JP5313816B2 - Nitride-based semiconductor device and method for manufacturing nitride-based semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride-based semiconductor element capable of reducing an offset voltage on an interface between a semiconductor layer on a gallium oxide substrate and a principal surface of the gallium oxide substrate. <P>SOLUTION: A group-III nitride crystal layer 15 covers the principal surface 13a of the gallium nitride substrate 13. The group-III nitride crystal layer 15 comprises a group-III nitride containing aluminum as a group-III constituent element and also containing at least two kinds of constituent elements other than aluminum. A semiconductor laminate 17 includes a gallium nitride semiconductor layer 25. A first electrode 19 is provided on a principal surface 17a of the semiconductor laminate 17. A second electrode 21 is provided on a reverse surface 13b of the gallium nitride substrate 13. A band gap E(15) of the group-III nitride crystal layer 15 is larger than a band gap E(GaN) of the gallium nitride semiconductor layer. The band gap E(15) of the group-III nitride crystal layer 15 is smaller than 4.8 eV (electronvolt). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、窒化物系半導体素子、及び窒化物系半導体素子を作製する方法に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device.

特許文献1には、Ga基板上に形成された発光素子が記載されている。Ga基板上に、バッファ層を低温成長する。バッファ層の成長は、窒素雰囲気中で摂氏350度〜摂氏550度の範囲で行われる。このバッファ層は、AlN層又はAlGaN層である。発光素子のp側電極及び電流拡散層はp型GaN層上に形成されており、発光素子のn側電極は、Ga基板上に形成されたn+型GaN層の露出面上に形成されている。このn+GaN層は、低温バッファ層上に直接に成長されたSiドープGaN厚膜である。低温成長バッファ層の厚さは20nm〜30nmである。低温成長バッファ層の成長は、水素、アンモニア、TMG及びTMAを成長炉に供給して成長されるので、低温成長バッファ層にはドーパントが添加されていない。 Patent Document 1 describes a light-emitting element formed on a Ga 2 O 3 substrate. A buffer layer is grown on the Ga 2 O 3 substrate at a low temperature. The growth of the buffer layer is performed in a nitrogen atmosphere in the range of 350 degrees Celsius to 550 degrees Celsius. This buffer layer is an AlN layer or an AlGaN layer. The p-side electrode and the current diffusion layer of the light-emitting element are formed on the p-type GaN layer, and the n-side electrode of the light-emitting element is formed on the exposed surface of the n + -type GaN layer formed on the Ga 2 O 3 substrate. Has been. This n + GaN layer is a Si-doped GaN thick film grown directly on the low-temperature buffer layer. The thickness of the low temperature growth buffer layer is 20 nm to 30 nm. Since the growth of the low temperature growth buffer layer is performed by supplying hydrogen, ammonia, TMG and TMA to the growth reactor, no dopant is added to the low temperature growth buffer layer.

特開2006−310765号公報JP 2006-310765 A

特許文献1に記載された発光素子では、この発光素子に印加される電流は、p側電極からp+型GaN層、p型AlGaN層、MQW層、n型AlGaN層、及びn+GaN層を介してn側電極に流れる。低温バッファ層を酸化ガリウム基板上に形成する理由は以下のものである:水素雰囲気においてGa基板上に低温成長バッファ層を形成しても、Ga基板が変質しない低温成長バッファ層を成長する。 In the light emitting element described in Patent Document 1, the current applied to the light emitting element is n from the p-side electrode through the p + type GaN layer, the p type AlGaN layer, the MQW layer, the n type AlGaN layer, and the n + GaN layer. Flows to the side electrode. The reason why the low-temperature buffer layer is formed on the gallium oxide substrate is as follows: Even if the low-temperature growth buffer layer is formed on the Ga 2 O 3 substrate in a hydrogen atmosphere, the low-temperature growth buffer does not alter the Ga 2 O 3 substrate. Grow layers.

酸化ガリウム基板に形成された電極を含む半導体素子では、酸化ガリウム基板上に窒化ガリウム系半導体領域が形成される。この半導体素子に印加される電流は、窒化ガリウム系半導体領域と酸化ガリウム基板の主面との界面を横切ってn側電極に流れる。発明者らの知見は、上記の界面が半導体素子にオフセット電圧を生じさせている。   In a semiconductor element including an electrode formed on a gallium oxide substrate, a gallium nitride based semiconductor region is formed on the gallium oxide substrate. The current applied to the semiconductor element flows to the n-side electrode across the interface between the gallium nitride based semiconductor region and the main surface of the gallium oxide substrate. According to the inventors' knowledge, the above-described interface generates an offset voltage in the semiconductor element.

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、酸化ガリウム基板上の半導体層と酸化ガリウム基板の主面との界面におけるオフセット電圧を低減可能な窒化物系半導体素子を提供することを目的とし、また、酸化ガリウム基板を用いた窒化物系半導体素子を製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a nitride-based semiconductor element capable of reducing the offset voltage at the interface between the semiconductor layer on the gallium oxide substrate and the main surface of the gallium oxide substrate. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a nitride semiconductor device using a gallium oxide substrate.

本発明の一側面によれば、窒化物系半導体素子は、(a)主面及び裏面を有する導電性の酸化ガリウム基板と、(b)前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うIII族窒化物結晶層と、(c)前記III族窒化物結晶層とヘテロ接合を成しており、窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層と、(d)前記半導体積層上に設けられた第1の電極と、(e)前記酸化ガリウム基板の前記裏面上に設けられた第2の電極とを備え、前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは4.8エレクトロンボルトより小さく、前記III族窒化物結晶層は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも2種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。   According to one aspect of the present invention, a nitride-based semiconductor device includes: (a) a conductive gallium oxide substrate having a main surface and a back surface; and (b) a group III nitride covering the main surface of the gallium oxide substrate. A crystal layer, (c) a semiconductor stack that forms a heterojunction with the group III nitride crystal layer and includes a gallium nitride semiconductor layer, and (d) a first electrode provided on the semiconductor stack; (E) a second electrode provided on the back surface of the gallium oxide substrate, wherein a band gap of the group III nitride crystal layer is larger than a band gap of the gallium nitride semiconductor layer, and the group III nitride The band gap of the crystal layer is smaller than 4.8 electron volts, and the group III nitride crystal layer is made of a group III nitride containing aluminum as a group III constituent element and containing at least two kinds of constituent elements other than aluminum. .

この窒化物系半導体素子によれば、窒化物系半導体素子に印加された電流は、半導体積層上に設けられた第1の電極から、酸化ガリウム基板の裏面上に設けられた第2の電極に流れる。この電流経路上にIII族窒化物結晶層が設けられている。このIII族窒化物結晶層はアルミニウムをIII族構成元素として含んでおり、そのバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、4.8エレクトロンボルトより小さい。このIII族窒化物結晶層により、当該窒化物系半導体素子におけるオフセット電圧を低減できる。   According to this nitride semiconductor device, the current applied to the nitride semiconductor device is transferred from the first electrode provided on the semiconductor stack to the second electrode provided on the back surface of the gallium oxide substrate. Flowing. A group III nitride crystal layer is provided on this current path. This group III nitride crystal layer contains aluminum as a group III constituent element, and its band gap is larger than the band gap of the gallium nitride semiconductor layer and smaller than 4.8 electron volts. This group III nitride crystal layer can reduce the offset voltage in the nitride semiconductor device.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.5V以下であることができる。また、本発明に係る窒化物系半導体素子では、最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.3V以下であることができる。さらに、本発明に係る窒化物系半導体素子では、最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.2V以下であることができる。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, an offset voltage between the gallium nitride semiconductor layer closest to the substrate and the gallium oxide substrate can be 0.5 V or less. In the nitride semiconductor device according to the present invention, an offset voltage between the gallium nitride semiconductor layer closest to the substrate and the gallium oxide substrate can be 0.3 V or less. Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the present invention, an offset voltage between the gallium nitride semiconductor layer closest to the substrate and the gallium oxide substrate can be 0.2 V or less.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層は、n型ドーパントを含み、前記n型ドーパントの濃度は、1×1016cm−3以上であることができる。この窒化物系半導体素子では、III族窒化物結晶層における抵抗を低減できる。 In the nitride semiconductor device according to the present invention, the group III nitride crystal layer may include an n-type dopant, and the concentration of the n-type dopant may be 1 × 10 16 cm −3 or more. In this nitride-based semiconductor element, the resistance in the group III nitride crystal layer can be reduced.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層はInAlGa1−X−YN層(0≦X<1、0<Y<1、0<X+Y≦1)を含むことができる。 In the nitride-based semiconductor device according to the present invention, the group III nitride crystal layer is an In X Al Y Ga 1-XY N layer (0 ≦ X <1, 0 <Y <1, 0 <X + Y ≦ 1). Can be included.

InAlGa1−X−YNを酸化ガリウム基板上に成長できる。また、このInAlGa1−X−YN層上に、窒化物系半導体素子のために適用可能な半導体層を成長できる。この構造により、オフセット電圧を低減できる。 In X Al Y Ga 1-X -Y N can be grown on gallium oxide substrate. In addition, a semiconductor layer applicable for a nitride-based semiconductor element can be grown on the In X Al Y Ga 1-XY N layer. With this structure, the offset voltage can be reduced.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層はAlGa1−ZN層を含み、前記AlGa1−ZN層のアルミニウム組成は0.2以上0,3以下であることができる。 In the nitride-based semiconductor device according to the present invention, the group III nitride crystal layer comprises Al Z Ga 1-Z N layer, the Al Z Ga 1-Z aluminum composition of the N layer is 0.2 or more 0,3 Can be:

この窒化物系半導体素子によれば、上記のAlGa1−ZN層が酸化ガリウム基板上に設けられるとき、酸化ガリウム基板とAlGa1−ZN層との界面におけるオフセット電圧、及び当該窒化物系半導体素子のための半導体積層とAlGa1−ZN層との界面におけるオフセット電圧を低減できる。 According to the nitride semiconductor device, when the Al Z Ga 1-Z N layer is provided on the gallium oxide substrate, the offset voltage at the interface between the gallium oxide substrate and the Al Z Ga 1-Z N layer, and semiconductor stack and the offset voltage at the interface between the Al Z Ga 1-Z N layer for the nitride semiconductor device can be reduced.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層はInAlGa1−X−YN層を含み、前記InAlGa1−X−YN層のインジウム組成Xは0.1以下であり、前記InAlGa1−X−YN層のアルミニウム組成Yは0.15以上であり、前記InAlGa1−X−YN層のアルミニウム組成Yは0.35以下であることができる。 In the nitride-based semiconductor device according to the present invention, the group III nitride crystal layer comprises In X Al Y Ga 1-X -Y N layer, the indium composition of the In X Al Y Ga 1-X -Y N layer X is 0.1 or less, the in X Al Y Ga 1-X -Y N layer aluminum composition Y of is not less than 0.15, an aluminum content of the in X Al Y Ga 1-X -Y N layer Y can be 0.35 or less.

この窒化物系半導体素子によれば、上記のInAlGa1−X−YN層が酸化ガリウム基板上に設けられるとき、酸化ガリウム基板とInAlGa1−X−YN層との界面におけるバンドギャップ差、及び当該窒化物系半導体素子のための半導体積層とInAlGa1−X−YN層との界面におけるバンドギャップ差を低減できる。 According to this nitride-based semiconductor device, when the above In X Al Y Ga 1-XY N layer is provided on the gallium oxide substrate, the gallium oxide substrate and the In X Al Y Ga 1-XY N layer And the band gap difference at the interface between the semiconductor stack for the nitride semiconductor element and the In X Al Y Ga 1- XYN layer.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の主面の法線軸の方向に配列された複数のInAlGaN層を含み、前記複数のInAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなることができる。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the group III nitride crystal layer includes a plurality of InAlGaN layers arranged in a direction of a normal axis of a main surface of the gallium oxide substrate, and the bands of the plurality of InAlGaN layers. The gap can be reduced in the direction from the gallium oxide substrate to the gallium nitride semiconductor layer.

複数のInAlGaN層を含むIII族窒化物結晶層の適用により、III族窒化物結晶層と該III族窒化物結晶層に隣接する領域との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、窒化物系半導体素子では、オフセット電圧だけでなく、基板と半導体積層との間の格子定数差の低減も可能になる。   By applying the group III nitride crystal layer including a plurality of InAlGaN layers, the lattice constant difference between the group III nitride crystal layer and the region adjacent to the group III nitride crystal layer can be reduced. Therefore, in the nitride-based semiconductor element, not only the offset voltage but also the lattice constant difference between the substrate and the semiconductor stack can be reduced.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するInAlGaN層を含み、前記InAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなることができる。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the group III nitride crystal layer includes an InAlGaN layer having a gradient composition, and a band gap of the InAlGaN layer is in a direction from the gallium oxide substrate to the gallium nitride semiconductor layer. Can be smaller.

組成傾斜のInAlGaN層を含むIII族窒化物結晶層の適用により、III族窒化物結晶層と該III族窒化物結晶層に隣接する領域との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子によれば、オフセット電圧だけでなく、格子定数差の低減も可能になる。   By applying the group III nitride crystal layer including the composition-graded InAlGaN layer, the lattice constant difference between the group III nitride crystal layer and the region adjacent to the group III nitride crystal layer can be reduced. Therefore, according to this nitride semiconductor device, not only the offset voltage but also the lattice constant difference can be reduced.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記酸化ガリウム基板は単結晶からなり、前記III族窒化物結晶層におけるa軸の格子定数は前記酸化ガリウム基板におけるb軸の格子定数と前記窒化ガリウム半導体層におけるa軸の格子定数との間にあることができる。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the gallium oxide substrate is made of a single crystal, and the a-axis lattice constant in the group III nitride crystal layer is equal to the b-axis lattice constant in the gallium oxide substrate and the gallium nitride semiconductor. It can be between the a-axis lattice constant in the layer.

このIII族窒化物結晶層の適用により、オフセット電圧だけでなく、III族窒化物結晶層と該III族窒化物結晶層に隣接する領域との間の格子定数差を小さくできる。   By applying this group III nitride crystal layer, not only the offset voltage but also the lattice constant difference between the group III nitride crystal layer and the region adjacent to the group III nitride crystal layer can be reduced.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、前記酸化ガリウム基板はn導電性を有し、前記半導体積層は、p型窒化ガリウム系半導体層及び活性層を含み、前記窒化ガリウム半導体層は、前記酸化ガリウム基板と前記活性層との間に設けられ、前記活性層は、前記窒化ガリウム半導体層と前記p型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられており、前記半導体積層は、前記III族窒化物結晶層と前記活性層との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記III族窒化物結晶層のバンドギャップより小さく、当該窒化物系半導体素子は発光素子を含む。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the gallium oxide substrate has n conductivity, the semiconductor stack includes a p-type gallium nitride semiconductor layer and an active layer, and the gallium nitride semiconductor layer includes the oxide semiconductor layer. The active layer is provided between the gallium substrate and the active layer, the active layer is provided between the gallium nitride semiconductor layer and the p-type gallium nitride based semiconductor layer, and the semiconductor stack is formed of the group III nitride One or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers provided between the material crystal layer and the active layer, and the band gap of the gallium nitride based semiconductor layer is smaller than the band gap of the group III nitride crystal layer, The nitride-based semiconductor device includes a light emitting device.

この窒化物系半導体素子は、発光素子に適用可能である。   This nitride-based semiconductor element can be applied to a light emitting element.

本発明に係る窒化物系半導体素子では、当該窒化物系半導体素子は、前記第1及び第2の電極の一方から前記第1及び第2の電極の他方に電流が流れる縦型電子デバイスを含む。この窒化物系半導体素子は、縦型構造のダイオード又はトランジスタ等に適用可能である。また、本発明に係る窒化物系半導体素子では、当該窒化物系半導体素子は、前記第1及び第2の電極の一方から前記第1及び第2の電極の他方に電流が流れるダイオードを含む。この窒化物系半導体素子は、縦型構造のpnダイオード又はショットキダイオード等に適用可能である。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the nitride semiconductor device includes a vertical electronic device in which a current flows from one of the first and second electrodes to the other of the first and second electrodes. . This nitride-based semiconductor element can be applied to a vertical structure diode or transistor. In the nitride semiconductor device according to the present invention, the nitride semiconductor device includes a diode in which a current flows from one of the first and second electrodes to the other of the first and second electrodes. This nitride-based semiconductor element can be applied to a vertical pn diode or Schottky diode.

本発明の別の側面は、窒化物系半導体素子を作製する方法である。この方法は、(a)導電性の酸化ガリウム基板を成長炉に配置する工程と、(b)窒素ガスを前記成長炉に供給しながら、摂氏600度以上摂氏700度以下の温度範囲に前記酸化ガリウム基板の温度を上昇する工程と、(c)前記酸化ガリウム基板の主面上に、前記温度範囲内の成長温度でIII族窒化物層を成長する工程と、(d)前記成長温度より高い温度で前記III族窒化物層の熱処理を行って、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うようにIII族窒化物結晶層を該前記主面上に形成する工程と、(e)窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層を前記III族窒化物結晶層上に成長する工程と、(f)前記半導体積層上に第1の電極を形成すると共に、前記酸化ガリウム基板の裏面に第2の電極を形成する工程とを備える。前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは4.8エレクトロンボルトより小さく、前記III族窒化物結晶は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも2種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。   Another aspect of the present invention is a method for fabricating a nitride-based semiconductor device. This method includes (a) a step of placing a conductive gallium oxide substrate in a growth furnace, and (b) supplying the nitrogen gas to the growth furnace while the oxidation is performed in a temperature range of 600 degrees Celsius or higher and 700 degrees Celsius or lower. Increasing the temperature of the gallium substrate; (c) growing a group III nitride layer on the main surface of the gallium oxide substrate at a growth temperature within the temperature range; and (d) higher than the growth temperature. Performing a heat treatment of the group III nitride layer at a temperature to form a group III nitride crystal layer on the main surface so as to cover the main surface of the gallium oxide substrate; and (e) a gallium nitride semiconductor. And (f) forming a first electrode on the semiconductor stack and forming a second electrode on the back surface of the gallium oxide substrate. And a step of performing. The band gap of the group III nitride crystal layer is larger than the band gap of the gallium nitride semiconductor layer, the band gap of the group III nitride crystal layer is smaller than 4.8 electron volts, and the group III nitride crystal is III It consists of a group III nitride containing aluminum as a group constituent element and at least two kinds of constituent elements other than aluminum.

この方法によれば、酸化ガリウム基板の主面を覆うように該主面上に上記の成長温度でIII族窒化物層を成長すると共にこの成長温度より高い温度でIII族窒化物層の熱処理を行ってIII族窒化物結晶層を主面上に形成する。この後に、窒化物系半導体素子のための半導体積層をIII族窒化物結晶層上に成長する。III族窒化物結晶層のバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、また4.8エレクトロンボルトより小さい。これ故に、窒化物系半導体素子の製造において、酸化ガリウム基板より小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体からなる半導体積層を酸化ガリウム基板上に形成することに起因するオフセット電圧を低減可能になる。   According to this method, a group III nitride layer is grown on the main surface at the growth temperature so as to cover the main surface of the gallium oxide substrate, and the group III nitride layer is heat-treated at a temperature higher than the growth temperature. And a group III nitride crystal layer is formed on the main surface. Thereafter, a semiconductor stack for the nitride-based semiconductor element is grown on the group III nitride crystal layer. The band gap of the group III nitride crystal layer is larger than the band gap of the gallium nitride semiconductor layer and smaller than 4.8 electron volts. Therefore, in the manufacture of a nitride-based semiconductor device, it is possible to reduce an offset voltage caused by forming a semiconductor stack made of a gallium nitride-based semiconductor having a band gap smaller than that of the gallium oxide substrate on the gallium oxide substrate.

本発明に係る方法では、前記III族窒化物層の成長は、前記成長炉にn型ドーパントを供給しながら行われることができる。この結果、III族窒化物結晶層にはn型ドーパントが添加される。III族窒化物結晶層に起因する直列抵抗を低減できる。   In the method according to the present invention, the group III nitride layer may be grown while supplying an n-type dopant to the growth reactor. As a result, an n-type dopant is added to the group III nitride crystal layer. Series resistance due to the group III nitride crystal layer can be reduced.

本発明に係る方法では、前記III族窒化物層の成長中に、前記成長炉への供給ガスを窒素ガスから水素ガスに切り替えることができる。この方法によれば、III族窒化物結晶層上に半導体積層を水素キャリアガスを用いて成膜できる。   In the method according to the present invention, the gas supplied to the growth furnace can be switched from nitrogen gas to hydrogen gas during the growth of the group III nitride layer. According to this method, a semiconductor stack can be formed on a group III nitride crystal layer using a hydrogen carrier gas.

本発明に係る方法では、前記窒化物結晶層は三元AlGaN層及びは四元InAlGaN層の少なくともいずれか一方を含むことができる。   In the method according to the present invention, the nitride crystal layer may include at least one of a ternary AlGaN layer and a quaternary InAlGaN layer.

本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層はAlGa1−ZN層を含み、前記AlGa1−ZN層のアルミニウム組成Zは0.2以上0,3以下である。 In the method according to the present invention, the group III nitride crystal layer comprises Al Z Ga 1-Z N layer, the Al Z Ga 1-Z N layer aluminum composition Z in is 0.2 or more 0,3 or less .

この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、三元AlGaNを用いて、酸化ガリウム基板上の窒化物結晶層と酸化ガリウム基板の主面との界面、及び窒化物結晶層と半導体積層との界面におけるバンドギャップ差を小さくできる製造方法を提供できる。   According to this method, in the manufacture of a nitride-based semiconductor device, ternary AlGaN is used, the interface between the nitride crystal layer on the gallium oxide substrate and the main surface of the gallium oxide substrate, and the nitride crystal layer and the semiconductor stack. The manufacturing method which can make small the band gap difference in an interface with can be provided.

本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層はInAlGa1−X−YN層を含み、前記InAlGa1−X−YN層のインジウム組成Xは0.1以下であり、前記InAlGa1−X−YN層のアルミニウム組成Yは0.15以上であり、前記InAlGa1−X−YN層のアルミニウム組成Yは0.35以下であることができる。 In the method according to the present invention, the III-nitride crystal layer is In X Al Y Ga 1-X -Y N includes a layer, the In X Al Y Ga 1-X -Y indium composition X of the N layer is 0. 1 or less, wherein an in X Al Y aluminum composition Y of Ga 1-X-Y N layer is less than 0.15, the in X Al Y Ga 1-X -Y N layer aluminum composition Y of 0. It can be 35 or less.

この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、四元InAlGaNを用いて、上記の界面におけるオフセット電圧を低減可能な製造方法を提供できる。   According to this method, it is possible to provide a manufacturing method capable of reducing the offset voltage at the interface using quaternary InAlGaN in the manufacture of a nitride semiconductor device.

本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の主面の法線軸の方向に配列された複数のInAlGaN層を含み、前記複数のInAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる。   In the method according to the present invention, the group III nitride crystal layer includes a plurality of InAlGaN layers arranged in a direction of a normal axis of a main surface of the gallium oxide substrate, and a band gap of the plurality of InAlGaN layers is the oxidation It decreases in the direction from the gallium substrate to the gallium nitride semiconductor layer.

この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、四元InAlGaNを用いて、階段状のバンドギャップの変化によりオフセット電圧を低減可能な製造方法を提供できる。   According to this method, it is possible to provide a manufacturing method capable of reducing the offset voltage by using a quaternary InAlGaN in the manufacture of a nitride-based semiconductor element by changing the stepped band gap.

本発明に係る方法では、前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するInAlGaN層を含み、前記InAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる。   In the method according to the present invention, the group III nitride crystal layer includes an InAlGaN layer having a gradient composition, and the band gap of the InAlGaN layer decreases in the direction from the gallium oxide substrate to the gallium nitride semiconductor layer.

この方法によれば、窒化物系半導体素子の製造において、四元InAlGaNを用いて、傾斜組成によるバンドギャップの変化によりオフセット電圧を低減可能な製造方法を提供できる。   According to this method, it is possible to provide a manufacturing method capable of reducing an offset voltage by using a quaternary InAlGaN in the manufacture of a nitride-based semiconductor element by changing a band gap due to a gradient composition.

本発明に係る方法では、前記半導体積層の形成において、窒化ガリウム半導体層は前記III族窒化物結晶層に接するように成長される。この方法によれば、窒化ガリウム半導体と酸化ガリウムとのバンドギャップに起因するオフセット電圧を低減できる。   In the method according to the present invention, the gallium nitride semiconductor layer is grown in contact with the group III nitride crystal layer in the formation of the semiconductor stack. According to this method, the offset voltage due to the band gap between the gallium nitride semiconductor and gallium oxide can be reduced.

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。   The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

以上説明したように、本発明の一側面によれば、酸化ガリウム基板上の半導体層と酸化ガリウム基板の主面との界面におけるオフセット電圧を低減可能な窒化物系半導体素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化物系半導体素子を製造する方法が提供される。   As described above, according to one aspect of the present invention, there is provided a nitride-based semiconductor element that can reduce the offset voltage at the interface between the semiconductor layer on the gallium oxide substrate and the main surface of the gallium oxide substrate. According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing this nitride-based semiconductor device is provided.

図1は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を示す図面である。FIG. 1 is a drawing showing the structure of a nitride-based semiconductor optical device according to this embodiment. 図2は、III族窒化物結晶層の層構造を示す図面である。FIG. 2 is a drawing showing the layer structure of a group III nitride crystal layer. 図3は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを形成する方法、及び半導体素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。FIG. 3 is a drawing showing the main steps of a method for forming an epitaxial wafer and a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment. 図4は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハのための酸化ガリウム基板を示す図面である。FIG. 4 is a view showing a gallium oxide substrate for an epitaxial wafer according to the present embodiment. 図5は、III族窒化物層の成長及び半導体積層の成長のためのシーケンスを示す図面である。FIG. 5 is a diagram illustrating a sequence for growing a group III nitride layer and a semiconductor stack. 図6は、本実施の形態に係る形成方法及び作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。FIG. 6 is a drawing schematically showing main steps of the forming method and the manufacturing method according to the present embodiment. 図7は、本実施の形態に係る形成方法及び作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。FIG. 7 is a drawing schematically showing main steps of the forming method and the manufacturing method according to the present embodiment. 図8は、デバイスシミュレーションのためのデバイス構造及びシミュレーション結果を示す図面である。FIG. 8 is a diagram illustrating a device structure and a simulation result for device simulation. 図9は、電子デバイスの一例として作製したダイオードの構造、その特性、及び比較例の特性を示す図面である。FIG. 9 is a drawing showing the structure of a diode manufactured as an example of an electronic device, its characteristics, and the characteristics of a comparative example.

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物系半導体素子及びエピタキシャル基板、並びに窒化物系半導体素子及びエピタキシャル基板を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。   The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the nitride semiconductor device and the epitaxial substrate, and the method of manufacturing the nitride semiconductor device and the epitaxial substrate of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.

図1は、本実施の形態に係る窒化物系半導体光素子の構造を示す図面である。窒化物系半導体素子11は、導電性の酸化ガリウム基板13と、III族窒化物結晶層15と、半導体積層17と、第1の電極19と、第2の電極21とを備える。酸化ガリウム基板13は、主面13a及び裏面13bを有する。III族窒化物結晶層15は、酸化ガリウム基板13の主面13aを覆っており、本実施例では主面13aの全面を覆う。III族窒化物結晶層15は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも2種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。半導体積層17は、窒化ガリウム半導体層25を含む。第1の電極19は、半導体積層17の主面17a上に設けられており、例えば主面17aに接触を成す。第2の電極21は、酸化ガリウム基板13の裏面13b上に設けられており、例えば裏面13bに接触を成す。III族窒化物結晶層15は、半導体積層17とヘテロ接合23aを成しており、また酸化ガリウム基板13の主面13aとヘテロ接合23bを成す。III族窒化物結晶層15のバンドギャップE(15)は窒化ガリウム半導体層のバンドギャップE(GaN)より大きい。III族窒化物結晶層15のバンドギャップE(15)は4.8エレクトロンボルトより小さく、この値は、例えば単結晶の酸化ガリウムのバンドギャップと同程度である。   FIG. 1 is a drawing showing the structure of a nitride-based semiconductor optical device according to this embodiment. The nitride-based semiconductor element 11 includes a conductive gallium oxide substrate 13, a group III nitride crystal layer 15, a semiconductor stack 17, a first electrode 19, and a second electrode 21. The gallium oxide substrate 13 has a main surface 13a and a back surface 13b. The group III nitride crystal layer 15 covers the main surface 13a of the gallium oxide substrate 13, and covers the entire main surface 13a in this embodiment. The group III nitride crystal layer 15 is made of a group III nitride containing aluminum as a group III constituent element and containing at least two kinds of constituent elements other than aluminum. The semiconductor stack 17 includes a gallium nitride semiconductor layer 25. The first electrode 19 is provided on the main surface 17a of the semiconductor stack 17, and makes contact with the main surface 17a, for example. The second electrode 21 is provided on the back surface 13b of the gallium oxide substrate 13, and makes contact with the back surface 13b, for example. The group III nitride crystal layer 15 forms a heterojunction 23 a with the semiconductor stack 17, and forms a heterojunction 23 b with the main surface 13 a of the gallium oxide substrate 13. The band gap E (15) of the group III nitride crystal layer 15 is larger than the band gap E (GaN) of the gallium nitride semiconductor layer. The band gap E (15) of the group III nitride crystal layer 15 is smaller than 4.8 electron volts, and this value is about the same as the band gap of single crystal gallium oxide, for example.

この窒化物系半導体素子11によれば、この素子に印加された電流は、半導体積層17上の第1の電極19から、酸化ガリウム基板13の裏面13b上の第2の電極21に流れる。この電流経路上にIII族窒化物結晶層15が設けられている。このIII族窒化物結晶層15はアルミニウムをIII族構成元素として含んでおり、そのバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、4.8エレクトロンボルトより小さい。このIII族窒化物結晶層15により、酸化ガリウム基板13上にIII族窒化物からなる積層17を形成することに起因するオフセット電圧を低減できる。   According to this nitride-based semiconductor element 11, the current applied to this element flows from the first electrode 19 on the semiconductor stack 17 to the second electrode 21 on the back surface 13 b of the gallium oxide substrate 13. A group III nitride crystal layer 15 is provided on this current path. This group III nitride crystal layer 15 contains aluminum as a group III constituent element, and its band gap is larger than the band gap of the gallium nitride semiconductor layer and smaller than 4.8 electron volts. The group III nitride crystal layer 15 can reduce the offset voltage resulting from the formation of the layer 17 made of group III nitride on the gallium oxide substrate 13.

III族窒化物結晶層15が単一の層からなるとき、III族窒化物結晶層15、酸化ガリウム基板13及び半導体積層17の三者において、酸化ガリウム基板13とIII族窒化物結晶層15との界面23aにおけるオフセット電圧と半導体積層17とIII族窒化物結晶層15との界面23bにおけるオフセット電圧との和は、参加我利宇宇と窒化ガリウムとの界面により電圧オフセットより小さい。   When the group III nitride crystal layer 15 is composed of a single layer, among the group III nitride crystal layer 15, the gallium oxide substrate 13 and the semiconductor stack 17, the gallium oxide substrate 13, the group III nitride crystal layer 15, The sum of the offset voltage at the interface 23a and the offset voltage at the interface 23b between the semiconductor stack 17 and the group III nitride crystal layer 15 is smaller than the voltage offset due to the interface between the participating members and gallium nitride.

窒化物系半導体素子11では、III族窒化物結晶層15にはn型ドーパントが添加されていることが良い。このn型ドーパントの濃度は、1×1016cm−3以上であることができる。これによって、オフセット電圧の低減効果を提供できると共に、III族窒化物結晶層15における抵抗を低減できる。 In the nitride-based semiconductor element 11, it is preferable that an n-type dopant is added to the group III nitride crystal layer 15. The concentration of this n-type dopant can be 1 × 10 16 cm −3 or more. Thereby, an effect of reducing the offset voltage can be provided, and the resistance in the group III nitride crystal layer 15 can be reduced.

窒化物系半導体素子11では、III族窒化物結晶層15はInAlGa1−X−YN層(0≦X<1、0<Y<1、0<X+Y≦1)を含むことが良い。III族窒化物結晶層のInAlGa1−X−YN層を酸化ガリウム基板上に成長できる。また、このInAlGa1−X−YN層上に、窒化物系半導体素子のために適用可能な半導体積層17を成長できる。III族窒化物結晶層15の材料は、例えば三元及び四元のIII族窒化物であり、具体例としてAlGaN、InAlGaN等が示される。三元混晶AlGaNは、ガリウムより小さい原子半径のアルミニウム構成元素のためGaNのバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。四元混晶InAlGaNは、ガリウムより大きい原子半径のインジウム構成元素とアルミニウム構成元素との組み合わせによりGaNのバンドギャップより大きなバンドギャップを提供できる。四元混晶InAlGaNは、ガリウムより大きい原子半径のインジウム構成元素とアルミニウム構成元素との組み合わせによりGaNの格子定数と酸化ガリウム基板の主面における主要な格子定数との間の格子定数を提供できる。 In the nitride-based semiconductor device 11, the group III nitride crystal layer 15 includes an In X Al Y Ga 1-XY N layer (0 ≦ X <1, 0 <Y <1, 0 <X + Y ≦ 1). Is good. In the group III nitride crystal layer X Al Y Ga 1-X- Y N layers can be grown on the gallium oxide substrate. In addition, a semiconductor stack 17 applicable for a nitride-based semiconductor element can be grown on the In X Al Y Ga 1-XY N layer. The material of the group III nitride crystal layer 15 is, for example, ternary or quaternary group III nitride, and specific examples include AlGaN, InAlGaN, and the like. Ternary mixed crystal AlGaN has a band gap larger than that of GaN because of aluminum constituent elements having an atomic radius smaller than that of gallium. Quaternary mixed crystal InAlGaN can provide a band gap larger than the band gap of GaN by a combination of an indium constituent element having an atomic radius larger than gallium and an aluminum constituent element. The quaternary mixed crystal InAlGaN can provide a lattice constant between the lattice constant of GaN and the main lattice constant in the main surface of the gallium oxide substrate by a combination of an indium constituent element having an atomic radius larger than gallium and an aluminum constituent element.

III族窒化物結晶層15はAlGa1−ZN層であることができる。上記のAlGa1−ZN層が酸化ガリウム基板上に設けられるとき、酸化ガリウム基板13とAlGa1−ZN層との界面23bにおけるオフセット電圧、及び当該窒化物系半導体素子のための半導体積層17とAlGa1−ZN層との界面23aにおけるオフセット電圧との和を、酸化ガリウムと窒化ガリウムとの界面におけるオフセット電圧より小さい。また、III族窒化物結晶層15のAlGa1−ZN層のアルミニウム組成は0.2以上であることが良く、0.3以下であることが良い。この組成範囲のAlGaNはオフセット電圧の低減に寄与できる。III族窒化物結晶層15のバンドギャップは例えば3.4エレクトロンボルト以上4.8エレクトロンボルト以下の範囲であることが良い。このIII族窒化物結晶層15のためのAlGa1−ZN層の厚さは、例えば10nm以上であり、また100nm以下であることができる。 III nitride crystal layer 15 can be a Al Z Ga 1-Z N layer. When the above Al Z Ga 1-Z N layer is provided gallium oxide substrate, an offset voltage in the gallium oxide substrate 13 and the Al Z Ga 1-Z N layer and the interface 23b, and because of the nitride semiconductor device The sum of the offset voltage at the interface 23 a between the semiconductor stack 17 and the Al Z Ga 1-Z N layer is smaller than the offset voltage at the interface between gallium oxide and gallium nitride. The aluminum composition of the Al Z Ga 1-Z N layer of the group III nitride crystal layer 15 is preferably 0.2 or more and preferably 0.3 or less. AlGaN having this composition range can contribute to the reduction of the offset voltage. The band gap of the group III nitride crystal layer 15 is preferably in the range of, for example, 3.4 electron volts or more and 4.8 electron volts or less. The thickness of the Al Z Ga 1-Z N layer for the group III nitride crystal layer 15 can be for example, a 10nm or more, and is 100nm or less.

或いは、III族窒化物結晶層15はInAlGa1−X−YN層であることができる。上記のInAlGa1−X−YN層が酸化ガリウム基板13上に設けられるとき、酸化ガリウム基板13とInAlGa1−X−YN層との界面23bにおけるオフセット電圧、及び半導体積層17とInAlGa1−X−YN層との界面23aにおけるオフセット電圧の和、酸化ガリウムと窒化ガリウムとの界面におけるオフセット電圧より小さくできる。このIII族窒化物結晶層15のためのInAlGa1−X−YN層の厚さは、例えば10nm以上であり、また100nm以下であることができる。必要な場合には、酸化ガリウムのバンドギャップと同等のAlGaN層又はInAlGaN層を酸化ガリウム基板の表面にます成長しても良い。また、半導体積層の最下層が、その最下層のバンドギャップと同等のバンドギャップを有するInAlGaN層上に形成されていても良い。 Alternatively, III-nitride crystal layer 15 can be a In X Al Y Ga 1-X -Y N layer. When the In X Al Y Ga 1- XYN layer is provided on the gallium oxide substrate 13, the offset voltage at the interface 23b between the gallium oxide substrate 13 and the In X Al Y Ga 1-XY N layer, Further, the sum of offset voltages at the interface 23a between the semiconductor stack 17 and the In X Al Y Ga 1-XY N layer can be made smaller than the offset voltage at the interface between gallium oxide and gallium nitride. The thickness of the In X Al Y Ga 1- XYN layer for the group III nitride crystal layer 15 may be, for example, 10 nm or more and 100 nm or less. If necessary, an AlGaN layer or InAlGaN layer equivalent to the band gap of gallium oxide may be further grown on the surface of the gallium oxide substrate. Further, the lowermost layer of the semiconductor stack may be formed on an InAlGaN layer having a band gap equivalent to the band gap of the lowermost layer.

また、InAlGa1−X−YN層のインジウム組成Xはゼロより大きく0.1以下であることが良く、InAlGa1−X−YN層のアルミニウム組成Yは0.15以上であることが良い。InAlGa1−X−YN層のアルミニウム組成Yは0.35以下であることができる。この組成のInAlGaNはオフセット電圧の低減に寄与できる。 Further, the indium composition X of the In X Al Y Ga 1- XYN layer is preferably larger than zero and 0.1 or less, and the aluminum composition Y of the In X Al Y Ga 1- XYN layer is 0. .15 or better. In X Al Y Ga 1-X -Y N layer aluminum composition Y of may be 0.35 or less. InAlGaN having this composition can contribute to the reduction of the offset voltage.

III族窒化物結晶層15は、以下のような構造を有することができる。   The group III nitride crystal layer 15 can have the following structure.

例えばIII族窒化物結晶層15は、図2(a)に示されるように、構成元素の互いに異なる組成を有する複数のIII族窒化物膜16a、16b、16c、16d、16e、16fを含むことができる。複数のIII族窒化物膜16a〜16fは、酸化ガリウム基板13の主面13aの法線軸Ax及び法線ベクトルNVの方向に配列される。III族窒化物膜16a〜16fの各々は、例えばInAlGaN層またはAlGaN層からなる。III族窒化物膜16a〜16fのバンドギャップは、酸化ガリウム基板13から半導体積層(窒化ガリウム半導体層)17への方向に小さくなる。III族窒化物膜16a〜16fの各々における膜厚は、10nm以上100nm以下であることができる。   For example, as shown in FIG. 2A, the group III nitride crystal layer 15 includes a plurality of group III nitride films 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, and 16f having different compositions of constituent elements. Can do. The plurality of group III nitride films 16a to 16f are arranged in the direction of the normal axis Ax of the main surface 13a of the gallium oxide substrate 13 and the normal vector NV. Each of group III nitride films 16a to 16f is made of, for example, an InAlGaN layer or an AlGaN layer. The band gaps of the group III nitride films 16 a to 16 f become smaller in the direction from the gallium oxide substrate 13 to the semiconductor stack (gallium nitride semiconductor layer) 17. The film thickness of each of group III nitride films 16a to 16f can be 10 nm or more and 100 nm or less.

複数のInAlGaN層を含むIII族窒化物結晶層15を用いることによって、III族窒化物結晶層15と該III族窒化物結晶層15に隣接する領域13、17との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子11では、オフセット電圧だけでなく、III族窒化物結晶層15とこの層に隣接する半導体層との格子定数差の低減も可能になる。   By using the group III nitride crystal layer 15 including a plurality of InAlGaN layers, the lattice constant difference between the group III nitride crystal layer 15 and the regions 13 and 17 adjacent to the group III nitride crystal layer 15 is reduced. it can. Therefore, in the nitride-based semiconductor element 11, not only the offset voltage but also the lattice constant difference between the group III nitride crystal layer 15 and the semiconductor layer adjacent to this layer can be reduced.

或いは、III族窒化物結晶層15は、図2(b)に示されるように、構成元素の組成に傾斜を有するIII族窒化物層14を含むことができる。ガリウムの原子半径より小さい元素、例えば構成元素のアルミニウムの組成が、酸化ガリウム基板13から半導体積層(窒化ガリウム半導体層)17への方向に小さくなるとき、同方向にIII族窒化物層14のバンドギャップが小さくなる。また、ガリウムの原子半径より大きな元素、例えば構成元素のインジウムの組成が酸化ガリウム基板13から半導体積層(窒化ガリウム半導体層)17への方向に大きくなるとき、同方向にIII族窒化物層14のバンドギャップが小さくなる。単一の構成元素に対して組成傾斜を行うことが簡便である。III族窒化物層14が複数のIII族構成元素を含むとき、一または複数の構成元素に対して組成傾斜を適用できる。   Alternatively, the group III nitride crystal layer 15 can include a group III nitride layer 14 having a gradient in the composition of the constituent elements, as shown in FIG. When the composition of an element smaller than the atomic radius of gallium, for example, aluminum as a constituent element, decreases in the direction from the gallium oxide substrate 13 to the semiconductor stack (gallium nitride semiconductor layer) 17, the band of the group III nitride layer 14 in the same direction. The gap becomes smaller. Further, when the composition of an element larger than the atomic radius of gallium, for example, indium as a constituent element, increases in the direction from the gallium oxide substrate 13 to the semiconductor stack (gallium nitride semiconductor layer) 17, the group III nitride layer 14 in the same direction. Band gap is reduced. It is convenient to perform a composition gradient on a single constituent element. When the group III nitride layer 14 includes a plurality of group III constituent elements, a composition gradient can be applied to one or a plurality of constituent elements.

III族窒化物結晶層15は、傾斜組成を有するInAlGaN層を含むことができる。このInAlGaN層のバンドギャップは酸化ガリウム基板13から半導体積層(窒化ガリウム半導体層)17への方向に小さくなる。III族窒化物結晶層15が組成傾斜のInAlGaN層を含むので、III族窒化物結晶層15とこの層に隣接する領域13、17との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子11において、オフセット電圧及び格子定数差の低減も可能になる。   The group III nitride crystal layer 15 can include an InAlGaN layer having a gradient composition. The band gap of the InAlGaN layer decreases in the direction from the gallium oxide substrate 13 to the semiconductor stack (gallium nitride semiconductor layer) 17. Since group III nitride crystal layer 15 includes an InAlGaN layer having a composition gradient, the difference in lattice constant between group III nitride crystal layer 15 and regions 13 and 17 adjacent to this layer can be reduced. Therefore, in this nitride semiconductor device 11, the offset voltage and the lattice constant difference can be reduced.

再び図1を参照すると、窒化物系半導体素子11では、半導体積層17は、活性層27及びp型窒化ガリウム系半導体層29を含むことができる。酸化ガリウム基板13は導電性を有し、酸化ガリウムへのドーパントの添加により、酸化ガリウム基板13はn導電性を示す。活性層27は、GaN半導体層25とp型窒化ガリウム系半導体層29との間に設けられる。当該窒化物系半導体素子11は、本実施例では、電流の印加に応答して発光する発光素子である。半導体積層17はIII族窒化物結晶層15と活性層27との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層(本実施例では、GaN層25及びInGaN層31)を含む。必要な場合には、半導体積層17はp型窒化ガリウム系半導体層29と活性層27との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層(本実施例では、アンドープGaN層33)を含むことができる。本実施例では、GaN半導体層25は、酸化ガリウム基板13と活性層25との間に設けられる。この窒化物系半導体素子11は、酸化ガリウムとこの上に設けられた窒化ガリウム系半導体からなる半導体積層との間におけるオフセット電圧を低減でき、また例えば発光素子に適用可能である。   Referring to FIG. 1 again, in the nitride semiconductor device 11, the semiconductor stack 17 may include an active layer 27 and a p-type gallium nitride semiconductor layer 29. The gallium oxide substrate 13 has conductivity, and the gallium oxide substrate 13 exhibits n conductivity by addition of a dopant to gallium oxide. The active layer 27 is provided between the GaN semiconductor layer 25 and the p-type gallium nitride semiconductor layer 29. In the present embodiment, the nitride-based semiconductor element 11 is a light emitting element that emits light in response to application of current. The semiconductor multilayer 17 includes one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers (in this embodiment, a GaN layer 25 and an InGaN layer 31) provided between the group III nitride crystal layer 15 and the active layer 27. If necessary, the semiconductor stack 17 includes one or a plurality of gallium nitride semiconductor layers (undoped GaN layer 33 in this embodiment) provided between the p-type gallium nitride semiconductor layer 29 and the active layer 27. Can be included. In this embodiment, the GaN semiconductor layer 25 is provided between the gallium oxide substrate 13 and the active layer 25. This nitride-based semiconductor element 11 can reduce an offset voltage between gallium oxide and a semiconductor stack made of a gallium nitride-based semiconductor provided thereon, and can be applied to, for example, a light-emitting element.

窒化物系半導体素子11では、活性層27は、例えば単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有することができる。多重量子井戸構造は、交互は配列された障壁層27a及び井戸層27bを含む。井戸層27bは、構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体、例えばInGaN、InAlGaN等からなることができ、障壁層27aは窒化ガリウム系半導体、例えばGaN、InGaN、InAlGaN等からなることができる。p型窒化ガリウム系半導体層29は、電子ブロック層29a、p型窒化ガリウム系半導体層29b、及びp型コンタクト層29cを含むことができる。   In the nitride semiconductor device 11, the active layer 27 can have, for example, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure. The multiple quantum well structure includes alternately arranged barrier layers 27a and well layers 27b. The well layer 27b can be made of a gallium nitride semiconductor containing indium as a constituent element, such as InGaN, InAlGaN, or the like, and the barrier layer 27a can be made of a gallium nitride semiconductor, such as GaN, InGaN, InAlGaN, or the like. The p-type gallium nitride based semiconductor layer 29 can include an electron block layer 29a, a p-type gallium nitride based semiconductor layer 29b, and a p-type contact layer 29c.

図3は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを形成する方法、及び半導体素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。図4は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハのための酸化ガリウム基板を示す図面である。図5は、III族窒化物層の成長及び半導体積層の成長のためのシーケンスを示す図面である。図6及び図7は、本実施の形態に係る形成方法及び作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。   FIG. 3 is a drawing showing the main steps of a method for forming an epitaxial wafer and a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 4 is a view showing a gallium oxide substrate for an epitaxial wafer according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram illustrating a sequence for growing a group III nitride layer and a semiconductor stack. 6 and 7 are drawings schematically showing main steps of the forming method and the manufacturing method according to the present embodiment.

図3に示される工程フローの工程S101では、酸化ガリウム基板を準備する。図4(a)を参照すると、酸化ガリウムウエハといった基板41が示される。酸化ガリウム基板41は主面41a及び裏面41bを含む。この酸化ガリウムウエハは、例えばβ−Ga単結晶からなる。酸化ガリウムウエハは、表面と表面に反対側の裏面とを含み、表面及び裏面は互いに平行である。基板41の主面41aは、例えば単斜晶系酸化ガリウムの(100)面である。この主面41aは、(100)面に対して例えば1度以下の角度で傾斜することができる。図4(a)には、結晶座標系CRが示されており、結晶座標系CRはa軸、b軸及びc軸を有する。 In step S101 of the process flow shown in FIG. 3, a gallium oxide substrate is prepared. Referring to FIG. 4 (a), a substrate 41 such as a gallium oxide wafer is shown. The gallium oxide substrate 41 includes a main surface 41a and a back surface 41b. This gallium oxide wafer is made of, for example, β-Ga 2 O 3 single crystal. The gallium oxide wafer includes a front surface and a back surface opposite to the front surface, and the front surface and the back surface are parallel to each other. The main surface 41a of the substrate 41 is, for example, a (100) plane of monoclinic gallium oxide. The main surface 41a can be inclined at an angle of, for example, 1 degree or less with respect to the (100) plane. FIG. 4A shows a crystal coordinate system CR, which has an a-axis, a b-axis, and a c-axis.

図4(b)を参照すると、単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子が示されている。単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子のa軸、b軸及びc軸の格子定数は、それぞれ、1.223nmであり、0.304nm及び0.58nmである。ベクトルVa、Vb、Vcは、それぞれ、a軸、b軸及びc軸の方向を示す。ベクトルVa及びVbは(001)面を規定し、ベクトルVb、Vcは(100)面を規定し、ベクトルVc及びVaは(010)面を規定する。ベクトルVa及びVbの成す角度α及びベクトルVb及びVcの成す角度γは90度であり、ベクトルVc及びVaの成す角度βは103.7度である。ウエハ主面11aの傾斜角AOFFを示すために、図4(b)には、主面41aが一点鎖線で示されている。   Referring to FIG. 4B, a crystal lattice of monoclinic gallium oxide is shown. The lattice constants of the a-axis, b-axis, and c-axis of the monoclinic gallium oxide crystal lattice are 1.223 nm, 0.304 nm, and 0.58 nm, respectively. Vectors Va, Vb, and Vc indicate the directions of the a-axis, b-axis, and c-axis, respectively. The vectors Va and Vb define the (001) plane, the vectors Vb and Vc define the (100) plane, and the vectors Vc and Va define the (010) plane. The angle α formed by the vectors Va and Vb and the angle γ formed by the vectors Vb and Vc are 90 degrees, and the angle β formed by the vectors Vc and Va is 103.7 degrees. In order to show the inclination angle AOFF of the wafer main surface 11a, the main surface 41a is shown by a one-dot chain line in FIG.

工程S102では、成長炉10のサセプタ10a上に基板41を配置する。   In step S102, the substrate 41 is disposed on the susceptor 10a of the growth reactor 10.

工程S103では、図5に示されるシーケンスに従って、酸化ガリウム基板41の主面41a上にIII族窒化物結晶層を形成する。工程S104では、時刻t0において、引き続くIII族窒化物層の成長のための第1の成膜温度TG1に向けて、窒素雰囲気に酸化ガリウム基板41の基板温度の上昇を開始する。時刻t1において、成膜温度TG1に到達する。III族窒化物層の成膜温度TG1における温度は摂氏600度以上であり、摂氏700度以下である。III族窒化物層の成長は、例えば有機金属気相成長(MOVPE)法等で行われる。図6(a)に示されるように、ガスG0を成長炉10に供給しながら、成長炉10内の酸化ガリウム基板41の温度を変更する。ガスG0は、例えば実質的に水素を含まず窒素ガスからなる。成長炉10に供給された窒素に酸化ガリウム基板41が触れているので、水素によって酸化ガリウム基板41が侵されることがない。これ故に、成長炉10に水素を供給するときに比べて、基板温度を高めることができる。酸化ガリウム基板11の基板温度が成膜温度TG1に到達した後に、酸化ガリウム基板41の基板温度を例えば摂氏600度の温度に維持する。   In step S103, a group III nitride crystal layer is formed on the main surface 41a of the gallium oxide substrate 41 according to the sequence shown in FIG. In step S104, at time t0, the substrate temperature of the gallium oxide substrate 41 is started to increase in the nitrogen atmosphere toward the first film formation temperature TG1 for the subsequent growth of the group III nitride layer. At time t1, the film formation temperature TG1 is reached. The temperature at the film formation temperature TG1 of the group III nitride layer is 600 degrees Celsius or more and 700 degrees Celsius or less. The group III nitride layer is grown by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method. As shown in FIG. 6A, the temperature of the gallium oxide substrate 41 in the growth furnace 10 is changed while supplying the gas G0 to the growth furnace 10. The gas G0 is made of, for example, nitrogen gas substantially not containing hydrogen. Since the gallium oxide substrate 41 is in contact with the nitrogen supplied to the growth furnace 10, the gallium oxide substrate 41 is not attacked by hydrogen. Therefore, the substrate temperature can be increased compared to when hydrogen is supplied to the growth reactor 10. After the substrate temperature of the gallium oxide substrate 11 reaches the film formation temperature TG1, the substrate temperature of the gallium oxide substrate 41 is maintained at a temperature of 600 degrees Celsius, for example.

工程S105では、酸化ガリウム基板41が十分に安定した第1の成膜温度TG1になった時刻t2において、図5(b)に示されるように成膜ガスG1を成長炉10に供給して、III族窒化物層43を成長する。工程S105では、時刻t2において、窒素(N)に加えて、有機III族化合物及び窒素原料を成長炉10に供給して、主面41a上にIII族窒化物層43の成長を開始する。III族窒化物層43は、例えばAlGaN、InAlGaNといった、少なくともIII族元素としてAlを含むIII族窒化物からなる。III族窒化物層43がAlGaNからなるとき、成長炉10には、例えば窒素、ガリウム原料(トリメチルガリウム:TMG)、アルミニウム原料(トリメチルアルミニウム:TMA)及び窒素原料(アンモニア:NH)を含む原料ガスG1が供給される。或いは、III族窒化物層43がInAlGaNからなるとき、成長炉10には、例えば窒素、ガリウム原料(トリメチルガリウム:TMG)、インジウム原料(トリメチルインジウム:TMI)、アルミニウム原料(トリメチルアルミニウム:TMA)及び窒素原料(アンモニア:NH)を含む原料ガスG1が供給される。 In step S105, at time t2 when the gallium oxide substrate 41 reaches a sufficiently stable first film formation temperature TG1, a film formation gas G1 is supplied to the growth reactor 10 as shown in FIG. A group III nitride layer 43 is grown. In step S105, at time t2, in addition to nitrogen (N 2 ), an organic group III compound and a nitrogen source are supplied to the growth reactor 10, and growth of the group III nitride layer 43 is started on the main surface 41a. The group III nitride layer 43 is made of a group III nitride containing Al as at least a group III element, such as AlGaN and InAlGaN. When the group III nitride layer 43 is made of AlGaN, the growth reactor 10 includes, for example, a raw material containing nitrogen, a gallium raw material (trimethylgallium: TMG), an aluminum raw material (trimethylaluminum: TMA), and a nitrogen raw material (ammonia: NH 3 ). Gas G1 is supplied. Alternatively, when the group III nitride layer 43 is made of InAlGaN, the growth reactor 10 includes, for example, nitrogen, a gallium source (trimethylgallium: TMG), an indium source (trimethylindium: TMI), an aluminum source (trimethylaluminum: TMA), and A source gas G1 containing a nitrogen source (ammonia: NH 3 ) is supplied.

III族窒化物層43の成膜が開始された後に、工程S105では、有機金属化合物及び窒素原料に加えて水素(H)の供給を開始する。本実施の形態では、時刻t3において水素の供給を開始する。III族窒化物層43がAlGaNからなるとき、時刻t3では、水素、窒素、TMG、TMA及びアンモニアが成長炉10に供給される。この方法によれば、水素の使用により、III族窒化物層43中への不純物の混入が低減される。必要な場合には、水素の供給を開始した後に、窒素の供給量を減少させることができ、またIII族窒化物層43の成長中に窒素の供給を停止することがよい。本実施例では、時刻t3〜t4の間に窒素の供給量を減少して、時刻t4において窒素の供給を停止する。また、時刻t3〜t4の間に水素の供給量を増加して、時刻t4において水素の増加を停止して一定量の水素を供給する。時刻t4では、例えば水素、TMG、TMA及びアンモニアが成長炉10に供給される。これ故に、時刻t3〜t4の期間は、ガスの切り替え期間である。時刻t4〜t5の期間に、例えば水素、TMG、TMA及びアンモニアを成長炉10に供給して、III族窒化物層43の残りを成長する。 After the film formation of the group III nitride layer 43 is started, in step S105, supply of hydrogen (H 2 ) is started in addition to the organometallic compound and the nitrogen raw material. In this embodiment, supply of hydrogen is started at time t3. When the group III nitride layer 43 is made of AlGaN, hydrogen, nitrogen, TMG, TMA, and ammonia are supplied to the growth reactor 10 at time t3. According to this method, the use of hydrogen reduces the contamination of impurities into the group III nitride layer 43. If necessary, the supply amount of nitrogen can be decreased after the supply of hydrogen is started, and the supply of nitrogen is preferably stopped during the growth of the group III nitride layer 43. In this embodiment, the supply amount of nitrogen is reduced between times t3 and t4, and the supply of nitrogen is stopped at time t4. Further, the supply amount of hydrogen is increased between times t3 and t4, and the increase in hydrogen is stopped at time t4 to supply a certain amount of hydrogen. At time t4, for example, hydrogen, TMG, TMA, and ammonia are supplied to the growth reactor 10. Therefore, the period from time t3 to t4 is a gas switching period. During the period from time t4 to time t5, for example, hydrogen, TMG, TMA, and ammonia are supplied to the growth reactor 10, and the remainder of the group III nitride layer 43 is grown.

この方法によれば、III族窒化物層43の成長の開始前には水素を成長炉10aに供給することなくIII族窒化物層43の成長途中で水素の供給を開始するので、水素を含む雰囲気に酸化ガリウム基板41が直接にさらされることを防ぐことができる。III族窒化物層43の成長開始時点及び成長初期では成長炉10aは窒素雰囲気であるので、III族窒化物層43の成膜を摂氏600度以上の温度で行うことができる。III族窒化物層43の成長の途中で成長炉10aへの水素の供給を開始するので、III族窒化物層43の品質が向上される。また、III族窒化物層43の成長温度が摂氏700度以下であることができる。III族窒化物層43と基板41との反応、あるいはIII族窒化物層43の成膜時における基板へのダメージを防ぐためである。   According to this method, since the supply of hydrogen is started during the growth of the group III nitride layer 43 without supplying hydrogen to the growth reactor 10a before the start of the growth of the group III nitride layer 43, the hydrogen is contained. It is possible to prevent the gallium oxide substrate 41 from being directly exposed to the atmosphere. Since the growth furnace 10a is in a nitrogen atmosphere at the start of growth of the group III nitride layer 43 and at the beginning of growth, the group III nitride layer 43 can be formed at a temperature of 600 ° C. or more. Since the supply of hydrogen to the growth furnace 10a is started during the growth of the group III nitride layer 43, the quality of the group III nitride layer 43 is improved. Further, the growth temperature of the group III nitride layer 43 may be 700 degrees Celsius or less. This is to prevent a reaction between the group III nitride layer 43 and the substrate 41 or damage to the substrate during the formation of the group III nitride layer 43.

III族窒化物層43の厚さは1マイクロメートル以上であることができる。この厚さによれば、窒化物層43の表面にピット等の凹凸が生じないからである。また、このIII族窒化物層43上に成長される窒化ガリウム系半導体層の品質も良好になる。III族窒化物層43の厚さは20マイクロメートル以下であることができる。この厚さによれば、窒化ガリウム系半導体の剥がれが生じることがない。   The thickness of the group III nitride layer 43 may be 1 micrometer or more. This is because unevenness such as pits does not occur on the surface of the nitride layer 43 according to this thickness. In addition, the quality of the gallium nitride based semiconductor layer grown on the group III nitride layer 43 is improved. The thickness of the group III nitride layer 43 may be 20 micrometers or less. According to this thickness, peeling of the gallium nitride semiconductor does not occur.

次いで、TMG及びTMAの供給を停止してIII族窒化物層43の成膜が完了した後に、工程S106におけるアニールのための熱処理温度に、酸化ガリウム基板41の基板温度の変更を開始する。時刻t6において、基板温度の上昇を開始する。この温度変更中に、例えば水素及びアンモニアが成長炉10に供給されている。時刻t8において第2の成膜温度TG2に到達する。この後に、酸化ガリウム基板41の基板温度を第2の成膜温度TG2に保つ。   Next, after the supply of TMG and TMA is stopped and the formation of the group III nitride layer 43 is completed, the substrate temperature of the gallium oxide substrate 41 is changed to the heat treatment temperature for annealing in step S106. At time t6, the substrate temperature starts to rise. During this temperature change, for example, hydrogen and ammonia are supplied to the growth furnace 10. At the time t8, the second film formation temperature TG2 is reached. Thereafter, the substrate temperature of the gallium oxide substrate 41 is maintained at the second film formation temperature TG2.

本実施例では、工程S106では、時刻t7〜t8〜t9の期間において、図7(a)に示されるように、酸化ガリウム基板41上に成長されたIII族窒化物層43の熱処理を成長炉10で行って、III族窒化物結晶層43を形成する。この熱処理は、成長温度TG1より高い温度TANで行われ、この熱処理温度は例えば摂氏1000度以上であることができ、また摂氏1100度以下であることができる。熱処理の期間には、例えばアンモニア及び水素を含むガスG2が成長炉10に供給される。III族窒化物層43は比較的低温で成長されたので、熱処理によりの期間に再結晶化が生じることがある。   In this embodiment, in step S106, heat treatment of the group III nitride layer 43 grown on the gallium oxide substrate 41 is performed in the growth furnace as shown in FIG. 7A during the period of time t7 to t8 to t9. 10 to form a group III nitride crystal layer 43. This heat treatment is performed at a temperature TAN higher than the growth temperature TG1, and the heat treatment temperature can be, for example, 1000 degrees Celsius or more, and can be 1100 degrees Celsius or less. During the heat treatment period, for example, a gas G2 containing ammonia and hydrogen is supplied to the growth reactor 10. Since the group III nitride layer 43 is grown at a relatively low temperature, recrystallization may occur during the heat treatment period.

上記の熱処理により、酸化ガリウム基板41の主面41aの全面を覆うようにIII族窒化物結晶層45が形成される。III族窒化物結晶45は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも2種の構成元素を含むIII族窒化物からなる。III族窒化物結晶層45のバンドギャップは、後の工程においてIII族窒化物結晶層45上に成長される半導体積層の最初の半導体層(例えばGaN)のバンドギャップより大きい。III族窒化物結晶層45のバンドギャップは4.8エレクトロンボルトより小さい。   By the heat treatment, a group III nitride crystal layer 45 is formed so as to cover the entire main surface 41a of the gallium oxide substrate 41. The group III nitride crystal 45 is made of a group III nitride containing aluminum as a group III constituent element and containing at least two kinds of constituent elements other than aluminum. The band gap of group III nitride crystal layer 45 is larger than the band gap of the first semiconductor layer (for example, GaN) of the semiconductor stack grown on group III nitride crystal layer 45 in a later step. The band gap of the group III nitride crystal layer 45 is smaller than 4.8 electron volts.

工程S107では、温度変更が完了した後に、成長炉10において、III族窒化物半導体素子のための半導体積層をIII族窒化物結晶層45上に成長して、エピタキシャル基板を形成する。半導体積層は、六方晶系の一又は複数の窒化ガリウム系半導体エピタキシャル層(以下「エピタキシャル層」と記す)47を含む。エピタキシャル層47は、酸化ガリウムのバンドギャップより小さいバンドギャップを有する。また、III族窒化物結晶層45のバンドギャップは酸化ガリウムのバンドギャップとエピタキシャル層47のバンドギャップとの間の値である。   In step S107, after the temperature change is completed, in the growth furnace 10, a semiconductor stack for the group III nitride semiconductor element is grown on the group III nitride crystal layer 45 to form an epitaxial substrate. The semiconductor stack includes one or more hexagonal gallium nitride semiconductor epitaxial layers (hereinafter referred to as “epitaxial layers”) 47. The epitaxial layer 47 has a band gap smaller than that of gallium oxide. The band gap of the group III nitride crystal layer 45 is a value between the band gap of gallium oxide and the band gap of the epitaxial layer 47.

本実施例では、時刻t10〜t11では、水素及びアンモニアに加えて、成長されるべきエピタキシャル層15のIII族構成元素のための有機III族元素原料ガスを含む原料G3を成長炉10に供給する。この成膜は、第2の成膜温度TG2で行われる。本実施例では、TMGといった有機III族元素原料ガスG2を供給して、窒化ガリウム層をIII族窒化物結晶層45上に成長する。このGaN層のバンドギャップは、酸化ガリウムのバンドギャップより小さい。また、III族窒化物結晶層45のバンドギャップは酸化ガリウムのバンドギャップとGaN層のバンドギャップとの間の値である。これ故に、酸化ガリウムのバンドギャップとGaN層のバンドギャップとのバンドギャップ差は大きいけれども、III族窒化物結晶層45と酸化ガリウム基板41とのヘテロ接合、及びIII族窒化物結晶層45とGaN層とのヘテロ接合を利用して、III族窒化物結晶層45は当該半導体素子のオフセット電圧の低減に寄与できる。   In this embodiment, at times t10 to t11, in addition to hydrogen and ammonia, a raw material G3 containing an organic group III element source gas for a group III constituent element of the epitaxial layer 15 to be grown is supplied to the growth reactor 10. . This film formation is performed at the second film formation temperature TG2. In this embodiment, an organic group III element source gas G 2 such as TMG is supplied to grow a gallium nitride layer on the group III nitride crystal layer 45. The band gap of this GaN layer is smaller than that of gallium oxide. The band gap of the group III nitride crystal layer 45 is a value between the band gap of gallium oxide and the band gap of the GaN layer. Therefore, although the band gap difference between the band gap of gallium oxide and the band gap of the GaN layer is large, the heterojunction between the group III nitride crystal layer 45 and the gallium oxide substrate 41, and the group III nitride crystal layer 45 and GaN. By utilizing the heterojunction with the layer, the group III nitride crystal layer 45 can contribute to the reduction of the offset voltage of the semiconductor element.

半導体積層は、例えばGaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等といった六方晶系のIII族窒化物層からなる。半導体積層の膜厚は、例えば1マイクロメートル以上であることができる。また、半導体積層の膜厚は、20マイクロメートル以下であることができる。半導体積層のエピタキシャル層47がGaNからなるとき、成長炉10には、トリメチルガリウム(TMG)及びアンモニアを含む原料ガスG3が供給される。GaNの成長温度は、例えば摂氏900度以上摂氏1200度以下であることができる。AlGaNの成長温度は、例えば摂氏900度以上摂氏1300度以下であることができる。InGaNの成長温度は、例えば摂氏600度以上摂氏1000度以下であることができる。InAlGaNの成長温度は、例えば摂氏600度以上摂氏1200度以下であることができる。   The semiconductor stack is composed of a hexagonal group III nitride layer such as GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN, or the like. The film thickness of the semiconductor stack can be, for example, 1 micrometer or more. Further, the film thickness of the semiconductor stack can be 20 micrometers or less. When the semiconductor laminated epitaxial layer 47 is made of GaN, the growth reactor 10 is supplied with a source gas G3 containing trimethylgallium (TMG) and ammonia. The growth temperature of GaN can be, for example, 900 degrees Celsius or more and 1200 degrees Celsius or less. The growth temperature of AlGaN can be, for example, 900 degrees Celsius or higher and 1300 degrees Celsius or lower. The growth temperature of InGaN can be, for example, not less than 600 degrees Celsius and not more than 1000 degrees Celsius. The growth temperature of InAlGaN can be, for example, 600 degrees Celsius or more and 1200 degrees Celsius or less.

また、半導体積層は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する少なくとも一つの半導体層を含み、該半導体層は、アンドープ、p型ドーパント添加、及びn型ドーパントであることができる。半導体積層のエピタキシャル層にp導電性またはn導電性を付与するために、エピタキシャル層15を成長する際に、原料ガスに加えてドーパントガスを供給する。ドーパントとしては、p型導電性のためにシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)を用い、n型導電性のためにシラン(例えばSiH)を用いることができる。 Also, the semiconductor stack includes at least one semiconductor layer constituting a gallium nitride based semiconductor device, and the semiconductor layer can be undoped, p-type dopant added, and n-type dopant. In order to impart p conductivity or n conductivity to the epitaxial layer of the semiconductor stack, a dopant gas is supplied in addition to the source gas when the epitaxial layer 15 is grown. As the dopant, cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) can be used for p-type conductivity, and silane (eg, SiH 4 ) can be used for n-type conductivity.

また、酸化ガリウム基板41の主面41aが実質的に(100)面であるとき、この方法によれば、酸化ガリウム基板41上に成長される窒化ガリウム系半導体はほぼc面の表面を有する。   When the main surface 41a of the gallium oxide substrate 41 is substantially a (100) plane, according to this method, the gallium nitride based semiconductor grown on the gallium oxide substrate 41 has a substantially c-plane surface.

単結晶の酸化ガリウム基板41では、III族窒化物結晶層におけるa軸の格子定数は酸化ガリウム基板41におけるb軸の格子定数とGaNにおけるa軸の格子定数との間にある。このIII族窒化物結晶層45の適用により、III族窒化物結晶層45と該III族窒化物結晶層45に隣接する領域47との間の格子定数差を小さくできる。これ故に、この窒化物系半導体素子のオフセット電圧だけでなく、格子定数差の低減も可能になる。   In the single crystal gallium oxide substrate 41, the a-axis lattice constant in the group III nitride crystal layer is between the b-axis lattice constant in the gallium oxide substrate 41 and the a-axis lattice constant in GaN. By applying the group III nitride crystal layer 45, the difference in lattice constant between the group III nitride crystal layer 45 and the region 47 adjacent to the group III nitride crystal layer 45 can be reduced. Therefore, not only the offset voltage of this nitride-based semiconductor element but also the lattice constant difference can be reduced.

窒化物系半導体素子が発光素子(例えば、発光ダイオード等)であるとき、III族窒化物結晶層45上に成長されるエピタキシャル層は第1導電型を有している。この第1導電型エピタキシャル層は、例えばn型GaN、n型AlGaN、n型InAlGaN等といった六方晶系のIII族窒化物からなる。第1導電型エピタキシャル層がGaN、AlGaN、InAlGaN等からなるときは、成長炉10には、水素、TMG、アンモニア及びシランを含む原料ガスを供給して、n型GaN膜を成長する。第1導電型エピタキシャル層がGaNからなるとき、第1導電型エピタキシャル層の成長温度は例えば摂氏900度以上摂氏1200度以下の範囲になり、第1導電型エピタキシャル層は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する半導体層である。次いで、第1導電型エピタキシャル層上に活性層を形成する。活性層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含む。井戸層は、例えばGaN、InGaN、InAlGaN等からなる。障壁層は、例えばGaN、InGaN、InAlGaN等からなる。井戸層の成長温度は、例えば摂氏500度以上摂氏900度以下の範囲にあり、障壁層の成長温度は、例えば摂氏550度以上摂氏950度以下の範囲にある。この後に、第2導電型エピタキシャル層を活性層上に形成する。第2導電型エピタキシャル層は、例えばp型電子ブロック層及びp型コンタクト層を含むことができる。第2導電型エピタキシャル層がGaN、AlGaN、InAlGaNからなるとき、第2導電型エピタキシャル層の成長温度は例えば摂氏1000度である。   When the nitride-based semiconductor element is a light-emitting element (for example, a light-emitting diode), the epitaxial layer grown on the group III nitride crystal layer 45 has the first conductivity type. The first conductivity type epitaxial layer is made of hexagonal group III nitride such as n-type GaN, n-type AlGaN, n-type InAlGaN, or the like. When the first conductivity type epitaxial layer is made of GaN, AlGaN, InAlGaN, or the like, a source gas containing hydrogen, TMG, ammonia and silane is supplied to the growth furnace 10 to grow an n-type GaN film. When the first conductivity type epitaxial layer is made of GaN, the growth temperature of the first conductivity type epitaxial layer is in a range of, for example, 900 degrees Celsius or more and 1200 degrees Celsius or less, and the first conductivity type epitaxial layer includes a gallium nitride based semiconductor device. It is a semiconductor layer to constitute. Next, an active layer is formed on the first conductivity type epitaxial layer. The active layer includes well layers and barrier layers arranged alternately. The well layer is made of, for example, GaN, InGaN, InAlGaN, or the like. The barrier layer is made of, for example, GaN, InGaN, InAlGaN, or the like. The growth temperature of the well layer is, for example, in the range of 500 degrees Celsius or more and 900 degrees Celsius or less, and the growth temperature of the barrier layer is, for example, in the range of 550 degrees Celsius or more and 950 degrees Celsius or less. Thereafter, a second conductivity type epitaxial layer is formed on the active layer. The second conductivity type epitaxial layer can include, for example, a p-type electron block layer and a p-type contact layer. When the second conductivity type epitaxial layer is made of GaN, AlGaN, or InAlGaN, the growth temperature of the second conductivity type epitaxial layer is, for example, 1000 degrees Celsius.

これまでの窒化ガリウム系半導体の堆積により、エピタキシャル基板が得られる。   An epitaxial substrate can be obtained by the conventional deposition of a gallium nitride based semiconductor.

再び図3を参照すると、次いで、工程S108では、エピタキシャル基板上に第1及び第2の電極を形成する。例えば、エピタキシャルウエハの半導体積層の上面に第1の電極を形成すると共に、エピタキシャルウエハの裏面上に第2の電極を形成する。これらの工程により、窒化ガリウム系半導体発光デバイスのための基板生産物が作製される。この方法によれば、酸化ガリウム基板41上に、半導体発光素子、そのための基板生産物及びそのためのエピタキシャル基板を作製できる。   Referring again to FIG. 3, in step S108, first and second electrodes are formed on the epitaxial substrate. For example, the first electrode is formed on the upper surface of the semiconductor stack of the epitaxial wafer, and the second electrode is formed on the rear surface of the epitaxial wafer. Through these steps, a substrate product for a gallium nitride based semiconductor light emitting device is produced. According to this method, a semiconductor light emitting device, a substrate product therefor, and an epitaxial substrate therefor can be produced on the gallium oxide substrate 41.

この方法によれば、酸化ガリウム基板41の主面41aの全面を覆うように上記の成長温度でIII族窒化物層43を成長すると共にこの成長温度より高い温度でIII族窒化物層43の熱処理を行ってIII族窒化物結晶層45を形成する。この後に、窒化物系半導体素子のための半導体積層をIII族窒化物結晶層45上に成長する。III族窒化物結晶層45のバンドギャップは窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、また4.8エレクトロンボルトより小さい。これ故に、窒化物系半導体素子の製造において、酸化ガリウム基板41とこれより小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム半導体を酸化ガリウム基板41上に形成することに起因するオフセット電圧を低減可能になる。   According to this method, the group III nitride layer 43 is grown at the above growth temperature so as to cover the entire main surface 41a of the gallium oxide substrate 41, and the group III nitride layer 43 is heat-treated at a temperature higher than this growth temperature. To form a group III nitride crystal layer 45. Thereafter, a semiconductor stack for the nitride-based semiconductor element is grown on the group III nitride crystal layer 45. The band gap of the group III nitride crystal layer 45 is larger than the band gap of the gallium nitride semiconductor layer and smaller than 4.8 electron volts. Therefore, in the manufacture of the nitride-based semiconductor element, it is possible to reduce the offset voltage caused by forming the gallium oxide substrate 41 and the gallium nitride semiconductor having a smaller band gap on the gallium oxide substrate 41.

(実施例1)
酸化ガリウム基板とGaNエピタキシャル層の間に、AlGa1−ZN(0<Z<0.5)層を挟んだデバイス構造を用いて、デバイスシミュレーションを行った。図8(a)は、デバイスシミュレーションのためのデバイス構造を示す図面である。デバイス構造は、Z軸及び動径Rによる円柱座標を用いて規定されている。シミュレーションのためのデバイスは、基板(厚さ10マイクロメートル、キャリア濃度5×1018cm−3)、この基板上のAlGaN層、及びAlGaN層上のGaN層(厚さ5マイクロメートル、キャリア濃度5×1018cm−3)を含み、半径15マイクロメートルの円柱形である。基板の裏面にはカソードが設けられ、GaN層上にはアノードが設けられる。このダイオード構造のモデルを用いて、AlGa1−ZN(0<Z<0.5)層の様々なAl組成と順方向電圧Vfとの関係を計算した。
Example 1
Between the gallium oxide substrate and the GaN epitaxial layer, using the Al Z Ga 1-Z N device structure sandwiching a (0 <Z <0.5) layer was performed device simulations. FIG. 8A shows a device structure for device simulation. The device structure is defined using cylindrical coordinates based on the Z axis and the radius R. A device for simulation includes a substrate (thickness 10 micrometers, carrier concentration 5 × 10 18 cm −3 ), an AlGaN layer on the substrate, and a GaN layer (thickness 5 micrometers, carrier concentration 5 on the AlGaN layer). × 10 18 cm −3 ) and a cylindrical shape with a radius of 15 micrometers. A cathode is provided on the back surface of the substrate, and an anode is provided on the GaN layer. Using a model of the diode structure was calculated the relationship between the Al Z Ga 1-Z N ( 0 <Z <0.5) different Al composition and the forward voltage Vf of the layer.

図8(b)は、Al組成と順方向電圧Vfとの関係を表すデバイスシミュレーション結果を示す図面である。
Al組成、順方向電圧Vf
0.0、0.525
0.1、0.38
0.2、0.28
0.3、0.27
0.4、0.35
0.5、0.525。
Al組成(0.1≦Z≦0.4)における順方向電圧は、Al組成がゼロ及び0.5における順方向電圧に比べて小さくなる。また、Al組成(0.2≦Z≦0.3)における順方向電圧は、Al組成0.1及び0.4における順方向電圧に比べて小さくなる。この結果、Al組成(0.2≦Z≦0.3)のAlGaNからなるIII族窒化物結晶層を用いるとき、そのオフセット電圧は、酸化ガリウムとGaN層との直接接触に比べて半分程度にまで低減される。また、GaNと酸化ガリウムとの間に、バンドギャップを階段状にゆるやかに変化させる階段状の組成変化のAlGaN、InAlGaNを挟んでも、オフセット電圧を低減できる。
FIG. 8B is a diagram showing a device simulation result representing the relationship between the Al composition and the forward voltage Vf.
Al composition, forward voltage Vf
0.0, 0.525
0.1, 0.38
0.2, 0.28
0.3, 0.27
0.4, 0.35
0.5, 0.525.
The forward voltage at the Al composition (0.1 ≦ Z ≦ 0.4) is smaller than the forward voltage when the Al composition is zero and 0.5. Further, the forward voltage in the Al composition (0.2 ≦ Z ≦ 0.3) is smaller than the forward voltage in the Al compositions 0.1 and 0.4. As a result, when a group III nitride crystal layer made of AlGaN having an Al composition (0.2 ≦ Z ≦ 0.3) is used, the offset voltage is about half that of the direct contact between the gallium oxide and the GaN layer. Reduced to. The offset voltage can also be reduced by sandwiching AlGaN or InAlGaN having a step-like composition change that gradually changes the band gap stepwise between GaN and gallium oxide.

GaN(バンドギャップ:3.4eV)エピタキシャル成長膜とGa(バンドギャップ:4.8eV)基板との間に上記のAlGaN(バンドギャップEg:3.4eV<Eg<4.8eV)を介在させることによって、GaN(3.4eV)エピタキシャル成長膜とGa(4.8eV)基板との間に生じるオフセット電圧を低減できる。 The above AlGaN (band gap Eg: 3.4 eV <Eg <4.8 eV) is interposed between the GaN (band gap: 3.4 eV) epitaxial growth film and the Ga 2 O 3 (band gap: 4.8 eV) substrate. Thus, the offset voltage generated between the GaN (3.4 eV) epitaxial growth film and the Ga 2 O 3 (4.8 eV) substrate can be reduced.

III族窒化物結晶層は単一膜又は多層膜からなることができる。III族窒化物結晶層は、単一膜では実質的に単一の組成を成すことができ、或いはIII族窒化物結晶層は一又は複数の構成元素に傾斜組成を成すことができる。これ故に、III族窒化物結晶層は、階段状もしくはスロープ状のバンドギャップを有することができる。例えば、3.4eV≦Eg≦4.8eVの範囲で階段状もしくはスロープ状に変化するバンドギャップを有する三元又は四元混晶を用いることができる。III族窒化物結晶層は、例えばAl及びInの少なくともいずれか一方の組成が単調に変化するInAlGaN、又はAl及びInの少なくともいずれか一方の徐々に変化するInAlGaNを含むことができる。InAlGaN多層膜は、Ga基板に近い層ほど高いバンドギャップとなると共に半導体層(例えばGaN層)に近い層ほど低いバンドギャップとなる多層構造を有する。AlGaNのAl組成が0.5程度であるとき、AlGaNのバンドギャップは、酸化ガリウムのバンドギャップと同程度になる。また、アンドープのInAlGaNは高抵抗であるので、基板の導電性を活かすためには、InAlGaNにn型ドーピングにすることが良い。逆方向耐電圧は比較的大きいままであるため、GaNエピタキシャル成長膜の上にLED構造を作製する場合、n電極はエピタキシャル膜ではなく酸化ガリウム基板にとることが良い。 The group III nitride crystal layer can be composed of a single film or a multilayer film. The group III nitride crystal layer can have a substantially single composition in a single film, or the group III nitride crystal layer can have a graded composition of one or more constituent elements. Therefore, the group III nitride crystal layer can have a stepped or sloped band gap. For example, a ternary or quaternary mixed crystal having a band gap that changes stepwise or slopes in the range of 3.4 eV ≦ Eg ≦ 4.8 eV can be used. The group III nitride crystal layer can include, for example, InAlGaN in which the composition of at least one of Al and In changes monotonously or InAlGaN in which at least one of Al and In changes gradually. The InAlGaN multilayer film has a multilayer structure in which a layer closer to a Ga 2 O 3 substrate has a higher band gap and a layer closer to a semiconductor layer (for example, a GaN layer) has a lower band gap. When the Al composition of AlGaN is about 0.5, the band gap of AlGaN is about the same as the band gap of gallium oxide. In addition, since undoped InAlGaN has a high resistance, it is preferable to use n-type doping in InAlGaN in order to make use of the conductivity of the substrate. Since the reverse withstand voltage remains relatively large, when an LED structure is formed on the GaN epitaxial growth film, the n-electrode is preferably a gallium oxide substrate rather than an epitaxial film.

(実施例2)
図9(a)に示されるような構造のダイオードを電子デバイスの一例として作製した。このダイオードは、n型酸化ガリウム基板(厚さ400マイクロメートル)上にIII族窒化物結晶層(厚さ10nm)を介して、n型GaN層(厚さ3マイクロメートル)を成長した。この酸化ガリウム基板の裏面にはカソード電極を形成し、n型GaN層の表面にアノード電極(ショットキ電極)を形成した。図9(b)のダイオードは、厚さ400マイクロメートルのn型酸化ガリウム基板上にAl0.22Ga0.78N層を介して厚さ3マイクロメートルのn型GaN層を成長した。図9(c)のダイオードは、n型酸化ガリウム基板(厚さ400マイクロメートル)上にAlN層(厚さ10nm)を介してn型GaN層(厚さ3マイクロメートル)を成長した。図9(c)のダイオードのオフセット電圧は、図9(b)のダイオードに比べて0.3ボルト程度に低減された。これらの測定において、オフセット電圧を近似直線の電圧軸との交点によって規定した。
(Example 2)
A diode having a structure as shown in FIG. 9A was manufactured as an example of an electronic device. In this diode, an n-type GaN layer (thickness 3 μm) was grown on an n-type gallium oxide substrate (thickness 400 μm) via a group III nitride crystal layer (thickness 10 nm). A cathode electrode was formed on the back surface of the gallium oxide substrate, and an anode electrode (Schottky electrode) was formed on the surface of the n-type GaN layer. In the diode of FIG. 9B, an n-type GaN layer having a thickness of 3 μm was grown on an n-type gallium oxide substrate having a thickness of 400 μm via an Al 0.22 Ga 0.78 N layer. In the diode of FIG. 9C, an n-type GaN layer (thickness 3 μm) was grown on an n-type gallium oxide substrate (thickness 400 μm) via an AlN layer (thickness 10 nm). The offset voltage of the diode of FIG. 9C was reduced to about 0.3 volts compared to the diode of FIG. 9B. In these measurements, the offset voltage was defined by the intersection with the voltage axis of the approximate line.

(実施例3)
Ga基板上にInAlGaN層を成長して、LED構造のエピタキシャル積層を以下の成長シーケンスを用いて作製した。有機金属気相成長(MOVPE)装置内にGa基板をセットする。成長装置に窒素雰囲気中を形成した後に、摂氏600度〜摂氏700度(好ましくは摂氏600度)の温度に基板温度を上昇する。基板温度が安定した後に、窒素ガスと共に、原料ガスの一つであるアンモニアを成長装置に供給し始める。さらに、窒素ガス及びアンモニアと共に、III族原料TMA、TMI及びTMGを成長装置に供給して、InAlGaN層を成長し始める。成長開始の後に、V族及びIII族の原料ガスを供給しながら、雰囲気ガスを窒素から水素に切り替える。そして、引き続きInAlGaN層を成長する。これにより、基板のGaが水素によりエッチングされることを避けることができる。成膜の初期にのみ窒素雰囲気を用いることにより、比較的高温でもGa基板を保護しながら、III族窒化物層を成長できる。窒素ガス及びアンモニアを流し続けると共に、TMA、TMI及びTMGの供給を停止して、InAlGaN層の成長を終了する。このInAlGaN層は比較的低温で成長されるので、結晶性が十分には良くないことがある。この基板温度を摂氏1000度〜摂氏1100度の範囲のアニール温度でInAlGaN層を再結晶化する。成長装置にアンモニア及びTMGを供給して、再結晶化されたInAlGaN層上にGaNエピタキシャル膜の成膜を行う。この上に、発光素子のためのエピタキシャル成長又は縦型電子デバイスのためのエピタキシャル成長を行う。Ga基板(バンドギャップ4.8eV)とGaN(バンドギャップ3.4eV)エピタキシャル膜との間のオフセット電圧が0.5ボルト以下、或いは0.3ボルト以下であることができ、更に良好な特性では、0.2〜0.1ボルト以下であることができる。
(Example 3)
An InAlGaN layer was grown on a Ga 2 O 3 substrate to produce an epitaxial stack of LED structures using the following growth sequence. A Ga 2 O 3 substrate is set in a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) apparatus. After forming the nitrogen atmosphere in the growth apparatus, the substrate temperature is raised to a temperature of 600 degrees Celsius to 700 degrees Celsius (preferably 600 degrees Celsius). After the substrate temperature is stabilized, ammonia that is one of the source gases is supplied to the growth apparatus together with the nitrogen gas. Further, the group III raw materials TMA, TMI and TMG are supplied to the growth apparatus together with nitrogen gas and ammonia to start growing the InAlGaN layer. After the start of growth, the atmosphere gas is switched from nitrogen to hydrogen while supplying group V and group III source gases. Subsequently, an InAlGaN layer is grown. Thereby, it can be avoided that Ga 2 O 3 of the substrate is etched by hydrogen. By using the nitrogen atmosphere only at the initial stage of film formation, the group III nitride layer can be grown while protecting the Ga 2 O 3 substrate even at a relatively high temperature. While continuing to flow nitrogen gas and ammonia, the supply of TMA, TMI and TMG is stopped, and the growth of the InAlGaN layer is completed. Since this InAlGaN layer is grown at a relatively low temperature, the crystallinity may not be sufficiently good. The InAlGaN layer is recrystallized at an annealing temperature ranging from 1000 degrees Celsius to 1100 degrees Celsius. Ammonia and TMG are supplied to the growth apparatus, and a GaN epitaxial film is formed on the recrystallized InAlGaN layer. On top of this, epitaxial growth for a light emitting element or epitaxial growth for a vertical electronic device is performed. The offset voltage between the Ga 2 O 3 substrate (band gap 4.8 eV) and GaN (band gap 3.4 eV) epitaxial film can be 0.5 volts or less, or 0.3 volts or less, and even better The characteristic can be 0.2 to 0.1 volts or less.

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば発光ダイオードといった窒化物半導体発光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、窒化物半導体素子として窒化物半導体発光素子について例示的に説明しているけれども、窒化物半導体素子は、例えば縦型トランジスタ(例えば縦型電界効果トランジスタ又は縦型HEMT等)及び縦型ダイオード(例えば縦型pnダイオード又は縦型ショットキダイオード等)といった窒化物電子デバイスであることもできる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. Although the nitride semiconductor light emitting element such as a light emitting diode has been described in the present embodiment, the present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. In this embodiment, a nitride semiconductor light emitting element is described as an example of a nitride semiconductor element. However, a nitride semiconductor element is, for example, a vertical transistor (for example, a vertical field effect transistor or a vertical HEMT). ) And vertical diodes (such as vertical pn diodes or vertical Schottky diodes). We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

10…成長炉、10a…サセプタ、11…窒化物系半導体素子、13…酸化ガリウム基板、14…組成傾斜のIII族窒化物層、15…III族窒化物結晶層、16a、16b、16c、16d、16e、16f…III族窒化物膜、17…半導体積層、19…第1の電極、21…第2の電極、13a…酸化ガリウム基板主面、13b…酸化ガリウム基板裏面、23a、23b…ヘテロ接合(界面)、25…GaN半導体層、27…活性層、29…p型窒化ガリウム系半導体層、31…InGaN層、33…アンドープGaN層、27a…障壁層、27b…井戸層、29a…電子ブロック層、29b…p型窒化ガリウム系半導体層、29c…p型コンタクト層、41…酸化ガリウム基板、41a…酸化ガリウム基板主面、41b…酸化ガリウム基板裏面、43…III族窒化物層、45…III族窒化物結晶、47…エピタキシャル層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Growth furnace, 10a ... Susceptor, 11 ... Nitride type | system | group semiconductor element, 13 ... Gallium oxide board | substrate, 14 ... Group III nitride layer of composition inclination, 15 ... Group III nitride crystal layer, 16a, 16b, 16c, 16d 16e, 16f ... Group III nitride film, 17 ... Semiconductor stack, 19 ... First electrode, 21 ... Second electrode, 13a ... Main surface of gallium oxide substrate, 13b ... Back surface of gallium oxide substrate, 23a, 23b ... Hetero Junction (interface), 25 ... GaN semiconductor layer, 27 ... active layer, 29 ... p-type gallium nitride semiconductor layer, 31 ... InGaN layer, 33 ... undoped GaN layer, 27a ... barrier layer, 27b ... well layer, 29a ... electrons Block layer, 29b ... p-type gallium nitride based semiconductor layer, 29c ... p-type contact layer, 41 ... gallium oxide substrate, 41a ... gallium oxide substrate main surface, 41b ... gallium oxide substrate back surface, 3 ... III nitride layer, 45 ... III nitride crystal, 47 ... epitaxial layer

Claims (19)

主面及び裏面を有する導電性の酸化ガリウム基板と、
前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うIII族窒化物結晶層と、
前記III族窒化物結晶層とヘテロ接合を成しており、窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層と、
前記半導体積層上に設けられた第1の電極と、
前記酸化ガリウム基板の前記裏面上に設けられた第2の電極と、
を備え、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは4.8エレクトロンボルトより小さく、
前記III族窒化物結晶層は、III族構成元素としてアルミニウムを含むと共にアルミニウム以外の少なくとも2種の構成元素を含むIII族窒化物からなり、
前記III族窒化物結晶層はIn Al Ga 1−X−Y N層を含み、
前記In Al Ga 1−X−Y N層のインジウム組成Xは0.1以下であり、
前記In Al Ga 1−X−Y N層のアルミニウム組成Yは0.15以上であり、
前記In Al Ga 1−X−Y N層のアルミニウム組成Yは0.35以下である、ことを特徴とする窒化物系半導体素子。
A conductive gallium oxide substrate having a main surface and a back surface;
A group III nitride crystal layer covering the main surface of the gallium oxide substrate;
A semiconductor stack comprising a heterojunction with the group III nitride crystal layer and including a gallium nitride semiconductor layer;
A first electrode provided on the semiconductor stack;
A second electrode provided on the back surface of the gallium oxide substrate ;
With
The band gap of the group III nitride crystal layer is larger than the band gap of the gallium nitride semiconductor layer,
The band gap of the group III nitride crystal layer is smaller than 4.8 electron volts,
The group III nitride crystal layer, Ri Do III nitride containing at least two structural elements other than aluminum with contains aluminum as a group III constituent element,
The group III nitride crystal layer comprises In X Al Y Ga 1-X -Y N layers,
Indium composition X of the In X Al Y Ga 1-XY N layer is 0.1 or less,
The aluminum composition Y of the In X Al Y Ga 1-XY N layer is 0.15 or more,
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the In X Al Y Ga 1- XYN layer has an aluminum composition Y of 0.35 or less .
最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.5V以下であることを特徴とする請求項1に記載された窒化物系半導体素子。   The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein an offset voltage between the gallium nitride semiconductor layer closest to the substrate and the gallium oxide substrate is 0.5 V or less. 最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.3V以下であることを特徴とする請求項1に記載された窒化物系半導体素子。   The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein an offset voltage between the gallium nitride semiconductor layer closest to the substrate and the gallium oxide substrate is 0.3 V or less. 最も基板に近い側の前記窒化ガリウム半導体層と、前記酸化ガリウム基板との間のオフセット電圧が0.2V以下であることを特徴とする請求項1に記載された窒化物系半導体素子。   The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein an offset voltage between the gallium nitride semiconductor layer closest to the substrate and the gallium oxide substrate is 0.2 V or less. 前記III族窒化物結晶層はn型ドーパントを含み、
前記n型ドーパントの濃度は1×1016cm−3以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
The group III nitride crystal layer includes an n-type dopant,
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the concentration of the n-type dopant is 1 × 10 16 cm −3 or more.
前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の前記主面の法線軸の方向に配列された複数のInAlGaN層を含み、
前記複数のInAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
The group III nitride crystal layer includes a plurality of InAlGaN layers arranged in a direction of a normal axis of the main surface of the gallium oxide substrate,
6. The nitride system according to claim 1, wherein a band gap of the plurality of InAlGaN layers decreases in a direction from the gallium oxide substrate to the gallium nitride semiconductor layer. Semiconductor element.
前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するInAlGaN層を含み、
前記InAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
The group III nitride crystal layer includes an InAlGaN layer having a gradient composition,
7. The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein a band gap of the InAlGaN layer decreases in a direction from the gallium oxide substrate to the gallium nitride semiconductor layer. .
前記酸化ガリウム基板は単結晶からなり、
前記III族窒化物結晶層におけるa軸の格子定数は前記酸化ガリウム基板におけるb軸の格子定数と前記窒化ガリウム半導体層におけるa軸の格子定数との間にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
The gallium oxide substrate is made of a single crystal,
The a-axis lattice constant in the group III nitride crystal layer is between the b-axis lattice constant in the gallium oxide substrate and the a-axis lattice constant in the gallium nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 7 .
前記酸化ガリウム基板はn導電性を有し、
前記半導体積層は、p型窒化ガリウム系半導体層及び活性層を含み、
前記窒化ガリウム半導体層は、前記酸化ガリウム基板と前記活性層との間に設けられ、
前記活性層は、前記窒化ガリウム半導体層と前記p型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられており、
前記半導体積層は、前記III族窒化物結晶層と前記活性層との間に設けられた一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記III族窒化物結晶層のバンドギャップより小さく、
当該窒化物系半導体素子は発光素子を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。
The gallium oxide substrate has n conductivity,
The semiconductor stack includes a p-type gallium nitride based semiconductor layer and an active layer,
The gallium nitride semiconductor layer is provided between the gallium oxide substrate and the active layer,
The active layer is provided between the gallium nitride semiconductor layer and the p-type gallium nitride semiconductor layer,
The semiconductor stack includes one or more gallium nitride based semiconductor layers provided between the group III nitride crystal layer and the active layer,
The band gap of the gallium nitride based semiconductor layer is smaller than the band gap of the group III nitride crystal layer,
Is the nitride-based semiconductor device including a light-emitting element, a nitride-based semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that.
当該窒化物系半導体素子は、前記第1及び第2の電極の一方から前記第1及び第2の電極の他方に電流が流れる縦型電子デバイスを含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。 The nitride-based semiconductor device, according to claim 1 wherein said first containing 1 and one vertical electronic device in which a current flows in the other of said first and second electrodes from the second electrode, it is characterized by The nitride-based semiconductor device according to any one of Items 9 . 当該窒化物系半導体素子は、前記第1及び第2の電極の一方から前記第1及び第2の電極の他方に電流が流れるダイオードを含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載された窒化物系半導体素子。 The nitride-based semiconductor device of claim 1 to claim 10, wherein the one from the first and second electrodes includes a first and second second current flows through the diode of the electrode, it is characterized by The nitride-based semiconductor device according to any one of the above. 窒化物系半導体素子を作製する方法であって、
導電性の酸化ガリウム基板を成長炉に配置する工程と、
窒素ガスを前記成長炉に供給しながら、摂氏600度以上摂氏700度以下の温度範囲に前記酸化ガリウム基板の温度を上昇する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、前記温度範囲内の成長温度でIII族窒化物層を成長する工程と、
前記成長温度より高い温度で前記III族窒化物層の熱処理を行って、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆うようにIII族窒化物結晶層を前記主面上に形成する工程と、
窒化ガリウム半導体層を含む半導体積層を前記III族窒化物結晶層上に成長する工程と、
前記半導体積層上に第1の電極を形成すると共に、前記酸化ガリウム基板の裏面に第2の電極を形成する工程と、
を備え、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは前記窒化ガリウム半導体層のバンドギャップより大きく、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは4.8エレクトロンボルトより小さく、
前記III族窒化物結晶層はアルミニウムをIII族構成元素として含む、ことを特徴とする方法。
A method for producing a nitride-based semiconductor device, comprising:
Placing a conductive gallium oxide substrate in a growth furnace;
Increasing the temperature of the gallium oxide substrate to a temperature range of 600 degrees Celsius or more and 700 degrees Celsius or less while supplying nitrogen gas to the growth furnace;
Growing a group III nitride layer on the main surface of the gallium oxide substrate at a growth temperature within the temperature range;
Performing a heat treatment of the group III nitride layer at a temperature higher than the growth temperature to form a group III nitride crystal layer on the main surface so as to cover the main surface of the gallium oxide substrate;
Growing a semiconductor stack including a gallium nitride semiconductor layer on the group III nitride crystal layer;
Forming a first electrode on the semiconductor stack and forming a second electrode on the back surface of the gallium oxide substrate ;
With
The band gap of the group III nitride crystal layer is larger than the band gap of the gallium nitride semiconductor layer,
The band gap of the group III nitride crystal layer is smaller than 4.8 electron volts,
The group III nitride crystal layer contains aluminum as a group III constituent element.
前記III族窒化物層の成長は、前記成長炉にn型ドーパントを供給しながら行われる、ことを特徴とする請求項12に記載された方法。 The method according to claim 12 , wherein the growth of the group III nitride layer is performed while supplying an n-type dopant to the growth furnace. 前記III族窒化物層の成長中に、前記成長炉への供給ガスが窒素ガスから水素ガスに切り替えられる、ことを特徴とする請求項12または請求項13に記載された方法。 The method according to claim 12 or 13 , wherein the gas supplied to the growth furnace is switched from nitrogen gas to hydrogen gas during the growth of the group III nitride layer. 前記III族窒化物結晶層はAlGa1−ZN層を含み、
前記AlGa1−ZN層のアルミニウム組成Zは0.2以上0.3以下であり、
前記III族窒化物結晶層のバンドギャップは3.4エレクトロンボルト以上4.8エレクトロンボルト以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項12請求項14のいずれか一項に記載された方法。
The group III nitride crystal layer comprises Al Z Ga 1-Z N layer,
The aluminum composition Z of the Al Z Ga 1-Z N layer is 0.2 or more and 0.3 or less,
The method according to any one of claims 12 to claim 14, wherein the band gap of the III-nitride crystal layer is in the range of less than 3.4 electron volt to 4.8 eV, characterized in that .
前記III族窒化物結晶層はInAlGa1−X−YN層を含み、
前記InAlGa1−X−YN層のインジウム組成Xは0.1以下であり、
前記InAlGa1−X−YN層のアルミニウム組成Yは0.15以上である、ことを特徴とする請求項12請求項14のいずれか一項に記載された方法。
The group III nitride crystal layer comprises In X Al Y Ga 1-X -Y N layers,
Indium composition X of the In X Al Y Ga 1-XY N layer is 0.1 or less,
The In X Al Y Ga 1-X -Y aluminum composition Y of N layers is 0.15 or more, the method according to any one of claims 12 to claim 14, characterized in that.
前記III族窒化物結晶層は、前記酸化ガリウム基板の主面の法線軸の方向に配列された複数のInAlGaN層を含み、
前記複数のInAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項12請求項14、及び請求項16のいずれか一項に記載された方法。
The group III nitride crystal layer includes a plurality of InAlGaN layers arranged in the direction of the normal axis of the main surface of the gallium oxide substrate,
According to any one of the plurality of small band gap of the InAlGaN layer from the gallium oxide substrate in the direction to the gallium nitride semiconductor layer, according to claim 12 to claim 14, characterized in that, and claim 16 Way.
前記III族窒化物結晶層は、傾斜組成を有するInAlGaN層を含み、
前記InAlGaN層のバンドギャップは前記酸化ガリウム基板から前記窒化ガリウム半導体層への方向に小さくなる、ことを特徴とする請求項12請求項14、及び請求項16のいずれか一項に記載された方法。
The group III nitride crystal layer includes an InAlGaN layer having a gradient composition,
The band gap of the InAlGaN layer is reduced in the direction from the gallium oxide substrate to the gallium nitride semiconductor layer, and the band gap of the InAlGaN layer is described in any one of claims 12 to 14 and claim 16 . Method.
前記半導体積層の形成において、前記窒化ガリウム半導体層は前記III族窒化物結晶層に接するように成長される、ことを特徴とする請求項12請求項18のいずれか一項に記載された方法。 19. The method according to claim 12 , wherein, in the formation of the semiconductor stack, the gallium nitride semiconductor layer is grown so as to be in contact with the group III nitride crystal layer. .
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