JP3747125B2 - エピタキシャルウェハおよび化合物半導体デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、結晶基板上に緩衝層を介して積層されたIII 族窒化物半導体層を備えたエピタキシャルウエハおよび化合物半導体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_XＧａ_YＮ：０≦Ｘ、Ｙ≦１）や窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ、Ｚ≦１）等の一般式Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_W Ｍ_1-W（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０＜Ｗ≦１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）で表記されるIII 族窒化物半導体は、青色などの短波長可視光を出力する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザダイオード（英略称：ＬＤ）、或いはフォトダイオード（英略称：ＰＤ）などのIII 族窒化物半導体発光デバイスを構成する半導体材料として利用されている（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．、Ｖｏｌ．４４９（１９９７）、５０９〜５１８頁参照）。また、ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合電界効果型トランジスタ（英略称：ＭＥＳＦＥＴ）などの電子デバイスを構成するのに利用されている（Ｐｒｏｃ．ＯＦ ＴＨＥ ＴＯＰＩＣＡＬ ＷＯＲＫＳＨＯＰ ＯＮ III −Ｖ ＮＩＴＲＩＤＥＳ（２１〜２３．Ｓｅｐｔ．１９９５）（ＰＥＲＧＡＭＯＮ ＰＲＥＳＳ）、９７〜１００頁参照）。
【０００３】
これらの化合物半導体デバイスは、従来から、もっぱら六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）系に属するサファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）を基板とする積層構造体からなるエピタキシャルウエハ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｗａｆｅｒ）を利用し作製されている。この六方晶基板上に成膜された成長層は、基板の六方晶の格子配列を受け継いで六方晶を優勢として構成される。従って、サファイアを基板とする従来のエピタキシャルウエハは六方晶を主体とする積層体構成層から構成されているのものである。
【０００４】
サファイアを基板とするエピタキシャルウエハを構成する際の一つの問題点は、サファイアとIII 族窒化物半導体積層構成層とのミスマッチが多大であることである。例えば、青色ＬＥＤ用途の積層体にあって、下部クラッド（ｃｌａｄ）層の構成材料として多用される窒化ガリウム（化学式：ＧａＮ）とサファイアとのミスマッチ度は、配向性を勘案しても１３．８％の大きさに達する（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．３＆４（１９８８）、７４〜８２頁参照）。このため、従来技術に於いては、サファイア基板／積層体構成層間の大きなミスマッチを緩和するために、サファイア基板表面上に緩衝層を配置するのが一般的となっている（特開平２−２２９４７６号公報明細書参照）。
【０００５】
緩衝層は通常、Ａｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ、Ｙ≦１）混晶から構成される（特開平２−２２９４７６号及び特開平４−２９７０２３号公報明細書参照）。緩衝層は実用上、約４００℃〜約６００℃と比較的に低温で成膜されるため、低温緩衝層と呼称されている。従来に於いて、緩衝層として備えるべき重要な要件は、六方晶ウルツァイト（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）型の、微結晶が混在したアモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）結晶層であるとされている（特開平２−２２９４７６号公報明細書参照）。すなわち、従来の積層体は、六方晶の結晶基板表面上に六方晶系のIII 族窒化物半導体からなる緩衝層を内包するものとなっているのが通例である。
【０００６】
ところで、上記した如く、光デバイスにしても、電子デバイスにしても、デバイス用途の従来のエピタキシャルウエハは、六方晶を主体とする各構成層から成る積層体であるが、従来のデバイス用積層体の各構成層が六方晶であることについては、特異な問題が存在する。
【０００７】
それは、六方晶の窒化ガリウム系半導体が元来、ピエゾ（ｐｉｅｚｏ）効果（圧電効果）を呈することである。圧電効果を積極的に利用する圧電効果素子の様なデバイスもある（深海 登世司監修、「半導体工学」（１９９３年３月２０日第１版第７刷、東京電機大学出版局発行）、２４３〜２４７頁参照）。しかし、電子の高速応答性が必要とされるＭＯＤＦＥＴや大容量の電力（パワー）デバイスでは、圧電効果による電荷分離は電子の正常な走行を決定的に阻害するものである。圧電効果は、同一のIII 族窒化物半導体であっても、その結晶系によって、例えば六方晶型と立方晶型とでは異なるものであり、立方晶型のIII 族窒化物半導体では、圧電効果が発生し難いと察せられている（平成８年度先導研究報告書 ＮＥＤＯ−ＰＲ−９６０５、「ハードエレクトロニクス」（平成９年３月（財）新機能素子研究開発協会発行）、７５頁参照）。これは、高速応答性を発揮するデバイスを獲得するに優位な潜在的要因である。
【０００８】
また、立方晶では、価電子帯側のバンドの縮帯が解放されていないため（生駒俊明、生駒英明共著、「化合物半導体の基礎物性入門」（１９９１年９月１０日初版、（株）培風館発行、１７頁参照）、伝導性の制御が六方晶に比較すれば容易であるとされる（特開平２−２７５６８２号公報明細書参照）。この立方晶のIII 族窒化物半導体が有する伝導性制御の容易性は、ｐｎ接合を内包するＬＥＤ、ＬＤ、或いは略称ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジシスタ）等のパワー電子デバイス系ダイオードの各積層体を安定して構築する上で、重要な優れた特質である。
【０００９】
このため、最近では立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層をもってデバイス用途の積層体を構築する試みがなされている。デバイス用積層体を立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層から構成することを意図した従来技術を概略纏めると、基板結晶に単結晶の珪素（Ｓｉ）を利用する技術手段と、単結晶の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）を用いる技術手段とに大別される。これは、六方晶の結晶上に六方晶の結晶が優勢的に育成される様に、立方晶の結晶を優勢的に成長させるには立方晶系に属するダイヤモンド構造型のＳｉ及び閃亜鉛鉱構造（ｚｉｎｃ ｂｌｅｎｄ）型のＧａＡｓ結晶が元来、有利であることに依るものである。
【００１０】
立方晶のＳｉ単結晶を基板として積層体を構成する場合にあっても、緩衝層を介して積層体構成層を堆積する操作が行われる。
【００１１】
Ｓｉ単結晶基板上の緩衝層として従来から利用されている炭化珪素は、六方晶型の６Ｈ−ＳｉＣと立方晶型の３Ｃ−ＳｉＣが主である（「ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会第５回講演会予稿集」（応用物理学会主催、１９９６年１０月３１日〜１１月１日）、２０頁参照）。そして、６Ｈ−ＳｉＣ上には、六方晶のIII 族窒化物半導体層が優勢的に成長するため、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層を形成するのには適していない。
【００１２】
一方、立方晶の３Ｃ−ＳｉＣから緩衝層を構成すれば、立方晶のIII 族窒化物半導体層が重層できると期待されるが、その緩衝層上には実際は六方晶と立方晶の結晶相とが混在する結晶層が形成される（１９９７年（平成９年）秋季第５８回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎｏ．１（（社）応用物理学会、１９９７年１０月２日発行）、講演番号３ｐ−Ｑ−１９、３１７頁））。III 族窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）を例にすれば、六方晶のＧａＮの室温での禁止帯幅は３．３９エレクトロンボルト（ｅＶ）であり、立方晶のそれは３．２９ｅＶである。また、ａ軸の格子定数も六方晶では、３．１８Åであるのに対し、立方晶のそれは４．５１Åと大きく相違する。すなわち、同一成長層内に異なる結晶系が混在することは、その層が禁止帯幅及び格子定数を異にする半導体材料からなる混合体であることを意味する。これにより、この様な結晶系が混在する層を発光層とする発光デバイスでは、発光波長の不均一性などの不具合が帰結される。発光デバイスのみならず、他のデバイスにおいても、六方晶／立方晶界面での格子定数の相違に因る不用意な格子歪みの発生などは、均質な半導体機能層を形成するのに障害となるのは自明である。
【００１３】
このように、緩衝層に立方晶の３Ｃ−ＳｉＣを用いると、その上層の積層体は六方晶と立方晶とが混在した不均質なものとなり、したがって、結晶形が統一された成長層を得る上では立方晶の３Ｃ−ＳｉＣも必ずしも緩衝層に適しているとはいえない。
【００１４】
Ｓｉ基板上の緩衝層材料として、リン（燐）化硼素（化学式：ＢＰ）を利用する従来例もある（特開平２−２７５６８２号、特開平２−２８８３７１号及び特開平２−２８８３８８号公報明細書参照）。Ｓｉ結晶上に良質のＢＰ単結晶膜を成膜できることは既に知られている（渋沢直哉、寺嶋一高、第２８回結晶成長学会国内会議 講演番号２８ａＢ１１（日本結晶成長学会誌、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．２（１９９７）、１５０頁参照））。ＢＰ層を利用する利点は、立方晶たるＢＰの格子定数（４．５３８Å）（赤崎勇編著、「III −Ｖ族化合物半導体」（１９９４年５月２０日初版、（株）培風館発行）、１４８頁の表７．１参照）と立方晶の窒化ガリウム（格子定数＝４．５１０Å）とのミスマッチ度が僅か０．６％であることにある。立方晶窒化ガリウムに対するこの格子不整合度の矮小さが故に、最近ではＢＰはレーザ光の発振モードを統一せんがための活性（発光）層を囲繞するサイドブロック（ｓｉｄｅ ｂｌｏｃｋ）層を構成する材料としても利用されるに至っている（特開平９−２３２６８５号公報明細書参照）。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＢＰと、立方晶のＧａＮとは、格子整合性が良好であるとはいえ、完全な格子整合関係とはならず、僅かながらも格子不整合性が残存している。そして、この程度の格子不整合性を残存させたままで積層させていくと、この格子不整合性を原因として発生するミスフィット転位は、積層体構成層内の結晶欠陥密度をより拡大させるものとなり、結果的に各種のデバイス特性を阻害させてしまう。このため、緩衝層との間での格子整合性をほぼ完全なものとすることが極めて重要であることが分かってきた。
【００１６】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、その上面に積層させる立方晶のIII 族窒化物半導体層との整合性をほぼ完全なものとすることができる緩衝層を有するエピタキシャルウェハおよび化合物半導体デバイスを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に積層して成るエピタキシャルウェハにおいて、立方晶の結晶基板と、上記結晶基板上に形成した、一般構造式がＢ_pＧａ_qＡｓ（０＜ｐ≦１、ｐ＋ｑ＝１）で表される緩衝層と、上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ_wＭ_1-w 層（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｗ≦１で記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）で表されるIII 族窒化物半導体層と、を備えたことを特徴としている。
【００１８】
また、請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記緩衝層には、上記結晶基板と上記 III 族窒化物半導体層との双方に格子整合するように、硼素の組成に勾配を付してある、ことを特徴としている。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明は、上記した請求項１または２に記載の発明の構成に加えて、上記緩衝層は、結晶基板上の少なくとも単原子層の厚さの領域では単結晶を主体とし、その領域の上層では非晶質若しくは多結晶を主体としていることを特徴としている。
【００２０】
さらに、請求項４に記載の発明は、上記した請求項１または３に記載の発明の構成に加えて、上記緩衝層は、緩衝層を構成する硼素の組成比を異にする層を重層させて成る、ことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明は、化合物半導体デバイスであって、請求項１に記載のエピタキシャルウェハを用いて構成した、ことを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１はこの発明のエピタキシャルウェハの構成を概略的に示す図である。図において、この発明のエピタキシャルウェハ１０は、立方晶の結晶基板１と、この結晶基板１上に形成した、一般構造式がＢ_pＧａ_qＡｓ（０＜ｐ≦１、ｐ＋ｑ＝１）で表される緩衝層２と、緩衝層２上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ_wＭ_1-w 層（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｗ≦１で記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）で表されるIII 族窒化物半導体層３と、を備えて成る積層体である。
【００２３】
先ず、結晶基板１について説明する。結晶基板１は、上記したように、結晶系を立方晶とする基板である。これは、下地層から立方晶の材料を利用することにより、基板１上に重層する半導体層３の結晶系を立方晶優勢とするためである。この結晶基板１の立方晶半導体の結晶構造の代表的な例には、面心立方格子を有するダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎｄ）型構造や閃亜鉛鉱（ｚｉｎｃ ｂｌｅｎｄ）型構造がある。珪素（Ｓｉ）はダイヤモンド型の半導体結晶である。リン化ガリウム（化学式：ＧａＰ）、砒化ガリウム（化学式：ＧａＡｓ）、リン化インジウム（化学式：ＩｎＰ）や砒化インジウム（化学式：ＩｎＡｓ）等のIII −Ｖ族化合物半導体は閃亜鉛鉱型の半導体結晶である。
【００２４】
結晶基板１として用いることのできる立方晶結晶には、他に酸化マグネシウム（化学式：ＭｇＯ）、酸化マンガン（化学式：ＭｎＯ）、酸化ニッケル（化学式：ＮｉＯ）や酸化コバルト（化学式：ＣｏＯ）等の岩塩構造型の酸化物がある。ペロブスカイト型のニオブ酸リチウム（化学式：ＬｉＮｂＯ₃）やタンタル酸リチウム（化学式：ＬｉＴａＯ₃ ）などの酸化物結晶も用いることのできる立方晶である。さらに、ＬｉＧａＯ₂ やＬｉＡｌＯ₂などの酸化物結晶も立方晶結晶であり、基板１として利用できる。
【００２５】
リン化硼素（化学式：ＢＰ）や砒化硼素（化学式：ＢＡｓ）も立方晶の基板１として考慮され得る。立方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶からなるバルク基板は、立方晶の窒化ガリウム成長層に理論上、完全に格子整合するものとして最も望ましく利用できる。ニッケル（元素記号：Ｎｉ）等の等軸立方格子の金属結晶も基板１として利用できる。
【００２６】
上記の酸化物結晶は劈開性がないか明瞭な劈開性を呈しないため（「ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会第５回講演会（１９９６年１０月３１日〜１１月１日）予稿集、講演番号IV−３、２０〜２１頁参照）、レーザーダイオードの共振面を作製するのが困難となる場合がある。基板表面の研磨技術、清浄化技術や大口径単結晶の製造技術等の実用上の技術水準の観点から総合的に判断すれば、ダイヤモンド型構造を有する珪素（Ｓｉ）や閃亜鉛鉱型の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）等の半導体結晶が実用上、本発明に係わる立方晶の基板１として実用的に利用できるものである。
【００２７】
デバイスを駆動するための駆動回路や信号の入出力を制御するための回路等を描画したＳｉやＧａＡｓ結晶も基板１として利用できる。この様な描画回路を有する立方晶の半導体結晶基板１を利用すれば、同一基板上に複合化されたデバイスを形成することができる。
【００２８】
珪素（Ｓｉ）から成る基板１上に成膜した立方晶の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）膜を重層させて成る重層構造体も基板として利用できる。Ｓｉ基板１上に立方晶のＧａＮ膜を重層させて成る重層構造体も利用できる。要は、重層構造体であっても、積層が行われる被堆積表面が立方晶系の結晶面で優勢的に占有されているのであれば基板１として利用できる。
【００２９】
基板１の材料の導電形や導電率（抵抗率）は特に限定しない。例えば、硼素（元素記号：Ｂ）を添加（ドーピング）したｐ形珪素単結晶や、砒素をドーピングしたｎ形珪素単結晶を基板１として利用できる。
【００３０】
ＭＯＤＦＥＴ等の導電性活性層と基板結晶とを電気的に絶縁する必要性が求められる電子デバイスにあっては、比抵抗（抵抗率）を数Ω・ｃｍ程度或いはそれ以上とする高抵抗のアンドープ珪素単結晶基板や約１０⁵Ω・ｃｍを越える半絶縁性の砒化ガリウム単結晶も基板１として利用可能である。
【００３１】
基板１とする結晶表面の面方位についても特別な限定はない。例えば、［０１１］方向への傾斜角度を±１０度以内とする｛００１｝面を有する硼素、砒素或いは燐を添加した導電性の単結晶珪素が基板１として利用できる。亜鉛ドープのｐ形、或いは珪素ドープのｎ形砒化ガリウム単結晶または硫黄（元素記号：Ｓ）ドープのｎ形リン化ガリウム単結晶も基板１として好適である。
【００３２】
次に、緩衝層２について説明する。緩衝層２は、上記したように、第Ｖ族構成元素である砒素（Ａｓ）を含む砒化硼素・ガリウム３元混晶（Ｂ_pＧａ_qＡｓ：０＜ｐ≦１、ｐ＋ｑ＝１）から構成する。例えば、ガリウム（Ｇａ）組成比を０．１０（１０％）とするＢ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ混晶から緩衝層２を構成する。
【００３３】
Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶から緩衝層２を構成する第１の利点は、Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶が立方晶、特に閃亜鉛鉱型の結晶材料であることに依っている。すなわち、結晶型の観点からして、緩衝層２上に積層するIII 族窒化物半導体層３を立方晶を主体とする構成とするに優位に作用するからである。ここで、立方晶を主体とするとは、成長層内で占有する立方晶結晶相の体積比率が、概ね９５％を越えることを指す。
【００３４】
Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶から緩衝層２を構成する第２の利点は、Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶が、砒素（Ａｓ）を構成元素として含むことに依っている。砒素原子の存在は、当該緩衝層２上に積層されるIII 族窒化物半導体層３を立方晶として成長させるのに優位に作用し、六方晶のような他の結晶型をほとんど成長させず、混在を防止させるのに効果がある。
【００３５】
Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶から緩衝層２を構成する第３の利点は、Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶は、ガリウム組成比（硼素組成比）を調整すれば、その格子定数を任意に制御することができることである。例えば、砒化窒化ガリウム（化学式：ＧａＮＡｓ）或いはリン化窒化ガリウム（化学式：ＧａＮＰ）等の、閃亜鉛鉱型ＧａＡｓ或いはＧａＰ結晶を母体材料とする立方晶のIII 族窒化物半導体混晶に格子定数を一致させることができるようになる。すなわち、当該緩衝層２にこれらの立方晶混晶から成るIII 族窒化物半導体層３を積層したとき、その格子整合性をほぼ完全なものとすることができることとなる。そして、III 族窒化物半導体層３が立方晶であることにより、その伝導性を容易に制御することができ、したがって、ほぼ完全な格子整合性のもとで低抵抗率のｐ形伝導性を呈する積層体を構築できることとなる。
【００３６】
また、Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶は、ガリウム組成比（硼素組成比）を調整すれば、立方晶の窒化ガリウム・インジウム混晶（ＧａＩｎＮ混晶）に格子定数を一致させることができるようになる。例えば、高いインジウム組成比の立方晶窒化ガリウム・インジウム混晶（ＧａＩｎＮ混晶）、或いは立方晶窒化インジウム（化学式：ＩｎＮ）と一致する格子定数を有するＢ_pＧａ_qＡｓ混晶を得ることができる。したがって、例えば、Ｂ_pＧａ_qＡｓ混晶緩衝層と格子定数を一致させた、上記のＧａＮＡｓ混晶或いはＧａＮＰ混晶を下部クラッド層とし、同じく格子定数を一致させた高インジウム組成比のＧａＩｎＮ混晶或いはＩｎＮを発光層とする、ほぼ完全な格子整合性を備えた立方晶からなる積層構造を得ることができ、これにより、発光デバイスとしての優れた特性を発揮させることができる。
【００３７】
更に、直径２〜６インチ或いはそれ以上の大型の単結晶を供給できる、ダイヤモンド構造型のＳｉや閃亜鉛鉱型のＧａＡｓ、ＧａＰといった好適な材料から成る基板１と格子定数を一致させた緩衝層２を得ることができる。例えば、格子定数を５．４３０９ÅとするＳｉに格子整合する緩衝層２としてＢ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓを提供することができる。また、ＧａＰ（格子定数＝５．４４９５Å）に格子整合する緩衝層２として、Ｂ_0.23Ｇａ_0.77Ａｓを提供することができる。
【００３８】
硼素の組成比ａを、図２に示すように、層厚ｔの増加方向に変化させた所謂、硼素の組成比ａに勾配を付したＢ_pＧａ_qＡｓ（０＜ｐ≦１、ｐ＋ｑ＝１）組成勾配混晶層は、ＳｉやＧａＡｓなどの立方晶の基板１とも、III 族窒化物半導体層３とも格子整合する緩衝層２として都合良く利用できる。
【００３９】
例えば、｛００１｝−ＧａＰ単結晶からなる基板１の表面上で、硼素の組成比ａを０．２３とし、表面で１とするＢＧａＡｓ組成勾配混晶から成る緩衝層２は、ＧａＰ基板１の表面上に立方晶のＧａＮ_0.77Ａｓ_0.23混晶から成るIII 族窒化物半導体層３を積層させる場合の、基板１と半導体層３との双方間の格子不整合性を緩和するための緩衝層２として都合良く利用できる。ＧａＮ_0.77Ａｓ_0.23混晶層上に、更に、同混晶と格子整合するＧａ_0.43Ｉｎ_0.57Ｎ混晶層を積層すれば、ＧａＮ_0.77Ａｓ_0.23混晶層をクラッド層とし、Ｇａ_0.43Ｉｎ_0.57Ｎ混晶層を発光層とするほぼ完全な格子整合系の積層構成を得ることができる。すなわち、発光層を格子整合性を有する下地層上に積層することが可能となる。この様な格子整合性を有する下地系は、発光層への格子ミスマッチに起因するミスフィット転位等の結晶欠陥の下地系からの伝搬を抑制するに効果を奏する。
【００４０】
上記では、緩衝層２における組成勾配を、層厚ｔの増加方向に対して単調に増加するものとして説明したが、この組成勾配は、要は基板１とIII 族窒化物半導体層３との双方に格子整合するように付すものであり、したがって、単調に増加させる構成に限定されない。例えば、緩衝層２の層厚ｔの増加方向に対して単調に減少させるように構成してもよいし、また、階段状に増減させてもよい。
【００４１】
サファイアを基板１とする窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ：０≦ｘ≦１）からなる従来の緩衝層は、単結晶粒或いは多結晶粒を散在して含む形態の（非晶質）層があるのが最適であるとされている（(a)「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．１５、 Ｎｏ．３＆４（１９８８）、７４〜８２頁、(b)特開平２−２２９４７６号公報明細書、(c)特開平４−２９７０２３号公報明細書参照）。これに対し、本発明では、従来とは異なる内部結晶形態を保有する緩衝層２を利用する。
【００４２】
すなわち、本発明において緩衝層２として最も適するとするのは、図３に示すように、基板１の表面近傍の緩衝層側の領域２１が基板表面の原子配列をあたかも受け継いでなる単結晶で構成されている緩衝層２ａである。すなわち、基板１との界面近傍の領域に恰もプシュードモーフィズム（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｓｍ）により（橋口隆吉他編集、「材料科学講座６−薄膜・表面現象」（昭和４７年１２月１５日４版、（株）朝倉書店発行）、１１〜１４頁参照）、単原子層の領域２１が配置された緩衝層２ａを最適とする。基板１／緩衝層２ａ界面近傍の単結晶を主体とする領域２１の上方は、非晶質層或いは多結晶を主体とする領域２２で構成されているのが好適である。
【００４３】
このような、基板１の界面との近傍の領域を単結晶を主体とする領域２１とし、その領域２１の上層部を非晶質或いは多結晶を主体とする領域２２とする緩衝層２ａは、一義的に成長温度の適正化によって成膜され得る。面方位を｛００１｝±０．５゜とするＳｉ或いはＧａＡｓ或いはＧａＰ単結晶を基板１とする場合、非晶質或いは多結晶を主体とする領域２２は、成膜温度を約３００℃〜約７００℃、望ましくは約３５０℃〜約６００℃の範囲に設定して効率良く得られるものである。特に、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）で上記の領域２２を得るに好ましく利用できる温度範囲は、第III 族元素に対する第Ｖ族元素の原料の供給比、すなわち、Ｖ／III 比或いは成膜環境の圧力にも依存するが、概して約４００℃から約５５０℃の範囲である。
【００４４】
上記の領域２１と領域２２とから成る緩衝層２ａにおいて、基板１との界面に単結晶が配置されているか否かは透過型電子顕微鏡（英略称：ＴＥＭ）を利用した電子線回折パターンの観察によって知ることができる。特に、基板１との界面領域に於ける結晶形態を重視する場合にあっては、断面ＴＥＭ技法を利用した結晶形態の観察が有効である。本発明に係わる緩衝層２ａの場合、断面ＴＥＭ技法を利用して観察される電子線回折パターンは、立方晶基板１との接合界面近傍の領域２１では単結晶であることを示すスポットパターンであり、その上層の非晶質或いは多結晶を主体とする領域２２ではハロー若しくはリングパターンが優勢となるものである。更に、倍率を数百万倍とした高分解能下に於ける格子像観察からは、格子像の配列或いは粒界の存在等から結晶形態を明瞭に識別することができる。断面ＴＥＭ技法を利用した微細構造の直接観察或いは電子線回折パターンによれば、緩衝層２の上層側の領域２２を構成する結晶の形態も知り得て便利である。
【００４５】
上記の緩衝層２ａにおいて、層厚等の機械的な構成については、特に厳密な規定はない。緩衝層２ａをその成膜温度を越える高温の環境下に曝した場合、緩衝層２ａの上層部である非晶質層或いは多結晶を主体とする領域２２の全んどが揮散し、基板１の表面近傍の単結晶領域２１のみが残留する場合がある。この状況にあっても、緩衝層２ａ上には立方晶を主体とするIII 族窒化物半導体層３を成膜することができる。立方晶を主体とするIII 族窒化物半導体層３の成膜を果たすには、緩衝層２ａは数Å程度の単原子層でも差し支えはない。数μｍ程度の比較的厚い膜も緩衝層２として利用することができる。ただし、緩衝層２ａと基板１とが格子不整合性を有する場合、極端に厚い緩衝層では基板１との格子不整合性に起因して緩衝層２ａの表面に亀裂（クラック）が発生する場合がある。これより、緩衝層２ａの厚さの上限は大凡、約１０μｍ未満程度となる。
【００４６】
緩衝層２は単一の組成のＢ_pＧａ_qＡｓ混晶（０＜ｐ≦１、ｐ＋ｑ＝１）のみならず、組成を相違するＢ_pＧａ_qＡｓ混晶を重層して構成してもよい。すなわち、図４に示すように、基板１の表面とIII 族窒化物半導体層３との中間に設けた、互いに硼素（ガリウム）組成比を異にし、したがって格子定数を異にするＢ_pＧａ_qＡｓ混晶薄層２３，２４…を、順次重層させてなる緩衝層２ｂがその一例である。
【００４７】
組成を変化させる様式の一例には、基板１側からIII 族窒化物半導体層３側へ向けて格子定数を変化させる様式がある。また、歪超格子構造をもって緩衝層２ｂを構成できる。例えば、｛００１｝−ＧａＡｓ単結晶基板１上に、Ｂ_0.05Ｇａ_0.95Ａｓ層を緩衝層２を構成する第１の層とし、ＢＡｓを第２の層とし、交互に同数重層させても重層緩衝層２ｂを構成できる。この様な構成の緩衝層２ｂは、Ｂ_0.05Ｇａ_0.95ＡｓとＢＡｓとの中間の格子定数を有するIII 族窒化物半導体層３を積層するに特に優位となる。なぜならば、緩衝層２内に結晶歪を内包させることによって、上層のIII 族窒化物半導体層３に転位等の結晶欠陥が伝搬するのを防止でき、結晶性に優れるIII 族窒化物半導体層３を積層できるからである。
【００４８】
上記の重層させて成る緩衝層２ｂにおいて、層厚を概ね１０００Å未満で望ましくは約５００Å以下とする薄膜を重層させてなる超格子構造を発光デバイスに適用すると、その重層させた薄膜構造は、発光層から基板１側に向けて放射される発光を、発光の取り出し方向に反射させる多重（干渉）反射膜としても利用できる。この様な超格子構造の緩衝層２ｂはＦＥＴ等の電子デバイスにあって、正常なピンチオフ（ｐｉｎｃｈ−ｏｆｆ）動作を阻害するバックゲーティング（ｂａｃｋ ｇａｔｉｎｇ）効果を低減させる上でも効果を奏するものである。
【００４９】
緩衝層２の導電性については特に規定はなく、デバイスの果たす機能に鑑み、またデバイスを駆動する電流の通流方向に鑑み決定すれば良い。ドナー性不純物或いはアクセプタ性不純物を故意に添加（ドーピング）したｎ形伝導性或いはｐ形伝導性を有する層が、緩衝層２として利用できる。ｎ形伝導性の例えば砒化硼素・ガリウム混晶（ＢＧａＡｓ）は、成膜時に珪素や錫（元素記号：Ｓｎ）などの第IV族不純物や、セレン（元素記号：Ｓｅ）、硫黄（元素記号：Ｓ）等の第VI族不純物をドーピングすれば得られる。また、ｐ形の緩衝層２は第II族不純物の亜鉛（元素記号：Ｚｎ）やマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）、或いは第IV族の炭素（元素記号：Ｃ）をドーピングして得られる。
【００５０】
成膜時に拘わらず、成膜後に上記の不純物をイオン注入法を利用して注入したる後、活性化アニール（ａｎｎｅａｌ）を施してもｎ形或いはｐ形緩衝層２を形成することができる。これらの不純物は、伝導性の指標となるキャリア濃度が約１×１０¹⁷ｃｍ^-3から概ね１０¹⁹ｃｍ^-3を越える程度の範囲内となる様にドーピングするのが良い。基板１の裏面側に電極を敷設することを意図して導電性材料を基板１とするデバイスにあっては、緩衝層２も導電性（伝導性）を有する材料から構成するのが妥当である。
【００５１】
半導体デバイスに依っては、不純物を敢えてドーピングしていないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）若しくは電気的に補償（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）する様に不純物ドーピングを施した高抵抗の層を緩衝層２として利用するようにしてもよい。鉄（元素記号：Ｆｅ）、クロム（元素記号：Ｃｒ）やバナジウム（元素記号：Ｖ）等の遷移金属をドーピングしても高抵抗の緩衝層２が得られる。成膜後に緩衝層２内に水素イオン（Ｈ⁺ ）（プロトン）などを注入することによっても高抵抗の緩衝層２となすことができる。基板１とIII 族窒化物半導体層３とのアイソレーション（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を要求するデバイスには、高抵抗或いは絶縁性の緩衝層２を利用するのが望ましい。電界効果型トランジスタ（英略称：ＦＥＴ）などのマイクロ波デバイスにあっては、緩衝層２は約１０⁴ Ω・ｃｍを越える高抵抗率であるのが望ましい。
【００５２】
次に、III 族窒化物半導体層３について説明する。緩衝層２上には、上記したように、立方晶を主体とするＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_WＭ_1-W （０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０＜Ｗ≦１で記号Ｍは窒素以外の第Ｖ元素を表す。）から成るIII 族窒化物半導体層３を積層させて積層体を形成する。ここで、立方晶を主体とするとは、一結晶層内部で立方晶の結晶相が大凡９５％以上であることを指す。
【００５３】
上記のＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_WＭ_1-W （０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０＜Ｗ≦１で、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）に該当するIII 族窒化物半導体には、ＡｌＮ、ＧａＮやＩｎＮの２元化合物がある。また、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮやＧａＩｎＮの３元混晶がある。他の３元混晶には、例えばＡｌＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＡｌＮＰ、ＧａＮＰやＩｎＮＰがある。また、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＡｌＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＰ等の４元混晶がある。インジウムを含む混晶にあっては、被熱に因るインジウムの凝縮等によりインジウム組成比が均一で組成的に均質な混晶層とは成り難い場合があるが、此処では、インジウム組成比の均質度に拘わらず便宜上、混晶層と称する。
【００５４】
これらのIII 族窒化物半導体層３は、ワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅ ｂａｎｄ ｇａｐ）と称される一般に禁止帯幅が比較的大である材料であるため、真性状態に移行する温度が高い。したがって、高温環境下で動作が可能な耐環境デバイスの活性層として都合良く利用できる。また、近紫外から短波長可視光を放射するに都合の良い禁止帯幅を有している。このため、これらのIII 族窒化物半導体層３は近紫外、青色帯から赤色帯に及ぶ発光を放射する発光デバイスの発光層等の機能層として好ましく利用できる。
【００５５】
上記した本発明に係る積層体を構成するには、上記した様な立方晶の結晶材料からなる基板１表面上に先ず、Ｂ_pＧａ_qＡｓ（０＜ｐ≦１、ｐ＋ｑ＝１）からなる緩衝層２を積層する。この緩衝層２は、主に次の（ａ）〜（ｅ）に記載の成膜手段により成長させることができる。
（ａ）アルシン（ＡｓＨ₃）などを第Ｖ族元素であるＡｓの原料とし、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）等の有機金属化合物を第III 族元素の原料とする常圧（大気圧）或いは減圧有機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）法（ＭＯＶＰＥ法或いはＯＭＶＰＥ法などとも称される。）。
（ｂ）三塩化砒素（ＡｓＣｌ₃）等の第Ｖ族元素の塩化物とガリウム（Ｇａ）を原料とするハライド気相成長（ＶＰＥ）法。
（ｃ）アルシン等の第Ｖ族元素の水素化物とガリウムなどを原料とするハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法。
（ｄ）ガリウムと砒素などを原料とする分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法。
（ｅ）ガス状原料と金属原料を使用するガスソース（ｇａｓ−ｓｏｕｒｃｅ）ＭＢＥ法。
【００５６】
また、緩衝層２上に積層させるＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_WＭ_1-W からなるIII 族窒化物半導体層３も、上記の（ａ）〜（ｅ）に記載のエピタキシャル成長法の手法を用いて同様に形成することができる。
【００５７】
上記した本発明に係る積層体（エピタキシャルウェハ）からは、種々の光デバイス或いは電子デバイスが形成できる。特に、本発明では積層体を立方晶で構成するが、この立方晶結晶では、上記したように、価電子帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）の正孔バンドの縮帯が六方晶結晶の場合とは対照的に解放されていない（上記の「化合物半導体の基礎物性」（（株）培風館発行）、１７頁参照）。それ故に、ｐ形の伝導を呈する半導体層が比較的容易に得られ、低抵抗のｐ形伝導層を形成する上で優位である。このため、本発明に係る積層体では、ｐ形伝導層を含む積層体を比較的容易に形成することができる。したがって、本発明の積層体は、ｐｎ接合構造を必要とする、例えばＬＥＤやＬＤ等の光デバイスや大電力サイリスタなどの電子デバイスを形成する上で特に優位である。
【００５８】
ＳｉやＧａＡｓ等の立方晶を基板１とする積層体からデバイスを形成する場合の他の利点は、これらの結晶材料が明瞭な劈開性を持つことに基づくものである。ダイヤモンド構造型或いは閃亜鉛鉱型の立方晶結晶材料は、［０１１］方向に明瞭な劈開を呈する。したがって、ＧａＡｓ等を基板１としてなる積層体からＬＤを構成する場合に、この劈開性により｛０１１｝面からなる鏡面の光共振面を容易に形成できるという利点がある。
【００５９】
基板１を含めた上記の積層体に正負両極のオーミック電極を配置し、ＬＥＤやＬＤ等の発光デバイスを形成する。本発明では、基板１を立方晶とするため、この基板１に導電性材料を使用することができるようになる。導電性の基板１を利用すれば、基板１の裏面に一つのオーミック性電極を形成でき、従来の如く絶縁性のサファイアを基板１とする積層体の如く、同一表層側に２つのオーミック電極を敷設する必要がなくなる。このため、ｐ形及びｎ形両電極を形成するために発光面積（ｐｎ接合面積）を徒に削除する必要も無くなる（ｎ側オーミック電極を形成するために発光面積を削除してなるＬＥＤについては、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３４（１９９５）、Ｌ１３３２〜Ｌ１３３５頁参照）。したがって、発光面積の削減を回避でき、同一のチップサイズに於いて発光面積を大とする発光デバイスを作製できる利点がある。
【００６０】
本発明に係るエピタキシャルウェハから形成したデバイスの構成例を次に挙げる。
（ａ）導電性のＳｉ若しくはＧａＡｓ単結晶から成る立方晶の基板１と、その表面に積層させたＧａＡｓ混晶からなる緩衝層２と、その緩衝層２上に設けたIII 族窒化物半導体層３とから成り、ｐｎ接合を含むヘテロ接合型積層体から形成した発光デバイスであって、立方晶の基板１の裏面側に一方のオーミック電極を、積層体の最上層に接して他方のオーミック電極を備えてなる発光デバイス。
【００６１】
（ｂ）Ｓｉ若しくはＧａＡｓ単結晶から成る立方晶の基板１と、その表面に積層させたＢＧａＡｓ混晶からなる緩衝層２と、その緩衝層２上に設けたIII 族窒化物半導体層３とから成り、ｐｎ接合を含むヘテロ接合型積層体から形成した能動型光デバイスと、同一基板１と、その表面上に積層したＢＧａＡｓ混晶からなる緩衝層２と、その緩衝層２上に設けたIII 族窒化物半導体層３とのヘテロ接合型積層構造体からなる受動型光デバイスと、同一基板１上に配置されたこれら能動型及び受動型デバイスを駆動するための、駆動デバイス、信号の入出力を制御する制御デバイス等の機能を果たす機能回路デバイスなどを一体として付帯して備えてなる複合デバイス。
【００６２】
（ｃ）比抵抗を１０⁷ Ω・ｃｍ以上とするアンドープ半絶縁性ＧａＡｓ単結晶から成る立方晶の基板１と、その基板１上に設けた高抵抗の立方晶の砒化硼素（ＢＡｓ）緩衝層２と、その緩衝層２に格子整合する、立方晶を主体とするインジウム組成比が０．５７のｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_0.43Ｉｎ_0.57Ｎ）から成るIII 族窒化物半導体層３とから構成され、そのｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶層を電子走行層（チャネル層）として備えた積層体からなるＦＥＴ系デバイスであって、特に、積層体の表面側に、比較的禁止帯幅を小とするＢＮＡｓ混晶からなるコンタクト層上にソース／ドレインオ−ミック電極を形成してなるＦＥＴ。
【００６３】
（ｄ）伝導性の｛００１｝−ＧａＡｓ単結晶から成る立方晶の基板１と、その基板１上のＢＮＡｓ緩衝層２と、その緩衝層２上に積層した、障壁層と井戸層との量子井戸構造を含む立方晶のIII 族窒化物半導体層３とから成る積層体であって、基板１の裏面側に一方のオーミック電極を、積層構造体の表層側に他方のオーミック電極を設けてなるIII 族窒化物半導体デバイス。
【００６４】
以上述べたように、この発明に係る実施形態では、基板１上に積層して成るエピタキシャルウェハ１０を、立方晶の結晶基板１と、その結晶基板１上に形成したＢ_pＧａ_qＡｓから成る緩衝層２と、その緩衝層２上に形成したIII 族窒化物半導体層３と、から構成したので、緩衝層２は、基板１とIII 族窒化物半導体層３との間の格子不整合性を緩和し、また、III 族窒化物半導体層３の結晶系を立方晶を主体とする層となす作用を積極的に有し、このため、当該エピタキシャルウェハ１０の全体を立方晶を主体とする構成とすることができる。
【００６５】
そして、立方晶で全体を構成できるので、圧電効果が発生し難くなり、このエピタキシャルウェハ１０からデバイスを形成したとき、そのデバイスとしての高速応答性を確保する上で、大きく貢献することができる。
【００６６】
また、立方晶であるため、低抵抗のｐ形伝導層を容易に形成することができ、したがって、ｐｎ接合構造を必要とする、例えばＬＥＤやＬＤ等の光デバイスや大電力サイリスタなどの電子デバイスをも容易に形成できるようになる。
【００６７】
また、緩衝層２をＢ_pＧａ_qＡｓから構成したので、硼素（またはガリウム）の組成を調整することで、格子定数を任意に制御することができ、したがってその上に積層させたIII 族窒化物半導体層３との間でほぼ完全な格子整合性を持たせることができ、デバイスとしての諸特性を大幅に向上させることができる。
【００６８】
また、緩衝層２を構成する硼素（またはガリウム）の組成に勾配を付したので、緩衝層２は、III 族窒化物半導体層３のみでなく、基板１側との間でもほぼ完全な格子整合性を持つことができ、したがって、当該エピタキシャルウェハ１０の全体をほぼ完全な格子整合性のもとで構築することができる。
【００６９】
さらに、緩衝層２を、基板１との近傍の領域では単結晶を主体とし、その領域の上層では非晶質若しくは多結晶を主体とするように構成したので、基板１の表面近傍での緩衝層２を基板表面の原子配列をあたかも受け継いでいるかのような単結晶で構成することができ、したがって、この点からも基板１と緩衝層２との格子整合性をより高めることができる。
【００７０】
また、緩衝層２を、当該緩衝層２を構成する硼素の組成比を異にする層を重層させて構成したので、格子定数の異なる層を重層させることにより、緩衝層２内に格子定数の異なる結晶歪を内包させることとなり、したがって、上層のIII 族窒化物半導体層３に転位等の結晶欠陥が伝搬するのを防止でき、結晶性に優れるIII 族窒化物半導体層３を積層させることができる。
【００７１】
次に、本発明のエピタキシャルウェハについて、より具体的な実施例を以て説明する。
【００７２】
【実施例】
（第１実施例）
本発明を電解効果型トランジスタ（ＦＥＴ）用のエピタキシャルウェハ（積層体）に適用した場合について説明する。ＦＥＴ用途の積層体を構成する各構成層は一般的な常圧方式のＭＯＣＶＤ反応系を利用して、基板上に次の手順により順次形成した。
【００７３】
図５は本発明の第１実施例に係る積層体の断面構造を示す図である。図において、積層体１０ａは、 閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する半絶縁性（ρ≧１０⁷ Ω・ｃｍ）の｛１００｝２゜オフ（ｏｆｆ）砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶から成る基板１０１上に形成した。
【００７４】
基板１０１の表面上に、一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により４８０℃で層厚を約２００Åとする元来、閃亜鉛鉱型の結晶型を有する立方晶の砒化硼素ガリウム（Ｂ_pＧａ_qＡｓ）混晶からなる低温緩衝層１０２ａを成長させた。緩衝層１０２ａを構成するＢ_pＧａ_qＡｓの硼素組成比ａは、ＧａＡｓ基板１０１との接合面で、基板１０１のＧａＡｓとの間で略格子整合を果たす０．０１とし、表層部で０．５０に増加させた。この硼素組成比ａの組成勾配は、ＭＯＣＶＤ反応系に供給するガリウム（Ｇａ）源としたトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）と、硼素（Ｂ）源としたジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）−水素混合ガスとの供給比率に変更を加えることで付した。この組成勾配を付与した緩衝層１０２ａは、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態でＧａＡｓ基板１０１との界面近傍の領域に単結晶（粒）が配置されたものであった。
【００７５】
組成勾配を有する緩衝層１０２ａ上には、硼素組成比ａを一定とする第２の緩衝層１０２ｂを形成した。すなわち、キャリア濃度を１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下のＢ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓから成る層を６７０℃で常圧ＭＯＣＶＤ法で積層させた。層厚は約１０００Åとした。
【００７６】
第２の緩衝層１０２ｂ上には、III 族窒化物半導体層を形成した。すなわち、同じく６７０℃で常圧ＭＯＣＶＤ法により、層厚を約５０００Åの珪素（Ｓｉ）をドーピングしたｎ形ＧａＮ_0.38Ａｓ_0.62層からなる活性層１０３を積層させた。Ｓｉのドーピング源には体積濃度を５ｐｐｍとするジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）−水素混合ガスを利用した。キャリア濃度は約２×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。活性層１０３の室温でのホール（Ｈａｌｌ）移動度は、約７００ｃｍ²／Ｖ・ｓであった。この移動度値は基板にサファイアを用いる従来のＦＥＴ用活性層のそれに比較すれば約１．５から２倍の高値であった。これは、基板１０１と緩衝層１０２ａとの格子定数を５．６４２Åに一致させ、また緩衝層１０２ｂと活性層１０３との格子定数を５．２１０Åに一致させ、格子整合性をほぼ完全なものとしたことによる。
【００７７】
以上の積層操作により、ｎ形ＧａＮ_0.38Ａｓ_0.62層を活性層（チャネル層）１０３とする耐環境用途の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）用積層構造体１０ａを構成した。
【００７８】
（第２実施例）
図６は本発明の第２実施例に係るＬＥＤの断面構造を示す図である。この第２実施例では、先ずリン（Ｐ）ドープｎ形｛００１｝−珪素（Ｓｉ）単結晶からなる立方晶の基板１１１上に、トリメチル硼素（（ＣＨ₃）₃Ｂ）を硼素（Ｂ）源、アルシン（ＡｓＨ₃ ）を砒素（Ａｓ）源として、通常の常圧ＭＯＣＶＤ法により硼素組成比を０．９８としＳｉをドープしたｎ形の砒化硼素ガリウム（Ｂ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ）低温緩衝層１１２を成膜した。アルシンは体積濃度にして約１０％のアルシン（ＡｓＨ₃ ）を含むアルシン−水素混合ガスより供給した。キャリアガスとして成長反応器内に流通させる水素の流量は毎分８リットルとし、アルシン（１０％）−水素（９０％）混合ガスの流量は毎分１リットルとした。Ｓｉのドーピング源には、第１実施例と同じくジシランガスを利用した。成膜は水素気流中で５２０℃で正確に５分間に亘り実施した。これにより、導電性のダイヤモンド結晶型の立方晶基板１１１の表面をＢ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓの単結晶（粒）の集合体で被覆し、基板１１１との接合界面近傍の領域を単結晶領域とし全体の層厚を約１００Åとする緩衝層１１２を得た。
【００７９】
緩衝層１１２上には、III 族窒化物半導体層１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄを積層させた。すなわち、先ず緩衝層１１２を構成する立方晶のＢ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ（格子定数＝４．７９５Å）と格子定数が一致する砒素組成比を０．２５とするｎ形砒化窒化ガリウム（ＧａＮ_0.75Ａｓ_0.25）層を下部クラッド層１１３ａとして７８０℃で成長させた。ガリウム（Ｇａ）源にはトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）を利用した。この下部クラッド層１１３ａの成膜時には、体積濃度にして約５ｐｐｍのジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を含む水素ガスをＭＯＣＶＤ反応系に添加した。ジシラン−水素混合ガスの系内への添加量は、毎分１０ｃｃとし一般の電子式質量流量計（ＭＦＣ）で精密に制御した。この下部クラッド層１１３ａのキャリア濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。体積比にして４：１の水素−アルゴン（Ａｒ）気流中で９０分間に亘り成膜して層厚は約０．６μｍとした。尚、上記の閃亜鉛鉱型の立方晶のＢ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ緩衝層１１２上に上記と同一の条件で成膜したＳｉドープＧａＮ_0.75Ａｓ_0.25から成る下部クラッド層１１３ａについては、少なくともＸ線精密測定法では六方晶に帰属される回折ピークは観測されなかった。
【００８０】
砒化窒化ガリウムからなる下部クラッド層１１３ａ上には、インジウム組成比が６０％の立方晶を主体とする窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_0.40Ｉｎ_0.60Ｎ）を活性層（発光層）１１３ｂとして積層した。立方層Ｇａ_0.40Ｉｎ_0.60Ｎの格子定数は４．７９５Åである。したがって、本実施例の活性層１１３ｂは、この活性層１１３ｂとほぼ完全に格子整合する下地積層系に積層されるものとなった。インジウム源はトリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）とした。活性層１１３ｂの層厚は約６０Åとした。
【００８１】
活性層１１３ｂ上には、この活性層１１３ｂ層と同一の成膜温度の７８０℃で、アルミニウム（Ａｌ）組成比を０．１５とする立方晶を主体とするマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ）から成る層を第１上部クラッド層１１３ｃとして積層した。アルミニウム源にはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）を利用した。層厚は約２００Åとした。第１上部クラッド層１１３ｃ上には、同じく７８０℃でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングした立方晶を主体とするｐ形窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる層を第２上部クラッド層１１３ｄとして積層させた。マグネシウム源はビスシクロペンタジエニルＭｇ（ｂｉｓ−（Ｃ₅Ｈ₅）₂Ｍｇ）とした。層厚は約１０００Åとした。第２上部クラッド層１１３ｄ内のＭｇの原子濃度は約８×１０¹⁹ｃｍ^-3で、キャリア濃度は約２×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。
【００８２】
第２上部クラッド層１１３ｄ上には、金（Ａｕ）からなる円形の台座電極１１４とその周囲に配置したＡｕと酸化ニッケルを保護膜とする薄膜重層構成からなるｐ形のオーミック電極１１５を配置した。一方、ｎ形のオーミック電極１１６は、立方晶ｎ形Ｓｉ基板１１１の裏面側に”べた”電極として設けた。以上により、ＢＧａＡｓ混晶を緩衝層１１２として含み、立方晶を主体とするIII 族窒化物半導体層としてｎ形ＧａＮＡｓ、ｐ形ＡｌＧａＮ混晶、及びｐ形ＧａＮをクラッド層１１３ａ，１１３ｃ，１１３ｄとし、ｎ形ＧａＩｎＮ混晶を活性層１１３ｂとする、全体を格子整合積層系となす積層体を得た。
【００８３】
上記の積層体からＬＥＤを得るために、積層体の表面に互いに直交する［０１１］方向にスクライブラインを入れ、一辺を約３００μｍとする正方形のチップ（ｃｈｉｐ）を形成し、これをＬＥＤ１０ｂとした。ダイヤモンド構造のＳｉ基板１１１が、元来［０１１］方向に劈開性を有するために容易に且つチッピング（欠け）も少なくチップ化が果たせた。このＬＥＤ１０ｂの各オーミック電極１１５，１１６に、順方向に動作電流を通流した。順方向への電流の通流により赤橙色発光が得られた。発光の中心波長は約５９００Åであった。主たる発光スペクトルの半値幅は約１００Å未満であり、従来のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ積層構造系からなる赤色帯ＬＥＤの半値幅に比し遜色なきものとなった。また、本実施例のＬＥＤ１０ｂは、サファイアを基板とする従来の青色ＬＥＤとは異なり、ｎ側電極を敷設するために発光面の一部を切り欠く必要がないので、発光面積を広く維持できた。これを反映して発光出力は約５４０ミリカンデラ（ｍｃｄ）と優れたＬＥＤとなった。順方向電圧は２０ｍＡ通電時に約２．２ボルト（Ｖ）となった。
【００８４】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
請求項１に記載の発明では、基板上に積層して成るエピタキシャルウェハを、立方晶の結晶基板と、その結晶基板上に形成したＢ_pＧａ_qＡｓから成る緩衝層と、その緩衝層上に形成したIII 族窒化物半導体層と、から構成したので、緩衝層は、基板とIII 族窒化物半導体層との間の格子不整合性を緩和し、また、III 族窒化物半導体層の結晶系を立方晶を主体とする層となす作用を積極的に有し、このため、当該エピタキシャルウェハの全体を立方晶を主体とする構成とすることができる。
【００８５】
そして、立方晶で全体を構成できるので、圧電効果が発生し難くなり、このエピタキシャルウェハからデバイスを形成したとき、そのデバイスとしての高速応答性を確保する上で、大きく貢献することができる。
【００８６】
また、立方晶であるため、低抵抗のｐ形伝導層を容易に形成することができ、したがって、ｐｎ接合構造を必要とする、例えばＬＥＤやＬＤ等の光デバイスや大電力サイリスタなどの電子デバイスをも容易に形成できるようになる。
【００８７】
さらに、緩衝層をＢ_pＧａ_qＡｓから構成したので、硼素（またはガリウム）の組成を調整することで、格子定数を任意に制御することができ、したがってその上に積層させたIII 族窒化物半導体層との間でほぼ完全な格子整合性を持たせることができ、デバイスとしての諸特性を大幅に向上させることができる。
【００８８】
請求項２に記載の発明では、結晶基板と III 族窒化物半導体層との双方に格子整合するように、緩衝層を構成する硼素の組成に勾配を付したので、緩衝層は、III 族窒化物半導体層のみでなく、結晶基板側との間でもほぼ完全な格子整合性を持つことができ、したがって、当該エピタキシャルウェハの全体をほぼ完全な格子整合性のもとで構築することができる。
【００８９】
また、請求項３に記載の発明では、緩衝層を、結晶基板上の少なくとも単原子層の厚さの領域では単結晶を主体とし、その領域の上層では非晶質若しくは多結晶を主体とするように構成したので、結晶基板の表面近傍での緩衝層を基板表面の原子配列をあたかも受け継いでいるかのような単結晶で構成することができ、したがって、この点からも結晶基板と緩衝層との格子整合性をより高めることができる。
【００９０】
また、請求項４に記載の発明では、緩衝層を、当該緩衝層を構成する硼素の組成比を異にする層を重層させて構成したので、格子定数の異なる層を重層させることにより、緩衝層内に格子定数の異なる結晶歪を内包させることとなり、したがって、上層のIII 族窒化物半導体層に転位等の結晶欠陥が伝搬するのを防止でき、結晶性に優れるIII 族窒化物半導体層３を積層させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明のエピタキシャルウェハの構成を概略的に示す図である。
【図２】 緩衝層の硼素組成に勾配を付したときの層厚と硼素組成比との関係を示す図である。
【図３】 基板の界面との近傍の領域では単結晶を主体とし、その上層部では非晶質或いは多結晶を主体とする緩衝層を示す図である。
【図４】 硼素の組成比を異にする層を重層させて成る緩衝層を示す図である。
【図５】 本発明の第１実施例に係る積層体の断面構造を示す図である。
【図６】 本発明の第２実施例に係るＬＥＤの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，２ａ，２ｂ 緩衝層
３ III 族窒化物半導体層
１０ａ 積層体（エピタキシャルウェハ）
１０１ 基板
１０２ａ，１０２ｂ 緩衝層
１０３ 活性層
１０ｂ ＬＥＤ
１１１ 基板
１１２ 緩衝層
１１３ａ 下部クラッド層
１１３ｂ 活性層
１１３ｃ 第１上部クラッド層
１１３ｄ 第２上部クラッド層

Claims (5)

1. 基板上に積層して成るエピタキシャルウェハにおいて、
   立方晶の結晶基板と、
   上記結晶基板上に形成した、一般構造式がＢ_pＧａ_qＡｓ（０＜ｐ≦１、ｐ＋ｑ＝１）で表される緩衝層と、
   上記緩衝層上に形成した、立方晶を主体とし一般構造式がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ_wＭ_1-w 層（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｗ≦１で記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表す。）で表されるIII 族窒化物半導体層と、
   を備えたことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
2. 上記緩衝層には、上記結晶基板と上記 III 族窒化物半導体層との双方に格子整合するように、硼素の組成に勾配を付してある、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウェハ。
3. 上記緩衝層は、結晶基板上の少なくとも単原子層の厚さの領域では単結晶を主体とし、その領域の上層では非晶質若しくは多結晶を主体としている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のエピタキシャルウェハ。
4. 上記緩衝層は、緩衝層を構成する硼素の組成比を異にする層を重層させて成る、
   ことを特徴とする請求項１または３に記載のエピタキシャルウェハ。
5. 請求項１に記載のエピタキシャルウェハを用いて構成した、ことを特徴とする化合物半導体デバイス。

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