JP6633813B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体 - Google Patents

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Description

本開示はＩＩＩ族窒化物半導体に関するものである。
ＩＩＩ族窒化物半導体はＩＩＩ族元素であるＧａ、Ａｌ、Ｉｎなどの組成を変化させることで広いバンドギャップをカバーできる。そこで、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザダイオード（ＬＤ）などの光半導体デバイス、高周波、高出力用途の電子デバイス等に広く使用されている。一般的にこれらのデバイスはサファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることで作製されている。しかしながら、サファイア基板はＩＩＩ族窒化物半導体の一つであるＧａＮと、｛（ＧａＮの格子定数−サファイアの格子定数）／ＧａＮの格子定数｝にて表される格子不整合が１３．８％ある。そのため、エピタキシャル成長したＩＩＩ族窒化物半導体内の欠陥密度が高くなったり、ＩＩＩ族窒化物半導体にクラックが発生したりすることがある。そしてこれらが、デバイスの特性や信頼性を低下させる要因となっているのが現状である。
上記の格子不整合からなるＩＩＩ族窒化物半導体層の欠陥やクラックの低減を目指し、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にＧａＮをエピタキシャル成長させる技術が開示されている（特許文献１）。ＳｃＡｌＭｇＯ４はＧａＮと｛（ＧａＮの格子定数−ＳｃＡｌＭｇＯ４の格子定数）／ＧａＮの格子定数｝にて表される格子不整合が−１．８％と小さい。したがって、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にエピタキシャル成長したＩＩＩ族窒化物半導体では、欠陥の発生やクラックの発生が低減される。そこで、これらを高品質・高性能なＩＩＩ族窒化物半導体デバイスに展開することが期待されている。
特開２０１５−１７８４４８号公報
しかしながら、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に代表される、一般式ＲＡＭｇＯ４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表す）からなる基板上でＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の構成元素であるＭｇがＩＩＩ族窒化物半導体内に混入してしまう。
また、上述のＳｃＡｌＭｇＯ４基板の格子定数は、ＧａＮの格子定数に近いものの、ＧａＮの格子定数より小さい。そこで、基板と、この上にエピタキシャル成長させるＩＩＩ族窒化物結晶との格子定数の差をより小さくすれば、更に高品質なＩＩＩ族窒化物半導体結晶が得られる。
本開示は以上の課題を解決すべくなされたものであり、高品質なＩＩＩ族窒化物半導体を供給することを目的とする。
本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）で構成されるＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に配置された、ＩｎＧａＮで構成されるＩｎＧａＮ層と、前記ＩｎＧａＮ層上に配置された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）で構成されるＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上に配置された機能層と、を備え、前記ＧａＮ層のＭｇ濃度は、前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度よりも大であることを特徴とする。
本開示では、ＧａＮ層中に適度にＭｇを拡散させることによりＧａＮの格子定数を僅かに大きくして、ＧａＮ層の格子定数を、機能層に格子定数を近付ける。これにより、機能層に歪みが生じ難く、特性の高いＩＩＩ族窒化物半導体とすることができる。一方で、ＩｎＧａＮ層によって、機能層側へのＭｇの拡散を抑制することで、機能層の結晶品質を向上させることができる。したがって、高品質なＩＩＩ族窒化物半導体を供給することを可能とする。
本開示の実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体を含む素子構造と、特定の層の不純物の濃度プロファイルとを示す図。 本開示の実施の形態２におけるＩＩＩ族窒化物半導体を含む素子構造と、特定の層の不純物の濃度プロファイルとを示す図。 本開示の実施の形態１における、ｎ−ＩｎＧａＮ層のＭｇ拡散抑制効果を示すＭｇ濃度プロファイルの図。 本開示の実施の形態１のＩＩＩ族窒化物半導体内における、Ｍｇの拡散性を示すＭｇ濃度プロファイルの図。 本開示の実施の形態１における、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ＩＯＮ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の不純物濃度および構成元素（Ｉｎ）の２次イオン強度の深さプロファイルを示す図。 本開示の実施の形態３におけるＩＩＩ族窒化物半導体を含む素子構造と、Ｍｇ濃度プロファイルの図。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態に用いられる基板としては、ＲＡＭｇＯ４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表す）からなるＲＡＭｇＯ４基板が挙げられる。以下、ＲＡＭｇＯ４基板がＳｃＡｌＭｇＯ４基板である場合を例に説明するが、本実施の形態に用いる基板は、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に限定されない。
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板を構成するＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶は、岩塩型構造のＳｃＯ２層と六方晶構造のＡｌＭｇＯ２層とが交互に積層した構造により結晶が構成されており、グラファイトや六方晶ＢＮと同様の（０００１）面にて劈開することが可能である。ＳｃＡｌＭｇＯ４はＧａＮとの格子不整合度｛（ＧａＮの格子定数−ＳｃＡｌＭｇＯ４の格子定数）／ＧａＮの格子定数｝が−１．８％と、サファイア基板等と比較して非常に小さい（ＳｃＡｌＭｇＯ４とＧａＮとでは、ＧａＮの格子定数の方が僅かに小さい）。またＧａＮとの熱膨張係数差｛（ＧａＮの熱膨張係数−ＳｃＡｌＭｇＯ４の熱膨張係数）／ＧａＮの熱膨張係数｝は、−１０．９％程度である。格子不整合度の小ささは結晶欠陥低減に有効であり、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板を用いることで、低欠陥のＩＩＩ族窒化物半導体層の形成が期待されている。
本実施の形態におけるＩＩＩ族窒化物半導体１０を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）１００の構成の一例を図１（右図）に示す。本実施の形態の発光ダイオード１００は、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１上に、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層２、Ｓｉドープｎ−ＩｎＧａＮ層３、Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ発光層５、ｐ−ＡｌＧａＮ層６が配置された構成を有する。なお、図１には、当該発光ダイオード１００内でのＳｉドープｎ−ＧａＮ層２からＩｎＧａＮ発光層５までの不純物濃度プロファイル（ＭｇおよびＳｉ）も示す（左図）。
また、本実施の形態の発光ダイオード１００（ＩＩＩ族窒化物半導体１０）は、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）を用いて、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にエピタキシャル成長を行うことで形成可能である。
以下、本実施の形態の発光ダイオード１００の形成方法の一例を示す。ただし、本実施の形態は、これらに限定されない。各層を形成するためのＩＩＩ族原料としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることができ、Ｖ族原料としては、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることができる。また、キャリアガスとしては、例えば水素や窒素を用いることができる。
まず、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１上に各層を形成する前に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１を炉内に導入し、１１００℃にて１０分間、水素雰囲気で熱クリーニングを行うことが好ましい。熱クリーニングにより、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１表面に付着しているカーボン系の汚れ等を取り除くことができる。
その後、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１の表面温度を４２５℃へと下げ、炉内にＴＭＧやアンモニア等を供給し、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１上に、低温にてバッファ層（図示せず）を形成する。バッファ層の膜厚や組成は、成長時間や供給するＩＩＩ族原料により調整することができる。ここではバッファ層として、ＧａＮからなる、膜厚２０ｎｍの層を形成している。
前記バッファ層形成後、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１の温度を１１２５℃へと上昇させ、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層２（膜厚３μｍ）を形成する。Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層２の形成の際には、ＴＭＧやアンモニアだけでなく、Ｓｉドープ用の原料ガスとしてモノシランガス（ＳｉＨ４）も、そのモル比を調整して供給する。ここでは、得られるｎ−ＧａＮ層２中のＳｉ濃度は約３×１０１８ｃｍ−３としている。本開示において「濃度」は、特記しない限り、原子濃度を表す。また、成長速度は３μｍ／ｈ程度としている。なお、ｎ−ＧａＮ層２の成長時には、ＴＭＡを供給してｎ−ＡｌＧａＮ層としてもよい。すなわち、ｎ−ＧａＮ層２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮから構成される（０≦ｘ＜１）。
次に、ＴＭＧとＳｉＨ４の供給を停止し、アンモニア、水素及び窒素混合雰囲気中で基板温度を１１２５℃から７００℃に降温させる。そして、水素キャリアガスの供給を停止した後、ＴＭＧとＴＭＩとＳｉＨ４とをさらに追加供給してｎ−ＩｎＧａＮ層３（膜厚３０ｎｍ）を形成する。Ｉｎの量は、ＴＭＧとＴＭＩとの供給モル比を調整することにより制御することができる。なお、本実施の形態では、ｎ−ＩｎＧａＮ層３を、Ｓｉをドープした層としているが、当該層にはＳｉをドープしなくてもよい。なお、Ｓｉをドープする場合、ｎ−ＩｎＧａＮ層３中のＳｉ濃度は、前記ｎ−ＧａＮ層２と同じく約３×１０１８ｃｍ−３とすることができる。また、ｎ−ＩｎＧａＮ層３中のＩｎ組成は５原子％以上３０原子％以下に調整することが好ましく、約１０原子％に調整することがより好ましい。Ｉｎの濃度が３０原子％を超えるとＧａＮとＩｎＧａＮとの格子不整合が大きくなり過ぎて結晶性が低下することがあり、５原子％未満だとＭｇの拡散を抑制する効果が得られなくなることがある。
次に、ＴＭＩのみ供給を停止してＧａＮ層（図示せず）を成長させながら基板温度を１１００℃まで上昇させる。これは昇温中にｎ−ＩｎＧａＮ層３のＩｎが蒸発するのを防ぐためである。基板温度が１１００℃に到達後、水素キャリアガスおよびＴＭＡをさらに供給し、ｎ−ＡｌＧａＮ層４（膜厚０．５μｍ）を形成する。ｎ−ＡｌＧａＮ層４中のＳｉ濃度は、前記ｎ−ＧａＮ層２と同じく約３×１０１８ｃｍ−３とすることができる。なお、ＬＥＤの設計次第では、ｎ−ＡｌＧａＮ層４にＡｌが含まれていなくてもよい。すなわち、ｎ−ＡｌＧａＮ層４は、ｎ型ドーパント（ここでは、Ｓｉ）を含むＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）で構成される。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ４の供給を停止し、アンモニア、水素及び窒素混合雰囲気中で基板温度を１１００℃から７５０℃に降温させる。そして、水素キャリアガスの供給を停止し、ＴＭＧとＴＭＩをさらに追加供給してＩｎＧａＮ発光層５（膜厚３０ｎｍ）を形成する。ＩｎＧａＮ発光層５中のＩｎ組成を７原子％程度とすると、ＬＥＤ動作時に４５０ｎｍ程度の青色光を発する。ＩｎＧａＮ発光層５は単一のＩｎＧａＮ層であってもよく、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを周期的に繰り返し積層した多重量子井戸であってもよい。またＩｎＧａＮ発光層５はアンドープであるが、約３×１０１８ｃｍ−３以下であれば、Ｓｉがドープされていてもよい。
次に、ＴＭＩのみ供給を停止してＧａＮ層（図示せず）を成長しながら基板温度を１０００℃に上昇させる。基板温度が１１００℃に到達後、水素キャリアガスとＴＭＡ及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を加え、Ｍｇドープｐ−ＡｌＧａＮ層６（膜厚約０．２μｍ）を形成する。Ｍｇ濃度は約１×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
なお、ＬＥＤ等のデバイスを作製する場合、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層２、ｎ−ＩｎＧａＮ層３、ｎ−ＡｌＧａＮ層４の何れかの一部にｎ電極（図示せず）を形成するが、ｎ電極をｎ−ＧａＮ層２の一部に形成する場合、Ｓｉ濃度がＭｇ濃度よりも高い領域（後述の第１領域）に形成することが好ましい。
図１左図（グラフ）は、本実施の形態のＩＩＩ族窒化物半導体１０を含む発光ダイオード１００（ＬＥＤ）を実際に作製した場合の不純物濃度（Ｍｇ濃度およびＳｉ濃度）のプロファイルである。Ｍｇ濃度はＳＩＭＳ法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ＩＯＮ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオン質量分析法）により解析した。ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１に最も近いｎ−ＧａＮ層２ではＳｃＡｌＭｇＯ４基板１に接する側のＭｇ濃度が最も高く、１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２２ｃｍ−３程度であった。
また、ｎ−ＩｎＧａＮ層３を有さない以外は、同様の構造を有する比較用の発光ダイオードも作製し、これについても不純物濃度のプロファイルを行った。当該発光ダイオードでは、図１左図（グラフ）に点線で示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上から離れるに従い、Ｍｇ濃度が表面に向かって単調に減少する。これはＳｃＡｌＭｇＯ４基板１を構成するＭｇ原子が、その上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体中に拡散するためである。図１に示されるように、ｎ−ＩｎＧａＮ層３を有さない比較用の発光ダイオードでは、Ｍｇ原子がＩｎＧａＮ発光層５中にまで拡散する。拡散したＭｇ原子はＩｎＧａＮ発光層５中において格子間原子など点欠陥を形成し非発光中心となってＬＥＤの発光効率を低下させる。発光効率が低下するとデバイス動作時に電気注入されたキャリアは熱に変わり発光層そのものや電極の劣化等を招き信頼性悪化の要因となる。
これに対し、ｎ−ＩｎＧａＮ層３を有する本実施の形態の発光ダイオードでは、図１左図（グラフ）中に実線で示すようにＳｃＡｌＭｇＯ４基板１からのＭｇ原子の拡散が、ｎ−ＩｎＧａＮ層３で抑制され、ｎ−ＡｌＧａＮ層４中のＭｇ濃度は、ｎ−ＧａＮ層２中のＭｇ濃度に比べて大幅に減少する。そのため、ＩｎＧａＮ発光層５におけるＭｇ濃度が、ＳＩＭＳ法の検出限界の２〜３×１０１６ｃｍ−３以下程度まで減少する。つまり、本実施の形態では、ｎ−ＩｎＧａＮ層３がＭｇの拡散を抑制するため、ｎ−ＧａＮ層２のＭｇ濃度が、ｎ−ＡｌＧａＮ層４のＭｇ濃度よりも大きくなる。
ここで、ｎ−ＡｌＧａＮ層４はＩｎＧａＮ発光層５に電子キャリアを効率的に注入する機能を有する。ｎ−ＡｌＧａＮ層４にＭｇが多く存在すると必然的にＩｎＧａＮ発光層５へＭｇが多く拡散することになる。これに対し、ｎ−ＩｎＧａＮ層３による拡散防止能によりＭｇの拡散が抑制されると、ｎ−ＡｌＧａＮ層４におけるＭｇ濃度が低くなり、ｎ−ＡｌＧａＮ層４のｎ型ドーパント濃度がｎ−ＡｌＧａＮ層４のＭｇ濃度より大きくなる。
本実施の形態では、前記Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層２、ｎ−ＩｎＧａＮ層３、ｎ−ＡｌＧａＮ層４のＳｉ濃度はいずれも約３×１０１８ｃｍ−３としている。また、ｎ−ＧａＮ層２のＳｃＡｌＭｇＯ４基板１と接する側以外は、積層構造中に拡散したＭｇ濃度よりＳｉ濃度が高い。以下の説明では、ｎ−ＧａＮ層２のＳｃＡｌＭｇＯ４基板１側の、Ｓｉ濃度がＭｇ濃度より小さい領域を第２領域と称し、ｎ−ＧａＮ層２のｎ−ＩｎＧａＮ層３側の、Ｓｉ濃度がＭｇ濃度より大きい領域を第１領域とも称する。
ここで、ｎ−ＧａＮ層２のＳｃＡｌＭｇＯ４基板１と接する側、すなわちＭｇ濃度がＳｉ濃度よりも高い領域（第２領域）の膜厚を、本実施の形態では、後述するように、約２μｍとすることができるが、ｎ−ＩｎＧａＮ層３を挿入しない場合には、当該膜厚を厚くすることはできず、約０．３μｍ程度となる。前述のように、ｎ−ＩｎＧａＮ層３における厚さ方向のＭｇ濃度の減少率は、ｎ−ＧａＮ層２における厚さ方向のＭｇ濃度の減少率よりも大である。そのため、ｎ−ＩｎＧａＮ層３が配置されていると、ｎ−ＩｎＧａＮ層３側へのＭｇの拡散が阻止され、ｎ−ＩｎＧａＮ層３よりＳｃＡｌＭｇＯ４基板１に近い側にはＭｇが溜まりやすくなる。一方、ｎ−ＩｎＧａＮ層３が配置されていない場合、ＩｎＧａＮ発光層５側にＭｇが拡散しやすく、ｎ−ＧａＮ層２のＳｃＡｌＭｇＯ４基板１に接する側のＭｇ濃度が低減し、第２領域の膜厚が減少する。
Ｍｇ濃度のプロファイルについて、図３を用いてさらに詳細に説明する。図３に、本実施の形態のようにｎ−ＩｎＧａＮ層３を拡散防止層として有する場合（実線）と、ｎ−ＩｎＧａＮ層３有さない場合（破線）と、のＳＩＭＳ法によるＭｇ濃度プロファイルの比較を示す。これらの比較は、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板３１／ｎ−ＧａＮ層３２／ｎ−ＩｎＧａＮ層３３／ｎ−ＡｌＧａＮ層３４をこの順に積層した積層体（本実施の形態の積層体）と、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板３１／ｎ−ＧａＮ層３２／ｎ−ＡｌＧａＮ層３４をこの順に積層した積層体（参考例）とを作製して行った。
参考例では図３の点線で示すようにＭｇ濃度が、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板３１側からｎ−ＡｌＧａＮ層３４側に近づくにしたがって単調減少する。そして、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板３１とｎ−ＧａＮ層３２との界面から約２μｍ離れた位置で、Ｍｇ濃度がドーピングしたＳｉと同等の濃度（３×１０１８ｃｍ−３程度）まで減少する。一方、本実施の形態のｎ−ＩｎＧａＮ層３３を有する構造の場合、図３に実線で示すように、Ｍｇ濃度はＳｃＡｌＭｇＯ４基板３１側からｎ−ＡｌＧａＮ層３４側に近づくにしたがって減少するが、ｎ−ＩｎＧａＮ層３３で大幅に変化する。ｎ−ＩｎＧａＮ層３３とｎ−ＡｌＧａＮ層３４との界面におけるＭｇ濃度は約３×１０１７ｃｍ−３であり、ｎ−ＧａＮ層３２とｎ−ＩｎＧａＮ層３３との界面におけるＭｇ濃度と比較して約１桁減少する。ｎ−ＩｎＧａＮ層３３によるＭｇの拡散抑制効果は十分には解明されていないが、Ｇａに比べて原子半径の大きいＩｎ原子が置換されることにより、格子間あるいはＧａ原子位置を介したＭｇの拡散が抑制されるものと推察される。
一方、図４にＭｇ原子のＩＩＩ族窒化物半導体への拡散について、Ｍｇ濃度の深さプロファイルをＳＩＭＳ法で測定した結果を示す。評価はＳｃＡｌＭｇＯ４基板４１に低温ＧａＮバッファ層を介してｎ−ＧａＮ層４２のみを単層（５μｍ程度）積層したものを４つ準備し、これらについて行った。ＩｎＧａＮ層は形成していない。図４に示されるように、ｎ−ＧａＮ層４２において、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板４１の近傍の一部に若干増大傾向はあるものの、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板４１から離れるにしたがってＭｇ濃度は減少し、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板４１とｎ−ＧａＮ層４２の界面から２μｍ離れた膜厚付近では、本実施の形態におけるｎ型のドーパントであるＳｉの濃度と同等の濃度（２〜３×１０１８ｃｍ−３）まで減少する。一般にＧａＮ中のＭｇ原子はアクセプタ不純物の電気特性を有し、そのアクセプタ準位は深く、電気的活性化率は約１０％程度であることが知られている。したがってＭｇの補償によって、Ｓｉ起因のｎ型のキャリア濃度を減らさないようにするためには、Ｍｇ濃度をＳｉ濃度の１／１０程度とすることが好ましい。Ｍｇ濃度がＳｉ濃度の１／１０である場合、電気的活性化するＭｇの量は、１／１００（１％）となる。
そこで、ｎ−ＩｎＧａＮ層３を、膜厚２μｍ（Ｓｉ濃度とＭｇ濃度が同等以下になる以上の膜厚）以上のｎ−ＧａＮ層４２上に形成すれば、電気的活性化するＭｇの量を、上述のように１％程度まで低減することが可能となる。
また、前に述べたように、ＧａＮの格子定数はＳｃＡｌＭｇＯ４基板に極めて近いものの僅かに小さい（格子不整合率：−１．８％）。本実施の形態のようにＳｃＡｌＭｇＯ４基板１上にｎ−ＧａＮ層２を形成する場合、ｎ−ＧａＮ層２に１×１０１９ｃｍ−３以上のＭｇが拡散すると格子定数が僅かに大きくなり、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１とｎ−ＧａＮ層２との格子定数がより近くなり、同界面での欠陥発生が抑制される。また本実施の形態では、ｎ−ＩｎＧａＮ層３３を有するため、図３に示すように、この部分でＭｇの拡散が制限される。したがって、ｎ−ＧａＮ層３２中のＭｇ濃度がｎ−ＩｎＧａＮ層３３無しの参考例に比べて高くなりやすく、格子整合性がより改善される。上述のように、本実施形態の構造では、ｎ−ＧａＮ層２のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上になる領域の膜厚が厚くなりやすく、例えば０．５〜２．０μｍ（典型値は約１．５μｍ）とすることができる。当該膜厚は、参考例のｎ−ＧａＮ層２における当該膜厚（約０．２μｍ）と比べて大幅に厚い。なお、ｎ−ＧａＮ層２の第２領域における格子定数を十分に大きくするためには、ｎ−ＧａＮ層２においてＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上である領域の膜厚が０．５μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましい。
更にＭｇの拡散によりｎ−ＧａＮ層２等の格子定数が大きくなると、ＧａＮより格子定数の大きいＩｎＧａＮ発光層５の格子定数とｎ−ＡｌＧａＮ層４等の格子定数とが近くなりやすい。つまり、本実施の形態によれば、ＩｎＧａＮ発光層５に残留する歪みが低減されて発光特性が向上する。
なお、ｎ−ＧａＮ層２の第２領域におけるＭｇ濃度が１×１０２２ｃｍ−３を超えるとＧａＮの結晶品質が低下するので好ましくない。従って、ｎ−ＧａＮ層２の第２領域のＭｇ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上かつ１×１０２２ｃｍ−３以下であることが望ましい。
このように本実施の形態では、ｎ−ＩｎＧａＮ層３をＭｇの拡散防止層として用いることにより、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板とｎ−ＧａＮ層２との界面の欠陥を抑制し、かつＩｎＧａＮ発光層５への非発光中心となるＭｇ原子の拡散抑制を同時に行うことができる。また特にｎ−ＩｎＧａＮ層３をＳｃＡｌＭｇＯ４基板１とｎ−ＧａＮ層２との界面から２μｍ以上離れた位置に配置することで、ｎ型キャリア濃度を維持したＬＥＤ構造とすることができる。
図５はｎ−ＧａＮ層５１、ｎ−ＩｎＧａＮ層５２、ＩｎＧａＮ発光層５３、ｐ−ＡｌＧａＮ層５４を積層した発光ダイオードの不純物濃度のプロファイルである。当該発光ダイオードでは、ｎ−ＩｎＧａＮ層５２をＭｇの拡散防止層として用いている。図５には、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板（図示せず）に作製したＬＥＤのＩｎＧａＮ発光層５３周辺における不純物（Ｍｇ及びＳｉ）濃度（実線）、並びにＩｎ原子の２次イオン強度（Ｉｎ濃度に比例する：破線）の深さプロファイルを示す。図５に示されるように、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板（図示せず）からｎ−ＧａＮ層５１中に拡散したＭｇ原子（濃度＝３〜４×１０１８ｃｍ−３まで）は、ｎ−ＩｎＧａＮ層５２で拡散が抑制され、ＩｎＧａＮ発光層５３でのＭｇ濃度が１０１６台まで減少していることが確かめられた。一方、ＬＥＤの表面側のｐ−ＡｌＧａＮ層５４では、Ｍｇをドープしているため、Ｍｇ濃度が１〜２×１０１９ｃｍ−３程度である。またｎ−ＧａＮ層５１中のＳｉ濃度は約５×１０１８ｃｍ−３であり、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板から拡散してきたＭｇの濃度（３〜４×１０１８ｃｍ−３）よりも高い。なお、図５では、便宜上、ＩｎＧａＮ発光層５３とｎ−ＩｎＧａＮ層５２との間に、ＡｌＧａＮ層が配置されていないが、この位置にＡｌＧａＮ層を形成しても、同様の効果が得られる。また、図５は、半導体装置中におけるＩｎＧａＮ発光層５２近傍を拡大したもので、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板およびｎ−ＧａＮ層５１中の第２領域（ＳｃＡｌＭｇＯ４基板側のｎ型ドーパント濃度がＭｇ濃度より小である領域）は表示していない。なお、ＩｎＧａＮ発光層５３において、Ｓｉ濃度とＭｇ濃度とが略同等に見えるが、いずれも測定限界以下の微量しか含まれないため、ＩｎＧａＮ発光層５３にはＭｇもＳｉも含まれていないと解釈することもできる。
なお、本実施の形態ではＳｃＡｌＭｇＯ４基板からのＭｇの拡散抑制を開示したが、本実施の形態の効果はこれだけに留まらず、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板がなくてもＭｇを意図的あるいは非意図的にドープした場合にも効果がある。
また、ｎ−ＩｎＧａＮ層３が厚くなり過ぎるとＬＥＤデバイス動作時に発光層からの光の吸収をロスする可能性がある。したがって、ｎ−ＩｎＧａＮ層３の膜厚は、ｎ−ＧａＮ層２またはｎ−ＡｌＧａＮ層４の膜厚より薄いことが好ましい。一方で、ｎ−ＧａＮ層２において、Ｍｇを比較的多く含み、かつ格子定数の大きな領域（第２領域）の膜厚を厚くする（０．５μｍ以上とする）との観点から、ｎ−ＩｎＧａＮ層３は過度に薄くないことが好ましい。具体的には、３ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、１０〜８０ｎｍであることがより好ましい。
（実施の形態２）
本実施の形態の発光ダイオード２００（ＩＩＩ族窒化物半導体２０）は、図２に示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１１上にＳｉドープｎ−ＧａＮ層２、Ｓｉドープｎ−ＩｎＧａＮ層３、Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ発光層５、ｐ−ＡｌＧａＮ層６が配置された構成を有する。なお、図２には、当該発光ダイオード２００内でのＳｉドープｎ−ＧａＮ層２からＩｎＧａＮ発光層５までの不純物濃度プロファイル（ＭｇおよびＳｉ）も示す（左図）。また、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層２、Ｓｉドープｎ−ＩｎＧａＮ層３、Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ発光層５、およびｐ−ＡｌＧａＮ層６については、実施の形態１と同様であるため、これらについての詳しい説明は省略する。
本実施の形態では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板にストライプ状の凹凸加工を施す。まず、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にＳｉＯ２等の誘電体マスク層を堆積し、前記マスク層の上面にレジスト膜を塗布する。その後、塗布したレジスト膜をフォトリソグラフィー法によってストライプ状にパターニングする。これにより、レジストパターンが形成される。次いで、前記マスク層の一部をエッチング除去することによって、ストライプ状の凸部が形成されると共に、複数の開口が形成される。例えばドライエッチングを行うことによって、マスク層に、断面幅が約３μｍの開口部と断面幅が約１２μｍの凸部とを１周期とする周期構造が複数形成される。
次に、前記マスクを除去し、凹凸を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板１１上にｎ−ＧａＮ層２を、低温ＧａＮバッファ層（図示せず）を介して形成する。前記凹凸を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板１１の凸部から、上方向および横方向にＧａＮ結晶が成長する。そして、各凸部上に形成されたＧａＮ結晶は、結合して平坦なｎ−ＧａＮ層２となる。その結果、ｎ−ＧａＮ層２と凹凸を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板１１の間には空洞部１２が形成される。空洞部１２上のＧａＮは横方向成長した結晶であり、異種基板であるＳｃＡｌＭｇＯ４基板との接触せずに形成されているため、転位が極めて少ない高品質な結晶となる。その後、Ｓｉドープｎ−ＩｎＧａＮ層３、Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ発光層５、およびｐ−ＡｌＧａＮ層６を積層することで、本実施の形態の発光ダイオード２００が得られる。なお、ｎ−ＩｎＧａＮ層３以降の形成方法、構成は前記実施の形態１と同様である。
当該凹凸を有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板を用いることにより、転位の低減だけではなく、ＬＥＤデバイス動作させた際にこの凹凸により光が散乱されて光が外部に放射され取り出し効率が上がる効果も有する。
なお、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の凹凸加工はストライプ状だけに限定されず、島状加工などでも同様の効果があり、周期性も必ずしも必要ではない。
（その他）
なお、上述の実施の形態では（０００１）面ＳｃＡｌＭｇＯ４基板を用いてＧａＮの＋ｃ面方向の成長について開示したが、ＧａＮの成長条件を適宜調整することにより−ｃ面方向（Ｎ面）の成長についても同様の効果が得られる。またｃ軸を任意の方向に０．２〜５度程度傾斜させたオフ基板を用いた場合にも、同様の効果が得られる。
さらに上記では、基板がＳｃＡｌＭｇＯ４である場合を例に説明したが、一般式ＲＡＭｇＯ４で表される基板であれば、同様の効果が得られる。ＲＡＭｇＯ４で表される基板は、一般式ＲＡＭｇＯ４で表されるほぼ単一結晶材料から構成される。上記一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素（原子番号６７−７１）から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌから選択される一つまたは複数の三価の元素を表す。なお、ほぼ単一結晶材料とは、エピタキシャル成長面を構成するＲＡＭｇＯ４が９０ａｔ％以上含まれ、かつ、任意の結晶軸に注目したとき、エピタキシャル成長面のどの部分においてもその向きが同一であるような結晶質固体をいう。ただし、局所的に結晶軸の向きが変わっているものや、局所的な格子欠陥が含まれるものも、単結晶として扱う。なお、Ｏは酸素であり、Ｍｇはマグネシウムである。ただし、上記の通り、ＲはＳｃ、ＡはＡｌとするのが望ましい。
また、ＩＩＩ族窒化物を構成する主なＩＩＩ族元素金属は、ガリウム（Ｇａ）が最もよいが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）等が主なＩＩＩ族元素金属とされていてもよい。これらは、１種類のみ用いてもよく、２種類以上併用してもよい。例えば、ｎ−ＩｎＧａＮ層に、アルミニウム（Ａｌ）がさらに含まれていてもよい。この場合、ｎ−ＩｎＧａＮ層の組成は、ＡｌｓＧａｔＩｎ｛１−（ｓ＋ｔ）｝Ｎ（ただし、０≦ｓ＜１、０≦ｔ＜１、ｓ＋ｔ＜１）で表される。
また、ｎ型ドーパントとしては、特に限定されないが、Ｓｉ以外に酸素やＧｅ等が挙げられる。なお、本実施例ではＭＯＣＶＤ法を用いているがエピタキシャル成長方法としてはＨＶＰＥ法、ＯＶＰＥ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、スパッタ法、ＭＢＥ法などを用いても同様の効果を得ることが出来る。
また、上記では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板からＩｎＧａＮ発光層までの間に形成される各層がｎ型である態様を好ましい例として説明したが、各層のドーパントが活性化していない態様も、本開示の範囲に含み得る。具体的には、図１または図２に示されるＧａＮ層２は、ｎ型、ｐ型、又はｉ型のいずれで構成されてもよい。さらに、ＡｌＧａＮ層４も、ｎ型、ｐ型、又はｉ型のいずれで構成されてもよい。
すなわち、本開示は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）で構成されるＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に配置された、ＩｎＧａＮで構成されるＩｎＧａＮ層と、前記ＩｎＧａＮ層上に配置された、ドーパントを含むＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）で構成されるＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上に配置された機能層と、を備え、前記ＧａＮ層のＭｇ濃度は、前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度よりも大であり、前記ＡｌＧａＮ層のドーパント濃度が、前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度より大である、ＩＩＩ族窒化物半導体を提供する。
また上述のように、ＧａＮ層がドーパントを含む場合、ＩｎＧａＮ層側に、ドーパント濃度がＭｇ濃度より大である第１領域と、第１領域と反対側に、ドーパント濃度がＭｇ濃度より小である第２領域と、を有することが好ましい。この場合、ドーパントは、ｐ型ドーパントであってもよい。
ただし、上述したように、ＡｌＧａＮ層４に含まれるドーパントはｎ型ドーパントであることが望ましい。更に、ｎ型ドーパントとしてはＳｉが好ましい。
また、これまで機能層の一例としてＩｎＧａＮ発光層５を備える発光ダイオードについて説明した。しかしながら、機能層は、ＩｎＧａＮ発光層に限定されず、各種半導体の機能層等とすることができる。このような半導体の一例として、機能層としてチャネル層を備えるパワーデバイス（後述の実施の形態３）等が挙げられる。
（実施の形態３）
本実施の形態に係るパワーデバイスは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）で構成されるＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に配置された、ＩｎＧａＮで構成されるＩｎＧａＮ層と、前記ＩｎＧａＮ層上に配置された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）で構成されるＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上に配置された機能層の一例であるチャネル層と、を備え、前記ＧａＮ層のＭｇ濃度は、前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度よりも大であり、前記ＡｌＧａＮ層中のドーパント濃度が、前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度より大である。
ここで、本実施の形態にかかるパワーデバイスの素子構造の一例を図６（右図）に示す。ＳｃＡｌＭｇＯ４基板６１上にＧａＮ層の一例であるＧａＮ第１バッファ層６２、その上にＩｎＧａＮ層の一例であるＩｎＧａＮ拡散抑制層６３が配置される。更にその上にＧａＮ第２バッファ層６４、ＡｌＧａＮバックバリア層６５（Ａｌ組成は例えば３％、膜厚は例えば０．５μｍ）が配置され、機能層の一例であるＧａＮチャネル層６６（膜厚は例えば０．１５μｍ）がその上に配される。更にその上にＡｌＧａＮバリア層６７（Ａｌ組成例えば２０％、膜厚は例えば０．０５μｍ）が配置される。これらの積層構造は、実施の形態１及び２と同様に、ＭＯＣＶＤ法で順次形成される。更にトランジスタ動作に必要な、ソース電極６０１、ｐ型ＧａＮ層６８上ゲート電極６０２、ドレイン電極６０３の各電極がＡｌＧａＮバリア層６７上に配置される。
ＧａＮチャネル層６６は、２次元電子ガスの移動度を向上させる為に、不純物や欠陥の少ない高品質で高抵抗な層であることが必要である。ＧａＮチャネル層６６に不純物や欠陥が存在すると、２次元電子ガスがこれらによって散乱されてしまい、所望の機能が果たせないからである。また、ＧａＮチャネル層６６に存在する不純物や欠陥は、パワーデバイス動作時の電圧ストレスによって加速された電子を捕獲し、オン抵抗を増大させる等の電流コラプスを起こす点でも問題となる。
図６には、本実施の形態のパワーデバイスのＧａＮ第１バッファ層６２からＡｌＧａＮバリア層６７におけるＭｇ濃度のプロファイルを実線で示す（左図）。Ｍｇ濃度は、上述と同様の方法で測定している。図６左図（グラフ）に示すようにＳｃＡｌＭｇＯ４基板６１からのＭｇ拡散はＩｎＧａＮ拡散抑制層６３で抑制される。このことは、ＧａＮ第１バッファ層６２中のＭｇ濃度より、ＧａＮ第２バッファ層６４中のＭｇ濃度が非常に少なくなっていることから明らかである。つまり、本実施の形態のパワーデバイスによれば、ＧａＮチャネル層６６を不純物のない高品質な層として維持することができ、チャネル層としての機能を最大限に発揮させることができる。
また、本実施の形態のパワーデバイスでは、ＧａＮ第１バッファ層６２のＳｃＡｌＭｇＯ４基板６１と接する側以外は、積層構造中に拡散したＭｇ濃度よりドーパント濃度のほうが高い。そして、本実施の形態のパワーデバイスのＧａＮ第１バッファ層６２にも、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板６１側に位置する、ドーパント濃度がＭｇ濃度より小さい第２領域と、ＧａＮ第１バッファ層６２のＩｎＧａＮ拡散抑制層６３側に位置する、ドーパント濃度がＭｇ濃度より大きい第１領域と、が形成される。
なお、図６（左図）には、ＩｎＧａＮ拡散抑制層６３を形成しない以外は、同様の構造を有するパワーデバイスのＭｇ濃度プロファイル（比較例）も破線で示す。当該比較例では、ＧａＮチャネル層６６にＭｇが拡散し、オン抵抗の増加など特性の劣化が起きる。
ここで、本実施の形態のパワーデバイスにおいても、上述の実施の形態１および実施の形態２の発光ダイオードと同様に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板６１からＧａＮ第１バッファ層６２にＭｇが拡散して、ＧａＮの格子定数を大きくすることができる。したがって、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板６１とその上に成長する層（例えば、ＧａＮチャネル層６６等）との間に僅かに存在する格子不整合を小さくして、これらの歪を低減することができる。
ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板６１上のＧａＮ第１バッファ層６２の典型的な膜厚は３μｍ程度であり、カソードルミネッセンス（ＣＬ）法の暗点密度から算出した欠陥密度は約５×１０７ｃｍ−２である。一方、従来パワーデバイス用の基板として多用される、Ｓｉ基板を用いた場合の欠陥密度は１０８〜１０９ｃｍ−２である。つまり、本実施の形態では、従来のＳｉ基板を用いた場合と比較して、欠陥密度が大幅に低くなる。
ここで、本実施の形態のパワーデバイスにおいて、高耐圧を確保するために、例えば、ＡｌＧａＮバックバリア層６５の全部もしくは一部の領域にはＳｉ等のｎ型不純物をドープしていなくてもよい。
尚、ＩＩＩ族窒化物を構成する主なＩＩＩ族元素金属は、ガリウム（Ｇａ）が最もよいが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）等が主なＩＩＩ族元素金属とされていてもよい。これらは、１種類のみ用いてもよく、２種類以上併用してもよい。例えばインジウムを含む場合、その組成は、ＡｌｓＧａｔＩｎ｛１−（ｓ＋ｔ）｝Ｎ（ただし、０≦ｓ＜１、０≦ｔ＜１、ｓ＋ｔ＜１）で表される。
本出願は、２０１７年１１月１６日出願の特願２０１７−２２０７４９号に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体は、格子不整合が小さく、基板から発光層やチャネル層などの機能層への不純物拡散も抑制した高品質、高信頼性、高性能なＩＩＩ族窒化物デバイスを提供することが可能となる。
１、１１、３１、４１、６１ ＲＡＭｇＯ４（ＳｃＡｌＭｇＯ４）基板
２、３２、４２、５１ ｎ−ＧａＮ層
３、３３、５２ ｎ−ＩｎＧａＮ層
４、３４ ｎ−ＡｌＧａＮ層
５、５３ ＩｎＧａＮ発光層
６、５４ ｐ−ＡｌＧａＮ層
１０、２０ ＩＩＩ族窒化物半導体
６２ ＧａＮ第１バッファ層
６３ ＩｎＧａＮ拡散抑制層
６４ ＧａＮ第２バッファ層
６５ ＡｌＧａＮバックバリア層
６６ ＧａＮチャネル層
６７ ＡｌＧａＮバリア層
６８ ｐ型ＧａＮ層
１００、２００ 発光ダイオード
６０１ ソース電極
６０２ ゲート電極
６０３ ドレイン電極

Claims (9)

  1. ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）で構成されるＧａＮ層と、
    前記ＧａＮ層上に配置された、ＩｎＧａＮで構成されるＩｎＧａＮ層と、
    前記ＩｎＧａＮ層上に配置された、ドーパントを含むＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）で構成されるＡｌＧａＮ層と、
    前記ＡｌＧａＮ層上に配置された機能層と、を備え、
    前記ＧａＮ層のＭｇ濃度は、前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度よりも大であり、
    前記ＡｌＧａＮ層のドーパント濃度が、前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度より大であり、
    前記ＧａＮ層は、ドーパントを含み、かつ
    前記ＩｎＧａＮ層側に、ドーパント濃度がＭｇ濃度より大である第１領域と、
    前記第１領域と反対側に、ドーパント濃度がＭｇ濃度より小である第２領域と、
    を有する、ＩＩＩ族窒化物半導体。
  2. 前記ＧａＮ層の前記第２領域のＭｇ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上かつ１×１０２２ｃｍ−３以下である、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
  3. 前記ＧａＮ層の前記第２領域の厚さは、０．５μｍ以上かつ２μｍ以下である、請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
  4. 前記ＧａＮ層は、基板上に配され、
    前記基板は、一般式ＲＡＭｇＯ４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表す）からなるＲＡＭｇＯ４基板である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
  5. 前記ＩｎＧａＮ層における厚さ方向のＭｇ濃度の減少率は、前記ＧａＮ層における厚さ方向のＭｇ濃度の減少率よりも大である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
  6. 前記ＡｌＧａＮ層に含まれる前記ドーパントはｎ型ドーパントである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
  7. 前記ｎ型ドーパントは、Ｓｉである、請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
  8. 前記機能層は、発光層である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
  9. 前記機能層は、チャネル層である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体。
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