JP4754164B2 - 半導体層 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体層に関し、特に、結晶品質の高いＧａＮ系エピタキシャル層を得ることができる半導体層に関する。
図３は、従来の半導体層を示す。この半導体層は、Ａｌ2Ｏ3からなるＡｌ2Ｏ3基板１１と、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に形成されたＡｌＮ層１２と、ＡｌＮ層１２の上にＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 法によりエピタキシャル成長して形成されたＧａＮ成長層１３とを備える（例えば、特許文献１参照。）。
この半導体層によれば、Ａｌ2Ｏ3基板１１とＧａＮ成長層１３との間にＡｌＮ層１２を形成することにより、格子定数の不一致を低減して結晶不良を減らすことができる。
特公昭５２−３６１１７号公報
しかし、従来の半導体層によると、ＡｌＮ層１２とＧａＮ成長層１３との格子定数を完全に一致させることができず、ＧａＮ成長層１３の結晶品質をさらに向上することは難しい。また、発光素子に適用した場合は、発光層の結晶性が劣化し、発光効率が減少する。
従って、本発明の目的は、結晶品質の高いＧａＮ系エピタキシャル層を得ることができる半導体層を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、β−Ｇａ ２ Ｏ ３ 単結晶基板、及び前記β−Ｇａ ２ Ｏ ３ 単結晶基板の表面を窒化処理して酸素原子の一部あるいは全部が窒素原子によって置換されている表面層より構成される基板と、前記基板上に形成され、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、あるいはＩｎＧａＡｌＮより構成されるＧａＮ系エピタキシャル層と、を含むことを特徴とする半導体層を提供する。
本発明の半導体層によれば、Ｇａ2Ｏ3系半導体からなる第１の層上に第１の層の酸素原子の一部あるいは全部を窒素原子に置換することにより得られる第２の層を形成することにより、緩衝層を介在させることなく結晶性の高いＧａＮ系化合物半導体からなる第２の層が得られるので、第２の層上にＧａＮ系エピタキシャル層を形成した場合に、第２の層とＧａＮ系エピタキシャル層の格子定数を一致、あるいは極めて近似させることが可能となり、結晶品質の高いＧａＮ系エピタキシャル層が得られる。
本発明の実施の形態に係る半導体層を説明する。この実施の形態は、Ｇａ2Ｏ3系半導体からなる第１の層と、第１の層の表面に窒化処理等を施して第１の層上に第１の層の酸素原子の一部あるいは全部を窒素原子に置換することにより得られるＧａＮ系化合物半導体からなる第２の層と、第２の層上にＧａＮ系エピタキシャル層からなる第３の層とから構成される。ここで、「Ｇａ2Ｏ3系半導体」には、Ｇａ2Ｏ3、（ＩｎxＧａ1-x）2Ｏ3、（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3、（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-y）2Ｏ3等からなるものが含まれ、これらに対し原子置換あるいは原子欠陥によってｎ型導電性あるいはｐ型導電性を示すものも含まれる。また、「ＧａＮ系化合物半導体」および「ＧａＮ系エピタキシャル層」には、ＧａＮ、ＩｎzＧａ1-zＮ、ＡｌzＧａ1-zＮ又はＩｎzＡｌpＧａ1-z-pＮ等からなるものが含まれ、これらに対し原子置換あるいは原子欠陥によってｎ型導電性あるいはｐ型導電性を示すものも含まれる。
例えば、第１例としてＧａ2Ｏ3からなる第１の層と、ＧａＮからなる第２の層と、ＧａＮからなる第３の層のように、第２の層と第３の層を同じ化合物半導体により構成することができる。また、第２例としてＧａ2Ｏ3からなる第１の層と、ＧａＮからなる第２の層と、ＩｎzＧａ1-zＮからなる第３の層のように、第２の層と第３の層を異なる化合物半導体により構成することもできる。また、第３例として（ＩｎxＧａ1-x）2Ｏ3からなる第１の層と、ＩｎzＡｌpＧａ1-z-pＮからなる第２の層と、ＡｌzＧａ1-zＮからなる第３の層のように、第２の層と第３の層を異なる化合物半導体により構成し、第１の層と第２の層を第１例および第２例と異なる組み合わせにすることもできる。
この実施の形態によれば、第２の層と第３の層の格子定数を一致、あるいは極めて近似させることが可能となるので、結晶品質の高いＧａＮ系エピタキシャル層が得られる。
図１は、本発明の実施例１に係る半導体層を示す。この実施例１の半導体層は、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶からなる第１の層としてのβ−Ｇａ2Ｏ3基板１と、β−Ｇａ2Ｏ3基板１の表面に窒化処理を施して形成された厚さ約２ｎｍの第２の層としてのＧａＮ層２と、ＧａＮ層２上に例えばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長して形成された第３の層としてのＧａＮ成長層３とを備える。この窒化処理において、β−Ｇａ2Ｏ3基板１の酸素原子が窒素原子によって置換されることにより、ＧａＮ層２が形成される。
図２は、半導体層の製造工程を示す。まず、β−Ｇａ2Ｏ3基板１をＦＺ（フローティングゾーン）法により作製する（工程イ）。最初に、β−Ｇａ2Ｏ3種結晶とβ−Ｇａ2Ｏ3多結晶素材を準備する。
β−Ｇａ2Ｏ3種結晶は、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶から劈開面の利用等により切り出した断面正方形の角柱状を有し、その軸方向は、ａ軸＜１００＞方位、ｂ軸＜０１０＞方位、あるいはｃ軸＜００１＞方位にある。
β−Ｇａ2Ｏ3多結晶素材は、例えば、純度４ＮのＧａ2Ｏ3の粉末をゴム管に充填し、それを５００ＭＰａで冷間圧縮し、１５００℃で１０時間焼結することにより得られる。
次に、石英管中において、全圧が１〜２気圧の窒素と酸素の混合気体（１００％窒素から１００％酸素の間で変化）の雰囲気の下、β−Ｇａ2Ｏ3種結晶とβ−Ｇａ2Ｏ3多結晶との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融させ、β−Ｇａ2Ｏ3多結晶の溶解物を冷却することにより、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶が生成される。β−Ｇａ2Ｏ3単結晶は、ｂ軸＜０１０＞方位に結晶成長させた場合は、（１００）面の劈開性が強くなるので、（１００）面に平行な面と垂直な面で切断してβ−Ｇａ2Ｏ3基板１を作製する。なお、ａ軸＜１００＞方位あるいはｃ軸＜００１＞方位に結晶成長させた場合は、（１００）面および（００１）面の劈開性が弱くなるので、全ての面の加工性が良くなり、上記のような切断面の制限はない。
次に、６０℃の硝酸水溶液中でボイリングすることによりβ−Ｇａ2Ｏ3基板１をエッチングし（工程ロ）、このβ−Ｇａ2Ｏ3基板１をエタノールに浸して超音波洗浄し（工程ハ）、さらに水に浸して超音波洗浄した後（工程ニ）、乾燥し（工程ホ）、ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内で１０００℃で真空洗浄し（工程ヘ）、β−Ｇａ2Ｏ3基板１の表面を清浄化させる。
次に、β−Ｇａ2Ｏ3基板１の表面に窒化処理を施す（工程ト）。すなわち、ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内でβ−Ｇａ2Ｏ3基板１を所定の雰囲気中で、所定の時間加熱する。雰囲気（気圧含む）、加熱温度、加熱時間を適宜選択することにより、β−Ｇａ2Ｏ3基板１の表面に所望のＧａＮ層２が得られる。例えば、β−Ｇａ2Ｏ3基板１を３００ｔｏｒｒのＮＨ3雰囲気中で１０５０℃、５分加熱することにより、β−Ｇａ2Ｏ3基板１の表面に厚さが２ｎｍ程度の薄いＧａＮ層２が形成される。
次に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮを成長させてＧａＮ成長層３を得る（工程チ）。すなわち、ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内を１００ｔｏｒｒまで減圧し、成長炉内にＮ供給原料としてアンモニアガスとＧａ供給原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給すると、ＧａＮ層２の上に、例えば、厚み１００ｎｍ程度のＧａＮ成長層３が成長する。ＧａＮ成長層３の厚さは、供給原料の濃度、加熱温度等を調整することにより制御することができる。
実施例１において、ＴＭＧとともにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給すると、第２の層としてＧａＮ層２に代えてＡｌＧａＮ層を形成することができる。また、ＴＭＧとともにトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給すると、第２の層としてＧａＮ層２に代えてＩｎＧａＮ層を形成することができる。
この実施例１によれば、以下の効果が得られる。
（イ）結晶性の高いβ−Ｇａ2Ｏ3基板１が得られるので、その上に形成したＧａＮ層２も貫通転位密度が低く、結晶性の高いＧａＮ層２が得られる。さらに、このＧａＮ層２とＧａＮ成長層３とは格子定数が一致し、しかもＧａＮ成長層３はＧａＮ層２の高い結晶性を引き継いで成長するため、貫通転位が少なく、結晶性の高いＧａＮ成長層３が得られる。
（ロ）ｎ型のＧａＮ成長層とｐ型のＧａＮ成長層とを接合すれば、ｐｎ接合の発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を作製することができる。
（ハ）本発明を発光素子に適用した場合、結晶性の高い発光層が得られるので、発光効率が高くなる。
（ニ）β−Ｇａ2Ｏ3基板１は、導電性を有するので、発光素子を作製した場合、層構造の上下方向から電極を取り出す垂直型の構造を採用することができ、層構成、製造工程の簡素化を図ることができる。
（ホ）β−Ｇａ2Ｏ3基板１は、透光性を有するので、基板側からも光を取り出すことがきる。
（ヘ）ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内で上記真空洗浄（工程へ）、窒化処理（工程ト）、ＧａＮエピタキシャル成長（工程チ）を連続して行えるため、半導体層を効率的に生産することができる。
（イ）結晶性の高いβ−Ｇａ2Ｏ3基板１が得られるので、その上に形成したＧａＮ層２も貫通転位密度が低く、結晶性の高いＧａＮ層２が得られる。さらに、このＧａＮ層２とＧａＮ成長層３とは格子定数が一致し、しかもＧａＮ成長層３はＧａＮ層２の高い結晶性を引き継いで成長するため、貫通転位が少なく、結晶性の高いＧａＮ成長層３が得られる。
（ロ）ｎ型のＧａＮ成長層とｐ型のＧａＮ成長層とを接合すれば、ｐｎ接合の発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を作製することができる。
（ハ）本発明を発光素子に適用した場合、結晶性の高い発光層が得られるので、発光効率が高くなる。
（ニ）β−Ｇａ2Ｏ3基板１は、導電性を有するので、発光素子を作製した場合、層構造の上下方向から電極を取り出す垂直型の構造を採用することができ、層構成、製造工程の簡素化を図ることができる。
（ホ）β−Ｇａ2Ｏ3基板１は、透光性を有するので、基板側からも光を取り出すことがきる。
（ヘ）ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内で上記真空洗浄（工程へ）、窒化処理（工程ト）、ＧａＮエピタキシャル成長（工程チ）を連続して行えるため、半導体層を効率的に生産することができる。
なお、ＧａＮ成長層３の代わりに、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮあるいはＩｎＧａＡｌＮを成長させてもよい。ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮ層２との格子定数をほぼ一致させることができ、ＩｎＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮ層２との格子定数を一致させることが可能である。
例えば、薄膜のＧａＮ層２の上にＳｉドープＧａＮ層を形成し、その上にノンドープＩｎＧａＮ層を形成し、その上にＭｇドープＧａＮ層あるいはＡｌＧａＮ層を形成すると、ダブルヘテロ型発光素子が得られる。このとき、ノンドープＩｎＧａＮ層をＩｎ組成比の異なる井戸層と障壁層を交互に積層すると、ＭＱＷ（多重量子井戸層）を有したレーザダイオード素子が得られる。
一方、図１において、ＧａＮ成長層３を所定の厚みにしてその後、ＧａＮ層２及び基板１を削除すると、ＧａＮ基板が得られる。同様にして、ＧａＮ成長層３に代えて、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層あるいはＩｎＧａＡｌＮ層を形成することにより、それぞれの基板を得ることができる。
また、β−Ｇａ2Ｏ3基板１の成長法として、ＦＺ法について説明したが、ＥＦＧ(Edge-defined Film-fed Growth method)法等の他の成長法でもよい。また、ＧａＮ系エピタキシャル層の成長法としてＭＯＣＶＤ法について説明したが、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法等の他の成長法でもよい。
また、本発明の半導体層は、発光素子に限らず、様々な種類の半導体部品に適用することができる。
１ β−Ｇａ2Ｏ3基板
２ ＧａＮ層
３ ＧａＮ成長層
１１ Ａｌ2Ｏ3基板
１２ ＡｌＮ層
１３ ＧａＮ成長層
２ ＧａＮ層
３ ＧａＮ成長層
１１ Ａｌ2Ｏ3基板
１２ ＡｌＮ層
１３ ＧａＮ成長層
Claims (1)
- β−Ｇａ ２ Ｏ ３ 単結晶基板、及び前記β−Ｇａ ２ Ｏ ３ 単結晶基板の表面を窒化処理して酸素原子の一部あるいは全部が窒素原子によって置換されている表面層より構成される基板と、
前記基板上に形成され、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、あるいはＩｎＧａＡｌＮより構成されるＧａＮ系エピタキシャル層と、
を含むことを特徴とする半導体層。
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