JP3692867B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードなどに用いられるIII族窒化物系化合物半導体素子の汎用的なな素子構造は、サファイア基板の上にＡｌＮやＧａＮからなる薄いバッファ層を低温で形成し、その上に素子機能を構成するＧａＮ層等のIII族窒化物系化合物半導体層を積層したものである。この種の素子においてバッファ層はアモルファス状若しくは多結晶と考えられる。このバッファ層は素子機能層を形成するときの高い成長温度（ほぼ１０００℃）において方位の揃った種結晶となるとともに、素子機能層とサファイア基板との熱膨張率の相違に基づく熱歪みを緩和すると考えられる。
【０００３】
このようなアモルファス状若しくは多結晶状のバッファ層に対して、特開平９−６４４７７には、サファイア基板上に単結晶のＡｌＮバッファ層を形成することが提案されている。
当該公報によれば、バッファ層を１３００℃以上の高温で成長させ、膜厚を２０〜３００ｎｍとしそのＸ線ロッキングカーブにおいて半値幅を９０秒以下とする等の条件を満足することにより、サファイア上に結晶性の良い単結晶のＡｌＮ層を成長させることができるとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来公報の方法に従えば確かにサファイア基板の上にＡｌＮを単結晶でかつ結晶性良く成長させることができる。そして、バッファ層の結晶性が好ましいものであればその上へIII族窒化物系化合物半導体からなる素子機能層を結晶性良く成長させることが可能となる。
しかしながら、本発明者らの検討によれば、上記従来公報により形成されたバッファ層の結晶性は、素子を作成するのに満足のいくようなものではない。
【０００５】
この発明は、かかる課題を解決してIII族窒化物系化合物半導体からなる素子機能層のバッファ層として優れたＡｌＮ単結晶層を提供することを一つの目的とする。
この発明の他の目的は、結晶性に優れた単結晶ＡｌＮ層を基板上に直接形成することにある。かかる単結晶ＡｌＮ層は、高い電気絶縁性と熱伝導特性を有しているとともに、圧電特性を生かした音響デバイスである高周波変換素子など、各種の半導体、機能性デバイスを構成することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記目的の少なくとも一つを達成すべく為されたものであり、その構成は次の通りである。
基板と、該基板上に形成された膜厚が０．５〜３μｍでその表面が実質的に平坦なＡｌＮ単結晶層とを備えてなり、該ＡｌＮ単結晶層のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５０秒以下である、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
【０００７】
このように構成されたIII族窒化物系化合物半導体素子によれば、基板の上に形成されるＡｌＮ単結晶層の結晶性が極めて良好になる。従って、かかるＡｌＮ単結晶層自体内へ素子機能を造り込むことができる。また、その上にIII族窒化物系化合物半導体からなる素子機能層を形成した場合にも、当該素子機能層の結晶性は汎用的な低温成長バッファ層の上に形成されたものと同等若しくはそれ以上となる。
【０００８】
上記において、基板はその上にＡｌＮ単結晶を成長させることができるものであれば特に限定されない。例えば、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶などを基板の材料として挙げることができる。
本発明者らの検討によれば、基板としてサファイアを採用し、特にそのａ面を用いることが好ましい。
【０００９】
ＡｌＮ単結晶層の膜厚は０．５〜３μｍとする。膜厚が０．５μｍ未満であると、素子機能を形成するのに不充分である。他方、３μｍを超えて膜厚を厚くする必要はない。
一般的に、半導体デバイスをつくるのに複層で３μｍを超えることはあっても単層で３μｍを超えることはないからである。このように特開平９−６４４７７号公報と比べて膜厚が厚い理由はＡｌＮが本来持っている結晶性がでてくるからである。薄い膜だと基板の影響を受けてしまい結晶が歪みを受ける。しかし厚くすると結晶そのものの性質を利用できることとなる。
【００１０】
ＡｌＮ単結晶の結晶性の指標となるＸ線ロッキングカーブの半値幅は５０秒以下とする。５０秒以下の半値幅でないと、半導体デバイスとして充分な結晶性が確保できていない。また、ＡｌＮ単結晶の上にIII族窒化物系化合物半導体層を成長させる場合、ＡｌＮ単結晶層の表面を実質的に平坦にしてIII族窒化物系化合物半導体層の安定した結晶成長を確保する見地からも、ＡｌＮ単結晶層の半値幅は５０秒以下とすることが好ましい。
【００１１】
ＡｌＮ単結晶層の上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体は、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０≦ｘ≦１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすこともできる。
III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
III族窒化物系化合物半導体層により構成される素子には、発光ダイオード、受光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトランジスタ等のバイポーラ素子、ＦＥＴ等のユニポーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスを挙げられる。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。なお、発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。
ＡｌＮ単結晶層中にも上記各素子を造り込むことができる。
【００１２】
次に、ＡｌＮ単結晶層の形成方法について説明する。このＡｌＮ単結晶層も上で説明したIII族窒化物系化合物半導体層と同様の方法により形成することができる。
以下、ＭＯＣＶＤ法を中心に説明する。
有機洗浄及び熱処理により洗浄したサファイア基板のａ面を主面として、サファイア基板を汎用のＭＯＣＶＤ装置にセットする。基板温度を１０００〜１２００℃、好ましくは１０５０〜１１５０℃として、アルミニウムの材料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）７×１０^−５〜４×１０^−４μｍｏｌ／ｃｍ^３と窒素の材料ガスとしてのアンモニア０．０２〜０．０８μｍｏｌ／ｃｍ^３をほぼ同時に反応容器内へ導入する。この温度を、次にIII族窒化物系化合物半導体からなる素子機能層を形成するときには、その基板温度と同じとすることが温度制御容易性の観点から好ましい。キャリアガスとしては水素を用いる。反応容器内の圧力は、例えば４．０×１０^３〜１．３×１０^４Ｐａ（３０〜１００Ｔｏｒｒ）、好ましくは６．７×１０^３〜１．２×１０^４Ｐａ（５０〜９０Ｔｏｒｒ）とし、キャリアガスの流速は、例えば２〜４ｍ／ｓｅｃ、好ましくは２．５〜３．５ｍ／ｓｅｃとする。各材料ガスの濃度は上記のガス流量において基板表面での衝突確率が最も高くなるように調整する。例えば、ＴＭＡを１×１０^−４μｍｏｌ／ｃｍ^３、アンモニアを０．０５μｍｏｌ／ｃｍ^３とする。なお、アンモニアの濃度は、成長初期の基板の窒化を避けるため、小さくすることが好ましい。
【００１３】
図１は上記の方法でサファイア基板のａ面上に膜厚が０．５μｍのＡｌＮ単結晶層を形成したときの成長レート（成長速度：０．１ｎｍ（Å）／ｍｉｎ）と結晶性（ロッキングカーブの半値幅：ｓｅｃ）との関係を示す。半値幅を５０秒以下とするという指標に沿って図１をみれば、成長レートは２０ｎｍ（２００Å）／ｍｉｎ以上とすることが好ましい。成長レートの上限は特に限定されないが、例えば成長レートは６０ｎｍ（６００Å）／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。成長レートが６０ｎｍ（６００Å）／ｍｉｎを超えると膜が平坦にするのが困難になる。
更に好ましくは３０〜５０ｎｍ（３００〜５００Å）／ｍｉｎである。
【００１４】
図１において、最も小さい半値幅を示した５０ｎｍ（５００Å）／ｍｉｎのロッキングカーブを図２に示す。
また、そのときのＡｌＮ単結晶層の表面電子顕微鏡写真を図３に示す。図３に示すように、ＡｌＮ単結晶層の表面は実質的に平坦である。
他方、成長レートを１０ｎｍ（１００Å）／ｍｉｎとしたときのＡｌＮ単結晶層の表面電子顕微鏡写真を図４に示す。図４に示すように、半値幅が９０秒程度（従来例の値）では表面が平坦にならない。かかる表面構造では素子機能をここに造り込む場合においても、ドープを目的通りに行えないおそれがある。また、ＡｌＮ単結晶層の上にIII族窒化物系化合物半導体層からなる他の素子機能層を成長させる場合においても、当該素子機能層を結晶性よく成長させることが困難になる。
【００１５】
【実施例】
次に、この発明の実施例を説明する。
実施例は発光ダイオード１０であり、その構成を図５に示す。
【００１６】

【００１７】
ｎ型クラッド層１６は発光層１７側の低電子濃度ｎ-層と下地層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ない。発光素子の構成としてはシングルへテロ型、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型クラッド層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III族窒化物系化合物半導体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型クラッド層１８に拡散するのを防止するためである。
ｐ型クラッド層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。
【００１８】
上記構成の発光ダイオードにおいて、ＡｌＮ単結晶層１５の成長レートは５０ｎｍ（５００Å）／ｍｉｎであり、基板温度その他の成長条件は既述の範囲内である。
ｎ型クラッド層１６より上のIII族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でＭＯＣＶＤを実行して形成する。
【００１９】
次に、マスクを形成してｐ型クラッド層１８、活性層１７及びｎ型クラッド層１６の一部を反応性イオンエッチングにより除去し、ｎ電極パッド２１を形成すべきｎ型クラッド層１６を表出させる。
【００２０】
半導体表面上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、ｐ型クラッド層１８の上の電極形成部分のフォトレジストを除去して、その部分のｐ型クラッド層１８を露出させる。蒸着装置にて、露出させたｐ型クラッド層１８の上に、Ａｕ−Ｃｏ透光性電極層１９を形成する。
次に、同様にしてｐ電極パッド２０、ｎ電極パッド２１を蒸着する。
【００２１】
以上、明細書では発光素子を例に採り説明してきたが、この発明は各種半導体素子に適用されることはもとより、その中間体である積層体にも適用されるものである。
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【００２２】
以下、次の事項を開示する。
（１１） 基板と、該基板上に形成された膜厚が０．５〜３μｍでその表面が実質的に平坦なＡｌＮ単結晶層とを備えてなり、該ＡｌＮ単結晶層のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５０秒以下である、ことを特徴とする積層体。
（１２） 前記ＡｌＮ単結晶層はＭＯＣＶＤ法により形成されたものである、ことを特徴とする（１１）に記載の積層体。
（１３） 前記基板として１０００〜１２００℃に加熱されたサファイアａ面が用いられる、ことを特徴とする（１２）に記載の積層体。
（１４） 前記ＡｌＮ単結晶層の成長時の圧力が４．０×１０^３〜１．３×１０^４Ｐａ、キャリアガス流速が２〜４ｍ／ｓｅｃ、アルミニウムの材料ガス濃度が７×１０^−５〜４×１０^−４μｍｏｌ／ｃｍ^３、窒素の原料ガス濃度が０．０２〜０．０８μｍｏｌ／ｃｍ^３である、ことを特徴とする（１２）又は（１３）に記載の積層体。
（１５） 前記ＡｌＮ単結晶層の成長速度が２０〜６０ｎｍ／ｍｉｎである、ことを特徴とする（１２）〜（１４）のいずれかに記載の積層体。
（１６） 前記ＡｌＮ単結晶層の上に素子機能を構成可能なIII族窒化物系化合物半導体層が形成されている、ことを特徴とする（１１）〜（１５）のいずれかに記載の積層体。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はＡｌＮ単結晶層の成長レートとその結晶性との関係を示すグラフである。
【図２】図２は図１における成長レート５０ｎｍ（５００Å）／ｍｉｎにおけるＸ線ロッキングカーブを示す。
【図３】図３は同じく成長レート５０ｎｍ（５００Å）／ｍｉｎにおけるＡｌＮ単結晶層の表面電子顕微鏡写真である。
【図４】 図４は同じく成長レート５０ｎｍ（１００Å）／ｍｉｎにおけるＡｌＮ単結晶層の表面電子顕微鏡写真である。
【図５】図５はこの発明の実施例の発光ダイオードを示す。
【符号の説明】
１０ 発光ダイオード
１５ ＡｌＮ単結晶層
１６ ｎ型クラッド層
１７ 発光層
１８ ｐ型クラッド層

Claims (6)

1. 基板と、該基板上にＭＯＣＶＤ法により形成された膜厚が０．５〜３μｍでその表面が実質的に平坦なＡｌＮ単結晶層とを備えてなり、該ＡｌＮ単結晶層のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５０秒以下である III 族窒化物系化合物半導体素子において、
   前記ＡｌＮ単結晶層の成長時の圧力が４．０×１０ ^３ 〜１．３×１０ ^４ Ｐａ、キャリアガス流速が２〜４ｍ／ｓｅｃ、アルミニウムの材料ガス濃度が７×１０ ^−５ 〜４×１０ ^−４ μｍｏｌ／ｃｍ ^３ 、窒素の材料ガス濃度が０．０２〜０．０８μｍｏｌ／ｃｍ ^３ である、ことを特徴とする III 族窒化物系化合物半導体素子。
2. 前記基板として１０００〜１２００℃に加熱されたサファイアａ面が用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の素子。
3. 基板上に、下記条件でＭＯＣＶＤ法を実行してＡｌＮ単結晶層を成長させる、
   反応容器内の圧力が４．０×１０^３〜１．３×１０^４Ｐａ、キャリアガス流速が２〜４ｍ／ｓｅｃ、アルミニウムの材料ガス濃度が７×１０^−５〜４×１０^−４μｍｏｌ／ｃｍ^３、窒素の材料ガス濃度が０．０２〜０．０８μｍｏｌ／ｃｍ^３である、
   ことを特徴とするＡｌＮ単結晶層の成長方法。
4. 請求項３に記載のＡｌＮ単結晶層を成長させるステップを含むことを特徴とするサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層する、積層体の製造方法。
5. 請求項３に記載のＡｌＮ単結晶層を成長させるステップを含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
6. 前記基板として１０００〜１２００℃に加熱されたサファイアａ面を用いる、ことを特徴とする請求項３に記載の成長方法。

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