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JP2008153285A - 窒化物半導体装置および窒化物半導体製造方法 - Google Patents

窒化物半導体装置および窒化物半導体製造方法 Download PDF

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JP2008153285A JP2006337249A JP2006337249A JP2008153285A JP 2008153285 A JP2008153285 A JP 2008153285A JP 2006337249 A JP2006337249 A JP 2006337249A JP 2006337249 A JP2006337249 A JP 2006337249A JP 2008153285 A JP2008153285 A JP 2008153285A
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國美 岡本
Hiroaki Ota
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Abstract

【課題】ｃ面以外の成長主面を持ち、平坦でかつ結晶欠陥が少ない窒化ガリウム半導体層を有する窒化物半導体装置およびそのような窒化ガリウム半導体層を形成するための窒化物半導体製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面（たとえばｍ面）を持つ。このＧａＮ基板１上に、有機金属化学気相成長法によって、ＧａＮ半導体層２が形成される。Ｎ型コンタクト層２１は、ガリウム原料に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が低い条件で成長した第１Ｎ型ＧａＮ層２１１上に、Ｖ／III比が高い条件で第２Ｎ型ＧａＮ層２１２を成長させて得られたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、窒化物半導体発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）や、パワーデバイス高周波デバイス等の窒化物半導体電子デバイス（トランジスタ、ダイオード等）などの窒化物半導体装置、およびこのような窒化物半導体装置の作製に適用することができる窒化物半導体の製造方法に関する。
III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体は「III族窒化物半導体」と呼ばれ、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができ、これを、「窒化ガリウム半導体」または「ＧａＮ半導体」ということにする。
ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、Ｎ型層およびＰ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に再成長されたＧａＮ半導体の主面はｃ面である。このｃ面から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い（効率は最大でも５０％）という問題がある。
この問題を解決するために、ｃ面以外、すなわち、ａ面、ｍ面等の無極性（ノンポーラ）面、または半極性（セミポーラ）面を主面とするＧａＮ半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。無極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層によってＰ型層およびＮ型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、高輝度な表示を実現できる。
ところが、無極性面または半極性面上に、転位（結晶欠陥）が少なく、かつ、表面状態のよいＧａＮ半導体の再成長層を形成するための条件は極めて厳しい。
より具体的には、ｃ面を主面とするＧａＮ基板上にＧａＮ半導体を再成長させる場合には、ガリウム原料に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が３０００程度の条件でのＭＯＣＶＤ法が適用される。同様の条件でｍ面を成長主面とするＧａＮ半導体を成長させると、横方向または斜め方向に（０００−１）面などのＮ極性面が形成され、成長速度が遅いために、島状成長となる。そのため、平坦な膜を得ることができない。
一方、ｍ面を主面とするＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ半導体層を成長させる際に、Ｖ／III比を１０００未満とすることにより、転位および積層欠陥の発生を抑制することが提案されている。しかし、Ｖ／III比が低いと、Ｎ空乏が多く発生し、ミクロな結晶性が悪くなり、言い換えると、非発光再結合が増えることで発光効率が下がるという問題があった。
このように、結晶欠陥が多く、また表面状態の悪いＧａＮ半導体層を用いて発光デバイスを作製しても、外部量子効率が低く、満足な発光特性を得ることができない。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 A. Chakraborty, B. A. Haskell, H. S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura and U. K. Mishra: Jap. J. Appl. Phys. 44 (2005) L173
この発明の目的は、ｃ面以外の成長主面を持ち、平坦でかつ結晶欠陥が少ない窒化ガリウム半導体層を有する窒化物半導体装置およびそのような窒化ガリウム半導体層を形成するための窒化物半導体製造方法を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、III族元素原料（より具体的にはたとえば、ガリウム原料）に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が所定の第１Ｖ／III比であり、ｃ面以外の成長主面を持つ第１III族窒化物半導体層と、前記第１III族窒化物半導体層上に設けられ、前記第１Ｖ／III比よりも高い第２Ｖ／III比を持ち、前記第１III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第２III族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体装置である。
この構成によれば、第１III族窒化物半導体層はＶ／III比の低い条件で成長した層である。このようなIII族窒化物半導体層は、形成時におけるＮ極性面の成長速度が速いので、平坦な膜となる。一方、第２III族窒化物半導体層は、Ｖ／III比の高い条件で成長した層である。このようなIII族窒化物半導体層は、欠陥密度が低く、結晶性が良好である。
このようにして、この発明の構成によれば、平坦性および結晶性がいずれも良好なIII族窒化物半導体層を有する窒化物半導体装置を実現できる。たとえば、このような窒化物半導体装置を発光デバイスに適用すれば、非発光再結合を抑制して、発光効率を向上することができる。
請求項２に記載されているように、前記窒化物半導体装置は、基板と、この基板上に形成されたＡｌＮ層（たとえば、１０ｎｍ以下）とをさらに含み、前記ＡｌＮ層上に前記第１III族窒化物半導体層が形成されているものであってもよい。
また、請求項３に記載されているように、前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がｍ面を主面とした炭化シリコン基板であってもよい。
さらに、請求項４に記載されているように、前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がｍ面を主面とした窒化ガリウム基板であってもよい。
請求項５に記載されているように、前記第１および第２III族窒化物半導体層の成長主面が、無極性（ノンポーラ）面または半極性（セミポーラ）面であってもよい。
また、請求項６に記載されているように、前記第１Ｖ／III比は、１００〜１０００の範囲内の値であることが好ましい。
さらに、請求項７に記載されているように、前記第２Ｖ／III比は、１０００〜１００００の範囲内の値であることが好ましい。
また、請求項８に記載されているように、前記第１III族窒化物半導体層の層厚が２μｍ以上であることが好ましい。
さらに、請求項９に記載されているように、前記第１および第２III族窒化物半導体層が、シリコンをドープしたIII族窒化物半導体層であってもよい。
また、請求項１０に記載されているように、前記第２III族窒化物半導体層上に、不純物をドープして導電型を制御した複数のIII族窒化物半導体層が形成されていてもよい。これにより、ダイオードやトランジスタなどの半導体デバイスを構成することができる。
請求項１１記載の発明は、ｃ面以外の成長主面を持つIII族窒化物半導体を成長（より具体的には、有機金属化学気相成長法によって成長）させる方法であって、III族元素原料に対する窒素原料の割合であるＶ／III比を所定の第１Ｖ／III比とした成長条件で、ｃ面以外の成長主面を持つ第１III族窒化物半導体層を成長させる工程と、前記第１Ｖ／III比よりも高い第２Ｖ／III比の成長条件で前記第１III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第２III族窒化物半導体層を前記第１III族窒化物半導体層上に成長させる工程とを含む、窒化物半導体製造方法である。
この方法によれば、第１III族窒化物半導体層は、Ｖ／III比の低い条件で成長されるので、Ｎ極性面の成長速度が速く、平坦な膜となる。したがって、この第１III族窒化物半導体層上に形成される第２III族窒化物半導体層も平坦な膜となる。そして、第２III族窒化物半導体層は、Ｖ／III比の高い条件で成長されるので、欠陥密度が低く、良好な結晶性を有することになる。こうして、第１および第２III族窒化物半導体層は、全体として平坦性および結晶性がいずれも良好な半導体層を形成することになる。
請求項１２に記載されているように、前記方法は、基板上にＡｌＮ層（たとえば、１０ｎｍ以下）を成長させる工程をさらに含み、前記ＡｌＮ層上に前記第１III族窒化物半導体層を成長させるようにしてもよい。
また、請求項１３に記載されているように、前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がｍ面を主面とした炭化シリコン基板であってもよい。
さらに、請求項１４に記載されているように、前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がｍ面を主面とした窒化ガリウム基板であってもよい。
さらにまた、前記第１および第２III族窒化物半導体層の成長主面が、無極性面または半極性面であってもよい。
請求項１６に記載されているように、前記第１Ｖ／III比は、１００〜１０００の範囲内の値であることが好ましい。
また、請求項１７に記載されているように、前記第２Ｖ／III比は、１０００〜１００００の範囲内の値であることが好ましい。
さらに、請求項１８に記載されているように、前記第１III族窒化物半導体層が、層厚２μｍ以上に成長させられることが好ましい。
また、前記第１および第２III族窒化物半導体層を成長させる工程が、シリコンをドープしながらIII族窒化物半導体を成長させる工程であってもよい。
さらに、前記方法は、前記第２III族窒化物半導体層上に、不純物をドープして導電型を制御しながら複数のIII族窒化物半導体層を成長させる工程をさらに含んでいてもよい。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードは、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板１上にIII族窒化物半導体層としてのＧａＮ半導体層２を再成長させて構成されている。ＧａＮ基板１とＧａＮ半導体層２との間には、ＡｌＮ層などのバッファ層がない方がよいが、平坦性を向上するために、必要に応じて、１０ｎｍ以下の膜厚のＡｌＮ層８が介装されてもよい。
ＧａＮ半導体層２は、ＧａＮ基板１側から順に、Ｎ型コンタクト層２１、発光層としての量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、Ｐ型電子阻止層２３、およびＰ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。Ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されており、さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、Ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
ＧａＮ基板１は、支持基板（配線基板）１０に接合されている。支持基板１０の表面には、配線１１，１２が形成されている。そして、接続部４と配線１１とがボンディングワイヤ１３で接続されており、カソード電極５と配線１２とがボンディングワイヤ１４で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ１３，１４とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード素子が構成されている。
Ｎ型コンタクト層２１は、シリコンをＮ型ドーパントとして添加したＮ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１０18cm-3とされる。
より具体的には、Ｎ型コンタクト層２１は、ＧａＮ基板１上（またはＡｌＮ層８上）に成長させられた第１Ｎ型ＧａＮ層２１１と、この第１Ｎ型ＧａＮ層２１１上に成長させられた第２Ｎ型ＧａＮ層２１２とを有している。第１Ｎ型ＧａＮ層２１１は、ガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比が比較的低い条件で成長させた層である。また、第２Ｎ型ＧａＮ層２１２は、Ｖ／III比が比較的高い条件で成長させた層である。より具体的には、第１Ｎ型ＧａＮ層２１１は、Ｖ／III比を１００〜１０００（より好ましくは、２００〜４００。たとえば、３００）の範囲内として成長させたものであり、たとえば、膜厚は２μｍ以上とすることが好ましい。一方、第２Ｎ型ＧａＮ層２１２は、Ｖ／III比を１０００〜１００００（より好ましくは、２０００〜４０００。たとえば、３０００）の範囲内として成長させたものであり、たとえば、膜厚は１μｍ以上とすることが好ましい。
量子井戸層２２は、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に所定周期（たとえば５周期）積層したものである。この量子井戸層２２と、Ｐ型電子阻止層２３との間に、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層される。
Ｐ型電子阻止層２３は、Ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3とされる。
Ｐ型コンタクト層２４は、Ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０20cm-3とされる。
アノード電極３は、ＮｉとＡｕとから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。
カソード電極は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮからなる基板である。より具体的には、無極性面または半極性面を主面とするものである。さらに具体的には、ＧａＮ基板１の主面は、無極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面であるか、または半極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面である。ＧａＮ基板１は、単結晶基板であることが好ましい。
図２は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、無極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が成長させられる。
図３は、ＧａＮ半導体層２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ基板１を構成する、たとえば、ＧａＮ単結晶ウエハである。
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給するアンモニア原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、アンモニア原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるＮ型コンタクト層２１が成長する。
このＮ型コンタクト層２１の成長過程において、始めの期間には、Ｖ／III比が１００〜１０００の範囲内の値（たとえば、３００）となるように、窒素原料ガスとガリウム原料ガスとの各流量が設定される。これにより、第１Ｎ型ＧａＮ層２１１が形成される。その後の期間には、Ｖ／III比が１０００〜１００００の範囲内の値（たとえば、３０００）となるように、窒素原料ガスとガリウム原料ガスとの各流量が設定される。すなわち、Ｎ型コンタクト層２１の成長過程において、途中で、窒素原料ガスおよび／またはガリウム原料ガスの流量が変更される。これにより、第１Ｎ型ＧａＮ層２１１上に、連続的に第２Ｎ型ＧａＮ層２１２が形成される。
ウエハ３５上にＡｌＮ層８を形成する場合には、Ｎ型コンタクト層２１を形成する前に、アンモニア原料バルブ５１およびアルミニウム原料ガスバルブ５２が開かれる。これにより、ウエハ３５の表面に、ＡｌＮ層８を形成することができる。
Ｎ型コンタクト層２１を形成した後には、次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、量子井戸層２２の成長が行われる。量子井戸層２２の成長は、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、アンモニア原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを５回に渡って繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層上にＧａＮファイナルバリア層２５が形成される。量子井戸層２２およびＧａＮファイナルバリア層２５の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。
次いで、Ｐ型電子阻止層２３が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるＰ型電子阻止層２３が形成されることになる。このＰ型電子阻止層２３の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、Ｐ型コンタクト層２４が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるＰ型コンタクト層２４が形成されることになる。Ｐ型コンタクト層２４の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
こうして、ウエハ３５上にＧａＮ半導体層２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図１に示すように、Ｎ型コンタクト層２１を露出させるための凹部７が形成される。凹部７は、量子井戸層２２、Ｐ型電子阻止層２３およびＰ型コンタクト層２４を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、量子井戸層２２、Ｐ型電子阻止層２３およびＰ型コンタクト層２４をメサ形に整形するものであってもよい。
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極３、接続部４、カソード電極５が形成される。これにより、図１に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード素子が作製される。
前述のとおり、この実施形態では、Ｎ型コンタクト層２１は、Ｖ／III比の低い条件で成長させた第１Ｎ型ＧａＮ層２１１上にＶ／III比の高い条件で成長させた第２Ｎ型ＧａＮ層２１２を積層した構造を有している。第１Ｎ型ＧａＮ層２１１は、Ｖ／III比の低い条件で成長させられるため、Ｎ極性面の成長速度が速くなる結果、平坦な膜に形成される。したがって、この第１Ｎ型ＧａＮ層２１１上に連続成長させられる第２Ｎ型ＧａＮ層２１２も同様に平坦な膜となる。そして、第２Ｎ型ＧａＮ層２１２は、Ｖ／III比の高い条件で成長させられるため、欠陥密度が低くなる。これにより、非発光再結合を抑制して、発光効率を向上することができる。
Ｎ型コンタクト層２１上に積層される層２２〜２４の成長に際しては、たとえば、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、３０００以上の高い値に維持される。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、発光ダイオード構造の形成に本願発明が適用された例について説明したが、この発明は、レーザダイオード等の他の発光デバイスはもちろんのこと、トランジスタやダイオードといった他の電子デバイスの作製にも適用することができる。
また、前述の実施形態では、ＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体層２を再成長させた例について説明したが、たとえば、ｍ面を主面とした炭化シリコン基板上に、成長主面をｍ面としたＧａＮ半導体層を成長させるようにしてもよい。
また、前述の実施形態では、透明電極としてのアノード電極３をＮｉ／Ａｕ膜で構成した例について説明したが、ＺｎＯやＩＴＯのような金属酸化物膜からなる透明電極をアノード電極３に適用してもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。 III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。 ＧａＮ半導体層を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
符号の説明
１ ＧａＮ基板
２ ＧａＮ半導体層
３ アノード電極（透明電極）
４ 接続部
５ カソード電極
７ 凹部
８ ＡｌＮ層
１０ 支持基板
１１，１２ 配線
１３，１４ ボンディングワイヤ
２１ Ｎ型コンタクト層
２１１ 第１Ｎ型ＧａＮ層
２１２ 第２Ｎ型ＧａＮ層
２２ 量子井戸層
２３ Ｐ型電子阻止層
２４ Ｐ型コンタクト層
２５ ファイナルバリア層
３０ 処理室
３１ ヒータ
３２ サセプタ
３３ 回転軸
３４ 回転駆動機構
３５ ウエハ
３６ 排気配管
４０ 原料ガス供給路
４１ アンモニア原料配管
４２ ガリウム原料配管
４３ アルミニウム原料配管
４４ インジウム原料配管
４５ マグネシウム原料配管
４６ シリコン原料配管
５１ アンモニア原料バルブ
５２ ガリウム原料バルブ
５３ アルミニウム原料バルブ
５４ インジウム原料バルブ
５５ マグネシウム原料バルブ
５６ シリコン原料バルブ

Claims (20)

  1. III族元素原料に対する窒素原料の割合であるＶ／III比が所定の第１Ｖ／III比であり、ｃ面以外の成長主面を持つ第１III族窒化物半導体層と、
    前記第１III族窒化物半導体層上に設けられ、前記第１Ｖ／III比よりも高い第２Ｖ／III比を持ち、前記第１III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第２III族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体装置。
  2. 基板と、
    この基板上に形成されたＡｌＮ層とをさらに含み、
    前記ＡｌＮ層上に前記第１III族窒化物半導体層が形成されている、請求項１記載の窒化物半導体装置。
  3. 前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、
    前記基板がｍ面を主面とした炭化シリコン基板である、請求項２記載の窒化物半導体装置。
  4. 前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、
    前記基板がｍ面を主面とした窒化ガリウム基板である、請求項２記載の窒化物半導体装置。
  5. 前記第１および第２III族窒化物半導体層の成長主面が、無極性面または半極性面である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  6. 前記第１Ｖ／III比が１００〜１０００の範囲内の値である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  7. 前記第２Ｖ／III比が１０００〜１００００の範囲内の値である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  8. 前記第１III族窒化物半導体層の層厚が２μｍ以上である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  9. 前記第１および第２III族窒化物半導体層が、シリコンをドープしたIII族窒化物半導体層である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  10. 前記第２III族窒化物半導体層上に、不純物をドープして導電型を制御した複数のIII族窒化物半導体層が形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  11. ｃ面以外の成長主面を持つIII族窒化物半導体を成長させる方法であって、
    III族元素原料に対する窒素原料の割合であるＶ／III比を所定の第１Ｖ／III比とした成長条件で、ｃ面以外の成長主面を持つ第１III族窒化物半導体層を成長させる工程と、
    前記第１Ｖ／III比よりも高い第２Ｖ／III比の成長条件で前記第１III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第２III族窒化物半導体層を前記第１III族窒化物半導体層上に成長させる工程とを含む、窒化物半導体製造方法。
  12. 基板上にＡｌＮ層を成長させる工程をさらに含み、
    前記ＡｌＮ層上に前記第１III族窒化物半導体層を成長させる、請求項１１記載の窒化物半導体製造方法。
  13. 前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、
    前記基板がｍ面を主面とした炭化シリコン基板である、請求項１２記載の窒化物半導体製造方法。
  14. 前記第１および第２III族窒化物半導体層が、成長主面をｍ面とした窒化ガリウム半導体層であり、
    前記基板がｍ面を主面とした窒化ガリウム基板である、請求項１２記載の窒化物半導体製造方法。
  15. 前記第１および第２III族窒化物半導体層の成長主面が、無極性面または半極性面である、請求項１１ないし１４のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
  16. 前記第１Ｖ／III比が１００〜１０００の範囲内の値である、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
  17. 前記第２Ｖ／III比が１０００〜１００００の範囲内の値である、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
  18. 前記第１III族窒化物半導体層が、層厚２μｍ以上に成長させられる、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
  19. 前記第１および第２III族窒化物半導体層を成長させる工程が、シリコンをドープしながらIII族窒化物半導体を成長させる工程である、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
  20. 前記第２III族窒化物半導体層上に、不純物をドープして導電型を制御しながら複数のIII族窒化物半導体層を成長させる工程をさらに含む、請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
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