JP3444208B2 - ＧａＮ系の半導体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はＧａＮ系の半導体
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系の半導体は例えば青色発光素子
として利用できることが知られている。かかる発光素子
では、基板として一般的にサファイアが用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このサファイア製の基
板において解決すべき課題の一つとして次のものがあ
る。即ちサファイア基板は透明であるため、本来素子の
上面から取り出したい発光素子の光が素子下面のサファ
イア基板を透過してしまう。そのため、発光素子で発光
させた光が有効に利用できない。

【０００４】サファイア基板はまた高価である。更に
は、サファイア基板は絶縁体であるため同一面側に電極
を形成する必要があり、半導体層の一部をエッチングし
なければならず、それに応じてボンディングの工程も２
倍となる。また、同一面側にｎ、ｐ両電極を形成するた
め、素子サイズの小型化にも制限があった、加えて、チ
ャージアップの問題もあった。

【０００５】また、サファイア基板の代わりにＳｉ（シ
リコン）基板の使用が考えられるが、本発明者の検討に
よれば、Ｓｉ基板の上にＧａＮ系の半導体層を成長させ
ることは非常に困難であった。その原因の一つとして、
ＳｉとＧａＮ系の半導体の熱膨張率の差がある。Ｓｉの
線膨張係数が４．７ X １０^−６／Ｋであるのに対し
ＧａＮの線膨張係数は５．５９ X １０^−６／Ｋであ
り、前者が後者より小さい。従って、ＧａＮ系の半導体
層を成長させる際に加熱をすると、Ｓｉ基板が伸長され
ＧａＮ系の半導体層側が圧縮するように素子が変形す
る。このとき、ＧａＮ系の半導体層内に引っ張り応力が
生じ、その結果クラックの発生するおそれがある。ま
た、クラックが生じないまでも格子に歪みが生じる。従
って、ＧａＮ系の半導体素子がその本来の機能を発揮で
きなくなる。

【０００６】この発明はこのような課題に鑑みて、新規
な構成のＧａＮ系の半導体素子を提供することを目的と
する。この発明の他の目的はＧａＮ系の半導体素子の中
間体となる新規な構成の積層体を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らはＧ
ａＮ系の半導体層を成長させるのに適した新規な基板を
見いだすべく鋭意検討した。その結果、特願平９−２９
３４６５号（出願人整理番号９７０１５２／代理人整理
番号Ｐ００６０）において、以下の事項に想到し、これ
を開示した。即ち、基板の上にＧａＮ系の半導体をヘテ
ロエピタキシャル成長させるには、基板は下記の要件
〜のうちの少なくとも２つを満足する必要があると考
るに至った。 ＧａＮ系の半導体と基板との密着性が良好なこと ＧａＮ系の半導体の熱膨張係数と基板の熱膨張係数
とが近いこと 基板の弾性率が低いこと 基板の結晶構造がＧａＮ系の半導体と同じであるこ
と ｜基板の格子定数−ＧａＮ系の半導体の格子定数｜
／ＧａＮ系の半導体の格子定数 ≦ ０．０５である
（即ち、基板の格子定数とＧａＮ系の半導体層の格子定
数との差が±５％以下である）こと、 勿論、好ましくは上記の要件のうちの少なくとも３つ、
更に好ましくは上記要件のうち少なくとも４つ、そし
て、最も好ましくは、５つの要件の全てを満足する。

【０００８】このような条件を満足する材料として、既
述の先の出願特願平９−２９３４６５号ではいくつかの
金属材料に注目している。その中の一つとしてＴｉが開
示されている。また、当該先の出願によれば基板は少な
くともその表面、即ちＧａＮ系の半導体層に接する面に
おいて上記の要件を満足しておればよい。従って、基板
の基体部分を任意の材料で形成して基板の表面部分を上
記の要件を満足する材料で形成することもできる。サフ
ァイア基板の場合と同様に、半導体層と基板との間にＡ
ｌＮやＧａＮのようなＡｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ
（ａ＝０、ｂ＝０、ａ＝ｂ＝０を含む）からなるバッフ
ァ層を介在させることができる。

【０００９】一方、特願平９−２９３４６３号（出願人
整理番号９７０１３６／代理人整理番号Ｐ００５７）に
よれば、Ｓｉ基板とＧａＮ系の半導体層との間に応力緩
衝用の為のバッファ層が介在される構成の半導体素子が
開示されている。この応力緩衝用バッファ層を構成する
材料として当該先の出願特願平９−２９３４６５号では
いくつかの金属材料に注目しているが、その中の一つと
してＴｉが開示されている。即ち、Ｓｉ基板上にＴｉ層
が形成され、その上にＧａＮ系の半導体層が形成される
構成の半導体素子が開示されている。

【００１０】この発明は、上記２つの先の出願で開示し
た事項に基づいてなされた。そしてそれを更に改良及び
発展させたものである。即ち、ｃ面を主面とする半導体
基板層と、酸化金属層と、Ｔｉ層と、ＧａＮ系の半導体
層と、が順次積層されている半導体素子。

【００１１】このように構成された半導体素子によれ
ば、Ｓｉ等の半導体基板層の熱膨張係数とＧａＮ系の半
導体層の熱膨張係数との差に起因する内部応力がＴｉ層
で緩衝されるので、ＧａＮ系の半導体層にクラックの入
ることが防止される。更に、このように構成された半導
体素子によれば、ＧａＮ系の半導体層が発光素子構造を
採る場合、このＴｉ層自体が反射層の役目をする。従っ
て、素子で発光された光を有効に利用できる。よって、
透明なサファイア基板を用いた発光素子若しくは受光素
子で必要とされていた別個の反射層の形成が不要とな
る。また、ＧａＡｓのように光を吸収する材料で基板を
形成した場合における当該基板の除去作業が不要にな
る。

【００１２】以下、本発明の要素について更に詳細に説
明する。 （基板層について）基板層はｃ面を主面とした半導体か
らなる。ここに主面とは、以下に説明する各層を成長さ
せる面をいう。半導体には、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰな
どを採用できる。半導体基板は導電性を有し、その結果
半導体素子の両面に電極を形成することができ、アース
を取ることによりチャージアップの問題も容易に解決さ
れる。また、サファイア基板に比べて半導体基板は安価
に入手できる。実施例では、基板層として、（１１１）
面を主面とするＳｉ製の基板層を用いた。

【００１３】（酸化金属層／金属層について）半導体基
板層のｃ面上に金属の層を配向を持たせて成膜させる。
ここで金属層が数１００Å以下の薄い層であれば、基板
の方位の影響を受けて成膜できる。例えば、Ｓｉ（１１
１）面上に成膜させるとＸ線回折パターンより金属の
（１１１）面の配向が確認できる。この金属層を酸化す
ると、当該酸化条件の如何によって、その一部が酸化さ
れて表面側が酸化金属層となり基板層側は金属の状態を
維持すると考えられる。酸化金属層の形成方法は上記に
限定されるものではない。例えばスパッタリングにより
当該酸化Ａｌ層を形成することも可能である。

【００１４】かかる金属として、Ａｌ（アルミニウ
ム）、Ａｇ（銀）又はＴｉ（チタン）があげられる。金
属としてＡｌを選択した場合、酸化Ａｌ層はサファイア
と同じか或いはそれに近い組成となる。Ｔｉと酸化Ａｌ
は近い表面エネルギーを持つ。従って、両者の濡れ性が
向上し、もって、Ｔｉのエピタキシャル成長が容易に行
えることとなる。

【００１５】酸化金属は絶縁体の場合がある。このと
き、基板層を半導体層として既述のように当該基板層に
直接電極を形成し、またチャージアップの問題を解決す
る見地から、この酸化金属層はトンネル効果によりその
厚さ方向に導電性の確保される厚さとする。

【００１６】本願発明者らの検討によれば、金属層とし
てＡｌ層を選択した場合、基板層の上に形成されるＡｌ
層の厚さは５０〜８００Åとすることが好ましい。更に
好ましくは７５０〜２００Åであり、ほぼ１００Åにす
ることが更に更に好ましい。以上、図８を参照された
い。

【００１７】基板層の上に形成されたＡｌ層はこれを酸
化の前後の少なくとも一方、若しくは酸化と同時に熱処
理することが好ましい。熱処理の条件は３００〜６００
℃とすることが好ましい。更に好ましくは４００〜６０
０℃であり、更に更に好ましくはほぼ５００℃である。
以上、図１１、１２を参照されたい。図１２より、加熱
雰囲気条件の如何にかかわらず、酸化Ａｌの結晶構造が
向上することがわかる。また、Ｔｉの結晶性を考慮する
と、図１１より、一度大気暴露したＡｌ層を加熱すると
きの雰囲気は、酸素雰囲気若しくは真空雰囲気とするこ
とが好ましいことがわかる。特に、酸素雰囲気とするこ
とが好ましい。酸化Ａｌ層を熱処理することにより、酸
化Ａｌ層の結晶性が向上し、その結果Ｔｉ層の結晶性が
向上すると考えられる。このＴｉ層は半導体素子の機能
を発揮するＧａＮ系の半導体層の下地層となるので、Ｔ
ｉ層の結晶構造の如何が半導体素子の性能を向上する上
で重要な要素となる。

【００１８】このようにして酸化Ａｌ層を形成すること
により、その上にｃ軸配向したＴｉの単結晶を成長させ
ることが容易になる。なお、Ｓｉ製の基板の上に直接Ｔ
ｉ層を形成することも可能である。しかしその場合、Ｔ
ｉ層の上に更に所望の機能を有するＧａＮ系の半導体層
を成長させることに鑑みると、Ｔｉ層に好ましい結晶性
を得るにはその成長条件の制御が困難である。

【００１９】（Ｔｉ層について）Ｔｉ層は先の出願で開
示したように、ＧａＮ系の半導体をその上に成長させる
のに好ましい結晶構造を有する。それとともに、Ｓｉ基
板とＧａＮ系の半導体層の熱膨張率の差に起因する内部
応力を緩衝するのに好適な物理特性を有する。従って、
このような結晶構造や物理特性が維持されている条件の
下で、ＴｉをＴｉ合金に代えることができる。ここで、
結晶構造が維持されているということは六方晶のｃ面
（０００１）面と立方晶のｃ面（１１１）面は同等であ
ると考えられる。

【００２０】Ｔｉ層は、酸化Ａｌ層の上にエピタキシャ
ル成長される。成長の方法は特に限定されないが、プラ
ズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ス
パッタ、蒸着等の（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を利用できる。Ｔｉ層
の膜厚は１０００〜１５０００Åとすることが好まし
い。更に好ましくは２０００〜１００００Åである。

【００２１】（ＧａＮ系の半導体層について）ここにＧ
ａＮ系の半導体とはIII族窒化物半導体であって、一般
的にはＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０
≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。また、任意の
ドーパントを含むものであっても良い。ＧａＮ系の半導
体層の形成方法は特に限定されないが、例えば、周知の
有機金属化合物気相成長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」と
いう。）により形成される。また、周知の分子線結晶成
長法（ＭＢＥ法）によっても形成することができる。

【００２２】発光素子及び受光素子では、周知のよう
に、発光層が異なる導電型のＧａＮ系の半導体層（クラ
ッド層）で挟まれる構成であり、発光層には超格子構造
やダブルヘテロ構造等が採用される。ＦＥＴ構造に代表
される電子デバイスをＧａＮ系の半導体で形成すること
もできる。このように、第２の層の上に形成されるＧａ
Ｎ系の半導体層は複数の層が相互に作用して所望の機能
を奏するものとなる。

【００２３】当該ＧａＮ系の半導体層とＴｉ層との間に
Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（ａ＝０、ｂ＝０、ａ＝
ｂ＝０を含む）からなるバッファ層を形成することが好
ましい。このバッファ層も周知のＭＯＣＶＤ法若しくは
ＭＢＥ法により形成される。本発明者らの検討によれ
ば、バッファ層としてＡｌＧａＮが好ましい。更に好ま
しくは、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（ａ＝０．８５〜０．９
５）であり、更に更に好ましくは、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ
（ａはほぼ０．９）である。

【００２４】（実験例の説明）Ｓｉの（１１１）面上に
１００ÅのＡｌを蒸着し、それを大気暴露した後、真空
の環境下で５００℃、５分間の熱処理を施す。その後、
Ｔｉを蒸着し３０００ÅのＴｉ層を形成し、実験例１の
サンプルとした。図１は、当該Ｔｉ層のφ（ＰＨＩ）ス
キャンの結果である。φ（ＰＨＩ）スキャンでは、サン
プルを３６０度回転させたときに六方晶の（１ ０ 1-
２）面又は（１ １ 2- ２）面に対応する６つのピーク
が得られる。このようにφ（ＰＨＩ）スキャンで６本の
ピークが観測されたＴｉ層は単結晶又は単結晶に近いと
考えられる。φ（ＰＨＩ）スキャンについてはJournal
of Electronic Materials, Vol. 25, No. 11, pp. 1740
-1747, 1996を参照されたい。この実験例のφ（ＰＨ
Ｉ）スキャンはフィリップス社製の４軸型単結晶回折計
（製品名：X-pert）により行った（以下の２θ−ωスキ
ャンも同じ。）

【００２５】図２は、上記図１のサンプルにおいて、Ｓ
ｉの（１００）面を基板層の主面として得られた（他の
条件は同じ）比較例１のφ（ＰＨＩ）スキャンの結果で
ある。図１と図２の結果から、基板の主面はｃ面とする
ことが好ましいことがわかる。

【００２６】図３は下記条件の下で得られた実験例２の
φ（ＰＨＩ）スキャンの結果である。 基板層 ： Ｓｉ（１１１）面 Ａｌ層 ： １００Å 酸化方法 ： 大気暴露 熱処理温度 ： 熱処理なし 熱処理の環境 ： Ｔｉ層 ： ３０００Å 同じく図４は下記条件の下で得られた比較例２のφ（Ｐ
ＨＩ）スキャンの結果である。なお、この比較例２で
は、実験例２において大気暴露が省略されており、Ａｌ
層の蒸着に引き続いて、同じ反応容器内で、Ｔｉ層を蒸
着した。 基板層 ： Ｓｉ（１１１）面 Ａｌ層 ： １００Å 酸化方法 ： 大気暴露なし 熱処理温度 ： 熱処理なし 熱処理の環境 ： Ｔｉ層 ： ３０００Å

【００２７】図３及び図４の結果から、六方晶Ｔｉ層を
得るには、Ａｌ層の酸化が必要であることがわかる。

【００２８】図５、図６及び図７はそれぞれ下記条件で
得られた実験例３、４、５のφ（ＰＨＩ）スキャンの結
果である。 基板層 ： Ｓｉ（１１１）面 Ａｌ層 ： １００Å（図５）、２００Å（図６）、１
０００Å（図７） 酸化方法 ： 大気暴露 熱処理温度 ： 熱処理なし 熱処理の環境 ： Ｔｉ層 ： ３０００Å

【００２９】図８はＡｌ層の膜厚とφ（ＰＨＩ）スキャ
ンで得られた６本のピークの平均強度との関係を示す。
縦軸の強度が大きいほど結晶性が良いと考えられる。図
８の結果から、Ａｌ層の厚さは５０〜８００Åとするこ
とが好ましい。更に好ましくは７５〜２００Åであり、
更に更に好ましくはほぼ１００Åとする。

【００３０】図９は下記の条件の下で得られた実験例６
のφ（ＰＨＩ）スキャンの結果である。 基板層 ： Ｓｉ（１１１）面 Ａｌ層 ： １００Å 酸化方法 ： 大気暴露 熱処理温度 ： ５００℃（５分） 熱処理の環境 ： 酸素雰囲気 Ｔｉ層 ： ３０００Å 同じく図１０は当該実験例６の２θ−ωスキャンの結果
を示す。

【００３１】図１１は熱処理条件（温度及び環境）を変
化させたときのφ（ＰＨＩ）スキャンの結果のグラフの
６本のピークの強度平均と温度との関係を示す。図１１
において、窒素及び酸素は常圧、真空は１０^−６Ｔｏｒ
ｒである。図１１の結果から、Ａｌ層の熱処理温度は３
００〜６００℃とすることが好ましいことがわかる。更
に好ましくは４００〜６００℃であり、更に更に好まし
くはほぼ５００℃である。熱処理の環境は窒素等の不活
性ガス雰囲気とするよりも、酸素雰囲気若しくは真空雰
囲気とすることが好ましいことがわかる。更に好ましく
は酸素雰囲気である。

【００３２】図１２は上記図１１の結果を得た各サンプ
ルにおいて、酸化Ａｌ層（酸化Ａｌ／Ａｌ層）の（１１
１）面を示す３８°付近の２θ−ωスキャンのピーク強
度と熱処理条件（温度及び環境）との関係を示す。図１
３は実験例６の酸化Ａｌ層（酸化Ａｌ／Ａｌ層）２θ−
ωスキャンの結果である。図１２の結果から、上記で規
定した熱処理温度範囲において、酸化Ａｌの結晶性が向
上していることがわかる。

【００３３】図１４はＳｉの（１１１）面にＡｌを蒸着
させたとき（熱処理なし）のＡｌ層の２θ−ωスキャン
の結果を示す。図１３との比較において、Ａｌの（１１
１）面を示す３８°付近のピークが小さいことがわか
る。つまり、熱処理によりＡｌ層のｃ軸配向性が向上す
ることがわかる。

【００３４】図１５に実験例７の構成を示す。実験例７
のサンプルはＳｉ基板層１の（１１１）面上に１００Å
の厚さのＡｌ層２を蒸着により形成する。このＡｌ層２
を大気暴露した後、酸素雰囲気中で５００℃、５分加熱
して、その表面を酸化する（ＡｌＯｘ層３の形成）。そ
して、３０００ÅのＴｉ層４を同じく蒸着により形成す
る。そして、Ｔｉ層４の上にバッファ層５を介してＧａ
Ｎ層６をＭＯＣＶＤ法により形成する。より具体的に
は、Ｔｉ層４までが形成された基板をＭＯＣＶＤ装置の
成長室にセットし、２×１０^−４Ｔｏｒｒ以下まで真空
引きする。次に、当該真空度を維持したまま基板を５０
０℃まで加熱し、５分間維持する。次に、基板の温度を
３５０℃まで下げてから水素ガスを流し、温度が安定し
た後に原料ガスを流入してＡｌＧａＮを成長させる。こ
のＡｌＧａＮバッファ層５の厚さは１５０Åとした。そ
して、基板の温度を１０００℃まで昇温する。１０００
℃で安定したところで原料ガスを流入させＧａＮ層６を
成長させる。ＧａＮ層６の厚さは１μｍとした。

【００３５】このようにして得られたサンプルのＧａＮ
結晶のφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を図１６に示す。同
じく２θ−ωスキャンの結果を図１７に示す。図１６に
おいて、６０°間隔で６本のピークが確認できる。図１
７において、Ｓｉ（１１１）面、（３３３）面及びＧａ
Ｎ（０００２）面、（０００４）面が確認できる。以上
より、ＧａＮ層６のＧａＮ結晶はエピタキシャル成長し
ていることが確認できる。

【００３６】図１８は、実験例８のサンプルを示す。図
１８のサンプルは、実験例７のサンプル（図１５参照）
のおいて、Ａｌ層２をＡｇ（銀）層２ａに置き換えたも
のであり、各層の厚さ及び形成方法などは実施例７のサ
ンプルと同様である。従って、説明の都合上、図１８に
おいて図１５と同一の要素には同一の符号を付してあ
る。Ａｇ層２ａの表面は酸化されて酸化Ａｇ層３ａとな
っていると考えられる。このようにして得られたサンプ
ルのＧａＮ結晶のφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を図１９
に示す。図１９において、Ｔｉの（１０1-２）面及び
（１１2-２）面についての、６０°間隔で６本のピーク
が確認できる。これより、ＧａＮ層６のＧａＮ結晶はエ
ピタキシャル成長していることが確認できる。

【００３７】図２０は、実験例９のサンプルを示す。図
２０のサンプルは、実験例７のサンプル（図１５参照）
のおいて、Ａｌ層２をＴｉ（チタン）層２ｂに置き換え
たものであり、各層の厚さ及び形成方法などは実施例７
のサンプルと同様である。従って、説明の都合上、図２
０において図１５と同一の要素には同一の符号を付して
ある。Ｔｉ層２ｂの表面は酸化されて酸化Ｔｉ層３ｂと
なっている。このようにして得られたサンプルのＧａＮ
結晶のφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を図２１に示す。図
２１において、Ｔｉの（１０1-２）面及び（１１2-２）
面についての、６０°間隔で６本のピークが確認でき
る。これより、ＧａＮ層６のＧａＮ結晶はエピタキシャ
ル成長していることが確認できる。

【００３８】

【実施例】次に、この発明の実施例について説明する。 （第１実施例）この実施例は発光ダイオード１０であ
り、その構成を図２２に示す。

【００３９】各層のスペックは次の通りである。 層 ： 組成：ドーパント （膜厚） ｐクラッド層 １８ ： ｐ−ＧａＮ:Ｍｇ （0.3μm） 発光層 １７ ： 超格子構造 量子井戸層 ： Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ （35Å) バリア層 ： ＧａＮ （35Å） 量子井戸層とバリア層の繰り返し数：1〜10 ｎクラッド層 １６ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （4μm） バッファ層 １５ ： Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ｎ （150Å） Ｔｉ層 １４ ： Ｔｉ単結晶 (3000Å) 酸化Ａｌ １３ ： ＡｌＯｘ (〜数10Å以下) Ａｌ層 １２ ： Ａｌ (100Å) 基板 １１ ： Ｓｉ（１１１） （300μm）

【００４０】ｎクラッド層１６は発光層１７側の低電子
濃度ｎ^-層とバッファ層１５側の高電子濃度ｎ^＋層とか
らなる２層構造とすることができる。発光層１７は超格
子構造のものに限定されず、シングルへテロ型、ダブル
へテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができ
る。発光層１７とｐクラッド層１８との間にマグネシウ
ム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いＡ
ｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（X=0,Y=0,X=Y=0を含む）
層を介在させることができる。これは発光層１７中に注
入された電子がｐクラッド層１８に拡散するのを防止す
るためである。ｐクラッド層１８を発光層１７側の低ホ
ール濃度ｐ⁻層と電極側の高ホール濃度ｐ^＋層とからな
る２層構造とすることができる。

【００４１】このように構成された実施例の半導体素子
では、先の出願である特願平９−２９３４６３号に記載
の通りＴｉ層が応力緩衝用のバッファ層となるので、Ｓ
ｉ基板とＧａＮ系の半導体層との熱膨張率の差に起因す
るクラックはＧａＮ系の半導体層に殆ど入らなくなる。

【００４２】実施例の発光ダイオード１０は図１５に示
したサンプルと同様にして形成される。なお、Ｔｉ層よ
り上の発光体構造は周知の構成であり、従って、その形
成方法も周知の方法が採用できる。

【００４３】以下、詳述する。Ｓｉ（１１１）面に形成
されるＡｌ層は汎用的な蒸着方法によりエピタキシャル
成長される。その後，基板を空気暴露してＡｌ層の一部
を酸化する。そして、５００℃、５分の熱処理を酸素雰
囲気下で施す。なお，この時点でＡｌ層はその表面が酸
化Ａｌ（ＡｌＯｘ）になっている考えられるが、この出
願時点で、Ａｌ層の内のどの程度が酸化されているかの
確認は取れていない。

【００４４】Ｔｉ層はこれが酸化されることを防止する
ため、次のようにして形成する。チャンバ内へ基板をセ
ットし、工業的に汎用される真空ポンプで３×１０^−５
Ｔｏｒｒまで真空引きしその後窒素ガスでチャンバ内を
充満する。この作業を３回繰り返す。これは、チャンバ
内の酸素を減らしＴｉが酸化されるのを未然に防止する
ためである。従って、チャンバ内の酸素を充分に排出で
きれば他の方法を採ることも可能である。なお、本発明
者らの検討によれば、現在工業的に汎用される蒸着装置
に付設の真空装置の能力では真空度に限度（通常：〜１
０^−７Ｔｏｒｒ）があるので、かかる窒素パージを繰り
返すことが不可欠であった。勿論、窒素ガスの代わりに
他の不活性ガスを用いることができる。次に、窒素ガス
を拡散ポンプで８×１０^−７Ｔｏｒｒまで真空引きす
る。

【００４５】かかる前処理の終了後、当該基板をランプ
ヒータで所定の温度（１５０℃）に加熱するとともに、
Ｔｉのバルクに電子ビームを照射してこれを融解し、酸
化Ａｌ層に単結晶Ｔｉ層を蒸着させる。蒸着のレートは
１０Å／ｓである。そして、膜厚が３０００Åになった
時点で蒸着を終了させる。

【００４６】次に、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内へ基板
をセットし、２×１０^−４Ｔｏｒｒ以下に真空引きす
る。その後、チャンバ内を６００℃まで昇温して５分間
維持し、もって当該基板をクリーニングする。その後、
３５０℃の成長温度でＡｌＧａＮ製のバッファ層１５を
成長させ、更に温度を１０００℃まで昇温してｎクラッ
ド層１６以降を常法に従い形成する。この成長法におい
ては、アンモニアガスとIII族元素のアルキル化合物ガ
ス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ)、トリメチル
アルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分
解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させ
る。

【００４７】透光性電極１９は金を含む薄膜であり、ｐ
クラッド層１８の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。ｐ電極２０も金を含む材料で構成されており、蒸着
により透光性電極１９の上に形成される。なお、Ｓｉ基
板層１１がｎ電極となる。そしてその所望の位置にワイ
ヤーがボンディングされる。

【００４８】（第２実施例）図２３にこの発明の第２の
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード２０である。なお、図２２と同一の要素
には同一の符号を付してその説明を省略する。各層のス
ペックは次の通りである。 層 ： 組成：ドーパント （膜厚） ｎクラッド層 ２８ ： ｎ−ＧａＮ:Ｓｉ （0.3μm） 発光層 １７ ： 超格子構造 量子井戸層 ： Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ （35Å) バリア層 ： ＧａＮ （35Å） 量子井戸層とバリア層の繰り返し数：1〜10 ｐクラッド層 ２６ ： ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ （4μm） バッファ層 １５ ： Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ｎ （150Å） Ｔｉ層 １４ ： Ｔｉ単結晶 (3000Å) 酸化Ａｌ １３ ： ＡｌＯｘ (〜10Å以下) Ａｌ層 １２ ： Ａｌ (100Å) 基板 １１ ： Ｓｉ（１１１） （300μm）

【００４９】図２３に示すように、バッファ層１５の上
にｐクラッド層２６、発光層１７及びｎクラッド層２８
を順に成長させて発光ダイオード２０が構成される。こ
の素子２０の場合、抵抗値の低いｎクラッド層２８が最
上面となるのでここの透光性電極（図２１の符号１９参
照）を省略することが可能となる。図の符号３０はｎ電
極である。Ｓｉ基板１１はそのままｐ電極として利用で
きる。第２の実施例の素子においても、Ｔｉ層１４の存
在により、ＧａＮ系の半導体層２６、１７、２８にクラ
ックが発生しなくなる。

【００５０】なお、本発明が適用される素子は上記の発
光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオー
ド、レーザダイオード等の光素子の他、ＦＥＴ構造の電
子デバイスにも適用できる。また、これらの素子の中間
体としての積層体にも本発明は適用されるものである。

【００５１】この発明は上記発明の実施の形態及び実施
例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範
囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態
様を包含する。

【００５２】以下、次の事項を開示する。 （７） 前記酸化Ａｌ層は前記Ａｌ層の表面を３００〜
６００℃の環境下で酸化して得られたものである、こと
を特徴とする請求項６に記載の半導体素子。 （８） 前記酸化Ａｌ層の厚さが５０〜８００Åであ
る、ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。 （９） 前記酸化Ａｌ層の厚さが７５〜２００Åであ
る、ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。 （１０） 前記酸化Ａｌ層及び前記Ａｌ層の合計の厚さ
が５０〜８００Åである、ことを特徴とする請求項６又
は（７）に記載の半導体素子。 （１１） 前記酸化Ａｌ層及び前記Ａｌ層の合計の厚さ
が７０〜２００Åである、ことを特徴とする請求項６又
は（７）に記載の半導体素子。 （１２） 前記基板層はその（１１１）面を主面とする
Ｓｉ製である、ことを特徴とする請求項１〜６及び
（７）〜（１１）のいずれかに記載の半導体素子。 （１３） 前記半導体素子は発光素子、受光素子又は電
子デバイス素子である、ことを特徴とする請求項１〜６
及び（７）〜（１２）のいずれかに記載の半導体素子。

【００５３】（１４） ｃ面を主面とする半導体基板層
と、金属酸化層と、Ｔｉ層と、ＧａＮ系の半導体層と、
が順次積層されている積層体。 （１５） 前記基板層と前記金属酸化層との間に該金属
酸化層の構成要素である金属の層が備えられている、こ
とを特徴とする（１４）に記載の積層体。 （１６） 前記金属酸化層は前記金属層の表面を酸化し
て得られたものである、ことを特徴とする（１５）に記
載の積層体。 （１７） 前記酸化金属は酸化Ａｌ、酸化Ａｇ又は酸化
Ｔｉである、ことを特徴とする（１４）〜（１６）のい
ずれかに記載の積層体。 （１８） 前記酸化金属は酸化Ａｌである、ことを特徴
とする（１４）に記載の積層体。 （１９） 前記酸化金属は酸化Ａｌであり、前記金属層
はＡｌ層である、ことを特徴とする（１５）に記載の積
層体。 （２０） 前記酸化Ａｌ層は前記Ａｌ層の表面を３００
〜６００℃の環境下で酸化して得られたものである、こ
とを特徴とする（１９）に記載の積層体。 （２１） 前記酸化Ａｌ層の厚さが５０〜８００Åであ
る、ことを特徴とする（１８）に記載の積層体。 （２２） 前記酸化Ａｌ層の厚さが７５〜２００Åであ
る、ことを特徴とする（１８）に記載の積層体。 （２３） 前記酸化Ａｌ層及び前記Ａｌ層の合計の厚さ
が５０〜８００Åである、ことを特徴とする（１９）又
は（２０）に記載の積層体。 （２４） 前記酸化Ａｌ層及び前記Ａｌ層の合計の厚さ
が７０〜２００Åである、ことを特徴とする（１９）又
は（２０）に記載の積層体。 （２５） 前記基板層はその（１１１）面を主面とする
Ｓｉ製である、ことを特徴とする（１４）〜（２４）の
いずれかに記載の積層体。

【００５４】（２６） ｃ面を主面とする半導体基板層
と、金属酸化層と、Ｔｉ層と、が順次積層されている積
層体。 （２７） 前記基板層と前記金属酸化層との間に該金属
酸化層の構成要素である金属の層が備えられている、こ
とを特徴とする（２６）に記載の積層体。 （２８） 前記金属酸化層は前記金属層の表面を酸化し
て得られたものである、ことを特徴とする（２７）に記
載の積層体。 （２９） 前記酸化金属は酸化Ａｌ、酸化Ａｇ又は酸化
Ｔｉである、ことを特徴とする（２６）〜（２７）のい
ずれかに記載の積層体。 （３０） 前記酸化金属は酸化Ａｌである、ことを特徴
とする（２６）に記載の積層体。 （３１） 前記酸化金属は酸化Ａｌであり、前記金属層
はＡｌ層である、ことを特徴とする（２７）に記載の積
層体。 （３２） 前記酸化Ａｌ層は前記Ａｌ層の表面を３００
〜６００℃の環境下で酸化して得られたものである、こ
とを特徴とする（３１）に記載の積層体。 （３３） 前記酸化Ａｌ層の厚さが５０〜８００Åであ
る、ことを特徴とする（３０）に記載の積層体。 （３４） 前記酸化Ａｌ層の厚さが７５〜２００Åであ
る、ことを特徴とする（３０）に記載の積層体。 （３５） 前記酸化Ａｌ層及び前記Ａｌ層の合計の厚さ
が５０〜８００Åである、ことを特徴とする（３１）又
は（３２）に記載の積層体。 （３６） 前記酸化Ａｌ層及び前記Ａｌ層の合計の厚さ
が７０〜２００Åである、ことを特徴とする（３１）又
は（３２）に記載の積層体。 （３７） 前記基板層はその（１１１）面を主面とする
Ｓｉ製である、ことを特徴とする（２６）〜（３６）の
いずれかに記載の積層体。

【００５５】（３８） 半導体層のｃ面上に金属層を形
成し、該金属層を酸化し、該酸化された金属層の上にＴ
ｉ層を形成し、該Ｔｉ層の上にＧａＮ系の半導体層を形
成する、ことを特徴とするＧａＮ系の半導体素子の製造
方法。 （３９） 前記金属層の酸化は大気暴露により行われ
る、ことを特徴とする（３８）に記載のＧａＮ系の半導
体素子の製造方法。 （４０） 前記金属層の酸化は酸素雰囲気下で行われ
る、ことを特徴とする（３８）に記載のＧａＮ系の半導
体素子の製造方法。 （４１） 前記金属層はＡｌ、Ａｇ又はＴｉからなる、
ことを特徴とする（３８）〜（４０）のいずれかに記載
の半導体素子の製造方法。 （４２） 前記金属層はＡｌからなる、ことを特徴とす
る（３８）〜（４０）のいずれかに記載の半導体素子の
製造方法。 （４３） 前記酸化されたＡｌ層は３００〜６００℃の
温度で熱処理される、ことを特徴とする（４２）に記載
のＧａＮ系の半導体素子の製造方法。 （４４） 前記熱処理温度は４００〜６００℃である、
ことを特徴とする（４３）に記載のＧａＮ系の半導体素
子の製造方法。 （４５） 前記熱処理温度はほぼ５００℃である、こと
を特徴とする（４３）に記載のＧａＮ系の半導体素子の
製造方法。 （４６） 前記Ａｌ層を酸化する前に該Ａｌ層を３００
〜６００°の温度で熱処理する、ことを特徴とする（４
２）に記載のＧａＮ系の半導体素子の製造方法。 （４７） 前記金属層を酸化する前、酸化した後、若し
くは酸化の前後に熱処理する、ことを特徴とする（３
８）〜（４１）のいずれかに記載の半導体素子の製造方
法。

【００５６】（４８） 半導体層のｃ面上に金属層を形
成し、該金属層を酸化し、該酸化された金属層の上にＴ
ｉ層を形成し、該Ｔｉ層の上にＧａＮ系の半導体層を形
成する、ことを特徴とする積層体の製造方法。 （４９） 前記金属層の酸化は大気暴露により行われ
る、ことを特徴とする（４８）に記載の積層体の製造方
法。 （５０） 前記金属層の酸化は酸素雰囲気下で行われ
る、ことを特徴とする（４８）に記載の積層体の製造方
法。 （５１） 前記金属層はＡｌ、Ａｇ又はＴｉからなる、
ことを特徴とする（４８）〜（５０）のいずれかに記載
の積層体の製造方法。 （５２） 前記金属層はＡｌからなる、ことを特徴とす
る（４８）〜（５０）のいずれかに記載の積層体の製造
方法。 （５３） 前記酸化されたＡｌ層は３００〜６００℃の
温度で熱処理される、ことを特徴とする（５２）に記載
の積層体の製造方法。 （５４） 前記熱処理温度は４００〜６００℃である、
ことを特徴とする（５３）に記載の積層体の製造方法。 （５５） 前記熱処理温度はほぼ５００℃である、こと
を特徴とする（５３）に記載の積層体の製造方法。 （５６） 前記Ａｌ層を酸化する前に該Ａｌ層を３００
〜６００°の温度で熱処理する、ことを特徴とする（５
２）に記載の積層体の製造方法。 （５７） 前記金属層を酸化する前、酸化した後、若し
くは酸化の前後に熱処理する、ことを特徴とする（４
８）〜（５１）のいずれかに記載の積層体の製造方法。

【００５７】（５８） 半導体層のｃ面上に金属層を形
成し、該金属層を酸化し、該酸化された金属層の上にＴ
ｉ層を形成する、ことを特徴とする積層体の製造方法。 （５９） 前記金属層の酸化は大気暴露により行われ
る、ことを特徴とする（５８）に記載の積層体の製造方
法。 （６０） 前記金属層の酸化は酸素雰囲気下で行われ
る、ことを特徴とする（５８）に記載の積層体の製造方
法。 （６１） 前記金属層はＡｌ、Ａｇ又はＴｉからなる、
ことを特徴とする（５８）〜（６０）のいずれかに記載
の積層体の製造方法。 （６２） 前記金属層はＡｌからなる、ことを特徴とす
る（５８）〜（６０）のいずれかに記載の積層体の製造
方法。 （６３） 前記酸化されたＡｌ層は３００〜６００℃の
温度で熱処理される、ことを特徴とする（６２）に記載
の積層体の製造方法。 （６４） 前記熱処理温度は４００〜６００℃である、
ことを特徴とする（６３）に記載の積層体の製造方法。 （６５） 前記熱処理温度はほぼ５００℃である、こと
を特徴とする（６３）に記載の積層体の製造方法。 （６６） 前記Ａｌ層を酸化する前に該Ａｌ層を３００
〜６００°の温度で熱処理する、ことを特徴とする（６
２）に記載の積層体の製造方法。 （６７） 前記金属層を酸化する前、酸化した後、若し
くは酸化の前後に熱処理する、ことを特徴とする（５
８）〜（６１）のいずれかに記載の積層体の製造方法。

【００５８】（７０） 請求項１〜６及び（７）〜（２
６）いずれかにおいて、前記Ｔｉ層の膜厚が、１０００
〜１５０００Åである。 （７１） 請求項１〜６及び（７）〜（２６）のいずれ
かにおいて、前記Ｔｉ層の膜厚が、２０００〜１０００
０Åである。 （７２） 請求項１〜６及び（７）〜（２６）、（７
０）及び（７１）のいずれかにおいて、前記ＧａＮ系の
半導体層と前記Ｔｉ層との間に、Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ
_{１−ａ−ｂ}Ｎ（ａ＝０、ｂ＝０、ａ＝ｂ＝０を含む）か
らなるバッファ層が介在される。 （７３） （７２）において、前記バッファ層はＡｌ_ａ
Ｇａ_１−ａＮ（ａ＝０．８５〜０．９５）である。 （７４） （７２）において、前記バッファ層はＡｌ_ａ
Ｇａ_１−ａＮ（ａはほぼ０．９）である。

【００５９】（８０） （２８）〜（３７）のいずれか
において、前記Ｔｉ層の膜厚が、１０００〜１５０００
Åである。 （８１） （２８）〜（３７）のいずれかにおいて、前
記Ｔｉ層の膜厚が、２０００〜１００００Åである。

【００６０】（９０） 請求項１〜６及び（７）〜（３
７）及び上記（７０）〜（８１）のいずれかにおいて、
前記Ｔｉ層は単結晶Ｔｉもしくは単結晶に近いＴｉから
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実験例１のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図２】図２は比較例１のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図３】図３は実験例２のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図４】図４は比較例２のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図５】図５は実験例３のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図６】図６は実験例４のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図７】図７は実験例５のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図８】図８はパラメータをＡｌの熱処理温度としてＡ
ｌ層の厚さとＴｉピーク強度の関係を示したものであ
る。

【図９】図９は実験例６のＴｉ層のφ（ＰＨＩ）スキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図１０】図１０は実験例６のＴｉ層の２θ−ωスキャ
ンの結果を示すチャート図である。

【図１１】図１１はＡｌ層の熱処理温度とＴｉ層のピー
ク強度（平均値）との関係を示すグラフ図である。

【図１２】図１２は熱処理条件とＡｌの２θ−ωスキャ
ンのピーク強度との関係を示すグラフ図である。

【図１３】図１０は実験例６の酸化Ａｌ層（酸化Ａｌ／
Ａｌ層）の２θ−ωスキャンの結果を示すチャート図で
ある。

【図１４】図１４はＳｉの（１１１）面にＡｌを蒸着さ
せたとき（熱処理なし）のＡｌ層の２θ−ωスキャンの
結果を示すチャート図である。

【図１５】図１５は実験例７の構成を示す。

【図１６】図１６は実験例７のＧａＮ層のφ（ＰＨＩ）
スキャンの結果を示すチャート図である。

【図１７】図１７は実験例７のＧａＮ層の２θ−ωスキ
ャンの結果を示すチャート図である。

【図１８】図１８は実験例８の構成を示す。

【図１９】図１９は実験例８のＧａＮ層のφ（ＰＨＩ）
スキャンの結果を示すチャート図である。

【図２０】図２０は実験例９の構成を示す。

【図２１】図２１は実験例９のＧａＮ層のφ（ＰＨＩ）
スキャンの結果を示すチャート図である。

【図２２】図２２はこの発明の第１の実施例の発光ダイ
オードの構成を示す断面図である。

【図２３】図２３はこの発明の第２の実施例の発光ダイ
オードの構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１０、２０ 発光ダイオード １、１１ Ｓｉ基板層 ２、１２ Ａｌ層 ３、１３ 酸化Ａｌ層 ４、１４ Ｔｉ層 ５、１５ バッファ層 ６、１６、１７，１８、２６、２８ ＧａＮ系の半導体
層

フロントページの続き (72)発明者 千代 敏明 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−223819（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−167857（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−321954（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/203 H01L 21/205

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｃ面を主面とする半導体基板層と、 金属酸化層と、 Ｔｉ層と、 ＧａＮ系の半導体層と、が順次積層されている半導体素
   子。
2. 【請求項２】 前記基板層と前記金属酸化層との間に該
   金属酸化層の構成要素である金属の層が備えられてい
   る、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 【請求項３】 前記金属酸化層は前記金属層の表面を酸
   化して得られたものである、ことを特徴とする請求項２
   に記載の半導体素子。
4. 【請求項４】 前記酸化金属は酸化Ａｌ、酸化Ａｇ又は
   酸化Ｔｉである、ことを特徴とする請求項１〜３のいず
   れかに記載の半導体素子。
5. 【請求項５】 前記酸化金属は酸化Ａｌである、ことを
   特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
6. 【請求項６】 前記酸化金属は酸化Ａｌであり、前記金
   属層はＡｌ層である、ことを特徴とする請求項２に記載
   の半導体素子。