半導体素子
【課題】珪素結晶基板上のＩＩＩ族窒化物半導体層を用いて半導体素子を構成するに際し、結晶性及び表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から半導体素子を構成できるようにする。
【解決手段】珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子において、炭化珪素層は立方晶で格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、組成がＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦α＜１、Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素である。）とする。
【解決手段】珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子において、炭化珪素層は立方晶で格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、組成がＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦α＜１、Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素である。）とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、珪素単結晶を基板と、その基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層を備えた積層構造を使用して構成される半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などは、従来から、ＩＩＩ族窒化物半導体として知られている。これらのＩＩＩ族窒化物半導体材料は、青色或いは緑色等の短波長の可視光を発する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザーダイオード（英略称：ＬＤ）等の半導体発光素子を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照。）。また、高周波トランジスタ等の電子デバイスを構成するために利用されている（例えば、非特許文献１参照）。
この様なＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる半導体素子は 、サファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）バルク単結晶（例えば、特許文献２参照。）或いは立方晶(ｃｕｂｉｃ)の炭化珪素（ＳｉＣ）バルク（ｂｕｌｋ）単結晶を基板として構成されている（例えば、特許文献３参照。）。例えば、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体材料からなるクラッド（ｃｌａｄ）層及び発光層等を備えた積層構造体を利用してＬＥＤが製造されるに至っている（例えば、特許文献４参照。）。
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物半導体素子用の基板として常用されるサファイアは、電気絶縁性であるため、例えば、静電気等に対して耐電圧性の高いＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを得るのが容易ではないとの問題がある。また、サファイアは然して熱伝導性が良好ではないため、基板の放熱性を利用した低損失の電界効果形トランジスタ（英略称：ＦＥＴ）を作製するのは困難であった。導電性があり、また熱伝導性に優れる炭化珪素バルク単結晶を基板とすれば 、静電気等に対して耐電圧性に優れるＬＥＤや放熱性に優れるＦＥＴを構成するに利便となる。しかし、基板として利用するために適度に大きな口径の炭化珪素バルク単結晶は高価であり、民生用の汎用ＩＩＩ族窒化物半導体素子を製造する際に不利となっている。
【０００３】
一方、珪素単結晶（シリコン）は、元来、熱伝導性に優れる上に、良導性の大口径単結晶が既に量産されるに至っている。従って、良導性で大口径のシリコンを基板として利用すれば、例えば、静電気等に対して耐性が高い、廉価な汎用ＬＥＤを実用化できると期待される。また、高抵抗でありながら、熱伝導率の高いシリコンを基板とすれば、低損失の高周波帯域通信用ＦＥＴを実現できると期待される。しかしながら、珪素単結晶の格子定数（＝ａ）は０．５４３ｎｍであり、ＩＩＩ族窒化物半導体、例えば、六方晶ＧａＮのａ軸格子定数は３．１８９Åであるため、双方の材料間には大きな格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）がある。立方晶のＧａＮ（ａ＝０．４５１ｎｍ）に対しても、珪素単結晶とのミスマッチは大きい。このため、珪素単結晶基板上には、結晶欠陥の少ない良質なＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのが難しい欠点があった。
【０００４】
格子ミスマッチの大きな単結晶基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体層を設ける際には、双方の格子の不整合性を緩和するための緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層を設けるのが従来からの技術である。従来技術に於いて、緩衝層は例えば、ＡｌＮやＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成されている（例えば、特許文献５参照。）。しかしながら、珪素単結晶と立方晶或いは六方晶のＡｌＮまたはＧａＮとの格子ミスマッチが大きく、充分に格子歪を緩和できない。このため、従来のＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる緩衝層として用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成しようとしても、結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成出来ないことが問題となっている。
また、珪素単結晶を基板として、その上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するに際し、立方晶３Ｃ型の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）の薄膜層を介して、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する従来技術も知られている（例えば、非特許文献２参照。）。しかしながら、３Ｃ−ＳｉＣ薄膜層の性質に依って、その上層のＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性などが顕著に変化するため、良質のＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成出来ない難点がある。また、ＳｉＣから成る緩衝層を用いても、その上に形成したＩＩＩ族窒化物半導体層は、必ずしも、表面の平坦性に優れるものとはなり得な問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５４−３８３４号公報
【特許文献２】特開平６−１５１９６３号公報
【特許文献３】特開平６−３２６４１６号公報
【特許文献４】特開平６−１５１９６６号公報
【特許文献５】特開平６−３１４６５９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】エム・エー・カーン（Ｍ．Ａ．Ｋｈａｎ）他、アプライド フィジ クス レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、アメリカ合衆国、１９９３年 、第６２巻、１７８６頁
【非特許文献２】ティー・キクチ（Ｔ．Ｋｉｋｕｃｈｉ）他、ジャーナルオブ クリスタル グロース（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）、オランダ、２００５年、 第２７１巻、第１−２号、ｅ１２１５頁〜ｅ１２２１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
導電性及び放熱性に優れ、しかも大口径の単結晶が既に、量産されている珪素単結晶を基板とした光学的及び電気的特性に優れる半導体素子を得るには、基板との格子ミスマッチを好適に緩和して、良質のＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらせる構成から成る緩衝層が必要である。例えば、珪素単結晶基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するに際し、ＳｉＣ層を緩衝層として用いる場合にあっても、双方の材料間の格子ミスマッチを好適に緩和できる構成からなるＳｉＣ緩衝層が必要である。
【０００８】
更に、格子ミスマッチを緩和するに有効な構成から成るＳｉＣ緩衝層を用いるに加えて、結晶性に優れ、且つ表面の平坦性にも優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらすための緩衝層上の積層構造にも創意が必要である。また、特性に優れる半導体素子を製造するには、そのＳｉＣ緩衝層と、表面の平坦性に優れる良質のＩＩＩ族窒化物半導体層とを安定してもたらすための製造方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
即ち、単結晶からなる基板と、その単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素（ＳｉＣ）層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子にあって、本発明の半導体素子は、（１）基板を珪素単結晶とし、その基板上に設けられた、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素からなる炭化珪素層と、その上に設けられたＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、その上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えている、ことを特徴としている。
【００１０】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）項に記載の半導体素子にあって、（２）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層が、アルミニウム（Ａｌ）組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層を交互に積層させて構成されている、ことを特徴としている。
【００１１】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（２）項に記載の半導体素子にあって、（３）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に、超格子構造層をなす窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層にあって、アルミニウム組成（＝Ｘ）をより小とする窒化アルミニウム・ガリウム層が接合させて設けられている、ことを特徴としている。
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）項に記載の半導体素子にあって、（４）超格子構造層が、ガリウム（Ｇａ）組成を相違する窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層を交互に積層させて構成されている、ことを特徴としている。
【００１２】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（４）項に記載の半導体素子にあって、（５）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に、超格子構造層をなす窒化ガリウム・インジウム（ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層にあって、ガリウム組成（＝Ｑ）をより大とする窒化ガリウム・インジウム層が接合させて設けられている、ことを特徴としている。
【００１３】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）乃至（５）項の何れかに記載の半導体素子にあって、（６）ＩＩＩ族窒化物半導超格子構造層が、膜厚を５ＭＬ以上３０ＭＬとするＩＩＩ族窒化物半導体層から構成されている、ことを特徴としている。
【００１４】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）乃至（６）項の何れかに記載の半導体素子にあって、（７）基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１１１｝珪素単結晶であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化ＡｌＮから構成されている、ことを特徴としている。
【００１５】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）乃至（６）項の何れかに記載の半導体素子にあって、（８）基板が、表面を｛００１｝結晶面とする｛００１｝珪素単結晶であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から構成されている、ことを特徴としている。
【００１６】
また、珪素単結晶からなる基板と、その珪素単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子の製造方法にあって、本発明の半導体素子の製造方法は、（Ａ）（１）珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面をなす結晶面に、炭化水素を吸着させる工程と、（２）その後、吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を０．３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程と、（３）その後、炭化珪素層の表面に、第Ｖ族元素を含む気体と、第ＩＩＩ族元素を含む気体を供給して、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する工程と、（４）その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程とを、含むことを特徴としている。
【００１７】
特に、本発明の半導体素子の製造方法は、上記（Ａ）項に記載の製造方法にあって、（Ｂ）基板を、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶とし、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛１１１｝結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成し、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する、ことを特徴としている。
【００１８】
また特に、上記（Ａ）項に記載の製造方法にあって、（Ｃ）基板を、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶とし、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛００１｝結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成し、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する、ことを特徴としている。
【００１９】
また特に、上記（Ｂ）または（Ｃ）項に記載の製造方法にあって、（Ｄ）珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料と、窒素を含む気体原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する、ことを特徴としている。
【００２０】
また特に、上記（Ｄ）項に記載の製造方法にあって、（Ｅ）珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を被着させた後、窒素を含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を窒化し、窒化アルミニウム層を形成する、ことを特徴としている。
【００２１】
また特に、上記（Ｄ）項に記載の製造方法にあって（Ｆ）珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素ガスを吹き付けると共に、電子を照射しつつ、珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素を吸着させる、ことを特徴としている。
【００２２】
また特に、上記（Ｆ）項に記載の製造方法にあって （Ｇ）珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する、ことを特徴としている。
【００２３】
すなわち本願発明は以下に関する。
[１]珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子であって、炭化珪素層は立方晶で格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、組成がＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦α＜１、Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素である。）である、ことを特徴とする半導体素子。
［２］ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、アルミニウム（Ａｌ）組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層を交互に積層した層である、ことを特徴とする[1]に記載の半導体素子。
［３］アルミニウム組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム層でアルミニウム組成を小とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接していることを特徴とする［２］に記載の半導体素子。
［４］ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、ガリウム（Ｇａ）組成を相違する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層を交互に積層した層である、ことを特徴とする［１］に記載の半導体素子
［５］ガリウム組成を相違する窒化ガリウム・インジウム層でガリウム組成を大とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接している、ことを特徴とする［４］に記載の半導体素子。
［６］ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、膜厚が５モノレイヤー（ＭＬ）〜３０ＭＬの範囲内である、ことを特徴とする［１］乃至［５］の何れか１項に記載の半導体素子。
［７］珪素単結晶基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする［１］乃至［６］の何れか１項に記載の半導体素子。
［８］珪素単結晶基板が、表面を｛００１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする［１］乃至［６］の何れか１項に記載の半導体素子。
【００２４】
［９］（１）珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面に炭化水素を吸着させる工程と、（２）吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程と、（３）炭化珪素層の表面に、第Ｖ族元素を含む気体と、第ＩＩＩ族元素を含む気体を供給して、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する工程と、（４）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程とを、この順で含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
［１０］珪素単結晶基板を、表面を｛１１１｝結晶面とする基板とし、基板表面に形成する炭化珪素層を、表面を｛１１１｝結晶面とする層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、六方晶の層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を、六方晶の層とする、ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の製造方法。
［１１］珪素単結晶基板を、表面を｛００１｝結晶面とする基板とし、基板表面に形成する炭化珪素層を、表面を｛００１｝結晶面とする層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、立方晶の層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を、立方晶の層とする、ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の製造方法。
［１２］（３）の工程において、炭化珪素層の表面に、第ＩＩＩ族元素を含む気体としてアルミニウムを含む気体と、第Ｖ族元素を含む気体として窒素を含む原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する、ことを特徴とする［９］乃至［１１］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
［１３］（３）の工程を、（３ａ）炭化珪素層の表面に、第ＩＩＩ族元素を含む気体を供給して第ＩＩＩ族元素を含む層を形成する工程と、（３ｂ）第ＩＩＩ族元素を含む層を窒化してＩＩＩ族窒化物半導体接合層として第ＩＩＩ族元素の窒化層を形成する工程とする、ことを特徴とする［９］乃至［１２］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
［１４］（３ａ）の工程において、炭化珪素層の表面に、第ＩＩＩ族元素を含む気体としてアルミニウムを含む気体を供給してアルミニウム層を形成することを特徴とする［１３］に記載の半導体素子の製造方法。
［１５］（１）の工程を、（１ａ）珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けると共に、電子を照射して基板の表面に炭化水素を吸着させる工程とする、ことを特徴とする［９］乃至［１４］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
［１６］（１）および（２）の工程を、（１ｂ）珪素単結晶基板の表面に、炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程とする、ことを特徴とする［９］乃至［１４］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に依れば、単結晶からなる基板と、その単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子にあって、本発明の半導体素子は、（１）基板を珪素単結晶とし、その基板上に設けられた、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素から緩衝層を構成し、その緩衝層上には、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を設け、更に、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を設けた積層構成を利用して、半導体素子を得ることとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子を提供できる。
【００２６】
特に、本発明では、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層を、アルミニウム組成を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層を交互に積層させて構成することとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定してもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子を安定して提供するに効果を奏する。
【００２７】
特に、本発明ではまた、アルミニウム組成を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層から成る超格子構造層を設けるにあって、その超格子構造層をなすＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層の中で、アルミニウム組成（＝Ｘ）をより小とするＡｌＸＧａ１−ＸＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に接合させて設ける積層構成としたので、特に、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができ、構成能の半導体素子を得るに貢献できる。
【００２８】
また、本発明ではまた、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層を、ガリウム（Ｇａ）組成を相違するＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層を交互に積層させて構成することとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定してもたらすことができ、従って、高性能な半導体素子を安定して提供するに効果を奏する。
特に、本発明では、ＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から成る超格子構造層を設けるにあって、その超格子構造層をなすＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）の中で、ガリウム組成（＝Ｑ）をより大とする窒化ガリウム・インジウム層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に接合させて設ける積層構成としたので、特に、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができ、高性能な半導体素子を得るに貢献できる。
【００２９】
特に、本発明では、超格子構造層を、膜厚を５ＭＬ以上３０ＭＬとするＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から構成することとしたので、特に、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成することができ、高性能な半導体素子を安定して得るに貢献できる。
【００３０】
特に、本発明では、基板を｛１１１｝珪素単結晶とし、その基板表面上に、ＳｉＣ緩衝層を介して設けるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、六方晶のウルツ鉱結晶型のＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）から構成することとしたので、その上に設ける超格子構造層等を六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層から統一的に構成することができ、従って、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体材料に基づく特性を発現できる半導体素子を得るに優位となる。
【００３１】
特に、本発明では、表面を｛００１｝結晶面とする｛００１｝珪素単結晶を基板とし、その基板表面上に、ＳｉＣ緩衝層を介して設けるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型のＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）から構成することとしたので、その上に設ける超格子構造層等を立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層から統一的に構成することができ、従って、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体材料に基づく特性を発現できる半導体素子を得るに優位となる。
【００３２】
また、本発明では、珪素単結晶からなる基板と、その珪素単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子を製造するに際し、単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面をなす結晶面に、炭化水素を吸着させ、その後、吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して炭化珪素層を形成することとしたので、珪素単結晶基板の表面に、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶を確実に形成することができ、しいては、その上に、良質なＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、更にその上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを形成できるため、それらの半導体層の結晶性の良好さを反映して、特性に優れる半導体素子を製造できる。
【００３３】
特に、本発明に依れば、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶を基板として用い、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛１１１｝結晶面を表面とする立方晶の｛１１１｝炭化珪素層を形成して、その炭化珪素層の表面に、六方晶のＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成し、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程を経て、半導体素子を形成することとしたので、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶特性に基づく光学的或いは電気的特性を好適に発現できる半導体素子を製造できる。
【００３４】
また特に、本発明に依れば、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶を基板として用い、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛００１｝結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成し、その炭化珪素層の表面に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成して、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程を経て、半導体素子を形成することとしたので、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶特性に基づく光学的或いは電気的特性を好適に発現できる半導体素子を製造できる。
【００３５】
また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料と、窒素を含む気体原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成することとしたので、格子ミスマッチを低減でき、従って、良質なＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を備えた高性能な半導体素子を製造できる。
【００３６】
また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面にＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成するに際し、アルミニウムを含む気体原料を供給して、炭化珪素層の表面にアルミニウム被膜を形成した後、その被膜に窒素を含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を窒化し、窒化アルミニウム層を形成することとしたので、例えば、晶系が六方晶に画一的の揃ったＡｌＮからＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成できる。
【００３７】
また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素ガスを吹き付けるに併せて、珪素単結晶基板の表面に電子を照射しつつ、珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素を吸着させる工程を経由して、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成することとしたので、結晶欠陥が特に少ない結晶性に優れる炭化珪素層を安定して形成でき、しいては、高性能な半導体素子を安定して製造できる。
【００３８】
また特に、本発明に依れば、炭化水素ガスを吹き付けるに併せて、電子を照射しつつ、珪素単結晶からなる基板の表面に炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、基板をなす珪素と、その基板の表面に吸着した炭化水素との間の化合反応を促進させ、立方晶の炭化珪素層を形成することとしたので、結晶欠陥の少ない立方晶の炭化珪素層を効率的に形成でき、従って、高性能な半導体素子を効率的に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。
【図２】図１に記載したＬＥＤの破線Ａ−Ａに沿った断面構造を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例２に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
珪素単結晶基板としては、種々の面方位の結晶面を表面とする珪素単結晶を用いることができるが、本発明の実施にあたり、基板として最も好適に使用できる珪素結晶は、表面を｛００１｝結晶面、若しくは｛１１１｝結晶面とする｛００１｝若しくは｛１１１｝単結晶である。これらの結晶面から傾斜した結晶面を表面とする珪素単結晶も基板として充分に利用できる。｛００１｝結晶面より傾斜した結晶面、角度にして、例えば、２°＜１１０＞方向に傾斜した結晶面を表面とする珪素単結晶基板は、逆位相（反位相）粒界（英略称：ＡＰＤ）（坂 公恭著、材料学シリーズ「結晶電子顕微鏡学−材料研究者のための−」、１９９７年１１月２５日、（株）内田老鶴圃発行、第１版、６４〜６５頁参照）の少ない結晶層を得るに優位である。本発明では、｛００１｝珪素単結晶は、立方晶の結晶層を利用する半導体素子を構成する場合に主に用いる。一方、｛１１１｝珪素単結晶は、六方晶の結晶層を利用する半導体素子を構成する場合に主に用いる。
【００４１】
基板として用いる珪素単結晶の伝導形は不問である。ｐ形或いはｎ形の何れの伝導形の珪素単結晶を基板として利用できる。特に、抵抗率（比抵抗）の小さい良導性の珪素単結晶基板は、ＬＥＤやＬＤ等の半導体発光素子を作製するのに好適に利用できる。また、高抵抗の珪素単結晶は、素子を動作させるための電流（素子動作電流）の基板側への漏洩（ｌｅａｋ）を低減する必要がある半導体素子用途の基板として利用できる。例えば、ＦＥＴを作製するための基板として好適に利用できる（高抵抗のｐ形またはｎ形半導体は、各々、π形またはν形と称される場合がある（米津 宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子−」、平成７年５月２０日、工学図書（株）発行、５版、３１７頁脚注参照））。
本発明では、基板とする珪素単結晶の表面をなす結晶面の面方位に拘らず、その表面上には、炭化珪素層を設ける。この炭化珪素層は、Ｒａｍｓｄｅｌｌの表記方法に従えば（日本学術振興会高温セラミック材料第１２４委員会編著、「ＳｉＣ系セラミック新材料−最近の展開−」、２００１年２月２８日、（株）内田老鶴圃発行、第１版、１３〜１６頁参照）、３Ｃ型の結晶構造を有する立方晶の結晶層であるのが最も好ましい。３Ｃ型の立方晶の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）層であるか、または、例えば、４Ｈ型や６Ｈ型の六方晶の炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ）層であるかは、例えば、電子回折像の解析をもって判断できる。
【００４２】
３Ｃ−ＳｉＣ層は、珪素単結晶基板の表面に吸着させた炭化水素を利用して形成するのが望ましい。炭化水素を吸着させるための炭化水素ガスとしては、メタン（分子式ＣＨ３）、エタン（分子式Ｃ２Ｈ６）及びプロパン（分子式Ｃ３Ｈ８）等の飽和脂肪族炭化水素や、アセチレン（分子式Ｃ２Ｈ２）等の不飽和炭化水素を例示できる。その他、芳香族炭化水素類または脂環式炭化水素類もあるが、分解して珪素と反応し易いアセチレンが最も好ましく利用できる。｛１１１｝珪素単結晶の｛１１１｝結晶面にアセチレンを吸着させる温度は４００℃〜６００℃とするのが好ましい。｛００１｝珪素単結晶の｛００１｝結晶面にアセチレンを吸着させるのに適する温度は、｛１１１｝結晶面の場合より高く、４５０℃〜６５０℃である。
【００４３】
アセチレン等の炭化水素は、珪素単結晶基板の表面をなす結晶面に、珪素原子の最配列構造を創出した後に吸着させるのが好ましい。例えば、｛１１１｝珪素単結晶基板の｛１１１｝結晶面からなる表面に、（７×７）再配列構造を出現させた後、炭化珪素を吸着させるのが好ましい。（７×７）再配列構造は、例えば、｛１１１｝珪素単結晶の表面をなす｛１１１｝結晶面を、１０−６パルカル（圧力単位：Ｐａ）程度の高真空環境下、例えば、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）成長用チャンバー（ｃｈａｍｂｅｒ）内で７５０℃〜８５０℃で熱処理を施すと形成できる。珪素単結晶基板の表面の再配列構造は、高速反射電子回折（英略称：ＲＨＥＥＤ）などの電子回折分析手段により確認できる。
【００４４】
珪素単結晶基板の表面をなす結晶面に炭化水素を吸着させた後、珪素単結晶基板を加熱することにより、吸着させた炭化水素と基板結晶をなす珪素原子とを反応させ、炭化珪素層を形成する。この際、比較的高温で珪素単結晶基板を加熱すると、化学量論的に珪素を富裕に含む炭化珪素層を形成できる。炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を例えば、５００℃〜７００℃で加熱して形成する。加熱する温度を高温とする程、短時間で、化学量論的に珪素を富裕に含む炭化珪素層を形成できる。珪素を富裕に含む度合いは、炭化珪素層をなす非化学量論的な組成の炭化珪素の格子定数に反映される。非化学量論的な組成の炭化珪素では、珪素の組成が富裕になるに従い、格子定数は大きくなる。当量的な組成の３Ｃ−ＳｉＣの格子定数が０．４３６ｎｍであるのに対し（上記の「ＳｉＣ系セラミック新材料−最近の展開−」、３４０頁、表５．１．１．参照）、本発明に係わる非化学量論的な組成の炭化珪素層は、０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の格子定数を有するのを特徴としている。
【００４５】
上記の様な範囲にある格子定数を有する立方晶３Ｃ型の炭化珪素層は、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料との格子ミスマッチ度が少ない。従って、例えば、格子定数を０．４５１ｎｍとする立方晶閃亜鉛鉱結晶型のＧａＮからＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成するに際し、格子整合性に優れる緩衝層として有用となる。
また、上記の様な範囲にある格子定数を有する立方晶３Ｃ型の炭化珪素層の（１１０）結晶面の間隔は、ウルツ鉱結晶型で六方晶のＡｌＮのａ軸と略一致するため、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層となす六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するにも好都合となる。上記の範囲外の格子定数を有する立方晶の炭化珪素層は、立方晶或いは六方晶の何れの結晶型のＩＩＩ族窒化物半導体材料との格子ミスマッチが増大するため、その上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体接合層の結晶的品質は顕著に悪化させ、極めて不都合である。
【００４６】
珪素を炭素に比べ富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層は、また、珪素単結晶基板の表面に炭化水素を吸着させた後、その基板の表面に、珪素を含む気体を供給しつつ、加熱することに依っても形成できる。例えば、炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板の表面に、シラン（分子式ＳｉＨ４）類を供給しつつ、加熱して形成する。また、高真空に保持された例えば、ＭＢＥ成長用チャンバー内で珪素のビームを照射しつつ、炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を加熱することにより形成できる。形成した非化学量論的な組成の炭化珪素層の格子定数は、例えば、電子回折法などの分析手段により計測できる。
【００４７】
非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成するにあって、表面を｛００１｝結晶面とする炭化珪素層を得るには、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶を基板として用いる。また、表面を｛１１１｝結晶面とする非化学量論的な組成の炭化珪素層を得るには、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶を基板として用いる。
【００４８】
表面をなす結晶面の面方位に関係無く、珪素単結晶基板の表面に炭化珪素層を形成するに際し、基板の表面に、電子を照射しつつ、炭化水素ガスを吹き付けると、炭化水素を基板の表面に均一に吸着させられる。照射する電子は、例えば、真空中に於いて電熱された金属から放出される熱電子を利用する。珪素単結晶基板の表面の均等な密度で照射する。照射密度としては、１×１０１２〜５×１０１３ｃｍ−２が適する。また、照射する電子の加速エネルギーが約１００エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）未満と低いと、炭化水素を珪素単結晶基板の表面に均一に吸着させるに至らない。５００ｅＶを超える加速エネルギーの電子を照射させると、却って、炭化水素の分解や脱着が促進され、不都合である。
従って、電子発生源、例えば、タングステン（Ｗ）フィラメントと被照射体の珪素単結晶基板との間の電位差は、１００ボルト（Ｖ）以上で５００Ｖ以下とするのが好ましい。
【００４９】
また、表面に炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を加熱して、その基板の表面に３Ｃ−ＳｉＣ層を形成する際にも、電子を照射すれば、双晶や積層欠陥等の結晶欠陥密度の小さい結晶性に優れる３Ｃ−ＳｉＣ層を形成できる。電子の照射密度としては、１×１０１２〜５×１０１３ｃｍ−２が適する。また、照射する電子の加速エネルギーは、１００ｅＶ〜５００ｅＶが適する。
【００５０】
非化学量論的な組成の炭化珪素層には、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体層を接合させて設ける。ＩＩＩ族窒化物半導体接合層をなすＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭαは、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａＹＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１，Ｘ＋Ｙ＝１），窒化ガリウム・インジウム（ＧａＹＩｎＺＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）、窒化リン化アルミニウム（ＡｌＮ１−αＰα：０≦α＜１）から構成できる。
【００５１】
ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、非化学量論的な組成の炭化珪素層の格子定数（ａ）（０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下である。）に近似する格子定数または格子面間隔を有するＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成するのが好適である。例えば、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型のＡｌＮ（ａ＝０．４３８ｎｍ）やＧａＮ（ａ＝０．４５１ｎｍ）から好適に構成できる。また、本発明に係わる非化学量論的な組成の立方晶炭化珪素層の（１１０）結晶面の間隔（０．３０８ｎｍ〜０．３２５ｎｍ）に近似するａ軸を有する六方晶ウルツ鉱結晶型のＡｌＮ、ＧａＮ及びそれらの混晶から構成できる。
【００５２】
六方晶のＡｌＮ等からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成するには、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶を基板として用いるのが得策である。また、立方晶のＡｌＮ等からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を得るには、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶を基板として用いるのが利便である。
【００５３】
更に、ＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するに際し、珪素単結晶基板の表面に一旦、アルミニウム（Ａｌ）膜を被着させた後、そのＡｌ膜を、窒素含有気体を含む雰囲気中で窒化して、ＡｌＮ層となす手段もある。この形成手段に依れば、晶系の揃ったＡｌＮ層を効率的に形成できる。例えば、｛１１１｝珪素単結晶基板の｛１１１｝結晶面からなる表面に、Ａｌ膜を形成し、その後、例えば、窒素プラズマ雰囲気中で窒化すれば、晶系を六方晶に画一的に揃った六方晶ＡｌＮ層を形成できる。
【００５４】
非化学量論的な組成の炭化珪素層上に整合性良く形成されたＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、その上層として設ける超格子構造層の形成を促進させる。ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、例えば、有機金属化学的気相堆積法（英略称：ＭＯＣＶＤ）、ハロゲン（ｈｏｌｏｇｅｎ）またはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）化学的気相堆積（ＣＶＤ）法、ＭＢＥ法、ケミカルビーム成長法（英略称：ＣＢＥ）などの成長手段を利用して形成できる。
【００５５】
ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上には、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する。例えば、構成元素の組成を相違するＩＩＩ族窒化物半導体層を交互に積層させて、超格子構造を形成する。また、例えば、禁止帯幅（ｂａｎｄｇａｐ）を相違するＩＩＩ族窒化物半導体層を交互に積層させて、超格子構造を形成する。ＩＩＩ族窒化物半導体接合層をＡｌＮまたはＧａＮから構成する場合、超格子構造層は、格子マッチングの良好さから、アルミニウム組成（＝Ｘ）を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層から構成するのが好ましい。また、ガリウム組成（＝Ｑ）を相違するＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から構成するのが好ましい。
【００５６】
特に、超格子構造層を構成するアルミニウム組成を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層の中で、アルミニウム組成を最小とするＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接合させる設ける構成すると、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を与える超格子構造層が得られる。また同様に、超格子構造層を構成するガリウム組成を相違するＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層の中で、ガリウム組成を最大とするＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接合させて設ける構成とすると、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を与える超格子構造層が得られる。
【００５７】
特に、超格子構造層を、層厚を５ＭＬ以上で３０ＭＬ以下とするＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層から構成すると、結晶層の内部の歪の伝播を好都合に抑制できる。従って、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらす超格子構造層を形成できる。１ＭＬの厚さとは、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、ｃ軸の１／２の厚さである。例えば、ｃ軸を０．５２０ｎｍとする六方晶ウルツ鉱結晶型のＧａＮの１ＭＬの厚さは、０．２６０ｎｍである。立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、格子定数に相当する厚さである。
【００５８】
超格子構造層はまた、電子や正孔（ｈｏｌｅ）に量子準位を与える量子井戸構造であっても差し支えは無い。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層から量子井戸構造を構成する場合、アルミニウム組成（＝Ｘ）がより大きく、禁止帯幅がより大きなＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層とし、アルミニウム組成（＝Ｘ）がより小さく、禁止帯幅がより小さなＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を井戸（ｗｅｌｌ）層として構成する。また、ＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から量子井戸構造を構成する場合、ガリウム組成（＝Ｑ）がより大きく、禁止帯幅がより大きなＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を障壁層とし、ガリウム組成（＝Ｑ）がより小さく、禁止帯幅がより小さなＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を井戸（ｗｅｌｌ）層として構成する。
【００５９】
超格子構造層を構成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体接合層の場合と同じく、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ハロゲン（ｈｏｌｏｇｅｎ）またはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥなどの成長手段を利用して形成できる。上記のＩＩＩ族窒化物半導体接合層の形成に利用したのと同一の成長手段に依り、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に引き続き超格子構造層を形成することとすると、半導体素子を得るに簡便となる。
【００６０】
超格子構造層を構成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を成長させるに際し、それらの層を構成するＩＩＩ族元素の原料とＶ族元素とを交互に繰り返し供給して成長させると、表面の平坦性に優れる超格子構造層を得ることができる。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層の表面に、先ず、ＩＩＩ族元素の原料を供給し、その後、ＩＩＩ族元素の原料の供給を停止し、代替に窒素源を供給する手段、即ち、ＩＩＩ族元素とＶ族元素の原料を交互に供給しつつ形成したＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を用いれば、表面の平坦性に優れる超格子構造を形成できる。
【００６１】
珪素単結晶基板の表面の清浄化、その清浄化された基板表面への炭化水素の吸着、吸着させた炭化水素を利用した炭化珪素層の形成、炭化珪素層上へのＩＩＩ族窒化物半導体接合層の形成、及びＩＩＩ族窒化物半導体接合層上への超格子構造層の形成は、一貫して同一の設備を行うのが、簡略な工程をもって簡易に半導体素子を製造する上で得策である。
ＭＢＥ法に依れば、高真空な環境下で成長を行うが故に、炭化水素を吸着させ、それを元に炭化珪素層を形成する際に、電子を珪素単結晶基板の表面に向けて照射することも容易に行える。また、ＭＢＥ法では、上記の如く、構成元素の原料を交互に供給しつつ、超格子構造層をなすＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を簡易に形成できる利点がある。
【００６２】
超格子構造層上には、表面の平坦性に優れる成長層を形成できる。従って、その様な平坦性に優れる成長層を活性層（能動層）として利用すれば、光学的或いは電気的特性に優れる半導体素子を構成できる。例えば、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層上の六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層に設けた六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を、電子走行層（チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層）や電子供給層として利用すれば高移動度ＦＥＴを構成できる。特に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体に依るピエゾ（ｐｉｅｚｏ）の発現に依り、２次元電子を効率的に蓄積する電子走行層を備えた高移動度ＦＥＴを製造できる。
【００６３】
また、例えば、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層上の立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層に設けた立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を、下部クラッド層や発光層として利用すれば高輝度のＬＥＤ等の発光素子を形成できる。特に、価電子帯が縮退している立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体の性質を利用すれば、発振波長が画一化されたＬＤをもたらせる。
【実施例】
【００６４】
（実施例１）
本実施例１では、（１１１）結晶面を表面とする（１１１）珪素単結晶基板に設けた非化学量論的な組成の炭化珪素層、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層とを含むエピタキシャル積層構造体から発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
【００６５】
本実施例１で作製した半導体ＬＥＤ１０の平面構造を図１に模式的に示す。また、図２には、図１に示したＬＥＤ１０の破線Ａ−Ａ線に沿った断面構造を模式的に示す。
【００６６】
ＬＥＤ１０の作製には、（１１１）結晶面を表面とする、硼素（元素記号：Ｂ）を添加したｐ形の珪素単結晶を基板１０１として用いた。基板１０１を、ＭＢＥ成長用の成長チャンバー内に搬送した後、約５×１０−７パスカル（Ｐａ）の高真空中で、基板１０１を８５０℃に加熱した。 ＲＨＥＥＤパターンを監視しつつ、基板１０１の表面をなす（１１１）結晶面が（７×７）再配列構造となる迄、同温度で継続して加熱した。
【００６７】
（７×７）再配列構造が出現したのを確認した後、基板１０１をＭＢＥ成長チャンバー内に収納したままで、４５０℃に降温した。次に、基板１０１の表面にアセチレンガスを吹き付け、アセチレンをその表面に吸着させた。アセチレンガスは、ＲＨＥＥＤパターン上で、基板１０１の表面の（７×７）再配列構造に起因する電子回折斑点（ｓｐｏｔ）が略消滅する迄、継続して吹き付けた。
【００６８】
その後、アセチレンガスの基板１０１の表面への吹き付けを停止し、基板１０１を６００℃に昇温した。ＲＨＥＥＤパターンに立方晶３Ｃ型の炭化珪素に依るストリーク（光条）が出現する迄、同温度に基板１０１を保持し、珪素単結晶基板１０１の表面に炭化珪素層１０２を形成した。６００℃に於いて、（１１１）珪素単結晶のＲＨＥＥＤパターンから求めた珪素単結晶の格子定数を基に、形成した炭化珪素の格子定数は、０．４５０ｎｍと計算された。炭化珪素層１０２の層厚は約２ｎｍであり、表面は、（１１１）結晶面であった。
【００６９】
非化学量論的な組成の炭化珪素層１０２上には、窒素プラズマを窒素源とするＭＢＥ法に依り、ウルツ鉱結晶型の六方晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０３を、基板１０１の温度を７２０℃として形成した。窒素プラズマは、高純度窒素ガスに、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波と磁界とを印加する電子サイクトロトロン共鳴（ＥＣＲ）型装置を用いて発生させた。ＭＢＥ成長チャンバーを約１×１０−６Ｐａの高真空に保持しつつ、窒素プラズマ内の原子状窒素（窒素ラジカル）を電気的斥力を利用して抽出して、炭化珪素層１０２の表面に噴霧した。本発明の云うＩＩＩ族窒化物半導体接合層として形成した、ＡｌＮ層１０３の層厚は約１５ｎｍであり、表面は、{０００１}結晶面であった。
【００７０】
六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）のＡｌＮ層１０３上には、７２０℃でＭＢＥ法に依り、六方晶の第１のｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）１０４ａを形成した。超格子構造層１０４の構成層たる第１のｎ形ＧａＮ層１０４ａの層厚は、１０ＭＬ（約２．６ｎｍ）とした。第１のｎ形ＧａＮ層１０４ａには、超格子構造層１０４を構成する別の構成層であるアルミニウム（Ａｌ）組成比を０．１０とする第１のｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ）１０４ｂを接合させて設けた。次に、第１のｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂには、第２のｎ形ＧａＮ層１０４aを接合させて設けた。第２のｎ形ＧａＮ層１０４ａには、第２のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂを接合させて設けた。第２のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂ上には、更に、第３のｎ形ＧａＮ層１０４ａ及び第３のｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂとを設けて、超格子構造層１０４の形成を終了した。第１乃至第３のｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂの層厚は何れも１０ＭＬとした。
【００７１】
超格子構造層１０４上には、ＭＢＥ法に依り、珪素（Ｓｉ）をドーピングしつつ、層厚を約２２００ｎｍとするｎ形ＧａＮからなる下部クラッド層１０５を設けた。ｎ形ＧａＮ層１０５は、上記の超格子構造層１０４を介して設けたため、表面粗さは、ｒ．ｍ．ｓ．値にして約１．０ｎｍと良好な平坦性を有していた。
【００７２】
下部クラッド層１０５上には、ｎ形ＧａＮを障壁層と、ｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ）を井戸層とを、交互に５周期に亘り、積層させた構成からなる多重量子井戸構造の発光層１０６を形成した。発光層１０６には、ｐ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（層厚約９０ｎｍ）からなる上部クラッド層１０７を形成した。これより、ｎ形クラッド層１０５と、ｎ形発光層１０６と、及びｐ形上部クラッド層１０７とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を構成した。発光部をなすｐ形上部クラッド層１０７上には、更に、ｐ形ＧａＮ（層厚約１００ｎｍ）からなるコンタクト層１０８を設けて、ＬＥＤ１０用途の積層構造体１１を形成した。
【００７３】
積層構造体１１の最表層をなすｐ形コンタクト層１０８の表面には、金（元素記号：Ａｕ）とニッケル（元素記号：Ｎｉ）酸化物とからなるｐ形のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０９を形成した。一方のｎ形オーミック電極１１０は、その電極１１０を設ける領域にある発光層１０６、上部クラッド層１０７、及びコンタクト層１０８を一般的なドライエッチング手段で除去した後、形成した。ｎ形オーミック電極１１０は、超格子構造層１０４を介して形成したため、良好な平坦性を有することとなった下部クラッド層１０５の表面に設けた。即ち、ＬＥＤ１０では、ｐ形オーミック電極１０９と、ｎ形オーミック電極１１０とを、珪素単結晶基板１０１に関して、同一の表面側に設けた。
【００７４】
上記の如く作製したＬＥＤチップ１０のｐ形及びｎ形オーミック電極１０９，１１０間に素子動作電流を通流し、発光及び電気的特性を調査した。ＬＥＤ１０に順方向に電流をながしたところ、主波長を４６０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光強度は、約２．２ｍＷの高強度となった。順方向に２０ｍＡの電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約３．４Ｖとなった。また、非化学量論的な組成の炭化珪素層１０２を緩衝層として設けたために、その上に結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層１０４、及びＤＨ構造型の発光部を設けられた。このため、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は１５Ｖの高電圧となった。また、特に、結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から超格子構造層１０４及び発光部を構成することとしたので、局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）の殆どない逆方向の耐電圧性に優れるＬＥＤを構成できた。
（実施例２）
本実施例１では、（００１）結晶面を表面とする（００１）珪素単結晶基板に設けた非化学量論的な組成の炭化珪素層、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層とを含むエピタキシャル積層構造体から発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
【００７５】
本実施例２で作製した半導体ＬＥＤ２０の断面構造を模式的に示す。
【００７６】
ＬＥＤ２０の作製には、（００１）結晶面を表面とする、燐（元素記号：Ｐ）を添加したｎ形の珪素単結晶を基板２０１として用いた。基板２０１を、ＭＢＥ成長用の成長チャンバー内に搬送した後、約５×１０−７パスカル（Ｐａ）の高真空中で、基板２０１を８００℃に加熱した。 ＲＨＥＥＤパターンを監視しつつ、基板２０１の表面をなす（１００）結晶面が（２×１）再配列構造となる迄、同温度で継続して加熱した。
【００７７】
（２×２）再配列構造が出現したのを確認した後、基板２０１をＭＢＥ成長チャンバー内に収納したままで、４２０℃に降温した。次に、基板２０１の表面にアセチレンガスを吹き付け、併せて、電子を照射しつつ、アセチレンをその表面に吸着させた。電子は、高真空に保たれた成長チャンバー内に配置したタングステン（元素記号：Ｗ）フィラメントを通電加熱して発生させた。電子は、加速電圧を３００Ｖとし、面積密度約５×１０１２ｃｍ−２で照射した。アセチレンガスと電子は、ＲＨＥＥＤパターン上で、基板２０１の表面の（２×１）再配列構造に起因する電子回折斑点が略消滅する迄、継続して供給した。
【００７８】
その後、珪素単結晶基板２０１を５５０℃に昇温した。基板２０１の温度が５５０℃に安定した時点で、電子を基板２０１に向けて。再び、照射し始めた。ＲＨＥＥＤパターンに立方晶３Ｃ型の炭化珪素に依るストリークが出現する迄、同温度で基板２０１の表面に電子を照射し続け、珪素単結晶基板２０１の表面に３Ｃ型立方晶の炭化珪素層２０２を形成した。６００℃に於いて、（００１）珪素単結晶のＲＨＥＥＤパターンから求めた珪素単結晶の格子定数を基に、形成した炭化珪素の格子定数は０．４４０ｎｍと計算された。
また、炭化珪素層２０２のＲＨＥＥＤパターンには、双晶及び積層欠陥に起因する異常回折は認められなかった。また、炭化珪素層２０２の層厚は約２ｎｍであり、同層２０２の表面は、（００１）結晶面であった。
【００７９】
非化学量論的な組成の炭化珪素層２０２上には、窒素プラズマを窒素源とするＭＢＥ法に依り、立方晶閃亜鉛鉱結晶型の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層２０３を、基板２０１の温度を７００℃として形成した。窒素プラズマは、高純度窒素ガスに、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波と磁界とを印加する電子サイクトロトロン共鳴（ＥＣＲ）型装置を用いて発生させた。ＭＢＥ成長チャンバーを約１×１０−６Ｐａの高真空に保持しつつ、窒素プラズマ内の原子状窒素（窒素ラジカル）を電気的斥力を利用して抽出して、炭化珪素層２０２の表面に噴霧した。本発明の云うＩＩＩ族窒化物半導体接合層たるＡｌＮ層２０３の層厚は約８ｎｍとした。ＡｌＮ層２０３は、（００１）結晶面を表面とする単結晶層であった。
【００８０】
立方晶（ｃｕｂｉｃ）のＡｌＮ層２０３の表面の（００１）結晶面上には、７００℃でＭＢＥ法に依り、立方晶の第１のｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）２０４ａを形成した。超格子構造層２０４の構成層たる第１のｎ形ＧａＮ層２０４ａの層厚は、１５ＭＬ（約３．９ｎｍ）とした。第１のｎ形ＧａＮ層２０４ａには、超格子構造層２０４を構成する別の構成層であるガリウム（Ｇａ）組成比を０．９５とする第１のｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ）２０４ｂを接合させて設けた。次に、第１のｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂには、第２のｎ形ＧａＮ層２０４aを接合させて設けた。第２のｎ形ＧａＮ層２０４ａには、第２のＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂを接合させて設けた。第２のＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂ上には、更に、第３のｎ形ＧａＮ層２０４ａ及び第３のｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂとを設けて、超格子構造層２０４の形成を終了した。第１乃至第３のｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂの層厚は何れも１０ＭＬとした。
【００８１】
超格子構造層２０４の最表層をなす（００１）結晶面を表面とするｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂ上には、ＭＢＥ法に依り、珪素をドーピングしつつ、層厚を約１８００ｎｍとする立方晶でｎ形のＧａＮからなる下部クラッド層２０５を設けた。ｎ形ＧａＮ層２０５は、上記の超格子構造層２０４を介して設けたため、表面粗さはｒ．ｍ．ｓ．にして約１．２ｎｍと良好な平坦性を有していた。
【００８２】
下部クラッド層２０５上には、立方晶のｎ形ＧａＮ障壁層と立方晶のｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ）井戸層との５対の構成からなる多重量子井戸構造の発光層２０６をＭＢＥ法により７００℃で形成した。発光層２０６には、層厚を約１００ｎｍとする立方晶でｐ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる上部クラッド層２０７を形成した。これより、ｎ形クラッド層２０５と、ｎ形発光層２０６と、及びｐ形上部クラッド層２０７とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を構成した。発光部をなすｐ形上部クラッド層２０７上には、更に、層厚を約９０ｎｍとする立方晶のｐ形ＧａＮからなるコンタクト層２０８をＭＢＥ法で設けて、ＬＥＤ２０用途の積層構造体２１を形成した。
【００８３】
積層構造体２１の最表層をなすｐ形コンタクト層２０８の表面の中央には、金（Ａｕ）とニッケル（Ｎｉ）酸化物とからなるｐ形のオーミック電極２０９を形成した。一方のｎ形オーミック電極２１０は、ｎ形珪素単結晶基板２０１の裏面の全面に金真空蒸着膜を設けて構成した。
【００８４】
上記の如く作製したＬＥＤチップ２０のｐ形及びｎ形オーミック電極２０９，２１０間に素子動作電流を通流し、発光及び電気的特性を調査した。ＬＥＤ２０に順方向に電流をながしたところ、主波長を４６５ｎｍとする青色光が出射された。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光強度は、約２．０ｍＷの高強度となった。順方向に２０ｍＡの電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約３．３Ｖとなった。また、非化学量論的な組成の炭化珪素層２０２を緩衝層として設けたために、その上に結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層２０４、及びＤＨ構造型の発光部を設けられた。このため、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は１５Ｖの高電圧となった。また、特に、結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から超格子構造層２０４及び発光部を構成することとしたので、局所的な耐圧不良の殆どない逆方向の耐電圧性に優れるＬＥＤを構成できた。
（実施例３）
金属アルミニウム膜を窒化することにより形成した窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を備えたＬＥＤ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。
【００８５】
上記の実施例１に記載の如く、（１１１）結晶面を表面とする（１１１）珪素単結晶基板上に、立方晶３Ｃ型の炭化珪素層を形成した。次に、格子定数を０．４５０ｎｍとする炭化珪素層の（１１１）結晶面からなる表面に、ＭＢＥ成長チャンバー内で、アルミニウム（Ａｌ）のビーム（ｂｅａｍ）を照射して、Ａｌ被膜を形成した。Ａｌ被膜の膜厚は約３ｎｍとした。
【００８６】
次に、ＭＢＥ成長用チャンバーに備え付けられたＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型高周波（ＲＦ）プラズマ発生装置を利用して窒素プラズマを、同チャンバー内に発生させた。然る後、窒素プラズマ中の窒素ラジカルを選択的に抽出して、上記のＡｌ被膜に照射し、それを窒化させた。窒化に依り形成されたＡｌＮ膜は、ＲＨＥＥＤパターンから六方晶であるとされた。
【００８７】
Ａｌ被膜を窒化して形成した六方晶ＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として、その上には、上記の実施例１に記載のとおりの構成からなる超格子構造層、ｎ形下部クラッド層、ｎ形発光層、ｐ形上部クラッド層、及びｐ形コンタクト層を順次、積層させてＬＥＤ用途の積層構造体を形成した。窒化に依り形成したＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として用いることにより、その上に設けた上記の超格子構造層等を構成するＩＩＩ族窒化物半導体層は何れも、六方晶の晶系に画一的に統一されたものとなった。電子回折分析及び一般的な断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察に依れば、それら各層の表面は（０００１）結晶面であり、またその各層の内部には、立方晶の結晶塊の存在は殆ど認められなかった。
【００８８】
窒化に依り形成した六方晶ＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として備えた上記の積層構造体には、上記実施例１に記載の如くのｐ形及びｎ形オーミック電極を設けて、ＬＥＤを構成した。
【００８９】
ＬＥＤに、２０ｍＡの順方向電流を通流した際の発光波長は、上記実施例に記載のＬＥＤと略同一の約４６０ｎｍであった。また、Ａｌ被膜の窒化に依り形成した晶系が六方晶に画一的に統一されたＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として用いたために、立方晶の結晶塊の混在が無い六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶から発光層が形成されているため、ＬＥＤチップ間の発光波長は均一であった。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に依れば、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子として利用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ ＬＥＤ
１１ ＬＥＤ用積層構造体
１０１ 珪素単結晶基板
１０２ 非化学量論的な組成の炭化珪素層
１０３ ＩＩＩ族窒化物半導体接合層（ＡｌＮ層）
１０４ ＩＩＩ族窒化物半導体超格子構造層
１０５ ＩＩＩ族窒化物半導体下部クラッド層
１０６ ＩＩＩ族窒化物半導体発光層
１０７ ＩＩＩ族窒化物半導体上部クラッド層
１０８ ＩＩＩ族窒化物半導体コンタクト層
１０９ ｐ形オーミック電極
１１０ ｎ形オーミック電極
２０ ＬＥＤ
２１ ＬＥＤ用積層構造体
２０１ 珪素単結晶基板
２０２ 非化学量論的な組成の炭化珪素層
２０３ ＩＩＩ族窒化物半導体接合層（ＡｌＮ層）
２０４ ＩＩＩ族窒化物半導体超格子構造層
２０５ ＩＩＩ族窒化物半導体下部クラッド層
２０６ ＩＩＩ族窒化物半導体発光層
２０７ ＩＩＩ族窒化物半導体上部クラッド層
２０８ ＩＩＩ族窒化物半導体コンタクト層
２０９ ｐ形オーミック電極
２１０ ｎ形オーミック電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、珪素単結晶を基板と、その基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層を備えた積層構造を使用して構成される半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などは、従来から、ＩＩＩ族窒化物半導体として知られている。これらのＩＩＩ族窒化物半導体材料は、青色或いは緑色等の短波長の可視光を発する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザーダイオード（英略称：ＬＤ）等の半導体発光素子を構成するために利用されている（例えば、特許文献１参照。）。また、高周波トランジスタ等の電子デバイスを構成するために利用されている（例えば、非特許文献１参照）。
この様なＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる半導体素子は 、サファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）バルク単結晶（例えば、特許文献２参照。）或いは立方晶(ｃｕｂｉｃ)の炭化珪素（ＳｉＣ）バルク（ｂｕｌｋ）単結晶を基板として構成されている（例えば、特許文献３参照。）。例えば、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体材料からなるクラッド（ｃｌａｄ）層及び発光層等を備えた積層構造体を利用してＬＥＤが製造されるに至っている（例えば、特許文献４参照。）。
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物半導体素子用の基板として常用されるサファイアは、電気絶縁性であるため、例えば、静電気等に対して耐電圧性の高いＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを得るのが容易ではないとの問題がある。また、サファイアは然して熱伝導性が良好ではないため、基板の放熱性を利用した低損失の電界効果形トランジスタ（英略称：ＦＥＴ）を作製するのは困難であった。導電性があり、また熱伝導性に優れる炭化珪素バルク単結晶を基板とすれば 、静電気等に対して耐電圧性に優れるＬＥＤや放熱性に優れるＦＥＴを構成するに利便となる。しかし、基板として利用するために適度に大きな口径の炭化珪素バルク単結晶は高価であり、民生用の汎用ＩＩＩ族窒化物半導体素子を製造する際に不利となっている。
【０００３】
一方、珪素単結晶（シリコン）は、元来、熱伝導性に優れる上に、良導性の大口径単結晶が既に量産されるに至っている。従って、良導性で大口径のシリコンを基板として利用すれば、例えば、静電気等に対して耐性が高い、廉価な汎用ＬＥＤを実用化できると期待される。また、高抵抗でありながら、熱伝導率の高いシリコンを基板とすれば、低損失の高周波帯域通信用ＦＥＴを実現できると期待される。しかしながら、珪素単結晶の格子定数（＝ａ）は０．５４３ｎｍであり、ＩＩＩ族窒化物半導体、例えば、六方晶ＧａＮのａ軸格子定数は３．１８９Åであるため、双方の材料間には大きな格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）がある。立方晶のＧａＮ（ａ＝０．４５１ｎｍ）に対しても、珪素単結晶とのミスマッチは大きい。このため、珪素単結晶基板上には、結晶欠陥の少ない良質なＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成するのが難しい欠点があった。
【０００４】
格子ミスマッチの大きな単結晶基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体層を設ける際には、双方の格子の不整合性を緩和するための緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層を設けるのが従来からの技術である。従来技術に於いて、緩衝層は例えば、ＡｌＮやＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成されている（例えば、特許文献５参照。）。しかしながら、珪素単結晶と立方晶或いは六方晶のＡｌＮまたはＧａＮとの格子ミスマッチが大きく、充分に格子歪を緩和できない。このため、従来のＩＩＩ族窒化物半導体材料からなる緩衝層として用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成しようとしても、結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成出来ないことが問題となっている。
また、珪素単結晶を基板として、その上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するに際し、立方晶３Ｃ型の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）の薄膜層を介して、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する従来技術も知られている（例えば、非特許文献２参照。）。しかしながら、３Ｃ−ＳｉＣ薄膜層の性質に依って、その上層のＩＩＩ族窒化物半導体層の結晶性などが顕著に変化するため、良質のＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成出来ない難点がある。また、ＳｉＣから成る緩衝層を用いても、その上に形成したＩＩＩ族窒化物半導体層は、必ずしも、表面の平坦性に優れるものとはなり得な問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５４−３８３４号公報
【特許文献２】特開平６−１５１９６３号公報
【特許文献３】特開平６−３２６４１６号公報
【特許文献４】特開平６−１５１９６６号公報
【特許文献５】特開平６−３１４６５９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】エム・エー・カーン（Ｍ．Ａ．Ｋｈａｎ）他、アプライド フィジ クス レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、アメリカ合衆国、１９９３年 、第６２巻、１７８６頁
【非特許文献２】ティー・キクチ（Ｔ．Ｋｉｋｕｃｈｉ）他、ジャーナルオブ クリスタル グロース（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）、オランダ、２００５年、 第２７１巻、第１−２号、ｅ１２１５頁〜ｅ１２２１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
導電性及び放熱性に優れ、しかも大口径の単結晶が既に、量産されている珪素単結晶を基板とした光学的及び電気的特性に優れる半導体素子を得るには、基板との格子ミスマッチを好適に緩和して、良質のＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらせる構成から成る緩衝層が必要である。例えば、珪素単結晶基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するに際し、ＳｉＣ層を緩衝層として用いる場合にあっても、双方の材料間の格子ミスマッチを好適に緩和できる構成からなるＳｉＣ緩衝層が必要である。
【０００８】
更に、格子ミスマッチを緩和するに有効な構成から成るＳｉＣ緩衝層を用いるに加えて、結晶性に優れ、且つ表面の平坦性にも優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらすための緩衝層上の積層構造にも創意が必要である。また、特性に優れる半導体素子を製造するには、そのＳｉＣ緩衝層と、表面の平坦性に優れる良質のＩＩＩ族窒化物半導体層とを安定してもたらすための製造方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
即ち、単結晶からなる基板と、その単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素（ＳｉＣ）層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子にあって、本発明の半導体素子は、（１）基板を珪素単結晶とし、その基板上に設けられた、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素からなる炭化珪素層と、その上に設けられたＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、その上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えている、ことを特徴としている。
【００１０】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）項に記載の半導体素子にあって、（２）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層が、アルミニウム（Ａｌ）組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層を交互に積層させて構成されている、ことを特徴としている。
【００１１】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（２）項に記載の半導体素子にあって、（３）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に、超格子構造層をなす窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層にあって、アルミニウム組成（＝Ｘ）をより小とする窒化アルミニウム・ガリウム層が接合させて設けられている、ことを特徴としている。
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）項に記載の半導体素子にあって、（４）超格子構造層が、ガリウム（Ｇａ）組成を相違する窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層を交互に積層させて構成されている、ことを特徴としている。
【００１２】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（４）項に記載の半導体素子にあって、（５）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に、超格子構造層をなす窒化ガリウム・インジウム（ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層にあって、ガリウム組成（＝Ｑ）をより大とする窒化ガリウム・インジウム層が接合させて設けられている、ことを特徴としている。
【００１３】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）乃至（５）項の何れかに記載の半導体素子にあって、（６）ＩＩＩ族窒化物半導超格子構造層が、膜厚を５ＭＬ以上３０ＭＬとするＩＩＩ族窒化物半導体層から構成されている、ことを特徴としている。
【００１４】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）乃至（６）項の何れかに記載の半導体素子にあって、（７）基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１１１｝珪素単結晶であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化ＡｌＮから構成されている、ことを特徴としている。
【００１５】
特に、本発明に係る半導体素子は、上記（１）乃至（６）項の何れかに記載の半導体素子にあって、（８）基板が、表面を｛００１｝結晶面とする｛００１｝珪素単結晶であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から構成されている、ことを特徴としている。
【００１６】
また、珪素単結晶からなる基板と、その珪素単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子の製造方法にあって、本発明の半導体素子の製造方法は、（Ａ）（１）珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面をなす結晶面に、炭化水素を吸着させる工程と、（２）その後、吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を０．３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程と、（３）その後、炭化珪素層の表面に、第Ｖ族元素を含む気体と、第ＩＩＩ族元素を含む気体を供給して、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する工程と、（４）その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程とを、含むことを特徴としている。
【００１７】
特に、本発明の半導体素子の製造方法は、上記（Ａ）項に記載の製造方法にあって、（Ｂ）基板を、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶とし、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛１１１｝結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成し、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する、ことを特徴としている。
【００１８】
また特に、上記（Ａ）項に記載の製造方法にあって、（Ｃ）基板を、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶とし、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛００１｝結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成し、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する、ことを特徴としている。
【００１９】
また特に、上記（Ｂ）または（Ｃ）項に記載の製造方法にあって、（Ｄ）珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料と、窒素を含む気体原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する、ことを特徴としている。
【００２０】
また特に、上記（Ｄ）項に記載の製造方法にあって、（Ｅ）珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を被着させた後、窒素を含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を窒化し、窒化アルミニウム層を形成する、ことを特徴としている。
【００２１】
また特に、上記（Ｄ）項に記載の製造方法にあって（Ｆ）珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素ガスを吹き付けると共に、電子を照射しつつ、珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素を吸着させる、ことを特徴としている。
【００２２】
また特に、上記（Ｆ）項に記載の製造方法にあって （Ｇ）珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する、ことを特徴としている。
【００２３】
すなわち本願発明は以下に関する。
[１]珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子であって、炭化珪素層は立方晶で格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、組成がＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦α＜１、Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素である。）である、ことを特徴とする半導体素子。
［２］ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、アルミニウム（Ａｌ）組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層を交互に積層した層である、ことを特徴とする[1]に記載の半導体素子。
［３］アルミニウム組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム層でアルミニウム組成を小とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接していることを特徴とする［２］に記載の半導体素子。
［４］ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、ガリウム（Ｇａ）組成を相違する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層を交互に積層した層である、ことを特徴とする［１］に記載の半導体素子
［５］ガリウム組成を相違する窒化ガリウム・インジウム層でガリウム組成を大とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接している、ことを特徴とする［４］に記載の半導体素子。
［６］ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、膜厚が５モノレイヤー（ＭＬ）〜３０ＭＬの範囲内である、ことを特徴とする［１］乃至［５］の何れか１項に記載の半導体素子。
［７］珪素単結晶基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする［１］乃至［６］の何れか１項に記載の半導体素子。
［８］珪素単結晶基板が、表面を｛００１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする［１］乃至［６］の何れか１項に記載の半導体素子。
【００２４】
［９］（１）珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面に炭化水素を吸着させる工程と、（２）吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数を０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程と、（３）炭化珪素層の表面に、第Ｖ族元素を含む気体と、第ＩＩＩ族元素を含む気体を供給して、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する工程と、（４）ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程とを、この順で含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
［１０］珪素単結晶基板を、表面を｛１１１｝結晶面とする基板とし、基板表面に形成する炭化珪素層を、表面を｛１１１｝結晶面とする層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、六方晶の層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を、六方晶の層とする、ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の製造方法。
［１１］珪素単結晶基板を、表面を｛００１｝結晶面とする基板とし、基板表面に形成する炭化珪素層を、表面を｛００１｝結晶面とする層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、立方晶の層とし、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を、立方晶の層とする、ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の製造方法。
［１２］（３）の工程において、炭化珪素層の表面に、第ＩＩＩ族元素を含む気体としてアルミニウムを含む気体と、第Ｖ族元素を含む気体として窒素を含む原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成する、ことを特徴とする［９］乃至［１１］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
［１３］（３）の工程を、（３ａ）炭化珪素層の表面に、第ＩＩＩ族元素を含む気体を供給して第ＩＩＩ族元素を含む層を形成する工程と、（３ｂ）第ＩＩＩ族元素を含む層を窒化してＩＩＩ族窒化物半導体接合層として第ＩＩＩ族元素の窒化層を形成する工程とする、ことを特徴とする［９］乃至［１２］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
［１４］（３ａ）の工程において、炭化珪素層の表面に、第ＩＩＩ族元素を含む気体としてアルミニウムを含む気体を供給してアルミニウム層を形成することを特徴とする［１３］に記載の半導体素子の製造方法。
［１５］（１）の工程を、（１ａ）珪素単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けると共に、電子を照射して基板の表面に炭化水素を吸着させる工程とする、ことを特徴とする［９］乃至［１４］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
［１６］（１）および（２）の工程を、（１ｂ）珪素単結晶基板の表面に、炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、珪素単結晶基板の表面に格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成する工程とする、ことを特徴とする［９］乃至［１４］の何れか１項に記載の半導体素子の製造方法。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に依れば、単結晶からなる基板と、その単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子にあって、本発明の半導体素子は、（１）基板を珪素単結晶とし、その基板上に設けられた、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素から緩衝層を構成し、その緩衝層上には、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を設け、更に、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を設けた積層構成を利用して、半導体素子を得ることとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子を提供できる。
【００２６】
特に、本発明では、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層を、アルミニウム組成を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層を交互に積層させて構成することとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定してもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子を安定して提供するに効果を奏する。
【００２７】
特に、本発明ではまた、アルミニウム組成を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層から成る超格子構造層を設けるにあって、その超格子構造層をなすＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層の中で、アルミニウム組成（＝Ｘ）をより小とするＡｌＸＧａ１−ＸＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に接合させて設ける積層構成としたので、特に、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができ、構成能の半導体素子を得るに貢献できる。
【００２８】
また、本発明ではまた、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に設ける超格子構造層を、ガリウム（Ｇａ）組成を相違するＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層を交互に積層させて構成することとしたので、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定してもたらすことができ、従って、高性能な半導体素子を安定して提供するに効果を奏する。
特に、本発明では、ＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から成る超格子構造層を設けるにあって、その超格子構造層をなすＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）の中で、ガリウム組成（＝Ｑ）をより大とする窒化ガリウム・インジウム層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に接合させて設ける積層構成としたので、特に、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができ、高性能な半導体素子を得るに貢献できる。
【００２９】
特に、本発明では、超格子構造層を、膜厚を５ＭＬ以上３０ＭＬとするＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から構成することとしたので、特に、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を安定して形成することができ、高性能な半導体素子を安定して得るに貢献できる。
【００３０】
特に、本発明では、基板を｛１１１｝珪素単結晶とし、その基板表面上に、ＳｉＣ緩衝層を介して設けるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、六方晶のウルツ鉱結晶型のＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）から構成することとしたので、その上に設ける超格子構造層等を六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層から統一的に構成することができ、従って、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体材料に基づく特性を発現できる半導体素子を得るに優位となる。
【００３１】
特に、本発明では、表面を｛００１｝結晶面とする｛００１｝珪素単結晶を基板とし、その基板表面上に、ＳｉＣ緩衝層を介して設けるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型のＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）から構成することとしたので、その上に設ける超格子構造層等を立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層から統一的に構成することができ、従って、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体材料に基づく特性を発現できる半導体素子を得るに優位となる。
【００３２】
また、本発明では、珪素単結晶からなる基板と、その珪素単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接合させて設けられたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを備えた半導体素子を製造するに際し、単結晶基板の表面に炭化水素ガスを吹き付けて、基板の表面をなす結晶面に、炭化水素を吸着させ、その後、吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して炭化珪素層を形成することとしたので、珪素単結晶基板の表面に、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶を確実に形成することができ、しいては、その上に、良質なＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、更にその上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層とを形成できるため、それらの半導体層の結晶性の良好さを反映して、特性に優れる半導体素子を製造できる。
【００３３】
特に、本発明に依れば、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶を基板として用い、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛１１１｝結晶面を表面とする立方晶の｛１１１｝炭化珪素層を形成して、その炭化珪素層の表面に、六方晶のＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成し、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程を経て、半導体素子を形成することとしたので、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶特性に基づく光学的或いは電気的特性を好適に発現できる半導体素子を製造できる。
【００３４】
また特に、本発明に依れば、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶を基板として用い、その基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成を有し、且つ、｛００１｝結晶面を表面とする立方晶の炭化珪素層を形成し、その炭化珪素層の表面に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成して、その後、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する工程を経て、半導体素子を形成することとしたので、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶特性に基づく光学的或いは電気的特性を好適に発現できる半導体素子を製造できる。
【００３５】
また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面に、アルミニウムを含む気体原料と、窒素を含む気体原料とを供給して、窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成することとしたので、格子ミスマッチを低減でき、従って、良質なＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を備えた高性能な半導体素子を製造できる。
【００３６】
また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成した後、その炭化珪素層の表面にＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成するに際し、アルミニウムを含む気体原料を供給して、炭化珪素層の表面にアルミニウム被膜を形成した後、その被膜に窒素を含む気体原料を供給して、アルミニウム膜を窒化し、窒化アルミニウム層を形成することとしたので、例えば、晶系が六方晶に画一的の揃ったＡｌＮからＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成できる。
【００３７】
また特に、本発明に依れば、珪素単結晶からなる基板の表面に、炭化水素ガスを吹き付けるに併せて、珪素単結晶基板の表面に電子を照射しつつ、珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素を吸着させる工程を経由して、格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下とする組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の立方晶の炭化珪素層を形成することとしたので、結晶欠陥が特に少ない結晶性に優れる炭化珪素層を安定して形成でき、しいては、高性能な半導体素子を安定して製造できる。
【００３８】
また特に、本発明に依れば、炭化水素ガスを吹き付けるに併せて、電子を照射しつつ、珪素単結晶からなる基板の表面に炭化水素を吸着させた後、電子を照射しつつ、炭化水素を吸着させた温度以上の温度に珪素単結晶基板を加熱して、基板をなす珪素と、その基板の表面に吸着した炭化水素との間の化合反応を促進させ、立方晶の炭化珪素層を形成することとしたので、結晶欠陥の少ない立方晶の炭化珪素層を効率的に形成でき、従って、高性能な半導体素子を効率的に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。
【図２】図１に記載したＬＥＤの破線Ａ−Ａに沿った断面構造を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例２に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
珪素単結晶基板としては、種々の面方位の結晶面を表面とする珪素単結晶を用いることができるが、本発明の実施にあたり、基板として最も好適に使用できる珪素結晶は、表面を｛００１｝結晶面、若しくは｛１１１｝結晶面とする｛００１｝若しくは｛１１１｝単結晶である。これらの結晶面から傾斜した結晶面を表面とする珪素単結晶も基板として充分に利用できる。｛００１｝結晶面より傾斜した結晶面、角度にして、例えば、２°＜１１０＞方向に傾斜した結晶面を表面とする珪素単結晶基板は、逆位相（反位相）粒界（英略称：ＡＰＤ）（坂 公恭著、材料学シリーズ「結晶電子顕微鏡学−材料研究者のための−」、１９９７年１１月２５日、（株）内田老鶴圃発行、第１版、６４〜６５頁参照）の少ない結晶層を得るに優位である。本発明では、｛００１｝珪素単結晶は、立方晶の結晶層を利用する半導体素子を構成する場合に主に用いる。一方、｛１１１｝珪素単結晶は、六方晶の結晶層を利用する半導体素子を構成する場合に主に用いる。
【００４１】
基板として用いる珪素単結晶の伝導形は不問である。ｐ形或いはｎ形の何れの伝導形の珪素単結晶を基板として利用できる。特に、抵抗率（比抵抗）の小さい良導性の珪素単結晶基板は、ＬＥＤやＬＤ等の半導体発光素子を作製するのに好適に利用できる。また、高抵抗の珪素単結晶は、素子を動作させるための電流（素子動作電流）の基板側への漏洩（ｌｅａｋ）を低減する必要がある半導体素子用途の基板として利用できる。例えば、ＦＥＴを作製するための基板として好適に利用できる（高抵抗のｐ形またはｎ形半導体は、各々、π形またはν形と称される場合がある（米津 宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子−」、平成７年５月２０日、工学図書（株）発行、５版、３１７頁脚注参照））。
本発明では、基板とする珪素単結晶の表面をなす結晶面の面方位に拘らず、その表面上には、炭化珪素層を設ける。この炭化珪素層は、Ｒａｍｓｄｅｌｌの表記方法に従えば（日本学術振興会高温セラミック材料第１２４委員会編著、「ＳｉＣ系セラミック新材料−最近の展開−」、２００１年２月２８日、（株）内田老鶴圃発行、第１版、１３〜１６頁参照）、３Ｃ型の結晶構造を有する立方晶の結晶層であるのが最も好ましい。３Ｃ型の立方晶の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）層であるか、または、例えば、４Ｈ型や６Ｈ型の六方晶の炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ）層であるかは、例えば、電子回折像の解析をもって判断できる。
【００４２】
３Ｃ−ＳｉＣ層は、珪素単結晶基板の表面に吸着させた炭化水素を利用して形成するのが望ましい。炭化水素を吸着させるための炭化水素ガスとしては、メタン（分子式ＣＨ３）、エタン（分子式Ｃ２Ｈ６）及びプロパン（分子式Ｃ３Ｈ８）等の飽和脂肪族炭化水素や、アセチレン（分子式Ｃ２Ｈ２）等の不飽和炭化水素を例示できる。その他、芳香族炭化水素類または脂環式炭化水素類もあるが、分解して珪素と反応し易いアセチレンが最も好ましく利用できる。｛１１１｝珪素単結晶の｛１１１｝結晶面にアセチレンを吸着させる温度は４００℃〜６００℃とするのが好ましい。｛００１｝珪素単結晶の｛００１｝結晶面にアセチレンを吸着させるのに適する温度は、｛１１１｝結晶面の場合より高く、４５０℃〜６５０℃である。
【００４３】
アセチレン等の炭化水素は、珪素単結晶基板の表面をなす結晶面に、珪素原子の最配列構造を創出した後に吸着させるのが好ましい。例えば、｛１１１｝珪素単結晶基板の｛１１１｝結晶面からなる表面に、（７×７）再配列構造を出現させた後、炭化珪素を吸着させるのが好ましい。（７×７）再配列構造は、例えば、｛１１１｝珪素単結晶の表面をなす｛１１１｝結晶面を、１０−６パルカル（圧力単位：Ｐａ）程度の高真空環境下、例えば、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）成長用チャンバー（ｃｈａｍｂｅｒ）内で７５０℃〜８５０℃で熱処理を施すと形成できる。珪素単結晶基板の表面の再配列構造は、高速反射電子回折（英略称：ＲＨＥＥＤ）などの電子回折分析手段により確認できる。
【００４４】
珪素単結晶基板の表面をなす結晶面に炭化水素を吸着させた後、珪素単結晶基板を加熱することにより、吸着させた炭化水素と基板結晶をなす珪素原子とを反応させ、炭化珪素層を形成する。この際、比較的高温で珪素単結晶基板を加熱すると、化学量論的に珪素を富裕に含む炭化珪素層を形成できる。炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を例えば、５００℃〜７００℃で加熱して形成する。加熱する温度を高温とする程、短時間で、化学量論的に珪素を富裕に含む炭化珪素層を形成できる。珪素を富裕に含む度合いは、炭化珪素層をなす非化学量論的な組成の炭化珪素の格子定数に反映される。非化学量論的な組成の炭化珪素では、珪素の組成が富裕になるに従い、格子定数は大きくなる。当量的な組成の３Ｃ−ＳｉＣの格子定数が０．４３６ｎｍであるのに対し（上記の「ＳｉＣ系セラミック新材料−最近の展開−」、３４０頁、表５．１．１．参照）、本発明に係わる非化学量論的な組成の炭化珪素層は、０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の格子定数を有するのを特徴としている。
【００４５】
上記の様な範囲にある格子定数を有する立方晶３Ｃ型の炭化珪素層は、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料との格子ミスマッチ度が少ない。従って、例えば、格子定数を０．４５１ｎｍとする立方晶閃亜鉛鉱結晶型のＧａＮからＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成するに際し、格子整合性に優れる緩衝層として有用となる。
また、上記の様な範囲にある格子定数を有する立方晶３Ｃ型の炭化珪素層の（１１０）結晶面の間隔は、ウルツ鉱結晶型で六方晶のＡｌＮのａ軸と略一致するため、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層となす六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するにも好都合となる。上記の範囲外の格子定数を有する立方晶の炭化珪素層は、立方晶或いは六方晶の何れの結晶型のＩＩＩ族窒化物半導体材料との格子ミスマッチが増大するため、その上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体接合層の結晶的品質は顕著に悪化させ、極めて不都合である。
【００４６】
珪素を炭素に比べ富裕に含む非化学量論的な組成の炭化珪素層は、また、珪素単結晶基板の表面に炭化水素を吸着させた後、その基板の表面に、珪素を含む気体を供給しつつ、加熱することに依っても形成できる。例えば、炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板の表面に、シラン（分子式ＳｉＨ４）類を供給しつつ、加熱して形成する。また、高真空に保持された例えば、ＭＢＥ成長用チャンバー内で珪素のビームを照射しつつ、炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を加熱することにより形成できる。形成した非化学量論的な組成の炭化珪素層の格子定数は、例えば、電子回折法などの分析手段により計測できる。
【００４７】
非化学量論的な組成の炭化珪素層を形成するにあって、表面を｛００１｝結晶面とする炭化珪素層を得るには、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶を基板として用いる。また、表面を｛１１１｝結晶面とする非化学量論的な組成の炭化珪素層を得るには、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶を基板として用いる。
【００４８】
表面をなす結晶面の面方位に関係無く、珪素単結晶基板の表面に炭化珪素層を形成するに際し、基板の表面に、電子を照射しつつ、炭化水素ガスを吹き付けると、炭化水素を基板の表面に均一に吸着させられる。照射する電子は、例えば、真空中に於いて電熱された金属から放出される熱電子を利用する。珪素単結晶基板の表面の均等な密度で照射する。照射密度としては、１×１０１２〜５×１０１３ｃｍ−２が適する。また、照射する電子の加速エネルギーが約１００エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）未満と低いと、炭化水素を珪素単結晶基板の表面に均一に吸着させるに至らない。５００ｅＶを超える加速エネルギーの電子を照射させると、却って、炭化水素の分解や脱着が促進され、不都合である。
従って、電子発生源、例えば、タングステン（Ｗ）フィラメントと被照射体の珪素単結晶基板との間の電位差は、１００ボルト（Ｖ）以上で５００Ｖ以下とするのが好ましい。
【００４９】
また、表面に炭化水素を吸着させた珪素単結晶基板を加熱して、その基板の表面に３Ｃ−ＳｉＣ層を形成する際にも、電子を照射すれば、双晶や積層欠陥等の結晶欠陥密度の小さい結晶性に優れる３Ｃ−ＳｉＣ層を形成できる。電子の照射密度としては、１×１０１２〜５×１０１３ｃｍ−２が適する。また、照射する電子の加速エネルギーは、１００ｅＶ〜５００ｅＶが適する。
【００５０】
非化学量論的な組成の炭化珪素層には、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）以外の第Ｖ族元素を表し、０≦α＜１である。）からなるＩＩＩ族窒化物半導体層を接合させて設ける。ＩＩＩ族窒化物半導体接合層をなすＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭαは、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａＹＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１，Ｘ＋Ｙ＝１），窒化ガリウム・インジウム（ＧａＹＩｎＺＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）、窒化リン化アルミニウム（ＡｌＮ１−αＰα：０≦α＜１）から構成できる。
【００５１】
ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、非化学量論的な組成の炭化珪素層の格子定数（ａ）（０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下である。）に近似する格子定数または格子面間隔を有するＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成するのが好適である。例えば、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型のＡｌＮ（ａ＝０．４３８ｎｍ）やＧａＮ（ａ＝０．４５１ｎｍ）から好適に構成できる。また、本発明に係わる非化学量論的な組成の立方晶炭化珪素層の（１１０）結晶面の間隔（０．３０８ｎｍ〜０．３２５ｎｍ）に近似するａ軸を有する六方晶ウルツ鉱結晶型のＡｌＮ、ＧａＮ及びそれらの混晶から構成できる。
【００５２】
六方晶のＡｌＮ等からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を形成するには、｛１１１｝結晶面を表面とする｛１１１｝珪素単結晶を基板として用いるのが得策である。また、立方晶のＡｌＮ等からなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を得るには、｛００１｝結晶面を表面とする｛００１｝珪素単結晶を基板として用いるのが利便である。
【００５３】
更に、ＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するに際し、珪素単結晶基板の表面に一旦、アルミニウム（Ａｌ）膜を被着させた後、そのＡｌ膜を、窒素含有気体を含む雰囲気中で窒化して、ＡｌＮ層となす手段もある。この形成手段に依れば、晶系の揃ったＡｌＮ層を効率的に形成できる。例えば、｛１１１｝珪素単結晶基板の｛１１１｝結晶面からなる表面に、Ａｌ膜を形成し、その後、例えば、窒素プラズマ雰囲気中で窒化すれば、晶系を六方晶に画一的に揃った六方晶ＡｌＮ層を形成できる。
【００５４】
非化学量論的な組成の炭化珪素層上に整合性良く形成されたＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、その上層として設ける超格子構造層の形成を促進させる。ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、例えば、有機金属化学的気相堆積法（英略称：ＭＯＣＶＤ）、ハロゲン（ｈｏｌｏｇｅｎ）またはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）化学的気相堆積（ＣＶＤ）法、ＭＢＥ法、ケミカルビーム成長法（英略称：ＣＢＥ）などの成長手段を利用して形成できる。
【００５５】
ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上には、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を形成する。例えば、構成元素の組成を相違するＩＩＩ族窒化物半導体層を交互に積層させて、超格子構造を形成する。また、例えば、禁止帯幅（ｂａｎｄｇａｐ）を相違するＩＩＩ族窒化物半導体層を交互に積層させて、超格子構造を形成する。ＩＩＩ族窒化物半導体接合層をＡｌＮまたはＧａＮから構成する場合、超格子構造層は、格子マッチングの良好さから、アルミニウム組成（＝Ｘ）を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層から構成するのが好ましい。また、ガリウム組成（＝Ｑ）を相違するＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から構成するのが好ましい。
【００５６】
特に、超格子構造層を構成するアルミニウム組成を相違するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層の中で、アルミニウム組成を最小とするＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接合させる設ける構成すると、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を与える超格子構造層が得られる。また同様に、超格子構造層を構成するガリウム組成を相違するＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層の中で、ガリウム組成を最大とするＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接合させて設ける構成とすると、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を与える超格子構造層が得られる。
【００５７】
特に、超格子構造層を、層厚を５ＭＬ以上で３０ＭＬ以下とするＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層から構成すると、結晶層の内部の歪の伝播を好都合に抑制できる。従って、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらす超格子構造層を形成できる。１ＭＬの厚さとは、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、ｃ軸の１／２の厚さである。例えば、ｃ軸を０．５２０ｎｍとする六方晶ウルツ鉱結晶型のＧａＮの１ＭＬの厚さは、０．２６０ｎｍである。立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層にあっては、格子定数に相当する厚さである。
【００５８】
超格子構造層はまた、電子や正孔（ｈｏｌｅ）に量子準位を与える量子井戸構造であっても差し支えは無い。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層から量子井戸構造を構成する場合、アルミニウム組成（＝Ｘ）がより大きく、禁止帯幅がより大きなＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層とし、アルミニウム組成（＝Ｘ）がより小さく、禁止帯幅がより小さなＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を井戸（ｗｅｌｌ）層として構成する。また、ＧａＱＩｎ１−ＱＮ（０≦Ｑ≦１）層から量子井戸構造を構成する場合、ガリウム組成（＝Ｑ）がより大きく、禁止帯幅がより大きなＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を障壁層とし、ガリウム組成（＝Ｑ）がより小さく、禁止帯幅がより小さなＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を井戸（ｗｅｌｌ）層として構成する。
【００５９】
超格子構造層を構成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体接合層の場合と同じく、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ハロゲン（ｈｏｌｏｇｅｎ）またはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥなどの成長手段を利用して形成できる。上記のＩＩＩ族窒化物半導体接合層の形成に利用したのと同一の成長手段に依り、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層上に引き続き超格子構造層を形成することとすると、半導体素子を得るに簡便となる。
【００６０】
超格子構造層を構成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を成長させるに際し、それらの層を構成するＩＩＩ族元素の原料とＶ族元素とを交互に繰り返し供給して成長させると、表面の平坦性に優れる超格子構造層を得ることができる。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層の表面に、先ず、ＩＩＩ族元素の原料を供給し、その後、ＩＩＩ族元素の原料の供給を停止し、代替に窒素源を供給する手段、即ち、ＩＩＩ族元素とＶ族元素の原料を交互に供給しつつ形成したＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を用いれば、表面の平坦性に優れる超格子構造を形成できる。
【００６１】
珪素単結晶基板の表面の清浄化、その清浄化された基板表面への炭化水素の吸着、吸着させた炭化水素を利用した炭化珪素層の形成、炭化珪素層上へのＩＩＩ族窒化物半導体接合層の形成、及びＩＩＩ族窒化物半導体接合層上への超格子構造層の形成は、一貫して同一の設備を行うのが、簡略な工程をもって簡易に半導体素子を製造する上で得策である。
ＭＢＥ法に依れば、高真空な環境下で成長を行うが故に、炭化水素を吸着させ、それを元に炭化珪素層を形成する際に、電子を珪素単結晶基板の表面に向けて照射することも容易に行える。また、ＭＢＥ法では、上記の如く、構成元素の原料を交互に供給しつつ、超格子構造層をなすＡｌＸＧａ１−ＸＮ層またはＧａＱＩｎ１−ＱＮ層を簡易に形成できる利点がある。
【００６２】
超格子構造層上には、表面の平坦性に優れる成長層を形成できる。従って、その様な平坦性に優れる成長層を活性層（能動層）として利用すれば、光学的或いは電気的特性に優れる半導体素子を構成できる。例えば、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層上の六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層に設けた六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を、電子走行層（チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層）や電子供給層として利用すれば高移動度ＦＥＴを構成できる。特に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体に依るピエゾ（ｐｉｅｚｏ）の発現に依り、２次元電子を効率的に蓄積する電子走行層を備えた高移動度ＦＥＴを製造できる。
【００６３】
また、例えば、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層上の立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層に設けた立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を、下部クラッド層や発光層として利用すれば高輝度のＬＥＤ等の発光素子を形成できる。特に、価電子帯が縮退している立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体の性質を利用すれば、発振波長が画一化されたＬＤをもたらせる。
【実施例】
【００６４】
（実施例１）
本実施例１では、（１１１）結晶面を表面とする（１１１）珪素単結晶基板に設けた非化学量論的な組成の炭化珪素層、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層とを含むエピタキシャル積層構造体から発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
【００６５】
本実施例１で作製した半導体ＬＥＤ１０の平面構造を図１に模式的に示す。また、図２には、図１に示したＬＥＤ１０の破線Ａ−Ａ線に沿った断面構造を模式的に示す。
【００６６】
ＬＥＤ１０の作製には、（１１１）結晶面を表面とする、硼素（元素記号：Ｂ）を添加したｐ形の珪素単結晶を基板１０１として用いた。基板１０１を、ＭＢＥ成長用の成長チャンバー内に搬送した後、約５×１０−７パスカル（Ｐａ）の高真空中で、基板１０１を８５０℃に加熱した。 ＲＨＥＥＤパターンを監視しつつ、基板１０１の表面をなす（１１１）結晶面が（７×７）再配列構造となる迄、同温度で継続して加熱した。
【００６７】
（７×７）再配列構造が出現したのを確認した後、基板１０１をＭＢＥ成長チャンバー内に収納したままで、４５０℃に降温した。次に、基板１０１の表面にアセチレンガスを吹き付け、アセチレンをその表面に吸着させた。アセチレンガスは、ＲＨＥＥＤパターン上で、基板１０１の表面の（７×７）再配列構造に起因する電子回折斑点（ｓｐｏｔ）が略消滅する迄、継続して吹き付けた。
【００６８】
その後、アセチレンガスの基板１０１の表面への吹き付けを停止し、基板１０１を６００℃に昇温した。ＲＨＥＥＤパターンに立方晶３Ｃ型の炭化珪素に依るストリーク（光条）が出現する迄、同温度に基板１０１を保持し、珪素単結晶基板１０１の表面に炭化珪素層１０２を形成した。６００℃に於いて、（１１１）珪素単結晶のＲＨＥＥＤパターンから求めた珪素単結晶の格子定数を基に、形成した炭化珪素の格子定数は、０．４５０ｎｍと計算された。炭化珪素層１０２の層厚は約２ｎｍであり、表面は、（１１１）結晶面であった。
【００６９】
非化学量論的な組成の炭化珪素層１０２上には、窒素プラズマを窒素源とするＭＢＥ法に依り、ウルツ鉱結晶型の六方晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０３を、基板１０１の温度を７２０℃として形成した。窒素プラズマは、高純度窒素ガスに、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波と磁界とを印加する電子サイクトロトロン共鳴（ＥＣＲ）型装置を用いて発生させた。ＭＢＥ成長チャンバーを約１×１０−６Ｐａの高真空に保持しつつ、窒素プラズマ内の原子状窒素（窒素ラジカル）を電気的斥力を利用して抽出して、炭化珪素層１０２の表面に噴霧した。本発明の云うＩＩＩ族窒化物半導体接合層として形成した、ＡｌＮ層１０３の層厚は約１５ｎｍであり、表面は、{０００１}結晶面であった。
【００７０】
六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）のＡｌＮ層１０３上には、７２０℃でＭＢＥ法に依り、六方晶の第１のｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）１０４ａを形成した。超格子構造層１０４の構成層たる第１のｎ形ＧａＮ層１０４ａの層厚は、１０ＭＬ（約２．６ｎｍ）とした。第１のｎ形ＧａＮ層１０４ａには、超格子構造層１０４を構成する別の構成層であるアルミニウム（Ａｌ）組成比を０．１０とする第１のｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ）１０４ｂを接合させて設けた。次に、第１のｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂには、第２のｎ形ＧａＮ層１０４aを接合させて設けた。第２のｎ形ＧａＮ層１０４ａには、第２のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂを接合させて設けた。第２のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂ上には、更に、第３のｎ形ＧａＮ層１０４ａ及び第３のｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂとを設けて、超格子構造層１０４の形成を終了した。第１乃至第３のｎ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ混晶層１０４ｂの層厚は何れも１０ＭＬとした。
【００７１】
超格子構造層１０４上には、ＭＢＥ法に依り、珪素（Ｓｉ）をドーピングしつつ、層厚を約２２００ｎｍとするｎ形ＧａＮからなる下部クラッド層１０５を設けた。ｎ形ＧａＮ層１０５は、上記の超格子構造層１０４を介して設けたため、表面粗さは、ｒ．ｍ．ｓ．値にして約１．０ｎｍと良好な平坦性を有していた。
【００７２】
下部クラッド層１０５上には、ｎ形ＧａＮを障壁層と、ｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ）を井戸層とを、交互に５周期に亘り、積層させた構成からなる多重量子井戸構造の発光層１０６を形成した。発光層１０６には、ｐ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（層厚約９０ｎｍ）からなる上部クラッド層１０７を形成した。これより、ｎ形クラッド層１０５と、ｎ形発光層１０６と、及びｐ形上部クラッド層１０７とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を構成した。発光部をなすｐ形上部クラッド層１０７上には、更に、ｐ形ＧａＮ（層厚約１００ｎｍ）からなるコンタクト層１０８を設けて、ＬＥＤ１０用途の積層構造体１１を形成した。
【００７３】
積層構造体１１の最表層をなすｐ形コンタクト層１０８の表面には、金（元素記号：Ａｕ）とニッケル（元素記号：Ｎｉ）酸化物とからなるｐ形のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０９を形成した。一方のｎ形オーミック電極１１０は、その電極１１０を設ける領域にある発光層１０６、上部クラッド層１０７、及びコンタクト層１０８を一般的なドライエッチング手段で除去した後、形成した。ｎ形オーミック電極１１０は、超格子構造層１０４を介して形成したため、良好な平坦性を有することとなった下部クラッド層１０５の表面に設けた。即ち、ＬＥＤ１０では、ｐ形オーミック電極１０９と、ｎ形オーミック電極１１０とを、珪素単結晶基板１０１に関して、同一の表面側に設けた。
【００７４】
上記の如く作製したＬＥＤチップ１０のｐ形及びｎ形オーミック電極１０９，１１０間に素子動作電流を通流し、発光及び電気的特性を調査した。ＬＥＤ１０に順方向に電流をながしたところ、主波長を４６０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光強度は、約２．２ｍＷの高強度となった。順方向に２０ｍＡの電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約３．４Ｖとなった。また、非化学量論的な組成の炭化珪素層１０２を緩衝層として設けたために、その上に結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層１０４、及びＤＨ構造型の発光部を設けられた。このため、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は１５Ｖの高電圧となった。また、特に、結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から超格子構造層１０４及び発光部を構成することとしたので、局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）の殆どない逆方向の耐電圧性に優れるＬＥＤを構成できた。
（実施例２）
本実施例１では、（００１）結晶面を表面とする（００１）珪素単結晶基板に設けた非化学量論的な組成の炭化珪素層、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体接合層、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層とを含むエピタキシャル積層構造体から発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
【００７５】
本実施例２で作製した半導体ＬＥＤ２０の断面構造を模式的に示す。
【００７６】
ＬＥＤ２０の作製には、（００１）結晶面を表面とする、燐（元素記号：Ｐ）を添加したｎ形の珪素単結晶を基板２０１として用いた。基板２０１を、ＭＢＥ成長用の成長チャンバー内に搬送した後、約５×１０−７パスカル（Ｐａ）の高真空中で、基板２０１を８００℃に加熱した。 ＲＨＥＥＤパターンを監視しつつ、基板２０１の表面をなす（１００）結晶面が（２×１）再配列構造となる迄、同温度で継続して加熱した。
【００７７】
（２×２）再配列構造が出現したのを確認した後、基板２０１をＭＢＥ成長チャンバー内に収納したままで、４２０℃に降温した。次に、基板２０１の表面にアセチレンガスを吹き付け、併せて、電子を照射しつつ、アセチレンをその表面に吸着させた。電子は、高真空に保たれた成長チャンバー内に配置したタングステン（元素記号：Ｗ）フィラメントを通電加熱して発生させた。電子は、加速電圧を３００Ｖとし、面積密度約５×１０１２ｃｍ−２で照射した。アセチレンガスと電子は、ＲＨＥＥＤパターン上で、基板２０１の表面の（２×１）再配列構造に起因する電子回折斑点が略消滅する迄、継続して供給した。
【００７８】
その後、珪素単結晶基板２０１を５５０℃に昇温した。基板２０１の温度が５５０℃に安定した時点で、電子を基板２０１に向けて。再び、照射し始めた。ＲＨＥＥＤパターンに立方晶３Ｃ型の炭化珪素に依るストリークが出現する迄、同温度で基板２０１の表面に電子を照射し続け、珪素単結晶基板２０１の表面に３Ｃ型立方晶の炭化珪素層２０２を形成した。６００℃に於いて、（００１）珪素単結晶のＲＨＥＥＤパターンから求めた珪素単結晶の格子定数を基に、形成した炭化珪素の格子定数は０．４４０ｎｍと計算された。
また、炭化珪素層２０２のＲＨＥＥＤパターンには、双晶及び積層欠陥に起因する異常回折は認められなかった。また、炭化珪素層２０２の層厚は約２ｎｍであり、同層２０２の表面は、（００１）結晶面であった。
【００７９】
非化学量論的な組成の炭化珪素層２０２上には、窒素プラズマを窒素源とするＭＢＥ法に依り、立方晶閃亜鉛鉱結晶型の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層２０３を、基板２０１の温度を７００℃として形成した。窒素プラズマは、高純度窒素ガスに、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波と磁界とを印加する電子サイクトロトロン共鳴（ＥＣＲ）型装置を用いて発生させた。ＭＢＥ成長チャンバーを約１×１０−６Ｐａの高真空に保持しつつ、窒素プラズマ内の原子状窒素（窒素ラジカル）を電気的斥力を利用して抽出して、炭化珪素層２０２の表面に噴霧した。本発明の云うＩＩＩ族窒化物半導体接合層たるＡｌＮ層２０３の層厚は約８ｎｍとした。ＡｌＮ層２０３は、（００１）結晶面を表面とする単結晶層であった。
【００８０】
立方晶（ｃｕｂｉｃ）のＡｌＮ層２０３の表面の（００１）結晶面上には、７００℃でＭＢＥ法に依り、立方晶の第１のｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）２０４ａを形成した。超格子構造層２０４の構成層たる第１のｎ形ＧａＮ層２０４ａの層厚は、１５ＭＬ（約３．９ｎｍ）とした。第１のｎ形ＧａＮ層２０４ａには、超格子構造層２０４を構成する別の構成層であるガリウム（Ｇａ）組成比を０．９５とする第１のｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ）２０４ｂを接合させて設けた。次に、第１のｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂには、第２のｎ形ＧａＮ層２０４aを接合させて設けた。第２のｎ形ＧａＮ層２０４ａには、第２のＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂを接合させて設けた。第２のＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂ上には、更に、第３のｎ形ＧａＮ層２０４ａ及び第３のｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂとを設けて、超格子構造層２０４の形成を終了した。第１乃至第３のｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂの層厚は何れも１０ＭＬとした。
【００８１】
超格子構造層２０４の最表層をなす（００１）結晶面を表面とするｎ形Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶層２０４ｂ上には、ＭＢＥ法に依り、珪素をドーピングしつつ、層厚を約１８００ｎｍとする立方晶でｎ形のＧａＮからなる下部クラッド層２０５を設けた。ｎ形ＧａＮ層２０５は、上記の超格子構造層２０４を介して設けたため、表面粗さはｒ．ｍ．ｓ．にして約１．２ｎｍと良好な平坦性を有していた。
【００８２】
下部クラッド層２０５上には、立方晶のｎ形ＧａＮ障壁層と立方晶のｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ）井戸層との５対の構成からなる多重量子井戸構造の発光層２０６をＭＢＥ法により７００℃で形成した。発光層２０６には、層厚を約１００ｎｍとする立方晶でｐ形Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる上部クラッド層２０７を形成した。これより、ｎ形クラッド層２０５と、ｎ形発光層２０６と、及びｐ形上部クラッド層２０７とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を構成した。発光部をなすｐ形上部クラッド層２０７上には、更に、層厚を約９０ｎｍとする立方晶のｐ形ＧａＮからなるコンタクト層２０８をＭＢＥ法で設けて、ＬＥＤ２０用途の積層構造体２１を形成した。
【００８３】
積層構造体２１の最表層をなすｐ形コンタクト層２０８の表面の中央には、金（Ａｕ）とニッケル（Ｎｉ）酸化物とからなるｐ形のオーミック電極２０９を形成した。一方のｎ形オーミック電極２１０は、ｎ形珪素単結晶基板２０１の裏面の全面に金真空蒸着膜を設けて構成した。
【００８４】
上記の如く作製したＬＥＤチップ２０のｐ形及びｎ形オーミック電極２０９，２１０間に素子動作電流を通流し、発光及び電気的特性を調査した。ＬＥＤ２０に順方向に電流をながしたところ、主波長を４６５ｎｍとする青色光が出射された。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光強度は、約２．０ｍＷの高強度となった。順方向に２０ｍＡの電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約３．３Ｖとなった。また、非化学量論的な組成の炭化珪素層２０２を緩衝層として設けたために、その上に結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層からなる超格子構造層２０４、及びＤＨ構造型の発光部を設けられた。このため、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は１５Ｖの高電圧となった。また、特に、結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から超格子構造層２０４及び発光部を構成することとしたので、局所的な耐圧不良の殆どない逆方向の耐電圧性に優れるＬＥＤを構成できた。
（実施例３）
金属アルミニウム膜を窒化することにより形成した窒化アルミニウムからなるＩＩＩ族窒化物半導体接合層を備えたＬＥＤ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。
【００８５】
上記の実施例１に記載の如く、（１１１）結晶面を表面とする（１１１）珪素単結晶基板上に、立方晶３Ｃ型の炭化珪素層を形成した。次に、格子定数を０．４５０ｎｍとする炭化珪素層の（１１１）結晶面からなる表面に、ＭＢＥ成長チャンバー内で、アルミニウム（Ａｌ）のビーム（ｂｅａｍ）を照射して、Ａｌ被膜を形成した。Ａｌ被膜の膜厚は約３ｎｍとした。
【００８６】
次に、ＭＢＥ成長用チャンバーに備え付けられたＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型高周波（ＲＦ）プラズマ発生装置を利用して窒素プラズマを、同チャンバー内に発生させた。然る後、窒素プラズマ中の窒素ラジカルを選択的に抽出して、上記のＡｌ被膜に照射し、それを窒化させた。窒化に依り形成されたＡｌＮ膜は、ＲＨＥＥＤパターンから六方晶であるとされた。
【００８７】
Ａｌ被膜を窒化して形成した六方晶ＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として、その上には、上記の実施例１に記載のとおりの構成からなる超格子構造層、ｎ形下部クラッド層、ｎ形発光層、ｐ形上部クラッド層、及びｐ形コンタクト層を順次、積層させてＬＥＤ用途の積層構造体を形成した。窒化に依り形成したＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として用いることにより、その上に設けた上記の超格子構造層等を構成するＩＩＩ族窒化物半導体層は何れも、六方晶の晶系に画一的に統一されたものとなった。電子回折分析及び一般的な断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察に依れば、それら各層の表面は（０００１）結晶面であり、またその各層の内部には、立方晶の結晶塊の存在は殆ど認められなかった。
【００８８】
窒化に依り形成した六方晶ＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として備えた上記の積層構造体には、上記実施例１に記載の如くのｐ形及びｎ形オーミック電極を設けて、ＬＥＤを構成した。
【００８９】
ＬＥＤに、２０ｍＡの順方向電流を通流した際の発光波長は、上記実施例に記載のＬＥＤと略同一の約４６０ｎｍであった。また、Ａｌ被膜の窒化に依り形成した晶系が六方晶に画一的に統一されたＡｌＮ層をＩＩＩ族窒化物半導体接合層として用いたために、立方晶の結晶塊の混在が無い六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶から発光層が形成されているため、ＬＥＤチップ間の発光波長は均一であった。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に依れば、結晶性に優れる良質で、且つ、表面の平坦性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらすことができ、従って、高性能の半導体素子として利用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ ＬＥＤ
１１ ＬＥＤ用積層構造体
１０１ 珪素単結晶基板
１０２ 非化学量論的な組成の炭化珪素層
１０３ ＩＩＩ族窒化物半導体接合層（ＡｌＮ層）
１０４ ＩＩＩ族窒化物半導体超格子構造層
１０５ ＩＩＩ族窒化物半導体下部クラッド層
１０６ ＩＩＩ族窒化物半導体発光層
１０７ ＩＩＩ族窒化物半導体上部クラッド層
１０８ ＩＩＩ族窒化物半導体コンタクト層
１０９ ｐ形オーミック電極
１１０ ｎ形オーミック電極
２０ ＬＥＤ
２１ ＬＥＤ用積層構造体
２０１ 珪素単結晶基板
２０２ 非化学量論的な組成の炭化珪素層
２０３ ＩＩＩ族窒化物半導体接合層（ＡｌＮ層）
２０４ ＩＩＩ族窒化物半導体超格子構造層
２０５ ＩＩＩ族窒化物半導体下部クラッド層
２０６ ＩＩＩ族窒化物半導体発光層
２０７ ＩＩＩ族窒化物半導体上部クラッド層
２０８ ＩＩＩ族窒化物半導体コンタクト層
２０９ ｐ形オーミック電極
２１０ ｎ形オーミック電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子であって、炭化珪素層は立方晶で格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、組成がＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦α＜１、Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素である。）である、ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、アルミニウム（Ａｌ）組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層を交互に積層した層である、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】
アルミニウム組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム層でアルミニウム組成を小とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接してい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】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、ガリウム（Ｇａ）組成を相違する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層を交互に積層した層である、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項５】
ガリウム組成を相違する窒化ガリウム・インジウム層でガリウム組成を大とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接している、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、膜厚が５モノレイヤー（ＭＬ）〜３０ＭＬの範囲内である、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項７】
珪素単結晶基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
珪素単結晶基板が、表面を｛００１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項１】
珪素単結晶基板と、その基板の表面に設けた炭化珪素層と、その炭化珪素層に接して設けたＩＩＩ族窒化物半導体接合層と、そのＩＩＩ族窒化物半導体接合層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層を備えた半導体素子であって、炭化珪素層は立方晶で格子定数が０．４３６ｎｍを超え、０．４６０ｎｍ以下の、組成的に珪素を富裕に含む非化学量論的な組成の層であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層は、組成がＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−αＭα（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦α＜１、Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素である。）である、ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、アルミニウム（Ａｌ）組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）層を交互に積層した層である、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】
アルミニウム組成を相違する窒化アルミニウム・ガリウム層でアルミニウム組成を小とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接してい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】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、ガリウム（Ｇａ）組成を相違する窒化ガリウム・インジウム（ＧａＱＩｎ１−ＱＮ：０≦Ｑ≦１）層を交互に積層した層である、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項５】
ガリウム組成を相違する窒化ガリウム・インジウム層でガリウム組成を大とする層が、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層に接している、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる超格子構造層が、膜厚が５モノレイヤー（ＭＬ）〜３０ＭＬの範囲内である、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項７】
珪素単結晶基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、六方晶のウルツ鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
珪素単結晶基板が、表面を｛００１｝結晶面とする基板であり、ＩＩＩ族窒化物半導体接合層が、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である、ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２５８９８８（Ｐ２０１１−２５８９８８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００１５３（Ｐ２０１１−２００１５３）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【分割の表示】特願２００５−２２９４２６（Ｐ２００５−２２９４２６）の分割
【原出願日】平成１７年８月８日（２００５．８．８）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【分割の表示】特願２００５−２２９４２６（Ｐ２００５−２２９４２６）の分割
【原出願日】平成１７年８月８日（２００５．８．８）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
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