JP2000294829A - 半導体積層構造とそれを備えた半導体素子及び結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ｎ型不純物濃度を増加させた場合においても
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の表面平坦性や結晶性
を損なうことが無く、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体
層を有する発光素子や電子走行素子を高性能化、高信頼
化することができる半導体積層構造とそれを備えた半導
体素子及び結晶成長方法を提供する。 【解決手段】 アンドープもしくはｎ型の不純物が添加
された窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の半導
体層１上に、第１の半導体層１より高濃度のｎ型の不純
物が添加された窒化ガリウム系化合物半導体からなる第
２の半導体層３を形成してなる半導体積層構造におい
て、これら第１の半導体層１と第２の半導体層３との間
に、不純物濃度が第１の半導体層１から第２の半導体層
３まで連続的に変化するｎ型の窒化ガリウム系化合物半
導体からなる第３の半導体層２を形成してなることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体積層構造と
それを備えた半導体素子及び結晶成長方法に関し、特
に、紫外領域〜黄色領域の光を発光する半導体素子等に
好適に用いられ、ｎ型の不純物濃度が増加した場合であ
っても、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面平坦性及
び結晶性を損なうことなく、半導体素子の高性能化、高
信頼化を可能とする半導体積層構造とそれを備えた半導
体素子及び結晶成長方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、優れた紫外、青色、青緑色、緑
色、黄色の高効率発光素子の材料として、Ａｌ_xＧａ
_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される窒
化ガリウム系化合物半導体が注目されている。高効率発
光素子は概ね１０ｌｍ／ｗ以上の発光効率を有するもの
で、ＩｎＧａＮ系材料を用いた発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ：Light-Emitting Diode）等が知られている。高効率
発光素子では、少なくともｐ型窒化ガリウム系化合物半
導体とｎ型窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構
造が用いられており、この積層構造ではｐｎ接合部が発
光領域とされている。

【０００３】窒化ガリウム系化合物半導体はバンドギャ
ップが広いため、耐環境電子走行素子材料としても非常
に有用である。電子走行素子には、少なくともｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体からなる積層構造が用いられて
いる。この窒化ガリウム系化合物半導体を用いて高効率
発光素子や電子走行素子を作製する場合には、所望の半
導体層にｎ型の不純物を添加して導電性を付与した後、
この半導体上に電極を形成する。この半導体層の低抵抗
化、すなわち素子の低抵抗化は、動作電圧を低下させる
という効果をもたらすために好ましいといえる。 素子
の低抵抗化は、窒化ガリウム系化合物半導体を低抵抗化
したり、電極の接触抵抗を低下させることにより実現す
ることかできる。

【０００４】これまでに、窒化ガリウム系化合物半導体
を用いた発光素子の低抵抗化を実現するには、ｐ型窒化
ガリウム系化合物半導体の抵抗率及びｐ型電極の接触抵
抗が高いことが問題とされており、これらを小さくする
ために様々な方法が提案されている（例えば、特開平６
−３１４８２２号公報参照）。例えば、サファイア基板
上のダブルヘテロ構造を発光層としたＬＥＤでは、サフ
ァイア基板の同一面上にｎ型電極及びｐ型電極が形成さ
れているために、電流の流れる最も長い経路がｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体とされている。したがって、ｐ
型のみならずｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の抵抗率
及びｎ型電極の接触抵抗を下げることは、ＬＥＤの動作
電圧を下げるのに非常に効果的である。

【０００５】電気的接触抵抗は、ｎ型電極とｎ型窒化ガ
リウム系化合物半導体との界面に生じる電気的障壁によ
り生じる。この電気的障壁の高さを低下させるために
は、適切な電極材料を選択することによってもある程度
は実現することができるが、電極と直接接触する窒化ガ
リウム系化合物半導体のｎ型不純物濃度を高くすること
が最も効果的な方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ｎ型の窒化ガリウム系
化合物半導体を形成するには、一般に、窒化ガリウム系
化合物半導体の成長中にｎ型不純物を添加する方法が採
られている。この窒化ガリウム系化合物半導体では、ｎ
型不純物濃度が増加するのに伴い、表面平坦性及び結晶
性が悪化することが知られている。

【０００７】半導体では、ｎ型不純物濃度が増加するの
に伴い導電率が高くなるのが一般的であるが、窒化ガリ
ウム系化合物半導体の場合では、ｎ型不純物濃度を単純
に増加していくと、半導体結晶中の格子欠陥が多く発生
することにより導電率が飽和してしまい、所望の高導電
率が得られないという問題点がある。発光素子の場合に
は、表面平坦性及び結晶性の悪化が特性に及ぼす影響が
小さくない。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体を用
いた発光素子では、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体と
窒化ガリウム系化合物半導体との界面の悪化や電極の付
着力の低下をもたらし、素子の寿命や発光特性に悪影響
を及ぼす。また、電子走行素子の場合には、電子移動度
の低下や電極の付着力の低下をもたらし、素子の信頼性
や電気的特性に悪影響を及ぼす。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、ｎ型不純物濃度を増加させた場合において
もｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の表面平坦性や結晶
性を損なうことが無く、その結果、ｎ型窒化ガリウム系
化合物半導体層を有する発光素子や電子走行素子を高性
能化、高信頼化することができる半導体積層構造とそれ
を備えた半導体素子及び結晶成長方法を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
を行った結果、結晶性が良好でありかつ高いｎ型不純物
濃度（ａ）のＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１）の窒化ガリウム系化合物半導体を得るには、
結晶性が良好でありかつ低いｎ型不純物濃度（ｂ；ｂ＜
ａ）のＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１）の窒化ガリウム系化合物半導体上に、ｎ型不純物濃
度をｂからａまで連続的に変化させたＡｌ_xＧａ_1-x-yＩ
ｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の窒化ガリウム系化
合物半導体中間層を成長した後に、ｎ型不純物濃度がａ
のＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）
の窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長する方法が極
めて効果的であることが解った。そして、この方法によ
り上述した問題点を解決することができることを見出
し、本発明に至った。

【００１０】すなわち、本発明の請求項１記載の半導体
積層構造は、アンドープもしくはｎ型不純物が添加され
た窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の半導体層
上に、該第１の半導体層より高濃度のｎ型不純物が添加
された窒化ガリウム系化合物半導体からなる第２の半導
体層を形成してなる半導体積層構造において、これら第
１の半導体層と第２の半導体層との間に、不純物濃度が
前記第１の半導体層から前記第２の半導体層まで連続的
に変化するｎ型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第
３の半導体層を形成してなることを特徴としている。

【００１１】請求項２記載の半導体積層構造は、請求項
１記載の半導体積層構造において、前記第３の半導体層
の不純物濃度は、直線状、曲線状、階段状のいずれかの
パターン、またはこれらを２つ以上組み合わせたパター
ンで変化してなることを特徴としている。

【００１２】請求項３記載の半導体積層構造は、請求項
１または２記載の半導体積層構造において、前記第３の
半導体層の不純物濃度の変化量は、該第３の半導体層の
膜厚１μｍに対して１００倍以下であることを特徴とし
ている。

【００１３】請求項４記載の半導体積層構造は、請求項
１、２または３記載の半導体積層構造において、前記窒
化ガリウム系化合物半導体はＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であることを特徴としてい
る。

【００１４】請求項５記載の半導体積層構造は、請求項
１ないし４のいずれか１項記載の半導体積層構造におい
て、前記第２の半導体層上に、単一量子井戸層または多
重量子井戸層が形成されていることを特徴としている。

【００１５】請求項６記載の半導体素子は、請求項１な
いし５のいずれか１項記載の半導体積層構造を備えてい
ることを特徴としている。

【００１６】請求項７記載の結晶成長方法は、ｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体層を成長する結晶成長方法にお
いて、少なくともｎ型の不純物を含む反応ガスの供給量
を経時的に変化させることにより、成長するｎ型窒化ガ
リウム系化合物半導体層の不純物濃度を膜厚方向に連続
的に変化させることを特徴としている。

【００１７】請求項８記載の結晶成長方法は、請求項７
記載の結晶成長方法において、前記反応ガスの供給量
を、直線状、曲線状、階段状のいずれかのパターン、ま
たはこれらを２つ以上組み合わせたパターンで変化させ
ることにより、成長するｎ型の窒化ガリウム系化合物半
導体層の不純物濃度を膜厚方向に直線状、曲線状、階段
状のいずれかのパターン、またはこれらを２つ以上組み
合わせたパターンで変化させることを特徴としている。

【００１８】請求項９記載の結晶成長方法は、請求項７
記載の結晶成長方法において、前記ｎ型窒化ガリウム系
化合物半導体層を成長した後、少なくとも１種の反応ガ
スの供給量を周期的に変化させることにより、組成が膜
厚方向に周期的に変化する窒化ガリウム系化合物半導体
からなる単一量子井戸層または多重量子井戸層を成長す
ることを特徴としている。

【００１９】本発明の請求項１記載の半導体積層構造で
は、第１の半導体層と第２の半導体層との間に、不純物
濃度が前記第１の半導体層から前記第２の半導体層まで
連続的に変化するｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から
なる第３の半導体層を形成したことにより、この第３の
半導体層が不純物の濃度差に起因する膜厚方向の格子定
数の違いを圧縮応力もしくは引張り応力として吸収し、
許容される格子整合条件が緩和される。

【００２０】これにより、第１の半導体層と第２の半導
体層との間の不純物の濃度差が第３の半導体層により緩
和され、第２の半導体層に格子欠陥等が発生するのを抑
制する。その結果、この第３の半導体層上に成長する第
２の半導体層の結晶性が良好なものとなる。

【００２１】以上により、ｎ型の不純物濃度を増加させ
た場合においても、第３の半導体層が第１の半導体層と
第２の半導体層との間の不純物の濃度差を緩和し、格子
欠陥等の発生を抑制するので、第２の半導体層の結晶性
が向上することとなる。さらに、この第２の半導体層上
に発光素子や電子走行素子等の半導体素子を形成した場
合、この半導体素子の結晶性が向上するので、半導体素
子の高性能化、高信頼化を図ることが可能になる。

【００２２】第１の半導体層を構成する窒化ガリウム系
化合物半導体としては、Ａｌ_xＧａ_{1 -x-y}Ｉｎ_yＮ（０≦
ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が好ましい。また、この第１の半
導体層に添加するｎ型の不純物としては、ｎ型半導体と
なる元素であればよく特に限定する必要は無いが、例え
ば、ＩＶ族元素であるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が好ましい。

【００２３】第１の半導体層の不純物濃度は、１×１０
¹⁸ｃｍ^-3以下であることが好ましく、より好ましくはｎ
型の不純物を添加しないアンドープの窒化ガリウム系化
合物半導体である。不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3を越
えるとこの第１の半導体層の結晶性が低下する虞があ
り、この第１の半導体層上に成長する第３及び第２の半
導体層の結晶性も低下する虞があるからである。この第
１の半導体層の膜厚は、特に限定する必要は無いが、基
板上に成長したものであれば２μｍ以上であることが好
ましい。なぜならば、膜厚が２μｍ以下であると結晶性
が不十分な場合があるからである。

【００２４】第２の半導体層を構成する窒化ガリウム系
化合物半導体としては、第１の半導体層と同様の材料組
成であるＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１）が好ましい。また、この第２の半導体層に添加す
るｎ型の不純物は、第１の半導体層に添加するｎ型の不
純物と同一であることが好ましく、例えば、ＩＶ族元素
であるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が好適である。

【００２５】第２の半導体層の不純物濃度は、第１の半
導体層の不純物濃度より高く、かつ１×１０²¹ｃｍ^-3以
下の範囲が好ましく、より好ましくは１×１０¹⁹ｃｍ^-3
以上かつ１×１０²⁰ｃｍ^-3以下である。この第２の半導
体層上に金属電極を設けることにより、良好なオーミッ
ク特性を得ることが可能である。

【００２６】第３の半導体層を構成する窒化ガリウム系
化合物半導体としては、第１及び第２の半導体層と同様
の材料組成であるＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１）が好ましい。また、この第３の半導体
層に添加するｎ型の不純物は、第１及び第２の半導体層
に添加するｎ型の不純物と同一であることが好ましく、
例えば、ＩＶ族元素であるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が好適で
ある。

【００２７】第３の半導体層の不純物濃度は、第１の半
導体層と接する側の不純物濃度を該第１の半導体層の不
純物濃度と同一もしくはそれ以上の濃度とし、第２の半
導体層と接する側の不純物濃度を該第２の半導体層の不
純物濃度まで連続的に変化させる。第１の半導体層がア
ンドープの場合、第１の半導体層と接する側の第３の半
導体層の不純物濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とすること
が望ましい。その理由は、この不純物濃度が１×１０¹⁷
ｃｍ^-3を越えると表面平坦性が損なわれるからである。

【００２８】第３の半導体層の不純物濃度の連続的な変
化は、そのパターンを特に限定する必要は無いが、例え
ば、直線状、曲線状、階段状のいずれかのパターン、ま
たはこれらを２つ以上組み合わせたパターン等が挙げら
れる。不純物濃度が直線状または曲線状に変化する場
合、第３の半導体層の不純物濃度の変化量は、その膜厚
１μｍに対して１００倍以下が好ましく、より好ましく
はその膜厚１μｍに対して１０倍以下である。その理由
は、不純物濃度の変化の大きさが膜厚１μｍに対して１
００倍を越えると、該第３の半導体層上に成長する第２
の半導体層の結晶性が低下するからである。

【００２９】不純物濃度が階段状に変化する場合、段数
は３段階以上が好ましく、より好ましくは５段階以上、
さらに好ましくは１０段階以上である。段数が３段階よ
り少ない場合、該第３の半導体層上に成長する第２の半
導体層の結晶性が低下する虞があるからである。階段状
に変化する場合の第３の半導体層の一段階当たりの不純
物濃度の変化量は、その膜厚１μｍに対して１００倍以
下、すなわち前段の１０倍以下が好ましく、より好まし
くは前段の５倍以下である。

【００３０】請求項５記載の半導体積層構造では、第２
の半導体層上に、単一量子井戸層または多重量子井戸層
を形成したことにより、この量子井戸層は表面平坦性及
び結晶性の良好な第２の半導体層上に形成されることと
なり、量子井戸層の結晶性が大幅に向上する。これによ
り、この量子井戸層を活性層とした発光素子等の半導体
素子が高性能化、高信頼化する。

【００３１】請求項６記載の半導体素子では、請求項１
ないし５のいずれか１項記載の半導体積層構造を備えた
ことにより、半導体素子を構成する半導体層の表面平坦
性及び結晶性が優れたものとなり、この半導体積層構造
を備えた窒化ガリウム系化合物半導体素子が高性能化、
高信頼化する。

【００３２】請求項７記載の結晶成長方法では、ｎ型の
不純物を含む反応ガスの供給量を経時的に変化させるこ
とにより、成長するｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
の不純物濃度を膜厚方向に連続的に変化させるので、ｎ
型の不純物濃度を増加させた場合においても、結晶性の
低下する虞の無いｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層が
成長する。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の半導体積層構造とそれを
備えた半導体素子及び結晶成長方法の各実施形態につい
て図面に基づき説明する。 ［第１の実施形態］図１は本発明の第１の実施形態のＧ
ａＮ系化合物半導体を用いた半導体積層構造を示す断面
図であり、アンドープもしくはｎ型ＧａＮ系化合物半導
体からなる第１の半導体層１上に、ＧａＮ系化合物半導
体からなる第３の半導体層２及び第２の半導体層３が順
次積層されている。

【００３４】第１の半導体層１は、アンドープもしくは
ｎ型の不純物が添加されたＧａＮ系化合物半導体のＡｌ
_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ結晶（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）に
より構成されている。第２の半導体層３は、第１の半導
体層１より高濃度のｎ型の不純物が添加されたｎ型Ｇａ
Ｎ系化合物半導体のＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ結晶（０≦
ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により構成されている。

【００３５】第３の半導体層２は、ｎ型不純物濃度が第
１の半導体層１の不純物濃度から第２の半導体層３の不
純物濃度まで連続的に変化しているｎ型ＧａＮ系化合物
半導体のＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ結晶（０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１）により構成されている。

【００３６】この半導体積層構造を成膜するには、有機
金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー
法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ
法）、昇華法、液相成長法等により、サファイア基板の
Ｃ面上に、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ _yＮ（０≦ｘ≦１、０≦
ｙ≦１）からなる第２の半導体層３を成長する。

【００３７】次いで、ｎ型の不純物を含む反応ガス、例
えばＳｉＨ₄の供給量を経時的に変化させ、ｎ型不純物
濃度が膜厚方向に連続的に変化するＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ
_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第３の半導体
層２を成長する。次いで、第１の半導体層１より高いｎ
型不純物濃度のＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１）からなる第２の半導体層３を成長する。

【００３８】ここで、第２の半導体層３の成長中に不純
物を添加しなければ、アンドープの第２の半導体層３を
得ることができ、成長中にｎ型不純物を添加すれば、ｎ
型の第２の半導体層３を得ることができる。また、第２
の半導体層３としては、上述した成長層の他、単結晶を
用いることもできる。この単結晶は、ＨＶＰＥ法により
基板上に厚膜の単結晶を成長させ、その後基板を取り除
くことで作製することができる。

【００３９】次に、この半導体積層構造の実施例及び比
較例について図面に基づき説明する。 「実施例１」有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によ
り、図２に示す半導体積層構造を成膜した。まず、反応
炉内に洗浄したＣ面のサファイア基板１１を設置し、キ
ャリアガスとしてＨ₂ガスを流しなから基板温度を１１
００℃としてサファイア基板１１のサーマルクリーニン
グを行った。次いで、基板温度を１０８０℃とし、反応
炉内にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びＮＨ₃を供給
し、サファイア基板１１のＣ面上に膜厚が２μｍのアン
ドープＧａＮ層１２を成長した。

【００４０】次いで、基板温度１０８０℃で、反応ガス
としてＴＭＧ及びＮＨ₃を供給すると共に、ｎ型ドーパ
ントガスとしてＨ₂ガスで１０ｐｐｍの濃度に希釈され
たモノシラン（ＳｉＨ₄）の供給量を経時的に直線状に
変化させることにより、図２に示すように、膜厚方向の
Ｓｉの濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3ま
で直線状に変化した膜厚２μｍのｎ−ＧａＮ層１３を成
長した。

【００４１】次いで、基板温度１０８０℃で、反応ガス
としてＴＭＧ、ＮＨ₃及びＳｉＨ₄を供給することによ
り、ｎ−ＧａＮ層１３上に、Ｓｉの濃度が１×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3で膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮ層１４を成長した。そ
の後、二結晶Ｘ線回折法によりｎ−ＧａＮ層１４の（０
００４）面からの回折ピ一クのロッキングカーブの半値
幅（ＦＷＨＭ：full width at half-maximum）の測定を
行った。ＦＷＨＭは小さいほど結晶性がよい。その結
果、ロッキングカーブのＦＷＨＭは２５０ａｒｃｓｅｃ
という狭い値を得た。また、フォトリソグラフィーによ
りｎ−ＧａＮ層１４上にオ一ミック電極を形成し、電送
線路モデル法（ＴＬＭ法）を用いて該オーミック電極の
接触抵抗を測定したところ、５．０×１０^-7Ωｃｍ²と
いう小さな値を得た。

【００４２】「実施例２」ＭＯＣＶＤ法により、図３に
示す半導体積層構造を成膜した。まず、反応炉内に洗浄
したＣ面のサファイア基板１１を設置し、キャリアガス
としてＨ₂ガスを流しなから基板温度を１１００℃とし
てサファイア基板１１のサーマルクリーニングを行っ
た。次いで、基板温度を１０８０℃とし、反応炉内にＴ
ＭＧ及びＮＨ₃を供給しつつ、サファイア基板１１のＣ
面上に膜厚が２μｍのアンドープＧａＮ層１２を成長し
た。

【００４３】次いで、基板温度１０８０℃で、反応ガス
としてＴＭＧ及びＮＨ₃を供給すると共に、ｎ型ドーパ
ントガスとしてＨ₂ガスで１０ｐｐｍの濃度に希釈され
たＳｉＨ₄の供給量を経時的に曲線状に変化させること
により、図３に示すように、膜厚方向のＳｉの濃度が１
×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3まで曲線的に変化
した膜厚２μｍのｎ−ＧａＮ層２１を成長した。

【００４４】次いで、基板温度１０８０℃で、反応ガス
としてＴＭＧ、ＮＨ₃及びＳｉＨ₄を供給することによ
り、ｎ−ＧａＮ層２１上に、Ｓｉの濃度が１×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3で膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮ層１４を成長した。そ
の後、二結晶Ｘ線回折法によりｎ−ＧａＮ層１４の（０
００４）面からの回折ピ一クのロッキングカーブのＦＷ
ＨＭの測定を行ったところ、２５０ａｒｃｓｅｃという
狭い値を得た。また、フォトリソグラフィーによりｎ−
ＧａＮ層１４上にオ一ミック電極を形成し、ＴＬＭ法を
用いて該オーミック電極の接触抵抗を測定したところ、
５．０×１０^-7Ωｃｍ²という小さな値を得た。

【００４５】「実施例３」ＭＯＣＶＤ法により、図４に
示す半導体積層構造を成膜した。まず、反応炉内に洗浄
したＣ面のサファイア基板１１を設置し、キャリアガス
としてＨ₂ガスを流しなから基板温度を１１００℃とし
てサファイア基板１１のサーマルクリーニングを行っ
た。次いで、基板温度を１０８０℃として、反応炉内に
ＴＭＧ及びＮＨ₃を供給しつつ、サファイア基板１１の
Ｃ面上に膜厚が２μｍのアンドープＧａＮ層１２を成長
した。

【００４６】次いで、基板温度１０８０℃で、反応ガス
としてＴＭＧ及びＮＨ₃を供給すると共に、ｎ型ドーパ
ントガスとしてＨ₂ガスで１０ｐｐｍの濃度に希釈され
たＳｉＨ₄の供給量を経時的に階段状に変化させること
により、図４に示すように、膜厚方向のＳｉの濃度が１
×１０¹⁷ｃｍ^-3、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、１×１０¹⁸ｃ
ｍ ^-3、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、１×１０¹⁹ｃｍ^-3と５段階で
階段状に変化した膜厚２μｍのｎ−ＧａＮ層２２を成長
した。

【００４７】次いで、基板温度１０８０℃で、反応ガス
としてＴＭＧ、ＮＨ₃及びＳｉＨ₄を供給することによ
り、ｎ−ＧａＮ層２２上に、Ｓｉの濃度が１×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3で膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮ層１４を成長した。そ
の後、二結晶Ｘ線回折法によりｎ−ＧａＮ層１４の（０
００４）面からの回折ピ一クのロッキングカーブのＦＷ
ＨＭの測定を行ったところ、２５０ａｒｃｓｅｃという
狭い値を得た。また、フォトリソグラフィーによりｎ−
ＧａＮ層１４上にオ一ミック電極を形成し、ＴＬＭ法を
用いて該オーミック電極の接触抵抗を測定したところ、
５．０×１０^-7Ωｃｍ²という小さな値を得た。

【００４８】「比較例１」上記実施例１〜３と同様の方
法により、サファイア基板１１のＣ面上に、アンドープ
ＧａＮ層１２及びｎ−ＧａＮ層１４を順次成長した。そ
の後、二結晶Ｘ線回折法によりｎ−ＧａＮ層１４の（０
００４）面からの回折ピ一クのロッキングカーブのＦＷ
ＨＭの測定を行ったところ、３５０ａｒｃｓｅｃという
値であった。また、フォトリソグラフィーによりｎ−Ｇ
ａＮ層１４上にオ一ミック電極を形成し、ＴＬＭ法を用
いて該オーミック電極の接触抵抗を測定したところ、
５．０×１０^-5Ωｃｍ²という値であった。

【００４９】本実施形態の半導体積層構造によれば、ア
ンドープもしくはｎ型ＧａＮ系化合物半導体からなる第
１の半導体層１と、第１の半導体層１より高いｎ型不純
物濃度のＧａＮ系化合物半導体からなる第２の半導体層
３との間に、不純物濃度が第１の半導体層１の不純物濃
度から第２の半導体層３の不純物濃度まで連続的に変化
したＧａＮ系化合物半導体からなる第３の半導体層２を
形成したので、第２の半導体層３に格子欠陥等が発生す
るのを抑制することができ、この第３の半導体層２上に
成長する第２の半導体層３の結晶性を向上させることが
できる。

【００５０】また、この第２の半導体層３上に発光素子
や電子走行素子等の半導体素子を形成すれば、この半導
体素子を構成する半導体結晶層の結晶性を向上させるこ
とができ、半導体素子の高性能化、高信頼化を図ること
ができる。

【００５１】本実施形態の結晶成長方法によれば、第２
の半導体層３上に、ｎ型の不純物を含む反応ガスの供給
量を経時的に変化させることにより、ｎ型不純物濃度が
膜厚方向に連続的に変化する第３の半導体層２を成長す
るので、ｎ型の不純物濃度を増加させた場合においても
結晶性の低下する虞の無いｎ型ＧａＮ系化合物半導体か
らなる第３の半導体層２を成長することができる。

【００５２】［第２の実施形態］図５は本発明の第２の
実施形態のＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体積層構
造を示す断面図であり、本実施形態の半導体積層構造が
上述した第１の実施形態の半導体積層構造と異なる点
は、第１の実施形態の半導体積層構造が第１の半導体層
１上に第３の半導体層２及び第２の半導体層３を順次積
層した構成であるのに対し、本実施形態の半導体積層構
造は第１の半導体層１上に第３の半導体層２及び第２の
半導体層３を順次積層し、この第２の半導体層３上にア
ンドープＧａ _1-yＩｎ_yＮ井戸層３１（０≦ｙ≦１）と、
アンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮ井戸層３１と組成の異なるア
ンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮバリア層３２（０≦ｙ≦１）が
繰り返された３周期の多重量子井戸層３３を積層し、さ
らに、この多重量子井戸層３３上にｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
クラッド層３４（０≦ｘ≦１）及びｐ−ＧａＮコンタク
ト層３５を積層した点である。

【００５３】この半導体積層構造を成膜するには、ＭＯ
ＣＶＤ法等により、第１の半導体層１〜第２の半導体層
３を順次積層した後、該第２の半導体層３上に、アンド
ープＧａ_1-yＩｎ_yＮ井戸層３１を成長し、その後少なく
とも１種の反応ガスの供給量を増減させることにより前
記アンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮ井戸層３１と組成が異なる
アンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮバリア層３２を成長するとい
う操作を繰り返し、３周期の多重量子井戸層３３を積層
する。次いで、この多重量子井戸層３３上に、ｐ−Ａｌ
_xＧａ_1-xＮクラッド層３４、ｐ−ＧａＮコンタクト層３
５を順次積層する。

【００５４】次に、この半導体積層構造の実施例及び比
較例について図面に基づき説明する。 「実施例４」図６に示すように、上記実施例１と同様の
方法によりサファイア基板１１のＣ面上に、アンドープ
ＧａＮ層１２〜ｎ−ＧａＮ層１４を順次成長した。次い
で、基板温度を７４０℃とし、反応炉内にＴＭＧ、トリ
メチルインジウム（ＴＭＩ）及びＮＨ₃を供給し、ｎ−
ＧａＮ層１４上に膜厚が３ｎｍのアンドープＧａ_0.8Ｉ
ｎ_0.2Ｎ井戸層４１を成長した。

【００５５】次いで、基板温度７４０℃で、ＴＭＩの供
給量のみを減少させて膜厚が１０ｎｍのアンドープＧａ
_0.99Ｉｎ_0.01Ｎバリア層４２を成長した。この操作を繰
り返し、３周期の多重量子井戸層４３を成長した。次い
で、基板温度を１０８０℃とし、反応ガスとしてＴＭ
Ｇ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＮＨ₃及びｐ
型ドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシ
ウム（ＣＰ₂Ｍｇ）を供給し、Ｍｇの濃度が５．０×１
０¹⁹ｃｍ^-3で膜厚が５０ｎｍのｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ
クラッド層４４を成長した。

【００５６】次いで、基板温度１０８０℃で、反応ガス
としてＴＭＧ、ＮＨ₃及びＣＰ₂Ｍｇを供給し、Ｍｇの濃
度が１．０×１０²⁰ｃｍ^-3で膜厚が１００ｎｍのｐ−Ｇ
ａＮコンタクト層４５を成長した。次いで、図７に示す
ように、反応性イオンエッチング装置により、ｎ電極を
形成する領域をエッチングし、ｎ−ＧａＮ層１４を露出
させた。

【００５７】次いで、フォトリソグラフィーにより、ｐ
−ＧａＮコンタクト層４５上にｐ−電極４６を、露出し
たｎ−ＧａＮ層１４上にｎ−電極４７をそれぞれ形成
し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を得た。この発光ダイオ
ードの発光特性を観察したところ、波長４５０ｎｍの青
色発光を得た。このときの順方向電圧は２０ｍＡで４．
０Ｖであった。

【００５８】「実施例５」上記実施例２と同様の方法に
より、サファイア基板１１のＣ面上に、アンドープＧａ
Ｎ層１２〜ｎ−ＧａＮ層１４を順次成長した。次いで、
上記実施例４と同様の方法により、ｎ−ＧａＮ層１４上
に多重量子井戸層４３〜ｐ−ＧａＮコンタクト層４５を
成長し、その後ｐ−ＧａＮコンタクト層４５上にｐ−電
極４６を、露出したｎ−ＧａＮ層１４上にｎ−電極４７
をそれぞれ形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を得た。
この発光ダイオードの発光特性を観察したところ、波長
４５０ｎｍの青色発光を得た。このときの順方向電圧は
２０ｍＡで４．０Ｖであった。

【００５９】「実施例６」上記実施例３と同様の方法に
より、サファイア基板１１のＣ面上に、アンドープＧａ
Ｎ層１２〜ｎ−ＧａＮ層１４を順次成長した。次いで、
上記実施例４と同様の方法により、ｎ−ＧａＮ層１４上
に多重量子井戸層４３〜ｐ−ＧａＮコンタクト層４５を
成長し、その後ｐ−ＧａＮコンタクト層４５上にｐ−電
極４６を、露出したｎ−ＧａＮ層１４上にｎ−電極４７
をそれぞれ形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を得た。
この発光ダイオードの発光特性を観察したところ、波長
４５０ｎｍの青色発光を得た。このときの順方向電圧は
２０ｍＡで４．０Ｖであった。

【００６０】「比較例２」上記比較例１と同様の方法に
より、サファイア基板１１のＣ面上に、アンドープＧａ
Ｎ層１２及びｎ−ＧａＮ層１４を順次成長した。次い
で、上記実施例４と同様の方法により、ｎ−ＧａＮ層１
４上に多重量子井戸層４３〜ｐ−ＧａＮコンタクト層４
５を成長し、その後ｐ−ＧａＮコンタクト層４５上にｐ
−電極４６を、露出したｎ−ＧａＮ層１４上にｎ−電極
４７をそれぞれ形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）を得
た。

【００６１】この発光ダイオードの発光特性を観察した
ところ、波長４５０ｎｍの青色発光を得た。このときの
順方向電圧は２０ｍＡで６．０Ｖであった。また、表面
平坦性が良好でないため、ｐ−電極４６の剥離が発生
し、短時間で素子が発光しなくなる場合があった。

【００６２】本実施形態の半導体積層構造においても、
上述した第１の実施形態の半導体積層構造と同様の効果
を奏することができる。しかも、結晶性が大幅に向上し
た第２の半導体層３上に、アンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮ井
戸層３１とアンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮバリア層３２が繰
り返された３周期の多重量子井戸層３３を積層したの
で、量子井戸層の結晶性を大幅に向上させることがで
き、この量子井戸層を活性層とした発光素子等の半導体
素子を高性能化、高信頼化することができる。

【００６３】以上、本発明の各実施形態について図面に
基づき説明してきたが、具体的な構成は本実施形態に限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で設計の変更等が可能である。例えば、実施例１〜３で
は、ＧａＮ系化合物半導体としてＧａＮを用いたが、Ａ
ｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表
される組成であれば、いずれの組成でもよい。

【００６４】また、第２の実施形態では、多重量子井戸
層３３を、アンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮ井戸層３１とアン
ドープＧａ_1-yＩｎ_yＮバリア層３２が繰り返された３周
期の多重量子井戸としたが、５周期、１０周期、２０周
期等、周期数及び各層の組成は適宜変更可能である。

【００６５】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明の請求項１記
載の半導体積層構造によれば、第１の半導体層と第２の
半導体層との間に、不純物濃度が前記第１の半導体層か
ら前記第２の半導体層まで連続的に変化するｎ型の窒化
ガリウム系化合物半導体からなる第３の半導体層を形成
したので、第２の半導体層に格子欠陥等が発生するのを
抑制することができ、第２の半導体層の結晶性を向上さ
せることができる。したがって、ｎ型の不純物濃度を増
加させた場合においても、ｎ型窒化ガリウム系化合物半
導体の表面平坦性や結晶性を向上させることができる。

【００６６】請求項５記載の半導体積層構造によれば、
第２の半導体層上に、単一量子井戸層または多重量子井
戸層を形成したので、表面平坦性及び結晶性の良好な第
２の半導体層上に量子井戸層を形成することとなり、量
子井戸層の結晶性を大幅に向上させることができ、この
量子井戸層を活性層とした発光素子等の半導体素子を高
性能化、高信頼化することができる。

【００６７】請求項６記載の半導体素子によれば、請求
項１ないし５のいずれか１項記載の半導体積層構造を備
えたので、ｎ型不純物濃度を増加させた場合においても
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面平坦性や結晶
性を損なうことが無く、この半導体積層構造を適用した
窒化ガリウム系化合物半導体素子を高性能化、高信頼化
することができる。

【００６８】請求項７記載の結晶成長方法によれば、ｎ
型の不純物を含む反応ガスの供給量を経時的に変化させ
ることにより、成長するｎ型窒化ガリウム系化合物半導
体層の不純物濃度を膜厚方向に連続的に変化させるの
で、ｎ型の不純物濃度を増加させた場合においても結晶
性の低下する虞の無いｎ型窒化ガリウム系化合物半導体
層を成長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態のＧａＮ系化合物半
導体を用いた半導体積層構造を示す断面図である。

【図２】 本発明の実施例１のＧａＮ系化合物半導体を
用いた半導体積層構造を示す断面図である。

【図３】 本発明の実施例２のＧａＮ系化合物半導体を
用いた半導体積層構造を示す断面図である。

【図４】 本発明の実施例３のＧａＮ系化合物半導体を
用いた半導体積層構造を示す断面図である。

【図５】 本発明の第２の実施形態のＧａＮ系化合物半
導体を用いた半導体積層構造を示す断面図である。

【図６】 本発明の実施例４のＧａＮ系化合物半導体の
結晶成長方法を示す過程図である。

【図７】 本発明の実施例４のＧａＮ系化合物半導体の
結晶成長方法を示す過程図である。

【符号の説明】

１ 第１の半導体層 ２ 第３の半導体層 ３ 第２の半導体層 １１ サファイア基板 １２ アンドープＧａＮ層 １３ ｎ−ＧａＮ層 １４ ｎ−ＧａＮ層 ２１ ｎ−ＧａＮ層 ２２ ｎ−ＧａＮ層 ３１ アンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮ井戸層 ３２ アンドープＧａ_1-yＩｎ_yＮバリア層 ３３ 多重量子井戸層 ３４ ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層 ３５ ｐ−ＧａＮコンタクト層 ４１ アンドープＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎ井戸層 ４２ アンドープＧａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎバリア層 ４３ 多重量子井戸層 ４４ ｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層 ４５ ｐ−ＧａＮコンタクト層 ４６ ｐ−電極 ４７ ｎ−電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江川 孝志 愛知県名古屋市昭和区御器所町 名古屋工 業大学内 (72)発明者 梅野 正義 愛知県名古屋市昭和区御器所町 名古屋工 業大学内 (72)発明者 阿久津 仲男 東京都港区西新橋１丁目16番７号 日本酸 素株式会社内 (72)発明者 松本 功 東京都港区西新橋１丁目16番７号 日本酸 素株式会社内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 AA13 BA08 BA38 BB12 CA05 FA10 JA05 JA06 LA12 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA49 CA57 CA58 CA65 CA74 5F045 AA04 AB14 AB17 AB18 AC01 AC08 AC12 AC19 AD11 AD14 AF09 AF13 BB12 BB19 CA10 DA53 DA55 DA58 EB15 EE17 GB11 GB12

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アンドープもしくはｎ型不純物が添加さ
   れた窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の半導体
   層上に、該第１の半導体層より高濃度のｎ型不純物が添
   加された窒化ガリウム系化合物半導体からなる第２の半
   導体層を形成してなる半導体積層構造において、 これら第１の半導体層と第２の半導体層との間に、不純
   物濃度が前記第１の半導体層から前記第２の半導体層ま
   で連続的に変化するｎ型窒化ガリウム系化合物半導体か
   らなる第３の半導体層を形成してなることを特徴とする
   半導体積層構造。
2. 【請求項２】 前記第３の半導体層の不純物濃度は、直
   線状、曲線状、階段状のいずれかのパターン、またはこ
   れらを２つ以上組み合わせたパターンで変化してなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体積層構造。
3. 【請求項３】 前記第３の半導体層の不純物濃度の変化
   量は、該第３の半導体層の膜厚１μｍに対して１００倍
   以下であることを特徴とする請求項１または２記載の半
   導体積層構造。
4. 【請求項４】 前記窒化ガリウム系化合物半導体はＡｌ
   _xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体積
   層構造。
5. 【請求項５】 前記第２の半導体層上に、単一量子井戸
   層または多重量子井戸層が形成されていることを特徴と
   する請求項１ないし４のいずれか１項記載の半導体積層
   構造。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか１項記載の
   半導体積層構造を備えていることを特徴とする半導体素
   子。
7. 【請求項７】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を成
   長する結晶成長方法において、 少なくともｎ型の不純物を含む反応ガスの供給量を経時
   的に変化させることにより、成長するｎ型窒化ガリウム
   系化合物半導体層の不純物濃度を膜厚方向に連続的に変
   化させることを特徴とする結晶成長方法。
8. 【請求項８】 前記反応ガスの供給量を、直線状、曲線
   状、階段状のいずれかのパターン、またはこれらを２つ
   以上組み合わせたパターンで変化させることにより、成
   長するｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層の不純物濃
   度を膜厚方向に直線状、曲線状、階段状のいずれかのパ
   ターン、またはこれらを２つ以上組み合わせたパターン
   で変化させることを特徴とする請求項７記載の結晶成長
   方法。
9. 【請求項９】 前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
   を成長した後、 少なくとも１種の反応ガスの供給量を周期的に変化させ
   ることにより、組成が膜厚方向に周期的に変化する窒化
   ガリウム系化合物半導体からなる単一量子井戸層または
   多重量子井戸層を成長することを特徴とする請求項７記
   載の結晶成長方法。