JPH10214959A

JPH10214959A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH10214959A
Application number: JP1570097A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hiratani; 雄二平谷
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化物III−Ｖ族化合物半導体のエピタキシ
ャル成長層を用いた新規な半導体装置を提供する。【解決手段】この半導体装置は、Ｓｉ基板１の上に、
窒化物系III−Ｖ族化合物半導体から成るエピタキシャ
ル成長層３Ａ，３Ｂが複数層積層されている半導体装置
であって、エピタキシャル成長層の少なくとも１層３Ａ
におけるＳｉ濃度が１０¹⁵〜１０²⁰/cm³であることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系III−Ｖ族
化合物半導体のエピタキシャル成長層を有する半導体装
置に関し、更に詳しくは、半導体レーザや発光ダイオー
ドなどの発光素子、また、ホトダイオード，ホトトラン
ジスタなどの受光素子や、ＦＥＴ，ＨＢＴなどの電子素
子にも使用可能である新規な半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｓに代表されるIII−Ｖ族化合物
半導体の単結晶、更にその３元または多元混晶は、各種
の半導体装置の構成材料として重要な位置を占めはじめ
ている。そして、これらIII−Ｖ族化合物半導体のう
ち、ＢＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮのような窒化物系II
I−Ｖ族化合物半導体は、可視光域から紫外域に亘って
使用可能な発光・受光素子用の材料として重要視され、
とくにＧａＮは青色発光ダイオードの材料として注目さ
れている。

【０００３】ところで、上記した窒化物系III−Ｖ族化
合物半導体の結晶を成長させるためには、これらがいず
れも高融点でしかもその融点における蒸気圧が低いとい
うこともあって、ＧａＡｓやＩｎＰのように、水平ブリ
ッジマン法や引上げ法を適用することができない。した
がって、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体のバルク結晶
の製造は困難であり、そのため、その単結晶基板を得る
ことは不可能である。

【０００４】このようなことから、窒化物系III−Ｖ族
化合物半導体の結晶成長に関してはエピタキシャル成長
法が適用される。その場合、成長用の基板として単結晶
基板を用いることができないのであるから、必然的に異
種材料の基板が用いられる。しかしながら、窒化物系II
I−Ｖ族化合物半導体の結晶成長の場合、ＧａＡｓやＩ
ｎＰの場合とは異なり、その格子定数と熱膨張係数に整
合した材料の成長用基板は存在しない。

【０００５】現在、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体の
エピタキシャル結晶成長に用いられている基板は、比較
的良質な結晶成長を実現できるということで、サファイ
ヤ，アルミナが主要には採用されている。しかしなが
ら、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体の結晶格子定数と
サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ₃）結晶との間における格子不整合
率は、概ね、１３％であるので、このまま単純にエピタ
キシャル成長法を適用しても、窒化物系III−Ｖ族化合
物半導体の良質な結晶を得ることはできない。

【０００６】そのため、現在では、サファイヤやアルミ
ナの基板の上に、例えば温度４００〜６００℃の低温で
非晶質のＧａＮやＡｌＮをバッファ層として一旦形成し
てミスフィット転位を防止できるようにし、ついでこの
バッファ層の上にＧａＮなどの単結晶をエピタキシャル
成長させるということが行われている。そして、このよ
うにして製造した半導体装置からは、輝度が１〜数カン
デラ程度のＬＥＤや、短時間ではあるがＣＷ発振するＬ
Ｄなどの発光素子が製造されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た方法で作成した窒化物系III−Ｖ族化合物半導体の成
長結晶の場合であっても、それは充分に満足すべき単結
晶構造になっていないという問題がある。そのため、そ
の結晶を用いて製造した発光素子は、発光輝度も小さ
く、発光効率も低い値になっている。

【０００８】したがって、輝度の向上、発光効率の向
上、また安定して発振する発光素子の製造を目的とした
場合、基板上にエピタキシャル成長させる窒化物系III
−Ｖ族化合物半導体の結晶を更に良質なものにすること
が必要になる。本発明は、窒化物系III−Ｖ族化合物半
導体のエピタキシャ成長層を備えた従来の半導体装置に
おける上記した問題を解決し、エピタキシャル成長した
窒化物系III−Ｖ族化合物結晶の結晶性が優れている新
規な半導体装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
目的を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、基板を
各種材料のものに代え、かつエピタキシャル成長層へＳ
ｉをドーピングし、そのときに成長層におけるＳｉ濃度
を変化させ、得られたＧａＮエピタキシャル成長層の結
晶性につきホトルミネッセンス（ＰＬ）法による評価実
験を試みた。

【００１０】なお、上記したＰＬ法は、エピタキシャル
成長させた半導体から成る発光素子において、当該半導
体の結晶性を評価する方法として知られている。そし
て、ＰＬ法による評価時に発光しなければ、そのエピタ
キシャル成長層を用いた素子は基本的には発光素子にな
らない、しかし、ＰＬ法による評価時に発光すれば、そ
のエピタキシャル成長層を用いた素子は発光素子に成り
うることが多い、ということが経験則として知られてい
る。

【００１１】そして、上記した一連の評価実験におい
て、成長用基板としてＳｉ単結晶基板を用い、かつ、Ｇ
ａＮのエピタキシャル成長層におけるＳｉ濃度を比較的
高濃度にする、すなわち、ＧａＮのエピタキシャル成長
時に比較的高濃度でＳｉをドーピングしたところ、Ｇａ
Ｎのバンド端発光（波長３６５nm付近）の強度が非常に
強くなるという新たな知見を得た。しかしＳｉ濃度が低
い場合には発現しなかった。

【００１２】一方、サファイヤ基板を用いた場合には、
ＧａＮのエピタキシャル成長層にＳｉをドーピングして
もＧａＮエピタキシャル成長層の結晶性改善の効果はさ
ほど顕著ではなかった。なお、上記した現象が発現する
理由は必ずしも明確ではないが、次のように推論するこ
とができる。

【００１３】すなわち、異種材料の基板の上にエピタキ
シャル成長を行うと、形成された成長層の結晶には結晶
欠陥が発生する。そして、その結晶欠陥の発生原因や結
晶欠陥の性状などは用いた基板によって様々に異なって
くる。したがって、前記したように、Ｓｉ単結晶基板の
上にＧａＮをエピタキシャル成長させた場合でも、基板
の影響を受けることにより、形成された成長層には結晶
欠陥が発生しているものと考えられる。

【００１４】しかしながら、上記した事例の場合、たま
たまドーピングされたＳｉによってＧａＮ成長層に対す
るＳｉ単結晶基板の影響が減殺され、ＧａＮ成長層にお
ける結晶欠陥が低減し、もってその結晶性は良好とな
り、ＰＬ法による評価時に前記した顕著な効果を発揮す
るものと考えられる。このように、本発明者らは上記し
たような試行錯誤の実験を重ねる中で上記した現象を見
出し、更にその現象に関する考察を加え、それら一連の
過程から、本発明の新規な半導体装置を開発するに至っ
たのである。

【００１５】すなわち、本発明の半導体装置は、Ｓｉ基
板の上に、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体から成るエ
ピタキシャル成長層が複数層積層されている半導体装置
であって、前記エピタキシャル成長層の少なくとも１層
におけるＳｉ濃度が１０¹⁵〜１０²⁰/cm³であることを特
徴とする。とくに、本発明においては、前記したＳｉ濃
度が１０¹⁵〜１０²⁰/cm³である窒化物系III−Ｖ族化合
物半導体のエピタキシャル成長層が発光層になっている
半導体発光装置が提供される。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の半導体装置を図１に基づ
いて説明する。図１は、本発明の半導体装置の構成例を
示す断面図である。図１において、Ｓｉ単結晶基板１の
上には、非晶質の例えばＧａＮ層がバッファ層２として
形成され、更に、このバッファ層２の上に、例えばＧａ
Ｎのエピタキシャル成長層３，４が順次積層されてい
る。

【００１７】なお、エピタキシャル成長層は、図１のよ
うに２層であることに限定されず、任意の複数層であっ
てもよい。ここで、バッファ層２は、この上に目的とす
るIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長を行う
ために設けられる層である。そして、エピタキシャル成
長層３，４のいずれか、または両方にはＳｉがドーピン
グされて、Ｓｉ濃度が１０¹⁵〜１０²⁰/cm³になってい
る。

【００１８】Ｓｉ濃度が１０¹⁵/cm³より低い場合には、
エピタキシャル成長した結晶における結晶性改善効果は
低減し、ＰＬ法による評価時における発光ピーク強度が
弱くなる。Ｓｉ濃度が高くなればなるほど、結晶性の改
善効果は進み、ＰＬ法による評価時における発光ピーク
強度は強くなっていき、とくに１×１０¹⁸以上になる
と、発光ピーク強度は顕著に強くなり、エピタキシャル
成長した結晶が著しく改質されていることが推定され
る。

【００１９】しかし、Ｓｉ濃度を高めることによる結晶
性の改善効果は飽和傾向を示すので、Ｓｉ濃度を徒に高
めることは無意味である。しかも、エピタキシャル成長
層３，４の導電性を制御するような場合、例えばこれら
成長層をｐ型やｉ型の導電性に制御するような場合、当
該成長層のＳｉ濃度が高くなっていると、そこにドーピ
ングするｐ型ドーパントのドープ量を増加させなければ
ならないという問題が生じてくる。

【００２０】このようなことを考慮して、本発明の半導
体装置では、エピタキシャル成長層におけるＳｉ濃度の
上限値は１×１０²⁰/cm³に設定される。なお、上記した
半導体装置を発光素子として機能させる場合には、少な
くとも、発光層として機能させるエピタキシャル成長層
のＳｉ濃度を１０¹⁵〜１０²⁰/cm³に制御することが重要
である。

【００２１】その場合、発光素子の代表的な形態として
は、ホモ接合型，ｐｎ接合型，ダブルヘテロ接合型があ
り、そして、それぞれの場合、発光層をｐ型導電性，ｉ
型導電性やｎ型導電性にすることが必要になる。そのよ
うなときには、次のような対応が採られる。例えば、発
光層をｉ型導電性にする場合には、発光層にすべきエピ
タキシャル成長層にＳｉを１０¹⁵〜１０ ²⁰/cm³ドーピン
グする。しかし、このドーピングによって当該エピタキ
シャル成長層はｎ型になるので、ここに、更にＭｇやＺ
ｎのようなｐ型ドーパントをドーピングし、そのときの
ドープ量を調整してｎ型導電性を相殺すればよい。そし
て、発光層をｐ型導電性にする場合は、ｐ型ドーパント
のドープ量を更に増量すればよい。また、発光層をｎ導
電性にするためには、エピタキシャル成長層にＳｉを前
記した濃度となるようにドーピングするだけでよい。

【００２２】なお、Ｓｉのドーピングは、発光層として
機能させるエピタキシャル成長層に限定される必要はな
く、例えばクラッド層として機能させるような他のエピ
タキシャル成長層に行えば、当該クラッド層の結晶性も
向上して、より良質の発光素子を得ることができる。次
に、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。

【００２３】まず、本発明の半導体装置をガス源ＭＢＥ
法で製造する場合に用いる装置例の概略を図２に示す。
この装置Ａは、試料準備室Ａ１と結晶成長室Ａ２とを有
し、両室の間にはゲートバルブＡ３が介装されている。
試料準備室Ａ１と結晶成長室Ａ２には、それぞれ、図示
しない排気装置が配設され、両室内を所定の真空度にな
るまで真空引きすることができるようになっている。

【００２４】試料準備室Ａ１の中央部にはＳｉ単結晶基
板１を保持するための回転可能な基板ホルダ（図示しな
い）が配置され、ホルダ内の基板１を試料準備室Ａ１か
ら結晶成長室Ａ２に搬送するためのトランスファーロッ
ドＡ４が配置されている。また、ホルダにはヒータＡ５
が装着されていて、ホルダ内の基板１を所定の温度に加
熱できるようになっている。

【００２５】結晶成長室Ａ２の下部には、まず、III族
元素源の供給手段Ｂが装着されている。具体的には、金
属Ｇａの供給手段Ｂ１，金属Ｉｎの供給手段Ｂ２，金属
Ａｌの供給手段Ｂ３である。また、結晶成長室Ａ２に
は、Ｎ源の供給手段Ｃが装着されている。具体的には、
アンモニアの供給手段Ｃ１とジメチルヒドラジン（ＤＭ
Ｄｙ：(ＣＨ₃)₂Ｎ（ＮＨ₂)）の供給手段Ｃ２である。

【００２６】更に、結晶成長室Ａ２には、金属Ｓｉの供
給手段Ｄ１と金属Ｍｇの供給手段Ｄ２が装着されてい
て、これらでドーパントの供給手段Ｄを構成している。
これらの供給手段のうち、供給手段Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，
Ｄ１，Ｄ２は、いずれも、公知のクヌードセンセルであ
り、セル内部には例えばｐＢＮ製のるつぼが配置され、
セルの外側には例えばＴａ製のヒータが配置され、また
セルの噴出口には自動シャッタ開閉機構が配置されてい
る。

【００２７】これらの供給手段Ｂには、それぞれ所定の
金属元素がチャージされる。そしてセル外側のヒータを
作動することにより、セル内にチャージされている各金
属元素をビーム状にしてセルの噴出口から後述するＳｉ
単結晶基板の結晶表面に向かって噴出させる。このと
き、ヒータ温度を精密に制御することにより、ビーム束
の密度を調節することができる。

【００２８】他の供給手段Ｃ１，Ｃ２は、ここから供給
される原料がいずれも気体であるため、バリアブルリー
クバルブまたはマスフローコントローラを備えていて、
原料の流量を精密制御することができるようになってい
る。結晶成長室Ａ２の中央部には、試料準備室Ａ１から
搬送されてきたＳｉ単結晶基板１をセットするためのマ
ニュピレータが配置され、更に基板ヒータＡ５が設けら
れることにより、マニュピレータにセットされた基板１
を所定温度に加熱・保持できるようになっている。な
お、基板１は、その表面が真下を向くようにセットさ
れ、前記した各供給手段と対向せしめられる。

【００２９】また、結晶成長室Ａ２には、四重極質量分
析計（ＱＭＳ）Ａ６が配置されていて室内の残留ガスを
分析できるようになっており、更には、高速電子線回析
装置（ＲＨＥＥＤ）Ａ７が設置されていて、基板１の表
面における結晶成長の状態を時々刻々観察することがで
きるようになっている。この装置Ａを用いて、本発明の
半導体装置は次のようにして製造される。

【００３０】まず、Ｓｉ単結晶基板に対して以下のよう
な前処理が行われる。すなわち、選定したＳｉ単結晶基
板を例えばフッ酸で洗浄して表面の自然酸化膜を除去
し、ついで、試料準備室Ａ１に導入して基板ホルダにセ
ットする。その後、図示しない排気装置を運転して、試
料準備室Ａ１の中を例えば１×１０^-5Pa以下の真空度に
し、ヒータＡ５で基板１を例えば温度３００℃程度にな
るまで加熱して表面に吸着している水分子を除去する。

【００３１】図示しない排気装置で結晶成長室Ａ２の室
内を所定の超高真空状態にし、ゲートバルブＡ３を開に
し、トランスファーロッドＡ４で試料準備室Ａ１内の基
板１を結晶成長室Ａ２に搬送し、当該基板をマニュピレ
ータの基板ホルダにセットする。ついで、基板ヒータＡ
５を作動することにより、更に基板１を例えば１１００
℃程度の温度にまで加熱し、その温度で３０分間程度保
持するという熱クリーニングを行って、前処理を終了す
る。

【００３２】上記した前処理終了後、基板１の温度を降
温して６００〜８００℃程度の温度に保持し、またＱＭ
ＳＡ７で室内のガス分析を行いながら、供給手段Ｂ１〜
Ｂ３から所定のIII族元素源を供給し、かつ供給手段Ｃ
１またはＣ２からＮ源を供給して、基板１の上に非晶質
の窒化物から成るバッファ層を形成する。例えば、Ｇａ
Ｎのバッファ層を成膜する場合、供給手段Ｂ１からＧａ
を供給し、また供給手段Ｃ１またはＣ２からＮ源を供給
すればよい。

【００３３】基板上に所望厚みのバッファ層を形成した
のち、基板１の温度を例えば８００〜１１００℃に昇温
してその温度に保持し当該バッファ層の上にエピタキシ
ャル成長層を順次形成する。すなわち、供給手段Ｂ１〜
Ｂ３のいずれかから所定のIII族元素源を供給し、供給
手段Ｃ１またはＣ２からＮ源を供給し、かつ、供給手段
Ｄ１からＳｉを供給する。その結果、ｎ型の導電性を備
えた窒化物系III−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル
成長層が形成される。

【００３４】このとき、例えば供給手段Ｂ１〜Ｂ５から
のIII族元素源の供給量を調整し、同時に、供給手段Ｄ
１のセル温度を調整することにより、エピタキシャル成
長層におけるＳｉ濃度の調整は、Ｄ１のセル温度，基板
温度、およびIII族元素源の供給手段Ｂ１〜Ｂ３の温
度，Ｖ族元素源の供給手段Ｃ１またはＣ２からの供給量
によって行われる。

【００３５】所望厚みのＳｉドープエピタキシャル成長
層が形成されたのち、その上に、他のエピタキシャル成
長層が形成される。例えば、Ｓｉドープエピタキシャル
成長層の場合と同じ条件で結晶成長を行いながら、供給
手段Ｄ２からＭｇを供給すれば、Ｓｉ，Ｍｇドープエピ
タキシャル成長層が形成される。

【００３６】このとき、Ｍｇ供給量を多くすることによ
り、上記したＳｉ，Ｍｇドープエピタキシャル成長層に
ｐ型の導電性を付与することができる。

【００３７】

【実施例】

実施例１本発明のＳｉドープＧａＮ膜につき、以下のようにして
ＰＬ法による評価を行った。面方位（１１１）で、抵抗
率１×１０^-2Ω・cmのＳｉ単結晶基板を用意した。

【００３８】この基板をアセトンで洗浄し、ついで濃度
１００％のフッ酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し
たのち、ただちに試料準備室Ａ１に導入した。試料準備
室Ａ１内の真空度を１×１０^-6Paに設定し、ヒータＡ５
を作動し、基板１を温度３００℃で３０分間保持して表
面の水分子を除去した。ついで、ゲートバルブＡ３を開
にし、基板１をトランスファーロッドＡ４で、１×１０
^-8Paにまで排気された結晶成長室Ａ２に搬送し、マニュ
ピレータにセットした。ついで、基板ヒータＡ５を作動
することにより基板１に対し温度１１００℃で３０分間
の熱クリーニングを行った。

【００３９】基板１の温度を６５０℃に降温し、温度６
５０±0.５℃に保持しながら供給手段Ｂ１からＧａ、供
給手段Ｃ２からジメチルヒドラジンを室内に供給して、
基板１の表面に厚み１０nmの非晶質ＧａＮ層を形成し
た。なお、このとき、ＧａＮの成長速度が0.３μｍ/hr
となるように、供給手段Ｂ１のＧａセル温度を調整し
た。

【００４０】ついで、基板１の温度を８００〜９００℃
に昇温し、供給手段Ｂ１のＧａセル温度を９５０℃の一
定温度に設定し、Ｎ源の供給手段を供給手段Ｃ１に切り
換えてアンモニアを流量５sccmの一定値で供給し、同時
に、供給手段Ｄ１からＳｉを供給してエピタキシャル結
晶成長を２時間行い、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層を形成し
た。

【００４１】この条件の場合、ＧａＮの成長速度は0.３
μｍ/hrであり、またこのＧａＮエピタキシャル成長層
の厚みは0.６μｍになる。このとき、供給手段Ｄ１にお
けるＳｉセル温度を制御することにより、Ｓｉのドープ
量が、それぞれ、３×１０¹⁵/cm³，６×１０¹⁶/cm³，６
×１０¹⁷/cm³，４×１０¹⁸/cm³，２×１０¹⁹/cm³のＳｉ
ドープｎ−ＧａＮ層を形成した。

【００４２】Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層の形成後、それぞ
れについて、前記したＳｉドープｎ−ＧａＮ層の成膜条
件を維持しながら、同時に供給手段Ｄ２からＭｇを供給
してエピタキシャル結晶成長を行うことにより、更にＭ
ｇもドーピングされている厚み0.６μｍのＳｉ，Ｍｇド
ープｐ−ＧａＮ層を形成した。なお、このとき、Ｍｇセ
ル温度は３００℃と一定にし、Ｍｇのドープによる正孔
濃度が３×１０¹⁷/cm³となるように設定した。

【００４３】かくして、Ｓｉ単結晶基板の上に、非晶質
のＧａＮ層，Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層，Ｓｉ，Ｍｇドー
プｐ−Ｇａｎ層が積層されている図１で示した構造の半
導体装置が製造された。なお、比較のために、Ｓｉのド
ーピングを行わなかったことを除いては、上記したと同
じ条件の下で半導体装置を製造した。

【００４４】これら５種類の半導体装置につきＰＬ法に
よる評価試験を行った。更に、Ｓｉ単結晶基板の裏面に
Ａｌ電極を設け、またＳｉ，Ｍｇドープｐ−ＧａＮ層の
上面にＴｉ／Ｎｉ／Ｔｉ電極を設けて素子を製造した。
それらに対してＰＬ法による評価実験を行った。ＰＬ法
による評価試験の結果を図３〜図８に示した。図中縦軸
のＰＬ強度は対数換算表示になっている。

【００４５】図３〜図８から次のことが明らかである。 (1) ＧａＮのエピタキシャル成長層にＳｉをドーピング
しない素子ではＰＬピーク強度は現れない（図３）。 (2) しかし、Ｓｉを、ドープ量が３×１０¹⁵/cm³以上と
なるようにドーピングすると波長３６５nm付近で明瞭な
ピークを示す（図４〜図８）。これは、エピタキシャル
成長層の結晶性が改善されていることを意味する。

【００４６】(3) その場合、Ｓｉのドーピング時にＳｉ
セル温度を高めてＳｉのドープ量を増量していくと、Ｐ
Ｌ強度のピーク値は順次高まっている（図４〜図６）。
これはＳｉドープ量が増量する、すなわちＧａＮのエピ
タキシャル成長層におけるＳｉ濃度が高まるほど、結晶
が良質なものになっていくことを意味する。 (4) しかし、Ｓｉドープ量が４×１０¹⁸/cm³，２×１０
¹⁹/cm³である場合にはＰＬピーク強度はほとんど同じで
ある（図７，図８）。このことから、Ｓｉドープ量を４
×１０¹⁸/cm³以上にしても、ＧａＮのエピタキシャル成
長層における結晶性の改善効果は飽和することがわか
る。

【００４７】実施例２図２で示した装置を次のように運転して、図９で示した
構造の半導体装置を製造した。まず、実施例１の場合と
同様にして、同じＳｉ単結晶基板１の前処理後、その上
に、厚み１０nmの非晶質ＧａＮ層２を形成した。

【００４８】ついで、基板１の温度を８００〜９００℃
の間の適当な温度に保持した（ただし、成長中の温度変
動は±５℃以内におさえた）。そして、供給手段Ｂ１か
らＧａ、供給手段Ｂ３からＡｌ、供給手段Ｃ１からアン
モニア、供給手段Ｄ１からＳｉを同時に供給して、非晶
質ＧａＮ層２の上に、Ｓｉドープｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
から成る厚み１μｍのエピタキシャル成長層３ａを形成
した。

【００４９】このとき、成長速度が0.３μｍ/hrとなる
ようにＧａセル温度、Ａｌセル温度をそれぞれ調整し、
Ｓｉセル温度は１０３０℃としてＳｉドープ量が５×１
０¹⁸/cm³となるように調整した。ついで、供給手段Ｂ３
を閉にしてＡｌの供給を絶ち、Ｓｉセル温度は１０３０
℃のままにしてピタキシャル結晶成長を行い、前記した
Ｓｉドープｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層３ａの上に、Ｓｉド
ープｎ−ＧａＮから成る厚み0.１μｍのエピタキシャル
成長層３ｂを形成した。

【００５０】ついで、結晶成長の条件を前記したＳｉド
ープｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを成長させるときの条件に復
元し、同時に、供給手段Ｄ２を開にしてＭｇを供給し、
前記したＳｉドープｎ−ＧａＮ層３ｂの上に、Ｓｉ，Ｍ
ｇドープｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから成る厚み１μｍのエ
ピタキシャル成長層３ｃを形成した。このとき、供給手
段Ｄ２におけるＭｇセル温度を３２０℃としＭｇのドー
ピングによる正孔濃度が１×１０¹⁸/cm³となるように調
整した。

【００５１】このようにして製造した図９の半導体装置
につき、ＰＬ法による評価実験を行ったところ、波長３
６５μｍ付近で鋭いＰＬピーク強度が認められた。な
お、前記したＳｉドープｎ−ＧａＮ層３ｂの形成時に、
供給手段Ｄ２も開にしてそこから正孔濃度が１×１０¹⁸
/cm³となるようにＭｇを供給することによりＳｉ，Ｍｇ
ドープｉ−ＧａＮから成るエピタキシャル成長層を形成
し、他の層は全て同じ条件で層形成して半導体装置を製
造した。

【００５２】この装置の場合も、ＰＬ法による評価実験
時に、波長３６５μｍ付近で鋭いＰＬピーク強度を示し
た。実施例３図１０は、別の半導体装置の層構造を示す断面図であ
る。この装置は、図９で示した層構造の装置において、
最下層のｎ−Ｓｉ単結晶基板をｐ−Ｓｉ単結晶基板に代
え、そして、層３ａと層３ｃの位置関係を逆にしたもの
である。すなわち、層２と層３ｂの間にｐ型導電性の層
３ｃを配置し、最上層にｎ型導電性の層３ａを配置した
半導体装置である。

【００５３】この層構造にすると次のような利点が得ら
れる。図９の層構造の場合、Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ電極（ｎ
電極）が配設される最上層を適正なｐ型導電性にするこ
とは、ｐ型ドーパントであるＭｇを大量にドーピングす
ることなどが必要になるのでかなり困難である。そのた
め、この最上層にｐ電極を配設したときに、ｐ電極の接
触抵抗が高くなる傾向が現れてくる。

【００５４】しかし、図１０で示した層構造の場合、最
上層はｎ型導電性の層であるため、その導電性を高める
ことは容易である。そのため、図１０で示した層構造で
は、最上層に配設される電極の接触抵抗の低下を実現す
ることが容易になる。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体装置は、ＰＬ法による評価時に、波長３６５nm付
近で鋭いＰＬピーク強度を示し、窒化物系III−Ｖ族化
合物半導体のエピタキシャル成長層の結晶性が著しく改
善されたものになっている。このことは、結晶成長用基
板としてＳｉ単結晶基板を用い、エピタキシャル成長時
にＳｉをドーピングして成長層におけるＳｉ濃度を１×
１０¹⁵〜１×１０²⁰/cm³にしたことによってもたらされ
る効果である。

【００５６】したがって、この半導体装置は、窒化物II
I−Ｖ族化合物半導体から成る高性能の発光素子，受光
素子，更にはＦＥＴ，ＨＢＴなどの電子素子の製造を可
能にする新規な材料として有望視される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の層構造例を示す断面図で
ある。

【図２】ガス源ＭＢＥ結晶成長装置例を示す概略図であ
る。

【図３】ＰＬ法による評価実験時におけるＰＬ強度のス
ペクトル変化を示すグラフである（Ｓｉドープ量ゼロの
場合）。

【図４】ＰＬ法による評価実験時におけるＰＬ強度のス
ペクトル変化を示すグラフである（Ｓｉドープ量３×１
０¹⁵/cm³の場合）。

【図５】ＰＬ法による評価実験時におけるＰＬ強度のス
ペクトル変化を示すグラフである（Ｓｉドープ量６×１
０¹⁶/cm³の場合）。

【図６】ＰＬ法による評価実験時におけるＰＬ強度のス
ペクトル変化を示すグラフである（Ｓｉドープ量６×１
０¹⁷/cm³の場合）。

【図７】ＰＬ法による評価実験時におけるＰＬ強度のス
ペクトル変化を示すグラフである（Ｓｉドープ量４×１
０¹⁸/cm³の場合）。

【図８】ＰＬ法による評価実験時におけるＰＬ強度のス
ペクトル変化を示すグラフである（Ｓｉドープ量２×１
０¹⁹/cm³の場合）。

【図９】本発明の別の半導体装置を示す断面図である。

【図１０】本発明の更に別の半導体装置を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１Ｓｉ単結晶基板２バッファ層３ＡＳｉドープエピタキシャル成長層３Ｂエピタキシャル成長層３ａＳｉドープｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層３ｂＳｉドープｎ−ＧａＮ層３ｃＳｉ，Ｍｇドープｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層Ａ１試料準備室Ａ２結晶成長室Ａ３ゲートバルブＡ４トランスファーロッドＡ５基板ヒータＡ６ＱＭＳＡ７ＲＨＥＥＤＢ１金属Ｇａの供給手段Ｂ２金属Ｉｎの供給手段Ｂ３金属Ａｌの供給手段Ｃ１アンモニアの供給手段Ｃ２ジメチルヒドラジンの供給手段Ｄ１金属Ｓｉの供給手段Ｄ２金属Ｍｇの供給手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ基板の上に、窒化物系III−Ｖ族化
合物半導体から成るエピタキシャル成長層が複数層積層
されている半導体装置であって、前記エピタキシャル成
長層の少なくとも１層におけるＳｉ濃度が１０¹⁵〜１０
²⁰/cm³であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記半導体装置が半導体発光装置であっ
て、少なくとも発光層におけるＳｉ濃度が１０¹⁵〜１０
²⁰/cm³である請求項１の半導体装置。