JPH11145514A - 窒化ガリウム系半導体素子およびその製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系半導体素子およびその製造方法Info
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- JPH11145514A JPH11145514A JP30291897A JP30291897A JPH11145514A JP H11145514 A JPH11145514 A JP H11145514A JP 30291897 A JP30291897 A JP 30291897A JP 30291897 A JP30291897 A JP 30291897A JP H11145514 A JPH11145514 A JP H11145514A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＳｉＣ基板やシリコン基板などの各種基板上
に、高品質かつ膜厚の厚い窒化ガリウム系半導体層を積
層してなる半導体素子およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 ＳｉＣやシリコンなどの基板上にインジ
ウムを含んだ窒化ガリウム系半導体のバッファ層を堆積
することにより、その上に高品質の窒化ガリウム系半導
体層を厚く成長することができる。
に、高品質かつ膜厚の厚い窒化ガリウム系半導体層を積
層してなる半導体素子およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 ＳｉＣやシリコンなどの基板上にインジ
ウムを含んだ窒化ガリウム系半導体のバッファ層を堆積
することにより、その上に高品質の窒化ガリウム系半導
体層を厚く成長することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系半
導体素子およびその製造方法に関する。より詳しくは、
本発明は、ＳｉＣ基板やシリコン基板などの各種基板上
に高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されて
なる半導体素子およびその製造方法に関する。
導体素子およびその製造方法に関する。より詳しくは、
本発明は、ＳｉＣ基板やシリコン基板などの各種基板上
に高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されて
なる半導体素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ
など窒化ガリウム系半導体が、短波長の波長領域で発光
する発光素子の材料として注目されている。このような
窒化ガリウム系半導体を用いることによって、これまで
困難とされていた青色または緑色領域での高い強度の発
光が可能となりつつある。
など窒化ガリウム系半導体が、短波長の波長領域で発光
する発光素子の材料として注目されている。このような
窒化ガリウム系半導体を用いることによって、これまで
困難とされていた青色または緑色領域での高い強度の発
光が可能となりつつある。
【０００３】ここで、本明細書において「窒化ガリウム
系半導体」とは、ＩｎxＡｌyＧａ1- x-yＮ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成
比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組
成の半導体を含むものとする。例えば、ＩｎＧａＮ（ｘ
＝０．４、ｙ＝０）も「窒化ガリウム系半導体」に含ま
れるものとする。
系半導体」とは、ＩｎxＡｌyＧａ1- x-yＮ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成
比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組
成の半導体を含むものとする。例えば、ＩｎＧａＮ（ｘ
＝０．４、ｙ＝０）も「窒化ガリウム系半導体」に含ま
れるものとする。
【０００４】従来の窒化ガリウム系半導体素子は、サフ
ァイア（Ａｌ2Ｏ3）基板上に低温で成長したバッファ層
を介して形成されていた。この方法を開示する参考文献
としては、例えば、特開平２−２２９４７６号公報や特
開平８−８２１７号公報を挙げることができる。しか
し、サファイアは硬度が９と極めて硬く、化学的にも非
常に安定なので、基板のエッチングや劈開などの素子化
プロセスが困難である。また、電気的に絶縁性を有する
ので、基板裏面に電極を設けることができず、半導体素
子の構造が極めて制約されるという問題がある。さら
に、現在の段階で容易に入手できる基板サイズは、大き
くても２インチ径であり、それより大型の基板は入手が
困難である。また、その価格も高いという問題もあっ
た。
ァイア（Ａｌ2Ｏ3）基板上に低温で成長したバッファ層
を介して形成されていた。この方法を開示する参考文献
としては、例えば、特開平２−２２９４７６号公報や特
開平８−８２１７号公報を挙げることができる。しか
し、サファイアは硬度が９と極めて硬く、化学的にも非
常に安定なので、基板のエッチングや劈開などの素子化
プロセスが困難である。また、電気的に絶縁性を有する
ので、基板裏面に電極を設けることができず、半導体素
子の構造が極めて制約されるという問題がある。さら
に、現在の段階で容易に入手できる基板サイズは、大き
くても２インチ径であり、それより大型の基板は入手が
困難である。また、その価格も高いという問題もあっ
た。
【０００５】これらの問題に対する解決策として、６Ｈ
型炭化シリコン（６Ｈ−ＳｉＣ）からなる基板の上への
結晶成長が試みられている。６Ｈ−ＳｉＣは、サファイ
アと比べて加工が容易であり、また、電気的な導通性も
良好である。
型炭化シリコン（６Ｈ−ＳｉＣ）からなる基板の上への
結晶成長が試みられている。６Ｈ−ＳｉＣは、サファイ
アと比べて加工が容易であり、また、電気的な導通性も
良好である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、サフ
ァイア基板上に窒化ガリウム系半導体を成長する際に
は、結晶性を改善する方法として、ＧａxＡｌ1-xＮ（０
≦ｘ≦１）からなるバッファ層を用いる方法が採用され
ていた。この技術を開示する文献としては、例えば、特
開平２−２２９４７６号公報や、特開平８−８２１７号
公報を挙げることができる。
ァイア基板上に窒化ガリウム系半導体を成長する際に
は、結晶性を改善する方法として、ＧａxＡｌ1-xＮ（０
≦ｘ≦１）からなるバッファ層を用いる方法が採用され
ていた。この技術を開示する文献としては、例えば、特
開平２−２２９４７６号公報や、特開平８−８２１７号
公報を挙げることができる。
【０００７】しかし、ＳｉＣ基板に対して同様のバッフ
ァ層を用いて結晶成長を行うと、良好な結晶が得られな
いという問題があった。
ァ層を用いて結晶成長を行うと、良好な結晶が得られな
いという問題があった。
【０００８】図１０は、ＳｉＣ基板の上に従来の方法に
より窒化ガリウム系半導体を結晶成長させた場合の概略
断面図である。すなわち、ＳｉＣ基板１０１の上にＧａ
xＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッファ層１０２を
介して、厚さが約３μｍ以上のＧａＮ層１０３を成長す
ると、同図に示したようにＧａＮ層１０３にクラック１
０４が発生し、良好な結晶を得ることができなかった。
これは、６Ｈ−ＳｉＣ基板１０１と窒化ガリウム系半導
体層１０３との熱膨張率の差が原因であると考えられ
る。それぞれの熱膨張率をみると、６Ｈ−ＳｉＣは４．
２×１０-6、ＧａＮは５．６×１０-6であり、従来の基
板材料であるサファイアは７．５×１０-6である。すな
わち、高温でＧａＮを成長した後に室温まで冷却する
と、サファイア基板の上に成長した窒化ガリウム系半導
体層には圧縮応力が負荷されるのに対して、６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ基板の上に成長した窒化ガリウム系半導体層に対して
は、引っ張り応力が負荷される。この引っ張り応力がク
ラックの原因となると考えられる。
より窒化ガリウム系半導体を結晶成長させた場合の概略
断面図である。すなわち、ＳｉＣ基板１０１の上にＧａ
xＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッファ層１０２を
介して、厚さが約３μｍ以上のＧａＮ層１０３を成長す
ると、同図に示したようにＧａＮ層１０３にクラック１
０４が発生し、良好な結晶を得ることができなかった。
これは、６Ｈ−ＳｉＣ基板１０１と窒化ガリウム系半導
体層１０３との熱膨張率の差が原因であると考えられ
る。それぞれの熱膨張率をみると、６Ｈ−ＳｉＣは４．
２×１０-6、ＧａＮは５．６×１０-6であり、従来の基
板材料であるサファイアは７．５×１０-6である。すな
わち、高温でＧａＮを成長した後に室温まで冷却する
と、サファイア基板の上に成長した窒化ガリウム系半導
体層には圧縮応力が負荷されるのに対して、６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ基板の上に成長した窒化ガリウム系半導体層に対して
は、引っ張り応力が負荷される。この引っ張り応力がク
ラックの原因となると考えられる。
【０００９】一方、従来の方法においては、バッファ層
１０２としてＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いてい
るが、この材料は不純物をドーピングしない場合にはｎ
型キャリア濃度が低く、電流が流れにくい。従って、こ
のような従来のバッファ層１０２には、電流を流すこと
が困難であるという問題もあった。
１０２としてＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いてい
るが、この材料は不純物をドーピングしない場合にはｎ
型キャリア濃度が低く、電流が流れにくい。従って、こ
のような従来のバッファ層１０２には、電流を流すこと
が困難であるという問題もあった。
【００１０】図１１は、ＳｉＣ基板上に形成した半導体
素子の断面構造を例示する概略図である。すなわち、同
図に表した半導体素子においては、ＳｉＣ基板１０１の
上にＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層１０２、
ｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０５、ｐ型の窒化ガリ
ウム系半導体層１０６が積層され、さらに、ｎ側電極１
０７とｐ側電極１０８とがそれぞれ設けられている。こ
こで、ｎ側電極１０７を介して電流を流すためには、バ
ッファ層１０２のキャリア濃度を増やす必要がある。し
かし、ＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッフア
層１０２に、Ｓｉなどのｎ型不純物をドーピングする
と、結晶性が顕著に劣化し窒化ガリウム系半導体層１０
３の結晶成長が困難となるという問題があった。
素子の断面構造を例示する概略図である。すなわち、同
図に表した半導体素子においては、ＳｉＣ基板１０１の
上にＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層１０２、
ｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０５、ｐ型の窒化ガリ
ウム系半導体層１０６が積層され、さらに、ｎ側電極１
０７とｐ側電極１０８とがそれぞれ設けられている。こ
こで、ｎ側電極１０７を介して電流を流すためには、バ
ッファ層１０２のキャリア濃度を増やす必要がある。し
かし、ＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッフア
層１０２に、Ｓｉなどのｎ型不純物をドーピングする
と、結晶性が顕著に劣化し窒化ガリウム系半導体層１０
３の結晶成長が困難となるという問題があった。
【００１１】一方、サファイア以外の基板として、シリ
コン（Ｓｉ）基板を用いる方法も試みられている。シリ
コン基板は、加工が容易で導電性も良好であり、大口径
のウェーハを安価に入手できるという利点を有する。し
かし、サファイア基板の場合と同様の方法により窒化ガ
リウム系半導体層を成長すると、前述したＳｉＣ基板の
場合と同様にクラックが発生するという問題があった。
コン（Ｓｉ）基板を用いる方法も試みられている。シリ
コン基板は、加工が容易で導電性も良好であり、大口径
のウェーハを安価に入手できるという利点を有する。し
かし、サファイア基板の場合と同様の方法により窒化ガ
リウム系半導体層を成長すると、前述したＳｉＣ基板の
場合と同様にクラックが発生するという問題があった。
【００１２】図１２は、シリコン基板の上に従来の方法
により窒化ガリウム系半導体を結晶成長させた場合の概
略断面図である。すなわち、シリコン基板２０１の上に
ＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッファ層２０
２を介して、厚さが約１μｍ以上のＧａＮ層２０３を成
長すると、同図に示したようにＧａＮ層２０３にクラッ
ク２０４が発生し、良好な結晶を得ることができなかっ
た。このクラックの密度は、ＧａＮ層２０３の層厚が約
０．９μｍと薄い場合にも、光学顕微鏡で観察して、４
００〜８００ｃｍ-1と高密度であった。これも、シリコ
ン基板２０１と窒化ガリウム系半導体層２０３との熱膨
張率の差が原因であると考えられる。すなわち、シリコ
ンの熱膨張率は３．６×１０-6であり、高温でＧａＮを
成長した後に室温まで冷却すると、シリコン基板の上に
成長した窒化ガリウム系半導体層に対しては、引っ張り
応力が負荷され、クラックの原因となると考えられる。
シリコンの熱膨張率は、６Ｈ−ＳｉＣよりもさらに小さ
いために、この引っ張り応力もさらに大きくなり、Ｓｉ
Ｃ基板の場合よりもクラックが発生しやすくなる。発光
ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体素子
を製造するためには、基板上に数ミクロン以上の半導体
層を積層する必要がある場合が多い。しかし、従来は、
ＳｉＣ基板やシリコン基板上にこのような厚さの窒化ガ
リウム系半導体層を成長するとクラックが生じ、良質の
結晶が得られず、半導体素子を作成することができない
という問題があった。
により窒化ガリウム系半導体を結晶成長させた場合の概
略断面図である。すなわち、シリコン基板２０１の上に
ＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッファ層２０
２を介して、厚さが約１μｍ以上のＧａＮ層２０３を成
長すると、同図に示したようにＧａＮ層２０３にクラッ
ク２０４が発生し、良好な結晶を得ることができなかっ
た。このクラックの密度は、ＧａＮ層２０３の層厚が約
０．９μｍと薄い場合にも、光学顕微鏡で観察して、４
００〜８００ｃｍ-1と高密度であった。これも、シリコ
ン基板２０１と窒化ガリウム系半導体層２０３との熱膨
張率の差が原因であると考えられる。すなわち、シリコ
ンの熱膨張率は３．６×１０-6であり、高温でＧａＮを
成長した後に室温まで冷却すると、シリコン基板の上に
成長した窒化ガリウム系半導体層に対しては、引っ張り
応力が負荷され、クラックの原因となると考えられる。
シリコンの熱膨張率は、６Ｈ−ＳｉＣよりもさらに小さ
いために、この引っ張り応力もさらに大きくなり、Ｓｉ
Ｃ基板の場合よりもクラックが発生しやすくなる。発光
ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体素子
を製造するためには、基板上に数ミクロン以上の半導体
層を積層する必要がある場合が多い。しかし、従来は、
ＳｉＣ基板やシリコン基板上にこのような厚さの窒化ガ
リウム系半導体層を成長するとクラックが生じ、良質の
結晶が得られず、半導体素子を作成することができない
という問題があった。
【００１３】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
である。すなわち、本発明は、ＳｉＣやシリコンなどの
基板上に、高品質かつ膜厚の厚い窒化ガリウム系半導体
層を積層してなる半導体素子およびその製造方法を提供
することを目的とするものである。
である。すなわち、本発明は、ＳｉＣやシリコンなどの
基板上に、高品質かつ膜厚の厚い窒化ガリウム系半導体
層を積層してなる半導体素子およびその製造方法を提供
することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、基板の上に少なくともインジウムを含む窒化ガリウ
ム系半導体からなるバッファ層を設けることにより、Ｓ
ｉＣ、シリコン、ＧａＡｓ、あるいはＧａＰなどの基板
上に、クラックを生ずることなく高品質の窒化ガリウム
系半導体層を成長することができるようになる。また、
本発明によれば、従来の方法では不可能であった３μｍ
以上の厚さを有する窒化ガリウム系半導体の単結晶層を
積層することが可能となり、各種の半導体素子を実現す
ることができるようになる。
ば、基板の上に少なくともインジウムを含む窒化ガリウ
ム系半導体からなるバッファ層を設けることにより、Ｓ
ｉＣ、シリコン、ＧａＡｓ、あるいはＧａＰなどの基板
上に、クラックを生ずることなく高品質の窒化ガリウム
系半導体層を成長することができるようになる。また、
本発明によれば、従来の方法では不可能であった３μｍ
以上の厚さを有する窒化ガリウム系半導体の単結晶層を
積層することが可能となり、各種の半導体素子を実現す
ることができるようになる。
【００１５】このバッファ層としては、例えば、組成式
ＩｎxＧａ1-xＮであらわされる窒化ガリウム系半導体を
用いることができる。また、そのインジウム組成ｘは、
ＳｉＣ基板の場合には、０．１≦ｘ≦０．３の範囲内に
あることが望ましく、シリコン基板の場合には、０．２
≦ｘ≦０．３の範囲内にあることが望ましい。
ＩｎxＧａ1-xＮであらわされる窒化ガリウム系半導体を
用いることができる。また、そのインジウム組成ｘは、
ＳｉＣ基板の場合には、０．１≦ｘ≦０．３の範囲内に
あることが望ましく、シリコン基板の場合には、０．２
≦ｘ≦０．３の範囲内にあることが望ましい。
【００１６】また、導電性を有する基板の上に、これら
のバッファ層を介して、所定の窒化ガリウム系半導体層
を積層することにより、ｎ側電極とｐ側電極がそれぞれ
素子の上下に形成された半導体素子を実現することがで
きるようになる。
のバッファ層を介して、所定の窒化ガリウム系半導体層
を積層することにより、ｎ側電極とｐ側電極がそれぞれ
素子の上下に形成された半導体素子を実現することがで
きるようになる。
【００１７】ここで、バッファ層の成長温度としては、
３００℃以上８００℃以下である事が望ましく、４００
℃以上６００℃以下であることがさらに望ましい。
３００℃以上８００℃以下である事が望ましく、４００
℃以上６００℃以下であることがさらに望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明は、ＳｉＣやシリコンなど
の基板上にインジウムを含んだ窒化ガリウム系半導体の
バッファ層を堆積することにより、その上に高品質の窒
化ガリウム系半導体層を厚く成長することを実現するも
のである。
の基板上にインジウムを含んだ窒化ガリウム系半導体の
バッファ層を堆積することにより、その上に高品質の窒
化ガリウム系半導体層を厚く成長することを実現するも
のである。
【００１９】以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の
形態について説明する。なお、以下では、具体的な実施
例を例示しつつ説明し、特に、実施例２、３、５、７、
８、９においては、本発明をＬＥＤに適用した例につい
て説明する。しかし、本発明は、ＬＥＤに限定されるも
のではなく、ＳｉＣやシリコンの基板の上に組成式Ｉｎ
xＧａ1-x-yＡｌyＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ
≦１）で表される材料で構成されたバッファ層を形成す
る半導体素子およびその製造方法の全般を含むものであ
る。
形態について説明する。なお、以下では、具体的な実施
例を例示しつつ説明し、特に、実施例２、３、５、７、
８、９においては、本発明をＬＥＤに適用した例につい
て説明する。しかし、本発明は、ＬＥＤに限定されるも
のではなく、ＳｉＣやシリコンの基板の上に組成式Ｉｎ
xＧａ1-x-yＡｌyＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ
≦１）で表される材料で構成されたバッファ層を形成す
る半導体素子およびその製造方法の全般を含むものであ
る。
【００２０】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例に係る窒化ガリウム系半導体素子を表す概略断面図で
ある。すなわち、同図に示した半導体素子１０は、６Ｈ
−ＳｉＣ基板１１の上にＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎバッファ層１
２、窒化ガリウム系半導体層１３がこの順序で堆積され
ている。
例に係る窒化ガリウム系半導体素子を表す概略断面図で
ある。すなわち、同図に示した半導体素子１０は、６Ｈ
−ＳｉＣ基板１１の上にＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎバッファ層１
２、窒化ガリウム系半導体層１３がこの順序で堆積され
ている。
【００２１】ここで、ＳｉＣ基板１１としては、例えば
（０００１）基板を用いることができる。（０００１）
ＳｉＣ基板上には、通常、（０００１）面を表面に有す
る窒化ガリウム系半導体がエピタキシャル成長する。
（０００１）基板を用いることができる。（０００１）
ＳｉＣ基板上には、通常、（０００１）面を表面に有す
る窒化ガリウム系半導体がエピタキシャル成長する。
【００２２】バッファ層１２は、ＳｉＣ基板１１と窒化
ガリウム系半導体層１３との熱膨張率の差に起因する応
力を緩和する役割を有する。その材料としては、インジ
ウムを含んだ窒化ガリウム系半導体を用いることが望ま
しく、その膜厚は、１原子層以上とすることが望まし
い。窒化ガリウム系半導体層１３はＬＥＤやレーザなど
の種々の素子構成部に対応する層である。すなわち、図
１においては、単一の層として表されているが、この層
１３は、組成の異なる複数の窒化ガリウム系半導体層か
らなる任意の積層構造であっても良い。
ガリウム系半導体層１３との熱膨張率の差に起因する応
力を緩和する役割を有する。その材料としては、インジ
ウムを含んだ窒化ガリウム系半導体を用いることが望ま
しく、その膜厚は、１原子層以上とすることが望まし
い。窒化ガリウム系半導体層１３はＬＥＤやレーザなど
の種々の素子構成部に対応する層である。すなわち、図
１においては、単一の層として表されているが、この層
１３は、組成の異なる複数の窒化ガリウム系半導体層か
らなる任意の積層構造であっても良い。
【００２３】本発明によれば、バッファ層１２が熱膨張
率の差に起因する応力を緩和するために、窒化ガリウム
系半導体層１３を３ミクロン以上の膜厚に成長しても、
基板が反ったり、クラックが入ったりすることがなく、
高品質の窒化ガリウム系半導体層１３を安定して成長す
ることができる。このように、バッファ層１２が応力を
緩和する理由は、バッファ層１２がインジウムを含み、
その結果として結晶が「軟らかく」なるからであると考
えられる。すなわち、ＳｉＣ基板１１と窒化ガリウム系
半導体層１３との間で生ずる応力を「軟らかい」緩衝層
が吸収することにより、成長層のクラックや基板の反り
が防止されるものと考えられる。
率の差に起因する応力を緩和するために、窒化ガリウム
系半導体層１３を３ミクロン以上の膜厚に成長しても、
基板が反ったり、クラックが入ったりすることがなく、
高品質の窒化ガリウム系半導体層１３を安定して成長す
ることができる。このように、バッファ層１２が応力を
緩和する理由は、バッファ層１２がインジウムを含み、
その結果として結晶が「軟らかく」なるからであると考
えられる。すなわち、ＳｉＣ基板１１と窒化ガリウム系
半導体層１３との間で生ずる応力を「軟らかい」緩衝層
が吸収することにより、成長層のクラックや基板の反り
が防止されるものと考えられる。
【００２４】ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層１２のインジウ
ム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定することがで
きる。本発明者の実験によれば、バッファ層１２のイン
ジウム組成が高いほど、応力の緩和効果が顕著になる傾
向が見られた。ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法
により成長する場合には、例えば、バッファ層における
インジウム組成ｘとして、ｘ＝０〜０．３程度の範囲ま
では比較的容易に成長することができる。この範囲内の
組成を有する結晶をバッファ層１２として用いた場合で
あっても、クラックは観察されず、電気的・光学的な特
性も極めて高品質な窒化ガリウム系半導体層１３を得る
ことができた。従って、ＭＯＣＶＤ法による場合には、
インジウム組成ｘを約０．３程度とすると、結晶成長も
比較的容易であり、良好な結果を得ることができる。し
かし、インジウム組成をこれよりも高くしたバッファ層
を安定して成長することができれば、応力を緩和する効
果はさらに向上すると考えられる。
ム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定することがで
きる。本発明者の実験によれば、バッファ層１２のイン
ジウム組成が高いほど、応力の緩和効果が顕著になる傾
向が見られた。ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法
により成長する場合には、例えば、バッファ層における
インジウム組成ｘとして、ｘ＝０〜０．３程度の範囲ま
では比較的容易に成長することができる。この範囲内の
組成を有する結晶をバッファ層１２として用いた場合で
あっても、クラックは観察されず、電気的・光学的な特
性も極めて高品質な窒化ガリウム系半導体層１３を得る
ことができた。従って、ＭＯＣＶＤ法による場合には、
インジウム組成ｘを約０．３程度とすると、結晶成長も
比較的容易であり、良好な結果を得ることができる。し
かし、インジウム組成をこれよりも高くしたバッファ層
を安定して成長することができれば、応力を緩和する効
果はさらに向上すると考えられる。
【００２５】本発明によれば、このようにＳｉＣ基板上
に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定して成長する
ことができるために、基板を加工する素子化プロセスが
従来よりもはるかに容易になる。すなわち、従来用いら
れてきたサファイア基板と比較してＳｉＣ基板は、エッ
チングや劈開などの加工が極めて容易である。従って、
半導体レーザをはじめとする種々の半導体素子を容易に
実現することができるようになる。
に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定して成長する
ことができるために、基板を加工する素子化プロセスが
従来よりもはるかに容易になる。すなわち、従来用いら
れてきたサファイア基板と比較してＳｉＣ基板は、エッ
チングや劈開などの加工が極めて容易である。従って、
半導体レーザをはじめとする種々の半導体素子を容易に
実現することができるようになる。
【００２６】また、本発明によれば、導電性を有するＳ
ｉＣ基板の上に良好な結晶性を有する厚い窒化ガリウム
系半導体層を成長することができるので、基板の裏面側
にも電極を有する半導体素子を実現することができるよ
うになる。
ｉＣ基板の上に良好な結晶性を有する厚い窒化ガリウム
系半導体層を成長することができるので、基板の裏面側
にも電極を有する半導体素子を実現することができるよ
うになる。
【００２７】さらに、本発明によれば、ＳｉＣ基板上に
形成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一基板上に形
成するその他の電子素子や発光素子などとモノリシック
に形成することができる。このようにして、小型で高性
能の半導体装置を作成することができるようになる。
形成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一基板上に形
成するその他の電子素子や発光素子などとモノリシック
に形成することができる。このようにして、小型で高性
能の半導体装置を作成することができるようになる。
【００２８】次に、図１に示した半導体素子の製造方法
の一例について説明する。
の一例について説明する。
【００２９】まず、例えばＭＯＣＶＤ装置の成長室にＳ
ｉＣ基板１１を導入し、水素ガスを流しながら、基板１
１を約１１００℃で約１０分間加熱し、基板表面に形成
されている酸化物を除去する。
ｉＣ基板１１を導入し、水素ガスを流しながら、基板１
１を約１１００℃で約１０分間加熱し、基板表面に形成
されている酸化物を除去する。
【００３０】次に、基板温度を冷却し、トリメチル・ガ
リウム（ＴＭＧ）、トリメチル・インジウム（ＴＭ
Ｉ）、アンモニアおよびキャリアガスである水素ガスを
流して、バッファ層１２としてＩｎＧａＮ層を成長す
る。
リウム（ＴＭＧ）、トリメチル・インジウム（ＴＭ
Ｉ）、アンモニアおよびキャリアガスである水素ガスを
流して、バッファ層１２としてＩｎＧａＮ層を成長す
る。
【００３１】次に、基板温度を１１００℃まで加熱し、
ＴＭＧ、アンモニアおよび水素キャリア・ガスを流し
て、膜厚約４μｍのＧａＮ層１３を成長する。
ＴＭＧ、アンモニアおよび水素キャリア・ガスを流し
て、膜厚約４μｍのＧａＮ層１３を成長する。
【００３２】最後に、室温まで冷却して図１に示した半
導体素子１０を得ることができる。ここで、バッファ層
１２の成長温度は、約３００℃〜８００℃の範囲にある
ことが望ましく、４００℃〜６００℃の範囲にあること
がさらに望ましい。バッファ層の成長温度が低すぎる
と、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長時に原料ガスが分解し
にくいために、バッファ層を堆積しにくい。また、バッ
ファ層の成長温度が高すぎると、バッファ層が単結晶状
態で成長するが、その成長表面の平坦性が良好でなく、
平滑な表面を得ることが困難となる。３００℃〜８００
℃の範囲で堆積したバッファ層は、多結晶状態であり、
その後に基板温度を約１１００℃程度まで昇温すること
により、再結晶化して単結晶領域が拡大される。この単
結晶領域がＧａＮ１３を成長する際に結晶方位の揃った
種結晶となり、その種結晶からｎ型ＧａＮの結晶が成長
して均一なｎ型ＧａＮ単結晶層１３を得ることができ
る。また、ＩｎＧａＮバッファ層１２の層厚は、１０〜
５００ｎｍの範囲にあることが望ましい。層厚が１０ｎ
ｍよりも薄いか、あるいは５００ｎｍよりも厚いと、バ
ッファ層の上に成長するＧａＮ層１３の表面モフォロジ
が劣化する傾向がみられるからである。また、バッファ
層１２の層厚を、２０〜１００ｎｍの範囲とすると、結
晶成長も容易であり、窒化ガリウム系半導体層１３の表
面モフォロジも安定するために、さらに望ましい。
導体素子１０を得ることができる。ここで、バッファ層
１２の成長温度は、約３００℃〜８００℃の範囲にある
ことが望ましく、４００℃〜６００℃の範囲にあること
がさらに望ましい。バッファ層の成長温度が低すぎる
と、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長時に原料ガスが分解し
にくいために、バッファ層を堆積しにくい。また、バッ
ファ層の成長温度が高すぎると、バッファ層が単結晶状
態で成長するが、その成長表面の平坦性が良好でなく、
平滑な表面を得ることが困難となる。３００℃〜８００
℃の範囲で堆積したバッファ層は、多結晶状態であり、
その後に基板温度を約１１００℃程度まで昇温すること
により、再結晶化して単結晶領域が拡大される。この単
結晶領域がＧａＮ１３を成長する際に結晶方位の揃った
種結晶となり、その種結晶からｎ型ＧａＮの結晶が成長
して均一なｎ型ＧａＮ単結晶層１３を得ることができ
る。また、ＩｎＧａＮバッファ層１２の層厚は、１０〜
５００ｎｍの範囲にあることが望ましい。層厚が１０ｎ
ｍよりも薄いか、あるいは５００ｎｍよりも厚いと、バ
ッファ層の上に成長するＧａＮ層１３の表面モフォロジ
が劣化する傾向がみられるからである。また、バッファ
層１２の層厚を、２０〜１００ｎｍの範囲とすると、結
晶成長も容易であり、窒化ガリウム系半導体層１３の表
面モフォロジも安定するために、さらに望ましい。
【００３３】本発明者は、前述の方法により成長した半
導体素子１０と、図１０に示したような従来の方法によ
る半導体素子とを試作して比較した。その結果、従来の
方法による半導体素子では、肉眼による観察でも表面が
白濁しており、多数のクラックが観察された。しかし、
本発明による半導体素子１０では、顕微鏡によってもク
ラックは全く観察されず、そのＧａＮ層１３の電気的・
光学的な諸特性は、サファイア基板の上に成長したもの
と比較しても何ら遜色がなかった。
導体素子１０と、図１０に示したような従来の方法によ
る半導体素子とを試作して比較した。その結果、従来の
方法による半導体素子では、肉眼による観察でも表面が
白濁しており、多数のクラックが観察された。しかし、
本発明による半導体素子１０では、顕微鏡によってもク
ラックは全く観察されず、そのＧａＮ層１３の電気的・
光学的な諸特性は、サファイア基板の上に成長したもの
と比較しても何ら遜色がなかった。
【００３４】（実施例２）次に、本発明の第２の実施例
について説明する。
について説明する。
【００３５】図２は、本発明の第２の実施例に係る窒化
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ２０は、ＳｉＣ基板
２１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層２２、ｎ型コンタク
ト層２３、発光層２４、ｐ型クラッド層２５およびｐ型
コンタクト層２６が順次積層された構造を有する。さら
に、ｎ型コンタクト層２３の一部が露出されてｎ側電極
２７が形成され、ｐ型コンタクト層２６の上にはｐ側電
極２８が形成されている。
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ２０は、ＳｉＣ基板
２１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層２２、ｎ型コンタク
ト層２３、発光層２４、ｐ型クラッド層２５およびｐ型
コンタクト層２６が順次積層された構造を有する。さら
に、ｎ型コンタクト層２３の一部が露出されてｎ側電極
２７が形成され、ｐ型コンタクト層２６の上にはｐ側電
極２８が形成されている。
【００３６】バッファ層２２としては、インジウムを含
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎＧａＮ層とすることがで
きる。ｎ型コンタクト層２３は、ｎ側の電極コンタクト
を確保するための層であり、例えばｎ型ＧａＮ層とする
ことができる。また、この層２３は、光と注入キャリア
とを発光層２４に閉じこめるためのクラッド層としての
役割も有する。
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎＧａＮ層とすることがで
きる。ｎ型コンタクト層２３は、ｎ側の電極コンタクト
を確保するための層であり、例えばｎ型ＧａＮ層とする
ことができる。また、この層２３は、光と注入キャリア
とを発光層２４に閉じこめるためのクラッド層としての
役割も有する。
【００３７】発光層２４は、注入されたキャリアが再結
合して発光を生ずる層であり、例えばアンドープのＩｎ
ＧａＮ層、あるいは、組成の異なる２種類のＩｎＧａＮ
層を交互に所定の数だけ積層したＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐ
ｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；多重量子井戸）構造
とすることができる。
合して発光を生ずる層であり、例えばアンドープのＩｎ
ＧａＮ層、あるいは、組成の異なる２種類のＩｎＧａＮ
層を交互に所定の数だけ積層したＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐ
ｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；多重量子井戸）構造
とすることができる。
【００３８】ｐ型クラッド層２５は、光と注入キャリア
とを発光層２４に閉じこめるための層であり、例えば、
ｐ型のＧａＡｌＮ層とすることができる。
とを発光層２４に閉じこめるための層であり、例えば、
ｐ型のＧａＡｌＮ層とすることができる。
【００３９】ｐ型コンタクト層２６は、ｐ側の電極コン
タクトを確保するための層であり、例えばｐ型ＧａＮ層
とすることができる。
タクトを確保するための層であり、例えばｐ型ＧａＮ層
とすることができる。
【００４０】ここで、図２に示したような構造において
は、ｎ型コンタクト層２３において、電流を層厚に対し
て横方向に流す必要があるために、コンタクト層２３の
層厚が厚い方が電流が流れやすい。また、コンタクト層
２３の層厚が薄いと、このような構造を作成する際にお
いても、表面側からエッチングしてｎ型コンタクト層２
３を露出させる工程で、エッチングの終了点の精密な制
御が必要とされる。
は、ｎ型コンタクト層２３において、電流を層厚に対し
て横方向に流す必要があるために、コンタクト層２３の
層厚が厚い方が電流が流れやすい。また、コンタクト層
２３の層厚が薄いと、このような構造を作成する際にお
いても、表面側からエッチングしてｎ型コンタクト層２
３を露出させる工程で、エッチングの終了点の精密な制
御が必要とされる。
【００４１】しかし、従来は、ＳｉＣ基板上にこのよう
な層厚が３μｍを超えるような積層構造を形成すると、
クラックが発生し、結晶性も劣化して、ＬＥＤを作成す
ることが不可能であった。これに対して、本発明によれ
ば、インジウムを含んだバッファ層２２を設けることに
より、層厚が３μｍを超えるような積層構造を成長して
も、クラックは全く発生せず、良好な特性を有するＬＥ
Ｄを作成することができる。すなわち、本発明者の試作
結果によれば、図２のＬＥＤの発光ピーク波長は４５０
ｎｍであり、８°の指向性を有するレンズ形状の樹脂に
封止して発光特性を評価した結果、２カンデラの輝度を
得ることができた。これらは、従来のサファイア基板上
に形成したＬＥＤと比較して何ら遜色のない値である。
な層厚が３μｍを超えるような積層構造を形成すると、
クラックが発生し、結晶性も劣化して、ＬＥＤを作成す
ることが不可能であった。これに対して、本発明によれ
ば、インジウムを含んだバッファ層２２を設けることに
より、層厚が３μｍを超えるような積層構造を成長して
も、クラックは全く発生せず、良好な特性を有するＬＥ
Ｄを作成することができる。すなわち、本発明者の試作
結果によれば、図２のＬＥＤの発光ピーク波長は４５０
ｎｍであり、８°の指向性を有するレンズ形状の樹脂に
封止して発光特性を評価した結果、２カンデラの輝度を
得ることができた。これらは、従来のサファイア基板上
に形成したＬＥＤと比較して何ら遜色のない値である。
【００４２】（実施例３）次に、本発明の第３の実施例
について説明する。
について説明する。
【００４３】図３は、本発明の第３の実施例に係る窒化
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ３０は、ｎ型の６Ｈ
−ＳｉＣ基板３１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層３２、
ｎ型クラッド層３３、発光層３４、ｐ型クラッド層３５
およびｐ型コンタクト層３６が順次積層された構造を有
する。本実施例において、特徴的な点のひとつは、ｎ側
電極３７がＳｉＣ基板３１の裏面側に形成され、さら
に、ｎ型クラッド層２３の一部が露出されて、その露出
面からＳｉＣ基板３１に至る貫通孔Ｈが設けられ、接続
電極３９が埋め込まれている点である。この接続電極３
９は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）
などの材料により形成することができ、ｎ型クラッド層
３３とｎ型ＳｉＣ基板３１とを電気的に接続する役割を
有する。
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ３０は、ｎ型の６Ｈ
−ＳｉＣ基板３１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層３２、
ｎ型クラッド層３３、発光層３４、ｐ型クラッド層３５
およびｐ型コンタクト層３６が順次積層された構造を有
する。本実施例において、特徴的な点のひとつは、ｎ側
電極３７がＳｉＣ基板３１の裏面側に形成され、さら
に、ｎ型クラッド層２３の一部が露出されて、その露出
面からＳｉＣ基板３１に至る貫通孔Ｈが設けられ、接続
電極３９が埋め込まれている点である。この接続電極３
９は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）
などの材料により形成することができ、ｎ型クラッド層
３３とｎ型ＳｉＣ基板３１とを電気的に接続する役割を
有する。
【００４４】バッファ層３２をはじめとする各半導体層
は、図２に関して前述したものと同様の構成とすること
ができる。
は、図２に関して前述したものと同様の構成とすること
ができる。
【００４５】本実施例においても、インジウムを含んだ
バッファ層３２を設けることにより、層厚が３μｍを超
えるような積層構造を成長しても、クラックは全く発生
せず、良好な特性を有するＬＥＤを作成することができ
る。すなわち、本発明者の試作結果によれば、図３のＬ
ＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍであり、８°の指向
性を有するレンズ形状の樹脂に封止して発光特性を評価
した結果、２カンデラの輝度を得ることができた。これ
らは、従来のサファイア基板上に形成したＬＥＤと比較
して何ら遜色のない値である。
バッファ層３２を設けることにより、層厚が３μｍを超
えるような積層構造を成長しても、クラックは全く発生
せず、良好な特性を有するＬＥＤを作成することができ
る。すなわち、本発明者の試作結果によれば、図３のＬ
ＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍであり、８°の指向
性を有するレンズ形状の樹脂に封止して発光特性を評価
した結果、２カンデラの輝度を得ることができた。これ
らは、従来のサファイア基板上に形成したＬＥＤと比較
して何ら遜色のない値である。
【００４６】さらに、本実施例においては、ｎ側電極３
７をより容易に形成することができるという効果も得る
ことができる。
７をより容易に形成することができるという効果も得る
ことができる。
【００４７】（実施例４）次に、本発明の第４の実施例
について説明する。
について説明する。
【００４８】図４は、本発明の第４の実施例に係る窒化
ガリウム系半導体素子の断面構造を表す概略図である。
すなわち、同図に示した半導体素子４０は、ｎ型の６Ｈ
−ＳｉＣ基板４１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層４２、
ｎ型ＧａＮ層４３、ｐ型ＧａＮ層４４が順次積層された
構造を有する。さらに、ＳｉＣ基板４１の裏面にｎ側電
極４５、ｐ型ＧａＮ層４４の上にｐ側電極４６が、それ
ぞれ設けられている。ここで、バッファ層４２の組成
は、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎとし、ｎ型ＧａＮ層４３の層厚
は約２μｍ、ｐ型ＧａＮ層４４の層厚は約０．５μｍと
した。
ガリウム系半導体素子の断面構造を表す概略図である。
すなわち、同図に示した半導体素子４０は、ｎ型の６Ｈ
−ＳｉＣ基板４１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層４２、
ｎ型ＧａＮ層４３、ｐ型ＧａＮ層４４が順次積層された
構造を有する。さらに、ＳｉＣ基板４１の裏面にｎ側電
極４５、ｐ型ＧａＮ層４４の上にｐ側電極４６が、それ
ぞれ設けられている。ここで、バッファ層４２の組成
は、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎとし、ｎ型ＧａＮ層４３の層厚
は約２μｍ、ｐ型ＧａＮ層４４の層厚は約０．５μｍと
した。
【００４９】本発明者は、本実施例により得られた半導
体素子４０と、図１１に示したような従来の半導体素子
とをそれぞれ試作し、その電流特性を評価した。その結
果、従来の半導体素子では、ｎ側電極とｐ側電極との間
の抵抗は極めて高く、電流を流すことが困難であった
が、本実施例による半導体素子４０においては、ｎ側電
極４５とｐ側電極４６との間の抵抗は極めて低く、電流
を容易に流すことができた。このように、本実施例にお
いて電流を流すことができた理由としては、以下の３点
が挙げられる。まず、第１に、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎバッ
ファ層４２のバンドギャップは、６Ｈ−ＳｉＣとＧａＮ
との中間の値を有し、両者の間のバンド不連続によるヘ
テロ障壁を緩和する働きをすることが考えられる。第２
に、ノンドープ、すなわちドーピングを施さないＩｎＧ
ａＮは、従来バッファ層として用いられていたノンドー
プのＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）と比較するとｎ型キ
ャリア濃度が高いことが挙げられる。第３に、ＩｎＧａ
Ｎの結晶は、ＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の結晶に比
べて軟らかいために、ＳｉＣ基板４１とＧａＮ層４３そ
の間で生ずる歪みを緩和して結晶性を顕著に改善する働
きをすることが挙げられる。
体素子４０と、図１１に示したような従来の半導体素子
とをそれぞれ試作し、その電流特性を評価した。その結
果、従来の半導体素子では、ｎ側電極とｐ側電極との間
の抵抗は極めて高く、電流を流すことが困難であった
が、本実施例による半導体素子４０においては、ｎ側電
極４５とｐ側電極４６との間の抵抗は極めて低く、電流
を容易に流すことができた。このように、本実施例にお
いて電流を流すことができた理由としては、以下の３点
が挙げられる。まず、第１に、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎバッ
ファ層４２のバンドギャップは、６Ｈ−ＳｉＣとＧａＮ
との中間の値を有し、両者の間のバンド不連続によるヘ
テロ障壁を緩和する働きをすることが考えられる。第２
に、ノンドープ、すなわちドーピングを施さないＩｎＧ
ａＮは、従来バッファ層として用いられていたノンドー
プのＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）と比較するとｎ型キ
ャリア濃度が高いことが挙げられる。第３に、ＩｎＧａ
Ｎの結晶は、ＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の結晶に比
べて軟らかいために、ＳｉＣ基板４１とＧａＮ層４３そ
の間で生ずる歪みを緩和して結晶性を顕著に改善する働
きをすることが挙げられる。
【００５０】ここで、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層４２の
インジウム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定する
ことができ、望ましくは０．１≦ｘ≦０．３、さらに望
ましくは０．１＜ｘ＜０．１４が良い。その理由として
は、以下の３点を挙げることができる。まず第１に、６
Ｈ−ＳｉＣの室温でのバンドギャップは３．０９ｅＶで
あり、ＧａＮは３．３９ｅＶ、ＩｎＮは１．８９ｅＶで
ある。従って、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層のインジウム
組成ｘが０＜ｘ＜０．１４の場合に、６Ｈ−ＳｉＣとＧ
ａＮとの中間のバンドギャップを有する。第２に、イン
ジウム組成ｘが大きいほど、クラック防止の効果が大き
いが、結晶成長が難しくなる。第３にＩｎxＧａ1-xＮバ
ッファ層においては、インジウム組成ｘが大きいほどｎ
型キャリア濃度が増加する。
インジウム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定する
ことができ、望ましくは０．１≦ｘ≦０．３、さらに望
ましくは０．１＜ｘ＜０．１４が良い。その理由として
は、以下の３点を挙げることができる。まず第１に、６
Ｈ−ＳｉＣの室温でのバンドギャップは３．０９ｅＶで
あり、ＧａＮは３．３９ｅＶ、ＩｎＮは１．８９ｅＶで
ある。従って、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層のインジウム
組成ｘが０＜ｘ＜０．１４の場合に、６Ｈ−ＳｉＣとＧ
ａＮとの中間のバンドギャップを有する。第２に、イン
ジウム組成ｘが大きいほど、クラック防止の効果が大き
いが、結晶成長が難しくなる。第３にＩｎxＧａ1-xＮバ
ッファ層においては、インジウム組成ｘが大きいほどｎ
型キャリア濃度が増加する。
【００５１】（実施例５）次に、本発明の第５の実施例
について説明する。
について説明する。
【００５２】図５は、本発明の第５の実施例に係る窒化
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ５０は、ｎ型６Ｈ−
ＳｉＣ基板５１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層５２、ｎ
型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５お
よびｐ型コンタクト層５６が順次積層された構造を有す
る。さらに、ＳｉＣ基板５１の裏面にｎ側電極５７が形
成され、ｐ型コンタクト層５６の上にはｐ側電極５８が
形成されている。
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ５０は、ｎ型６Ｈ−
ＳｉＣ基板５１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層５２、ｎ
型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５お
よびｐ型コンタクト層５６が順次積層された構造を有す
る。さらに、ＳｉＣ基板５１の裏面にｎ側電極５７が形
成され、ｐ型コンタクト層５６の上にはｐ側電極５８が
形成されている。
【００５３】バッファ層５２としては、インジウムを含
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎ層とする
ことができる。ｎ型クラッド層５３およびＰ型クラッド
層５５は、それぞれ、光と注入キャリアとを発光層５４
に閉じこめる役割を有する。ｎ型クラッド層５３は、例
えばｎ型ＧａＮとし、ｐ型クラッド層５５は、例えばｐ
型ＡｌＧａＮとすることができる。
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎ層とする
ことができる。ｎ型クラッド層５３およびＰ型クラッド
層５５は、それぞれ、光と注入キャリアとを発光層５４
に閉じこめる役割を有する。ｎ型クラッド層５３は、例
えばｎ型ＧａＮとし、ｐ型クラッド層５５は、例えばｐ
型ＡｌＧａＮとすることができる。
【００５４】発光層５４は、注入されたキャリアが再結
合して発光を生ずる層であり、例えばアンドープのＩｎ
ＧａＮ層、あるいは、組成の異なる２種類のＩｎＧａＮ
層を交互に所定の数だけ積層したＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐ
ｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；多重量子井戸）構造
とすることができる。
合して発光を生ずる層であり、例えばアンドープのＩｎ
ＧａＮ層、あるいは、組成の異なる２種類のＩｎＧａＮ
層を交互に所定の数だけ積層したＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐ
ｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；多重量子井戸）構造
とすることができる。
【００５５】ｐ型コンタクト層５６は、ｐ側の電極コン
タクトを確保するための層であり、例えばｐ型ＧａＮ層
とすることができる。
タクトを確保するための層であり、例えばｐ型ＧａＮ層
とすることができる。
【００５６】本実施例においても、インジウムを含んだ
バッファ層５２を設けているために、ＳｉＣ基板５１の
上に３μｍを超えるような積層構造を成長してもクラッ
クが生ずることがなく、良好な結晶性の半導体層を得る
ことができる。
バッファ層５２を設けているために、ＳｉＣ基板５１の
上に３μｍを超えるような積層構造を成長してもクラッ
クが生ずることがなく、良好な結晶性の半導体層を得る
ことができる。
【００５７】また、本実施例においては、前述した半導
体素子４０の場合と同様に、素子の上下にそれぞれ形成
したｎ側電極５７とｐ側電極５８との間で容易に電流を
流すことができる。従って、絶縁性のサファイア基板を
用いた従来のＬＥＤのように、素子の上面にｎ側電極と
ｐ側電極とを形成する必要が無くなり、素子形成プロセ
スを簡略化することができ、素子のサイズを大幅に縮小
することができるとともに、設計の自由度も大幅に改善
される。
体素子４０の場合と同様に、素子の上下にそれぞれ形成
したｎ側電極５７とｐ側電極５８との間で容易に電流を
流すことができる。従って、絶縁性のサファイア基板を
用いた従来のＬＥＤのように、素子の上面にｎ側電極と
ｐ側電極とを形成する必要が無くなり、素子形成プロセ
スを簡略化することができ、素子のサイズを大幅に縮小
することができるとともに、設計の自由度も大幅に改善
される。
【００５８】本発明者の試作の結果、本実施例によるＬ
ＥＤは、発光ピーク波長は４５０ｎｍであり、８°の指
向性を有するレンズ形状の樹脂に封止して発光特性を評
価した結果、２．５カンデラの輝度を得ることができ
た。すなわち、従来のサファイア基板上に形成したＬＥ
Ｄと同程度の発光輝度を得ることができた。
ＥＤは、発光ピーク波長は４５０ｎｍであり、８°の指
向性を有するレンズ形状の樹脂に封止して発光特性を評
価した結果、２．５カンデラの輝度を得ることができ
た。すなわち、従来のサファイア基板上に形成したＬＥ
Ｄと同程度の発光輝度を得ることができた。
【００５９】（実施例６）図６は、本発明の第６の実施
例に係る窒化ガリウム系半導体素子を表す概略断面図で
ある。すなわち、同図に示した半導体素子６０は、Ｓｉ
基板６１の上にＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎバッファ層６２、窒化
ガリウム系半導体層６３がこの順序で堆積されている。
例に係る窒化ガリウム系半導体素子を表す概略断面図で
ある。すなわち、同図に示した半導体素子６０は、Ｓｉ
基板６１の上にＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎバッファ層６２、窒化
ガリウム系半導体層６３がこの順序で堆積されている。
【００６０】ここで、Ｓｉ基板１１としては、例えば
（１１１）基板を用いることができる。（１１１）Ｓｉ
基板上には、通常、（０００１）面を表面に有する窒化
ガリウム系半導体層がエピタキシャル成長する。
（１１１）基板を用いることができる。（１１１）Ｓｉ
基板上には、通常、（０００１）面を表面に有する窒化
ガリウム系半導体層がエピタキシャル成長する。
【００６１】本実施例においても、バッファ層６２とし
ては、インジウムを含んだ窒化ガリウム系半導体を用い
ることが望ましい。このようなバッファ層６２は、Ｓｉ
基板６１と窒化ガリウム系半導体層６３との熱膨張率の
差に起因する応力を緩和するために、窒化ガリウム系半
導体層６３を３μｍ以上の膜厚に成長しても、クラック
が入ったり、基板が反ったりすることがなく、高品質の
窒化ガリウム系半導体層６３を安定して成長することが
できる。
ては、インジウムを含んだ窒化ガリウム系半導体を用い
ることが望ましい。このようなバッファ層６２は、Ｓｉ
基板６１と窒化ガリウム系半導体層６３との熱膨張率の
差に起因する応力を緩和するために、窒化ガリウム系半
導体層６３を３μｍ以上の膜厚に成長しても、クラック
が入ったり、基板が反ったりすることがなく、高品質の
窒化ガリウム系半導体層６３を安定して成長することが
できる。
【００６２】このように、バッファ層６２が応力を緩和
する理由は、バッファ層６２がインジウムを含み、その
結果として結晶が「軟らかく」なるからであると考えら
れる。すなわち、Ｓｉ基板６１と窒化ガリウム系半導体
層６３との間で生ずる応力を「軟らかい」緩衝層が吸収
することにより、成長層のクラックや基板の反りが防止
されるものと考えられる。
する理由は、バッファ層６２がインジウムを含み、その
結果として結晶が「軟らかく」なるからであると考えら
れる。すなわち、Ｓｉ基板６１と窒化ガリウム系半導体
層６３との間で生ずる応力を「軟らかい」緩衝層が吸収
することにより、成長層のクラックや基板の反りが防止
されるものと考えられる。
【００６３】ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層６２のインジウ
ム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定することがで
きる。本発明者の実験によれば、バッファ層１２のイン
ジウム組成が高いほど、応力の緩和効果が顕著になる傾
向が見られた。ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法
により成長する場合には、インジウム組成ｘが大きくな
ると結晶成長が難しくなるので、バッファ層におけるイ
ンジウム組成ｘとして、ｘ＝０〜０．３程度の範囲とす
ることが望ましい。この範囲内の組成を有する結晶をバ
ッファ層６２として用いた場合であっても、クラックは
観察されず、電気的・光学的な特性も極めて高品質な窒
化ガリウム系半導体層６３を得ることができた。但し、
Ｓｉ基板の場合は、前述したＳｉＣ基板の場合と比較し
て歪みが大きく、窒化ガリウム系半導体層６３にクラッ
クが生じやすいので、バッファ層６２のインジウム組成
ｘは、０．２≦ｘ≦０．３の範囲とすることがさらに望
ましい。
ム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定することがで
きる。本発明者の実験によれば、バッファ層１２のイン
ジウム組成が高いほど、応力の緩和効果が顕著になる傾
向が見られた。ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法
により成長する場合には、インジウム組成ｘが大きくな
ると結晶成長が難しくなるので、バッファ層におけるイ
ンジウム組成ｘとして、ｘ＝０〜０．３程度の範囲とす
ることが望ましい。この範囲内の組成を有する結晶をバ
ッファ層６２として用いた場合であっても、クラックは
観察されず、電気的・光学的な特性も極めて高品質な窒
化ガリウム系半導体層６３を得ることができた。但し、
Ｓｉ基板の場合は、前述したＳｉＣ基板の場合と比較し
て歪みが大きく、窒化ガリウム系半導体層６３にクラッ
クが生じやすいので、バッファ層６２のインジウム組成
ｘは、０．２≦ｘ≦０．３の範囲とすることがさらに望
ましい。
【００６４】本実施例によれば、このようにＳｉ基板上
に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定して成長する
ことができるために、基板を加工する素子化プロセスが
従来よりもはるかに容易になる。すなわち、従来用いら
れてきたサファイア基板と比較してＳｉ基板は、エッチ
ングや劈開などの加工が極めて容易である。従って、半
導体レーザをはじめとする種々の半導体素子を容易に実
現することができるようになる。
に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定して成長する
ことができるために、基板を加工する素子化プロセスが
従来よりもはるかに容易になる。すなわち、従来用いら
れてきたサファイア基板と比較してＳｉ基板は、エッチ
ングや劈開などの加工が極めて容易である。従って、半
導体レーザをはじめとする種々の半導体素子を容易に実
現することができるようになる。
【００６５】また、本発明によれば、導電性を有するＳ
ｉ基板の上に良好な結晶性を有する厚い窒化ガリウム系
半導体層を成長することができるので、基板の裏面側に
も電極を有する半導体素子を実現することができるよう
になる。
ｉ基板の上に良好な結晶性を有する厚い窒化ガリウム系
半導体層を成長することができるので、基板の裏面側に
も電極を有する半導体素子を実現することができるよう
になる。
【００６６】さらに、本発明によれば、Ｓｉ基板上に形
成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一基板上に形成
するその他の電子素子や発光素子などとモノリシックに
形成することができる。このようにして、小型で高性能
の半導体装置を作成することができるようになる。
成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一基板上に形成
するその他の電子素子や発光素子などとモノリシックに
形成することができる。このようにして、小型で高性能
の半導体装置を作成することができるようになる。
【００６７】また、本発明によれば、大口径のＳｉ基板
上に窒化ガリウム系半導体素子を形成することができる
ようになり、製造コストを低減することができる。すな
わち、従来用いられてきたサファイア基板は、せいぜい
２インチ径のものであったが、シリコン基板では、８イ
ンチ径以上の大口径の基板が容易に得られる。従って、
製造コストをはるかに低減することができるようにな
る。
上に窒化ガリウム系半導体素子を形成することができる
ようになり、製造コストを低減することができる。すな
わち、従来用いられてきたサファイア基板は、せいぜい
２インチ径のものであったが、シリコン基板では、８イ
ンチ径以上の大口径の基板が容易に得られる。従って、
製造コストをはるかに低減することができるようにな
る。
【００６８】さらに、本発明によれば、安価なシリコン
基板を用いることができ、原料コストも低減することも
できる。
基板を用いることができ、原料コストも低減することも
できる。
【００６９】次に、図６に示した半導体素子の製造方法
の一例について説明する。
の一例について説明する。
【００７０】まず、例えばＭＯＣＶＤ装置の成長室にＳ
ｉ基板６１を導入し、水素ガスを流しながら、基板６１
を約１１００℃で約１０分間加熱し、基板表面に形成さ
れている酸化物を除去する。
ｉ基板６１を導入し、水素ガスを流しながら、基板６１
を約１１００℃で約１０分間加熱し、基板表面に形成さ
れている酸化物を除去する。
【００７１】次に、基板温度を約４５０℃まで冷却し、
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびキャリアガスである
水素ガスを流して、バッファ層６２としてＩｎ0.3Ｇａ
0.7Ｎ層を成長する。
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびキャリアガスである
水素ガスを流して、バッファ層６２としてＩｎ0.3Ｇａ
0.7Ｎ層を成長する。
【００７２】次に、基板温度を１１００℃まで加熱し、
ＴＭＧ、アンモニアおよび水素キャリア・ガスを流し
て、膜厚約４μｍのＧａＮ層６３を成長する。
ＴＭＧ、アンモニアおよび水素キャリア・ガスを流し
て、膜厚約４μｍのＧａＮ層６３を成長する。
【００７３】最後に、室温まで冷却して図６に示した半
導体素子６０を得ることができる。本発明者は、上述の
方法により半導体素子６０を試作し、比較例として図１
２に示した従来の半導体素子も試作して、両者を評価し
た。その結果、従来の素子では、ＧａＮ層の表面にクラ
ックが生じていることが肉眼でも観察されたのに対し
て、本実施例による半導体素子６０では、光学顕微鏡で
観察してもクラックは認められず、また、電気的、光学
的諸特性も、極めて良好であった。
導体素子６０を得ることができる。本発明者は、上述の
方法により半導体素子６０を試作し、比較例として図１
２に示した従来の半導体素子も試作して、両者を評価し
た。その結果、従来の素子では、ＧａＮ層の表面にクラ
ックが生じていることが肉眼でも観察されたのに対し
て、本実施例による半導体素子６０では、光学顕微鏡で
観察してもクラックは認められず、また、電気的、光学
的諸特性も、極めて良好であった。
【００７４】（実施例７）次に、本発明の第７の実施例
について説明する。
について説明する。
【００７５】図７は、本発明の第７０の実施例に係る窒
化ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ７０は、Ｓｉ基板７
１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層７２、ｎ型コンタクト
層７３、発光層７４、ｐ型クラッド層７５およびｐ型コ
ンタクト層７６が順次積層された構造を有する。さら
に、ｎ型コンタクト層７３の一部が露出されてｎ側電極
７７が形成され、ｐ型コンタクト層７６の上にはｐ側電
極７８が形成されている。
化ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ７０は、Ｓｉ基板７
１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層７２、ｎ型コンタクト
層７３、発光層７４、ｐ型クラッド層７５およびｐ型コ
ンタクト層７６が順次積層された構造を有する。さら
に、ｎ型コンタクト層７３の一部が露出されてｎ側電極
７７が形成され、ｐ型コンタクト層７６の上にはｐ側電
極７８が形成されている。
【００７６】バッファ層７２としては、インジウムを含
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層とするこ
とができる。その他の各層の役割や組成は、図２に関し
て前述したＬＥＤ２０と概略同様とすることができ、詳
細な説明は省略する。
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層とするこ
とができる。その他の各層の役割や組成は、図２に関し
て前述したＬＥＤ２０と概略同様とすることができ、詳
細な説明は省略する。
【００７７】本実施例によれば、インジウムを含んだバ
ッファ層７２を設けることにより、Ｓｉ基板の上に層厚
が３μｍを超えるような積層構造を成長しても、クラッ
クは全く発生せず、良好な特性を有するＬＥＤを作成す
ることができる。すなわち、本発明者の試作結果によれ
ば、図７のＬＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍであ
り、８°の指向性を有するレンズ形状の樹脂に封止して
発光特性を評価した結果、１．５カンデラの輝度を得る
ことができた。
ッファ層７２を設けることにより、Ｓｉ基板の上に層厚
が３μｍを超えるような積層構造を成長しても、クラッ
クは全く発生せず、良好な特性を有するＬＥＤを作成す
ることができる。すなわち、本発明者の試作結果によれ
ば、図７のＬＥＤの発光ピーク波長は４５０ｎｍであ
り、８°の指向性を有するレンズ形状の樹脂に封止して
発光特性を評価した結果、１．５カンデラの輝度を得る
ことができた。
【００７８】（実施例８）次に、本発明の第８の実施例
について説明する。
について説明する。
【００７９】図８は、本発明の第８の実施例に係る窒化
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ８０は、ｎ型Ｓｉ基
板８１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層８２、ｎ型クラッ
ド層８３、発光層８４、ｐ型クラッド層８５およびｐ型
コンタクト層８６が順次積層された構造を有する。
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ８０は、ｎ型Ｓｉ基
板８１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層８２、ｎ型クラッ
ド層８３、発光層８４、ｐ型クラッド層８５およびｐ型
コンタクト層８６が順次積層された構造を有する。
【００８０】本実施例のＬＥＤ８０の概略構成や各層の
組成などは、図３に関して前述したＬＥＤ３０と概略同
様とすることができるので、詳細な説明は省略する。但
し、本実施例においては、バッファ層８２の材料として
Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎを用いた。
組成などは、図３に関して前述したＬＥＤ３０と概略同
様とすることができるので、詳細な説明は省略する。但
し、本実施例においては、バッファ層８２の材料として
Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎを用いた。
【００８１】本実施例によるＬＥＤ８０の発光特性は、
前述したＬＥＤ７０と概略同様であったが、本実施例に
よれｎ側電極８７をより容易に形成することができると
いう効果を得ることができる。
前述したＬＥＤ７０と概略同様であったが、本実施例に
よれｎ側電極８７をより容易に形成することができると
いう効果を得ることができる。
【００８２】（実施例９）次に、本発明の第９の実施例
について説明する。
について説明する。
【００８３】図９は、本発明の第９の実施例に係る窒化
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ９０は、ｎ型Ｓｉ基
板９１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層９２、ｎ型クラッ
ド層９３、発光層９４、ｐ型クラッド層９５およびｐ型
コンタクト層９６が順次積層された構造を有する。さら
に、Ｓｉ基板９１の裏面にｎ側電極９７が形成され、ｐ
型コンタクト層９６の上にはｐ側電極９８が形成されて
いる。
ガリウム系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示したＬＥＤ９０は、ｎ型Ｓｉ基
板９１の上に、ＩｎＧａＮバッファ層９２、ｎ型クラッ
ド層９３、発光層９４、ｐ型クラッド層９５およびｐ型
コンタクト層９６が順次積層された構造を有する。さら
に、Ｓｉ基板９１の裏面にｎ側電極９７が形成され、ｐ
型コンタクト層９６の上にはｐ側電極９８が形成されて
いる。
【００８４】バッファ層９２としては、インジウムを含
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層とするこ
とができる。その他の構成や各層の組成などは図５に関
して前述したＬＥＤ５０の場合と概略同様とすることが
できるので、詳細な説明は省略する。
んだ窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したよ
うな比較的低温で成長したＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層とするこ
とができる。その他の構成や各層の組成などは図５に関
して前述したＬＥＤ５０の場合と概略同様とすることが
できるので、詳細な説明は省略する。
【００８５】本実施例によるＬＥＤ９０においては、ｎ
側電極９７とｐ側電極９８との間の抵抗は極めて低く、
電流を容易に流すことができた。このように、本実施例
において電流を流すことができた理由としては、以下の
３点が挙げられる。まず、第１に、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎバ
ッファ層９２のバンドギャップは、ＳｉとＧａＮとの中
間の値を有し、両者の間のバンド不連続によるヘテロ障
壁を緩和する働きをすることが考えられる。第２に、ノ
ンドープ、すなわちドーピングを施さないＩｎＧａＮ
は、従来用いられていたノンドープのＧａxＡｌ1-xＮ
（０≦ｘ≦１）と比較するとｎ型キャリア濃度が高いこ
とが挙げられる。第３に、ＩｎＧａＮの結晶は、Ｇａx
Ａｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の結晶に比べて軟らかいため
に、Ｓｉ基板４１とＧａＮ層４３その間で生ずる歪みを
緩和して結晶性を顕著に改善する働きをすることが挙げ
られる。
側電極９７とｐ側電極９８との間の抵抗は極めて低く、
電流を容易に流すことができた。このように、本実施例
において電流を流すことができた理由としては、以下の
３点が挙げられる。まず、第１に、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎバ
ッファ層９２のバンドギャップは、ＳｉとＧａＮとの中
間の値を有し、両者の間のバンド不連続によるヘテロ障
壁を緩和する働きをすることが考えられる。第２に、ノ
ンドープ、すなわちドーピングを施さないＩｎＧａＮ
は、従来用いられていたノンドープのＧａxＡｌ1-xＮ
（０≦ｘ≦１）と比較するとｎ型キャリア濃度が高いこ
とが挙げられる。第３に、ＩｎＧａＮの結晶は、Ｇａx
Ａｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の結晶に比べて軟らかいため
に、Ｓｉ基板４１とＧａＮ層４３その間で生ずる歪みを
緩和して結晶性を顕著に改善する働きをすることが挙げ
られる。
【００８６】また、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層９２のイ
ンジウム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定するこ
とができ、０．２≦ｘ≦０．３の範囲にあることが望ま
しい。その理由としては、以下の３点を挙げることがで
きる。まず第１に、Ｓｉの室温でのバンドギャップは
１．１１ｅＶであり、ＧａＮは３．３９ｅＶ、ＩｎＮは
１．８９ｅＶである。従って、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ
層のインジウム組成ｘが０＜ｘ≦１の場合に、ＳｉとＧ
ａＮとの中間のバンドギャップを有する。第２に、イン
ジウム組成ｘが大きいほど、クラック防止の効果が大き
いが、結晶成長が難しくなる。第３にＩｎxＧａ1-xＮバ
ッファ層においては、インジウム組成ｘが大きいほどｎ
型キャリア濃度が増加する。
ンジウム組成ｘは、０＜ｘ≦１の範囲で適宜決定するこ
とができ、０．２≦ｘ≦０．３の範囲にあることが望ま
しい。その理由としては、以下の３点を挙げることがで
きる。まず第１に、Ｓｉの室温でのバンドギャップは
１．１１ｅＶであり、ＧａＮは３．３９ｅＶ、ＩｎＮは
１．８９ｅＶである。従って、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ
層のインジウム組成ｘが０＜ｘ≦１の場合に、ＳｉとＧ
ａＮとの中間のバンドギャップを有する。第２に、イン
ジウム組成ｘが大きいほど、クラック防止の効果が大き
いが、結晶成長が難しくなる。第３にＩｎxＧａ1-xＮバ
ッファ層においては、インジウム組成ｘが大きいほどｎ
型キャリア濃度が増加する。
【００８７】本実施例においても、インジウムを含んだ
バッファ層９２を設けているために、Ｓｉ基板９１の上
に３μｍを超えるような積層構造を成長してもクラック
が生ずることがなく、良好な結晶性の半導体層を得るこ
とができる。
バッファ層９２を設けているために、Ｓｉ基板９１の上
に３μｍを超えるような積層構造を成長してもクラック
が生ずることがなく、良好な結晶性の半導体層を得るこ
とができる。
【００８８】また、本実施例においては、前述した半導
体素子５０の場合と同様に、素子の上下にそれぞれ形成
したｎ側電極９７とｐ側電極９８との間で容易に電流を
流すことができる。従って、絶縁性のサファイア基板を
用いた従来のＬＥＤのように、素子の上面にｎ側電極と
ｐ側電極とを形成する必要が無くなり、素子形成プロセ
スを簡略化することができ、素子のサイズを大幅に縮小
することができるとともに、設計の自由度も大幅に改善
される。
体素子５０の場合と同様に、素子の上下にそれぞれ形成
したｎ側電極９７とｐ側電極９８との間で容易に電流を
流すことができる。従って、絶縁性のサファイア基板を
用いた従来のＬＥＤのように、素子の上面にｎ側電極と
ｐ側電極とを形成する必要が無くなり、素子形成プロセ
スを簡略化することができ、素子のサイズを大幅に縮小
することができるとともに、設計の自由度も大幅に改善
される。
【００８９】本発明者の試作の結果、本実施例によるＬ
ＥＤ９０は、発光ピーク波長は４５０ｎｍであり、８°
の指向性を有するレンズ形状の樹脂に封止して発光特性
を評価した結果、１．５カンデラの輝度を得ることがで
きた。
ＥＤ９０は、発光ピーク波長は４５０ｎｍであり、８°
の指向性を有するレンズ形状の樹脂に封止して発光特性
を評価した結果、１．５カンデラの輝度を得ることがで
きた。
【００９０】以上、本発明の実施の形態について具体例
を参照しつつ説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。この他にも、例えば、本発明によれば、基
板としてＳｉＣやＳｉ以外の種々の材料を用いて高品質
の窒化ガリウム系半導体層を成長することができるよう
になる。例えば、従来用いられてきたサファイア（Ａｌ
２Ｏ３）について本発明を適用すれば、従来よりもさら
に高品質の窒化ガリウム系半導体層を得ることができ
る。また、その他にも、ＧａＰ、ＧａＡｓ、スピネル
（ＭｇＡｌ２Ｏ４）などの基板を用いて、高品質で厚い
窒化ガリウム系半導体層をエピタキシャル成長すること
ができるようになる。
を参照しつつ説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。この他にも、例えば、本発明によれば、基
板としてＳｉＣやＳｉ以外の種々の材料を用いて高品質
の窒化ガリウム系半導体層を成長することができるよう
になる。例えば、従来用いられてきたサファイア（Ａｌ
２Ｏ３）について本発明を適用すれば、従来よりもさら
に高品質の窒化ガリウム系半導体層を得ることができ
る。また、その他にも、ＧａＰ、ＧａＡｓ、スピネル
（ＭｇＡｌ２Ｏ４）などの基板を用いて、高品質で厚い
窒化ガリウム系半導体層をエピタキシャル成長すること
ができるようになる。
【００９１】また、前述した具体例では、半導体素子と
してＬＥＤを例に挙げて説明したが、本発明は窒化ガリ
ウム系半導体を用いた半導体レーザについても同様に適
用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々に変形して実施することが可能である。
してＬＥＤを例に挙げて説明したが、本発明は窒化ガリ
ウム系半導体を用いた半導体レーザについても同様に適
用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々に変形して実施することが可能である。
【００９２】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。
施され、以下に説明する効果を奏する。
【００９３】まず、本発明によれば、インジウムを含ん
だバッファ層が熱膨張率の差に起因する応力を緩和する
ために、窒化ガリウム系半導体層を３ミクロン以上の膜
厚に成長しても、基板が反ったり、クラックが入ったり
することがなく、高品質の窒化ガリウム系半導体層をＳ
ｉＣ基板やＳｉ基板の上に安定して成長することができ
る。この理由としては、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層（０
＜ｘ≦１）の結晶は、従来のバッファ層の材料であるＧ
ａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の結晶に比べて軟らかいた
めに、基板と窒化ガリウム系半導体層との間で生ずる歪
みを緩和して結晶性を顕著に改善する働きをするからで
あると考えられる。また、Ｓｉ基板の場合には、Ｉｎx
Ｇａ1-xＮバッファ層（０＜ｘ≦１）の格子定数がＳｉ
とＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）との中間の値を有する
ために、格子定数の違いに起因する歪みを緩和すること
ができるという理由も考えられる。
だバッファ層が熱膨張率の差に起因する応力を緩和する
ために、窒化ガリウム系半導体層を３ミクロン以上の膜
厚に成長しても、基板が反ったり、クラックが入ったり
することがなく、高品質の窒化ガリウム系半導体層をＳ
ｉＣ基板やＳｉ基板の上に安定して成長することができ
る。この理由としては、ＩｎxＧａ1-xＮバッファ層（０
＜ｘ≦１）の結晶は、従来のバッファ層の材料であるＧ
ａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の結晶に比べて軟らかいた
めに、基板と窒化ガリウム系半導体層との間で生ずる歪
みを緩和して結晶性を顕著に改善する働きをするからで
あると考えられる。また、Ｓｉ基板の場合には、Ｉｎx
Ｇａ1-xＮバッファ層（０＜ｘ≦１）の格子定数がＳｉ
とＧａxＡｌ1-xＮ（０≦ｘ≦１）との中間の値を有する
ために、格子定数の違いに起因する歪みを緩和すること
ができるという理由も考えられる。
【００９４】また、本発明によれば、インジウムを含ん
だバッファ層を用いることにより、ｎ側電極をＳｉＣ基
板やＳｉ基板の裏面に設けることができる。つまり、素
子の上下にそれぞれｎ側電極とｐ側電極とを形成するこ
とができる。従って、絶縁性のサファイア基板を用いた
従来のＬＥＤのように、素子の上面にｎ側電極とｐ側電
極とを形成する必要が無くなり、素子形成プロセスを簡
略化することができ、素子のサイズを大幅に縮小するこ
とができるとともに、設計の自由度も大幅に改善され
る。
だバッファ層を用いることにより、ｎ側電極をＳｉＣ基
板やＳｉ基板の裏面に設けることができる。つまり、素
子の上下にそれぞれｎ側電極とｐ側電極とを形成するこ
とができる。従って、絶縁性のサファイア基板を用いた
従来のＬＥＤのように、素子の上面にｎ側電極とｐ側電
極とを形成する必要が無くなり、素子形成プロセスを簡
略化することができ、素子のサイズを大幅に縮小するこ
とができるとともに、設計の自由度も大幅に改善され
る。
【００９５】さらに、本発明によれば、ＳｉＣ基板やＳ
ｉ基板の上に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定し
て成長することができるために、基板を加工する素子化
プロセスが従来よりもはるかに容易になる。すなわち、
従来用いられてきたサファイア基板と比較してＳｉＣや
Ｓｉは、エッチングや劈開などの加工が極めて容易であ
る。従って、半導体レーザをはじめとする種々の半導体
素子を容易に実現することができるようになる。
ｉ基板の上に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定し
て成長することができるために、基板を加工する素子化
プロセスが従来よりもはるかに容易になる。すなわち、
従来用いられてきたサファイア基板と比較してＳｉＣや
Ｓｉは、エッチングや劈開などの加工が極めて容易であ
る。従って、半導体レーザをはじめとする種々の半導体
素子を容易に実現することができるようになる。
【００９６】さらに、本発明によれば、ＳｉＣ基板やＳ
ｉ基板上に形成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一
基板上に形成するその他の電子素子や発光素子などとモ
ノリシックに形成することができる。このようにして、
小型で高性能の半導体装置を作成することができるよう
になる。
ｉ基板上に形成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一
基板上に形成するその他の電子素子や発光素子などとモ
ノリシックに形成することができる。このようにして、
小型で高性能の半導体装置を作成することができるよう
になる。
【００９７】また、本発明によれば、大口径の基板上に
窒化ガリウム系半導体素子を形成することができるよう
になり、製造コストを低減することができる。例えば、
従来用いられてきたサファイア基板は、せいぜい２イン
チ径のものであったが、Ｓｉ基板では、８インチ径以上
の大口径の基板が容易に得られる。従って、製造コスト
をはるかに低減することができるようになる。
窒化ガリウム系半導体素子を形成することができるよう
になり、製造コストを低減することができる。例えば、
従来用いられてきたサファイア基板は、せいぜい２イン
チ径のものであったが、Ｓｉ基板では、８インチ径以上
の大口径の基板が容易に得られる。従って、製造コスト
をはるかに低減することができるようになる。
【００９８】さらに、本発明によれば、安価なＳｉ基板
を用いることができ、原料コストも低減することもでき
る。
を用いることができ、原料コストも低減することもでき
る。
【００９９】このように、本発明によれば、高品質の窒
化ガリウム系半導体層をＳｉＣやＳｉなどの種々の基板
上に安定して成長することができるようになり、産業上
のメリットは多大である。
化ガリウム系半導体層をＳｉＣやＳｉなどの種々の基板
上に安定して成長することができるようになり、産業上
のメリットは多大である。
【図１】本発明の第１の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図５】本発明の第５の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図６】本発明の第６の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図７】本発明の第７の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図８】本発明の第８の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図９】本発明の第９の実施例に係る窒化ガリウム系半
導体素子を表す概略断面図である。
導体素子を表す概略断面図である。
【図１０】ＳｉＣ基板の上に従来の方法により窒化ガリ
ウム系半導体を結晶成長させた場合の概略断面図であ
る。
ウム系半導体を結晶成長させた場合の概略断面図であ
る。
【図１１】ＳｉＣ基板上に形成した半導体素子の断面構
造を例示する概略図である。
造を例示する概略図である。
【図１２】シリコン基板の上に従来の方法により窒化ガ
リウム系半導体を結晶成長させた場合の概略断面図であ
る。
リウム系半導体を結晶成長させた場合の概略断面図であ
る。
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９
０ 窒化ガリウム系半導体素子 １１、２１、３１、４１、５１ ＳｉＣ基板 １２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９
２ バッファ層 １３、２３〜２６、３３〜３６、４３〜４６、５３〜５
６、６３、７３〜７６、８３〜８６、９３〜９６ 窒
化ガリウム系半導体層 ２７、３７、４５、５７、７７、８７、９７ ｎ側電極 ２８、３８、４６、５８、７８、８８、９８ ｐ側電極 ３９、８９ 接続電極 Ｈ 接続孔
０ 窒化ガリウム系半導体素子 １１、２１、３１、４１、５１ ＳｉＣ基板 １２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９
２ バッファ層 １３、２３〜２６、３３〜３６、４３〜４６、５３〜５
６、６３、７３〜７６、８３〜８６、９３〜９６ 窒
化ガリウム系半導体層 ２７、３７、４５、５７、７７、８７、９７ ｎ側電極 ２８、３８、４６、５８、７８、８８、９８ ｐ側電極 ３９、８９ 接続電極 Ｈ 接続孔
Claims (10)
- 【請求項１】基板と、 前記基板の上に積層された少なくともインジウムを含む
窒化ガリウム系半導体からなるバッファ層と、 前記バッファ層の上に積層された少なくとも１層以上の
窒化ガリウム系半導体層と、 を備え、前記基板と前記窒化ガリウム系半導体層との熱
膨張率の差に起因する応力が前記バッファ層により緩和
されるようにしたものとして構成されていることを特徴
とする窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項２】前記基板は、シリコン、６Ｈ型ＳｉＣ、Ｇ
ａＰおよびＧａＡｓからなる群のうちから選択されたひ
とつにより構成されていることを特徴とする請求項１記
載の窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項３】シリコン、６Ｈ型ＳｉＣ、ＧａＰおよびＧ
ａＡｓからなる群のうちから選択されたひとつにより構
成され、第１導電型の導電性を有する基板と、 前記基板の主面上に積層され、インジウムを含む窒化ガ
リウム系半導体からなるバッファ層と、 前記バッファ層の上に積層され、第１導電型の導電性を
有する第１の窒化ガリウム系半導体層と、 前記第１の窒化ガリウム系半導体層の上に積層された窒
化ガリウム系半導体からなる発光層と、 前記発光層の上に積層され、第２導電型の導電性を有す
る第２の窒化ガリウム系半導体層と、 前記基板の裏面に形成された第１の電極と、 前記第２の窒化ガリウム系半導体層の上に形成された第
２の電極と、を少なくとも備え、前記第１の電極と前記
第２の電極との間に電流を流すことにより前記発光層に
おいて発光が生ずるものとして構成されたことを特徴と
する窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項４】前記基板の上に積層された各層の層厚の合
計値が３μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３
のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項５】前記バッファ層は、ＩｎＧａＮからなるこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半
導体素子。 - 【請求項６】前記基板は、ＳｉＣからなり、 前記バッファ層を構成する前記ＩｎＧａＮは、組成式Ｉ
ｎxＧａ1-xＮにおけるインジウム組成ｘが、０．１≦ｘ
≦０．３の範囲内にあることを特徴とする請求項５記載
の窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項７】前記基板は、Ｓｉからなり、 前記バッファ層を構成する前記ＩｎＧａＮは、組成式Ｉ
ｎxＧａ1-xＮにおけるインジウム組成ｘが、０．２≦ｘ
≦０．３の範囲内にあることを特徴とする請求項５記載
の窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項８】シリコン、６Ｈ型ＳｉＣ、ＧａＰおよびＧ
ａＡｓからなる群のうちから選択されたひとつにより構
成された基板の上に、３００℃以上８００℃以下の成長
温度で、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からな
るバッファ層を形成する工程と、 温度を８００℃以上１２００℃以下として、前記バッフ
ァ層を再結晶化する工程と、 前記バッファ層の上に窒化ガリウム系半導体からなる複
数の単結晶層を成長する工程と、 を備えたことを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子の
製造方法。 - 【請求項９】第１導電型の導電性を有する６Ｈ型ＳｉＣ
からなる基板の主面上に、４００℃以上６００℃以下の
成長温度で、組成式ＩｎxＧａ1-xＮにおけるインジウム
組成ｘが、０．１≦ｘ≦０．３の範囲内にあるＩｎＧａ
Ｎバッファ層を形成する工程と、 温度を８００℃以上１２００℃以下として、前記バッフ
ァ層を再結晶化する工程と、 前記バッファ層の上に第１導電型の導電性を有する窒化
ガリウム系半導体からなる第１の単結晶層を成長する工
程と、 前記第１の単結晶層の上に窒化ガリウム系半導体からな
る発光層を成長する工程と、 前記発光層の上に第２導電型の導電性を有する第２の単
結晶層を成長する工程と、 前記基板の裏面に第１の電極を形成する工程と、 前記第２の単結晶層の上に第２の電極を形成する工程
と、を少なくとも備えたことを特徴とする窒化ガリウム
系半導体素子の製造方法。 - 【請求項１０】第１導電型の導電性を有するシリコンか
らなる基板の主面上に、４００℃以上６００℃以下の成
長温度で、組成式ＩｎxＧａ1-xＮにおけるインジウム組
成ｘが、０．２≦ｘ≦０．３の範囲内にあるＩｎＧａＮ
バッファ層を形成する工程と、 温度を８００℃以上１２００℃以下として、前記バッフ
ァ層を再結晶化する工程と、 前記バッファ層の上に第１導電型の導電性を有する窒化
ガリウム系半導体からなる第１の単結晶層を成長する工
程と、 前記第１の単結晶層の上に窒化ガリウム系半導体からな
る発光層を成長する工程と、 前記発光層の上に第２導電型の導電性を有する第２の単
結晶層を成長する工程と、 前記基板の裏面に第１の電極を形成する工程と、 前記第２の単結晶層の上に第２の電極を形成する工程
と、を少なくとも備えたことを特徴とする窒化ガリウム
系半導体素子の製造方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30291897A JP3500281B2 (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | 窒化ガリウム系半導体素子およびその製造方法 |
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|---|---|---|---|
| JP30291897A JP3500281B2 (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | 窒化ガリウム系半導体素子およびその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11145514A true JPH11145514A (ja) | 1999-05-28 |
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| JP30291897A Expired - Fee Related JP3500281B2 (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | 窒化ガリウム系半導体素子およびその製造方法 |
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- 1997-11-05 JP JP30291897A patent/JP3500281B2/ja not_active Expired - Fee Related
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