JPH08264829A - 化合物半導体構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 金属板上に窒化物半導体を成長させ、電極形
成のためのエッチングが不要で素子構造設計の制約を軽
減した化合物半導体構造とその製造方法を提供する。 【構成】 単結晶、多結晶または非晶質状の高融点金属
材料板１上に、または該金属板上に形成されたＡｌ，Ｇ
ａやＩｎの窒化膜緩衝層９上に、プラズマで生成した活
性Ｎ原子を含む六方晶の窒化物半導体２を直接成長させ
る。その上にｎ型Ａｌ・ＧａＮ半導体の閉込め層３，Ｉ
ｎ・ＧａＮの活性層４，Ｐ型Ａｌ・ＧａＮの閉込め層５
及びＰ型ＧａＮ層６と電極７を形成し発光ダイオードを
得る。またＮを含む化合物半導体は、その半導体構造上
にＡｓかＰまたは両者を含む立方晶のIII−Ｖ族化合物
半導体が直接成長しているものか、あるいはＳ，Ｓｅ，
Ｔｅを単独か同時に含む立方晶のII−VI族化合物半導体
が直接成長しているものでもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体を利用し
た半導体素子構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】組成を変化させることにより様々なバン
ドギャップをもつ半導体が作製でき、またその多くは高
い発光効率が期待できる直接遷移型のバンドギャップを
もつため、化合物半導体の作製は多くの関心を集めてい
る。代表的な応用例は、砒化ガリウムをベースとする赤
色半導体レーザや発光ダイオード、燐化インジウムをベ
ースとする通信用の赤外半導体レーザ、燐化ガリウムを
ベースとする黄色から緑色の発光ダイオード、高周波特
性にすぐれ衛星放送などに多く用いられているトランジ
スタ等である。これらの半導体は周期律表のIII族とＶ
族の元素からなり、III−Ｖ族化合物半導体と呼ばれて
いる。また、緑から青の波長で発振するレーザの材料と
して、セレン化亜鉛をベースとする半導体が研究され
（S.Itohら、エレクトロン・レターズ（Electron Let
t.）２９，７６６（１９９３）およびN.Nakayamaら、エ
レクトロン・レターズ（Electron Lett.）２９，２１９
４（１９９３）等）、赤外線の領域ではテルル化カドミ
ウムやテルル化水銀をベースとする半導体が用いられて
いるが、これらの半導体はII−VI族化合物半導体と呼ば
れている。

【０００３】上記化合物半導体の結晶形は立方晶であ
り、素子として用いる薄膜結晶は立方晶である砒化ガリ
ウム、燐化ガリウム、燐化インジウム等の単結晶基板の
上に成長させている。これらの基板は高価であり、面積
が大きいものは入手が困難である。砒化ガリウムをベー
スにした発光ダイオードなどが今後大量に普及し廃棄さ
れていくことを考えると、発光に直接寄与する領域以外
の砒化ガリウムの部分を極力少なくすることが、環境中
に有毒な砒素を拡散させないためにも望ましい。

【０００４】近年、化合物半導体としては最も広いバン
ドギャップをもつＶ族として、窒素を含む半導体の利用
が注目されている。代表的な窒化物半導体である窒化ガ
リウムを主な材料として、青色で発光する半導体発光素
子（発光ダイオード）が実用化され、S.Nakamura,M.Sen
o,T.Mukaiらによるジャパニーズ・ジャーナル・オブ・
アプライド・フィジックス（Jpn.J.Appl.Phys.）３２
（１９９３）Ｌ８やS.Nakamuraのジャーナル・オブ・ク
リスタル・グロース（J.of Crystal Growth）１４５巻
９１１頁（１９９４）等で発表されている。

【０００５】窒化物半導体の結晶は六方晶である。窒化
物半導体の薄膜の成長は、同じ六方晶であるサファイア
（α−Ａｌ₂Ｏ₃）の上に行われている。サファイアは硬
いため、成長した窒化物半導体膜に熱歪みによるひびを
生じることがある。サファイアには導電性がないため、
作製した素子構造に電極をつけるためには、エッチング
等の工程を必要とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】化合物半導体からなる
構造の成長は、高価な半導体結晶基板の上に行われてい
る。そのため、素子を高価にするとともに、結晶基板の
材料に基づく面積の制約から多量生産を妨げている。金
属面上に化合物半導体の結晶を成長させることができれ
ば、基板結晶の大きさの制約は一掃され、安価に半導体
素子を作製することができる。これは同時に砒素などの
有毒な元素が廃棄される量を、低減させることにも寄与
できる。サファイア基板上に窒化物半導体を成長させた
従来手法による窒化物半導体素子については、素子構造
に電極を形成するために、リソグラフィやエッチング等
の工程を要していた。また、配線が活性層の位置を横切
るために、素子構造の設計にも様々な制約があった。

【０００７】本発明は、金属面上に窒化物半導体を成長
させ金属側から電極をとるためエッチング工程が不要
で、素子構造設計の制約を軽減した化合物半導体構造と
その製造方法を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、単結晶、多
結晶またはアモルファス状の金属材料の上に、窒素を含
む六方晶の結晶形をもつ化合物半導体を直接成長させる
ことにより達成され、また、上記金属材料上にアルミニ
ウムまたはガリウムまたはインジウムの薄膜を形成し、
上記薄膜上に窒素を含む六方晶の結晶形をもつ化合物半
導体が直接成長することにより達成される。

【０００９】また、上記窒素を含む化合物半導体が成長
した化合物半導体構造が、その構造上に、砒素と燐を単
独または同時に含む立方晶の結晶形をもつIII−Ｖ族化
合物半導体、あるいは、硫黄、セレン、テルルを単独ま
たは同時に含む立方晶の結晶形をもつII−VI族化合物半
導体が、直接成長していることによりそれぞれ達成され
る。

【００１０】さらに、上記金属材料に半導体構造を素子
として機能させるための電極を形成していることによっ
ても目的は達成される。

【００１１】あるいは、上記単結晶、多結晶またはアモ
ルファス状の金属材料上、あるいは上記金属材料上に形
成したアルミニウム、ガリウムまたはインジウムの薄膜
上に、プラズマにより生成した活性窒素原子を窒素原料
として、六方晶の結晶形をもつ化合物半導体を直接成長
させることにより、化合物半導体構造が製造できる。

【００１２】すなわち、本発明は、平坦にした金属表面
に六方晶である窒化物半導体を、活性な窒素が過剰に存
在する条件で成長させると、ｃ軸に強く配向するという
発見に基づき、六方晶結晶がもつ配向性を利用して、半
導体素子として機能できる半導体薄膜を金属面上に成長
させる。金属面上に成長した窒化物半導体の表面は（０
００１）面になっている。六方晶の（０００１）面の表
面における原子の配置は、立方晶の（１１１）面におけ
る原子の配置と同等である。窒化物の（０００１）面上
に立方晶となる化合物半導体を成長させると、（１１
１）面を表面にもつ立方晶の結晶が得られる。窒化物半
導体を中間層として利用することにより、金属面上に立
方晶の化合物半導体を成長させることができる。

【００１３】

【作用】窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジ
ウム等の窒化物半導体は、六方晶の１つであるウルツ鉱
型の構造が安定である。一般に六方晶の構造をもつ結晶
は、結晶成長の間に同一方向に軸をそろえようとする配
向性を、ある程度はもっている。この配向性を有効に引
出すことができれば、結晶形の情報をもたない面の上
に、同一方向に配向した半導体結晶を得ることができ
る。

【００１４】本発明は、平坦にした金属表面に、六方晶
である窒化物半導体を活性な窒素が過剰に存在する条件
で成長させると、配向性が強く現われ、ｃ軸に強く配向
した結晶が成長するという発見に基づいている。従来の
窒化物半導体の成長技術では、窒素原料であるアンモニ
ア等の分解温度が高いため、活性窒素原子の生成効率が
低い。また、結晶成長時の圧力が大気圧程度であるた
め、活性窒素原子は容易に再結合してしまう。このよう
な理由から、金属原子と結合する以外の活性窒素原子
は、ほとんど存在しないと考えられる。従来方法の結晶
成長条件では過剰窒素量が少ないため、結晶がもつ配向
性は余り現われない。従来方法で結晶軸がそろった結晶
を得るためには、表面に結晶の軸の情報をもつ基板が必
要になる。そのため、窒化物半導体結晶の成長のための
基板として、六方晶であるサファイアが多く用いられて
いる。

【００１５】本発明ではプラズマを用いて活性窒素原子
を高い効率で生成し、低い圧力で表面に供給することに
より、表面に過剰な活性窒素が存在する条件を作り出す
ことに成功した。この結果、六方晶結晶の配向性が極め
て強くなり、結晶成長する方向にｃ軸をそろえようとす
る機構が働く。結晶成長は表面に垂直な方向に進行する
ので、初期の表面が平坦であるならば、その上に結晶の
軸方向が揃った窒化物半導体結晶が成長し、成長にした
がって合一していき単結晶になる。このような作用によ
り、ｃ軸配向した窒化物半導体結晶を金属面上に得るこ
とが可能になった。立方晶の結晶には六方晶に見られる
ような配向性はほとんどなく、そのため結晶成長は、結
晶軸方向を明確に示す基板上で行うことが必須である。
従来方法では、ガリウムなどの立方晶の結晶形をもつ化
合物半導体は、立方晶の単結晶の上に成長する。

【００１６】金属面上に成長した窒化物半導体の表面は
（０００１）面になっている。六方晶の（０００１）面
の表面における原子の配置は、立方晶の（１１１）面に
おける原子の配置と同等である。窒化物の（０００１）
面上に立方晶となる化合物半導体を成長させると、（１
１１）面を表面にもつ立方晶結晶が得られる。窒化物半
導体を中間層として利用することにより、金属面上に立
方晶の化合物半導体を成長させることができる。

【００１７】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による半導体構造を製造する装置構成
を示す図、図２は窒化ガリウムのＸ線回折スペクトルを
示す図で、（ａ）は金属板上に成長したもの、（ｂ）は
サファイア基板上に成長したものをそれぞれ示す図、図
３は窒化ガリウムのホトルミネッセンススペクトルを、
金属板上成長とサファイア基板上成長と比較して示す
図、図５は本発明による窒化物半導体利用の青色発光ダ
イオードの側面図、図６は本発明による金属板上作成の
砒化ガリウムまたは砒化アルミニウム・ガリウム合金半
導体を活性層にもつ、赤外または赤色発光ダイオードの
側面図、なお、図４は従来方法でサファイア基板上に作
成した窒化物半導体利用の青色発光ダイオードの側面図
である。

【００１８】第１実施例 本発明による半導体発光素子の構造を作成するために用
いた結晶成長装置の概略を図１に示す。結晶成長装置
は、ガス混合・供給部１０、活性原子供給部２０、結晶
成長部３０、真空排気部４０、排気ガス処理部５０より
なる。ガス混合・供給部１では各種の原料ガスの流量制
御を行い、所定量の原料ガスを活性原子供給部２０およ
び結晶成長部３０の反応容器３１へと供給する。活性原
子供給部２０では石英管２３中にプラズマを閉じ込め、
プラズマ領域で生成する活性原子はガス流により同伴さ
れて反応容器３１へ供給される。活性原子供給部２０で
は高周波発振器２１から供給される高周波は導波路２２
を通り、電磁場調整器によりプラズマ領域で高周波の吸
収が最大になるように調整される。結晶成長部３０では
反応容器３１内で半導体基板３３を所定温度に保ち、供
給される原料ガスおよび活性原子から上記基板３３上に
半導体結晶薄膜が成長する。真空排気部４０は真空ポン
プと遮断バルブからなり、反応容器３１の圧力を一定に
保つ。排気ガス処理部５０では反応容器３１およびガス
混合・供給部１０から出る有毒なガスを無毒化したのち
に放出する。上記のように活性原子供給部２で生成する
活性窒素原子を、窒化物半導体の結晶成長に用いること
に本発明の特徴がある。

【００１９】第２実施例 つぎに示す実施例では窒素ガスまたはアンモニアガスを
窒素原料ガスとして用い、活性原子供給部２０へ導入す
ることにより活性窒素原子を作成した。活性窒素原子の
供給開始前にアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスのプラ
ズマを点火しておき、そのプラズマ領域に窒素原料を供
給することにより、活性窒素原子の供給を開始した。こ
の手法により活性原子の供給開始や停止の精度は、秒単
位以上にまで向上する（M.Sato：１９９４年度固体デバ
イス材料の国際会議、横浜：１９９４ Ｓ−Ｉ−１
（３））。上記の活性原子供給法により、活性窒素原子
の供給開始操作に伴う成長の中断を最小限にとどめるこ
とができ、界面への不純物の蓄積を抑えることができ
る。反応容器の圧力などの条件を変化させずに活性原子
の供給が開始できるため、表面の状態等の結晶成長の初
期条件を、再現性よく制御することも可能になる。

【００２０】第１実施例に示した結晶成長装置を用い
て、窒化ガリウムを金属板上に成長させた。III族原料
としてトリエチルガリウム、窒素原料としては窒素ガ
ス、キャリアガスとして水素ガスを用いた。金属板とし
ては、融点が高く化学的に安定であることから、モリブ
デン、タンタル、タングステンのいずれかを選択した。
金属板は反応容器３１に入れる前に、有機溶剤（アセト
ン）で脱脂し希硝酸により表面の酸化物層を取り除いた
のちに、純水で洗浄し乾燥させた。比較のためには、六
方晶結晶であり窒化物半導体の成長基板として多く用い
られているサファイア基板も用意した。

【００２１】５００℃から１０００℃の温度で反応容器
内圧力を２０Ｐａから１００Ｐａ（１Ｐａは役１／１０
００００気圧）で結晶成長を行った。金属板を水素気流
中で所定の温度まで加熱したのち、１０秒間程度活性窒
素原子を照射する。活性窒素原子の照射により金属表面
は窒化され、ごく薄い金属窒化物膜が形成される。この
上に活性窒素とトリエチルガリウムを供給することによ
り窒化ガリウムを成長した。

【００２２】金属板上もサファイア基板上も共に成長後
の表面は平坦であり、透明な膜が成長していた。窒化ガ
リウムの成長速度は高温ほど高い傾向にあり、また、反
応容器内圧力が低い方が表面の平坦性がよい傾向にあ
る。活性窒素の量がトリエチルガリウム量に対して少な
い場合には、表面はガリウム過剰の条件になり白濁した
表面の膜となった。

【００２３】７００℃で成長させた上記試料のＸ線回折
パタンを図２に示す。成長した窒化ガリウムの厚さは役
０．５マイクロメートルである。図２（ａ）は本発明の
金属板上に成長させた窒化ガリウムからの回折であり、
（ｂ）は比較のために成長したサファイア基板面上の窒
化ガリウム回折パタンである。（ａ）では金属板として
モリブデンを使用したが、タンタルまたはタングステン
を用いた場合の回折パタンも同様なものであった。図か
ら明らかなように、サファイア基板面上に成長させた試
料においては、窒化ガリウムからの回折に加えてサファ
イア基板からの回折が明瞭に観測されている。回折角度
から、サファイア基板上に成長した窒化ガリウムがｃ軸
方向に配向していることもわかる。金属板上に成長した
試料からも、ｃ軸方向に配向した窒化ガリウムからの回
折が観測されている。金属板は多結晶金属であり、測定
範囲内には回折が現われていない。金属面上の窒化ガリ
ウムからの回折の半値幅は、サファイア面上のものの半
値幅とほとんど同じであり、結晶の品質がよいことを示
している。

【００２４】サファイア基板は硬いため、厚い窒化ガリ
ウム層を成長させるとひびが入ることがある。これはサ
ファイアと窒化ガリウムとの熱膨張係数が異なり、成長
温度から室温まで温度を下げていく際に、結晶中に歪み
を生じるためである。サファイア基板上に８００℃で約
３μｍの窒化ガリウムを成長させた場合に、表面には多
くのひびが入っていることが確認された。基板としてモ
リブデン板を用いた場合にはひびが全く観測されなかっ
た。金属は窒化物半導体結晶に比べて柔らかいため、冷
却時に生じる歪みは金属板が変形することにより緩和さ
れる。

【００２５】第３実施例 上記実施例で得られた結晶の発光（ホトルミネッセン
ス）スペクトルを測定した。ホトルミネッセンスとは、
半導体の試料表面にバンドギャップよりも大きな光子エ
ネルギをもつ光を照射し、半導体中に形成される電子と
正孔とが再結合する際に発する光を計測するものであ
る。今回の測定では得られた試料を液体窒素温度（７７
Ｋ）に冷やして測定した。試料から発せられる光は回折
格子をもつ分光器により分光し、ホトカウンタで検出し
た。

【００２６】７００℃で成長させた厚さ約０．５μｍの
試料のホトルミネッセンススペクトルを図３に示す。図
３の上側に示したのが本発明の金属板上に成長させた窒
化ガリウムからのスペクトルであり、下側に示したのが
比較のために成長させたサファイア基板面上の窒化ガリ
ウムからのスペクトルである。図３には金属板としてモ
リブデンを使用した試料のスペクトルを示しているが、
タンタルやタングステンを用いた場合のホトルミネッセ
ンススペクトルも同様なものであった。図３に示した３
４０ｎｍ付近の発光は窒化ガリウムのバンドギャップの
発光であり、極めて鋭い。これは結晶性が良いことの現
われである。下側に示したサファイア基板上に成長した
試料からの発光と比較すると、金属面上の試料からの発
光の線幅は多少広くなり、５８０ｎｍ付近にも発光を伴
っている。バンドギャップ付近の発光が広くなっている
のは、電子を捕獲する不純物の量がサファイア基板上に
成長させたものより多いためであると考えられる。不純
物量の増加も格子欠陥の増加も、金属面が結晶の軸方向
の情報をもっていないため、配向して単結晶となるまで
に様々な欠陥を内包するためであると考えられる。結晶
成長温度は高いほど、また活性窒素原子量が多いほど発
光強度は強くなり、欠陥が関与する発光の強度は相対的
に減少した。今後、金属表面の処理条件や結晶成長の条
件を最適化することにより、結晶の品質を向上させるこ
とが期待できる。

【００２７】第４実施例 金属面上の窒化物半導体の結晶品質を向上させるため
に、金属板としてアルミニウムを選択した。アルミニウ
ムの表面を活性窒素原子で窒化した場合には、表面に窒
化物半導体の一種である窒化アルミニウムの薄い膜がで
きる。窒化アルミニウムは六方晶の結晶形をもつ窒化ガ
リウムとの格子定数の差も小さいため、成長した窒化ガ
リウムの品質が向上することが期待される。

【００２８】アルミニウム表面を１０秒間窒化し、トリ
エチルガリウムと活性窒素原子を用いて、窒化ガリウム
の成長を６００℃で行った。得られた結晶からのＸ線回
折パタンは図２に示したものと同程度であり、高い配向
性が得られている。発光スペクトルは図３に示した７０
０℃で作成したものと同様であったが、発光強度は約５
倍に増大した。また、室温においても発光が観測される
など、光学的な特性は第３実施例の試料と比較して向上
している。

【００２９】第５実施例 アルミニウム上に窒化ガリウムを成長すると結晶の品質
が向上するが、金属アルミニウムは融点が６６０℃と低
いため、高温での結晶成長や高温のプロセスに耐えな
い。そのため、高融点金属にアルミニウムを蒸着した板
上に窒化ガリウムを成長させた。

【００３０】モリブデン板上にアルミニウムを０．１μ
ｍ程度蒸着し、この板を用いて第４実施例と同一条件で
結晶を成長した。得られた結晶の質は第４実施例で得ら
れたものと同一であり、蒸着により作成したアルミニウ
ムの膜が、窒化ガリウムの結晶品質の向上に有効である
ことが確認された。アルミニウムの融点を超える８００
℃での成長を行ったが、成長後の表面における平坦性は
保たれていた。成長温度が高いため、得られた窒化ガリ
ウムからの発光強度は６００℃におけるものより高くな
った。表面のアルミニウムが溶融することは窒化ガリウ
ムの品質に影響を与えない。

【００３１】第６実施例 第５実施例で示した高融点金属上のアルミニウムの薄膜
を、第１実施例で示した反応容器の中で作成した。モリ
ブデン板を水素気流中で７００℃に保ち、アルミニウム
原料としてトリエチルアルミニウムを供給した。このと
き活性窒素は供給しない。トリエチルアルミニウムはモ
リブデン板上で熱分解し、アルミニウムを析出する。そ
の後トリエチルアルミニウムの供給を停止して活性窒素
の供給を開始し、第４実施例および第５実施例と同様に
窒化ガリウムを成長させた。得られた窒化ガリウム結晶
は第５実施例に示すものと同様であった。

【００３２】アルミニウムと周期律表で同じ族に属する
ガリウムまたはインジウムを用いて、同じ成長を試み
た。トリエチルアルミニウムに代えトリエチルガリウム
またはトリエチルインジウムを金属原料として用いた。
モリブデン表面にガリウムまたはインジウムを析出さ
せ、その後に窒化ガリウムを成長させた場合にも、アル
ミニウムを用いた場合と同程度の品質の窒化ガリウムを
成長させることができた。ガリウムやインジウムの薄膜
を金属面上に形成しておくことは、アルミニウム薄膜と
同様に金属板上の窒化ガリウムの高品質化に有効であ
る。

【００３３】第７実施例 窒化アルミニウムおよび窒化インジウムの結晶成長を行
った。これらの窒化物半導体は窒化ガリウムと組み合わ
せて発光素子などを作成するために必要な材料である。
第２実施例と同じ条件で、トリエチルガリウムに代えて
トリエチルアルミニウムまたはトリエチルインジウムを
供給することにより、窒化アルミニウムまたは窒化イン
ジウムを成長した。原子の半径が異なるために回折ピー
クの位置は異なるが、図２に示した回折ピークと同程度
の半値幅をもつ結晶が得られた。窒化アルミニウムの場
合は５００℃から１０００℃の温度領域で平坦な表面を
もつ結晶が得られたが、窒化インジウムの場合は８００
℃以上で表面が白濁し、Ｘ線回折ピークも幅広くなっ
た。これは窒化インジウムにおける窒素とインジウムと
の結合が弱く、８００℃以上では分解してしまうためで
ある。

【００３４】トリエチルアルミニウムとトリエチルガリ
ウムとを同時に供給し、窒化アルミニウムと窒化ガリウ
ムの合金半導体を成長させた。成長した半導体層の組成
は供給した有機金属の供給量の比と一致した。同様にト
リエチルガリウムとトリエチルインジウムとを同時に供
給することにより、窒化ガウリムと窒化インジウムの合
金半導体の成長に成功した。金属板上にIII族元素とし
てアルミニウム、ガリウム、インジウムのいずれか、ま
たはこれらを複数含む窒化物半導体およびそれらの合金
半導体を成長させることができる。

【００３５】第８実施例 第７実施例に示した合金半導体を用いて青色に発光する
発光ダイオードを作成した。サファイア基板上に作られ
る従来構造を図４に示し、本発明による構造を図５に示
す。

【００３６】発光ダイオードの構造は、基板１上に形成
されたｎ型の窒化ガリウム層２、ｎ型の窒化アルミニウ
ム・ガリウム合金半導体の閉じ込め層３、窒化インジウ
ム・ガリウム合金半導体の活性層４、ｐ型の窒化アルミ
ニウム・ガリウム合金半導体の閉じ込め層５、ｐ型の窒
化ガリウム層６よりなっている。ｎ型の導電性を得るた
めにはシリコンを、ｐ型の導電性を得えるためにはマグ
ネシウムを添加している。窒化アルミニウム・ガリウム
合金半導体のアルミニウム組成は１５％、窒化インジウ
ム・ガリウム合金半導体のインジウム組成は１０％とし
た。窒化インジウム・ガリウム合金半導体のインジウム
組成を変化させることによって、発光波長を変化させる
ことができる。

【００３７】図４に示した従来方法による構造では、ｎ
型用の電極８を形成するために、積層作成した構造をエ
ッチングすることが必要であった。窒化物半導体は化学
的に安定であるため、そのエッチングにはリアクティブ
イオンエッチング等の特殊な手法を必要とする。図５に
示した本発明の構造では、基板１として用いている金属
板が導電性を有するため、ｎ型の窒化ガリウム層２との
間に、窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムの緩衝層９
を挿入するが、ｎ型の電極をｐ型電極と同じ方向の素子
表面側から取る必要はなく、そのためエッチングのプロ
セスを必要としない。

【００３８】モリブデン板上にアルミニウムを蒸着した
ものを基板１として用い、８００℃で図５に示すような
構造を作成した。従来の方法と比較するために同一条件
で図４に示す構造を作成したが、両者とも室温で４５０
ｎｍの青色発光を示した。電流−電圧特性は両者で差が
なく、窒化ガリウムのバンドギャップより僅かに大きな
３．５ボルト程度の電圧を加えることにより発光する。
基板として用いた金属板と窒化ガリウム層との間の界面
抵抗は極めて小さく、金属板が電極として有効に機能し
ていることが解った。このようにして、金属板上に窒化
物半導体を用いた発光ダイオードを作成することがで
き、金属板は電極として機能することが明らかになっ
た。

【００３９】第９実施例 第２実施例に示した窒化ガリウムの成長に引き続き、砒
化ガリウムの結晶成長を行った。金属板上に成長した窒
化ガリウムの表面は（０００１）面であった。この面の
最表面の原子配列は立方晶の（１１１）面と同一であ
る。窒化ガリウムと砒化ガリウムの格子定数の差による
欠陥は避けられないが、六方晶である窒化ガリウム上に
立方晶である砒化ガリウムがエピタキシャル成長でき
る。砒化ガリウムの成長は７００℃、砒素原料としては
アルシンを用いた。砒化ガリウムを成長させたのちの試
料の表面は平坦で、Ｘ線回折パタンから（１１１）砒化
ガリウムが成長していることが確認された。窒化ガリウ
ムからなる緩衝層を金属板上に設けることにより、砒化
ガリウムに代表される立方晶の結晶形をもつ半導体を金
属板上に成長させることができる。

【００４０】第１０実施例 第９実施例においては、砒化ガリウムと窒化物半導体と
の格子定数の差により、砒化ガリウム中に生じる欠陥を
低減するために、窒化物半導体の緩衝層を窒化インジウ
ムとした。その結果、砒化ガリウム層からのＸ線回折の
強度は増加し、半値幅も小さくなった。格子定数の差が
小さい窒化インジウムを緩衝層として用いることによ
り、砒化ガリウム層の品質を向上させることができる。

【００４１】第１１実施例 第１０実施例で示した砒化ガウリム成長層を高品質化す
るために、砒化ガリウム・インジウム合金半導体からな
る層と砒化ガリウムからなる層の超格子構造を、砒化ガ
リウム層中に挿入した。この手法はシリコン基板上に欠
陥が少ない良質な砒化ガリウム層を成長させるために用
いている。２０ｎｍ厚さのインジウム組成２０％の合金
半導体層と、２０ｎｍ厚さの砒化ガリウム層を交互に５
層づつ積層することにより、結晶中の欠陥の数は大幅に
減少する。この超格子の上に連続的に２μｍの砒化ガリ
ウム層を成長させた。これにより、表面での欠陥密度が
ｃｍ²あたりに１０，０００個程度の良質な砒化ガリウ
ム層を成長できた。液体窒素の温度において、上記砒化
ガリウム層からのホトルミネッセンス発光が観測でき
た。砒化ガウリム層の光学的な特性がよいことを示して
いる。

【００４２】第１２実施例 第１１実施例で示した構造の上に、赤外で発光する発光
ダイオードを図６に示すように作製した。モリブデン板
上に反応容器中でインジウムを析出したものを金属板４
１として用い、窒化インジウムの緩衝層４２を成長し
た。その上に砒化ガリウム層、２０ｎｍ厚さのインジウ
ム組成２０％の合金半導体層と、２０ｎｍ厚さの砒化ガ
リウム層を交互に５層ずつ積層した超格子層４３、ｎ型
の砒化ガリウム層４４、ｎ型の砒化アルミニウム・ガリ
ウム合金半導体の閉じ込め層４５、砒化ガリウム活性層
４６、ｐ型の砒化アルミニウム・ガリウム合金半導体の
閉じ込め層４７、砒化ガリウムのキャップ層４８を、ト
リエチル系の有機金属およびアルシンを原料ガスとして
成長した。ｎ型の導電性を得るためにはシリコンを用
い、ｐ型の導電性を得るためには亜鉛を用いた。窒化イ
ンジウム層および超格子層にもシリコンを添加してｎ型
とし、金属板から電極がとれるようにしている。

【００４３】上記のようにして作製した構造に電圧をか
けると、砒化ガリウム活性層のバンドギャップである８
６０ｎｍで発光した。電流−電圧特性はバンドギャップ
が大きい窒化インジウム層があるため抵抗が高くなり、
従来の砒化ガリウム基板を用いたものよりも多少劣って
いる。活性層は砒化ガリウムであるため発光は赤外領域
であるが、閉じ込め層のアルミニウム組成を増やし、活
性層も砒化アルミニウム・ガリウム合金半導体にするこ
とにより、赤色で発光する発光ダイオードを作製するこ
ともできる。

【００４４】金属板上に窒化物半導体の緩衝層を設け、
その上に立方晶の半導体の成長を行うことにより、砒化
ガリウムをベースとする発光ダイオードを、金属板上に
作製することができた。

【００４５】第１３実施例 第２実施例に示した窒化ガリウムの成長に引き続き燐化
ガリウムの結晶成長を行った。燐化ガリウムの成長は７
００℃、燐原料としてはフォスフィンを用いた。燐化ガ
リウムを成長させたのちの試料の表面は平坦で、Ｘ線回
折パタンから（１１１）燐化ガリウムが成長しているこ
とが確認された。窒化ガリウムからなる緩衝層を金属板
上に設けることにより、砒化ガリウムと同様に燐化ガリ
ウムを金属板上に成長させることができる。また、同様
にフォスフィンとトリエチルインジウムを原料として
（１１１）燐化インジウムの成長も可能であった。窒化
物半導体を緩衝層として用いることにより、緑色発光素
子のベースになる燐化ガリウムおよび赤外発光素子や電
子デバイスのベースになる燐化インジウムを金属板上に
成長することができた。

【００４６】第１４実施例 第２実施例に示した窒化ガリウムの成長に引き続きセレ
ン化亜鉛の結晶成長を行った。セレン化亜鉛の成長は４
００℃、原料としてはセレン化水素とジエチル亜鉛を用
いた。セレン化亜鉛を成長させたあとの試料表面は平坦
で、Ｘ線回折パタンから（１１１）に配向した立方晶の
セレン化亜鉛が成長していることが確認できた。セレン
化亜鉛をベースにした発光素子を作製するためには、硫
黄やテルルを含む半導体やそれらを含む合金半導体が必
要である。硫化水素およびジメチルテルルを加えること
により合金半導体の作製を行った。本発明による金属板
上のセレン化亜鉛と、従来方法である砒化ガリウム基板
上のセレン化亜鉛とを同時に反応容器に入れ、混晶半導
体を成長させたが、いずれの場合も同一の組成をもつ混
晶半導体が成長した。このように窒化ガリウムからなる
緩衝層を金属板上に設けることにより、立方晶のセレン
化亜鉛を金属板上に成長させることができる。II−VI族
化合物半導体も金属板上に成長させることが可能であ
る。

【００４７】

【発明の効果】上記のように本発明による化合物半導体
構造およびその製造方法は、単結晶、多結晶またはアモ
ルファス状の金属材料の上に、プラズマにより生成した
活性窒素原子を用いることにより、窒素を含む六方晶の
結晶形をもつ窒化物半導体の良質な結晶を直接成長させ
ることができ、従来方法において窒化物半導体の結晶成
長に用いられているサファイア基板を、金属板に置き換
えることによって、基板側にも電極を形成することが可
能になる。また、六方晶である窒化物半導体の上に、立
方晶の結晶形をもつIII−Ｖ族およびII−VI族化合物半
導体を成長することができる。窒化物半導体を中間緩衝
層として用いることにより、立方晶の化合物半導体結晶
を金属板上に成長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体構造を製造する装置構成を
示す図である。

【図２】窒化ガリウムのＸ線回折スペクトルを示す図
で、（ａ）は金属板上に成長したもの、（ｂ）はサファ
イア基板上に成長したものを示す図である。

【図３】窒化ガリウムのホトルミネッセンススペクトル
を、金属板上に成長したものとサファイア基板上に成長
したものとを比較して示す図である。

【図４】従来方法によりサファイア基板上に作成した窒
化物半導体を利用した青色発光ダイオードの側面図であ
る。

【図５】本発明による窒化物半導体を利用した青色発光
ダイオードの側面図である。

【図６】本発明による金属板上に作成の砒化ガリウムま
たは砒化アルミニウム・ガリウム合金半導体を活性層に
もつ、赤外または赤色発光ダイオードの側面図である。

【符号の説明】

１、４１……金属材料基板 ２、４２……窒素を含む化合物半導体 ３、４３……Ａｌ，またはＧａまたはＩｎを含む薄膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶、多結晶またはアモルファス状の金
   属材料の上に、窒素を含む六方晶の結晶形をもつ化合物
   半導体が直接成長していることを特徴とする化合物半導
   体構造。
2. 【請求項２】単結晶、多結晶またはアモルファス状の金
   属材料の上に形成された、アルミニウムまたはガリウム
   またはインジウムを含む薄膜上に、窒素を含む六方晶の
   結晶形をもつ化合物半導体が直接成長していることを特
   徴とする化合物半導体構造。
3. 【請求項３】上記窒素を含む化合物半導体は、その半導
   体構造上に、砒素と燐を単独または同時に含む立方晶の
   結晶形をもつIII−Ｖ族化合物半導体が、直接成長して
   いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の化
   合物半導体構造。
4. 【請求項４】上記窒素を含む化合物半導体は、その半導
   体構造上に、硫黄、セレン、テルルを単独または同時に
   含む立方晶の結晶形をもつII−VI族化合物半導体が、直
   接成長していることを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載の化合物半導体構造。
5. 【請求項５】上記金属材料は、上記半導体構造を素子と
   して機能させるための、少なくとも１つの電極を形成し
   ていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
   化合物半導体構造。
6. 【請求項６】単結晶、多結晶またはアモルファス状の金
   属材料の上、あるいは上記金属材料上に形成したアルミ
   ニウムまたはガリウムまたはインジウムの薄膜上に、プ
   ラズマにより生成した活性窒素原子を窒素原料として、
   六方晶の結晶形をもつ化合物半導体を、直接成長するこ
   とを特徴とする化合物半導体構造の製造方法。