JP4869101B2 - p型半導体結晶及びその結晶を用いた半導体素子 - Google Patents
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即ち、本発明の第1の手段は、不純物としてマグネシウム(Mg)を含有するp型の III族窒化物系化合物半導体からなる板状または層状のp型半導体結晶において、p型半導体結晶の厚さ方向を高さ方向とする時、この高さ方向の変化に対する、当該p型半導体結晶におけるマグネシウム(Mg)の体積密度の変化が極大を示す位置(高さ)を設け、その極大値を1×10 18 〔cm -3 〕以上とし、かつ、これらの設定に基づいて、上記の体積密度が極大値を示す高さ方向の一定の高さよりも上側を構成する上記のp型半導体結晶の上部結晶層の水平断面における貫通転位の面積密度を、この上部結晶層よりも先に形成されて上記の一定の高さよりも下側を構成する上記のp型半導体結晶の下部結晶層の水平断面における貫通転位の面積密度の半分以下の密度に低減したp型半導体結晶である。
なお、第2の半導体結晶層の結晶成長方法は任意で良いが、結晶品質の高い三次元成長(島成長)を促すためには、特にMOCVD法が有利である。また、その後の二次元成長モードにおいて第2の半導体結晶層を効率よく厚く成長させるために、結晶成長法を途中で例えばHVPE法などのその他の方法に切り換えてもよい。
また、上記の下部結晶層である第1の半導体結晶層を得るために用いる結晶成長方法や結晶成長基板の種類は任意でよい。
また、上記の下部結晶層である第1の半導体結晶層をp型化する不純物としては、基本的には上記のMg原子層を構成するマグネシウム(Mg)を専ら用いるが、本発明は、上記の第1の半導体結晶層を更に高濃度のp型層に形成するために、上記の低転位結晶層積層工程において、p型化不純物を供給するための原料ガスを結晶成長室内に流し込むことを特段妨げるものではない。
また、本発明の第3手段は、上記の第1または第2の手段において、マグネシウム(Mg)を含有するp型のGaN結晶層から上記の上部結晶層を構成することである。
ただし、これによって形成されるGaN単結晶層(上部結晶層である第2の半導体結晶層)には、上記のMg原子層を構成するMg原子の一部が熱拡散によって入り込むため、上記の低転位結晶層積層工程に基づいて真性のGaN単結晶が得られる訳ではない。
また、本発明の第5の手段は、 III族窒化物系化合物半導体の結晶層を積層して形成される半導体素子において、上記の第1乃至第4の何れか1つの手段のp型半導体結晶を備えることである。
即ち、本発明の第1の手段によれば、上記のMg原子層が、結晶成長面の濡れ性を制御するアンチサーファクタント(反表面活性化因子)として作用して、ボルマー・ウェーバーの島状成長を誘発するので、このMg原子層の上に成長する上記の第2の半導体結晶層は、点在して島状に形成される三次元島を核とする三次元成長に基づいて結晶成長する。また、この三次元成長は、上記の横方向成長が支配的となる結晶成長条件に基づいて、個々の三次元島を立体的に良好に拡大させつつ進む。また、第1の半導体結晶層の結晶成長面は上記のMg原子層に覆われるので、第1の半導体結晶層の結晶成長面に現れる貫通転位の端部の多くは、これによって良好にマスクされる。
したがって、本発明の第1の手段によれば、これらの作用により、上記の三次元島は、互いに隣接、合体するまで良好に三次元成長し、かつ、貫通転位の上方への成長は、効果的に阻止されるか、その成長方向を水平方向に転換する。そして、この三次元成長は、その時の結晶成長条件を維持することによって、全体的な二次元成長モードに移行するまで良好に継続させることができる。
したがって、本発明の第1の手段によれば、選択成長マスクなどを導入することなく、従来よりも効率よく低コストで、貫通転位の面積密度が低いp型の高品質の半導体単結晶を製造することができる。
また、請求項4乃至請求項6の何れか1項に記載のp型半導体結晶を得る方法は、本発明の第1乃至第3の手段の何れか1つによる方法以外には、少なくとも今のところ全く知られていない。
また、上記の第1の半導体結晶層をGaNから形成すると上記の下部結晶層がp型のGaN結晶層から構成され、また、上記の第2の半導体結晶層をGaNから形成すると上記の上部結晶層がp型のGaN結晶層から構成されることも、これらの作用から明らかである。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
まず最初に、サファイア基板1のA面上に成膜された上記のAlNバッファ層2の上に、上記の膜厚2500nmの第1の半導体結晶層3を、所定のMOCVD装置内の結晶成長温度を1130℃に設定して、キャリアガスであるH2 と、原料ガスであるトリメチルガリウム( Ga(CH3)3) (以下「TMG 」と記す)とアンモニア(NH3) とを供給することによって、結晶成長させた。
また、図3のグラフにおいてこの極大ピークの山が横軸方向(深さd方向)にブロードに広がっていることは、上記の第2の半導体結晶層5の結晶成長の間に、即ち上記の低転位結晶層積層工程の実行中に、Mg原子層4を構成していたマグネシウム(Mg)原子が、高さh方向(深さd方向)に、即ちMg原子層4の垂直方向に、幅広く熱拡散したためである。
例えば、上記の結晶成長を更に継続することによって半導体結晶層5を更に厚く積層すれば、その後サファイア基板1を取り除くことにより、バルク状のGaN単結晶からなる高品質の半導体自立基板を得ることができる。この時のサファイア基板1を取り除く方法としては、レーザリフトオフ法やドライエッチング、研磨などを単独または適当に組み合わせて適用することができる。また、サファイア基板1は、勿論必ずしも取り除く必要はない。そして、これらの方法に従って得られる半導体基板は、トランジスタなどの電子デバイスや、LEDまたは半導体レーザなどの発光素子などに利用することができる。
このp型コンタクト層108は、2層構造を有しており、下から順にpコンタクト第1層1081とpコンタクト第2層1082とから構成されている。そして、下側のpコンタクト第1層1081は、上記のp型層107をベース(本発明の請求項1の第1の半導体結晶層(即ち、本発明の請求項4の下部結晶層))として成長した、本発明の請求項1の第2の半導体結晶層(即ち、本発明の請求項4の上部結晶層)を構成するものである。したがって、p型層107の上面には、本発明のMg原子層積層工程によって、約1原子層分の膜厚のMg原子層が積層され、上記のpコンタクト第1層1081は、そのMg原子層の上に積層されたものである。ただし、そのMg原子層を構成するマグネシウム(Mg)原子は、pコンタクト第1層1081を結晶成長させる工程(即ち本発明の低転位結晶層積層工程)の実施中に、p型層107及びpコンタクト第1層1081の各層内に熱拡散されたものと考えられるため、本図4の中には図示していない。
一方、多層構造のn電極140は、n型コンタクト層104の一部露出された部分の上から、膜厚約20nmのチタン(Ti)より成る第1層141と膜厚約100nmの金(Au)より成る第2層142とを積層させることにより構成されている。
半導体ウェハ200の主要部を構成する半導体部12(図6−A)は、以上の様にして構成することができる。
なお、以下では、下地基板11と半導体部12とn電極13とを合わせて、本体部10と言う。
なお、以下では、支持基板21と接合層22とを合わせて、支持体20と言う。
以下、半導体ウェハ200の製造工程を説明する。
そして、この後、露出したpコンタクト層12aの表面を希塩酸により洗浄する。この洗浄処理により、pコンタクト層12aの表面が綺麗に露出される。
一方、電子線照射によれば、その低抵抗化処理は、随時局所的に実施することができ、派生する余分な熱エネルギーは、電子線が照射されていない周辺領域に効果的に放熱されるので、本体部10と支持体20との接合状態が不安定となる恐れはなくなる。また、これによって十分な低抵抗化作用を得ることができる。
また、サファイア基板があった裏面側から光を取り出すLEDなどを製造する場合には、この様な製造方法を用いてサファイア基板を排除することによって、光取り出し効率が向上するなどの利点も得られる。
2 : AlNバッファ層
3 : 第1の半導体結晶層
4 : Mg原子層
5 : 第2の半導体結晶層
Claims (5)
- 不純物としてマグネシウム(Mg)を含有するp型の III族窒化物系化合物半導体からなる板状または層状のp型半導体結晶であって、
前記p型半導体結晶の厚さ方向を高さ方向とする時、前記p型半導体結晶におけるマグネシウム(Mg)の体積密度は、前記高さ方向の変化に対して極大値を示し、
前記極大値は、1×1018〔cm-3〕以上であり、
前記体積密度が前記極大値を示す前記高さ方向の一定の高さよりも上側を構成する前記p型半導体結晶の上部結晶層の水平断面における貫通転位の面積密度は、前記上部結晶層よりも先に形成されて前記一定の高さよりも下側を構成する前記p型半導体結晶の下部結晶層の水平断面における貫通転位の面積密度の半分以下の密度に低減されている
ことを特徴とするp型半導体結晶。 - 前記下部結晶層は、マグネシウム(Mg)を含有するp型のGaN結晶層からなる
ことを特徴とする請求項1に記載のp型半導体結晶。 - 前記上部結晶層は、マグネシウム(Mg)を含有するp型のGaN結晶層からなる
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のp型半導体結晶。 - 前記マグネシウム(Mg)の体積密度が、前記高さ方向の変化に対して極大値を示す位置は、高さ方向に沿って、複数の位置に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のp型半導体結晶。
- III族窒化物系化合物半導体の結晶層を積層して形成される半導体素子において、
請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のp型半導体結晶を有する
ことを特徴とする半導体素子。
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