JPH11284228A

JPH11284228A - 半導体素子

Info

Publication number: JPH11284228A
Application number: JP10352598A
Authority: JP
Inventors: Jun Ito; 潤伊藤; Naoki Shibata; 直樹柴田; Toshiaki Sendai; 敏明千代; Shizuyo Noiri; 静代野杁
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧａＮ系半導体層を有する半導体素子におい
てＧａＮ系の半導体層用に適した新規な基板を提供す
る。【解決手段】導電性窒素化合物を含む基板上にＧａＮ
系の半導体層を直接又は適当なバッファ層を介して積層
する。

Description

【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。

【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てい
る。

【０００３】このような素子において、サファイア基板
を他の材料に置換することが望まれている。サファイア
基板は高価であるからである。また、サファイアの格子
定数は４．７９オングストロームであって、ＧａＮの
３．１８オングストロームに比較して大きくＧａＮの結
晶品質向上には限度がある。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、そのため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行程も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
イズの小型化にも限界があった。加えて、チャージアッ
プの問題もあった。そこで導電性を基板に付与する見地
からＳｉＣ製の基板が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＳｉＣ製の基
板は更に高価であり、発光素子の製造コストを引き上げ
る一因となっていた。そこでこの発明はＧａＮ系の半導
体層用に適した新規な基板を提供するこを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は上記目的を達
成するものであり、その構成は次の通りである。導電性
窒素化合物（ＧａＮ系の半導体を除く）を含む基板と、
ＧａＮ系の半導体層と、を備えてなる半導体素子。

【０００６】このように構成された半導体素子によれ
ば、基板が導電性であるため半導体素子の同一面側に電
極を設ける必要がなくなり、製造行程において複雑なエ
ッチングが不要になる。さらに、チャージアップの問題
も解消される。また、材料の選択如何によっては、この
基板を従来の基板より安価なものとすることも可能であ
る。

【０００７】基板の材料である導電性窒素化合物として
は、その格子定数がＧａＮの格子定数に近いものが好ま
しい。ＧａＮ系の半導体層の積層を容易とし、結晶品質
の高い半導体層を形成するためである。更には、導電性
窒素化合物の結晶構造がＧａＮと同じ六方晶であること
が望ましい。ＧａＮ系の半導体層とのなじみをよくし、
ＧａＮ系の半導体層の格子歪みを小さくするためであ
る。

【０００８】尚、勿論のことであるが、基板の材料は半
導体素子の製造過程で加えられる温度以上の融点をもつ
必要がある。以上の観点より、導電性窒素化合物として
ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム
（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）の窒化
物が好適である。なお、ＧａＮ系の半導体層を基板とす
る試みは現在行われているが、安価でかつ第面積な基板
が得られていない。

【０００９】このような導電性窒素化合物の基板は次の
様にして得られる。導電性窒素化合物のバルクが得られ
る場合はそれを所望の厚さにスライスする。この場合、
基板の厚さは半導体素子に所望の剛性と保形性を与える
ものであれば特に限定されないが、例えば５０〜５００
μｍとすることが好ましい。そのバルクが得られない場
合は補助基板（第２の基板）を準備してその上に当該導
電性窒素化合物を積層する。積層方法にはプラズマＣＶ
Ｄ、熱ＣＶＤ、光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、
蒸着等の（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）等の方法が採用される。その後、補助基
板をエッチング等の方法で除去する。

【００１０】なお、補助基板が導電性であるときは、こ
の補助基板を敢えて除去する必要はない。従って、半導
体素子の製造工数が少なくなりひいては半導体素子の製
造コストが低減される。このような補助基板の材料とし
てＳｉ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ等を挙げられる。補
助基板の厚さは、導電性窒素化合物の層（第１の基板）
を積層するときに問題を生じさせない限り、特に限定さ
れるものではない。

【００１１】このような導電性補助基板（第２の基板）
を用いることにより、導電性窒素化合物基板（第１の基
板）を薄くすることができる。前者によって充分な剛性
と保形性を確保し得るからである。

【００１２】基板の上面には直接又は適当なバッファ層
を介してＧａＮ系半導体層が形成される。

【００１３】バッファ層はＧａＮ系の半導体層の形成を
容易にするために用いられる。バッファ層の材料にはそ
の格子定数がＧａＮに近く、かつ結晶構造がＧａＮと同
じ六方晶のものが好ましい。例えば、ＡｌＮ等を含むバ
ッファ層を用いることができ、ＧａＮを含むものであっ
てもよい。また、バッファ層は単層であっても、複数の
バッファ層を積層してもよい。

【００１４】バッファ層は必須ではないが、バッファ層
を用いた場合にはより高品質の結晶構造を有するＧａＮ
系の半導体層を形成することができるという利点があ
る。このようなバッファ層は有機金属化合物気相成長法
（以下、「ＭＯＶＰＥ法」という。）により形成され
る。

【００１５】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Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ（０≦Ｘ
≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。例えば発
光素子では、周知のように、ＧａＮ系の半導体素子から
なる発光層が異なる導電型のＧａＮ系半導体層（クラッ
ド層）で挟まれる構成の量子井戸構造やダブルヘテロ構
造等が採用されている。又、ＦＥＴ等の電子デバイスを
ＧａＮ系の半導体で形成することもできる。

【００１６】各ＧａＮ系の半導体層はＭＯＶＰＥ法、分
子線結晶成長法（ＭＢＥ法）等により、直接基板上に又
は基板上に形成されたバッファ層上に順次形成される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態として
実施例を図面に従って説明する。

【００１８】

【実施例１】この実施例は、発光ダイオード１０であ
り、その構成を図１に示す。

【００１９】各半導体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１６：ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ（0.3μm）発光層１５：超格子構造量子井戸層：Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ（3.5nm）バリア層：ＧａＮ（3.5nm）量子井戸とバリア層の繰り返し数：１〜１０ｎクラッド層１４：ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ（3μm）バッファ層１３：ＡｌＮ（50nm）第１の基板１２：Ｔａ₂Ｎ（100μｍ）第２の基板１１：Ｓｉ（300μm）

【００２０】第１の基板１２はスッパタリングにより第
２の基板１１上に成膜する。バッファ層１３はＭＯＶＰ
Ｅ法により第１の基板１２の上に積層する。

【００２１】ｎクラッド層１４は発光層１５側の低電子
濃度ｎ^-層とバッファ層１３側の高電子層度ｎ⁺層とから
なる２層構造とすることができる。発光層１５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１５とｐクラッド層１６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キャップの広いＡ
ｌ_XＧａ_YＩｎ_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１
５の中に注入された電子がｐクラッド層１６に拡散する
のを防止するためである。ｐクラッド層１６を発光層１
５側の低ホール濃度ｐ−層と電極１７側の高ホールｐ＋
側とからなる２層構造とすることができる。

【００２２】バッファ層の上の各半導体層は周知のＭＯ
ＣＶＤ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３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。透光性
電極１７は金を含む薄膜であり、ｐクラッド層１６の上
面の実質的な全面を覆って積層される。ｐ電極１９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１
７の上に形成される。ｎ電極１８は、蒸着により第２の
基板１１へ取り付けられる。

【００２３】

【実施例２】この実施例は、発光ダイオード２０であ
り、その構成を図２に示す。なお、図１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。この発光ダイ
オード２０は図１の発光ダイオード１０から第２の基板
１１が除去されたものである。但し、基板側のオーミッ
クコンタクトに問題がなければ基板１１を除去する必要
はない。当該第２の基板１１を除去する方法にはエッチ
ングを用いたが、これに限定されるものではない。ま
た、第２の基板１１の除去のタイミングはこの実施例で
は第１の基板１２の形成直後としたが、この除去のタイ
ミングも特に限定されるものではない。この実施例のよ
うに第２の基板１１が除去されるタイプでは、第２の基
板１１の材料の選択の幅が広がる。即ち、第２の基板１
１として絶縁性の材料（例えば、酸化物、窒化物、硫化
物、ホウ化物等）を用いることもできる。

【００２４】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１６：ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ（0.3μm）発光層１５：超格子構造量子井戸層：Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ（3.5nm）バリア層：ＧａＮ（3.5nm）量子井戸とバリア層の繰り返し数：１〜１０ｎクラッド層１４：ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ（3μm）バッファ層１３：ＡｌＮ（50nm）第１の基板１２：Ｔａ₂Ｎ（100μｍ）

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】以下、次の事項を開示する。（２０）導電性窒素化合物（ＧａＮ系の半導体を除
く）を含む基板を用意し、前記基板の上にＧａＮ系の半
導体層を形成する、ことを特徴とする半導体素子の製造
方法。（２１）前記導電性窒素化合物を含む基板と前記半導
体層との間にバッファ層を形成する、ことを特徴とする
（２０）に記載の半導体素子の製造方法。

【００２８】（２２）前記導電性窒素化合物は窒化ニ
オブ、窒化タンタル、窒化バナジウム、窒化タングステ
ン及び窒化マンガンから選ばれる１種又は２種以上の化
合物である、ことを特徴とする（２０）又は（２１）に
記載の半導体素子の製造方法。（２３）前記バッファ層はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）である、こと
を特徴とする（２０）乃至（２２）のいずれかに記載の
半導体素子の製造方法。

【００２９】（２４）補助基板の上に導電性窒素化合
物（ＧａＮ系の半導体を除く）を含む基板層を形成する
行程、該基板層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する行
程、及び前記補助基板を除去する行程、を含んでなる半
導体素子の製造方法。（２５）前記半導体素子は発光素子、受光素子又は電
子デバイスである、ことを特徴とする（２０）乃至（２
４）のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。

【００３０】（４０）導電性の基板を用意し、前記基
板の上に導電性窒素化合物（ＧａＮ系の半導体を除く）
を含む層を形成し、その後、前記導電性窒素化合物を含
む層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する、ことを特徴
とする半導体素子の製造方法。（４１）前記導電性窒素化合物を含む基板と前記半導
体層との間にバッファ層を形成する、ことを特徴とする
（４０）に記載の半導体素子の製造方法。

【００３１】（４２）前記導電性窒素化合物は窒化ニ
オブ、窒化タンタル、窒化バナジウム、窒化タングステ
ン及び窒化マンガンから選ばれる１種又は２種以上の化
合物である、ことを特徴とする（４０）又は（４１）に
記載の半導体素子の製造方法。（４３）前記バッファ層はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）である、こと
を特徴とする（４０）乃至（４２）のいずれかに記載の
半導体素子の製造方法。（４４）前記半導体素子は発光素子、受光素子又は電
子デバイスである、ことを特徴とする（４０）乃至（４
３）のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。

【００３２】（５０）導電性窒素化合物（ＧａＮ系の
半導体を除く）を含む基板を用意し、前記基板の上にＧ
ａＮ系の半導体層を形成する、ことを特徴とする積層体
の製造方法。（５１）前記導電性窒素化合物を含む基板と前記半導
体層との間にバッファ層を形成する、ことを特徴とする
（５０）に記載の積層体の製造方法。（５２）前記導電性窒素化合物は窒化ニオブ、窒化タ
ンタル、窒化バナジウム、窒化タングステン及び窒化マ
ンガンから選ばれる１種又は２種以上の化合物である、
ことを特徴とする（５０）又は（５１）に記載の積層体
の製造方法。（５３）前記バッファ層はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）である、こと
を特徴とする（５０）乃至（５２）のいずれかに記載の
積層体の製造方法。

【００３３】（６０）補助基板の上に導電性窒素化合
物（ＧａＮ系の半導体を除く）を含む基板層を形成する
行程、該基板層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する行
程、及び前記補助基板を除去する行程、を含んでなる積
層体の製造方法。

【００３４】（７０）導電性の基板を用意し、前記基
板の上に導電性窒素化合物（ＧａＮ系の半導体を除く）
を含む層を形成し、その後、前記導電性窒素化合物を含
む層の上にＧａＮ系の半導体層を形成する、ことを特徴
とする積層体の製造方法。

【００３５】（７１）前記導電性窒素化合物を含む基
板と前記半導体層との間にバッファ層を形成する、こと
を特徴とする（７０）に記載の積層体の製造方法。（７２）前記導電性窒素化合物は窒化ニオブ、窒化タ
ンタル、窒化バナジウム、窒化タングステン及び窒化マ
ンガンから選ばれる１種又は２種以上の化合物である、
ことを特徴とする（７０）又は（７１）に記載の積層体
の製造方法。（７３）前記バッファ層はＧａＮ又はＡｌＮを含んで
なる、ことを特徴とする（７０）乃至（７２）のいずれ
かに記載の積層体の製造方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の実施例１の発光ダイオードを
示す図である。

【図２】図２はこの発明の実施例２の発光ダイオードを
示す図である。

【符号の説明】

１０、２０半導体発光素子１１第２の基板１２第１の基板１４、１５、１６ＧａＮ系の半導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者千代敏明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)発明者野杁静代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

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性窒素化合物（ＧａＮ系の半導体を
除く）を含む基板と、ＧａＮ系の半導体層と、を備えて
なる半導体素子。
【請求項２】前記基板と前記半導体層との間に設けら
れるバッファ層をさらに備えてなる請求項１に記載の半
導体素子。
【請求項３】前記基板において前記半導体層が設けら
れる面の反対側の面に導電性の材料からなる第２の基板
が設けられる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載
の半導体素子。
【請求項４】前記導電性窒素化合物は窒化ニオブ、窒
化タンタル、窒化バナジウム、窒化タングステン及び窒
化マンガンから選ばれる１種又は２種以上の化合物であ
る、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
の半導体素子。
【請求項５】前記バッファ層はＡｌxＧａyＩｎ1-x-y
Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）である、こ
とを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導
体素子。
【請求項６】前記半導体素子は発光素子、受光素子又
は電子デバイスである、ことを特徴とする請求項１乃至
５のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項７】導電性窒素化合物（ＧａＮ系の半導体を
除く）を含む基板と、ＧａＮ系の半導体層と、を備えて
なる積層体。
【請求項８】前記基板と前記半導体層との間に設けら
れるバッファ層をさらに備えてなる請求項７に記載の積
層体。
【請求項９】前記基板において前記半導体層が設けら
れる面の反対側の面に導電性の材料からなる第２の基板
が設けられる、ことを特徴とする請求項７又は８に記載
の積層体。
【請求項１０】前記導電性窒素化合物は窒化ニオブ、
窒化タンタル、窒化バナジウム、窒化タングステン及び
窒化マンガンから選ばれる１種又は２種以上の化合物で
あることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載
の積層体。
【請求項１１】前記バッファ層はＡｌxＧａyＩｎ1-x-
yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）である、
ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の
積層体。