JP2000031588A

JP2000031588A - 半導体素子

Info

Publication number: JP2000031588A
Application number: JP19308598A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Oba; 場康夫大; Hiroaki Yoshida; 田博昭吉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2000-01-28
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: JP3648386B2

Abstract

(57)【要約】【課題】格子整合しない基板上にも高品質な窒化物半
導体層、例えば高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を低歪みで形
成し、且つ、窒素空孔などの結晶欠陥が少ない窒化物半
導体からなる半導体素子を提供することを目的とする。【解決手段】基板上に高炭素濃度ＡｌＮバッファ層と
高純度ＡｌＮバッファ層を形成し、ＡｌＧａＮ層を形成
することにより、低欠陥化がはかれ、ひび割れの発生が
抑制されるとともに、アクセプタ活性化率向上がはかれ
半導体レーザなどの特性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子に関
し、より具体的には、本発明は、独特の構成を有する窒
化物半導体のバッファ層を有し、従来よりも大幅に特性
が改善された半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は、大きいバンドギャップ
を有し且つ直接遷移型であるので短波長発光素子用材料
として期待されている。例えば、ＧａＮ（窒化ガリウ
ム）のバンドギャップは３．４ｅＶであり、紫外線領域
の発光を得ることができる。なお、本願において「窒化
物半導体」とは、Ｂ_xＩｎ_yＡｌ_zＧａ_(1-x-y-z)Ｎ（Ｏ≦
ｘ≦１、Ｏ≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物
半導体を称し、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えて
リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むも
のとする。

【０００３】窒化物半導体、例えばＧａＮは、格子整合
する良質な基板がないため、便宜上、サファイア基板上
に成長することが多いが、サファイアとＧａＮは格子不
整合が１５％程度と大きいために島状に成長しやすい。
そこで、従来は、格子不整合の影響を緩和するために、
まず、サファイア基板上に極薄膜のアモルファス状また
は多結晶のＡｌＮ（窒化アルミニウム）またはＧａＮを
低温成長によりバッファ層として堆積した後、昇温し、
その上にＧａＮ層を形成する方法が用いられている。

【０００４】この方法によれば、アモルファス状または
多結晶の層が熱歪を緩和し、バッファ層内部に含まれて
いる微結晶が約１０００℃までの昇温によって方位の揃
った種結晶となり結晶品質が向上すると考えられてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の方法を用いた場合にも、サファイア基板とＧａＮ層
との格子不整合による高密度の貫通転移が存在し、残留
歪みを生ずるという問題があった。そのために、たとえ
ば半導体レーザのクラッド層として必要な１０％以上の
Ａｌ（アルミニウム）組成を有するＡｌＧａＮ層を０．
６ミクロン以上の厚さに成長する場合にはひび割れの発
生を避けられなかった。また、低抵抗のｐ型層を得るた
めに８００℃程度での熱処理が必要とされている。これ
は、結晶中に残留した水素原子を除去してアクセプタ不
純物を活性化するためであると考えられているが、この
温度では窒化物半導体の窒素原子も脱離するために、結
晶欠陥が発生する。そのために、十分な低抵抗化が達成
されないばかりか、得られた半導体素子の初期特性や寿
命特性に対するの悪影響が懸念されていた。

【０００６】本発明はかかる課題の認識にもとづいてな
されたものである。すなわち、その目的は、格子整合し
ない基板上にも高品質な窒化物半導体層、例えば高Ａｌ
組成のＡｌＧａＮ層を低転位で形成し、且つ、窒素空孔
などの結晶欠陥が少ない窒化物半導体からなる半導体素
子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体素子は、単結晶基板上に単結晶Ａｌ
_wＧａ_xＩｎ_1-w-xＮ（０＜ｗ≦１、０≦ｘ≦１）からな
る第１単結晶層と単結晶Ａｌ_yＧａ_zＩｎ_1-y-zＮ（０＜
ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる第２単結晶層とが形成さ
れ、これらの層の上に形成された素子構造部を備えた半
導体素子において、前記第１単結晶層の炭素濃度が前記
第２単結晶層の炭素濃度よりも高いことを特徴とする。

【０００８】または、本発明の半導体素子は、窒化物半
導体からなる第１単結晶層と、前記第１単結晶層の上に
設けられた半導体層からなる素子構造部であって、前記
第１単結晶層に面した層の炭素濃度が前記第１単結晶層
の炭素濃度よりも低い素子構造部と、を備えたことを特
徴とする。

【０００９】ここで、前記第１単結晶層及び前記素子構
造部は、単結晶基板上に順次設けられてなることを特徴
とする。

【００１０】また、本発明の望ましい実施の形態として
は、前記第１単結晶層がＡｌＮまたはＡｌＧａＮからな
ることを特徴とする。

【００１１】また、前記第１単結晶層と前記第２単結晶
層がそれぞれＡｌＮからなることを特徴とする。

【００１２】また、前記第１単結晶層の厚さが５ｎｍ以
上で５０ｎｍ以下であることを特徴とする。

【００１３】また、前記第１単結晶層の炭素濃度が３×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上で３×１０²⁰ｃｍ^-3以下であることを
特徴とする。

【００１４】また、前記第１単結晶層と前記第２単結晶
層の合計の膜厚が１μｍ以上で１０μｍ以下であり、前
記素子構造部がレーザを構成することを特徴とする。

【００１５】また、前記第１単結晶層と前記第２単結晶
層の合計の膜厚が２μｍ以上で５０μｍ以下であること
を特徴とする。

【００１６】また、前記単結晶基板は、サファイアから
なることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の半導体素子を概
念的に説明する要部概略断面図である。すなわち、同図
は、本発明の半導体素子のバッファ層部分を表すもので
あり、同図（ａ）に示した半導体素子においては、サフ
ァイアなどの基板１１の上に、第１のバッファ層１２、
第２のバッファ層１３がこの順序に積層され、その上に
所定の素子構造体１４が形成されている。ここで、素子
構造体１４は、後に実施例として詳述するように、種々
の発光素子や電子素子を構成することができる。

【００１８】また、同図（ｂ）においては、サファイア
などの基板１１の上に、第１のバッファ層１２が設けら
れ、この上に所定の素子構造体２１が形成されている。

【００１９】本発明の半導体素子は、同図に表した第１
のバッファ層１２に特徴を有する。すなわち、第１のバ
ッファ層１２は、単結晶であり、堆積する際のＶ／III
比を従来よりもはるかに低い条件として基板上に堆積さ
れ、従来よりもはるかに高い濃度の炭素（Ｃ）を含有し
ている。また、第２のバッファ層１３は、比較的高いＶ
／III比のもとで成長される。

【００２０】以下に、本発明におけるこれらの独特のバ
ッファ層について詳細に説明する。本発明者は、バッフ
ァ層として、従来の低温成長したＡｌＮ、ＧａＮ等に代
わって高温成長した単結晶のＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどの
窒化物半導体を用いることにより、その上に成長する半
導体素子の結晶品質を大幅に改善してひび割れなどの発
生を抑制できることを既に見いだしている。さらに、高
性能な半導体発光素子を得るためには、低抵抗のｐ型層
と低欠陥の発光層が不可欠だが、本発明者の研究によれ
ば、これらの層の成長時のＶ／III 比を大きくすること
により、直列抵抗の低減、発光効率の向上、信頼性の改
善などの特性向上が達成されることが判明した。ここ
で、「Ｖ／III比」とは、窒化物半導体を結晶成長する
際の、III族元素の原料の流量に対するＶ族元素の原料
の流量の比のことである。

【００２１】しかし、Ｖ／III 比を大きくすると、貫通
転位を転位芯とする螺旋成長が支配的となり表面平坦性
が悪化するとともに、活性層のＩｎ（インジウム）組成
の揺らぎが急激に顕著となる。このために、成長時のＶ
／III 比の上限が事実上決定される。しかし、本発明者
のさらに詳細な検討の結果、このＶ／III比の上限は絶
対的なものではなく、バッファ層の堆積の初期の条件を
調節することにより、成長層の品質が劇的に改善される
ことが見いだされた。すなわち、バッファ層を成長する
際に、まず、Ｖ／III比を従来よりも大幅に低い比率に
して薄いバッファ層を堆積し、その上に高いＶ／III比
でバッファ層および素子構造を成長して評価したとこ
ろ、良好な素子特性が得られた。

【００２２】さらに、本発明者は、この良好なウェーハ
と異常成長が観察されたウェーハのバッファ層の違いを
調べた。その結果、良好な結果が得られたバッファ層に
おいてはＸ線回折によるロッキング・カーブの半値幅が
１分以下と狭く、同時に、基板との界面付近に高濃度の
炭素（Ｃ）を含有する層が存在することを発見した。

【００２３】一方、バッファ層としてＡｌＮを用いたウ
ェーハについて原子間力走査顕微鏡による観測の結果、
良好な特性のウェーハにおいては、ＡｌＮバッファ層表
面のピット密度が極めて低く、ＡｌＮバッファ層表面の
ピット密度が素子特性を大きく左右することが判明し
た。ここで、「ピット」とは、六角錐状の微小な窪みで
あり、バッファ層に含有される転位に対応する表面のモ
フォロジである。

【００２４】以上の結果を総合すると、異常成長はピッ
トに対応するバッファ層中の螺旋転位により引き起こさ
れるが、基板との界面付近に炭素の高濃度層が存在する
場合は、その部分の結晶の柔軟性が増加し、歪みを緩和
するために、その上に成長される結晶の乱れが大幅に抑
制されることがわかる。

【００２５】この効果は、高温で成長される単結晶Ａｌ
ＧａＮバッファ層や単結晶ＡｌＮバッファ層に対して
は、特に有効に作用する。高温で成長するこれらの単結
晶バッファ層は、基本的にミクロな結晶欠陥が少なく結
晶の柔軟性に乏しいからである。特に、高温で成長した
ＡｌＮバッファ層の場合には、窒素欠陥も生成されにく
く柔軟性に乏しい傾向があった。

【００２６】発明者は、このような高濃度の炭素含有層
を意図的に導入するために、バッファ層の成長初期の基
板温度とＶ／III 比とを種々に変化させて実験を繰り返
した。

【００２７】図２は、良好な結果が得られたウェーハに
おいて二次イオン質量分析法により得られた不純物濃度
プロファイル図である。すなわち、同図においては、基
板とＡｌＮバッファ層との界面付近の炭素の濃度分布が
表されている。同図から、界面付近に炭素濃度３×１０
¹⁹ｃｍ^-3 、厚さ２０ｎｍの高濃度炭素含有層が観測さ
れることがわかる。この高濃度炭素含有層が、図１に示
した「第１のバッファ層１２」に相当するものであり、
その上に形成された炭素濃度が約２×１０¹⁸ｃｍ^-3 に
低下している部分が図１（ｂ）の「第２のバッファ層１
３」に相当するものである。これらの単結晶層に含有さ
れている炭素は、窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ（Metal-
Organic Chemical Vapor Deposition）法により成長す
る際に、主に、III族元素の原料である有機金属から結
晶中に取り込まれるものであると推測される。

【００２８】他の図示しない測定結果も併せて分析した
結果、この高濃度炭素含有層すなわち「第１のバッファ
層１２」の炭素濃度が１×１０¹⁸から３×１０²⁰ｃｍ^-3
で、厚さが５ｎｍから５０ｎｍの範囲の場合に良好な素
子特性が得られた。バッファ層がＡｌＧａＮからなる場
合にも、この条件は同様であった。

【００２９】さらに、バッファ層に含有される水素
（Ｈ）の濃度についても調べたところ、図２に示した炭
素の濃度プロファイルと同様の濃度プロファイルを示す
ウェーハが多く見られた。つまり、高いＶ／III 比で成
長したバッファ層には、炭素とともに水素も高い濃度で
取り込まれる場合があることがわかった。これは、III
族元素の原料である有機金属が分解することにより生成
する炭化水素（ＣＨ_x）が結晶中に取り込まれるためで
あると考えられる。

【００３０】本発明の高濃度炭素含有層すなわち「第１
のバッファ層」は、従来よりも大幅に低いＶ／III比で
堆積される。例えば、従来のＭＯＣＶＤ法によるバッフ
ァ層の典型的なＶ／III比は、ＧａＡｓで１００以上、
ＧａＮで１０００以上、ＡｌＮでも１０００以上であっ
た。これに対して、本発明の第１のバッファ層の堆積時
のＶ／III比は、０．７〜５０程度であり、従来と比較
して顕著に低い。また、その最適な成長温度は、概ね１
０５０〜１２５０℃であり、従来の１３００℃前後と比
較すると若干低いことがわかった。

【００３１】図３は、高濃度炭素含有層すなわち第１の
バッファ層の炭素濃度とバッファ層の表面に観察される
ピット密度との関係を表すグラフ図である。すなわち、
図１（ａ）に示したような２層のバッファ層をＡｌＮを
用いて堆積し、その表面で観察されるピット密度を評価
した。ここで、高濃度炭素含有層の層厚は、いずれの場
合も２０ｎｍとした。同図から、炭素濃度が３×１０¹⁸
から３×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲にあるときにピット密度が
低減していることが分かる。さらに、炭素濃度が１×１
０¹⁹から１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲にあるときには、ピッ
ト密度が１０³ｃｍ^-2まで大幅に低減していることが分
かる。

【００３２】また、図４は、高濃度炭素含有層すなわち
第１のバッファ層の層厚とＡｌＮバッファ層表面で観測
されるピット密度との関係を表すグラフ図である。ここ
で、高濃度炭素含有層の炭素濃度はいずれの場合も約３
×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。同図から、高濃度炭素含有層の
層厚が約５〜５０ｎｍの範囲内においてピット密度を１
×１０⁴ｃｍ^-2以下に低く抑制することができ、さら
に、１０〜３０ｎｍのときにはピット密度を１×１０³
ｃｍ^-2まで大幅に低減できることが分かる。

【００３３】以上説明したように、本発明において特に
良好な結果が得られたのは、バッファ層がＡｌＮであ
り、その基板との界面での高濃度炭素含有層すなわち第
１のバッファ層の炭素濃度は１×１０¹⁹から１×１０²⁰
ｃｍ^-3、厚さは１０ｎｍから３０ｎｍの範囲であり、こ
の高濃度炭素含有層から離れるに従って２００ｎｍ以内
に急速に炭素濃度が低下するような濃度分布を有する第
２のバッファ層が堆積されている場合であった。

【００３４】図１に戻って説明すると、同図（ａ）に示
したような構造がこれにあたる。一方、本発明者の実験
によれば、同図（ｂ）に示したように、第１の単結晶バ
ッファ層１２の上に素子構造を直接形成しても良い場合
もあることがわかった。すなわち、同図（ａ）に示した
第２のバッファ層１３を設けることにより、その上に成
長させる窒化物半導体の品質をさらに改善することがで
きる。例えば、高性能の半導体レーザのように極めて高
い品質の結晶を必要とする場合には、第２のバッファ層
１３を設けることが望ましい。しかし、発光ダイオード
（ＬＥＤ）のように結晶の品質が適度に要求される素子
の場合には、第２のバッファ層１３を設けずに第１のバ
ッファ層の上に素子構造を直接形成しても良好な結果が
得られることが分かった。

【００３５】以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例
について説明する。図５は、本発明による青色レーザダ
イオードを表す概略断面図である。すなわち、同図の半
導体レーザは、サファイア基板１１のｃ面上に第１のバ
ッファ層１２としてＡｌＮ単結晶層（炭素濃度１×１０
¹⁹ｃｍ^-3 〜１×１０²⁰ｃｍ^-3 、層厚１０ｎｍ〜５００
ｎｍ）、第２のバッファ層１３としてＡｌＮ単結晶層
（炭素濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3 〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3 、
０．１〜１０．０μｍ）、ＧａＮまたはＧａＡｌＮから
なる格子緩和層３１（０．０２〜０．３μｍ、Ａｌ組成
５％未満）、ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎコンタクト層３２
（Ｓｉ，ＳｅまたはＳドープ、不純物濃度２×１０¹⁸〜
３×１０¹⁹ｃｍ^-3、層厚１〜５μｍ）、ｎ型Ａｌ_0. ₃ Ｇ
ａ_0.9 Ｎクラッド層３３（Ｓｉ，ＳｅまたはＳドープ、
５×１０¹⁷〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．３〜１．２μ
ｍ）、ＧａＮ第１光ガイド層３４（０．０５〜０．２μ
ｍ）、Ｇａ_l-×Ｉｎ×Ｎ活性層３５（１〜１０ｎｍ）、
ＧａＮ第２光ガイド層３６（０．０５〜０．２μｍ）、
ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎクラッド層３７（Ｍｇドープ、
５×１０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3、０．３〜０．７μ
ｍ）、ｐ型ＧａＮ中間コンタクト層３８（Ｍｇドープ、
５×１０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3、０．０５〜０．１μ
ｍ）、が順次設けられている。そして、幅が２〜５μｍ
のストライプ状のメサが形成され、その両側にｎ型Ａｌ
_0.2 Ｇａ_0.5Ｎ（Ｓｉドープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．
５μｍ）からなる電流阻止層３９が形成されて、横モー
ドが制御される。さらに、ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ、９
×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．５μｍ）コンタクト層４０が堆積
され、ｐ側電極１１０として（Ｐｄ０．０５μｍ／Ｐ
ｔ０．０５μｍ／Ａｕ１．０μｍ）またはＮｉが被
着されている。ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎコンタクト層に
はｎ側電極１２０（Ｔｉ０．０５／Ｐｔ０．０５μ
ｍ／Ａｕ１．０μｍまたはＡｌ１．０μｍ）が被着
されている。

【００３６】次に、本実施例の半導体レーザの製造方法
について説明する。各半導体層は、減圧ＭＯＣＶＤ装置
により形成することができる。まず、基板１１をヒータ
を兼ねたサセプタ上に載置する。ガス導入管から高純度
水素を毎分２０ｌ（リッター）程度導入して反応管内の
大気を置換する。次いで、ガス排気口をロータリポンプ
に接続して反応管内を減圧し、内部の圧力を５０〜１５
０ｔｏｒｒの範囲に設定する。サファイア基板１１上に
ＡｌＮバッファ層を成長する場合には、まず、基板１１
を水素中で加熱してその表面を清浄化する。ついで、１
０５０〜１２５０℃の基板温度でＨ２ガスの一部をＮＨ
₃ ガスに切り替えると共に、Ａｌ（アルミニウム）の原
料として例えばＡｌ（ＣＨ₃ ）₃ あるいはＡｌ（Ｃ
₂Ｈ₅）₃ などの有機金属を導入して第１の単結晶ＡｌＮ
バッファ層１２を５ｎｍから５０ｎｍの層厚に堆積す
る。

【００３７】ついで、基板温度を１２５０〜１３５０℃
に昇温し、第２のバッファ層１３としてＡｌＮ層を０．
１μｍから５μｍ成長し表面を平坦化する。その後、場
合によっては、成長を中断してアニールを行い、残留歪
みを緩和させることも有効である。

【００３８】ここで、第１のＡｌＮバッファ層１２の結
晶方位をそろえるためにはＶ族原料とIII族原料の供給
比の制御が重要であり、ピットのない高品質膜の成長に
はＶ／III 比を０．７〜５０の範囲内とすることが必要
であり、十分に良好な品質を再現性よく得るにはＶ／II
I 比を１．２〜４．０の範囲内に制御することが望まし
い。後述するＳｉＣ基板上に成長する場合にも、第１の
ＡｌＮバッファ層１２を設けることにより、より均一な
成長が得られる。一方、第２のバッファ層１３の成長に
際しては、Ｖ／III比を数１００以上と高い比率にす
る。さらに、第２のバッファ層の上に成長する各層の成
長に際してもＶ／III比を数１００以上と高い比率にす
ることが望ましい。

【００３９】第２のバッファ層１３を成長させた後、基
板温度を再び１１００〜１２００℃に低下させて、ダブ
ルヘテロ構造部を成長する。III族の原料としては、有
機金属Ｇａ化合物たとえばＧａ（ＣＨ₃）₃ あるいはＧ
ａ（Ｃ₂Ｈ₅）₃ 、有機金属Ｉｎ化合物たとえばＩｎ（Ｃ
Ｈ₃ ）₃ あるいはＩｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₃ 、ドーピング用原料
としてはｎ型用としてＳｉ水素化物たとえばＳｉＨ₄ あ
るいは有機金属Ｓｉ化合物たとえばＳｉ（ＣＨ₃ ）₄ 、
ｐ型用として有機金属Ｍｇ化合物たとえばＣｐ₂ Ｍｇ
（シクロペンタジエニルマグネシウム）またはｍ−Ｃｐ
₂ Ｍｇを使用する。ｐ型ドーパントの活性化率をあげる
ためには成長層中に混入した水素を除去するために８０
０℃程度の熱処理が必要とされてきたが、本発明の方法
では、第１のバッファ層１２以外の各層を大きなＶ／II
I 比下で成長することによりＮ原子空孔を抑制すること
ができ水素による不活性化を本質的に解消することがで
きる。さらに、従来は必要とされていた熱処理に起因す
る結晶品質の劣化も避けることができる。

【００４０】本実施例においては、反応性イオンエッチ
ングにてメサ部を形成した後、Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ電流
阻止層３９を再成長し、ｐ型ＧａＮ中間コンタクト層３
８が露出するまで研磨する。さらに、ｐ型ＧａＮ（Ｍｇ
ドープ、９×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．５μｍ）コンタクト層
４０を成長することにより作成される。

【００４１】ｐ型ＧａＮ中間コンタクト層３８はメサ加
工後の再成長時に表面を保護する役割を果たしており、
クラッド層との界面は必要に応じて組成変化を緩やかに
して通電抵抗の低減を計っている。また、格子緩和層３
１はバッファ層と素子構造との間の格子不整による歪み
を補正するためのものであるが、格子不整合が小さい時
には無くてもよい。

【００４２】本実施例によれば、独特の構成を有する第
１のバッファ層１２と第２のバッファ層１３とを設ける
ことにより、その上に成長する素子構造の品質を従来よ
りも大幅に改善することができる。すなわち、これらの
バッファ層を設けることにより、素子構造を構成する各
半導体層を従来よりも高いＶ／III比で成長しても異常
成長が生じなくなった。その結果として、半導体素子を
構成する各半導体層の結晶性を従来よりも大幅に改善す
ることができた。

【００４３】具体的には、活性層３５の発光効率を従来
の約１０倍に高めることができた。同時にｐ型コンタク
ト層４０の結晶性が改善され、高濃度のドーピングが可
能となり、ｐ側の抵抗を低下することができた。これら
の結果として、従来のレーザと比較して、しきい値や動
作電流が低下し、また、ｐ側での発熱量が低下したため
に、素子の温度特性が改善され、素子の寿命も伸びた。

【００４４】さらに、本発明のよれば、半導体レーザの
放熱も改善することができる。すなわち、従来、六方晶
の窒化物半導体の半導体レーザにおいては動作電流が高
く、電圧も高いために発熱量が大きいという問題があっ
た。また、これらの半導体レーザは通常はサファイア基
板の上に形成されるが、基板の熱抵抗が高いために、放
熱が問題となっていた。さらに、サファイアは絶縁体で
あるために、ＧａＡｓやＩｎＰを基板とした半導体レー
ザで採用されているような、基板と反対側をヒートシン
ク（放熱器）にアップサイドダウンにマウントする方法
も採用することが困難であった。これに対して、本発明
によれば、バッファ層として用いるＡｌＮはサファイア
やＧａＮよりも熱伝導率が大幅に高く、ある程度の膜厚
のＡｌＮバッファ層を基板と素子構造体との間に挿入す
ることにより放熱特性を大幅に改善できる。ストライプ
幅が２〜３．５ミクロンの場合を例に挙げると、ＡｌＮ
膜厚は１ミクロン以上で熱抵抗の低減の効果が得られ、
２ミクロン以上で顕著となる。しかし、５ミクロン以上
とすると、「そり」が生じ、１０ミクロン以上では高密
度のひび割れが生ずる傾向がみられた。また、ＡｌＮの
上に形成するｎ側電極形成用のｎ型ＧａＮ層は、通常は
欠陥低減のために３ミクロン以上の厚さに形成する必要
があるが、本発明によれば、高品質のＡｌＮバッファ層
の上に形成するので、このような厚膜とする必要がな
く、１〜２ミクロン程度と薄膜化することができる。

【００４５】なお、本実施例においては、バッファ層１
２、１３としてはＡｌＮ層を用いたが、この代わりにＡ
ｌ組成が８０％以上のＡｌＧａＮを用いてもよく、同様
の効果を期待できる。しかし、この場合はＡｌＮと比較
して表面の平坦性が劣化する傾向がある。

【００４６】図６は、本発明の第２の実施例にかかる半
導体レーザダイオードを表す概略断面図である。本実施
例は、前述の第１実施例と類似した構成を有するので、
同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略す
る。

【００４７】本実施例の特徴は、活性層３５’としてＧ
ａＮ層を用いている点と、中間コンタクト層３８にｐ側
電極１１０を直接接触させている点にある。

【００４８】本発明によれば、第１のバッファ層１２と
第２のバッファ層１３とを設けることにより、素子構造
の結晶性を大幅に改善することができるので、従来困難
とされていた高品質のＧａＮを活性層として用いること
が可能となる。その結果として、従来は困難であった短
波長領域での高効率の発光を実現することができる。

【００４９】また、同様に、中間コンタクト層３９の結
晶性も従来よりも大幅に改善することができるので、そ
の上にコンタクト層を設けることなく、ｐ側電極１１０
を接触させて十分に低い接触抵抗を実現することができ
る。

【００５０】図７は、本発明の第３の実施例にかかる半
導体レーザを表す概略断面図である。

【００５１】また、図８は、本発明の第４の実施例にか
かる半導体レーザを表す概略断面図である。これらの実
施例は、基板としてＳｉＣ（炭化シリコン）基板１１’
の（１１１）Ｓｉ面の上にバッファ層１２をはじめとす
る各層を形成した例である。それぞれの素子構造は、図
５、図６に関して前述した第１実施例と第２実施例と同
様であるので、同様の部分には同一の符号を付して詳細
な説明は省略する。

【００５２】これらの実施例においても、第１バッファ
層１２と第２バッファ層１３をそれぞれ設けたことによ
り、活性層３５やコンタクト層の結晶性を改善し、第１
実施例や第２実施例に関して前述したのと同様に、発光
効率の向上やしきい値の低下などの種々の効果を得るこ
とができる。

【００５３】図９は、本発明の第５の実施例にかかる発
光ダイオードを表す概略断面図である。すなわち、同図
の発光ダイオードは、サファイア基板１１のｃ面上に第
１のバッファ層１２としてＡｌＮ層（炭素濃度１×１０
¹⁹ｃｍ^-3 〜１×１０²⁰ｃｍ^- ³ 、層厚１０ｎｍ〜５００
ｎｍ）、ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎコンタクト層５１（Ｓ
ｉ，ＳｅまたはＳドープ、不純物濃度２×１０¹⁸〜３×
１０¹⁹ｃｍ^-3、層厚１〜５μｍ）、ｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ
_0.9 Ｎクラッド層５３（Ｓｉ，ＳｅまたはＳドープ、５
×１０¹⁷〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．３〜１．２μｍ）、
Ｇａ_l-×Ｉｎ×Ｎ活性層５４（１〜１０ｎｍ）、ｐ型Ａ
ｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎクラッド層５５（Ｍｇドープ、５×１
０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3、０．３〜０．７μｍ）、ｐ型
ＧａＮ（Ｍｇドープ、９×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．５μｍ）
コンタクト層５５が堆積され、ｐ側電極１６０としてＩ
ＴＯ（indium tim oxide：酸化インジウムすず）が堆積
され、ｎ側電極１７０として、Ｔｉ０．０５／Ｐｔ
０．０５μｍの積層膜が堆積されている。ここで、ｐ側
電極１６０としては、金（Ａｕ）やニッケル（Ｎｉ）な
どの金属を透光性を確保できるように薄く堆積しても良
い。

【００５４】また、ｐ側電極１６０とｎ側電極１７０に
は、それぞれ金（Ａｕ）のボンディング・パッド１８
０、１９０が接続されている。さらに、素子の表面は、
酸化シリコンや窒化シリコンなどの保護膜２００により
覆われている。

【００５５】本実施例の発光ダイオードは、面発光型の
素子であり、活性層５３から放出された光は、ｐ側電極
１６０を介して外部に取り出すことができる。

【００５６】一般に、発光ダイオードの場合には、前述
した半導体レーザと比較すると、活性層をはじめとする
各層の結晶性に対する許容度は緩やかである場合が多
い。従って、本実施例のように、第１のバッファ層１２
の上に素子構造を直接形成しても従来と比較して十分に
良好な特性を得ることが可能である。つまり、本実施例
によれば、第１のバッファ層１２として前述した各実施
例と同様のものを用いることにより、その上に形成する
各半導体層の結晶性を十分に良好なものとすることがで
きる。その結果として、前述した各実施例と同様に発光
効率が改善され、動作電圧や動作電流が低下し、素子の
寿命も伸ばすことができる。

【００５７】さらに、従来は、高い効率で発光させるこ
とが困難であった、窒化ガリウム（ＧａＮ）を活性層５
３に用いて、高い効率で発光させることが可能となる。
その結果として、従来よりも短い発光波長が得られ、こ
の短波長の発光を図示しない蛍光体により波長変換すれ
ば、可視光領域から赤外光の波長領域に渡って、適宜選
択した任意の波長の光を取り出すことができる。

【００５８】図１０は、本発明の第６の実施例にかかる
電子素子を表す概略断面図である。同図の電子素子は、
サファイア基板上にエピタキシャル成長したＳｉＣ層を
利用した電界効果トランジスタである。すなわち、サフ
ァイア基板１１の上に、第１のバッファ層１２としてＡ
ｌＮ層（炭素濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3 〜１×１０²⁰ｃｍ
^-3 、層厚１０ｎｍ〜５００ｎｍ）、第２のバッファ層
１３としてＡｌＮ単結晶層（炭素濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3
〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3 、０．１〜１０．０μｍ）、、Ｓ
ｉＣ層４１が形成され、その上にｎ型ＳｉＣ（窒素ドー
プ）層４１が形成されている。さらに、ゲート電極１３
０としてＴｉ（チタン）とアルミニウム（Ａｌ）の積層
構造が堆積され、また、ソース電極１４０とドレイン電
極１５０としてそれぞれニッケル（Ｎｉ）が堆積されて
いる。

【００５９】従来は、エピタキシャル成長したＳｉＣ層
においては、「マイクロパイプ」と呼ばれる穴が存在
し、高性能の半導体素子が得られないという問題があっ
た。これに対して、本発明によれば、独特のバッファ層
１２、１３を設けた結果として、ＳｉＣエピタキシャル
層にマイクロパイプは発生せず、良好な特性を有する電
界効果トランジスタを得ることができた。また、本発明
によれば、バッファ層１２、１３の材料として絶縁体の
ＡｌＮを用いることにより、電界効果トランジスタの寄
生容量を低下させ、容易に高性能が達成できる。

【００６０】なお、本実施例においてＳｉＣ層を成長す
る場合には、Ｃの原料としてプロパンガスを毎分１０ｃ
ｃ程度、Ｓｉ原料としてＳｉＨ₄ガスを毎分３ｃｃ程度
導入し、さらにｎ型のドーパントであるＮ（窒素）の原
料としてＮＨ₃ ガスを添加することにより、ｎ型ＳｉＣ
層を成長することができる。

【００６１】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体
例に限定されるものではない。例えば、基板として用い
ることができるものは前述したサファイアやＳｉＣに限
定されず、その他にも、例えば、スピネル、ＭｇＯ、Ｓ
ｃＡｌＭｇＯ₄、ＬａＳｒＧａＯ₄、（ＬａＳｒ）（Ａｌ
Ｔａ）Ｏ₃などの絶縁性基板や、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇａ
Ｎなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの効果を得
ることができる。ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ₄基板の場合
には、（０００１）面、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃
基板の場合には（１１１）面を用いることが望ましい。

【００６２】また、半導体素子の構造もその用途に応じ
て適宜選択変更することが可能であり、そのような場合
においても本発明を同様に適用して同様の効果を得るこ
とができる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、基板上に高炭素濃度を
有する第１のバッファ層と第２の高純度バッファ層とを
形成し、窒化物半導体やＳｉＣ層を成長することによ
り、低欠陥化がはかれ、ひび割れの発生が抑制されると
ともに、アクセプタ活性化率や発光層の発光効率の向上
がはかれ半導体レーザなどの特性が向上する。

【００６４】さらに、高いＶ／III比で素子構造を成長
させても異常成長が生ずることが無くなり、従来よりも
高品質の結晶を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体素子を概念的に説明する要部概
略断面図である。

【図２】良好な結果が得られたウェーハにおいて二次イ
オン質量分析法により得られた不純物濃度プロファイル
図である。

【図３】高濃度炭素含有層すなわち第１のバッファ層の
炭素濃度とバッファ層の表面に観察されるピット密度と
の関係を表すグラフ図である。

【図４】高濃度炭素含有層すなわち第１のバッファ層の
層厚とＡｌＮバッファ層表面で観測されるピット密度と
の関係を表すグラフ図である。

【図５】本発明による青色レーザダイオードを表す概略
断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例にかかる半導体レーザダ
イオードを表す概略断面図である。

【図７】本発明の第３の実施例にかかる半導体レーザを
表す概略断面図である。

【図８】本発明の第４の実施例にかかる半導体レーザを
表す概略断面図である。

【図９】本発明の第５の実施例にかかる発光ダイオード
を表す概略断面図である。

【図１０】本発明の第６の実施例にかかる電子素子を表
す概略断面図である。

【符号の説明】

１１、１１’ 基板１２第１のバッファ層１３第２のバッファ層１４、２１素子構造体３１格子緩和層３２、５１コンタクト層３３、５２クラッド層３４ガイド層３５、５３活性層３６ガイド層３７、５４クラッド層３８中間コンタクト層３９電流阻止層４０、５５コンタクト層４１ＳｉＣ層１１０〜１７０電極１８０、１９０電極パッド２００保護膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA03 AA11 AA43 CA22 CA33 CA34 CA57 CA58 5F073 CA17 CB04 CB05 CB08 CB19 EA28 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板上に単結晶Ａｌ_wＧａ_xＩｎ
_1-w-xＮ（０＜ｗ≦１、０≦ｘ≦１）からなる第１単結
晶層と単結晶Ａｌ_yＧａ_zＩｎ_1-y-zＮ（０＜ｙ≦１、０
≦ｚ≦１）からなる第２単結晶層とが形成され、これら
の層の上に形成された素子構造部を備えた半導体素子に
おいて、前記第１単結晶層の炭素濃度が前記第２単結晶層の炭素
濃度よりも高いことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】窒化物半導体からなる第１単結晶層と、前記第１単結晶層の上に設けられた半導体層からなる素
子構造部であって、前記第１単結晶層に面した層の炭素
濃度が前記第１単結晶層の炭素濃度よりも低い素子構造
部と、を備えたことを特徴とする半導体素子。
【請求項３】前記第１単結晶層及び前記素子構造部は、
単結晶基板上に順次設けられてなることを特徴とする請
求項２記載の半導体素子。
【請求項４】前記第１単結晶層がＡｌＮまたはＡｌＧａ
Ｎからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
つに記載の半導体素子。
【請求項５】前記第１単結晶層と前記第２単結晶層がそ
れぞれＡｌＮからなることを特徴とする請求項１記載の
半導体素子。
【請求項６】前記第１単結晶層の厚さが５ｎｍ以上で５
０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいず
れか１つに記載の半導体素子。
【請求項７】前記第１単結晶層の炭素濃度が３×１０¹⁸
ｃｍ^-3以上で３×１０²⁰ｃｍ^-3以下であることを特徴と
する請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項８】前記第１単結晶層と前記第２単結晶層の合
計の膜厚が１μｍ以上で１０μｍ以下であり、前記素子
構造部がレーザを構成することを特徴とする請求項１記
載の半導体素子。
【請求項９】前記第１単結晶層と前記第２単結晶層の合
計の膜厚が２μｍ以上で５０μｍ以下であることを特徴
とする請求項８記載の半導体素子。
【請求項１０】前記単結晶基板は、サファイアからなる
ことを特徴とする請求項１及び３〜９のいずれか１つに
記載の半導体素子。