JP2007123497A

JP2007123497A - 化合物半導体素子および化合物半導体素子製造方法

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Publication number: JP2007123497A
Application number: JP2005312758A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-17
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Abstract

【課題】反位相粒界の少ない良質な燐化硼素系半導体材料やIII族窒化物半導体材料からなる薄膜層を利用して、光学的特性及び電気的特性に優れた化合物半導体素子をもたらすことができるようにする。
【解決手段】本発明は、単結晶材料２０２の表面上に形成された燐化硼素系半導体層２０３と、その燐化硼素系半導体層２０３上に形成された化合物半導体層２０４と、を備えてなる化合物半導体素子２０において、燐化硼素系半導体層２０３を、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体から構成したものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層と、を備えてなる化合物半導体素子および化合物半導体素子製造方法に関する。

従来から、III族元素と、Ｖ族元素としての窒素（元素記号：Ｎ）を含む窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物半導体材料は、短波長の可視発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）を構成するのに利用されている（下記の特許文献１参照）。また、単量体の燐化硼素（ＢＰ）などの閃亜鉛鉱結晶型の立方晶の燐化硼素系半導体材料を利用してＬＥＤなどの半導体発光素子を形成する技術も知られている（下記の特許文献２参照）。また更には、立方晶の単量体の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などの半導体発光素子を構成する技術も開示されている（下記の特許文献３参照）。
特公昭５５−３８３４号公報米国特許第６０６９０２１号特開平２−２８８３８８号公報

しかしながら、化合物半導体素子を作製するため用いる従来の燐化硼素系半導材料やIII族窒化物半導体材料からなる薄膜層には、反位相（逆位相）粒界（下記の非特許文献１参照）が含まれており（下記の非特許文献２参照）、従来では、必ずしも結晶性に優れる良質な半導体層を用いて化合物半導体素子が作製されているとは限らなかった。なお、ここで反位相粒界（ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅｄｏｍａｉｎ（略称：ＡＰＤ）またはａｎｔｉ−ｐｈａｓｅｂｏｕｎｄａｒｙ（略称：ＡＰＢ））とは、結晶中で原子の配列に関する位相が１８０度（半周期）ずれている境界を言い、二元合金の規則相で頻繁に現れるものである。
坂公恭著、「結晶電子顕微鏡学」、（株）内田老鶴圃、１９９７年１１月２５日発行、第１刷、６４〜６５頁Ｙ．Ａｂｅ他、ジャーナルオブクリスタルグロ−ス（Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ），（オランダ）、第２８３巻、２００５年、４１〜４７頁

そして、この反位相粒界を多量に含む、結晶性に劣る燐化硼素系結晶層やIII族窒化物半導体層は、発光効率に優れるＬＥＤや電気的特性に優れる電界効果トランジスタ（英略称：ＦＥＴ）を充分に安定して得るのに支障を来たしている。

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、反位相粒界の少ない良質な燐化硼素系半導体材料やIII族窒化物半導体材料からなる薄膜層を利用して、光学的特性及び電気的特性に優れた化合物半導体素子をもたらすことができる化合物半導体素子および化合物半導体素子製造方法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、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層と、を備えてなる化合物半導体素子において、上記燐化硼素系半導体層を、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体から構成したものである。

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、上記化合物半導体層を、六方晶でかつ反位相粒界を含まない層とするものである。

３）第３の発明は、上記した２）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および上記化合物半導体層は何れも、｛０．０．０．１．｝結晶面を垂直方向に配列した単結晶層から構成されているものである。

４）第４の発明は、上記した２）項または３）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と上記化合物半導体層とは、｛１．１．−２．０．｝結晶面を界面として接合しているものである。

５）第５の発明は、上記した２）項または３）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と上記化合物半導体層とは、｛１．０．−１．０．｝結晶面を界面として接合しているものである。

６）第６の発明は、上記した１）項から５）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を、六方晶の単量体の燐化硼素からなる層とするものである。

７）第７の発明は、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層とを備えてなる化合物半導体素子を製造する化合物半導体素子製造方法において、上記単結晶材料の表面をなす｛１．１．−２．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とし、その内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶の燐化硼素系半導体層を形成する第１の工程と、上記燐化硼素系半導体層の表面をなす｛１．１．−２．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とし、内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶のIII族窒化物半導体からなる化合物半導体層を形成する第２の工程と、を含むものである。

８）第８の発明は、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層とを備えてなる化合物半導体素子を製造する化合物半導体素子製造方法において、上記単結晶材料の表面をなす｛１．０．−１．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とし、内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶の燐化硼素系半導体層を形成する第１の工程と、上記燐化硼素系半導体層の表面をなす｛１．０．−１．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とし、その内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶のIII族窒化物半導体からなる化合物半導体層を形成する第２の工程と、を含むものである。

本発明によれば、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層と、を備えてなる化合物半導体素子において、燐化硼素系半導体層を、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体から構成したので、この燐化硼素系半導体層を、例えばそれに接合させて、反位相粒界の無い六方晶の化合物半導体層を設けるための材料層として有効に活用することができ、しいては、反位相粒界の無い六方晶の化合物半導体層を、例えば発光層として利用して高強度の発光をもたらす半導体発光素子を得るのに効果を上げられる。

本発明によれば、化合物半導体層を、六方晶でかつ反位相粒界を含まない層としたので、反位相粒界の密度の小さいその結晶性に優れるIII族窒化物半導体層を利用することにより、例えば発光強度の高い短波長可視ＬＥＤを構成するのに効果を上げられる。

本発明によれば、燐化硼素系半導体層および化合物半導体層を何れも、｛０．０．０．１．｝結晶面を垂直方向に配列した単結晶層としたので、反位相粒界のない六方晶の燐化硼素系半導体層と六方晶の化合物半導体層とを安定して得ることができ、従って、例えば発光強度の高い短波長可視ＬＥＤを安定して得るのに効果を上げられる。

本発明によれば、燐化硼素系半導体層と化合物半導体層とは、｛１．１．−２．０．｝結晶面を界面として接合するように形成したので、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体層と、反位相粒界を含まない六方晶の化合物半導体層とからなる接合構造を安定して形成することができ、従って、その接合構造を利用して光学的及び電気的特性に優れる、例えば短波長可視ＬＥＤを安定して得るのに効果を上げられる。

本発明によれば、燐化硼素系半導体層と化合物半導体層とは、｛１．０．−１．０．｝結晶面を界面として接合し無極性の結晶面を接合面として接合構造を形成することとしたので、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体層と、反位相粒界を含まない六方晶の化合物半導体層とからなる接合構造を安定して形成することができ、従って、その接合構造を利用して光学的及び電気的特性に優れる、例えば、短波長可視ＬＥＤを安定して得るのに効果を上げられる。

本発明によれば、燐化硼素系半導体層を、六方晶の単量体の燐化硼素からなる層としたので、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体層を簡便に構成することができるため、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体層を利用する化合物半導体素子を簡便に作製するのに効果を上げられる。

本発明によれば、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層とを備えてなる化合物半導体素子を製造する化合物半導体素子製造方法において、単結晶材料の表面をなす｛１．１．−２．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とし、その内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶の燐化硼素系半導体層を形成する第１の工程と、燐化硼素系半導体層の表面をなす｛１．１．−２．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とし、内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶のIII族窒化物半導体からなる化合物半導体層を形成する第２の工程と、を含むようにしたので、燐化硼素系半導体層および化合物半導体層を反位相粒界や双晶や積層欠陥が殆ど認められない結晶性に優れた層とすることができ、例えば高強度の発光をもたらす半導体発光素子を得るのに効果を上げられる。

本発明によれば、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層とを備えてなる化合物半導体素子を製造する化合物半導体素子製造方法において、単結晶材料の表面をなす｛１．０．−１．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とし、内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶の燐化硼素系半導体層を形成する第１の工程と、燐化硼素系半導体層の表面をなす｛１．０．−１．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とし、その内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶のIII族窒化物半導体からなる化合物半導体層を形成する第２の工程と、を含むようにしたので、燐化硼素系半導体層および化合物半導体層を反位相粒界や双晶や積層欠陥が殆ど認められない結晶性に優れた層とすることができ、例えば高強度の発光をもたらす半導体発光素子を得るのに効果を上げられる。

本発明に係る化合物半導体素子は、単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層とを備え、その燐化硼素系半導体層を、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体から構成している。

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層である。例えば、単量体の燐化硼素（ＢＰ）であり、多量体のＢ₁₂Ｐ₂（組成式Ｂ₆Ｐ）である。また、硼素（Ｂ）とその硼素とは別のIII族元素を構成元素として含む燐化硼素ガリウム（組成式Ｂ_1-XＧａ_XＰ：０＜Ｘ＜１）や燐化硼素アルミニウム（組成式Ｂ_1-XＡｌ_XＰ：０＜Ｘ＜１）等の多元混晶からなる半導体層である。また更に、燐（Ｐ）とその燐とは別のＶ族元素を含む、例えば、砒化燐化硼素（組成式ＢＰ_1-YＡｓ_Y：０＜Ｙ＜１）であり、窒化燐化硼素（組成式ＢＮ_YＰ_1-Y：０＜Ｙ＜１）などの多元混晶である。

六方晶の燐化硼素系半導体層とは、六方のブラベー（Ｂｒａｖａｉｓ）格子を単位格子（上記の非特許文献１の３〜７頁参照）とする六方晶の燐化硼素系半導体材料からなる層を云う。六方晶の燐化硼素系半導体層にあって、特に、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体層は、六方晶の単結晶材料を下地として形成するのが好適である。

六方晶の単結晶材料には、サファイア（α―Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）、ウルツ鉱結晶型のＧａＮ等のIII族窒化物半導体単結晶、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、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）、さらには窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を例示できる。また、ＬｉＡｌＯ₂などの立方晶結晶上に設けられた無極性の結晶面を表面とするIII族窒化物半導体層を例示できる。

特に、六方晶の燐化硼素系半導体層は、上記の六方晶材料からなるバルク（ｂｕｌｋ）単結晶或いは単結晶層にあって、表面が｛１．１．−２．０．｝結晶面、或いは｛１．０．−１．０．｝結晶面からなり、その表面に対し、｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列している材料上に設けるのが好適である。例えば、ウルツ鉱結晶型の六方晶ＧａＮの｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上、或いは｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる表面上に設けるのが好適である。また例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶基板或いは単結晶層の｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面上、或いは｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる表面上に設けるのが好適である。

例えば、｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とする六方晶のＧａＮ単結晶層やＡｌＮ単結晶層は、表面を｛１．−１．０．２．｝結晶面とするサファイア単結晶材料を下地として、例えば、固体ソース或いはガスソース（ｇａｓｓｏｕｒｃｅ）分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）法等の気相成長手段により形成することができる。

この六方晶の単結晶材料の｛１．１．−２．０．｝結晶面、或いは｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる表面では、上記のように、その表面の垂直方向に｛０．０．０．１．｝結晶面が規則的に配列している。このことを図１に模式的に示す六方晶材料の断面の結晶構造を基に説明する。

図１は接合領域の原子配列を示す模式図である。図では、六方晶の化合物半導体材料１０と、六方晶の燐化硼素系半導体材料１２とが接合して形成され、ウルツ鉱結晶型の六方晶の化合物単結晶材料１０には、その｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる表面１０ａに垂直に、｛０．０．０．１．｝結晶面１１が形成されている。この｛０．０．０．１．｝結晶面１１は、III族元素が規則的に配置したIII族原子面１１ａと、Ｖ族元素が規則的に配置したＶ族原子面１１ｂとが交互に形成されている。従って、この様な六方晶の化合物単結晶材料１０を構成する互いに異なる元素からなる原子面１１ａ、１１ｂの列が交互に規則的に露出している表面１０ａ上には、やはり、硼素（Ｂ）等のIII族原子を含む原子面と、燐（Ｐ）等のＶ族原子を含む原子面とが交互に規則的に配列するために、反位相粒界の無い燐化硼素系半導体層１２を効率的に形成できる。

なお、本発明の云う「反位相粒界を含まない」、あるいは「反位相粒界が無い」とは、反位相粒界が無い場合を含めて、その粒界の密度が５粒界／ｃｍ²以下であること云う。

反位相粒界の無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、ＭＢＥ法や化学ビームエピタキシャル（英略称：ＣＢＥ）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。

反位相粒界の無い六方晶の燐化硼素系半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ法で形成するのに際し、成長温度は７５０℃以上で１２００℃以下とするのが適する。７５０℃未満の低温では、硼素源や燐源の熱分解が充分に起こらないため、反位相粒界の無い六方晶の燐化硼素系半導体層の成長を進行させるのに不都合となる。１２００℃を超える高温での成長は、六方晶の燐化硼素系半導体層を構成する結晶面の欠落等に因り、反位相粒界の無い単結晶層を得るのに支障を来たすため好ましくはない。特に、六方晶の燐化硼素系半導体層を構成する燐（Ｐ）から構成される原子面の欠落を生じるため、反位相粒界の無い燐化硼素系半導体層を安定して形成するのに難を来たす。

例えば、ＭＯＣＶＤ法で反位相粒界の無い六方晶の燐化硼素系半導体層を形成するに際し、ｐ形の伝導形の層を安定して得るには、成長反応系へ供給する硼素（Ｂ）源に対する燐（Ｐ）源の濃度比率（所謂、Ｖ／III比率）は、１２０以下とするのが望ましい。更には、Ｖ／III比率を２０以上５０以下の範囲とするのが好ましい。また、ｎ形の伝導を呈する反位相粒界の無い六方晶の燐化硼素系半導体層を形成するには、上記のＶ／III比率を１５０以上とするのが望ましい。更には、Ｖ／III比率を４００以上で１４００以下とするのが好ましい。

表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とする六方晶の単結晶材料を利用すれば、その表面上には、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ六方晶の単結晶材料の表面での原子配列を受け継ぎエピタキシャル成長した、｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とする六方晶の燐化硼素系半導体層を形成できる。また、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とする六方晶の単結晶材料を利用すれば、その表面上には、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ六方晶の単結晶材料の表面での原子配列を受け継ぎエピタキシャル成長した、｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とする六方晶の燐化硼素系半導体層を形成できる。

図１の断面模式図を利用して説明を加えると、表面１２ａが｛１．１．−２．０．｝結晶面、或いは｛１．０．−１．０．｝結晶面である六方晶の燐化硼素系半導体材料１２の内部では、その表面１２ａに垂直方向に｛０．０．０．１．｝結晶面１３が規則的に配列している。この｛０．０．０．１．｝結晶面１３は、硼素（Ｂ）からなるIII族元素が規則的に配置したIII族原子面１３ａと、燐（Ｐ）からなるＶ族元素が規則的に配置したＶ族原子面１３ｂとが交互に形成されている。すなわち、｛１．１．−２．０．｝結晶面、或いは｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる六方晶の燐化硼素半導体層１２の表面１２ａでは、｛０．０．０．１．｝結晶面１３を構成するIII族原子面１３ａとＶ族原子面１３ｂとが交互に規則的に繰り返し配列していることとなる。

従って、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面、或いは｛１．０．−１．０．｝結晶面とする六方晶の燐化硼素系半導体層は、反位相粒界の無い、例えば、六方晶のIII族窒化物半導体層を形成するための下地として有効となる。

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上には、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ、無極性の｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とする、六方晶のIII族窒化物半導体層を形成することができる。ここで、無極性の表面とは、例えば、III族原子面とＶ族原子面とが表面に等量に露出していることにより、III族原子面に付随する電荷とＶ族原子面に付随する電荷とが中和され、結果として極性が打ち消されている表面のことを云う。

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に接合させて設けた、無極性の｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とする六方晶の化合物半導体層の内部では、｛０．０．０．１．｝結晶面が、それらの表面に対して垂直に規則的に配列している。しかも、六方晶の燐化硼素系半導体層の内部の｛０．０．０．１．｝結晶面に平行に配列している。このため、この接合様式によれば、反位相粒界が極めて少なく、尚且つ、双晶や積層欠陥の少ない結晶性に優れる良質な六方晶の化合物半導体層を接合させて形成することができる。

また、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とする六方晶の燐化硼素系半導体層上には、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ、無極性の｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とする、六方晶のIII族窒化物半導体層を形成することができる。

表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とする六方晶の燐化硼素系半導体層に接合させて設けた、無極性の｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とする六方晶の化合物半導体層の内部では、｛０．０．０．１．｝結晶面が、それらの表面に対して垂直に規則的に配列している。しかも、六方晶の燐化硼素系半導体層の内部の｛０．０．０．１．｝結晶面に平行に配列している。このため、この接合様式によれば、反位相粒界が極めて少なく、尚且つ、双晶や積層欠陥の少ない結晶性に優れる良質な六方晶の化合物半導体層を接合させて形成することができる。

特に、六方晶の燐化硼素系半導体層は、単量体（ｍｏｎｏｍｅｒ）の燐化硼素（ＢＰ）層から構成するのが好都合である。上記した燐化硼素系多元混晶を形成する場合に比較して、構成元素が少なく、従って、構成元素の組成比を制御する煩雑さを避けて、簡便に形成できるからである。また、六方晶の化合物半導体層を窒化アルミニム・ガリウム（組成式Ａｌ_XＧａ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）として接合を構成することとすると、燐化硼素と窒化アルミニム・ガリウムとの格子定数のマッチングの良さから、結晶欠陥の少ないＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）層が得られるからである。

例えば、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とするＢＰ層に、｛１．１．−２．０．｝結晶面で接合し、且つ、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とするＧａＮ層は、双晶が殆ど認められない、反位相粒界が無い良質な層となる。また、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とするＢＰ層に、｛１．０．−１．０．｝結晶面で接合し、且つ、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とするＡｌＮ層であっても、双晶が殆ど認められない、反位相粒界が無い良質な層となる。

六方晶の燐化硼素系半導体層及び六方晶の化合物半導体層の内部の反位相粒界の有無は例えば、透過電子顕微鏡（英略称：ＴＥＭ）を用いる断面ＴＥＭ像を観察すれば知ることができる（上記の「結晶電子顕微鏡学」、１４７〜１４８頁参照）。本発明の云う反位相粒界が無いとは、上記したように、反位相粒界が無い場合を含めて、その粒界の密度が５粒界／ｃｍ₂以下であること云う。また、ＴＥＭを利用した電子回折法によれば、六方晶の燐化硼素系半導体層及び六方晶の化合物半導体層の内部での双晶や積層欠陥の有無を調査できる。本発明では、電子回折像上で、双晶に起因する異常斑点や積層欠陥に由来する散漫散乱が認められない場合、双晶や積層欠陥が無いと称している。

上記の様な無極性の結晶面を有する六方晶の化合物半導体層、例えば、六方晶のIII族窒化物半導体層は、高い強度の可視帯域や紫外帯域の発光をもたらす窒化物半導体発光素子の発光部を構成する機能層として有効に利用できる。また、電界効果トランジスタ（英略称：ＦＥＴ）を作製するための電子チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層（電子走行層）や電子供給層、或いはまたソース（ｓｏｕｒｃｅ）、ドレイン（ｄｒａｉｎ）電極を形成するためのオーミック（Ｏｈｍｉｃ）接触性電極形成用のコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層として有効に利用できる。

（実施例１）六方晶の単結晶材料としてサファイアのバルク結晶を用い、その上に設けた反位相粒界の無い六方晶の単量体の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２に本実施例１に係るＬＥＤ２０の平面構成を模式的に示す。また、図３には、図２に示した破線Ａ−Ａ’に沿ったＬＥＤ２０の断面模式図を示す。

ＬＥＤ２０を作製するための積層構造体２００は、｛１．−１．０．２．｝結晶面（通称Ｒ面）を表面とするサファイア（α−アルミナ単結晶）を基板２０１として形成した。基板２０１の表面上には、一般的なＭＯＣＶＤ法を利用して、層厚を約３２００ｎｍとする、ｎ形の六方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）層２０２を下地の単結晶材料として形成した。一般的な電子回折分析から、六方晶ＧａＮ層２０２の表面は、｛１．１．−２．０．｝結晶面であると解析された。また、一般的な断面ＴＥＭ観察によれば、六方晶ＧａＮ層２０２をなす｛０．０．０．１．｝結晶面は、｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面に垂直に配列しているのが示された。

六方晶のＧａＮ層２０２の｛１．１．−２．０．｝結晶面からなる表面には、アンドープでｎ形の六方晶の単量体の燐化硼素（ＢＰ）層２０３を成長させた。六方晶のＢＰ層２０３は、一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により７８０℃で成長させた。一般的な断面ＴＥＭ観察によれば、六方晶のＢＰ層２０３は、六方晶のＧａＮ層２０２と｛１．１．−２．０．｝結晶面で接合し、且つ、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とし、その六方晶のＢＰ層２０３の内部を構成する｛０．０．０．１．｝結晶面は、その｛１．１．−２．０．｝結晶面に対し、垂直に互いに平行に配列しているのが示された。

また、断面ＴＥＭ技法による暗視野像の観察では、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とする六方晶のＢＰ層２０３の内部には、反位相粒界は殆ど認められなかった。更に、六方晶のＢＰ層２０３の電子回折パターンには、双晶の存在を示す異常回折スポット、及び積層欠陥の存在を示す光条は認められなかった。

｛０．０．０．１．｝結晶面を層厚の増加方向に平行に配列してなる六方晶の単量体ＢＰ層２０３の表面上には、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）をドープしたウルツ鉱結晶型で六方晶のｎ形ＧａＮ層（層厚＝１６０ｎｍ）２０４を成長させた。一般的なＴＥＭを利用した分析によれば、六方晶の単量体ＢＰ層２０３を下地として成長させたこのｎ形ＧａＮ層２０４は、｛０．０．０．１．｝結晶面が、六方晶の単量体ＢＰ層２０３の｛０．０．０．１．｝結晶面と平行に配列してなる単結晶層であった。

また、ｎ形ＧａＮ層２０４は、六方晶の単量体ＢＰ層２０３と｛１．１．−２．０．｝結晶面で接合し、且つ、表面を｛１．１．−２．０．｝結晶面とし、そのｎ形ＧａＮ層２０４の内部を構成する｛０．０．０．１．｝結晶面は、その｛１．１．−２．０．｝結晶面に対し、垂直に互いに平行に配列しているのが示された。

更に、一般的なＴＥＭ分析では、六方晶のＧａＮ層２０４の内部には、反位相粒界や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２０４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＝２５０ｎｍ）２０５、Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ井戸層とＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層とを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２０６、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２０７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２０７の表面上には、更に、ｐ形のＧａＮ層（層厚＝８０ｎｍ）をコンタクト層２０８として堆積し、積層構造体２００の形成を終了した。

上記のｐ形コンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層２０８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２０９を形成した。一方のｎ形オーミック電極２１０は、その電極２１０を設ける領域に在る下部クラッド層２０５や発光層２０６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２０４の表面に形成した。これより、ＬＥＤ２０を構成した。

このＬＥＤ２０のｐ形及びｎ形オーミック電極２０９、２１０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。ＬＥＤ２０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）状態での発光光度は約１．６カンデラ（ｃｄ）であった。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２０５〜２０７やｎ形オーミック電極２１０は、反位相粒界や双晶や積層欠陥が殆ど認められない、六方晶のＢＰ層２０３およびｎ形ＧａＮ層２０４上に形成したので、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層とすることができ、発光層２０６からは、ムラの無い、均一な強度の発光が出射された。

（実施例２）六方晶の単結晶材料として、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とするＧａＮ層上に設けた反位相粒界の無い六方晶の単量体の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４に本実施例２に係るＬＥＤ３０の平面構成を模式的に示す。また、図５には、図４に示した破線Ｂ−Ｂ‘に沿ったＬＥＤ３０の断面模式図を示す。

表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とするＧａＮ層３０２は、ＬｉＡｌＯ₂バルク単結晶基板３０１の｛００１｝結晶面からなる表面上に、一般的なＭＢＥ法により形成した。一般的な断面ＴＥＭ分析から、層厚を約４８０ｎｍとするｎ形の六方晶のＧａＮ層３０２の内部では、｛０．０．０．１．｝結晶面が｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる表面に垂直に配列しているのが示された。

下地の単結晶材料として形成した六方晶のＧａＮ層３０２の｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる表面には、アンドープでｎ形の六方晶の単量体の燐化硼素（ＢＰ）層３０３を成長させた。六方晶のＢＰ層３０３は、一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により８００℃で成長させた。一般的な断面ＴＥＭ観察によれば、六方晶のＢＰ層３０３は、六方晶のＧａＮ層３０２と｛１．０．−１．０．｝結晶面で接合し、且つ、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とし、その六方晶のＢＰ層３０３の内部を構成する｛０．０．０．１．｝結晶面は、その｛１．０．−１．０．｝結晶面に対し、垂直に互いに平行に配列しているのが示された。

また、断面ＴＥＭ技法による暗視野像の観察では、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とする六方晶のＢＰ層３０３の内部には、反位相粒界は殆ど認められなかった。更に、六方晶のＢＰ層３０３の電子回折パターンには、双晶の存在を示す異常回折スポット、及び積層欠陥の存在を示す光条は認められなかった。

｛０．０．０．１．｝結晶面を層厚の増加方向に平行に配列してなる六方晶の単量体ＢＰ層３０３の表面上には、珪素（元素記号：Ｓｉ）をドープしたウルツ鉱結晶型で六方晶のｎ形ＧａＮ層（層厚＝１７０ｎｍ）３０４を成長させた。一般的なＴＥＭを利用した分析によれば、六方晶の単量体ＢＰ層３０３を下地として成長させたこのｎ形ＧａＮ層３０４は、｛０．０．０．１．｝結晶面が、六方晶の単量体ＢＰ層３０３の｛０．０．０．１．｝結晶面と平行に配列してなる単結晶層であった。

また、ｎ形ＧａＮ層３０４は、六方晶の単量体ＢＰ層３０３と｛１．０．−１．０．｝結晶面で接合し、且つ、表面を｛１．０．−１．０．｝結晶面とし、そのｎ形ＧａＮ層２０４の内部を構成する｛０．０．０．１．｝結晶面は、その｛１．０．−１．０．｝結晶面に対し、垂直に互いに平行に配列しているのが示された。

更に、一般的なＴＥＭ分析では、六方晶のＧａＮ層３０４の内部には、反位相粒界や双晶や積層欠陥は殆ど認められなかった。

反位相粒界や双晶や積層欠陥は殆ど認められない六方晶のＧａＮ層３０４の｛１．０．−１．０．｝結晶面からなる表面上には、上記の実施例１に記載したのと同一の構成からなる下部クラッド層３０５、発光層３０６、及び上部クラッド層３０７を順次、積層させてｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を形成した。また、発光部の最上層をなす上部クラッド層３０７の上には、実施例１に記載と同一のコンタクト層３０８を接合させて設け、ＬＥＤ３０を作製するための積層構造体３００の形成を終了した。

積層構造体３００に上記の実施例１に記載と同一の手段により、ｐ形及びｎ形オーミック電極３０９、３１０を形成して、ＬＥＤ３０を構成した。このＬＥＤ２０のｐ形及びｎ形オーミック電極３０９、３１０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。ＬＥＤ３０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）状態での発光光度は約１．６カンデラ（ｃｄ）であった。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３０５〜３０７やｎ形オーミック電極３１０は、反位相粒界や双晶や積層欠陥が殆ど認められない、六方晶のＢＰ層３０３およびｎ形ＧａＮ層３０４上に形成したので、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層とすることができ、発光層２０６からは、ムラの無い、均一な強度の発光が出射された。

接合領域の原子配列を示す模式図である。実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。図２に示す破線Ａ−Ａ’に沿ったＬＥＤの断面模式図である。実施例２に記載のＬＥＤの平面模式図である。図４に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿ったＬＥＤの断面模式図である。

符号の説明

１０六方晶の化合物半導体材料
１０ａ六方晶の化合物半導体材料の表面
１１｛０．０．０．１｝結晶面
１１ａ III族原子面
１１ｂＶ族原子面
１２六方晶の燐化硼素系半導体材料
１２ａ六方晶の燐化硼素系半導体材料の表面
１３｛０．０．０．１．｝結晶面
１３ａ III族原子面
１３ｂＶ族原子面
２０，３０ＬＥＤ
２００，３００ＬＥＤ用途積層構造体
２０１，３０１単結晶基板
２０２，３０２六方晶III族窒化物半導体層（ＧａＮ層）
２０３，３０３六方晶燐化硼素系半導体層（単量体ＢＰ層）
２０４，３０４六方晶III族窒化物半導体層（ＧａＮ層）
２０５，３０５下部クラッド層
２０６，３０６発光層
２０７，３０７上部クラッド層
２０８，３０８コンタクト層
２０９，３０９ｐ形オーミック電極
２１０、３１０ｎ形オーミック電極

Claims

単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層と、を備えてなる化合物半導体素子において、
上記燐化硼素系半導体層は、反位相粒界を含まない六方晶の燐化硼素系半導体からなる層である、
ことを特徴とする化合物半導体素子。
上記化合物半導体層は、六方晶でかつ反位相粒界を含まない層である、請求項１に記載の化合物半導体素子。
上記燐化硼素系半導体層および上記化合物半導体層は何れも、｛０．０．０．１．｝結晶面を垂直方向に配列した単結晶層から構成されている、請求項２に記載の化合物半導体素子。
上記燐化硼素系半導体層と上記化合物半導体層とは、｛１．１．−２．０．｝結晶面を界面として接合している、請求項２または３に記載の化合物半導体素子。
上記燐化硼素系半導体層と上記化合物半導体層とは、｛１．０．−１．０．｝結晶面を界面として接合している、請求項２または３に記載の化合物半導体素子。
上記燐化硼素系半導体層は、六方晶の単量体の燐化硼素からなる層である、請求項１乃至５項の何れか１項に記載の化合物半導体素子。
単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層とを備えてなる化合物半導体素子を製造する化合物半導体素子製造方法において、
上記単結晶材料の表面をなす｛１．１．−２．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とし、その内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶の燐化硼素系半導体層を形成する第１の工程と、
上記燐化硼素系半導体層の表面をなす｛１．１．−２．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．１．−２．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とし、内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶のIII族窒化物半導体からなる化合物半導体層を形成する第２の工程と、
を含むことを特徴とする化合物半導体素子製造方法。
単結晶材料の表面上に形成された燐化硼素系半導体層と、その燐化硼素系半導体層上に形成された化合物半導体層とを備えてなる化合物半導体素子を製造する化合物半導体素子製造方法において、
上記単結晶材料の表面をなす｛１．０．−１．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とし、内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶の燐化硼素系半導体層を形成する第１の工程と、
上記燐化硼素系半導体層の表面をなす｛１．０．−１．０．｝結晶面上に、その表面と｛１．０．−１．０．｝結晶面をもって接合し、且つ｛１．０．−１．０．｝結晶面を表面とし、その内部に｛０．０．０．１．｝結晶面が垂直方向に配列されている六方晶のIII族窒化物半導体からなる化合物半導体層を形成する第２の工程と、
を含むことを特徴とする化合物半導体素子製造方法。