JP2012186410A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】寄生抵抗が低減されたダイオード構造が形成できるようにする。
【解決手段】 この半導体素子は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第１半導体層１０１の上に形成された第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第２半導体層１０２の上に形成された第３半導体層１０３とを少なくとも備える。また、第２半導体層１０２は、臨界膜厚より薄く形成されている。加えて、第１半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係と、第３半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード、レーザーダイオード、太陽電池などとして用いることができる窒化物半導体を用いた半導体素子に関する。

窒化物半導体におけるダイオード構造の素子は、信号機などに用いられている青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、照明やディスプレーのバックライト，あるいは自動車のヘッドランプなどに用いられる高輝度白色ＬＥＤ、更にはブルーレイ（登録商標）ディスク等に用いられる青色レーザーダイオード（ＬＤ）などの形で広く実用に供されている。また、医療分野への応用を目指した深紫外ＬＥＤの研究開発、および循環型社会実現に欠かせない太陽電池への応用に向けた研究開発も盛んに行われている。

これらのダイオード構造を作製するには、ｐ−ｎ構造もしくはｐ−ｉ−ｎ構造を取るのが一般的である。窒化物半導体のｎ型ドーピングには、ｎ型不純物としてＳｉが用いられることが多い。これは、窒化物半導体にＳｉをドーピングするのは容易で、高濃度キャリア濃度を比較的簡単に得やすいためである。

一方、ｐ型ドーピングにはｐ型不純物としてＭｇが用いられている。これは、非特許文献１に示されているように、窒化物半導体におけるＭｇのアクセプタ準位が他のアクセプタ不純物に比べて相対的に浅いためである。しかしながら、Ｍｇのアクセプタ準位は、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体におけるアクセプタ準位に比べると非常に大きく、このため、窒化物半導体にドーピングされたＭｇのうち１％程度しか活性なアクセプタとして働いていない。結果的に、典型的には１７乗台のキャリア濃度しか得ることができないために低抵抗なｐコンタクトを形成できず、大きな寄生抵抗になってしまうという問題があった。

このような大きな寄生抵抗は、高輝度ＬＥＤやＬＤのようなハイパワーデバイスにおいては発光効率の低下の要因になる以外に、発熱による素子特性の劣化という問題になり、パッケージ等の実装においてどのようにスムーズに放熱させるかという問題を発生させる。また、太陽電池のようなエネルギー発生デバイスにおいては、エネルギーの損失という問題になる。

S.Fischer et al. , "On p-type doping in GaN.acceptor binding energies", Applied Physics Letters, vol.67, no.9, pp. 1298-1300, 1995. J.J.Wierer, Jr. et al., "The impact of piezoelectric polarization and nonradiative recombination on the performance of (0001) face GaN/InGaN photovoltaic devices", Applied Physics Letters, vol. 96, art. no. 051107, 2010. F. Bernardini et al. , "Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides", Physical Review B, vol.56, no.16, pp. R10024-R10027, 1997.

以上に示したように、窒化物半導体でｐ−ｎダイオード構造もしくはｐ−ｉ−ｎダイオード構造を構成する場合、ｐ型とするためのＭｇドーピングによる高濃度キャリア濃度実現が難しく、良好なｐコンタクトを形成できず、結果としてダイオード構造の寄生抵抗を低減できないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、寄生抵抗が低減されたダイオード構造が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体素子は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層と、第１半導体層とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第１半導体層の上に形成された第２半導体層と、第２半導体層とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第２半導体層の上に形成された第３半導体層とを少なくとも備え、第２半導体層は、臨界膜厚より薄く形成され、第１半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係と、第３半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされている。

上記半導体素子において、第２半導体層および第３半導体層の間に形成されて第３半導体層より低濃度のｎ型もしくはノンドープとされ、第２半導体層とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成された第４半導体層を備え、第４半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係と、第３半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされていればよい。

上記半導体装置において、第２半導体層および第３半導体層の間に形成されて、アンドープの窒化物半導体から構成された第４半導体層と、第４半導体層および第２半導体層の間に形成され、第４半導体層より格子定数が小さいアンドープの窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされた第５半導体層と、第４半導体層および第３半導体層の間に形成され、第４半導体層より格子定数が小さい窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされた第６半導体層とを備えるようにしてもよい。

上記半導体素子において、第１半導体層は、ＧａＮから構成され、第２半導体層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｘ＋ｙ≦１）から構成されていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層および第３半導体層で、臨界膜厚以下とした格子定数の異なる第２半導体層を挟むようにしたので、寄生抵抗が低減されたダイオード構造が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における半導体素子の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１における半導体素子のバンド構造を示すバンド図である。 図３は、本発明の実施の形態１における半導体素子の電圧・電流特性を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態２における半導体素子の構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２における半導体素子のバンド構造を示すバンド図である。 図６は、本発明の実施の形態２における半導体素子の電圧・電流特性を示す特性図である。 図７は、本発明の実施の形態３における半導体素子の構成を示す構成図である。 図８は、本発明の実施の形態３における半導体素子のバンド構造を示すバンド図である。 図９は、本発明の実施の形態３における半導体素子の電圧・電流特性を示す特性図である。 図１０は、本発明の実施の形態４における半導体素子の構成を示す構成図である。 図１１は、本発明の実施の形態４における半導体素子のバンド構造を示すバンド図である。 図１２は、本発明の実施の形態４における半導体素子のバンド構造を示すバンド図である。 図１３は、本発明の実施の形態５における半導体素子の構成を示す構成図である。 図１４は、本発明の実施の形態５における半導体素子のバンド構造を示すバンド図である。 図１５は、本発明の実施の形態５における半導体素子のバンド構造を示すバンド図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体素子の構成を示す構成図である。図１では、半導体素子の断面を模式的に示している。

この半導体素子は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第１半導体層１０１の上に形成された第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第２半導体層１０２の上に形成された第３半導体層１０３とを少なくとも備える。

また、第２半導体層１０２は、臨界膜厚より薄く形成されている。加えて、第１半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係と、第３半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされている。

例えば、上述した各層は、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）からなる基板１１１の上に形成すればよい。ここで、サファイア基板の上にＧａＮなどの窒化物半導体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によりエピタキシャル成長させると、通常は、（０００１）方向にＩＩＩ族極性で結晶成長が進行する。以下では、基板１１１の上に、ＩＩＩ族極性で各層を形成し、第２半導体層１０２に対し、第１半導体層１０１および第３半導体層１０３の方が大きな格子定数となっている場合について説明する。また、以下では、第２半導体層１０２および第３半導体層１０３の間に形成されて第３半導体層１０３より低濃度のｎ型とされ、第１半導体層１０１と同じ格子定数の窒化物半導体から構成された第４半導体層１０４を備える場合について説明する。

各層について例示すると、まず、第１半導体層１０１は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。第２半導体層１０２は、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎから構成すればよく、層厚は、１５ｎｍ程度とすればよい。第４半導体層１０４は、ｎ型の不純物（キャリア濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を添加したＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、２００ｎｍ程度すればよい。また、第３半導体層１０３は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。ここでは、第１半導体層１０１と第３半導体層１０３とは、同じ格子定数の場合を例示している。

上述したように、ＩＩＩ族極性で各層を形成した本実施の形態によれば、第１半導体層１０１の上に第２半導体層１０２を形成（堆積）すると、第２半導体層１０２に引っ張り応力が加わり、これによって自発分極効果を強める方向にピエゾ分極効果が現れ、第１半導体層１０１との界面近傍の第１半導体層１０１には、２次元電子ガスが発生する。この結果、第２半導体層１０２の界面付近の伝導電子帯（conduction band：ｃｄ）は、フェルミ準位近傍にピニングされる。一方、第２半導体層１０２の上に第４半導体層１０４（第３半導体層１０３）を形成すると、第４半導体層１０４では、価電子帯（valence band：ｖｂ）がフェルミ準位近傍にピニングされる。

これらの作用により、実施の形態１における半導体素子のバンド構造は、図２の（ａ）に示す状態となり、第１半導体層１０１と第３半導体層１０３とに挟まれた領域に、空乏層が形成されて擬似的なダイオードと見なせる構造になる。なお、第４半導体層１０４を設け、この層の厚さなどを制御することで、得られる擬似的なダイオードの諸特性を様々に変化させることができる。従って、第４半導体層１０４は、なくてもよい。

図２には、第３半導体層１０３および第１半導体層１０１に電極を形成し、これらの層の間に電圧を印加した場合のバンド図の変化も示している。図２の（ａ）は、電圧を印加していない（無バイアス）状態を示し、図２の（ｂ）は、第３半導体層１０３の側を＋としたバイアスを印加し、図２の（ｃ）は、第３半導体層１０３の側を−としたバイアスを印加した場合を示している。

図２の（ｂ）に示すように、第３半導体層１０３に正の電位を与えた場合、第１半導体層１０１の側から供給される電子は、第２半導体層１０２の部分に形成される大きなエネルギー障壁によってブロックされ、電流はほとんど流れない。これに対し、図２の（ｃ）に示すように、第３半導体層１０３の側に負の電位を与えた場合、第３半導体層１０３の側から供給される電子に対するエネルギー障壁はほとんどなく、電流が流れる。ここで、価電子帯の側では、例えば、正孔が、第１半導体層１０１の側より第２半導体層１０２をトンネルして第３半導体層１０３の側に流れる。

本実施の形態１の半導体素子の電流・電圧特性は、図３に示すように、通常のダイオードで見られるのと同様の整流特性が得られる。本実施の形態１では、電極を形成する第１半導体層１０１および第３半導体層１０３は、いずれもｎ型であることから、高濃度のキャリア濃度を得ることが容易である。従って、低抵抗なコンタクトを形成することができ、寄生抵抗の小さいダイオード素子を作製できる。また、第２半導体層１０２は、臨界膜厚より薄くしているので、結晶性などの品質の劣化が抑制され、素子の諸特性を劣化させることがない。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本実施の形態２における半導体素子の構成を示す構成図である。図４では、半導体素子の断面を模式的に示している。

この半導体素子は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層４０１と、第１半導体層４０１とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第１半導体層４０１の上に形成された第２半導体層４０２と、第２半導体層４０３とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第２半導体層４０２の上に形成された第３半導体層４０３とを少なくとも備える。

また、第２半導体層４０２は、臨界膜厚より薄く形成されている。加えて、第１半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係と、第３半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされている。

例えば、上述した各層は、主表面をＣ面としたサファイアからなる基板４１１の上に形成すればよい。ここで、サファイア基板の上にＧａＮなどの窒化物半導体を、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）により、諸条件を調製してエピタキシャル成長させることで、（０００１）方向にＶ族極性で結晶成長させることができる。以下では、基板４１１の上に、Ｖ族極性で各層を形成し、第１半導体層１０１および第３半導体層１０３に対し第２半導体層１０２の方が大きな格子定数となっている場合について説明する。また、以下では、第２半導体層４０２および第３半導体層４０３の間に形成されて第３半導体層４０３より低濃度のｎ型とされ、第１半導体層４０１と同じ格子定数の窒化物半導体から構成された第４半導体層４０４を備える場合について説明する。

各層について例示すると、まず、第１半導体層４０１は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。第２半導体層４０２は、アンドープのIｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから構成すればよく、層厚は、１５ｎｍ程度とすればよい。第４半導体層４０４は、ｎ型の不純物（キャリア濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を添加したＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、２００ｎｍ程度すればよい。また、第３半導体層４０３は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。ここでも、第１半導体層４０１と第３半導体層４０３とが、同じ格子定数の場合を例示している。

上述したように、Ｖ族極性で各層を形成した本実施の形態によれば、第１半導体層４０１の上に第２半導体層４０２を形成（堆積）すると、第２半導体層４０２に圧縮応力が加わり、これによって自発分極効果を強める方向にピエゾ分極効果が現れ、第１半導体層４０１との界面近傍の第１半導体層４０１には、２次元電子ガスが発生する。この結果、第２半導体層４０２の界面付近の伝導電子帯は、フェルミ準位近傍にピニングされる。一方、第２半導体層４０２の上に第４半導体層４０４（第３半導体層４０３）を形成すると、第４半導体層４０４では、価電子帯がフェルミ準位近傍にピニングされる。

これらの作用により、実施の形態２における半導体素子のバンド構造は、図５の（ａ）に示す状態となり、第１半導体層４０１と第３半導体層４０３とに挟まれた領域に、空乏層が形成されて擬似的なダイオードと見なせる構造になる。なお、第４半導体層４０４を設け、この層の厚さなどを制御することで、得られる擬似的なダイオードの諸特性を様々に変化させることができる。従って、第４半導体層４０４は、なくてもよい。

図５には、第３半導体層４０３および第１半導体層４０１に電極を形成し、これらの層の間に電圧を印加した場合のバンド図の変化も示している。図５の（ａ）は、電圧を印加していない（無バイアス）状態を示し、図５の（ｂ）は、第３半導体層４０３の側を＋としたバイアスを印加し、図５の（ｃ）は、第３半導体層４０３の側を−としたバイアスを印加した場合を示している。

図５の（ｂ）に示すように、第３半導体層４０３に正の電位を与えた場合、第１半導体層４０１の側から供給される電子は、第２半導体層４０２の部分に形成される大きなエネルギー障壁によってブロックされ、電流はほとんど流れない。これに対し、図５の（ｃ）に示すように、第３半導体層４０３の側に負の電位を与えた場合、第３半導体層４０３の側から供給される電子に対するエネルギー障壁はほとんどなく、電流が流れる。

本実施の形態２の半導体素子の電流・電圧特性は、図６に示すように、通常のダイオードで見られるのと同様の整流特性が得られる。本実施の形態２では、電極を形成する第１半導体層４０１および第３半導体層４０３は、いずれもｎ型であることから、高濃度のキャリア濃度を得ることが容易である。従って、低抵抗なコンタクトを形成することができ、寄生抵抗の小さいダイオード素子を作製できる。また、第２半導体層４０２は、臨界膜厚より薄くしているので、結晶性などの品質の劣化が抑制され、素子の諸特性を劣化させることがない。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、本実施の形態３における半導体素子の構成を示す構成図である。図７では、半導体素子の断面を模式的に示している。

この半導体素子は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層７０１と、第１半導体層７０１とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第１半導体層７０１の上に形成された第２半導体層７０２と、第２半導体層７０２とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第２半導体層７０２の上に形成された第３半導体層７０３とを少なくとも備える。

また、第２半導体層７０２は、臨界膜厚より薄く形成されている。加えて、第１半導体層７０１，第２半導体層７０２，第３半導体層７０３は、主表面がＩＩＩ族極性とされ、第２半導体層７０２は、第１半導体層７０１および第３半導体層７０３より小さい格子定数とされている。

例えば、上述した各層は、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）からなる基板１１１の上に形成すればよい。実施の形態１で説明したように、サファイア基板の上にＧａＮなどの窒化物半導体を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させると、通常は、（０００１）方向にＩＩＩ族極性で結晶成長が進行する。なお、以下では、第２半導体層７０２および第３半導体層７０３の間に形成されて第３半導体層７０３より低濃度のｎ型とされ、第１半導体層７０１と同じ格子定数の窒化物半導体から構成された第４半導体層７０４を備える場合について説明する。これは、実施の形態１と同様であるが、実施の形態３では、後述するように、第４半導体層７０４におけるｎ型の不純物濃度をより高濃度としている。

各層について例示すると、まず、第１半導体層７０１は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。第２半導体層７０２は、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎから構成すればよく、層厚は、１５ｎｍ程度とすればよい。第４半導体層７０４は、ｎ型の不純物（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を添加したＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、２００ｎｍ程度すればよい。また、第３半導体層７０３は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。

上述したように、ＩＩＩ族極性で各層を形成した本実施の形態３においても、第１半導体層７０１の上に第２半導体層７０２を形成（堆積）すると、第２半導体層７０２に引っ張り応力が加わり、これによって自発分極効果を強める方向にピエゾ分極効果が現れ、第１半導体層７０１との界面近傍の第１半導体層７０１には、２次元電子ガスが発生する。この結果、第２半導体層７０２の界面付近の伝導電子帯は、フェルミ準位近傍にピニングされる。一方、第２半導体層７０２の上に第４半導体層７０４（第３半導体層７０３）を形成すると、第４半導体層７０４では、価電子帯がフェルミ準位近傍にピニングされる。

これらの作用により、実施の形態３における半導体素子のバンド構造は、図８の（ａ）に示す状態となり、第１半導体層７０１と第３半導体層７０３とに挟まれた領域に、空乏層が形成されて擬似的なダイオードと見なせる構造になる。なお、第４半導体層７０４を設け、この層の厚さなどを制御することで、得られる擬似的なダイオードの諸特性を様々に変化させることができる。従って、第４半導体層７０４は、なくてもよい。

図８には、第３半導体層７０３および第１半導体層７０１に電極を形成し、これらの層の間に電圧を印加した場合のバンド図の変化も示している。図８の（ａ）は、電圧を印加していない（無バイアス）状態を示し、図８の（ｂ）は、第３半導体層７０３の側を＋としたバイアスを印加し、図８の（ｃ）は、第３半導体層７０３の側を−としたバイアスを印加した場合を示している。また、図８の（ｄ）は、第３半導体層７０３の側を−としたより大きなバイアスを印加した場合を示している。

図８の（ｂ）に示すように、第３半導体層７０３に正の電位を与えた場合、第１半導体層７０１の側から供給される電子は、第２半導体層７０２の部分に形成される大きなエネルギー障壁によってブロックされ、電流はほとんど流れない。これに対し、図８の（ｃ）に示すように、第３半導体層７０３の側に負の電位を与えた場合、第３半導体層７０３の側から供給される電子に対するエネルギー障壁はほとんどなく、電流が流れる。ここで、価電子帯の側では、例えば、正孔が、第１半導体層７０１の側より第２半導体層７０２をトンネルして第３半導体層７０３の側に流れる。

本実施の形態３の半導体素子の電流・電圧特性は、図９に示すように、通常のダイオードで見られるのと同様の整流特性が得られる。本実施の形態３では、電極を形成する第１半導体層７０１および第３半導体層７０３は、いずれもｎ型であることから、高濃度のキャリア濃度を得ることが容易である。従って、低抵抗なコンタクトを形成することができ、寄生抵抗の小さいダイオード素子を作製できる。また、第２半導体層７０２は、臨界膜厚より薄くしているので、結晶性などの品質の劣化が抑制され、素子の諸特性を劣化させることがない。

加えて、本実施の形態３では、第４半導体層７０４のキャリア濃度が実施の形態１よりも高いことにより、第４半導体層７０４に形成される空乏層厚が薄くなる。この素子において、第３半導体層７０３側の電極に加える正電位を大きくしていくと、電子に対する障壁になっていた第２半導体層７０２をトンネルして電子が流れるようになる（いわゆるツェナー降伏現象）。本実施の形態３における半導体素子においては、２０Ｖを印加した際にツェナー降伏が起こり、図９のような電流・電圧特性となる。このように、本実施の形態３における半導体素子によれば、ツェナーダイオードが実現できる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図１０は、本実施の形態４における半導体素子の構成を示す構成図である。図１０では、半導体素子の断面を模式的に示している。

この半導体素子は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層１００１と、第１半導体層１００１とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第１半導体層１００１の上に形成された第２半導体層１００２と、第２半導体層１００２とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第２半導体層１００２の上に形成された第３半導体層１００３とを備える。

また、この半導体素子は、第２半導体層１００２および第３半導体層１００３の間に形成されて、アンドープの窒化物半導体から構成された第４半導体層１００４と、第４半導体層１００４および第２半導体層１００２の間に形成され、第４半導体層１００４より格子定数が小さいアンドープの窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされた第５半導体層１００５と、第４半導体層１００４および第３半導体層１００３の間に形成され、第４半導体層１００４より格子定数が小さい窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされた第６半導体層１００６とを備える。これらの格子定数の関係が満たされていれば、第５半導体層１００５および第６半導体層１００６は、第４半導体層１００４と異なる屈折率を有するものなる。

また、第２半導体層１００２は、臨界膜厚より薄く形成されている。また、第１半導体層１００１，第２半導体層１００２，第３半導体層１００３は、主表面がＩＩＩ族極性とされて第２半導体層１００２は第１半導体層１００１および第３半導体層１０３より小さい格子定数とされている。

例えば、上述した各層は、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）からなる基板１０１１の上に形成すればよい。実施の形態１で説明したように、サファイア基板の上にＧａＮなどの窒化物半導体を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させると、通常は、（０００１）方向にＩＩＩ族極性で結晶成長が進行する。

各層について例示すると、まず、第１半導体層１００１は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。第２半導体層１００２は、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎから構成すればよく、層厚は、１５ｎｍ程度とすればよい。第４半導体層１００４は、アンドープのＧａＮから構成すればよく、層厚は、６００ｎｍ程度とすればよい。第４半導体層１００４は、第２半導体層１００２より大きな格子定数となる。

また、第５半導体層１００５は、アンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎから構成すればよく、層厚は、４００ｎｍ程度すればよい。また、第６半導体層１００６は、アンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎから構成すればよく、層厚は、４００ｎｍ程度とすればよい。また、第３半導体層１００３は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。

上述したように、ＩＩＩ族極性で各層を形成した本実施の形態４においても、第１半導体層１００１の上に第２半導体層１００２を形成（堆積）すると、第２半導体層１００２に引っ張り応力が加わり、これによって自発分極効果を強める方向にピエゾ分極効果が現れ、第１半導体層１００１との界面近傍の第１半導体層１００１には、２次元電子ガスが発生する。この結果、第２半導体層１００２の界面付近の伝導電子帯は、フェルミ準位近傍にピニングされる。

一方、第２半導体層１００２の上に第５半導体層１００５を形成すると、第２半導体層１００２より格子定数が大きな第５半導体層１００５では、価電子帯がフェルミ準位近傍にピニングされる。更に、第５半導体層１００５の上に第４半導体層１００４を形成すると、同様の効果により、価電子帯がフェルミ準位方向に引き上げられる。

更に、第４半導体層１００４の上に第６半導体層１００６を形成すると、第６半導体層１００６に引っ張り応力が加わることにより、これらの界面近傍の伝導電子帯がフェルミ準位方向にピニングされる。このような状態としている第６半導体層１００６の上にｎ−ＧａＮの層を形成すると、分極効果からはｎ−ＧａＮの層の界面近傍に２次元正孔ガスが形成される。しかしながら、本実施の形態では、第６半導体層１００６の上に形成する第３半導体層１００３は、高濃度にｎ型不純物を添加しているので、電子によって補償されて界面付近の伝導電子帯がフェルミ準位方向に引きずられることになる。

これらの作用により、実施の形態４における半導体素子のバンド構造は、図１１に示す状態となる。図１１は、無バイアスの状態を示している。本実施の形態４では、内部電界が存在するのは、ヘテロ界面付近を除けば第２半導体層１００２および第４半導体層１００４となる。第１半導体層１００１と第３半導体層１００３との間に電圧を印加した場合には、図１２のバンド図に示すように、第４半導体層１００４の内部電界のみを変化させることができる。

本実施の形態の半導体素子では、第４半導体層１００４をコアとし、第５半導体層１００５および第６半導体層１００６をクラッドとして光導波路を構成している。第１半導体層１００１と第３半導体層１００３との間に電圧を印加させることで、コア内部の電界を変化させることができ、これによる光電気効果によって、コア（第４半導体層１００４）を導波する光の波長を変調することができる。このように構成した本実施の形態における半導体素子を用いることで、マッハツェンダー型変調器を構成することができる。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について説明する。図１３は、本実施の形態５における半導体素子の構成を示す構成図である。図１３では、半導体素子の断面を模式的に示している。

この半導体素子は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層１３０１と、第１半導体層１３０１とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第１半導体層１３０１の上に形成された第２半導体層１３０２と、第２半導体層１３０２とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて第２半導体層１３０２の上に形成された第３半導体層１３０３とを備える。

また、本半導体素子は、第２半導体層１３０２および第３半導体層１３０３の間に形成されて第３半導体層１３０３より低濃度のｎ型もしくはノンドープとされ、第２半導体層１３０２とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成された光吸収層（第４半導体層）１３０４を備える。加えて、光吸収層１３０４と第２半導体層１３０２との格子定数の大小関係と、第３半導体層１３０３と第２半導体層１３０２との格子定数の大小関係とは同じとされている。また、第２半導体層１３０２と光吸収層１３０４との間には、バッファ層１３０５および組成遷移層１３０６を備えている。

なお、第２半導体層１３０２は、臨界膜厚より薄く形成されている。また、各半導体層は主表面がＩＩＩ族極性とされ、第２半導体層１３０２は第１半導体層１３０１および第３半導体層１３０３より小さい格子定数とされている。また、光吸収層１３０４は、第２半導体層１３０２より大きな格子定数とされている。

例えば、上述した各層は、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）からなる基板１３１１の上に形成すればよい。実施の形態１で説明したように、サファイア基板の上にＧａＮなどの窒化物半導体を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させると、通常は、（０００１）方向にＩＩＩ族極性で結晶成長が進行する。

各層について例示すると、まず、第１半導体層１３０１は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１，０００ｎｍ程度とすればよい。第２半導体層１３０２は、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎから構成すればよく、層厚は、１５ｎｍ程度とすればよい。バッファ層１３０５は、アンドープのＧａＮから構成すればよく、層厚は２００ｎｍ程度とすればよい。組成遷移層１３０６は、アンドープのＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０〜０．３０）から構成し、層厚は１００ｎｍ程度とすればよい。組成遷移層１３０６は、バッファ層１３０５より離れるにしがたいＩｎの組成が増加する。

また、光吸収層１３０４は、アンドープのＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎから構成すればよく、層厚は、４００ｎｍ程度とすればよい。第３半導体層１３０３は、ｎ型の不純物を高濃度（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に添加したＧａＮ（ｎ⁺−ＧａＮ）から構成すればよく、層厚は、１００ｎｍ程度とすればよい。

上述したように、ＩＩＩ族極性で各層を形成した本実施の形態５においても、第１半導体層１３０１の上に第２半導体層１３０２を形成（堆積）すると、第２半導体層１３０２に引っ張り応力が加わり、これによって自発分極効果を強める方向にピエゾ分極効果が現れ、第１半導体層１３０１との界面近傍の第１半導体層１３０１には、２次元電子ガスが発生する。この結果、第２半導体層１３０２の界面付近の伝導電子帯は、フェルミ準位近傍にピニングされ、バッファ層１３０５の価電子帯が、フェルミ準位に引き寄せられるバンド構造となる。この結果、図１４に示すように、バッファ層１３０５の上に形成されている光吸収層１３０４に内部電界が生じ、擬似的にダイオードのようなバンド構造となる。

上述した本実施の形態における半導体素子に太陽光を照射すると、光吸収層１３０４で光エネルギーを吸収し、電子正孔対が生成する。生成した電子正孔対は、光吸収層１３０４の内部電界により、電子は第３半導体層１３０３の方向、正孔は第１半導体層１３０１方向へと空間分離する。第３半導体層１３０３の方向に移動した電子は、そのまま第３半導体層１３０３を介して外部へ取り出される。

一方、正孔は、第２半導体層１３０２におけるエネルギー障壁にぶつかり、この状態のままでは外部に取り出されない。しかしながら、本実施の形態では、第２半導体層１３０２が臨界膜厚より薄く形成され、かつ、バッファ層１３０５と第２半導体層１３０２との界面に２次元正孔ガス、第２半導体層１３０２と第１半導体層１３０１との界面には２次元電子ガスが形成されている。このため、空間分離して到達した正孔は、上述した部分（第２半導体層１３０２）をトンネルして第１半導体層１３０１の電子と再結合することで外部へ電力として取り出される。

一般に用いられている太陽電池では、第１半導体層１３０１および第２半導体層１３０２を、ｐ−ＧａＮの層に置き換えた構造となるが、この場合、ｐ−ＧａＮ層のキャリア濃度の低さに起因して直列抵抗が増大し、取り出せる電力が小さくなるという問題があった。また、上記構造を例えばＭＯＣＶＤ法で作製した場合、ｐ−ＧａＮ層中のｐ型不純物であるＭｇが水素によって不活性化しており、これを活性化処理（通常は高温での熱処理）することになるが、この活性化処理によって光吸収層にダメージを与えるという問題もあった。

活性化処理によるダメージをできるだけ少なくするには、ｐ−ＧａＮ層を表面側に堆積するという手段もある。しかしながら、基板側からｎ⁺−ＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層、ｐ−ＧａＮ層と堆積した場合に、IｎＧａＮからなる光吸収層に生じる内部電界は、非特許文献２の「Fig.2(a)」にあるように、太陽光を吸収して生成した電子正孔対を空間分離させて電力として取り出す方向とは逆向きの電界となる。このため、太陽電池としては不利になる。

実施の形態５における半導体素子によれば、ｐ型の層を用いていないので、上述したような問題が発生せず、良好な太陽電池特性が得られるようになる。なお、本実施の形態では、バッファ層１３０５および組成遷移層１３０６を用いているが、これらはなくてもよい。これらを用いない場合、上述した説明における第２半導体層１３０２とバッファ層１３０５との関係の説明において、バッファ層１３０５を、光吸収層１３０４に置き換えて考えればよい。

以上に説明したように、本発明では、Ｃ面方向に成長した窒化物半導体に内在する分極効果を用い、不純物の導入が容易で低抵抗に形成できるｎ型層を、ｐ型層を用いた場合と同様にすることにより、ダイオード素子を形成するものである。最も基本的な層構成の一例が実施の形態１の構成である。これをより一般的に説明すると、（１）電極を形成するために低抵抗にした高濃度ｎ型ドーピング層と、（２）この高濃度ｎ型ドーピング層の上に積層すると界面に２次元電子ガスを形成するようなアンドープ層（若干のドーピングがなされていても可）と、（３）アンドープ層の上に積層すると２次元正孔ガスを形成するようなアンドープ層もしくはｎ型ドーピング層、という積層構造である。

以下、（１）の層をｎ型ＧａＮとして説明する。ＧａＮ上に他のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を積層した場合、各々の層の自発分極差と、格子不整合に起因したピエゾ分極に起因してバンドベンディングが生じ、バンドベンディングの度合いが大きい場合には、界面に２次元電子ガスが発生する。非特許文献３によると、代表的なＩＩＩ-Ｖ族窒化物半導体であるＧａＮ、ＡｌＮ、IｎＮで比較すると、ＧａＮの自発分極が最も小さいため、ＧａＮ上にIｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１，０＜ｘ＋ｙ≦１）を堆積した場合の自発分極効果は、必ず２次元電子ガスを発生させる方向に作用する。

一方、ピエゾ分極効果は、堆積させた窒化物半導体の格子定数と堆積した層厚によって効果の度合いが変わる。ピエゾ分極は、応力によって生じるため、窒化物半導体層が臨界膜厚を超えて堆積されると応力が開放されピエゾ分極効果は発生しない。臨界膜厚以下の層厚で堆積させた場合、堆積したIｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの格子定数がＧａＮよりも小さい場合には引っ張り応力を受け、ピエゾ分極は自発分極効果を増幅する方向に作用し、２次元電子ガスが発生することになる。

一方、格子定数がＧａＮよりも大きいIｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮを堆積した場合には、ピエゾ分極は自発分極を打ち消す方向に作用し、格子定数を大きくするにつれて２次元電子ガス濃度が徐々に低下し、あるところで２次元電子ガスが発生しなくなる。更に格子定数が大きくなると逆に界面付近が持ち上がる。ここでは、ｎ-ＧａＮ層の上にIｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮを堆積しているので、界面のＧａＮ側に空乏層が形成されることになる。

実施の形態１および実施の形態３のように、電子のみの振る舞いで素子特性が決まる場合や、実施の形態４のように電流が流れないことを前提とした素子では、このような空乏層の形成は特に問題ない。ただし、実施の形態５のように、正孔の振る舞いも素子特性に影響するような場合には、上述した界面には２次元電子ガスが形成されていることが望ましい。

Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層の上に別の組成を有するＩｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１，０≦ｘ’＋ｙ’≦１）を堆積した場合の考え方も、上述したＧａＮ上のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮと同じであるが、逆向きの作用を用いるのが本発明における要点である。この場合も作用を強めるような組み合わせを取ることで，界面には２次元正孔ガスが発生する。実施の形態１、実施の形態３のように、電子のみの振る舞いで素子特性が決まる場合や、実施の形態４のように電流が流れないことを前提とした素子では、２次元正孔ガスの生成の有無は基本的に問わないが、実施の形態５のように正孔の振る舞いも素子特性に影響するような場合には、この界面には２次元正孔ガスが形成されていることが望ましい。

以上、３層のｎ⁺−ＧａＮ層−アンドープＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ−Ｉｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎの組み合わせで、あたかも高濃度ｐ+−ＧａＮ層を形成したかのごとく作用を持たせることが可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、第１半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係と、第３半導体層と第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされていればよく、各実施の形態で示した対象関係が入れ替わってもよい。また、実施の形態４を用いて説明した光変調器において、第５半導体層，第４半導体層，および第６半導体層の構造を、多重量子井戸構造としてもよい。

また、例えば、上述では、第１半導体層および第３半導体層をＧａＮから構成し、これらの間に配置する第２半導体層をＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎから構成したが、これに限るものではない。例えば、第１半導体層および第３半導体層をＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎから構成し、これらの間に配置する第２半導体層をＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎから構成してもよい。また、Ｃ面サファイア基板を用いるようにしたが、これに限るものではなく、いかなる基板であっても、窒化物半導体をＩＩＩ族極性およびＶ族極性で成長できるものであれば同じ効果が得られる。

１０１…第１半導体層、１０２…第２半導体層、１０３…第３半導体層、１０４…第４半導体層、１１１…基板。

Claims (4)

1. ｎ型とされた窒化物半導体から構成されて主表面がＣ面方向とされている第１半導体層と、
   前記第１半導体層とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて前記第１半導体層の上に形成された第２半導体層と、
   前記第２半導体層とは格子定数が異なるｎ型の窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされて前記第２半導体層の上に形成された第３半導体層と
   を少なくとも備え、
   前記第２半導体層は、臨界膜厚より薄く形成され、
   前記第１半導体層と前記第２半導体層との格子定数の大小関係と、前記第３半導体層と前記第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされている
   ことを特徴とする半導体素子。
2. 請求項１記載の半導体素子において、
   前記第２半導体層および前記第３半導体層の間に形成されて前記第３半導体層より低濃度のｎ型もしくはノンドープとされ、前記第２半導体層とは格子定数が異なる窒化物半導体から構成された第４半導体層を備え、
   前記第４半導体層と前記第２半導体層との格子定数の大小関係と、前記第３半導体層と前記第２半導体層との格子定数の大小関係とは同じとされていることを特徴とする半導体素子。
3. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第２半導体層および前記第３半導体層の間に形成されて、アンドープの窒化物半導体から構成された第４半導体層と、
   前記第４半導体層および前記第２半導体層の間に形成され、前記第４半導体層より格子定数が小さいアンドープの窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされた第５半導体層と、
   前記第４半導体層および前記第３半導体層の間に形成され、前記第４半導体層より格子定数が小さい窒化物半導体から構成され、主表面がＣ面方向とされた第６半導体層と
   を備えることを特徴とする半導体素子。
4. 請求項１〜３記載の半導体素子において、
   前記第１半導体層は、ＧａＮから構成され、
   前記第２半導体層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｘ＋ｙ≦１）から構成されている
   ことを特徴とする半導体素子。