JP4864435B2

JP4864435B2 - 化合物半導体積層構造体、化合物半導体素子およびランプ

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Publication number: JP4864435B2
Application number: JP2005345578A
Authority: JP
Inventors: 道哉小田原; 隆宇田川
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Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: JP2006186338A

Description

本発明は、結晶基板と、その上に形成された燐化硼素（ＢＰ）系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたIII族窒化物半導体層とを含む化合物半導体積層構造体、化合物半導体素子およびランプに関する。

従来から、立方晶閃亜鉛鉱（ｓｐｈａｒｅｌｉｔｅ）結晶型の燐化硼素（ＢＰ）は、青色帯光などの短波長の可視光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）等を構成するためのIII−Ｖ族化合物半導体材料として利用されている（例えば特許文献１参照）。また、発光素子用途の積層構造体を構成するための緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層として利用されている（例えば特許文献２参照）。また、発光素子を構成するためのオーミック（Ｏｈｍｉｃ）接触性電極を設けるためのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層として利用されている（例えば特許文献３参照）。
特開平２−２８８３８８号公報特開平３−８７０１９号公報特開平３−３４５３７号公報

あるいはまた、燐化硼素と、ウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型のIII族窒化物半導体とのヘテロ（異種）接合体は、発光層として利用されている。例えば、ｐ形燐化硼素とｎ形窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）とのヘテロ接合体から、青色帯光を放射するレーザダイオード(ＬＤ)の発光層を構成する技術例が開示されている（例えば特許文献４参照）。
特開平４−３４５３６号公報

しかし、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物半導体層は、単量体の燐化硼素等の硼素（元素記号：Ｂ）と燐（元素記号：Ｐ）とを主たる構成元素として含む燐化硼素系半導体層上に容易には形成できないという問題点を有している。これは、III族窒化物半導体層を形成するために使用するするアンモニア（分子式：ＮＨ₃）等の窒素（元素記号：Ｎ）源との化学的反応に因り、下地層としての燐化硼素系半導体層が、窒化物層に変質してしまうからである。変質した燐化硼素系半導体層の表面は凹凸の激しいものとなり、それを下地層とした場合は平坦なIII族窒化物半導体層を堆積することは出来ない。このため、化合物半導体素子を構成するのに好適な、表面の平坦性に優れる半導体層からなる化合物半導体積層構造体を安定して得るのは困難となっている。

本発明は上記に鑑み提案されたもので、下地層としての燐化硼素系半導体層が窒素源により変質するのを防止して、表面の平坦性に優れた半導体層を積層させることができ、所望の特性を備えた化合物半導体積層構造体、化合物半導体素子およびランプを提供することを目的とする。

１）上記目的を達成するために、第１の発明は、結晶基板と、その上に形成された燐化硼素（ＢＰ）系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたガリウム（Ｇａ）を含むIII族窒化物半導体層とを含む化合物半導体積層構造体において、上記燐化硼素系半導体層と上記III族窒化物半導体層との中間に、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）と燐（Ｐ）とを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる第１の中間層が設けられている、ことを特徴としている。

２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成に加えて、上記第１の中間層は、燐化アルミニウム・ガリウム（組成式：Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＰ（０＜Ｙ＜１））から構成されている、ことを特徴としている。

３）第３の発明は、上記した１）項または２）項に記載の発明の構成に加えて、上記第１の中間層と上記III族窒化物半導体層との中間に、そのIII族窒化物半導体層を構成するIII族元素を含むIII族窒化物半導体からなる第２の中間層が設けられている、ことを特徴としている。

４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れか１項に記載の発明の構成に加えて、上記燐化硼素系半導体層は、III族構成元素として硼素を５０％以上の組成比率で含み、Ｖ族構成元素として燐を５０％以上の組成比率で含む、ことを特徴としている。

５）第５の発明は、化合物半導体素子であって、上記した１）項から４）項の何れか１項に記載の化合物半導体積層構造体を利用して構成されている、ことを特徴としている。

６）第６の発明は、ランプであって、上記した５）項に記載の化合物半導体積層構造体を用いて構成されている、ことを特徴としている。

本発明によれば、燐化硼素系半導体層上に、第１の中間層を介在させて、III族窒化物半導体層を堆積することとしたので、III族窒化物半導体層の成長時においても燐化硼素系半導体層の変質が防止され、従って、所望する本来の化学的性質と電気的性質とを維持した燐化硼素系半導体層を備えた化合物半導体積層構造体を提供できる。

特に、第１の中間層をガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）、燐（Ｐ）を含む、例えば、Ａｌ_YＧａ_1-YＰ（０＜Ｙ＜１）から構成する場合、燐化硼素系半導体層の変質が効率的に回避され、良質の燐化硼素系半導体層を利用して、表面平坦性が良好な化合物半導体積層構造体を提供することができる。

また、本発明によれば、燐化硼素系半導体層上に設けた第１の中間層上に、さらに第２の中間層を配置し、その第２の中間層にIII族窒化物半導体層を堆積する積層構成としたので、III族窒化物半導体層の成長時における燐化硼素系半導体層の変質はより一層防止され、平坦で且つ連続性のあるIII族窒化物半導体層を安定して成長させることができ、従って、平坦性と連続性とに優れるIII族窒化物半導体層を備えた化合物半導体積層構造体を提供することができる。

また、本発明によれば、変質の無い燐化硼素系半導体層と、平坦性及び連続性とに優れるIII族窒化物半導体層とを備えた化合物半導体積層構造体を用いて、化合物半導体素子を構成することとしたので、例えば、Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＮ（０≦Ｚ≦１）層を含む発光層を備えた短波長ＬＥＤにあって、特に、発光強度等の光学的特性に優れ、且つ局所的な耐圧不良の無い電気的特性にも優れるＬＥＤを提供することができる。

本発明の化合物半導体積層構造体は、結晶基板と、その上に形成された燐化硼素（ＢＰ）系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたIII族窒化物半導体層とを含み、燐化硼素系半導体層とIII族窒化物半導体層との中間に、そのIII族窒化物半導体層を構成するIII族元素と燐（Ｐ）とを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる第１の中間層が設けられている。

上記の燐化硼素系半導体層は、この上に堆積させる第１の中間層を設ける効果を顕著に発揮させる点を考慮すると、III族構成元素として硼素を５０％以上の組成比率で含み、Ｖ族構成元素として燐を５０％以上の組成比率で含むのが望ましい。また、４元混晶等の多元混晶に比較して形成するのが容易な、構成元素の種類を３種以下とする２元あるいは３元混晶であるのが望ましい。例えば、単量体の燐化硼素（ＢＰ）、燐化硼素・ガリウム（組成式Ｂ_QＧａ_1-QＰ（Ｑ≧０．５））、燐化硼素・アルミニウム（組成式Ｂ_QＡｌ_1-QＰ（Ｑ≧０．５））を例示できる。

上記の第１の中間層は、下層の燐化硼素系半導体層がIII族窒化物半導体層を成長させるために使用する窒素源に因り変質しない材料から構成する。特に、窒素源との接触に因り、窒化物を形成しないIII―Ｖ族化合物半導体材料から構成するのが好適である。第１の中間層を容易に窒化される材料から構成すると、窒素源が燐化硼素系半導体層に浸透するため、燐化硼素系半導体層の変質、特に、Ｖ族構成元素が窒素に置換されることに因る変質を確実に回避するのに至らない。この状況から、第１の中間層は、高温環境下において、窒素に置換され易い砒素（元素記号：Ａｓ）ではなく、より置換され難い燐（Ｐ）をＶ族構成元素として含むIII−Ｖ族化合物半導体から構成するのが好適である。

また、第１の中間層は、上記の理由から燐（Ｐ）をＶ族構成元素として含み、且つ、その上に堆積するIII族窒化物半導体層をなすIII族構成元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体材料から構成するのが好適である。III族窒化物半導体層をなすIII族構成元素を含む第１の中間層は、III族窒化物半導体層の成長を促す「成長核」を提供できるため、III族窒化物半導体層を効率良く成長させるのに貢献できる。例えば、第１の中間層上に窒化ガリウム（ＧａＮ）層を堆積する積層構成にあって、第１の中間層は燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成するのが好適である。

また、第１の中間層を、アルミニウム（Ａｌ）を含むIII−Ｖ族化合物半導体材料から構成すると、燐化硼素系半導体層との密着性に優れる第１の中間層を得るのに好適となる。例えば、上層として窒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_QＧａ_1-QＮ（０≦Ｑ≦１））層を設けるのに際し、燐化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（０＜Ｙ＜１））を用いると、下層の燐化硼素系半導体層との密着性に優れ、且つ、上層としてのＡｌ_QＧａ_1-QＮ（０≦Ｑ≦１））層の成長を促進できる第１の中間層を構成できる。

上記の説明では、燐化硼素系半導体層とIII族窒化物半導体層との中間に、第１の中間層を設けるようにしたが、本発明ではさらに、第１の中間層とIII族窒化物半導体層との中間に、第２の中間層を設けるように構成してもよい。

この第２の中間層は、III族窒化物半導体層を構成するIII族元素を含むIII族窒化物半導体層から好適に構成でき、III族窒化物半導体層の成長を促進させる機能を有している。例えば、III族窒化物半導体層として窒化燐化ガリウム（組成式ＧａＮ_1-QＰ_Q（０≦Ｑ＜１））層を堆積する場合において、第２の中間層は窒化ガリウム（ＧａＮ）から好適に構成できる。第２の中間層に含まれる、窒素（Ｎ）、およびIII族窒化物半導体層と同種のIII族構成元素は、III族窒化物半導体層の成長を誘引し、促進する「成長核」としての役目を担う。

なお、以下の説明で第１の中間層とともに第２の中間層についても述べていくが、本発明の化合物半導体積層構造体において、第１の中間層は必ず形成され、第２の中間層は第１の中間層上に適宜形成されるものである。

上記の第１及び第２の中間層は、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法、ハロゲン（ｈｏｌｏｇｅｎ）気相エピタキシャル（ＶＰＥ）法、ハイドライド（水素化物）ＶＰＥ法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法等の気相成長手段により形成する。揮発性の高い燐（Ｐ）の蒸発を抑制しつつ、第１の中間層をなすIII−Ｖ族化合物半導体層を形成するのには、高真空中で成長を実施するＭＢＥ法よりもＭＯＣＶＤ法、ハロゲンＶＰＥ法、ハイドライドＶＰＥ法が適する。また、III族構成元素としてアルミニウム（Ａｌ）を含む第１または第２の中間層を形成するのには、適度な蒸気圧を有する有機アルミニウム化合物をアルミニウム源として利用できるＭＯＣＶＤ法が適する。また、ＭＯＣＶＤ法によれば、アンモニア（ＮＨ₃）あるいはヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）類を窒素源としてIII族窒化物半導体層を気相成長させることができる。従って、燐化硼素系半導体層、第１の中間層、第２の中間層、及びIII族窒化物半導体層を気相成長させるのに汎用的に適用できるＭＯＣＶＤ手段は、それらを備えた化合物半導体積層構造体を簡便に構成するのに利便である。

常圧（略大気圧）あるいは減圧ＭＯＣＶＤ法により、例えば、Ａｌ_QＧａ_1-QＮ（０≦Ｑ≦１））層からなるIII族窒化物半導体層を形成するのには、例えば、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ｇａ）やトリエチルガリウム（分子式：（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ）等をガリウム（Ｇａ）の原料（Ｇａ源）として利用する。この様な脂肪族炭化水素基を付加した有機ガリウム化合物はガリウム（Ｇａ）源として好適に利用できる。また、トリメチルアルミニウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ａｌ）やトリイソブチルアルミニウム（分子式：（ｉ−Ｃ₄Ｈ₉）₃Ａｌ）などの有機金属（ＭＯ）化合物をアルミニウム（Ａｌ）の原料（Ａｌ源）として使用する。トリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）は、アルミニウム（Ａｌ）を含む第１または第２の中間層、あるいはそれらの中間層の上に設けるIII族窒化物半導体層を形成する際のアルミニウム源として好適である。

窒素源としては、アンモニア（分子式：ＮＨ₃）、ヒドラジン（分子式：Ｎ₂Ｈ₄）等を使用できる。熱分解する温度がより低い非対称型分子構造のジメチルヒドラジン（分子式：（ＣＨ₃）₂Ｈ₂Ｎ₂）類もIII族窒化物半導体層を成長させるための窒素（Ｎ）源として使用できる。第１の中間層は、この様な窒素源と燐化硼素系半導体層とが直接接触するのを防止するのに効果的に作用する。

ＬＥＤあるいはＬＤ等の化合物発光素子用途の積層構造体を得る場合、第１及び第２の中間層の伝導形、並びにそれらの何れかの中間層上に設けるIII族窒化物半導体層の伝導形は、燐化硼素系半導体層と同一とするのが望ましい。燐化硼素系半導体層を、導電性で低抵抗の半導体結晶基板上に設ける場合、燐化硼素系半導体層の伝導形は、半導体結晶基板の伝導形と同一とするのが望ましい。第１及び第２の中間層、並びにIII族窒化物半導体層の伝導形は、例えばＭＯＣＶＤ法により、それらの層を気相成長させる際に、II族、IV族あるいはVI族元素を不純物として添加して制御する。

ｐ形の第１の中間層を得るための不純物としては、II族元素のベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）が望ましい。ｎ形の第１の中間層を得るための不純物としては、IV族の珪素（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、VI族のセレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）が望ましい。

ｐ形の第２の中間層及びｐ形のIII族窒化物半導体層を得るための不純物としてＢｅやＭｇを例示できる。また、ｎ形の第２の中間層及びｎ形のIII族窒化物半導体層を得るための不純物として、ＳｉやＧｅを例示できる。イオン注入法により、カルシウム（Ｃａ）やＳｉ、Ｇｅを注入してｐ形またはｎ形の第２の中間層またはIII族窒化物半導体層を形成する技術手段もあるが、例えば、ＭＯＣＶＤ法による気相成長時にｐ形またはｎ形不純物をドーピングする手段によれば、より簡便にｐ形またはｎ形の第２の中間層またはIII族窒化物半導体層が得られて利便である。

受光素子、例えばｐｉｎ型フォトダイオ−ド（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ；ＰＤ）用途の化合物半導体積層構造体を構成する場合にあっては、第１及び第２の中間層は、必ずしも低抵抗のｐ形またはｎ形導電層とする必要は無い。また、ＰＤ用途の場合、燐化硼素系半導体層と、第１及び第２の中間層並びにIII族窒化物半導体層とで伝導型を同一とする必要はない。一例を挙げれば、ｎ形の燐化硼素系半導体層と、その上に堆積したπ形またはν形と称される高抵抗の第１の中間層と、その上に堆積したｐ形III族窒化物半導体層とを用いてｐｉｎ用途の化合物半導体積層構造体を構成する。ＰＤ用途の高抵抗である、例えば第１の中間層は不純物を故意に添加しない、所謂アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）で、高純度であるのが好ましい。アンドープで高抵抗の第１の中間層は、例えばＭＯＣＶＤ法でそれを気相成長させる際に、気相成長を行う領域へ供給するIII族構成元素の原料とＶ族構成元素の原料との比率を、高抵抗層が得られる様に調節した上で成長させるのが好都合である。

２次元電子電界効果型トランジスタ（ＴＥＧＦＥＴ）用途の化合物半導体積層構造体は、例えば高抵抗の燐化硼素系半導体層、その上に同じく高抵抗の第１の中間層、その上に電子走行層として例えば電子移動度の大きなｎ形のＧａ_ZＩｎ_1-ZＮ（０≦Ｚ≦１）層を、順次堆積して化合物半導体積層構造体を構成する。また、例えば高抵抗の燐化硼素系半導体層、その上に高抵抗の第１の中間層、高抵抗の第１の中間層上に高抵抗の第２の中間層、その上に電子走行層として例えば電子移動度の大きなｎ形のＧａ_ZＩｎ_1-ZＮ（０≦Ｚ≦１）層を、順次堆積して構成する。電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）用途とする高抵抗の第１または第２の中間層は、アンドープ層から構成されていても構わない。また、電子と正孔が互いに電気的に補償（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ）される様に、上記のｐ形不純物とｎ形不純物とをドーピングして形成されていても良い。

第１の中間層は、燐化硼素系半導体層の表面を間隙無く、一様に被覆できる層厚を有するのが望ましい。望ましくは、１ナノメータ（ｎｍ）以上で、更に好ましくは２ｎｍ以上である。また、第１の中間層上に、第２の中間層またはIII族窒化物半導体層を成長させるための温度（成長温度）が高温である程、第１の中間層の層厚を大とするのが好ましい。高温では、III族窒化物半導体層を成長させるために用いる窒素源の熱分解がより顕著に起こり、放出される窒素（Ｎ）は第１の中間層の内部へより深く拡散する。このため、上記の成長温度が高温である程、第１の中間層を厚くして、下層の燐化硼素系半導体層へ侵入する窒素原子の量を低下させるのが好ましい。

例えば、成長温度を１，０００℃〜１，１５０℃として、第１の中間層に直接、接合させて窒化ガリウム（ＧａＮ）層を成長させる場合、第１の中間層の層厚は最大で２５０ｎｍとするのが好ましい。２５０ｎｍを超えて厚くすると、表面の平坦性に優れる第１の中間層を安定して得るのが困難となる。また、例えば、第１の中間層上に、３５０℃〜６５０℃程度の低温で第２の中間層を設ける場合、第１の中間層は、最大で５０ｎｍとするのが好適である。第１の中間層の層厚は、既知の成長速度を与える成長条件下において、成長時間を調節して制御できる。また、第１の中間層の実際の層厚は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを利用して測長できる。

第２の中間層は、第１の中間層の表面を間隙無く、一様に被覆できる層厚を有するのが望ましい。望ましくは、１ナノメータ（ｎｍ）以上で、更に好ましくは２ｎｍ以上である。第２の中間層は、その上にIII族窒化物半導体層を成長させるための温度を高温とする程、層厚を大とするのが好ましい。高温では、III族窒化物半導体層を成長させるために用いる窒素源の熱分解に因り放出される窒素（Ｎ）が第１の中間層の内部へ拡散する度合いがより顕著となる。このため、III族窒化物半導体層の成長温度を高温とする程、第２の中間層を厚くして、第１の中間層を介してより下層の燐化硼素系半導体層へ侵入する窒素原子の量を低下させるのが好ましい。例えば、第２の中間層上に、１，１００℃の高温でＧａＮ層を積層させる場合、第２の中間層の層厚は２０ｎｍ以上で１００ｎｍ以下とするのが好適である。

第２の中間層を、より低温で成長させると第１の中間層の熱的変質を回避するのに有効となる。例えば、３５０℃〜６５０℃程度の低温で第２の中間層を第１の中間層上に堆積することにより、第１の中間層からのＶ族構成元素の燐（Ｐ）揮散がより良く抑制される。従って、第１の中間層の化学量論的組成を維持できる。また、第２の中間層を低温で成長させれば、第２の中間層を構成する窒素（Ｎ）の第１の中間層への侵入をより良く抑制できる。このため、第１の中間層を介して、下層の燐化硼素系半導体層に浸透する窒素（Ｎ）を減少でき、燐化硼素系半導体層が窒化物層へと変質するのをより確実に回避できる。

第１や第２の中間層を設けることにより、変質が防止された燐化硼素系半導体層を備えた積層構造体を利用すれば、特性の優れる化合物半導体素子を構成できる。例えば、第１または第２の中間層上に、ＧａＮ系III族窒化物半導体から成る発光層を含む発光部を備えた積層構造体からは、短波長可視光あるいは紫外帯光を発する化合物半導体発光素子を構成できる。発光層は、放射再結合効率の高い直接遷移型の例えば、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＮ（０≦Ｚ≦１））から構成するのが好適である。

本発明の化合物半導体発光素子は高発光強度であるため、特定の蛍光物質と組み合わせることにより、照明器具等に適した白色ランプを提供することが可能となる。

（第１実施例）珪素単結晶（シリコン）基板上に、本発明に係わる第１の中間層を設けて化合物半導体積層構造体（以下「積層構造体」という）を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。

図１は第１実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。積層構造体１０は、リン（Ｐ）が添加されたｎ形の珪素単結晶を基板１００として用いて形成した。基板１００の（１１１）表面上には、層厚を約７００ｎｍとし、キャリア濃度を約８×１０²⁰ｃｍ^-3とする、アンドープでｎ形の燐化硼素・ガリウム（組成式Ｂ_0.98Ｇａ_0.02Ｐ）混晶層１０１を燐化硼素系半導体層として堆積した。燐化硼素・ガリウム混晶層１０１は、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ｇａ）をガリウム（Ｇａ）源とし、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）を硼素（Ｂ）源とし、ホスフィン（分子式：ＰＨ₃）を燐（Ｐ）源とする常圧（略大気圧）ＭＯＣＶＤ法により、９００℃で成長させた。

燐化硼素・ガリウム混晶層１０１上には、ＭＯＣＶＤ手段により、珪素（Ｓｉ）を添加したｎ形の燐化アルミニウム・ガリウム（組成式：Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｐ）から成る第１の中間層１０２を設けた。第１の中間層１０２の層厚は約１５ｎｍとし、キャリア濃度は、約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。第１の中間層１０２は、（ＣＨ₃）₃Ｇａ及びＰＨ₃に加え、トリメチルアルミニウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ａｌ）をアルミニウム（Ａｌ）源として、７５０℃で成長させた。

第１の中間層１０２上には、層厚を約１．５ｎｍとするＳｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム（組成式：Ｇａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ）混晶層１０３ａと、層厚を約１．５ｎｍとするＳｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム（組成式：Ｇａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎ）混晶層１０３ｂとを、交互に５周期積層させた超格子構造層１０３をIII族窒化物半導体層として設けた。これらの窒化ガリウム・インジウム混晶層１０３ａ、１０３ｂは、（ＣＨ₃）₃Ｇａに加え、トリメチルインジウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）をインジウム（Ｉｎ）源とし、アンモニア（分子式：ＮＨ₃）を窒素（Ｎ）源として用いて、常圧ＭＯＣＶＤ法により、上記の第１の中間層１０２と同じく７５０℃で成長させた。ＳＩＭＳ分析によれば、多量の窒素原子が燐化硼素・ガリウム混晶層１０１へ拡散している状況は認められず、第１の中間層１０２を設けることにより、超格子構造層１０３を成長させる際の窒素源に因る燐化硼素・ガリウム混晶層１０１の変質が防止されていることが示唆された。また、ＧａＩｎＮ系超格子構造層１０３は、第１の中間層１０２を介して設けたために連続膜となった。

超格子構造層１０３には、それとヘテロ（異種）接合させて、層厚を約１５ｎｍとし、キャリア濃度を約１×１０¹⁹ｃｍ^-3とする、アンドープでｐ形の燐化硼素・アルミニウム（組成式：Ｂ_0.99Ａｌ_0.01Ｐ）混晶層１０４を設けた。燐化硼素・アルミニウム混晶層１０４は、（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ、（ＣＨ₃）₃Ａｌ、及びＰＨ₃を原料とする常圧ＭＯＣＶＤ法により１０２５℃で成長させた。

これより、Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎからなる第１の中間層１０２を備えつつ、Ｂ_0.98Ｇａ_0.02Ｐからなる燐化硼素・ガリウム混晶層１０１をｎ形下部クラッド層とし、ＧａＩｎＮ系超格子構造層１０３をｎ形発光層とし、Ｂ_0.99Ａｌ_0.01Ｐからなる燐化硼素・アルミニウム混晶層１０４をｐ形上部クラッド層として備えたｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光素子用途の積層構造体１０を形成した。

（第２実施例）上記の第１実施例の積層構造体１０を使用して、化合物半導体素子としての窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。

図２は第２実施例のＬＥＤの断面構造を模式的に示す図である。このＬＥＤ１Ａは第１実施例の積層構造体１０を使用して形成されている。すなわち、積層構造体１０の、ｎ形の珪素単結晶からなる基板１００の裏面の略全面に、一般的な真空蒸着法を利用して、金（Ａｕ）膜を被着し、ｎ形オーミック電極１０６を形成した。ｎ形オーミック電極１０６をなす金膜の膜厚は約２０００ｎｍとした。

また積層構造体１０の最表層をなす燐化硼素・アルミニウム混晶層１０４の表面には、ニッケル（Ｎｉ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金膜１０７ａを、一般的な電子ビーム蒸着法により形成した。次に、膜厚を約１００ｎｍとするＮｉ・Ｚｎ合金膜１０７ａに重ねて、Ａｕ膜１０７ｂを被着させ、合計の膜厚を約１５００ｎｍとする金属膜とした。次に公知のフォトリソグラフィー技術を利用して、金属膜にパターニング加工を及ぼし、燐化硼素・アルミニウム混晶層１０４の表面の中央部の平面領域に限り、平面視円形状に金属膜を残存させて、ｐ形オーミック電極１０７を形成した。その後、積層構造体１０を個別の素子（チップ）に裁断し、ＧａＩｎＮ系超格子構造層１０３をｎ形発光層とするｐｎ接合型ＤＨ構造のＬＥＤ１Ａを作製した。

ｎ形及びｐ形オーミック電極１０６、１０７間に２０ｍＡの順方向電流を通流した際に、ＬＥＤ１Ａからは、波長を約４５０ｎｍとする青色帯光が放射された。また、ＬＥＤ１Ａは、第１の中間層を用いることにより形成された平坦性と連続性に優れるIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層１０３の発光層を備えているため、一般的な積分球を利用して測定した、樹脂でモールドする以前の状態での発光強度は約５ミリワット（ｍＷ）に達した。更に、局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌｂｒｅａｋｄｏｗｎ）も無く、順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．３Ｖの低値となった。また、逆方向電流を１０マイクロアンペア（μＡ）とした際の逆方向電圧は８Ｖの高値となった。従って、本発明の第１中間層を設けることに依り、発光強度が大きく、しかも低消費電力で電気的耐圧の高い青色ＬＥＤが提供されることとなった。

（比較例）一方、比較例として、第１の中間層を備えず、他は上記第１実施例と略同一の積層構造体から、第２実施例と同様の電極構成を備えたＬＥＤを作製した。即ち、上記第１実施例と同じｎ形の珪素単結晶を基板とし、その上に燐化硼素・ガリウム（組成式Ｂ_0.98Ｇａ_0.02Ｐ）混晶層、ＧａＩｎＮ系超格子構造層、燐化硼素・アルミニウム（Ｂ_0.99Ａｌ_0.01Ｐ）混晶層を積層させてなるｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の積層構造体を用いてＬＥＤを作製した。上記第２実施例のＬＥＤ１Ａと通電電流等も同一の条件下で測定した結果、本発明に係る第１の中間層が備えられていない比較例のＬＥＤの発光強度は約３．９ミリワット（ｍＷ）、順方向電圧は３．４Ｖ、逆方向電圧は６．８Ｖであった。従って、発光強度及び逆方向電圧共に、本発明に係る第１の中間層を備えた第２実施例のＬＥＤ１Ａに比較して劣るものとなった。

（第３実施例）炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基板上に、本発明に係わる第１及び第２の中間層を設けて積層構造体を構成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。

図３は第３実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。積層構造体２０を形成するのにあたり、基板２００には、窒素（Ｎ）を添加したｎ形の６Ｈ結晶型ＳｉＣ単結晶を用いた。基板２００の（０００１）表面上には、層厚を約２４０ｎｍとし、キャリア濃度を約２×１０²⁰ｃｍ^-3とする、アンドープでｎ形の燐化硼素（ＢＰ）層２０１を燐化硼素系半導体層として堆積した。ｎ形燐化硼素層２０１は、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）を硼素（Ｂ）源とし、ホスフィン（分子式：ＰＨ₃）を燐（Ｐ）源とする常圧（略大気圧）ＭＯＣＶＤ手段により、８５０℃で成長させた。

ｎ形燐化硼素層２０１上には、ＭＯＣＶＤ手段により、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したｎ形の燐化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｐ）から成る第１の中間層２０２を設けた。第１の中間層２０２の層厚は約５ｎｍとし、キャリア濃度は、約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。第１の中間層２０２は、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ｇａ）をガリウム（Ｇａ）源とし、トリメチルアルミニウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ａｌ）をアルミニウム（Ａｌ）源とし、ホスフィン（分子式：ＰＨ₃）を燐（Ｐ）源として、７２０℃で成長させた。

第１の中間層２０２上には、層厚を約５ｎｍとするＧｅドープｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（組成式：Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ）から成る第２の中間層２０５を設けた。第２の中間層２０５のＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層のキャリア濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3に設定した。第２の中間層２０５は、（ＣＨ₃）₃Ｇａ、（ＣＨ₃）₃Ａｌ、及び窒素（Ｎ）源としてアンモニア（分子式：ＮＨ₃）を用いて、常圧ＭＯＣＶＤ法により、８５０℃で成長させた。

第２の中間層２０５上には、上記の第１実施例と同様に、層厚を約１．５ｎｍとするＳｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム（組成式：Ｇａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ）混晶層２０３ａと、層厚を約１．５ｎｍとするＳｉドープｎ形窒化ガリウム・インジウム（組成式：Ｇａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎ）混晶層２０３ｂとを、交互に５周期積層させた超格子構造層２０３をIII族窒化物半導体層として設けた。これらの窒化ガリウム・インジウム混晶層２０３ａ、２０３ｂは、（ＣＨ₃）₃Ｇａ、（ＣＨ₃）₃Ｉｎ及びＮＨ₃を用いた常圧ＭＯＣＶＤ法により、上記の第２の中間層２０５の場合より低温の７２０℃で成長させた。第２の中間層２０５を介して成長させたため、何れの窒化ガリウム・インジウム系混晶層２０３ａ、２０３ｂも表面の平坦性に優れるものとなった。

超格子構造層２０３には、それとヘテロ（異種）接合させて、層厚を約１０ｎｍとし、キャリア濃度を約２×１０¹⁹ｃｍ^-3とする、アンドープでｐ形の燐化硼素（ＢＰ）層２０４を設けた。ｐ形燐化硼素層２０４は、（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ及びＰＨ₃を原料とする常圧ＭＯＣＶＤ法により１０２５℃で成長させた。

これより、Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎからなる第１の中間層２０２と、Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる第２の中間層２０５とを備えつつ、ｎ形燐化硼素層２０１を下部クラッド層とし、ＧａＩｎＮ系超格子構造層２０３をｎ形発光層とし、ｐ形燐化硼素層２０４を上部クラッド層として備えたｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光素子用途の積層構造体２０を形成した。

（第４実施例）上記の第２実施例の場合と同様にして、第３実施例の積層構造体２０を使用し、化合物半導体素子としての窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造した。

図４は第４実施例のＬＥＤの断面構造を模式的に示す図である。このＬＥＤ２Ａは第３実施例の積層構造体２０を使用して形成されている。すなわち、積層構造体２０の、ｎ形の６Ｈ結晶型ＳｉＣ単結晶からなる基板２００の裏面の略全面に、一般的な真空蒸着法を利用して、ニッケル（Ｎｉ）膜を被着し、ｎ形オーミック電極２０６を形成した。ｎ形オーミック電極２０６をなすニッケル膜の膜厚は約２０００ｎｍとした。

また積層構造体２０の最表層をなすｐ形燐化硼素層２０４の表面には、ニッケル（Ｎｉ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金膜２０７ａを、一般的な電子ビーム蒸着法により形成した。次に、膜厚を約１００ｎｍとするＮｉ・Ｚｎ合金膜２０７ａに重ねて、Ａｕ膜２０７ｂを被着させ、合計の膜厚を約１５００ｎｍとする金属膜とした。次に公知のフォトリソグラフィー技術を利用して、金属膜にパターニング加工を及ぼし、ｐ形燐化硼素層２０４の表面の中央部の平面領域に限り、平面視円形状に金属膜を残存させて、ｐ形オーミック電極２０７を形成した。その後、積層構造体２０を個別の素子（チップ）に裁断し、ＧａＩｎＮ系超格子構造層２０３をｎ形発光層とするｐｎ接合型ＤＨ構造のＬＥＤ２Ａを作製した。

ｎ形及びｐ形オーミック電極２０６、２０７間に２０ｍＡの順方向電流を通流した際に、ＬＥＤ２Ａからは、波長を約４５０ｎｍとする青色帯光が放射された。一般的な積分球を利用して測定した、樹脂でモールドする以前の状態での発光強度は約８ミリワット（ｍＷ）に達した。ＬＥＤ２Ａは、第１の中間層に加え、第２の中間層を用いることにより形成された更に平坦性と連続性に優れるIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層２０３の発光層を備えているため、第２実施例に記載のＬＥＤ１Ａに比較してより高い発光強度を呈した。また、局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌｂｒｅａｋｄｏｗｎ）も無く、順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．３Ｖの低値となった。また、逆方向電流を１０マイクロアンペア（μＡ）とした際の逆方向電圧は、第２実施例のＬＥＤ１Ａよりも更に高く、１０Ｖとなった。これは、第１の中間層２０２に加えて第２の中間層２０５を設けることにより、燐化硼素系半導体層２０１の変質が防止されると共に、平坦性に優れる連続膜から成る超格子構造層２０３の発光層が形成されたことに起因していると考慮された。従って、発光強度が大きく、しかも低消費電力で電気的耐圧の高い青色ＬＥＤが提供されることとなった。

第１実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。第２実施例のＬＥＤの断面構造を模式的に示す図である。第３実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。第４実施例のＬＥＤの断面構造を模式的に示す図である。

符号の説明

１０積層構造体
１００基板
１０１燐化硼素・ガリウム混晶層
１０２第１の中間層
１０３超格子構造層
１０３ａ窒化ガリウム・インジウム混晶層
１０３ｂ窒化ガリウム・インジウム混晶層
１０４燐化硼素・アルミニウム混晶層
１０６ｎ形オーミック電極
１０７ｐ形オーミック電極
１０７ａＮｉ・Ｚｎ合金膜
１０７ｂＡｕ膜
２０積層構造体
２００基板
２０１ｎ形燐化硼素層
２０２第１の中間層
２０３超格子構造層
２０３ａ窒化ガリウム・インジウム混晶層
２０３ａ窒化ガリウム・インジウム系混晶層
２０４ｐ形燐化硼素層
２０５第２の中間層
２０６ｎ形オーミック電極
２０７ｐ形オーミック電極
２０７ａＮｉ・Ｚｎ合金膜
２０７ｂＡｕ膜

Claims

結晶基板と、その上に形成された燐化硼素（ＢＰ）系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたガリウム（Ｇａ）を含むIII族窒化物半導体層とを含む化合物半導体積層構造体において、
上記燐化硼素系半導体層と上記III族窒化物半導体層との中間に、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）と燐（Ｐ）とを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる第１の中間層が設けられている、
ことを特徴とする化合物半導体積層構造体。
上記第１の中間層は、燐化アルミニウム・ガリウム（組成式：Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＰ（０＜Ｙ＜１））から構成されている、請求項１に記載の化合物半導体積層構造体。
上記第１の中間層と上記III族窒化物半導体層との中間に、そのIII族窒化物半導体層を構成するIII族元素を含むIII族窒化物半導体からなる第２の中間層が設けられている、請求項１または２に記載の化合物半導体積層構造体。
上記燐化硼素系半導体層は、III族構成元素として硼素を５０％以上の組成比率で含み、Ｖ族構成元素として燐を５０％以上の組成比率で含む、請求項１乃至３の何れか１項に記載の化合物半導体積層構造体。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の化合物半導体積層構造体を利用して構成されている、ことを特徴とする化合物半導体素子。
請求項５に記載の化合物半導体素子を用いて構成されている、ことを特徴とするランプ。