JPH11177141A - GaN系の半導体素子 - Google Patents
GaN系の半導体素子Info
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- JPH11177141A JPH11177141A JP10543298A JP10543298A JPH11177141A JP H11177141 A JPH11177141 A JP H11177141A JP 10543298 A JP10543298 A JP 10543298A JP 10543298 A JP10543298 A JP 10543298A JP H11177141 A JPH11177141 A JP H11177141A
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 新規な構成のGaN系の半導体素子を提供す
る。 【解決手段】 基板においてGaN系の半導体層に対向
する面がTi化されている構成の新規なGaN系の半導
体層を提供する。
る。 【解決手段】 基板においてGaN系の半導体層に対向
する面がTi化されている構成の新規なGaN系の半導
体層を提供する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はGaN系の半導体
素子に関する。
素子に関する。
【0002】
【従来の技術】GaN系の半導体は例えば青色発光素子
として利用できることが知られている。かかる発光素子
では、基板として一般的にサファイアが用いられる。
として利用できることが知られている。かかる発光素子
では、基板として一般的にサファイアが用いられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このサファイア製の基
板において解決すべき課題の一つとして次のものがあ
る。即ちサファイア基板は透明であるため、本来素子の
上面から取り出したい発光素子の光が素子下面のサファ
イア基板を透過してしまう。そのため、発光素子で発光
させた光が有効に利用できない。
板において解決すべき課題の一つとして次のものがあ
る。即ちサファイア基板は透明であるため、本来素子の
上面から取り出したい発光素子の光が素子下面のサファ
イア基板を透過してしまう。そのため、発光素子で発光
させた光が有効に利用できない。
【0004】サファイア基板はまた高価である。更に
は、サファイア基板は絶縁体であるため同一面側に電極
を形成する必要があり、半導体層の一部をエッチングし
なければならず、それに応じてボンディングの工程も2
倍となる。また、同一面側にn、p両電極を形成するた
め、素子サイズの小型化にも制限があった、加えて、チ
ャージアップの問題もあった。
は、サファイア基板は絶縁体であるため同一面側に電極
を形成する必要があり、半導体層の一部をエッチングし
なければならず、それに応じてボンディングの工程も2
倍となる。また、同一面側にn、p両電極を形成するた
め、素子サイズの小型化にも制限があった、加えて、チ
ャージアップの問題もあった。
【0005】また、サファイア基板の代わりにSi(シ
リコン)基板の使用が考えられるが、本発明者の検討に
よれば、Si基板の上にGaN系の半導体層を成長させ
ることは非常に困難であった。その原因の一つとして、
SiとGaN系の半導体の熱膨張率の差がある。Siの
線膨張係数が4.7 X 10-6/Kであるのに対しGa
Nの線膨張係数は5.59 X 10-6/Kであり、前者
が後者より小さい。従って、GaN系の半導体層を成長
させる際に加熱をすると、Si基板が伸長されGaN系
の半導体層側が圧縮するように素子が変形する。このと
き、GaN系の半導体層内に引っ張り応力が生じ、その
結果クラックの発生するおそれがある。また、クラック
が生じないまでも格子に歪みが生じる。従って、GaN
系の半導体素子がその本来の機能を発揮できなくなる。
リコン)基板の使用が考えられるが、本発明者の検討に
よれば、Si基板の上にGaN系の半導体層を成長させ
ることは非常に困難であった。その原因の一つとして、
SiとGaN系の半導体の熱膨張率の差がある。Siの
線膨張係数が4.7 X 10-6/Kであるのに対しGa
Nの線膨張係数は5.59 X 10-6/Kであり、前者
が後者より小さい。従って、GaN系の半導体層を成長
させる際に加熱をすると、Si基板が伸長されGaN系
の半導体層側が圧縮するように素子が変形する。このと
き、GaN系の半導体層内に引っ張り応力が生じ、その
結果クラックの発生するおそれがある。また、クラック
が生じないまでも格子に歪みが生じる。従って、GaN
系の半導体素子がその本来の機能を発揮できなくなる。
【0006】この発明はこのような課題に鑑みて、新規
な構成のGaN系の半導体素子を提供することを目的と
する。この発明の他の目的はGaN系の半導体素子の中
間体となる新規な構成の積層体を提供することにある。
な構成のGaN系の半導体素子を提供することを目的と
する。この発明の他の目的はGaN系の半導体素子の中
間体となる新規な構成の積層体を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らはG
aN系の半導体層を成長させるのに適した新規な基板を
見いだすべく鋭意検討した。その結果、特願平9−29
3465号(出願人整理番号970152/代理人整理
番号P0060)において、以下の事項に想到し、これ
を開示した。即ち、基板の上にGaN系の半導体をヘテ
ロエピタキシャル成長させるには、基板は下記の要件
〜のうちの少なくとも2つを満足する必要があると考
るに至った。 GaN系の半導体と基板との密着性が良好なこと GaN系の半導体の熱膨張係数と基板の熱膨張係数
とが近いこと 基板の弾性率が低いこと 基板の結晶構造がGaN系の半導体と同じであるこ
と |基板の格子定数−GaN系の半導体の格子定数|
/GaN系の半導体の格子定数 ≦ 0.05である
(即ち、基板の格子定数とGaN系の半導体層の格子定
数との差が±5%以下である)こと、 勿論、好ましくは上記の要件のうちの少なくとも3つ、
更に好ましくは上記要件のうち少なくとも4つ、そし
て、最も好ましくは、5つの要件の全てを満足する。
aN系の半導体層を成長させるのに適した新規な基板を
見いだすべく鋭意検討した。その結果、特願平9−29
3465号(出願人整理番号970152/代理人整理
番号P0060)において、以下の事項に想到し、これ
を開示した。即ち、基板の上にGaN系の半導体をヘテ
ロエピタキシャル成長させるには、基板は下記の要件
〜のうちの少なくとも2つを満足する必要があると考
るに至った。 GaN系の半導体と基板との密着性が良好なこと GaN系の半導体の熱膨張係数と基板の熱膨張係数
とが近いこと 基板の弾性率が低いこと 基板の結晶構造がGaN系の半導体と同じであるこ
と |基板の格子定数−GaN系の半導体の格子定数|
/GaN系の半導体の格子定数 ≦ 0.05である
(即ち、基板の格子定数とGaN系の半導体層の格子定
数との差が±5%以下である)こと、 勿論、好ましくは上記の要件のうちの少なくとも3つ、
更に好ましくは上記要件のうち少なくとも4つ、そし
て、最も好ましくは、5つの要件の全てを満足する。
【0008】このような条件を満足する材料として、既
述の先の出願特願平9−293465号ではいくつかの
金属材料に注目している。その中の一つとしてTiが開
示されている。また、当該先の出願によれば基板は少な
くともその表面、即ちGaN系の半導体層に接する面に
おいて上記の要件を満足しておればよい。従って、基板
の基体部分を任意の材料で形成して基板の表面部分を上
記の要件を満足する材料で形成することもできる。サフ
ァイア基板の場合と同様に、半導体層と基板との間にA
lNやGaNのようなAlaInbGa1-a-bN(a=
0、b=0、a=b=0を含む)からなるバッファ層を
介在させることができる。
述の先の出願特願平9−293465号ではいくつかの
金属材料に注目している。その中の一つとしてTiが開
示されている。また、当該先の出願によれば基板は少な
くともその表面、即ちGaN系の半導体層に接する面に
おいて上記の要件を満足しておればよい。従って、基板
の基体部分を任意の材料で形成して基板の表面部分を上
記の要件を満足する材料で形成することもできる。サフ
ァイア基板の場合と同様に、半導体層と基板との間にA
lNやGaNのようなAlaInbGa1-a-bN(a=
0、b=0、a=b=0を含む)からなるバッファ層を
介在させることができる。
【0009】一方、特願平9−293463号(出願人
整理番号970136/代理人整理番号P0057)に
よれば、Si基板とGaN系の半導体層との間に応力緩
衝用の為のバッファ層が介在される構成の半導体素子が
開示されている。この応力緩衝用バッファ層を構成する
材料として当該先の出願特願平9−293465号では
いくつかの金属材料に注目しているが、その中の一つと
してTiが開示されている。即ち、Si基板上にTi層
が形成され、その上にGaN系の半導体層が形成される
構成の半導体素子が開示されている。
整理番号970136/代理人整理番号P0057)に
よれば、Si基板とGaN系の半導体層との間に応力緩
衝用の為のバッファ層が介在される構成の半導体素子が
開示されている。この応力緩衝用バッファ層を構成する
材料として当該先の出願特願平9−293465号では
いくつかの金属材料に注目しているが、その中の一つと
してTiが開示されている。即ち、Si基板上にTi層
が形成され、その上にGaN系の半導体層が形成される
構成の半導体素子が開示されている。
【0010】この発明は、上記2つの先の出願で開示し
た事項に基づいてなされた。そしてそれを更に改良及び
発展させたものである。即ち、この発明の第1の局面は
つぎのとおりである。GaN系の半導体層と、該半導体
層に対向する面がTi製とされた基板と、を備えてなる
GaN系の半導体素子。
た事項に基づいてなされた。そしてそれを更に改良及び
発展させたものである。即ち、この発明の第1の局面は
つぎのとおりである。GaN系の半導体層と、該半導体
層に対向する面がTi製とされた基板と、を備えてなる
GaN系の半導体素子。
【0011】このように構成された半導体素子によれ
ば、GaN系の半導体層が発光素子構造を採る場合、こ
の基板自体が反射層の役目をする。従って、素子で発光
された光を有効に利用できる。よって、透明なサファイ
ア基板を用いた発光素子若しくは受光素子で必要とされ
ていた別個の反射層の形成が不要となる。また、GaA
sのように光を吸収する材料で基板を形成した場合にお
ける当該基板の除去作業が不要になる。
ば、GaN系の半導体層が発光素子構造を採る場合、こ
の基板自体が反射層の役目をする。従って、素子で発光
された光を有効に利用できる。よって、透明なサファイ
ア基板を用いた発光素子若しくは受光素子で必要とされ
ていた別個の反射層の形成が不要となる。また、GaA
sのように光を吸収する材料で基板を形成した場合にお
ける当該基板の除去作業が不要になる。
【0012】(GaN系の半導体層について)GaN系
の半導体とはIII族窒化物半導体であって、一般的には
AlXGaYIn1ーXーYN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0
≦X+Y≦1)で表される。また、任意のドーパントを
含むものであっても良い。発光素子及び受光素子では、
周知のように、発光層が異なる導電型の半導体層(クラ
ッド層)で挟まれる構成であり、発光層には超格子構造
やダブルヘテロ構造等が採用される。FET構造に代表
される電子デバイスをGaN系の半導体で形成すること
もできる。GaN系の半導体層は周知の有機金属化合物
気相成長法(以下、「MOCVD法」という。)により
形成される。また、周知の分子線結晶成長法(MBE
法)によっても形成することができる。
の半導体とはIII族窒化物半導体であって、一般的には
AlXGaYIn1ーXーYN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0
≦X+Y≦1)で表される。また、任意のドーパントを
含むものであっても良い。発光素子及び受光素子では、
周知のように、発光層が異なる導電型の半導体層(クラ
ッド層)で挟まれる構成であり、発光層には超格子構造
やダブルヘテロ構造等が採用される。FET構造に代表
される電子デバイスをGaN系の半導体で形成すること
もできる。GaN系の半導体層は周知の有機金属化合物
気相成長法(以下、「MOCVD法」という。)により
形成される。また、周知の分子線結晶成長法(MBE
法)によっても形成することができる。
【0013】(基板について)基板はその表面、即ちG
aN系の半導体層に対向する面がTiで形成されておれ
ばよい。従って、基板の表面層のみをTi製として下側
の層(基体層)を他の任意の材料で形成することができ
る。また、基板の基体層を低純度若しくは不純物を含ん
だTi材料若しくはTi合金で形成しておき、表面層を
高純度のTiで形成することもできる。なお、GaN系
の半導体層に対向する面は単結晶Ti製とすることが好
ましい。また、結晶構造が実質的に維持されている条件
の下で、TiをTi合金に代えることもできる。
aN系の半導体層に対向する面がTiで形成されておれ
ばよい。従って、基板の表面層のみをTi製として下側
の層(基体層)を他の任意の材料で形成することができ
る。また、基板の基体層を低純度若しくは不純物を含ん
だTi材料若しくはTi合金で形成しておき、表面層を
高純度のTiで形成することもできる。なお、GaN系
の半導体層に対向する面は単結晶Ti製とすることが好
ましい。また、結晶構造が実質的に維持されている条件
の下で、TiをTi合金に代えることもできる。
【0014】基板は全体として導電性を有することが好
ましい。基板を導電性とすれば、基板に電極を接続し、
基板側よりGaN系の半導体層に通電することが可能に
なる。従って、GaN系の半導体層で発光素子又は受光
素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する
複雑なエッチングが不要になる。図21の例で言えば、
nクラッド層が基板を介して外部に電気的に接続可能と
なる。一方、サファイア基板の場合は、これが絶縁性で
あったため発光層及びpクラッド層をエッチングしてn
クラッド層を露出し、これを外部と電気的に接続させる
必要があった。基板から半導体層へ通電可能となったの
で、外部電源に対するボンディングも容易になる。更に
は、アースをとればチャージアップの問題も容易に解決
される。
ましい。基板を導電性とすれば、基板に電極を接続し、
基板側よりGaN系の半導体層に通電することが可能に
なる。従って、GaN系の半導体層で発光素子又は受光
素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する
複雑なエッチングが不要になる。図21の例で言えば、
nクラッド層が基板を介して外部に電気的に接続可能と
なる。一方、サファイア基板の場合は、これが絶縁性で
あったため発光層及びpクラッド層をエッチングしてn
クラッド層を露出し、これを外部と電気的に接続させる
必要があった。基板から半導体層へ通電可能となったの
で、外部電源に対するボンディングも容易になる。更に
は、アースをとればチャージアップの問題も容易に解決
される。
【0015】このように基板に導電性を与えるために
は、基板の基体層をCr、Hf、Nb、Re、Ta、T
i、V、Zr及びYなどの導電性の金属、Si、GaA
s、GaP、ZnO並びにZnSe等で形成する。かか
る基体層に対し、プラズマCVD、熱CVD、光CVD
等のCVD(Chemical Vapour Dep
osition)、スパッタ、蒸着等の(Physic
al Vapour Deposition)等の方法
でTi層が形成される。
は、基板の基体層をCr、Hf、Nb、Re、Ta、T
i、V、Zr及びYなどの導電性の金属、Si、GaA
s、GaP、ZnO並びにZnSe等で形成する。かか
る基体層に対し、プラズマCVD、熱CVD、光CVD
等のCVD(Chemical Vapour Dep
osition)、スパッタ、蒸着等の(Physic
al Vapour Deposition)等の方法
でTi層が形成される。
【0016】
【発明の実施の形態】この発明の一の実施の形態によれ
ば、基板の基体層としてサファイアを採用し、当該サフ
ァイア基体層の表面に単結晶Ti層が蒸着される。図1
はTi単結晶の結晶性の膜厚依存性を示す。図1の結果
を得たときのTi層の形成条件は次の通りである。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:測定対象 なお、図1の縦軸の強度はTi層に対してφ(PHI)
スキャンを実行したとき得られた6本のピークの平均強
度(相対値)である。縦軸の強度が大きいほど結晶性が
良い。GaN系の半導体層の結晶性を向上するためには
その土台となるTi層にも高い結晶性が要求されること
は言うまでもない。なお、Ti単結晶に対するφ(PH
I)スキャンでは、サンプルを360度回転させたとき
に六方晶の(1 0 1- 2)面に対応する6つのピーク
が得られる。このようにφ(PHI)スキャンで6本の
ピークが観測されたTi層は単結晶であるか又は単結晶
に近いと考えられる。φ(PHI)スキャンについては
Journal of Electronic Materials, Vol. 25, No. 11,
pp. 1740-1747, 1996を参照されたい。
ば、基板の基体層としてサファイアを採用し、当該サフ
ァイア基体層の表面に単結晶Ti層が蒸着される。図1
はTi単結晶の結晶性の膜厚依存性を示す。図1の結果
を得たときのTi層の形成条件は次の通りである。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:測定対象 なお、図1の縦軸の強度はTi層に対してφ(PHI)
スキャンを実行したとき得られた6本のピークの平均強
度(相対値)である。縦軸の強度が大きいほど結晶性が
良い。GaN系の半導体層の結晶性を向上するためには
その土台となるTi層にも高い結晶性が要求されること
は言うまでもない。なお、Ti単結晶に対するφ(PH
I)スキャンでは、サンプルを360度回転させたとき
に六方晶の(1 0 1- 2)面に対応する6つのピーク
が得られる。このようにφ(PHI)スキャンで6本の
ピークが観測されたTi層は単結晶であるか又は単結晶
に近いと考えられる。φ(PHI)スキャンについては
Journal of Electronic Materials, Vol. 25, No. 11,
pp. 1740-1747, 1996を参照されたい。
【0017】また、図1の結果を得るに当たってTi層
を形成する前に下記の前処理を行う。他の図に示す結果
を得たときも同様である。チャンバ内へサファイア基板
をセットし、工業的に汎用される真空ポンプで3×10
-5Torrまで真空引きしその後窒素ガスでチャンバ内
を充満する。この作業を3回繰り返す。これは、チャン
バ内の酸素を減らしTiが酸化されるのを未然に防止す
るためである。従って、チャンバ内の酸素を充分に排出
できれば他の方法を採ることも可能である。なお、本発
明者らの検討によれば、現在工業的に汎用される蒸着装
置に付設の真空装置の能力では真空度に限度(通常:〜
10-7Torr)があるので、かかる窒素パージを繰り
返すことが不可欠であった。勿論、窒素ガスの代わりに
他の不活性ガスを用いることができる。次に、窒素ガス
を拡散ポンプで8×10-7Torrまで真空引きする。
を形成する前に下記の前処理を行う。他の図に示す結果
を得たときも同様である。チャンバ内へサファイア基板
をセットし、工業的に汎用される真空ポンプで3×10
-5Torrまで真空引きしその後窒素ガスでチャンバ内
を充満する。この作業を3回繰り返す。これは、チャン
バ内の酸素を減らしTiが酸化されるのを未然に防止す
るためである。従って、チャンバ内の酸素を充分に排出
できれば他の方法を採ることも可能である。なお、本発
明者らの検討によれば、現在工業的に汎用される蒸着装
置に付設の真空装置の能力では真空度に限度(通常:〜
10-7Torr)があるので、かかる窒素パージを繰り
返すことが不可欠であった。勿論、窒素ガスの代わりに
他の不活性ガスを用いることができる。次に、窒素ガス
を拡散ポンプで8×10-7Torrまで真空引きする。
【0018】かかる前処理の終了後、基板をランプヒー
タで所定の温度に加熱するとともに、Tiのバルクに電
子ビームを照射してこれを融解し、サファイア基板上に
単結晶Ti層を蒸着させた。
タで所定の温度に加熱するとともに、Tiのバルクに電
子ビームを照射してこれを融解し、サファイア基板上に
単結晶Ti層を蒸着させた。
【0019】φ(PHI)スキャンはフィリップス社製
の4軸型単結晶回折計(製品名:X-pert)により行った
(以下のφ(PHI)スキャンについても同じ。)。図
2にφ(PHI)スキャンの結果(Ti層:300nm
のとき)の一例を示す。図2に現れたTiの(1 0 1-
2)面に対応する6つのピークの強度(相対値)の平
均が図1の縦軸の値となる。
の4軸型単結晶回折計(製品名:X-pert)により行った
(以下のφ(PHI)スキャンについても同じ。)。図
2にφ(PHI)スキャンの結果(Ti層:300nm
のとき)の一例を示す。図2に現れたTiの(1 0 1-
2)面に対応する6つのピークの強度(相対値)の平
均が図1の縦軸の値となる。
【0020】図1の結果より、Ti以外の材料製の基体
層の表面に形成されるTi層の膜厚は1000〜150
00オングストローム(100〜1500nm)とする
ことが好ましい。Ti層の膜厚が100nm未満である
と充分な結晶性を得られず、また1500nmを越えて
Ti層を厚くする必要はない。成膜のために時間を要す
るだけであるからである。成膜の時間に制約のない場合
は上限を設ける必要はない。また、この程度の膜厚のT
i層を設けることにより、GaN系の半導体層で発光し
た光のうち基板側へ放出されたものは当該Ti層で反射
され、基板を透過することがない。従って、GaN系の
半導体層で生じた光の実質的に全部が素子の表面から取
り出されることとなり、当該光の有効利用が達成され
る。更に好ましくは、Ti層の膜厚を2000〜100
00オングストローム(200〜1000nm)とす
る。
層の表面に形成されるTi層の膜厚は1000〜150
00オングストローム(100〜1500nm)とする
ことが好ましい。Ti層の膜厚が100nm未満である
と充分な結晶性を得られず、また1500nmを越えて
Ti層を厚くする必要はない。成膜のために時間を要す
るだけであるからである。成膜の時間に制約のない場合
は上限を設ける必要はない。また、この程度の膜厚のT
i層を設けることにより、GaN系の半導体層で発光し
た光のうち基板側へ放出されたものは当該Ti層で反射
され、基板を透過することがない。従って、GaN系の
半導体層で生じた光の実質的に全部が素子の表面から取
り出されることとなり、当該光の有効利用が達成され
る。更に好ましくは、Ti層の膜厚を2000〜100
00オングストローム(200〜1000nm)とす
る。
【0021】図3はサファイア基板上におけるTi蒸着
膜結晶性の蒸着速度依存性を示す。図の縦軸はφ(PH
I)スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)で
ある。なお、図3の結果を得たときのTi層の形成条件
は次の通りであった。 蒸着速度:測定対象 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm
膜結晶性の蒸着速度依存性を示す。図の縦軸はφ(PH
I)スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)で
ある。なお、図3の結果を得たときのTi層の形成条件
は次の通りであった。 蒸着速度:測定対象 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm
【0022】図3の結果より、Ti層の蒸着速度は0.
5nm/s以上とすることが好ましいことがわかる。な
お、Tiの蒸着速度を2nm/s以上とすることは現実
的でない。表面モフォロジーの劣化が見られるからであ
る。
5nm/s以上とすることが好ましいことがわかる。な
お、Tiの蒸着速度を2nm/s以上とすることは現実
的でない。表面モフォロジーの劣化が見られるからであ
る。
【0023】図4はサファイア基板上におけるTi蒸着
膜結晶性の蒸着温度(蒸着時の基板温度)依存性を示
す。図の縦軸はφ(PHI)スキャンにより得たピーク
の平均強度(相対値)である。なお、図4の結果を得た
ときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:測定対象 膜厚:300nm
膜結晶性の蒸着温度(蒸着時の基板温度)依存性を示
す。図の縦軸はφ(PHI)スキャンにより得たピーク
の平均強度(相対値)である。なお、図4の結果を得た
ときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:測定対象 膜厚:300nm
【0024】図4の結果より、サファイア基板を特に加
熱しない、いわゆる室温状態から350℃の間で充分な
結晶性が得られることが予想される。更に好ましくは2
5〜250℃であり、更に更に好ましくは150〜25
0℃である。なお、本発明者らの検討によれば、蒸着温
度は130〜170℃とすることが好ましいことがわか
った。更に好ましくはほぼ150℃である。170℃よ
り高い温度にするとTiのc軸配向性が低下おそれがあ
るからである。
熱しない、いわゆる室温状態から350℃の間で充分な
結晶性が得られることが予想される。更に好ましくは2
5〜250℃であり、更に更に好ましくは150〜25
0℃である。なお、本発明者らの検討によれば、蒸着温
度は130〜170℃とすることが好ましいことがわか
った。更に好ましくはほぼ150℃である。170℃よ
り高い温度にするとTiのc軸配向性が低下おそれがあ
るからである。
【0025】図5はサファイア基板上におけるTi蒸着
膜結晶性の熱処理温度依存性を示す。図5の結果を得た
ときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:は150℃ 膜厚:300nm このようにして得られたTi層/サファイア基板を熱処
理炉において横軸に示すそれぞれの温度まで加熱(5分
間)したときのものである。縦軸は図1と同様にφ(P
HI)スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)
である。
膜結晶性の熱処理温度依存性を示す。図5の結果を得た
ときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:は150℃ 膜厚:300nm このようにして得られたTi層/サファイア基板を熱処
理炉において横軸に示すそれぞれの温度まで加熱(5分
間)したときのものである。縦軸は図1と同様にφ(P
HI)スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)
である。
【0026】図5の結果より、Ti層に750℃を越え
る温度を加えるとその結晶性が低下することがわかる。
換言すれば、Ti層の上に少なくとも一つのGaN系の
半導体層を成長させるまではTi層を750℃以下に保
持しておくことが好ましい。当該第1のGaN系の半導
体層の形成後はこの上に第2のGaN系の半導体層を形
成することができるので、第1のGaN系の半導体層の
結晶性が保持される温度が臨界温度となる。この臨界温
度においてTi層の結晶性が低下しても、第1のGaN
系の半導体層の結晶性が維持されている限り、第2のG
aN系の半導体層の結晶性に影響が出ないからである。
図5の結果より、Ti層の上に少なくとも一つのGaN
系の半導体層を成長させるまではTi層を600℃以下
に保持しておくことが更に好ましい。
る温度を加えるとその結晶性が低下することがわかる。
換言すれば、Ti層の上に少なくとも一つのGaN系の
半導体層を成長させるまではTi層を750℃以下に保
持しておくことが好ましい。当該第1のGaN系の半導
体層の形成後はこの上に第2のGaN系の半導体層を形
成することができるので、第1のGaN系の半導体層の
結晶性が保持される温度が臨界温度となる。この臨界温
度においてTi層の結晶性が低下しても、第1のGaN
系の半導体層の結晶性が維持されている限り、第2のG
aN系の半導体層の結晶性に影響が出ないからである。
図5の結果より、Ti層の上に少なくとも一つのGaN
系の半導体層を成長させるまではTi層を600℃以下
に保持しておくことが更に好ましい。
【0027】図6はサファイア基板上に形成されたTi
層の上に更にAlN製のバッファ層を形成し、その上に
成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−ω
(2θ:20−100度)スキャンの結果を示す。この
2θ−ωスキャンもフィリップス社製の4軸型単結晶回
折計(製品名:X-pert)により行った(以下の2θ−ω
スキャンの測定結果も同じ。)。図6の結果を得たとき
のTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:は150℃ 膜厚:300nm なお、以下の測定結果についても同じ条件でTi層を形
成した。
層の上に更にAlN製のバッファ層を形成し、その上に
成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−ω
(2θ:20−100度)スキャンの結果を示す。この
2θ−ωスキャンもフィリップス社製の4軸型単結晶回
折計(製品名:X-pert)により行った(以下の2θ−ω
スキャンの測定結果も同じ。)。図6の結果を得たとき
のTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:は150℃ 膜厚:300nm なお、以下の測定結果についても同じ条件でTi層を形
成した。
【0028】また、AlN製のバッファ層を形成する前
に真空中(3×10-5Torr)でTi/サファイア基
板を600℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。
AlN製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法によ
り形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 400℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA キャリアガス : H2
に真空中(3×10-5Torr)でTi/サファイア基
板を600℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。
AlN製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法によ
り形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 400℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA キャリアガス : H2
【0029】GaN層は下記の条件でMOCVD法によ
り形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 1000℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMG キャリアガス : H2 なお、以下の例においてGaN層の形成条件は上記と同
一である。
り形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 1000℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMG キャリアガス : H2 なお、以下の例においてGaN層の形成条件は上記と同
一である。
【0030】図7は図6と同じ試料についてφ(PH
I)スキャンを行ったときの結果である。図6及び図7
の結果から、Ti/サファイア基板上に、AlNバッフ
ァ層を介して、成長されたGaNは好ましい結晶性を有
することがわかる。従って、かかるAlN/Ti/サフ
ァイア基板上にGaN系の半導体層を成長させれば、こ
の半導体層によって充分機能し得る発光素子等の半導体
素子を形成することができる。
I)スキャンを行ったときの結果である。図6及び図7
の結果から、Ti/サファイア基板上に、AlNバッフ
ァ層を介して、成長されたGaNは好ましい結晶性を有
することがわかる。従って、かかるAlN/Ti/サフ
ァイア基板上にGaN系の半導体層を成長させれば、こ
の半導体層によって充分機能し得る発光素子等の半導体
素子を形成することができる。
【0031】図8はサファイア基板上に形成されたTi
層の上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、その
上に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ
−ω(2θ:20−100度)スキャンの結果を示す。
なお、AlGaN製のバッファ層を形成する前に真空中
(3×10-5Torr)でTi/サファイア基板を60
0℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。AlGa
N製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法により形
成した。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H2
層の上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、その
上に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ
−ω(2θ:20−100度)スキャンの結果を示す。
なお、AlGaN製のバッファ層を形成する前に真空中
(3×10-5Torr)でTi/サファイア基板を60
0℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。AlGa
N製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法により形
成した。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H2
【0032】GaN層は図6及び図7の場合と同一の条
件でMOCVD法により形成した。図9は図8と同じ試
料についてφ(PHI)スキャンを行ったときの結果で
ある。図9及び図8の結果から、Ti/サファイア基板
上に、AlGaNバッファ層を介して、成長されたGa
Nは好ましい結晶性を有することがわかる。図6及び図
7との比較から、バッファ層をAlGaN製とするとそ
の上に形成されるGaN層の結晶性がより良くなること
がわかる。
件でMOCVD法により形成した。図9は図8と同じ試
料についてφ(PHI)スキャンを行ったときの結果で
ある。図9及び図8の結果から、Ti/サファイア基板
上に、AlGaNバッファ層を介して、成長されたGa
Nは好ましい結晶性を有することがわかる。図6及び図
7との比較から、バッファ層をAlGaN製とするとそ
の上に形成されるGaN層の結晶性がより良くなること
がわかる。
【0033】図10はTi/サファイア基板上に、Al
GaNバッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性
を評価するロッキングカーブである。当該ロッキングカ
ーブの結果から、当業者であれば、このGaNが発光素
子を構成する半導体層として充分な特性を持つことがわ
かる。
GaNバッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性
を評価するロッキングカーブである。当該ロッキングカ
ーブの結果から、当業者であれば、このGaNが発光素
子を構成する半導体層として充分な特性を持つことがわ
かる。
【0034】図11はAlGaN製のバッファ層の成長
温度とGaN結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と
同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本のピー
ク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層の形成
条件は既述のとおりである。このTi膜に対するクリー
ニングはチャンバ内を真空(3×10-5Torr)にし
て600℃、5分間行った。AlGaN製のバッファ層
のMOCVDの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 測定対象 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H2 キャリアガス流量比(TMG/(TMG+TMA): 0.625
温度とGaN結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と
同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本のピー
ク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層の形成
条件は既述のとおりである。このTi膜に対するクリー
ニングはチャンバ内を真空(3×10-5Torr)にし
て600℃、5分間行った。AlGaN製のバッファ層
のMOCVDの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 測定対象 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H2 キャリアガス流量比(TMG/(TMG+TMA): 0.625
【0035】図11の結果から、AlGaN製のバッフ
ァ層の成長温度は250〜350℃とすることが好まし
い。更に好ましくは280〜330℃である。更に更に
好ましくはほぼ300℃である。
ァ層の成長温度は250〜350℃とすることが好まし
い。更に好ましくは280〜330℃である。更に更に
好ましくはほぼ300℃である。
【0036】図12はAlGaN製のバッファ層を形成
する際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN
結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と同様にして得
られたφ(PHI)スキャンの6本のピーク強度の平均
値(相対値)である。なお、Ti層の形成条件は既述の
とおりである。このTi膜に対するクリーニングはチャ
ンバ内を真空(3×10-5Torr)にして600℃、
5分間行った。AlGaN製のバッファ層のMOCVD
の条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H2 キャリアガス流量比(TMG/(TMG+TMA): 測定対象 GaN層の形成条件は既述のとおりである。
する際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN
結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と同様にして得
られたφ(PHI)スキャンの6本のピーク強度の平均
値(相対値)である。なお、Ti層の形成条件は既述の
とおりである。このTi膜に対するクリーニングはチャ
ンバ内を真空(3×10-5Torr)にして600℃、
5分間行った。AlGaN製のバッファ層のMOCVD
の条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H2 キャリアガス流量比(TMG/(TMG+TMA): 測定対象 GaN層の形成条件は既述のとおりである。
【0037】図12の結果からキャリアガスの流量比は
TMG/(TMG+TMA)=0.4〜0.8とするこ
とが好ましいことがわかる。従って、反応容器内に供給
される材料ガスのモル比でいうと、TMG/(TMG+
TMA)=0.53〜0.87とすることが好ましい。
更に好ましくは、同流量比0.5〜0.7(同モル比=
0.63〜0.80)である。更に更に好ましくは同流
量比0.60〜0.65である。今のところ、同流量比
=0.625(同モル比=0.737)が最も好ましい
と考えられる。
TMG/(TMG+TMA)=0.4〜0.8とするこ
とが好ましいことがわかる。従って、反応容器内に供給
される材料ガスのモル比でいうと、TMG/(TMG+
TMA)=0.53〜0.87とすることが好ましい。
更に好ましくは、同流量比0.5〜0.7(同モル比=
0.63〜0.80)である。更に更に好ましくは同流
量比0.60〜0.65である。今のところ、同流量比
=0.625(同モル比=0.737)が最も好ましい
と考えられる。
【0038】本発明者らの検討によれば、図12の結果
を得たときの条件においてキャリアガス流量比をTMG
/(TMG+TMA)=0.625とすると、バッファ
層の組成はAl0.9Ga0.1Nであった。AlaGa1-aN
製のバッファ層においてAlの組成比aは0.85〜
0.95とすることが好ましい。
を得たときの条件においてキャリアガス流量比をTMG
/(TMG+TMA)=0.625とすると、バッファ
層の組成はAl0.9Ga0.1Nであった。AlaGa1-aN
製のバッファ層においてAlの組成比aは0.85〜
0.95とすることが好ましい。
【0039】図13はTi/サファイア基板のクリーニ
ング温度とGaNの結晶性との関係を示す。図の縦軸は
図9と同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本
のピーク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層
の形成条件は既述のとおりである。AlGaNバッファ
層及びGaN層の形成条件は図8の場合と同一である。
尚、図中黒塗り三角で示すクリーニングの結果はサファ
イア基板上にTiを蒸着させた基板をMOCVDチャン
バ内で真空(真空度:3×10-5Torr)にして、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
5分間維持し、その後放冷したときのものである。一
方、図中の白抜き三角(△)で示すクリーニングの結果
はサファイア基板上にTiを蒸着させた基板をMOCV
Dチャンバへ水素を供給し(チャンバ内:1気圧)、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
5分間維持し、その後放冷したときのものである。
ング温度とGaNの結晶性との関係を示す。図の縦軸は
図9と同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本
のピーク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層
の形成条件は既述のとおりである。AlGaNバッファ
層及びGaN層の形成条件は図8の場合と同一である。
尚、図中黒塗り三角で示すクリーニングの結果はサファ
イア基板上にTiを蒸着させた基板をMOCVDチャン
バ内で真空(真空度:3×10-5Torr)にして、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
5分間維持し、その後放冷したときのものである。一
方、図中の白抜き三角(△)で示すクリーニングの結果
はサファイア基板上にTiを蒸着させた基板をMOCV
Dチャンバへ水素を供給し(チャンバ内:1気圧)、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
5分間維持し、その後放冷したときのものである。
【0040】図13の結果から、サファイア基板上にT
i層を蒸着した後、バッファ層を形成する前に、Tiを
真空中で加熱してクリーニングすると結晶性の高いGa
N層の得られることがわかる。クリーニングの温度は5
00〜750℃とすることが好ましい。更に好ましくは
550〜700℃である。更に更に好ましくは600〜
650℃である。クリーニングを行うときの真空度は特
に限定されないが、Ti層から不純物を除去する見地か
ら、できる限り高い真空度を達成することが好ましい。
i層を蒸着した後、バッファ層を形成する前に、Tiを
真空中で加熱してクリーニングすると結晶性の高いGa
N層の得られることがわかる。クリーニングの温度は5
00〜750℃とすることが好ましい。更に好ましくは
550〜700℃である。更に更に好ましくは600〜
650℃である。クリーニングを行うときの真空度は特
に限定されないが、Ti層から不純物を除去する見地か
ら、できる限り高い真空度を達成することが好ましい。
【0041】以上の結果はサファイア基板とTi層との
組み合わせに関するものであるが、Si及びその他の材
料製の基板上のTi層を形成した場合についても同様の
ことがいえると考えられる。
組み合わせに関するものであるが、Si及びその他の材
料製の基板上のTi層を形成した場合についても同様の
ことがいえると考えられる。
【0042】図14はSi基板の(111)面上に蒸着
したTi結晶性のウエハ洗浄依存性を示す。但し、Ti
の蒸着条件は次のとおりである(サファイア基板のとき
と同じ)。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm Si基板に対して、サファイア基板の場合と同様にして
窒素パージによりチャンバ内から実質的に酸素を除去
し、その(111)面にTi層を蒸着したときの結果を
図14の実線で示す。なお、図14はTi層の(1 0
1- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示し
ている。一方、図14の破線は窒素パージの前に予めバ
ッファードフッ酸でSi基板を10秒間洗浄したときの
ものである。 図15は図14の試料のTi層の(1
1 2- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示
している。
したTi結晶性のウエハ洗浄依存性を示す。但し、Ti
の蒸着条件は次のとおりである(サファイア基板のとき
と同じ)。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm Si基板に対して、サファイア基板の場合と同様にして
窒素パージによりチャンバ内から実質的に酸素を除去
し、その(111)面にTi層を蒸着したときの結果を
図14の実線で示す。なお、図14はTi層の(1 0
1- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示し
ている。一方、図14の破線は窒素パージの前に予めバ
ッファードフッ酸でSi基板を10秒間洗浄したときの
ものである。 図15は図14の試料のTi層の(1
1 2- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示
している。
【0043】図14及び図15の結果より、予めバッフ
ァードフッ酸で洗浄したSi基板の上に蒸着されたTi
層は良い結晶性を持つが、当該酸洗浄の省略されたSi
基板上に蒸着されたTi層の結晶性は非常に悪いことが
わかる。
ァードフッ酸で洗浄したSi基板の上に蒸着されたTi
層は良い結晶性を持つが、当該酸洗浄の省略されたSi
基板上に蒸着されたTi層の結晶性は非常に悪いことが
わかる。
【0044】図16は図14のものと同様にSi基板の
(100)面上に蒸着したTi層の(1 0 1- 2)面
に対するφ(PHI)スキャンの結果を示す。図17は
同じくSi基板の(100)面上に蒸着したTi層の
(1 1 2- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結
果を示す。
(100)面上に蒸着したTi層の(1 0 1- 2)面
に対するφ(PHI)スキャンの結果を示す。図17は
同じくSi基板の(100)面上に蒸着したTi層の
(1 1 2- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結
果を示す。
【0045】図16及び図17の結果から、Si基板の
(100)面上に蒸着したTi層は、酸洗浄の有無に拘
わらず、その結晶性が非常に悪いことがわかる。以上、
図14〜17の結果より、Si基板の上に単結晶のTi
層を形成するにはSi基板の(111)面上にTiを蒸
着させること及びSi基板を予めバッファードフッ酸や
フッ酸等で酸洗浄することが必要である。
(100)面上に蒸着したTi層は、酸洗浄の有無に拘
わらず、その結晶性が非常に悪いことがわかる。以上、
図14〜17の結果より、Si基板の上に単結晶のTi
層を形成するにはSi基板の(111)面上にTiを蒸
着させること及びSi基板を予めバッファードフッ酸や
フッ酸等で酸洗浄することが必要である。
【0046】
【実施例】次に、この発明の第1の実施例の説明をす
る。この実施例は発光ダイオード10であり、その構成
を図18に示す。
る。この実施例は発光ダイオード10であり、その構成
を図18に示す。
【0047】各半導体層のスペックは次の通りである。 層 : 組成:ドーパント (膜厚) pクラッド層 6 : p−GaN:Mg (0.3μm) 発光層 5 : 超格子構造 量子井戸層 : In0.15Ga0.85N (3.5nm) バリア層 : GaN (3.5nm) 量子井戸層とバリア層の繰り返し数:1〜10 nクラッド層 4 : n−GaN:Si (4μm) バッファ層 3 : Al0.9Ga0.1N (15nm) Ti層 2 : Ti単結晶 (300nm) 基板 1 : サファイア (300μm)
【0048】nクラッド層4は発光層5側の低電子濃度
n層とバッファ層3側の高電子濃度n+層とからなる2
層構造とすることができる。発光層5は超格子構造のも
のに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及
びホモ接合型のものなどを用いることができる。発光層
5とpクラッド層6との間にマグネシウム等のアクセプ
タをドープしたバンドギャップの広いAlXInYGa
1-X-YN(X=0,Y=0,X=Y=0を含む)層を介在させることが
できる。これは発光層5中に注入された電子がpクラッ
ド層6に拡散するのを防止するためである。pクラッド
層6を発光層5側の低ホール濃度p-層と電極7側の高
ホール濃度p+層とからなる2層構造とすることができ
る。
n層とバッファ層3側の高電子濃度n+層とからなる2
層構造とすることができる。発光層5は超格子構造のも
のに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及
びホモ接合型のものなどを用いることができる。発光層
5とpクラッド層6との間にマグネシウム等のアクセプ
タをドープしたバンドギャップの広いAlXInYGa
1-X-YN(X=0,Y=0,X=Y=0を含む)層を介在させることが
できる。これは発光層5中に注入された電子がpクラッ
ド層6に拡散するのを防止するためである。pクラッド
層6を発光層5側の低ホール濃度p-層と電極7側の高
ホール濃度p+層とからなる2層構造とすることができ
る。
【0049】上記において、バッファ層3までの形成方
法は図10の結果を得たときと同様である。
法は図10の結果を得たときと同様である。
【0050】各GaN系の半導体層は周知のMOCVD
法により形成される。この成長法においては、アンモニ
アガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリ
メチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム
(TMA)やトリメチルインジウム(TMI)とを適当
な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、
もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
法により形成される。この成長法においては、アンモニ
アガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリ
メチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム
(TMA)やトリメチルインジウム(TMI)とを適当
な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、
もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
【0051】透光性電極7は金を含む薄膜であり、pク
ラッド層6の上面の実質的な全面を覆って積層される。
p電極8も金を含む材料で構成されており、蒸着により
透光性電極7の上に形成される。n電極9がnクラッド
層4に蒸着される。
ラッド層6の上面の実質的な全面を覆って積層される。
p電極8も金を含む材料で構成されており、蒸着により
透光性電極7の上に形成される。n電極9がnクラッド
層4に蒸着される。
【0052】(第2実施例)図19にこの発明の第2の
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード20であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード20はバッファ層23をAlN製としたもので
ある。
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード20であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード20はバッファ層23をAlN製としたもので
ある。
【0053】(第3実施例)図20にこの発明の第3の
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード30であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード30はバッファ層が省略されているものであ
る。この場合、nクラッド層はMBE法により形成す
る。
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード30であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード30はバッファ層が省略されているものであ
る。この場合、nクラッド層はMBE法により形成す
る。
【0054】(第4実施例)図21にこの発明の第4の
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード40である。各半導体層のスペックは次
の通りである。 層 : 組成:ドーパント (膜厚) pクラッド層 46 : p−GaN:Mg (0.3μm) 発光層 45 : 超格子構造 量子井戸層 : In0.15Ga0.85N (3.5nm) バリア層 : GaN (3.5nm) 量子井戸層とバリア層の繰り返し数:1〜10 nクラッド層 44 : n−GaN:Si (4μm) バッファ層 43 : Al0.9Ga0.1N (15nm) Ti層 42 : Ti単結晶 (300nm) 基板 41 : Si(111)面 (300μm)
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード40である。各半導体層のスペックは次
の通りである。 層 : 組成:ドーパント (膜厚) pクラッド層 46 : p−GaN:Mg (0.3μm) 発光層 45 : 超格子構造 量子井戸層 : In0.15Ga0.85N (3.5nm) バリア層 : GaN (3.5nm) 量子井戸層とバリア層の繰り返し数:1〜10 nクラッド層 44 : n−GaN:Si (4μm) バッファ層 43 : Al0.9Ga0.1N (15nm) Ti層 42 : Ti単結晶 (300nm) 基板 41 : Si(111)面 (300μm)
【0055】AlGaN製のバッファ層43は、第2実
施例と同様に、AlN製のものに置換することができ
る。また、第3実施例と同様にバッファ層43を省略す
ることもできる。GaN系の半導体層44〜46は、第
1の実施例で説明したように、他の構成の層にそれぞれ
置換することができる。また、それぞれの形成方法も第
1の実施例と同様である。但し、バッファ層を省略した
ときは、Ti層に隣接するGaN系の半導体層をMBE
法で形成する。
施例と同様に、AlN製のものに置換することができ
る。また、第3実施例と同様にバッファ層43を省略す
ることもできる。GaN系の半導体層44〜46は、第
1の実施例で説明したように、他の構成の層にそれぞれ
置換することができる。また、それぞれの形成方法も第
1の実施例と同様である。但し、バッファ層を省略した
ときは、Ti層に隣接するGaN系の半導体層をMBE
法で形成する。
【0056】上記において、Ti層42の形成方法は図
14の破線の結果を得たときと同様である。AlGaN
製のバッファ層43は第1の実施例と同様にして形成さ
れた。
14の破線の結果を得たときと同様である。AlGaN
製のバッファ層43は第1の実施例と同様にして形成さ
れた。
【0057】透光性電極47は金を含む薄膜であり、p
クラッド層46の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。p電極48も金を含む材料で構成されており、蒸着
により透光性電極7の上に形成される。基板はそのまま
のn電極として利用できる。
クラッド層46の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。p電極48も金を含む材料で構成されており、蒸着
により透光性電極7の上に形成される。基板はそのまま
のn電極として利用できる。
【0058】図22に第4実施例の変形態様を示す。な
お、図21と同一の層には同一の符号を付してその説明
を省略する。図22に示すように、バッファ層43の上
にpクラッド層46、発光層45及びnクラッド層44
を順に成長させて発光素子50を構成することもでき
る。この素子50の場合、抵抗値の低いnクラッド層4
4が最上面となるのでここの透光性電極(図21の符号
47参照)を省略することが可能となる。図の符号58
はn電極である。基板はそのままp電極として利用でき
る。
お、図21と同一の層には同一の符号を付してその説明
を省略する。図22に示すように、バッファ層43の上
にpクラッド層46、発光層45及びnクラッド層44
を順に成長させて発光素子50を構成することもでき
る。この素子50の場合、抵抗値の低いnクラッド層4
4が最上面となるのでここの透光性電極(図21の符号
47参照)を省略することが可能となる。図の符号58
はn電極である。基板はそのままp電極として利用でき
る。
【0059】このように構成された第4実施例の半導体
素子では、先の出願である特願平9−293463号に
記載の通りTi層が応力緩衝用のバッファ層となるの
で、Si基板とGaN系の半導体層との熱膨張率の差に
起因するクラックはGaN系の半導体層に殆ど入らなく
なる。
素子では、先の出願である特願平9−293463号に
記載の通りTi層が応力緩衝用のバッファ層となるの
で、Si基板とGaN系の半導体層との熱膨張率の差に
起因するクラックはGaN系の半導体層に殆ど入らなく
なる。
【0060】なお、本発明が適用される素子は上記の発
光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオー
ド、レーザダイオード等の光素子の他、FET構造の電
子デバイスにも適用できる。また、これらの素子の中間
体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオー
ド、レーザダイオード等の光素子の他、FET構造の電
子デバイスにも適用できる。また、これらの素子の中間
体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
【0061】この発明は上記発明の実施の形態及び実施
例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範
囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態
様を包含する。
例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範
囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態
様を包含する。
【0062】以下、次の事項を開示する。 (80) サファイア基板を準備し、実質的に酸素が除
去された環境のもとで該サファイア基板へTiを蒸着あ
るいはスパッタすることを特徴とするサファイア基板の
上に実質的に単結晶のTi層を形成する方法。 (81) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。 (82) 前記Ti層の成膜温度は室温〜250℃であ
る、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。
去された環境のもとで該サファイア基板へTiを蒸着あ
るいはスパッタすることを特徴とするサファイア基板の
上に実質的に単結晶のTi層を形成する方法。 (81) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。 (82) 前記Ti層の成膜温度は室温〜250℃であ
る、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。
【0063】(83) 前記Ti層の成膜温度はほぼ1
50℃である、ことを特徴とする(80)に記載の方
法。 (84) 前記Ti層層の膜厚を100〜1500nm
とする、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれ
かに記載の方法。 (85) 前記Ti層の膜厚を200〜1000nmと
する、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれか
に記載の方法。
50℃である、ことを特徴とする(80)に記載の方
法。 (84) 前記Ti層層の膜厚を100〜1500nm
とする、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれ
かに記載の方法。 (85) 前記Ti層の膜厚を200〜1000nmと
する、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれか
に記載の方法。
【0064】(86) 前記酸素が除去された環境は、
蒸着装置のチャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内
へ不活性ガスを充満させる工程を1回もしくは複数回行
い、その後、前記チャンバ内を真空引きすることにより
行う、ことを特徴とする(80)〜(85)のいずれか
に記載の方法。
蒸着装置のチャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内
へ不活性ガスを充満させる工程を1回もしくは複数回行
い、その後、前記チャンバ内を真空引きすることにより
行う、ことを特徴とする(80)〜(85)のいずれか
に記載の方法。
【0065】(90) Si基板を準備し、該Si基板
を酸洗浄し、実質的に酸素が除去された環境の下で該S
i基板の(111)面にTiを成膜することを特徴とす
るSi基板上に実質的に単結晶のTi層を形成する方
法。 (91) 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファードフ
ッ酸を含む液により行われる、ことを特徴とする(9
0)に記載の方法。 (92) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(90)若しくは(91)
に記載の方法。
を酸洗浄し、実質的に酸素が除去された環境の下で該S
i基板の(111)面にTiを成膜することを特徴とす
るSi基板上に実質的に単結晶のTi層を形成する方
法。 (91) 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファードフ
ッ酸を含む液により行われる、ことを特徴とする(9
0)に記載の方法。 (92) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(90)若しくは(91)
に記載の方法。
【0066】(93) 前記Ti層の成膜温度は室温〜
250℃である、ことを特徴とする(90)若しくは
(91)に記載の方法。 (94) 前記Ti層の成膜温度はほぼ150℃であ
る、ことを特徴とする(90)若しくは(91)に記載
の方法。 (95) 前記Ti層の膜厚を100〜1500nmと
する、ことを特徴とする(90)〜(94)のいずれか
に記載の方法。
250℃である、ことを特徴とする(90)若しくは
(91)に記載の方法。 (94) 前記Ti層の成膜温度はほぼ150℃であ
る、ことを特徴とする(90)若しくは(91)に記載
の方法。 (95) 前記Ti層の膜厚を100〜1500nmと
する、ことを特徴とする(90)〜(94)のいずれか
に記載の方法。
【0067】(96) 前記Ti層の膜厚を200〜1
000nmとする、ことを特徴とする(90)〜(9
4)のいずれかに記載の方法。 (97) 前記酸素が除去された環境は、蒸着装置のチ
ャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内へ不活性ガス
を充満させる工程を1回もしくは複数回行い、その後、
前記チャンバ内を真空引きすることにより行う、ことを
特徴とする(90)〜(96)のいずれかに記載の方
法。
000nmとする、ことを特徴とする(90)〜(9
4)のいずれかに記載の方法。 (97) 前記酸素が除去された環境は、蒸着装置のチ
ャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内へ不活性ガス
を充満させる工程を1回もしくは複数回行い、その後、
前記チャンバ内を真空引きすることにより行う、ことを
特徴とする(90)〜(96)のいずれかに記載の方
法。
【0068】(100) Ti単結晶面上にGaN系の
半導体層を形成する前に、前記Ti単結晶面を減圧下で
加熱することを特徴とするGaN系の半導体層の成長方
法。 (101) 前記加熱温度は500〜750℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (102) 前記加熱温度は550〜700℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (103) 前記加熱温度は600〜650℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。
半導体層を形成する前に、前記Ti単結晶面を減圧下で
加熱することを特徴とするGaN系の半導体層の成長方
法。 (101) 前記加熱温度は500〜750℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (102) 前記加熱温度は550〜700℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (103) 前記加熱温度は600〜650℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。
【図1】図1はサファイア基板上に蒸着されたTi層の
結晶性の膜厚依存性を示すグラフ図である。
結晶性の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図2】図2はサファイア基板上に蒸着されたTi層の
φ(PHI)スキャンの結果を示すチャート図である。
φ(PHI)スキャンの結果を示すチャート図である。
【図3】図3はサファイア基板上に蒸着されたTi層の
結晶性の蒸着速度依存性を示すグラフ図である。
結晶性の蒸着速度依存性を示すグラフ図である。
【図4】図4はサファイア基板上に蒸着されたTi層の
結晶性の蒸着温度依存性を示すグラフ図である。
結晶性の蒸着温度依存性を示すグラフ図である。
【図5】図5はサファイア基板上に蒸着されたTi層を
熱処理したときのTi層の結晶性と当該熱処理温度との
関係を示すグラフ図である。
熱処理したときのTi層の結晶性と当該熱処理温度との
関係を示すグラフ図である。
【図6】サファイア基板上に形成されたTi層の上に更
にAlN製のバッファ層を形成し、その上に成長された
GaN層の結晶性を評価するための2θ−ωスキャンの
結果を示すチャート図である。
にAlN製のバッファ層を形成し、その上に成長された
GaN層の結晶性を評価するための2θ−ωスキャンの
結果を示すチャート図である。
【図7】図7は図6と同じ試料についてφ(PHI)ス
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
【図8】図8はサファイア基板上に形成されたTi層の
上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、その上に
成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−ω
スキャンの結果を示すチャート図である。
上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、その上に
成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−ω
スキャンの結果を示すチャート図である。
【図9】図9は図8と同じ試料についてφ(PHI)ス
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
【図10】図10はTi/サファイア基板上に、AlG
aNバッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性を
評価するロッキングカーブを示すチャート図である。
aNバッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性を
評価するロッキングカーブを示すチャート図である。
【図11】図11はAlGaN製のバッファ層の成長温
度とGaN結晶性との関係を示すグラフ図である。
度とGaN結晶性との関係を示すグラフ図である。
【図12】図12はAlGaN製のバッファ層を形成す
る際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN結
晶性との関係を示すグラフ図である。
る際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN結
晶性との関係を示すグラフ図である。
【図13】図13はTi/サファイア基板のクリーニン
グ温度とGaNの結晶性との関係を示すグラフ図であ
る。
グ温度とGaNの結晶性との関係を示すグラフ図であ
る。
【図14】図14はSi基板の(111)面上に蒸着し
たTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)ス
キャンの結果を示すチャート図である。
たTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)ス
キャンの結果を示すチャート図である。
【図15】図15図14の試料のTi層の(1 1 2-
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチャ
ート図である。
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチャ
ート図である。
【図16】図16はSi基板の(100)面上に蒸着し
たTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)ス
キャンの結果を示すチャート図である。
たTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)ス
キャンの結果を示すチャート図である。
【図17】図17は図16の試料のTi層の(1 1 2-
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
【図18】図18はこの発明の第1実施例の半導体素子
の構成を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
【図19】図19はこの発明の第2の実施例の半導体素
子の構成を示す断面図である。
子の構成を示す断面図である。
【図20】図20はこの発明の第3実施例の半導体素子
の構成を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
【図21】図21はこの発明の第4の実施例の半導体素
子の構成を示す断面図である。
子の構成を示す断面図である。
【図22】図22はこの発明の第4の実施例の変形態様
を示す断面図である。
を示す断面図である。
10、20、30、40、50 発光素子 1、41 基板 2、42 Ti層 3、43 バッファ層 4、5、6、44、45、46 GaN系の半導体層
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成10年9月29日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 GaN系の半導体素子
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はGaN系の半導体
素子に関する。
素子に関する。
【0002】
【従来の技術】GaN系の半導体は例えば青色発光素子
として利用できることが知られている。かかる発光素子
では、基板として一般的にサファイアが用いられる。
として利用できることが知られている。かかる発光素子
では、基板として一般的にサファイアが用いられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このサファイア製の基
板において解決すべき課題の一つとして次のものがあ
る。即ちサファイア製の基板は透明であるため、本来素
子の上面から取り出したい発光素子の光が素子下面のサ
ファイア製の基板を透過してしまう。そのため、発光素
子で発光させた光が有効に利用できない。
板において解決すべき課題の一つとして次のものがあ
る。即ちサファイア製の基板は透明であるため、本来素
子の上面から取り出したい発光素子の光が素子下面のサ
ファイア製の基板を透過してしまう。そのため、発光素
子で発光させた光が有効に利用できない。
【0004】サファイア製の基板はまた高価である。更
には、サファイア製の基板は絶縁体であるため同一面側
に電極を形成する必要があり、半導体層の一部をエッチ
ングしなければならず、それに応じてボンディングの工
程も2倍となる。また、同一面側にn、p両電極を形成
するため、素子サイズの小型化にも制限があった、加え
て、チャージアップの問題もあった。
には、サファイア製の基板は絶縁体であるため同一面側
に電極を形成する必要があり、半導体層の一部をエッチ
ングしなければならず、それに応じてボンディングの工
程も2倍となる。また、同一面側にn、p両電極を形成
するため、素子サイズの小型化にも制限があった、加え
て、チャージアップの問題もあった。
【0005】また、サファイア製の基板の代わりにSi
(シリコン)製の基板の使用が考えられるが、本発明者
の検討によれば、Si製の基板の上にGaN系の半導体
層を成長させることは非常に困難であった。その原因の
一つとして、SiとGaN系の半導体の熱膨張率の差が
ある。Siの線膨張係数が4.7 X 10−6/Kであ
るのに対しGaNの線膨張係数は5.59 X 10
−6/Kであり、前者が後者より小さい。従って、Ga
N系の半導体層を成長させる際に加熱をすると、Si製
の基板が伸長されGaN系の半導体層側が圧縮するよう
に素子が変形する。このとき、GaN系の半導体層内の
格子に引っ張り応力が生じ、その結果クラックの発生す
るおそれがある。また、クラックが生じないまでも格子
に歪みが生じる。従って、GaN系の半導体素子がその
本来の機能を発揮できなくなる。
(シリコン)製の基板の使用が考えられるが、本発明者
の検討によれば、Si製の基板の上にGaN系の半導体
層を成長させることは非常に困難であった。その原因の
一つとして、SiとGaN系の半導体の熱膨張率の差が
ある。Siの線膨張係数が4.7 X 10−6/Kであ
るのに対しGaNの線膨張係数は5.59 X 10
−6/Kであり、前者が後者より小さい。従って、Ga
N系の半導体層を成長させる際に加熱をすると、Si製
の基板が伸長されGaN系の半導体層側が圧縮するよう
に素子が変形する。このとき、GaN系の半導体層内の
格子に引っ張り応力が生じ、その結果クラックの発生す
るおそれがある。また、クラックが生じないまでも格子
に歪みが生じる。従って、GaN系の半導体素子がその
本来の機能を発揮できなくなる。
【0006】この発明はこのような課題に鑑みて、新規
な構成のGaN系の半導体素子を提供することを目的と
する。この発明の他の目的はGaN系の半導体素子の中
間体となる新規な構成の積層体を提供することにある。
な構成のGaN系の半導体素子を提供することを目的と
する。この発明の他の目的はGaN系の半導体素子の中
間体となる新規な構成の積層体を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らはG
aN系の半導体層を成長させるのに適した新規な基板を
見いだすべく鋭意検討した。その結果、特願平9−29
3465号(出願人整理番号970152/代理人整理
番号P0060)において、以下の事項に想到し、これ
を開示した。即ち、基板の上にGaN系の半導体をヘテ
ロエピタキシャル成長させるには、基板は下記の要件
〜のうちの少なくとも2つを満足する必要があると考
るに至った。 GaN系の半導体と基板との密着性が良好なこと GaN系の半導体の熱膨張係数と基板の熱膨張係数
とが近いこと 基板の弾性率が低いこと 基板の結晶構造がGaN系の半導体と同じであるこ
と |基板の格子定数−GaN系の半導体の格子定数|
/GaN系の半導体の格子定数 ≦ 0.05である
(即ち、基板の格子定数とGaN系の半導体層の格子定
数との差が±5%以下である)こと、 勿論、好ましくは上記の要件のうちの少なくとも3つ、
更に好ましくは上記要件のうち少なくとも4つ、そし
て、最も好ましくは、5つの要件の全てを満足する。
aN系の半導体層を成長させるのに適した新規な基板を
見いだすべく鋭意検討した。その結果、特願平9−29
3465号(出願人整理番号970152/代理人整理
番号P0060)において、以下の事項に想到し、これ
を開示した。即ち、基板の上にGaN系の半導体をヘテ
ロエピタキシャル成長させるには、基板は下記の要件
〜のうちの少なくとも2つを満足する必要があると考
るに至った。 GaN系の半導体と基板との密着性が良好なこと GaN系の半導体の熱膨張係数と基板の熱膨張係数
とが近いこと 基板の弾性率が低いこと 基板の結晶構造がGaN系の半導体と同じであるこ
と |基板の格子定数−GaN系の半導体の格子定数|
/GaN系の半導体の格子定数 ≦ 0.05である
(即ち、基板の格子定数とGaN系の半導体層の格子定
数との差が±5%以下である)こと、 勿論、好ましくは上記の要件のうちの少なくとも3つ、
更に好ましくは上記要件のうち少なくとも4つ、そし
て、最も好ましくは、5つの要件の全てを満足する。
【0008】このような条件を満足する材料として、既
述の先の出願特願平9−293465号ではいくつかの
金属材料に注目している。その中の一つとしてTiが開
示されている。また、当該先の出願によれば基板は少な
くともその表面、即ちGaN系の半導体層に接する面に
おいて上記の要件を満足しておればよい。従って、基板
の基体部分を任意の材料で形成して基板の表面部分を上
記の要件を満足する材料で形成することもできる。サフ
ァイア製の基板の場合と同様に、半導体層と基板との間
にAlNやGaNのようなAlaInbGa1−a−b
N(a=0、b=0、a=b=0を含む)からなるバッ
ファ層を介在させることができる。
述の先の出願特願平9−293465号ではいくつかの
金属材料に注目している。その中の一つとしてTiが開
示されている。また、当該先の出願によれば基板は少な
くともその表面、即ちGaN系の半導体層に接する面に
おいて上記の要件を満足しておればよい。従って、基板
の基体部分を任意の材料で形成して基板の表面部分を上
記の要件を満足する材料で形成することもできる。サフ
ァイア製の基板の場合と同様に、半導体層と基板との間
にAlNやGaNのようなAlaInbGa1−a−b
N(a=0、b=0、a=b=0を含む)からなるバッ
ファ層を介在させることができる。
【0009】一方、特願平9−293463号(出願人
整理番号970136/代理人整理番号P0057)に
よれば、Si製の基板とGaN系の半導体層との間に応
力緩衝用の為のバッファ層が介在される構成の半導体素
子が開示されている。この応力緩衝用バッファ層を構成
する材料として当該先の出願特願平9−293465号
ではいくつかの金属材料に注目しているが、その中の一
つとしてTiが開示されている。即ち、Si製の基板上
にTi層が形成され、その上にGaN系の半導体層が形
成される構成の半導体素子が開示されている。
整理番号970136/代理人整理番号P0057)に
よれば、Si製の基板とGaN系の半導体層との間に応
力緩衝用の為のバッファ層が介在される構成の半導体素
子が開示されている。この応力緩衝用バッファ層を構成
する材料として当該先の出願特願平9−293465号
ではいくつかの金属材料に注目しているが、その中の一
つとしてTiが開示されている。即ち、Si製の基板上
にTi層が形成され、その上にGaN系の半導体層が形
成される構成の半導体素子が開示されている。
【0010】この発明は、上記2つの先の出願で開示し
た事項に基づいてなされた。そしてそれを更に改良及び
発展させたものである。即ち、この発明の第1の局面は
つぎのとおりである。GaN系の半導体層と、該半導体
層に対向する面がTi製とされた基板と、を備えてなる
GaN系の半導体素子。
た事項に基づいてなされた。そしてそれを更に改良及び
発展させたものである。即ち、この発明の第1の局面は
つぎのとおりである。GaN系の半導体層と、該半導体
層に対向する面がTi製とされた基板と、を備えてなる
GaN系の半導体素子。
【0011】このように構成された半導体素子によれ
ば、GaN系の半導体層が発光素子構造を採る場合、こ
の基板自体が反射層の役目をする。従って、素子で発光
された光を有効に利用できる。よって、透明なサファイ
ア製の基板を用いた発光素子若しくは受光素子で必要と
されていた別個の反射層の形成が不要となる。また、G
aAsのように光を吸収する材料で基板を形成した場合
における当該基板の除去作業が不要になる。
ば、GaN系の半導体層が発光素子構造を採る場合、こ
の基板自体が反射層の役目をする。従って、素子で発光
された光を有効に利用できる。よって、透明なサファイ
ア製の基板を用いた発光素子若しくは受光素子で必要と
されていた別個の反射層の形成が不要となる。また、G
aAsのように光を吸収する材料で基板を形成した場合
における当該基板の除去作業が不要になる。
【0012】(GaN系の半導体層について)GaN系
の半導体とは III 族窒化物半導体であって、一般的に
はAlXGa YIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y
≦1、0≦X+Y≦1)で表される。また、任意のドー
パントを含むものであっても良い。発光素子及び受光素
子では、周知のように、発光層が異なる導電型の半導体
層(クラッド層)で挟まれる構成であり、発光層には超
格子構造やダブルヘテロ構造等が採用される。FET構
造に代表される電子デバイスをGaN系の半導体で形成
することもできる。GaN系の半導体層は周知の有機金
属化合物気相成長法(以下、「MOCVD法」とい
う。)により形成される。また、周知の分子線結晶成長
法(MBE法)によっても形成することができる。
の半導体とは III 族窒化物半導体であって、一般的に
はAlXGa YIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y
≦1、0≦X+Y≦1)で表される。また、任意のドー
パントを含むものであっても良い。発光素子及び受光素
子では、周知のように、発光層が異なる導電型の半導体
層(クラッド層)で挟まれる構成であり、発光層には超
格子構造やダブルヘテロ構造等が採用される。FET構
造に代表される電子デバイスをGaN系の半導体で形成
することもできる。GaN系の半導体層は周知の有機金
属化合物気相成長法(以下、「MOCVD法」とい
う。)により形成される。また、周知の分子線結晶成長
法(MBE法)によっても形成することができる。
【0013】(基板について)基板はその表面、即ちG
aN系の半導体層に対向する面がTiで形成されておれ
ばよい。従って、基板の表面層のみをTi製として下側
の層(基体層)を他の任意の材料で形成することができ
る。また、基板の基体層を低純度若しくは不純物を含ん
だTi材料若しくはTi合金で形成しておき、表面層を
高純度のTiで形成することもできる。なお、GaN系
の半導体層に対向する面は単結晶Ti製とすることが好
ましい。また、結晶構造が実質的に維持されている条件
の下で、TiをTi合金に代えることもできる。
aN系の半導体層に対向する面がTiで形成されておれ
ばよい。従って、基板の表面層のみをTi製として下側
の層(基体層)を他の任意の材料で形成することができ
る。また、基板の基体層を低純度若しくは不純物を含ん
だTi材料若しくはTi合金で形成しておき、表面層を
高純度のTiで形成することもできる。なお、GaN系
の半導体層に対向する面は単結晶Ti製とすることが好
ましい。また、結晶構造が実質的に維持されている条件
の下で、TiをTi合金に代えることもできる。
【0014】基板は全体として導電性を有することが好
ましい。基板を導電性とすれば、基板に電極を接続し、
基板側よりGaN系の半導体層に通電することが可能に
なる。従って、GaN系の半導体層で発光素子又は受光
素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する
複雑なエッチングが不要になる。図21の例で言えば、
nクラッド層が基板を介して外部に電気的に接続可能と
なる。一方、従来のサファイア製の基板の場合は、これ
が絶縁性であったため発光層及びpクラッド層をエッチ
ングしてnクラッド層を露出し、これを外部と電気的に
接続させる必要があったが、本願では基板から半導体層
へ通電可能となったので、外部電源に対するボンディン
グも容易になる。更には、アースをとればチャージアッ
プの問題も容易に解決される。
ましい。基板を導電性とすれば、基板に電極を接続し、
基板側よりGaN系の半導体層に通電することが可能に
なる。従って、GaN系の半導体層で発光素子又は受光
素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する
複雑なエッチングが不要になる。図21の例で言えば、
nクラッド層が基板を介して外部に電気的に接続可能と
なる。一方、従来のサファイア製の基板の場合は、これ
が絶縁性であったため発光層及びpクラッド層をエッチ
ングしてnクラッド層を露出し、これを外部と電気的に
接続させる必要があったが、本願では基板から半導体層
へ通電可能となったので、外部電源に対するボンディン
グも容易になる。更には、アースをとればチャージアッ
プの問題も容易に解決される。
【0015】このように基板に導電性を与えるために
は、基板の基体層をCr、Hf、Nb、Re、Ta、T
i、V、Zr及びYなどの導電性の金属、Si、GaA
s、InP、GaP、ZnO並びにZnSe等で形成す
る。かかる基体層に対し、プラズマCVD、熱CVD、
光CVD等のCVD(Chemical Vapour
Deposition)、スパッタ、蒸着等の(Ph
ysical Vapour Deposition)
等の方法でTi層が形成される。
は、基板の基体層をCr、Hf、Nb、Re、Ta、T
i、V、Zr及びYなどの導電性の金属、Si、GaA
s、InP、GaP、ZnO並びにZnSe等で形成す
る。かかる基体層に対し、プラズマCVD、熱CVD、
光CVD等のCVD(Chemical Vapour
Deposition)、スパッタ、蒸着等の(Ph
ysical Vapour Deposition)
等の方法でTi層が形成される。
【0016】
【発明の実施の形態】この発明の一の実施の形態によれ
ば、基板の基体層としてサファイアを採用し、当該サフ
ァイア基体層の表面に単結晶Ti層が蒸着される。図1
はTi単結晶の結晶性の膜厚依存性を示す。図1の結果
を得たときのTi層の形成条件は次の通りである。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:測定対象 なお、図1の縦軸の強度はTi層に対してφ(PHI)
スキャンを実行したとき得られた6本のピークの平均強
度(相対値)である。縦軸の強度が大きいほど結晶性が
良い。GaN系の半導体層の結晶性を向上するためには
その土台となるTi層にも高い結晶性が要求されること
は言うまでもない。なお、Ti単結晶に対するφ(PH
I)スキャンでは、サンプルを360度回転させたとき
に六方晶の(1 0 1- 2)面に対応する6つのピーク
が得られる。このようにφ(PHI)スキャンで6本の
ピークが観測されたTi層は単結晶であるか又は単結晶
に近いと考えられる。φ(PHI)スキャンについては
Journal of Electronic Materials, Vol. 25, No. 11,
pp. 1740-1747, 1996 を参照されたい。
ば、基板の基体層としてサファイアを採用し、当該サフ
ァイア基体層の表面に単結晶Ti層が蒸着される。図1
はTi単結晶の結晶性の膜厚依存性を示す。図1の結果
を得たときのTi層の形成条件は次の通りである。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:測定対象 なお、図1の縦軸の強度はTi層に対してφ(PHI)
スキャンを実行したとき得られた6本のピークの平均強
度(相対値)である。縦軸の強度が大きいほど結晶性が
良い。GaN系の半導体層の結晶性を向上するためには
その土台となるTi層にも高い結晶性が要求されること
は言うまでもない。なお、Ti単結晶に対するφ(PH
I)スキャンでは、サンプルを360度回転させたとき
に六方晶の(1 0 1- 2)面に対応する6つのピーク
が得られる。このようにφ(PHI)スキャンで6本の
ピークが観測されたTi層は単結晶であるか又は単結晶
に近いと考えられる。φ(PHI)スキャンについては
Journal of Electronic Materials, Vol. 25, No. 11,
pp. 1740-1747, 1996 を参照されたい。
【0017】また、図1の結果を得るに当たってTi層
を形成する前に下記の前処理を行う。他の図に示す結果
を得たときも同様である。チャンバ内へサファイア基体
層をセットし、工業的に汎用される真空ポンプで3×1
0−5Torrまで真空引きしその後窒素ガスでチャン
バ内を充満する。この作業を3回繰り返す。これは、チ
ャンバ内の酸素を減らしTiが酸化されるのを未然に防
止するためである。従って、チャンバ内の酸素を充分に
排出できれば他の方法を採ることも可能である。なお、
本発明者らの検討によれば、現在工業的に汎用される蒸
着装置に付設の真空装置の能力では真空度に限度(通
常:〜10−7Torr)があるので、かかる窒素パー
ジを繰り返すことが不可欠であった。勿論、窒素ガスの
代わりに他の不活性ガスを用いることができる。次に、
窒素ガスを拡散ポンプで8×10−7Torrまで真空
引きする。
を形成する前に下記の前処理を行う。他の図に示す結果
を得たときも同様である。チャンバ内へサファイア基体
層をセットし、工業的に汎用される真空ポンプで3×1
0−5Torrまで真空引きしその後窒素ガスでチャン
バ内を充満する。この作業を3回繰り返す。これは、チ
ャンバ内の酸素を減らしTiが酸化されるのを未然に防
止するためである。従って、チャンバ内の酸素を充分に
排出できれば他の方法を採ることも可能である。なお、
本発明者らの検討によれば、現在工業的に汎用される蒸
着装置に付設の真空装置の能力では真空度に限度(通
常:〜10−7Torr)があるので、かかる窒素パー
ジを繰り返すことが不可欠であった。勿論、窒素ガスの
代わりに他の不活性ガスを用いることができる。次に、
窒素ガスを拡散ポンプで8×10−7Torrまで真空
引きする。
【0018】かかる前処理の終了後、基体層をランプヒ
ータで所定の温度に加熱するとともに、Tiのバルクに
電子ビームを照射してこれを融解し、サファイア基体層
上に単結晶Ti層を蒸着させた。
ータで所定の温度に加熱するとともに、Tiのバルクに
電子ビームを照射してこれを融解し、サファイア基体層
上に単結晶Ti層を蒸着させた。
【0019】φ(PHI)スキャンはフィリップス社製
の4軸型単結晶回折計(製品名: X-pert )により行っ
た(以下のφ(PHI)スキャンについても同じ。)。
図2にφ(PHI)スキャンの結果(Ti層:300n
mのとき)の一例を示す。図2に現れたTiの(1 0
1- 2)面に対応する6つのピークの強度(相対値)の
平均が図1の縦軸の値となる。
の4軸型単結晶回折計(製品名: X-pert )により行っ
た(以下のφ(PHI)スキャンについても同じ。)。
図2にφ(PHI)スキャンの結果(Ti層:300n
mのとき)の一例を示す。図2に現れたTiの(1 0
1- 2)面に対応する6つのピークの強度(相対値)の
平均が図1の縦軸の値となる。
【0020】図1の結果より、Ti以外の材料製の基体
層の表面に形成されるTi層の膜厚は1000〜150
00オングストローム(100〜1500nm)とする
ことが好ましい。Ti層の膜厚が100nm未満である
と充分な結晶性を得られず、また1500nmを越えて
Ti層を厚くする必要はない。成膜のために時間を要す
るだけであるからである。成膜の時間に制約のない場合
は上限を設ける必要はない。また、この程度の膜厚のT
i層を設けることにより、GaN系の半導体層で発光し
た光のうち基板側へ放出されたものは当該Ti層で反射
され、基板を透過することがない。従って、GaN系の
半導体層で生じた光の実質的に全部が素子の表面から取
り出されることとなり、当該光の有効利用が達成され
る。更に好ましくは、Ti層の膜厚を2000〜100
00オングストローム(200〜1000nm)とす
る。
層の表面に形成されるTi層の膜厚は1000〜150
00オングストローム(100〜1500nm)とする
ことが好ましい。Ti層の膜厚が100nm未満である
と充分な結晶性を得られず、また1500nmを越えて
Ti層を厚くする必要はない。成膜のために時間を要す
るだけであるからである。成膜の時間に制約のない場合
は上限を設ける必要はない。また、この程度の膜厚のT
i層を設けることにより、GaN系の半導体層で発光し
た光のうち基板側へ放出されたものは当該Ti層で反射
され、基板を透過することがない。従って、GaN系の
半導体層で生じた光の実質的に全部が素子の表面から取
り出されることとなり、当該光の有効利用が達成され
る。更に好ましくは、Ti層の膜厚を2000〜100
00オングストローム(200〜1000nm)とす
る。
【0021】図3はサファイア基体層上におけるTi蒸
着膜結晶性の蒸着速度依存性を示す。図の縦軸はφ(P
HI)スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)
である。なお、図3の結果を得たときのTi層の形成条
件は次の通りであった。 蒸着速度:測定対象 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm
着膜結晶性の蒸着速度依存性を示す。図の縦軸はφ(P
HI)スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)
である。なお、図3の結果を得たときのTi層の形成条
件は次の通りであった。 蒸着速度:測定対象 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm
【0022】図3の結果より、Ti層の蒸着速度は0.
5nm/s以上とすることが好ましいことがわかる。な
お、Tiの蒸着速度を2nm/s以上とすることは現実
的でない。表面モフォロジーの劣化が見られるからであ
る。
5nm/s以上とすることが好ましいことがわかる。な
お、Tiの蒸着速度を2nm/s以上とすることは現実
的でない。表面モフォロジーの劣化が見られるからであ
る。
【0023】図4はサファイア基体層上におけるTi蒸
着膜結晶性の蒸着温度(蒸着時の基体層温度)依存性を
示す。図の縦軸はφ(PHI)スキャンにより得たピー
クの平均強度(相対値)である。なお、図4の結果を得
たときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:測定対象 膜厚:300nm
着膜結晶性の蒸着温度(蒸着時の基体層温度)依存性を
示す。図の縦軸はφ(PHI)スキャンにより得たピー
クの平均強度(相対値)である。なお、図4の結果を得
たときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:測定対象 膜厚:300nm
【0024】図4の結果より、サファイア基体層を特に
加熱しない、いわゆる室温状態から350℃の間で充分
な結晶性が得られることが予想される。更に好ましくは
25〜250℃であり、更に更に好ましくは150〜2
50℃である。なお、本発明者らの検討によれば、蒸着
温度は130〜170℃とすることが好ましいことがわ
かった。更に好ましくはほぼ150℃である。170℃
より高い温度にするとTiのc軸配向性が低下おそれが
あるからである。
加熱しない、いわゆる室温状態から350℃の間で充分
な結晶性が得られることが予想される。更に好ましくは
25〜250℃であり、更に更に好ましくは150〜2
50℃である。なお、本発明者らの検討によれば、蒸着
温度は130〜170℃とすることが好ましいことがわ
かった。更に好ましくはほぼ150℃である。170℃
より高い温度にするとTiのc軸配向性が低下おそれが
あるからである。
【0025】図5はサファイア基体層上におけるTi蒸
着膜結晶性の熱処理温度依存性を示す。図5の結果を得
たときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm このようにして得られたTi/サファイアを熱処理炉に
おいて横軸に示すそれぞれの温度まで加熱(5分間)し
たときのものである。縦軸は図1と同様にφ(PHI)
スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)であ
る。
着膜結晶性の熱処理温度依存性を示す。図5の結果を得
たときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm このようにして得られたTi/サファイアを熱処理炉に
おいて横軸に示すそれぞれの温度まで加熱(5分間)し
たときのものである。縦軸は図1と同様にφ(PHI)
スキャンにより得たピークの平均強度(相対値)であ
る。
【0026】図5の結果より、Ti層に750℃を越え
る温度を加えるとその結晶性が低下することがわかる。
換言すれば、Ti層の上に少なくとも一つのGaN系の
半導体層を成長させるまではTi層を750℃以下に保
持しておくことが好ましい。当該第1のGaN系の半導
体層の形成後はこの上に第2のGaN系の半導体層を形
成することができるので、第1のGaN系の半導体層の
結晶性が保持される温度が臨界温度となる。この臨界温
度においてTi層の結晶性が低下しても、第1のGaN
系の半導体層の結晶性が維持されている限り、第2のG
aN系の半導体層の結晶性に影響が出ないからである。
図5の結果より、Ti層の上に少なくとも一つのGaN
系の半導体層を成長させるまではTi層を600℃以下
に保持しておくことが更に好ましい。
る温度を加えるとその結晶性が低下することがわかる。
換言すれば、Ti層の上に少なくとも一つのGaN系の
半導体層を成長させるまではTi層を750℃以下に保
持しておくことが好ましい。当該第1のGaN系の半導
体層の形成後はこの上に第2のGaN系の半導体層を形
成することができるので、第1のGaN系の半導体層の
結晶性が保持される温度が臨界温度となる。この臨界温
度においてTi層の結晶性が低下しても、第1のGaN
系の半導体層の結晶性が維持されている限り、第2のG
aN系の半導体層の結晶性に影響が出ないからである。
図5の結果より、Ti層の上に少なくとも一つのGaN
系の半導体層を成長させるまではTi層を600℃以下
に保持しておくことが更に好ましい。
【0027】図6はサファイア基体層上に形成されたT
i層の上に更にAlN製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−
ω(2θ:20−100度)スキャンの結果を示す。こ
の2θ−ωスキャンもフィリップス社製の4軸型単結晶
回折計(製品名: X-pert )により行った(以下の2θ
−ωスキャンの測定結果も同じ。)。図6の結果を得た
ときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm なお、以下の測定結果についても同じ条件でTi層を形
成した。
i層の上に更にAlN製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−
ω(2θ:20−100度)スキャンの結果を示す。こ
の2θ−ωスキャンもフィリップス社製の4軸型単結晶
回折計(製品名: X-pert )により行った(以下の2θ
−ωスキャンの測定結果も同じ。)。図6の結果を得た
ときのTi層の形成条件は次の通りであった。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm なお、以下の測定結果についても同じ条件でTi層を形
成した。
【0028】また、AlN製のバッファ層を形成する前
に真空中(3×10−5Torr)でTi/サファイア
を600℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。A
lN製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法により
形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 400℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA キャリアガス : H 2
に真空中(3×10−5Torr)でTi/サファイア
を600℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。A
lN製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法により
形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 400℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA キャリアガス : H 2
【0029】GaN層は下記の条件でMOCVD法によ
り形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 1000℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMG キャリアガス : H 2 なお、以下の例においてGaN層の形成条件は上記と同
一である。
り形成した。 反応容器内圧力 : 常圧 温度 : 1000℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMG キャリアガス : H 2 なお、以下の例においてGaN層の形成条件は上記と同
一である。
【0030】図7は図6と同じ試料についてφ(PH
I)スキャンを行ったときの結果である。図6及び図7
の結果から、Ti/サファイア上に、AlNバッファ層
を介して、成長されたGaNは好ましい結晶性を有する
ことがわかる。従って、かかるAlN/Ti/サファイ
ア上にGaN系の半導体層を成長させれば、この半導体
層によって充分機能し得る発光素子等の半導体素子を形
成することができる。
I)スキャンを行ったときの結果である。図6及び図7
の結果から、Ti/サファイア上に、AlNバッファ層
を介して、成長されたGaNは好ましい結晶性を有する
ことがわかる。従って、かかるAlN/Ti/サファイ
ア上にGaN系の半導体層を成長させれば、この半導体
層によって充分機能し得る発光素子等の半導体素子を形
成することができる。
【0031】図8はサファイア基体層上に形成されたT
i層の上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、そ
の上に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2
θ−ω(2θ:20−100度)スキャンの結果を示
す。なお、AlGaN製のバッファ層を形成する前に真
空中(3×10−5Torr)でTi/サファイアを6
00℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。AlG
aN製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法により
形成した。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H 2
i層の上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、そ
の上に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2
θ−ω(2θ:20−100度)スキャンの結果を示
す。なお、AlGaN製のバッファ層を形成する前に真
空中(3×10−5Torr)でTi/サファイアを6
00℃で5分間加熱した(真空クリーニング)。AlG
aN製のバッファ層は下記の条件でMOCVD法により
形成した。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H 2
【0032】GaN層は図6及び図7の場合と同一の条
件でMOCVD法により形成した。図9は図8と同じ試
料についてφ(PHI)スキャンを行ったときの結果で
ある。図9及び図8の結果から、Ti/サファイア上
に、AlGaNバッファ層を介して、成長されたGaN
は好ましい結晶性を有することがわかる。図6及び図7
との比較から、バッファ層をAlGaN製とするとその
上に形成されるGaN層の結晶性がより良くなることが
わかる。
件でMOCVD法により形成した。図9は図8と同じ試
料についてφ(PHI)スキャンを行ったときの結果で
ある。図9及び図8の結果から、Ti/サファイア上
に、AlGaNバッファ層を介して、成長されたGaN
は好ましい結晶性を有することがわかる。図6及び図7
との比較から、バッファ層をAlGaN製とするとその
上に形成されるGaN層の結晶性がより良くなることが
わかる。
【0033】図10はTi/サファイア上に、AlGa
Nバッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性を評
価するロッキングカーブである。当該ロッキングカーブ
の結果から、当業者であれば、このGaNが発光素子を
構成する半導体層として充分な特性を持つことがわか
る。
Nバッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性を評
価するロッキングカーブである。当該ロッキングカーブ
の結果から、当業者であれば、このGaNが発光素子を
構成する半導体層として充分な特性を持つことがわか
る。
【0034】図11はAlGaN製のバッファ層の成長
温度とGaN結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と
同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本のピー
ク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層の形成
条件は既述のとおりである。このTi層に対するクリー
ニングはチャンバ内を真空(3×10−5Torr)に
して600℃、5分間行った。AlGaN製のバッファ
層のMOCVDの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 測定対象 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H 2 キャリアガス流量比( TMG/(TMG+TMA) ): 0.62
5
温度とGaN結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と
同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本のピー
ク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層の形成
条件は既述のとおりである。このTi層に対するクリー
ニングはチャンバ内を真空(3×10−5Torr)に
して600℃、5分間行った。AlGaN製のバッファ
層のMOCVDの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 測定対象 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H 2 キャリアガス流量比( TMG/(TMG+TMA) ): 0.62
5
【0035】図11の結果から、AlGaN製のバッフ
ァ層の成長温度は250〜350℃とすることが好まし
い。更に好ましくは280〜330℃である。更に更に
好ましくはほぼ300℃である。
ァ層の成長温度は250〜350℃とすることが好まし
い。更に好ましくは280〜330℃である。更に更に
好ましくはほぼ300℃である。
【0036】図12はAlGaN製のバッファ層を形成
する際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN
結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と同様にして得
られたφ(PHI)スキャンの6本のピーク強度の平均
値(相対値)である。なお、Ti層の形成条件は既述の
とおりである。このTi層に対するクリーニングはチャ
ンバ内を真空(3×10−5Torr)にして600
℃、5分間行った。AlGaN製のバッファ層のMOC
VDの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H 2 キャリアガス流量比( TMG/(TMG+TMA) ): 測定対象 GaN層の形成条件は既述のとおりである。
する際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN
結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9と同様にして得
られたφ(PHI)スキャンの6本のピーク強度の平均
値(相対値)である。なお、Ti層の形成条件は既述の
とおりである。このTi層に対するクリーニングはチャ
ンバ内を真空(3×10−5Torr)にして600
℃、5分間行った。AlGaN製のバッファ層のMOC
VDの条件は次の通りであった。 チャンバ内圧力 : 常圧 温度 : 300℃ 材料ガス1 : アンモニア 材料ガス2 : TMA 材料ガス3 : TMG キャリアガス : H 2 キャリアガス流量比( TMG/(TMG+TMA) ): 測定対象 GaN層の形成条件は既述のとおりである。
【0037】図12の結果からキャリアガスの流量比は
TMG/(TMG+TMA)=0.4〜0.8とするこ
とが好ましいことがわかる。従って、反応容器内に供給
される材料ガスのモル比でいうと、TMG/(TMG+
TMA)=0.53〜0.87とすることが好ましい。
更に好ましくは、同流量比0.5〜0.7(同モル比=
0.63〜0.80)である。更に更に好ましくは同流
量比0.60〜0.65である。今のところ、同流量比
=0.625(同モル比=0.737)が最も好ましい
と考えられる。
TMG/(TMG+TMA)=0.4〜0.8とするこ
とが好ましいことがわかる。従って、反応容器内に供給
される材料ガスのモル比でいうと、TMG/(TMG+
TMA)=0.53〜0.87とすることが好ましい。
更に好ましくは、同流量比0.5〜0.7(同モル比=
0.63〜0.80)である。更に更に好ましくは同流
量比0.60〜0.65である。今のところ、同流量比
=0.625(同モル比=0.737)が最も好ましい
と考えられる。
【0038】本発明者らの検討によれば、図12の結果
を得たときの条件においてキャリアガス流量比をTMG
/(TMG+TMA)=0.625とすると、バッファ
層の組成はAl0.9Ga0.1Nであった。AlaG
a1−aN製のバッファ層においてAlの組成比aは
0.85〜0.95とすることが好ましい。
を得たときの条件においてキャリアガス流量比をTMG
/(TMG+TMA)=0.625とすると、バッファ
層の組成はAl0.9Ga0.1Nであった。AlaG
a1−aN製のバッファ層においてAlの組成比aは
0.85〜0.95とすることが好ましい。
【0039】図13はTi/サファイアのクリーニング
温度とGaNの結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9
と同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本のピ
ーク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層の形
成条件は既述のとおりである。AlGaNバッファ層及
びGaN層の形成条件は図8の場合と同一である。尚、
図中黒塗り三角で示すクリーニングの結果はサファイア
基体層上にTiを蒸着させた基板をMOCVDチャンバ
内で真空(真空度:3×10−5Torr)にして、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
5分間維持し、その後放冷したときのものである。一
方、図中の白抜き三角(△)で示すクリーニングの結果
はサファイア基体層上にTiを蒸着させた基板をMOC
VDチャンバへ水素を供給し(チャンバ内:1気圧)、
ランプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度
で5分間維持し、その後放冷したときのものである。
温度とGaNの結晶性との関係を示す。図の縦軸は図9
と同様にして得られたφ(PHI)スキャンの6本のピ
ーク強度の平均値(相対値)である。なお、Ti層の形
成条件は既述のとおりである。AlGaNバッファ層及
びGaN層の形成条件は図8の場合と同一である。尚、
図中黒塗り三角で示すクリーニングの結果はサファイア
基体層上にTiを蒸着させた基板をMOCVDチャンバ
内で真空(真空度:3×10−5Torr)にして、ラ
ンプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度で
5分間維持し、その後放冷したときのものである。一
方、図中の白抜き三角(△)で示すクリーニングの結果
はサファイア基体層上にTiを蒸着させた基板をMOC
VDチャンバへ水素を供給し(チャンバ内:1気圧)、
ランプヒータで基板を所望の温度まで加熱し、その温度
で5分間維持し、その後放冷したときのものである。
【0040】図13の結果から、サファイア基体層上に
Ti層を蒸着した後、バッファ層を形成する前に、Ti
層を真空中で加熱してクリーニングすると結晶性の高い
GaN層の得られることがわかる。クリーニングの温度
は500〜750℃とすることが好ましい。更に好まし
くは550〜700℃である。更に更に好ましくは60
0〜650℃である。クリーニングを行うときの真空度
は特に限定されないが、Ti層から不純物を除去する見
地から、できる限り高い真空度を達成することが好まし
い。
Ti層を蒸着した後、バッファ層を形成する前に、Ti
層を真空中で加熱してクリーニングすると結晶性の高い
GaN層の得られることがわかる。クリーニングの温度
は500〜750℃とすることが好ましい。更に好まし
くは550〜700℃である。更に更に好ましくは60
0〜650℃である。クリーニングを行うときの真空度
は特に限定されないが、Ti層から不純物を除去する見
地から、できる限り高い真空度を達成することが好まし
い。
【0041】以上の結果はサファイア基体層とTi層と
の組み合わせに関するものであるが、Si及びその他の
材料製の基体層上にTi層を形成した場合についても同
様のことがいえると考えられる。
の組み合わせに関するものであるが、Si及びその他の
材料製の基体層上にTi層を形成した場合についても同
様のことがいえると考えられる。
【0042】図14は基体層のSi(111)面上に蒸
着したTi結晶性のウエハ洗浄依存性を示す。但し、T
i層の蒸着条件は次のとおりである(サファイア基体層
のときと同じ)。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm Si基体層に対して、サファイア基体層の場合と同様に
して窒素パージによりチャンバ内から実質的に酸素を除
去し、その(111)面にTi層を蒸着したときの結果
を図14の実線で示す。なお、図14はTi層の(1
0 1- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示
している。一方、図14の破線は窒素パージの前に予め
バッファードフッ酸でSi基体層を10秒間洗浄したと
きのものである。図15は図14の試料のTi層の(1
1 2- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を
示している。
着したTi結晶性のウエハ洗浄依存性を示す。但し、T
i層の蒸着条件は次のとおりである(サファイア基体層
のときと同じ)。 蒸着速度:0.5nm/s 蒸着温度:150℃ 膜厚:300nm Si基体層に対して、サファイア基体層の場合と同様に
して窒素パージによりチャンバ内から実質的に酸素を除
去し、その(111)面にTi層を蒸着したときの結果
を図14の実線で示す。なお、図14はTi層の(1
0 1- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示
している。一方、図14の破線は窒素パージの前に予め
バッファードフッ酸でSi基体層を10秒間洗浄したと
きのものである。図15は図14の試料のTi層の(1
1 2- 2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を
示している。
【0043】図14及び図15の結果より、予めバッフ
ァードフッ酸で洗浄したSi基体層の上に蒸着されたT
i層は良い結晶性を持つが、当該酸洗浄の省略されたS
i基体層上に蒸着されたTi層の結晶性は非常に悪いこ
とがわかる。
ァードフッ酸で洗浄したSi基体層の上に蒸着されたT
i層は良い結晶性を持つが、当該酸洗浄の省略されたS
i基体層上に蒸着されたTi層の結晶性は非常に悪いこ
とがわかる。
【0044】図16は図14のものと同様にSi基体層
の(100)面上に蒸着したTi層の(1 0 1- 2)
面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示す。図17
は同じくSi基体層の(100)面上に蒸着したTi層
の(1 1 2-2)面に対するφ(PHI)スキャンの結
果を示す。
の(100)面上に蒸着したTi層の(1 0 1- 2)
面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示す。図17
は同じくSi基体層の(100)面上に蒸着したTi層
の(1 1 2-2)面に対するφ(PHI)スキャンの結
果を示す。
【0045】図16及び図17の結果から、Si基体層
の(100)面上に蒸着したTi層は、酸洗浄の有無に
拘わらず、その結晶性が非常に悪いことがわかる。以
上、図14〜17の結果より、Si基体層の上に単結晶
のTi層を形成するにはSi基体層の(111)面上に
Tiを蒸着させること及びSi基体層を予めバッファー
ドフッ酸やフッ酸等で酸洗浄することが必要である。
の(100)面上に蒸着したTi層は、酸洗浄の有無に
拘わらず、その結晶性が非常に悪いことがわかる。以
上、図14〜17の結果より、Si基体層の上に単結晶
のTi層を形成するにはSi基体層の(111)面上に
Tiを蒸着させること及びSi基体層を予めバッファー
ドフッ酸やフッ酸等で酸洗浄することが必要である。
【0046】
【実施例】次に、この発明の第1の実施例の説明をす
る。この実施例は発光ダイオード10であり、その構成
を図18に示す。
る。この実施例は発光ダイオード10であり、その構成
を図18に示す。
【0047】各半導体層のスペックは次の通りである。 層 : 組成:ドーパント (膜厚) pクラッド層 6 : p−GaN : Mg ( 0.3 μ m ) 発光層 5 : 超格子構造 量子井戸層 : In0.15Ga0.85N ( 3.5nm) バリア層 : GaN ( 3.5nm ) 量子井戸層とバリア層の繰り返し数: 1 〜 10 nクラッド層 4 : n−GaN:Si ( 4 μ m ) バッファ層 3 : Al0.9Ga0.1N ( 15nm ) Ti層 2 : Ti単結晶 ( 300nm ) 基体層 1 : サファイア ( 300 μ m )
【0048】nクラッド層4は発光層5側の低電子濃度
n−層とバッファ層3側の高電子濃度n+層とからなる
2層構造とすることができる。発光層5は超格子構造の
ものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型
及びホモ接合型のものなどを用いることができる。発光
層5とpクラッド層6との間にマグネシウム等のアクセ
プタをドープしたバンドギャップの広いAlXInYG
a1−X−YN( X=0,Y=0,X=Y=0 を含む)層を介在さ
せることができる。これは発光層5中に注入された電子
がpクラッド層6に拡散するのを防止するためである。
pクラッド層6を発光層5側の低ホール濃度p−層と電
極7側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造とする
ことができる。
n−層とバッファ層3側の高電子濃度n+層とからなる
2層構造とすることができる。発光層5は超格子構造の
ものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型
及びホモ接合型のものなどを用いることができる。発光
層5とpクラッド層6との間にマグネシウム等のアクセ
プタをドープしたバンドギャップの広いAlXInYG
a1−X−YN( X=0,Y=0,X=Y=0 を含む)層を介在さ
せることができる。これは発光層5中に注入された電子
がpクラッド層6に拡散するのを防止するためである。
pクラッド層6を発光層5側の低ホール濃度p−層と電
極7側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造とする
ことができる。
【0049】上記において、バッファ層3までの形成方
法は図10の結果を得たときと同様である。
法は図10の結果を得たときと同様である。
【0050】各GaN系の半導体層は周知のMOCVD
法により形成される。この成長法においては、アンモニ
アガスと III 族元素のアルキル化合物ガス、例えばト
リメチルガリウム(TMG ) 、トリメチルアルミニウ
ム(TMA)やトリメチルインジウム(TMI)とを適
当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応さ
せ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
法により形成される。この成長法においては、アンモニ
アガスと III 族元素のアルキル化合物ガス、例えばト
リメチルガリウム(TMG ) 、トリメチルアルミニウ
ム(TMA)やトリメチルインジウム(TMI)とを適
当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応さ
せ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
【0051】透光性電極7は金を含む薄膜であり、pク
ラッド層6の上面の実質的な全面を覆って積層される。
p電極8も金を含む材料で構成されており、蒸着により
透光性電極7の上に形成される。n電極9がnクラッド
層4に蒸着される。
ラッド層6の上面の実質的な全面を覆って積層される。
p電極8も金を含む材料で構成されており、蒸着により
透光性電極7の上に形成される。n電極9がnクラッド
層4に蒸着される。
【0052】(第2実施例)図19にこの発明の第2の
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード20であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード20はバッファ層23をAlN製としたもので
ある。
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード20であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード20はバッファ層23をAlN製としたもので
ある。
【0053】(第3実施例)図20にこの発明の第3の
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード30であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード30はバッファ層が省略されているものであ
る。この場合、nクラッド層はMBE法により形成す
る。
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード30であり、図18に示した第1の実施
例の発光ダイオード10と同一の部分には同一の符号を
付してその説明を省略する。即ち、この実施例の発光ダ
イオード30はバッファ層が省略されているものであ
る。この場合、nクラッド層はMBE法により形成す
る。
【0054】(第4実施例)図21にこの発明の第4の
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード40である。各半導体層のスペックは次
の通りである。 層 : 組成:ドーパント (膜厚) pクラッド層 46 : p−GaN : Mg ( 0.3 μ m ) 発光層 45 : 超格子構造 量子井戸層 : In0.15Ga0.85N ( 3.5nm) バリア層 : GaN ( 3.5nm ) 量子井戸層とバリア層の繰り返し数: 1 〜 10 nクラッド層 44 : n−GaN:Si ( 4 μ m ) バッファ層 43 : Al0.9Ga0.1N ( 15nm ) Ti層 42 : Ti単結晶 ( 300nm ) 基体層 41 : Si(111)面 ( 300 μ m )
実施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は
発光ダイオード40である。各半導体層のスペックは次
の通りである。 層 : 組成:ドーパント (膜厚) pクラッド層 46 : p−GaN : Mg ( 0.3 μ m ) 発光層 45 : 超格子構造 量子井戸層 : In0.15Ga0.85N ( 3.5nm) バリア層 : GaN ( 3.5nm ) 量子井戸層とバリア層の繰り返し数: 1 〜 10 nクラッド層 44 : n−GaN:Si ( 4 μ m ) バッファ層 43 : Al0.9Ga0.1N ( 15nm ) Ti層 42 : Ti単結晶 ( 300nm ) 基体層 41 : Si(111)面 ( 300 μ m )
【0055】AlGaN製のバッファ層43は、第2実
施例と同様に、AlN製のものに置換することができ
る。また、第3実施例と同様にバッファ層43を省略す
ることもできる。GaN系の半導体層44〜46は、第
1の実施例で説明したように、他の構成の層にそれぞれ
置換することができる。また、それぞれの形成方法も第
1の実施例と同様である。但し、バッファ層を省略した
ときは、Ti層に隣接するGaN系の半導体層をMBE
法で形成する。
施例と同様に、AlN製のものに置換することができ
る。また、第3実施例と同様にバッファ層43を省略す
ることもできる。GaN系の半導体層44〜46は、第
1の実施例で説明したように、他の構成の層にそれぞれ
置換することができる。また、それぞれの形成方法も第
1の実施例と同様である。但し、バッファ層を省略した
ときは、Ti層に隣接するGaN系の半導体層をMBE
法で形成する。
【0056】上記において、Ti層42の形成方法は図
14の破線の結果を得たときと同様である。AlGaN
製のバッファ層43は第1の実施例と同様にして形成さ
れた。
14の破線の結果を得たときと同様である。AlGaN
製のバッファ層43は第1の実施例と同様にして形成さ
れた。
【0057】透光性電極47は金を含む薄膜であり、p
クラッド層46の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。p電極48も金を含む材料で構成されており、蒸着
により透光性電極7の上に形成される。基体層41はそ
のままのn電極として利用できる。
クラッド層46の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。p電極48も金を含む材料で構成されており、蒸着
により透光性電極7の上に形成される。基体層41はそ
のままのn電極として利用できる。
【0058】図22に第4実施例の変形態様を示す。な
お、図21と同一の層には同一の符号を付してその説明
を省略する。図22に示すように、バッファ層43の上
にpクラッド層46、発光層45及びnクラッド層44
を順に成長させて発光素子50を構成することもでき
る。この素子50の場合、抵抗値の低いnクラッド層4
4が最上面となるのでここの透光性電極(図21の符号
47参照)を省略することが可能となる。図の符号58
はn電極である。基体層41はそのままp電極として利
用できる。
お、図21と同一の層には同一の符号を付してその説明
を省略する。図22に示すように、バッファ層43の上
にpクラッド層46、発光層45及びnクラッド層44
を順に成長させて発光素子50を構成することもでき
る。この素子50の場合、抵抗値の低いnクラッド層4
4が最上面となるのでここの透光性電極(図21の符号
47参照)を省略することが可能となる。図の符号58
はn電極である。基体層41はそのままp電極として利
用できる。
【0059】このように構成された第4実施例の半導体
素子では、先の出願である特願平9−293463号に
記載の通りTi層が応力緩衝用のバッファ層となるの
で、Si基体層とGaN系の半導体層との熱膨張率の差
に起因するクラックはGaN系の半導体層に殆ど入らな
くなる。
素子では、先の出願である特願平9−293463号に
記載の通りTi層が応力緩衝用のバッファ層となるの
で、Si基体層とGaN系の半導体層との熱膨張率の差
に起因するクラックはGaN系の半導体層に殆ど入らな
くなる。
【0060】なお、本発明が適用される素子は上記の発
光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオー
ド、レーザダイオード等の光素子の他、FET構造の電
子デバイスにも適用できる。また、これらの素子の中間
体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオー
ド、レーザダイオード等の光素子の他、FET構造の電
子デバイスにも適用できる。また、これらの素子の中間
体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
【0061】この発明は上記発明の実施の形態及び実施
例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範
囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態
様を包含する。
例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範
囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態
様を包含する。
【0062】以下、次の事項を開示する。 (80) サファイア基体層を準備し、実質的に酸素が
除去された環境のもとで該サファイア基体層へTiを蒸
着あるいはスパッタすることを特徴とするサファイア基
体層の上に実質的に単結晶のTi層を形成する方法。 (81) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。 (82) 前記Ti層の成膜温度は室温〜250℃であ
る、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。
除去された環境のもとで該サファイア基体層へTiを蒸
着あるいはスパッタすることを特徴とするサファイア基
体層の上に実質的に単結晶のTi層を形成する方法。 (81) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。 (82) 前記Ti層の成膜温度は室温〜250℃であ
る、ことを特徴とする、(80)に記載の方法。
【0063】(83) 前記Ti層の成膜温度はほぼ1
50℃である、ことを特徴とする(80)に記載の方
法。 (84) 前記Ti層層の膜厚を100〜1500nm
とする、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれ
かに記載の方法。 (85) 前記Ti層の膜厚を200〜1000nmと
する、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれか
に記載の方法。
50℃である、ことを特徴とする(80)に記載の方
法。 (84) 前記Ti層層の膜厚を100〜1500nm
とする、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれ
かに記載の方法。 (85) 前記Ti層の膜厚を200〜1000nmと
する、ことを特徴とする(80)〜(83)のいずれか
に記載の方法。
【0064】(86) 前記酸素が除去された環境は、
蒸着装置のチャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内
へ不活性ガスを充満させる工程を1回もしくは複数回行
い、その後、前記チャンバ内を真空引きすることにより
行う、ことを特徴とする(80)〜(85)のいずれか
に記載の方法。
蒸着装置のチャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内
へ不活性ガスを充満させる工程を1回もしくは複数回行
い、その後、前記チャンバ内を真空引きすることにより
行う、ことを特徴とする(80)〜(85)のいずれか
に記載の方法。
【0065】(90) Si基体層を準備し、該Si基
体層を酸洗浄し、実質的に酸素が除去された環境の下で
該基体層のSi(111)面にTiを成膜することを特
徴とするSi基体層上に実質的に単結晶のTi層を形成
する方法。 (91) 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファードフ
ッ酸を含む液により行われる、ことを特徴とする(9
0)に記載の方法。 (92) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(90)若しくは(91)
に記載の方法。
体層を酸洗浄し、実質的に酸素が除去された環境の下で
該基体層のSi(111)面にTiを成膜することを特
徴とするSi基体層上に実質的に単結晶のTi層を形成
する方法。 (91) 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファードフ
ッ酸を含む液により行われる、ことを特徴とする(9
0)に記載の方法。 (92) 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/s以上
である、ことを特徴とする、(90)若しくは(91)
に記載の方法。
【0066】(93) 前記Ti層の成膜温度は室温〜
250℃である、ことを特徴とする(90)若しくは
(91)に記載の方法。 (94) 前記Ti層の成膜温度はほぼ150℃であ
る、ことを特徴とする(90)若しくは(91)に記載
の方法。 (95) 前記Ti層の膜厚を100〜1500nmと
する、ことを特徴とする(90)〜(94)のいずれか
に記載の方法。
250℃である、ことを特徴とする(90)若しくは
(91)に記載の方法。 (94) 前記Ti層の成膜温度はほぼ150℃であ
る、ことを特徴とする(90)若しくは(91)に記載
の方法。 (95) 前記Ti層の膜厚を100〜1500nmと
する、ことを特徴とする(90)〜(94)のいずれか
に記載の方法。
【0067】(96) 前記Ti層の膜厚を200〜1
000nmとする、ことを特徴とする(90)〜(9
4)のいずれかに記載の方法。 (97) 前記酸素が除去された環境は、蒸着装置のチ
ャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内へ不活性ガス
を充満させる工程を1回もしくは複数回行い、その後、
前記チャンバ内を真空引きすることにより行う、ことを
特徴とする(90)〜(96)のいずれかに記載の方
法。
000nmとする、ことを特徴とする(90)〜(9
4)のいずれかに記載の方法。 (97) 前記酸素が除去された環境は、蒸着装置のチ
ャンバ内を真空引きした後、該チャンバ内へ不活性ガス
を充満させる工程を1回もしくは複数回行い、その後、
前記チャンバ内を真空引きすることにより行う、ことを
特徴とする(90)〜(96)のいずれかに記載の方
法。
【0068】(100) Ti単結晶面上にGaN系の
半導体層を形成する前に、前記Ti単結晶面を減圧下で
加熱することを特徴とするGaN系の半導体層の成長方
法。 (101) 前記加熱温度は500〜750℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (102) 前記加熱温度は550〜700℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (103) 前記加熱温度は600〜650℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。
半導体層を形成する前に、前記Ti単結晶面を減圧下で
加熱することを特徴とするGaN系の半導体層の成長方
法。 (101) 前記加熱温度は500〜750℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (102) 前記加熱温度は550〜700℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。 (103) 前記加熱温度は600〜650℃である、
ことを特徴とする(100)に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はサファイア基体層上に蒸着されたTi層
の結晶性の膜厚依存性を示すグラフ図である。
の結晶性の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図2】図2はサファイア基体層上に蒸着されたTi層
のφ(PHI)スキャンの結果を示すチャート図であ
る。
のφ(PHI)スキャンの結果を示すチャート図であ
る。
【図3】図3はサファイア基体層上に蒸着されたTi層
の結晶性の蒸着速度依存性を示すグラフ図である。
の結晶性の蒸着速度依存性を示すグラフ図である。
【図4】図4はサファイア基体層上に蒸着されたTi層
の結晶性の蒸着温度依存性を示すグラフ図である。
の結晶性の蒸着温度依存性を示すグラフ図である。
【図5】図5はサファイア基体層上に蒸着されたTi層
を熱処理したときのTi層の結晶性と当該熱処理温度と
の関係を示すグラフ図である。
を熱処理したときのTi層の結晶性と当該熱処理温度と
の関係を示すグラフ図である。
【図6】サファイア基体層上に形成されたTi層の上に
更にAlN製のバッファ層を形成し、その上に成長され
たGaN層の結晶性を評価するための2θ−ωスキャン
の結果を示すチャート図である。
更にAlN製のバッファ層を形成し、その上に成長され
たGaN層の結晶性を評価するための2θ−ωスキャン
の結果を示すチャート図である。
【図7】図7は図6と同じ試料についてφ(PHI)ス
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
【図8】図8はサファイア基体層上に形成されたTi層
の上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−
ωスキャンの結果を示すチャート図である。
の上に更にAlGaN製のバッファ層を形成し、その上
に成長されたGaN層の結晶性を評価するための2θ−
ωスキャンの結果を示すチャート図である。
【図9】図9は図8と同じ試料についてφ(PHI)ス
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
キャンを行ったときの結果を示すチャート図である。
【図10】図10はTi/サファイア上に、AlGaN
バッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性を評価
するロッキングカーブを示すチャート図である。
バッファ層を介して、成長されたGaNの結晶性を評価
するロッキングカーブを示すチャート図である。
【図11】図11はAlGaN製のバッファ層の成長温
度とGaN結晶性との関係を示すグラフ図である。
度とGaN結晶性との関係を示すグラフ図である。
【図12】図12はAlGaN製のバッファ層を形成す
る際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN結
晶性との関係を示すグラフ図である。
る際のTMGとTMAのキャリアガス流量比とGaN結
晶性との関係を示すグラフ図である。
【図13】図13はTi/サファイアのクリーニング温
度とGaNの結晶性との関係を示すグラフ図である。
度とGaNの結晶性との関係を示すグラフ図である。
【図14】図14は基体層のSi(111)面上に蒸着
したTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)
スキャンの結果を示すチャート図である。
したTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)
スキャンの結果を示すチャート図である。
【図15】図15は図14の試料のTi層の(1 1 2-
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
【図16】図16は基体層のSi(100)面上に蒸着
したTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)
スキャンの結果を示すチャート図である。
したTi層の(1 0 1- 2)面に対するφ(PHI)
スキャンの結果を示すチャート図である。
【図17】図17は図16の試料のTi層の(1 1 2-
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
2)面に対するφ(PHI)スキャンの結果を示すチ
ャート図である。
【図18】図18はこの発明の第1実施例の半導体素子
の構成を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
【図19】図19はこの発明の第2の実施例の半導体素
子の構成を示す断面図である。
子の構成を示す断面図である。
【図20】図20はこの発明の第3実施例の半導体素子
の構成を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
【図21】図21はこの発明の第4の実施例の半導体素
子の構成を示す断面図である。
子の構成を示す断面図である。
【図22】図22はこの発明の第4の実施例の変形態様
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【符号の説明】 10、20、30、40、50 発光素子 1、41 基体層 2、42 Ti層 3、43 バッファ層 4、5、6、44、45、46 GaN系の半導体層
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図10
【補正方法】変更
【補正内容】
【図10】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図18
【補正方法】変更
【補正内容】
【図18】
【手続補正4】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図19
【補正方法】変更
【補正内容】
【図19】
【手続補正5】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図20
【補正方法】変更
【補正内容】
【図20】
【手続補正6】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図21
【補正方法】変更
【補正内容】
【図21】
【手続補正7】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図22
【補正方法】変更
【補正内容】
【図22】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 直樹 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 伊藤 潤 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内
Claims (68)
- 【請求項1】 GaN系の半導体層と、 該半導体層に対向する面がTi製とされた基板と、 を備えてなるGaN系の半導体素子。
- 【請求項2】 前記基板は基体層と単結晶のTi層ある
いは単結晶に近いTi層とを備えてなる、ことを特徴と
する請求項1に記載の半導体素子。 - 【請求項3】 前記Ti層の膜厚は100〜1500n
mである、ことを特徴とする請求項2に記載の半導体素
子。 - 【請求項4】 前記Ti層の膜厚は200〜1000n
mである、ことを特徴とする請求項2に記載の半導体素
子。 - 【請求項5】 前記基体層はサファイアからなることを
特徴とする、請求項2〜4のいずれかに記載の半導体素
子。 - 【請求項6】 前記基体層はSi、GaP、GaAs、
InP、ZnP及びZnOから選択される少なくとも1
つの材料からことを特徴とする、請求項2〜4のいずれ
かに記載の半導体素子。 - 【請求項7】 前記半導体層と前記基板との間にAla
InbGa1-a-bN(a=0、b=0、a=b=0を含
む)からなるバッファ層が介在される、ことを特徴とす
る請求項1〜6のいずれかに記載の半導体素子。 - 【請求項8】 前記バッファ層はAlaGa1-aN(a=
0.85〜0.95)である、ことを特徴とする請求項
7に記載の半導体素子。 - 【請求項9】 前記バッファ層はAlaGa1-aN(aは
ほぼ0.9)である、ことを特徴とする請求項7に記載
の半導体素子。 - 【請求項10】 基板を準備する工程、 該基板の上にTi層を形成する工程、 該Ti層の上にGaN系の半導体層を形成する工程、 を含んでなるGaN系の半導体素子の製造方法。
- 【請求項11】 全体が実質的にTiの単結晶となるよ
うに前記Ti層は前記基板の上へ蒸着あるいはスパッタ
により形成される、ことを特徴とする請求項10に記載
の半導体素子の製造方法。 - 【請求項12】 前記Ti層を形成する前に前記基板の
雰囲気から酸素を実質的に除去する工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の
製造方法。 - 【請求項13】 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/
s以上である、ことを特徴とする、請求項11若しくは
12に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項14】 前記Ti層の成膜温度は室温〜250
℃である、ことを特徴とする請求項11〜13のいずれ
かに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項15】 前記Ti層の成膜温度はほぼ150℃
である、ことを特徴とする請求項11〜13のいずれか
に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項16】 前記基板はサファイア製であり、該サ
ファイア基板の上に前記Ti層が蒸着される、ことを特
徴とする請求項10〜15のいずれかに記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項17】 前記基板はSi製であり、該Si基板
の上に前記Ti層が蒸着される、ことを特徴とする請求
項10〜15のいずれかに記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項18】 前記Ti層は前記Si基板の(11
1)面上に成膜される、ことを特徴とする請求項17に
記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項19】 前記Ti層を成膜する前に、前記Si
基板を酸洗浄する工程が更に含まれる、ことを特徴とす
る請求項17若しくは18に記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項20】 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファ
ードフッ酸を含む液で行われる、ことを特徴とする請求
項19に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項21】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlaInbGa1-a-bN(a=0、b=0、a
=b=0を含む)からなるバッファ層を形成する工程が
更に含まれる、ことを特徴とする請求項10〜20のい
ずれかに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項22】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、250〜3
50℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項10〜20のいずれかに記載の半導
体素子の製造方法。 - 【請求項23】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、280〜3
30℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項10〜20のいずれかに記載の半導
体素子の製造方法。 - 【請求項24】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、ほぼ300
℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、ことを特
徴とする請求項10〜20のいずれかに記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項25】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、Gaの材料
ガス/(Gaの材料ガス+Alの材料ガス)=0.53
〜0.87のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項10〜24のいずれかに記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項26】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、Gaの材料
ガス/(Gaの材料ガス+Alの材料ガス)=0.63
〜0.80のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項10〜24のいずれかに記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項27】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、Gaの材料
ガス/(Gaの材料ガス+Alの材料ガス)=ほぼ0.
737のモル比で、成長させる工程が更に含まれる、こ
とを特徴とする請求項10〜24のいずれかに記載の半
導体素子の製造方法。 - 【請求項28】 前記バッファ層を形成する前に、前記
Ti層を真空中でクリーニングする工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項21〜27のいずれかに記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項29】 前記真空クリーニングは実質的な真空
中で前記Ti層を500〜750℃に加熱することによ
り行われる、ことを特徴とする請求項28に記載の半導
体素子の製造方法。 - 【請求項30】 前記真空クリーニングは実質的な真空
中で前記Ti層を550〜700℃に加熱することによ
り行われる、ことを特徴とする請求項28に記載の半導
体素子の製造方法。 - 【請求項31】 前記真空クリーニングは実質的な真空
中で前記Ti層を600〜650℃に加熱することによ
り行われる、ことを特徴とする請求項28に記載の半導
体素子の製造方法。 - 【請求項32】少なくとも一つの前記GaN系の半導体
層が形成されるまでの間、前記Ti層は750℃以下に
保たれる、ことを特徴とする請求項10〜31のいずれ
かに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項33】少なくとも一つの前記GaN系の半導体
層が形成されるまでの間、前記Ti層は600℃以下に
保たれる、ことを特徴とする請求項10〜31のいずれ
かに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項34】 前記半導体素子は発光素子、受光素子
あるいは受光素子である、ことを特徴とする請求項1〜
9のいずれかに記載の半導体素子。 - 【請求項35】 前記半導体素子は発光素子、受光素子
あるいは受光素子である、ことを特徴とする請求項10
〜33のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項36】 GaN系の半導体層と、 該半導体層に対向する面がTi製とされた基板と、 を備えてなる積層体。
- 【請求項37】 前記基板は基体層と単結晶のTi層あ
るいは単結晶に近いTi層とを備えてなる、ことを特徴
とする請求項36に記載の積層体。 - 【請求項38】 前記Ti層の膜厚は100〜1500
nmである、ことを特徴とする請求項37に記載の積層
体。 - 【請求項39】 前記Ti層の膜厚は200〜1000
nmである、ことを特徴とする請求項37に記載の積層
体。 - 【請求項40】 前記基体層はサファイアからなること
を特徴とする、請求項37〜39のいずれかに記載の積
層体。 - 【請求項41】 前記基体層はSi、GaP、GaA
s、InP、ZnP及びZnOから選択される少なくと
も1つの材料からことを特徴とする、請求項37〜39
のいずれかに記載の積層体。 - 【請求項42】 前記半導体層と前記基板との間にAl
aInbGa1-a-bN(a=0、b=0、a=b=0を含
む)からなるバッファ層が介在される、ことを特徴とす
る請求項36〜41のいずれかに記載の積層体。 - 【請求項43】 前記バッファ層はAlaGa1-aN(a
=0.85〜0.95)である、ことを特徴とする請求
項42に記載の積層体。 - 【請求項44】 前記バッファ層はAlaGa1-aN(a
はほぼ0.9)である、ことを特徴とする請求項42に
記載の積層体。 - 【請求項45】 基板を準備する工程、 該基板の上にTi層を形成する工程、 該Ti層の上にGaN系の半導体層を形成する工程、 を含んでなる積層体の製造方法。
- 【請求項46】 全体が実質的にTiの単結晶となるよ
うに前記Ti層は前記基板の上へ蒸着あるいはスパッタ
により形成される、ことを特徴とする請求項45に記載
の積層体の製造方法。 - 【請求項47】 前記Ti層を形成する前に前記基板の
雰囲気から酸素を実質的に除去する工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項46に記載の積層体の製造
方法。 - 【請求項48】 前記Ti層の成膜速度が0.5nm/
s以上である、ことを特徴とする、請求項46若しくは
47に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項49】 前記Ti層の成膜温度は室温〜250
℃である、ことを特徴とする請求項46〜48のいずれ
かに記載の積層体の製造方法。 - 【請求項50】 前記Ti層の成膜温度はほぼ150℃
である、ことを特徴とする請求項46〜48のいずれか
に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項51】 前記基板はサファイア製であり、該サ
ファイア基板の上に前記Ti層が蒸着される、ことを特
徴とする請求項45〜50のいずれかに記載の積層体の
製造方法。 - 【請求項52】 前記基板はSi製であり、該Si基板
の上に前記Ti層が蒸着される、ことを特徴とする請求
項45〜50のいずれかに記載の積層体の製造方法。 - 【請求項53】 前記Ti層は前記Si基板の(11
1)面上に成膜される、ことを特徴とする請求項52に
記載の積層体の製造方法。 - 【請求項54】 前記Ti層を成膜する前に、前記Si
基板を酸洗浄する工程が更に含まれる、ことを特徴とす
る請求項52若しくは53に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項55】 前記酸洗浄はフッ酸若しくはバッファ
ードフッ酸を含む液で行われる、ことを特徴とする請求
項54に記載の積層体の製造方法。 - 【請求項56】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlaInbGa1-a-bN(a=0、b=0、a
=b=0を含む)からなるバッファ層を形成する工程が
更に含まれる、ことを特徴とする請求項45〜55のい
ずれかに記載の積層体の製造方法。 - 【請求項57】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、250〜3
50℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項45〜55のいずれかに記載の積層
体の製造方法。 - 【請求項58】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、280〜3
30℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、こと
を特徴とする請求項45〜55のいずれかに記載の積層
体の製造方法。 - 【請求項59】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、ほぼ300
℃の温度で、成長させる工程が更に含まれる、ことを特
徴とする請求項45〜55のいずれかに記載の積層体の
製造方法。 - 【請求項60】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、Gaの材料
ガス/(Gaの材料ガス+Alの材料ガス)=0.53
〜0.87のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項45〜59のいずれかに記
載の積層体の製造方法。 - 【請求項61】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、Gaの材料
ガス/(Gaの材料ガス+Alの材料ガス)=0.63
〜0.80のモル比で、成長させる工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項45〜59のいずれかに記
載の積層体の製造方法。 - 【請求項62】 前記Ti層と前記GaN系の半導体層
との間にAlGaNからなるバッファ層を、Gaの材料
ガス/(Gaの材料ガス+Alの材料ガス)=ほぼ0.
737のモル比で、成長させる工程が更に含まれる、こ
とを特徴とする請求項45〜59のいずれかに記載の積
層体の製造方法。 - 【請求項63】 前記バッファ層を形成する前に、前記
Ti層を真空中でクリーニングする工程が更に含まれ
る、ことを特徴とする請求項56〜62のいずれかに記
載の積層体の製造方法。 - 【請求項64】 前記真空クリーニングは実質的な真空
中で前記Ti層を500〜750℃に加熱することによ
り行われる、ことを特徴とする請求項63に記載の積層
体の製造方法。 - 【請求項65】 前記真空クリーニングは実質的な真空
中で前記Ti層を550〜700℃に加熱することによ
り行われる、ことを特徴とする請求項63に記載の積層
体の製造方法。 - 【請求項66】 前記真空クリーニングは実質的な真空
中で前記Ti層を600〜650℃に加熱することによ
り行われる、ことを特徴とする請求項63に記載の積層
体の製造方法。 - 【請求項67】 少なくとも一つの前記GaN系の半導
体層が形成されるまでの間、前記Ti層は750℃以下
に保たれる、ことを特徴とする請求項45〜66のいず
れかに記載の積層体の製造方法。 - 【請求項68】 少なくとも一つの前記GaN系の半導
体層が形成されるまでの間、前記Ti層は600℃以下
に保たれる、ことを特徴とする請求項45〜66のいず
れかに記載の積層体の製造方法。
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