JP4559190B2 - 化合物半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、転位密度の高いIII−Ｖ族化合物半導体層、特にIII族窒化物半導体層上に、転位の少ない例えばIII族窒化物半導体層を成長させ、この結晶性に優れるIII族窒化物半導体層を利用して化合物半導体素子を構成する技術に関する。

従来より、III族窒化物半導体は、短波長の可視光を放射する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接触型電界効果型トランジスタ（英略称：ＭＥＳＦＥＴ）を構成する材料として利用されている（例えば、非特許文献１参照）。例えば、ＬＥＤやレーザダイオード（英略称：ＬＤ）等の化合物半導体発光素子に於いて、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式：Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）は、クラッド（ｃｌａｄ）層を構成するに利用されている（例えば、特許文献１参照）。また、窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_ＹＩｎ_ＺＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）は、活性層（発光層）を構成するのに利用されている（例えば、特許文献２参照）。III族窒化物半導体ＭＥＳＦＥＴに於いて、また、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）は、電子供給層を構成するに利用されている（例えば、非特許文献２参照）。

これらIII族窒化物半導体素子は、III族窒化物半導体層を相互に接合させた構造を利用して構成されている。例えば、III族窒化物半導体ＬＥＤには、窒化ガリウム（化学式：ＧａＮ）からなる下部クラッド層と、その上のＧａ_ＹＩｎ_ＺＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）からなる活性層（発光層）との接合構造が備えられているのが一般的である（例えば、特許文献３参照）。また、III族窒化物半導体ＭＥＳＦＥＴには、ｎ形ＧａＮ層上に、ｎ形ＧａＮからなる活性層（チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層）を接合させた構造が含まれている（例えば、非特許文献３参照）。

活性層は、その化合物半導体素子の光学的或いは電気的特性を顕現させるために重要な機能層である。このため、活性層は、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層から構成する必要がある。しかし、上記の様な化合物半導体素子を構成する接合構造を形成しようとすると、下地層から活性層への転位の伝搬を充分に抑制できないため、活性層は転位を多く含むものとなってしまう。このため、結晶性に優れる活性層を安定して得られないのが現状である。活性層に多くの転位が含まれると、転位が存在する領域で電界集中が発生し、例えば、耐電圧に優れるIII族窒化物半導体ＬＥＤを安定して得られず、不都合となる。

日本国特許第２７７８４０５号参照 特公昭５５− ３８３４号公報参照 日本国特許第２５４０７９１号参照 赤崎 勇編著、「III−Ｖ族化合物半導体」、１９９４年５月２０日、（株）培風館、初版第１３章 Hiroji KAWAI他、第２回窒化物半導体国際会議（ＩＣＮＳ’９７）プロシーディングス（Proc. 2nd. Int. Conf. Nitride Semiconductors）、１９９７年１０月２７〜３１日、４８０〜４８１頁 赤崎 勇編著、「III族窒化物半導体」、１９９９年１２月８日、（株）培風館、初版、２９１頁

例えば、ゲート（ｇａｔｅ）電極の耐電圧に優れるＭＥＳＦＥＴ、或いは逆方向電流の耐電圧に優れるＬＥＤを構成するためには、下層からの転位の伝搬を抑制して、転位密度の小さな活性層を得る技術が要求される。本発明では、下層からの転位の伝搬を抑制して、低転位密度のIII−Ｖ族化合物半導体、特にIII族窒化物半導体から成る活性層を得るための技術を提供する。

本発明は以下の各項からなる。
（１） 結晶基板と、結晶基板上に設けられた第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた第２のIII−Ｖ族化合物半導体層とを備えた化合物半導体素子に於いて、上記の第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が、表面に転位が露出している凹部領域に、硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる結晶粒を配置させた第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に設けられていることを特徴とする化合物半導体素子。

（２） 結晶基板と、結晶基板上に設けられた第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた第２のIII−Ｖ族化合物半導体とを備えてなる化合物半導体素子に於いて、上記の第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が、表面に転位が露出している凹部領域に、硼素（Ｂ）からなる結晶粒を配置させた第１のIII族−Ｖ族化合物半導体層上に設けられていることを特徴とする化合物半導体素子。
（３） 第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面に転位が露出している領域に、配置する結晶粒が、リン化硼素（化学式：ＢＰ）であることを特徴とする上記（１）に記載の化合物半導体素子。
（４） 第１のIII−Ｖ族化合物半導体、第２のIII−Ｖ族化合物半導体の一方もしくは双方がIII族窒化物半導体であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の化合物半導体素子。
（５） III族窒化物半導体が窒化ガリウム系化合物半導体である上記（４）に記載の化合物半導体素子。

本発明に依れば、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層に内在する転位が、その上層となる第２のIII−Ｖ族化合物半導体層に伝搬して、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の転位密度の増加を抑止できる。従って、この様な低転位密度の第２のIII−Ｖ族化合物半導体層から、例えば、発光層を構成すれば、転位への電界集中に因り、逆方向電圧の耐圧不良が多発するのを抑止でき、特に、逆方向の耐圧に優れる化合物半導体ＬＥＤをもたらす効果がある。

また、低転位密度の第２のIII−Ｖ族化合物半導体層から、例えば、発光層を構成すれば、転位を介しての素子駆動電流の局所的な通流の発生を抑止できるため、点状的な発光が低減され、発光領域から略均等な強度の発光をもたらす化合物半導体ＬＥＤをもたらすに効果を奏する。

本発明に依れば、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層に内在する転位の、上層である第２のIII−Ｖ族化合物半導体層への伝搬を抑制できるので、例えば、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層に比較して、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の転位密度を約１／１０００に低減できる。従って、この様な低転位密度の第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を、例えば、電子走行層として利用すれば、高い電子移動度を発現できるＭＥＳＦＥＴ用途の積層構造体を構成できる。

本発明に係わる第１及び第２のIII−Ｖ族化合物半導体層とは、ガリウム（Ｇａ）、硼素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）等のIII族元素と窒素（元素記号：Ｎ）等とを構成元素として含むIII−Ｖ族化合物半導体から成る層である。例えば、組成式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１−α−β−γ}Ｎ（０≦α≦１、０≦β≦１、０≦γ≦１、０≦α＋β＋γ≦１）から成る層である。第１及び第２を構成する代表的なIII族窒化物半導体層は、例えば、ｎ形またはｐ形の窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_βＧａ_γＮ：０≦β≦１、０≦γ≦１、β＋γ＝１）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及びそれらの混晶である。また、窒素（Ｎ）に代えて砒素（元素記号：Ａｓ）またはリン（元素記号：Ｐ）等のＶ族元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からも第１及び第２の半導体層を構成できる。また前記（５）の窒化ガリウム系化合物半導体は一般式Ａｌ_βＧａ_γＩｎ_{１−β−γ}Ｎ（０≦β≦１、０≦γ≦１、０≦β＋γ≦１）で表される化合物半導体である。

以下、III−Ｖ族化合物半導体として主にIII族窒化物半導体を例にとり説明する。
第１及び第２のIII族窒化物半導体層は、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法やＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法に依り形成できる。また、分子線エピタキシャル法でも形成できる。他のIII−Ｖ族化合物半導体も同様に形成することができる。本発明の効果は、第１のIII族窒化物半導体層が単結晶層である場合に、最も顕著に奏される。単結晶の第１のIII族窒化物半導体層は、単結晶材料を基板として利用して、その上に上記の気相成長手段に依り形成できる。基板材料には、耐熱性の高い例えば、サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３単結晶）、立方晶または六方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの単結晶を例示できる。その他、ＬｉＧａＯ_２やＬｉＡｌＯ_２等のペロブスカイト型の単結晶を基板として利用できる。例えば、トリエチルガリウム（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｇａ）とアンモニア（分子式：ＮＨ_３）を原料とする常圧（略大気圧）または減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、１０００℃〜１２００℃で（０００１）−サファイア基板上に気相成長させた（０００１）−ＧａＮ層を第１のIII族窒化物半導体層として利用できる。本発明の第１のIII族窒化物半導体層は、層厚に然したる制限は無く、表面及び表層部が単結晶となっていれば効果を発揮できる。

本発明の特徴は、第１のIII族窒化物半導体層上に、第２のIII族窒化物半導体層を設けるに際し、第１のIII族窒化物半導体層の表面にあって、転位が露出している凹部領域に、硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる結晶粒を予め、配置させることにある。転位とは、例えば、基板との格子不整合（ミスフィット：ｍｉｓｆｉｔ）、また空孔（ｖａｃａｎｃｙ）や格子間（ｉｎｔｅｒ ｓｔｉｔｉａｌ）原子などに起因する、第１のIII族窒化物半導体層の内部を、その表面に至る迄、貫通している転位を指す。この様な貫通転位の表面での露出部には、凹部（ピット）が形成される。

本発明では、これらの凹部に選択的に硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体の結晶粒を配置する。結晶粒を構成するに適する硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体には、リン化硼素（Ｂ_αＰ_β：α≧１及びβ≧１であって、α＝６でβ＝１のＢ_６Ｐ、α＝６でβ＝１２のＢ_６Ｐ_１２などが含まれる。）、砒化硼素（Ｂ_αＡｓ_β：α≧１及びβ≧１）、アンチモン化硼素（ＢＳｂ）、及びそれらの混晶を例示できる。本発明者の知見に依れば、これらの硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体は、上記の凹部を起点として成長を始め、そこに結晶粒を形成する。従って、貫通転位が露出している凹部を選択的に埋め込むのに好適な材料である。凹部に配置された結晶粒は、通常、多角形又は球状の外観を呈している。結晶粒は、単結晶であるのが最も好ましく、単結晶であるか否かは、例えば、結晶粒からの制限視野電子線回折（Selected-area Electron Diffraction；略称ＳＥＤ）パターンの解析して判断できる。

凹部に存在する硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体から成る結晶粒は、第１のIII族窒化物半導体層の表面に露出している貫通転位が第２のIII族窒化物半導体層の内部に侵入、伝搬するのを抑止する作用を有する。この第２のIII族窒化物半導体層の内部への転位の侵入を抑止する作用は、結晶粒を硼素（Ｂ）から形成した場合でも得られる。この転位の抑止には、硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体或いは硼素の結晶粒内の原子配列に因るローマー・コットレッル（Ｌｏｍｅｒ−Ｃｏｔｔｒｅｌｌ）ロック（ｌｏｃｋ）（"Elementary Dislocation Theory", 1992, Oxford University Press、９３〜９４頁参照）が関与している可能性はある。転位の伝搬の抑止機構は、例えば、高分解能透過型電子顕微鏡（英略称：ＨＲＴＥＭ）を利用して撮像した、転位の周辺の結晶粒の格子像から推定できる。第１のIII族窒化物半導体層の転位の第２のIII族窒化物半導体層への伝搬は、硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体材料にあって、特に、III族構成元素の中で硼素の組成比を大とする材料に依り抑止され得る。硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体混晶にあって、III族の中の硼素の組成比を０．５以上とする混晶は特に、有用である。

硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体或いは硼素から成る結晶粒は、第１及び第２のIII族窒化物半導体層を成長させるのと同様な上記の気相成長手段で形成できる。例えば、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）とホスフィン（分子式：ＰＨ_３）を原料とする常圧（略大気圧）または減圧ＭＯＣＶＤ法に依り形成できる。第１のIII族窒化物半導体層上にＭＯＣＶＤ法に依り結晶粒を形成する際の温度は、７００℃〜１２００℃の範囲とするのが好適である。凹部に選択的に結晶粒を形成するには、成長時間を精密に制御するのが肝要となる。結晶粒の成長時間が徒に冗長であれば、凹部を埋め込んだ上に更に、第１のIII族窒化物半導体層の凹部以外の表面に迄、沿面成長（「メルト成長のダイナミクス」（２００２年８月１日、共立出版（株）発行、初版１刷、４８〜４９頁参照）してしまう。ＧａＮから成る第１のIII族窒化物半導体層１００上に、硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層１０１としてのＢＰ結晶層が沿面成長した状態を図１に模式的に示す。第１のIII族窒化物半導体層１００の平坦な表面１００ａに沿面成長した結晶層１０１ａが存在すると、III族窒化物半導体層の表面１００ａとの段差１０２に因り、平坦な表面の第２のIII族窒化物半導体層１０３を得るに支障となる。

図２の模式図に示す如く、通常、第１のIII族窒化物半導体層２００の内部を貫通する転位２０１は、逆六角錐状の凹部２０２の最深部２０２ｃに存在する。従って、凹部２０２の最深部２０２ｃに結晶粒２０３ａを存在させておけば、転位２０１の伝搬は抑止され得る。しかし、この場合、凹部２０２の埋め込みの未完了に因り、窪み２０４が発生して、表面の平坦な第２のIII族窒化物半導体層２０５を得るに至らない。凹部２０２の深さ２０２ｂは通常、数μｍ以下であり、理想的なのは、凹部２０２の表面２０２ａを水平とする様に結晶粒２０３ａ〜２０３ｃで被覆する様に、成長時間を制御することである。凹部２０２を都合良く埋め尽くすために、凹部２０２の最深部２０２ｃの結晶粒２０３ａに、図２に例示する如く複数の結晶粒２０３ｂ、２０３ｃを積重させても構わない。結晶粒２０３ａ上には、同一材料からなる結晶粒２０３ｂ，２０３ｃが優先的に且つ選択的に積重する。

第１及び第２のIII族窒化物半導体層と同一の成長手段、例えば、ＭＯＣＶＤ法を利用して結晶粒を形成する手段には、第１のIII族窒化物半導体層上に、引き続き結晶粒を介して第２のIII族窒化物半導体層を簡便に得られる利点がある。この他、硼素を含む溶液で第１のIII族窒化物半導体層の表面処理を利用する手段がある。例えば、硼酸（Ｈ_３ＢＯ_３）水溶液に第１のIII族窒化物半導体層を浸して、表面の凹部に硼酸水溶液の液滴を付着させる。
次に、硼酸水溶液で表面処理を施した第１のIII族窒化物半導体層を成長装置内に載置し、第１のIII族窒化物半導体層の温度を、その上に第２のIII族窒化物半導体層を形成するための温度、例えば８００℃に昇温する。この昇温課程に於いて、第１のIII族窒化物半導体層の表面の凹部に付着していた硼酸水溶液の液滴は熱分解し、固化した硼素を含む結晶粒を残渣としてその凹部に残す。この技術手段では、時間的に連続して、第１のIII族窒化物半導体層上に第２のIII族窒化物半導体層を形成できず、第１のIII族窒化物半導体層の形成を終了した後、その表面を処理する時間を要する。しかし、この技術手段の利点は、凹部に選択的に硼酸水溶液を残留させられ、従って、硼素から成る結晶粒を凹部に限定して形成できる利点がある。

転位が露出している凹部に、硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体又は硼素の結晶粒を埋め込んだ第１のIII族窒化物半導体層上には、転位密度の少ない第２のIII族窒化物半導体層を接合させて積層できる。例えば、結晶粒を埋め込んだｎ形ＧａＮ層をクラッド層とし、その上層として低転位密度のｎ形Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）を発光層として接合できる。低転位密度の発光層からは高強度の発光がもたらされるため、高い発光出力の化合物半導体発光素子を得るに有用となる。また、低転位密度の第２のIII族窒化物半導体層では、電子移動度も大きいため、ＭＥＳＦＥＴの電子走行（ｃｈａｎｎｅｌ）層として好適に利用できる。第１並びに第２のIII族窒化物半導体層の転位密度は、例えば、それらの断面の透過電子顕微鏡像（断面ＴＥＭ像）に撮像される転位像を計数すれば求められる。また、溶融させた水酸化カリウム（ＫＯＨ）或いは水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）の食刻作用に因り表面に出現する食刻孔を計数すれば知れる。

（作用）
III族窒化物半導体層の内部を貫通し、同層の表面に到達した転位の周囲に形成される凹部に選択的に存在させた硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体又は硼素から成る結晶粒は、上層のIII族窒化物半導体層への転位の伝搬を抑止する作用を有する。

（第１の実施例）
リン化硼素から成る結晶粒を設けたIII族窒化物半導体層上に形成した、低転位密度のIII族窒化物半導体層を発光層として、化合物半導体ＬＥＤを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。

本実施例に係わるダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造のＬＥＤ３００の断面構造を模式的に図３に示す。

基板３０１は、（０００１）−サファイアとした。基板３０１上には、珪素（Ｓｉ）ドープのｎ形の（０００１）−窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る第１のIII族窒化物半導体層３０２を堆積させた。第１のIII族窒化物半導体層３０２は、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ_３）_３Ｇａ）／ＮＨ_３／Ｈ_２反応系常圧ＭＯＣＶＤ手段により、１１００℃で形成した。第１のIII族窒化物半導体層３０２のキャリア濃度は６×１０^１８ｃｍ^−３とし、層厚は３．３μｍとした。第１のIII族窒化物半導体層３０２の表面に到達している貫通転位の密度は７×１０^８ｃｍ^−２であった。

ＭＯＣＶＤ法に依る第１のIII族窒化物半導体層３０２の成長を終了した後、引き続き、同一のＭＯＣＶＤ装置内で第１のIII族窒化物半導体層３０２の表面に、アンドープのリン化硼素（ＢＰ）から成る結晶粒３０３を付着させた。結晶粒３０３は、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）を硼素（Ｂ）源とし、ホスフィン（分子式：ＰＨ_３）をリン源とする常圧（略大気圧）ＭＯＣＶＤ法で形成した。第１のIII族窒化物半導体層３０２の表面に露出している転位３０４を中心として形成されている逆六角錐の凹部（ピット）３０５の深さが平均して０．４μｍであったことから、リン化硼素から成る結晶粒３０３を成長させる時間は、３．５分とした。結晶粒３０３の形成温度は１０２５℃とした。浅いピット３０５では、結晶粒３０３が凹部３０５の周辺に層状に延在するのが認められた。また、結晶粒３０３で完全に埋め込まていない、深く、開口幅の大きな凹部３０５も認められた。しかし、深さに拘わらず、凹部３０５の底部、深部には結晶粒３０３を存在させることができた。

結晶粒３０３を凹部３０５に埋め込んだ第１のIII族窒化物半導体層３０２上に、第１のIII族窒化物半導体層３０２と同一のＭＯＣＶＤ法により、ｎ形窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ）から成る発光層を成長させた。（０００１）−Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ層のキャリア濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３とし、層厚は０．０８μｍとした。断面ＴＥＭ像に撮像された転位像から、第２のIII族窒化物半導体層３０６としての発光層の転位密度は、５×１０^５ｃｍ^−２と求められた。

第２のIII族窒化物半導体像３０６上には、上記の（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法で、アンドープでｐ形の（１１１）−リン化硼素（ＢＰ）層３０７を堆積した。ｐ形ＢＰ層３０７のキャリア濃度は２×１０^１９ｃｍ^−３とし、層厚は１．２μｍとした。これより、第１のIII族窒化物半導体層３０２と、第２のIII族窒化物半導体層３０６と、及びｐ形リン化硼素層３０７とのｐｎ接合型ＤＨ構造を備えた積層構造体を形成した。

上部クラッド層として作用するｐ形リン化硼素層３０７に、通常の真空蒸着法に依りニッケル（Ｎｉ）及び金（Ａｕ）膜を被着させ、平面視で長方形のｐ形オーミック電極３０８を形成した。ｎ形オーミック電極３０９は、塩素系混合ガスを利用したプラズマドライエッチング手法に依って露出させた第１のIII族窒化物半導体層３０２の表面に設けた。平面視で長方形のｎ形オーミック電極３０９は、ランタン・アルミニウム合金（組成式：ＬａＡｌ_２）膜から構成した。

ｐ形びｎ形オーミック電極３０８、３０９の間に、順方向に２０ｍＡの素子駆動電流を流通してＬＥＤチップ３００の発光特性を確認した。ＬＥＤチップ３００からは中心の波長を４３０ｎｍとする青色帯光が放射された。発光スペクトルの半値幅は１７０ミリエレクトロンボルト（単位：ｍｅＶ）であった。一般的な積分球を利用して測定される樹脂モールド以前のチップ状態での輝度は１０ミリカンデラ（ｍｃｄ）であった。また、本発明に依り低転位化が達成された第２のIII族窒化物半導体層３０６を発光層として利用したため、発光層内の転位への電流集中に因る輝点状の発光は、さして視認されなかった。このためｐ形オーミック電極３０８の射影領域以外の発光領域の略全面から発光がもたらされ、発光の強度は、発光領域内で略均等となった。順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．２Ｖと低値となった。また、低転位密度の第２のIII族窒化物半導体層（本第１実施例では発光層）３０６を下地として気相成長させたため、ｐ形リン化硼素層３０７内には、｛１１１｝−双晶（ｔｗｉｎ）は存在するものの、貫通転位は殆ど認められなかった。このため、素子駆動電流が転位に集中して、第２のIII族窒化物半導体層（本第１実施例では発光層）３０６に流入する不都合を回避するに有効となった。従って、逆方向電圧に関する耐圧不良も殆ど発生せず、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は９．５Ｖと高値となった。

（第２実施例）
硼素の結晶粒を、転位が存在する凹部に設けたIII族窒化物半導体層上に、低転位密度の第２のIII族窒化物半導体層を電子走行層（チャネル）として形成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。

本実施例に係わるチャネル層を備えたショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合型電界効果型トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）用途の積層構造体４００の断面構造を模式的に図４に示す。

基板４０１は、（０００１）−サファイアとした。基板４０１上には、アンドープで高抵抗の（０００１）−窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る第１のIII族窒化物半導体層４０２を堆積させた。第１のIII族窒化物半導体層４０２は、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＮＨ_３／Ｈ_２反応系常圧ＭＯＣＶＤ手段により、１０００℃で形成した。緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層として利用した第１のIII族窒化物半導体層４０２のキャリア濃度は９×１０^１６ｃｍ^−３とし、層厚は２．４μｍとした。断面ＴＥＭ観察に依れば、第１のIII族窒化物半導体層４０２の表面に到達している貫通転位の密度は９×１０^８ｃｍ^−２であった。

ＭＯＣＶＤ法に依る第１のIII族窒化物半導体層４０２の成長を終了した後、引き続き、同一のＭＯＣＶＤ装置内で第１のIII族窒化物半導体層４０２の表面に、硼素（Ｂ）から成る結晶粒４０３を付着させた。結晶粒４０３は、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）を硼素（Ｂ）源とするＭＯＣＶＤ法で形成した。第１のIII族窒化物半導体層４０２の表面に露出している転位４０４を中心として形成されている逆六角錐の凹部（ピット）４０５の深さが平均して０．６μｍであったことから、硼素から成る結晶粒４０３を成長させる時間は、５．２分とした。結晶粒４０３の成長温度は、８５０℃とした。これより、凹部４０５の深さに拘わらず、凹部４０５の底部、深部には結晶粒４０３を存在させることができた。

結晶粒４０３を凹部４０５に埋め込んだ第１のIII族窒化物半導体層４０２上に、第１のIII族窒化物半導体層４０２と同一のＭＯＣＶＤ法により、ｎ形窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎ）から成る電子走行層（チャネル層）を成長させた。（０００１）−Ｇａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎ層のキャリア濃度は４×１０^１８ｃｍ^−３とし、層厚は０．０３μｍとした。断面ＴＥＭ像に撮像された転位像から、第２のIII族窒化物半導体層４０６としての電子走行層の転位密度は、７×１０^５ｃｍ^−２と求められた。

第２のIII族窒化物半導体像４０６上には、第１実施例に記載の（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、アンドープでｎ形の（１１１）−リン化硼素（ＢＰ）層４０７を電子供給層として堆積した。ｎ形ＢＰ層４０７のキャリア濃度は８×１０^１８ｃｍ^−３とし、層厚は０．２μｍとした。これより、第１のIII族窒化物半導体層４０２と、第２のIII族窒化物半導体層４０６と、及びｎ形リン化硼素層４０７とで、緩衝層４０２／電子走行層４０６／電子供給層４０７の異種（ヘテロ）接合構造を備えたＭＥＳＦＥＴ用途の積層構造体４００を形成した。

電子供給層の層厚を、０．２μｍ（＝２００ｎｍ）から約１５ｎｍとする様に、ｎ形リン化硼素層４０７の表層部を第１実施例に記載のプラズマエッチング法に依り、除去した。次に、積層構造体４００の最表層をなすｎ形リン化硼素層４０７から成る電子供給層の表面に、インジウム（元素記号：Ｉｎ）から成るオーミック電極を設けて、電子移動度を測定した。通常のホール（Ｈａｌｌ）効果法に依り測定された室温での移動度は、１５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓとなった。また、シート（Ｓｈｅｅｔ）キャリア濃度を測定した。室温で測定されるシートキャリア濃度は１．２×１０^１３ｃｍ^−２であった。これより、高い２次元電子移動度を発現するに有用となるＭＥＳＦＥＴ用途の積層構造体４００を構成できた。

（比較例）
上記の第２実施例に記載の硼素の結晶粒４０３を第１のIII族窒化物半導体層４０２の凹部４０５に形成しないで、直接、第１のIII族窒化物半導体層４０２の表面に第２のIII族窒化物半導体層４０６を堆積させた。即ち、本発明の転位の伝搬を抑止する手段を利用せずに、第２実施例に記載の積層構造体を構成した。本比較例の積層構造体の構成要素は、硼素の結晶粒４０３を除き、全て同一とした。

第２の実施例と同様に、電子供給層の表層部をエッチングに依り除去して、約１５ｎｍの厚さとしたｎ形リン化硼素層の表面に、インジウム（Ｉｎ）から成るオーミック電極を設けた。通常のホール効果で測定された２次元電子の移動度は、６００ｃｍ^２／Ｖ・ｓであった。この電子移動度は、本発明の技術手段を利用して得た、第２実施例の場合の４０％に相当する低値であった。換言すれば、本発明に依り、略同一のシートキャリア濃度に於いて、従来の２．５倍の電子移動度が発現された。

本発明に記載の技術手段に依り帰結される低転位密度のIII−Ｖ族化合物半導体層、特にIII族窒化物半導体層を活性層として利用すれば、高い電子移動度が発現されるが故に、例えば、雑音指数の小さな高性能ＭＥＳＦＥＴ等の化合物半導体電子デバイスを製造するに貢献できる。また、転位の電界集中を抑制できるため、耐電圧に優れる高発光強度の化合物半導体発光素子を提供できる。

硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層が凹部周辺の表面に沿面成長する状況を示す模式図である。 結晶粒で埋め込まれた凹部の断面模式図である。 第１実施例に記載のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。 第２実施例に記載のＭＥＳＦＥＴ用途の積層構造体の断面模式図である。

符号の説明

１００ 第１のIII族窒化物半導体層
１００ａ 第１のIII族窒化物半導体層の表面
１０１ 硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層
１０１ａ 沿面成長した結晶層
１０２ 結晶層と第１のIII族窒化物半導体層の表面との段差
１０３ 第２のIII族窒化物半導体層
２００ 第１のIII族窒化物半導体
２０１ 転位
２０２ 逆六角推状の凹部
２０２ａ 凹部の表面
２０２ｂ 凹部の深さ
２０２ｃ 凹部の最深部
２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ 結晶粒
２０４ 窪み
２０５ 第２のIII族窒化物半導体層
３００ ＬＥＤ
３０１、４０１ 基板
３０２、４０２ 第１のIII族窒化物半導体層（ＧａＮ層）
３０３、４０３ 結晶粒
３０４、４０４ 転位
３０５、４０５ 凹部（ピット）
３０６、４０６ 第２のIII族窒化物半導体層（ＧａＩｎＮ層）
３０７ ｐ形リン化硼素層
３０８ ｐ形オーミック電極
３０９ ｎ形オーミック電極
４０７ ｎ形リン化硼素層

Claims (5)

1. 結晶基板と、結晶基板上に設けられた第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた第２のIII−Ｖ族化合物半導体層とを備えた化合物半導体素子に於いて、上記の第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が、表面に転位が露出している凹部領域に、硼素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる結晶粒を配置させた第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に設けられていることを特徴とする化合物半導体素子。
2. 結晶基板と、結晶基板上に設けられた第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた第２のIII−Ｖ族化合物半導体とを備えてなる化合物半導体素子に於いて、上記の第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が、表面に転位が露出している凹部領域に、硼素（Ｂ）からなる結晶粒を配置させた第１のIII族−Ｖ族化合物半導体層上に設けられていることを特徴とする化合物半導体素子。
3. 第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面に転位が露出している領域に、配置する結晶粒が、リン化硼素（化学式：ＢＰ）であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子。
4. 第１のIII−Ｖ族化合物半導体、第２のIII−Ｖ族化合物半導体の一方もしくは双方がIII族窒化物半導体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化合物半導体素子。
5. III族窒化物半導体が窒化ガリウム系化合物半導体である請求項４に記載の化合物半導体素子。
   

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