JP3517867B2 - ＧａＮ系の半導体素子 - Google Patents
ＧａＮ系の半導体素子Info
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Description
【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。
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。
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。即ちサファイア製の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
ファイア製の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。
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。即ちサファイア製の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
ファイア製の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】サファイア製の基板はまた高価である。更
には、サファイア製の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。
には、サファイア製の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、サファイア製の基板の代わりにＳｉ
（シリコン）製の基板の使用が考えられるが、本発明者
の検討によれば、Ｓｉ製の基板の上に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、Ｇａ
Ｎ系の半導体層を成長させる際に加熱をすると、Ｓｉ製
の基板が伸長され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系の半導体層内の
格子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。
（シリコン）製の基板の使用が考えられるが、本発明者
の検討によれば、Ｓｉ製の基板の上に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、Ｇａ
Ｎ系の半導体層を成長させる際に加熱をすると、Ｓｉ製
の基板が伸長され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系の半導体層内の
格子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。
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。
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
ァイア製の基板の場合と同様に、半導体層と基板との間
にＡｌＮやＧａＮのようなＡｌａＩｎｂＧａ１−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。
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
ァイア製の基板の場合と同様に、半導体層と基板との間
にＡｌＮやＧａＮのようなＡｌａＩｎｂＧａ１−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製の基板と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製の基板上
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。
整理番号９７０１３６／代理人整理番号Ｐ００５７）に
よれば、Ｓｉ製の基板と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製の基板上
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、この発明の第１の局面は
つぎのとおりである。ＧａＮ系の半導体層と、該半導体
層に対向する面がＴｉ製とされた基板と、を備えてなる
ＧａＮ系の半導体素子。
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、この発明の第１の局面は
つぎのとおりである。ＧａＮ系の半導体層と、該半導体
層に対向する面がＴｉ製とされた基板と、を備えてなる
ＧａＮ系の半導体素子。
【００１１】このように構成された半導体素子によれ
ば、ＧａＮ系の半導体層が発光素子構造を採る場合、こ
の基板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
ア製の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、Ｇ
ａＡｓ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。
ば、ＧａＮ系の半導体層が発光素子構造を採る場合、こ
の基板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
ア製の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、Ｇ
ａＡｓ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】（ＧａＮ系の半導体層について）
ＧａＮ系の半導体とは III 族窒化物半導体であって、
一般的にはＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（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。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。ＧａＮ系の半導体層は
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。
一般的にはＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（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。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。ＧａＮ系の半導体層は
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。
【００１３】（基板について）
基板はその表面、即ちＧａＮ系の半導体層に対向する面
がＴｉで形成されておればよい。従って、基板の表面層
のみをＴｉ製として下側の層（基体層）を他の任意の材
料で形成することができる。また、基板の基体層を低純
度若しくは不純物を含んだＴｉ材料若しくはＴｉ合金で
形成しておき、表面層を高純度のＴｉで形成することも
できる。なお、ＧａＮ系の半導体層に対向する面は単結
晶Ｔｉ製とすることが好ましい。また、結晶構造が実質
的に維持されている条件の下で、ＴｉをＴｉ合金に代え
ることもできる。
がＴｉで形成されておればよい。従って、基板の表面層
のみをＴｉ製として下側の層（基体層）を他の任意の材
料で形成することができる。また、基板の基体層を低純
度若しくは不純物を含んだＴｉ材料若しくはＴｉ合金で
形成しておき、表面層を高純度のＴｉで形成することも
できる。なお、ＧａＮ系の半導体層に対向する面は単結
晶Ｔｉ製とすることが好ましい。また、結晶構造が実質
的に維持されている条件の下で、ＴｉをＴｉ合金に代え
ることもできる。
【００１４】基板は全体として導電性を有することが好
ましい。基板を導電性とすれば、基板に電極を接続し、
基板側よりＧａＮ系の半導体層に通電することが可能に
なる。従って、ＧａＮ系の半導体層で発光素子又は受光
素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する
複雑なエッチングが不要になる。図２１の例で言えば、
ｎクラッド層が基板を介して外部に電気的に接続可能と
なる。一方、従来のサファイア製の基板の場合は、これ
が絶縁性であったため発光層及びｐクラッド層をエッチ
ングしてｎクラッド層を露出し、これを外部と電気的に
接続させる必要があったが、本願では基板から半導体層
へ通電可能となったので、外部電源に対するボンディン
グも容易になる。更には、アースをとればチャージアッ
プの問題も容易に解決される。
ましい。基板を導電性とすれば、基板に電極を接続し、
基板側よりＧａＮ系の半導体層に通電することが可能に
なる。従って、ＧａＮ系の半導体層で発光素子又は受光
素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する
複雑なエッチングが不要になる。図２１の例で言えば、
ｎクラッド層が基板を介して外部に電気的に接続可能と
なる。一方、従来のサファイア製の基板の場合は、これ
が絶縁性であったため発光層及びｐクラッド層をエッチ
ングしてｎクラッド層を露出し、これを外部と電気的に
接続させる必要があったが、本願では基板から半導体層
へ通電可能となったので、外部電源に対するボンディン
グも容易になる。更には、アースをとればチャージアッ
プの問題も容易に解決される。
【００１５】このように基板に導電性を与えるために
は、基板の基体層をＣｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｚｒ及びＹなどの導電性の金属、Ｓｉ、ＧａＡ
ｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＺｎＯ並びにＺｎＳｅ等で形成す
る。かかる基体層に対し、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、
光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、蒸着等の（Ｐｈ
ｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
等の方法でＴｉ層が形成される。
は、基板の基体層をＣｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｚｒ及びＹなどの導電性の金属、Ｓｉ、ＧａＡ
ｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＺｎＯ並びにＺｎＳｅ等で形成す
る。かかる基体層に対し、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、
光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、蒸着等の（Ｐｈ
ｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
等の方法でＴｉ層が形成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】この発明の一の実施の形態によれ
ば、基板の基体層としてサファイアを採用し、当該サフ
ァイア基体層の表面に単結晶Ｔｉ層が蒸着される。図１
はＴｉ単結晶の結晶性の膜厚依存性を示す。図１の結果
を得たときのＴｉ層の形成条件は次の通りである。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：測定対象 なお、図１の縦軸の強度はＴｉ層に対してφ（ＰＨＩ）
スキャンを実行したとき得られた６本のピークの平均強
度（相対値）である。縦軸の強度が大きいほど結晶性が
良い。ＧａＮ系の半導体層の結晶性を向上するためには
その土台となるＴｉ層にも高い結晶性が要求されること
は言うまでもない。なお、Ｔｉ単結晶に対するφ（ＰＨ
Ｉ）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層は単結晶であるか又は単結晶
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。
ば、基板の基体層としてサファイアを採用し、当該サフ
ァイア基体層の表面に単結晶Ｔｉ層が蒸着される。図１
はＴｉ単結晶の結晶性の膜厚依存性を示す。図１の結果
を得たときのＴｉ層の形成条件は次の通りである。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：測定対象 なお、図１の縦軸の強度はＴｉ層に対してφ（ＰＨＩ）
スキャンを実行したとき得られた６本のピークの平均強
度（相対値）である。縦軸の強度が大きいほど結晶性が
良い。ＧａＮ系の半導体層の結晶性を向上するためには
その土台となるＴｉ層にも高い結晶性が要求されること
は言うまでもない。なお、Ｔｉ単結晶に対するφ（ＰＨ
Ｉ）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層は単結晶であるか又は単結晶
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。
【００１７】また、図１の結果を得るに当たってＴｉ層
を形成する前に下記の前処理を行う。他の図に示す結果
を得たときも同様である。チャンバ内へサファイア基体
層をセットし、工業的に汎用される真空ポンプで３×１
０−５Ｔｏｒｒ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：〜１０−７Ｔｏｒｒ）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。
を形成する前に下記の前処理を行う。他の図に示す結果
を得たときも同様である。チャンバ内へサファイア基体
層をセットし、工業的に汎用される真空ポンプで３×１
０−５Ｔｏｒｒ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：〜１０−７Ｔｏｒｒ）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。
【００１８】かかる前処理の終了後、基体層をランプヒ
ータで所定の温度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、サファイア基体層
上に単結晶Ｔｉ層を蒸着させた。
ータで所定の温度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、サファイア基体層
上に単結晶Ｔｉ層を蒸着させた。
【００１９】φ（ＰＨＩ）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φ（ＰＨＩ）スキャンについても同じ。）。
図２にφ（ＰＨＩ）スキャンの結果（Ｔｉ層：３００ｎ
ｍのとき）の一例を示す。図２に現れたＴｉの（１ ０
1- ２）面に対応する６つのピークの強度（相対値）の
平均が図１の縦軸の値となる。
の４軸型単結晶回折計（製品名： X-pert ）により行っ
た（以下のφ（ＰＨＩ）スキャンについても同じ。）。
図２にφ（ＰＨＩ）スキャンの結果（Ｔｉ層：３００ｎ
ｍのとき）の一例を示す。図２に現れたＴｉの（１ ０
1- ２）面に対応する６つのピークの強度（相対値）の
平均が図１の縦軸の値となる。
【００２０】図１の結果より、Ｔｉ以外の材料製の基体
層の表面に形成されるＴｉ層の膜厚は１０００〜１５０
００オングストローム（１００〜１５００ｎｍ）とする
ことが好ましい。Ｔｉ層の膜厚が１００ｎｍ未満である
と充分な結晶性を得られず、また１５００ｎｍを越えて
Ｔｉ層を厚くする必要はない。成膜のために時間を要す
るだけであるからである。成膜の時間に制約のない場合
は上限を設ける必要はない。また、この程度の膜厚のＴ
ｉ層を設けることにより、ＧａＮ系の半導体層で発光し
た光のうち基板側へ放出されたものは当該Ｔｉ層で反射
され、基板を透過することがない。従って、ＧａＮ系の
半導体層で生じた光の実質的に全部が素子の表面から取
り出されることとなり、当該光の有効利用が達成され
る。更に好ましくは、Ｔｉ層の膜厚を２０００〜１００
００オングストローム（２００〜１０００ｎｍ）とす
る。
層の表面に形成されるＴｉ層の膜厚は１０００〜１５０
００オングストローム（１００〜１５００ｎｍ）とする
ことが好ましい。Ｔｉ層の膜厚が１００ｎｍ未満である
と充分な結晶性を得られず、また１５００ｎｍを越えて
Ｔｉ層を厚くする必要はない。成膜のために時間を要す
るだけであるからである。成膜の時間に制約のない場合
は上限を設ける必要はない。また、この程度の膜厚のＴ
ｉ層を設けることにより、ＧａＮ系の半導体層で発光し
た光のうち基板側へ放出されたものは当該Ｔｉ層で反射
され、基板を透過することがない。従って、ＧａＮ系の
半導体層で生じた光の実質的に全部が素子の表面から取
り出されることとなり、当該光の有効利用が達成され
る。更に好ましくは、Ｔｉ層の膜厚を２０００〜１００
００オングストローム（２００〜１０００ｎｍ）とす
る。
【００２１】図３はサファイア基体層上におけるＴｉ蒸
着膜結晶性の蒸着速度依存性を示す。図の縦軸はφ（Ｐ
ＨＩ）スキャンにより得たピークの平均強度（相対値）
である。なお、図３の結果を得たときのＴｉ層の形成条
件は次の通りであった。 蒸着速度：測定対象 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ
着膜結晶性の蒸着速度依存性を示す。図の縦軸はφ（Ｐ
ＨＩ）スキャンにより得たピークの平均強度（相対値）
である。なお、図３の結果を得たときのＴｉ層の形成条
件は次の通りであった。 蒸着速度：測定対象 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ
【００２２】図３の結果より、Ｔｉ層の蒸着速度は０．
５ｎｍ／ｓ以上とすることが好ましいことがわかる。な
お、Ｔｉの蒸着速度を２ｎｍ／ｓ以上とすることは現実
的でない。表面モフォロジーの劣化が見られるからであ
る。
５ｎｍ／ｓ以上とすることが好ましいことがわかる。な
お、Ｔｉの蒸着速度を２ｎｍ／ｓ以上とすることは現実
的でない。表面モフォロジーの劣化が見られるからであ
る。
【００２３】図４はサファイア基体層上におけるＴｉ蒸
着膜結晶性の蒸着温度（蒸着時の基体層温度）依存性を
示す。図の縦軸はφ（ＰＨＩ）スキャンにより得たピー
クの平均強度（相対値）である。なお、図４の結果を得
たときのＴｉ層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：測定対象 膜厚：３００ｎｍ
着膜結晶性の蒸着温度（蒸着時の基体層温度）依存性を
示す。図の縦軸はφ（ＰＨＩ）スキャンにより得たピー
クの平均強度（相対値）である。なお、図４の結果を得
たときのＴｉ層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：測定対象 膜厚：３００ｎｍ
【００２４】図４の結果より、サファイア基体層を特に
加熱しない、いわゆる室温状態から３５０℃の間で充分
な結晶性が得られることが予想される。更に好ましくは
２５〜２５０℃であり、更に更に好ましくは１５０〜２
５０℃である。なお、本発明者らの検討によれば、蒸着
温度は１３０〜１７０℃とすることが好ましいことがわ
かった。更に好ましくはほぼ１５０℃である。１７０℃
より高い温度にするとＴｉのｃ軸配向性が低下おそれが
あるからである。
加熱しない、いわゆる室温状態から３５０℃の間で充分
な結晶性が得られることが予想される。更に好ましくは
２５〜２５０℃であり、更に更に好ましくは１５０〜２
５０℃である。なお、本発明者らの検討によれば、蒸着
温度は１３０〜１７０℃とすることが好ましいことがわ
かった。更に好ましくはほぼ１５０℃である。１７０℃
より高い温度にするとＴｉのｃ軸配向性が低下おそれが
あるからである。
【００２５】図５はサファイア基体層上におけるＴｉ蒸
着膜結晶性の熱処理温度依存性を示す。図５の結果を得
たときのＴｉ層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ このようにして得られたＴｉ／サファイアを熱処理炉に
おいて横軸に示すそれぞれの温度まで加熱（５分間）し
たときのものである。縦軸は図１と同様にφ（ＰＨＩ）
スキャンにより得たピークの平均強度（相対値）であ
る。
着膜結晶性の熱処理温度依存性を示す。図５の結果を得
たときのＴｉ層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ このようにして得られたＴｉ／サファイアを熱処理炉に
おいて横軸に示すそれぞれの温度まで加熱（５分間）し
たときのものである。縦軸は図１と同様にφ（ＰＨＩ）
スキャンにより得たピークの平均強度（相対値）であ
る。
【００２６】図５の結果より、Ｔｉ層に７５０℃を越え
る温度を加えるとその結晶性が低下することがわかる。
換言すれば、Ｔｉ層の上に少なくとも一つのＧａＮ系の
半導体層を成長させるまではＴｉ層を７５０℃以下に保
持しておくことが好ましい。当該第１のＧａＮ系の半導
体層の形成後はこの上に第２のＧａＮ系の半導体層を形
成することができるので、第１のＧａＮ系の半導体層の
結晶性が保持される温度が臨界温度となる。この臨界温
度においてＴｉ層の結晶性が低下しても、第１のＧａＮ
系の半導体層の結晶性が維持されている限り、第２のＧ
ａＮ系の半導体層の結晶性に影響が出ないからである。
図５の結果より、Ｔｉ層の上に少なくとも一つのＧａＮ
系の半導体層を成長させるまではＴｉ層を６００℃以下
に保持しておくことが更に好ましい。
る温度を加えるとその結晶性が低下することがわかる。
換言すれば、Ｔｉ層の上に少なくとも一つのＧａＮ系の
半導体層を成長させるまではＴｉ層を７５０℃以下に保
持しておくことが好ましい。当該第１のＧａＮ系の半導
体層の形成後はこの上に第２のＧａＮ系の半導体層を形
成することができるので、第１のＧａＮ系の半導体層の
結晶性が保持される温度が臨界温度となる。この臨界温
度においてＴｉ層の結晶性が低下しても、第１のＧａＮ
系の半導体層の結晶性が維持されている限り、第２のＧ
ａＮ系の半導体層の結晶性に影響が出ないからである。
図５の結果より、Ｔｉ層の上に少なくとも一つのＧａＮ
系の半導体層を成長させるまではＴｉ層を６００℃以下
に保持しておくことが更に好ましい。
【００２７】図６はサファイア基体層上に形成されたＴ
ｉ層の上に更にＡｌＮ製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたＧａＮ層の結晶性を評価するための２θ−
ω（２θ：２０−１００度）スキャンの結果を示す。こ
の２θ−ωスキャンも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スキャンの測定結果も同じ。）。図６の結果を得た
ときのＴｉ層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ なお、以下の測定結果についても同じ条件でＴｉ層を形
成した。
ｉ層の上に更にＡｌＮ製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたＧａＮ層の結晶性を評価するための２θ−
ω（２θ：２０−１００度）スキャンの結果を示す。こ
の２θ−ωスキャンも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スキャンの測定結果も同じ。）。図６の結果を得た
ときのＴｉ層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ なお、以下の測定結果についても同じ条件でＴｉ層を形
成した。
【００２８】また、ＡｌＮ製のバッファ層を形成する前
に真空中（３×１０−５Ｔｏｒｒ）でＴｉ／サファイア
を６００℃で５分間加熱した（真空クリーニング）。Ａ
ｌＮ製のバッファ層は下記の条件でＭＯＣＶＤ法により
形成した。 反応容器内圧力 ： 常圧 温度 ： ４００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ キャリアガス ： Ｈ ２
に真空中（３×１０−５Ｔｏｒｒ）でＴｉ／サファイア
を６００℃で５分間加熱した（真空クリーニング）。Ａ
ｌＮ製のバッファ層は下記の条件でＭＯＣＶＤ法により
形成した。 反応容器内圧力 ： 常圧 温度 ： ４００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ キャリアガス ： Ｈ ２
【００２９】ＧａＮ層は下記の条件でＭＯＣＶＤ法によ
り形成した。 反応容器内圧力 ： 常圧 温度 ： １０００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２ なお、以下の例においてＧａＮ層の形成条件は上記と同
一である。
り形成した。 反応容器内圧力 ： 常圧 温度 ： １０００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２ なお、以下の例においてＧａＮ層の形成条件は上記と同
一である。
【００３０】図７は図６と同じ試料についてφ（ＰＨ
Ｉ）スキャンを行ったときの結果である。図６及び図７
の結果から、Ｔｉ／サファイア上に、ＡｌＮバッファ層
を介して、成長されたＧａＮは好ましい結晶性を有する
ことがわかる。従って、かかるＡｌＮ／Ｔｉ／サファイ
ア上にＧａＮ系の半導体層を成長させれば、この半導体
層によって充分機能し得る発光素子等の半導体素子を形
成することができる。
Ｉ）スキャンを行ったときの結果である。図６及び図７
の結果から、Ｔｉ／サファイア上に、ＡｌＮバッファ層
を介して、成長されたＧａＮは好ましい結晶性を有する
ことがわかる。従って、かかるＡｌＮ／Ｔｉ／サファイ
ア上にＧａＮ系の半導体層を成長させれば、この半導体
層によって充分機能し得る発光素子等の半導体素子を形
成することができる。
【００３１】図８はサファイア基体層上に形成されたＴ
ｉ層の上に更にＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成し、そ
の上に成長されたＧａＮ層の結晶性を評価するための２
θ−ω（２θ：２０−１００度）スキャンの結果を示
す。なお、ＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成する前に真
空中（３×１０−５Ｔｏｒｒ）でＴｉ／サファイアを６
００℃で５分間加熱した（真空クリーニング）。ＡｌＧ
ａＮ製のバッファ層は下記の条件でＭＯＣＶＤ法により
形成した。 チャンバ内圧力 ： 常圧 温度 ： ３００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ 材料ガス３ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２
ｉ層の上に更にＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成し、そ
の上に成長されたＧａＮ層の結晶性を評価するための２
θ−ω（２θ：２０−１００度）スキャンの結果を示
す。なお、ＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成する前に真
空中（３×１０−５Ｔｏｒｒ）でＴｉ／サファイアを６
００℃で５分間加熱した（真空クリーニング）。ＡｌＧ
ａＮ製のバッファ層は下記の条件でＭＯＣＶＤ法により
形成した。 チャンバ内圧力 ： 常圧 温度 ： ３００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ 材料ガス３ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２
【００３２】ＧａＮ層は図６及び図７の場合と同一の条
件でＭＯＣＶＤ法により形成した。図９は図８と同じ試
料についてφ（ＰＨＩ）スキャンを行ったときの結果で
ある。図９及び図８の結果から、Ｔｉ／サファイア上
に、ＡｌＧａＮバッファ層を介して、成長されたＧａＮ
は好ましい結晶性を有することがわかる。図６及び図７
との比較から、バッファ層をＡｌＧａＮ製とするとその
上に形成されるＧａＮ層の結晶性がより良くなることが
わかる。
件でＭＯＣＶＤ法により形成した。図９は図８と同じ試
料についてφ（ＰＨＩ）スキャンを行ったときの結果で
ある。図９及び図８の結果から、Ｔｉ／サファイア上
に、ＡｌＧａＮバッファ層を介して、成長されたＧａＮ
は好ましい結晶性を有することがわかる。図６及び図７
との比較から、バッファ層をＡｌＧａＮ製とするとその
上に形成されるＧａＮ層の結晶性がより良くなることが
わかる。
【００３３】図１０はＴｉ／サファイア上に、ＡｌＧａ
Ｎバッファ層を介して、成長されたＧａＮの結晶性を評
価するロッキングカーブである。当該ロッキングカーブ
の結果から、当業者であれば、このＧａＮが発光素子を
構成する半導体層として充分な特性を持つことがわか
る。
Ｎバッファ層を介して、成長されたＧａＮの結晶性を評
価するロッキングカーブである。当該ロッキングカーブ
の結果から、当業者であれば、このＧａＮが発光素子を
構成する半導体層として充分な特性を持つことがわか
る。
【００３４】図１１はＡｌＧａＮ製のバッファ層の成長
温度とＧａＮ結晶性との関係を示す。図の縦軸は図９と
同様にして得られたφ（ＰＨＩ）スキャンの６本のピー
ク強度の平均値（相対値）である。なお、Ｔｉ層の形成
条件は既述のとおりである。このＴｉ層に対するクリー
ニングはチャンバ内を真空（３×１０−５Ｔｏｒｒ）に
して６００℃、５分間行った。ＡｌＧａＮ製のバッファ
層のＭＯＣＶＤの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 ： 常圧 温度 ： 測定対象 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ 材料ガス３ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２ キャリアガス流量比（TMG/(TMG+TMA)）： ０．６２５
温度とＧａＮ結晶性との関係を示す。図の縦軸は図９と
同様にして得られたφ（ＰＨＩ）スキャンの６本のピー
ク強度の平均値（相対値）である。なお、Ｔｉ層の形成
条件は既述のとおりである。このＴｉ層に対するクリー
ニングはチャンバ内を真空（３×１０−５Ｔｏｒｒ）に
して６００℃、５分間行った。ＡｌＧａＮ製のバッファ
層のＭＯＣＶＤの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 ： 常圧 温度 ： 測定対象 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ 材料ガス３ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２ キャリアガス流量比（TMG/(TMG+TMA)）： ０．６２５
【００３５】図１１の結果から、ＡｌＧａＮ製のバッフ
ァ層の成長温度は２５０〜３５０℃とすることが好まし
い。更に好ましくは２８０〜３３０℃である。更に更に
好ましくはほぼ３００℃である。
ァ層の成長温度は２５０〜３５０℃とすることが好まし
い。更に好ましくは２８０〜３３０℃である。更に更に
好ましくはほぼ３００℃である。
【００３６】図１２はＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成
する際のＴＭＧとＴＭＡのキャリアガス流量比とＧａＮ
結晶性との関係を示す。図の縦軸は図９と同様にして得
られたφ（ＰＨＩ）スキャンの６本のピーク強度の平均
値（相対値）である。なお、Ｔｉ層の形成条件は既述の
とおりである。このＴｉ層に対するクリーニングはチャ
ンバ内を真空（３×１０−５Ｔｏｒｒ）にして６００
℃、５分間行った。ＡｌＧａＮ製のバッファ層のＭＯＣ
ＶＤの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 ： 常圧 温度 ： ３００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ 材料ガス３ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２ キャリアガス流量比（TMG/(TMG+TMA)）： 測定対象 ＧａＮ層の形成条件は既述のとおりである。
する際のＴＭＧとＴＭＡのキャリアガス流量比とＧａＮ
結晶性との関係を示す。図の縦軸は図９と同様にして得
られたφ（ＰＨＩ）スキャンの６本のピーク強度の平均
値（相対値）である。なお、Ｔｉ層の形成条件は既述の
とおりである。このＴｉ層に対するクリーニングはチャ
ンバ内を真空（３×１０−５Ｔｏｒｒ）にして６００
℃、５分間行った。ＡｌＧａＮ製のバッファ層のＭＯＣ
ＶＤの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 ： 常圧 温度 ： ３００℃ 材料ガス１ ： アンモニア 材料ガス２ ： ＴＭＡ 材料ガス３ ： ＴＭＧ キャリアガス ： Ｈ ２ キャリアガス流量比（TMG/(TMG+TMA)）： 測定対象 ＧａＮ層の形成条件は既述のとおりである。
【００３７】図１２の結果からキャリアガスの流量比は
ＴＭＧ／（ＴＭＧ＋ＴＭＡ）＝０．４〜０．８とするこ
とが好ましいことがわかる。従って、反応容器内に供給
される材料ガスのモル比でいうと、ＴＭＧ／（ＴＭＧ＋
ＴＭＡ）＝０．５３〜０．８７とすることが好ましい。
更に好ましくは、同流量比０．５〜０．７（同モル比＝
０．６３〜０．８０）である。更に更に好ましくは同流
量比０．６０〜０．６５である。今のところ、同流量比
＝０．６２５（同モル比＝０．７３７）が最も好ましい
と考えられる。
ＴＭＧ／（ＴＭＧ＋ＴＭＡ）＝０．４〜０．８とするこ
とが好ましいことがわかる。従って、反応容器内に供給
される材料ガスのモル比でいうと、ＴＭＧ／（ＴＭＧ＋
ＴＭＡ）＝０．５３〜０．８７とすることが好ましい。
更に好ましくは、同流量比０．５〜０．７（同モル比＝
０．６３〜０．８０）である。更に更に好ましくは同流
量比０．６０〜０．６５である。今のところ、同流量比
＝０．６２５（同モル比＝０．７３７）が最も好ましい
と考えられる。
【００３８】本発明者らの検討によれば、図１２の結果
を得たときの条件においてキャリアガス流量比をＴＭＧ
／（ＴＭＧ＋ＴＭＡ）＝０．６２５とすると、バッファ
層の組成はＡｌ０．９Ｇａ０．１Ｎであった。ＡｌａＧ
ａ１−ａＮ製のバッファ層においてＡｌの組成比ａは
０．８５〜０．９５とすることが好ましい。
を得たときの条件においてキャリアガス流量比をＴＭＧ
／（ＴＭＧ＋ＴＭＡ）＝０．６２５とすると、バッファ
層の組成はＡｌ０．９Ｇａ０．１Ｎであった。ＡｌａＧ
ａ１−ａＮ製のバッファ層においてＡｌの組成比ａは
０．８５〜０．９５とすることが好ましい。
【００３９】図１３はＴｉ／サファイアのクリーニング
温度とＧａＮの結晶性との関係を示す。図の縦軸は図９
と同様にして得られたφ（ＰＨＩ）スキャンの６本のピ
ーク強度の平均値（相対値）である。なお、Ｔｉ層の形
成条件は既述のとおりである。ＡｌＧａＮバッファ層及
びＧａＮ層の形成条件は図８の場合と同一である。尚、
図中黒塗り三角で示すクリーニングの結果はサファイア
基体層上にＴｉを蒸着させた基板をＭＯＣＶＤチャンバ
内で真空（真空度：３×１０−５Ｔｏｒｒ）にして、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
５分間維持し、その後放冷したときのものである。一
方、図中の白抜き三角（△）で示すクリーニングの結果
はサファイア基体層上にＴｉを蒸着させた基板をＭＯＣ
ＶＤチャンバへ水素を供給し（チャンバ内：１気圧）、
ランプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度
で５分間維持し、その後放冷したときのものである。
温度とＧａＮの結晶性との関係を示す。図の縦軸は図９
と同様にして得られたφ（ＰＨＩ）スキャンの６本のピ
ーク強度の平均値（相対値）である。なお、Ｔｉ層の形
成条件は既述のとおりである。ＡｌＧａＮバッファ層及
びＧａＮ層の形成条件は図８の場合と同一である。尚、
図中黒塗り三角で示すクリーニングの結果はサファイア
基体層上にＴｉを蒸着させた基板をＭＯＣＶＤチャンバ
内で真空（真空度：３×１０−５Ｔｏｒｒ）にして、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
５分間維持し、その後放冷したときのものである。一
方、図中の白抜き三角（△）で示すクリーニングの結果
はサファイア基体層上にＴｉを蒸着させた基板をＭＯＣ
ＶＤチャンバへ水素を供給し（チャンバ内：１気圧）、
ランプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度
で５分間維持し、その後放冷したときのものである。
【００４０】図１３の結果から、サファイア基体層上に
Ｔｉ層を蒸着した後、バッファ層を形成する前に、Ｔｉ
層を真空中で加熱してクリーニングすると結晶性の高い
ＧａＮ層の得られることがわかる。クリーニングの温度
は５００〜７５０℃とすることが好ましい。更に好まし
くは５５０〜７００℃である。更に更に好ましくは６０
０〜６５０℃である。クリーニングを行うときの真空度
は特に限定されないが、Ｔｉ層から不純物を除去する見
地から、できる限り高い真空度を達成することが好まし
い。
Ｔｉ層を蒸着した後、バッファ層を形成する前に、Ｔｉ
層を真空中で加熱してクリーニングすると結晶性の高い
ＧａＮ層の得られることがわかる。クリーニングの温度
は５００〜７５０℃とすることが好ましい。更に好まし
くは５５０〜７００℃である。更に更に好ましくは６０
０〜６５０℃である。クリーニングを行うときの真空度
は特に限定されないが、Ｔｉ層から不純物を除去する見
地から、できる限り高い真空度を達成することが好まし
い。
【００４１】以上の結果はサファイア基体層とＴｉ層と
の組み合わせに関するものであるが、Ｓｉ及びその他の
材料製の基体層上にＴｉ層を形成した場合についても同
様のことがいえると考えられる。
の組み合わせに関するものであるが、Ｓｉ及びその他の
材料製の基体層上にＴｉ層を形成した場合についても同
様のことがいえると考えられる。
【００４２】図１４は基体層のＳｉ（１１１）面上に蒸
着したＴｉ結晶性のウエハ洗浄依存性を示す。但し、Ｔ
ｉ層の蒸着条件は次のとおりである（サファイア基体層
のときと同じ）。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ Ｓｉ基体層に対して、サファイア基体層の場合と同様に
して窒素パージによりチャンバ内から実質的に酸素を除
去し、その（１１１）面にＴｉ層を蒸着したときの結果
を図１４の実線で示す。なお、図１４はＴｉ層の（１
０ 1- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示
している。一方、図１４の破線は窒素パージの前に予め
バッファードフッ酸でＳｉ基体層を１０秒間洗浄したと
きのものである。図１５は図１４の試料のＴｉ層の（１
１ 2- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を
示している。
着したＴｉ結晶性のウエハ洗浄依存性を示す。但し、Ｔ
ｉ層の蒸着条件は次のとおりである（サファイア基体層
のときと同じ）。 蒸着速度：０．５ｎｍ／ｓ 蒸着温度：１５０℃ 膜厚：３００ｎｍ Ｓｉ基体層に対して、サファイア基体層の場合と同様に
して窒素パージによりチャンバ内から実質的に酸素を除
去し、その（１１１）面にＴｉ層を蒸着したときの結果
を図１４の実線で示す。なお、図１４はＴｉ層の（１
０ 1- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示
している。一方、図１４の破線は窒素パージの前に予め
バッファードフッ酸でＳｉ基体層を１０秒間洗浄したと
きのものである。図１５は図１４の試料のＴｉ層の（１
１ 2- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を
示している。
【００４３】図１４及び図１５の結果より、予めバッフ
ァードフッ酸で洗浄したＳｉ基体層の上に蒸着されたＴ
ｉ層は良い結晶性を持つが、当該酸洗浄の省略されたＳ
ｉ基体層上に蒸着されたＴｉ層の結晶性は非常に悪いこ
とがわかる。
ァードフッ酸で洗浄したＳｉ基体層の上に蒸着されたＴ
ｉ層は良い結晶性を持つが、当該酸洗浄の省略されたＳ
ｉ基体層上に蒸着されたＴｉ層の結晶性は非常に悪いこ
とがわかる。
【００４４】図１６は図１４のものと同様にＳｉ基体層
の（１００）面上に蒸着したＴｉ層の（１ ０ 1- ２）
面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示す。図１７
は同じくＳｉ基体層の（１００）面上に蒸着したＴｉ層
の（１ １ 2-２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結
果を示す。
の（１００）面上に蒸着したＴｉ層の（１ ０ 1- ２）
面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示す。図１７
は同じくＳｉ基体層の（１００）面上に蒸着したＴｉ層
の（１ １ 2-２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結
果を示す。
【００４５】図１６及び図１７の結果から、Ｓｉ基体層
の（１００）面上に蒸着したＴｉ層は、酸洗浄の有無に
拘わらず、その結晶性が非常に悪いことがわかる。以
上、図１４〜１７の結果より、Ｓｉ基体層の上に単結晶
のＴｉ層を形成するにはＳｉ基体層の（１１１）面上に
Ｔｉを蒸着させること及びＳｉ基体層を予めバッファー
ドフッ酸やフッ酸等で酸洗浄することが必要である。
の（１００）面上に蒸着したＴｉ層は、酸洗浄の有無に
拘わらず、その結晶性が非常に悪いことがわかる。以
上、図１４〜１７の結果より、Ｓｉ基体層の上に単結晶
のＴｉ層を形成するにはＳｉ基体層の（１１１）面上に
Ｔｉを蒸着させること及びＳｉ基体層を予めバッファー
ドフッ酸やフッ酸等で酸洗浄することが必要である。
【００４６】
【実施例】次に、この発明の第１の実施例の説明をす
る。この実施例は発光ダイオード１０であり、その構成
を図１８に示す。
る。この実施例は発光ダイオード１０であり、その構成
を図１８に示す。
【００４７】各半導体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 ６ ： ｐ−ＧａＮ : Ｍｇ （ 0.3 μ m ）
発光層 ５ ： 超格子構造
量子井戸層 ： Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ （ 3.5nm)
バリア層 ： ＧａＮ （ 3.5nm ）
量子井戸層とバリア層の繰り返し数： 1 〜 10
ｎクラッド層 ４ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （ 4 μ m ）
バッファ層 ３ ： Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ （ 15nm ）
Ｔｉ層 ２ ： Ｔｉ単結晶 （ 300nm ）
基体層 １ ： サファイア （ 300 μ m ）
【００４８】ｎクラッド層４は発光層５側の低電子濃度
ｎ−層とバッファ層３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５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５とｐクラッド層６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ＡｌＸＩｎＹＧ
ａ１−Ｘ−ＹＮ（ 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５中に注入された電子
がｐクラッド層６に拡散するのを防止するためである。
ｐクラッド層６を発光層５側の低ホール濃度ｐ−層と電
極７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。
ｎ−層とバッファ層３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５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５とｐクラッド層６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ＡｌＸＩｎＹＧ
ａ１−Ｘ−ＹＮ（ 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５中に注入された電子
がｐクラッド層６に拡散するのを防止するためである。
ｐクラッド層６を発光層５側の低ホール濃度ｐ−層と電
極７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。
【００４９】上記において、バッファ層３までの形成方
法は図１０の結果を得たときと同様である。
法は図１０の結果を得たときと同様である。
【００５０】各ＧａＮ系の半導体層は周知のＭＯＣＶＤ
法により形成される。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（ＴＭＩ）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。
法により形成される。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（ＴＭＩ）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。
【００５１】透光性電極７は金を含む薄膜であり、ｐク
ラッド層６の上面の実質的な全面を覆って積層される。
ｐ電極８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７の上に形成される。ｎ電極９がｎクラッド
層４に蒸着される。
ラッド層６の上面の実質的な全面を覆って積層される。
ｐ電極８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７の上に形成される。ｎ電極９がｎクラッド
層４に蒸着される。
【００５２】（第２実施例）
図１９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であり、
図１８に示した第１の実施例の発光ダイオード１０と同
一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
即ち、この実施例の発光ダイオード２０はバッファ層２
３をＡｌＮ製としたものである。
この実施例の半導体素子は発光ダイオード２０であり、
図１８に示した第１の実施例の発光ダイオード１０と同
一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
即ち、この実施例の発光ダイオード２０はバッファ層２
３をＡｌＮ製としたものである。
【００５３】（第３実施例）
図２０にこの発明の第３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３０であり、
図１８に示した第１の実施例の発光ダイオード１０と同
一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
即ち、この実施例の発光ダイオード３０はバッファ層が
省略されているものである。この場合、ｎクラッド層は
ＭＢＥ法により形成する。
この実施例の半導体素子は発光ダイオード３０であり、
図１８に示した第１の実施例の発光ダイオード１０と同
一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
即ち、この実施例の発光ダイオード３０はバッファ層が
省略されているものである。この場合、ｎクラッド層は
ＭＢＥ法により形成する。
【００５４】（第４実施例）
図２１にこの発明の第４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４０である。
各半導体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 ４６ ： ｐ−ＧａＮ : Ｍｇ （ 0.3 μ m ） 発光層 ４５ ： 超格子構造 量子井戸層 ： Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ （ 3.5nm) バリア層 ： ＧａＮ （ 3.5nm ） 量子井戸層とバリア層の繰り返し数： 1 〜 10 ｎクラッド層 ４４ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （ 4 μ m ） バッファ層 ４３ ： Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ （ 15nm ） Ｔｉ層 ４２ ： Ｔｉ単結晶 （ 300nm ） 基体層 ４１ ： Ｓｉ（１１１）面 （ 300 μ m ）
この実施例の半導体素子は発光ダイオード４０である。
各半導体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 ４６ ： ｐ−ＧａＮ : Ｍｇ （ 0.3 μ m ） 発光層 ４５ ： 超格子構造 量子井戸層 ： Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ （ 3.5nm) バリア層 ： ＧａＮ （ 3.5nm ） 量子井戸層とバリア層の繰り返し数： 1 〜 10 ｎクラッド層 ４４ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （ 4 μ m ） バッファ層 ４３ ： Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ （ 15nm ） Ｔｉ層 ４２ ： Ｔｉ単結晶 （ 300nm ） 基体層 ４１ ： Ｓｉ（１１１）面 （ 300 μ m ）
【００５５】ＡｌＧａＮ製のバッファ層４３は、第２実
施例と同様に、ＡｌＮ製のものに置換することができ
る。また、第３実施例と同様にバッファ層４３を省略す
ることもできる。ＧａＮ系の半導体層４４〜４６は、第
１の実施例で説明したように、他の構成の層にそれぞれ
置換することができる。また、それぞれの形成方法も第
１の実施例と同様である。但し、バッファ層を省略した
ときは、Ｔｉ層に隣接するＧａＮ系の半導体層をＭＢＥ
法で形成する。
施例と同様に、ＡｌＮ製のものに置換することができ
る。また、第３実施例と同様にバッファ層４３を省略す
ることもできる。ＧａＮ系の半導体層４４〜４６は、第
１の実施例で説明したように、他の構成の層にそれぞれ
置換することができる。また、それぞれの形成方法も第
１の実施例と同様である。但し、バッファ層を省略した
ときは、Ｔｉ層に隣接するＧａＮ系の半導体層をＭＢＥ
法で形成する。
【００５６】上記において、Ｔｉ層４２の形成方法は図
１４の破線の結果を得たときと同様である。ＡｌＧａＮ
製のバッファ層４３は第１の実施例と同様にして形成さ
れた。
１４の破線の結果を得たときと同様である。ＡｌＧａＮ
製のバッファ層４３は第１の実施例と同様にして形成さ
れた。
【００５７】透光性電極４７は金を含む薄膜であり、ｐ
クラッド層４６の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。ｐ電極４８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７の上に形成される。基体層４１はそ
のままのｎ電極として利用できる。
クラッド層４６の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。ｐ電極４８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７の上に形成される。基体層４１はそ
のままのｎ電極として利用できる。
【００５８】図２２に第４実施例の変形態様を示す。な
お、図２１と同一の層には同一の符号を付してその説明
を省略する。図２２に示すように、バッファ層４３の上
にｐクラッド層４６、発光層４５及びｎクラッド層４４
を順に成長させて発光素子５０を構成することもでき
る。この素子５０の場合、抵抗値の低いｎクラッド層４
４が最上面となるのでここの透光性電極（図２１の符号
４７参照）を省略することが可能となる。図の符号５８
はｎ電極である。基体層４１はそのままｐ電極として利
用できる。
お、図２１と同一の層には同一の符号を付してその説明
を省略する。図２２に示すように、バッファ層４３の上
にｐクラッド層４６、発光層４５及びｎクラッド層４４
を順に成長させて発光素子５０を構成することもでき
る。この素子５０の場合、抵抗値の低いｎクラッド層４
４が最上面となるのでここの透光性電極（図２１の符号
４７参照）を省略することが可能となる。図の符号５８
はｎ電極である。基体層４１はそのままｐ電極として利
用できる。
【００５９】このように構成された第４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、Ｓｉ基体層と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。
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、Ｓｉ基体層と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。
【００６０】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。
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。
【００６１】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。
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。
【００６２】以下、次の事項を開示する。
（８０） サファイア基体層を準備し、実質的に酸素が
除去された環境のもとで該サファイア基体層へＴｉを蒸
着あるいはスパッタすることを特徴とするサファイア基
体層の上に実質的に単結晶のＴｉ層を形成する方法。 （８１） 前記Ｔｉ層の成膜速度が０．５ｎｍ／ｓ以上
である、ことを特徴とする、（８０）に記載の方法。 （８２） 前記Ｔｉ層の成膜温度は室温〜２５０℃であ
る、ことを特徴とする、（８０）に記載の方法。
除去された環境のもとで該サファイア基体層へＴｉを蒸
着あるいはスパッタすることを特徴とするサファイア基
体層の上に実質的に単結晶のＴｉ層を形成する方法。 （８１） 前記Ｔｉ層の成膜速度が０．５ｎｍ／ｓ以上
である、ことを特徴とする、（８０）に記載の方法。 （８２） 前記Ｔｉ層の成膜温度は室温〜２５０℃であ
る、ことを特徴とする、（８０）に記載の方法。
【００６３】（８３） 前記Ｔｉ層の成膜温度はほぼ１
５０℃である、ことを特徴とする（８０）に記載の方
法。 （８４） 前記Ｔｉ層層の膜厚を１００〜１５００ｎｍ
とする、ことを特徴とする（８０）〜（８３）のいずれ
かに記載の方法。 （８５） 前記Ｔｉ層の膜厚を２００〜１０００ｎｍと
する、ことを特徴とする（８０）〜（８３）のいずれか
に記載の方法。
５０℃である、ことを特徴とする（８０）に記載の方
法。 （８４） 前記Ｔｉ層層の膜厚を１００〜１５００ｎｍ
とする、ことを特徴とする（８０）〜（８３）のいずれ
かに記載の方法。 （８５） 前記Ｔｉ層の膜厚を２００〜１０００ｎｍと
する、ことを特徴とする（８０）〜（８３）のいずれか
に記載の方法。
【００６４】（８６） 前記酸素が除去された環境は、
蒸着装置のチャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内
へ不活性ガスを充満させる工程を１回もしくは複数回行
い、その後、前記チャンバ内を真空引きすることにより
行う、ことを特徴とする（８０）〜（８５）のいずれか
に記載の方法。
蒸着装置のチャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内
へ不活性ガスを充満させる工程を１回もしくは複数回行
い、その後、前記チャンバ内を真空引きすることにより
行う、ことを特徴とする（８０）〜（８５）のいずれか
に記載の方法。
【００６５】（９０） Ｓｉ基体層を準備し、該Ｓｉ基
体層を酸洗浄し、実質的に酸素が除去された環境の下で
該基体層のＳｉ（１１１）面にＴｉを成膜することを特
徴とするＳｉ基体層上に実質的に単結晶のＴｉ層を形成
する方法。 （９１） 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファードフ
ッ酸を含む液により行われる、ことを特徴とする（９
０）に記載の方法。 （９２） 前記Ｔｉ層の成膜速度が０．５ｎｍ／ｓ以上
である、ことを特徴とする、（９０）若しくは（９１）
に記載の方法。
体層を酸洗浄し、実質的に酸素が除去された環境の下で
該基体層のＳｉ（１１１）面にＴｉを成膜することを特
徴とするＳｉ基体層上に実質的に単結晶のＴｉ層を形成
する方法。 （９１） 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファードフ
ッ酸を含む液により行われる、ことを特徴とする（９
０）に記載の方法。 （９２） 前記Ｔｉ層の成膜速度が０．５ｎｍ／ｓ以上
である、ことを特徴とする、（９０）若しくは（９１）
に記載の方法。
【００６６】（９３） 前記Ｔｉ層の成膜温度は室温〜
２５０℃である、ことを特徴とする（９０）若しくは
（９１）に記載の方法。 （９４） 前記Ｔｉ層の成膜温度はほぼ１５０℃であ
る、ことを特徴とする（９０）若しくは（９１）に記載
の方法。 （９５） 前記Ｔｉ層の膜厚を１００〜１５００ｎｍと
する、ことを特徴とする（９０）〜（９４）のいずれか
に記載の方法。
２５０℃である、ことを特徴とする（９０）若しくは
（９１）に記載の方法。 （９４） 前記Ｔｉ層の成膜温度はほぼ１５０℃であ
る、ことを特徴とする（９０）若しくは（９１）に記載
の方法。 （９５） 前記Ｔｉ層の膜厚を１００〜１５００ｎｍと
する、ことを特徴とする（９０）〜（９４）のいずれか
に記載の方法。
【００６７】（９６） 前記Ｔｉ層の膜厚を２００〜１
０００ｎｍとする、ことを特徴とする（９０）〜（９
４）のいずれかに記載の方法。 （９７） 前記酸素が除去された環境は、蒸着装置のチ
ャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内へ不活性ガス
を充満させる工程を１回もしくは複数回行い、その後、
前記チャンバ内を真空引きすることにより行う、ことを
特徴とする（９０）〜（９６）のいずれかに記載の方
法。
０００ｎｍとする、ことを特徴とする（９０）〜（９
４）のいずれかに記載の方法。 （９７） 前記酸素が除去された環境は、蒸着装置のチ
ャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内へ不活性ガス
を充満させる工程を１回もしくは複数回行い、その後、
前記チャンバ内を真空引きすることにより行う、ことを
特徴とする（９０）〜（９６）のいずれかに記載の方
法。
【００６８】（１００） Ｔｉ単結晶面上にＧａＮ系の
半導体層を形成する前に、前記Ｔｉ単結晶面を減圧下で
加熱することを特徴とするＧａＮ系の半導体層の成長方
法。 （１０１） 前記加熱温度は５００〜７５０℃である、
ことを特徴とする（１００）に記載の方法。 （１０２） 前記加熱温度は５５０〜７００℃である、
ことを特徴とする（１００）に記載の方法。 （１０３） 前記加熱温度は６００〜６５０℃である、
ことを特徴とする（１００）に記載の方法。
半導体層を形成する前に、前記Ｔｉ単結晶面を減圧下で
加熱することを特徴とするＧａＮ系の半導体層の成長方
法。 （１０１） 前記加熱温度は５００〜７５０℃である、
ことを特徴とする（１００）に記載の方法。 （１０２） 前記加熱温度は５５０〜７００℃である、
ことを特徴とする（１００）に記載の方法。 （１０３） 前記加熱温度は６００〜６５０℃である、
ことを特徴とする（１００）に記載の方法。
【図１】図１はサファイア基体層上に蒸着されたＴｉ層
の結晶性の膜厚依存性を示すグラフ図である。
の結晶性の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図２】図２はサファイア基体層上に蒸着されたＴｉ層
のφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示すチャート図であ
る。
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はサファイア基体層上に蒸着されたＴｉ層
の結晶性の蒸着速度依存性を示すグラフ図である。
の結晶性の蒸着速度依存性を示すグラフ図である。
【図４】図４はサファイア基体層上に蒸着されたＴｉ層
の結晶性の蒸着温度依存性を示すグラフ図である。
の結晶性の蒸着温度依存性を示すグラフ図である。
【図５】図５はサファイア基体層上に蒸着されたＴｉ層
を熱処理したときのＴｉ層の結晶性と当該熱処理温度と
の関係を示すグラフ図である。
を熱処理したときのＴｉ層の結晶性と当該熱処理温度と
の関係を示すグラフ図である。
【図６】サファイア基体層上に形成されたＴｉ層の上に
更にＡｌＮ製のバッファ層を形成し、その上に成長され
たＧａＮ層の結晶性を評価するための２θ−ωスキャン
の結果を示すチャート図である。
更にＡｌＮ製のバッファ層を形成し、その上に成長され
たＧａＮ層の結晶性を評価するための２θ−ωスキャン
の結果を示すチャート図である。
【図７】図７は図６と同じ試料についてφ（ＰＨＩ）ス
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
【図８】図８はサファイア基体層上に形成されたＴｉ層
の上に更にＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたＧａＮ層の結晶性を評価するための２θ−
ωスキャンの結果を示すチャート図である。
の上に更にＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたＧａＮ層の結晶性を評価するための２θ−
ωスキャンの結果を示すチャート図である。
【図９】図９は図８と同じ試料についてφ（ＰＨＩ）ス
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
【図１０】図１０はＴｉ／サファイア上に、ＡｌＧａＮ
バッファ層を介して、成長されたＧａＮの結晶性を評価
するロッキングカーブを示すチャート図である。
バッファ層を介して、成長されたＧａＮの結晶性を評価
するロッキングカーブを示すチャート図である。
【図１１】図１１はＡｌＧａＮ製のバッファ層の成長温
度とＧａＮ結晶性との関係を示すグラフ図である。
度とＧａＮ結晶性との関係を示すグラフ図である。
【図１２】図１２はＡｌＧａＮ製のバッファ層を形成す
る際のＴＭＧとＴＭＡのキャリアガス流量比とＧａＮ結
晶性との関係を示すグラフ図である。
る際のＴＭＧとＴＭＡのキャリアガス流量比とＧａＮ結
晶性との関係を示すグラフ図である。
【図１３】図１３はＴｉ／サファイアのクリーニング温
度とＧａＮの結晶性との関係を示すグラフ図である。
度とＧａＮの結晶性との関係を示すグラフ図である。
【図１４】図１４は基体層のＳｉ（１１１）面上に蒸着
したＴｉ層の（１ ０ 1- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）
スキャンの結果を示すチャート図である。
したＴｉ層の（１ ０ 1- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）
スキャンの結果を示すチャート図である。
【図１５】図１５は図１４の試料のＴｉ層の（１ １ 2-
２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
【図１６】図１６は基体層のＳｉ（１００）面上に蒸着
したＴｉ層の（１ ０ 1- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）
スキャンの結果を示すチャート図である。
したＴｉ層の（１ ０ 1- ２）面に対するφ（ＰＨＩ）
スキャンの結果を示すチャート図である。
【図１７】図１７は図１６の試料のＴｉ層の（１ １ 2-
２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
２）面に対するφ（ＰＨＩ）スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
【図１８】図１８はこの発明の第１実施例の半導体素子
の構成を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
【図１９】図１９はこの発明の第２の実施例の半導体素
子の構成を示す断面図である。
子の構成を示す断面図である。
【図２０】図２０はこの発明の第３実施例の半導体素子
の構成を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
【図２１】図２１はこの発明の第４の実施例の半導体素
子の構成を示す断面図である。
子の構成を示す断面図である。
【図２２】図２２はこの発明の第４の実施例の変形態様
を示す断面図である。
を示す断面図である。
１０、２０、３０、４０、５０ 発光素子
１、４１ 基体層
２、４２ Ｔｉ層
３、４３ バッファ層
４、５、６、４４、４５、４６ ＧａＮ系の半導体層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 伊藤 潤
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３−183173（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 31/10
H01S 5/00 - 5/50
C03B 23/00 - 25/22
H01L 21/205
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (68)
- 【請求項１】 ＧａＮ系の半導体層と、 該半導体層に対向する面が単結晶のＴｉとされた基板
と、 を備えてなるＧａＮ系の半導体素子。 - 【請求項２】 前記基板は基体層と実質的に単結晶のＴ
ｉ層とを備えてなる、ことを特徴とする請求項１に記載
の半導体素子。 - 【請求項３】 前記Ｔｉ層の膜厚は１００〜１５００ｎ
ｍである、ことを特徴とする請求項２に記載の半導体素
子。 - 【請求項４】 前記Ｔｉ層の膜厚は２００〜１０００ｎ
ｍである、ことを特徴とする請求項２に記載の半導体素
子。 - 【請求項５】 前記基体層はサファイアからなることを
特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の半導体素
子。 - 【請求項６】 前記基体層はＳｉ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、
ＩｎＰ、ＺｎＳｅ及びＺｎＯから選択される少なくとも
１つの材料からなることを特徴とする、請求項２〜４の
いずれかに記載の半導体素子。 - 【請求項７】 ＧａＮ系の半導体層と、 その表面が単結晶のＴｉとされた基板と、 前記基板と前記半導体層との間に介在されるＡｌ ａＩｎ
ｂＧａ １−ａ−ｂＮ（ａ＝０、ｂ＝０、ａ＝ｂ＝０を含
む）からなるバッファ層と、 を備えてなるＧａＮ系の半導体素子。 - 【請求項８】 前記バッファ層はＡｌａＧａ１−ａＮ
（ａ＝０．８５〜０．９５）である、ことを特徴とする
請求項７に記載の半導体素子。 - 【請求項９】 前記バッファ層はＡｌａＧａ１−ａＮ
（ａは０．９）である、ことを特徴とする請求項７に記
載の半導体素子。 - 【請求項１０】 基体層を準備する工程、 該基体層の上に単結晶のＴｉ層を形成する工程、 該Ｔｉ層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する工程、 を含んでなるＧａＮ系の半導体素子の製造方法。
- 【請求項１１】 全体が実質的にＴｉの単結晶となるよ
うに前記Ｔｉ層は前記基体層の上へ蒸着あるいはスパッ
タにより形成される、ことを特徴とする請求項１０に記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項１２】 酸素を実質的に除去したチャンバ内で
前記基体層の上へ前記Ｔｉ層が形成される、ことを特徴
とする請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項１３】 前記Ｔｉ層の成膜速度が０．５ｎｍ／
ｓ以上である、ことを特徴とする、請求項１１若しくは
１２に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項１４】 前記Ｔｉ層の成膜温度は室温〜２５０
℃である、ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれ
かに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項１５】 前記Ｔｉ層の成膜温度はほぼ１５０℃
である、ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか
に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項１６】 前記基体層はサファイア製であり、該
基体層の上に前記Ｔｉ層が蒸着される、ことを特徴とす
る請求項１０〜１５のいずれかに記載の半導体素子の製
造方法。 - 【請求項１７】 前記基体層はＳｉ製であり、該基体層
の上に前記Ｔｉ層が蒸着される、ことを特徴とする請求
項１０〜１５のいずれかに記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項１８】 前記Ｔｉ層は前記基体層のＳｉ（１１
１）面上に成膜される、ことを特徴とする請求項１７に
記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項１９】 前記Ｔｉ層を成膜する前に、前記基体
層のＳｉを酸洗浄する工程が更に含まれる、ことを特徴
とする請求項１７若しくは１８に記載の半導体素子の製
造方法。 - 【請求項２０】 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファ
ードフッ酸を含む液で行われる、ことを特徴とする請求
項１９に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項２１】 基体層を準備する工程、 該基体層の上に単結晶のＴｉ層を形成する工程、 該Ｔｉ層の上にＡｌ ａ Ｉｎ ｂ Ｇａ １−ａ−ｂ Ｎ（ａ＝
０、ｂ＝０、ａ＝ｂ＝０を含む）からなるバッファ層を
形成する工程、 該バッファ層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する工
程、 を含んでなるＧａＮ系の半導体素子の製造方法。 - 【請求項２２】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、２５０〜３
５０℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項２１に記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項２３】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、２８０〜３
３０℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項２１に記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項２４】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、ほぼ３００
℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、ことを特
徴とする請求項２１に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項２５】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、Ｇａの材料
ガス／（Ｇａの材料ガス＋Ａｌの材料ガス）＝０．５３
〜０．８７のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項２１〜２４のいずれかに記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項２６】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、Ｇａの材料
ガス／（Ｇａの材料ガス＋Ａｌの材料ガス）＝０．６３
〜０．８０のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項２１〜２４のいずれかに記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項２７】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、Ｇａの材料
ガス／（Ｇａの材料ガス＋Ａｌの材料ガス）＝ほぼ０．
７３７のモル比で、成長させる工程が更に含まれる、こ
とを特徴とする請求項２１〜２４のいずれかに記載の半
導体素子の製造方法。 - 【請求項２８】 前記バッファ層を形成する前に、前記
Ｔｉ層を真空中でクリーニングする工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項２１〜２７のいずれかに記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項２９】 前記クリーニングは実質的な真空中で
前記Ｔｉ層を５００〜７５０℃に加熱することにより行
われる、ことを特徴とする請求項２８に記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項３０】 前記クリーニングは実質的な真空中で
前記Ｔｉ層を５５０〜７００℃に加熱することにより行
われる、ことを特徴とする請求項２８に記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項３１】 前記クリーニングは実質的な真空中で
前記Ｔｉ層を６００〜６５０℃に加熱することにより行
われる、ことを特徴とする請求項２８に記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項３２】少なくとも一つの前記ＧａＮ系の半導体
層が形成されるまでの間、前記Ｔｉ層は７５０℃以下に
保たれる、ことを特徴とする請求項１０〜３１のいずれ
かに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項３３】少なくとも一つの前記ＧａＮ系の半導体
層が形成されるまでの間、前記Ｔｉ層は６００℃以下に
保たれる、ことを特徴とする請求項１０〜３１のいずれ
かに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項３４】 前記半導体素子は発光素子あるいは受
光素子である、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれ
かに記載の半導体素子。 - 【請求項３５】 前記半導体素子は発光素子あるいは受
光素子である、ことを特徴とする請求項１０〜３３のい
ずれかに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項３６】 ＧａＮ系の半導体層と、 該半導体層に対向する面が単結晶のＴｉとされた基板
と、 を備えてなる積層体。 - 【請求項３７】 前記基板は基体層と実質的に単結晶の
Ｔｉ層とを備えてなる、ことを特徴とする請求項３６に
記載の積層体。 - 【請求項３８】 前記Ｔｉ層の膜厚は１００〜１５００
ｎｍである、ことを特徴とする請求項３７に記載の積層
体。 - 【請求項３９】 前記Ｔｉ層の膜厚は２００〜１０００
ｎｍである、ことを特徴とする請求項３７に記載の積層
体。 - 【請求項４０】 前記基体層はサファイアからなること
を特徴とする、請求項３７〜３９のいずれかに記載の積
層体。 - 【請求項４１】 前記基体層はＳｉ、ＧａＰ、ＧａＡ
ｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ及びＺｎＯから選択される少なく
とも１つの材料からなることを特徴とする、請求項３７
〜３９のいずれかに記載の積層体。 - 【請求項４２】 ＧａＮ系の半導体層と、 Ａｌ ａ Ｉｎ ｂ Ｇａ １−ａ−ｂ Ｎ（ａ＝０、ｂ＝０、ａ＝
ｂ＝０を含む）からなるバッファ層と、 その表面が単結晶のＴｉとされた基板と、 を備えてなる積層体。 - 【請求項４３】 前記バッファ層はＡｌａＧａ１−ａＮ
（ａ＝０．８５〜０．９５）である、ことを特徴とする
請求項４２に記載の積層体。 - 【請求項４４】 前記バッファ層はＡｌａＧａ１−ａＮ
（ａは０．９）である、ことを特徴とする請求項４２に
記載の積層体。 - 【請求項４５】 基体層を準備する工程、 該基体層の上に単結晶のＴｉ層を形成する工程、 該Ｔｉ層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する工程、 を含んでなる積層体の製造方法。
- 【請求項４６】 全体が実質的にＴｉの単結晶となるよ
うに前記Ｔｉ層は前記基体層の上へ蒸着あるいはスパッ
タにより形成される、ことを特徴とする請求項４５に記
載の積層体の製造方法。 - 【請求項４７】 酸素を実質的に除去したチャンバ内で
前記基体層の上へ前記Ｔｉ層が形成される、ことを特徴
とする請求項４６に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項４８】 前記Ｔｉ層の成膜速度が０．５ｎｍ／
ｓ以上である、ことを特徴とする、請求項４６若しくは
４７に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項４９】 前記Ｔｉ層の成膜温度は室温〜２５０
℃である、ことを特徴とする請求項４６〜４８のいずれ
かに記載の積層体の製造方法。 - 【請求項５０】 前記Ｔｉ層の成膜温度はほぼ１５０℃
である、ことを特徴とする請求項４６〜４８のいずれか
に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項５１】 前記基体層はサファイア製であり、該
基体層の上に前記Ｔｉ層が蒸着される、ことを特徴とす
る請求項４５〜５０のいずれかに記載の積層体の製造方
法。 - 【請求項５２】 前記基体層はＳｉ製であり、該基体層
の上に前記Ｔｉ層が蒸着される、ことを特徴とする請求
項４５〜５０のいずれかに記載の積層体の製造方法。 - 【請求項５３】 前記Ｔｉ層は前記基体層のＳｉ（１１
１）面上に成膜される、ことを特徴とする請求項５２に
記載の積層体の製造方法。 - 【請求項５４】 前記Ｔｉ層を成膜する前に、前記基体
層のＳｉを酸洗浄する工程が更に含まれる、ことを特徴
とする請求項５２若しくは５３に記載の積層体の製造方
法。 - 【請求項５５】 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファ
ードフッ酸を含む液で行われる、ことを特徴とする請求
項５４に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項５６】 基体層を準備する工程、 該基体層の上に単結晶のＴｉ層を形成する工程、 該Ｔｉ層の上にＡｌ ａ Ｉｎ ｂ Ｇａ １−ａ−ｂ Ｎ（ａ＝
０、ｂ＝０、ａ＝ｂ＝０を含む）からなるバッファ層を
形成する工程、 該バッファ層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する工
程、 を含んでなる積層体の製造方法。 - 【請求項５７】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、２５０〜３
５０℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項５６に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項５８】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、２８０〜３
３０℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項５６に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項５９】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、ほぼ３００
℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、ことを特
徴とする請求項５６に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項６０】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、Ｇａの材料
ガス／（Ｇａの材料ガス＋Ａｌの材料ガス）＝０．５３
〜０．８７のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項５６〜５９のいずれかに記
載の積層体の製造方法。 - 【請求項６１】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、Ｇａの材料
ガス／（Ｇａの材料ガス＋Ａｌの材料ガス）＝０．６３
〜０．８０のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項５６〜５９のいずれかに記
載の積層体の製造方法。 - 【請求項６２】 前記Ｔｉ層と前記ＧａＮ系の半導体層
との間にＡｌＧａＮからなるバッファ層を、Ｇａの材料
ガス／（Ｇａの材料ガス＋Ａｌの材料ガス）＝ほぼ０．
７３７のモル比で、成長させる工程が更に含まれる、こ
とを特徴とする請求項５６〜５９のいずれかに記載の積
層体の製造方法。 - 【請求項６３】 前記バッファ層を形成する前に、前記
Ｔｉ層を真空中でクリーニングする工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項５６〜６２のいずれかに記
載の積層体の製造方法。 - 【請求項６４】 前記クリーニングは実質的な真空中で
前記Ｔｉ層を５００〜７５０℃に加熱することにより行
われる、ことを特徴とする請求項６３に記載の積層体の
製造方法。 - 【請求項６５】 前記クリーニングは実質的な真空中で
前記Ｔｉ層を５５０〜７００℃に加熱することにより行
われる、ことを特徴とする請求項６３に記載の積層体の
製造方法。 - 【請求項６６】 前記クリーニングは実質的な真空中で
前記Ｔｉ層を６００〜６５０℃に加熱することにより行
われる、ことを特徴とする請求項６３に記載の積層体の
製造方法。 - 【請求項６７】 少なくとも一つの前記ＧａＮ系の半導
体層が形成されるまでの間、前記Ｔｉ層は７５０℃以下
に保たれる、ことを特徴とする請求項４５〜６６のいず
れかに記載の積層体の製造方法。 - 【請求項６８】 少なくとも一つの前記ＧａＮ系の半導
体層が形成されるまでの間、前記Ｔｉ層は６００℃以下
に保たれる、ことを特徴とする請求項４５〜６６のいず
れかに記載の積層体の製造方法。
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| JP09293463 | 1997-10-10 | ||
| JP10543298A JP3517867B2 (ja) | 1997-10-10 | 1998-03-31 | ＧａＮ系の半導体素子 |
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