JP2007081260A

JP2007081260A - 半導体素子

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Publication number: JP2007081260A
Application number: JP2005269516A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP5005900B2

Abstract

【課題】燐化硼素系半導体層を双晶や積層欠陥等の結晶欠陥の密度の小さな結晶性に優れたものすることができ、この燐化硼素系半導体層を利用して、素子としての諸特性を向上させることができるようにする。
【解決手段】本発明は、単結晶材料層１０１と、その単結晶材料層１０１の表面上に形成された燐化硼素系半導体層１０２とを備えてなる半導体素子１０において、単結晶材料層１０１は六方晶からなり、その｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上に、六方晶からなる上記燐化硼素系半導体層１０２を設けるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、単結晶材料層と、その単結晶材料層の表面上に形成された燐化硼素系半導体層とを備えてなる半導体素子に関する。

従来から、燐化硼素系半導体層は、例えば、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型の燐化ガリウム（ＧａＰ）或いは炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶からなる基板上に形成されている（下記の特許文献１参照）。これらの基板と、その上に形成された燐化硼素系半導体層と、それに接合させて設けたIII族窒化物半導体層とを備えた積層構造体から、例えば、化合物半導体ＬＥＤが構成されている（下記の特許文献２参照）。また、珪素単結晶（シリコン）を基板として、単量体の燐化硼素（ＢＰ）などの燐化硼素系半導体層が形成されている（下記の特許文献３参照）。また、シリコン基板と、単量体のＢＰ層と、その上に設けたIII族窒化物半導体層とを備えた積層構造体からＬＥＤを構成する技術が開示されている（下記の特許文献４参照）。
特開平２−２８８３８８号公報特開平２−２７５６８２号公報米国特許第６１９４７４４Ｂ１号米国特許第６０６９０２１号

しかしながら、例えば、シリコンを基板として、その（１１１）結晶面からなる表面上に燐化硼素系半導体層を成長させても、双晶や積層欠陥を多量に含む成長層が得られるのみである（下記の非特許文献１参照）。また、例えば、六方晶６Ｈ型ＳｉＣを基板として、その（０．０．０．１．）結晶面上に単量体のＢＰ層を成長させても、双晶などの結晶欠陥を多量に含む成長層が得られるのみである（下記の非特許文献２参照）。この様な結晶欠陥を多量に含む燐化硼素系半導体層を備えた積層構造体を利用しても、例えば、逆方向電圧が高く、また、光電変換効率も高いＬＥＤを安定して作製できない問題がある。
T. Udagawa and G. Shimaoka, J. Ceramic Processing Res.,（大韓民国）, 第4巻、第2号、2003年,80-83頁. T. Udagawa他、Appl. Surf. Sci.,（アメリカ合衆国）,第244巻、2004年,285-288頁.

本発明は、上記従来技術の問題点を克服すべくなされたもので、燐化硼素系半導体層を双晶や積層欠陥等の結晶欠陥の密度の小さな結晶性に優れたものすることができ、この燐化硼素系半導体層を利用して、素子としての諸特性を向上させることができる半導体素子を提供することを目的とする。

１）上記目的を達成するために、第１の発明は、単結晶材料層と、その単結晶材料層の表面上に形成された燐化硼素系半導体層とを備えてなる半導体素子において、上記単結晶材料層は六方晶からなり、その｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上に、六方晶からなる上記燐化硼素系半導体層が設けられているものである。

２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成において、上記燐化硼素系半導体層は、上記単結晶材料層の＜１．−１．０．０．＞方向に平行に＜１．―１．０．０．＞方向が配向した、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とする結晶から構成されているものである。

３）第３の発明は、上記した１）項または２）項に記載の発明の構成において、上記単結晶材料層をサファイア（α−アルミナ単結晶）で構成するものである。

４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れか１項に記載の発明の構成において、上記燐化硼素系半導体層は、単量体の燐化硼素（ＢＰ）から構成されているものである。

５）第５の発明は、上記した１）項から４）項の何れか１項に記載の発明の構成において、上記燐化硼素系半導体層上に六方晶のIII族窒化物半導体層を設けるものである。

本発明の第１の発明によれば、単結晶材料層と、その単結晶材料層の表面上に形成された燐化硼素系半導体層とを備えてなる半導体素子において、上記単結晶材料層は六方晶からなりその｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上に、六方晶からなる上記燐化硼素系半導体層を設けることとしたので、双晶や積層欠陥等の結晶欠陥の密度の小さな結晶性に優れる燐化硼素系半導体層を形成できる。従って、結晶性に優れる燐化硼素系半導体層を利用して、高性能な半導体素子を提供できる。

本発明の第２の発明によれば、六方晶の燐化硼素系半導体層を、六方晶の単結晶材料層の＜１．−１．０．０．＞方向に、＜１．―１．０．０．＞方向を平行にして配向した、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とする結晶から構成することとしたので、特に、双晶等の結晶欠陥密度の小さな結晶性に優れる六方晶の燐化硼素系半導体層を安定して得ることができる。従って、この様な結晶性に優れる六方晶の燐化硼素系半導体層を利用して、高性能な半導体素子を安定して提供できる。

本発明の第３の発明によれば、六方晶の単結晶材料層を、サファイア（α−アルミナ単結晶）で構成しそのサファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上に、六方晶の燐化硼素系半導体層を設けることとしたので、サファイアの＜１．−１．０．０．＞方向に、＜１．―１．０．０．＞方向を平行にして配向し、且つ、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とする六方晶の燐化硼素系半導体層を安定して形成するのに効果を上げられる。

本発明の第４の発明によれば、六方晶の燐化硼素系半導体層を、単量体の燐化硼素（ＢＰ）から構成することとしたので、六方晶の燐化硼素系半導体層を安定して形成することができる。

また本発明の第５の発明によれば、燐化硼素系半導体層上に六方晶のIII族窒化物半導体層を設けたので、良好な格子マッチングに起因して、六方晶のIII族窒化物半導体層を結晶性に優れた層として形成することができ、高輝度でしかも逆方向電圧等の電気的特性に優れる化合物半導体発光素子を提供できる。またその六方晶のIII族窒化物半導体層を電子走行層（チャネル層）として利用すれば、ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を構成でき、高い電子移動度を発現できるため、高周波特性に優れるＦＥＴを得ることができる。

本発明は、単結晶材料層と、その単結晶材料層の表面上に形成された燐化硼素系半導体層とを備えてなる半導体素子において、単結晶材料層を六方晶で構成しその｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上に、六方晶からなる燐化硼素系半導体層を設けている。

上記の燐化硼素系半導体層は、硼素（元素記号：Ｂ）と燐（元素記号：Ｐ）とを必須の構成元素として含むIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる結晶層である。また六方晶の単結晶材料層としては、サファイア（α―Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）、ウルツ鉱結晶型（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）のＡｌＮ等のIII族窒化物半導体単結晶、酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶、２Ｈ型（ウルツ鉱結晶型）または４Ｈ型或いは６Ｈ型の炭化珪素（ＳｉＣ）などのバルク（ｂｕｌｋ）単結晶を例示できる。中でも、本発明に係る六方晶の燐化硼素系半導体層を形成するためには、サファイア（α−アルミナ単結晶）基板が最も好適に利用できる。

燐化硼素系半導体層を設ける表面は、｛１．１．−２．０．｝結晶面から構成するのが好適である。特に、サファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面、即ち、Ａ面と通称される表面上に設けるのが好適である。サファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面（Ａ面）を用いることにより、通例の閃亜鉛鉱結晶型（ｚｉｎｃ−ｂｌｅｎｄｅ）ではなく、六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）の燐化硼素系半導体層を安定して得ることができる。これは、サファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面等の無極性の結晶面における結晶を構成する原子が、共有結合性の高い六方晶の燐化硼素系半導体層をもたらすのに好都合に配列しているためと考察される。

サファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面は、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法、ベルヌーイ（Ｖｅｒｎｅｕｉｌ）法やＥＦＧ（ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄｆｉｌｍ−ｆｅｄｇｒｏｗｔｈ）法等（ＢＲＡＩＡＮＲ．ＰＡＭＰＬＩＮｅｄｉ．，“ＣＲＹＳＴＡＬＧＲＯＷＴＨ”，１９７５，ＰｅｒｇａｍｏｎＰｒｅｓｓＬｔｄ．，参照）で育成されたバルク（ｂｕｌｋ）単結晶のＡ面であってもよいし、また、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）法や、スパッタリング法等の物理的手段で成長させたアルミナ単結晶膜のＡ面であっても構わない。

六方晶の燐化硼素系半導体層は、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、有機金属化学堆積（ＭＯＣＶＤ）法等の気相成長手段により形成できる。例えば、トリエチル硼素（分子式（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）を硼素（Ｂ）源とし、トリエチル燐（分子式（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｐ）を燐（Ｐ）源とするＭＯＣＶＤ法により形成できる。また、三塩化硼素（分子式ＢＣｌ₃）を硼素源とし、三塩化燐（分子式ＰＣｌ₃）を燐源とするハロゲンＣＶＤ法により形成できる。硼素源と燐源との組み合わせに拘らず、六方晶の燐化硼素系半導体層を形成するには、成長温度を７００℃以上で１２００℃以下とするのが望ましい。これらの成長手段によれば、六方晶の単結晶材料層の｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上には、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とする六方晶の燐化硼素系半導体層を形成できる。

六方晶の燐化硼素系半導体層を、例えば、サファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上に形成するのに際し、その表面に最初に燐源を供給し始め、その後、硼素等のIII族元素の原料を供給すると、特定の結晶方位に画一的に配向した六方晶の燐化硼素系半導体層を形成できる。例えば、サファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面に、ホスフィン（分子式ＰＨ₃）をトリエチル硼素（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）より時間的に先に供給してＭＯＣＶＤ法により燐化硼素系半導体層の形成を開始することとすると、サファイアの＜１．−１．０．０．＞方向に、＜１．−１．０．０．＞方向を平行とする六方晶の燐化硼素系半導体層を得ることができる。形成された燐化硼素系半導体層が六方晶の結晶層であるか否かの調査、また六方晶の単結晶材料層の表面についての六方晶の燐化硼素系半導体層の配向関係の調査は、例えば、電子回折またはＸ線回折などの分析手段で行うことができる。

表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とし、且つ、＜１．−１．０．０．＞方向を、六方晶の単結晶材料層の＜１．−１．０．０．＞方向と平行とする六方晶の燐化硼素系半導体層は、例えば、サファイアの｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上にあって、格子の整合性に優れる方向に配向しているため、双晶や積層欠陥等の結晶欠陥が少ないのが特徴である。特に、六方晶の燐化硼素系半導体層を、上記の表面と配向関係を有する単量体の燐化硼素（ＢＰ）層から構成すると、六方晶の単結晶材料層との接合界面から約５０ｎｍから１００ｎｍを越えた領域において、殆ど双晶を含まない六方晶の燐化硼素系半導体層を得ることができる。双晶の密度が低減されたため、双晶に起因する粒界の密度が少なくなっている様は、透過型電子顕微鏡（英略称：ＴＥＭ）を利用した一般的な断面ＴＥＭ技法により観察できる。

結晶性に優れる六方晶の燐化硼素系半導体層、例えば、六方晶の単量体のＢＰ層からなる半導体層は、その上に、結晶性に優れる例えば、III族窒化物半導体層を形成するための下地として利用できる。六方晶の燐化硼素系半導体層に接合させて設けるIII族窒化物半導体層として好適なのは、例えば、ウルツ鉱結晶型のＧａＮ、ＡｌＮ、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及びこれらの混晶である窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）である。また、窒素（元素記号：Ｎ）と窒素以外の燐（元素記号：Ｐ）や砒素（元素記号：Ａｓ）等の第Ｖ族元素を含む、例えば、ウルツ鉱結晶型の窒化燐化ガリウム（組成式ＧａＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｙ＜１）などである。

六方晶の単量体ＢＰ層は、そのａ軸に近似する格子定数を有するIII族窒化物半導体層を形成するための下地として特に、有用である。例えば、六方晶の単量体のＢＰのａ軸は約０．３１９ナノメーター（ｎｍ）であり、六方晶のＧａＮのａ軸と一致する。このため、六方晶の単量体のＢＰ層上には、良好な格子マッチングに起因して、結晶性に優れるＧａＮ層を形成できる。結晶性に優れるIII族窒化物半導体層を利用すれば、高い強度の発光をもたらすｐｎ接合型ヘテロ構造を構成できる。例えば、ＧａＮ層をクラッド（ｃｌａｄ）層とし、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ（０＜Ｘ＜１）層を発光層とするＬＥＤ用途のヘテロ接合型発光部を構成できる。結晶性に優れるIII族化合物半導体層から構成した発光部を利用すれば、高輝度でしかも逆方向電圧等の電気的特性に優れる化合物半導体発光素子を提供できる。

また、化合物半導体発光素子に限らず、結晶欠陥密度が低減された、結晶性に優れる六方晶のIII族窒化物半導体層を、電子走行層（チャネル層）として利用すれば、ショットキー接合型ＦＥＴを構成できる。チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層は、例えば、不純物を故意に添加していないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）でｎ形のＧａＮ層から構成できる。結晶欠陥密度が低減された六方晶のIII族窒化物半導体層は、高い電子移動度を発現できるため、高周波特性に優れるＦＥＴを得るのに好都合である。

（実施例１）サファイアのバルク結晶の（１．１．−２．０．）結晶面からなる表面上に、接合させて設けた六方晶の単量体のＢＰ層を利用してＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。

図１に本実施例１に係るＬＥＤ１０の平面構成を模式的に示す。また、図２には、図１に示した破線Ａ−Ａ’に沿ったＬＥＤ１０の断面模式図を示す。

ＬＥＤ１０を作製するための積層構造体１００は、（１．１．−２．０．）結晶面（通称Ａ面）を表面とするサファイア（α−アルミナ単結晶）を基板１０１として形成した。基板１０１の（１．１．−２．０．）結晶面の表面には、一般的なＭＯＣＶＤ法を利用して、層厚を約２９０ｎｍとする、アンドープでｎ形の六方晶の単量体ＢＰ層を六方晶の燐化硼素系半導体層１０２として形成した。

一般的なＴＥＭ分析により、六方晶の燐化硼素系半導体層１０２をなす、六方晶の単量体ＢＰ層の表面は、（１．１．−２．０．）結晶面であるのが示された。また、電子回折パターンから、サファイア基板１０１の＜１．−１．０．０．＞方向と、六方晶の単量体ＢＰ層１０２の＜１．−１．０．０．＞方向とは平行に配向しているのが示された。更に、断面ＴＥＭ技法による観察では、六方晶の単量体ＢＰ１０２層の内部には、双晶の存在は殆ど認められなかった。また、サファイア基板１０１との接合界面から約５０ｎｍを超えてより上方の六方晶の単量体ＢＰ層の内部の領域には、格子配列上の乱雑さも殆ど確認できなかった。

六方晶の燐化硼素系半導体層１０２をなす、六方晶の単量体ＢＰ層の（１．１．−２．０．）結晶面からなる表面上には、ウルツ鉱結晶型で六方晶のｎ形のＧａＮ層（層厚＝２１００ｎｍ）１０３を成長させた。一般的なＴＥＭを利用した分析によれば、六方晶の燐化硼素系半導体層１０２をなす、六方晶の単量体ＢＰ層との接合界面近傍の六方晶のＧａＮ層１０３の内部領域には、双晶や積層欠陥は殆ど認められなかった。

六方晶のｎ形ＧａＮ層１０３の（１．１．−２．０．）表面上には、六方晶のｎ形のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる下部クラッド層（層厚＝１５０ｎｍ）１０４、Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ井戸層／Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層を１周期としその５周期からなる多重量子井戸構造の発光層１０５、及び層厚を５０ｎｍとするｐ形Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる上部クラッド層１０６をこの順序で積層し、ｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を構成した。上記の上部クラッド層１０６の表面上には、更に、ｐ形のＧａＮ層（層厚＝８０ｎｍ）をコンタクト層１０７として堆積し、積層構造体１００の形成を終了した。

上記のｐ形コンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層１０７の一部の領域には、金（元素記号：Ａｕ）・酸化ニッケル（ＮｉＯ）合金からなるｐ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０８を形成した。一方のｎ形オーミック電極１０９は、その電極１０９を設ける領域に在る下部クラッド層１０４や発光層１０５等の層をドライエッチング手段で除去した後、露出させたｎ形ＧａＮ層１０３の表面に形成した。これより、ＬＥＤ１０を構成した。

このＬＥＤ１０のｐ形及びｎ形オーミック電極１０８、１０９間に、順方向に、２０ｍＡの素子駆動電流を通流して、発光特性を調査した。ＬＥＤ１０から出射される主たる発光の波長は約４６０ｎｍであった。チップ（ｃｈｉｐ）状態での発光輝度は約１．６カンデラ（ｃｄ）であった。また、ｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を構成するIII族窒化物半導体層１０４〜１０６やｎ形オーミック電極１０９を設けたｎ形ＧａＮ層１０３を、六方晶のＢＰ層上に設けることにより、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層から構成できたため、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は、１５Ｖを超える高値となった。更に、III族窒化物半導体層の結晶性の良好さにより、局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌｂｒｅａｋｄｏｗｎ）も殆ど認められなかった。

実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿ったＬＥＤの断面模式図である。

符号の説明

１０化合物半導体ＬＥＤ
１００ＬＥＤ用途積層構造体
１０１サファイア基板（六方晶単結晶材料層）
１０２六方晶燐化硼素系半導体層（六方晶単量体ＢＰ層）
１０３六方晶III族窒化物半導体層（ＧａＮ層）
１０４下部クラッド層
１０５発光層
１０６上部クラッド層
１０７コンタクト層
１０８ｐ形オーミック電極
１０９ｎ形オーミック電極

Claims

単結晶材料層と、その単結晶材料層の表面上に形成された燐化硼素系半導体層とを備えてなる半導体素子において、
上記単結晶材料層は六方晶からなり、その｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上に、六方晶からなる上記燐化硼素系半導体層が設けられている、
ことを特徴とする半導体素子。
上記燐化硼素系半導体層は、上記単結晶材料層の＜１．−１．０．０．＞方向に平行に＜１．―１．０．０．＞方向が配向した、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とする結晶から構成されている、請求項１に記載の半導体素子。
上記単結晶材料層はサファイア（α−アルミナ単結晶）からなる層である、請求項１または２に記載の半導体素子。
上記燐化硼素系半導体層は、単量体の燐化硼素（ＢＰ）から構成されている、請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体素子。
上記燐化硼素系半導体層上に六方晶のIII族窒化物半導体層が設けられている、請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体素子。