JPH0936428A

JPH0936428A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH0936428A
Application number: JP18304395A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】窒素を含有するIII −Ｖ族化合物半導体層の
積層構造を備えた、プレーナ型であり且つ高輝度の短波
長ＬＥＤを提供する。【構成】アルミニウムからなる基板表面上に含窒素 I
II−Ｖ族化合物半導体からなる積層構造を直接堆積させ
た積層構造から半導体装置を構成する。特に、含窒素 I
II−Ｖ族化合物半導体がＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦
１）である積層構造から半導体装置を構成する。【効果】プレーナ型であり高輝度の短波長ＬＥＤがも
たらされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード等の窒素
を含む含窒素 III−Ｖ族化合物半導体層の積層構造を備
えた半導体装置に係わり、特に半導体装置の低価格化を
もたらす含窒素III −Ｖ族化合物半導体からなる積層構
造を形成するための基板材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）や窒化インジウム（ＩｎＮ）或いは窒化
アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）等のそれらの混
晶は、電界効果型トランジスタ等の電子デバイス等に加
え、紫外線検出器等の光素子等の半導体装置を構成する
要素として利用されている。

【０００３】半導体装置用途の含窒素III −Ｖ族化合物
半導体からなる積層構造は、従来から一般的にサファイ
ア（単結晶アルミナ）からなる基板上に設けられてい
る。一例としてサファイア基板上に堆積された含窒素II
I −Ｖ族化合物半導体層の積層構造を備えた高移動度電
界効果型トランジスタの模式的な断面構造を図１に示
す。また、短波長の青色光を発する従来の発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）の断面構造を図２に模式的に示す。汎用デ
バイスであるため廉価であることが要求されているＬＥ
Ｄにも、高純度化されたアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粉を原
料とし単結晶化の工程を経て作製されたサファイアが基
板として使用されている。この様に電子或いは光デバイ
スに拘らず、従来の半導体装置は基板としてサファイア
を使用した含窒素III −Ｖ族化合物半導体層の積層構造
からなっていた。

【０００４】半導体装置を構成するための含窒素III −
Ｖ族化合物半導体層は、有機金属熱分解気相成長（ＭＯ
ＶＰＥやＭＯＣＶＤなどと称される。）法、分子線エピ
タキシャル（ＭＢＥ）法或いはハロゲン気相成長（ＶＰ
Ｅ）法等の気相成長方法により得られている。従来から
これらの気相成長方法に於いて、含窒素III −Ｖ族化合
物半導体層の成長は高温で実施されている。例えば、常
圧のＭＯＶＰＥ法では、一般に約１０００℃の高温環境
下に於いてＧａＮ膜の成長が行われている（Ｈ．Ｍ．Ｍ
ａｎａｓｅｖｉｔ他、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓ
ｏｃ．、１１８（１９７１）、１８６４．）。ＭＯＶＰ
Ｅ法とは気相成長方式を異にするＶＰＥ法に於いてもＧ
ａＮの成長は基板温度を約１０００℃に保持し実施され
ている（Ｍ．Ｉｌｌｅｇｅｍｓ、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒ
ｏｗｔｈ、１３／１４（１９７２）、３６０．）。

【０００５】含窒素III −Ｖ族化合物半導体層からなる
積層構造を得るための基板材料としては、この様な高温
に耐え得る材料からなる基板を選択する必要があった。
サファイアは融点が２０４０℃であり、従来の含窒素II
I −Ｖ族化合物半導体層の成膜温度に耐え得る基板材料
となる。これが、従来からサファイアを基板としている
一つの理由である。サファイアは多結晶のアルミナ塊な
どを原料として、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）引
上げ法により製造されている。即ち、単結晶化するため
の工程を経る必要があるため、高価な基板材料となって
いた。従って、サファイアを基板とする含窒素III −Ｖ
族化合物半導体層を備えた低価格の半導体装置の供給を
も難しくしていた。

【０００６】サファイアでも各種の面方位の結晶面を表
面とする様に加工することが出来る。含窒素III −Ｖ族
化合物半導体層を堆積するには、面方位が｛０００１｝
（Ｃ面と称す。）であるサファイアが基板としてもっぱ
ら利用されている。サファイアＣ面上には面方位が｛０
００１｝の含窒素III −Ｖ族化合物層を容易に成長させ
ることができる。サファイアのａ軸方向の格子定数は
４．７８５Åである。一方、例えば、ＧａＮのａ軸方向
の格子定数は３．１６０Åである。基板とその基板上に
堆積する成長層との格子の不整合度は、基板材料及び成
長層の格子定数を各々、ｄ_sub.、ｄ_epi.とすれば、ミス
マッチ度（δ、単位％）として例えば次の式（１）に従
い計算できる。 δ（％）＝｛（ｄ_epi.−ｄ_sub.）／ｄ_sub.｝×１００・・・・・式（１）成長層の格子定数が基板のそれより大きければδは正の
値となる。δが負の値との時は、基板の格子定数が成長
層のそれよりも大きいことを表している。δ＝０となれ
ば、基板と成長層の格子定数は一致している、即ち、格
子が整合していることを意味している。δの符号に拘ら
ず、δの値が大きくなる程、格子不整合度が大きく、結
晶層に格子不整合に起因する歪や結晶欠陥等が導入され
易くなり好ましくはない。サファイアＣ面上に例えば
｛０００１｝ＧａＮが成長する場合のδは、上記の格子
定数の値を式（１）に代入して求めると約３３％と大き
な値となる。この様にδが大きい格子不整合系の積層構
造では、成長層への格子歪、転位や点欠陥等の多量の結
晶欠陥が導入され、この積層構造を利用する半導体装置
の特性上、好ましくはなかった。

【０００７】格子の不整合性に基づく積層構造の構成層
の膜質の悪化を抑制するために、最近では、サファイア
に替わり酸化ガリウム・ネオジウム単結晶（ＮｄＧａＯ
₃ ）を基板として利用する試みもなされている（１９９
４年秋季第５５回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎ
ｏ．１、講演番号１９ｐ−ＭＧ−４、１８４頁）。Ｎｄ
ＧａＯ₃ 単結晶基板とＧａＮ成長層とのδは小さく数％
未満である。しかし、ＮｄＧａＯ₃ もいずれにしてもサ
ファイアと同様に多結晶塊等から単結晶化するための単
結晶化工程をもって製造されるものであり、必ずしも安
価な基板材料とはなり得なかった。

【０００８】含窒素III −Ｖ族化合物半導体層を気相成
長法により得るに当たり、気相成長プロセスの低温化が
果たされれば、基板として適合する材料の選択の幅が拡
大し、何も耐熱性を備えたサファイア等の単結晶材料を
敢えて基板材料として利用する必要性も無くなる。窒素
を含むIII −Ｖ族化合物半導体層の低温での気相成長が
果たされれば、さほどの耐熱性も無く、また従来の基板
材料に比較すれば単結晶であってもより廉価な材料から
なる基板が利用できる。一例を挙げれば含窒素化合物半
導体層の一般的な成膜温度である約１０００℃を越え
る、例えば高融点の金属材料であるモリブデン（Ｍｏ、
融点＝２６１７℃）、クロム（Ｃｒ；融点＝１８５７
℃）やニッケル（Ｎｉ；融点＝１４５３℃）等は勿論の
こと、例えば、融点が６６０℃のアルミニウム（Ａ
ｌ）、亜鉛（Ｚｎ；融点＝４２０℃）、鉛（Ｐｂ；融点
＝３２８℃）、カドミウム（Ｃｄ；融点＝３２１℃）、
錫（Ｓｎ；融点＝２３２℃）などの低融点の金属が基板
として利用できる可能性が生ずる。

【０００９】含窒素III −Ｖ族化合物半導体層の気相成
長プロセスの低温化は、アンモニア（ＮＨ₃ ）に替わ
り、例えば、ヒドラジン（Ｈ₂ Ｎ＝ＮＨ₂ ）を窒素源と
する（鍋研太郎、「応用物理」第６３巻第２号（１９９
４）、１５６頁）など、成膜用の窒素源を創意すること
によっても果たされるが、上記の低融点金属材料の中で
もＡｌは既に工業的に生産されており、基板とするに適
する円盤状や方形板状などの形状に依らず廉価で且つ容
易に入手できるため便利である。しかし、従来のサファ
イア基板に比較すれば廉価であるＡｌやＡｌ合金を基板
材料とした含窒素III −Ｖ族化合物半導体層からなる積
層構造を備えた半導体装置は知られていない。

【００１０】従来に於いては、光学的に研磨されたガラ
ス基板等の上に、予め高周波スパッタリング法によりＡ
ｌ等の金属被膜を形成した後、Ａｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０≦
ｙ≦１）やＩｎＮの含窒素III −Ｖ族化合物半導体層を
ＭＯＣＶＤ法で堆積する方法が知られている（特公平５
−８６６４６）。しかし、この従来技術に基づく構造に
於いては、Ａｌ等の金属膜はあくまでも下地としたガラ
ス等からなる基板の表面上に被着されたものとなってい
る。即ち、従来のＡｌ等の金属被膜はそれ自体、基板と
しての役目を担っているものではなく、よって基板材料
として利用されているのではなかった。

【００１１】例えば、図３に例示するガラスからなる基
板上にＡｌ金属膜を被着し、その上に堆積された含窒素
III −Ｖ族化合物半導体層からなる積層構造から、半導
体装置の一例であるＬＥＤを構成するとする。この積層
構造は、従来の例に倣いガラスの基板（１１５）にＡｌ
からなる金属被膜（１３５）を設け、その上にそれぞれ
含窒素III −Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層（１３
０）、下部クラッド層（１３１）、発光層（１３２）、
上部クラッド層（１３３）及びコンタクト層（１３４）
を順次堆積してなっている。ＬＥＤにあっては、発光を
得るために、発光層（１３２）と上部クラッド層（１３
３）とで構成されるｐｎ接合からなるダイオードに順方
向に電圧を印加するための２つの電極（（１２８）及び
（１２９））を形成する必要がある。ガラスの基板（１
１５）上に設けたＡｌ金属被膜（１３５）は適当な厚さ
が有していれば電極（１２８）に対向する電極（１２
９）として利用できる。しかし、ガラス基板（１１５）
の表面上に被着されたＡｌ被膜（１３５）を電極（１２
９）とするには、結線のためにＡｌ被膜（１３５）の表
面を露出させる必要があるため、Ａｌ被膜（１３５）の
上に堆積された緩衝層（１３０）、下部クラッド層（１
３１）、発光層（１３２）、上部クラッド層（１３３）
及びコンタクト層（１３４）を担うIII −Ｖ族化合物半
導体層を除去しなければならない。即ち、従来の様に基
板材料ではなく、表面被着膜として設けられた金属膜を
電極として利用するためには、積層構造を構成する層を
除去するための工程が加えて必要となる。また、積層構
造の構成層の一部を除去する工程を経た後に得られるＬ
ＥＤには、図３に示す様な段差が存在することとなるた
め、一般に高い信頼性が付与されるプレーナ（ｐｌａｎ
ｅｒ）型の素子が得られない問題点があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】窒素を含むIII −Ｖ族
化合物半導体層からなる半導体装置用途の積層構造を得
る当たり、容易に入手でき、従来の単結晶基板に比較し
て廉価であり且つ含窒素III −Ｖ族化合物半導体層と顕
著な格子不整合をもたらさない材料を新たに基板として
利用した含窒素III −Ｖ族化合物半導体積層構造を提供
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、基板上
に堆積された窒素を含む含窒素III −Ｖ族化合物半導体
からなる積層構造を備えてなる半導体装置に於いて、ア
ルミニウム（Ａｌ）からなる基板上に、含窒素III −Ｖ
族化合物半導体層を直接堆積させた構造を備えてなる半
導体装置を提供する。特に、Ａｌからなる基板表面上に
堆積されたＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（ｘは組成比を表し、０＜
ｘ≦１である。）層を含む積層構造からなる半導体装置
を提供する。

【００１４】前述の如くＡｌの融点は、６６０℃であ
る。Ａｌを基板としてその上に窒素を含むIII −Ｖ族化
合物半導体層を成長させる場合、これらの半導体層の成
長温度はＡｌの融点である６６０℃未満に設定する必要
がある。含窒素III −Ｖ族化合物半導体層の気相成長温
度を低下させるには、従来からＮ源として使用されてい
る難分解性のＮＨ₃ に替わる含窒素化合物をＮ源として
新たに採用する必要がある。

【００１５】本発明者らが含窒素有機化合物の中から新
Ｎ源となり得る化合物を鋭意、検討した結果、１Ｈ−ピ
ロール（１Ｈ−Ｐｙｒｒｏｌｅ）等の複素（ヘテロ）環
式化合物や１，４−ジアゾビシクロ［２，２，２］オク
タン（１，４−Ｄｉａｚｏｂｉｃｙｃｌｏ［２，２，
２］ｏｃｔａｎｅ）等の脂環式架橋化合物が比較的低温
で熱分解し窒素や窒素化合物を放出するため、例えばＭ
ＯＶＰＥ法による含窒素III −Ｖ族化合物半導体層成長
用のＮ源として好適であることが判明した。一例として
図４に１Ｈ−ピロールの６００℃近傍で得られる熱分解
質量スペクトルを示す。質量（ｍ）／電荷（ｅ）比（ｍ
／ｅ比）が１４の窒素原子も熱分解により放出されるこ
とが示されている。この点から観ても１Ｈ−ピロールは
一つの優位な気相成長用のＮ源であり、この様な低温分
解性を有する含窒素化合物をＮ源として利用すれば、本
発明の云うＡｌ材料を基板としたIII −Ｖ族化合物半導
体層からなる半導体装置用途の積層構造が得られる。

【００１６】Ａｌ基板表面上に堆積するＡｌ_x Ｇａ_1-x
Ｎ（ｘは組成比を表し、０＜ｘ≦１である。）層の伝導
形には制限がなく、ｎ形、ｐ形若しくは絶縁形のいずれ
であても構わない。また、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の膜厚や
キャリア濃度にも制限はなく、所望する半導体装置に依
って、或いは目的とする電気的、光学的特性を勘案し決
定すれば良い。このＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の上に積層する
半導体層の種類、伝導形膜厚やキャリア濃度等について
も制限はない。所望する半導体装置に鑑みて、ホモ接合
やヘテロ接合を積層構造に付与すれば良いことである。

【００１７】本発明では、Ａｌからなる材料を従来の如
く被膜材料としてでは無く、それ自体を含窒素III −Ｖ
族化合物半導体層成長用の基板として利用する以上、基
板を構成するＡｌは５Ｎ（９９．９９９％）以上の高純
度であるのが望ましい。元素周期律の第II族や第IV族或
いは第VI族元素を不純物として含むＡｌ材料であると、
これらの不純物が成長層へと熱拡散等により侵入し、成
長層の電気的特性に悪影響を及ぼすからである。第II族
元素はもっぱらアクセプター不純物として、第IV族元素
はドナー不純物として、また第IV元素は理論的には両性
不純物として作用する可能性があるからである。クロム
（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）などの遷移金属も場合によっては
半導体内で深い準位（ｄｅｅｐｌｅｖｅｌ）を形成す
る不純物や色中心（ｃｏｌｏｒｃｅｎｔｅｒ）となる
など、半導体膜の電気的、光学的特性に影響を及ぼす恐
れがあるため、これらの遷移金属不純物の含有量が少な
くなる様に精製された高純度のＡｌ材料を基板とするの
が好ましい。

【００１８】Ａｌを主成分とするＡｌ合金には、例えば
Ａｌ−珪素（Ｓｉ）系、Ａｌ−銅（Ｃｕ）系等多くの合
金がある（橋口隆吉編、「金属学ハンドブック」（昭
和３４年、朝倉書店））。しかし、第II族、第IV族若し
くは第VI族の元素を含有していないＡｌ合金種は希有で
ある。大体に於いて強靭性や耐食性を増すためにマンガ
ン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）等の
元素が添加され或いは合金の構成元素として含まれてい
る。このために、これらのＡｌ合金を半導体層成長用途
の基板として利用するのは好ましいものではない。

【００１９】基板として利用するＡｌは単結晶であって
も、そうでなくとも構わない。単結晶のＡｌを基板とし
た場合、面心立方型の結晶構造を持つＡｌ単結晶の格子
定数は４．０４Åである。従って、上記の式（１）から
算出される六方晶系のＧａＮを対象としたδは２１．７
％となり、従来のサファイアＣ面を基板としたＧａＮに
ついてのδの約２／３に格子の不整合度を低減できる。

【００２０】Ａｌ基板の形状には特に制限はない。円形
や方形その他の形状でも基板として利用できる。Ａｌ基
板の厚さについても特段の制限はないものの、基板上に
設けた含窒素III −Ｖ族化合物半導体積層構造を加工
し、最終的には裁断して個々の半導体装置に分割する際
の加工の容易さを考慮すると、概ね５００μｍ以下の厚
さが適する。一方、窒素を含むIII −Ｖ族化合物半導体
をＭＯＶＰＥ法等の気相成長により得るに際し、Ａｌ基
板の成長温度への加熱やその後の冷却過程に因る変形を
抑制する観点からすれば、Ａｌ基板の厚さは概ね１００
μｍとするのが適当である。従って、加工プロセスと成
長プロセスの双方から勘案すると、Ａｌ材料を基板とす
る場合、その厚さは概略して１００μｍ以上５００μｍ
以下とするのが好都合である。

【００２１】Ａｌ基板の表面の加工方法も限定された方
法はない。しかし、従来例の如く例えば、ガラス基板を
下地とした金属蒸着膜に積層するのではなく、本発明で
は、Ａｌからなる基板の表面上に、直接含窒素III −Ｖ
族化合物半導体成長層を堆積するため、Ａｌ基板の表面
は平坦な成長層を得るために平滑に加工する必要があ
る。具体的には、Ａｌ基板の表面の粗度は表面に存在す
る凹凸の最大高低差を示すＰＶ（Ｐｅａｋ−Ｖａｌｌｅ
ｙ）値にして概ね１００Å以下で、凹凸の高低差の平均
値に相当するＲＭＳ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕｉｒ
ｅ）でおおよそ２０〜３０Å以下の程度であるのが好ま
しい。

【００２２】Ａｌの表面はＡｌ原子から構成されてい
る。表面に露呈しているＡｌ原子は結晶成長上で云う成
長サイト（ｓｉｔｅ）となり、このためＡｌを含む含窒
素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長が促進される利
点がある。即ち、本発明に依ってＡｌを基板として利用
出来ることにより、ＡｌＮやＡｌ_ｘＧａ_1-x Ｎ混晶層
等のＡｌを含む含窒素III −Ｖ族化合物半導体層の成長
は表面上に露呈したＡｌ原子をサイトとして容易に進行
する。また、被堆積物である基板にＡｌのサイトが存在
すると、その被堆積物の上には結晶性に優れるＡｌ含有
成長層が堆積される。このＡｌ含有成長層の品質は、そ
の上に積層される成長層にも引き継がれるため、全体と
して結晶性に優れる含窒素III −Ｖ族化合物半導体層か
らなる積層構造が得られる利点がある。

【００２３】また、Ａｌは可視光や紫外線等の短波長の
光を効率良く反射する。一方、ＧａＮやＡｌＮ等の含窒
素III −Ｖ族化合物半導体層は透明である。例えば、透
明である含窒素III −Ｖ族化合物半導体層をＡｌ基板上
に堆積させて、図２に示した様な発光層やクラッド層を
含む短波長ＬＥＤ用途の積層構造を作成したとする。発
光領域からの発光の一部は透明である積層構造の構成層
である含窒素III −Ｖ族化合物半導体層を透過してＡｌ
基板の表面に到達する。Ａｌ基板の表面に達した一部の
発光は反射して再び半導体層を透過して、表面よりＬＥ
Ｄの外部へ放出される。このＡｌの反射能力は外部への
発光の取り出し効率の向上に寄与し、高輝度のＬＥＤを
提供できる。反射の効率は反射作用をもたらす表面の表
面積が増大すると顕著となるため、例えば、表面に凹凸
状の溝を形成する等の加工を施し、表面積を増大させた
Ａｌ材料を基板として利用しても構わない。

【００２４】更に、Ａｌは良好な電気伝導性を有する金
属の一つである。このことは、基板として用いたＡｌが
併せて電極として利用できることを意味する。従って、
図３に示した様なガラス基板上に金属被膜を設けた従来
構造にあっては、金属被膜の上に堆積された含窒素III
−Ｖ族化合物半導体層を除去するための専用の工程を必
要としたが、本発明では基板自体が電極を兼用するため
に成長層を除去する工程を要しない。工程の簡略化が果
たされるに加え、電極となすために成長層の除去を要さ
ないため積層構造上に段差が生じない、即ちプレーナ型
の半導体装置がもたらされる利点がある。

【００２５】高移動度トランジスタや一般的な電界効果
型トランジスタの様に基板側に敢えて電極を裏面電極と
して配置する必要が無い半導体装置、即ち、構造上積層
構造に含まれる能動層と基板との電気的な導通を取る必
要が無い半導体装置も存在する。この様な半導体装置に
ついては、Ａｌ基板と基板との導通の必要性がそもそも
無い構成層、例えば電界効果型トランジスタにあっては
ｎ形導電性の能動層（チャネル層）との中間に高抵抗の
絶縁性層を挿入すれば事足りる。本発明の云うＡｌは半
導体装置の如何に拘らず汎用的に基板として利用でき
る。特に、Ａｌ_xＧａ_1-x Ｎは室温での禁止帯幅が約
３．４ｅＶのＧａＮと禁止帯幅が約６ｅＶのＡｌＮとの
混晶と捉えることができ、（ｘ）によって禁止帯幅を
３．４ｅＶから約６ｅＶの間で変化させられることを意
味する。室温で禁止帯幅が３ｅＶを越えればほぼ絶縁体
であり（深海登世司監修、「半導体工学」（東京電機
大学出版局、１９８７）、１７頁）、この様な高抵抗層
を導電性のＡｌからなる基板の表面上に設ければ良い。
前述の如く、Ａｌ基板の表面には多量のＡｌサイトが存
在するため、Ａｌを基板とすれば高品質のＡｌＮやＡｌ
混晶膜が得られ易く良好な絶縁性を呈するＡｌＮやＡｌ
_x Ｇａ_1-x Ｎ層が得られ、このため、電界効型トランジ
スタにあっては、ゲート電極の耐圧が高く漏れ（リー
ク）電流が少ない等の特性に優れる半導体装置がもたら
される利点がある。

【００２６】Ａｌ基板に含窒素III −Ｖ族化合物半導体
層を積層するに際し、含窒素III −Ｖ族化合物半導体層
を成長させる方法には制限はないが、ＭＯＶＰＥ、ＭＢ
ＥやＶＰＥ法等の気相成長方法が利用できる。ＭＯ・Ｍ
ＢＥ法やＣＢＥ（ＣｈｅｍｉｃａｌＢｅａｍＥｐｉ
ｔａｘｙ）法も利用できる。ＭＯＶＰＥ法には、成長反
応を起こさせる際の成長反応系の圧力によって、常圧方
式と減圧方式とに区別されるがいずれの方式でも差し支
えはない。ＭＯＶＰＥ法による含窒素III −Ｖ族化合物
半導体層の成長にあっては、成長温度としてはＡｌの融
点（６６０℃）を勘案して、同温度未満とすることが必
要である。しかし、１００〜２００℃程度の低温度での
成長では、第III 族元素或いは第VI族元素の原料の熱分
解が不充分となり適当ではない。従って、概ね３００℃
を越えて６００℃程度の温度範囲で成長を実施するのが
好ましい。ＭＯＶＰＥ法による成長させる場合、減圧方
式では圧力を１０〜１００Ｔｏｒｒ程度とするのが一般
的であり、常圧法では大気圧前後の圧力で実施されるこ
とが多い。従って、ＭＯＶＰＥ法による含窒素 III−Ｖ
族化合物半導体層の成長に於いては、成長反応系の圧力
を１０前後から７６０Ｔｏｒｒ近傍とするのが一般的で
ある。

【００２７】

【作用】基板材料としてＡｌを使用すれば、Ａｌの成長
サイトが供給されることに伴い、ＡｌＮやＡｌ_x Ｇａ
_1-x Ｎ層等のＡｌを含む高品質のＧａＮ窒素III −Ｖ族
化合物半導体層の成長を容易にする。また、基板材料と
するＡｌは導電性を有しているため、ＬＥＤ等の半導体
装置にあっては電極としての他、発光を外部へ反射する
作用が得られる。

【００２８】

【実施例】本発明を半導体装置の一例であるＬＥＤにつ
いての実施例を基に詳細に説明する。図６に本実施例に
係わるＬＥＤチップの構造の模式図を示す。基板（１１
５）として純度が６Ｎの高純度アルミニウム（Ａｌ）か
らなる円盤を使用した。円盤状の基板（１１５）の直径
は約７５ｍｍで、厚みは０．８ｍｍであった。含窒素II
I −Ｖ族化合物半導体層を常圧のＭＯＶＰＥ法により気
相成長させる以前に、基板（１１５）の表面は希塩酸で
エッチングした。その後、純水で洗浄し乾燥させておい
た。

【００２９】図５に本実施例に使用したＭＯＶＰＥ気相
成長設備を模式的に示す。Ｎ源（１０１）として市販品
を高純度に精製した１Ｈ−ピロールを使用した。Ｎ源
（１０１）はステンレス鋼製の容器（１０２）に収納
し、恒温槽（１０７）により７５℃に保持した。７５℃
での１Ｈ−ピロールの蒸気圧は約９０Ｔｏｒｒである。
Ｇａ源（１０３）はトリエチルガリウム（（Ｃ₂ Ｈ₅ ）
₃ Ｇａ）とした。（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａはステンレス鋼製
容器（１０４）内に収納し、恒温槽（１０７）により４
０℃に保持した。ちなみに、４０℃に於ける（Ｃ₂ Ｈ
₅ ）₃ Ｇａの蒸気圧は約１２Ｔｏｒｒである。Ａｌ源
（１１９）としてはトリイソブチル（（Ｃ₄ Ｈ₉）₃ Ａ
ｌ）を使用した。Ａｌ源（１１９）はステンレス鋼製容
器（１２０）内に収納した。温度は恒温槽（１０７）に
より７０℃に保持した。同温度に於ける（Ｃ₄ Ｈ₉ ）₃
Ａｌの蒸気圧は約１．５Ｔｏｒｒである。

【００３０】乾燥を終えたＡｌ単体からなる基板（１１
５）を成長反応容器（１０８）内の加熱体（１１７）の
上に載置した。基板（１１５）の載置後、成長容器（１
０８）へ通ずる配管（１１１）内を通じてキャリアガス
（１０９）として水素ガスを８．０リットル／分の流量
でノズル（１１８）内を経過させ、Ａｌ基板（１１５）
に吹き付けた。水素キャリアガス（１０９）の流通を開
始して２０分を経過後、抵抗加熱方式の加熱体（１１
７）への通電を開始し、基板（１１５）の温度を室温近
傍より５７０℃に昇温させた。基板（１１５）の温度が
５７０℃に到達してから１５分間、同温度に保持し、基
板（１１５）の温度を安定させた。

【００３１】基板（１１５）を成長温度に加熱する以前
に於いては、予めＮ源（１０１）とした１Ｈ−ピロール
を収納する容器（１０２）内に、原料搬送用ガス（１１
０）として高純度の水素ガスを１５０ｃｃ／分の流量で
流通させＮ源（１０１）をバブリングさせておいた。原
料搬送用ガスは水素に限らずアルゴン、窒素等の不活性
ガスや例えば不活性ガスの混合ガスや水素と不活性ガス
の混合ガスであっても差し支えない。バブリング操作を
経たＮ源（１０１）の蒸気を随伴する原料搬送用ガス
（１１０）は配管（１１３−１）内を通し、開の状態に
あるバルブ（１１４−２）を通過させて排気用配管（１
１２）に流通させておいた。成長層の堆積を開始する以
前に於いては、原料搬送用ガス（１１０）を成長反応容
器（１０８）に通ずる配管（１１１）に合流させるため
のバルブ（１１４−１）は閉状態とした。

【００３２】Ｇａ源（１０３）とした（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇ
ａ及びＡｌ源（１１９）とした（Ｃ₄ Ｈ₉ ）₃ Ａｌも各
々、水素ガスを原料搬送用ガス（１１０）としてバブリ
ンブした。（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａを収納する容器（１０
４）内にも原料搬送用ガス（１１０）を流通させた。
（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａをバブリングするための原料搬送用
ガス（１１０）の流量は、４５ｃｃ／分とした。（Ｃ₄
Ｈ₉ ）₃ Ａｌも水素ガスを原料搬送用ガス（１１０）と
してバブリンブした。（Ｃ₄ Ｈ₉ ）₃ Ａｌをバブリング
しその蒸気を随伴する原料搬送用ガス（１１０）の流量
は９０ｃｃ／分に設定した。（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａ、（Ｃ
₄ Ｈ₉ ）₃ Ａｌについての原料搬送用ガスはアルゴン等
の不活性ガスやその他のガス及び混合ガスであっても構
わない。（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａ及び（Ｃ₄ Ｈ₉ ）₃ Ａｌを
随伴するそれぞれの原料搬送用ガス（１１０）は、それ
ぞれ配管（（１１３−２）及び（１１３−４））を通し
て排気用配管（１１２）に流通させておいた。成長層の
堆積を開始する以前は、バルブ（（１１４−４）及び
（１１４−８））は開とし、逆にバルブ（（１１４−
３）及び（１１４−７））は閉状態としておいた。

【００３３】成長温度（５７０℃）に到達してから１５
分を経過した時点で、バルブ（（１１４−１）、（１１
４−２）、（１１４−７）及び（１１４−８））の開閉
状態を逆転させ、Ｎ源（１０１）及びＡｌ源（１１９）
の蒸気を含む原料搬送用ガス（１１０）を、各供給源に
対応する配管（（１１３−１）及び（１１３−４））を
通じて配管（１１１）内に流した水素キャリアガス（１
０９）に合流させた。この原料を含む水素キャリアガス
（１０９）を成長反応容器（１０８）内に設けたガスノ
ズル（１１８）を通過させて基板（１１５）の表面に吹
き付けた。原料を含む水素キャリアガス（１０９）の基
板（１１５）表面への供給は５０分間に亘り継続し、膜
厚が０．５μｍ、キャリア濃度が約１×１０¹⁸ｃｍ^-3の
ｎ形の伝導を呈するＡｌＮ成長層（１２１）を得た。ｎ
形のＡｌＮ層（１２１）はｎ形ドーピングガスである、
高純度水素により体積濃度が約５ｐｐｍに希釈されたジ
シランを収納するボンベ（１２４）からドーピングガス
を１０ｃｃ／分の割合で配管（１２５）に導入すること
により得た。

【００３４】然る後に、バルブ（１１３−７）を閉と
し、逆にバルブ（１１３−８）を開とし、Ａｌ源（１１
９）の蒸気を含む原料搬送用ガス（１１０）を排気用配
管（１１２）に導入した。これと同時に、バルブ（１１
３−４）を閉とし、逆にバルブ（１１３−３）を開とし
てＧａ源（１０３）の蒸気を含む原料搬送用ガス（１１
０）を配管（１１１）内に導入し、膜厚が０．２μｍの
ＧａＮ成長層（１２２）を成長させた。Ｇａ源（１０
３）を含む原料搬送用ガス（１１０）の配管（１１１）
への導入と併行してボンベ（１２６）からｐ形ドーピン
ガスである、体積濃度にして約５０ｐｐｍのジエチル亜
鉛を含む高純度水素ガスを１２ｃｃ／分の割合で配管
（１２７）へ導入した。これにより、亜鉛の原子濃度を
約１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする高抵抗のＧａＮ層（１２２）
を得た。

【００３５】次に、再びＡｌＮ成長層（１２１）の成長
を上記に記載の操作により開始した。ここではｐ形ドー
ピングガスを収納するボンベ（１２６）よりｐ形ドーピ
ングガスを配管（１２７）に導入しｐ形のＡｌＮ層（１
２１）を得た。膜厚は０．２μｍとし、キャリア濃度は
１×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。以上より、Ａｌ基板（１１
５）上にｎ形−ＡｌＮ／ｐ形−ＧａＮ／ｐ形−ＡｌＮの
３層から構成されたｐｎ接合を備えた含窒素III −Ｖ族
化合物半導体層からなる積層構造（１１６）を形成し
た。

【００３６】積層構造の最表層であるｐ形−ＡｌＮ層
（１２１）の表面には、公知のフォトリソグラフィー技
術を利用して、円形の中心電極（１２８）を設けるため
にフォトレジスト材にパターニングを施した。パターニ
ング後、Ａｌを真空蒸着しリフトオフ法等を応用して、
直径が１３０μｍの円形電極を形成した。

【００３７】中心電極（１２８）と対向する対向電極
（１２９）としては、基板（１１５）を構成するＡｌ
が、元来電気伝導性を有することを利用して、基板（１
１５）そのものを利用した。即ち、対向電極を設けるた
めに積層構造の一部を除去するための従来の工程は不要
となった。しかも、従来例の如く積層構造の一部を除去
するに伴う段差構造が生じないために、電極形成工程が
簡略化される上にプレーナ型のＬＥＤが得られる。電極
（１２８）の形成後、細分化し、半導体装置の一例であ
るプレーナ型ＬＥＤのチップを得た。

【００３８】チップの中心電極（１２８）から電極（１
２９）の役目も備えた基板（１１５）側へ動作電流を流
した。これにより、３６０〜３７０ｎｍの波長の紫外線
光を発するＬＥＤが得られた。発光の光度は非モールド
状態に於いて約１５ミリカンデラに向上した。これは、
サファイア基板上に堆積された同一の積層構造から構成
された非プレーナ型の従来の紫外光ＬＥＤの発光光度と
比較すれば、約２倍の増加に相当する。これは発せられ
た紫外線の一部がＡｌ基板（１１５）の表面で反射さ
れ、結果としてＬＥＤ外部への発光の放出量が増大する
ためと考えられる。

【００３９】

【発明の効果】導電性のＡｌを基板とすることにより、
特にＬＥＤ等の半導体装置にあっては、電極形成工程が
簡略されると共に発光の外部への反射効率を増す効果が
ある。これにより、高輝度のＬＥＤが得られる。また、
従来の基板材料に比較すれば廉価なＡｌ材料を基板とす
ることにより、半導体装置の低価格化をもたらす経済的
な効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の電界効果型トランジスタの断面模式図の
一例を示す図である。

【図２】従来の発光ダイオードの断面模式図の一例を示
す図である。

【図３】ガラス基板を利用した発光ダイオードに於ける
断面構造例を模式的に示す図である。

【図４】１Ｈ−ピロールの６００℃近傍に於ける四重極
質量分析スペクトルを表す図である。

【図５】実施例に係わる成長設備の概略図である。

【図６】実施例に係わる半導体装置（ＬＥＤ）の模式図
である。

【符号の説明】

（１０１）窒素源（１０２）窒素源収納用ステンレス鋼製容器（１０３）ガリウム（Ｇａ）源（１０４）ガリウム源収納用ステンレス鋼製容器（１０５）インジウム（Ｉｎ）源（１０６）インジウム源収納用ステンレス鋼製容器（１０７）恒温槽（１０８）成長反応容器（１０９）水素キャリアガス（１１０）原料搬送用ガス（１１１）成長反応容器へ通ずる配管（１１２）排気用配管（１１３）配管（１１４）バルブ（１１５）基板（１１６）積層構造体（１１７）加熱体（１１８）ノズル（１１９）アルミニウム源（１２０）アルミニウム源収納用ステンレス鋼製容器（１２１）ＡｌＮ成長層（１２２）ＧａＮ成長層（１２４）ｎ形ドーピングガス収納ボンベ（１２５）ｎ形ドーピングガス用配管（１２６）ｐ形ドーピングガス収納ボンベ（１２７）ｐ形ドーピングガス用配管（１２８）中心電極（１２９）対向電極（１３０）緩衝層（１３１）下部クラッド層（１３２）発光層（１３３）上部クラッド層（１３４）コンタクト層（１３５）金属被膜（１３６）チャネル層（１３７）ＦＥＴ用電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムからなる基板表面上に窒素
を含む含窒素III −Ｖ族化合物半導体からなる積層構造
を直接堆積させた積層構造を備えてなる半導体装置。
【請求項２】含窒素III −Ｖ族化合物半導体がＡｌ_x
Ｇａ_1-x Ｎ（ｘは組成比を表し、０＜ｘ≦１である。）
からなる請求項１に記載の半導体装置。