JPH09326534A - Ｉｉｉ 族窒化物半導体装置 - Google Patents
Ｉｉｉ 族窒化物半導体装置Info
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- JPH09326534A JPH09326534A JP16387296A JP16387296A JPH09326534A JP H09326534 A JPH09326534 A JP H09326534A JP 16387296 A JP16387296 A JP 16387296A JP 16387296 A JP16387296 A JP 16387296A JP H09326534 A JPH09326534 A JP H09326534A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】Si結晶または6H-SiC結晶の基板上に亀裂の生じ
ないAlx Gay In1-x-y N 結晶からなるIII 族窒化物半導
体装置を提供する。 【解決手段】Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+
y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結
晶からなる基板１上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層
Ntを含むIII 族窒化物半導体装置において、前記基板と
前記Alx GayIn1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx G
ay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数
を持つ材料からなる応力緩和層S を介在させる。さら
に、応力緩和層と基板との間に、Alx Gay In1-x-y N か
らなる酸化防止層T を介在さると良い。基板材料はシリ
コン (Si) 結晶または炭素化シリコン (SiC)結晶である
と良い。
ないAlx Gay In1-x-y N 結晶からなるIII 族窒化物半導
体装置を提供する。 【解決手段】Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+
y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結
晶からなる基板１上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層
Ntを含むIII 族窒化物半導体装置において、前記基板と
前記Alx GayIn1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx G
ay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数
を持つ材料からなる応力緩和層S を介在させる。さら
に、応力緩和層と基板との間に、Alx Gay In1-x-y N か
らなる酸化防止層T を介在さると良い。基板材料はシリ
コン (Si) 結晶または炭素化シリコン (SiC)結晶である
と良い。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】III 族窒化物半導体(Al x Ga
y In1-x-y N (0 ≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)を用いた
レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのIII 族窒
化物半導体装置に関する。
y In1-x-y N (0 ≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)を用いた
レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのIII 族窒
化物半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】直接遷移で、しかも、光学ギャップが1.
9 〜6.2 eVの範囲で制御可能なIII 族窒化物 (Alx Gay
In1-x-y N (0≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)) を用いたレ
ーザダイオードや発光ダイオードなどのIII 族窒化物半
導体装置が試作されている。以下、III 族窒化物をAlx
Gay In1-x-y N またはAlGaInN と略記する。III 族窒化
物半導体装置は、結晶格子や熱膨張係数の整合性の良さ
から、主として、サファイア基板上に形成されてきた。
そして、Alx Gay In1-x-y N の組成( x 、y ) を変える
ことによる光学ギャップの制御、Siやマグネシウム (M
g) を添加することによるｎ型やｐ型への価電子制御に
より、ダブルヘテロ構造 (M.C.Yoo,K.H.Shim,et al.: P
roceedings of International Symposium on Blue Lase
r and LightEmitting Diodes, Chiba Univ.,Japan,Marc
h 5-7, 1996,p554-557 ) あるいは量子井戸構造 (S.Nak
amura,et al,J.Japanese Journal of Applied Physics,
vol35,part2,No 2B(1996),L217 〜L220) などのIII 族
窒化物半導体装置が報告されている。
9 〜6.2 eVの範囲で制御可能なIII 族窒化物 (Alx Gay
In1-x-y N (0≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)) を用いたレ
ーザダイオードや発光ダイオードなどのIII 族窒化物半
導体装置が試作されている。以下、III 族窒化物をAlx
Gay In1-x-y N またはAlGaInN と略記する。III 族窒化
物半導体装置は、結晶格子や熱膨張係数の整合性の良さ
から、主として、サファイア基板上に形成されてきた。
そして、Alx Gay In1-x-y N の組成( x 、y ) を変える
ことによる光学ギャップの制御、Siやマグネシウム (M
g) を添加することによるｎ型やｐ型への価電子制御に
より、ダブルヘテロ構造 (M.C.Yoo,K.H.Shim,et al.: P
roceedings of International Symposium on Blue Lase
r and LightEmitting Diodes, Chiba Univ.,Japan,Marc
h 5-7, 1996,p554-557 ) あるいは量子井戸構造 (S.Nak
amura,et al,J.Japanese Journal of Applied Physics,
vol35,part2,No 2B(1996),L217 〜L220) などのIII 族
窒化物半導体装置が報告されている。
【０００３】図８は従来のIII 族窒化物半導体装置の１
例であるレーザダイオードの断面図である。サファイア
(c面) からなる基板1 上に、AlN のバッファ層2 、GaN
のコンタクト層3 が成膜されている。さらにn 型AlGaN
のクラッド層4 、GaN の活性層5 およびp 型のAlGaN の
クラッド層6 からなるダブルヘテロ構造が形成されてい
る。その上にはp 型のGaN のキャップ層7 が形成されて
おり、ダブルヘテロ構造とキャップ層7 は一括してフォ
トエッチされ側面は基板面に垂直にされている。サファ
イアの導電性が低いために、コンタクト層3 が基板側の
電気リードのためにダブルヘテロ構造の外側に延びてお
り、その表面にはAu/Cr からなる第１の電極層8 が形成
されている。キャップ層7 の上にはAl/Tｉからなる第２
の電極層9 が形成されている。
例であるレーザダイオードの断面図である。サファイア
(c面) からなる基板1 上に、AlN のバッファ層2 、GaN
のコンタクト層3 が成膜されている。さらにn 型AlGaN
のクラッド層4 、GaN の活性層5 およびp 型のAlGaN の
クラッド層6 からなるダブルヘテロ構造が形成されてい
る。その上にはp 型のGaN のキャップ層7 が形成されて
おり、ダブルヘテロ構造とキャップ層7 は一括してフォ
トエッチされ側面は基板面に垂直にされている。サファ
イアの導電性が低いために、コンタクト層3 が基板側の
電気リードのためにダブルヘテロ構造の外側に延びてお
り、その表面にはAu/Cr からなる第１の電極層8 が形成
されている。キャップ層7 の上にはAl/Tｉからなる第２
の電極層9 が形成されている。
【０００４】Alx Gay In1-x-y N 膜の有機金属気相成長
(以下MOCVD と記す) においては、基板の温度を1000℃
程度まで上昇させるため、基板の選択には格子定数の整
合性の他に熱膨張係数の整合性も考慮する必要がある。
格子定数の整合が良い基板であっても、熱膨張係数がAl
x Gay In1-x-y N よりも小さな基板材料を用いると、成
膜後の冷却中に Al x Gay In1-x-y N 膜に引っ張り応力
が生じ、状況によっては膜に亀裂が入ることが知られて
いる (A. Kuramata,K.Horino,et al.; Proceedings of
International Symposium on Blue Laser and Light Em
itting Diodes,Chiba Univ., Japan,March 5-7, 1996,
p80-85)。
(以下MOCVD と記す) においては、基板の温度を1000℃
程度まで上昇させるため、基板の選択には格子定数の整
合性の他に熱膨張係数の整合性も考慮する必要がある。
格子定数の整合が良い基板であっても、熱膨張係数がAl
x Gay In1-x-y N よりも小さな基板材料を用いると、成
膜後の冷却中に Al x Gay In1-x-y N 膜に引っ張り応力
が生じ、状況によっては膜に亀裂が入ることが知られて
いる (A. Kuramata,K.Horino,et al.; Proceedings of
International Symposium on Blue Laser and Light Em
itting Diodes,Chiba Univ., Japan,March 5-7, 1996,
p80-85)。
【０００５】Alx Gay In1-x-y N の成膜用基板材料とし
てはサファイアが用いられてきた。サファイア基板はAl
x Gay In1-x-y N 結晶と格子整合性も良く、しかも、サ
ファイアの熱膨張係数、α（サファイア）は7.5 ×10-6
/Kであり（以下、α( 物質名）はその物質の熱膨張係数
を表す）、Alx Gay In1-x-y N のα(Al x Gay In1-x-y
N)＝5.6 ×10-6/Kよりも大きいため、亀裂は発生しな
い。
てはサファイアが用いられてきた。サファイア基板はAl
x Gay In1-x-y N 結晶と格子整合性も良く、しかも、サ
ファイアの熱膨張係数、α（サファイア）は7.5 ×10-6
/Kであり（以下、α( 物質名）はその物質の熱膨張係数
を表す）、Alx Gay In1-x-y N のα(Al x Gay In1-x-y
N)＝5.6 ×10-6/Kよりも大きいため、亀裂は発生しな
い。
【０００６】しかし、サファイア基板には下に挙げる欠
点がある。1.へき開性がないため、レーザーダイオード
における光共振器を簡便な劈開により形成できない。2.
導電性が小さく、基板面から電極を取ることができな
い。
点がある。1.へき開性がないため、レーザーダイオード
における光共振器を簡便な劈開により形成できない。2.
導電性が小さく、基板面から電極を取ることができな
い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】一方、Si結晶または6H
-SiC結晶の基板を用いれば、上に挙げた２つの欠点は解
決されるが、熱膨張係数がα(Si)＝3.59×10-6/K、α(6
H-SiC)＝4.2 ×10-6/KとAlx Gay In1-x-y N 系の熱膨張
係数( 例えばα(GaN)=5.6 ×10-6/K) より小さいため、
成膜後の成膜温度 (約1000℃) から室温までの冷却時
に、基板より膜の方が多く収縮することになるが、基板
の方が膜より厚いため、膜側には引っ張り応力が生じ
る。その結果、膜に亀裂が生じることがある。そのた
め、半導体装置が製造できない。図９はSi結晶基板に直
接形成されたAlx Gay In1-x-y N 膜の表面の走査型電子
顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。亀裂が生
じていることが判る。
-SiC結晶の基板を用いれば、上に挙げた２つの欠点は解
決されるが、熱膨張係数がα(Si)＝3.59×10-6/K、α(6
H-SiC)＝4.2 ×10-6/KとAlx Gay In1-x-y N 系の熱膨張
係数( 例えばα(GaN)=5.6 ×10-6/K) より小さいため、
成膜後の成膜温度 (約1000℃) から室温までの冷却時
に、基板より膜の方が多く収縮することになるが、基板
の方が膜より厚いため、膜側には引っ張り応力が生じ
る。その結果、膜に亀裂が生じることがある。そのた
め、半導体装置が製造できない。図９はSi結晶基板に直
接形成されたAlx Gay In1-x-y N 膜の表面の走査型電子
顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。亀裂が生
じていることが判る。
【０００８】上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、Si
結晶または6H-SiC結晶の基板上に亀裂の生じないAlx Ga
y In1-x-y N 結晶からなるIII 族窒化物半導体装置を提
供することにある。
結晶または6H-SiC結晶の基板上に亀裂の生じないAlx Ga
y In1-x-y N 結晶からなるIII 族窒化物半導体装置を提
供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)
結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結晶から
なる基板上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層を含むII
I 族窒化物半導体装置において、前記基板と前記Alx Ga
y In1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx Gay In
1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ
材料からなる応力緩和層を介在させて、AlxGay In
1-x-y N に生ずる応力を緩和することとする。
めに、Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)
結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結晶から
なる基板上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層を含むII
I 族窒化物半導体装置において、前記基板と前記Alx Ga
y In1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx Gay In
1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ
材料からなる応力緩和層を介在させて、AlxGay In
1-x-y N に生ずる応力を緩和することとする。
【００１０】前記基板材料はシリコン (Si) 結晶または
炭素化シリコン (SiC)結晶であると良い。前記応力緩和
層は酸化亜鉛 (ZnO)、酸化マグネシウム (MgO)、サファ
イア (α−Al2O3)、スピネル (MgAl2O4)またはネオジウ
ムガレイト (NdGaO3) の内の少なくとも1 種類からなる
と良い。
炭素化シリコン (SiC)結晶であると良い。前記応力緩和
層は酸化亜鉛 (ZnO)、酸化マグネシウム (MgO)、サファ
イア (α−Al2O3)、スピネル (MgAl2O4)またはネオジウ
ムガレイト (NdGaO3) の内の少なくとも1 種類からなる
と良い。
【００１１】前記応力緩和層と基板との間に、Alx Gay
In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y≦1)からなる酸化防
止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成される
AlxGay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止すると良
い。前記III 族窒化物半導体装置は発光ダイオードまた
はレーザダイオードであると良い。
In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y≦1)からなる酸化防
止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成される
AlxGay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止すると良
い。前記III 族窒化物半導体装置は発光ダイオードまた
はレーザダイオードであると良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係るIII 族窒化物
半導体装置の層構成の断面図である。基板 1上に酸化防
止層T 、応力緩和層S 、次いでAlx Gay In1-x-y N 層Nt
が積層されている。基板 1の表面はSi結晶の(1,1,1) 面
またはSiC 結晶の(0,0,0,1) 面である。Alx Gay In
1-x-y N 層Ntは組成(x、y)やドーピングの異なる複数の
層からなっている。例えばダブルヘテロ構造のダイオー
ドの場合は図 8のバッファ層2 〜キャップ層7 と同じで
ある。用途に応じて他の半導体層または電極層がさらに
積層される。
半導体装置の層構成の断面図である。基板 1上に酸化防
止層T 、応力緩和層S 、次いでAlx Gay In1-x-y N 層Nt
が積層されている。基板 1の表面はSi結晶の(1,1,1) 面
またはSiC 結晶の(0,0,0,1) 面である。Alx Gay In
1-x-y N 層Ntは組成(x、y)やドーピングの異なる複数の
層からなっている。例えばダブルヘテロ構造のダイオー
ドの場合は図 8のバッファ層2 〜キャップ層7 と同じで
ある。用途に応じて他の半導体層または電極層がさらに
積層される。
【００１３】応力緩和層S について以下に説明する。基
板材料の熱膨張係数はAlGaInN 結晶の熱膨張係数よりも
小さいので、AlGaInN の成膜後の成膜温度 (約1000℃)
から室温までの冷却時に、基板よりAlGaInN膜の方が多
く収縮することになるが、基板の方がAlGaInN 膜より厚
いため、AlGaInN 膜側には引っ張り応力が生じる。その
結果、AlGaInN 膜に亀裂が生じることがある。しかし、
基板とAlGaInN 膜との間に、これら２種の材料の熱膨張
係数より大きな熱膨張係数を持つ材料の層を挿入した場
合、この挿入層は基板をより収縮させようとする、即ち
基板のみかけ上の熱膨張係数を大きくしAlGaInN 膜のそ
れに近づけるので、AlGaInN 膜に対する引っ張り力は緩
和され、AlGaInN 膜に亀裂が入ることが防止される。従
って、この挿入層を応力緩和層と呼称する。
板材料の熱膨張係数はAlGaInN 結晶の熱膨張係数よりも
小さいので、AlGaInN の成膜後の成膜温度 (約1000℃)
から室温までの冷却時に、基板よりAlGaInN膜の方が多
く収縮することになるが、基板の方がAlGaInN 膜より厚
いため、AlGaInN 膜側には引っ張り応力が生じる。その
結果、AlGaInN 膜に亀裂が生じることがある。しかし、
基板とAlGaInN 膜との間に、これら２種の材料の熱膨張
係数より大きな熱膨張係数を持つ材料の層を挿入した場
合、この挿入層は基板をより収縮させようとする、即ち
基板のみかけ上の熱膨張係数を大きくしAlGaInN 膜のそ
れに近づけるので、AlGaInN 膜に対する引っ張り力は緩
和され、AlGaInN 膜に亀裂が入ることが防止される。従
って、この挿入層を応力緩和層と呼称する。
【００１４】応力緩和層に適した材料には格子不整合率
の小さいことも必要である。表1 にこのような材料を挙
げる。表1 に応力緩和層に適した材料のの熱膨張係数と
GaN結晶に対する格子不整合率を示す。
の小さいことも必要である。表1 にこのような材料を挙
げる。表1 に応力緩和層に適した材料のの熱膨張係数と
GaN結晶に対する格子不整合率を示す。
【００１５】
【表1 】 しかし、これらの応力緩和層材料は全て酸化物であるた
め、成膜時におけるSiやSiC 表面の酸化が懸念される。
仮に、基板表面が酸化したときには、多くの場合、基板
と酸化物材料との界面に非晶質層が形成され、その上に
形成された膜の結晶性が悪化する。このため、基板上に
酸化抑制のための酸化防止層T として、Alx Gay In
1-x-y N を極薄く(10nm 程度) 形成し、その上に応力緩
和層S を形成する。そして最後に、Alx Gay In1-x-y N
からなるダブルヘテロ構造や量子井戸構造など、目的の
半導体装置用の多層AlGaInN 層Ntを形成する。成膜方法
として分子線エピタキシャル（MBE)または有機金属気相
成長法などが適用できる。 実施例１ 先ず、Si単結晶の (1,1,1)面の基板上に直接、厚さ100n
m のZnO 層を形成した。スパッタ条件としては、基板温
度を250 ℃とし、スパッタガスはArとしその圧力を1Pa
とした。ターゲットにはAlを2wt%添加したZnO 焼結体を
用いた。Alの添加は応力緩和層に導電性を持たせるため
である。
め、成膜時におけるSiやSiC 表面の酸化が懸念される。
仮に、基板表面が酸化したときには、多くの場合、基板
と酸化物材料との界面に非晶質層が形成され、その上に
形成された膜の結晶性が悪化する。このため、基板上に
酸化抑制のための酸化防止層T として、Alx Gay In
1-x-y N を極薄く(10nm 程度) 形成し、その上に応力緩
和層S を形成する。そして最後に、Alx Gay In1-x-y N
からなるダブルヘテロ構造や量子井戸構造など、目的の
半導体装置用の多層AlGaInN 層Ntを形成する。成膜方法
として分子線エピタキシャル（MBE)または有機金属気相
成長法などが適用できる。 実施例１ 先ず、Si単結晶の (1,1,1)面の基板上に直接、厚さ100n
m のZnO 層を形成した。スパッタ条件としては、基板温
度を250 ℃とし、スパッタガスはArとしその圧力を1Pa
とした。ターゲットにはAlを2wt%添加したZnO 焼結体を
用いた。Alの添加は応力緩和層に導電性を持たせるため
である。
【００１６】得られたZnO 膜は、Ｘ線回折パターンから
ｃ軸配向していることが確認できた。図２はSi基板上に
直接形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像
を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場合の
パターンの図、（ｂ）は電子線入射が(1,0,0) 方向の場
合であり（ａ）に対してｃ面内で30°回転させた場合の
パターンの図である。図２から、単結晶のパターン
（（ｂ）における高輝度（大きい白点）のみ) と低輝度
（淡い白点）のみのパターン）がずれて重なっているこ
とから、ZnO 膜のｃ面内でａ軸の向きが回転した多結晶
膜であることが判った。
ｃ軸配向していることが確認できた。図２はSi基板上に
直接形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像
を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場合の
パターンの図、（ｂ）は電子線入射が(1,0,0) 方向の場
合であり（ａ）に対してｃ面内で30°回転させた場合の
パターンの図である。図２から、単結晶のパターン
（（ｂ）における高輝度（大きい白点）のみ) と低輝度
（淡い白点）のみのパターン）がずれて重なっているこ
とから、ZnO 膜のｃ面内でａ軸の向きが回転した多結晶
膜であることが判った。
【００１７】図３はSi基板上に直接形成されたZnO 膜の
オージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示
す図である。Si基板の領域にも大量の酸素が検出され、
Si基板表面が酸化されていることが判る。このため、Zn
O の多結晶化は、ZnO を形成するときにSi表面が酸化さ
れたことに起因していることが想定できる。このZnO 膜
上に、多層のAl x Ga y In1-x-y N 膜を窒素ラジカルを
使った分子線エピタキシャル（MBE)により形成した。層
構成はAlN の第 1のバッファ層、その上にGaN の第 2の
バッファ層、n 型AlGaN のクラッド層、GaN の活性層、
p 型AlGaN のクラッド層からなるダブルヘテロ構造とし
たが、亀裂は観測されず、ZnO の応力緩和層の効果が確
認できた。
オージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示
す図である。Si基板の領域にも大量の酸素が検出され、
Si基板表面が酸化されていることが判る。このため、Zn
O の多結晶化は、ZnO を形成するときにSi表面が酸化さ
れたことに起因していることが想定できる。このZnO 膜
上に、多層のAl x Ga y In1-x-y N 膜を窒素ラジカルを
使った分子線エピタキシャル（MBE)により形成した。層
構成はAlN の第 1のバッファ層、その上にGaN の第 2の
バッファ層、n 型AlGaN のクラッド層、GaN の活性層、
p 型AlGaN のクラッド層からなるダブルヘテロ構造とし
たが、亀裂は観測されず、ZnO の応力緩和層の効果が確
認できた。
【００１８】Si基板表面の酸化を抑制するため、酸化防
止層としてSi基板上にn 型GaN 膜を10nm形成した。その
上にZnO 応力緩和層を100nm 形成した。図４はSi基板に
GaN膜を形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深
さ方向の元素分析の結果を示す図である。図３と比較し
て、図４からGaN 膜がSiの酸化を防止していることが確
認できる。
止層としてSi基板上にn 型GaN 膜を10nm形成した。その
上にZnO 応力緩和層を100nm 形成した。図４はSi基板に
GaN膜を形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深
さ方向の元素分析の結果を示す図である。図３と比較し
て、図４からGaN 膜がSiの酸化を防止していることが確
認できる。
【００１９】図５はSi基板上のGaN 膜上に形成されたZn
O 膜のRHEED 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,
1) 方向の場合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射が
(1,0,0) 方向の（（ａ）に対してｃ面内で30°回転させ
た）場合のパターンの図である。酸化防止層の形成され
ない場合（図２）と異なり、パターンは二重構造になっ
ていず、ZnO のｃ面内のａ軸の回転は観測されない。こ
のことから、酸化抑制のための GaN層を導入することに
より、Si基板の酸化が抑制され、ZnO はエピタキシャル
成長（単結晶成長）することが判った。
O 膜のRHEED 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,
1) 方向の場合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射が
(1,0,0) 方向の（（ａ）に対してｃ面内で30°回転させ
た）場合のパターンの図である。酸化防止層の形成され
ない場合（図２）と異なり、パターンは二重構造になっ
ていず、ZnO のｃ面内のａ軸の回転は観測されない。こ
のことから、酸化抑制のための GaN層を導入することに
より、Si基板の酸化が抑制され、ZnO はエピタキシャル
成長（単結晶成長）することが判った。
【００２０】このZnO 膜上に、上記と同じ層構成の多層
のAl x Ga y In1-x-y N のダブルヘテロ構造を形成し、
さらにキャップ層を形成した。図６はSi基板上のGaN
膜、ZnO 膜の二重層上の Al x Gay In1-x-y N 膜の電子
顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。図から、
その表面は平滑であり、亀裂は生じていないことが判
る。この状態の AlGaInN膜を用いて、特に精細な構造を
必要としないフォトダイオード等のIII 族窒化物半導体
装置は成立する。
のAl x Ga y In1-x-y N のダブルヘテロ構造を形成し、
さらにキャップ層を形成した。図６はSi基板上のGaN
膜、ZnO 膜の二重層上の Al x Gay In1-x-y N 膜の電子
顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。図から、
その表面は平滑であり、亀裂は生じていないことが判
る。この状態の AlGaInN膜を用いて、特に精細な構造を
必要としないフォトダイオード等のIII 族窒化物半導体
装置は成立する。
【００２１】上記のダブルヘテロ構造を含む層構成のII
I 族窒化物半導体装置の１例としてレーザダイオードを
作製した。図７は本発明に係るレーザダイオードのへき
開面に垂直な面での断面図である。基板1 は(1,1,1) 面
Siであり、酸化防止層11、応力緩和層12が順次積層され
ている。厚さ50nmのAlN の第1 のバッファ層２を形成
し、その上に厚さ0.5 μm のGaN の第２のバッファ層、
厚さ150nm のn 型AlGaNのクラッド層４、厚さ50nmのGaN
の活性層５、厚さ150nm のp 型AlGaN のクラッド層6
からなるダブルヘテロ構造を形成し、さらに厚さ100nm
p 型GaN キャップ層７を形成してある。基板1 の電極8a
はAl、キャップ層7 の電極9 はAu/Cr である。
I 族窒化物半導体装置の１例としてレーザダイオードを
作製した。図７は本発明に係るレーザダイオードのへき
開面に垂直な面での断面図である。基板1 は(1,1,1) 面
Siであり、酸化防止層11、応力緩和層12が順次積層され
ている。厚さ50nmのAlN の第1 のバッファ層２を形成
し、その上に厚さ0.5 μm のGaN の第２のバッファ層、
厚さ150nm のn 型AlGaNのクラッド層４、厚さ50nmのGaN
の活性層５、厚さ150nm のp 型AlGaN のクラッド層6
からなるダブルヘテロ構造を形成し、さらに厚さ100nm
p 型GaN キャップ層７を形成してある。基板1 の電極8a
はAl、キャップ層7 の電極9 はAu/Cr である。
【００２２】Si基板1 をへき開することによりIII 族窒
化物半導体層は（1,-1,0,0) 面がへき開面となり、光共
振器が形成できる。このレーザダイオードにパルス電流
を流し、電流密度約10kA/cm2以上でレーザ発振させるこ
とができた。また、酸化防止層として、Ga1-x Alx N
(0 ＜x ≦1)も実施したが、同様に酸化防止の効果があ
り、応力緩和層は単結晶であり、III 族窒化物半導体層
は良好に成膜できた。 実施例２ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタにより形成したサファイア (α−
Al2O3)を用いた。なお、基板温度は５００℃、ターゲッ
トにはAl2O3 の焼結体を用い、スパッタガスにはArを使
い、圧力は1Pa、膜厚は120nm とした。
化物半導体層は（1,-1,0,0) 面がへき開面となり、光共
振器が形成できる。このレーザダイオードにパルス電流
を流し、電流密度約10kA/cm2以上でレーザ発振させるこ
とができた。また、酸化防止層として、Ga1-x Alx N
(0 ＜x ≦1)も実施したが、同様に酸化防止の効果があ
り、応力緩和層は単結晶であり、III 族窒化物半導体層
は良好に成膜できた。 実施例２ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタにより形成したサファイア (α−
Al2O3)を用いた。なお、基板温度は５００℃、ターゲッ
トにはAl2O3 の焼結体を用い、スパッタガスにはArを使
い、圧力は1Pa、膜厚は120nm とした。
【００２３】サファイア応力緩和層の場合も、ZnO 応力
緩和層の場合と同様、酸化防止層がない場合、Si(1,1,
1) 基板上でｃ軸配向に成長はするが、ｃ面内でのａ軸
方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入す
ることにより、サファイアおよびその上に形成したダブ
ルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測
されなかった。 実施例３ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタリングにより形成したマグネシア
(MgO)を用いた。なお、基板温度は400 ℃、ターゲット
にはMgO の焼結体を用い、スパッタガスはArを使い、圧
力は1Pa 、膜厚は100nm とした。MgO の場合も、酸化防
止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ軸配向ではある
が、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られた。ところが、
酸化防止層を導入することにより、MgO およびその上に
形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長
し、亀裂も観測されなかった。 実施例４ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタリングにより形成したスピネル
(MgAl2 O4) を用いた。なお、基板温度は600 ℃、ター
ゲットにはMgAl2 O4焼結体を用い、スパッタガスにはAr
を使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。スピネルの
場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ
軸配向ではあるが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られ
た。ところが、酸化防止層を導入することにより、スピ
ネルおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエ
ピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。 実施例５ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタリングにより形成したネオジガレ
イト (NdGaO3) を用いた。なお、基板温度は700 ℃、タ
ーゲットにはNdGaO3焼結体を用い、スパッタガスにはAr
を使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。ネオジガレ
イトの場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板
上でｃ軸配向ではあるが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が
見られた。ところが、酸化防止層を導入することによ
り、ネオジガレイトおよびその上に形成したダブルへテ
ロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されな
かった。 実施例６ また、6H-SiC基板を用いて、実施例1 と同様に、ZnO を
応力緩和層、GaN 酸化防止層とした実験を行ったが、実
施例1 と同様に応力緩和層、酸化防止層の効果が確認で
きた。
緩和層の場合と同様、酸化防止層がない場合、Si(1,1,
1) 基板上でｃ軸配向に成長はするが、ｃ面内でのａ軸
方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入す
ることにより、サファイアおよびその上に形成したダブ
ルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測
されなかった。 実施例３ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタリングにより形成したマグネシア
(MgO)を用いた。なお、基板温度は400 ℃、ターゲット
にはMgO の焼結体を用い、スパッタガスはArを使い、圧
力は1Pa 、膜厚は100nm とした。MgO の場合も、酸化防
止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ軸配向ではある
が、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られた。ところが、
酸化防止層を導入することにより、MgO およびその上に
形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長
し、亀裂も観測されなかった。 実施例４ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタリングにより形成したスピネル
(MgAl2 O4) を用いた。なお、基板温度は600 ℃、ター
ゲットにはMgAl2 O4焼結体を用い、スパッタガスにはAr
を使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。スピネルの
場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でｃ
軸配向ではあるが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が見られ
た。ところが、酸化防止層を導入することにより、スピ
ネルおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエ
ピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。 実施例５ 基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層に
マグネトロンスパッタリングにより形成したネオジガレ
イト (NdGaO3) を用いた。なお、基板温度は700 ℃、タ
ーゲットにはNdGaO3焼結体を用い、スパッタガスにはAr
を使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。ネオジガレ
イトの場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板
上でｃ軸配向ではあるが、ｃ面内でのａ軸方向の回転が
見られた。ところが、酸化防止層を導入することによ
り、ネオジガレイトおよびその上に形成したダブルへテ
ロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されな
かった。 実施例６ また、6H-SiC基板を用いて、実施例1 と同様に、ZnO を
応力緩和層、GaN 酸化防止層とした実験を行ったが、実
施例1 と同様に応力緩和層、酸化防止層の効果が確認で
きた。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、Alx Gay In1-x-y N(0
≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな
熱膨張係数を持つ結晶からなる基板上に形成されたAlx
Gay In1-x-y N 層を含むIII 族窒化物半導体装置におい
て、前記基板と前記Alx Gay In1-x-y N 層との間に基板
材料およびAlx Gay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大
きな熱膨張係数を持つ材料からなる応力緩和層を介在さ
せて、Alx Gay In1-x-yN に生ずる応力を緩和したた
め、熱膨張係数がAlx Gay In1-x-y N 膜より小さい基板
上のAlx Gay In1-x-y N からなる多層膜を有するIII 族
窒化物半導体装置には亀裂がなく、またへき開性を利用
して個別化が簡単にできる。
≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな
熱膨張係数を持つ結晶からなる基板上に形成されたAlx
Gay In1-x-y N 層を含むIII 族窒化物半導体装置におい
て、前記基板と前記Alx Gay In1-x-y N 層との間に基板
材料およびAlx Gay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大
きな熱膨張係数を持つ材料からなる応力緩和層を介在さ
せて、Alx Gay In1-x-yN に生ずる応力を緩和したた
め、熱膨張係数がAlx Gay In1-x-y N 膜より小さい基板
上のAlx Gay In1-x-y N からなる多層膜を有するIII 族
窒化物半導体装置には亀裂がなく、またへき開性を利用
して個別化が簡単にできる。
【００２５】さらに、応力緩和層と基板との間に、Alx
Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)からなる酸
化防止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成さ
れるAlx Gay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止するよ
うにしたので、精細な層構成の発光ダイオードやレーザ
ダイオードを形成できる。
Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)からなる酸
化防止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成さ
れるAlx Gay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止するよ
うにしたので、精細な層構成の発光ダイオードやレーザ
ダイオードを形成できる。
【図１】本発明に係るIII 族窒化物半導体装置の層構成
の断面図
の断面図
【図２】Si基板上に直接形成されたZnO 膜の反射高速電
子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,
-1,1) 方向の場合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射
が(1,0,0) 方向の場合であり（ａ）に対してｃ面内で30
°回転させた場合のパターンの図
子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,
-1,1) 方向の場合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射
が(1,0,0) 方向の場合であり（ａ）に対してｃ面内で30
°回転させた場合のパターンの図
【図３】Si基板上に直接形成されたZnO 膜のオージェ電
子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
【図４】Si基板にGaN 膜を形成されたZnO 膜のオージェ
電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
【図５】Si基板上のGaN 膜上に形成されたZnO 膜のRHEE
D 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場
合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射が(1,0,0) 方向
の場合（（ａ）に対してｃ面内で30°回転させた）のパ
ターンの図
D 像を示し、（ａ）は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場
合のパターンの図、（ｂ）は電子線入射が(1,0,0) 方向
の場合（（ａ）に対してｃ面内で30°回転させた）のパ
ターンの図
【図６】Si基板上のGaN 膜、ZnO 膜の二重層上の Al x
Gay In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を
示す図
Gay In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を
示す図
【図７】本発明に係るレーザダイオードのへき開面に垂
直な面での断面図
直な面での断面図
【図８】従来のIII 族窒化物半導体装置の１例であるレ
ーザダイオードの断面図
ーザダイオードの断面図
【図９】Si結晶基板に直接形成されたAlx Gay In1-x-y
N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の状態を
示す図
N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の状態を
示す図
１ 基板 ２ バッファ層 ２ａ 第１のバッファ層 ２ｂ 第２のバッファ層 ３ コンタクト層 ４ クラッド層 ５ 活性層 ６ クラッド層 ７ キャップ層 ８ 第１の電極層 ８ａ 第１の電極層 ９ 第２の電極層 Ｓ 応力緩和層 Ｔ 酸化防止層 Ｎｔ AlGaInN 層
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年８月９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】Si基板上に直接形成されたZnO 膜の反射高速電
子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射が(1,-
1,1)方向の場合の結晶構造の写真、（ｂ）は電子線入射
が(1, 0, 0) 方向の場合であり(a) に対してc 面内で30
°回転させた場合の結晶構造の写真
子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射が(1,-
1,1)方向の場合の結晶構造の写真、（ｂ）は電子線入射
が(1, 0, 0) 方向の場合であり(a) に対してc 面内で30
°回転させた場合の結晶構造の写真
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】Si基板上のGaN 膜上に形成されたZnO 膜の反射
高速電子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射
が(1,-1,1)方向の場合の結晶構造の写真、（ｂ）は電子
線入射が(1, 0, 0) 方向の（(a) に対してc 面内で30°
回転させた）場合の結晶構造の写真
高速電子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は電子線入射
が(1,-1,1)方向の場合の結晶構造の写真、（ｂ）は電子
線入射が(1, 0, 0) 方向の（(a) に対してc 面内で30°
回転させた）場合の結晶構造の写真
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図６】Si基板上のGaN 膜、ZnO 膜の二重層上のAlx Ga
y In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を示
す顕微鏡写真
y In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を示
す顕微鏡写真
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正内容】
【図９】Si結晶基板上に直接形成されたAlx Gay In
1-x-y N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の
状態を示す顕微鏡写真
1-x-y N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の
状態を示す顕微鏡写真
フロントページの続き (72)発明者 上條 洋 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内
Claims (5)
- 【請求項１】Alx Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+
y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結
晶からなる基板上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層を
含むIII 族窒化物半導体装置において、前記基板と前記
Alx Gay In1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx Gay
In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持
つ材料からなる応力緩和層を介在させて、Alx Gay In
1-x-y Nに生ずる応力を緩和することを特徴とするIII
族窒化物半導体装置。 - 【請求項２】前記基板材料はシリコン (Si) 結晶または
炭素化シリコン (SiC)結晶であることを特徴とする請求
項１に記載のIII 族窒化物半導体装置。 - 【請求項３】前記応力緩和層は酸化亜鉛 (ZnO)、酸化マ
グネシウム (MgO)、サファイア (α-Al2O3) 、スピネル
(MgAl2O4)またはネオジウムガレイト (NdGaO3) の内の
少なくとも1 種類からなることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載のIII 族窒化物半導体装置。 - 【請求項４】前記応力緩和層と基板との間に、Alx Gay
In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)からなる酸化防
止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成される
Alx Gay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止することを
特徴とする請求項１ないし３に記載のIII 族窒化物半導
体装置。 - 【請求項５】発光ダイオードまたはレーザダイオードで
あることを特徴とする請求項１ないし４に記載のIII 族
窒化物半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16387296A JP3756575B2 (ja) | 1996-06-04 | 1996-06-04 | Ｉｉｉ 族窒化物半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16387296A JP3756575B2 (ja) | 1996-06-04 | 1996-06-04 | Ｉｉｉ 族窒化物半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09326534A true JPH09326534A (ja) | 1997-12-16 |
| JP3756575B2 JP3756575B2 (ja) | 2006-03-15 |
Family
ID=15782385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16387296A Expired - Fee Related JP3756575B2 (ja) | 1996-06-04 | 1996-06-04 | Ｉｉｉ 族窒化物半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3756575B2 (ja) |
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-
1996
- 1996-06-04 JP JP16387296A patent/JP3756575B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP3756575B2 (ja) | 2006-03-15 |
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