JP2011258988A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To constitute a semiconductor element from a group III nitride semiconductor layer exhibiting excellent crystallinity and planarity of surface when constituting a semiconductor element by using a group III nitride semiconductor layer on a silicon crystal substrate.SOLUTION: In a semiconductor element having a superlattice structure layer consisting of a silicon single crystal substrate, a silicon carbide layer provided on that substrate, a group III nitride semiconductor junction layer provided in contact with the silicon carbide layer, and a group III nitride semiconductor layer on the group III nitride semiconductor junction layer, the silicon carbide layer is a layer of nonstoichiometric composition of cubic crystal having a lattice constant of 0.436-0.460 nm and containing silicon affluently in the composition, and the group III nitride semiconductor junction layer has a composition of AlGaInNM(0≤X, Y, Z≤1, X+Y+Z=1, 0≤α<1 where M is a group V element other than nitrogen).

Description

本発明は、珪素単結晶を基板と、その基板上に形成されたIII族窒化物半導体層を備えた積層構造を使用して構成される半導体素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor element configured using a laminated structure including a silicon single crystal substrate and a group III nitride semiconductor layer formed on the substrate.

窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニウム(AlN)などは、従来から、III族窒化物半導体として知られている。これらのIII族窒化物半導体材料は、青色或いは緑色等の短波長の可視光を発する発光ダイオード(英略称:LED)やレーザーダイオード(英略称:LD)等の半導体発光素子を構成するために利用されている(例えば、特許文献1参照。)。また、高周波トランジスタ等の電子デバイスを構成するために利用されている(例えば、非特許文献1参照)。
この様なIII族窒化物半導体材料からなる半導体素子は 、サファイア(α−Al2O3)バルク単結晶(例えば、特許文献2参照。)或いは立方晶(cubic)の炭化珪素(SiC)バルク(bulk)単結晶を基板として構成されている(例えば、特許文献3参照。)。例えば、サファイア基板上にIII族窒化物半導体材料からなるクラッド(clad)層及び発光層等を備えた積層構造体を利用してLEDが製造されるに至っている(例えば、特許文献4参照。)。
しかしながら、III族窒化物半導体素子用の基板として常用されるサファイアは、電気絶縁性であるため、例えば、静電気等に対して耐電圧性の高いIII族窒化物LEDを得るのが容易ではないとの問題がある。また、サファイアは然して熱伝導性が良好ではないため、基板の放熱性を利用した低損失の電界効果形トランジスタ(英略称:FET)を作製するのは困難であった。導電性があり、また熱伝導性に優れる炭化珪素バルク単結晶を基板とすれば 、静電気等に対して耐電圧性に優れるLEDや放熱性に優れるFETを構成するに利便となる。しかし、基板として利用するために適度に大きな口径の炭化珪素バルク単結晶は高価であり、民生用の汎用III族窒化物半導体素子を製造する際に不利となっている。
Gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), and the like are conventionally known as group III nitride semiconductors. These group III nitride semiconductor materials are used to construct semiconductor light emitting elements such as light emitting diodes (English abbreviation: LED) and laser diodes (abbreviation: LD) that emit visible light having a short wavelength such as blue or green. (For example, refer to Patent Document 1). In addition, it is used to configure electronic devices such as high-frequency transistors (for example, see Non-Patent Document 1).
A semiconductor element made of such a group III nitride semiconductor material is a sapphire (α-Al 2 O 3) bulk single crystal (for example, see Patent Document 2) or a cubic silicon carbide (SiC) bulk single crystal. A crystal is used as a substrate (see, for example, Patent Document 3). For example, an LED has been manufactured using a laminated structure including a clad layer made of a group III nitride semiconductor material and a light emitting layer on a sapphire substrate (see, for example, Patent Document 4). .
However, sapphire that is commonly used as a substrate for a group III nitride semiconductor device is electrically insulating. For example, it is not easy to obtain a group III nitride LED with high voltage resistance against static electricity or the like. There is a problem. Further, since sapphire does not have good thermal conductivity, it has been difficult to produce a low-loss field effect transistor (English abbreviation: FET) using the heat dissipation of the substrate. If a silicon carbide bulk single crystal having conductivity and excellent thermal conductivity is used as a substrate, it is convenient to construct an LED having excellent voltage resistance against static electricity or the like and an FET having excellent heat dissipation. However, a silicon carbide bulk single crystal having a reasonably large diameter for use as a substrate is expensive, which is disadvantageous in producing a general-purpose group III nitride semiconductor device for consumer use.

一方、珪素単結晶(シリコン)は、元来、熱伝導性に優れる上に、良導性の大口径単結晶が既に量産されるに至っている。従って、良導性で大口径のシリコンを基板として利用すれば、例えば、静電気等に対して耐性が高い、廉価な汎用LEDを実用化できると期待される。また、高抵抗でありながら、熱伝導率の高いシリコンを基板とすれば、低損失の高周波帯域通信用FETを実現できると期待される。しかしながら、珪素単結晶の格子定数(=a)は0.543nmであり、III族窒化物半導体、例えば、六方晶GaNのa軸格子定数は3.189Åであるため、双方の材料間には大きな格子ミスマッチ(mismatch)がある。立方晶のGaN(a=0.451nm)に対しても、珪素単結晶とのミスマッチは大きい。このため、珪素単結晶基板上には、結晶欠陥の少ない良質なIII族窒化物半導体層を安定して形成するのが難しい欠点があった。   On the other hand, silicon single crystals (silicon) are originally excellent in thermal conductivity and well-developed large-diameter single crystals have already been mass-produced. Therefore, it is expected that a low-cost general-purpose LED having high resistance to static electricity or the like can be put into practical use by using a highly conductive and large-diameter silicon as a substrate. Further, it is expected that a low-loss high-frequency band communication FET can be realized by using silicon having a high resistance and a high thermal conductivity as a substrate. However, the lattice constant (= a) of silicon single crystal is 0.543 nm, and the a-axis lattice constant of group III nitride semiconductors such as hexagonal GaN is 3.1893, so there is a large gap between both materials. There is a lattice mismatch. Even for cubic GaN (a = 0.451 nm), the mismatch with the silicon single crystal is large. Therefore, it has been difficult to stably form a high-quality group III nitride semiconductor layer with few crystal defects on a silicon single crystal substrate.

格子ミスマッチの大きな単結晶基板上に、III族窒化物半導体層を設ける際には、双方の格子の不整合性を緩和するための緩衝(buffer)層を設けるのが従来からの技術である。従来技術に於いて、緩衝層は例えば、AlNやGaN等のIII族窒化物半導体材料から構成されている(例えば、特許文献5参照。)。しかしながら、珪素単結晶と立方晶或いは六方晶のAlNまたはGaNとの格子ミスマッチが大きく、充分に格子歪を緩和できない。このため、従来のIII族窒化物半導体材料からなる緩衝層として用いて、III族窒化物半導体層を形成しようとしても、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層を安定して形成出来ないことが問題となっている。
また、珪素単結晶を基板として、その上にIII族窒化物半導体層を形成するに際し、立方晶3C型の炭化珪素(3C−SiC)の薄膜層を介して、III族窒化物半導体層を形成する従来技術も知られている(例えば、非特許文献2参照。)。しかしながら、3C−SiC薄膜層の性質に依って、その上層のIII族窒化物半導体層の結晶性などが顕著に変化するため、良質のIII族窒化物半導体層を安定して形成出来ない難点がある。また、SiCから成る緩衝層を用いても、その上に形成したIII族窒化物半導体層は、必ずしも、表面の平坦性に優れるものとはなり得な問題がある。
When providing a group III nitride semiconductor layer on a single crystal substrate having a large lattice mismatch, it is a conventional technique to provide a buffer layer for relaxing mismatch of both lattices. In the prior art, the buffer layer is made of a group III nitride semiconductor material such as AlN or GaN (see, for example, Patent Document 5). However, the lattice mismatch between the silicon single crystal and cubic or hexagonal AlN or GaN is large, and the lattice strain cannot be relaxed sufficiently. For this reason, even if an attempt is made to form a group III nitride semiconductor layer using a conventional group III nitride semiconductor material as a buffer layer, the group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity cannot be stably formed. It is a problem.
Further, when a group III nitride semiconductor layer is formed on a silicon single crystal as a substrate, a group III nitride semiconductor layer is formed through a thin film layer of cubic 3C-type silicon carbide (3C-SiC). The prior art to do is also known (for example, refer nonpatent literature 2). However, depending on the properties of the 3C-SiC thin film layer, the crystallinity and the like of the upper group III nitride semiconductor layer is remarkably changed. Therefore, there is a difficulty in stably forming a high-quality group III nitride semiconductor layer. is there. Even when a buffer layer made of SiC is used, the group III nitride semiconductor layer formed thereon does not necessarily have excellent surface flatness.

特公昭54−3834号公報Japanese Patent Publication No.54-3834 特開平6−151963号公報JP-A-6-151963 特開平6−326416号公報JP-A-6-326416 特開平6−151966号公報JP-A-6-151966 特開平6−314659号公報JP-A-6-314659

エム・エー・カーン(M.A.Khan)他、アプライド フィジ クス レターズ(Appl.Phys.Lett.)、アメリカ合衆国、1993年 、第62巻、1786頁MA Khan et al., Applied Physics Letters, USA, 1993, 62, 1786. ティー・キクチ(T.Kikuchi)他、ジャーナルオブ クリスタル グロース(J.Crystal Growth)、オランダ、2005年、 第271巻、第1−2号、e1215頁〜e1221頁T. Kikuchi et al., Journal of Crystal Growth, Netherlands, 2005, Vol.271, No.1-2, e1215-e1221

導電性及び放熱性に優れ、しかも大口径の単結晶が既に、量産されている珪素単結晶を基板とした光学的及び電気的特性に優れる半導体素子を得るには、基板との格子ミスマッチを好適に緩和して、良質のIII族窒化物半導体層をもたらせる構成から成る緩衝層が必要である。例えば、珪素単結晶基板上にIII族窒化物半導体層を形成するに際し、SiC層を緩衝層として用いる場合にあっても、双方の材料間の格子ミスマッチを好適に緩和できる構成からなるSiC緩衝層が必要である。   In order to obtain a semiconductor element that has excellent electrical and electrical characteristics with excellent conductivity and heat dissipation and also has a large-diameter single crystal that has already been mass-produced using a silicon single crystal as a substrate, a lattice mismatch with the substrate is suitable. Therefore, there is a need for a buffer layer having a structure that can be relaxed to provide a high-quality group III nitride semiconductor layer. For example, when forming a group III nitride semiconductor layer on a silicon single crystal substrate, even if the SiC layer is used as a buffer layer, the SiC buffer layer having a configuration that can suitably relax the lattice mismatch between the two materials is required.

更に、格子ミスマッチを緩和するに有効な構成から成るSiC緩衝層を用いるに加えて、結晶性に優れ、且つ表面の平坦性にも優れるIII族窒化物半導体層をもたらすための緩衝層上の積層構造にも創意が必要である。また、特性に優れる半導体素子を製造するには、そのSiC緩衝層と、表面の平坦性に優れる良質のIII族窒化物半導体層とを安定してもたらすための製造方法が必要である。   Furthermore, in addition to using a SiC buffer layer having a structure effective for alleviating lattice mismatch, lamination on the buffer layer to provide a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity and excellent surface flatness. The structure also needs to be creative. In addition, in order to manufacture a semiconductor element having excellent characteristics, a manufacturing method for stably providing the SiC buffer layer and a high-quality group III nitride semiconductor layer having excellent surface flatness is required.

即ち、単結晶からなる基板と、その単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素(SiC)層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたIII族窒化物半導体接合層と、そのIII族窒化物半導体層上に設けられたIII族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子にあって、本発明の半導体素子は、(1)基板を珪素単結晶とし、その基板上に設けられた、格子定数が0.436nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素からなる炭化珪素層と、その上に設けられたAlGaIn1−αα(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)以外の第V族元素を表し、0≦α<1である。)III族窒化物半導体接合層と、その上に設けられたIII族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えている、ことを特徴としている。 That is, a substrate made of a single crystal, a silicon carbide (SiC) layer provided on the surface of the single crystal substrate, a group III nitride semiconductor junction layer provided bonded to the silicon carbide layer, and the group III A semiconductor device comprising a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor provided on a nitride semiconductor layer, wherein the semiconductor device of the present invention comprises (1) a substrate made of silicon single crystal, A silicon carbide layer made of cubic silicon carbide having a non-stoichiometric composition rich in silicon and having a lattice constant exceeding 0.436 nm and 0.460 nm or less, Al X Ga Y In ZN 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. Symbol M represents a Group V element other than nitrogen (N), and 0 ≦ α <1.) Group III nitride semiconductor junction layer and provided thereon And a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor.

特に、本発明に係る半導体素子は、上記(1)項に記載の半導体素子にあって、(2)III族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層が、アルミニウム(Al)組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム(組成式AlGa1−XN:0≦X≦1)層を交互に積層させて構成されている、ことを特徴としている。 In particular, the semiconductor device according to the present invention is the semiconductor device according to the above item (1), wherein (2) the superlattice structure layer provided on the group III nitride semiconductor junction layer has a different aluminum (Al) composition. The aluminum nitride gallium (compositional formula Al X Ga 1-X N: 0 ≦ X ≦ 1) layers are alternately stacked.

特に、本発明に係る半導体素子は、上記(2)項に記載の半導体素子にあって、(3)III族窒化物半導体接合層に、超格子構造層をなす窒化アルミニウム・ガリウム(AlGa1−XN:0≦X≦1)層にあって、アルミニウム組成(=X)をより小とする窒化アルミニウム・ガリウム層が接合させて設けられている、ことを特徴としている。
特に、本発明に係る半導体素子は、上記(1)項に記載の半導体素子にあって、(4)超格子構造層が、ガリウム(Ga)組成を相違する窒化ガリウム・インジウム(組成式GaIn1−QN:0≦Q≦1)層を交互に積層させて構成されている、ことを特徴としている。
In particular, a semiconductor device according to the present invention is the semiconductor device according to the above item (2), wherein (3) a group III nitride semiconductor junction layer is formed of aluminum / gallium nitride (Al X Ga) forming a superlattice structure layer. 1-X N: 0 ≦ X ≦ 1) layer, and an aluminum nitride / gallium layer having a smaller aluminum composition (= X) is bonded to each other.
In particular, a semiconductor element according to the present invention is the semiconductor element described in the above item (1), wherein (4) the superlattice structure layer has a gallium (Ga) composition different from that of gallium nitride indium (composition formula Ga Q In 1 -Q N: 0 ≦ Q ≦ 1) layers are alternately stacked.

特に、本発明に係る半導体素子は、上記(4)項に記載の半導体素子にあって、(5)III族窒化物半導体接合層に、超格子構造層をなす窒化ガリウム・インジウム(GaIn1−QN:0≦Q≦1)層にあって、ガリウム組成(=Q)をより大とする窒化ガリウム・インジウム層が接合させて設けられている、ことを特徴としている。 In particular, a semiconductor element according to the present invention is the semiconductor element described in the above item (4), wherein (5) a gallium indium nitride (Ga Q In) layer forming a superlattice structure layer on a group III nitride semiconductor junction layer. 1-Q N: 0 ≦ Q ≦ 1) layer, and a gallium nitride / indium layer having a larger gallium composition (= Q) is bonded to each other.

特に、本発明に係る半導体素子は、上記(1)乃至(5)項の何れかに記載の半導体素子にあって、(6)III族窒化物半導超格子構造層が、膜厚を5ML以上30MLとするIII族窒化物半導体層から構成されている、ことを特徴としている。   In particular, a semiconductor device according to the present invention is the semiconductor device according to any one of the above items (1) to (5), wherein (6) the group III nitride semiconductor superlattice structure layer has a thickness of 5 ML. It is characterized by being composed of a group III nitride semiconductor layer of 30 ML as described above.

特に、本発明に係る半導体素子は、上記(1)乃至(6)項の何れかに記載の半導体素子にあって、(7)基板が、表面を{111}結晶面とする{111}珪素単結晶であり、III族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化AlNから構成されている、ことを特徴としている。   In particular, a semiconductor element according to the present invention is the semiconductor element according to any one of the above items (1) to (6), wherein (7) the substrate has {111} silicon whose surface is a {111} crystal plane. It is a single crystal, and the group III nitride semiconductor junction layer is characterized by being composed of hexagonal wurtzite crystal-type nitrided AlN.

特に、本発明に係る半導体素子は、上記(1)乃至(6)項の何れかに記載の半導体素子にあって、(8)基板が、表面を{001}結晶面とする{001}珪素単結晶であり、III族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム(AlN)から構成されている、ことを特徴としている。   In particular, a semiconductor element according to the present invention is the semiconductor element according to any one of (1) to (6) above, wherein (8) the substrate has {001} silicon whose surface is a {001} crystal plane. It is a single crystal and the group III nitride semiconductor junction layer is characterized by being composed of cubic zinc blende crystal type aluminum nitride (AlN).

また、珪素単結晶からなる基板と、その珪素単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたIII族窒化物半導体接合層と、そのIII族窒化物半導体層上に設けられたIII族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子の製造方法にあって、本発明の半導体素子の製造方法は、(A)(1)珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面をなす結晶面に、炭化水素を吸着させる工程と、(2)その後、吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を0.36nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程と、(3)その後、炭化珪素層の表面に、第V族元素を含む気体と、第III族元素を含む気体を供給して、III族窒化物半導体接合層を形成する工程と、(4)その後、III族窒化物半導体接合層上に、III族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程とを、含むことを特徴としている。   A silicon single crystal substrate; a silicon carbide layer provided on the surface of the silicon single crystal substrate; a group III nitride semiconductor junction layer provided bonded to the silicon carbide layer; and group III nitride And a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor provided on the oxide semiconductor layer. The method for manufacturing a semiconductor element of the present invention includes (A) (1) silicon single A step of spraying hydrocarbon gas on the surface of the crystal substrate to adsorb hydrocarbons on the crystal surface forming the surface of the substrate; and (2) thereafter heating the silicon single crystal substrate to a temperature higher than the adsorbed temperature. Forming a cubic silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition rich in silicon and having a lattice constant greater than 0.36 nm and less than 0.460 nm on the surface of a silicon single crystal substrate; (3) Then, the surface of the silicon carbide layer Supplying a gas containing a Group V element and a gas containing a Group III element to form a Group III nitride semiconductor junction layer; and (4) Thereafter, on the Group III nitride semiconductor junction layer, And a step of forming a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor.

特に、本発明の半導体素子の製造方法は、上記(A)項に記載の製造方法にあって、(B)基板を、{111}結晶面を表面とする{111}珪素単結晶とし、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、{111}結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、六方晶のIII族窒化物半導体接合層を形成し、その後、III族窒化物半導体接合層上に、六方晶のIII族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する、ことを特徴としている。   In particular, the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention is the manufacturing method described in the above section (A), wherein (B) the substrate is a {111} silicon single crystal having a {111} crystal plane as its surface, After forming a cubic silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition rich in silicon and having a {111} crystal plane on the surface of the substrate, the silicon carbide layer Forming a hexagonal group III nitride semiconductor junction layer on the surface, and then forming a superlattice structure layer made of a hexagonal group III nitride semiconductor on the group III nitride semiconductor junction layer. It is a feature.

また特に、上記(A)項に記載の製造方法にあって、(C)基板を、{001}結晶面を表面とする{001}珪素単結晶とし、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、{001}結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、立方晶のIII族窒化物半導体接合層を形成し、その後、III族窒化物半導体接合層上に、立方晶のIII族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する、ことを特徴としている。   Further, in particular, in the manufacturing method described in the above item (A), (C) the substrate is a {001} silicon single crystal having a {001} crystal plane as a surface, and a compositional silicon is formed on the surface of the substrate. After forming a cubic silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition richly containing and having a {001} crystal plane as a surface, a cubic group III is formed on the surface of the silicon carbide layer. A nitride semiconductor junction layer is formed, and then a superlattice structure layer made of a cubic group III nitride semiconductor is formed on the group III nitride semiconductor junction layer.

また特に、上記(B)または(C)項に記載の製造方法にあって、(D)珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料と、窒素を含む気体原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるIII族窒化物半導体接合層を形成する、ことを特徴としている。   In particular, in the manufacturing method described in the above item (B) or (C), (D) a non-stoichiometric composition containing silicon in a compositionally rich manner on the surface of a substrate made of a silicon single crystal. After forming the silicon carbide layer, supplying a gaseous material containing aluminum and a gaseous material containing nitrogen to the surface of the silicon carbide layer to form a group III nitride semiconductor junction layer made of aluminum nitride It is characterized by.

また特に、上記(D)項に記載の製造方法にあって、(E)珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を被着させた後、窒素を含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を窒化し、窒化アルミニウム層を形成する、ことを特徴としている。   In particular, in the manufacturing method described in the above section (D), (E) a silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition containing silicon in a compositionally rich manner is formed on the surface of a substrate made of a silicon single crystal. After forming, a gas source containing aluminum is supplied to the surface of the silicon carbide layer, an aluminum film is deposited, a gas source containing nitrogen is supplied, the aluminum film is nitrided, and an aluminum nitride layer It is characterized by forming.

また特に、上記(D)項に記載の製造方法にあって(F)珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素ガスを吹き付けると共に、電子を照射しつつ、珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素を吸着させる、ことを特徴としている。   Further, in particular, in the manufacturing method described in the above item (D), (F) while spraying hydrocarbon gas on the surface of the substrate made of silicon single crystal and irradiating electrons, the surface of the silicon single crystal substrate is It is characterized by adsorbing silicon carbide.

また特に、上記(F)項に記載の製造方法にあって (G)珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を0.436nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する、ことを特徴としている。   In particular, in the manufacturing method described in the above item (F), (G) a temperature at which hydrocarbons are adsorbed while irradiating electrons after adsorbing hydrocarbons on the surface of a substrate made of a silicon single crystal. The silicon single crystal substrate is heated to the above temperature so that the surface of the silicon single crystal substrate has a lattice constant of more than 0.436 nm and not more than 0.460 nm. The cubic silicon carbide layer is formed.

すなわち本願発明は以下に関する。
[1]珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたIII族窒化物半導体接合層と、そのIII族窒化物半導体接合層上にIII族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子であって、炭化珪素層は立方晶で格子定数が0.436nmを超え、0.460nm以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層であり、III族窒化物半導体接合層は、組成がAlGaIn1−αα(0≦X、Y、Z≦1、X+Y+Z=1、0≦α<1、Mは窒素以外の第V族元素である。)である、ことを特徴とする半導体素子。
[2]III族窒化物半導体からなる超格子構造層が、アルミニウム(Al)組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム(AlGa1−XN:0≦X≦1)層を交互に積層した層である、ことを特徴とする[1]に記載の半導体素子。
[3]アルミニウム組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム層でアルミニウム組成を小とする層が、III族窒化物半導体接合層に接していることを特徴とする[2]に記載の半導体素子。
[4]III族窒化物半導体からなる超格子構造層が、ガリウム(Ga)組成を相違する窒化ガリウム・インジウム(GaIn1−QN:0≦Q≦1)層を交互に積層した層である、ことを特徴とする[1]に記載の半導体素子
[5]ガリウム組成を相違する窒化ガリウム・インジウム層でガリウム組成を大とする層が、III族窒化物半導体接合層に接している、ことを特徴とする[4]に記載の半導体素子。
[6]III族窒化物半導体からなる超格子構造層が、膜厚が5モノレイヤー(ML)〜30MLの範囲内である、ことを特徴とする[1]乃至[5]の何れか1項に記載の半導体素子。
[7]珪素単結晶基板が、表面を{111}結晶面とする基板であり、III族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化アルミニウム(AlN)層である、ことを特徴とする[1]乃至[6]の何れか1項に記載の半導体素子。
[8]珪素単結晶基板が、表面を{001}結晶面とする基板であり、III族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム(AlN)層である、ことを特徴とする[1]乃至[6]の何れか1項に記載の半導体素子。
That is, the present invention relates to the following.
[1] A silicon single crystal substrate, a silicon carbide layer provided on the surface of the substrate, a group III nitride semiconductor junction layer provided in contact with the silicon carbide layer, and a group III nitride semiconductor junction layer on the group III nitride semiconductor junction layer A semiconductor element including a superlattice structure layer made of a group nitride semiconductor, wherein the silicon carbide layer is cubic and has a lattice constant of more than 0.436 nm and not more than 0.460 nm, and is a non-rich silicon composition The group III nitride semiconductor junction layer has a composition of Al X Ga Y In ZN 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1, 0). ≦ α <1, and M is a group V element other than nitrogen.)
[2] A layer in which a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is formed by alternately laminating aluminum nitride gallium (Al X Ga 1-X N: 0 ≦ X ≦ 1) layers having different aluminum (Al) compositions The semiconductor element according to [1], wherein
[3] The semiconductor element according to [2], wherein the aluminum nitride / gallium layer having a different aluminum composition and having a small aluminum composition is in contact with the group III nitride semiconductor junction layer.
[4] A layer in which a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is formed by alternately laminating gallium nitride indium (Ga Q In 1 -Q N: 0 ≦ Q ≦ 1) layers having different gallium (Ga) compositions [5] The gallium nitride / indium layer having a different gallium composition and a layer having a larger gallium composition is in contact with the group III nitride semiconductor junction layer. The semiconductor element according to [4], which is characterized in that
[6] Any one of [1] to [5], wherein the superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor has a thickness in a range of 5 monolayers (ML) to 30 ML. The semiconductor element as described in.
[7] The silicon single crystal substrate is a substrate having a {111} crystal surface, and the group III nitride semiconductor junction layer is a hexagonal wurtzite crystal aluminum nitride (AlN) layer. The semiconductor element according to any one of [1] to [6].
[8] The silicon single crystal substrate is a substrate having a {001} crystal surface, and the group III nitride semiconductor junction layer is a cubic zinc blende crystal type aluminum nitride (AlN) layer. The semiconductor element according to any one of [1] to [6], which is characterized.

[9](1)珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面に炭化水素を吸着させる工程と、(2)吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を0.436nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程と、(3)炭化珪素層の表面に、第V族元素を含む気体と、第III族元素を含む気体を供給して、III族窒化物半導体接合層を形成する工程と、(4)III族窒化物半導体接合層上に、III族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程とを、この順で含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
[10]珪素単結晶基板を、表面を{111}結晶面とする基板とし、基板表面に形成する炭化珪素層を、表面を{111}結晶面とする層とし、III族窒化物半導体接合層を、六方晶の層とし、III族窒化物半導体からなる超格子構造層を、六方晶の層とする、ことを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
[11]珪素単結晶基板を、表面を{001}結晶面とする基板とし、基板表面に形成する炭化珪素層を、表面を{001}結晶面とする層とし、III族窒化物半導体接合層を、立方晶の層とし、III族窒化物半導体からなる超格子構造層を、立方晶の層とする、ことを特徴とする請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
[12](3)の工程において、炭化珪素層の表面に、第III族元素を含む気体としてアルミニウムを含む気体と、第V族元素を含む気体として窒素を含む原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるIII族窒化物半導体接合層を形成する、ことを特徴とする[9]乃至[11]の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
[13](3)の工程を、(3a)炭化珪素層の表面に、第III族元素を含む気体を供給して第III族元素を含む層を形成する工程と、(3b)第III族元素を含む層を窒化してIII族窒化物半導体接合層として第III族元素の窒化層を形成する工程とする、ことを特徴とする[9]乃至[12]の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
[14](3a)の工程において、炭化珪素層の表面に、第III族元素を含む気体としてアルミニウムを含む気体を供給してアルミニウム層を形成することを特徴とする[13]に記載の半導体素子の製造方法。
[15](1)の工程を、(1a)珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けると共に、電子を照射して基板の表面に炭化水素を吸着させる工程とする、ことを特徴とする[9]乃至[14]の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
[16](1)および(2)の工程を、(1b)珪素単結晶基板の表面に、炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数が0.436nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程とする、ことを特徴とする[9]乃至[14]の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
[9] (1) A step of spraying hydrocarbon gas on the surface of the silicon single crystal substrate to adsorb hydrocarbons on the surface of the substrate, and (2) heating the silicon single crystal substrate to a temperature higher than the adsorbed temperature. And forming a cubic silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition rich in silicon and having a lattice constant exceeding 0.436 nm and not more than 0.460 nm on the surface of the silicon single crystal substrate. And (3) supplying a gas containing a group V element and a gas containing a group III element to the surface of the silicon carbide layer to form a group III nitride semiconductor junction layer, and (4) III And a step of forming a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor on the group nitride semiconductor bonding layer in this order.
[10] A silicon single crystal substrate is a substrate having a {111} crystal plane on the surface, a silicon carbide layer formed on the substrate surface is a layer having a {111} crystal plane, and a group III nitride semiconductor junction layer 10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein a hexagonal crystal layer is used, and a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is a hexagonal crystal layer.
[11] A silicon single crystal substrate is a substrate whose surface is a {001} crystal plane, a silicon carbide layer formed on the substrate surface is a layer whose surface is a {001} crystal plane, and a group III nitride semiconductor junction layer 10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is a cubic layer.
[12] In the step of (3), a gas containing aluminum as a gas containing a group III element and a raw material containing nitrogen as a gas containing a group V element are supplied to the surface of the silicon carbide layer, and nitriding The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of [9] to [11], wherein a group III nitride semiconductor bonding layer made of aluminum is formed.
[13] The step (3) includes (3a) a step of supplying a gas containing a group III element to the surface of the silicon carbide layer to form a layer containing a group III element, and (3b) a group III The method according to any one of [9] to [12], wherein the step includes nitriding a layer including an element to form a nitride layer of a group III element as a group III nitride semiconductor bonding layer A method for manufacturing a semiconductor device.
[14] The semiconductor according to [13], wherein in the step (3a), a gas containing aluminum as a gas containing a Group III element is supplied to the surface of the silicon carbide layer to form an aluminum layer. Device manufacturing method.
[15] The step (1) is characterized in that (1a) a step of blowing hydrocarbon gas onto the surface of the silicon single crystal substrate and irradiating the surface of the substrate with electrons to adsorb the hydrocarbon onto the surface of the substrate. [9] The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of [14].
[16] In steps (1) and (2), (1b) the surface of the silicon single crystal substrate is adsorbed with hydrocarbons, and then irradiated with electrons, to a temperature equal to or higher than the temperature at which the hydrocarbons were adsorbed. A silicon single crystal substrate is heated, and the surface of the silicon single crystal substrate has a lattice constant of 0.436 nm or more and 0.460 nm or less. The method for manufacturing a semiconductor element according to any one of [9] to [14], wherein the silicon carbide layer is formed.

本発明に依れば、単結晶からなる基板と、その単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたIII族窒化物半導体接合層と、そのIII族窒化物半導体層上に設けられたIII族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子にあって、本発明の半導体素子は、(1)基板を珪素単結晶とし、その基板上に設けられた、格子定数が0.436nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素から緩衝層を構成し、その緩衝層上には、AlGaIn1−αα(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)以外の第V族元素を表し、0≦α<1である。)からなるIII族窒化物半導体接合層を設け、更に、そのIII族窒化物半導体接合層上にIII族窒化物半導体からなる超格子構造層を設けた積層構成を利用して、半導体素子を得ることとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層をもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子を提供できる。 According to the present invention, a substrate made of a single crystal, a silicon carbide layer provided on the surface of the single crystal substrate, a group III nitride semiconductor junction layer provided bonded to the silicon carbide layer, and A semiconductor device comprising a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor provided on a group III nitride semiconductor layer, wherein the semiconductor device of the present invention comprises: (1) a substrate made of silicon single crystal, A buffer layer is formed from cubic silicon carbide having a non-stoichiometric composition rich in silicon and having a lattice constant of 0.436 nm or more and 0.460 nm or less provided on the substrate, On the buffer layer, Al X Ga Y In ZN 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. Symbol M represents a Group V element other than nitrogen (N), A group III nitride semiconductor junction layer comprising: 0 ≦ α <1) In addition, since the semiconductor element is obtained by using a laminated structure in which a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is provided on the group III nitride semiconductor bonding layer, the crystal element has high quality, Thus, a group III nitride semiconductor layer having excellent surface flatness can be provided, and thus a high-performance semiconductor device can be provided.

特に、本発明では、III族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層を、アルミニウム組成を相違するAlGa1−XN(0≦X≦1)層を交互に積層させて構成することとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層を安定してもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子を安定して提供するに効果を奏する。 In particular, in the present invention, the superlattice structure layer provided on the group III nitride semiconductor junction layer is formed by alternately laminating Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) layers having different aluminum compositions. As a result, it is possible to stably provide a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity and excellent surface flatness, and is therefore effective in stably providing high-performance semiconductor elements. Play.

特に、本発明ではまた、アルミニウム組成を相違するAlGa1−XN(0≦X≦1)層から成る超格子構造層を設けるにあって、その超格子構造層をなすAlGa1−XN(0≦X≦1)層の中で、アルミニウム組成(=X)をより小とするAlGa1−XN層をIII族窒化物半導体接合層上に接合させて設ける積層構成としたので、特に、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層を形成することができ、構成能の半導体素子を得るに貢献できる。 In particular, also in the present invention, in the provision of the superlattice structure layer composed of Al X Ga 1-X N ( 0 ≦ X ≦ 1) layer different aluminum composition, Al X Ga 1 to constitute a superlattice structure layer among -X N (0 ≦ X ≦ 1 ) layer, laminated structure provided by the Al X Ga 1-X N layer to a smaller aluminum composition (= X) is joined to a group III nitride semiconductor junction layer Therefore, in particular, a group III nitride semiconductor layer having excellent surface flatness can be formed, which can contribute to obtaining a semiconductor device having a configuration capability.

また、本発明ではまた、III族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層を、ガリウム(Ga)組成を相違するGaIn1−QN(0≦Q≦1)層を交互に積層させて構成することとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層を安定してもたらすことができ、従って、高性能な半導体素子を安定して提供するに効果を奏する。
特に、本発明では、GaIn1−QN(0≦Q≦1)層から成る超格子構造層を設けるにあって、その超格子構造層をなすGaIn1−QN(0≦Q≦1)の中で、ガリウム組成(=Q)をより大とする窒化ガリウム・インジウム層をIII族窒化物半導体接合層上に接合させて設ける積層構成としたので、特に、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層を形成することができ、高性能な半導体素子を得るに貢献できる。
In the present invention, the superlattice structure layer provided on the group III nitride semiconductor junction layer is alternately laminated with Ga Q In 1-Q N (0 ≦ Q ≦ 1) layers having different gallium (Ga) compositions. Therefore, it is possible to stably provide a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity and excellent surface flatness, and thus stably producing a high-performance semiconductor element. It is effective to provide.
In particular, the present invention, in the provision of the superlattice structure layer composed of Ga Q In 1-Q N ( 0 ≦ Q ≦ 1) layer, Ga Q In 1-Q N (0 ≦ forming the superlattice structure layer In Q ≦ 1), since the gallium nitride / indium layer having a larger gallium composition (= Q) is bonded on the group III nitride semiconductor bonding layer, the surface flatness is particularly improved. A group III nitride semiconductor layer having excellent resistance can be formed, which can contribute to obtaining a high-performance semiconductor element.

特に、本発明では、超格子構造層を、膜厚を5ML以上30MLとするAlGa1−XN(0≦X≦1)層またはGaIn1−QN(0≦Q≦1)層から構成することとしたので、特に、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層を安定して形成することができ、高性能な半導体素子を安定して得るに貢献できる。 In particular, in the present invention, the superlattice structure layer is an Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) layer or Ga Q In 1-Q N (0 ≦ Q ≦ 1) having a thickness of 5 ML or more and 30 ML. Since the layer is composed of layers, in particular, a group III nitride semiconductor layer having excellent surface flatness can be stably formed, which can contribute to stably obtaining a high-performance semiconductor element.

特に、本発明では、基板を{111}珪素単結晶とし、その基板表面上に、SiC緩衝層を介して設けるIII族窒化物半導体接合層を、六方晶のウルツ鉱結晶型のAlGaIn1−αα(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)以外の第V族元素を表し、0≦α<1である。)から構成することとしたので、その上に設ける超格子構造層等を六方晶のIII族窒化物半導体層から統一的に構成することができ、従って、六方晶のIII族窒化物半導体材料に基づく特性を発現できる半導体素子を得るに優位となる。 In particular, in the present invention, the substrate is made of {111} silicon single crystal, and the group III nitride semiconductor junction layer provided on the substrate surface via the SiC buffer layer is formed as a hexagonal wurtzite crystal type Al X Ga Y. In ZN 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. Symbol M represents a group V element other than nitrogen (N), and 0 ≦ α <1). Therefore, the superlattice structure layer and the like provided thereon can be unified from the hexagonal group III nitride semiconductor layer, and thus the characteristics based on the hexagonal group III nitride semiconductor material can be obtained. This is advantageous for obtaining a semiconductor device that can be developed.

特に、本発明では、表面を{001}結晶面とする{001}珪素単結晶を基板とし、その基板表面上に、SiC緩衝層を介して設けるIII族窒化物半導体接合層を、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型のAlGaIn1−αα(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)以外の第V族元素を表し、0≦α<1である。)から構成することとしたので、その上に設ける超格子構造層等を立方晶のIII族窒化物半導体層から統一的に構成することができ、従って、立方晶のIII族窒化物半導体材料に基づく特性を発現できる半導体素子を得るに優位となる。 In particular, in the present invention, a {001} silicon single crystal whose surface is a {001} crystal plane is used as a substrate, and a group III nitride semiconductor junction layer provided on the substrate surface via a SiC buffer layer is formed of cubic crystal. Sphalerite crystal type Al X Ga Y In ZN 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. Symbol M represents a group V element other than nitrogen (N), 0 ≦ α <1)), the superlattice structure layer and the like provided thereon can be unified from a cubic group III nitride semiconductor layer, and therefore cubic cubic layers can be formed. This is advantageous for obtaining a semiconductor element capable of exhibiting characteristics based on a group III nitride semiconductor material.

また、本発明では、珪素単結晶からなる基板と、その珪素単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたIII族窒化物半導体接合層と、そのIII族窒化物半導体層上に設けられたIII族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子を製造するに際し、単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面をなす結晶面に、炭化水素を吸着させ、その後、吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して炭化珪素層を形成することとしたので、珪素単結晶基板の表面に、格子定数が0.436nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶を確実に形成することができ、しいては、その上に、良質なAlGaIn1−αα(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)以外の第V族元素を表し、0≦α<1である。)からなるIII族窒化物半導体接合層と、更にその上に、III族窒化物半導体からなる超格子構造層とを形成できるため、それらの半導体層の結晶性の良好さを反映して、特性に優れる半導体素子を製造できる。 Further, in the present invention, a substrate made of a silicon single crystal, a silicon carbide layer provided on the surface of the silicon single crystal substrate, a group III nitride semiconductor bonding layer provided to be bonded to the silicon carbide layer, When manufacturing a semiconductor device having a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor provided on the group III nitride semiconductor layer, a hydrocarbon gas is blown onto the surface of the single crystal substrate to Since the silicon single crystal substrate is heated to a temperature higher than the adsorbed temperature to form a silicon carbide layer by adsorbing hydrocarbons on the crystal planes forming, the lattice is formed on the surface of the silicon single crystal substrate. It is possible to reliably form a cubic crystal having a non-stoichiometric composition rich in silicon and having a constant exceeding 0.436 nm and not more than 0.460 nm. a Al X Ga Y In N 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. M represents a Group V element other than nitrogen (N), and 0 ≦ α <1.) III Group consisting of Since a nitride semiconductor junction layer and a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor can be formed on the nitride semiconductor junction layer, a semiconductor device having excellent characteristics reflecting the good crystallinity of these semiconductor layers. Can be manufactured.

特に、本発明に依れば、{111}結晶面を表面とする{111}珪素単結晶を基板として用い、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、{111}結晶面を表面とする立方晶の{111}炭化珪素層を形成して、その炭化珪素層の表面に、六方晶のAlGaIn1−αα(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)以外の第V族元素を表し、0≦α<1である。)からなるIII族窒化物半導体接合層を形成し、その後、III族窒化物半導体接合層上に、六方晶のIII族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程を経て、半導体素子を形成することとしたので、六方晶のIII族窒化物半導体の結晶特性に基づく光学的或いは電気的特性を好適に発現できる半導体素子を製造できる。 In particular, according to the present invention, a {111} silicon single crystal having a {111} crystal plane as a surface is used as a substrate, and the surface of the substrate is non-stoichiometrically compositionally rich in silicon. And a cubic {111} silicon carbide layer having a {111} crystal plane as a surface is formed, and a hexagonal Al X Ga Y In Z N 1-α is formed on the surface of the silicon carbide layer. Group III nitride semiconductor junction made of M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. Symbol M represents a Group V element other than nitrogen (N) and 0 ≦ α <1). After forming a layer and then forming a superlattice structure layer made of a hexagonal group III nitride semiconductor on the group III nitride semiconductor junction layer, a semiconductor element is formed. Appropriate expression of optical or electrical properties based on the crystal properties of Group III nitride semiconductors Can be manufactured.

また特に、本発明に依れば、{001}結晶面を表面とする{001}珪素単結晶を基板として用い、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、{001}結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成し、その炭化珪素層の表面に、立方晶のIII族窒化物半導体接合層を形成して、その後、III族窒化物半導体接合層上に、立方晶のIII族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程を経て、半導体素子を形成することとしたので、立方晶のIII族窒化物半導体の結晶特性に基づく光学的或いは電気的特性を好適に発現できる半導体素子を製造できる。   In particular, according to the present invention, a {001} silicon single crystal having a {001} crystal plane as a surface is used as a substrate, and the surface of the substrate is non-stoichiometrically rich in composition. Forming a cubic silicon carbide layer having a composition and having a {001} crystal plane as a surface, and forming a cubic group III nitride semiconductor junction layer on the surface of the silicon carbide layer; Since the semiconductor element is formed through the step of forming a superlattice structure layer made of a cubic group III nitride semiconductor on the group III nitride semiconductor junction layer, the cubic group III nitride semiconductor is formed. Thus, it is possible to manufacture a semiconductor element that can preferably exhibit optical or electrical characteristics based on the crystal characteristics.

また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料と、窒素を含む気体原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるIII族窒化物半導体接合層を形成することとしたので、格子ミスマッチを低減でき、従って、良質なAlNからなるIII族窒化物半導体接合層を備えた高性能な半導体素子を製造できる。   In particular, according to the present invention, after a silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition containing silicon in a composition is formed on the surface of a substrate made of a silicon single crystal, the surface of the silicon carbide layer is formed. In addition, by supplying a gaseous material containing aluminum and a gaseous material containing nitrogen to form a group III nitride semiconductor junction layer made of aluminum nitride, lattice mismatch can be reduced, and therefore high-quality AlN A high-performance semiconductor element having a group III nitride semiconductor junction layer made of can be manufactured.

また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面にAlNからなるIII族窒化物半導体接合層を形成するに際し、アルミニウムを含む気体原料を供給して、炭化珪素層の表面にアルミニウム被膜を形成した後、その被膜に窒素を含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を窒化し、窒化アルミニウム層を形成することとしたので、例えば、晶系が六方晶に画一的の揃ったAlNからIII族窒化物半導体接合層を形成できる。   In particular, according to the present invention, after a silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition containing silicon in a composition is formed on the surface of a substrate made of a silicon single crystal, the surface of the silicon carbide layer is formed. In forming a group III nitride semiconductor junction layer made of AlN, a gaseous material containing aluminum is supplied, an aluminum film is formed on the surface of the silicon carbide layer, and then a gaseous material containing nitrogen is supplied to the film. Since the aluminum film is nitrided to form the aluminum nitride layer, for example, a group III nitride semiconductor junction layer can be formed from AlN having a uniform crystal system of hexagonal crystal.

また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素ガスを吹き付けるに併せて、珪素単結晶基板の表面に電子を照射しつつ、珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素を吸着させる工程を経由して、格子定数が0.436nmを超え、0.460nm以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成することとしたので、結晶欠陥が特に少ない結晶性に優れる炭化珪素層を安定して形成でき、しいては、高性能な半導体素子を安定して製造できる。   In particular, according to the present invention, the surface of the silicon single crystal substrate is irradiated with electrons while the hydrocarbon gas is blown onto the surface of the substrate made of the silicon single crystal. Through a step of adsorbing silicon carbide, a cubic silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition rich in silicon and having a lattice constant exceeding 0.436 nm and not exceeding 0.460 nm is formed. Therefore, it is possible to stably form a silicon carbide layer with particularly few crystal defects and excellent crystallinity, and thus a high-performance semiconductor element can be stably manufactured.

また特に、本発明に依れば、炭化水素ガスを吹き付けるに併せて、電子を照射しつつ、珪素単結晶からなる基板の表面に炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、基板をなす珪素と、その基板の表面に吸着した炭化水素との間の化合反応を促進させ、立方晶の炭化珪素層を形成することとしたので、結晶欠陥の少ない立方晶の炭化珪素層を効率的に形成でき、従って、高性能な半導体素子を効率的に製造できる。   In particular, according to the present invention, the hydrocarbon gas is adsorbed on the surface of the substrate made of silicon single crystal while irradiating with the hydrocarbon gas, and then the hydrocarbon is irradiated with the electron. The silicon single crystal substrate is heated to a temperature equal to or higher than the temperature at which the silicon is adsorbed to promote a chemical reaction between silicon forming the substrate and hydrocarbon adsorbed on the surface of the substrate, and a cubic silicon carbide layer is formed. Since it is formed, a cubic silicon carbide layer with few crystal defects can be efficiently formed, and thus a high-performance semiconductor element can be efficiently manufactured.

本発明の実施例1に記載のLEDの平面模式図である。It is a plane schematic diagram of LED as described in Example 1 of this invention. 図1に記載したLEDの破線A−Aに沿った断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section along the broken line AA of LED described in FIG. 本発明の実施例2に記載のLEDの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of LED as described in Example 2 of this invention.

珪素単結晶基板としては、種々の面方位の結晶面を表面とする珪素単結晶を用いることができるが、本発明の実施にあたり、基板として最も好適に使用できる珪素結晶は、表面を{001}結晶面、若しくは{111}結晶面とする{001}若しくは{111}単結晶である。これらの結晶面から傾斜した結晶面を表面とする珪素単結晶も基板として充分に利用できる。{001}結晶面より傾斜した結晶面、角度にして、例えば、2°<110>方向に傾斜した結晶面を表面とする珪素単結晶基板は、逆位相(反位相)粒界(英略称:APD)(坂 公恭著、材料学シリーズ「結晶電子顕微鏡学−材料研究者のための−」、1997年11月25日、(株)内田老鶴圃発行、第1版、64〜65頁参照)の少ない結晶層を得るに優位である。本発明では、{001}珪素単結晶は、立方晶の結晶層を利用する半導体素子を構成する場合に主に用いる。一方、{111}珪素単結晶は、六方晶の結晶層を利用する半導体素子を構成する場合に主に用いる。   As a silicon single crystal substrate, a silicon single crystal having a crystal plane of various plane orientations as a surface can be used. However, in the practice of the present invention, a silicon crystal that can be most suitably used as a substrate has a surface of {001}. It is a {001} or {111} single crystal with a crystal plane or {111} crystal plane. A silicon single crystal having a crystal plane inclined from these crystal planes as a surface can be sufficiently used as a substrate. A silicon single crystal substrate having a crystal plane inclined at an angle from the {001} crystal plane and an angle, for example, a crystal plane inclined in the 2 ° <110> direction, has an antiphase (antiphase) grain boundary (abbreviation: (APD) (Koji Saka, Material Science Series "Crystal Electron Microscopy-For Materials Researchers", November 25, 1997, published by Uchida Otsukuru, 1st Edition, pp. 64-65 This is advantageous for obtaining a crystal layer with a small number of references). In the present invention, {001} silicon single crystal is mainly used when a semiconductor element using a cubic crystal layer is formed. On the other hand, the {111} silicon single crystal is mainly used when a semiconductor element using a hexagonal crystal layer is formed.

基板として用いる珪素単結晶の伝導形は不問である。p形或いはn形の何れの伝導形の珪素単結晶を基板として利用できる。特に、抵抗率(比抵抗)の小さい良導性の珪素単結晶基板は、LEDやLD等の半導体発光素子を作製するのに好適に利用できる。また、高抵抗の珪素単結晶は、素子を動作させるための電流(素子動作電流)の基板側への漏洩(leak)を低減する必要がある半導体素子用途の基板として利用できる。例えば、FETを作製するための基板として好適に利用できる(高抵抗のp形またはn形半導体は、各々、π形またはν形と称される場合がある(米津 宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子−」、平成7年5月20日、工学図書(株)発行、5版、317頁脚注参照))。
本発明では、基板とする珪素単結晶の表面をなす結晶面の面方位に拘らず、その表面上には、炭化珪素層を設ける。この炭化珪素層は、Ramsdellの表記方法に従えば(日本学術振興会高温セラミック材料第124委員会編著、「SiC系セラミック新材料−最近の展開−」、2001年2月28日、(株)内田老鶴圃発行、第1版、13〜16頁参照)、3C型の結晶構造を有する立方晶の結晶層であるのが最も好ましい。3C型の立方晶の炭化珪素(3C−SiC)層であるか、または、例えば、4H型や6H型の六方晶の炭化珪素(4H−SiC、6H−SiC)層であるかは、例えば、電子回折像の解析をもって判断できる。
The conductivity type of the silicon single crystal used as the substrate is not limited. A p-type or n-type conductivity silicon single crystal can be used as the substrate. In particular, a highly conductive silicon single crystal substrate having a low resistivity (specific resistance) can be suitably used for manufacturing semiconductor light emitting devices such as LEDs and LDs. In addition, the high-resistance silicon single crystal can be used as a substrate for a semiconductor device that needs to reduce leakage of a current for operating the device (device operating current) to the substrate side. For example, it can be suitably used as a substrate for manufacturing an FET (a high-resistance p-type or n-type semiconductor may be referred to as a π-type or a ν-type, respectively, by Hiroo Yonezu, “Optical Communication Device Engineering”). "Light-emitting / light-receiving element", published on May 20, 1995, Engineering Book Co., Ltd., 5th edition, page 317, footnote)).
In the present invention, a silicon carbide layer is provided on the surface regardless of the orientation of the crystal plane forming the surface of the silicon single crystal used as the substrate. This silicon carbide layer is produced according to Ramsdel's notation (edited by the Japan Society for the Promotion of Science High Temperature Ceramic Materials 124th Committee, “New SiC-Based Ceramic Materials-Recent Developments”, February 28, 2001, Co., Ltd.) (See Uchida Otsukuru, first edition, pages 13 to 16), and most preferably a cubic crystal layer having a 3C type crystal structure. Whether it is a 3C type cubic silicon carbide (3C-SiC) layer or a 4H-type or 6H-type hexagonal silicon carbide (4H-SiC, 6H-SiC) layer, for example, This can be judged by analyzing the electron diffraction image.

3C−SiC層は、珪素単結晶基板の表面に吸着させた炭化水素を利用して形成するのが望ましい。炭化水素を吸着させるための炭化水素ガスとしては、メタン(分子式CH)、エタン(分子式C)及びプロパン(分子式C)等の飽和脂肪族炭化水素や、アセチレン(分子式C)等の不飽和炭化水素を例示できる。その他、芳香族炭化水素類または脂環式炭化水素類もあるが、分解して珪素と反応し易いアセチレンが最も好ましく利用できる。{111}珪素単結晶の{111}結晶面にアセチレンを吸着させる温度は400℃〜600℃とするのが好ましい。{001}珪素単結晶の{001}結晶面にアセチレンを吸着させるのに適する温度は、{111}結晶面の場合より高く、450℃〜650℃である。 The 3C—SiC layer is desirably formed using hydrocarbon adsorbed on the surface of the silicon single crystal substrate. Examples of hydrocarbon gas for adsorbing hydrocarbons include saturated aliphatic hydrocarbons such as methane (molecular formula CH 3 ), ethane (molecular formula C 2 H 6 ) and propane (molecular formula C 3 H 8 ), and acetylene (molecular formula C An unsaturated hydrocarbon such as 2 H 2 ) can be exemplified. In addition, although there are aromatic hydrocarbons or alicyclic hydrocarbons, acetylene which is easily decomposed and reacts with silicon is most preferably used. The temperature for adsorbing acetylene on the {111} crystal plane of the {111} silicon single crystal is preferably 400 ° C. to 600 ° C. The temperature suitable for adsorbing acetylene on the {001} crystal plane of the {001} silicon single crystal is higher than that of the {111} crystal plane and is 450 ° C. to 650 ° C.

アセチレン等の炭化水素は、珪素単結晶基板の表面をなす結晶面に、珪素原子の最配列構造を創出した後に吸着させるのが好ましい。例えば、{111}珪素単結晶基板の{111}結晶面からなる表面に、(7×7)再配列構造を出現させた後、炭化珪素を吸着させるのが好ましい。(7×7)再配列構造は、例えば、{111}珪素単結晶の表面をなす{111}結晶面を、10−6パルカル(圧力単位:Pa)程度の高真空環境下、例えば、分子線エピタキシャル(英略称:MBE)成長用チャンバー(chamber)内で750℃〜850℃で熱処理を施すと形成できる。珪素単結晶基板の表面の再配列構造は、高速反射電子回折(英略称:RHEED)などの電子回折分析手段により確認できる。 Hydrocarbons such as acetylene are preferably adsorbed after creating the most aligned structure of silicon atoms on the crystal plane forming the surface of the silicon single crystal substrate. For example, it is preferable to adsorb silicon carbide after a (7 × 7) rearrangement structure appears on the surface of {111} silicon single crystal substrate made of {111} crystal planes. The (7 × 7) rearrangement structure is, for example, a {111} crystal plane forming the surface of a {111} silicon single crystal in a high vacuum environment of about 10 −6 parcal (pressure unit: Pa), for example, a molecular beam It can be formed by performing heat treatment at 750 ° C. to 850 ° C. in an epitaxial (abbreviation: MBE) growth chamber. The rearrangement structure on the surface of the silicon single crystal substrate can be confirmed by electron diffraction analysis means such as high-speed reflection electron diffraction (abbreviation: RHEED).

珪素単結晶基板の表面をなす結晶面に炭化水素を吸着させた後、珪素単結晶基板を加熱することにより、吸着させた炭化水素と基板結晶をなす珪素原子とを反応させ、炭化珪素層を形成する。この際、比較的高温で珪素単結晶基板を加熱すると、化学量論的に珪素を富裕に含む炭化珪素層を形成できる。炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を例えば、500℃〜700℃で加熱して形成する。加熱する温度を高温とする程、短時間で、化学量論的に珪素を富裕に含む炭化珪素層を形成できる。珪素を富裕に含む度合いは、炭化珪素層をなす非化学量論的な組成の炭化珪素の格子定数に反映される。非化学量論的な組成の炭化珪素では、珪素の組成が富裕になるに従い、格子定数は大きくなる。当量的な組成の3C−SiCの格子定数が0.436nmであるのに対し(上記の「SiC系セラミック新材料−最近の展開−」、340頁、表5.1.1.参照)、本発明に係わる非化学量論的な組成の炭化珪素層は、0.436nmを超え、0.460nm以下の格子定数を有するのを特徴としている。   After the hydrocarbon is adsorbed on the crystal plane forming the surface of the silicon single crystal substrate, the silicon single crystal substrate is heated to cause the adsorbed hydrocarbon to react with the silicon atoms forming the substrate crystal. Form. At this time, when the silicon single crystal substrate is heated at a relatively high temperature, a silicon carbide layer rich in silicon stoichiometrically can be formed. The silicon single crystal substrate on which the hydrocarbon is adsorbed is formed by heating at 500 ° C. to 700 ° C., for example. As the temperature for heating is increased, a silicon carbide layer containing abundant silicon stoichiometrically can be formed in a short time. The degree of richness of silicon is reflected in the lattice constant of silicon carbide having a non-stoichiometric composition forming the silicon carbide layer. In silicon carbide having a non-stoichiometric composition, the lattice constant increases as the silicon composition increases. Whereas the lattice constant of 3C-SiC having an equivalent composition is 0.436 nm (see the above-mentioned “New SiC-Based Ceramic Materials—Recent Developments”, page 340, Table 5.1.1.) The non-stoichiometric silicon carbide layer according to the invention is characterized by having a lattice constant of more than 0.436 nm and not more than 0.460 nm.

上記の様な範囲にある格子定数を有する立方晶3C型の炭化珪素層は、III族窒化物半導体接合層を構成するIII族窒化物半導体材料との格子ミスマッチ度が少ない。従って、例えば、格子定数を0.451nmとする立方晶閃亜鉛鉱結晶型のGaNからIII族窒化物半導体接合層を形成するに際し、格子整合性に優れる緩衝層として有用となる。
また、上記の様な範囲にある格子定数を有する立方晶3C型の炭化珪素層の(110)結晶面の間隔は、ウルツ鉱結晶型で六方晶のAlNのa軸と略一致するため、III族窒化物半導体接合層となす六方晶のIII族窒化物半導体層を形成するにも好都合となる。上記の範囲外の格子定数を有する立方晶の炭化珪素層は、立方晶或いは六方晶の何れの結晶型のIII族窒化物半導体材料との格子ミスマッチが増大するため、その上に形成されるIII族窒化物半導体接合層の結晶的品質は顕著に悪化させ、極めて不都合である。
The cubic 3C-type silicon carbide layer having a lattice constant in the above range has a small degree of lattice mismatch with the group III nitride semiconductor material constituting the group III nitride semiconductor junction layer. Therefore, for example, when forming a group III nitride semiconductor junction layer from cubic zinc blende crystal type GaN having a lattice constant of 0.451 nm, it is useful as a buffer layer having excellent lattice matching.
In addition, since the spacing of the (110) crystal plane of the cubic 3C-type silicon carbide layer having the lattice constant in the above-described range substantially coincides with the a axis of the wurtzite crystal type hexagonal AlN, III It is also convenient to form a hexagonal group III nitride semiconductor layer as a group nitride semiconductor junction layer. A cubic silicon carbide layer having a lattice constant outside the above range has an increased lattice mismatch with either a cubic or hexagonal crystal group III nitride semiconductor material. The crystal quality of the group nitride semiconductor junction layer is significantly deteriorated, which is extremely inconvenient.

珪素を炭素に比べ富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層は、また、珪素単結晶基板の表面に炭化水素を吸着させた後、その基板の表面に、珪素を含む気体を供給しつつ、加熱することに依っても形成できる。例えば、炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板の表面に、シラン(分子式SiH)類を供給しつつ、加熱して形成する。また、高真空に保持された例えば、MBE成長用チャンバー内で珪素のビームを照射しつつ、炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を加熱することにより形成できる。形成した非化学量論的な組成の炭化珪素層の格子定数は、例えば、電子回折法などの分析手段により計測できる。 A silicon carbide layer with a non-stoichiometric composition that contains silicon more abundantly than carbon also adsorbs hydrocarbons to the surface of a silicon single crystal substrate, and then supplies a gas containing silicon to the surface of the substrate. However, it can also be formed by heating. For example, it is formed by heating the surface of a silicon single crystal substrate on which hydrocarbons are adsorbed while supplying silane (molecular formula SiH 4 ). Further, for example, it can be formed by heating a silicon single crystal substrate on which hydrocarbons are adsorbed while irradiating a silicon beam in an MBE growth chamber held in a high vacuum. The lattice constant of the formed silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition can be measured by an analysis means such as an electron diffraction method.

非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成するにあって、表面を{001}結晶面とする炭化珪素層を得るには、{001}結晶面を表面とする{001}珪素単結晶を基板として用いる。また、表面を{111}結晶面とする非化学量論的な組成の炭化珪素層を得るには、{111}結晶面を表面とする{111}珪素単結晶を基板として用いる。   In forming a silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition, in order to obtain a silicon carbide layer having a {001} crystal plane as a surface, a {001} silicon single crystal having a {001} crystal plane as a surface Is used as a substrate. In addition, in order to obtain a silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition having a {111} crystal plane as a surface, a {111} silicon single crystal having a {111} crystal plane as a surface is used as a substrate.

表面をなす結晶面の面方位に関係無く、珪素単結晶基板の表面に炭化珪素層を形成するに際し、基板の表面に、電子を照射しつつ、炭化水素ガスを吹き付けると、炭化水素を基板の表面に均一に吸着させられる。照射する電子は、例えば、真空中に於いて電熱された金属から放出される熱電子を利用する。珪素単結晶基板の表面の均等な密度で照射する。照射密度としては、1×1012〜5×1013cm−2が適する。また、照射する電子の加速エネルギーが約100エレクトロンボルト(単位:eV)未満と低いと、炭化水素を珪素単結晶基板の表面に均一に吸着させるに至らない。500eVを超える加速エネルギーの電子を照射させると、却って、炭化水素の分解や脱着が促進され、不都合である。
従って、電子発生源、例えば、タングステン(W)フィラメントと被照射体の珪素単結晶基板との間の電位差は、100ボルト(V)以上で500V以下とするのが好ましい。
When forming a silicon carbide layer on the surface of a silicon single crystal substrate regardless of the plane orientation of the crystal plane forming the surface, if hydrocarbon gas is blown onto the surface of the substrate while irradiating electrons, It is adsorbed uniformly on the surface. As the electrons to be irradiated, for example, thermal electrons emitted from a metal heated in a vacuum are used. Irradiate with uniform density on the surface of the silicon single crystal substrate. As the irradiation density, 1 × 10 12 to 5 × 10 13 cm −2 is suitable. If the acceleration energy of the irradiated electrons is as low as less than about 100 electron volts (unit: eV), the hydrocarbons cannot be uniformly adsorbed on the surface of the silicon single crystal substrate. Irradiation of electrons with acceleration energy exceeding 500 eV is disadvantageous because the decomposition and desorption of hydrocarbons are accelerated.
Therefore, the potential difference between an electron generation source, for example, a tungsten (W) filament and the silicon single crystal substrate of the irradiated object is preferably 100 V (V) or more and 500 V or less.

また、表面に炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を加熱して、その基板の表面に3C−SiC層を形成する際にも、電子を照射すれば、双晶や積層欠陥等の結晶欠陥密度の小さい結晶性に優れる3C−SiC層を形成できる。電子の照射密度としては、1×1012〜5×1013cm−2が適する。また、照射する電子の加速エネルギーは、100eV〜500eVが適する。 In addition, when a silicon single crystal substrate having hydrocarbons adsorbed on the surface is heated to form a 3C-SiC layer on the surface of the substrate, if electrons are irradiated, crystal defects such as twins and stacking faults A 3C—SiC layer having low density and excellent crystallinity can be formed. As the electron irradiation density, 1 × 10 12 to 5 × 10 13 cm −2 is suitable. Further, the acceleration energy of the irradiated electrons is suitably 100 eV to 500 eV.

非化学量論的な組成の炭化珪素層には、AlGaIn1−αα(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)以外の第V族元素を表し、0≦α<1である。)からなるIII族窒化物半導体層を接合させて設ける。III族窒化物半導体接合層をなすAlGaIn1−ααは、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN:0≦X,Y≦1,X+Y=1),窒化ガリウム・インジウム(GaInN:0≦Y,Z≦1,Y+Z=1)、窒化リン化アルミニウム(AlN1−αα:0≦α<1)から構成できる。 The silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition includes Al X Ga Y In ZN 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. Symbol M is other than nitrogen (N). A Group III nitride semiconductor layer composed of a Group V element, where 0 ≦ α <1, is provided by bonding. Al X Ga Y In ZN 1-α M α forming the group III nitride semiconductor junction layer is, for example, aluminum nitride gallium (Al X Ga Y N: 0 ≦ X, Y ≦ 1, X + Y = 1), nitriding It can be composed of gallium indium (Ga Y In Z N: 0 ≦ Y, Z ≦ 1, Y + Z = 1), aluminum nitride phosphide (AlN 1−α P α : 0 ≦ α <1).

III族窒化物半導体接合層は、非化学量論的な組成の炭化珪素層の格子定数(a)(0.436nmを超え、0.460nm以下である。)に近似する格子定数または格子面間隔を有するIII族窒化物半導体材料から構成するのが好適である。例えば、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型のAlN(a=0.438nm)やGaN(a=0.451nm)から好適に構成できる。また、本発明に係わる非化学量論的な組成の立方晶炭化珪素層の(110)結晶面の間隔(0.308nm〜0.325nm)に近似するa軸を有する六方晶ウルツ鉱結晶型のAlN、GaN及びそれらの混晶から構成できる。   The group III nitride semiconductor junction layer has a lattice constant or lattice spacing that approximates the lattice constant (a) (greater than 0.436 nm and less than or equal to 0.460 nm) of a non-stoichiometric silicon carbide layer. It is preferable to comprise a group III nitride semiconductor material having For example, it can be suitably configured from cubic zinc blende crystal type AlN (a = 0.438 nm) or GaN (a = 0.451 nm). Further, a hexagonal wurtzite crystal type having an a axis approximating the (110) crystal plane interval (0.308 nm to 0.325 nm) of the cubic silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition according to the present invention. It can be composed of AlN, GaN and mixed crystals thereof.

六方晶のAlN等からなるIII族窒化物半導体接合層を形成するには、{111}結晶面を表面とする{111}珪素単結晶を基板として用いるのが得策である。また、立方晶のAlN等からなるIII族窒化物半導体接合層を得るには、{001}結晶面を表面とする{001}珪素単結晶を基板として用いるのが利便である。   In order to form a group III nitride semiconductor junction layer made of hexagonal AlN or the like, it is advantageous to use a {111} silicon single crystal having a {111} crystal plane as the surface. Further, in order to obtain a group III nitride semiconductor junction layer made of cubic AlN or the like, it is convenient to use a {001} silicon single crystal having a {001} crystal plane as a substrate.

更に、AlNからなるIII族窒化物半導体層を形成するに際し、珪素単結晶基板の表面に一旦、アルミニウム(Al)膜を被着させた後、そのAl膜を、窒素含有気体を含む雰囲気中で窒化して、AlN層となす手段もある。この形成手段に依れば、晶系の揃ったAlN層を効率的に形成できる。例えば、{111}珪素単結晶基板の{111}結晶面からなる表面に、Al膜を形成し、その後、例えば、窒素プラズマ雰囲気中で窒化すれば、晶系を六方晶に画一的に揃った六方晶AlN層を形成できる。   Furthermore, when forming a group III nitride semiconductor layer made of AlN, an aluminum (Al) film is once deposited on the surface of a silicon single crystal substrate, and then the Al film is placed in an atmosphere containing a nitrogen-containing gas. There is also means for nitriding to form an AlN layer. According to this forming means, an AlN layer having a uniform crystal system can be formed efficiently. For example, if an Al film is formed on the surface of the {111} silicon single crystal substrate made of the {111} crystal plane and then nitrided in, for example, a nitrogen plasma atmosphere, the crystal system is uniformly arranged in a hexagonal system. A hexagonal AlN layer can be formed.

非化学量論的な組成の炭化珪素層上に整合性良く形成されたIII族窒化物半導体接合層は、その上層として設ける超格子構造層の形成を促進させる。III族窒化物半導体接合層は、例えば、有機金属化学的気相堆積法(英略称:MOCVD)、ハロゲン(hologen)またはハイドライド(hydride)化学的気相堆積(CVD)法、MBE法、ケミカルビーム成長法(英略称:CBE)などの成長手段を利用して形成できる。   The group III nitride semiconductor bonding layer formed with good consistency on the non-stoichiometric silicon carbide layer promotes the formation of a superlattice structure layer provided thereon. The group III nitride semiconductor junction layer is formed by, for example, metal organic chemical vapor deposition (abbreviation: MOCVD), halogen or hydride chemical vapor deposition (CVD), MBE, chemical beam. It can be formed using growth means such as a growth method (English abbreviation: CBE).

III族窒化物半導体接合層上には、III族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する。例えば、構成元素の組成を相違するIII族窒化物半導体層を交互に積層させて、超格子構造を形成する。また、例えば、禁止帯幅(bandgap)を相違するIII族窒化物半導体層を交互に積層させて、超格子構造を形成する。III族窒化物半導体接合層をAlNまたはGaNから構成する場合、超格子構造層は、格子マッチングの良好さから、アルミニウム組成(=X)を相違するAlGa1−XN(0≦X≦1)層から構成するのが好ましい。また、ガリウム組成(=Q)を相違するGaIn1−QN(0≦Q≦1)層から構成するのが好ましい。 A superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is formed on the group III nitride semiconductor junction layer. For example, group III nitride semiconductor layers having different constituent element compositions are alternately stacked to form a superlattice structure. In addition, for example, a superlattice structure is formed by alternately laminating group III nitride semiconductor layers having different band gaps. When the group III nitride semiconductor junction layer is composed of AlN or GaN, the superlattice structure layer has Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦) having a different aluminum composition (= X) due to good lattice matching. 1) It is preferable to comprise from a layer. Further preferably constructed from Ga Q In 1-Q N ( 0 ≦ Q ≦ 1) layer different gallium composition (= Q).

特に、超格子構造層を構成するアルミニウム組成を相違するAlGa1−XN層の中で、アルミニウム組成を最小とするAlGa1−XN層を、III族窒化物半導体接合層に接合させる設ける構成すると、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層を与える超格子構造層が得られる。また同様に、超格子構造層を構成するガリウム組成を相違するGaIn1−QN(0≦Q≦1)層の中で、ガリウム組成を最大とするGaIn1−QN層を、III族窒化物半導体接合層に接合させて設ける構成とすると、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層を与える超格子構造層が得られる。 In particular, in the Al X Ga 1-X N layer different aluminum composition constituting the superlattice structure layer, an Al X Ga 1-X N layer to the aluminum composition minimized, the Group III nitride semiconductor junction layer When it is configured to be bonded, a superlattice structure layer that provides a group III nitride semiconductor layer having excellent surface flatness can be obtained. Similarly, in the Ga Q In 1-Q N ( 0 ≦ Q ≦ 1) layer different gallium composition constituting the superlattice structure layer, Ga Q In 1-Q N layer to maximize the gallium composition of If it is configured to be bonded to the group III nitride semiconductor bonding layer, a superlattice structure layer that provides a group III nitride semiconductor layer having excellent surface flatness can be obtained.

特に、超格子構造層を、層厚を5ML以上で30ML以下とするAlGa1−XN層またはGaIn1−QN層から構成すると、結晶層の内部の歪の伝播を好都合に抑制できる。従って、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層をもたらす超格子構造層を形成できる。1MLの厚さとは、六方晶のIII族窒化物半導体層にあっては、c軸の1/2の厚さである。例えば、c軸を0.520nmとする六方晶ウルツ鉱結晶型のGaNの1MLの厚さは、0.260nmである。立方晶のIII族窒化物半導体層にあっては、格子定数に相当する厚さである。 In particular, when the superlattice structure layer is composed of an Al X Ga 1-X N layer or a Ga Q In 1-Q N layer having a layer thickness of 5 ML or more and 30 ML or less, the propagation of strain inside the crystal layer is advantageously performed. Can be suppressed. Therefore, it is possible to form a superlattice structure layer that provides a group III nitride semiconductor layer having excellent surface flatness. The thickness of 1 ML is 1/2 the thickness of the c-axis in a hexagonal group III nitride semiconductor layer. For example, the 1 ML thickness of hexagonal wurtzite crystal type GaN having a c-axis of 0.520 nm is 0.260 nm. The cubic group III nitride semiconductor layer has a thickness corresponding to the lattice constant.

超格子構造層はまた、電子や正孔(hole)に量子準位を与える量子井戸構造であっても差し支えは無い。AlGa1−XN(0≦X≦1)層から量子井戸構造を構成する場合、アルミニウム組成(=X)がより大きく、禁止帯幅がより大きなAlGa1−XN層を障壁(barrier)層とし、アルミニウム組成(=X)がより小さく、禁止帯幅がより小さなAlGa1−XN層を井戸(well)層として構成する。また、GaIn1−QN(0≦Q≦1)層から量子井戸構造を構成する場合、ガリウム組成(=Q)がより大きく、禁止帯幅がより大きなGaIn1−QN層を障壁層とし、ガリウム組成(=Q)がより小さく、禁止帯幅がより小さなGaIn1−QN層を井戸(well)層として構成する。 The superlattice structure layer may also be a quantum well structure that gives a quantum level to electrons and holes. When a quantum well structure is composed of Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) layers, the Al X Ga 1-X N layer having a larger aluminum composition (= X) and a larger forbidden band width is blocked. As the (barrier) layer, an Al x Ga 1-x N layer having a smaller aluminum composition (= X) and a smaller forbidden band width is formed as a well layer. Further, when a quantum well structure is formed from Ga Q In 1 -Q N (0 ≦ Q ≦ 1) layers, a Ga Q In 1 -Q N layer having a larger gallium composition (= Q) and a larger forbidden band width. And a Ga Q In 1 -Q N layer having a smaller gallium composition (= Q) and a smaller forbidden band width as a well layer.

超格子構造層を構成するAlGa1−XN層またはGaIn1−QN層は、上記のIII族窒化物半導体接合層の場合と同じく、例えば、MOCVD法、ハロゲン(hologen)またはハイドライド(hydride)CVD法、MBE法、CBEなどの成長手段を利用して形成できる。上記のIII族窒化物半導体接合層の形成に利用したのと同一の成長手段に依り、III族窒化物半導体接合層上に引き続き超格子構造層を形成することとすると、半導体素子を得るに簡便となる。 The Al X Ga 1-X N layer or the Ga Q In 1-Q N layer constituting the superlattice structure layer is, for example, the MOCVD method, halogen or the same as in the case of the group III nitride semiconductor junction layer described above. It can be formed using growth means such as hydride CVD, MBE, CBE. If a superlattice structure layer is subsequently formed on the group III nitride semiconductor junction layer according to the same growth means used for the formation of the group III nitride semiconductor junction layer, it is easy to obtain a semiconductor device. It becomes.

超格子構造層を構成するAlGa1−XN層またはGaIn1−QN層を成長させるに際し、それらの層を構成するIII族元素の原料とV族元素とを交互に繰り返し供給して成長させると、表面の平坦性に優れる超格子構造層を得ることができる。例えば、III族窒化物半導体接合層の表面に、先ず、III族元素の原料を供給し、その後、III族元素の原料の供給を停止し、代替に窒素源を供給する手段、即ち、III族元素とV族元素の原料を交互に供給しつつ形成したAlGa1−XN層またはGaIn1−QN層を用いれば、表面の平坦性に優れる超格子構造を形成できる。 When the Al X Ga 1-X N layer or Ga Q In 1-Q N layer constituting the superlattice structure layer is grown, the group III element raw material and the group V element constituting the layer are alternately and repeatedly supplied. Thus, a superlattice structure layer having excellent surface flatness can be obtained. For example, means for supplying a group III element material first to the surface of the group III nitride semiconductor junction layer, then stopping the group III element material supply, and supplying a nitrogen source instead, ie, a group III element If an Al X Ga 1-X N layer or Ga Q In 1-Q N layer formed while alternately supplying elements and Group V materials is used, a superlattice structure with excellent surface flatness can be formed.

珪素単結晶基板の表面の清浄化、その清浄化された基板表面への炭化水素の吸着、吸着させた炭化水素を利用した炭化珪素層の形成、炭化珪素層上へのIII族窒化物半導体接合層の形成、及びIII族窒化物半導体接合層上への超格子構造層の形成は、一貫して同一の設備を行うのが、簡略な工程をもって簡易に半導体素子を製造する上で得策である。
MBE法に依れば、高真空な環境下で成長を行うが故に、炭化水素を吸着させ、それを元に炭化珪素層を形成する際に、電子を珪素単結晶基板の表面に向けて照射することも容易に行える。また、MBE法では、上記の如く、構成元素の原料を交互に供給しつつ、超格子構造層をなすAlGa1−XN層またはGaIn1−QN層を簡易に形成できる利点がある。
Cleaning the surface of a silicon single crystal substrate, adsorbing hydrocarbons on the cleaned substrate surface, forming a silicon carbide layer using the adsorbed hydrocarbons, and a group III nitride semiconductor junction on the silicon carbide layer For the formation of the layer and the formation of the superlattice structure layer on the group III nitride semiconductor junction layer, it is a good idea to manufacture the semiconductor device easily with a simple process, by performing the same equipment consistently. .
According to the MBE method, since the growth is performed in a high vacuum environment, when hydrocarbons are adsorbed and a silicon carbide layer is formed based on the hydrocarbons, electrons are irradiated toward the surface of the silicon single crystal substrate. It is also easy to do. Further, in the MBE method, as described above, it is possible to easily form the Al X Ga 1-X N layer or the Ga Q In 1-Q N layer forming the superlattice structure layer while alternately supplying the constituent element materials. There is.

超格子構造層上には、表面の平坦性に優れる成長層を形成できる。従って、その様な平坦性に優れる成長層を活性層(能動層)として利用すれば、光学的或いは電気的特性に優れる半導体素子を構成できる。例えば、六方晶のIII族窒化物半導体接合層上の六方晶のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層に設けた六方晶のIII族窒化物半導体層を、電子走行層(チャネル(channel)層)や電子供給層として利用すれば高移動度FETを構成できる。特に、六方晶のIII族窒化物半導体に依るピエゾ(piezo)の発現に依り、2次元電子を効率的に蓄積する電子走行層を備えた高移動度FETを製造できる。   A growth layer having excellent surface flatness can be formed on the superlattice structure layer. Therefore, if such a growth layer having excellent flatness is used as an active layer (active layer), a semiconductor element having excellent optical or electrical characteristics can be configured. For example, a hexagonal group III nitride semiconductor layer provided in a superlattice structure layer made of a hexagonal group III nitride semiconductor layer on a hexagonal group III nitride semiconductor junction layer is formed of an electron transit layer (channel). ) Layer) or an electron supply layer, a high mobility FET can be constructed. In particular, a high mobility FET including an electron transit layer that efficiently accumulates two-dimensional electrons can be manufactured due to the expression of piezo due to a hexagonal group III nitride semiconductor.

また、例えば、立方晶のIII族窒化物半導体接合層上の立方晶のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層に設けた立方晶のIII族窒化物半導体層を、下部クラッド層や発光層として利用すれば高輝度のLED等の発光素子を形成できる。特に、価電子帯が縮退している立方晶のIII族窒化物半導体の性質を利用すれば、発振波長が画一化されたLDをもたらせる。   In addition, for example, a cubic group III nitride semiconductor layer provided in a superlattice structure layer made of a cubic group III nitride semiconductor layer on a cubic group III nitride semiconductor junction layer may be used as a lower cladding layer or a light emitting layer. When used as a layer, a light-emitting element such as a high-luminance LED can be formed. In particular, by utilizing the properties of a cubic group III nitride semiconductor in which the valence band is degenerated, an LD with a uniform oscillation wavelength can be provided.

(実施例1)
本実施例1では、(111)結晶面を表面とする(111)珪素単結晶基板に設けた非化学量論的な組成の炭化珪素層、六方晶のIII族窒化物半導体接合層、六方晶のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層とを含むエピタキシャル積層構造体から発光ダイオード(LED)を作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
Example 1
In Example 1, a silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition provided on a (111) silicon single crystal substrate having a (111) crystal plane as a surface, a hexagonal group III nitride semiconductor junction layer, and a hexagonal crystal The present invention will be specifically described by taking as an example a case where a light emitting diode (LED) is manufactured from an epitaxial multilayer structure including a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor layer.

本実施例1で作製した半導体LED10の平面構造を図1に模式的に示す。また、図2には、図1に示したLED10の破線A−A線に沿った断面構造を模式的に示す。   A planar structure of the semiconductor LED 10 fabricated in Example 1 is schematically shown in FIG. FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure along the broken line AA of the LED 10 shown in FIG.

LED10の作製には、(111)結晶面を表面とする、硼素(元素記号:B)を添加したp形の珪素単結晶を基板101として用いた。基板101を、MBE成長用の成長チャンバー内に搬送した後、約5×10−7パスカル(Pa)の高真空中で、基板101を850℃に加熱した。 RHEEDパターンを監視しつつ、基板101の表面をなす(111)結晶面が(7×7)再配列構造となる迄、同温度で継続して加熱した。 In manufacturing the LED 10, a p-type silicon single crystal having boron (element symbol: B) and having a (111) crystal plane as the surface was used as the substrate 101. After the substrate 101 was transferred into a growth chamber for MBE growth, the substrate 101 was heated to 850 ° C. in a high vacuum of about 5 × 10 −7 Pascal (Pa). While monitoring the RHEED pattern, heating was continued at the same temperature until the (111) crystal plane forming the surface of the substrate 101 had a (7 × 7) rearrangement structure.

(7×7)再配列構造が出現したのを確認した後、基板101をMBE成長チャンバー内に収納したままで、450℃に降温した。次に、基板101の表面にアセチレンガスを吹き付け、アセチレンをその表面に吸着させた。アセチレンガスは、RHEEDパターン上で、基板101の表面の(7×7)再配列構造に起因する電子回折斑点(spot)が略消滅する迄、継続して吹き付けた。   After confirming the appearance of the (7 × 7) rearrangement structure, the temperature was lowered to 450 ° C. while the substrate 101 was housed in the MBE growth chamber. Next, acetylene gas was sprayed onto the surface of the substrate 101 to adsorb acetylene on the surface. The acetylene gas was continuously blown on the RHEED pattern until the electron diffraction spots caused by the (7 × 7) rearrangement structure on the surface of the substrate 101 almost disappeared.

その後、アセチレンガスの基板101の表面への吹き付けを停止し、基板101を600℃に昇温した。RHEEDパターンに立方晶3C型の炭化珪素に依るストリーク(光条)が出現する迄、同温度に基板101を保持し、珪素単結晶基板101の表面に炭化珪素層102を形成した。600℃に於いて、(111)珪素単結晶のRHEEDパターンから求めた珪素単結晶の格子定数を基に、形成した炭化珪素の格子定数は、0.450nmと計算された。炭化珪素層102の層厚は約2nmであり、表面は、(111)結晶面であった。   Thereafter, the blowing of acetylene gas to the surface of the substrate 101 was stopped, and the temperature of the substrate 101 was raised to 600 ° C. The substrate 101 was held at the same temperature until a streak (light stripe) due to cubic 3C type silicon carbide appeared in the RHEED pattern, and the silicon carbide layer 102 was formed on the surface of the silicon single crystal substrate 101. Based on the lattice constant of the silicon single crystal obtained from the RHEED pattern of the (111) silicon single crystal at 600 ° C., the lattice constant of the formed silicon carbide was calculated to be 0.450 nm. The layer thickness of silicon carbide layer 102 was about 2 nm, and the surface was a (111) crystal plane.

非化学量論的な組成の炭化珪素層102上には、窒素プラズマを窒素源とするMBE法に依り、ウルツ鉱結晶型の六方晶窒化アルミニウム(AlN)層103を、基板101の温度を720℃として形成した。窒素プラズマは、高純度窒素ガスに、周波数13.56MHzの高周波と磁界とを印加する電子サイクトロトロン共鳴(ECR)型装置を用いて発生させた。MBE成長チャンバーを約1×10−6Paの高真空に保持しつつ、窒素プラズマ内の原子状窒素(窒素ラジカル)を電気的斥力を利用して抽出して、炭化珪素層102の表面に噴霧した。本発明の云うIII族窒化物半導体接合層として形成した、AlN層103の層厚は約15nmであり、表面は、{0001}結晶面であった。 On the non-stoichiometric silicon carbide layer 102, a wurtzite crystal type hexagonal aluminum nitride (AlN) layer 103 is formed on the silicon carbide layer 102 using nitrogen plasma as a nitrogen source, and the temperature of the substrate 101 is set to 720. Formed as ° C. The nitrogen plasma was generated using an electron cyclotron resonance (ECR) type apparatus that applies a high frequency of 13.56 MHz and a magnetic field to high purity nitrogen gas. While maintaining the MBE growth chamber at a high vacuum of about 1 × 10 −6 Pa, atomic nitrogen (nitrogen radicals) in the nitrogen plasma is extracted using electric repulsion and sprayed on the surface of the silicon carbide layer 102. did. The AlN layer 103 formed as a group III nitride semiconductor bonding layer according to the present invention had a thickness of about 15 nm and the surface was a {0001} crystal plane.

六方晶(hexagonal)のAlN層103上には、720℃でMBE法に依り、六方晶の第1のn形窒化ガリウム(GaN)104aを形成した。超格子構造層104の構成層たる第1のn形GaN層104aの層厚は、10ML(約2.6nm)とした。第1のn形GaN層104aには、超格子構造層104を構成する別の構成層であるアルミニウム(Al)組成比を0.10とする第1のn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.10Ga0.90N)104bを接合させて設けた。次に、第1のn形Al0.10Ga0.90N混晶層104bには、第2のn形GaN層104aを接合させて設けた。第2のn形GaN層104aには、第2のAl0.10Ga0.90N混晶層104bを接合させて設けた。第2のAl0.10Ga0.90N混晶層104b上には、更に、第3のn形GaN層104a及び第3のn形Al0.10Ga0.90N混晶層104bとを設けて、超格子構造層104の形成を終了した。第1乃至第3のn形Al0.10Ga0.90N混晶層104bの層厚は何れも10MLとした。 A hexagonal first n-type gallium nitride (GaN) 104a was formed on the hexagonal AlN layer 103 at 720 ° C. by MBE. The layer thickness of the first n-type GaN layer 104a, which is a constituent layer of the superlattice structure layer 104, was 10 ML (about 2.6 nm). The first n-type GaN layer 104a includes a first n-type aluminum nitride / gallium mixed crystal (Al) having an aluminum (Al) composition ratio of 0.10, which is another constituent layer of the superlattice structure layer 104. 0.10 Ga 0.90 N) 104b was provided. Next, the second n-type GaN layer 104a was joined to the first n-type Al 0.10 Ga 0.90 N mixed crystal layer 104b. A second Al 0.10 Ga 0.90 N mixed crystal layer 104b was joined to the second n-type GaN layer 104a. On the second Al 0.10 Ga 0.90 N mixed crystal layer 104b, further, a third n-type GaN layer 104a and the third n-type Al 0.10 Ga 0.90 N mixed crystal layer 104b To complete the formation of the superlattice structure layer 104. The thicknesses of the first to third n-type Al 0.10 Ga 0.90 N mixed crystal layer 104b were all 10 ML.

超格子構造層104上には、MBE法に依り、珪素(Si)をドーピングしつつ、層厚を約2200nmとするn形GaNからなる下部クラッド層105を設けた。n形GaN層105は、上記の超格子構造層104を介して設けたため、表面粗さは、r.m.s.値にして約1.0nmと良好な平坦性を有していた。   On the superlattice structure layer 104, a lower cladding layer 105 made of n-type GaN having a layer thickness of about 2200 nm was provided by doping silicon (Si) according to the MBE method. Since the n-type GaN layer 105 is provided via the superlattice structure layer 104, the surface roughness is r. m. s. It had a good flatness of about 1.0 nm in value.

下部クラッド層105上には、n形GaNを障壁層と、n形窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga0.85In0.15N)を井戸層とを、交互に5周期に亘り、積層させた構成からなる多重量子井戸構造の発光層106を形成した。発光層106には、p形Al0.10Ga0.90N(層厚約90nm)からなる上部クラッド層107を形成した。これより、n形クラッド層105と、n形発光層106と、及びp形上部クラッド層107とからpn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の発光部を構成した。発光部をなすp形上部クラッド層107上には、更に、p形GaN(層厚約100nm)からなるコンタクト層108を設けて、LED10用途の積層構造体11を形成した。 On the lower clad layer 105, an n-type GaN barrier layer and an n-type gallium nitride / indium mixed crystal (Ga 0.85 In 0.15 N) are stacked alternately for five periods. A light emitting layer 106 having a multiple quantum well structure having the above-described structure was formed. An upper cladding layer 107 made of p-type Al 0.10 Ga 0.90 N (layer thickness: about 90 nm) was formed on the light emitting layer 106. Thus, a light emitting portion having a pn junction type double hetero (DH) junction structure was constituted by the n type clad layer 105, the n type light emitting layer 106, and the p type upper clad layer 107. A contact layer 108 made of p-type GaN (layer thickness: about 100 nm) was further provided on the p-type upper clad layer 107 forming the light-emitting portion to form the laminated structure 11 for LED 10 use.

積層構造体11の最表層をなすp形コンタクト層108の表面には、金(元素記号:Au)とニッケル(元素記号:Ni)酸化物とからなるp形のオーミック(Ohmic)電極109を形成した。一方のn形オーミック電極110は、その電極110を設ける領域にある発光層106、上部クラッド層107、及びコンタクト層108を一般的なドライエッチング手段で除去した後、形成した。n形オーミック電極110は、超格子構造層104を介して形成したため、良好な平坦性を有することとなった下部クラッド層105の表面に設けた。即ち、LED10では、p形オーミック電極109と、n形オーミック電極110とを、珪素単結晶基板101に関して、同一の表面側に設けた。   A p-type ohmic electrode 109 made of gold (element symbol: Au) and nickel (element symbol: Ni) oxide is formed on the surface of the p-type contact layer 108 which is the outermost layer of the multilayer structure 11. did. One n-type ohmic electrode 110 was formed after removing the light emitting layer 106, the upper cladding layer 107, and the contact layer 108 in the region where the electrode 110 was provided by a general dry etching means. Since the n-type ohmic electrode 110 was formed via the superlattice structure layer 104, it was provided on the surface of the lower cladding layer 105 that had good flatness. That is, in the LED 10, the p-type ohmic electrode 109 and the n-type ohmic electrode 110 are provided on the same surface side with respect to the silicon single crystal substrate 101.

上記の如く作製したLEDチップ10のp形及びn形オーミック電極109,110間に素子動作電流を通流し、発光及び電気的特性を調査した。LED10に順方向に電流をながしたところ、主波長を460nmとする青色光が出射された。順方向電流を20mAとした際の発光強度は、約2.2mWの高強度となった。順方向に20mAの電流を通流した際の順方向電圧(Vf)は、約3.4Vとなった。また、非化学量論的な組成の炭化珪素層102を緩衝層として設けたために、その上に結晶性に優れるIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層104、及びDH構造型の発光部を設けられた。このため、逆方向電流を10μAとした際の逆方向電圧は15Vの高電圧となった。また、特に、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層から超格子構造層104及び発光部を構成することとしたので、局所的な耐圧不良(local breakdown)の殆どない逆方向の耐電圧性に優れるLEDを構成できた。
(実施例2)
本実施例1では、(001)結晶面を表面とする(001)珪素単結晶基板に設けた非化学量論的な組成の炭化珪素層、立方晶のIII族窒化物半導体接合層、立方晶のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層とを含むエピタキシャル積層構造体から発光ダイオード(LED)を作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
The device operating current was passed between the p-type and n-type ohmic electrodes 109 and 110 of the LED chip 10 manufactured as described above, and the light emission and electrical characteristics were investigated. When a current was applied to the LED 10 in the forward direction, blue light having a dominant wavelength of 460 nm was emitted. When the forward current was 20 mA, the emission intensity was about 2.2 mW. The forward voltage (Vf) when a current of 20 mA was passed in the forward direction was about 3.4V. Further, since the silicon carbide layer 102 having a non-stoichiometric composition is provided as a buffer layer, a superlattice structure layer 104 made of a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity thereon, and a DH structure type light emitting portion Was provided. For this reason, the reverse voltage when the reverse current was 10 μA was a high voltage of 15V. In particular, since the superlattice structure layer 104 and the light-emitting portion are made of a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity, the reverse withstand voltage with almost no local breakdown voltage is obtained. An excellent LED could be constructed.
(Example 2)
In Example 1, a silicon carbide layer having a non-stoichiometric composition provided on a (001) silicon single crystal substrate having a (001) crystal plane as a surface, a cubic group III nitride semiconductor junction layer, a cubic crystal The present invention will be specifically described by taking as an example a case where a light emitting diode (LED) is manufactured from an epitaxial multilayer structure including a superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor layer.

本実施例2で作製した半導体LED20の断面構造を模式的に示す。   The cross-sectional structure of the semiconductor LED 20 produced in the present Example 2 is shown typically.

LED20の作製には、(001)結晶面を表面とする、燐(元素記号:P)を添加したn形の珪素単結晶を基板201として用いた。基板201を、MBE成長用の成長チャンバー内に搬送した後、約5×10−7パスカル(Pa)の高真空中で、基板201を800℃に加熱した。 RHEEDパターンを監視しつつ、基板201の表面をなす(100)結晶面が(2×1)再配列構造となる迄、同温度で継続して加熱した。 For the production of the LED 20, an n-type silicon single crystal having phosphorus (element symbol: P) with the (001) crystal plane as the surface was used as the substrate 201. After the substrate 201 was transferred into a growth chamber for MBE growth, the substrate 201 was heated to 800 ° C. in a high vacuum of about 5 × 10 −7 Pascal (Pa). While monitoring the RHEED pattern, heating was continued at the same temperature until the (100) crystal plane forming the surface of the substrate 201 had a (2 × 1) rearrangement structure.

(2×2)再配列構造が出現したのを確認した後、基板201をMBE成長チャンバー内に収納したままで、420℃に降温した。次に、基板201の表面にアセチレンガスを吹き付け、併せて、電子を照射しつつ、アセチレンをその表面に吸着させた。電子は、高真空に保たれた成長チャンバー内に配置したタングステン(元素記号:W)フィラメントを通電加熱して発生させた。電子は、加速電圧を300Vとし、面積密度約5×1012cm−2で照射した。アセチレンガスと電子は、RHEEDパターン上で、基板201の表面の(2×1)再配列構造に起因する電子回折斑点が略消滅する迄、継続して供給した。 After confirming the appearance of the (2 × 2) rearrangement structure, the temperature was lowered to 420 ° C. while the substrate 201 was housed in the MBE growth chamber. Next, acetylene gas was sprayed onto the surface of the substrate 201, and acetylene was adsorbed on the surface while irradiating electrons. Electrons were generated by energizing and heating a tungsten (element symbol: W) filament disposed in a growth chamber maintained in a high vacuum. The electrons were irradiated at an acceleration voltage of 300 V and an area density of about 5 × 10 12 cm −2 . Acetylene gas and electrons were continuously supplied on the RHEED pattern until the electron diffraction spots due to the (2 × 1) rearrangement structure on the surface of the substrate 201 almost disappeared.

その後、珪素単結晶基板201を550℃に昇温した。基板201の温度が550℃に安定した時点で、電子を基板201に向けて。再び、照射し始めた。RHEEDパターンに立方晶3C型の炭化珪素に依るストリークが出現する迄、同温度で基板201の表面に電子を照射し続け、珪素単結晶基板201の表面に3C型立方晶の炭化珪素層202を形成した。600℃に於いて、(001)珪素単結晶のRHEEDパターンから求めた珪素単結晶の格子定数を基に、形成した炭化珪素の格子定数は0.440nmと計算された。
また、炭化珪素層202のRHEEDパターンには、双晶及び積層欠陥に起因する異常回折は認められなかった。また、炭化珪素層202の層厚は約2nmであり、同層202の表面は、(001)結晶面であった。
Thereafter, the silicon single crystal substrate 201 was heated to 550 ° C. When the temperature of the substrate 201 is stabilized at 550 ° C., the electrons are directed toward the substrate 201. I started to irradiate again. Until the streak due to cubic 3C type silicon carbide appears in the RHEED pattern, the surface of substrate 201 is continuously irradiated with electrons at the same temperature, and 3C type cubic silicon carbide layer 202 is formed on the surface of silicon single crystal substrate 201. Formed. At 600 ° C., the lattice constant of silicon carbide formed was calculated to be 0.440 nm based on the lattice constant of the silicon single crystal obtained from the RHEED pattern of the (001) silicon single crystal.
Further, in the RHEED pattern of the silicon carbide layer 202, abnormal diffraction due to twins and stacking faults was not observed. Moreover, the layer thickness of the silicon carbide layer 202 was about 2 nm, and the surface of the layer 202 was a (001) crystal plane.

非化学量論的な組成の炭化珪素層202上には、窒素プラズマを窒素源とするMBE法に依り、立方晶閃亜鉛鉱結晶型の窒化アルミニウム(AlN)層203を、基板201の温度を700℃として形成した。窒素プラズマは、高純度窒素ガスに、周波数13.56MHzの高周波と磁界とを印加する電子サイクトロトロン共鳴(ECR)型装置を用いて発生させた。MBE成長チャンバーを約1×10−6Paの高真空に保持しつつ、窒素プラズマ内の原子状窒素(窒素ラジカル)を電気的斥力を利用して抽出して、炭化珪素層202の表面に噴霧した。本発明の云うIII族窒化物半導体接合層たるAlN層203の層厚は約8nmとした。AlN層203は、(001)結晶面を表面とする単結晶層であった。 A cubic zinc blende crystal type aluminum nitride (AlN) layer 203 is formed on the silicon carbide layer 202 having a non-stoichiometric composition by the MBE method using nitrogen plasma as a nitrogen source, and the temperature of the substrate 201 is increased. It was formed at 700 ° C. The nitrogen plasma was generated using an electron cyclotron resonance (ECR) type apparatus that applies a high frequency of 13.56 MHz and a magnetic field to high purity nitrogen gas. While maintaining the MBE growth chamber at a high vacuum of about 1 × 10 −6 Pa, atomic nitrogen (nitrogen radicals) in the nitrogen plasma is extracted using electric repulsion and sprayed on the surface of the silicon carbide layer 202. did. The thickness of the AlN layer 203, which is a group III nitride semiconductor junction layer according to the present invention, was about 8 nm. The AlN layer 203 was a single crystal layer having a (001) crystal plane as a surface.

立方晶(cubic)のAlN層203の表面の(001)結晶面上には、700℃でMBE法に依り、立方晶の第1のn形窒化ガリウム(GaN)204aを形成した。超格子構造層204の構成層たる第1のn形GaN層204aの層厚は、15ML(約3.9nm)とした。第1のn形GaN層204aには、超格子構造層204を構成する別の構成層であるガリウム(Ga)組成比を0.95とする第1のn形窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga0.95In0.05N)204bを接合させて設けた。次に、第1のn形Ga0.95In0.05N混晶層204bには、第2のn形GaN層204aを接合させて設けた。第2のn形GaN層204aには、第2のGa0.95In0.05N混晶層204bを接合させて設けた。第2のGa0.95In0.05N混晶層204b上には、更に、第3のn形GaN層204a及び第3のn形Ga0.95In0.05N混晶層204bとを設けて、超格子構造層204の形成を終了した。第1乃至第3のn形Ga0.95In0.05N混晶層204bの層厚は何れも10MLとした。 On the (001) crystal plane of the surface of the cubic AlN layer 203, cubic n-type gallium nitride (GaN) 204a was formed at 700 ° C. by the MBE method. The layer thickness of the first n-type GaN layer 204a, which is a constituent layer of the superlattice structure layer 204, was 15 ML (about 3.9 nm). The first n-type GaN layer 204a includes a first n-type gallium nitride / indium mixed crystal (Ga) having a gallium (Ga) composition ratio of 0.95, which is another constituent layer of the superlattice structure layer 204. 0.95 In 0.05 N) 204b was provided. Next, a second n-type GaN layer 204a was joined to the first n-type Ga 0.95 In 0.05 N mixed crystal layer 204b. A second Ga 0.95 In 0.05 N mixed crystal layer 204b was joined to the second n-type GaN layer 204a. On the second Ga 0.95 In 0.05 N mixed crystal layer 204b, further, a third n-type GaN layer 204a and the third n-type Ga 0.95 In 0.05 N mixed crystal layer 204b To complete the formation of the superlattice structure layer 204. The thicknesses of the first to third n-type Ga 0.95 In 0.05 N mixed crystal layer 204b were all 10 ML.

超格子構造層204の最表層をなす(001)結晶面を表面とするn形Ga0.95In0.05N混晶層204b上には、MBE法に依り、珪素をドーピングしつつ、層厚を約1800nmとする立方晶でn形のGaNからなる下部クラッド層205を設けた。n形GaN層205は、上記の超格子構造層204を介して設けたため、表面粗さはr.m.s.にして約1.2nmと良好な平坦性を有していた。 On the n-type Ga 0.95 In 0.05 N mixed crystal layer 204b whose surface is the (001) crystal plane that forms the outermost layer of the superlattice structure layer 204, silicon is doped by MBE method while doping silicon. A lower cladding layer 205 made of cubic and n-type GaN having a thickness of about 1800 nm was provided. Since the n-type GaN layer 205 is provided via the superlattice structure layer 204, the surface roughness is r. m. s. The film had a good flatness of about 1.2 nm.

下部クラッド層205上には、立方晶のn形GaN障壁層と立方晶のn形窒化ガリウム・インジウム混晶(Ga0.85In0.15N)井戸層との5対の構成からなる多重量子井戸構造の発光層206をMBE法により700℃で形成した。発光層206には、層厚を約100nmとする立方晶でp形Al0.10Ga0.90Nからなる上部クラッド層207を形成した。これより、n形クラッド層205と、n形発光層206と、及びp形上部クラッド層207とからpn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の発光部を構成した。発光部をなすp形上部クラッド層207上には、更に、層厚を約90nmとする立方晶のp形GaNからなるコンタクト層208をMBE法で設けて、LED20用途の積層構造体21を形成した。 On the lower clad layer 205, a multi-layered structure consisting of five pairs of a cubic n-type GaN barrier layer and a cubic n-type gallium nitride / indium mixed crystal (Ga 0.85 In 0.15 N) well layer. A light emitting layer 206 having a quantum well structure was formed at 700 ° C. by MBE. An upper cladding layer 207 made of cubic p-type Al 0.10 Ga 0.90 N and having a layer thickness of about 100 nm was formed on the light emitting layer 206. As a result, a light emitting portion having a pn junction type double hetero (DH) junction structure was constituted by the n type clad layer 205, the n type light emitting layer 206, and the p type upper clad layer 207. A contact layer 208 made of cubic p-type GaN having a layer thickness of about 90 nm is further provided on the p-type upper clad layer 207 forming the light emitting portion by the MBE method to form the laminated structure 21 for the LED 20 application. did.

積層構造体21の最表層をなすp形コンタクト層208の表面の中央には、金(Au)とニッケル(Ni)酸化物とからなるp形のオーミック電極209を形成した。一方のn形オーミック電極210は、n形珪素単結晶基板201の裏面の全面に金真空蒸着膜を設けて構成した。   A p-type ohmic electrode 209 made of gold (Au) and nickel (Ni) oxide is formed at the center of the surface of the p-type contact layer 208 that forms the outermost layer of the multilayer structure 21. One n-type ohmic electrode 210 was configured by providing a gold vacuum deposition film on the entire back surface of the n-type silicon single crystal substrate 201.

上記の如く作製したLEDチップ20のp形及びn形オーミック電極209,210間に素子動作電流を通流し、発光及び電気的特性を調査した。LED20に順方向に電流をながしたところ、主波長を465nmとする青色光が出射された。順方向電流を20mAとした際の発光強度は、約2.0mWの高強度となった。順方向に20mAの電流を通流した際の順方向電圧(Vf)は、約3.3Vとなった。また、非化学量論的な組成の炭化珪素層202を緩衝層として設けたために、その上に結晶性に優れるIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層204、及びDH構造型の発光部を設けられた。このため、逆方向電流を10μAとした際の逆方向電圧は15Vの高電圧となった。また、特に、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層から超格子構造層204及び発光部を構成することとしたので、局所的な耐圧不良の殆どない逆方向の耐電圧性に優れるLEDを構成できた。
(実施例3)
金属アルミニウム膜を窒化することにより形成した窒化アルミニウムからなるIII族窒化物半導体接合層を備えた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。
The device operating current was passed between the p-type and n-type ohmic electrodes 209 and 210 of the LED chip 20 manufactured as described above, and the light emission and electrical characteristics were investigated. When a forward current was applied to the LED 20, blue light having a dominant wavelength of 465 nm was emitted. The light emission intensity when the forward current was 20 mA was as high as about 2.0 mW. The forward voltage (Vf) when a current of 20 mA was passed in the forward direction was about 3.3V. Further, since the silicon carbide layer 202 having a non-stoichiometric composition is provided as a buffer layer, a superlattice structure layer 204 made of a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity thereon, and a DH structure type light emitting portion Was provided. For this reason, the reverse voltage when the reverse current was 10 μA was a high voltage of 15V. In particular, since the superlattice structure layer 204 and the light emitting portion are composed of a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity, an LED having excellent reverse voltage resistance with little local breakdown voltage is configured. did it.
(Example 3)
The contents of the present invention will be specifically described by taking as an example a case where an LED having a group III nitride semiconductor junction layer made of aluminum nitride formed by nitriding a metal aluminum film is constructed.

上記の実施例1に記載の如く、(111)結晶面を表面とする(111)珪素単結晶基板上に、立方晶3C型の炭化珪素層を形成した。次に、格子定数を0.450nmとする炭化珪素層の(111)結晶面からなる表面に、MBE成長チャンバー内で、アルミニウム(Al)のビーム(beam)を照射して、Al被膜を形成した。Al被膜の膜厚は約3nmとした。   As described in Example 1 above, a cubic 3C type silicon carbide layer was formed on a (111) silicon single crystal substrate having a (111) crystal plane as a surface. Next, the surface of the silicon carbide layer having a lattice constant of 0.450 nm made of the (111) crystal plane was irradiated with an aluminum (Al) beam in an MBE growth chamber to form an Al film. . The film thickness of the Al coating was about 3 nm.

次に、MBE成長用チャンバーに備え付けられたECR(電子サイクロトロン共鳴)型高周波(RF)プラズマ発生装置を利用して窒素プラズマを、同チャンバー内に発生させた。然る後、窒素プラズマ中の窒素ラジカルを選択的に抽出して、上記のAl被膜に照射し、それを窒化させた。窒化に依り形成されたAlN膜は、RHEEDパターンから六方晶であるとされた。   Next, nitrogen plasma was generated in the chamber using an ECR (electron cyclotron resonance) type radio frequency (RF) plasma generator provided in the MBE growth chamber. Thereafter, nitrogen radicals in the nitrogen plasma were selectively extracted and irradiated on the Al film to nitride it. The AlN film formed by nitriding was assumed to be hexagonal from the RHEED pattern.

Al被膜を窒化して形成した六方晶AlN層をIII族窒化物半導体接合層として、その上には、上記の実施例1に記載のとおりの構成からなる超格子構造層、n形下部クラッド層、n形発光層、p形上部クラッド層、及びp形コンタクト層を順次、積層させてLED用途の積層構造体を形成した。窒化に依り形成したAlN層をIII族窒化物半導体接合層として用いることにより、その上に設けた上記の超格子構造層等を構成するIII族窒化物半導体層は何れも、六方晶の晶系に画一的に統一されたものとなった。電子回折分析及び一般的な断面TEM(透過電子顕微鏡)観察に依れば、それら各層の表面は(0001)結晶面であり、またその各層の内部には、立方晶の結晶塊の存在は殆ど認められなかった。   A hexagonal AlN layer formed by nitriding an Al film is used as a group III nitride semiconductor junction layer, and a superlattice structure layer having the structure as described in Example 1 above, an n-type lower cladding layer thereon Then, an n-type light emitting layer, a p-type upper clad layer, and a p-type contact layer were sequentially laminated to form a laminated structure for LED use. By using the AlN layer formed by nitriding as the group III nitride semiconductor junction layer, any of the group III nitride semiconductor layers constituting the superlattice structure layer provided thereon is a hexagonal crystal system. It became a uniform standard. According to electron diffraction analysis and general cross-sectional TEM (transmission electron microscope) observation, the surface of each layer is a (0001) crystal plane, and the presence of cubic crystal lumps is almost absent in each layer. I was not able to admit.

窒化に依り形成した六方晶AlN層をIII族窒化物半導体接合層として備えた上記の積層構造体には、上記実施例1に記載の如くのp形及びn形オーミック電極を設けて、LEDを構成した。   The stacked structure provided with a hexagonal AlN layer formed by nitriding as a group III nitride semiconductor junction layer is provided with p-type and n-type ohmic electrodes as described in Example 1 above, and an LED is formed. Configured.

LEDに、20mAの順方向電流を通流した際の発光波長は、上記実施例に記載のLEDと略同一の約460nmであった。また、Al被膜の窒化に依り形成した晶系が六方晶に画一的に統一されたAlN層をIII族窒化物半導体接合層として用いたために、立方晶の結晶塊の混在が無い六方晶のIII族窒化物半導体結晶から発光層が形成されているため、LEDチップ間の発光波長は均一であった。   The emission wavelength when a forward current of 20 mA was passed through the LED was about 460 nm, which was substantially the same as the LED described in the above example. In addition, since an AlN layer in which the crystal system formed by nitriding the Al coating is uniformly unified to a hexagonal crystal is used as the group III nitride semiconductor junction layer, the hexagonal crystal is not mixed with a cubic crystal mass. Since the light emitting layer was formed from the group III nitride semiconductor crystal, the light emission wavelength between the LED chips was uniform.

本発明に依れば、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるIII族窒化物半導体層をもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子として利用できる。   According to the present invention, a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity and excellent surface flatness can be provided, and thus can be used as a high-performance semiconductor device.

10 LED
11 LED用積層構造体
101 珪素単結晶基板
102 非化学量論的な組成の炭化珪素層
103 III族窒化物半導体接合層(AlN層)
104 III族窒化物半導体超格子構造層
105 III族窒化物半導体下部クラッド層
106 III族窒化物半導体発光層
107 III族窒化物半導体上部クラッド層
108 III族窒化物半導体コンタクト層
109 p形オーミック電極
110 n形オーミック電極
20 LED
21 LED用積層構造体
201 珪素単結晶基板
202 非化学量論的な組成の炭化珪素層
203 III族窒化物半導体接合層(AlN層)
204 III族窒化物半導体超格子構造層
205 III族窒化物半導体下部クラッド層
206 III族窒化物半導体発光層
207 III族窒化物半導体上部クラッド層
208 III族窒化物半導体コンタクト層
209 p形オーミック電極
210 n形オーミック電極
10 LED
11 LED laminated structure 101 Silicon single crystal substrate 102 Non-stoichiometric silicon carbide layer 103 Group III nitride semiconductor junction layer (AlN layer)
104 Group III Nitride Semiconductor Superlattice Structure Layer 105 Group III Nitride Semiconductor Lower Cladding Layer 106 Group III Nitride Semiconductor Light-Emitting Layer 107 Group III Nitride Semiconductor Upper Cladding Layer 108 Group III Nitride Semiconductor Contact Layer 109 p-type Ohmic Electrode 110 n-type ohmic electrode 20 LED
21 LED multilayer structure 201 Silicon single crystal substrate 202 Non-stoichiometric silicon carbide layer 203 Group III nitride semiconductor junction layer (AlN layer)
204 Group III nitride semiconductor superlattice structure layer 205 Group III nitride semiconductor lower cladding layer 206 Group III nitride semiconductor light emitting layer 207 Group III nitride semiconductor upper cladding layer 208 Group III nitride semiconductor contact layer 209 p-type ohmic electrode 210 n-type ohmic electrode

Claims (8)

珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたIII族窒化物半導体接合層と、そのIII族窒化物半導体接合層上にIII族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子であって、炭化珪素層は立方晶で格子定数が0.436nmを超え、0.460nm以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層であり、III族窒化物半導体接合層は、組成がAlGaIn1−αα(0≦X、Y、Z≦1、X+Y+Z=1、0≦α<1、Mは窒素以外の第V族元素である。)である、ことを特徴とする半導体素子。 A silicon single crystal substrate, a silicon carbide layer provided on the surface of the substrate, a group III nitride semiconductor junction layer provided in contact with the silicon carbide layer, and a group III nitride on the group III nitride semiconductor junction layer A semiconductor device having a superlattice structure layer made of a semiconductor, wherein the silicon carbide layer is cubic and has a lattice constant of more than 0.436 nm and 0.460 nm or less, and is non-stoichiometrically rich in silicon. The group III nitride semiconductor junction layer has a composition of Al X Ga Y In ZN 1-α M α (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1, 0 ≦ α < 1 and M are Group V elements other than nitrogen.) A semiconductor element. III族窒化物半導体からなる超格子構造層が、アルミニウム(Al)組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム(AlGa1−XN:0≦X≦1)層を交互に積層した層である、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。 The superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is a layer in which aluminum / gallium nitride (Al X Ga 1-X N: 0 ≦ X ≦ 1) layers having different aluminum (Al) compositions are alternately stacked. The semiconductor element according to claim 1. アルミニウム組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム層でアルミニウム組成を小とする層が、III族窒化物半導体接合層に接していることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。 3. The semiconductor element according to claim 2, wherein the aluminum nitride / gallium layer having a different aluminum composition and having a small aluminum composition is in contact with the group III nitride semiconductor junction layer. III族窒化物半導体からなる超格子構造層が、ガリウム(Ga)組成を相違する窒化ガリウム・インジウム(GaIn1−QN:0≦Q≦1)層を交互に積層した層である、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。 The superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor is a layer in which gallium nitride indium (Ga Q In 1-Q N: 0 ≦ Q ≦ 1) layers having different gallium (Ga) compositions are alternately stacked. The semiconductor element according to claim 1. ガリウム組成を相違する窒化ガリウム・インジウム層でガリウム組成を大とする層が、III族窒化物半導体接合層に接している、ことを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein a gallium nitride / indium layer having a different gallium composition and having a large gallium composition is in contact with a group III nitride semiconductor junction layer. III族窒化物半導体からなる超格子構造層が、膜厚が5モノレイヤー(ML)〜30MLの範囲内である、ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の半導体素子。 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the superlattice structure layer made of a group III nitride semiconductor has a thickness in a range of 5 monolayers (ML) to 30 ML. . 珪素単結晶基板が、表面を{111}結晶面とする基板であり、III族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化アルミニウム(AlN)層である、ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の半導体素子。 The silicon single crystal substrate is a substrate having a {111} crystal surface, and the group III nitride semiconductor junction layer is a hexagonal wurtzite crystal type aluminum nitride (AlN) layer. Item 7. The semiconductor element according to any one of Items 1 to 6. 珪素単結晶基板が、表面を{001}結晶面とする基板であり、III族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム(AlN)層である、ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の半導体素子。 The silicon single crystal substrate is a substrate having a {001} crystal surface, and the group III nitride semiconductor junction layer is a cubic zinc blende crystal type aluminum nitride (AlN) layer. The semiconductor element according to claim 1.
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