WO2002101840A1 - Element semi-conducteur a base de nitrure du groupe iii et procede de fabrication associe - Google Patents

Element semi-conducteur a base de nitrure du groupe iii et procede de fabrication associe Download PDF

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WO2002101840A1
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compound semiconductor
underlayer
group iii
nitride
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PCT/JP2002/005429
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Masanobu Senda
Naoki Shibata
Jun Ito
Toshiaki Chiyo
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Toyoda Gosei Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a Group III nitride compound semiconductor device and a method for manufacturing the same.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-12379738 discloses that in order to obtain a good crystalline III nitride compound semiconductor layer, a metal nitride having a rock salt structure is used as an underlayer. It discloses that the surface is used as a substrate. That is, in this publication, a metal nitride having a rock-salt structure is used as a substrate, and a group II nitride-based compound semiconductor layer is grown on the (111) plane.
  • Semiconductor device substrates are required to have characteristics (rigidity, impact resistance, etc.) to maintain the function of the device.
  • characteristics rigidity, impact resistance, etc.
  • the substrate is formed of metal nitride, it is considered that a thickness of, for example, 50 ⁇ or more is required for the substrate to maintain the characteristics.
  • metal nitrides having such a thickness have not been provided as raw materials for industrial products for semiconductor manufacturing.
  • an object of the present invention is to enable the formation of a group II nitride-based compound semiconductor layer having a good crystal structure using raw materials that are easily available industrially. Therefore, the semiconductor element of the present invention has a semiconductor layer with a favorable crystal structure and can be manufactured at low cost.
  • another object of the present invention is to provide a group II nitride-based compound semiconductor device having a novel substrate and a method of manufacturing the same. Disclosure of the invention
  • a separation layer is formed on an auxiliary substrate, a base layer is formed on the separation layer, a sprayed layer is formed on the base layer, and the separation layer is formed from the base layer. Separating, and forming a group III nitride-based compound semiconductor layer on a surface of the underlayer opposite to the surface on which the sprayed layer is formed.
  • a manufacturing method is provided.
  • the base layer is formed on the auxiliary substrate via the separation layer.
  • a material capable of growing a Group II nitride-based compound semiconductor layer with good crystallinity can be selected.
  • a thermal spray layer is formed on the underlayer. According to thermal spraying, a thick layer having sufficient rigidity as a substrate can be easily formed. After separating the separation layer from the underlayer and exposing the underlayer, a group III nitride-based compound semiconductor layer can be formed on the surface of the underlayer using the sprayed layer as a substrate.
  • an III group nitride-based compound semiconductor layer is grown on the underlayer to form an element structure. Therefore, the underlayer has a preferable structure for growing a group III nitride compound semiconductor.
  • FIG. 1 is a diagram showing a method for manufacturing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
  • a group II nitride compound semiconductor layer is grown on an underlayer, and an element structure such as a light emitting diode is constructed by the group III nitride compound semiconductor layer. Therefore, the underlayer needs to have a crystal structure suitable for growing a group III nitride compound semiconductor. Therefore, the auxiliary substrate and the separation layer supporting the underlayer are selected to be suitable for the formation of the underlayer. From the above viewpoints, each of the auxiliary substrate, the separation layer, and the underlayer will be described below. Auxiliary board
  • Auxiliary substrates include sapphire, hexagonal materials such as SiC (silicon carbide) and GaN (gallium nitride), Si (silicon), GaP (gallium phosphide), and GaAs (arsenic).
  • a cubic material such as gallium can be used.
  • an underlayer is grown thereon.
  • a cubic material its (1 1 1) plane is used. Separation layer
  • the separation layer is to be separated from the underlying layer later.
  • Ti is used as the separation layer.
  • Z ⁇ ⁇ can also be used as another material.
  • the titanium layer is formed on the substrate by a method such as DC sputtering, ion plating, or spray pyrolysis.
  • the thickness of the titanium layer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 10 / m. More preferably, it is from 0.2 to 5 / im, most preferably from 0.2 to 3 / im.
  • the titanium layer can be chemically etched with an acid (aqua regia). This separates the auxiliary substrate from the underlayer. If the thermal spray layer and the underlayer are made conductive, they can be used as electrodes, so that only one electrode needs to be formed on the group III-Nitride compound semiconductor layer side. Underlayer
  • a nitride of one or more metals selected from titanium, hafnium, zirconium or tantalum having a rock salt structure is used as a material for the underlayer.
  • titanium nitride is preferred.
  • Such a metal nitride has a very small lattice mismatch with the Group III nitride compound semiconductor formed thereon.
  • the metal nitride can be formed with good crystallinity on the titanium layer, and the titanium layer can be formed with good crystallinity on a substrate such as sapphire.
  • the thickness required for maintaining the function of the element can be provided in a thermal spray layer formed later, so that the underlayer can be made thinner. Therefore, The underlayer can be formed easily and inexpensively. Since the thermal spray layer can be formed efficiently, the device can be manufactured at low cost as a whole.
  • a Group III nitride compound semiconductor such as GaN, ZnO, or SiC can be used as the underlayer.
  • the underlayer can also be formed of a material composed of (Ti x X AX ) N.
  • a metal component A of (T i! X A x) of N metal nitride, aluminum (A l), gallium (G a) and one or more Group III selected from Injiumu (I n) Elements can be selected.
  • a 1 is preferable because the difference in lattice constant is small.
  • At least a part of the group III element may be replaced with boron (B), thallium (T 1) or the like.
  • metal nitride made of TiN can be provided with conductivity, electrodes can be formed on both surfaces of the semiconductor element at that time, which reduces the number of element manufacturing steps and reduces costs.
  • the composition X of the metal A is set to 0.01 to 0.6, the metal nitride has a necessary conductivity. More preferable composition X of the metal A is 0.1 to 0.6. And more preferably 0.2 to 0.6.
  • Such a metal nitride layer has a smaller lattice mismatch with a group III nitride-based compound semiconductor layer formed thereon than a binary metal nitride layer made of TiN or the like. Thus, the crystallinity of the group III nitride compound semiconductor layer can be improved.
  • the metal nitride layer composed of (T i! _ X A X ) N contains T i as a component, it can be formed with good crystallinity on the titanium layer, and the titanium layer can be formed on a substrate such as sapphire. It can be formed with good crystallinity.
  • the method for producing the underlayer is not particularly limited, but methods such as DC sputtering, ion plating, spray pyrolysis, MOCVD, MBE, and halide can be used.
  • the underlayer is preferably formed at a high temperature. This is because growing at a high temperature improves the crystallinity.
  • a metal nitride layer is formed as a base layer on a titanium layer, it is particularly preferable to employ a sputtering method. This is because the crystallinity of the metal nitride single crystal is improved.
  • the thickness of the underlayer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 10 ⁇ . More preferably, it is l-5 / im.
  • the underlayer preferably has conductivity from the viewpoint of forming electrodes on both surfaces of the semiconductor element.
  • the underlayer preferably has metallic luster. This is for efficiently reflecting light emitted from the light emitting layer.
  • Thermal spray layer
  • a thermal spray layer is formed on the underlayer.
  • the material and thickness of the element are not particularly limited as long as the element has characteristics as a substrate.
  • TiN is preferable as the material of the thermal spray layer from the viewpoint of obtaining a preferable crystal structure for the underlayer.
  • T i N has conductivity.
  • electrodes can be formed on both surfaces of the semiconductor element, and the number of element manufacturing steps is reduced, resulting in cost reduction.
  • TiN formed by gas tunneling plasma reaction spray has a metallic luster, and light emitted from the LED is efficiently reflected to increase brightness.
  • TiN is a material that is more flexible than sapphire, and especially when sprayed becomes a fine layer, the difference in lattice constant between the substrate and the Group III nitride compound semiconductor layer and thermal expansion. It also has the effect of alleviating strain (internal stress) due to differences in coefficients.
  • the substrate is required to have properties (rigidity, impact resistance) to maintain the function of the element. Therefore, the thickness of the sprayed layer is preferably 50 m or more. More preferably, it is at least 100 / in. However, as long as rigidity can be maintained, it may be thin.
  • Plasma reaction spraying is preferred as the method for spraying TiN.
  • Any method can be selected as a method for separating the separation layer.
  • etching can be performed with a strong acid (hydrofluoric acid, aqua regia, etc.).
  • a strong acid hydrofluoric acid, aqua regia, etc.
  • the group III nitride compound semiconductor has the general formula A 1 X G a Y I n! _ ⁇ _ ⁇ ⁇ (0 ⁇ 1, 0 ⁇ ⁇ 1, 10 ⁇ ⁇ + ⁇ 1) So-called binary system of A 1 ⁇ , G a ⁇ and In n, A l xG a — A lx I n - X N and G a x I n: include (In the above 0 ⁇ x ⁇ 1) _ X N so-called ternary. At least a part of group III elements may be replaced by boron (B), thallium (T 1), etc.
  • At least a part of nitrogen (N) may be replaced by phosphorus (P), arsenic (A s;), It can be replaced with antimony (Sb), bismuth (Bi), etc.
  • the group III nitride compound semiconductor layer may contain any dopant. Si, Ge, Se, Te, C, etc. can be used as the n-type impurity. Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba and the like can be used as the p-type impurities. It is possible, but not essential, to expose the group III nitride compound semiconductor to electron beam irradiation, plasma irradiation, or heating in a furnace after doping with the p-type impurity.
  • the method of forming the group III nitride-based compound semiconductor layer is not particularly limited.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam crystal growth
  • HVPE method halide vapor deposition
  • sputtering method ion plating method, electron shower method and the like.
  • an ELO (EpitaxialarLatereralOlevergowth) method may be employed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-312971).
  • a light-emitting element having a homo structure, a single hetero structure, or a double hetero structure can be used.
  • a quantum well structure single quantum well structure or multiple quantum well structure
  • the buffer layer is made of a first group III nitride compound semiconductor.
  • a quaternary compound semiconductor represented by A a ternary compound semiconductor represented by A 1 X G a X _ X N (0 ⁇ X ⁇ 1), and A 1 N, 0 & 1 ⁇ and 11 1? ⁇ Is included.
  • a first group III nitride compound semiconductor layer such as A1N or GaN is directly formed on a substrate such as sapphire at a temperature as low as 600 ° C or less, for example, about 400 ° C. Had formed.
  • the semiconductor layer must be grown at a high temperature of about 1000 ° C. A more suitable crystal can be obtained. Accordingly, the crystallinity of the second group III nitride compound semiconductor layer formed on the buffer layer having good crystallinity is also improved.
  • the above temperature of about 1,000 ° C is the growth temperature of the second Group III nitride-based compound semiconductor layer (element functional constituent layer) formed on the first Group III nitride-based compound semiconductor layer (buffer layer).
  • the growth temperature when forming the first group III nitride compound semiconductor by the MOCVD method is preferably 600 to 1200 ° C, more preferably 800 to 1200 ° C.
  • the MOCV D method is executed. Temperature control at the time becomes easy.
  • a buffer layer composed of the first group III nitride compound semiconductor layer is formed on the underlayer by sputtering, it is the same as when a buffer layer is formed by MOCVD (growth temperature: 1 000 ° C). A more suitable crystalline buffer layer can be obtained. Therefore, the crystallinity of the second group III nitride compound semiconductor layer formed on the first group III nitride compound semiconductor layer is also improved. Furthermore, when the first group nitride-based compound semiconductor layer (buffer layer) is formed by the sputtering method, expensive organic metals such as TMA and TMI are not required for the raw material as compared with the MOCVD method. Therefore, an element can be formed at low cost. See JP-A-2000-323753. Example
  • a TiN layer (3 // in) is formed as the underlayer 3 at the same temperature of 450 ° C. by reactive DC magnetron sputtering.
  • a TiN sprayed layer 4 is formed to a thickness of 300 ⁇ by gas tunnel type plasma reaction spraying.
  • the substrate temperature is preferably set to 650 ° C. or lower. This is because the crystal structure of Ti changes at 700 ° C. or higher.
  • the light emitting diode 10 shown in FIG. 2 is formed by a conventional method using the thermal spray layer 4 and the underlayer 3 as substrates.
  • n-type layer 1 6 n -G a N S i
  • the n-type layer is formed of G a N, but Al G a N, 1: 03 ⁇ or 1 In G a N can be used.
  • the n-type layer is doped with Si as an n-type impurity, but Ge, Se, Te, C, etc. can be used as the n-type impurity.
  • the n-type layer 16 can have a two-layer structure including a low electron concentration n ⁇ layer on the layer 17 side including the light emitting layer and a high electron concentration n + layer on the buffer layer 15 side.
  • the layer 17 including a light emitting layer may include a light emitting layer having a quantum well structure, and the light emitting element may be of a single hetero type, a double hetero type, or a homo junction type.
  • the layer 17 including the light emitting layer may include a wide bandgap group III nitride-based compound semiconductor layer in which an acceptor such as magnesium is doped on the p-type layer 18 side. This is to effectively prevent electrons injected into the layer 17 including the light emitting layer from diffusing into the p-type layer 18.
  • a P-type layer 18 made of GaN doped with Mg as a p-type impurity was formed on the layer 17 including the light-emitting layer.
  • the p-type layer may be Al GaN, 1110 & 1 ⁇ or 111 GaN, and the p-type impurities may be 2! 1, 86, ji &, 31 ", Ba can also be used.
  • a two-layer structure including a low hole concentration p ⁇ layer on the layer 17 side including the layer emitting the p-type layer 18 and a high hole concentration p + layer on the electrode side can be obtained.
  • each group III nitride compound semiconductor layer is formed by performing MOC VD under general conditions.
  • ammonia gas and an alkyl compound gas of a group III element such as trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA) and trimethylindium (TMI) are supplied onto a substrate heated to an appropriate temperature.
  • TMG trimethylgallium
  • TMA trimethylaluminum
  • TMI trimethylindium
  • the crystallinity of the group III nitride compound semiconductor layers 16 to 18 thus formed is preferable.
  • a Group III nitride-based compound semiconductor layer is formed by a method such as molecular beam crystal growth (MBE), halide vapor deposition (HVPE), sputtering, ion plating, and electron showering. You can also.
  • MBE molecular beam crystal growth
  • HVPE halide vapor deposition
  • sputtering ion plating
  • electron showering electron showering
  • the translucent electrode 19 is a thin film containing gold, and is laminated so as to cover substantially the entire upper surface of the p-type layer 18.
  • the p-electrode 20 is also made of a material containing gold, and transmits light by evaporation. Formed on the negative electrode 19.
  • the A 1 N buffer layer 15 may be formed by a MOCVD method or may be formed by a sputtering method.
  • FIG. 3 shows a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
  • the semiconductor device of this embodiment is a light emitting diode 32.
  • the same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • n-type layer 28 n -G a N: S i
  • P-type layer 26 p-GaN: Mg
  • Nokufa layer 1 5 A 1 N
  • a light-emitting diode 32 is formed by sequentially growing a p-type layer 26, a layer 17 including a light-emitting layer, and an n-type layer 28 on the buffer layer 15.
  • the n-type layer 28 having a low resistance value is the uppermost surface, it is possible to omit the translucent electrode (see reference numeral 19 in FIG. 2).
  • Reference numeral 30 in the figure denotes an n-electrode.
  • the sprayed layer 4 can be used as it is as a p-electrode.
  • the A 1 N buffer layer 15 may or may not be formed by the MOC VD method.
  • the device to which the present invention is applied is not limited to the above-described light emitting diode.
  • optical devices such as laser diodes and solar cells, rectifiers, bipolar devices such as thyristors and transistors, unipolar devices such as FETs, and microphones. It can also be applied to electronic devices such as mouth wave devices.
  • the present invention is also applied to a laminate as an intermediate of these devices.
  • the separation layer can also be formed by thermal spraying (material: Ti, ZnO, etc.). It is also possible to form a sprayed layer on Ti or Z ⁇ as a separation layer without interposing an underlayer. In this case, after separating the separation layer, a semiconductor layer is laminated on the sprayed layer.
  • An underlayer made of a group III nitride compound semiconductor can be formed by the MOCVD method.
  • the material of the sprayed layer it is also possible to use a T i 0 2 outside the T i N. Thereby mixing the T i 0 2 two weapons i N and / or Z n O. Further, the sprayed layer can be formed in multiple stages. For example, thinly spray TiN, heat-treat it, and spray TiN again. The crystal structure of the underlayer is improved by the heat treatment.
  • the separation layer is made of titanium, and in the step of forming the underlayer, one or two or more metal nitrides selected from titanium, hafnium, zirconium or tantalum are sputtered on the separation layer.
  • the underlayer is a group II nitride compound semiconductor or silicon carbide.
  • auxiliary substrate is sapphire, silicon carbide, gallium nitride, silicon, gallium phosphide, or gallium arsenide.
  • a laminate comprising: a substrate formed by thermal spraying; an underlayer formed on the substrate; and a group III nitride-based compound semiconductor layer epitaxially grown on the underlayer.
  • the underlayer is a nitride of one or more metals selected from titanium, hafnium, zirconium or tantalum, a Group II nitride compound semiconductor, or silicon carbide, and the substrate is titanium nitride.

Description

明 細 書
III族窒化物系化合物半導体素子及びその製造方法 技術分野
この発明は ΙΠ族窒化物系化合物半導体素子及びその製造方法に関する。 背景技術
特開平 9一 2 3 7 9 3 8号公報には、 良好な結晶の II I族窒化物系化合物半導 体層を得るために、 下地層として岩塩構造をとる金属窒化物の （1 1 1 ) 面を基 板として用いることが開示されている。 すなわち、 この公報では、 岩塩構造をと る金属窒化物を基板として、 その （1 1 1 ) 面上に I II族窒化物系化合物半導体 層を成長させている。
半導体素子の基板には、 素子の機能を維持するための特性 （剛性、 耐衝撃性な ど） が要求される。 基板を金属窒化物で形成したとき、 当該特性を維持するには 例えば 5 0 μ πι以上の厚さが基板に要求されると考えられる。
しかし、 そのような厚さを有する金属窒化物は半導体製造用工業製品の原材料 として提供されていない。
そこでこの発明は、 工業的に容易に入手可能な原材料を用いて良好な結晶構造 の I II族窒化物系化合物半導体層を形成できるようにすることを一つの目的とす る。 したがって、 この発明の半導体素子は良好な結晶構造の半導体層を有し、 か つ安価に製造できることとなる。
別の観点から見ると、 この発明の他の目的は新規な基板を有する I II族窒化物 系化合物半導体素子及びその製造方法を提供することにある。 発明の開示
本発明者らは上記目的の少なく とも一つを達成しようと鋭意検討を重ねてきた。 その結果、 下記の発明に想到した。 即ち本発明によれば、 補助基板の上に分離層を形成し、 下地層を前記分離層の 上に形成し、 前記下地層の上に溶射層を形成し、 前記分離層を前記下地層から分 離し、 前記下地層の前記溶射層が形成された面とは反対の面上に III族窒化物系 化合物半導体層を形成する工程、 を含んでなる、 III 族窒化物系化合物半導体素 子の製造方法が与えられる。
上記のように構成されたこの発明の半導体素子によれば、 補助基板の上に分離 層を介して下地層が形成される。 この下地層はその形成材料としてその上に I I I 族窒化物系化合物半導体層を結晶性よく成長させられるものを選択できる。 下地 層の上には溶射層を形成する。 溶射によれば基板として充分な剛性を有する厚い 層を容易に形成することができる。 下地層から分離層を分離して下地層を表出さ せたのち、 当該溶射層を基板として下地層の表面に III族窒化物系化合物半導体 層を形成することができる。
既述のように、 下地層の上に I I I族窒化物系化合物半導体層を成長させて、 素 子構造を形成する。 従って、 下地層は ΙΠ族窒化物系化合物半導体を成長させる のに好ましい構造を有するものである。 図面の簡単な説明
図 1はこの発明の実施例の発光ダイォードの製造方法を示す図である。
図 2はこの発明の実施例の発光ダイォードの構成を示す図である。
図 3はこの発明の他の実施例の発光ダイォードの構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明について詳細に説明する。
この発明では下地層の上に I II族窒化物系化合物半導体層が成長され、この III 族窒化物系化合物半導体層により例えば発光ダイォードのような素子構造が構築 される。 従って、 下地層は ΠΙ族窒化物系化合物半導体の成長に適した結晶構造 を有する必要がある。 従って、 下地層を支えている補助基板及び分離層は当該下 地層の形成に適したものを選択することとなる。 以上の観点から、補助基板、分離層及び下地層の各層について以下に説明する。 補助基板
補助基板にはサファイア、 S i C (炭化シリ コン） 及び G a N (窒化ガリウム） 等の六方晶材料、 S i (シリ コン） や G a P (リン化ガリウム）、 G a A s (砒化 ガリウム） などの立方晶材料を用いることが出来る。 六方晶材料の場合にはその 上に下地層を成長させる。立方晶材料の場合にはその（1 1 1 )面が利用される。 分離層
分離層は後に下地層から分離されるものである。 分離層として T iを使用する ことが好ましい。 他の材料として Z η θを使用することもできる。
チタン層は D Cスパッタ法、 イオンプレーティング法、 スプレー熱分解法等の 方法により基板に形成される。 チタン層の膜厚は特に限定されないが、 0 . 1〜 1 0 / mとすることが好ましい。 更に好ましくは、 0 . l〜5 /i mであり、 最も 好ましくは 0 . 2〜 3 /i mである。
チタン層は酸 （王水等） により化学エッチングすることができる。 これにより 下地層から補助基板が分離される。 溶射層及び下地層に導電性を与えればこれら を電極として用いることができるので、 I I I 族窒化物系化合物半導体層側には一 方の電極のみを形成すれば良いことになる。 下地層
下地層の材料として、 岩塩構造を有するチタン、 ハフニウム、 ジルコニウム若 しくはタンタルから選ばれる 1種又は 2種以上の金属の窒化物が用いられる。 中 でも窒化チタンが好ましい。 かかる金属窒化物はその上に形成される Π Ι族窒化 物系化合物半導体との格子不整が極めて小さくなる。 金属窒化物はチタン層の上 に結晶性良く形成することができ、 かつ、 このチタン層はサファイア等の基板上 に結晶性良く形成できる。 一方、 素子の機能を保持するために必要な厚さは後に 形成される溶射層が備え得るので、この下地層を薄くすることができる。よって、 下地層を簡易かつ安価に形成することができる。 溶射層は効率良く形成できるの で、 素子は全体として安価に製造できるものとなる。
III 族窒化物系化合物半導体を結晶性良く成長させる観点からすれば、 下地層 として G a N等の ΙΠ族窒化物系化合物半導体、 Z n O若しくは S i C等を採用 することもできる。
(T i ト XAX) Nからなる材料で下地層を形成することもできる。 ここに、 （T i !-xAx) Nからなる金属窒化物の金属 A成分として、 アルミニウム （A l )、 ガリウム （G a ) 及びィンジゥム （ I n) から選ばれる 1種以上の III族元素を 選択することができる。 中でも、 A 1が格子定数の差が小さいので好ましい。
III族元素の少なくとも一部をボロン （B)、 タリウム （T 1 ) 等で置換しても 良い。
また、 （T i Nからなる金属窒化物には導電性を付与することができる ので、 そのときには半導体素子の両面に電極を形成することができ、 素子製造ェ 程数が少なくなり、 コストダウンになる。 なお、金属 Aの組成 Xを 0. 0 1〜0. 6とするとき当該金属窒化物は必要な導電性を帯びる。 金属 Aの更に好ましい組 成 Xは 0. 1〜0. 6であり、 更に好ましくは 0. 2〜0. 6である。
かかる金属窒化物層は、 T i N等からなる 2元系の金属窒化物層に比べて、 そ の上に形成される III族窒化物系化合物半導体層との格子不整が小さくなる。 よ つて III族窒化物系化合物半導体層の結晶性を向上させることができる。
(T i !_XAX) Nからなる金属窒化物層は T iを成分に含むので、 チタン層の 上に結晶性良く形成することができ、 かつ、 このチタン層はサファイア等の基板 上に結晶性良く形成できる。
下地層の製造方法は特に限定されないが、 DCスパッタ法、 イオンプレーティ ング法、 スプレー熱分解法、 MOCVD法、 MBE法、 ハライ ド法等の方法を用 いることができる。 下地層は高温で形成することが好ましい。 高温で成長させる と結晶性が良くなるからである。
チタン層の上に下地層として金属窒化物層を形成する場合は、 スパッタ法を採 用することが特に好ましい。 金属窒化物単結晶の結晶性が向上するからである。 下地層の膜厚も特に限定されるものではないが、 0 . 1〜1 0 μ ηιとすること が好ましい。 更に好ましくは l〜5 /i mである。
下地層は、 半導体素子の両面に電極を形成する見地から、 導電性を有すること が好ましい。
半導体発光素子の場合、 下地層は金属光沢を有することが好ましい。 発光層か ら放出された光を効率よく反射させるためである。 溶射層
下地層の上に溶射層が形成される。 素子の基板としての特性を備えておればそ の材料及び膜厚は特に限定されるものではない。
本発明者らの検討によれば、 下地層に好ましい結晶構造を得る見地から、 T i Nが溶射層の材料として好ましい。 この場合、 下地層として岩塩構造の金属窒化 物、 特に T i Nを採用することが好ましい。
また、 T i Nは導電性を有する。 その結果、 半導体素子の両面に電極を形成す ることができ、 素子製造工程数が少なくなり、 コストダウンになる。
また、 ガストンネル型プラズマ反応溶射により形成した T i Nは金属光沢を有 しており、 L E Dから出た光が効率良く反射されて輝度ァップする。
また、 T i Nはサファイアに比べて柔軟な材料であるし、 特に溶射されたもの は微細な層状となるため、 基板と Π Ι族窒化物系化合物半導体層との格子定数の 違いや熱膨張係数の違いによる歪 （内部応力） を緩和する作用もある。
基板には素子の機能を保持するための特性 （剛性、 耐衝撃性） が要求される。 そのため、 溶射層の厚さは 5 0 m以上とすることが好ましい。 更に好ましくは 1 0 0 /i in以上とする。 但し、 剛性が保持できれば薄くてもかまわない。
T i Nの溶射方法にはプラズマ反応溶射が好ましい。 詳細は溶接学会全国大会 講演概要、 第 6 5集 （' 99-11)、 pp. 410-411、 及び溶接学会論文集、 第 1 4巻、 第 2号、 pp443- 448 (1996)を参照されたい。 分離ステップ 分離層を分離する方法には任意の方法を選択できる。
例えば分離層として T i層を用いた場合には、 強酸 （フッ酸、 王水等） により エッチングすることができる。
III族窒化物系化合物半導体層の形成
ここに、 III族窒化物系化合物半導体は一般式として A 1 XG a Y I n !_Χ_ΥΝ (0≤Χ≤ 1 , 0≤ Υ≤ 1 , 0≤ Χ + Υ≤ 1 ) で表され、 A 1 Ν、 G a Ν及び I n Nのいわゆる 2元系、 A l xG a —
Figure imgf000008_0001
A l x I n — XN及び G a x I n :_XN (以上において 0 < x < 1 ) のいわゆる 3元系を包含する。 III 族元素の少なく とも一部をボロン （B)、 タリウム （T 1 ) 等で置換しても良く、 また、 窒素 （N) の少なくとも一部もリン （P)、 ヒ素 （A s；)、 アンチモン （S b)、 ビスマス （B i ) 等で置換できる。 ΠΙ 族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含む ものであっても良い。 n型不純物として、 S i、 G e、 S e、 T e、 C等を用い ることができる。 p型不純物として、 Mg、 Z n、 B e、 C a、 S r、 B a等を 用いることができる。 なお、 p型不純物をドープした後に III族窒化物系化合物 半導体を電子線照射、 ブラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能で あるが必須ではない。 III 族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定され ないが、 有機金属気相成長法 （MOCVD法） のほか、 周知の分子線結晶成長法 (MBE法）、 ハライ ド気相成長法 （HVPE法）、 スパッタ法、 イオンプレーテ ィング法、 電子シャワー法等によっても形成することができる。
III 族窒化物系化合物半導体層の結晶性を向上させるために E LO (E p i t a x i a l L a t e r a l Ov e r g r ow t h) 法を採用することもでき る （特開平 10— 3 1 297 1号公報参照）。
なお、 発光素子の構成としてはホモ構造、 シングルヘテロ構造若しくはダブル ヘテロ構造のものを用いることができる。 また、 量子井戸構造 （単一量子井戸構 造若しくは多重量子井戸構造） を採用することもできる。
下地層と素子機能部分を構成する III族窒化物系化合物半導体層 （第二の III 族窒化物系化合物半導体）との間にはノ ッファ層を形成することも可能である。 バッファ層は第一の III族窒化物系化合物半導体からなる。 ここに、 第一の III 族窒化物系化合物半導体には A 1 XG a Y I η Χ_Χ_ΥΝ (0 <Χ< 1、 0く Υく 1、 0 <Χ + Υ< 1) で表現される四元系の化合物半導体、 A 1 XG a X_XN (0 <X < 1 ) で表現される三元系の化合物半導体、 並びに A 1 N、 0 & 1^及び1 11 ?^が 含まれる。
MOC VD法では A 1 Nや G a N等の第一の III 族窒化物系化合物半導体層 (バッファ層） を 600°C以下、 例えば 400°C程度の低い温度でサファイア等 の基板上に直接形成していた。 しかし、 下地層としての金属窒化物層の上に、 当 該第一の III族窒化物系化合物半導体層を形成する場合にあっては、 当該半導体 層を 1000°C程度の高温で成長させることにより好適な結晶を得られる。 従つ て、 当該結晶性の良いバッファ層の上に形成される第二の ΠΙ族窒化物系化合物 半導体層の結晶性も向上する。
上記 1 000°C程度の温度は第一の III族窒化物系化合物半導体層 （バッファ 層） の上に形成される第二の ΙΠ族窒化物系化合物半導体層 （素子機能構成層） の成長温度と実質的に等しい。 従って、 第一の ΠΙ族窒化物系化合物半導体を M OCVD法で形成するときの成長温度は 600〜1 200°Cとすることが好まし く、 更に好ましくは 800〜 1 200°Cである。
このように、第一の III族窒化物系化合物半導体層（バッファ層） と第二の III 族窒化物系化合物半導体 （素子機能構成層） との成長温度が等しいと、 MOCV D法を実行するときの温度調節が容易になる。
下地層の上ヘスパッタ法により第一の III族窒化物系化合物半導体層からなる バッファ層を形成した場合にも、 MOCVD法 （成長温度： 1 000°C) でバッ ファ層を形成した場合と同等かそれ以上に好適な結晶性のバッファ層を得られる。 従って、 第一の ΙΠ族窒化物系化合物半導体層の上に形成される第二の III族窒 化物系化合物半導体層の結晶性も向上する。更には、スパッタ法により第一の ΠΙ 族窒化物系化合物半導体層 （バッファ層） を形成すると、 MOCVD法と比べて 原材料に TMAや TM Iなどの高価な有機金属を要しない。 よって、 安価に素子 を形成できることとなる。以上、特開 2000— 32375 3号を参照されたい。 実施例
次に、 この発明の実施例について説明する。
(第 1実施例）
まず、 図 1 Aに示すように、 補助基板 1としてサファイア基板 （300 /im) の上に分離層 2として T i層 （l //m) を 450°C (基板温度） の温度で反応性 DCマグネトロンスパッタリングにより形成する。 次に、 下地層 3として T i N 層 （3 //in) を同じく 450°Cの温度で反応性 DCマグネトロンスパッタリング により形成する。
次に、 ガス トンネル型プラズマ反応溶射より T i N溶射層 4を 300 μπιの厚 さに形成する。 このとき、 基板温度は 650°C以下とすることが好ましい。 70 0°C以上で T iの結晶構造が変化するからである。
その後、 25°Cのフッ酸に約 1 00時間浸漬して、 図 1 Bに示すように、 T i 分離層 2を溶解する。
その後、 溶射層 4及び下地層 3を基板として常法により、 図 2に示す発光ダイ オード 10を構成する。
各層のスペックは次の通りである。
組成
p型層 1 8 p -G a N:Mg
発光する層を含む層 7 I n G a Nを含む
n型層 1 6 n -G a N ： S i
ノくッファ層 1 5 A 1 N
下地層層 3 T i N
溶射層 4 T i N
ここで n型層は G a Nで形成したが、 A l G a N、 1 ： 03 ^^若しくは 1 I n G a Nを用いることができる。
また、 n型層は n型不純物して S iをドープしたが、 このほかに n型不純物と して、 G e、 S e、 T e、 C等を用いることもできる。 n型層 1 6は発光する層を含む層 1 7側の低電子濃度 n-層とバッファ層 1 5 側の高電子濃度 n+層とからなる 2層構造とすることができる。
発光する層を含む層 1 7は量子井戸構造の発光層を含んでいてもよく、 また発 光素子の構造としてはシングルヘテロ型、 ダブルへテロ型及びホモ接合型のもの などでもよレ、。
発光する層を含む層 1 7は p型層 1 8の側にマグネシウム等のァクセプタをド ープしたバンドギヤップの広い III族窒化物系化合物半導体層を含むこともでき る。 これは発光する層を含む層 1 7中に注入された電子が p型層 18に拡散する のを効果的に防止するためである。
発光する層を含む層 1 7の上に p型不純物として Mgをドープした G a Nから なる P型層 1 8を形成した。 この p型層は A l G a N、 1 110 & 1^又は 1 11 1 G a Nとすることもできる、 また、 p型不純物としては2 !1、 8 6、 じ &、 3 1"、 B aを用いることもできる。
さらに、 p型層 1 8を発光する層を含む層 1 7側の低ホール濃度 p—層と電極 側の高ホール濃度 p +層とからなる 2層構造とすることができる。
上記構成の発光ダイォードにおいて、 各 III族窒化物系化合物半導体層は一般 的な条件で MOC VDを実行して形成する。 この成長法においては、 アンモニア ガスと III族元素のアルキル化合物ガス、 例えばトリメチルガリウム （TMG)、 トリメチルアルミニウム （TMA) やトリメチルインジウム （TMI ) とを適当 な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、 もって所望の結晶を基板 の上に成長させる。
このようにして形成された III族窒化物系化合物半導体層 1 6〜1 8の結晶性 は好ましいものである。
その他、 分子線結晶成長法 （MBE法）、 ハライ ド系気相成長法 （HVPE法）、 スパッタ法、 イオンプレーティング法、 電子シャワー法等の方法で ΠΙ族窒化物 系化合物半導体層を形成することもできる。
透光性電極 1 9は金を含む薄膜であり、 p型層 1 8の上面の実質的な全面を覆 つて積層される。 p電極 20も金を含む材料で構成されており、 蒸着により透光 性電極 1 9の上に形成される。
なお、 A 1 Nバッファ層 1 5は MOCVD法で形成しても良いし、 スパッタ方 で形成しても良い。
(第 2実施例）
図 3にこの発明の第 2の実施例の半導体素子を示す。 この実施例の半導体素子 は発光ダイオード 3 2である。 なお、 図 2と同一の要素には同一の符号を付して その説明を省略する。
各層のスペックは次の通りである。
層 ： 組成
n型層 28 ： n -G a N: S i
発光する層を含む層 . 7 ： I n G a Nを含む
P型層 26 ： p -G a N : M g
ノくッファ層 1 5 ： A 1 N
下地層層 3 ： T i N
溶射層 4 ： T i N
図 3に示すように、 バッファ層 1 5の上に p型層 26、 発光する層を含む層 1 7及び n型層 28を順に成長させて発光ダイォード 3 2が構成される。 この素子 32の場合、 抵抗値の低い n型層 28が最上面となるので透光性電極 （図 2の符 号 1 9参照） を省略することが可能となる。
図の符号 30は n電極である。 溶射層 4はそのまま p電極として利用できる。 なお、 A 1 Nバッファ層 1 5は MOC VD法で形成しても良いし、 しなくても良 レ、 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、 本発明の精神と範 囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にと つて明らかである。
本出願は、 200 1年 6月 6日出願の日本特許出願 （特願 200 1— 1 70 9 1 0 ) に基づくものであり、 その内容はここに参照として取り込まれる。 産業上の利用可能性
本発明が適用される素子は上記の発光ダイォードに限定されるものではなく、 レーザダイオード、 太陽電池等の光素子の他、 整流器、 サイリスタ及びトランジ スタ等のバイポーラ素子、 F E T等のュニポーラ素子並びにマイク口ウェーブ素 子などの電子デバィスにも適用できる。
また、 これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものであ る。
この発明は上記発明の実施の形態及び実施例の記載に何ら限定されるものでは なく、 特許請求の範囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態様を 包含する。 以下、 次の事項を開示する。
分離層を溶射 （材料： T i、 Z n O等） により形成することも可能である。 分離層としての T i若しくは Z η θの上に、 下地層を介在させずに、 溶射層を 形成することも可能である。 この場合、 分離層を分離後、 溶射層の上に半導体層 を積層する。
III 族窒化物系化合物半導体からなる下地層は MO C V D法で形成することが 可能である。
溶射層の材料として、 T i Nの外に T i 0 2を用いることも可能である。 当該 T i 0 2に丁 i N及び/又は Z n Oを混合させることができる。 更には、 溶射層 を多段階に形成することもできる。 例えば、 T i Nを薄く溶射しておいて、 これ を熱処理し、 再度 T i Nを溶射する。 当該熱処理より下地層の結晶構造が向上す る。 更に、 次の事項を開示する。
2 1 補助基板の上に分離層を形成するステップ、 下地層を前記分離層の上に形成するステップ、
前記下地層の上に溶射層を形成するステップ、
前記分離層を前記下地層から分離するステップ、
前記下地層の上に i n族窒化物系化合物半導体層を形成するステップ、 とを含 んでなる、 積層体の製造方法。
2 2 前記分離層はチタンからなり、前記下地層を形成するステップではチタン、 ハフニウム、 ジルコニウム若しくはタンタルから選ばれる 1種又は 2種以上の金 属の窒化物を前記分離層の上にスパッタして該下地層を形成し、 前記溶射層を形 成するステップでは窒化チタンを前記下地層の上にブラズマ反応溶射して該溶射 層を形成する、 2 1に記載の積層体の製造方法。
2 3 前記下地層は窒化チタンである、 2 2に記載の積層体の製造方法。
2 4 前記下地層は I II族窒化物系化合物半導体、 又は炭化シリ コンである、 2
2に記載の積層体の製造方法。
2 5 前記溶射層は 5 0 / m以上の膜厚を有するものである、 2 2、 2 3又は 2 4に記載の積層体の製造方法。
2 6 前記補助基板はサファイア、 炭化シリ コン、 窒化ガリウム、 シリ コン、 リ ン化ガリゥム若しくは砒化ガリゥムである、 2 1 ~ 2 5のいずれかに記載の積層 体の製造方法。
2 7 前記 III族窒化物系化合物半導体素子は発光素子又は受光素子である、 2 ：!〜 2 6のいずれかに記載の積層体の製造方法。
3 1 溶射により形成された基板と、 該基板の上に形成された下地層と、 該下地 層の上にェピタキシャル成長された III族窒化物系化合物半導体層と、 を備えて なる積層体。
3 2 前記下地層はチタン、 ハフニウム、 ジルコニウム若しくはタンタルから選 ばれる 1種又は 2種以上の金属の窒化物、 I II 族窒化物系化合物半導体、 又は炭 化シリ コンであり、 前記基板は窒化チタンである、 3 1に記載の積層体。
3 3 前記下地層は窒化チタンであり、 前記基板は窒化チタンである、 3 1に記 載の積層体。 3 4 前記 III族窒化物系化合物半導体層は発光素子構造若しくは受光素子構造 をとる、 3 1〜3 3のいずれかに記載の積層体。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 補助基板の上に分離層を形成し、
下地層を前記分離層の上に形成し、
前記下地層の上に溶射層を形成し、
前記分離層を前記下地層から分離し、
前記下地層の前記溶射層が形成された面とは反対の面上に、 Π Ι 族窒化物系化 合物半導体層を形成する工程、 とを含んでなる II I族窒化物系化合物半導体素子 の製造方法。
2 . 前記分離層はチタンからなり、 前記下地層を形成するステップではチ タン、 ハフニウム、 ジルコニウム若しくはタンタルから選ばれる少なくとも一つ の金属の窒化物を前記分離層の上にスパッタして該下地層を形成し、 前記溶射層 を形成するステップでは窒化チタンを前記下地層の上にプラズマ反応溶射して該 溶射層を形成する、 請求の範囲第 1項に記載の II I族窒化物系化合物半導体素子 の製造方法。
3 . 前記下地層は窒化チタンからなる、 請求の範囲第 2項に記載の II I族 窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
4 . 前記下地層は II I族窒化物系化合物半導体、 又は炭化シリコンからな る、 請求の範囲第 1項に記載の III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
5 . 前記溶射層は 5 0 μ πι以上の膜厚を有するものである、 請求の範囲第 2項に記載の I II族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
6 . 前記補助基板はサファイア、炭化シリコン、窒化ガリゥム、 シリ コン、 リン化ガリウム若しくは砒化ガリウムからなる、 請求の範囲第 1項に記載の I II 族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
7. 前記 III族窒化物系化合物半導体素子は発光素子又は受光素子である、 請求の範囲第 1項に記載の III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
8. 溶射により形成された基板と、 該基板の上に形成された下地層と、 該 下地層の上にェピタキシャル成長された III族窒化物系化合物半導体層と、 を備 えてなる ΙΠ族窒化物系化合物半導体素子。
9. 前記下地層はチタン、 ハフニウム、 ジルコニウム若しくはタンタルか ら選ばれる少なくとも一つの金属の窒化物、 III 族窒化物系化合物半導体、 又は 炭化シリコンからなり、 前記基板は窒化チタンからなる、 請求の範囲第 8項に記 載の III族窒化物系化合物半導体素子。
1 0. 前記下地層は窒化チタンからなり、前記基板は窒化チタンからなる、 請求の範囲第 8項に記載の III族窒化物系化合物半導体素子。
1 1. 前記 III族窒化物系化合物半導体層は発光素子構造若しくは受光素 子構造をとる、 請求の範囲第 8項に記載の III族窒化物系化合物半導体素子。
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