JP3580169B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子、トランジスタ等に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）素子に係り、特に、３６５ｎｍ〜３９０ｎｍの特定の紫外領域に発光するか、若しくは受光感度を有する窒化物半導体素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は１．９５ｅＶ（ＩｎＮ）〜６．１６ｅＶ（ＡｌＮ）までのバンドギャップエネルギーを有する半導体材料として知られており、理論的には約６３３ｎｍ〜２０１ｎｍまでの発光、受光が可能である。本出願人はこの材料を用い、１９９３年１１月末、世界で初めて１ｃｄを超える青色ＬＥＤを実用化した。このＬＥＤは、ＺｎとＳｉとがドープされた膜厚０．２μｍ前後のＩｎＧａＮ層を発光層とするダブルへテロ構造を有していた。さらに本出願人はこのＬＥＤの活性層のＩｎ組成比を増加させて信号灯用青緑色ＬＥＤ、ディスプレイ用緑色ＬＥＤを実用化した。
【０００３】
このように、窒化物半導体素子の用途は、多岐にわたり、またこのようなニーズに対応するため、更なる素子特性向上が望まれている。一方、窒化物半導体は、一般に異種基板上に成長させること等、様々な要因から他の半導体素子にはみられない特有の問題が発生する。
【０００４】
その一つとして、静電耐圧が極めて低いことであり、実際にその取扱いにおいて、一般的な半導体素子に比べ過剰すぎるほどの注意を要し、そのための特別な対策が必要となり、深刻な問題となっている。このようなため、成長させる窒化物半導体の結晶性、表面モフォロジーを改善することに、多くの方法が検討されている。
【０００５】
更に、窒化物半導体は良好な結晶性が得られず素子の駆動が困難であった経緯があり、実用化された今でも、その結晶性は十分に満足のゆくものではない。そのため、結晶性の向上が僅かであっても、その素子特性向上に対しては、大きく寄与する。このため、窒化物半導体素子及びそれに用いる基板の結晶性の向上は、重要な課題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の窒化物半導体素子は、窒化物半導体と異なる材料の異種基板上に成長させるため、その格子定数差などにより、その結晶性、表面モフォロジーは、半導体素子を形成するために十分なものではなかった。このため、異種基板上に、低温で成長させた窒化物半導体のバッファ層を形成した後、窒化物半導体を成長させることで、そのような結晶性などの悪化を防ぐことが見いだされている。しかし、それでもまだ十分なものではなく、さらなる素子特性の向上のため、素子構造となる窒化物半導体の結晶性を改善する必要がある。
【０００７】
上述したように、異種基板上に成長させる窒化物半導体は、幾らかの結晶欠陥若しくは表面の凹凸を有している。これを完全には解決できず、これを改善するために設けられた層（下地層）を介して、ある程度改善した状態で初めて素子構造となる半導体層を成長させる。窒化物半導体は、成長を続けることでその結晶性若しくは表面の凹凸が改善される傾向にあり、すなわちある程度の膜厚以上に成長させることで、好ましい結晶、表面状態になる。しかし、窒化物半導体層を厚く成長させるには、製造において非常に時間が掛かる。また、下地層の窒化物半導体層を厚く形成すると、基板に反りが発生し、素子分離の際などに割れ・欠けなどの原因となる。
【０００８】
窒化物半導体をその結晶性、表面の凹凸などがある程度改善されるまで、厚膜で成長させたとしても、改善しない素子特性がある。その典型的な例として、静電耐圧がある。
【０００９】
窒化物半導体素子は、その他の素子に比べて、その静電耐圧が著しく低いことが挙げられる。通常、窒化物半導体の静電耐圧は数百〜５００Ｖ程度で、これは製造若しくはその使用において、深刻な問題を引き起こすものである。その上、Ａｌ含む窒化物半導体層を有する場合には、特にその静電耐圧が悪化する傾向にあり、１００Ｖに達しないものまで存在する。このように極めて低い静電耐圧では、極めて慎重な取扱いが要求され、そのような環境下で製造工程を経たとしても、多くの素子が破壊されることになる。従って、静電耐圧の向上は、例えその値が僅かなものであったとしても、製造歩留まり向上に大きく寄与するものである。
【００１０】
それに加えて、窒化物半導体素子は、それを構成する層の組成によりその結晶性、表面モフォロジーも異なる。特にＡｌを含む窒化物半導体層を有している場合には、その結晶性を悪化させるため、その層が素子中に含まれると結晶性を良好に保つことが困難である。すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させるために、その成長開始時の表面を良好なものとする必要がある。しかし、上記窒化物半導体の結晶性のため、ある程度窒化物半導体の結晶性、表面モフォロジーが改善されたところで、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させるため、素子の結晶性をそれ以上に向上させることは、困難となる。さらに、異種基板と活性層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体がある場合には、ｐ−ｎ接合付近の結晶性が必然的に悪くなるため、素子特性の悪化を招くものとなる。
【００１１】
窒化物半導体が実用化されたため、次なる課題は、歩留まりの向上、製造工程を簡略化して製造量を増大させることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、比較的薄い膜厚の下地層でもって、素子構造を構成する半導体層の良好な成長面となり、素子特性が良好で、簡略化された製造方法で得られる窒化物半導体素子を見いだし、上記課題を解決することができた。
【００１３】
すなわち、本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体（Ｉｎ X Ａｌ Y Ｇａ 1-X-Y Ｎ、０≦ X 、０≦ Y 、 X ＋ Y ≦１）からなるｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを順に備える。この窒化物半導体素子は、前記下地層が、窒化物半導体からなり多結晶を含むバッファ層と、その上にｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層とを備えている。さらに前記下地層と前記活性層の間に、ｎ型不純物がドープされた第１窒化物半導体素子層と、前記活性層と前記第１窒化物半導体素子層との間に、Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ（０＜ x ≦０．４）からなる第２窒化物半導体素子層とを備える。これにより、窒化物半導体素子を形成するための基板として良好な結晶性、表面モフォロジーとなる。
【００１４】
また、下地層が、前記第１窒化物半導体下地層の上にアンドープのＧａＮからなる第２窒化物半導体下地層を有することで、第１窒化物半導体下地層中のｐ型不純物が拡散するのを防止する拡散防止層として機能し、下地層の上に形成される窒化物半導体素子への影響を防ぐことが可能となる。
【００１５】
上記窒化物半導体基板の上に、素子構造となる窒化物半導体が成長されていることで、素子特性の向上、及びその基板に均一な下地層があることによる製造歩留まりの向上が達成された窒化物半導体素子が得られる。
【００１６】
更にまた、その素子構造となる窒化物半導体が、少なくとも窒化物半導体よりなる活性層を有し、該活性層と前記下地層との間であって、前記第１窒化物半導体下地層若しくは前記第２窒化物半導体下地層表面に形成されたｎ型不純物がドープされた第１窒化物半導体下地層を有することにより、良好な素子特性の窒化物半導体素子となる。これは、下地層と素子の活性層との間の層が、好適な成長により導電型の窒化物半導体層が形成されるため、素子全体の各層の結晶性を向上させ、ひいては素子特性を向上させるものである。
【００１７】
そして、前記活性層と前記第１窒化物半導体素子層との間に、第２窒化物半導体素子層とを有し、該第２窒化物半導体素子層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜x≦０．４）からなることで、活性層の下に比較的結晶性の悪いＡｌＧａＮ層を形成しても、成長開始面となる下地層が良好であるため、その結晶性の悪化を最小限に抑えられるため、その上に形成する活性層などの素子構造の成長を良好なものとすることができ、素子の特性が向上する。また、紫外領域に発光する発光素子である場合には、その極めて低い静電耐圧特性を大幅に向上でき、その製造において素子破壊の数が飛躍的に減少させることができる。
【００１８】
以上のように、本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体からなり多結晶を含むバッファ層と、ｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層と、ｎ型不純物がドープされたｎ型の窒化物半導体層とが順に積層された窒化物半導体素子であって、該ｎ型の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなることにより、良好な素子特性向上を達成でき、またその素子は、ばらつきが少なく、歩留まりの良好な状態で、製造できる。さらに前記第１窒化物半 導体素子層又は第２窒化物半導体素子層が、前記ｎ型窒化物半導体層を構成することもできる。さらにまた、前記第１窒化物半導体下地層は、好適にはＭｇをドープしたＧａＮ層とできる。さらに、前記窒化物半導体素子は、好適には紫外領域に発光する発光素子とできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の窒化物半導体基板、素子について説明する。
【００２０】
本発明の窒化物半導体基板は、異種基板の上に成長させた下地層を有するもので、下地層は、バッファ層と、ｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層を有するものである。以下、順を追って説明する。
【００２１】
（異種基板）
本発明に用いられる異種基板としては、従来知られているものを用いることができ、具体的には、サファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等がある。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。
【００２２】
また、窒化物半導体の成長方法としては、一般的に知られているＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等を適用できる。
【００２３】
（下地層）
次に、異種基板の上に下地層を形成する。本発明において下地層とは、素子構造となる各層を成長させる前に形成されるものであり、素子構造の成長面となる基板として機能する。本発明の下地層としては、少なくともバッファ層と、その上に形成するｐ型不純物がドープされた第１窒化物半導体下地層とを有するものである。詳しくは、バッファ層は、多結晶を含む窒化物半導体であり、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられ、好ましくはアンドープのＧａＮとすることで、異種基板と窒化物半導体との格子定数差などを比較的良好に緩和することができる。また、このバッファ層の形成方法は、具体的には、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚１０Å〜０．５μｍで成長させる。
【００２４】
バッファ層の上に成長させる第１窒化物半導体下地層は、窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）にｐ型不純物がドープされたものであり、好ましくはｐ型不純物をドープしたＧａＮとすることで、後述する表面の状態が最も良好なものとなる。窒化物半導体としては、そのｐ型不純物としては、Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｇが挙げられる。第２窒化物半導体下地層にドープするｐ型不純物として好ましくは、Ｍｇであり、ｐ型不純物の中で比較的膜厚が薄くても、良好な結晶性、表面の平坦性を実現できる。また、第２の窒化物半導体の膜厚としては、特に限定されないが、１μｍ程度であれば良好な基板の形成に十分であり、具体的には、０．１〜５μｍの範囲で形成する。なぜなら、０．１μｍ以下であると十分に平坦な表面が形成されず、５μｍ以上であると基板として厚くなりすぎるため、チップに分離する際に基板の反りの影響がでる。
【００２５】
本発明の下地層は、バッファ層と、その上の第１窒化物半導体下地層とを有することで、素子構造となる窒化物半導体を成長させるための良好な表面を提供する窒化物半導体基板となる。以下詳しく説明すると、従来、異種基板上に形成される下地層は、バッファ層だけ、又はその上にアンドープ若しくはｎ型不純物をドープした窒化物半導体を成長させたものであった。これは、異種基板上に窒化物半導体素子を形成するためには、結晶性、表面モフォロジーの良好な基板となる層（下地層）を介する必要があるためである。しかし、図４に観るように、このような従来の下地層では、その表面がピット等の凹凸を呈しており、その表面に素子構造を形成すると、素子特性を悪化させる原因となる。このような構造となるのには、バッファ層だけでは窒化物半導体の成長が可能になるだけで、良好な結晶性の確保にはいたらず、更に下地層として窒化物半導体の成長させることが必要とされたためである。この下地層の窒化物半導体は、バッファ層で解消できない結晶性、表面の平坦性を確保するために形成され、結晶性を良好なものとしていた。この時の窒化物半導体としては、アンドープの窒化物半導体層が、その中でも最も結晶性の良好なＧａＮが用いられてきた。このようなアンドープの窒化物半導体を成長させ続けることで、結晶性、表面の平坦性は改善される。しかし、図４に観るように、従来用いられてきた比較的薄い膜厚の下地層では、表面の凹凸が大幅には改善されず、それは素子特性に影響を与える程度のものであり、必ずしも十分ではない。このとき、膜厚を厚くすること、例えば５０μｍ以上に成長させることで結晶性、表面の平坦性は良好なものとなるが、これでは生産性が大きく低下し、またコストも大幅に増加する。
【００２６】
具体的には、窒化物半導体素子は、それとは材料の異なるサファイアなどの異種基板上に成長させるが、この際に異種基板との格子定数差などを緩和し、良好な結晶成長面を形成するために下地層が設けられる。下地層としては、低温で成長させたバッファ層があり、その他に窒化物半導体層を成長させたものもあり、これらを組み合わせたものが用いられる。例えば、下地層としてアンドープのＧａＮを形成し、ｎ型コンタクト層としてｎ型不純物をドープしたＧａＮを形成する場合には、ｎ型コンタクト層も下地層として機能する。これは、上述したように、ＧａＮが窒化物半導体の中では、良好な結晶成長が成されるためであり、成長させることにより、上記結晶性、表面の平坦性が改善されるためである。しかし、本発明の第１窒化物半導体下地層は、下地層に含まれるものであり、ｐ型不純物がドープされたものである。本発明では、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体層を下地層に有することで、ｐ型不純物をドープしない場合に比べて、異なった結晶性の下地層が得られる。これは、アンドープのものに比べて、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体は、少し異なった結晶成長が成されていると考えられ、そのためアンドープ若しくはｎ型不純物をドープした窒化物半導体では不可能な膜厚で良好な基板の形成ができるものと思われる。すなわち、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体層は、成長開始時において凹凸を有していても、成長するに従い表面を平坦にすることが優先的に行われていると考えられ、その表面は、平坦で良好な鏡面となる。このことにより確認される現象について、詳しくは後述するとおりである。
【００２７】
下地層の窒化物半導体層に、ｎ型不純物をドープするのでは、アンドープのものに比べて結晶性が悪化するだけで、ｐ型不純物をドープするような効果はない。従って、本発明において、第１窒化物半導体下地層は、ｐ型不純物だけがドープされていることが好ましい。
【００２８】
このように、下地層は素子構造を形成するための基板として用いるため、良好な基板を提供すると共に、製造工程が短縮されることを考慮して決定される。従って、図２に示すように本発明において下地層２０は、バッファ層２と第１窒化物半導体下地層３だけで構成されていても、素子構造２１を形成するための良好な基板となる。更には、製造工程を最小限にまで減らせるため、製造コストの削減が可能である。
【００２９】
ここで、本発明における第１窒化物半導体下地層にドープするｐ型不純物量としては、特に限定されないが、１×１０18〜１×１０20／cm3程度であれば、良好な基板の形成が可能である。これは、本発明における第１窒化物半導体下地層を有することによる効果が、ｐ型不純物濃度に依存する傾向が確認されていないことを指すものであって、上記範囲でドープされていれば十分にその効果を奏することができる傾向にある。
【００３０】
（第２窒化物半導体下地層）
本発明において、第２窒化物半導体下地層は、下地層を構成し、前記バッファ層、第１窒化物半導体下地層の上に形成されるものである。この第２窒化物半導体下地層があることにより、下地層の上に素子構造を形成する場合に、第２の窒化物半導体のｐ型不純物が素子構造側へ拡散するのを防止することができる。具体的には、図３に示すように、下地層の上に素子構造のｎ側コンタクト層となるｎ型不純物をドープした窒化物半導体層５を形成すると、前記第２窒化物半導体下地層４がない場合では、第１窒化物半導体下地層２からｐ型不純物が拡散し、図で示すｎ型不純物ドープした窒化物半導体層５の中に拡散し、お互いに補償するため抵抗値が上がる。このため、ｎ電極の形成層として、ｎ型不純物をドープした窒化物半導体層５は、好ましいものでなくなる。また、下地層の表面に直接ｎ型不純物をドープした窒化物半導体層を形成しない場合でも、素子構造、特に各層の不純物ドープ量を制御するために、ｐ型不純物の拡散を防止することは好ましい。
【００３１】
以上説明してきたように、本発明において、下地層は少なくともバッファ層とその上に第１窒化物半導体下地層を有していれば良く、好ましくは、異種基板表面に接して、バッファ層を、更にそのバッファ層表面に接して第１窒化物半導体下地層を形成して下地層とすることで、最も製造工数が少なくすることができる。なぜなら、下地層は、その他の層を有していても良いが、例えばアンドープのＧａＮをバッファ層と第１窒化物半導体下地層との間に形成しても、下地層の表面の平坦性、結晶性は上述したように鈍い改善であるため、このような層の有無による本発明の下地層への効果はほとんどない傾向にあるからである。
【００３２】
（窒化物半導体素子）
本発明において、上述した下地層を有する窒化物半導体基板を用いることで、良好な結晶性を維持して素子構造となる半導体層を成長させることができる。すなわち、下地層の良好な結晶性、表面の平坦性を基に、素子構造を成長させることができるため、素子特性特に素子寿命の向上が観られる。窒化物半導体素子としては、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）からなる層を素子構造として、下地層の表面に成長させたものである。
【００３３】
（発光素子）
上述した窒化物半導体素子がｐ−ｎ接合部を有するものである場合には、特にその周辺部の結晶性に素子特性が大きく依存する場合がある。詳しくは、発光素子である場合に、下地層と活性層との間の層を結晶性を良好に成長させる理由は、良好なＶｆ若しくは閾値を有する発光素子の形成に貢献するものだからである。この時、下地層と活性層との間に、結晶性の比較的悪いＡｌを含む窒化物半導体層を有する場合には、上記ｐ−ｎ接合部の結晶性に悪影響を与える。しかし、本発明の上記下地層を有する窒化物半導体基板に素子を成長させることで、Ａｌを含む窒化物半導体であっても、良好なｐ−ｎ接合部の形成が可能である。これは、本発明の窒化物半導体基板が良好な結晶性、表面の平坦性を有しているため、その上に直接、又は比較的結晶性の良好なＧａＮ等を介して、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長させると、素子の結晶性の悪化を最小限に抑え、従来と比較して良好なｐ−ｎ接合部の形成が可能となるためである。このＡｌを含む窒化物半導体層は、発光素子、レーザ素子などに多用されているため、このような効果は有用なものである。この時、Ａｌを含む窒化物半導体としては、特に限定されないが、具体的にはＡｌＧａＮのアンドープ、ｐ型、ｎ型不純物をドープしたもので、良好な結晶性の改善が観られる傾向にある。
【００３４】
ここで、上述したように本発明の下地層の表面に、素子構造を構成するｎ型不純物ドープした窒化物半導体層を成長させた素子について説明する。下地層として、バッファ層と、ｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層、若しくは更にその上にアンドープのＧａＮを有し、その下地層の上に素子構造となるｎ型不純物ドープが窒化物半導体を成長させた窒化物半導体素子では、良好な製造歩留まりで製造でき、コストの削減が可能となる。これは、上述したように、下地層にバッファ層とその上の第１窒化物半導体下地層を有することで、従来では不可能であった薄い膜厚で、素子構造を形成するための良好な基板表面が提供されるためである。そのため、その下地層表面に、アンドープのものに比べて結晶性の劣るｎ型不純物ドープの窒化物半導体層において良好な結晶成長を可能にし、この層を素子構造とする場合には、良好な導電性を有するものとなる。なぜなら、上述したように従来における素子形成の基板表面が、平坦性を欠いたままで、素子として機能する層を成長させ、その表面の平坦性を改善するため、基板表面に成長させた窒化物半導体層は、結晶性及び表面の平坦性が改善が充分でないため、最良の状態で結晶成長がなされていないからである。更に好ましくは、上記バッファ層と、その上にｐ型不純物ドープの窒化物半導体層とｎ型不純物ドープの窒化物半導体層との間に、アンドープのＧａＮを有することである。このアンドープのＧａＮは、ｐ型不純物ドープの窒化物半導体層の上に形成されるため、すなわち良好な結晶性、表面の平坦性が確保された状態であるため、素子構造として形成されても良く、下地層として形成されていても良い。このアンドープのＧａＮがあることにより、上述したように下地層中のｐ型不純物が素子を構成する層の成長中に素子内へ拡散することを防ぐことができる。
【００３５】
（第１窒化物半導体素子層）
上述したように本発明の第１窒化物半導体素子層は、ｎ型不純物がドープされ、下地層の上に形成され、素子構造を構成し、下地層と活性層との間に形成されるものである。本発明の第１導電型の窒化物半導体にドープされるｎ型不純物としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等が挙げられ、好ましくはＳｉ若しくはＧｅ、さらに好ましくはＳｉである。なぜなら、ｎ型不純物の中でも、Ｓｉ、Ｇｅが好ましい導電性を有し、その中でもＳｉがより好ましいためである。具体的には、第１窒化物半導体素子層は、ｎ型不純物ドープ層をｎ側コンタクト層とし、電極形成層にすることが好ましい。なぜなら、下地層に近い側に形成されるため結晶性が良好な状態で形成することができ、そのため最も好ましくは、下地層表面に形成することである。逆にいうと、既に本発明の下地層があることにより、鏡面で結晶性の良好な基板表面が提供されているため、何らかの層を介在させる必要はなく、下地層表面に直接第１導電型の窒化物半導体を形成することで、良好な素子として機能する、すなわちその層を電極形成層とするに足るものである。従って、本発明の窒化物半導体素子では、下地層の上に第１窒化物半導体素子層を形成することが素子特性において好ましく、更に下地層表面に直接形成することで、工程を簡略化できコスト削減において好ましい。また、組成としては、結晶性の良好なＧａＮが好ましく用いることができ、その他にもＩｎ、Ａｌを含むものであっても良い。
【００３６】
また、本発明でアンドープの窒化物半導体層とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば原料に含まれる不純物、反応装置内のコンタミネーション、意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する。また、第１窒化物半導体素子層は、単一の膜、若しくは不純物量、混晶比等が異なる多層膜であっても良い。
【００３７】
（紫外線発光素子）
更に、上記窒化物半導体基板と活性層との間に、上記Ａｌを含む窒化物半導体層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．４）である紫外領域に発光する素子では、新たに顕著な効果を奏する。それは、従来の紫外領域の発光素子は、極めて低い静電耐圧であったのが、大幅に向上し、２００〜３００Ｖにまで向上することである。詳しく説明すると、従来の紫外領域の発光素子では、そのほとんどが１００Ｖ程度若しくは、それを下回るものであり、これは発光素子の製造工程において、素子が破壊される危険性のある静電耐圧である。すなわち、このような静電耐圧の極めて低い従来の発光素子では、製造歩留まりを大きく低下させる要因となっていた。しかし、本発明の下地層を用いることで、静電耐圧は向上し、それは従来の様な製造歩留まりの低下を回避できるものである。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体ＡｌxＧａ1-xＮにおいて、ｘが０．１５〜０．２の範囲にある場合には、従来のものはその静電耐圧が極めて低く、そのため、静電耐圧が上記範囲にまで向上した本発明の窒化物半導体素子は、その取扱い易さが飛躍的に向上し、素子破壊を大幅に改善でき、製造歩留まりも顕著な向上を示すものとなる。
【００３８】
（第２窒化物半導体素子層）
本発明において第２窒化物半導体素子層は、上述したＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．４）層であり、下地層と活性層との間で、第１窒化物半導体素子層より上に形成される。混晶比ｘが０．１５〜０．２の範囲にある場合には、特に静電耐圧の向上が顕著となる。第２導電型の窒化物半導体としては、単一の層であっても多層膜であっても良く、互いにバンドギャップエネルギーが異なる２種類の窒化物半導体層が積層されてなるか、若しくは同一組成の窒化物半導体層が積層されてなる超格子構造としても良い。また、図３に示すように下地層の上であって、第１窒化物半導体素子層より上に形成されるものであり、ｎ側クラッド層等として、その上の活性層と好ましいオフセットを確保でき、発光素子において、有用なものである。
【００３９】
以上説明してきたように、本発明の下地層を用いることで、比較的薄い膜厚で、窒化物半導体を成長させるための良好な基板を形成することができるため、素子構造の形成までの製造工程が短縮できる。また、従来のものより良好な基板の上に、素子が形成されるため素子特性も向上し、ウェーハ当たりの歩留まりも向上する。これは、図４（ｂ）の斜線部で結晶の状態の違いを示すように、従来の基板では、ウェーハの中央部から端部にかけてその成長にむらがあり、この上に素子構造を形成してもその傾向は引き継がれるため、ウェーハ端部の素子が良好なものとならない傾向があった。詳しく説明すると、下地層がアンドープ若しくは、ｎ型不純物ドープの窒化物半導体層では、比較的薄い膜厚では、表面の凹凸が目立ち、良好なものではない。図４（ｂ）は、そのような表面の凹凸が主に関係して、ウェーハを観察すると凹凸有する表面が斜線部で示すように白濁している。特に、下地層を構成する窒化物半導体層の膜厚が薄い、具体的には５μｍ以下では、ウェーハ、特に端部が白濁しており、ウェーハ全体にわたって良好な素子の形成が困難である。このように、従来のアンドープ、ｎ型不純物の窒化物半導体を用いた下地層では、少なくとも５μｍ以下で白濁領域が確認される。このことは、従来の下地層では、ウェーハ全体にその成長、結晶性、表面の平坦性にむらがあることを示唆するものである。このような現象は、制御の比較的困難な気相成長であることに起因するが、その条件を変えても程度の大小に変化があるものの、根本的な解決に至るものではない。
【００４０】
しかし、本発明では、鏡面でウェーハ全体にわたって従来と比較して均一な窒化物半導体基板が形成され、その上に素子が形成されるため歩留まりが向上する。すなわち、従来では不可能な５μｍ以下の下地層の膜厚で、上記白濁領域が完全に無くなる。さらに驚くべきは、そのような白濁領域は、１μｍ以下の膜厚であっても十分に解消されていることである。これは、本発明の下地層、特に第１窒化物半導体下地層が、従来とは異なる成長形態であることを示唆するものであり、比較的凹凸を有する表面に第１の窒化物半導体を成長させると、膜厚方向に成長するよりも、結晶性の改善、表面の平坦性の確保が優先されることと考えられる。この優先と度合いが、良好な基板表面を形成するに至る膜厚を決めるものと考えられ、ｐ型不純物の中でもＭｇが最も良好な成長形態を示す。その他の上記ｐ型不純物であるＺｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃｒでは、Ｍｇに劣るものの、従来に比べて良好な成長形態を示す傾向にある。ここで、ｐ型不純物として上記元素が複数選ばれても、良好な第１窒化物半導体下地層が形成される傾向にある。
【００４１】
【実施例】
［実施例１］
図５は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図をもとに、本発明の素子の製造方法について述べる。
【００４２】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を、反応容器内において水素雰囲気中、１０５０℃で表面のクリーニングを行う。
【００４３】
（バッファ層１０２）
続いて、下地層として、水素雰囲気中、５１０℃で、アンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、基板１上にＧａＮよりなる低温成長バッファ層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４４】
（第１窒化物半導体下地層１０３）
バッファ層２成長後、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用い、Ｍｇを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮ層よりなる第１窒化物半導体下地層を１μｍの膜厚で成長させる。この時、バッファ層１０２の上に別の窒化物半導体層を介して成長させても良い。次にアンモニアとＴＭＧを用い、アンドープのＧａＮ（第２窒化物半導体下地層）を１μｍの膜厚で成長させる。以上を下地層として、次に素子構造となる窒化物半導体層を成長させる。また、この時得られたウェーハを装置から取り出し、観察したところその表面は良好な鏡面であり、ウェーハ全体に均一に窒化物半導体基板が形成されていた。
【００４５】
（窒化物半導体発光素子）
（ｎ側コンタクト層１０４）
１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、シラン（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを１×１０18／cm3以上ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層（第１窒化物半導体素子層）１０４を２μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層は、ｎ電極を形成するための層であり、ｎ型不純物をドープしたＧａＮとすると高キャリア濃度、低抵抗率の層が得られやすくｎ電極と好ましいオーミックが得られやすい。またこの層を不純物を変調ドープした超格子層としても良い。
【００４６】
（ｎ側クラッド層１０５）
次に１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）アンモニア、シランを用い、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ側クラッド層１０５を４５０オングストロームの膜厚で形成する。
【００４７】
（活性層１０６）
次に窒素雰囲気中、７００℃でＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる活性層を４００オングストロームの膜厚で成長させる。なおこの活性層ＩｎaＧａ1-aＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は式Ｅｇ＝１．９６・a＋３．４(1-a)−a・(1-a)により算出できる。発光波長λは１２４０／Ｅｇに相当する。
【００４８】
（ｐ側クラッド層１０７）
次に水素雰囲気中、１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｐ側クラッド層７を６００オングストロームの膜厚で成長させる。なお窒化物半導体にドープするｐ型不純物としてはＭｇの他にＣａ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ等のII族元素が挙げられるが、Ｍｇが最も一般的に使用されている。
【００４９】
（ｐ側コンタクト層１０８）
続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇで、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０８を０．１２μｍの膜厚で成長させる。このｐ側コンタクト層１０８はｐ電極を形成するための層であって、ｐ型不純物をドープしたＧａＮとすると、ｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。このｐ側コンタクト層の膜厚は通常１００Å〜１μｍの範囲に調整することが望ましい。
【００５０】
成長終了後、窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化した後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１０８の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ側コンタクト層１０４の表面を露出させる。
【００５１】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極１０９と、そのｐ電極１０９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１１０を０．２μｍの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させたｎ型不純物ドープした窒化物半導体層１０４（第１窒化物半導体素子層）の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１１を形成する。最後にｐ電極１０９の表面を保護するためにＳｉＯ2よりなる絶縁膜１１２を図１に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。
【００５２】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、およそ３６８ｎｍの発光を示し、Ｖｆは３．４Ｖ、出力は５ｍＷと、良好な出力を示した。更に、ウェーハ当たりの歩留まりも向上しており、ウェーハから得られる素子ごとの出力特性も平均的に向上していた。また、静電耐圧も３００Ｖと比較例１に示す素子に比べて、大幅に向上しているものであった。
【００５３】
［実施例２］
ｎ側クラッド層（第２窒化物半導体素子層）がＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎであることを除いて実施例１と同様にして発光素子を形成した。得られた発光素子は、実施例１と同様に良好な発光特性を有するものであり、静電耐圧も同程度に向上していた。このことは、従来の発光素子では、上記ｎ側クラッド層の組成、すなわちＡｌ混晶比が高くなれば、その静電耐圧は大きく低下（１００Ｖ未満）する傾向にあったが、それを大幅に改善できたことを示すものである。
【００５４】
［実施例３］
下地層がアンドープのＧａＮを有していないことを除いて実施例１と同様にして発光素子を形成した。得られた発光素子は、実施例１に比べて僅かに劣るものの良好な発光特性を有するものであった。また、実施例１に比べ素子特性のばらつきが多くなっていた。
【００５５】
［実施例４］
実施例１と同様にしてサファイアの上に下地層を形成した後、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮ３μｍからなるｎ側コンタクト層、アンドープＧａＮ０．１５μｍからなるｎ側クラッド層、アンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層を３０Åの膜厚で成長させた活性層、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を積層した後、実施例１と同様にして、ｎ，ｐ電極を形成し、発光素子を形成した。得られた発光素子は、従来に比べて発光特性が向上しており、また素子のばらつきも少なく、歩留まりも向上した。
【００５６】
［比較例１］
下地層として、ＭｇドープＧａＮ層を形成せずに、バッファ層に直接アンドープＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で成長させたものを下地層として用いる以外は、実施例１と同様にして、窒化物半導体発光素子を得た。得られた発光素子は、静電耐圧が７５Ｖと非常に低く、その製造において素子破壊されているものもあった。また、ウェーハ当たりの素子のばらつきが多く、製造歩留まりを低下させるものであった。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板は、従来にない良好な結晶性、表面の平坦性を比較的簡略化された製造により形成されるため、それにより得られる素子も素子特性が向上している。
【００５８】
また、本発明の下地層は従来と異なり、ウェーハ全体の広い領域において、均一な表面の形成が可能であり、製造歩留まりも向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板を説明する模式断面図。
【図２】本発明に係る窒化物半導体基板を説明する模式断面図。
【図３】本発明に係る窒化物半導体基板を説明する模式断面図。
【図４】従来の基板を説明する模式図。
【図５】本発明の一実施例に係る発光素子の模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・・異種基板
２・・・・・バッファ層
３・・・・・第１窒化物半導体下地層（ｐ型不純物ドープ）
４・・・・・第２窒化物半導体下地層（アンドープ）
５・・・・・第１窒化物半導体素子層（ｎ型不純物ドープ）
６・・・・・第２窒化物半導体素子層（ＡｌＧａＮ）
１０・・・・下地層
１１・・・・素子構造
１２・・・・従来の窒化物半導体の下地層
１３・・・・ウェーハ
１４・・・・白濁領域
１５・・・・オリエンテーションフラット面[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a nitride semiconductor (In) used for a light emitting element such as a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), a solar cell, an optical sensor, a light receiving element, and a transistor.XAlYGa1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) The present invention relates to a device, and more particularly to a structure of a nitride semiconductor device which emits light in a specific ultraviolet region of 365 nm to 390 nm or has light receiving sensitivity.
[0002]
[Prior art]
A nitride semiconductor is known as a semiconductor material having a band gap energy of 1.95 eV (InN) to 6.16 eV (AlN), and can theoretically emit and receive light of about 633 nm to 201 nm. Using this material, the applicant has commercialized a blue LED exceeding 1 cd for the first time in the world at the end of November 1993. This LED had a double hetero structure in which a light emitting layer was an InGaN layer doped with Zn and Si and having a thickness of about 0.2 μm. Furthermore, the present applicant has increased the In composition ratio of the active layer of this LED to commercialize a blue-green LED for a signal lamp and a green LED for a display.
[0003]
As described above, the uses of the nitride semiconductor device are diversified, and in order to meet such needs, further improvement in device characteristics is desired. On the other hand, nitride semiconductors have a specific problem not found in other semiconductor devices due to various factors, such as growth on a heterogeneous substrate.
[0004]
One of them is that the electrostatic withstand voltage is extremely low, and in handling it, it is necessary to pay too much attention compared to general semiconductor devices, and special measures for that are necessary, which is a serious problem. Has become. For this reason, many methods have been studied to improve the crystallinity and surface morphology of the nitride semiconductor to be grown.
[0005]
Furthermore, nitride semiconductors have not been able to obtain good crystallinity, and it has been difficult to drive devices. Even now, nitride semiconductors are not sufficiently satisfactory in crystallinity. Therefore, even if the improvement in crystallinity is slight, it greatly contributes to the improvement in device characteristics. For this reason, improvement of the crystallinity of the nitride semiconductor device and the substrate used therein is an important issue.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional nitride semiconductor device is grown on a heterogeneous substrate made of a different material from the nitride semiconductor. It was not enough. For this reason, it has been found that by forming a nitride semiconductor buffer layer grown at a low temperature on a heterogeneous substrate and then growing the nitride semiconductor, such deterioration in crystallinity and the like can be prevented. However, this is still not sufficient, and it is necessary to improve the crystallinity of the nitride semiconductor that forms the element structure in order to further improve the element characteristics.
[0007]
As described above, a nitride semiconductor grown on a heterogeneous substrate has some crystal defects or surface irregularities. This cannot be completely solved, and a semiconductor layer having an element structure is grown for the first time with a certain degree of improvement through a layer (underlayer) provided to improve this. The crystallinity or surface unevenness of the nitride semiconductor tends to be improved by continuing the growth, that is, by growing the nitride semiconductor to a certain film thickness or more, a preferable crystal and surface state are obtained. However, it takes a very long time to manufacture the nitride semiconductor layer in order to grow it thickly. Further, when the nitride semiconductor layer as the underlayer is formed thick, the substrate is warped, which may cause cracking or chipping at the time of element isolation or the like.
[0008]
Even if a nitride semiconductor is grown as a thick film until its crystallinity, surface irregularities and the like are improved to some extent, there are device characteristics that are not improved. A typical example is an electrostatic breakdown voltage.
[0009]
Nitride semiconductor devices have a significantly lower electrostatic withstand voltage than other devices. Usually, the electrostatic breakdown voltage of nitride semiconductors is on the order of several hundreds to 500 V, which causes serious problems in production or use thereof. In addition, when a nitride semiconductor layer containing Al is provided, its electrostatic breakdown voltage tends to be particularly deteriorated, and there are some which do not reach 100V. With such an extremely low electrostatic withstand voltage, extremely careful handling is required, and many elements will be destroyed even after undergoing a manufacturing process in such an environment. Therefore, the improvement of the electrostatic withstand voltage greatly contributes to the improvement of the manufacturing yield even if the value is slight.
[0010]
In addition, the nitride semiconductor element has its crystallinity and surface morphology depending on the composition of the constituent layers.BGee is also different. In particular, when a nitride semiconductor layer containing Al is included, the crystallinity is deteriorated. Therefore, when the layer is included in an element, it is difficult to maintain good crystallinity. That is, in order to grow a nitride semiconductor layer containing Al, it is necessary to improve the surface at the start of the growth. However, where the crystallinity and surface morphology of the nitride semiconductor are improved to some extent due to the crystallinity of the nitride semiconductor, the crystallinity of the element is further improved because the nitride semiconductor layer containing Al is grown. It becomes difficult. Furthermore, if there is a nitride semiconductor containing Al between the heterogeneous substrate and the active layer, the crystallinity near the pn junction is inevitably deteriorated, resulting in deterioration of device characteristics.
[0011]
Since nitride semiconductors have been put to practical use, the next issues are to improve yield and simplify the manufacturing process to increase the manufacturing amount.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has a relatively thin underlayer to provide a good growth surface of a semiconductor layer constituting an element structure, and has excellent element characteristics and is simplified. The present inventors have found a nitride semiconductor device obtained by the above manufacturing method, and have solved the above-mentioned problems.
[0013]
That is, the present inventionThe nitride semiconductor device is formed by forming a nitride semiconductor (In) on a nitride semiconductor substrate. X Al Y Ga 1-XY N, 0 ≦ X , 0 ≦ Y , X + Y ≦ 1), an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer. In this nitride semiconductor device, the underlayer includes a buffer layer made of a nitride semiconductor and containing polycrystal, and a first nitride semiconductor underlayer doped with a p-type impurity thereon. A first nitride semiconductor element layer doped with an n-type impurity between the underlayer and the active layer; and an Al layer between the active layer and the first nitride semiconductor element layer. x Ga 1-x N (0 < x ≦ 0.4). This allowsGood crystallinity and surface morphology as a substrate for forming a nitride semiconductor device.
[0014]
Further, the underlayer isFirst nitride semiconductor underlayerOf undoped GaN onSecond nitride semiconductor underlayerBy havingFirst nitride semiconductor underlayerIt functions as a diffusion prevention layer for preventing diffusion of p-type impurities therein, and can prevent an influence on a nitride semiconductor element formed on the underlying layer.
[0015]
A nitride semiconductor having an element structure is grown on the nitride semiconductor substrate, thereby improving the element characteristics and improving the production yield by providing a uniform underlayer on the substrate. A semiconductor device is obtained.
[0016]
Furthermore, the nitride semiconductor having the element structure has at least an active layer made of a nitride semiconductor, and between the active layer and the underlayer,First nitride semiconductor underlayerOr the aboveSecond nitride semiconductor underlayerN-type impurities formed on the surface are dopedFirst nitride semiconductor underlayer, A nitride semiconductor device having good device characteristics can be obtained. This is because a layer between the underlying layer and the active layer of the device forms a conductive type nitride semiconductor layer by suitable growth, thereby improving the crystallinity of each layer of the entire device and consequently improving the device characteristics. It is to let.
[0017]
And the active layer and theFirst nitride semiconductor device layerBetweenSecond nitride semiconductor device layerHaving theSecond nitride semiconductor device layerIs AlxGa1-xWhen N (0 <x ≦ 0.4) is used, even if an AlGaN layer having relatively poor crystallinity is formed under the active layer, the underlying layer serving as a growth start surface is good, Is minimized, the growth of the element structure such as the active layer formed thereon can be improved, and the characteristics of the element are improved. In the case of a light-emitting element that emits light in the ultraviolet region, its extremely low electrostatic withstand voltage characteristic can be greatly improved, and the number of element destructions can be drastically reduced in its manufacture.
[0018]
As described above, the nitride semiconductor device of the present invention has a buffer layer made of a nitride semiconductor and containing a polycrystal, a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity, and an n-type impurity doped with an n-type impurity. A nitride semiconductor element in which a nitride semiconductor layer and a nitride semiconductor layer are sequentially stacked, and by forming an n-electrode on the n-type nitride semiconductor layer, excellent element characteristics can be improved. It can be manufactured with little variation and good yield.Further, the first nitride half A conductor element layer or a second nitride semiconductor element layer may constitute the n-type nitride semiconductor layer. Furthermore, the first nitride semiconductor underlayer can be preferably a GaN layer doped with Mg. Further, the nitride semiconductor device can be a light-emitting device that preferably emits light in an ultraviolet region.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the nitride semiconductor substrate and the device of the present invention will be described.
[0020]
The nitride semiconductor substrate of the present invention has a base layer grown on a heterogeneous substrate, and the base layer is doped with a buffer layer and a p-type impurity.First nitride semiconductor underlayerIt has. Hereinafter, description will be made in order.
[0021]
(Different substrates)
As the heterogeneous substrate used in the present invention, a conventionally known substrate can be used. Specifically, in addition to the sapphire C plane, sapphire having an R plane and an A plane as main planes and spinel (MgA12 O4) can be used. Such an insulating substrate, an oxide substrate that lattice-matches with SiC (including 6H, 4H, and 3C), ZnS, ZnO, GaAs, Si, and a nitride semiconductor may be used. Preferred heterosubstrates include sapphire and spinel.
[0022]
Further, as a method for growing a nitride semiconductor, generally known MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy), HVPE (halide vapor phase epitaxy), MBE (molecular beam epitaxy) or the like can be applied.
[0023]
(Underlayer)
Next, a base layer is formed on the heterogeneous substrate. In the present invention, the underlayer is formed before growing each layer having an element structure, and functions as a substrate which becomes a growth surface of the element structure. As the underlayer of the present invention, at least a buffer layer and a p-type impurity formed thereon are doped.First nitride semiconductor underlayerAnd More specifically, the buffer layer is a nitride semiconductor containing polycrystal, and AlN, GaN, AlGaN, InGaN, or the like is used. Preferably, the buffer layer is made of undoped GaN, so that a difference in lattice constant between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor is obtained. Etc. can be reduced relatively favorably. More specifically, in the method of forming the buffer layer, the buffer layer is grown at a temperature of 900 ° C. or less and 300 ° C. or more with a film thickness of 10 ° to 0.5 μm.
[0024]
Grow on buffer layerFirst nitride semiconductor underlayerAre nitride semiconductors (InXAlYGa1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) doped with a p-type impurity, and preferably GaN doped with a p-type impurity, so that the surface condition described below is the best. It becomes. Examples of the nitride semiconductor include p-type impurities such as Zn, Be, Mn, Cr, and Mg.Second nitride semiconductor underlayerMg is preferably used as the p-type impurity to be doped into the semiconductor, and excellent crystallinity and surface flatness can be realized even if the thickness is relatively small among the p-type impurities. In addition, the thickness of the second nitride semiconductor is not particularly limited, but about 1 μm is sufficient for forming a good substrate, and specifically, is formed in the range of 0.1 to 5 μm. If the thickness is less than 0.1 μm, a sufficiently flat surface is not formed, and if the thickness is more than 5 μm, the substrate becomes too thick.
[0025]
The underlayer of the present invention comprises a buffer layer andFirst nitride semiconductor underlayerWith the above, a nitride semiconductor substrate providing a good surface for growing a nitride semiconductor having an element structure is provided. To be more specific, the underlayer formed on the heterogeneous substrate has been a buffer layer alone or a nitride semiconductor doped with an undoped or n-type impurity grown thereon. This is because in order to form a nitride semiconductor element on a heterogeneous substrate, it is necessary to interpose a layer (base layer) which becomes a substrate having good crystallinity and surface morphology. However, as shown in FIG. 4, the surface of such a conventional underlayer has irregularities such as pits, and forming an element structure on the surface causes deterioration of element characteristics. In order to achieve such a structure, the nitride semiconductor can be grown only with the buffer layer, but good crystallinity cannot be ensured. In addition, it is necessary to grow the nitride semiconductor as an underlayer. It is because it was. The nitride semiconductor of the underlayer is formed in order to secure crystallinity and surface flatness that cannot be eliminated by the buffer layer, and has good crystallinity. As the nitride semiconductor at this time, an undoped nitride semiconductor layer, of which GaN having the best crystallinity has been used. By continuously growing such an undoped nitride semiconductor, crystallinity and surface flatness are improved. However, as can be seen from FIG. 4, in the case of a conventionally used underlayer having a relatively small thickness, the surface irregularities are not significantly improved, which is a degree that affects the element characteristics, and is not always sufficient. is not. At this time, by increasing the film thickness, for example, by growing the film to a thickness of 50 μm or more, the crystallinity and the surface flatness are improved. However, this greatly reduces the productivity and significantly increases the cost.
[0026]
Specifically, a nitride semiconductor element is grown on a different kind of substrate such as sapphire, which is made of a different material. At this time, a lattice constant difference from the different kind of substrate is reduced, and a good crystal growth surface is formed. For this purpose, a base layer is provided. As the underlayer, there is a buffer layer grown at a low temperature, in addition, a nitride semiconductor layer is grown, and a combination of these is used. For example, when undoped GaN is formed as a base layer and GaN doped with an n-type impurity is formed as an n-type contact layer, the n-type contact layer also functions as a base layer. This is because, as described above, good crystal growth is achieved in GaN in the nitride semiconductor, and the crystallinity and surface flatness are improved by growing GaN. However, the present inventionFirst nitride semiconductor underlayerIs contained in the underlayer and is doped with a p-type impurity. In the present invention, by providing a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity in the underlayer, an underlayer having a different crystallinity can be obtained as compared with a case where the p-type impurity is not doped. This is thought to be due to the fact that the nitride semiconductor doped with the p-type impurity has a slightly different crystal growth than the undoped one, and is therefore impossible with the nitride semiconductor doped with the undoped or n-type impurity. It is considered that a good substrate can be formed with an appropriate film thickness. That is, even if the nitride semiconductor layer doped with the p-type impurity has irregularities at the start of growth, it is considered that the surface is preferentially flattened as it grows. A flat and good mirror surface. The phenomenon confirmed by this is described in detail later.
[0027]
Doping the underlayer nitride semiconductor layer with an n-type impurity only deteriorates the crystallinity as compared with the undoped nitride semiconductor layer, and has no effect of doping the p-type impurity. Therefore, in the present invention,First nitride semiconductor underlayerIs preferably doped only with a p-type impurity.
[0028]
As described above, since the underlayer is used as a substrate for forming an element structure, it is determined in consideration of providing a good substrate and shortening the manufacturing process. Therefore, as shown in FIG. 2, in the present invention, the underlayer 20First nitride semiconductor underlayerEven if it is composed of only 3, it is a good substrate for forming the element structure 21. Furthermore, since the number of manufacturing steps can be reduced to a minimum, manufacturing costs can be reduced.
[0029]
Here, in the present inventionFirst nitride semiconductor underlayerThe amount of the p-type impurity to be doped is not particularly limited.18~ 1 × 1020/cmThreeIf it is on the order, a good substrate can be formed. This is the inventionFirst nitride semiconductor underlayerThis means that the effect of having the above has not been confirmed to have a tendency to depend on the p-type impurity concentration, and the effect tends to be sufficiently exerted if doped in the above range.
[0030]
(Second nitride semiconductor underlayer)
In the present invention,Second nitride semiconductor underlayerConstitutes an underlayer, the buffer layer,First nitride semiconductor underlayerIs formed on the thisSecond nitride semiconductor underlayerAccordingly, when the element structure is formed on the base layer, it is possible to prevent the p-type impurity of the second nitride semiconductor from diffusing toward the element structure. More specifically, as shown in FIG. 3, when a nitride semiconductor layer 5 doped with an n-type impurity to be an n-side contact layer of an element structure is formed on a base layer,Second nitride semiconductor underlayerIf there is no 4,First nitride semiconductor underlayer2 diffuses into the p-type impurity, diffuses into the n-type impurity-doped nitride semiconductor layer 5 shown in the figure, and increases the resistance value to compensate for each other. Therefore, the nitride semiconductor layer 5 doped with an n-type impurity is not preferable as the formation layer of the n-electrode. Even when the nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity is not directly formed on the surface of the underlayer, it is preferable to prevent the diffusion of the p-type impurity in order to control the element structure, particularly the amount of impurity doping of each layer. .
[0031]
As described above, in the present invention, the underlayer comprises at least the buffer layer andFirst nitride semiconductor underlayerIt is preferable that the buffer layer is in contact with the surface of the heterogeneous substrate, and further in contact with the surface of the buffer layer.First nitride semiconductor underlayerIs formed as a base layer, the number of manufacturing steps can be minimized. This is because the underlayer may have another layer, but for example, undoped GaN is used as the buffer layer.First nitride semiconductor underlayerEven if formed between these layers, the flatness and crystallinity of the surface of the underlayer are dull improvements as described above, and thus the effect of the presence or absence of such a layer on the underlayer according to the present invention tends to be little. Because there is.
[0032]
(Nitride semiconductor device)
In the present invention, by using a nitride semiconductor substrate having the above-described base layer, a semiconductor layer having an element structure can be grown while maintaining good crystallinity. That is, since the element structure can be grown on the basis of the good crystallinity of the underlayer and the flatness of the surface, improvement in element characteristics, particularly, element life can be observed. As a nitride semiconductor device, specifically, InxAlyGa1-xyA layer composed of N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) is grown as an element structure on the surface of a base layer.
[0033]
(Light emitting element)
When the above-described nitride semiconductor device has a pn junction, the device characteristics may greatly depend on the crystallinity particularly in the peripheral portion. Specifically, in the case of a light-emitting element, the reason why the layer between the base layer and the active layer is grown with good crystallinity is that it contributes to formation of a light-emitting element having good Vf or a threshold. At this time, if a nitride semiconductor layer containing Al having relatively poor crystallinity is provided between the underlayer and the active layer, the crystallinity of the pn junction is adversely affected. However, by growing an element on the nitride semiconductor substrate having the underlayer according to the present invention, a good pn junction can be formed even with a nitride semiconductor containing Al. This is because the nitride semiconductor substrate of the present invention has good crystallinity and surface flatness, so that the nitride semiconductor containing Al can be directly formed thereon or through GaN or the like having relatively good crystallinity. This is because, when the semiconductor layer is grown, deterioration of the crystallinity of the element is minimized, and a better pn junction can be formed as compared with the related art. Since such nitride semiconductor layers containing Al are widely used in light emitting devices, laser devices, and the like, such effects are useful. At this time, the nitride semiconductor containing Al is not particularly limited, but is specifically an undoped, p-type, or n-type impurity of AlGaN, and a favorable improvement in crystallinity tends to be observed.
[0034]
Here, an element in which an n-type impurity-doped nitride semiconductor layer constituting an element structure is grown on the surface of the underlayer according to the present invention as described above will be described. As a base layer, a buffer layer and a p-type impurity were doped.First nitride semiconductor underlayerAlternatively, a nitride semiconductor device having undoped GaN thereon, and an n-type impurity doped with a device structure grown on the underlayer on which a nitride semiconductor is grown can be manufactured with a good manufacturing yield, and the cost can be reduced. Can be reduced. This is because, as described above, the buffer layer and theFirst nitride semiconductor underlayerThe reason for this is that a good substrate surface for forming an element structure can be provided with a thin film thickness that has been impossible in the related art. Therefore, on the surface of the underlayer, good crystal growth can be achieved in an n-type impurity-doped nitride semiconductor layer having lower crystallinity than that of an undoped one. It has the property. This is because, as described above, a nitride semiconductor grown on a substrate surface in order to grow a layer functioning as an element and improve the flatness of the surface while the substrate surface of the conventional device formation lacks flatness as described above. This is because the layer is not sufficiently improved in crystallinity and surface flatness, so that crystal growth has not been performed in the best condition. More preferably, undoped GaN is provided between the buffer layer and the p-type impurity-doped nitride semiconductor layer and the n-type impurity-doped nitride semiconductor layer thereon. Since this undoped GaN is formed on the p-type impurity-doped nitride semiconductor layer, that is, in a state where good crystallinity and surface flatness are secured, it may be formed as an element structure. , May be formed as an underlayer. The presence of the undoped GaN can prevent the p-type impurity in the underlayer from diffusing into the element during the growth of the layer constituting the element as described above.
[0035]
(First nitride semiconductor device layer)
As described above, the present inventionFirst nitride semiconductor device layerIs formed on an underlayer doped with an n-type impurity to constitute an element structure and formed between the underlayer and the active layer. Examples of the n-type impurity doped into the first conductivity type nitride semiconductor of the present invention include Ge, Sn, S and the like, preferably Si or Ge, and more preferably Si. This is because among the n-type impurities, Si and Ge have preferable conductivity, and among them, Si is more preferable. In particular,First nitride semiconductor device layerIt is preferable that the n-type impurity-doped layer be an n-side contact layer and be an electrode formation layer. Because it is formed on the side close to the underlayer, it can be formed with good crystallinity, and therefore, most preferably, it is formed on the surface of the underlayer. Conversely, the presence of the underlayer of the present invention already provides the substrate surface with good mirror and crystallinity, so there is no need to intervene any layer, and the first conductivity type is directly provided on the underlayer surface. By forming the nitride semiconductor described above, the element functions as a good element, that is, it is sufficient to use that layer as an electrode formation layer. Therefore, in the nitride semiconductor device of the present invention,First nitride semiconductor device layerIs preferred in terms of element characteristics, and furthermore, by directly forming it on the surface of the underlayer, the process can be simplified and this is preferred in terms of cost reduction. Further, as the composition, GaN having good crystallinity can be preferably used, and in addition, those containing In and Al may be used.
[0036]
Further, in the present invention, the undoped nitride semiconductor layer refers to a nitride semiconductor layer that is not intentionally doped with impurities, for example, impurities contained in the raw material, contamination in the reactor, other intentionally doped impurities. In the present invention, a layer in which impurities are mixed by unintended diffusion from a layer is also defined as undoped. Also,First nitride semiconductor device layerMay be a single film or a multilayer film having different amounts of impurities, mixed crystal ratios and the like.
[0037]
(Ultraviolet light emitting element)
Further, a nitride semiconductor layer containing Al is provided between the nitride semiconductor substrate and the active layer.xGa1-xAn element that emits light in the ultraviolet region where N (0 <x ≦ 0.4) has a remarkable effect. That is, the conventional ultraviolet light emitting element has an extremely low electrostatic withstand voltage, but is greatly improved to 200 to 300 V. More specifically, in a conventional light emitting element in the ultraviolet region, almost all of the light emitting element is about 100 V or lower, which is an electrostatic withstand voltage at which the element may be broken in a manufacturing process of the light emitting element. . That is, such a conventional light emitting device having an extremely low electrostatic withstand voltage is a factor that greatly reduces the manufacturing yield. However, by using the underlayer according to the present invention, the electrostatic withstand voltage is improved, which can avoid a decrease in the production yield as in the conventional case. Here, nitride semiconductor Al containing AlxGa1-xIn the case of N, when x is in the range of 0.15 to 0.2, the conventional semiconductor has an extremely low electrostatic withstand voltage, and therefore, the nitride semiconductor of the present invention in which the electrostatic withstand voltage is improved to the above range. The device has a remarkably improved ease of handling, can greatly reduce device destruction, and has a remarkable improvement in manufacturing yield.
[0038]
(Second nitride semiconductor device layer)
In the present inventionSecond nitride semiconductor device layerIs the above AlxGa1-xN (0 <x ≦ 0.4) layer, and between the underlayer and the active layer,First nitride semiconductor device layerFormed above. When the mixed crystal ratio x is in the range of 0.15 to 0.2, the electrostatic breakdown voltage is particularly improved. The second conductivity type nitride semiconductor may be a single layer or a multilayer film, and may be formed by laminating two types of nitride semiconductor layers having different band gap energies from each other, or may have the same composition. A superlattice structure formed by stacking nitride semiconductor layers described above may be used. In addition, as shown in FIG.First nitride semiconductor device layerIt is formed on the upper side and can secure a preferable offset with the active layer thereon as an n-side cladding layer or the like, and is useful in a light emitting device.
[0039]
As described above, by using the base layer of the present invention, it is possible to form a favorable substrate for growing a nitride semiconductor with a relatively small film thickness. The process can be shortened. Further, since the elements are formed on a substrate which is better than the conventional one, the element characteristics are improved, and the yield per wafer is also improved. This is because the growth of the conventional substrate is uneven from the center to the end of the wafer, as shown by the hatched portion in FIG. 4B, and the element structure is formed thereon. However, since the tendency is continued, there is a tendency that the device at the edge of the wafer is not good. More specifically, when the underlying layer is an undoped or n-type impurity-doped nitride semiconductor layer, if the film thickness is relatively small, unevenness on the surface is conspicuous, which is not good. FIG. 4B mainly relates to such surface irregularities, and when observing the wafer, the surface having the irregularities is clouded as indicated by the hatched portion. In particular, when the thickness of the nitride semiconductor layer constituting the underlayer is small, specifically, 5 μm or less, the wafer, particularly the edge, becomes cloudy, and it is difficult to form a good device over the entire wafer. As described above, in the conventional underlayer using the undoped and n-type impurity nitride semiconductor, a cloudy region is observed at least at 5 μm or less. This suggests that the conventional underlayer has uneven growth, crystallinity, and surface flatness over the entire wafer. Such a phenomenon is caused by the vapor phase growth, which is relatively difficult to control. However, even if the conditions are changed, the degree of the change may not be a fundamental solution.
[0040]
However, in the present invention, a uniform nitride semiconductor substrate is formed over the entire wafer on a mirror surface as compared with the related art, and the device is formed thereon, thereby improving the yield. In other words, the cloudy region is completely eliminated with a thickness of the underlayer of 5 μm or less, which is impossible in the related art. Even more surprisingly, such a cloudy region is sufficiently eliminated even with a film thickness of 1 μm or less. This is because the underlayer of the present invention, in particular,First nitride semiconductor underlayerHowever, this suggests that the growth mode is different from the conventional one. When the first nitride semiconductor is grown on the surface having relatively unevenness, the crystallinity can be improved rather than growing in the film thickness direction. It is considered that priority is given to ensuring the flatness of the surface. It is considered that this priority and degree determine the film thickness to form a good substrate surface, and Mg shows the best growth form among the p-type impurities. Other p-type impurities such as Zn, Be, Mn, and Cr, which are inferior to Mg, tend to show better growth morphology than the conventional one. Here, even if a plurality of the above elements are selected as p-type impurities,First nitride semiconductor underlayerTend to be formed.
[0041]
【Example】
[Example 1]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LED element according to one embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing the element of the present invention will be described with reference to FIG.
[0042]
The surface of the
[0043]
(Buffer layer 102)
Subsequently, a low-temperature
[0044]
(First nitride semiconductor underlayer103)
After growth of the
[0045]
(Nitride semiconductor light emitting device)
(N-side contact layer 104)
At 1050 ° C., TMG, ammonia, silane (SiHFour) Using 1 × 1018/cmThreeThe n-side contact layer made of n-type GaN doped above (First nitride semiconductor device layer) 104 is grown to a thickness of 2 μm. This n-side contact layer is a layer for forming an n-electrode. When GaN doped with an n-type impurity is used, a layer having a high carrier concentration and a low resistivity is easily obtained, and a favorable ohmic with the n-electrode is easily obtained. This layer may be a superlattice layer in which impurities are modulation-doped.
[0046]
(N-side cladding layer 105)
Next, at 1050 ° C., TMG, TMA (trimethylaluminum) ammonia, and silane18/cmThreeDoped n-type Al0.05Ga0.95An n-
[0047]
(Active layer 106)
Next, undoped In using TMI, TMG and ammonia at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere.0.01Ga0.99An active layer of N is grown to a thickness of 400 Å. The active layer InaGa1-aThe band gap energy (Eg) of N can be calculated by the equation Eg = 1.96 · a + 3.4 (1-a) −a · (1-a). The emission wavelength λ corresponds to 1240 / Eg.
[0048]
(P-side cladding layer 107)
Next, in a hydrogen atmosphere at 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, CpTwoUsing Mg, Mg is 1 × 1020/cmThreeDoped Al0.05Ga0.95A p-side cladding layer 7 of N is grown to a thickness of 600 Å. As the p-type impurity to be doped into the nitride semiconductor, a group II element such as Ca, Be, Zn, and Cd can be used in addition to Mg, but Mg is most commonly used.
[0049]
(P-side contact layer 108)
Then, Mg was added to TMG, ammonia and Cp2Mg by 1 × 1020/cmThreeA p-side contact layer made of doped GaN is grown to a thickness of 0.12 μm. The p-
[0050]
After the growth is completed, the wafer is annealed at 700 ° C. in a reaction vessel in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer, and then the wafer is taken out of the reaction vessel and the surface of the uppermost p-
[0051]
After the etching, a 200-Å-thick translucent p-
[0052]
This LED element emitted light of about 368 nm at a forward voltage of 20 mA, had a good Vf of 3.4 V and an output of 5 mW. Further, the yield per wafer has also been improved, and the output characteristics of each element obtained from the wafer have also been improved on average. Also, the electrostatic breakdown voltage was 300 V, which was significantly improved as compared with the element shown in Comparative Example 1.
[0053]
[Example 2]
n-side cladding layer (Second nitride semiconductor device layer) Is Al0.15Ga0.85A light-emitting element was formed in the same manner as in Example 1 except that N was used. The obtained light-emitting element had good light-emitting characteristics as in Example 1, and the electrostatic breakdown voltage was also improved to the same extent. This indicates that, in the conventional light emitting device, when the composition of the n-side cladding layer, that is, the Al mixed crystal ratio is increased, the electrostatic breakdown voltage tends to be greatly reduced (less than 100 V). This indicates that the improvement has been achieved.
[0054]
[Example 3]
A light emitting device was formed in the same manner as in Example 1 except that the underlayer did not have undoped GaN. The obtained light-emitting device had good light-emitting characteristics, though slightly inferior to Example 1. In addition, the variation in element characteristics was larger than in Example 1.
[0055]
[Example 4]
After a base layer was formed on sapphire in the same manner as in Example 1, Si was deposited at 5 × 10 18 / cmThreeN-side contact layer made of 3 μm of doped GaN, n-side cladding layer made of 0.15 μm of undoped GaN, undoped In0.15Ga0.85An active layer in which an N layer is grown to a thickness of 30 °, Mg is 1 × 1020/cmThreeDoped p-type Al0.1Ga0.9N-side p-side cladding layer, Mg is 1 × 1020/cmThreeAfter laminating a p-side contact layer made of doped p-type GaN, n and p electrodes were formed in the same manner as in Example 1 to form a light emitting device. The obtained light-emitting element has improved light-emitting characteristics as compared with the conventional light-emitting element, has less variation in the element, and has improved the yield.
[0056]
[Comparative Example 1]
The nitriding was performed in the same manner as in Example 1 except that an Mg-doped GaN layer was not formed, and an undoped GaN layer was directly grown to a thickness of 1.5 μm on the buffer layer. A semiconductor light emitting device was obtained. The obtained light emitting device had a very low electrostatic withstand voltage of 75 V, and some devices were destroyed during the production. In addition, there are many variations in elements per wafer, which lowers the production yield.
[0057]
【The invention's effect】
Since the nitride semiconductor substrate of the present invention is formed by relatively simple manufacturing in which the crystallinity and the flatness of the surface are relatively unprecedented, the device obtained therefrom also has improved device characteristics.
[0058]
Further, unlike the conventional case, the underlayer of the present invention can form a uniform surface over a wide area of the entire wafer, and also improves the production yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating a nitride semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view illustrating a nitride semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic view illustrating a conventional substrate.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a light emitting device according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ..... Different substrates
2 ... Buffer layer
3 ...First nitride semiconductor underlayer(P-type impurity doping)
4 ...Second nitride semiconductor underlayer(Undoped)
5 ...First nitride semiconductor device layer(N-type impurity doping)
6 ...Second nitride semiconductor device layer(AlGaN)
10. Underlayer
11 Element structure
12 .... Underlayer of conventional nitride semiconductor
13. Wafer
14: Cloudy area
15 ··· Orientation flat surface
Claims (5)
窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体（Ｉｎ X Ａｌ Y Ｇａ 1-X-Y Ｎ、０≦ X 、０≦ Y 、 X ＋ Y ≦１）からなるｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを順に備える窒化物半導体素子であって、
前記下地層が、
窒化物半導体からなり多結晶を含むバッファ層と、
その上にｐ型不純物をドープした第１窒化物半導体下地層と、
を備えており、
さらに前記下地層と前記活性層の間に、ｎ型不純物がドープされた第１窒化物半導体素子層と、
前記活性層と前記第１窒化物半導体素子層との間に、Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ（０＜ x ≦０．４）からなる第２窒化物半導体素子層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。 And the nitride semiconductor substrate to have a base layer on a heterogeneous substrate made of a different material from the nitride semiconductor,
An n-type nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor (In X Al Y Ga 1 -XYN , 0 ≦ X , 0 ≦ Y , X + Y ≦ 1) on a nitride semiconductor substrate ; and a p-type nitride semiconductor layer in order,
The underlayer,
A buffer layer made of a nitride semiconductor and containing polycrystal;
A first nitride semiconductor underlayer doped with a p-type impurity thereon,
With
A first nitride semiconductor element layer doped with an n-type impurity between the underlayer and the active layer;
A second nitride semiconductor element layer made of Al x Ga 1-x N (0 < x ≦ 0.4) between the active layer and the first nitride semiconductor element layer;
A nitride semiconductor device comprising:
ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。3. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の窒化物半導体素子。The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein:
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