JP2006310688A - 半導体構造体、半導体素子、窒化物半導体結晶の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のバッファーでは、Ｓｉ基板の上に形成される窒化物半導体層の結晶性が、十分に
良好なものにはならなかった。本発明は、Ｓｉ基板１の上に形成される窒化物半導体層５
の結晶性をより向上することができる半導体構造体、半導体素子、および窒化物半導体結
晶の形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
半導体構造体である。この半導体構造体においては、Ｓｉ基板１の上に、Ａｌが第１結
晶として層状に形成され、この層状に形成されたＡｌの上に、ＧａＮが第２結晶として形
成されている。また、Ｓｉ基板１の表面において、第１結晶が島状であり、この島状であ
る一方が第２結晶に囲まれている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、窒化物半導体に関し、特に、基板にＳｉを用いる窒化物半導体に関する。

従来、クラックの発生を防止すべく、次のようなバッファーが提案された（特許文献１
参照）。すなわち、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）よりなる基板上に、第１初期層としてＡｌ
Ｎの薄膜を成長し、この第１初期層たるＡｌＮ薄膜上に、第２初期層としてＡｌ_０．１５
Ｇａ_０．７５Ｎを２００ｎｍの膜厚で成長したバッファーである（特許文献１の段落〔０
０３５〕、図１など参照）。この特許文献１には、基板として、Ｓｉを用いることができ
る旨記載されている。
特開２００２−１７０７７６号公報

しかしながら、この従来のバッファーでは、Ｓｉ基板の上に形成される窒化物半導体層
の結晶性が、十分に良好なものにはならなかった。
そこで、本発明は、Ｓｉ基板の上に形成される窒化物半導体層の結晶性をより向上する
ことができる半導体構造体、半導体素子、および窒化物半導体結晶の形成方法を提供する
ことを目的とする。

本発明によれば、上記した課題は、次の手段によって、解決される。

第１の発明は、第１結晶領域と第２結晶領域とをＳｉ基板の表面に備えた半導体構造体
において、前記第１結晶領域は、ＡｌとＳｉとを含む第１結晶を有し、前記第２結晶領域
は、Ｓｉを含むＧａＮ系半導体を含む第２結晶を有している、ことを特徴とする半導体構
造体である。
ＡｌとＳｉとを含む第１結晶を有する第１結晶領域と、Ｓｉを含むＧａＮ系半導体を含
む第２結晶領域と、をＳｉ基板の表面に分布させることにより、結晶性のよい窒化物半導
体層をＳｉ基板の上に形成することができる。

第２の発明は、第１結晶領域と第２結晶領域とをＳｉ基板の表面に備えた半導体構造体
において、前記第１結晶領域は、ＡｌおよびＳｉを含み、これらＡｌおよびＳｉの少なく
とも一方の窒化物を含む第１結晶を有し、前記第２結晶領域は、Ｓｉを含むＧａＮ系半導
体を含む第２結晶を有している、ことを特徴とする半導体構造体である。
ＡｌおよびＳｉを含み、少なくとも一方の窒化物を含む第１結晶を有する第１結晶領域
と、Ｓｉを含むＧａＮ系半導体を含む第２結晶を有している第２結晶領域と、をＳｉ基板
の表面に分布させることにより、結晶性のよい窒化物半導体層をＳｉ基板の上に形成する
ことができる。

第３の発明は、前記Ｓｉ基板の表面の前記第１結晶を層状に有し、前記第１結晶の上に
前記第２結晶を有する、ことを特徴とする第１の発明または第２の発明に記載の半導体構
造体である。
第３の発明によれば、Ｓｉ基板の表面に、第１結晶領域を層状に形成し、この第１結晶
領域の上に第２結晶領域を形成し、この第２結晶領域の上に窒化物半導体層を形成するこ
とができる。

第４の発明は、前記Ｓｉ基板の表面において、前記第１結晶領域および前記第２結晶領
域のうちの一方が島状であり、この島状である一方が他方に囲まれている、ことを特徴と
する第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに記載の半導体構造体である。
第４の発明によれば、Ｓｉ基板の表面に、第１結晶領域と第２結晶領域とが隣接して共
存することになるため、Ｓｉ基板の上にある膜が、キャリアの注入・移動に適した結晶構
造となり、Ｓｉ基板の上に窒化物半導体層を好適に形成できる。

第５の発明は、前記第２結晶領域は、前記Ｓｉ基板の表面から形成された部分と前記第
１結晶領域の表面から形成された部分とで第２結晶の結晶方位が異なることを特徴とする
第４の発明に記載の半導体構造体である。
第２結晶の結晶方位を、Ｓｉ基板の表面から形成された部分と第１結晶の表面から形成
された部分とで異ならしめることにより、Ｓｉ基板の上に結晶性のよい窒化物半導体層を
形成することができる。

第６の発明は、前記Ｓｉ基板の表面から形成された部分の第２結晶の結晶方位が（１１
１）であり、前記第１結晶領域の表面から形成された部分の第２結晶の結晶方位が（００
０１）である、ことを特徴とする第５の発明に記載の半導体構造体である。
第２結晶領域について、Ｓｉ基板の表面から形成された部分の第２結晶の結晶方位を（
１１１）とし、第１結晶領域の表面から形成された部分の第２結晶の結晶方位を（０００
１）とすることにより、Ｓｉ基板の上に結晶性のよい窒化物半導体層を形成することがで
きる。

第７の発明は、前記第１結晶領域が前記第２結晶領域に覆われている、ことを特徴とす
る第４の発明〜第６の発明のいずれか１つに記載の半導体構造体である。
第７の発明によれば、Ｓｉ基板の上に形成される窒化物半導体層の結晶性を良好にする
ことができる。

第８の発明は、前記Ｓｉ基板がｐ型のＳｉである、ことを特徴とする第１の発明〜第７
の発明のいずれか１つに記載の半導体構造体である。
第８の発明によれば、少なくともＳｉ基板の表面がｐ型となり、Ｓｉ基板と窒化物半導
体層との間でキャリアの注入をより良好に行うことができる。

第９の発明は、第１の発明〜第７の発明のいずれか１つに係る半導体構造体の上に、複
数の窒化物半導体層を有することを特徴とする半導体素子である。
第９の発明によれば、結晶性が良好な窒化物半導体層を有する半導体素子を提供するこ
とができる。

第１０の発明は、ＧａＮ系窒化物半導体の結晶をＳｉ基板の表面に形成する窒化物半導
体結晶の形成方法において、前記Ｓｉ基板の上に、Ａｌまたはその原料と、Ｓｉまたはそ
の原料と、を導入して、前記Ｓｉ基板の上に第１結晶を形成する第１工程と、前記第１工
程の後に、Ｓｉを含むＧａＮ系窒化物半導体を含む第２結晶を形成する第２工程と、を具
備することを特徴とする窒化物半導体結晶の形成方法である。

第１１の発明は、ＧａＮ系窒化物半導体の結晶をＳｉ基板の上に形成する窒化物半導体
結晶の形成方法において、前記Ｓｉ基板の表面に、Ａｌまたはその原料と、Ｓｉまたはそ
の原料と、Ｎまたはその原料を導入して、前記Ｓｉ基板の上に第１結晶を形成する第１工
程と、前記第１工程の後に、前記ＧａＮ系窒化物半導体を含む第２結晶を形成する第２工
程と、を具備することを特徴とする窒化物半導体結晶の形成方法である。

第１２の発明は、前記第１結晶は、前記Ｓｉ基板の表面において層状に形成される、こ
とを特徴とする第９の発明または第１１の発明に記載の窒化物半導体結晶の形成方法であ
る。

第１３の発明は、前記第１結晶を含む第１結晶領域または前記第２結晶を含む第２結晶
領域は、前記Ｓｉ基板の上に島状に形成される、ことを特徴とする第１０の発明または第
１１の発明に係る窒化物半導体結晶の形成方法である。
第１４の発明は、前記第２工程は、前記島状に形成された一方の結晶を他方の結晶が覆
うように、他方の結晶を形成する、ことを特徴とする第１３の発明に係る窒化物半導体結
晶の形成方法である。
第１５の発明は、前記Ｓｉ基板がｐ型のＳｉである、ことを特徴とする第１０の発明〜
第１４の発明のいずれか１つに記載の窒化物半導体結晶の形成方法である。
第１６の発明は、ＧａＮ系窒化物半導体の結晶をＳｉ基板の表面に形成する窒化物半導
体結晶の形成方法において、前記Ｓｉ基板の上に、Ａｌまたはその原料と、Ｓｉまたはそ
の原料と、Ｎまたはその原料を導入して、Ｓｉ基板表面にＳｉ原子を、さらに前記Ｓｉ原
子にＡｌを含む窒化物を成長する第１の工程と、第１の工程後、Ｓｉ原子を含むＧａＮ系
窒化物半導体層を成長する第２の工程と、を具備することを特徴とする窒化物半導体結晶
の形成方法である。
第１７の発明は、前記第２の工程のＧａＮ系窒化物半導体層は、ＧａＮ層であることを
特徴とする第１６の発明に記載の窒化物半導体結晶の形成方法である。
なお、本発明において、第１結晶と第１結晶領域、第２結晶と第２結晶領域との関係は
、第１結晶を島状に有する場合は、Ｓｉ基板表面において、第１結晶が第１結晶領域、第
２結晶が第２結晶領域となる。また第１結晶を層状に有する場合は、Ｓｉ基板表面におい
て、第１結晶の層厚の厚い領域と薄い領域とが存在し、厚い領域が第１結晶領域となり、
第１結晶の薄い領域は、その上に、Ｓｉ基板に第２結晶が接して存在する場合と略同様の
第２結晶が得られるので、その薄い領域が第２結晶領域となる。

以上説明した本発明によれば、Ｓｉ基板の上に形成される窒化物半導体層の結晶性をよ
り向上する半導体構造体を得ること、またその半導体構造体上に複数の窒化物半導体層を
有する半導体素子を得ることができるため、窒化物半導体層へのキャリアの注入・移動を
改善することができる。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明
する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体構造体を示す図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体構造体は、Ｓｉ基板１の上
に、ＡｌとＳｉとを含む第１結晶として層状に形成され、この層状に形成されたＡｌの上
に、Ｓｉを含むＧａＮが第２結晶として形成されている。この第１の実施の形態に係る半
導体構造体によれば、ＧａＮもしくは、その上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向
上させることができる。
なお、第１の実施の形態においては、第１結晶がＡｌとＳｉとを含む第１結晶からなる
としたが、第１結晶は、Ｓｉのアクセプターとなる第１元素とＳｉを含んでいればよく、
アクセプターとなる元素としては、たとえばＢ（ホウ素）が挙げられる。しかしながら、
結晶性のよい窒化物半導体層を得るにはＡｌが最も好ましい。また、第１結晶には、Ｓｉ
のアクセプターとなる第１元素以外の元素が含まれていてもよい。また、第１結晶は、Ｓ
ｉのアクセプターとなる第１元素およびＳｉを有するとすることができる。より具体的に
は、第１結晶は、Ａｌ、Ｓｉを含んだ結晶体、Ｓｉを含んだＡｌＮからなる結晶体、Ａｌ
を含んだＳｉＮからなる結晶体、ＳｉＡｌＮからなる結晶体などを有するとすることがで
きる。
また、第１の実施の形態においては、第２結晶がＳｉを含むＧａＮからなるとしたが、
第２結晶は、少なくともＧａを含む窒化物であればよく、Ｇａ以外の元素を含んでいても
よい。結晶性よく成長するには、Ｓｉを含むＧａＮが最も好ましい。
以上の第１の実施の形態に係る半導体構造体によれば、上記した第１結晶を含む第１結
晶領域２と第２結晶を含む第２結晶領域３とがＳｉ基板１の表面に分布することとなり、
結晶性のよい窒化物半導体層をＳｉ基板１の上に形成することができる。
第１の実施の形態では、Ｓｉ基板の表面に第１結晶を層状に有し、その上に第２結晶を
有するものであるが、この第１結晶の膜厚としては、０．２５ｎｍ以上（１原子層以上）
、１０ｎｍ以下とする。０．２５ｎｍ以上とすることで、バッファ層として、結晶性のよ
い窒化物半導体および複数の窒化物半導体層を成長できる点で好ましく、また１０ｎｍ以
下とすることでも同様に結晶性のよい窒化物半導体および複数の窒化物半導体層が成長で
きる点で好ましい。詳しくは、１０ｎｍ以下とすることで、第１結晶が、均一な膜となり
にくく、１０ｎｍよりも薄い領域ができる傾向にある。このように膜厚の厚い領域と薄い
領域が混在することで、結晶性のよい窒化物半導体および複数の窒化物半導体層が成長で
きるものと考えられる。つまり、第１結晶の層のうち、膜厚の厚い領域が第１結晶領域２
となり、膜厚の薄い領域がその上に形成される第２結晶が成長された、第２結晶領域３と
なり、本発明の作用、効果を奏することができると考えられる。
なお、図３の（ａ）に示すように、第２結晶が、結晶方位が（１１１）の部分と結晶方
位が（０００１）の部分とを有するものとすれば、Ｓｉ基板１の上の窒化物半導体層をよ
り結晶性よく形成することができる。もっとも、本発明は、第１結晶領域と第２結晶領域
の結晶方位を何ら限定するものではない。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体構造体を示す図である。
図２に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る半導体構造体は、Ｓｉ基板１の上
に、ＡｌとＳｉが第１結晶として島状に形成され、第１結晶領域２をなすとともに、Ｇａ
Ｎが第２結晶として、島状の第１結晶領域２を囲むようにして形成され、第２結晶領域３
をなしている。この第２の実施の形態によれば、Ｓｉ基板１の上に、第１結晶領域２と第
２結晶領域３とが隣接して共存することになるため、Ｓｉ基板１の上にある膜が、キャリ
アの注入・移動に適した結晶構造となり、Ｓｉ基板１の上に窒化物半導体層を好適に形成
できる。
なお、図３の（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面から形成された部分の第２結晶の
結晶方位を（１１１）とし、第１結晶領域の表面から形成された部分の第２結晶の結晶方
位を（０００１）とすれば、Ｓｉ基板１の上に結晶性のよい窒化物半導体層を形成するこ
とができる。もっとも、本発明は、第１結晶と第２結晶との結晶領域と何ら限定するもの
ではない。
また、図２に示すように、第２の実施の形態においては、第１結晶が第２結晶に覆われ
ているが、このようにすれば、Ｓｉ基板１の上に形成する窒化物半導体層の結晶性をより
向上させることができる。
なお、第２の実施の形態においては、第１結晶がＡｌとＳｉとを含む第１結晶からなる
としたが、第１結晶は、Ｓｉのアクセプターとなる第１元素とＳｉを含んでいればよく、
アクセプターとなる元素としては、たとえばＢ（ホウ素）が挙げられる。しかしながら、
結晶性のよい窒化物半導体層を得るにはＡｌが最も好ましい。また、第１結晶には、Ｓｉ
のアクセプターとなる第１元素以外の元素が含まれていてもよい。また、第１結晶は、Ｓ
ｉのアクセプターとなる第１元素およびＳｉを有するとすることができる。より具体的に
は、第１結晶は、Ａｌ、Ｓｉを含んだ結晶体、Ｓｉを含んだＡｌＮからなる結晶体、Ａｌ
を含んだＳｉＮからなる結晶体、ＳｉＡｌＮからなる結晶体などを有するとすることがで
きる。
また、第２の実施の形態においては、第２結晶がＳｉを含むＧａＮからなるとしたが、
第２結晶は、少なくともＧａを含む窒化物であればよく、Ｇａ以外の元素を含んでいても
よい。結晶性よく成長するには、Ｓｉを含むＧａＮが最も好ましい。
以上の第２の実施の形態に係る半導体構造体によれば、上記した第１結晶を含む第１結
晶領域２と第２結晶を含む第２結晶領域３とがＳｉ基板１の表面に分布することとなり、
結晶性のよい窒化物半導体層をＳｉ基板１の上に形成することができる。
なお、第２の実施の形態においては、Ｓｉ基板の表面において、第１結晶を島状に有し
、第２結晶を第１結晶を囲むように有しているが、本発明においては、第１結晶を逆島状
（島状の開口部を有する層状）に有し、第２結晶を島状（開口部）となる領域に有するこ
ともできる。
なお、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の場合と同様に、Ｓｉ基板表面
から島状の第１結晶のもっとも高い位置までの高さが０．２５ｎｍ以上（１原子層以上）
１０ｎｍ以下であるのが好ましい。

なお、上記した第１の実施の形態および第２の実施の形態は、Ｓｉ基板１の導電型を特
に限定するものではないが、Ｓｉ基板１の少なくとも表面の導電型をｐ型とすれば、Ｓｉ
基板１と窒化物半導体層との間でキャリアの注入をより良好に行うことができ、ｎ型のＳ
ｉ基板よりも効率よく窒化物半導体層にキャリアが注入される。この理由は明らかではな
いが、これを仮説として述べると次のようになる。Ｓｉ基板における能動領域の導電型を
ｐ型とすれば、Ｓｉ基板の能動領域におけるフェルミ準位が価電子帯に近づき、さらに高
濃度ドーピングすることにより、全部または一部が縮退してフェルミ準位が価電子帯中に
存在することとなる。また、窒化物半導体層における能動領域に多くの電子が存在すると
、窒化物半導体層の能動領域におけるフェルミ準位が伝導帯に近づき、さらに高濃度ドー
ピングすることにより、縮退してフェルミ準位が伝導帯中に存在することとなる。このよ
うな状態で、窒化物系半導体素子に順方向電圧（Ｖｆ）をかけると、Ｓｉ／窒化物半導体
層接合面には逆バイアスがかかるため、Ｓｉ基板の能動領域における価電子帯が窒化物半
導体層の能動領域における伝導帯よりも高くなり、かつ接合部に形成されていた空乏層が
せまくなる。これによりＳｉ基板の価電子帯における多数の電子が狭い空乏層をトンネル
して窒化物半導体層の伝導帯に注入されると考えられる。このため、ｎ型のＳｉ基板より
も効率よく窒化物半導体層にキャリアが注入されるようになったものと考えられる。

次ぎに、上記した第１の実施の形態および第２の実施の形態に係る半導体構造体の形成
方法について説明する。
まず、Ｓｉ基板１の上に、Ａｌまたはその原料と、Ｓｉまたはその原料とを導入して、
Ｓｉ基板の上に結晶（第１結晶）を形成する（第１工程）。この結晶（第１結晶）を層状
に形成すれば、第１の実施の形態に係る半導体構造体を製造することができ、この結晶（
第１結晶）を島状に形成すれば、第２の実施の形態に係る半導体構造体を形成することが
できる。このようにすれば、Ｓｉ基板１の上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上
させることができる。
次ぎに、層状に形成された結晶（第１結晶）の上に、または、島状に形成された結晶（
第１結晶）を覆うように、ＧａＮ系窒化物半導体の結晶（第２結晶）を形成する（第２工
程）。なお、第１結晶は、島状ではなく、上記した逆島状としてもよい。この場合は、第
１結晶が、島を逆さまにしたような窪みを有する層状に形成され、第２結晶が、この窪み
から形成されていくこととなる。
なお、ＧａＮ系窒化物半導体の結晶（第２結晶）と第１結晶との間において、ＧａＮ系
窒化物半導体の結晶が、Ａｌを含むＧａＮ系窒化物半導体である場合を含むが、この場合
、第１結晶領域の方が第２結晶領域よりもＡｌ濃度が高いことが、窒化物半導体層の結晶
性をより向上させることができ好ましい。
また、第１の実施の形態および第２の実施の形態にかかる窒化物半導体結晶の形成方法
、半導体構造体の形成方法について、従来よりも結晶性のよい窒化物半導体が得られた理
由は次のようにも考えられる。
本発明では、第１の工程で、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎを、Ｓｉ基板表面に導入するが、そのとき
、Ｓｉ基板の表面に活性化されたＳｉ原子が吸着する。このとき、Ｓｉ基板表面のＳｉの
結合手が１本に対し、活性化されたＳｉ原子の結合手は３本存在するので、そのＳｉ原子
がＡｌあるいはＮをより強く吸着するようになり、Ａｌを含む窒化物の結晶核を形成しや
すくなる。そして、第２の工程で、Ｓｉを含むＧａＮ系窒化物半導体層、好ましくはＳｉ
を含むＧａＮ層を成長すると、前記結晶核をもとに結晶成長がおこる。またＧａＮ層に含
まれるＳｉ原子によって、前記結晶核の表面における原子の吸着が強くなり、結晶成長が
促進される。これにより結晶の結合の強い、結晶性の高い窒化物半導体層が成長されるも
のと考えられる。
上記した第１の実施の形態および第２の実施の形態に係る半導体構造体の形成方法につ
いて、Ａｌもしくはその原料としては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）やＴＥＡ（ト
リエチルアルミニウム）などが挙げられ、Ｓｉもしくはその原料としては、シラン系のガ
ス（モノシラン）やＴＥＳ（テトラエチルシラン）などが挙げられ、Ｎもしくはその原料
としては、アンモニアなどヒドラジン系のガスが挙げられる。
以上のようにして、第１の実施の形態に係る半導体構造体、第２の実施の形態に係る半
導体構造体は、形成することができる。もっとも、本発明が、第１の実施の形態に係る半
導体構造体、第２の実施の形態に係る半導体構造体の形成方法を限定するものでないこと
はいうまでもない。

図４は、本発明の実施の形態に係る半導体構造体を用いて作製した半導体素子の一例を
示す図である。
図４に示すように、この一例である半導体素子は、Ｓｉ基板１と、バッファ層４と、窒
化物半導体層５と、ｐ電極６と、ｎ電極７と、を備えている。以下では、図４を参照しつ
つ、かかる半導体素子をより詳細に説明する。

〔Ｓｉ基板１〕
Ｓｉ基板１は、その能動領域がｐ型または多数キャリアがホールである。
本発明は、Ｓｉ基板１の能動領域におけるホール濃度を限定するものではないが、この
ホール濃度は、略１×１０^１８ｃｍ^−３以上略１×１０^２１ｃｍ^−３以下とするのが好ま
しく、略１×１０^１９ｃｍ^−３以上略２×１０^２０ｃｍ^−３以下とすればより好ましい。
また、本発明は、Ｓｉ基板１の能動領域におけるｐ型不純物（ホウ素やアルミニウムな
ど）の濃度を限定するものではないが、このｐ型不純物（ホウ素やアルミニウムなど）の
濃度は、略１×１０^１８ｃｍ^−３以上略１×１０^２２ｃｍ^−３以下とするのが好ましく、
略１×１０^１９ｃｍ^−３以上略２×１０^２１ｃｍ^−３以下とすればより好ましい。このよ
うにすれば、基板にＳｉを用いる半導体素子において、窒化物半導体層５へのキャリアの
注入・移動を改善することができる。
また、本発明は、Ｓｉ基板１の能動領域における抵抗率を限定するものではないが、こ
の抵抗率は、略０．０５Ωｃｍ以下とするのが好ましく、略０．０２Ωｃｍ以下とすれば
より好ましい。このようにすれば、半導体素子において、より小さな電圧でより大きな電
流を流すことが可能となり、窒化物半導体層５へのキャリアの注入・移動を改善すること
ができる。
なお、本発明においては、Ｓｉ基板１の全体を能動領域としてもよいし、Ｓｉ基板１の
一部を能動領域としてもよい。また、上記したホール濃度、ｐ型不純物濃度、抵抗率は、
Ｓｉ基板１における能動領域の少なくとも一部が上記した値をとっていればよく、Ｓｉ基
板１における能動領域の全部が上記した値をとっている必要はない。したがって、本発明
においては、次の（１）〜（４）のすべての場合が含まれる。
（１）Ｓｉ基板１の全部が能動領域であって、この能動領域の全部が上記したホール濃度
、ｐ型不純物濃度、抵抗率となっている場合。
（２）Ｓｉ基板１の全部が能動領域であって、この能動領域の一部が上記したホール濃度
、ｐ型不純物濃度、抵抗率となっている場合。
（３）Ｓｉ基板１の一部が能動領域であって、この能動領域の全部が上記したホール濃度
、ｐ型不純物濃度、抵抗率となっている場合。
（４）Ｓｉ基板１の一部が能動領域であって、この能動領域の一部が上記したホール濃度
、ｐ型不純物濃度、抵抗率となっている場合。
もっとも、上記の説明は、本発明の理解を容易にするため、本発明の効果がもっともよ
く奏される条件を列挙したものであり、ｐ型不純物の種類・濃度やホール濃度や抵抗率が
上記と異なっていても、本発明に含まれ、本発明の効果を得ることができる。なお、上記
では、ｐ型不純物の種類・濃度やホール濃度や抵抗率がとる数値を「略数値」としたが、
これは、ｐ型不純物の種類・濃度やホール濃度や抵抗率が厳密に上記した数値をとる場合
はもちろんのこと、厳密には上記した数値をとらない場合をも含む意味である。
本発明における能動領域とは、窒化物系半導体素子の基本構造を決定する領域であり、
素子において正電極と負電極との間に電圧を印加したときに電流が通過する領域のことを
いう。
なお、上記したように、本発明は、Ｓｉ基板１の導電型を特に限定するものではなく、
Ｓｉ基板１の導電型は、上記とは異なり、ｎ型とすることも可能である。
なお、本発明は、不純物濃度の測定方法を限定するものでないが、不純物濃度は、たと
えば二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定することができる。

〔窒化物半導体層５〕
本実施の形態に係る半導体素子は、上記のＳｉ基板１の上に本発明のバッファ層４を備
え、その上に窒化物半導体層５を備えている。この窒化物半導体層５は、Ｓｉ基板１の側
から、ｎ型窒化物半導体層５−１、活性層５−２、ｐ型窒化物半導体層５−３を有してい
る。
（ｎ型窒化物半導体層５−１）
ｎ型窒化物半導体層５−１は、たとえば、一般式Ｉｎ_ｅＡｌ_ｆＧａ_{１−ｅ−ｆ}Ｎ（０≦
ｅ、０≦ｆ、ｅ＋ｆ≦１）で表される材料で構成できるが、結晶欠陥の少ない窒化物半導
体層５を得るために、ＧａＮ又はｆ値０．２以下のＡｌ_ｆＧａ_１−ｆＮとすることが好ま
しい。また、ｎ型窒化物半導体層５−１の膜厚は、クラックの発生を防止しつつ、抵抗値
を低くし半導体素子の順方向電圧（Ｖｆ）を低くするために、好ましくは０．１μｍ以上
５μｍ以下とすることで、Ｖｆの低い窒化物半導体素子を得ることができる。また０．３
μｍ以上１μｍ以下とすることがさらに好ましく、０．３μｍ以上とすることで、結晶性
のよい窒化物半導体素子構造（少なくともｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層）が
得られ、また１μｍ以下とすることで窒化物半導体素子構造にクラックが発生しにくくな
り、歩留まりが向上する。
本発明は、ｎ型窒化物半導体層５−１の電子濃度を限定するものではないが、ｎ型窒化
物半導体層５−１は、その能動領域における電子濃度が略２×１０^１７ｃｍ^−３〜略１×
１０^２１ｃｍ^−３とするのが好ましく、略２×１０^１８ｃｍ^−３〜略１×１０^２０ｃｍ^−
３とすればより好ましい。また、本発明は、ｎ型窒化物半導体層５−１のｎ型不純物濃度
を限定するものではないが、ｎ型窒化物半導体層５−１は、その能動領域におけるｎ型不
純物濃度が略２×１０^１７ｃｍ^−３〜略１×１０^２２ｃｍ^−３とするのが好ましく、略２
×１０^１８ｃｍ^−３〜略１×１０^２１ｃｍ^−３とすればより好ましい。このようにすれば
、窒化物半導体層５へのキャリアの注入・移動をより改善することができる。またｎ型窒
化物半導体層において、Ｓｉ基板に最も近い側の層、つまりは、第１結晶領域と第２結晶
領域に最も近い側の層は、膜厚は１０ｎｍ以上の層で設けることにより、Ｓｉ基板から電
子が好適にｎ型窒化物半導体層に注入されるようになる。このましくは１０ｎｍ以上３０
０ｎｍ以下の層を設け、さらにその上にｎ側クラッド層などの別の層を設けることが、導
電性および結晶性の点から好ましい。またこのＳｉ基板に最も近い側がｎ型ＧａＮ層であ
ることが好ましく、Ｓｉ基板からｎ型窒化物半導体層に最も好適に電子が注入されるよう
になる。
また、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、活性層を設けるダブルへテ
ロ接合の窒化物半導体素子構造を有する場合には、ｎ側クラッド層として、活性層よりも
バンドギャップエネルギーの大きいｎ型窒化物半導体層を活性層側に有することが好まし
く、機能的に説明するとｐ型窒化物半導体層側からのホールのオーバーフローを防ぎ、活
性層での発光再結合の確率を高める層となる。
さらにまた、複数のｎ型窒化物半導体層を設ける場合、いずれかの位置に、好ましくは
ｎ側クラッド層よりもＳｉ基板側に、ＡｌＮとＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）とを繰
り返し積層した多層膜や、ＡｌＮとＧａＮとを繰り返し積層した多層膜などを設けてもよ
く、この層により、応力を緩和することができ、その上の窒化物半導体層を結晶性よく得
ることができる。
もっとも、上記の説明は、本発明の理解を容易にするため、本発明の効果がもっともよ
く奏される条件を列挙したものであり、ｎ型不純物の種類・濃度や電子濃度が上記と異な
っていても、本発明に含まれ、本発明の効果を得ることができる。なお、上記では、ｎ型
不純物の種類・濃度や電子濃度がとる数値を「略数値」としたが、これは、ｎ型不純物の
種類・濃度や電子濃度が厳密に上記した数値をとる場合はもちろんのこと、厳密には上記
した数値をとらない場合をも含む意味である。
（活性層５−２）
活性層５−２には、単一量子井戸構造や多重量子井戸構造を用いることができ、Ｉｎ及
びＧａを含有する窒化物半導体、好ましくは、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ＜１）で形成
する。多重量子井戸構造を用いる場合には、活性層５−２が障壁層および井戸層を有する
こととなるが、障壁層は例えばアンドープＧａＮとし、井戸層は例えばアンドープＩｎ_{０
．３５}Ｇａ_０．６５Ｎとすることができる。井戸層の膜厚としては１００オングストロー
ム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは５０オングストローム
以下に調整する。井戸層の膜厚の下限は、特に限定されないが、１原子層以上、好ましく
は１０オングストローム以上とする。井戸層が１００オングストロームよりも厚いと、出
力が向上しにくい傾向にある。なお、順方向電圧（Ｖｆ）を下げるために、活性層５−２
の一部にＳｉをドープしてもよい。障壁層の厚さは２０００オングストローム以下、好ま
しくは５００オングストローム以下、より好ましくは３００オングストローム以下に調整
する。障壁層の膜厚の下限は特に限定されないが、１原子層以上、好ましくは１０オング
ストローム以上とする。障壁層の膜厚を上記範囲とすると出力を向上させることができる
。また、活性層５−２全体の膜厚はとくに限定されるものではなく、発光波長等を考慮し
て、障壁層及び井戸層の各積層数や積層順を調整し活性層の総膜厚を設定することができ
る。
（ｐ型窒化物半導体層５−３）
ｐ型窒化物半導体層５−３は、Ｓｉ基板１側から順に、ｐ型クラッド層（図示せず）と
ｐ型コンタクト層（図示せず）とを有している。
ｐ型クラッド層は、多層膜構造（超格子構造）または単一膜構造である。ｐ型クラッド
層を超格子構造とすると、結晶性を良くでき、抵抗率を低くできるので、順方向電圧（Ｖ
ｆ）を低くすることができる。ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ
、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、
Ｃａ等をｐ型不純物とする。また、ｐ型不純物ドープのｐ型クラッド層が、ｐ型不純物を
含むＡｌ_ｔＧａ_１−ｔＮ（０≦ｔ≦１）よりなる単一層からなる場合は、やや発光出力が
低下するが、静電耐圧は超格子の場合とほぼ同等の良好なものにできる。
ｐ型コンタクト層は、一般式Ｉｎ_ｒＡｌ_ｓＧａ_{１−ｒ−ｓ}Ｎ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１
、ｒ＋ｓ＜１）で表される窒化物半導体を用いて形成することができるが、結晶性の良好
な層を形成するために、好ましくは３元混晶の窒化物半導体、より好ましくはＩｎ、Ａｌ
を含まない二元混晶のＧａＮからなる窒化物半導体とする。更にｐ型コンタクト層をＩｎ
、Ａｌを含まない２元混晶とすると、正電極とのオーミック接触をより良好にでき、発光
効率を向上させることができる。ｐ型コンタクト層のｐ型不純物としては、ｐ型クラッド
層と同様の種々のｐ型不純物を用いることができるが、好ましくはＭｇとする。ｐ型コン
タクト層にドープするｐ型不純物をＭｇとすると、ｐ型特性が容易に得られ、またオーミ
ック接触を容易に形成することができる。
なお、上記したように、本発明においては、不純物濃度の測定方法を限定するものでな
いが、不純物濃度は、たとえば二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉ
ｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定することができる。

以上説明した実施の形態に係る半導体素子は、より具体的には、たとえば次のようにし
て製造することができる。
まず、Ｓｉ基板１を反応容器内にセットし、水素を流しながら、Ｓｉ基板１の温度を上
昇させ、Ｓｉ基板のクリーニングを行う。
つぎに、Ｓｉ基板１の上に、ＴＭＡとモノシランとアンモニアとを導入して、第１結晶
体を層状または島状に形成し、さらに、ＴＭＧとモノシランとアンモニアとをＳｉ基板１
の上に導入して、ＳｉドープのＧａＮを形成する。
次に、所定の温度でｎ型窒化物半導体層５−１を形成する。
次に、障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交
互に積層して、多重量子井戸構造よりなる活性層５−２を形成する。
次に、超格子構造の多層膜よりなるｐ型多層膜クラッド層を形成する。
次に、ｐ型コンタクト層を形成する。
次に、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、Ｓｉ基板１を反応容器内においてア
ニーリングを行い、ｐ型窒化物半導体層５−３をさらに低抵抗化する。
次に、最上層にあるｐ型コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉ
とＡｕを含む透光性の正電極６と、その正電極６の上にボンディング用のＡｕよりなるパ
ッド電極（図示せず）を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、Ｓｉ基板１の半導体構造体を有する面と反対の面（裏面）にはＷとＡｌを含む負電極７を形成する。
以上のようにして形成されたＳｉ基板１を研磨してチップ化すれば、実施例１に係る半
導体素子を得ることができる。
このようにして得た半導体素子を、リードフレーム（図示せず）などにマウントしてボ
ンディングした後、封止部材（図示せず）で封止する。ここで、封止部材としては、所望
の波長の光を透過させる透光性樹脂が用いられ、たとえば、エポキシ樹脂やＳｉ樹脂やア
クリル樹脂などが適している。なお、封止部材には、光を拡散させる光拡散材や、半導体
素子からの光によって励起されてその波長よりも長波長の光が発光可能な蛍光物質などを
混入させてもよい。封止部材の形状は、任意に設計することができ、たとえば半円柱状や
直線状などとすることができる。

なお、以上説明した実施の形態は本発明の一例であり、本発明が上記実施の形態に限定
されるものでないことはいうまでもない。本発明は、Ｓｉ基板の上にある第１結晶および
第２結晶以外の構成については、何らの限定も行わない。

本発明は、あらゆる半導体素子に適用できるが、特に、窒化物系半導体素子に適してい
る。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体構造体を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体構造体を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体構造体の一例（ａ）、および、第２の実施の形態に係る半導体構造体の一例（ｂ）を示す図である。 本発明を適用した半導体素子の一例を示す図である。

符号の説明

１・・・Ｓｉ基板、
２・・・第１結晶、
３・・・第２結晶、
４・・・バッファ層、
５・・・窒化物半導体層、
５−１・・・ｎ型窒化物半導体層、
５−２・・・活性層、
５−３・・・ｐ型窒化物半導体層、
６・・・ｐ電極、
７・・・ｎ電極。

Claims (17)

1. 第１結晶領域と第２結晶領域とをＳｉ基板の表面に備えた半導体構造体において、
   前記第１結晶領域は、ＡｌとＳｉとを含む第１結晶を有し、
   前記第２結晶領域は、Ｓｉを含むＧａＮ系半導体を含む第２結晶を有している、
   ことを特徴とする半導体構造体。
2. 第１結晶領域と第２結晶領域とをＳｉ基板の表面に備えた半導体構造体において、
   前記第１結晶領域は、ＡｌおよびＳｉを含み、これらＡｌおよびＳｉの少なくとも一方
   の窒化物を含む第１結晶を有し、
   前記第２結晶領域は、Ｓｉを含むＧａＮ系半導体を含む第２結晶を有している、
   ことを特徴とする半導体構造体。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体構造体において、前記Ｓｉ基板の表面の前記第
   １結晶を層状に有し、前記第１結晶の上に前記第２結晶を有する、ことを特徴とする半導
   体構造体。
4. 前記Ｓｉ基板の表面において、前記第１結晶領域および前記第２結晶領域のうちの一方
   が島状であり、この島状である一方が他方に囲まれている、ことを特徴とする請求項１〜
   請求項３のいずれか１項に記載の半導体構造体。
5. 前記第２結晶領域は、前記Ｓｉ基板の表面から形成された部分と前記第１結晶領域の表
   面から形成された部分とで第２結晶の結晶方位が異なることを特徴とする請求項４に記載
   の半導体構造体。
6. 前記Ｓｉ基板の表面から形成された部分の第２結晶の結晶方位が（１１１）であり、前
   記第１結晶領域の表面から形成された部分の第２結晶の結晶方位が（０００１）である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体構造体。
7. 前記第１結晶領域が前記第２結晶領域に覆われている、ことを特徴とする請求項４〜請
   求項６のいずれか１項に記載の半導体構造体。
8. 前記Ｓｉ基板がｐ型のＳｉである、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１
   項に記載の半導体構造体。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の半導体構造体の上に、複数の窒化物半導体
   層を有することを特徴とする半導体素子。
10. ＧａＮ系窒化物半導体の結晶をＳｉ基板の表面に形成する窒化物半導体結晶の形成方法
    において、
    前記Ｓｉ基板の上に、Ａｌまたはその原料と、Ｓｉまたはその原料と、を導入して、前
    記Ｓｉ基板の上に第１結晶を形成する第１工程と、
    前記第１工程の後に、Ｓｉを含むＧａＮ系窒化物半導体を含む第２結晶を形成する第２
    工程と、
    を具備することを特徴とする窒化物半導体結晶の形成方法。
11. ＧａＮ系窒化物半導体の結晶をＳｉ基板の上に形成する窒化物半導体結晶の形成方法に
    おいて、
    前記Ｓｉ基板の表面に、Ａｌまたはその原料と、Ｓｉまたはその原料と、Ｎまたはその
    原料を導入して、前記Ｓｉ基板の上に第１結晶を形成する第１工程と、
    前記第１工程の後に、前記ＧａＮ系窒化物半導体を含む第２結晶を形成する第２工程と
    、
    を具備することを特徴とする窒化物半導体結晶の形成方法。
12. 前記第１結晶は、前記Ｓｉ基板の表面において層状に形成される、ことを特徴とする請
    求項１０または請求項１１に記載の窒化物半導体結晶の形成方法。
13. 前記第１結晶を含む第１結晶領域または前記第２結晶を含む第２結晶領域は、前記Ｓｉ
    基板の上に島状に形成される、ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の窒
    化物半導体結晶の形成方法。
14. 前記第２工程は、前記島状に形成された一方の結晶を他方の結晶が覆うように、他方の
    結晶を形成する、ことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体結晶の形成方法。
15. 前記Ｓｉ基板がｐ型のＳｉである、ことを特徴とする請求項１０〜請求項１４のいずれ
    か１項に記載の窒化物半導体結晶の形成方法。
16. ＧａＮ系窒化物半導体の結晶をＳｉ基板の表面に形成する窒化物半導体結晶の形成方法
    において、
    前記Ｓｉ基板の上に、Ａｌまたはその原料と、Ｓｉまたはその原料と、Ｎまたはその原
    料を導入して、Ｓｉ基板表面にＳｉ原子を、さらに前記Ｓｉ原子にＡｌを含む窒化物を成
    長する第１の工程と、第１の工程後、Ｓｉ原子を含むＧａＮ系窒化物半導体層を成長する
    第２の工程と、を具備することを特徴とする窒化物半導体結晶の形成方法。
17. 前記第２の工程のＧａＮ系窒化物半導体層は、ＧａＮ層であることを特徴とする請求項
    １６に記載の窒化物半導体結晶の形成方法。