JPH09167857A

JPH09167857A - 半導体素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09167857A
Application number: JP32725995A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Fujimoto; 英俊藤本; Joshi Nishio; 譲司西尾; Kazuhiko Itaya; 和彦板谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】素子の内部抵抗を低減し、内部の熱発生を抑
制することによって、素子信頼性の向上をはかる。【解決手段】窒化物化合物半導体からなる発光ダイオ
ードにおいて、サファイア基板２０１上に形成されたＡ
ｌ薄膜層２０２と、このＡｌ薄膜層２０２上に形成され
たＡｌＮバッファ層２０３と、このＡｌＮバッファ層２
０３上に形成されたＧａＮ系化合物半導体の積層構造
（ｎ−ＧａＮ層２０４，ｎ−ＩｎＧａＮ層２０５，ｐＧ
ａＮ層２０６）と、ｎ−ＧａＮ２０４及びｐ−ＧａＮ２
０６上に形成された電極２０７とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁性の単結晶基
板上に形成された半導体素子、特にサファイア基板上に
形成された窒化物系化合物半導体からなる半導体素子及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）を中心と
した窒化物系化合物半導体を用いた青色発光素子が注目
されている。窒化物化合物半導体は一般に、有機金属気
相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって成長されている。

【０００３】ＭＯＣＶＤ法では、サファイア等の基板を
設置した反応容器内に、有機金属化合物ガスソースとし
てＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチル
アルミニウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム）など
の III族原料のガス、アンモニア，ヒドラジンといった
Ｖ族原料のガスを供給し、基板温度を９００〜１２００
℃の高温に保持することによって、各種の窒化物化合物
半導体が成長される。また、窒化物化合物半導体の導電
型及びその電気的なキャリア濃度を変化させるために、
ドーパント原料ガスとして、上記有機金属化合物ソース
に、不純物となるべき元素を含む原料ガスを混合して供
給するようにしている。

【０００４】ところで、下地基板としてサファイア等の
絶縁性単結晶基板を用いた場合、基板に導電性がないた
めに積層構造を作成した時には、図１０に示すような構
造をとることが必要とされる。このとき、２つの電極の
間に存在する電気抵抗（内部抵抗）を、図１０のような
構造及び寸法で、半導体層の比抵抗を窒化物化合物半導
体における値としては比較的小さい０．１Ω・ｃｍとい
う値を例として計算すると、約２５０Ωとなる。この値
は、１０ｍＡの電流を流した時に２．５Ｖという素子に
とって大きな内部電圧となる。そして、この内部電圧は
熱となるため、素子の温度が上昇し、素子の劣化を招く
ことになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、サフ
ァイア基板上に窒化物系化合物半導体を成長して作成し
た半導体素子においては、電極間の抵抗が大きいために
高い内部電圧が発生し、これが素子内部での熱となり素
子自体の劣化を招くという問題があった。

【０００６】本発明は、上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的とするところは、素子の内部抵抗を低
減することができ、内部の熱発生を抑制することによっ
て信頼性の向上をはかり得る半導体素子及びその製造方
法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、絶縁性の単結晶
基板上に半導体積層構造部を形成した半導体素子におい
て、基板と半導体積層構造部との間に金属薄膜層を挿入
したことを特徴とする。

【０００８】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 絶縁性の単結晶基板は、サファイア或いはスピネル
であること。 (2) 半導体積層構造部が窒化物系化合物半導体であるこ
と。 (3) 金属薄膜層は、これに近接してなる窒化物半導体層
中の金属元素と同一の元素からなること。 (4) 金属薄膜層はアルミニウムであること。 (5) 金属薄膜層は厚さは１０ｎｍ以下であること。 (6) 金属薄膜層は、サファイア基板の表面にアルミニウ
ムを析出して形成されること。 (7) 金属薄膜層は、サファイア基板の表面にアルミニウ
ムをイオン注入して形成されること。

【０００９】また本発明は、窒化物系の化合物半導体を
用いた半導体素子において、サファイア基板上に形成さ
れたＡｌ薄膜層と、このＡｌ薄膜層上に形成されたＡｌ
Ｎバッファ層と、このＡｌＮバッファ層上に形成された
ＧａＮ系化合物半導体の積層構造部とを具備してなるこ
とを特徴とする。

【００１０】また本発明は、上記半導体素子の製造方法
において、サファイア基板上にアルミニウムを含む原料
ガスを用いたＭＯＣＶＤ法でＡｌ薄膜層を成長する工程
と、前記ガスをアルミニウムと窒素を含む原料ガスに変
えて、前記Ａｌ薄膜層上にＭＯＣＶＤ法でＡｌＮバッフ
ァ層を成長する工程と、前記ガスを少なくともガリウム
と窒素を含むガスに変えて、前記ＡｌＮバッファ層上に
ＧａＮ系化合物半導体の積層構造を成長する工程とを含
むことを特徴とする。（作用）本発明によれば、サファイア等の絶縁性単結晶
基板と窒化物系化合物半導体等の積層構造部との界面に
Ａｌ等の金属薄膜を挿入することによつて、素子抵抗の
大部分を占める横方向の電流は、抵抗の小さい金属薄膜
を通るため、素子内部の抵抗の低減をはかることができ
る。

【００１１】抵抗が低減することを示す例として、図１
に示すように、前記図１０と同じ構造で窒化物化合物半
導体薄膜とサファイアとの界面にアルミニウム（Ａｌ）
薄膜層（比抵抗２．５×１０^-6Ω・ｃｍ）を挿入した構
造を考え、この場合について内部抵抗を計算してみると
約３．４Ωとなる。図１と図１０との差異は厚さ１０ｎ
ｍのＡｌ薄膜層を挿入したことのみであり、その他の値
は同じとした。

【００１２】このように、僅か１０ｎｍのＡｌ薄膜層を
挿入することによつて、内部抵抗を約２桁低減すること
ができ、この抵抗値から計算される内部電圧も２桁低減
された３４ｍＶとなり、窒化物化合物半導体が物性値と
して有するエネルギーギャップから必要とされる動作電
圧３．５Ｖ程度と比較しても無視できる程度の値となっ
ている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しながら説明する。（実施形態１）図２は、本発明の第１の実施形態に係わ
る発光ダイオード２００の素子構造を示す断面図であ
る。

【００１４】サファイア基板２０１の上にアルミニウム
（Ａｌ）薄膜層２０２が形成され、その上に、サファイ
ア基板２０１と後述するエピタキシャル成長層との格子
不整合を緩和するためのＡｌＮバッファ層２０３が形成
されている。そして、このバッファ層２０３の上に、Ｓ
ｉドープのｎ型ＧａＮ層２０４，Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ
ＧａＮ層２０５，Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層２０６が上
記順に積層形成されている。電極２０７としては、ｎ型
ＧａＮ層２０４及びｐ型ＧａＮ層２０６に対して、いず
れもニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層構造を用い
ている。

【００１５】次に、本実施形態の発光ダイオード２００
の製造方法を順に説明する。この発光ダイオード２００
は、周知のＭＯＣＶＤ法を用いて作成される。原料ガス
には、III 族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウ
ム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＩ（ト
リメチルインジウム）を用い、Ｖ族原料としてアンモニ
ア（ＮＨ₃ ）を用いた。不純物添加用原料にはシラン
（ＳｉＨ₄ ）及びビスシクロペンタジエニルマグネシウ
ム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）、キャリアガスとして水素及び窒素を
用いた。

【００１６】まず、（０００１）面を基準面としたサフ
ァイア基板２０１を有機溶媒及び酸によって洗浄した
後、これをＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置された加熱可
能なサセプタ上に装着し、温度１２００℃で水素を５Ｌ
／分の流量で流し、表面を洗浄した。

【００１７】次いで、サファイア基板２０１を５００℃
まで降温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ＴＭ
Ａを５０ｃｃ／分の量で約１分流すことにより、サファ
イア基板２０１の表面にＡｌ薄膜層２０２を約１０ｎｍ
成長した。Ａｌ薄膜層２０２の厚さについては、図３に
示したＸ線回折の半値幅の傾向が物語っているように、
これ以上の厚膜で成長を行うと、Ａｌ層上にさらに成長
させる窒化物半導体膜の半値幅が広がっていく。このこ
とは、Ａｌ層厚が１０ｎｍを越えると窒化物化合物半導
体膜が良質な単結晶膜となっていないことを示してい
る。

【００１８】次いで、サファイア基板２０１を５００℃
に保持し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモ
ニアを１０Ｌ／分、ＴＭＡを５０ｃｃ／分の量で１０分
間流すことにより、ＡｌＮバッファ層２０３を成長し
た。

【００１９】次いで、サファイア基板２０１を１１００
℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ＳｉＨ
₄ を１０ｃｃ／分の量で約１時間流すことにより、ｎ型
ＧａＮ層２０４を成長した。ここで、アンモニアとＴＭ
Ｇとの原料供給比は６０００程度になっている。この値
が小さい場合には窒化物半導体に特有な窒素空孔ができ
やすく、本発明者等が検討した結果、１０００以上であ
る場合に良質な結晶となることが分った。この場合の良
質な結晶は、Ｘ線回折における半値幅が５分以下である
と定義する。

【００２０】次いで、サファイア基板２０１を８００℃
まで降温し、水素を５Ｌ／分、窒素を１５Ｌ／分、アン
モニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを５ｃｃ／分、ＴＭＩを５
００ｃｃ／分、ＳｉＨ₄ を１ｃｃ／分の量で約１５分間
流すことにより、ｎ型ＩｎＧａＮ層２０５を成長した。
続いて、サファイア基板２０１を再び１１００℃まで昇
温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニア
を１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇを３
０ｃｃ／分の量で約３０分間流すことにより、ｐ型Ｇａ
Ｎ層２０６を成長した。

【００２１】これらの層を形成した後、ＴＭＧ及びＣｐ
₂ Ｍｇの供給を停止した後、７００℃まで降温し、７０
０℃でさらに水素及びアンモニアの供給を停止し、窒素
のみ５Ｌ／分流し続けながら室温まで冷却した。

【００２２】次いで、窒化物半導体積層構造を成長させ
たサファイア基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、Ｓｉ
Ｏ₂ 膜等をマスクとし、Ｃｌ₂ ガスを用いてｎ型ＧａＮ
層２０４が露出するまで上部層を選択的にエッチング除
去した。さらに、この積層構造を成長させたサファイア
基板に、周知の真空蒸着装置を用いてＮｉ膜３００ｎ
ｍ、Ａｕ膜１００ｎｍを連続形成した。この膜２０７を
４００℃で５分間、窒素中で熱処理することによりオー
ミック電極とした。

【００２３】このような基板を３００μｍ×４００μｍ
の大きさにチップ化し、ステム上にマウント、樹脂でモ
ールドし、ランプ化した。このようにして形成された発
光ダイオード２００は、順方向電流２０ｍＡにおいて２
〜３ｍＷ程度の光出力を得ることができた。

【００２４】かくして本実施形態によれば、サファイア
基板２０１上にＤＨ構造のＧａＮ発光ダイオードを作成
することができ、しかもＡｌ薄膜層２０２の存在により
横方向の抵抗を低減して素子の内部抵抗を低減すること
ができる。従って、内部の熱発生を抑制することがで
き、信頼性の向上をはかることが可能となる。（実施形態２）図４は、本発明の第２の実施形態に係わ
る半導体レーザ４００の素子構造を示す断面図である。

【００２５】サファイア基板４０１の上に、Ａｌ薄膜層
４０２，ＧａＮバッファ層４０３，Ｓｉドープのｎ型Ｇ
ａＮ層４０４，アンドープのＩｎＧａＮ層４０５，Ｍｇ
ドープのｐ型ＧａＮ層４０６がこの順で積層形成されて
いる。電極には、ｎ型ＧａＮ層４０４及びｐ型ＧａＮ層
４０６に対して、いずれもニッケル（Ｎｉ）と金（Ａ
ｕ）との積層構造４０７を用いている。また、電極をス
トライプ構造にするため、ＳｉＯ₂ 膜４０８を用いた。

【００２６】次に、本実施形態の半導体レーザ４００の
製造方法を順に説明する。この半導体レーザ素子４００
は、第１の実施形態と同じくＭＯＣＶＤ法を用いて作成
される。用いたガスは第１の実施形態と同じである。

【００２７】まず、（０００１）面を基準面としたサフ
ァイア基板４０１を有機溶媒及び酸によって洗浄した
後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置された加熱可能なサ
セプタ上に装着し、温度１２００℃で水素を５Ｌ／分の
流量で流し、表面を高温水素によって洗浄した。

【００２８】次いで、サファイア基板４０１を５００℃
まで降温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ＴＭ
Ａを５０ｃｃ／分の量で約３０秒流すことにより、サフ
ァイア基板４０１の表面にＡｌ薄膜層４０２を約１ｎｍ
形成した。

【００２９】次いで、基板４０１の温度を５００℃に保
持したまま、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アン
モニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分を１０分間
流すことにより、ＧａＮバッファ層４０３を成長した。

【００３０】次いで、サファイア基板４０１を１１００
℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ＳｉＨ
₄ を１０ｃｃ／分の量で約１時間流すことにより、ｎ型
ＧａＮ層４０４を成長した。続いて、サファイア基板４
０１を８００℃まで降温し、水素を５Ｌ／分、窒素を１
５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを３ｃｃ／
分、ＴＭＩを３００ｃｃ／分の量で約１５分間流すこと
により、アンドープのＩｎＧａＮ層４０５を成長した。

【００３１】次いで、サファイア基板４０１を再び１１
００℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／
分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、
Ｃｐ₂Ｍｇを３０ｃｃ／分の量で約３０分間流すことに
より、ｐ型ＧａＮ層４０６を成長した。その後、炉内で
室温まで降温した。

【００３２】窒化物半導体積層構造を成長させたサファ
イア基板４０１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、周知の
熱ＣＶＤ法によって形成したＳｉＯ₂ 膜をマスクとし、
Ｃｌ₂ ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲｌΕ）
法によってｎ型ＧａＮ層４０４が露出するまで上部層を
選択的にエッチング除去した。次いで、再びこのＳｉＯ
₂ 等の絶縁膜４０８を形成し、この絶縁膜４０８のｎ型
ＧａＮ層４０４及びｐ型ＧａＮ層４０６上にコンタクト
ホールを形成した。ここで、ｐ型ＧａＮ層４０６上では
コンタクトホールをストライプ状に形成した。

【００３３】このようにして作成した段差付きの積層構
造基板に周知のスパッタ法を用いてＮｉ膜２００ｎｍと
Ａｕ膜５００ｎｍとの積層構造４０７を形成し、７００
℃、５分間の窒素雰囲気中での加熱処理によってオーミ
ック電極とした。このようにして作成されたレーザ素子
４００は、波長４２０ｎｍにおいて、しきい値電流５ｋ
Ａ／ｃｍ² で発振した。（実施形態３）図５は、本発明の第３の実施形態に係わ
る発光ダイオード５００の素子構造を示す断面図であ
る。

【００３４】サファイア基板５０１の上に、ガリウム
（Ｇａ）薄膜層５０２，ＧａＮバッファ層５０３，アン
ドープのＧａＮ層５０４，Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層５
０５，Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＮ層５０６，Ｍｇドー
プのｐ型ＡｌＧａＮ層５０７，Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ
層５０８が上記順に積層形成されている。オーミック電
極には、ｎ型ＧａＮ層５０５に対してチタン（Ｔｉ）と
金（Ａｕ）との積層構造５０９を、ｐ型ＧａＮ層５０８
に対してはニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層構造
５１０を用いている。

【００３５】次に、本実施形態の発光ダイオード５００
の製造方法を順に説明する。まず、（０００１）面を基
準面としたサファィア基板５０１を有機溶媒及び酸によ
って洗浄した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置された
加熱可能なサセプタ上に装着し、温度１２００℃で水素
を５Ｌ／分の流量で流し、表面を高温水素によって洗浄
した。

【００３６】次いで、サファイア基板５０１を５００℃
まで降温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを２５ｃｃ／分の量で約３０秒流すことにより、サフ
ァイア基板５０１の表面にＧａ薄膜層５０２を約２ｎｍ
形成した。

【００３７】次いで、サファイア基板５０１を５００℃
で保持し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アンモ
ニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分の量で６分間
流すことにより、ＧａＮバッファ層５０３を成長した。

【００３８】次いで、サファイア基板５０１を１１００
℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分の量で約
１時間流すことにより、アンドープのＧａＮ層５０４を
成長した。

【００３９】次いで、サファイア基板５０１を１１００
℃で保持し、上記のガスに加えてＳｉＨ₄ を１０ｃｃ／
分の量で約１時間流すことにより、ｎ型ＧａＮ層５０５
を成長した。続いて、サファイア基板５０１を７００℃
まで降温し、窒素を２０Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／
分、ＴＭＧを５ｃｃ／分、ＴＭＩを５００ｃｃ／分、Ｓ
ｉＨ₄ を１ｃｃ／分の量で約１０分間流すことにより、
ｎ型ＩｎＧａＮ層５０６を成長した。

【００４０】次いで、サファイア基板５０１を再び１１
００℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／
分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、
ＴＭＡを２５ｃｃ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇを３０ｃｃ／分の量
で約３０分間流すことにより、ｐ型ＡｌＧａＮ層５０７
を成長した。続いて、サファイア基板５０１を１１００
℃に保持し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アン
モニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、Ｃｐ₂ Ｍ
ｇを１００ｃｃ／分の量で約１０分間流すことにより、
ｐ型ＧａＮ層５０８を成長した。

【００４１】これらの層を形成した後、ＴＭＧ及びＣｐ
₂ Ｍｇの供給を停止した後、７００℃まで降温し、７０
０℃でさらに水素及びアンモニアの供給を停止し、窒素
のみ５Ｌ／分流し続けながら室温まで降温した。そし
て、窒化物半導体積層構造を成長させたサファイア基板
５０１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＳｉＯ₂ 膜をマ
スクとし、ＢＣｌ₃ ガスとＣｌ₂ ガスとの混合ガスを用
いてｎ型ＧａＮ層５０５が露出するまで上部層を選択的
にエッチング除去した。

【００４２】この段差構造を形成した基板に、ｎ型Ｇａ
Ｎ層５０５に対してＴｉ（厚さ５０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ
３００ｎｍ）５０９を、ｐ型ＧａＮ層５０８に対してＮ
ｉ（厚さ１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ３００ｎｍ）５１０
を、それぞれ周知の真空蒸着法及びフォトエッチングプ
ロセスの組み合わせによって形成した。その後、７００
℃で５分間、窒素中で熱処理することによりオーミック
電極とした。

【００４３】このようにして作成された素子を３５０μ
ｍ角の大きさにチップ化し、その後、鉄製のステム上に
マウント、樹脂でモールドし、ランプ化した。このよう
にして形成された発光ダイオード５００は、順方向電流
２０ｍＡにおいて、発光ピーク波長４５０ｎｍで２〜３
ｍＷ程度の光出力を得ることができた。（実施形態４）図６は、本発明の第４の実施形態に係わ
る半導体レーザ６００の素子構造を示す断面図である。

【００４４】この半導体レーザ６００はスピネル基板６
０１を有しており、この上にＡｌ薄膜層６０２，ＧａＮ
バッファ層６０３，Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層６０４，
Ｓｉドープのｎ型ＡＩＧａＮ層６０５，アンドープのＩ
ｎＧａＮ層６０６，Ｍｇドープのｐ型ＡＩＧａＮ層６０
７，Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層６０８が上記順に積層さ
れている。電極には、ｎ型ＧａＮ層６０４及びｐ型Ｇａ
Ｎ層６０８に対して、いずれもニッケル（Ｎｉ）と金
（Ａｕ）との積層構造６０９を用いている。また、電極
をストライプ構造にするため、ＳｉＯ₂ 膜６１０を用い
た。

【００４５】このような素子においては、スピネル基板
のへき開性がサファイア基板よりも高いことから、Ｇａ
Ｎ系半導体膜の端面形状がより平坦化する。そのため、
しきい値の電流密度がサファイア基板の場合と比較して
低くすることができる。（実施形態５）図７は、本発明の第５の実施形態に係わ
る発光ダイオード７００の素子構造を示す断面図であ
る。

【００４６】この発光ダイオード７００は、Ｃ面を主面
とするサファイア基板７０１のＡｌ面上にＧａＮ系半導
体層を積層したものである。従来のサファイア基板では
構成元素のうちの酸素のみが表面に現れていた。本実施
形態においては、Ａｌ面を出すために、サファイア基板
７０１を１４００℃という高温で、しかも還元性のある
水素が３０Ｌ／分であるという高流速のもとに晒すとい
う処理を行った。

【００４７】上記のように表面にＡｌを析出させたサフ
ァイア基板７０１上に、これまで述べてきたと同様の方
法を用いて、ＧａＮバッファ層７０２，Ｓｉドープのｎ
型ＧａＮ層７０３，アンドープのＩｎＧａＮ層７０４，
Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層７０５，Ｍｇドープのｐ
型ＧａＮ層７０６をこの順で積層した。そして、ｎ型Ｇ
ａＮ層７０３上に電極７０８を形成し、ｐ型ＧａＮ層７
０６上に電極７０９を形成した。

【００４８】このような構造では、サファイア基板７０
１の表面に析出したＡｌ層が極めて薄いことから、素子
の横方向の抵抗値は、Ａｌ面上に成長していない従来例
と比べて約２０％程度しか低減しないが、成長する半導
体層におけるＸ線回折の半値幅もまた低減し、非常に良
い結果となった。その結果、素子にかかる電力値が減少
し、寿命特性に改善が見られた。（実施形態６）図８は、本発明の第６の実施形態に係わ
る発光ダイオード８００の素子構造を示す断面図であ
る。

【００４９】この発光ダイオード８００では、基板とし
てＭ面（（１-1００）面）を主面としたサファイア８０
１を用いた。この基板８０１にＡｌをイオン注入し、多
結晶層８０２及び低抵抗のＡｌを主成分とする低抵抗層
８０３を形成した。

【００５０】そして、この基板８０１上に、これまでと
同様の方法を用いて、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層８０
４，アンドープのＩｎＧａＮ層８０５，Ｍｇドープのｐ
型ＡｌＧａＮ層８０６，Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層８０
７をこの順で積層した。電極には、ｎ型ＧａＮ層８０４
に対してはＴｉ／Ａｕの積層構造８０８を、ｐ型ＧａＮ
層８０７に対してはＮｉ／Ａｕの積層構造８０９を用い
た。

【００５１】次に、このような発光ダイオード８００の
製造方法を順に説明する。まず、Ｍ面を基準面としたサ
ファイア基板８０１を有機溶媒及び酸によって洗浄した
後、イオン注入装置に入れ、所望の加速電圧で、１×１
０¹³／ｃｍ² の量でＡｌをイオン注入した。この後、イ
オン注入層の結晶性を回復させるため、１２００℃で約
２時間の熱処理を施した。

【００５２】この熱処理によって、サファイア基板８０
１の結晶性は回復するが、完全な回復は、元来サファイ
ア基板とＧａＮ系半導体層との間に格子不整合があるこ
とから望ましくなく、むしろ配向性を残した多結晶層８
０２を形成することが望ましい。このような多結晶層８
０２がバッファ層の役割を果たしているため、結晶成長
の際に、バッファ層を成長させることは特に必要としな
い。しかも、この上に適当なＡｌを主成分として含む低
抵抗層８０３が形成されることから、本発明の目的であ
る横方向への電気抵抗を低減させるという主旨を逸脱し
ない。

【００５３】次いで、サファイア基板８０１をＭＯＣＶ
Ｄ装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装
着し、温度１２００℃で水素を５Ｌ／分の流量で流し、
基板表面に残った酸化層を除去した。

【００５４】次いで、サファイア基板８０１を１１００
℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ＳｉＨ
₄ を１０ｃｃ／分の量で約１時間流すことにより、ｎ型
ＧａＮ層８０４を成長した。続いて、サファイア基板８
０１を８００℃まで降温し、窒素を３０Ｌ／分、アンモ
ニアを１５Ｌ／分、ＴＭＧを５ｃｃ／分、ＴＭＩを５０
０ｃｃ／分、ＳｉＨ₄を１ｃｃ／分の量で１０分間流す
ことにより、ｎ型ＩｎＧａＮ層８０５を成長した。

【００５５】次いで、サファイア基板８０１を再び１１
００℃まで昇温し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／
分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、
ＴＭＡを２５ｃｃ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇを３０ｃｃ／分の量
で約３０分間流すことにより、ｐ型ＡｌＧａＮ層８０６
を成長した。続いて、サファイア基板８０１を１１００
℃に保持し、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、アン
モニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、Ｃｐ₂ Ｍ
ｇを１００ｃｃ／分の量で約１０分間流すことにより、
ｐ型ＧａＮ層８０７を成長した。

【００５６】これらの層を形成した後、ＴＭＧ及びＣｐ
₂ Ｍｇの供給を停止した後、７００℃まで降温し、７０
０℃でさらに水素及びアンモニアの供給を停止し、窒素
のみ５Ｌ／分流し続けながら室温まで降温した。そし
て、窒化物半導体積層構造を成長させたサファイア基板
８０１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＳｉＯ₂ 膜をマ
スクとし、ＢＣｌ₃ ガスとＣｌ₂ ガスとの混合ガスを用
いてｎ型ＧａＮ層８０４が露出するまで上部層を選択的
にエッチング除去した。

【００５７】この段差構造を形成した基板に、ｎ型Ｇａ
Ｎ層８０４に対してＴｉ（厚さ５０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ
２μｍ）８０８を、ｐ型ＧａＮ層８０７に対してＮｉ
（厚さ３００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ２μｍ）８０９を、そ
れぞれ周知の真空蒸着法及びフォトエッチングプロセス
の組み合わせによって形成した。その後、７００℃で５
分間、窒素中で熱処理することによりオーミック電極と
した。

【００５８】このようにして作成された素子を３５０μ
ｍ角の大きさにチップ化し、その後、鉄製のステム上に
マウント、樹脂でモールドし、ランプ化した。このよう
にして作成された発光ダイオード８００は、順方向電流
２０ｍＡにおいて、発光ピーク波長４２０ｎｍで２〜３
ｍＷ程度の光出力を得ることができた。（実施形態７）図９に、本発明の第７の実施形態に係わ
る発光ダイオード９００を金属ステム上に固定した素子
の構造断面図を示す。この発光ダイオード９００では、
Ｃ面を主面としたサファイア基板９０１を用いている。

【００５９】サファイア基板９０１上に、厚さ１０ｎｍ
程度のＡｌ薄膜層９０２，厚さ３００ｎｍのＭｇドープ
ｐ型ＡｌＧａＮ層９０３，厚さ２ｎｍのＳｉドープＩｎ
ＧａＮ層９０４，厚さ３００ｎｍのＳｉドープｎ型Ｇａ
Ｎ層９０５が、この順で積層されている。

【００６０】この発光ダイオード９００に対する電極
は、ｎ型ＧａＮ層９０５については表面にＴｉ／Ａｕの
積層膜９０６を形成する。一方、ｐ型ＡｌＧａＮ層９０
３については、Ａｌ薄膜層９０２と、素子を金属製ステ
ム９０７に固定する際に用いる銀ペースト９０８の這い
上がりとを利用して電気的接触をはかる。

【００６１】このような構造にすると、素子の劣化の要
因であるエッチングによる結晶へのダメージを無くすこ
とができる。また、結晶成長の際にＭｇドープＡｌＧａ
Ｎ層９０３はｐ型活性化しており、ｐ型活性化のための
特別な工程を必要としない。また、そのことによる積層
順序に関する制約条件も生じない。このため、素子の寿
命は延び、信頼性の向上をはかることができた。

【００６２】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。第１〜第４の実施形態において
は、Ａｌ薄膜層やＧａ薄膜層の形成をＭＯＣＶＤ法によ
る成長の一工程として行ったが、これらの方法に限定さ
れるものではなく、例えば真空蒸着法による形成や他の
結晶成長法、例えばＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）
やクロライド気相成長法、ハイドライド気相成長法など
によって形成することも可能である。

【００６３】また、実施形態においては、窒化物化合物
半導体を用いた発光素子についてのみ例としてあげた
が、本発明の趣旨は単結晶基板と半導体層との界面に金
属薄膜層を形成するところにあり、このような基板を用
いた素子一般に適用できるものである。このような素子
は例えば、サファィア基板上の窒化物半導体において
も、高耐圧のパワーデバイスや高周波デバイスがあげら
れ、また、その他の材料を用いた場合でも、ＳＯＳ（シ
リコン・オン・サファイア）などの素子があげられる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

【００６４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、絶
縁性の単結晶基板とその上に形成される半導体多層構造
との間に金属薄膜層を挿入することにより、素子の内部
抵抗を低減させることができ、素子の信頼性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における窒化物化合物半導体素子を示す
構造断面図。

【図２】第１の実施形態に係わる発光ダイオードを示す
構造断面図。

【図３】Ａｌの膜厚と窒化物化合物半導体膜のＸ線回折
の半値幅との関係を示す図。

【図４】第２の実施形態に係わる半導体レーザを示す構
造断面図。

【図５】第３の実施形態に係わる発光ダイオードを示す
構造断面図。

【図６】第４の実施形態に係わる半導体レーザを示す構
造断面図。

【図７】第５の実施形態に係わる発光ダイオードを示す
構造断面図。

【図８】第６の実施形態に係わる発光ダイオードを示す
構造断面図。

【図９】第７の実施形態に係わる発光ダイオードを金属
ステム上に固定した状態を示す構造断面図。

【図１０】従来の窒化物化合物半導体素子のー例を示す
構造断面図。

【符号の説明】

２０１，４０１，５０１…サファイア基板２０２，４０２，６０２…Ａｌ薄膜層２０３…ＡｌＮバッファ層２０４，４０４，５０５，６０４…ｎ型ＧａＮ層２０５，５０６…ｎ型ＩｎＧａＮ層２０６，４０６，５０８，６０８…ｐ型ＧａＮ層２０７，４０７，５０９，５１０，６０９…電極４０３，５０３，６０３…ＧａＮバッファ層４０５，６０６…アンドープＩｎＧａＮ層４０８，６１０…ＳｉＯ₂ 膜５０２…Ｇａ薄膜層５０４，６０７…アンドープＧａＮ層５０７…ｐ型ＡｌＧａＮ層６０１…スピネル基板６０５…ｎ型ＡＩＧａＮ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性の単結晶基板と、この単結晶基板上
に形成された金属薄膜層と、この金属薄膜層上に形成さ
れた半導体積層構造部とを具備してなることを特徴とす
る半導体素子。
【請求項２】サファイア基板上に形成されたＡｌ薄膜層
と、このＡｌ薄膜層上に形成されたＡｌＮバッファ層
と、このＡｌＮバッファ層上に形成されたＧａＮ系化合
物半導体の積層構造部とを具備してなることを特徴とす
る半導体素子。
【請求項３】サファイア基板上にアルミニウムを含む原
料ガスを用いたＭＯＣＶＤ法でＡｌ薄膜層を成長形成す
る工程と、前記ガスをアルミニウムと窒素を含む原料ガ
スに変えて、前記Ａｌ薄膜層上にＭＯＣＶＤ法でＡｌＮ
バッファ層を成長形成する工程と、前記ガスを少なくと
もガリウムと窒素を含むガスに変えて、前記ＡｌＮバッ
ファ層上にＧａＮ系化合物半導体の積層構造部を成長形
成する工程とを含むことを特徴とする半導体素子の製造
方法。