WO2012137783A1 - 半導体積層体及びその製造方法、並びに半導体素子 - Google Patents

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飯塚　和幸
嘉克 森島
慎九郎 佐藤
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株式会社タムラ製作所
株式会社光波
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laminate, a manufacturing method thereof, and a semiconductor element.
  • Patent Document 1 a semiconductor element including a semiconductor laminate including a Ga 2 O 3 substrate, an AlN buffer layer, and a GaN layer is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the AlN buffer layer is formed to a thickness of 10 to 30 nm by growing an AlN crystal on a Ga 2 O 3 substrate.
  • the GaN layer is formed by growing a GaN crystal on the AlN buffer layer, and contains Si as a donor.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor laminate having a low electrical resistance in the thickness direction, a method for manufacturing the same, and a semiconductor element including the semiconductor laminate.
  • One embodiment of the present invention provides a semiconductor laminate of [1] to [5], a [6] semiconductor element, and a method of manufacturing a semiconductor laminate of [7] to [11] in order to achieve the above object. To do.
  • the nitride semiconductor layer includes a semiconductor stacked body having a Si high concentration region having a Si concentration of 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more in a partial region on the buffer layer side, A semiconductor element energized in the thickness direction of a semiconductor laminate.
  • a step of growing a crystal of Al x Ga y In z N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1, x + y + z 1) while adding Si on the buffer layer
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor stacked body having a low electrical resistance in the thickness direction, a method for manufacturing the same, and a semiconductor element including the semiconductor stacked body.
  • a semiconductor laminate can be formed.
  • the present inventors have found that the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body can be reduced by increasing the concentration of Si, which is a donor near the surface of the nitride semiconductor layer on the AlGaInN buffer layer side. Furthermore, it has been found that the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body can be further reduced by setting the thickness of the AlGaInN buffer layer to a specific thickness.
  • a high-performance semiconductor element can be formed by using a semiconductor stacked body having a low electric resistance in the thickness direction.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor stacked body 1 according to the first embodiment.
  • the semiconductor stacked body 1 includes a Ga 2 O 3 substrate 2, an AlGaInN buffer layer 3, and a nitride semiconductor layer 4.
  • the Ga 2 O 3 substrate 2 is made of ⁇ -Ga 2 O 3 single crystal.
  • the Ga 2 O 3 substrate 2 is a substrate whose principal surface is a surface in which oxygen is arranged in a hexagonal lattice, that is, any one of (101), ( ⁇ 201), (301), and (3-10). It is preferable.
  • a crystal can be grown on the AlGaInN buffer layer 3 to form the nitride semiconductor layer 4.
  • the main surface of the Ga 2 O 3 substrate 2 is more preferably (101).
  • the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal is 350 to 600 ° C., and particularly preferably 380 to 500 ° C.
  • the AlGaInN buffer layer 3 is made of an AlN crystal, the adhesion between the Ga 2 O 3 substrate 2 and the nitride semiconductor layer 4 is further increased.
  • the thickness of the AlGaInN buffer layer 3 is 0.5 to 10 nm. In this case, the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body 1 can be greatly reduced.
  • the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal is, for example, 800 to 1100 ° C.
  • the thickness of the nitride semiconductor layer 4 is 2 ⁇ m, for example.
  • the nitride semiconductor layer 4 contains Si as a donor.
  • the nitride semiconductor layer 4 includes a Si high concentration region 4a in the vicinity of the surface on the AlGaInN buffer layer 3 side.
  • the Si high concentration region 4 a is formed by increasing the amount of Si added in the initial stage of growth of the Al x Ga y In z N crystal on the AlGaInN buffer layer 3.
  • the Si concentration in the high Si concentration region 4a is higher than the Si concentration in the other regions 4b.
  • the Si concentration in the Si high concentration region 4a is 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more, and particularly preferably 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more.
  • the thickness of the Si high concentration region 4a is preferably 2 nm or more.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a vertical FET 10 which is a semiconductor element according to the second embodiment.
  • the vertical FET 10 is formed on the semiconductor laminate 1 including the Ga 2 O 3 substrate 2, the AlGaInN buffer layer 3, and the nitride semiconductor layer 4, and on the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG. 2).
  • an electrode 13 is a cross-sectional view of a vertical FET 10 which is a semiconductor element according to the second embodiment.
  • the vertical FET 10 is formed on the semiconductor laminate 1 including the Ga 2 O 3 substrate 2, the AlGaInN buffer layer 3, and the nitride semiconductor layer 4, and on the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG. 2).
  • the vertical FET 10 is an example of a vertical FET that can be formed using the semiconductor stacked body 1.
  • a vertical FET having a MIS (Metal Insulator Semiconductor) gate structure including the semiconductor multilayer body 1 of the first embodiment will be described.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a vertical FET 20 which is a semiconductor element according to the third embodiment.
  • the vertical FET 20 includes a semiconductor laminate 1 including a Ga 2 O 3 substrate 2, an AlGaInN buffer layer 3, and a nitride semiconductor layer 4, and ap + region 25 formed by introducing a p-type impurity into the region 4b.
  • a Al 0.2 Ga 0.8 N layer 26 formed on the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG.
  • the thickness of the region 4b is 6 ⁇ m, and the Si concentration is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the p + region 25 is 1 ⁇ m, and the concentration of the p-type impurity is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the Al 0.2 Ga 0.8 N layer 26 does not contain impurities.
  • the source electrode 22 and the drain electrode 23 are made of a laminate of a Ti film and an Al film, for example.
  • the gate electrode 21 and the gate insulating film 24 are made of, for example, Al and SiO 2 , respectively.
  • the vertical FET 20 is an example of a vertical FET having a MIS gate structure that can be formed using the semiconductor stacked body 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a vertical FET 30 which is a semiconductor element according to the fourth embodiment.
  • the vertical FET 30 is stacked on the semiconductor stacked body 1 including the Ga 2 O 3 substrate 2, the AlGaInN buffer layer 3, and the nitride semiconductor layer 4, and the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG. 4).
  • a drain electrode 33 formed on the surface (the lower surface in FIG. 4).
  • the thickness of the region 4b is 6 ⁇ m, and the Si concentration is 1 ⁇ 10 16 / cm 3 .
  • the thickness of the p + -GaN layer 34 is 1 ⁇ m, and the concentration of the p-type impurity is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the n + -GaN layer 35 is 200 nm, and the concentration of the n-type impurity is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the GaN layer 36 does not contain impurities and has a thickness of, for example, 100 nm.
  • the Al 0.2 Ga 0.8 N layer 37 does not contain impurities and has a thickness of, for example, 30 nm.
  • the source electrode 32 and the drain electrode 33 are made of, for example, a laminate of a Ti film and an Al film.
  • the gate electrode 31 is made of, for example, a stacked body of a Ni film and an Au film.
  • the vertical FET 30 is an example of a vertical FET having a Schottky gate structure that can be formed using the semiconductor stacked body 1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a vertical FET 40 which is a semiconductor device according to the fifth embodiment.
  • the vertical FET 40 is formed on the semiconductor stacked body 1 including the Ga 2 O 3 substrate 2, the AlGaInN buffer layer 3, and the nitride semiconductor layer 4, and the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG. 5).
  • the thickness of the region 4b is 6 ⁇ m, and the Si concentration is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the flat portion of the n ⁇ -GaN layer 44 is 3 ⁇ m, and the concentration of the n-type impurity is 1 ⁇ 10 16 / cm 3 .
  • the source electrode 42 is made of, for example, WSi.
  • the drain electrode 43 is made of, for example, a laminate of a Ti film and an Al film.
  • the gate electrode 41 is made of, for example, PdSi.
  • the vertical FET 40 is an example of a vertical FET having a Schottky gate structure that can be formed using the semiconductor stacked body 1.
  • HBT heterojunction bipolar transistor
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an HBT 50 that is a semiconductor element according to the sixth embodiment.
  • the HBT 50 includes a semiconductor stacked body 1 including a Ga 2 O 3 substrate 2, an AlGaInN buffer layer 3, and a nitride semiconductor layer 4, and n stacked on the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG. 6).
  • n is stacked on p + -GaN layer 55 + -Al 0.1 Ga 0.9 n layer 56 and n + -GaN layer 57, p + Formed on the base electrode 51 formed on the ⁇ GaN layer 55, the emitter electrode 52 formed on the n + -GaN layer 57, and the surface of Ga 2 O 3 substrate 2 (the lower surface in FIG. 6).
  • Collector electrode 53 is
  • the thickness of the region 4b is 4 ⁇ m, and the Si concentration is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the n ⁇ -GaN layer 54 is 2 ⁇ m and the concentration of the n-type impurity is 1 ⁇ 10 16 / cm 3 .
  • the thickness of the p + -GaN layer 55 is 100 nm, and the concentration of the p-type impurity is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the n + -Al 0.1 Ga 0.9 N layer 56 is 500 nm, and the concentration of n-type impurities is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the n + -GaN layer 57 is 1 ⁇ m, and the concentration of the n-type impurity is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the emitter electrode 52 is made of, for example, a laminate of a Ti film and an Al film.
  • the collector electrode 53 is made of, for example, a laminate of a Ti film and an Au film.
  • the base electrode 51 is made of, for example, a stacked body of a Ni film and an Au film.
  • the HBT 50 is an example of a heterojunction bipolar transistor that can be formed using the semiconductor stacked body 1.
  • a Schottky barrier diode (SBD) including the semiconductor multilayer body 1 of the first embodiment will be described.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an SBD 60 that is a semiconductor element according to the seventh embodiment.
  • the SBD 60 is formed on the semiconductor stacked body 1 including the Ga 2 O 3 substrate 2, the AlGaInN buffer layer 3, and the nitride semiconductor layer 4, and the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG. 7).
  • the thickness of the region 4b is 6 ⁇ m, and the Si concentration is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the n ⁇ -GaN layer 63 is 7 ⁇ m, and the concentration of the n-type impurity is 1 ⁇ 10 16 / cm 3 .
  • the anode electrode 61 is made of, for example, Au.
  • the cathode electrode 62 is made of, for example, a laminate of a Ti film and an Au film.
  • the SBD 60 is an example of a Schottky barrier diode that can be formed using the semiconductor stacked body 1.
  • LED light emitting diode
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of an LED 70, which is a semiconductor element according to the eighth embodiment.
  • the LED 70 emits light that is stacked on the semiconductor stacked body 1 including the Ga 2 O 3 substrate 2, the AlGaInN buffer layer 3, and the nitride semiconductor layer 4, and on the surface of the nitride semiconductor layer 4 (upper surface in FIG. 8).
  • an n-electrode 72 formed on the substrate.
  • the thickness of the region 4b is 5 ⁇ m, and the Si concentration is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • Region 4b serves as an n-type cladding layer.
  • the light emitting layer 73 includes three pairs of multiple quantum well structures composed of a GaN crystal having a thickness of 8 nm and an InGaN crystal having a thickness of 2 nm.
  • the p-type cladding layer 74 is made of a GaN crystal having an Mg concentration of 5.0 ⁇ 10 19 / cm 3 and has a thickness of 150 nm.
  • the p-type contact layer 75 is made of a GaN crystal having an Mg concentration of 1.5 ⁇ 10 20 / cm 3 and has a thickness of 10 nm.
  • the LED 70 is an example of a light emitting diode that can be formed using the semiconductor laminate 1.
  • the Si high concentration region 4a having a Si concentration of 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more in the nitride semiconductor layer 4 is formed.
  • the laminated body 1 can be formed. This is considered to be due to the fact that by forming the Si high concentration region 4a having a high Si concentration, electrons tunnel through the potential barrier at the heterointerface, and current flows easily.
  • the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body can be further reduced. Furthermore, by setting the thickness of the AlGaInN buffer layer to 0.5 nm or more and 10 nm or less, the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body can be further reduced.
  • a high-performance vertical semiconductor is formed. An element can be obtained.
  • Example 1 a plurality of semiconductor stacked bodies 1 having different impurity concentrations in the Si high concentration region 4a are formed, and the relationship between the impurity concentration in the Si high concentration region 4a and the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stack 1 is examined. It was.
  • the formation process of each semiconductor laminated body 1 is as follows.
  • the Ga 2 O 3 substrate 2 was installed in the MOCVD apparatus, and an AlN crystal was grown on the Ga 2 O 3 substrate 2 at a growth temperature of 450 ° C. to form an AlGaInN buffer layer 3 having a thickness of 5 nm.
  • a GaN crystal was grown on the AlGaInN buffer layer 3 at a growth temperature of 1050 ° C. while adding Si to form a nitride semiconductor layer 4 having a thickness of 2 ⁇ m.
  • the Si addition concentration at the initial stage of growth of the GaN crystal was increased to form a Si high concentration region 4a having a thickness of 10 nm.
  • the impurity concentration of the region 4b was 2 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • electrodes were formed on the surfaces of the Ga 2 O 3 substrate 2 and the nitride semiconductor layer 4 using photolithography and vapor deposition techniques. Then, a voltage was applied between the electrodes, and the voltage drop when the current density was 200 A / cm 2 was measured.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the Si concentration in the Si high concentration region 4a and the voltage drop when the current density is 200 A / cm 2 . As shown in FIG. 9, the higher the Si concentration in the Si high concentration region 4a, the smaller the voltage drop, that is, the lower the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body 1.
  • the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body 1 is low when the Si concentration in the Si high concentration region 4a is 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more. It can also be seen that when the Si concentration in the Si high concentration region 4a is 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more, the value of the voltage drop becomes almost constant.
  • Example 2 a plurality of different semiconductor stacked bodies 1 are formed within the range of 0.5 to 20 nm in thickness of the AlGaInN buffer layer 3, and the thickness of the AlGaInN buffer layer 3 and the thickness direction of the semiconductor stacked body 1 are The relationship of electrical resistance was investigated.
  • the formation process of each semiconductor laminated body 1 is as follows.
  • the Ga 2 O 3 substrate 2 was installed in the MOCVD apparatus, and an AlN crystal was grown on the Ga 2 O 3 substrate 2 at a growth temperature of 450 ° C. to form the AlGaInN buffer layer 3.
  • a GaN crystal was grown on the AlGaInN buffer layer 3 at a growth temperature of 1050 ° C. while adding Si to form a nitride semiconductor layer 4 having a thickness of 2 ⁇ m.
  • the Si addition concentration at the initial stage of growth of the GaN crystal was increased to form a Si high concentration region 4a having a thickness of 10 nm.
  • the Si concentrations in the high Si concentration region 4a and the region 4b were 2 ⁇ 10 19 / cm 3 and 2 ⁇ 10 18 / cm 3 , respectively.
  • electrodes were formed on the surfaces of the Ga 2 O 3 substrate 2 and the nitride semiconductor layer 4 using photolithography and vapor deposition techniques. Then, a voltage was applied between the electrodes, and the voltage drop when the current density was 200 A / cm 2 was measured.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the AlGaInN buffer layer 3 and the voltage drop when the current density is 200 A / cm 2 . As shown in FIG. 10, the smaller the thickness of the AlGaInN buffer layer 3, the smaller the voltage drop, that is, the lower the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body 1.
  • the thickness of the AlGaInN buffer layer 3 is 10 nm or less, the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body 1 is low. Further, when the thickness of the AlGaInN buffer layer 3 is thick, even if the Si concentration in the Si high concentration region 4a is sufficiently high (2 ⁇ 10 19 / cm 3 ), the electric resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body 1 It turns out that becomes large.
  • Example 3 a plurality of different semiconductor stacked bodies 1 are formed within the Si high concentration region 4a having a thickness of 0 to 10 nm, and the thickness of the Si high concentration region 4a and the thickness direction of the semiconductor stacked body 1 are increased.
  • the relationship of electrical resistance was investigated.
  • the formation process of each semiconductor laminated body 1 is as follows.
  • the Ga 2 O 3 substrate 2 was installed in the MOCVD apparatus, and an AlN crystal was grown on the Ga 2 O 3 substrate 2 at a growth temperature of 450 ° C. to form an AlGaInN buffer layer 3 having a thickness of 5 nm.
  • a GaN crystal was grown on the AlGaInN buffer layer 3 at a growth temperature of 1050 ° C. while adding Si to form a nitride semiconductor layer 4 having a thickness of 2 ⁇ m.
  • the Si addition concentration at the initial stage of growth of the GaN crystal was increased to form the Si high concentration region 4a.
  • the Si concentrations in the high Si concentration region 4a and the region 4b were 2 ⁇ 10 19 / cm 3 and 2 ⁇ 10 18 / cm 3 , respectively.
  • electrodes were formed on the surfaces of the Ga 2 O 3 substrate 2 and the nitride semiconductor layer 4 using photolithography and vapor deposition techniques. Then, a voltage was applied between the electrodes, and the voltage drop when the current density was 200 A / cm 2 was measured.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the thickness of the Si high concentration region 4a and the voltage drop when the current density is 200 A / cm 2 . As shown in FIG. 11, the greater the thickness of the high Si concentration region 4a, the smaller the voltage drop, that is, the lower the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor stacked body 1.
  • the electrical resistance in the thickness direction of the semiconductor laminate 1 is low when the thickness of the Si high concentration region 4a is 2 nm or more.
  • Example 4 the LED70 of the eighth embodiment is formed, and measuring the voltage drop V F forward.
  • an n-type ⁇ -Ga 2 O 3 substrate to which Si was added was prepared as a Ga 2 O 3 substrate 2.
  • the thickness of the ⁇ -Ga 2 O 3 substrate is 400 ⁇ m, and the main surface is (101).
  • an AlGaInN buffer layer 3 was formed on the ⁇ -Ga 2 O 3 substrate by growing 5 nm of AlN crystal at a growth temperature of 450 ° C. using an MOCVD apparatus.
  • a GaN crystal having an Si concentration of 2.0 ⁇ 10 19 / cm 3 is grown by 10 nm at a growth temperature of 1050 ° C. to form a Si high concentration region 4a, and subsequently, an Si concentration of 1.0 ⁇ 10 18 / cm 3 is formed.
  • a region 4b as an n-type cladding layer was formed by growing a GaN crystal by 5 ⁇ m.
  • three pairs of multiple quantum well structures composed of a GaN crystal having a thickness of 8 nm and an InGaN crystal having a thickness of 2 nm were formed at a growth temperature of 750 ° C., and a light emitting layer 73 was formed by further growing the GaN crystal by 10 nm.
  • a GaN crystal having an Mg concentration of 5.0 ⁇ 10 19 / cm 3 at a growth temperature of 1000 ° C. was grown to 150 nm to form a p-type cladding layer 74.
  • a GaN crystal having an Mg concentration of 1.5 ⁇ 10 20 / cm 3 was grown to 10 nm at a growth temperature of 1000 ° C., and a p-type contact layer 75 was formed.
  • TMG trimethylgallium
  • TMI trimethylindium
  • SiH 3 CH 3 monomethylsilane
  • Cp2Mg cyclopentadienylmagnesium
  • N source NH 3 ammonia
  • the surface of the LED epitaxial wafer produced as described above was etched from the p-type contact layer 75 side to a position deeper than the light emitting layer 73 using an ICP-RIE apparatus to form a mesa shape.
  • a SiO 2 film was formed on the side surface of the light emitting layer 73 using a sputtering apparatus.
  • electrodes that are ohmic-bonded were formed on the p-type contact layer 75 and the Ga 2 O 3 substrate 2 using a vapor deposition device, and an LED 70 having a light extraction surface on the Ga 2 O 3 substrate 2 side was obtained.
  • an LED having an AlGaInN buffer layer 3 with a thickness of 20 nm and no Si high concentration region 4a was formed.

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Abstract

【課題】厚さ方向の電気抵抗が低い半導体積層体及びその製造方法、並びにその半導体積層体を含む半導体素子を提供する。 【解決手段】Ｇａ２Ｏ３基板２と、Ｇａ２Ｏ３基板２上のＡｌＧａＩｎＮバッファ層３と、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３上の、Ｓｉを含む窒化物半導体層４と、窒化物半導体層４内のＡｌＧａＩｎＮバッファ層３側の一部の領域に形成された、Ｓｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域４ａと、を含む半導体積層体１を提供する。

Description

半導体積層体及びその製造方法、並びに半導体素子
　本発明は、半導体積層体及びその製造方法、並びに半導体素子に関する。
　従来、Ｇａ２Ｏ３基板、ＡｌＮバッファ層、及びＧａＮ層からなる半導体積層体を含む半導体素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によれば、ＡｌＮバッファ層はＧａ２Ｏ３基板上にＡｌＮ結晶を成長させることにより、１０～３０ｎｍの厚さに形成される。また、ＧａＮ層はＡｌＮバッファ層上にＧａＮ結晶を成長させることにより形成され、ドナーとしてＳｉを含む。
特開２００６－３１０７６５号公報
　特許文献１の半導体素子等の、通電方向が縦方向である縦型の素子においては、半導体積層体の厚さ方向の電気抵抗の低減が重要である。
　したがって、本発明の目的は、厚さ方向の電気抵抗が低い半導体積層体及びその製造方法、並びにその半導体積層体を含む半導体素子を提供することにある。
　本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］～［５］の半導体積層体、［６］半導体素子、及び［７］～［１１］の半導体積層体の製造方法を提供する。
［１］Ｇａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなるバッファ層と、前記バッファ層上の、Ｓｉを含むＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、を備え、前記窒化物半導体層は、前記バッファ層側の一部の領域にＳｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域を有する、半導体積層体。
［２］前記Ｓｉ高濃度領域の厚さが２ｎｍ以上である、前記［１］に記載の半導体積層体。
［３］前記バッファ層の厚さが０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、前記［１］又は［２］に記載の半導体積層体。
［４］前記バッファ層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＡｌＮ結晶である、前記［１］に記載の半導体積層体。
［５］前記窒化物半導体層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＧａＮ結晶である、前記［１］に記載の半導体積層体。
［６］Ｇａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなるバッファ層と、前記バッファ層上の、Ｓｉを含むＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、を備え、前記窒化物半導体層は、前記バッファ層側の一部の領域にＳｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域を有する、半導体積層体を含み、前記半導体積層体の厚さ方向に通電する、半導体素子。
［７］Ｇａ２Ｏ３基板上にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をエピタキシャル成長させてバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にＳｉを添加しつつＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶を成長させて窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の成長の初期段階においてＳｉの添加濃度を大きくすることにより、Ｓｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域を前記窒化物半導体層中に形成する、半導体積層体の製造方法。
［８］前記Ｓｉ高濃度領域は２ｎｍ以上の厚さに形成される、前記［７］に記載の半導体積層体の製造方法。
［９］前記バッファ層は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さに形成される、前記［７］又は［８］に記載の半導体積層体の製造方法。
［１０］前記バッファ層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＡｌＮ結晶である、前記［７］に記載の半導体積層体の製造方法。
［１１］前記窒化物半導体層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＧａＮ結晶である、前記［７］に記載の半導体積層体の製造方法。
　本発明によれば、厚さ方向の電気抵抗が低い半導体積層体及びその製造方法、並びにその半導体積層体を含む半導体素子を提供することができる。
第１の実施の形態に係る半導体積層体の断面図 第２の実施の形態に係る縦型ＦＥＴの断面図 第３の実施の形態に係る縦型ＦＥＴの断面図 第４の実施の形態に係る縦型ＦＥＴの断面図 第５の実施の形態に係る縦型ＦＥＴの断面図 第６の実施の形態に係るＨＢＴの断面図 第７の実施の形態に係るＳＢＤの断面図 第８の実施の形態に係るＬＥＤの断面図 実施例１に係るＳｉ高濃度領域のＳｉ濃度と電圧降下との関係を表すグラフ 実施例２に係るＡｌＧａＩｎＮバッファ層の厚さと電圧降下との関係を表すグラフ 実施例３に係るＳｉ高濃度領域の厚さと電圧降下との関係を表すグラフ
　本実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３基板、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなるＡｌＧａＩｎＮバッファ層、及びＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層からなる、厚さ方向の電気抵抗が低い半導体積層体を形成することができる。本発明者等は、窒化物半導体層のＡｌＧａＩｎＮバッファ層側の表面近傍のドナーであるＳｉの濃度を高くすることにより、半導体積層体の厚さ方向の電気抵抗が低減されることを見出した。さらに、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層の厚さを特定の厚さとすることにより、半導体積層体の厚さ方向の電気抵抗をより低減できることを見出した。
　ＡｌＧａＩｎＮバッファ層は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の中でも、特にＡｌＮ結晶（ｘ＝１、ｙ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。この場合、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体層との密着性がより高まる。
　また、窒化物半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の中でも、特に結晶品質のよいＧａＮ結晶（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。
　また、本実施の形態によれば、厚さ方向の電気抵抗が低い半導体積層体を用いることにより、高性能の半導体素子を形成することができる。以下、その実施の形態の一例について詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
　図１は、第１の実施の形態に係る半導体積層体１の断面図である。半導体積層体１は、Ｇａ２Ｏ３基板２と、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３と、窒化物半導体層４を含む。
　Ｇａ２Ｏ３基板２は、β－Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。Ｇａ２Ｏ３基板２は、酸素が六角格子配置された面、すなわち、（１０１）、（－２０１）、（３０１）、（３－１０）のいずれかの面を主面とする基板であることが好ましい。この場合、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３が薄い（例えば１０ｎｍ以下）場合であっても、表面が平坦なＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をＡｌＧａＩｎＮバッファ層３上に成長させ、窒化物半導体層４を形成することができる。特に、Ｇａ２Ｏ３基板２の主面は（１０１）であることがより好ましい。
　ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等により、Ｇａ２Ｏ３基板２上にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をエピタキシャル成長させることにより形成される。ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の成長温度は、３５０～６００℃であり、特に、３８０～５００℃であることが好ましい。
　ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の中でも、特にＡｌＮ結晶（ｘ＝１、ｙ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３がＡｌＮ結晶からなる場合、Ｇａ２Ｏ３基板２と窒化物半導体層４との密着性がより高まる。
　ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さは、０．５～１０ｎｍである。この場合、半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗を大きく低減することができる。
　窒化物半導体層４は、ＭＯＣＶＤ法等により、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３上にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をＳｉを添加しつつエピタキシャル成長させることにより形成される。このＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の成長温度は、例えば、８００～１１００℃である。窒化物半導体層４の厚さは、例えば、２μｍである。窒化物半導体層４は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の中でも、特に結晶品質のよいＧａＮ結晶（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。
　窒化物半導体層４は、Ｓｉをドナーとして含む。窒化物半導体層４は、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３側の表面近傍にＳｉ高濃度領域４ａを含む。Ｓｉ高濃度領域４ａは、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３上でのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の成長の初期段階において、Ｓｉの添加量を大きくすることにより形成される。
　Ｓｉ高濃度領域４ａのＳｉ濃度は、その他の領域４ｂのＳｉ濃度よりも高い。Ｓｉ高濃度領域４ａのＳｉ濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上であり、特に、１×１０１９／ｃｍ３以上であることが好ましい。
　Ｓｉ高濃度領域４ａの厚さは、２ｎｍ以上であることが好ましい。
〔第２の実施の形態〕
　第２の実施の形態として、第１の実施の形態の半導体積層体１を含む縦型ＦＥＴ（Field effect transistor）について述べる。
　図２は、第２の実施の形態に係る半導体素子である縦型ＦＥＴ１０の断面図である。縦型ＦＥＴ１０は、Ｇａ２Ｏ３基板２、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３、及び窒化物半導体層４を含む半導体積層体１と、窒化物半導体層４の表面（図２における上側の面）上に形成されたＧａＮ系縦型ＦＥＴ１４と、ＧａＮ系縦型ＦＥＴ１４上に形成されたゲート電極１１及びソース電極１２と、Ｇａ２Ｏ３基板２の表面（図２における下側の面）上に形成されたドレイン電極１３と、を含む。
　なお、縦型ＦＥＴ１０は、半導体積層体１を用いて形成することのできる縦型ＦＥＴの一例である。
〔第３の実施の形態〕
　第３の実施の形態として、第１の実施の形態の半導体積層体１を含むＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）ゲート構造の縦型ＦＥＴについて述べる。
　図３は、第３の実施の形態に係る半導体素子である縦型ＦＥＴ２０の断面図である。縦型ＦＥＴ２０は、Ｇａ２Ｏ３基板２、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３、及び窒化物半導体層４を含む半導体積層体１と、領域４ｂ中にｐ型不純物を導入することにより形成されたｐ＋領域２５と、窒化物半導体層４の表面（図３における上側の面）上に形成されたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２６と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２６中にＳｉ等のｎ型不純物を導入することにより形成されたｎ＋領域２７と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２６上にゲート絶縁膜２４を介して形成されたゲート電極２１と、ｎ＋領域２７及びｐ＋領域２５に接続されたソース電極２２と、Ｇａ２Ｏ３基板２の表面（図３における下側の面）上に形成されたドレイン電極２３と、を含む。
　ここで、例えば、領域４ｂの厚さは６μｍであり、Ｓｉ濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。また、例えば、ｐ＋領域２５の厚さは１μｍであり、ｐ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２６は不純物を含まない。ソース電極２２及びドレイン電極２３は、例えば、Ｔｉ膜とＡｌ膜の積層体からなる。ゲート電極２１及びゲート絶縁膜２４は、例えば、それぞれＡｌ及びＳｉＯ２からなる。
　なお、縦型ＦＥＴ２０は、半導体積層体１を用いて形成することのできるＭＩＳゲート構造の縦型ＦＥＴの一例である。
〔第４の実施の形態〕
　第４の実施の形態として、第１の実施の形態の半導体積層体１を含むショットキーゲート構造の縦型ＦＥＴについて述べる。
　図４は、第４の実施の形態に係る半導体素子である縦型ＦＥＴ３０の断面図である。縦型ＦＥＴ３０は、Ｇａ２Ｏ３基板２、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３、及び窒化物半導体層４を含む半導体積層体１と、窒化物半導体層４の表面（図４における上側の面）上に積層されたｐ＋－ＧａＮ層３４、ｎ＋－ＧａＮ層３５、ＧａＮ層３６、及びＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３７と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３７上に形成されたゲート電極３１と、ｐ＋－ＧａＮ層３４、ｎ＋－ＧａＮ層３５、ＧａＮ層３６、及びＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３７に接続されたソース電極３２と、Ｇａ２Ｏ３基板２の表面（図４における下側の面）上に形成されたドレイン電極３３と、を含む。
　ここで、例えば、領域４ｂの厚さは６μｍであり、Ｓｉ濃度は１×１０１６／ｃｍ３である。また、例えば、ｐ＋－ＧａＮ層３４の厚さは１μｍであり、ｐ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。また、例えば、ｎ＋－ＧａＮ層３５の厚さは２００ｎｍであり、ｎ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。ＧａＮ層３６は不純物を含まず、厚さは、例えば、１００ｎｍである。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３７は不純物を含まず、厚さは、例えば、３０ｎｍである。ソース電極３２及びドレイン電極３３は、例えば、Ｔｉ膜とＡｌ膜の積層体からなる。ゲート電極３１は、例えば、Ｎｉ膜とＡｕ膜の積層体からなる。
　なお、縦型ＦＥＴ３０は、半導体積層体１を用いて形成することのできるショットキーゲート構造の縦型ＦＥＴの一例である。
〔第５の実施の形態〕
　第５の実施の形態として、第１の実施の形態の半導体積層体１を含む他のショットキーゲート構造の縦型ＦＥＴについて述べる。
　図５は、第５の実施の形態に係る半導体素子である縦型ＦＥＴ４０の断面図である。縦型ＦＥＴ４０は、Ｇａ２Ｏ３基板２、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３、及び窒化物半導体層４を含む半導体積層体１と、窒化物半導体層４の表面（図５における上側の面）上に形成されたｎ－－ＧａＮ層４４と、ｎ－－ＧａＮ層４４の平坦部上に形成されたゲート電極４１と、ｎ－－ＧａＮ層４４の凸部上にｎ＋－ＩｎＡｌＧａＮコンタクト層４５を介して形成されたソース電極４２と、Ｇａ２Ｏ３基板２の表面（図５における下側の面）上に形成されたドレイン電極４３と、を含む。
　ここで、例えば、領域４ｂの厚さは６μｍであり、Ｓｉ濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。また、例えば、ｎ－－ＧａＮ層４４の平坦部の厚さは３μｍであり、ｎ型不純物の濃度は１×１０１６／ｃｍ３である。ソース電極４２は、例えば、ＷＳｉからなる。ドレイン電極４３は、例えば、Ｔｉ膜とＡｌ膜の積層体からなる。ゲート電極４１は、例えば、ＰｄＳｉからなる。
　なお、縦型ＦＥＴ４０は、半導体積層体１を用いて形成することのできるショットキーゲート構造の縦型ＦＥＴの一例である。
〔第６の実施の形態〕
　第６の実施の形態として、第１の実施の形態の半導体積層体１を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）について述べる。
　図６は、第６の実施の形態に係る半導体素子であるＨＢＴ５０の断面図である。ＨＢＴ５０は、Ｇａ２Ｏ３基板２、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３、及び窒化物半導体層４を含む半導体積層体１と、窒化物半導体層４の表面（図６における上側の面）上に積層されたｎ－－ＧａＮ層５４及びｐ＋－ＧａＮ層５５と、ｐ＋－ＧａＮ層５５上に積層されたｎ＋－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５６及びｎ＋－ＧａＮ層５７と、ｐ＋－ＧａＮ層５５上に形成されたベース電極５１と、ｎ＋－ＧａＮ層５７上に形成されたエミッタ電極５２と、Ｇａ２Ｏ３基板２の表面（図６における下側の面）上に形成されたコレクタ電極５３と、を含む。
　ここで、例えば、領域４ｂの厚さは４μｍであり、Ｓｉ濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。また、例えば、ｎ－－ＧａＮ層５４の厚さは２μｍであり、ｎ型不純物の濃度は１×１０１６／ｃｍ３である。また、例えば、ｐ＋－ＧａＮ層５５の厚さは１００ｎｍであり、ｐ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。また、例えば、ｎ＋－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５６の厚さは５００ｎｍであり、ｎ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。また、例えば、ｎ＋－ＧａＮ層５７の厚さは１μｍであり、ｎ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。エミッタ電極５２は、例えば、Ｔｉ膜とＡｌ膜の積層体からなる。コレクタ電極５３は、例えば、Ｔｉ膜とＡｕ膜の積層体からなる。ベース電極５１は、例えば、Ｎｉ膜とＡｕ膜の積層体からなる。
　なお、ＨＢＴ５０は、半導体積層体１を用いて形成することのできるヘテロ接合バイポーラトランジスタの一例である。
〔第７の実施の形態〕
　第７の実施の形態として、第１の実施の形態の半導体積層体１を含むショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）について述べる。
　図７は、第７の実施の形態に係る半導体素子であるＳＢＤ６０の断面図である。ＳＢＤ６０は、Ｇａ２Ｏ３基板２、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３、及び窒化物半導体層４を含む半導体積層体１と、窒化物半導体層４の表面（図７における上側の面）上に形成されたｎ－－ＧａＮ層６３と、ｎ－－ＧａＮ層６３上に形成されたアノード電極６１と、Ｇａ２Ｏ３基板２の表面（図７における下側の面）上に形成されたカソード電極６２と、を含む。
　ここで、例えば、領域４ｂの厚さは６μｍであり、Ｓｉ濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。また、例えば、ｎ－－ＧａＮ層６３の厚さは７μｍであり、ｎ型不純物の濃度は１×１０１６／ｃｍ３である。アノード電極６１は、例えば、Ａｕからなる。カソード電極６２は、例えば、Ｔｉ膜とＡｕ膜の積層体からなる。
　なお、ＳＢＤ６０は、半導体積層体１を用いて形成することのできるショットキーバリアダイオードの一例である。
〔第８の実施の形態〕
　第８の実施の形態として、第１の実施の形態の半導体積層体１を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）について述べる。
　図８は、第８の実施の形態に係る半導体素子であるＬＥＤ７０の断面図である。ＬＥＤ７０は、Ｇａ２Ｏ３基板２、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３、及び窒化物半導体層４を含む半導体積層体１と、窒化物半導体層４の表面（図８における上側の面）上に積層された発光層７３、ｐ型クラッド層７４、及びｐ型コンタクト層７５と、ｐ型コンタクト層７５上に形成されたｐ電極７１と、Ｇａ２Ｏ３基板２の表面（図８における下側の面）上に形成されたｎ電極７２と、を含む。
　ここで、例えば、領域４ｂの厚さは５μｍであり、Ｓｉ濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。領域４ｂは、n型クラッド層として働く。また、例えば、発光層７３は、厚さ８ｎｍのＧａＮ結晶と厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ結晶からなる多重量子井戸構造を３ペア含む。また、例えば、ｐ型クラッド層７４はＭｇ濃度が５．０×１０１９／ｃｍ３のＧａＮ結晶からなり、厚さは１５０ｎｍである。また、例えば、ｐ型コンタクト層７５はＭｇ濃度が１．５×１０２０／ｃｍ３のＧａＮ結晶からなり、厚さが１０ｎｍである。
　なお、ＬＥＤ７０は、半導体積層体１を用いて形成することのできる発光ダイオードの一例である。
（実施の形態の効果）
　第１の実施の形態によれば、Ｓｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域４ａを窒化物半導体層４中に形成することにより、厚さ方向の電気抵抗が低い半導体積層体１を形成することができる。これは、Ｓｉ濃度の高いＳｉ高濃度領域４ａを形成することにより、電子がヘテロ界面の電位障壁をトンネルし、電流が流れやすくなることによると考えられる。
　また、Ｓｉ高濃度領域４ａの厚さを２ｎｍ以上とすることにより、半導体積層体の厚さ方向の電気抵抗をより低減できる。さらに、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層の厚さを０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることにより、半導体積層体の厚さ方向の電気抵抗をより低減できる。
　また、第２～８の実施の形態によれば、半導体積層体１を含み、通電方向が半導体積層体１の厚さ方向の縦型の半導体素子を形成することにより、高性能の縦型半導体素子を得ることができる。
　以下の実施例１～４に示すように、本実施の形態に係る半導体積層体１の評価を行った。
　実施例１においては、Ｓｉ高濃度領域４ａの不純物濃度の異なる複数の半導体積層体１を形成し、Ｓｉ高濃度領域４ａの不純物濃度と半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗の関係を調べた。各半導体積層体１の形成工程は次の通りである。
　まず、ＭＯＣＶＤ装置内にＧａ２Ｏ３基板２を設置し、Ｇａ２Ｏ３基板２上にＡｌＮ結晶を成長温度４５０℃で成長させ、厚さ５ｎｍのＡｌＧａＩｎＮバッファ層３を形成した。
　続けて、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３上にＧａＮ結晶をＳｉを添加しつつ成長温度１０５０℃で成長させ、厚さ２μｍの窒化物半導体層４を形成した。このとき、ＧａＮ結晶の成長初期のＳｉ添加濃度を高くして、１０ｎｍの厚さのＳｉ高濃度領域４ａを形成した。領域４ｂの不純物濃度は、２×１０１８／ｃｍ３とした。
　次に、Ｇａ２Ｏ３基板２及び窒化物半導体層４の表面上に、フォトリソグラフィ及び蒸着技術を用いて各々電極を形成した。そして、電極間に電圧を印加し、電流密度が２００Ａ／ｃｍ２であるときの電圧降下を測定した。
　図９は、Ｓｉ高濃度領域４ａのＳｉ濃度と電流密度が２００Ａ／ｃｍ２であるときの電圧降下との関係を表すグラフである。図９に示されるように、Ｓｉ高濃度領域４ａのＳｉ濃度が高いほど電圧降下が小さい、すなわち半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗が低い。
　特に、Ｓｉ高濃度領域４ａのＳｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるときに半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗が低いことがわかる。また、Ｓｉ高濃度領域４ａのＳｉ濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上になると、電圧降下の値がほぼ一定になることがわかる。
　実施例２においては、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さが０．５～２０ｎｍの範囲内で異なる複数の半導体積層体１を形成し、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さと半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗の関係を調べた。各半導体積層体１の形成工程は次の通りである。
　まず、ＭＯＣＶＤ装置内にＧａ２Ｏ３基板２を設置し、Ｇａ２Ｏ３基板２上にＡｌＮ結晶を成長温度４５０℃で成長させ、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３を形成した。
　続けて、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３上にＧａＮ結晶をＳｉを添加しつつ成長温度１０５０℃で成長させ、厚さ２μｍの窒化物半導体層４を形成した。このとき、ＧａＮ結晶の成長初期のＳｉ添加濃度を高くして、１０ｎｍの厚さのＳｉ高濃度領域４ａを形成した。Ｓｉ高濃度領域４ａ及び領域４ｂのＳｉ濃度は、それぞれ２×１０１９／ｃｍ３、２×１０１８／ｃｍ３とした。
　次に、Ｇａ２Ｏ３基板２及び窒化物半導体層４の表面上に、フォトリソグラフィ及び蒸着技術を用いて各々電極を形成した。そして、電極間に電圧を印加し、電流密度が２００Ａ／ｃｍ２であるときの電圧降下を測定した。
　図１０は、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さと電流密度が２００Ａ／ｃｍ２であるときの電圧降下との関係を表すグラフである。図１０に示されるように、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さが小さいほど電圧降下が小さい、すなわち半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗が低い。
　特に、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さが１０ｎｍ以下であるときに半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗が低いことがわかる。また、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さが厚いときには、たとえＳｉ高濃度領域４ａのＳｉ濃度が十分高い（２×１０１９／ｃｍ３）場合であっても半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗が大きくなることがわかる。
　実施例３においては、Ｓｉ高濃度領域４ａの厚さが０～１０ｎｍの範囲内で異なる複数の半導体積層体１を形成し、Ｓｉ高濃度領域４ａの厚さと半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗の関係を調べた。各半導体積層体１の形成工程は次の通りである。
　まず、ＭＯＣＶＤ装置内にＧａ２Ｏ３基板２を設置し、Ｇａ２Ｏ３基板２上にＡｌＮ結晶を成長温度４５０℃で成長させ、厚さ５ｎｍのＡｌＧａＩｎＮバッファ層３を形成した。
　続けて、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３上にＧａＮ結晶をＳｉを添加しつつ成長温度１０５０℃で成長させ、厚さ２μｍの窒化物半導体層４を形成した。このとき、ＧａＮ結晶の成長初期のＳｉ添加濃度を高くして、Ｓｉ高濃度領域４ａを形成した。Ｓｉ高濃度領域４ａ及び領域４ｂのＳｉ濃度は、それぞれ２×１０１９／ｃｍ３、２×１０１８／ｃｍ３とした。
　次に、Ｇａ２Ｏ３基板２及び窒化物半導体層４の表面上に、フォトリソグラフィ及び蒸着技術を用いて各々電極を形成した。そして、電極間に電圧を印加し、電流密度が２００Ａ／ｃｍ２であるときの電圧降下を測定した。
　図１１は、Ｓｉ高濃度領域４ａの厚さと電流密度が２００Ａ／ｃｍ２であるときの電圧降下との関係を表すグラフである。図１１に示されるように、Ｓｉ高濃度領域４ａの厚さが大きいほど電圧降下が小さい、すなわち半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗が低い。
　特に、Ｓｉ高濃度領域４ａの厚さが２ｎｍ以上であるときに半導体積層体１の厚さ方向の電気抵抗が低いことがわかる。
　実施例４においては、第８の実施の形態のＬＥＤ７０を形成し、順方向の電圧降下ＶＦを測定した。
　まず、Ｓｉを添加したｎ型のβ－Ｇａ２Ｏ３基板をＧａ２Ｏ３基板２として用意した。ここで、β－Ｇａ２Ｏ３基板の厚さは４００μｍであり、主面は（１０１）である。
　次に、β－Ｇａ２Ｏ３基板上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて成長温度４５０℃でＡｌＮ結晶を５ｎｍ成長させてＡｌＧａＩｎＮバッファ層３を形成した。次に、成長温度１０５０℃でＳｉ濃度２．０×１０１９／ｃｍ３のＧａＮ結晶を１０ｎｍ成長させてＳｉ高濃度領域４ａを形成し、続けてＳｉ濃度１．０×１０１８／ｃｍ３のＧａＮ結晶を５μｍ成長させてn型クラッド層としての領域４ｂを形成した。
　次に、成長温度７５０℃で厚さ８ｎｍのＧａＮ結晶と厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ結晶からなる多重量子井戸構造を３ペア形成し、さらにＧａＮ結晶を１０ｎｍ成長させて発光層７３を形成した。
　次に、成長温度１０００℃でＭｇ濃度が５．０×１０１９／ｃｍ３のＧａＮ結晶を１５０ｎｍ成長させ、ｐ型クラッド層７４を形成した。次に、成長温度１０００℃でＭｇ濃度が１．５×１０２０／ｃｍ３のＧａＮ結晶を１０ｎｍ成長させ、ｐ型コンタクト層７５を形成した。
　以上の工程において、Ｇａ原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)、Ｉｎ原料としてＴＭＩ(トリメチルインジウム)、Ｓｉ原料としてＳｉＨ３ＣＨ３(モノメチルシラン)ガス、Ｍｇ原料としてＣｐ２Ｍｇ(シクロペンタジエニルマグネシウム)、Ｎ原料としてＮＨ３(アンモニア)ガスを用いた。
　上記のようにして作製したＬＥＤエピタキシャルウエハ表面を、ＩＣＰ－ＲＩＥ装置を用いてｐ型コンタクト層７５側から発光層７３より深い位置までエッチングし、メサ形状を形成した。次に、スパッタ装置を用いてＳｉＯ２膜を発光層７３の側面に形成した。更に、蒸着装置を用いてｐ型コンタクト層７５上及びＧａ２Ｏ３基板２上にそれぞれオーミック接合する電極を形成し、光取り出し面がＧａ２Ｏ３基板２側にあるＬＥＤ７０を得た。
　また、比較例として、ＡｌＧａＩｎＮバッファ層３の厚さが２０ｎｍで、Ｓｉ高濃度領域４ａを含まないＬＥＤを形成した。
　その後、ＬＥＤ７０及び比較例のＬＥＤをキャンタイプのステムにＡｇペーストを用いてそれぞれ実装し、２０ｍＡの電流ＩＦが流れるときの電圧降下ＶＦを測定した。その結果、比較例の従来型のＬＥＤの電圧降下ＶＦが４．３２Ｖであったのに対して、ＬＥＤ７０の電圧降下ＶＦは２．９４Ｖであり、発光素子として実用可能なレベルの電圧降下ＶＦを示すことが確認された。
　以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１…半導体積層体、２…Ｇａ２Ｏ３基板、３…ＡｌＧａＩｎＮバッファ層、４…窒化物半導体層、４ａ…Ｓｉ高濃度領域、４ｂ…領域、１０、２０、３０、４０…縦型ＦＥＴ、５０…ＨＢＴ、６０…ＳＢＴ、７０…ＬＥＤ

Claims (11)

  1. 　Ｇａ２Ｏ３基板と、
    　前記Ｇａ２Ｏ３基板上のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなるバッファ層と、
    　前記バッファ層上の、Ｓｉを含むＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、
    　を備え、
    　前記窒化物半導体層は、前記バッファ層側の一部の領域にＳｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域を有する、
    　半導体積層体。
  2. 　前記Ｓｉ高濃度領域の厚さが２ｎｍ以上である、
    　請求項１に記載の半導体積層体。
  3. 　前記バッファ層の厚さが０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、
    　請求項１又は２に記載の半導体積層体。
  4. 　前記バッファ層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＡｌＮ結晶である、
    　請求項１に記載の半導体積層体。
  5. 　前記窒化物半導体層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＧａＮ結晶である、
    　請求項１に記載の半導体積層体。
  6. 　Ｇａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上のＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなるバッファ層と、前記バッファ層上の、Ｓｉを含むＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、を備え、前記窒化物半導体層は、前記バッファ層側の一部の領域にＳｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域を有する、半導体積層体を含み、
    　前記半導体積層体の厚さ方向に通電する、
    　半導体素子。
  7. 　Ｇａ２Ｏ３基板上にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をエピタキシャル成長させてバッファ層を形成する工程と、
    　前記バッファ層上にＳｉを添加しつつＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶を成長させて窒化物半導体層を形成する工程と、
    　を含み、
    　前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の成長の初期段階においてＳｉの添加濃度を大きくすることにより、Ｓｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上であるＳｉ高濃度領域を前記窒化物半導体層中に形成する、
    　半導体積層体の製造方法。
  8. 　前記Ｓｉ高濃度領域は２ｎｍ以上の厚さに形成される、
    　請求項７に記載の半導体積層体の製造方法。
  9. 　前記バッファ層は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さに形成される、
    　請求項７又は８に記載の半導体積層体の製造方法。
  10. 　前記バッファ層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＡｌＮ結晶である、
    　請求項７に記載の半導体積層体の製造方法。
  11. 　前記窒化物半導体層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶はＧａＮ結晶である、
    　請求項７に記載の半導体積層体の製造方法。
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