JP2010251811A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光出力を向上できる半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、III族窒化物基板３と、活性領域５と、III−Ｖ化合物半導体層７とを備える。活性領域５は、III族窒化物基板３上に設けられており、III−Ｖ化合物半導体から成る。III−Ｖ化合物半導体層７は、活性領域５とIII族窒化物基板３との間に設けられている。III−Ｖ化合物半導体層３は、インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含んでいる。活性領域５は、少なくともインジウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体から成っており、例えばＩｎＧａＮ層を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子に関する。

文献１は、窒化物半導体発光素子が記載されている。窒化物半導体発光素子は、サファイア基板上に設けられたＩｎＧａＮ活性層を含み、この活性層は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層に挟まれている。この窒化物半導体発光素子は、ＡｌＧａＮクラッド層を用いることによって生じる不具合を解消することができるものであり、２つのクラッド層の少なくともいずれか一方がＩｎＧａＮ半導体から形成される。

文献２は、III族窒化物化合物半導体素子が記載されている。このIII族窒化物化合物半導体素子は、ホールに対する障壁を大きくしてキャリアの閉じ込めを高めることができる。キャリア閉じ込めを改善するために、III族窒化物化合物半導体素子では、発光層に接して設けられるｎ型クラッド層をバリア層の厚さより厚くしている。

特開平８−２２８０２５号公報 特開２０００−２８６４４８号公報

文献１の窒化物半導体発光素子では、ＩｎＧａＮクラッド層がバッファ層として作用するためには、活性層とｎ型クラッド層との組み合わせ、活性層とｐ型クラッド層との組み合わせ、活性層とｐ型およびｎ型クラッド層との組み合わせにおいて、その組み合わせたＩｎＧａＮ層の総和膜厚が３００オングストローム以上であることが求められる。しかしながら、この窒化物半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ半導体層の膜厚が厚くなるので、貫通転位がピット状に広がり、結果として発光特性が劣化することになる。

文献２のIII族窒化物化合物半導体素子では、ｎ型クラッド層は、ＧａＮ半導体から成り、また色純度を良くするためには、５００オングストロームを以下であることを必要としている。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、光出力を向上できる半導体素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、半導体素子は、（ａ）III族窒化物基板と、（ｂ）一または複数のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を含みIII族窒化物基板上に設けられた活性領域と、（ｃ）インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含んでおり前記活性領域と前記III族窒化物基板との間に設けられたIII−Ｖ化合物半導体層とを備え、前記活性領域は一または複数のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を含む。
また、本発明の一側面によれば、半導体素子は、（ａ）III族窒化物基板と、（ｂ）一または複数のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を含みIII族窒化物基板上に設けられた活性領域と、（ｃ）インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含んでおり前記活性領域と前記III族窒化物基板との間に設けられた単層のIII−Ｖ化合物半導体層とを備え、前記活性領域は一または複数のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を含む。

この半導体素子では、ＩｎＧａＮ半導体層はIII族窒化物基板から応力を受ける。インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体層が活性領域とIII族窒化物基板との間に設けられたので、活性領域に加わる過度の歪みが低減される。

本発明の半導体素子では、前記III−Ｖ化合物半導体層はＩｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体（０＜Ｙ≦０．５、０＜Ｚ≦０．５）層であるようにしてもよい。
本発明の半導体素子では、前記III−Ｖ化合物半導体層はＩｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体（０＜Ｙ≦０．５、０≦Ｚ≦０．５）層であるようにしてもよい。

この半導体素子では、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体層において、０＜Ｙ≦０．５および０≦Ｚ≦０．５の範囲が歪みを低減するために有効である。

本発明の半導体素子では、前記III−Ｖ化合物半導体層は３０ナノメートル以上であるようにしてもよい。

この半導体素子では、３０ナノメートル以上のIII−Ｖ化合物半導体層によれば、活性領域に加わる歪みを低減することができる。

本発明の半導体素子では、前記III−Ｖ化合物半導体層は１マイクロメートル以下であることが好ましい。

この半導体素子では、III−Ｖ化合物半導体層が１マイクロメートル以下であれば、このIII−Ｖ化合物半導体層を用いることによる寄生的な影響が活性領域の特性に大きく影響しない。

本発明の半導体素子では、前記III族窒化物基板は、１×１０^７ｃｍ^−２未満の貫通転位密度を有する窒化ガリウム基板であるようにしてもよい。

半導体素子では、貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２未満であると、貫通転位に起因するピットによる影響が、該半導体素子の特性にあまり現れない。

本発明の半導体素子では、前記III族窒化物基板は窒化ガリウム基板であり、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体の格子定数（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}）とＧａＮ半導体の格子定数（Ｄ_ＧａＮ）との比（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}／Ｄ_ＧａＮ）は０．９７以上であり、前記比は１．０３以下であることが好ましい。

この半導体素子では、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体の格子定数は、該半導体の組成を調整することによって窒化ガリウム半導体の格子定数に近くできる。格子定数の比（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}／Ｄ_ＧａＮ）は０．９７以上であれば、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体層は、窒化ガリウム基板から受ける引っ張り歪みを低減することができる。格子定数の比（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}／Ｄ_ＧａＮ）は１．０３以下であれば、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体層は、窒化ガリウム基板から受ける圧縮歪みを低減することができる。

本発明の半導体素子は、（ｄ）III−Ｖ化合物半導体のｐ型半導体層を更に備え、前記III−Ｖ化合物半導体層は、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体（０＜Ｙ≦０．５、０≦Ｚ≦０．５）のｎ型半導体層であり、前記活性領域は前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に設けられ、前記ｎ型半導体層は前記活性領域に対して電位障壁を有するようにしてもよい。

この半導体素子では、ｎ型半導体層は活性領域にホールを閉じ込めるように働くと共に、活性領域に加わる過度の歪みを低減するように働く。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、光出力を向上できる半導体素子が提供される。

図１（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る半導体素子を示す図面である。図１（Ｂ）は、本実施の形態の一変形例を示す図面である。 図２は、第２の実施の形態に係る半導体素子を示す図面である。 図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、本実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャル基板を形成する方法及び窒化ガリウム系半導体デバイスを製造する方法を示す図面である。 図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、本実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャル基板を形成する方法及び窒化ガリウム系半導体デバイスを製造する方法を示す図面である。 図５（Ａ）は、発光ダイオードＡの活性領域の表面モフォロジを示す図面である。図５（Ｂ）は、発光ダイオードＣの活性領域の表面モフォロジを示す図面である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体素子、その製造方法、エピタキシャル基板およびその製造方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る半導体素子を示す図面である。図１（Ａ）を参照すると、半導体発光素子１といった半導体素子が示されている。半導体発光素子１は、III族窒化物基板３と、活性領域５と、III−Ｖ化合物半導体層７とを備える。活性領域５は、III族窒化物基板３上に設けられており、III−Ｖ化合物半導体から成る。III−Ｖ化合物半導体層７は、活性領域５とIII族窒化物基板３との間に設けられている。III−Ｖ化合物半導体層７は、インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含んでいる。活性領域５は、少なくともインジウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体から成っており、例えばＩｎＧａＮ層を含む。

半導体発光素子１では、活性領域５のＩｎＧａＮ半導体層はIII族窒化物基板３から応力を受ける。インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体層７が活性領域５とIII族窒化物基板３との間に設けられたので、活性領域５に加わる過度の歪みが低減される。活性領域に加わる応力が小さくなるので、半導体発光素子の光出力が大きくなる。

好適な実施例では、活性領域５は、好適な実施例ではＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層である。その組成Ｘは、ゼロより大きく０．５以下である。

半導体発光素子１では、III−Ｖ化合物半導体層７はＩｎＡｌＧａＮ半導体層であることができる。ＩｎＡｌＧａＮ半導体層は、歪みを低減するために有効である。好ましくは、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体の組成Ｙは、ゼロより大きく０．５以下であり、組成Ｚは、ゼロ以上０．５以下である。インジウムの組成Ｙが０．５以下であれば、成長温度を下げること無く良好な結晶品質のＩｎＡｌＧａＮ半導体が得られる。アルミニウムの組成Ｚが０．５以下であれば、ＩｎＡｌＧａＮ半導体の格子定数をＧａＮ半導体の格子定数に近づけることができる。

半導体発光素子１は、III族化合物基板を用いて製造されており、好適には、III族化合物基板は窒化物から成る。III族化合物基板は、導電性、例えばｎ導電型を示しており、低い抵抗値を有することが好ましい。また、III族窒化物基板３は、１×１０^７ｃｍ^−２未満の貫通転位密度を有する窒化ガリウム基板であるようにしてもよい。貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２未満であると、貫通転位に起因するピットが、半導体発光素子の特性にあまり影響しない。

半導体発光素子１では、III−Ｖ化合物半導体層７は３０ナノメートル以上であるようにしてもよい。III−Ｖ化合物半導体層７が３０ナノメートル以上であれば、活性領域５に加わる歪みを低減することができる。好ましくは、５０ナノメートルを超える厚さのIII−Ｖ化合物半導体層７によれば、活性領域５に加わる歪みを十分に低減することができる。また、半導体発光素子では、III−Ｖ化合物半導体層７は１マイクロメートル以下であることが好ましい。この半導体発光素子１では、III−Ｖ化合物半導体層が１マイクロメートル以下であれば、III−Ｖ化合物半導体層を用いることによる寄生的な作用が活性領域の特性に大きく影響しない。例えば、III−Ｖ化合物半導体層の厚さが大きい場合、半導体発光素子の光出力が低下することがある。

半導体発光素子１は、第１のクラッド層９を含む。第１のクラッド層９は、活性領域５とIII−Ｖ化合物半導体層７との間に設けられている。また、半導体発光素子１は、第２のクラッド層１１を含む。活性領域５は、第１のクラッド層９と第２のクラッド層１１との間に設けられている。第１のクラッド層９および第２のクラッド層１１は、活性領域５にキャリアを閉じ込める。第１のクラッド層９は、例えば、ＩｎＧａＮ半導体から成ることができる。第２のクラッド層１１は、例えば、ＩｎＧａＮ半導体から成ることができる。第１のクラッド層９の一部または全部はｎ型導電性を示すことが好ましく、第２のクラッド層１１の一部または全部はｐ型導電性を示すことが好ましい。第１のクラッド層９および第２のクラッド層１１の各々は、単一の半導体材料から成るものに限定されること無く、また、第１のクラッド層９および第２のクラッド層１１は、互いに異なる導電性を示し互いに異なる組成の半導体層から構成されることができる。

半導体発光素子１は、コンタクト層１３を含む。コンタクト層１３は、第２のクラッド層上に設けられており、III族窒化物基板３の導電型と異なる導電型を有している。本実施例では、コンタクト層１３はｐ導電性を示しており、低い抵抗値を有する。

半導体発光素子１は、バッファ層１５を含むことができる。バッファ層１５は、III族窒化物基板３とIII−Ｖ化合物半導体層７との間に設けられている。バッファ層１５は、III族窒化物基板３の導電型と同じ導電型を有しており、好ましくは、III族窒化物基板３と同じ組成の半導体から成る。また、半導体発光素子１は、コンタクト層１３上に設けられた電極１７ａを含むことができ、III族窒化物基板３の裏面３ａに設けられた電極１７ｂを含むことができる。

また、III族窒化物基板３として、窒化ガリウム基板、窒化アルミニウム基板、窒化アルミニウムガリウム基板等を用いることができる。

半導体発光素子１の一実施例は下記の構造
III族窒化物基板３：ｎ型ＧａＮ半導体単結晶基板
活性領域５：アンドープＩｎＧａＮ半導体
III−Ｖ化合物半導体層７：シリコンドープｎ型ＩｎＡｌＧａＮ半導体
第１のクラッド層９：シリコンドープｎ型ＩｎＧａＮ半導体
第２のクラッド層１１：マグネシウムドープｐ型ＩｎＧａＮ半導体
コンタクト層１３：マグネシウムドープｐ型ＧａＮ半導体
バッファ層１５：シリコンドープｎ型ＧａＮ半導体
電極１７ａ：アノード電極
電極１７ｂ：カソード電極
である。

好適な実施例では、半導体発光素子１のIII族窒化物基板３は窒化ガリウム基板である。Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}ＮＮ半導体の格子定数は、該半導体の組成を調整することによって窒化ガリウム半導体の格子定数に近くできる。ＧａＮ半導体の格子定数（Ｄ_ＧａＮ）とＩｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体の格子定数（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}）との比（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}／Ｄ_ＧａＮ）が０．９７以上であれば、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体層は、窒化ガリウム基板から受ける引っ張り歪みを低減することができる。格子定数の比（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}／Ｄ_ＧａＮ）は１．０３以下であれば、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１―Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体層は、窒化ガリウム基板から受ける圧縮歪みを低減することができる。

図１（Ｂ）は、本実施の形態の一変形例を示す図面である。半導体発光素子１ａは、量子井戸構造を有する発光領域５ａを含む。発光領域５ａは、井戸層１９ａおよびバリア層１９ｂを含むことができる。井戸層１９ａは、少なくともインジウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体から成っており、例えばＩｎ_ＵＧａ_１−ＵＮ層を含む。その組成Ｕは、ゼロより大きく０．５以下である。バリア層１９ｂは、少なくともインジウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体から成っており、例えばＩｎ_ＶＧａ_１−ＶＮ層を含む。その組成Ｖは、ゼロより大きく、０．５以下である。

量子井戸構造の一実施例を示せば、３周期の
井戸層１９ａ：Ｉｎ_ＵＧａ_１−ＵＮ層
厚さ：３ナノメートル
バリア層１９ｂ：Ｉｎ_ＶＧａ_１−ＶＮ層
厚さ：１５ナノメートル
である。

この半導体発光素子１ａでは、活性領域５内の井戸層１９ａおよびバリア層あ９ｂ（ＩｎＧａＮ半導体）はIII族窒化物基板３から応力を受ける。インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体層７が活性領域５とIII族窒化物基板３との間に設けられたので、活性領域５に加わる過度の歪みが低減される。また、活性領域に加わる応力が小さくなるので、半導体発光素子の光出力が大きくなる。

必要な場合には、活性領域５は、光閉じ込め層といった追加の半導体層を含むことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光出力を向上できる半導体発光素子１、１ａが提供される。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る半導体素子を示す図面である。図２を参照すると、半導体発光素子１ｂといった半導体素子が示されている。半導体発光素子１ｂは、III−Ｖ化合物半導体層７に替えて、III−Ｖ化合物半導体層２５を備える。III−Ｖ化合物半導体層２５は、III−Ｖ化合物半導体層７と同様に、少なくともインジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体から成る。III−Ｖ化合物半導体層２５は、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体（０＜Ｙ≦０．５、０≦Ｚ≦０．５）のｎ型半導体層である。半導体発光素子１ｂは、III−Ｖ化合物半導体のｐ型半導体層１１ａを更に備えることができる。活性領域３はｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層２５との間にある。ｐ型半導体層１１ａは活性領域３に対して電位障壁を有しており、ｎ型半導体層２５は活性領域３に対して電位障壁を有する。

この半導体発光素子１ｂでは、活性領域５のＩｎＧａＮ半導体層はIII族窒化物基板３から応力を受ける。III−Ｖ化合物半導体層２５がインジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含んでおり、また活性領域５とIII族窒化物基板３との間に設けられている。これ故に、活性領域５に加わる過度の歪みが低減される。また、活性領域５に加わる応力が小さくなるので、半導体発光素子１ｂの光出力が大きくなる。加えて、ｎ型半導体層２５は活性領域５にホールを閉じ込めるように働くと共に、活性領域５に加わる過度の歪みを低減するように働く。III−Ｖ化合物半導体層２５は、クラッド層としても働いている。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光出力を向上できる半導体発光素子１ｂが提供される。

（第３の実施の形態）
図３（Ａ）〜図３（Ｃ）、図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、本実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャル基板を形成する方法及び窒化ガリウム系半導体デバイスを製造する方法を示す図面である。

単結晶窒化ガリウム基板２１を準備する。III族窒化物膜の成長に先立って、図３（Ａ）に示されるように、有機金属気相エピタキシャル成長（ＯＭＶＰＥ）装置２３内において窒化ガリウム基板２１の前処理を行う。ＯＭＶＰＥ装置２３のサセプタ２３ａ上に窒化ガリウム基板２１を置く。プロセスガスを流しながら窒化ガリウム基板２１を熱処理して、窒化ガリウム基板２１の表面２１ａの平坦化を行う。この平坦化により、機械研磨によって生じた窒化ガリウム基板２１の表面２１ａの研磨キズを小さくできる。好適な実施例では、プロセスガスはアンモニア（ＮＨ_３）および水素（Ｈ_２）を含むことができる。

図３（Ｂ）に示されるように、原料ガスを用いて窒化ガリウム基板２１の主面２１ａ上にIII族窒化物半導体膜２９を形成する。本実施例では、ＯＭＶＰＥ装置２３を用いて第１導電型のＧａＮ膜を窒化ガリウム基板２１の主面２１ａ上に直接に成長している。サセプタ温度は前処理温度より高い温度、例えば摂氏１０５０度に設定されている。原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を含むことができる。膜厚は、例えば、１．０マイクロメートルである。必要な場合には、ｎ型ドーパントのためにシラン（ＳｉＨ_４）を使用できる。この工程の後に、窒化ガリウム基板上に形成されたIII族窒化物半導体膜を含む窒化物半導体エピタキシャル基板３２ａが得られる。

図３（Ｃ）に示されるように、デバイス領域を形成する。デバイス領域のために、第１導電型のIII族窒化物半導体膜３１を窒化ガリウム基板２１の主面２１ａ上に形成する。本実施例では、III族窒化物半導体膜３１は、少なくともインジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体膜である。サセプタ温度はＧａＮ膜の成膜温度より低い温度、例えば摂氏８３０度に設定されている。原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を含むことができる。膜厚は、例えば、６００ナノメートルである。必要な場合には、ｎ型ドーパントのためにシラン（ＳｉＨ_４）を使用して、この膜の一部および全部をｎ導電型にすることができる。この半導体膜３１はＩｎＡｌＧａＮ半導体から成るようにしてもよい。ＩｎＡｌＧａＮ半導体層は、歪みを低減するために有効である。好ましくは、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体の組成Ｙは、ゼロより大きく０．５以下であり、組成Ｚは、ゼロ以上０．５以下である。

図３（Ｃ）に示されるように、デバイス領域のために、例えば活性領域といった一または複数の別のIII族窒化物半導体膜３３をIII族窒化物半導体膜３１上に形成する。本実施例では、多重量子井戸構造を有する活性領域を形成する。活性領域は、例えばＳＱＷ構造またはＭＱＷ構造を有することができる。多重量子井戸構造の井戸層のために、例えばＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ膜が成長される。また、障壁層のために、例えば、井戸層よりバンドギャップが大きいＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９９Ｎ膜が成長される。例えば、発光ダイオードを作製するために、３つの薄い井戸層を有する多重量子井戸構造を作製する。これらの膜の成長温度は、ＧａＮ膜の成長におけるサセプタ温度よりサセプタ温度を低くする。障壁層および井戸層の成膜温度は、例えば摂氏８３０度である。障壁層の厚さは、例えば１５ナノメートルであり、井戸層の厚さは、例えば３ナノメートルである。この工程の後に、窒化ガリウム基板上に形成された複数の窒化ガリウム系膜を有する窒化物半導体エピタキシャル基板が得られる。

次いで、図３（Ｃ）に示されるように、更なる別のIII族窒化物半導体膜３５を窒化ガリウム基板２１の主面２１ａ上に形成する。本実施例では、ＯＭＶＰＥ装置２３を用いてＡｌＧａＮ膜を活性領域上に成長している。原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を含むことができる。必要な場合には、ｐ型ドーパントのためにビスシクロペンタディエニルマグネシウム（ＣＰ_２Ｍｇ）を用いることができる。ＭｇドープのＡｌＧａＮ膜を形成して、例えばｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ膜を得る。サセプタ温度は活性領域の成膜温度より高い。成膜温度は、例えば摂氏１０５０度である。膜厚は、例えば２０ナノメートルである。この工程の後に、窒化ガリウム基板上に形成された複数のIII族窒化物半導体膜を有する窒化物半導体エピタキシャル基板が得られる。

続いて、図３（Ｃ）に示されるように、更なる別のIII族窒化物半導体膜３７を窒化ガリウム基板２１の主面２１ａ上に形成する。本実施例では、ＯＭＶＰＥ装置２３を用いてＧａＮ膜をｐ型ＡｌＧａＮ膜上に成長している。原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を含むことができる。ｐ型ドーパントとしてＣＰ_２Ｍｇを用いることができる。例えば、ＭｇドープのＧａＮ膜を形成してｐ型ＧａＮ膜を得る。成膜温度は、例えば摂氏１０５０度である。膜厚は、例えば。５０ナノメートルである。この工程によって、窒化ガリウム基板上に形成された複数のIII族窒化物半導体膜を有する窒化物半導体エピタキシャル基板３２ｂが得られる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＧａＮ基板を用いる窒化物半導体エピタキシャル基板が提供される。

この後に、図４（Ａ）に示されるように、窒化ガリウム基板２１の裏面２１ｂの一部または全面にｎ型のオーミック電極３９を形成する。図３（Ｃ）に示される工程において作製されたエピタキシャル膜上に、ｐ型のオーミック電極およびパッド電極４１を形成する。ｐ型のオーミック電極およびパッド電極４１は、アレイ状に配列されている。

パッド電極を形成した後に、図４（Ｂ）に示される破線ＣＵＴ１、ＣＵＴ２に沿って基板を分離して、発光ダイオードといった半導体発光デバイス５１を得る。これらの製造工程を用いて、窒化物半導体デバイスを製造できる。

この方法により作製された発光ダイオードＡは青色の光を発生する。この発光ダイオードＡに連続的に電流を印加したとき、電流値２０ミリアンペアにおいて波長４５０ナノメートルの光が出力され、光パワーは１０ミリワットである。

活性領域と基板との間にＩｎＡｌＧａＮ半導体層を含むこと無くｎ型ＧａＮ膜上に直接に活性領域を形成した発光ダイオードＢを作製している。発光ダイオードＢに連続的に電流を印加したとき、電流値２０ミリアンペアにおいて波長４５０ナノメートル程度の光が出力され、光パワーは１ミリワットである。

発光ダイオードＡの窒化ガリウム基板に替えてサファイア基板を有する発光ダイオードＣを作製している。サファイア基板上には、０．１マイクロメートル厚のｎ型ＧａＮ膜が形成されている。このｎ型ＧａＮ膜上には、６０ナノメートル厚のＩｎＡｌＧａＮ半導体膜が形成されている。このＩｎＡｌＧａＮ半導体膜上には、発光ダイオードＡと同様の構造を有する活性領域が設けられている。次いで、摂氏１０５０度の成膜温度で、マグネシウムドープのＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ半導体層が堆積される。この後に、摂氏１０５０度の成膜温度で、マグネシウムドープのＧａＮ半導体層が堆積される。この発光ダイオードＣに連続的に電流を印加したとき、電流値２０ミリアンペアにおいて波長４５０ナノメートル程度の光が出力され、光パワーは１ミリワットである。

図５（Ａ）は、発光ダイオードＡの活性領域の表面モフォロジを示す図面である。図５（Ｂ）は、発光ダイオードＣの活性領域の表面モフォロジを示す図面である。これらの図面は、走査型電子顕微鏡からのデータを用いて作製されている。両図面を比較すると、サファイア基板上に形成された活性領域の表面には、多数のピットが観測される。これらのピットに起因するリーク電流によって、光パワーは大きくならない。発光ダイオードＣに連続的に電流を印加したとき、電流値２０ミリアンペアにおいて波長４５０ナノメートル程度の光が出力され、光パワーは１ミリワットである。ＩｎＡｌＧａＮ半導体膜は、ＧａＮ基板といったIII族窒化物基板と活性領域との間に設けられるとき、光出力を増加することにおいて有効である。

これまでに説明されたエピタキシャル基板を製造する方法によって、例えば、次のようなエピタキシャル基板が製造できる。このエピタキシャル基板は、III族窒化物ウエハと、活性領域と、活性領域とIII族窒化物基板との間に設けられたIII−Ｖ化合物半導体膜とを備える。エピタキシャル基板では、活性領域は、一または複数のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を含みIII族窒化物基板上に設けられている。III−Ｖ化合物半導体膜、少なくともインジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体から成る。このエピタキシャル基板から製造される半導体素子では、活性領域に加わる応力が低減されている。

また、別のこのエピタキシャル基板は、III族窒化物ウエハと、量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ半導体領域と、ＩｎＧａＮ半導体領域とIII族窒化物基板との間に設けられたIII−Ｖ化合物半導体膜とを備える。エピタキシャル基板では、ＩｎＧａＮ半導体領域は、ＩｎＧａＮ井戸層およびＩｎＧａＮバリア層を含む。III−Ｖ化合物半導体膜、少なくともインジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含む半導体から成る。このエピタキシャル基板から製造される半導体素子では、ＩｎＧａＮ半導体領域に加わる応力が低減されている。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、発光ダイオードといった半導体発光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、窒化ガリウム基板上に形成された窒化ガリウム膜について例示的に説明しているけれども、III族窒化物半導体膜を形成することもできる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

１、１ａ、１ｂ…半導体発光素子、３…III族窒化物基板、５…活性領域、７…III−Ｖ化合物半導体層、９…第１のクラッド層、１１…第２のクラッド層、１１ａ…ｐ型半導体層、１３…コンタクト層、１５…バッファ層、１７ａ、１７ｂ…電極、５ａ…発光領域、１９ａ…井戸層、１９ｂ…バリア層、２５…III−Ｖ化合物半導体層、２１…単結晶窒化ガリウム基板、２３…ＯＭＶＰＥ装置、２３ａ…サセプタ、２９…III族窒化物半導体膜、３１…第１導電型のIII族窒化物半導体膜、３２…窒化物半導体エピタキシャル基板、３３…III族窒化物半導体膜、３５…III族窒化物半導体膜、３７…III族窒化物半導体膜、３９…ｎ型のオーミック電極、４１…ｐ型のオーミック電極およびパッド電極、ＣＵＴ１、ＣＵＴ２…切断線

Claims (7)

1. III族窒化物基板と、
   一または複数のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を含みIII族窒化物基板上に設けられた活性領域と、
   インジウム元素、アルミニウム元素、ガリウム元素および窒素元素を含んでおり前記活性領域と前記III族窒化物基板との間に設けられた単層のIII−Ｖ化合物半導体層と
   を備える半導体素子。
2. 前記III−Ｖ化合物半導体層はＩｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体（０＜Ｙ≦０．５、０＜Ｚ≦０．５）層である、請求項１に記載された半導体素子。
3. 前記III−Ｖ化合物半導体層は３０ナノメートル以上である、請求項１または請求項２に記載された半導体素子。
4. 前記III−Ｖ化合物半導体層は１マイクロメートル以下である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された半導体素子。
5. 前記III族窒化物基板は、１×１０^７ｃｍ^−２未満の貫通転位密度を有する窒化ガリウム基板である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された半導体素子。
6. 前記III族窒化物基板は窒化ガリウム基板であり、
   Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ―Ｚ}Ｎ半導体の格子定数（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}）とＧａＮ半導体の格子定数（Ｄ_ＧａＮ）との比（Ｄ_{ＩｎＡｌＧａＮ}／Ｄ_ＧａＮ）は０．９７以上であり、
   前記比は１．０３以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された半導体素子。
7. III−Ｖ化合物半導体のｐ型半導体層を更に備え、
   前記III−Ｖ化合物半導体層は、Ｉｎ_ＹＡｌ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ半導体（０＜Ｙ≦０．５、０≦Ｚ≦０．５）のｎ型半導体層であり、
   前記活性領域は前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に設けられ、
   前記ｎ型半導体層は前記活性領域に対して電位障壁を有する、請求項１に記載された半導体素子。

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