JP2007142336A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】基板としてＭｇ_xＺｎ_1-xＯ（０≦ｘ≦０.５）のような酸化亜鉛系化合物を用いながら、その上部に成長される窒化物半導体の結晶性をよくするとともに、膜剥れやクラックの発生を防止し、漏れ電流が少なく高特性の窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】基板１がＭｇ_xＺｎ_1-xＯ（０≦ｘ≦０.５）のような酸化亜鉛系化合物からなっており、その基板１に接して第１の窒化物半導体層２が設けられ、その第１の窒化物半導体層２上に、開口部を有するマスク層４、開口部から横方向に選択成長される第２の窒化物半導体層５と、その第２の窒化物半導体層５上に半導体素子を形成するように、窒化物半導体層６〜８が積層されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子、ＨＥＭＴなどのトランジスタ素子など、窒化物半導体結晶層を用いた半導体素子に関する。さらに詳しくは、基板に導電性のＺｎＯ系化合物を用い、量産性に容易なＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用いながら窒化物半導体層を成長するためのＶ族原料による基板のエッチングによる基板表面の荒れを防止して、結晶性の優れた窒化物半導体層が成長された窒化物半導体素子に関する。

近年、窒化物半導体を用いた青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの窒化物半導体発光素子が実用化されている。この窒化物半導体を用いた青色系の光を発光するＬＥＤは、たとえば図６に示されるように、サファイア基板３１上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮなどからなる図示しない低温バッファ層、ＧａＮなどからなるｎ形層３２と、バンドギャップエネルギーがｎ形層３２のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変り得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）３３と、ＧａＮなどからなるｐ形層３４とが積層されて半導体積層部３５が形成され、その表面に透光性導電層３６を介して、ｐ側電極３７が設けられ、積層された半導体積層部３５の一部がエッチングされて露出したｎ形層３２の表面にｎ側電極３８が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層３２およびｐ形層３４はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変り得ることを意味する、以下同じ）化合物などのさらにバンドギャップエネルギーの大きい半導体層が用いられることがある（たとえば特許文献１参照）。
特開平１０−１７３２２２号公報（図１参照）

前述のように、基板としてサファイアを用いると、サファイアと窒化物半導体材料は格子定数が大きく異なっており、格子不整合により転位密度が大きくなり高品質の半導体素子を得ることが難しい。また、サファイア基板３１は絶縁性基板であり、基板に直接電極を形成できず、前述のように半導体積層部３５の一部にエッチングなどの処理を行うことによりメサ構造としなければならず、チップの上下に一対の電極を形成する垂直型の素子を作製できない。そこで、サファイア基板に代り窒化物半導体材料と格子定数の近似し、導電性を持たすことができるＺｎＯ基板を用いた構造が考えられる。

しかし、実際にＺｎＯ基板上に窒化物半導体積層部を、ＭＯＣＶＤ装置を用いて成長しようとすると、通常窒化物半導体積層部の成長は、その原材料としてIII族原料として有機金属が、Ｖ族原料としてアンモニアガスが用いられ、高温、具体的には１０００℃以上で成長がなされるが、アンモニアガスは、高温状態下ではＺｎＯ基板の表面をエッチングする働きがあり、ＺｎＯ基板に窒化物半導体積層部を成長しようとすると、アンモニアガスによりＺｎＯ基板の表面荒れを起こし、その上に成長される窒化物半導体積層部の結晶性が悪化したり、窒化物半導体積層部と基板との間で膜剥れを起こしたりすることもある。一方、それを防ぐため、表面荒れを起こさない極めて低温、具体的には６００℃以下で成長することが考えられるが、低温成長では、結晶軸が揃わず結晶性が悪化することで、窒化物半導体積層部に結晶欠陥が生じ発光層で発生した光を吸収したり、膜中への不純物混入割合が大きくなったりし、成長される膜の抵抗も高くなる。このように、ＺｎＯ基板上に窒化物半導体積層部をＭＯＣＶＤ法により成長しようとすると、高温でも低温でもいずれも良質の窒化物半導体層を得ることができないという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、基板としてＭｇ_xＺｎ_1-xＯ（０≦ｘ≦０.５）のような酸化亜鉛系化合物を用いながら、その上に量産性に優れたＭＯＣＶＤ法により成長される窒化物半導体の結晶性をよくすると共に、膜剥れやクラックの発生を防止し、漏れ電流が少なく高特性の窒化物半導体素子を提供することを目的とする。

本発明のさらに他の目的は、このような窒化物半導体を用い、外部量子効率などの発光特性を向上させることができる構造のＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子を提供することにある。

本発明者は、ＺｎＯ系化合物基板上に、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を成長するため鋭意検討を重ねた結果、他の発明者と共に、成長時の温度制御、成長するための原料ガス流量比の制御、ＺｎＯ系化合物基板の窒化物半導体層を成長する主面の特定、基板と接する面にＡｌを含有するＡｌＧａＮ系化合物層を成長すること、などを行うことにより、ＺｎＯ系化合物基板表面を余り荒らすことなく窒化物半導体層を成長することができ、その窒化物半導体層でＺｎＯ系化合物基板の表面を覆った後であれば、基板温度を高くしてもアンモニアガスによる基板の荒れを防止することができることを見出し、特願２００５−３０５５９６号で開示している。しかし、第１の窒化物半導体層が薄いと、良質の窒化物半導体層を成長するために１０００℃程度の高温に上昇したときアンモニアガスが基板側に入り込み、基板が荒らされて第１の窒化物半導体層の結晶性も低下し、第１の窒化物半導体層を厚く形成しても、その条件のバラツキなどにより第１の窒化物半導体層を成長する時間が長くなって表面荒れが発生する場合があり、また、窒化物半導体層とＺｎＯ系化合物基板との熱膨張差に基づく基板との剥れが生じる場合がある。

そこで、本発明者はさらに鋭意検討を重ねた結果、ＺｎＯ系化合物基板に最初に設ける第１の窒化物半導体層を、前述のようにＺｎＯ系化合物がアンモニアガスにより侵されないような条件設定をし、かつ、少々条件が変動してもＺｎＯ系化合物基板に影響を与えない程度の薄い層にし、かつ、その上に開口部を有する誘電体膜からなるマスク層を形成することにより、その後に高温でＧａＮ系化合物層を成長しても、アンモニアガスでのエッチングによる表面荒れを防止しながら、その開口部からマスク層上に横方向のエピタキシャル成長をすることで、非常に結晶性の優れた窒化物半導体層を成長することができることを見出した。すなわち、マスク層とするＳｉＯ₂などからなる誘電体膜は低温で成膜することができるため、ＺｎＯ系化合物基板に何ら影響を与えることなく、また、開口部以外を完全に被覆することができ、開口部の部分もＺｎＯ系化合物基板は第１の窒化物半導体層で覆われていると共に非常に小さな面積であり、アンモニアガスの雰囲気で１０００℃以上の高温に晒しても、殆どＺｎＯ系化合物基板が荒らされることはなかった。

ここに酸化亜鉛系化合物（ＺｎＯ系化合物）とは、Ｚｎを含む酸化物を意味し、具体例としては、ＺｎＯの他、IIＡ族元素とＺｎ、IIＢ族元素とＺｎ、またはIIＡ族元素およびIIＢ族元素とＺｎのそれぞれの酸化物を含むものを意味する。また、窒化物半導体とは、III族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物（窒化物）からなる半導体をいう。なお、酸化亜鉛系化合物、たとえばＺｎＯは、結晶構造の概念図が図５に斜視図で示されるような六方晶構造であり、Ｃ面は、図５に示されるようなＺｎ極性面である（０００１）面およびＯ極性面である（０００−１）面であり、いずれもＡ面{１１−２０}およびＭ面{１０−１０}と直交する面である。また、（０００−１）、（１１−２０）、（１０−１０）、｛１１−２０｝、｛１０−１０｝は、厳密にはそれぞれ、

を指すが、便宜的に上記のように略記する。また、たとえば｛１１−２０｝面は、結晶のもつ対称性により、（１１−２０）面と等価な面も含む総称であることを示している。

本発明による窒化物半導体素子は、酸化亜鉛系化合物からなる基板と、該基板上に設けられる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層上に設けられる開口部を有するマスク層と、該マスク層上に前記開口部から横方向に選択成長される第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層上に半導体素子を形成するように窒化物半導体層が積層される半導体積層部とを有している。

具体的には、前記第１の窒化物半導体層が、６００〜８００℃の基板温度で、ＭＯＣＶＤ法により５００〜８０００Åの膜厚に形成されることで、第１の窒化物半導体層の膜質を良くしながら、その表面にマスク層が設けられて保護されるため、高温での成長に対しても基板は保護され、シードとして良好な窒化物半導体層を開口部に露出させることができる。

さらに、前記第１の窒化物半導体層の少なくとも前記基板側が、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０.０５≦ｙ≦０.２）からなることが前述のように、ＺｎＯ基板の表面荒れをより防止し得る点で好ましい。さらに、前記基板の主面が（０００１）Ｚｎ極性面とすることが前述のように、ＺｎＯ基板の表面荒れをより防止し得る点で好ましい。

具体的には、前記第２の窒化物半導体層上に、ｎ形層、活性層およびｐ形層が発光層を形成するように積層され、半導体発光素子を形成することができる。

本発明の窒化物半導体素子によれば、窒化物半導体層がＭｇ_xＺｎ_1-xＯなどのＺｎＯ系化合物からなる基板上に第１の窒化物半導体層と、開口部を有するマスク層とを積層して、その開口部から第１の窒化物半導体層をシードとしてマスク層上に第２の窒化物半導体層を横方向に選択成長しているため、第１の窒化物半導体層を薄くしてもＳｉＯ₂などからなるマスク層によりＺｎＯ系化合物基板が被覆され、高温で成長するために高温のアンモニアガス雰囲気に基板が晒されても、基板が犯されることがない。しかも、マスク層が設けられることにより、ＺｎＯ系化合物基板に直接成長する第１の窒化物半導体層を薄く形成することができるため、アンモニアガス雰囲気に晒される時間を短くすることができ、前述のように、成長時の温度制御、成長するための原料ガス流量比の制御、ＺｎＯ系化合物基板の窒化物半導体層を成長する主面の特定、基板と接する面にＡｌを含有するＡｌＧａＮ系化合物層を成長すること、などにより基板の荒れを完全に防止して、結晶性の優れた第１の窒化物半導体層を成長することができる。

その結果、結晶性の優れた第２の窒化物半導体層を成長するために基板温度を１０００℃以上の高温にしてアンモニアガス雰囲気下に晒しても、基板は全く犯されることなく、しかも結晶性の優れた第１の窒化物半導体層をシードとしてマスク層上に第２の窒化物半導体層を横方向に成長することができるため、第２の窒化物半導体層も結晶性の優れた窒化物半導体層となり、さらにその上に積層する窒化物半導体層も非常に結晶性の優れた状態で成長することができる。その結果、第２の窒化物半導体層上に積層する窒化物半導体層も光吸収がなく、また結晶軸の揃った結晶性の高い膜を形成することができ、これにより膜中の不純物が少なくなり、キャリア濃度および移動度が大きい低抵抗の膜を形成することができる。そして、ＬＥＤやＬＤなどを形成しても動作電圧が低く、内部量子効率が高く、しきい値電流の小さい高特性の半導体発光素子が得られるし、トランジスタなどを構成しても、リーク電流が小さく、耐圧の優れた高速のトランジスタ（ＨＥＭＴ）が得られる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の窒化物半導体素子について説明をする。本発明による窒化物半導体素子は、図１に一実施形態である窒化物半導体発光素子（ＬＥＤチップ）の断面説明図が示されるように、基板１がＭｇ_xＺｎ_1-xＯ（０≦ｘ≦０.５）のような酸化亜鉛系化合物からなっており、その基板１上に第１の窒化物半導体層２が設けられ、その第１の窒化物半導体層２上に、開口部４１を有するマスク層４、開口部４１から横方向に選択成長される第２の窒化物半導体層５、その第２の窒化物半導体層５上に半導体素子を形成するように（図１に示される例ではＬＥＤの発光層を形成するように）、窒化物半導体層６〜８が積層されている。なお、図１に示される例では、第１の窒化物半導体層２が、基板１側のＡｌＧａＮ系化合物からなる第１層２ａと上面側のＧａＮからなる第２層２ｂとで形成されており、このように複層で形成されても単層でも構わない。なお、図１を始め、各図で基板の厚さが他の半導体層と比較して小さく書かれているが、実際には基板１の厚さは各半導体層より遙かに大きい。

すなわち、本発明は、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を積層するのに、基板１としてＭｇ_xＺｎ_1-xＯなどのＺｎＯ系化合物の基板を用い、その基板表面に直接第１の窒化物半導体層２が、そして第１の窒化物半導体層２上に開口部を有するマスク層４が設けられ、そのマスク層４上に横方向へのエピタキシャル成長で第２の窒化物半導体層５が設けられていることに特徴がある。前述のように、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を成長しようとする場合、成長温度が高い方がＧａＮの膜質が良いため、できれば１０００℃程度以上で成長することが好ましいが、ＺｎＯ系化合物基板を基板１として用いると、ＺｎＯ系化合物基板がアンモニアガスによりエッチングされ、基板１のエピタキシャル成長する表面が荒れ、膜質の良い窒化物半導体層を成長することができない。一方、それを防止するために６００℃以下の低温で成長すると、ＧａＮの膜質が悪化し、窒化物半導体層自体の結晶性が悪化するという問題を生じる。

しかし、前述のように、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、ＺｎＯ系化合物基板が荒らされ難いように温度制御などをして、薄い第１の窒化物半導体層２を成長し、その上に開口部を有するマスク層４をＳｉＯ₂などの誘電体膜により形成することにより、マスク層４で保護されるため、高温のアンモニアガス雰囲気下においてもＺｎＯ系化合物基板の荒れを防止することができ、その後に、高温で第２の窒化物半導体層を成長することにより、マスク層４上に横方向にエピタキシャル成長し、結晶性の優れた窒化物半導体素子を形成できることを見出したのである。すなわち、このようにすることによりマスク層４は開口部を有するものの、基板１表面の大部分がマスク層４により覆われており、下部の第１の窒化物半導体層２の膜厚を薄くしても、基板１の表面が荒れることがなく、第１の窒化物半導体層２の膜厚を厚くすることにより生じる、条件変化に起因する基板の荒れや基板１との熱膨張率差に基づくクラック発生などの問題も回避し得ることを見出したのである。

基板１は、Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯなどの酸化亜鉛系化合物、たとえばｎ形のＺｎＯ基板１が用いられる。このような酸化物であれば、ウェットエッチングにより簡単に除去することができるし、半導体で導電性があるため、基板の裏面から一方の電極を取り出すことができるし、何よりも窒化物半導体と格子定数が近いため、格子整合をとりやすい（シードとする結晶層を良質にすることができる）点で従来のサファイア基板を用いる場合よりも高品質な膜を形成することができる。なお、基板１はＺｎＯでなくても、たとえば発光素子にする場合に発光波長が短い場合には、その光を吸収しないようにＭｇを混晶させたＭｇ_xＺｎ_1-xＯ（０≦ｘ≦０.５）などを使用することができる。もっとも、Ｍｇが５０ａｔ％を超えると、ＭｇＯはＮａＣｌ型結晶であるため、六方晶系のＺｎＯ系化合物と整合しないため好ましくない。なお、このＭｇ_xＺｎ_1-xＯ基板は、水熱合成法などにより形成されたインゴットをウェハに切り出して形成される。

また、基板１の主面は、図５に示されるような（０００１）Ｚｎ極性面とすることにより、Ｏ極性面を主面にするのに比べると、アンモニアガスに対する耐性が強く、ＺｎＯ表面荒れが少なくなるため好ましいが、他の面であってもよい。すなわち、ＺｎＯ基板の主面としてＣ面を用いた場合、Ｏ極性面とＺｎ極性面が存在するが、Ｚｎ極性面を主面とした場合、Ｚｎが表面にあるため、Ｏが表面にある場合と比較してアンモニアガスに対してエッチング耐性が強く、Ｏ極性面と比較してアンモニアガスによる表面荒れが少なくなるからである。

この基板１は、前述のように、高温でアンモニアガス雰囲気に晒されると表面がアンモニアガスによりエッチングされてしまい、表面が荒れ、基板自身の結晶性も低下すると共に、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性は大幅に低下してしまう。そのため、たとえばＺｎＯ基板１の裏面および側面から表面の端部までをＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄またはＰｔなどの高温で蒸発しない保護膜で被覆して保護してから、ＭＯＣＶＤ装置のカーボンまたはモリブデンなどからなる受け台上にＺｎＯ基板（ウェハ）を載置して、窒化物半導体層を成長することが好ましい。

第１の窒化物半導体層２は、基板の格子定数に近似する窒化物半導体からなり、アンモニアガスによるエッチングを防止すると共に、後述するマスク層４の開口部から横方向にエピタキシャル成長する際のシードとするための層であり、基板に接するように設けられる。アンモニアガスの活性化、絶対量を下げ、基板表面のエッチングを防止するべく、好ましくは、ＭＯＣＶＤ法により成長する場合、通常のＧａＮ結晶層の成長温度より低い６００〜８００℃の低温で、かつ、Ｖ族原料のIII族原料に対するモル比を５００以上２０００以下にして形成することが好ましい。なお、第１の窒化物半導体層２は、基板１の裏面に一方の電極を形成する場合には、基板１の導電形に合せる必要があるが、基板１の裏面に電極を形成しない場合には、アンドープでもＳｉ（ｎドーパント）などをドーピングしてもどちらでもよい。

第１の窒化物半導体層２の膜厚は５００Å以上あることが、アンモニアガスの第１の窒化物半導体層中の透過を確実に防ぐため好ましい。また、後述するように、開口部４１を有するマスク層４が設けられ、開口部４１以外ではアンモニアガスが基板へ到達することがないため、第１の窒化物半導体層２の膜厚は、それほど厚くする必要がなくなり、具体的には、５００〜８０００Å程度、好ましくは１０００〜４０００Åとし得る。このように、膜厚を薄くできるため、第１の窒化物半導体層２と基板１との間で生じる応力により、膜剥れやクラックが発生することによる漏れ電流を防止することができる。
また、第１の窒化物半導体層としては、Ａｌ組成の比較的小さいＡｌＧａＮ系化合物を用いることが好ましい。Ａｌの存在によりアンモニアガスが基板に達し基板をエッチングすることを防ぐことができ、その後、半導体積層部を通常の成長方法（高温成長）を用いても非常に結晶性の優れた窒化物半導体層を成長することができるからである。より詳細に説明すると、アンモニアガスは、第１の窒化物半導体層２としてＧａＮやＩｎＧａＮ系化合物を用いると、Ｉｎなどは蒸発しやすくＧａＮからなる層やＩｎＧａＮ系化合物からなる層中を透過することがあり、その下部にあるＺｎＯ基板の表面を荒らすことも生じる。しかし、第１の窒化物半導体層２としてＡｌＧａＮ系化合物を用いると、第１の窒化物半導体層２中にＡｌが含まれているため、Ａｌの存在によりアンモニアガスの基板表面への到達を防ぐことができ、さらには、ＡｌＧａＮ系化合物からなる層は、ＧａＮやＩｎＧａＮ系化合物からなる層に比べて膜の密着力が強いため膜剥れが生じにくい。
したがって、一度、第１の窒化物半導体層２としてＡｌＧａＮ系化合物を一定以上のＡｌ割合の組成、膜厚で形成してしまうと、膜剥れが生じ難くなり、また、その後の高温状態下で半導体積層部を積層する際にも、ＺｎＯ基板表面までアンモニアガスが到達することがないため、通常の成長方法を用いても非常に結晶性の優れた窒化物半導体層を成長することができる。さらにはＧａＮやＩｎＧａＮ系化合物よりも基板との熱膨張係数の差が小さいため、クラック発生による漏れ電流の発生割合を小さくすることができる。なお、ＡｌＧａＮ系化合物としては、Ａｌの組成を２０％以下、５％以上とすることが好ましい。しかし、図１に示されるように、第１の窒化物半導体層２を複層にして、基板１と反対側にはＧａＮやＩｎＧａＮ系化合物層を設けても何ら支障はないし、さらに表面の殆どはマスク層４が設けられるため、ＧａＮやＩｎＧａＮ系化合物の単層でも使用することができる。

図１に示される例では、第１の窒化物半導体層２が、基板１側にＡｌＧａＮ系化合物からなる第１層２ａが設けられ、表面側にＧａＮからなる第２層２ｂで形成され、マスク層４上に積層される層に合せて、表面側の組成を変化させた複層で形成されている。この場合表面側の第１の窒化物半導体層２の第２層２ｂが横方向成長のシード層となる。

マスク層４は、図２にその近傍の拡大説明図が示されるように、第１の窒化物半導体層２上に設けられ、幅Ｗの開口部４１を有し、第１の窒化物半導体層２に接するように設けられている。マスク層４は、たとえばＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄などの、その上には直接半導体層をエピタキシャル成長することができない材料が、スパッタリングまたはＣＶＤ法などにより、２００〜８００ｎｍ程度の厚さに形成されている。２００ｎｍ以上必要なのは、アンモニアガスの基板への侵入を確実に防止するためであり、８００ｎｍ以下としたのは、段差発生により結晶性が悪化することを防ぐためである。

このマスク層４は、ウェハ状態の第１の窒化物半導体層２上に全面に設けられた後に、パターニングされて開口部４１（図１または２の紙面と垂直方向に溝状に延びている）が形成される。開口部４１を設けるのは、開口部４１に露出した第１の窒化物半導体層２をシードとして第２の窒化物半導体層５をマスク層４上に横方向選択成長させ、第２の窒化物半導体層５の転位密度を小さくするためである。また、上面出射型のＬＥＤを形成するために、マスク層４と第１の窒化物半導体層２との間で、開口部以外の領域に反射層としてのＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどからなる金属膜を設けてもよい。

図１に示される半導体発光素子を製造する場合、マスク層の幅Ｍは横方向選択成長を実現するため、１０〜１５μｍ程度に形成されている。マスク層間隔Ｗは、広すぎると転位密度の大きい縦方向の成長が起こるため、５μｍ以下であることが好ましい。また、マスク層間隔Ｗが狭すぎると第１の窒化物半導体層２からの結晶成長の時間がかかるため、２μｍ以上であることが好ましい。

さらに、素子分離を容易にするため、図１に示されるように、素子分離領域部分（素子の両端部）のマスク層だけ他の部分よりも広げると、分離領域上のマスク層４上に完全に横方向選択成長が起こらず、分離領域上のマスク層４により、自然に素子分離されることになる。そこで、素子分離領域付近のマスク層の幅は、素子中心部のマスク層のマスク幅よりも広くし、具体的には４０〜８０μｍ程度とすることが好ましい。このような構成とすれば、半導体積層部９の形成前からそれぞれの素子を独立させることができ、ある素子で応力によるクラックが発生したとしても他の素子への伝播を防ぐことができる。また、基板１と窒化物半導体積層部９との間で熱膨張率の差に基づく応力が働いても、その素子分離領域で応力が吸収されて、ウェハ自身が円弧状に反ることがない。

第２の窒化物半導体層５は、たとえばｎ形ＧａＮ層で５〜１０μｍ程度の厚さに形成される。この半導体層５は、前述のマスク層４の開口部４１から露出する第１のＧａＮ層２ｂをシードとして成長し始め、マスク層４の表面に達すると、横方向に選択成長する。すなわち、ＧａＮ層は、縦方向の成長よりも横方向への成長の方が早くしかも結晶性よく成長するため、横方向に成長しながら上方にも僅かに成長し、最終的にはマスク層４の中央部あたりで両方の開口部から横方向に成長してきた半導体層が合致する。そしてマスク層４の表面が完全に埋まった後は上方に成長し、マスク層４上にも完全に第２のｎ形ＧａＮ層（半導体層）５が成長する。この第２のｎ形ＧａＮ層５は、マスク層上の両端部（開口部４１に接する部分）および中央部の合致する部分を除いた部分の結晶性がよく、転位密度も１桁ほど小さくなる。

第２のｎ形ＧａＮ層５上の半導体積層部９は、通常の発光ダイオードを構成する半導体積層部になっている。すなわち、図１に示される例では、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ形層６が１〜１０μｍ程度、アンドープのＩｎＧａＮ系化合物／ＧａＮのＭＱＷ構造（たとえば１〜３ｎｍのＩｎ_0.17Ｇａ_0.83Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸構造）からなる活性層７が全体で０.０５〜０.３μｍ程度、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ形層８が０.２〜１μｍ程度、それぞれ設けられることにより形成されている。

なお、半導体積層部９の構成は、製造する半導体素子に応じて必要な構成に積層され、ＬＥＤの場合でも、上述の例に限定されるものではなく、ｎ形層６およびｐ形層８は、活性層側にバンドギャップエネルギーの大きい層（障壁層）を設ける複層構造にすることもできるし、組成の異なる半導体層間に超格子構造または勾配層を設けることもでき、また、第２の窒化物半導体層５がｎ形層またはｐ形層を兼ねていてもよい。また、活性層７も多重量子井戸構造に限られずバルク構造や単一量子井戸（ＳＱＷ）構造であってもよい。さらに、この例では、ｎ形層６とｐ形層８とで活性層７が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するヘテロ接合構造のものでもよい。要は、ＬＥＤを構成する場合には、発光層を形成するようにｎ形層６とｐ形層８が設けられていればよい。また、前述の例では、ＬＥＤの例であったが、ストライプ状の発光領域を形成してＬＤを同様に形成することもできる。

つぎに、この発光ダイオードの製法について説明をする。まず、たとえばｎ形に形成された、（０００１）Ｚｎ極性面を主面とするＺｎＯ基板１の成長面以外に、保護膜を形成したウェハをＭＯＣＶＤ装置に入れ、水素キャリアガス中で６００〜８００℃、たとえば７００℃程度に上げて、基板表面をクリーニングする。つぎに、Ｖ族原料ガスであるアンモニアガス（ＮＨ₃）、III族原料の有機金属であるトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を導入し、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０.０５≦ｙ≦０.２、たとえば、ｙ＝０.２）からなる第１の窒化物半導体層２の第１層２ａをＳｉドープで５００Å以上、たとえば、２０００Å程度、ＧａＮからなる第２層２ｂをＳｉドープで２０００Å程度成長する。この際、Ｖ族原料とIII族原料のモル比を２０００以下、たとえば５００程度（Ｖ族原料２×１０^-2モル、III族原料４×１０^-5モル）となるようにアンモニアガスの流量およびIII族原料を運ぶキャリアガスの流量を調整する。また、このＳｉドープは基板１の裏面に電極を形成する場合に必要であるが、基板裏面に電極を形成しない場合には、アンドープでもよい。また、第１の窒化物半導体層２を成長する直前にまず数秒間、III族原料の有機金属であるＴＭＡ、ＴＭＧを導入し、チャンバー内の雰囲気をIII族原料雰囲気とすることで、ＺｎＯ基板表面にIII族材料により保護膜を形成し、その後、Ｖ族原料であるアンモニアを導入するプロセスとすることがＺｎＯ基板の表面荒れをより防止できる点で好ましい。

ついで、成長装置から基板を取りだし、たとえばスパッタリング装置や蒸着装置などを用いて、マスク層４とするＳｉＯ₂膜を２００〜８００ｎｍ程度成膜する。その後、ＳｉＯ₂膜上にレジスト膜を設け、パターニングし、ＨＦ水溶液を用いてＳｉＯ₂膜をエッチングすることにより、ストライプ状に開口部４１を形成し、ストライプ状のマスク層４を形成する。

その後、再度ＭＯＣＶＤ装置などの成長装置に入れて、原料ガスとして、前述のガスのほかに、Ｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ｐ形ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の必要なガスをキャリアガスの水素と共に導入して、第２のｎ形ＧａＮ層５および半導体積層部９の各半導体層をそれぞれ前述の厚さで成長する。この場合、第２の窒化物半導体層５であるｎ形ＧａＮ層５は、基板温度が高いと横方向に成長しやすく、基板温度が低いと縦方向に成長しやすいため、最初は８５０〜１０００℃程度で、開口部が埋まったら９５０〜１１００℃程度で成長し、ｎ形層６は、基板温度を９５０〜１１００℃程度で成長し、活性層７は基板温度を７００〜７７０℃程度にして成長し、その後の各層は再度基板温度を９５０〜１１００℃程度にして成長する。なお、ＩｎＧａＮ系化合物やＡｌＧａＮ系化合物のＩｎやＡｌの組成を変えるには、Ｉｎの原料ガスであるＴＭＩｎ、Ａｌの原料ガスであるＴＭＡの流量を制御することにより変えることができる。

その後、半導体積層部９の表面に、たとえばＺｎＯなどからなり、ｐ形層８とオーミックコンタクトをとることができる透光性導電層１０を０.０１〜５μｍ程度設ける。このＺｎＯは、Ｇａをドープして３〜５×１０^-4Ω・ｃｍ程度の比抵抗になるように成膜する。この透光性導電層１０は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯやＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。

そして、基板１の裏面を研磨して基板１の厚さを１００μｍ程度にした後に、その裏面にＴｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ｐｔ／Ａｕなどを積層してｎ側電極１２を形成し、さらに、透光性導電層１０の表面にリフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｕの積層構造でｐ側電極１１を形成し、最後にプラズマＣＶＤ法により図示しないＳｉＯＮ膜でチップ全体を覆い、電極部に開口部を形成する。その後、ウェハからチップ化することにより、図１に示される構造の発光素子チップが形成される。

本発明によれば、ＺｎＯ系化合物基板に窒化物半導体層を積層しているため、基板の裏面に一方の電極を形成することができ、チップの上下に一対の電極を形成する垂直型の素子とすることができる。しかし、このような半導体基板が用いられる場合でも、図３に示されるように、積層した半導体積層部９の一部をドライエッチングによりエッチングして露出するｎ形層６にｎ側電極１２を形成することができる。この構造にすることにより、ＺｎＯ基板１やＡｌＧａＮ層２ａやＧａＮ層２ａが高抵抗であっても十分に発光が得られる素子ができる。なお、半導体積層部などの構造は図１に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。

図４は、前述のＺｎＯ系化合物基板１の表面にＡｌＧａＮ系化合物からなる第１の窒化物半導体層２、開口部を有するマスク層４を形成して結晶性のよい窒化物半導体層を積層することにより、トランジスタを構成した断面説明図である。発光素子の場合と同様の条件で、ＭＯＣＶＤ装置で、まずアンドープのＡｌＧａＮからなる第１の窒化物半導体層２の第１層２ａ、アンドープのＧａＮからなる第２層２ｂを成長後、マスク層４を形成し開口部を設ける。引き続き前述と同様に必要な有機金属ガスを導入して、アンドープのＧａＮからなる第２の窒化物半導体層５、アンドープのＧａＮ層２３を４μｍ程度、アンドープのＡｌＧａＮ系化合物電子走行層２４を１０ｎｍ程度、ｎ形のＧａＮ層２５を５ｎｍ程度、順次成長し、ゲート長とする１.５μｍ程度の所定の間隔が設けられるようにｎ形のＧａＮ層２５の一部をエッチング除去して電子走行層２４を露出させる。そして、所定の間隔を設けて残されたｎ形のＧａＮ層２５上にソース電極２６とドレイン電極２７を、たとえばＴｉ膜とＡｕ膜とで形成し、アンドープのＡｌＧａＮ系化合物層２４の表面に、たとえばＰｔ膜とＡｕ膜との積層によりゲート電極２８を形成することにより、トランジスタを構成している。このような基板表面に第１の窒化物半導体層２、開口部を有するマスク層４を形成して、その上に第２の窒化物半導体層５を成長させることにより、非常に結晶性の優れた窒化物半導体層が得られ、リーク電流が小さく、耐圧の優れた高速のトランジスタ（ＨＥＭＴ）が得られる。

以上のように、本発明によれば、窒化物半導体層を積層するのに、ＺｎＯのような酸化亜鉛系化合物を基板としながら、その表面に基板と格子定数が近似しアンモニアガスを透過させない第１の窒化物半導体層、および開口部を有するマスク層が設けられているため、アンモニアガスによる基板エッチングが起こらず、高温で半導体積層部を形成することを可能とし、非常に結晶性の優れた窒化物半導体素子を形成することができる。その結果、発光特性の優れたＬＥＤやＬＤ（レーザダイオード）などの窒化物半導体発光素子やリーク電流が小さく耐圧に優れたＨＥＭＴなどの窒化物トランジスタなど、窒化物半導体を用いた素子特性を大幅に向上させることができる。

本発明による窒化物半導体素子の一実施形態であるＬＥＤの断面説明図である。 本発明のマスク層付近の拡大断面説明図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の構造例を示す断面説明図である。 本発明により形成したトランジスタの構成断面説明図である。 ＺｎＯ結晶構造を説明するための図である。 従来の窒化物半導体を用いたＬＥＤの構成例を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第１の窒化物半導体層
４ マスク層
５ 第２の窒化物半導体層
９ 半導体積層部

Claims (5)

1. 酸化亜鉛系化合物からなる基板と、該基板上に設けられる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層上に設けられる開口部を有するマスク層と、該マスク層上に前記開口部から横方向に選択成長される第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層上に半導体素子を形成するように窒化物半導体層が積層される半導体積層部とを有する窒化物半導体素子。
2. 前記第１の窒化物半導体層が、６００〜８００℃の基板温度で、ＭＯＣＶＤ法により５００〜８０００Åの膜厚に形成されてなる請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 前記第１の窒化物半導体層の少なくとも前記基板側が、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０.０５≦ｙ≦０.２）からなる請求項１または２記載の窒化物半導体素子。
4. 前記基板の主面が（０００１）Ｚｎ極性面である請求項１ないし３のいずれか１項記載の窒化物半導体素子。
5. 前記第２の窒化物半導体層上に、ｎ形層、活性層およびｐ形層が発光層を形成するように積層され、半導体発光素子を形成する請求項１ないし４のいずれか１項記載の窒化物半導体素子。

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