系発光素子および電子素子を、（１１−２０）ａ面４Ｈ−ＳｉＣ基板上の４Ｈ−ＡｌＮまたは４Ｈ−ＡｌＧａＮ上に形成する。一般に、無極性４Ｈ−ＡｌＮは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）上に成長させる。引き続き、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、III-V族窒化物素子層を成長させ、全ての層が４Ｈ型ポリタイプとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、４Ｈ型ポリタイプ基板上に成長させた４Ｈ型ポリタイプＧａＮ系窒化物半導体エピタキシャル層を用いた半導体素子に関する。より詳しくは、ＧａＮ系発光素子の発光効率を向上させ、ＧａＮ系電子素子の高速かつ高出力動作を可能にする方法に関する。
III-V族窒化物は、V族元素として窒素を含有する広帯域ギャップIII-V族化合物半導体であり、一般に、Ｂ1-x-y-zＩｎxＡｌyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）と表せる。このようなIII-V族窒化物は、各種表示装置、交通信号機等の多くの用途において、可視光発光ダイオード（ＬＥＤ）に広く使用されている。更に、ＧａＮ系の青または紫外線ＬＥＤを用いて蛍光物質を励起することにより、白色光の放射が可能となり、これは、現在使用されている長寿命の白熱電球に取って代わりうる。高密度光ディスク装置用の青−紫ＧａＮ系半導体レーザもまた、III-V族窒化物の有望な用途の一つである。現在、III-V族窒化物レーザは、プロトタイプ高密度光ディスク装置用に市販されている。また、高速かつ高出力ＧａＮ系トランジスタも同様に将来的に可能性のある用途である。
格子整合III-V族窒化物基板を得ることが困難なことから、従来のIII-V族窒化物素子は、サファイアまたはＳｉＣ等の異質基板上に成長させる。中でも、ＳｉＣは非常に有望である。というのも、ＳｉＣは、格子定数がIII-V族窒化物の格子定数に近いと共に、熱伝導性がより優れているからである。ＳｉＣはまた、３Ｃ型、４Ｈ型、６Ｈ型、１５Ｒ型等のポリタイプ性の周知の材料である。現在までのところ、各種ＳｉＣポリタイプ上でのIII-V族窒化物のエピタキシャル成長が開示されている。
特許文献１には、２Ｈ型、４Ｈ型、および６Ｈ型ポリタイプ（１１−２０）ａ面又は（１０−１０）ｍ面のＳｉＣ基板上に成長させた六方晶III-V族窒化物系レーザ素子が開示されている。
特許文献２には、３Ｃ（立方晶）ＳｉＣ（１１１）基板上でのＩｎＧａＡｌＮ系素子の形成が開示されている。
非特許文献１には、６Ｈ−ＳｉＣ基板上での２Ｈ−ＡｌＮのエピタキシャル成長が説明されている。
特開平８−１２５２７５号公報 米国特許第５，４３２，８０８号 Ｓｔｕｍｍｅｒ ｅｔ ａｌ．（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．７７，Ｎｏ．９，（１９９６）ｐ．１７９７−１７９９）
しかしながら、ＳｉＣ基板のポリタイプと過成長III-V族窒化物のポリタイプの組み合わせが、結晶品質にどのような影響を及ぼすかについては、まだ明らかでない。そこで、結晶品質の観点から、ポリタイプの最適な組み合わせを見つけるために本発明者により行われた実験結果に基づき本発明を開示する。
従って本発明は、ＳｉＣ基板および過成長III-V族窒化物の双方に最適な組み合わせのポリタイプを提供することを目的とする。本発明は、以下にまとめ、かなり詳細に記載するように、最適な組み合わせのポリタイプを選択することにより、前述した先行技術の弱点の多くを克服する構造および方法を提供する。
本発明は、４Ｈ型基板上に成長させた４Ｈ型エピタキシャルIII-V族窒化物膜を含む半導体素子を提供する。前記基板の材料としては、ＳｉＣが好ましく、および／または（１１−２０）ａ面が好ましい。前記III-V族窒化物エピタキシャル膜は、ＡｌＮを含むのが好ましい。前記III-V族窒化物膜の表面のIII族原子の数は、前記表面の窒素原子の数と等しいのが好ましい。
本発明はまた、他の態様において、４Ｈ型基板上に成長させた４Ｈ型エピタキシャルIII-V族窒化物膜を含む半導体レーザも提供する。前記基板の材料としては、ＳｉＣが好ましく、および／または（１１−２０）ａ面が好ましい。前記III-V族窒化物エピタキシャル膜は、ＡｌＮを含むのが好ましい。前記III-V族窒化物膜の表面のIII族原子の数は、前記表面の窒素原子の数と等しいのが好ましい。また、導波路が、（０００１）面または（１−１００）面のいずれかに対し垂直な直線として形成されるのが好ましい。前記III-V族窒化物は、エピタキシャル成長の初期層として、４Ｈ−ＡｌＮまたは導電性４Ｈ−ＡｌＧａＮのいずれかを含むのが好ましい。高導電性ｐ型４Ｈ−ＳｉＣを、ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮ初期層と共に使用するのが好ましい。半導体レーザは、導波路がその上に形成される、横方向にエピタキシャル成長した転位密度の低い層を備えていてもよい。横方向エピタキシャル成長の種層は、４Ｈ−ＡｌＮ上に成長させた４Ｈ−ＧａＮが好ましい。また、横方向成長が、４Ｈ−ＧａＮから始まるのが好ましく、ＳｉＣ基板と横方向成長層との間にエアギャップが形成されるのが好ましい。半導体レーザは、＜０００１＞または＜１−１００＞方向に沿って劈開するのが好ましい。
本発明はまた、他の態様において、４Ｈ型基板上に成長させた４Ｈ型エピタキシャルIII-V族窒化物膜を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）も提供する。前記基板の材料としては、ＳｉＣが好ましく、および／または（１１−２０）ａ面が好ましい。前記III-V族窒化物エピタキシャル膜は、ＡｌＮを含むのが好ましい。前記III-V族窒化物膜の表面のIII族原子の数は、前記表面の窒素原子の数と等しいのが好ましい。また、前記ＳｉＣ基板がｐ型であり、前記III-V族窒化物膜の最上層が、透明電極を用いることなくオーミックコンタクトが形成されるｎ型であるのが好ましい。
本発明はまた、他の態様において、４Ｈ型基板上に成長させた４Ｈ型エピタキシャルIII-V族窒化物膜を含むトランジスタも提供する。前記基板の材料としては、ＳｉＣが好ましく、および／または（１１−２０）ａ面が好ましい。前記III-V族窒化物エピタキシャル膜は、ＡｌＮを含むのが好ましい。前記III-V族窒化物膜の表面のIII族原子の数は、前記表面の窒素原子の数と等しいのが好ましい。更に、前記III-V族窒化物膜が、ＧａＮ上にＡｌＧａＮまたはＧａＮ上にＩｎＧａＮその上にＡｌＧａＮといったヘテロ構造を有するのが好ましい。また、前記III-V族窒化物膜は、変調ドープ層を含むのが好ましい。
本発明はまた、他の態様において、４Ｈ型基板上に成長させた４Ｈ型エピタキシャルIII-V族窒化物膜を含む半導体レーザ、発光ダイオード、およびトランジスタの製造方法も提供する。前記基板の材料としては、ＳｉＣが好ましく、および／または（１１−２０）ａ面が好ましい。前記III-V族窒化物エピタキシャル膜は、ＡｌＮを含むのが好ましい。前記III-V族窒化物膜の表面のIII族原子の数は、前記表面の窒素原子の数と等しいのが好ましい。半導体レーザの製造方法は、横方向エピタキシャル成長を含んでいても良く、また、横方向成長の種層は、４Ｈ−ＡｌＮ上の選択的にエッチングされた４H−ＧａＮであってもよい。更に、ＳｉＣ基板と横方向に成長した層との間にエアギャップが形成されるように横方向の成長が４H−ＧａＮから始まるのが好ましい。
本発明によれば、ＳｉＣ基板および過成長III-V族窒化物の双方に最適な組み合わせのポリタイプを提供することができる。
（実施の形態１）
（装置構造）
図１は、本発明に係る半導体レーザの一実施形態を示す構成図である。特に、図１は、４Ｈ型ポリタイプのＧａＮ系エピタキシャル構造体を４Ｈ−ＳｉＣ基板の（１１−２０）ａ面上に成長させた青−紫色半導体レーザの断面図を概略的に示す。ＧａＮ系エピタキシャル構造体は、一般に、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０６、アンドープＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１０５、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０４、およびｎ型ＧａＮベース層１０３から成る。そして、図１に示すように、アンドープＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１０５は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４の間に配され、これら３層はｎ型ＧａＮベース層１０３上に形成されている。また、ｎ型ＧａＮベース層１０３はアンドープＡｌＮ初期層１０２上に形成されている。全てのエピタキシャル層は、４Ｈ型ポリタイプを有し、４Ｈ−ＳｉＣ基板１０１のポリタイプを複製して成長する。本実施形態において、ＧａＮ系エピタキシャル構造体とは、組成にＧａおよびＮを含むエピタキシャル層を備えた構造体のことである。この構造体において、クラッド層１０４、活性層１０５、およびクラッド層１０６は、ＧａとＮから成る組成を有する。
半導体レーザの詳細な構造パラメータを表１にまとめて示す。表１は、各層の厚さと、ＧａおよびＮを含む層の内のいくつかのキャリア濃度を例として示す。表１において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のキャリア濃度は、実質的に同じであり、クラッド層のキャリア濃度は、ベース層よりも高い。活性層１０５は、量子井戸とバリア層を有する。表１に示すように、井戸層の組成は、アンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎであり、バリア層の組成は、アンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎである。井戸層とバリア層の厚さは、４ｎｍである。また、活性層１０５には井戸層が３層ある。
（１１−２０）面とは、図２に示すように、構成している原子対の積層順を表す。（１１−２０）での原子配位は、ＡＢＣＢ、ＡＢＣＢ．．．というシーケンスを表し、ＧａＮ系エピタキシャル層は、適切な成長条件を選択することにより、いかなる転位も生じさせることなくそのシーケンスを受け継ぐ。図２において、ＳｉおよびＣ原子をそれぞれＡｌおよびＮ原子に置き換えることにより、過成長４Ｈ−ＡｌＮ層の原子配位が示される。
一方、使用する基板が６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）面である場合の原子配位を、図３に示す。（１１−２０）上の原子配位は、ＡＢＣＡＣＢ、ＡＢＣＡＣＢ．．．というシーケンスを表し、６Ｈ面上に成長したIII-V族窒化物は耐熱性２Ｈ型ポリタイプを示す。
図４は、（１１−２０）ａ面上の過成長２Ｈ−ＡｌＮの原子配位を示し、（１１−２０）上の原子配位は、ＡＢ、ＡＢ、ＡＢ．．．というシーケンスを表す。図５および図６から容易に予測されるように、過成長２Ｈ型構造体は、界面での原子の乱れにより多くの欠陥領域を含む。
対照的に、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）上に４Ｈ−ＡｌＮを成長させたへテロ構造では、下記に詳述するように、そのような乱れが生じない。（１１−２０）は、III族原子および窒素原子の双方が位置する、いわゆる無極性面である。一方、III-V族窒化物素子層の一般に使用される（０００１）ｃ面は、III族原子または窒素原子のいずれかが位置する極性面である。極性は、III-V族窒化物エピタキシャル膜の（０００１）方向に沿って揃えられるため、そのような極性面上に、自然分極および圧電分極により内部電界が生じる。量子井戸構造内の電界により、長い波長で低い発光効率となる。これはいわゆる量子が閉じ込められるシュタルク効果である。また、アンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造体でさえ、１０13ｃｍ-2程度のシートキャリア濃度を示す。図５は、極性面上の量子井戸のバンド図を示す。この量子井戸構造は、２Ｈ−ＩｎＧａＮ井戸層と２Ｈ−ＧａＮバリア層とから成る。この図は、量子井戸における電子と正孔双方の波動関数を示す。バンドは、主に圧電分極による電界により曲げられる。電子および正孔が、井戸において空間的に分離することにより、発光効率が低下する。すなわち、図５に示した電子および正孔が分離するため、高発光効率を維持するには、かなり多くの電子エネルギーが必要となる。更に、その発光波長は、電界の存在しない場合の発光波長よりも長い。
一方、実施の形態１において説明している無極性ａ面を有する４Ｈ型ポリタイプのダブルヘテロエピタキシャル成長層は、図６に示すようなバンド構成を示す。この図６において、この量子井戸構造は、２Ｈ−ＩｎＧａＮ井戸層と２Ｈ−ＧａＮバリア層から成る。ａ面は、無極性面であるため、バンド図において、分極に起因した、量子井戸に対して垂直な内部電界は見られない。よって、量子井戸による発光効率は、分極により内部電界を有する極性ｃ面上のそれより向上する。尚、放射光の波長は、極性面を用いた場合に比べて短い。
図７に、無極性面の原子配列および分極の生じた方向と共に極性面の原子配列を概略的にまとめている。図７（ａ）では、ＡｌＮ層とＳｉＣ基板の境界面は、Ａｌ、Ｎ、Ｓｉ、Ｃを含む混晶構造を有し、それらの原子極性は相殺されている。一方、図７（ｂ）では、ＡｌＮ層とＳｉＣ基板の境界面は、互いに積層された単結晶の複数層を有し、矢印で示すように特に境界面で原子分極が生じている。
（製造工程）
次に、図８を参照し、実施の形態１に係る半導体レーザの詳細な構造および工程手順を以下説明する。
まず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、３８０ｎｍ厚の４Ｈ−ＡｌＮを、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板３０１上に成長させる。
脱脂工程において、まず有機溶媒を用いて４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板３０１を脱脂する。
湿式化学処理工程において、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板３０１を複数の溶液に順に浸漬する。第一の溶液がＨＣｌ、第二の溶液がＨＣｌ＋ＨＮＯ3（３：１）、そして第三の溶液がＨＦである。
サーマルクリーニング工程では、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板３０１を１０００℃で３０分間熱により浄化し、基板３０１の表面を平坦および／または清浄にした後、ＭＢＥ室に投入する。
その後、ＡｌＮバッファ層の成長工程において、エフュージョンセルから金属Ａｌ源を、またＲＦプラズマ源からラジカル窒素原子をそれぞれ供給することにより、ＡｌＮ層３０２をエピタキシャル成長させる。ＡｌＮ層の一般的な成長温度は、窒素流量０．５ｓｃｃｍ、ＲＦ電力４００Ｗ、Ａｌビームフラックス４．７×１０-7Ｔｏｒｒにおいて１０００℃である。この条件下での成長速度は、３８０ｎｍ／ｈｒである。
ＭＢＥ成長の後、III-V族窒化物エピタキシャル層の成長工程において、ウェーハを有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）反応器に再投入し、青‐紫レーザのＧａＮ系ダブルヘテロ構造体を成長させる。ＧａＮを成長させるため、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニアを供給する。
三元または四元合金を成長させるため、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）および／またはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を添加する。Ｃｐ2ＭｇおよびＳｉＨ4は、それぞれｐ型およびｎ型ドーピングに使用する。図１に示すように、４μｍ厚のｎ型ＧａＮをＭＢＥ成長４Ｈ−ＡｌＮ層１０２上に成長させる。ＧａＮ層は、（１１−２０）面上で４Ｈ型ポリタイプを示す。引き続き、１μｍ厚のｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０４、アンドープＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１０５、０．５μｍ厚のｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０６をｎ型ＧａＮ層１０３上に成長させる。一般に１００ｎｍの厚さを有する導波層であるｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層は、活性層１０５の上下に設けられる。電子の流出を抑制するために、Ａｌの含有量の多いｐ型ＡｌＧａＮを、ｐ型クラッド層１０６と活性層１０５の間に配置してもよい。ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０６の上にＭｇ濃度の高いｐ型ＧａＮを成長させてもよい。ＭＯＣＶＤによる再成長層の全てが、４Ｈ−ＡｌＮ層の原子配列を受け継いだ４Ｈ型ポリタイプを示す。こうして得た無極性活性層は、圧電分極による内部電界に影響されず、短波長でより高い発光効率を可能にする。
Ｃｌ2を用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングのようなドライエッチングプロセスでは、マスクとしてパターン化されたフォトレジストを使用し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６を選択的にエッチングし、直線リッジ状導波路を形成する。その後、同様のエッチング技術で、活性層１０５とクラッド層１０４をエッチングし、ｎ型ＧａＮ層１０３上へのオーミックコンタクト１０９の形成に先立って、ｎ型ＧａＮ層１０３を露出させる。
ドライエッチングの二つの処理工程の後、一般に、プラズマＣＶＤを用いて、３００ｎｍ厚のＳｉＯ2膜１１０を堆積させる。リッジ状導波路の側壁上のＳｉＯ2膜１１０は、ＳｉＯ2膜１１０とクラッド層１０６の有効屈折率の違いにより、リッジ構造内に放射光を閉じ込める。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６上のオーミックコンタクトであるＮｉ／Ａｕ層（電極）１０８と、ｎ型ＧａＮ１０３上のオーミックコンタクトであるＴｉ／Ａｌ層（電極）１０９とは、上側にオーミックコンタクトが形成されるＳｉＯ2膜１１０の選択湿式化学エッチングの後形成される。加工した基板を、その裏側から、一般に１５０μｍまで薄くする。劈開面は＜０００１＞軸に沿って形成され、レーザのミラーとなる。一般的なキャビティ長は６００μｍである。作製されたレーザは、無極性面の高発光効率により低しきい値電流密度を示す。
（初期ＡｌＮエピタキシャル層の特性）
ＡｌＮ初期エピタキシャル層の特徴を以下詳説する。
図９は、４Ｈ−ＳｉＣおよび６Ｈ−ＳｉＣ上のＡｌＮ層の反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを示す。４Ｈ−ＳｉＣ上のＡｌＮのパターンは、４Ｈ型ポリタイプのパターンとよく一致する一方で、６Ｈ−ＳｉＣ上のＡｌＮのパターンは２Ｈ型ポリタイプを示す。ポリタイプは、４Ｈ−ＳｉＣ基板からＡｌＮエピタキシャル層に複製される。
図１０は、高解像透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）により調べたＡｌＮ／４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板とＡｌＮ／６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板のミクロ構造を示す。ＡｌＮ層中の積層順を明確にするため、図１０に示すように、ウェーハから３０°の傾斜を持つＴＥＭサンプルを切り出す。４Ｈ−ＳｉＣ基板領域に見られるように、一対の明暗のバンドが、４Ｈ型構造の一単位格子に相当する。ＡｌＮエピタキシャル層は、全く同様の明暗バンドを有し、これは、４Ｈ−ＳｉＣ基板からポリタイプがうまく複製されていることを示す。ＡｌＮエピタキシャル層は４Ｈ型ポリタイプ構造である。一方、図９に示すように、６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）上のＡｌＮエピタキシャル層は、２Ｈ型ポリタイプを示す。
図１１は、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上および６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上の３８０ｎｍ厚のＡｌＮエピタキシャル層に関する（１１−２０）回折のｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を示す。＜１−１００＞方向に対し平行および垂直な二つの異なったｘ線入射形態で調べた。半値全幅（ＦＷＨＭ）は９０アークセカントという非常に小さな値を示した。これは、＜１１−２０＞方向を中心とした傾きが顕著に小さいことを示唆している。一方、６Ｈ−ＳｉＣ基板上のＡｌＮ層は、＜１−１００＞に平行なｘ線入射で２４０アークセカントという大きなＦＷＨＭを示し、またピークは非常に弱い。よって、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上のＡｌＮエピタキシャル層の結晶品質は、６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上に成長させたものよりはるかに優れている。６Ｈ−ＳｉＣ基板上のＡｌＮの低結晶品質は、恐らく多くの積層欠陥または線欠陥によるものであり、これは６Ｈ−ＳｉＣ基板上の２Ｈ−ＡｌＮのポリタイプの不一致に起因する。低結晶品質は、結晶欠陥によって生じた非発光再結合中心により、レーザの動作電流を増加させると共に寿命を短くすることになる。その欠陥は、他種類の素子の性能も同様に低下させる。
図９〜図１１に示す結果を表２にまとめる。表２には、本発明と比較例との差を示す。本発明は、４Ｈ−ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮ層が４Ｈ−ａ面を有し、比較例は、６Ｈ−ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮ層が２Ｈ−ａ面を有する。この表２に示すように、ポリタイプ整合、結晶品質、おおび素子性能といった点において、４Ｈ面を持つ基板と４Ｈ面を持つ過成長層の組み合わせは、６Ｈ面を持つ基板と２Ｈ面を持つ過成長層の組み合わせよりも優れている。この表において、ポリタイプ整合とは、基板と過成長層のポリタイプの表示が同一であることを意味する。
（実施の形態２）
次に図１２を参照すると、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面基板１２０１上に形成された無極性ＧａＮ系青‐紫半導体レーザの概略図が示されている。４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面上の基本的なエピタキシャル構造体は、図１に示した構造体と同じである。しかしながら、導波路１２０８下の活性層における転位密度は、選択的横方向成長（ＥＬＯＧ：Epitaxial Lateral Over Growth）法を採用することにより更に低減されている。得られたレーザは、転位の低減により、横方向成長領域を持たないものに比べ寿命が長い。レーザの量子井戸からの発光効率は、分極により内部電界を持つ極性ｃ面を用いた場合の発光効率より向上し、しきい値電流密度が低くなる。
図１２に示すように、レーザのエピタキシャル構造体は、一般に、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２０７とｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２０５の間に形成されたアンドープＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１２０６と、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２０５の下に形成されたｎ型ＧａＮベース層１２０４とから成る。ｎ型ＧａＮベース層１２０４の下には、３８０ｎｍ厚のＡｌＮ初期層１２０２が狭ストライプ状に選択的に形成されている。このストライプは、４Ｈ−ＳｉＣ基板１２０１の表面に形成されている。ストライプ幅は、一般に、５μｍであり、各ストライプ間の距離は１５μｍである。導波路１２０８下の活性層１２０６における転位密度は、約１×１０6ｃｍ-2以下である。これは、横方向成長により転位密度が低減するためである。ストライプの方向は、積層方向に対し垂直である＜１−１００＞方向が好ましい。＜１−１００＞方向に生じた横方向成長により、横方向成長領域１２１２のポリタイプを種領域１２０３のポリタイプから離間させる。
一方、ストライプの方向が＜０００１＞方向である場合、横方向成長領域１２１２における原子の積層順は、横方向成長領域１２１２における積層順よりはむしろ成長条件によって決定される。半導体レーザの詳細な構造パラメータを表３にまとめて示す。表３は、一例における各層の厚さとキャリア濃度を示す。表３において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のキャリア濃度は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層と実質的に同じ５×１０17ｃｍ-3であり、また、ｎ型ＧａＮベース層のキャリア濃度は、ｎ型ＧａＮ種層と実質的に同じ１×１０18ｃｍ-3である。アンドープＡｌＮ層１２０２とアンドープ量子井戸１２０６は、ドープしていない。活性層１２０６は、量子井戸とバリア層を有する。表２に示すように、井戸層の組成は、アンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎであり、バリア層の組成は、アンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎである。井戸層とバリア層の厚さは４ｎｍである。活性層１２０６には井戸層が３層ある。
以下、詳細な処理手順を説明する。まず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、３８０ｎｍ厚の４Ｈ−ＡｌＮを、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）面上に成長させる。以下、詳細を第一の実施例と同様に説明する。
脱脂工程において、まず有機溶媒を用いて４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１２０１を脱脂する。
湿式化学処理工程において、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１２０１を複数の溶液に順に浸漬する。第一の溶液がＨＣｌ、第二の溶液がＨＣｌ＋ＨＮＯ3（３：１）、そして第三の溶液がＨＦである。
サーマルクリーニング工程では、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１２０１を１０００℃で３０分間熱により浄化し、基板の表面を平坦および／または清浄にした後、ＭＢＥ室に投入する。
その後、ＡｌＮバッファ層の成長工程において、墳散室から金属Ａｌ源を、またＲＦプラズマ源からラジカル窒素原子をそれぞれ供給することにより、ＡｌＮ層１２０２をエピタキシャル成長させる。ＡｌＮ層の一般的な成長温度は、窒素流量０．５ｓｃｃｍ、ＲＦ電力４００Ｗ、Ａｌビーム等価圧４．７×１０-7Ｔｏｒｒにおいて１０００℃である。この条件下での成長速度は、３８０ｎｍ／ｈｒである。
ＭＢＥ成長の後、２μｍ厚のｎ型４Ｈ−ＧａＮ種層１２０３を、ＭＯＣＶＤにより４Ｈ−ＡｌＮ初期層１２０２上に成長させる。
そして、ｎ型４Ｈ−ＧａＮ種層１２０３と４Ｈ−ＡｌＮ初期層１２０２とを、ＩＣＰエッチング等のドライエッチングにより選択的にエッチングする。一般に幅５μｍのストライプパターンを＜０００１＞方向に沿って形成する。好ましくは、図１２に示すように、引き続き同様のエッチング処理により、ＧａＮ／ＡｌＮストライプ等の横方向成長領域１２１２間のＳｉＣに溝を形成する。
ストライプのパターニング後、４μｍ厚のｎ型４Ｈ−ＧａＮベース層を、横方向エピタキシャル成長によりストライプ上に成長させる。横方向成長により、転位密度はｎ型４Ｈ−ＧａＮ種層１２０３のストライプ領域より低減した。尚、横方向成長は、４Ｈ−ＡｌＮ初期層１２０２のストライプ上のｎ型４Ｈ−ＧａＮ種層１２０３から生じるため、エピタキシャル膜は４Ｈ−ＡｌＮ初期層１２０２の側壁上には成長しない。引き続き、１μｍ厚のｎ型４Ｈ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２０５、アンドープＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１２０６、０．５μｍ厚のｐ型４Ｈ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２０７を、ｎ型４Ｈ−ＧａＮベース層１２０４上に成長させる。エピタキシャル成長層は全て、４Ｈ−ＡｌＮ初期層１２０２の原子配列を受け継ぎ４Ｈ型ポリタイプである。
次のドライエッチング処理により、ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１２０７を選択的にエッチングし、直線リッジ状導波路１２０８、並びに４Ｈ−ＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１２０６およびｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１２０５を形成し、ｎ型４Ｈ−ＧａＮベース層１２０４を露出させる。
エッチング工程の後、放射光を導波路１２０８に閉じ込めるため、３００ｎｍ厚のＳｉＯ2膜１２１１を堆積させる。ｐ型オーミックコンタクトであるＮｉ／Ａｕ層（電極）１２０９と、ｎ型オーミックコンタクトであるＴｉ／Ａｌ層（電極）１２１０とを、ＳｉＯ2膜１２１１に接して形成する。劈開工程の前に基板薄化工程を行い、無極性面上に、しきい値電流密度の低い青‐紫レーザダイオードを作製する。
（実施の形態３）
次に図１３（ａ）および（ｂ）を参照すると、レーザチップの両側に二つの電極を備えた４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面基板上に形成された無極性ＧａＮ系青‐紫レーザダイオードが示されている。４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面上のエピタキシャル構造体は、初期層以外は、実施の形態１で示した構造体と基本的に同じである。実施の形態１において、初期層はＡｌＮであったが、本実施形態では、基板１３０１上に形成される初期層は導電性ＡｌＧａＮ層である。また、本実施形態では、４Ｈ−ＳｉＣ基板１３０１は導電性であり垂直素子構造を可能にする。無極性面上に形成されたレーザの量子井戸からの発光効率は、分極による内部電界を有する極性ｃ面上に形成された場合に比べ向上する。これにより、しきい値電流密度が低減されると共に、垂直素子構造により直列抵抗および動作電圧が低下する。
図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、一般に、レーザのエピタキシャル構造体は、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１３０４、アンドープＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１３０３、およびｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１３０２から成る。
図１３（ａ）に示すように、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ１３０１上に形成されたレーザ構造体は、ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０２の一部としてｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮ初期層を備えている。この素子において、４Ｈ−ＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１３０３は、ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０２とｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０４との間に形成され、半導体レーザの導波路１３０５はｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０４上に形成される。更に、これらのＧａＮ系エピタキシャル構造体は、オーミックコンタクト間に形成される。すなわち、Ｎｉ／Ａｕオーミックコンタクト（電極）１３０６は、導波路と接し、Ｎｉオーミックコンタクト（電極）１３０７は、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１３０１の下に形成される。ＳｉＣ基板およびＡｌＧａＮ（ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０２またはｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０４）間の格子不整合を緩和するため、ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０２のＡｌ組成を変えてもよい。活性層１３０３は、量子井戸とバリア層を有する。表４（ａ）に示すように、井戸層の組成は、アンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎであり、バリア層の組成は、アンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎである。井戸層とバリア層の厚さは４ｎｍである。活性層１３０３には井戸層が３層ある。
図１３（ｂ）に示すように、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ上に形成されたレーザ構造体は、ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０４の一部としてｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮ初期層を備えている。利用可能なｐ型ＧａＮのキャリア濃度は、１×１０18ｃｍ-3以下であるため、実現可能な最小オーミック接触抵抗は１×１０-3Ωｃｍ2となる。ｐ型層にリッジ状導波路１３０５を備えた従来のＧａＮ系レーザダイオードは、そのストライプ状ｐ型オーミックコンタクトの幅が狭いため、直列抵抗が高い。抵抗が０．０１Ωｃｍの、広い裏面コンタクトを持つ高導電性ｐ型ＳｉＣ１３０９基板を使用することにより、動作電圧は、従来のｐ型層を最上層に持つレーザダイオードに比べはるかに低くなる。
図１３（ａ）および（ｂ）に示すIII-V族窒化物層は全て、ＳｉＣ基板から受け継いだ４Ｈ型ポリタイプである。半導体レーザの詳細な構造パラメータを表４にまとめて示す。表４に、一例における各層の厚さとキャリア濃度を示す。表４（ａ）において、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のキャリア濃度は、ｎ型ＡｌＧａＮ初期層と実質的に同じ１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＧａＮクラッド層のキャリア濃度は、ｎ型ＧａＮクラッド層より高い５×１０17ｃｍ-3である。アンドープ量子井戸はキャリアを殆どまたは全く含まない。表４（ｂ）において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のキャリア濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮ初期層と実質的に同じ１×１０18ｃｍ-3であり、ｎ型ＧａＮクラッド層のキャリア濃度は、ｐ型ＧａＮクラッド層より高い５×１０17ｃｍ-3である。アンドープ量子井戸はキャリアを殆どまたは全く含まない。
ｐ型ＳｉＣ基板１３０９上に形成された本実施形態に関し、詳細な処理手順を説明する。
まず、実施の形態１で説明したエピタキシャル手法と同じ方法で、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、３８０ｎｍ厚のｐ型４Ｈ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ初期層を、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）面基板１３０９上に成長させる。
脱脂工程において、まず有機溶媒を用いてｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１３０９を脱脂する。
湿式化学処理工程において、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１３０９を複数の溶液に順に浸漬する。第一の溶液がＨＣｌ、第二の溶液がＨＣｌ＋ＨＮＯ3（３：１）、そして第三の溶液がＨＦである。
サーマルクリーニング工程では、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１３０９を１０００℃で３０分間熱により浄化し、基板の表面を平坦および／または清浄にした後、ＭＢＥ室に投入する。
ドープ剤Ｍｇを、ＭＢＥにおいて、加熱したエフュージョンセルから導入する。ドープ剤原子は、低抵抗で浅いアクセプタ準位を示す。
ＭＢＥ成長の後、０．５μｍ厚のｐ型４Ｈ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１３０４、アンドープＩｎＧａＮ多量子井戸活性層１３０３、０．５μｍ厚のｎ型４Ｈ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１３０２をＭＯＣＶＤにより成長させる。実施の形態１において説明したように、ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０２およびｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０４、Ａｌ含有量の多いｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮを、ｐ型４Ｈ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１３０４と活性層１３０３との間に配置してもよい。再成長層は全て、ＭＢＥ成長ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮ層１３０４の原子配列を受け継ぎ４Ｈ型ポリタイプである。
次のドライエッチング処理により、ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０２を選択的にエッチングし、直線リッジ状導波路１３０５を形成する。
エッチング工程の後、放射光を導波路１３０５に閉じ込めるため、３００ｎｍ厚のＳｉＯ2膜１３０８を堆積させる。ｎ型オーミックコンタクト１３１０であるＴｉ／Ａｕ層（電極）１３１０を導波路１３０５上に形成する。ウェーハの薄化工程およびｐ型ＳｉＣ基板に対するＡｌ−Ｓｉオーミックコンタクト（電極）１３１１の形成、その後劈開を行い、垂直素子構造の無極性面上に形成された青‐紫レーザダイオードを作製する。レーザがｎ型ＳｉＣ基板上に形成される場合、上部ｐ型オーミックコンタクトはＮｉ／Ａｕ１３０６であり、ｎ型ＳｉＣに対する裏面コンタクトはＮｉ１３０７である。
（実施の形態４）
次に、図１４（ａ）および（ｂ）を参照すると、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの両側に二つの電極を備えた４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面基板上に形成された無極性ＧａＮ系紫外線ＬＥＤが示されている。初期層は導電性ＡｌＧａＮ層であり、４Ｈ−ＳｉＣ基板も導電性であることから、垂直素子構造が可能である。無極性面上に形成されたＬＥＤの量子井戸からの発光効率は、分極による内部電界を有する極性ｃ面上に形成された場合に比べ向上する。これにより、発光効率が向上すると共に、垂直素子構造により直列抵抗および動作電圧が低下する。
図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、一般に、紫外線ＬＥＤのエピタキシャル構造体は、ｐ型４Ｈ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎクラッド層１４０４、アンドープ４Ｈ−ＩｎＡｌＧａＮ多量子井戸活性層１４０３、およびｎ型４Ｈ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎクラッド層１４０２から成る。
図１４（ａ）に示すように、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ１４０１上に形成されたＬＥＤ構造体は、ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１４０２の一部としてｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮ初期層を有する。ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１４０２およびｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１４０１間の格子不整合を緩和するため、ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１４０２のＡｌ組成を変えてもよい。
図１４（ｂ）に示すように、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ１４０９上に形成されたＬＥＤ構造体は、ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１４０４の一部としてｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮ初期層を備えている。実施の形態３において説明したように、利用可能なｐ型ＧａＮまたはｐ型ＡｌＧａＮのキャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3以下であることより、実現可能な最小オーミック接触抵抗は１×１０-3Ωｃｍ2となる。最上部にｐ型層を持つＬＥＤ構造体において十分な電流拡がりを得るために、従来のｐ型最上層を有するＧａＮ系ＬＥＤでは、図１４（ａ）に示すように、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板に対するＮｉオーミックコンタクト１４０８と共に、Ａｕ上部電極１４０７を備えた薄いＮｉ／Ａｕ１４０６のような透明電極が使用される。透明電極は、放射光を吸収する場合があるため、電極における光損失を避けるため厚さを正確に制御する必要がある。よって、再現可能な製造という観点から、最上層がｎ型層である垂直素子構造が望ましい。
図１４（ｂ）に示すように、抵抗が０．０１Ωｃｍの高導電性ｐ型ＳｉＣ基板を使用し、透明電極を削除することにより、動作電圧を下げ発光効率を向上させることができる。図１４（ａ）および（ｂ）に示すIII-V族窒化物層は全て、４Ｈ−ＳｉＣ基板のポリタイプを複製した４Ｈ型ポリタイプである。ＬＥＤの詳細な構造パラメータを表５にまとめて示す。表５に、一例における各層の厚さおよびキャリア濃度を示す。
表５（ａ）は、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板を有する素子を示す。表５（ａ）において、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のキャリア濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と実質的に同じ５×１０17ｃｍ-3であり、ｎ型ＡｌＧａＮ初期層のキャリア濃度は、ｎ型ＧａＮ接触層およびｎ型ＡｌＧａＮ初期層と実質的に同じ１×１０18ｃｍ-3である。アンドープ量子井戸はドーピングしていない。活性層１４０３は、量子井戸とバリア層を有する。表５（ａ）に示すように、井戸層の組成は、アンドープＩｎ0.02Ａｌ0.13Ｇａ0.85Ｎであり、バリア層の組成は、アンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎである。井戸層の厚さは２ｎｍであり、バリア層の厚さは５ｎｍである。また、活性層１４０３には井戸層が３層ある。
表５（ｂ）は、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）１４０９を有する素子を示す。表５（ｂ）において、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４０２のキャリア濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４０４と実質的に同じ５×１０17ｃｍ-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮ初期層のキャリア濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層より低い１×１０18ｃｍ-3である。アンドープ量子井戸１４０３はドーピングしていない。
ｐ型ＳｉＣ（１１−２０）基板１４０９上に形成された本実施形態に関し、詳細な処理手順を説明する。
まず、実施の形態３で説明したように、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、３８０ｎｍ厚のｐ型４Ｈ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎを、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）面上に成長させる。
脱脂工程において、まず有機溶媒を用いてｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１４０９を脱脂する。
湿式化学処理工程において、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１４０９を複数の溶液に順に浸漬する。第一の溶液がＨＣｌ、第二の溶液がＨＣｌ＋ＨＮＯ3（３：１）、そして第三の溶液がＨＦである。
サーマルクリーニング工程では、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１４０９を１０００℃で３０分間熱により浄化し、基板の表面を平坦および／または清浄にした後、ＭＢＥ室に投入する。
ドープ剤Ｍｇを、ＭＢＥにおいて、加熱した墳散室から導入する。ドープ剤原子は、低抵抗で浅いアクセプタ準位を示す。
ＭＢＥ成長の後、１００ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎクラッド層１４０４、アンドープＩｎＡｌＧａＮ多量子井戸活性層１４０３、１００ｎｍ厚のｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎクラッド層１４０２をＭＯＣＶＤにより成長させる。電子の流出を抑制するため、クラッド層１４０４よりＡｌ含有量の多いｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮを、ｐ型クラッド層１４０４と活性層との間に配置してもよい。
多量子井戸１４０３は、３４０ｎｍ程度で紫外線を放射するように、ＩｎＡｌＧａＮ(井戸層)／ＡｌＧａＮ（バリア層）量子井戸であってもよい。再成長層は全て、ＭＢＥ成長４Ｈ−ＡｌＧａＮ層の原子配列を受け継ぎ４Ｈ型ポリタイプである。
そして、パッド電極であるＴｉ／Ａｕ層１４１０をｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層１４０２上に形成する。ウェーハを薄くし、かつｐ型ＳｉＣ基板に対するＡｌ−Ｓｉオーミックコンタクト１４１１を形成し、垂直素子構造を有する無極性面上に形成された紫外線ＬＥＤを作製する。
（実施の形態５）
次に、図１５を参照すると、無極性４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面上に形成された無極性III-V族窒化物系トランジスタが示されている。このトランジスタでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ変調ドープヘテロ構造体において電子移動度が向上している。エピタキシャル構造体は、一般に、アンドープ４Ｈ−ＡｌＮ層１５０３上に形成された、ｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１５０５から成る。アンドープ４Ｈ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１５０４を、ｎ型４Ｈ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１５０５とアンドープ４Ｈ−ＡｌＮ層１５０３との間に挿設してもよい。ヘテロ構造体は、バッファ層である４Ｈ−ＡｌＮ初期層１５０２上に成長させる。エピタキシャル層は全て、４Ｈ型ポリタイプであり、４Ｈ−ＳｉＣ基板１５０１のポリタイプを受け継いで成長する。エピタキシャル層は、分極による内部電界を持たない。従来の極性ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造トランジスタと比べて、無極性素子は、内部電界により生じる電位障壁を考慮する必要がなく、素子デザインが容易になる。素子は、場合によってはその直列抵抗を高めることもある内部電界によって影響されない。更に、無極性ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ疑似格子整合の変調ドープ構造により、シートキャリア濃度が十分高くなると共に電子移動度が向上するであろう。
以下、詳細な構造および処理手順を説明する。まず、実施の形態１で説明したように、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、バッファ層である４Ｈ−ＡｌＮ初期層１５０２を、３８０ｎｍ厚の半絶縁性４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１５０１上に成長させる。
脱脂工程において、まず有機溶媒を用いてｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１５０１を脱脂する。
湿式化学処理工程において、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１５０１を複数の溶液に順に浸漬する。第一の溶液がＨＣｌ、第二の溶液がＨＣｌ＋ＨＮＯ3（３：１）、そして第三の溶液がＨＦである。
サーマルクリーニング工程では、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板１５０１を１０００℃で３０分間熱により浄化し、基板の表面を平坦および／または清浄にした後、ＭＢＥ室に投入する。
ＭＢＥ成長の後、５μｍ厚のアンドープ４Ｈ−ＡｌＧａＮ層１５０４と、キャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3で３０ｎｍ厚のｎ型４Ｈ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１５０５とをＭＯＣＶＤにより成長させる。
ドライエッチング処理により、チャンネル周囲の絶縁すべき領域をエッチングする。
そして、図１５に示すように、ソース電極１５０６としてのＴｉ／Ａｌｎ型オーミックコンタクトとドレイン電極１５０７としてのｐ型オーミックコンタクト、並びにＰｄ−Ｓｉゲート電極１５０８を、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のソース、ドレイン、およびゲートとしてそれぞれ形成する。作製したＦＥＴは、内部電界を持たず、デザインが容易であり、直列抵抗が低下し電子移動度が向上するであろう。
電界効果トランジスタの詳細な構造パラメータを表６にまとめて示す。表６は一実施例における各層の厚さとキャリア濃度を示す。均一にドーピングされたｎ型４Ｈ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層１５０５は、キャリア濃度の高い原子準位厚のｄ型ドープ層であってもよい。
上記五つの実施形態では、４Ｈ−ＳｉＣ基板上に成長させたIII-V族窒化物に関して記載しているが、基板はＳｉＣに限定されるものではなく、例えば、ＺｎＯであってもよい。４Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ−ＺｎＯ等の４Ｈ型ポリタイプの基板は、各実施形態において有用である。更に、III-V族窒化物層は、Ｂ1-x-y-zＩｎxＡｌyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ≦１）合金のあらゆる組成物から選ぶことができる。使用した（１１−２０）基板は、主面から＜０００１＞または＜１−１００＞方向に向かって１０度未満傾斜していてもよい。
本発明によれば、ＳｉＣ基板および過成長III-V族窒化物の双方に最適な組み合わせのポリタイプを提供することができ、半導体素子、特に発光素子に有用である。
本発明の一実施の形態である、４Ｈ−ＡｌＮ／４Ｈ−ＳｉＣ上に形成された４Ｈ型ポリタイプのIII-V族窒化物系青−紫半導体レーザの断面図 ４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面上の原子配位を示す図 ６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）ａ面上の原子配位を示す図 ２Ｈ型ポリタイプのIII-V族窒化物全てにおいて見られるような、２Ｈ−ＡｌＮ（１１−２０）ａ面上の原子配位を示す図 極性ｃ面基板上の２H型ポリタイプのＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸のバンド図 無極性ａ面基板上の４Ｈ型ポリタイプのＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸のバンド図 極性面上および無極性面上双方における、ＳｉＣ基板上のＡｌＮの原子配列を示す図 ４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上に初期ＡｌＮバッファ層を有するIII-V族窒化物層のエピタキシャル成長工程を示すフローチャート ４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上及び６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板上のＡｌＮ層の反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを示す図 高解像透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）により測定した４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）上のＡｌＮおよび６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）上のＡｌＮの格子像を示す図 ４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）上および６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）上のＡｌＮに関する（１１−２０）回折のｘ線ロッキングカーブ形状を示す図 本発明の一実施形態に係る、レーザ構造が狭ストライプ状ＧａＮ／ＡｌＮ種層からのエピタキシャル再成長により形成された、４Ｈ−ＡｌＮ／４Ｈ−ＳｉＣ上に形成された４Ｈ型ポリタイプのIII-V族窒化物系青−紫半導体レーザの断面図 本発明の一実施形態に係る、電極が両側に形成された、導電性４Ｈ−ＡｌＮ／４Ｈ−ＳｉＣ上に形成された４Ｈ型ポリタイプのIII-V族窒化物系青−紫半導体レーザの断面図 本発明の一実施形態に係る、電極が両側に形成された、導電性４Ｈ−ＡｌＮ／４Ｈ−ＳｉＣ上に形成された４Ｈ型ポリタイプのIII-V族窒化物系紫外線ＬＥＤの断面図 本発明の一実施形態に係る、４Ｈ−ＡｌＮ／４Ｈ−ＳｉＣ上に形成された４Ｈ型ポリタイプのIII-V族窒化物系ヘテロ構造トランジスタの断面図
符号の説明
１０１ ４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板
１０２ ４Ｈ−ＡｌＮ初期層
１０３ ｎ型４Ｈ−ＧａＮベース層
１０４ ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０５ ４Ｈ−ＩｎＧａＮ多量子井戸活性層
１０６ ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０７ 半導体レーザの狭ストライプ状導波路
１０８ Ｎｉ／Ａｕオーミックコンタクト
１０９ Ｔｉ／Ａｌオーミックコンタクト
１１０ ＳｉＯ2膜
１２０１ ４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板
１２０２ ４Ｈ−ＡｌＮ初期層
１２０３ ｎ型４Ｈ−ＧａＮ種層
１２０４ ｎ型４Ｈ−ＧａＮベース層
１２０５ ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１２０６ ４Ｈ−ＩｎＧａＮ多量子井戸活性層
１２０７ ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１２０８ 半導体レーザの狭ストライプ状導波路
１２０９ Ｎｉ／Ａｕオーミックコンタクト
１２１０ Ｔｉ／Ａｌオーミックコンタクト
１２１１ ＳｉＯ2膜
１３０１ ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板
１３０２ ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１３０３ ４Ｈ−ＩｎＧａＮ多量子井戸活性層
１３０４ ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１３０５ 半導体レーザの狭ストライプ状導波路
１３０６ Ｎｉ／Ａｕオーミックコンタクト
１３０７ Ｎｉオーミックコンタクト
１３０８ ＳｉＯ2膜
１３０９ ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板
１３１０ Ｔｉ／Ａｕオーミックコンタクト
１３１１ Ａｌ−Ｓｉオーミックコンタクト
１４０１ ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板
１４０２ ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１４０３ ４Ｈ−ＩｎＡｌＧａＮ多量子井戸活性層
１４０４ ｐ型４Ｈ−ＡｌＧａＮクラッド層
１４０５ ｐ型ＧａＮ接触層
１４０６ Ｎｉ／Ａｕ透明電極
１４０７ Ａｕパッド電極
１４０８ Ｎｉオーミックコンタクト
１４０９ ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板
１４１０ Ｔｉ／Ａｕパッド電極
１４１１ Ａｌ−Ｓｉオーミックコンタクト
１５０１ 半絶縁性４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板
１５０２ ４Ｈ−ＡｌＮ初期層
１５０３ アンドープ４Ｈ−ＡｌＮ層
１５０４ アンドープ４Ｈ−ＡｌＧａＮ層
１５０５ ｎ型４Ｈ−ＡｌＧａＮ層
１５０６ Ｔｉ／Ａｌソース電極
１５０７ Ｔｉ／Ａｌドレイン電極
１５０８ Ｐｄ−Ｓｉゲート電極

Claims (15)

  1. ４Ｈ型構造の基板上に形成された４Ｈ型ポリタイプ構造のＢ1-x-y-zＩｎxＡｌyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ≦１）合金エピタキシャル膜を備えた半導体素子。
  2. 前記Ｂ1-x-y-zＩｎxＡｌyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ≦１）合金エピタキシャル膜の表面のIII族原子の数が、窒素原子の数に等しい請求項１に記載の半導体素子。
  3. ４Ｈ型構造の基板上に形成された４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層を備えた発光素子であって、前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層が、ｎ型層、ｐ型層、および活性層を含み、前記活性層が、前記ｎ型層とｐ型層の間に形成されている発光素子。
  4. 前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層上に形成された導波路を備えた請求項３に記載の発光素子。
  5. 前記導波路が、（０００１）面または（１−１００）面のいずれかに対し垂直な直線として形成されている請求項４に記載の発光素子。
  6. 前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層に形成され、４Ｈ型構造のＡｌＮ層と接触しているｎ型領域を更に含む請求項４に記載の発光素子。
  7. ４Ｈ型構造のＡｌＮ層の側面と接触するエピタキシャル領域を含まない請求項４に記載の発光素子。
  8. 前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層と前記４Ｈ型構造の基板との間に、４Ｈ型構造の導電性ＡｌＧａＮ層を更に含む請求項３に記載の発光素子。
  9. 前記４Ｈ型構造の基板がｐ型またはｎ型導電性を有する請求項３に記載の発光素子。
  10. ４Ｈ型構造の基板上に形成された４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層、並びに、前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層上に形成されたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を備えた半導体素子であって、前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層が、導電層およびアンドープ層を含む半導体素子。
  11. ４Ｈ型構造の基板上に４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層を形成する工程を含む半導体素子の形成方法。
  12. 前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層の第一の層を、分子線エピタキシーにより成長させ、前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層の第二の層を有機金属気相成長法により成長させる請求項１１に記載の半導体素子の形成方法。
  13. 前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層上に導波路を形成する工程を更に含み、前記導波路と前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層が、＜０００１＞または＜１−１００＞方向に沿って劈開する請求項１１に記載の半導体素子の形成方法。
  14. バッファ層を選択的にエッチングする工程と、前記バッファ層上に前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層を形成する前に前記バッファ層と接触して種層を形成する工程とを更に含み、前記種層が前記４Ｈ型ポリタイプ構造のＧａＮ系エピタキシャル層内に形成される請求項１１に記載の半導体素子の形成方法。
  15. 前記エッチング工程の後、前記４Ｈ型構造の基板の表面が露出する請求項１４に記載の半導体素子の形成方法。
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