JP4345626B2 - 半導体素子及びその製造方法。 - Google Patents
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Description
金属窒化物層は導電性を有するので、当該金属酸化物層を電極として用いることができる。
当該金属窒化物からなる下地層においては、その上に成長させるIII族窒化物系化合物半導体層の良好な結晶性を確保するため、下地層とIII族窒化物系化合物半導体層との間に低温成長(成長温度:400℃)バッファ層(AlN層等)が介在される。
以上特許文献1〜特許文献3等を参照されたい。
また、既述のバッファ層の材料如何によってはこれが絶縁性となるので、半導体素子においていわゆる縦方向の導電性がとれなくなり、電極を形成するために半導体素子に対するエッチングが必要になる。この点からもバッファ層の存在は半導体素子の製造コストを嵩ませる要因となりかねない。
金属窒化層からなる下地層の上に低温成長バッファ層を介在させることなくIII族窒化物系化合物半導体層が形成されている半導体素子であって、
前記金属窒化物層が赤茶色の窒化チタンからなる、ことを特徴とする半導体素子。
なお、窒化チタンからなる下地層がチタンリッチな状態であると、下地層の色は赤茶色ではなく銀色となる。この状態ではその直上に好適な結晶性のIII族窒化物系化合物半導体層を成長させることができない。換言すれば、そのために従来では低温成長バッファ層が必要とされていた。これは、下地層の表面に窒素原子とチタン原子が現れて下地層の極性が統一されなくなるからと考えられる。
窒化チタンはその結晶性が得られる限りにおいて窒素をリッチにすることができる。
金属窒化物層の厚さは5nm〜10μmとすることが好ましい。
金属窒化物層を基板から分離する場合は、金属窒化物層に基板としての特性が要求されるので、50μm以上の膜厚を有することが好ましい。更に好ましくは100μm以上の膜厚とする。
基板から金属窒化物層を分離させるために、両者の間にチタン層を形成することが好ましい。このチタン層は半導体素子完成後、若しくはその途中で酸(王水等)により化学エッチングして除去される。
サファイア基板を採用する場合、そのa面を用いことが好ましい。これによりIII族窒化物系化合物半導体層の平坦性がより一層向上する。
基板としてSiC、GaN、シリコン、GaP若しくはGaAsを用いた場合、当該基板に導電性を付加できる。また、窒化チタン(TiN)、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム及び窒化タンタルにはそれぞれ導電性がある。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、素子製造工程数が少なくなり、コストダウンになる。
また、金属窒化物は比較的に剛性が低いので、サファイア基板とIII族窒化物系化合物半導体層との格子定数の違いや熱膨張係数の違いによる歪(内部応力)を緩和する作用もある。
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、シングル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。
その後、GaN層5(厚さ:約2μm)をMOCVD法により形成した。GaN層5の平坦性の結果を表1に示す。
表1において◎はデバイス使用可能な程度に平坦、○は平坦、△は多少の段差あり、×はGaNが島状に成長をそれぞれ表す。判定は目視により行った。
表1及び表2並びに図3の結果より、TiNからなる下地層においてN原子の占める割合が大きくなると、結果的に下地層の色は赤茶色となり、その直上に形成されるGaN層の平坦性が向上することがわかる。また、サファイア基板を用いたときはa面へ下地層を成長させることが好ましいことがわかる。
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)
pクラッド層 18 : p−GaN:Mg (0.3μm)
発光層 17 : 多重量子井戸構造
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 16 : n−GaN:Si (4μm)
TiN層 14 : TiN (100nm)
基板 11 : サファイア (300μm)
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。また、単一量子井戸構造を採用することもできる。
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AlXInYGa1−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。後者はp型コンタクト層と呼ばれる。
このようにして形成されたIII族窒化物系化合物半導体層16〜18の結晶性は好ましいものである。
n電極21はエッチングにより露出されたn−GaN層16の面へ蒸着により形成される。
図5に示す素子ではサファイア基板11と厚膜のTiN層24との間にTi層23を介在させた。このTi層23を除去することにより厚膜のTiN層24が素子の基板となる。TiN層24には導電性があるので半導体素子22に縦方向の導電性がとれる。
1、11 サファイア基板
3、13 下地層
5、15 GaN層
Claims (4)
- 金属窒化物からなる下地層の上に低温成長バッファ層を介在させることなくIII族窒化物系化合物半導体層が形成されている半導体素子であって、
前記金属窒化物が赤茶色の窒化チタンからなる、ことを特徴とする半導体素子。 - 窒化チタンからなる下地層はサファイア基板のa面に形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 基板の上に金属窒化物からなる下地層を形成するステップと、
該下地層を窒化処理するステップと、
該窒化処理された下地層の上に、低温成長バッファ層を介在させることなく、III族窒化物系化合物半導体層を形成するステップと、を含んでなり、
前記金属窒化物は、窒化チタン、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、NbN、若しくはVN,又はこれらの合金からなる、
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記基板はサファイアからなり、該サファイア基板のa面に前記下地層を形成する、ことを特徴とする請求項3に記載の半導体素子の製造方法。
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