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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023111945
(43)【公開日】2023-08-10
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 33/32 20100101AFI20230803BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20230803BHJP
H01S 5/323 20060101ALI20230803BHJP
【ＦＩ】
H01L33/32
H01S5/343 610
H01S5/323 610
【審査請求】有
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023090625
(22)【出願日】2023-06-01
(62)【分割の表示】P 2019031415の分割
【原出願日】2019-02-25
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ［公開の事実１］ １．発行日：２０１８年９月５日 ２．刊行物：２０１８年 第７９回 応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集 ３．公開者：江端 一晃、谷保 芳孝、熊倉 一英 ［公開の事実２］ １．頒布日：２０１８年１１月１１日 ２．刊行物：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ２０１８ 講演予稿集 ３．公開者：江端 一晃、谷保 芳孝、熊倉 一英
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(74)【代理人】
【識別番号】100121669
【弁理士】
【氏名又は名称】本山 泰
(72)【発明者】
【氏名】江端 一晃
(72)【発明者】
【氏名】谷保 芳孝
(72)【発明者】
【氏名】熊倉 一英
(57)【要約】
【課題】窒化物半導体からなる正孔濃度が高く低抵抗なｐ型半導体層を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体層１０２は、複数の単位半導体層１２１から構成され、複数の単位半導体層１２１の各々は、主表面を極性面または半極性面とされたｐ型の窒化物半導体から構成されている。単位半導体層１２１を構成する窒化物半導体は、窒素と２つ以上の元素から構成され、複数の単位半導体層１２１の各々は、例えばｃ軸方向の格子定数が＋ｃ軸方向に大きくなるように積層方向に組成が変化している。
【選択図】 図１
【解決手段】ｐ型半導体層１０２は、複数の単位半導体層１２１から構成され、複数の単位半導体層１２１の各々は、主表面を極性面または半極性面とされたｐ型の窒化物半導体から構成されている。単位半導体層１２１を構成する窒化物半導体は、窒素と２つ以上の元素から構成され、複数の単位半導体層１２１の各々は、例えばｃ軸方向の格子定数が＋ｃ軸方向に大きくなるように積層方向に組成が変化している。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板の上に形成されたｐ型半導体層を備え、
前記ｐ型半導体層は、複数の単位半導体層から構成され、
前記複数の単位半導体層の各々は、主表面を極性面とされたｐ型の窒化物半導体から構成され、
前記窒化物半導体は、窒素と２つ以上の元素から構成され、
前記複数の単位半導体層の各々は、積層方向に組成が連続的に変化し、
前記複数の単位半導体層の各々は、Ａｌの組成ｘを０，７以上としたＡｌxＧａ1-xＮから構成され、＋ｃ軸方向となる積層方向に対してＡｌの組成ｘが減少している
ことを特徴とする半導体装置。
前記ｐ型半導体層は、複数の単位半導体層から構成され、
前記複数の単位半導体層の各々は、主表面を極性面とされたｐ型の窒化物半導体から構成され、
前記窒化物半導体は、窒素と２つ以上の元素から構成され、
前記複数の単位半導体層の各々は、積層方向に組成が連続的に変化し、
前記複数の単位半導体層の各々は、Ａｌの組成ｘを０，７以上としたＡｌxＧａ1-xＮから構成され、＋ｃ軸方向となる積層方向に対してＡｌの組成ｘが減少している
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
請求項１記載の半導体装置において、
前記複数の単位半導体層の各々は、不純物が導入されてｐ型とされていることを特徴とする半導体装置。
前記複数の単位半導体層の各々は、不純物が導入されてｐ型とされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項3】
請求項１または２記載の半導体装置において、
前記基板の上に、発光層およびｎ型の半導体層をさらに備えることを特徴とする半導体装置。
前記基板の上に、発光層およびｎ型の半導体層をさらに備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒化物半導体から構成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、バンドギャップエネルギーが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、窒化物半導体は、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素デバイスを構成する材料として注目されている。
【0003】
近年、窒化物半導体を用いた発光デバイスにおいて、発光波長を短波長化することにより、殺菌・浄水、各種医療分野、公害物質の高速分解処理などの非常に幅広い分野での応用が期待されている。例えば、深紫外領域（波長：２００ｎｍ～３５０ｎｍ）で発光する半導体発光素子の研究開発が各研究機関で精力的に行われている。この種の発光デバイスでは、発光層への電流注入のために、ｐ型の層とｎ型の層とが用いられる。しかし、ｐ型の窒化物半導体は、アクセプタ凖位が深いことから、室温において高い正孔濃度を有する低抵抗なｐ型半導体層を作製することが困難である（非特許文献１，２）。このため、ｐ型の窒化物半導体の低抵抗化、とりわけ、大きなバンドギャップを有するＡｌＧａＮ系における低抵抗ｐ型層の実現は、紫外発光素子の発展に大きく寄与する。
【0004】
ｐ型窒化物半導体の低抵抗化のためにｐ型で高い正孔濃度を実現する技術としては、アクセプタ不純物をドーピングしたＡｌxＧａ1-xＮ/ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ≠ｙ）超格子構造が挙げられる（特許文献１）。この技術では、超格子内に発生する分極電界を利用し、高濃度の正孔を得ている。しかしながら、上述した超格子構造では、ＡｌＧａＮバリア層がｐ型層から活性層への正孔注入を阻害し、発光デバイスの発光効率が低下するなどの課題があった。他の高い正孔濃度を実現する技術として、Ａｌ組成を傾斜させたＡｌＧａＮによるｐ型層が提案されている（非特許文献３）。この技術ではｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型層の正孔濃度はｐ型層の層厚に反比例するため、ｐ型層の層厚増加とともに正孔濃度が低下する課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許３６３１１５７公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】H, Amano et al., "Growth and conductivity control of high quality AlGaN and its application to high-performance ultraviolet laser diodes", Proc. SPIE, Vol. 7216, 72161B, 2009.
【非特許文献2】H X Jiang and J Y Lin, "Hexagonal boron nitride for deep ultraviolet photonic devices", Semiconductor Science and Technology, vol. 29, 084003, 2014.
【非特許文献3】J. Simon et al., "Polarization-Induced Hole Doping in Wide.Band-Gap Uniaxial Semiconductor Heterostructures", Science, vol. 327, 5961, pp. 60-64, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記のように、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体からなるｐ型層を発光デバイスに適用すると、正孔注入効率が低いため、発光効率の低下を招くという問題があった。
【0008】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体からなる正孔濃度が高く低抵抗なｐ型半導体層の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成されたｐ型半導体層を備え、ｐ型半導体層は、複数の単位半導体層から構成され、複数の単位半導体層の各々は、主表面を極性面または半極性面とされたｐ型の窒化物半導体から構成され、窒化物半導体は、窒素と２つ以上の元素から構成され、複数の単位半導体層の各々は、積層方向に組成が変化している。
【0010】
上記半導体装置の一構成例において、複数の単位半導体層の各々は、ｃ軸方向の格子定数が＋ｃ軸方向に大きくなるように変化している。
【0011】
上記半導体装置の一構成例において、複数の単位半導体層の各々は、組成が連続的に変化している。
【0012】
上記半導体装置の一構成例において、複数の単位半導体層の各々は、不純物が導入されてｐ型とされている。
【0013】
上記半導体装置の一構成例において、単位半導体層は、ＡｌＧａＮから構成され、ＡｌとＧａとの組成比が積層方向に変化している。
【0014】
上記半導体装置の一構成例において、基板の上に、発光層およびｎ型の半導体層をさらに備える。
【発明の効果】
【0015】
以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体からなる正孔濃度が高く低抵抗なｐ型半導体層が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置について図１を参照して説明する。この半導体装置は、基板１０１の上に形成されたｐ型半導体層１０２を備える。ｐ型半導体層１０２は、複数の単位半導体層１２１から構成され、複数の単位半導体層１２１の各々は、主表面を極性面または半極性面とされたｐ型の窒化物半導体から構成されている。基板１０１は、例えば、ＳｉＣから構成されている。例えば、窒化物半導体をｃ軸方向に結晶成長することで、主表面を極性面とした複数の単位半導体層１２１によるｐ型半導体層１０２が形成できる。
【0018】
単位半導体層１２１を構成する窒化物半導体は、窒素と２つ以上の元素から構成され、複数の単位半導体層１２１の各々は、積層方向に組成が変化している。例えば、複数の単位半導体層１２１の各々は、ｃ軸方向への結晶成長により形成されている場合、ｃ軸方向の格子定数が＋ｃ軸方向に大きくなるように変化している。なお、複数の単位半導体層１２１の各々は、格子が緩和しない範囲の厚さである場合、基板１０１の平面に平行な格子定数は、ほぼ一致している。
【0019】
単位半導体層１２１は、例えば、ＡｌＧａＮから構成され、ＡｌとＧａとの組成比が積層方向に変化している。また、例えば、複数の単位半導体層１２１の各々は、組成が積層方向に連続的（例えば線形）に変化している。複数の単位半導体層１２１の各々は、組成が積層方向に階段状に変化する構成とすることもできる。また、複数の単位半導体層１２１の各々は、不純物が導入されてｐ型とされている。なお、このように、各々の組成が厚さ方向に変化している複数の単位半導体層１２１の積層構造を、超格子構造と呼ぶ場合もある。
【0020】
実施の形態の半導体装置は、ｐ型半導体層１０２に加え、例えば、基板１０１の上に、発光層およびｎ型の半導体層をさらに備える発光デバイスである。例えば、ｐ型半導体層１０２と、ｎ型の半導体層とで発光層を挟む構成とすることで、発光ダイオード（ＬＥＤ）が構成できる。また、ｐ型半導体層１０２と、ｎ型の半導体層とで発光層を挟む構成に、共振器を組み合わせることで、半導体レーザとすることができる。
【0021】
実施の形態によれば、ｐ型半導体層１０２における正孔濃度をより高くすることができる。この点について、以下に説明する。以下では、ｐ型半導体層１０２を、主表面の面方位を（０００１）面とした基板の上に結晶成長したＡｌＧａＮから構成した場合を例に、正孔濃度の向上について図２を参照して説明する。
【0022】
図２の（ａ）は、紙面左から右にかけて（＋ｃ軸方向に）Ａｌの組成を減少させるように変化させたＡｌＧａＮから構成した１つの組成傾斜層によるｐ型半導体層を示している。また、図２の（ｂ）は、図２の（ａ）に示すｐ型半導体層の層厚方向における分極電荷の変化を示している。また、図２の（ｃ）は、図２の（ａ）に示すｐ型半導体層の層全体の分極電荷の状態を示している。
【0023】
図２の（ｄ）は、複数の組成傾斜層によるｐ型半導体層を示している。各組成傾斜層は、紙面左から右にかけて（＋ｃ軸方向に）Ａｌの組成を減少させるように変化させたＡｌＧａＮから構成している。また、各組成傾斜層のＡｌ組成の変化量は、図２の（ａ）に示すｐ型半導体層におけるＡｌ組成の変化量と同一としている。また、図２の（ｅ）は、図２の（ｄ）に示すｐ型半導体層の層厚方向における分極電荷の変化を示している。また、図２の（ｆ）は、図２の（ｄ）に示すｐ型半導体層の層全体の分極電荷の状態を示している。
【0024】
ｃ軸方向にＡｌとＧａの組成比を変化させているＡｌxＧａ1-xＮの組成傾斜層では、ｃ軸方向に隣り合う単位部分（Unit）の間の各々において、正負の分極電荷が発生する。単位部分は、ｃ軸方向にある一定の組成比の部分である。図２の（ａ）に示すｐ型半導体層と、図２の（ｄ）に示すｐ型半導体層の各組成傾斜層とは、Ａｌ組成の変化量が同一である。
【0025】
図２の（ｂ）および図２の（ｅ）に示すように、隣り合うｉ番目の単位部分とｉ＋１番目の単位部分との界面の実効的な分極電荷は「［（Ｐsp
i＋Ｐpe
i）－（Ｐsp
i+1＋Ｐpe
i+1）］／ｑ＜０」の式で表すことができる。なお、Ｐspは自発分極、Ｐpeはピエゾ分極、ｑは電気素量を示している。ｉ番目の単位部分とｉ＋１番目の単位部分との界面において実効的な分極電荷は負となる。
【0026】
以上のことより、図２の（ａ）に示すｐ型半導体層には、図２の（ｃ）に示すように負の分極電荷が発生する。一方、図２の（ｄ）に示す複数の組成傾斜層によるｐ型半導体層には、各組成傾斜層に、図２の（ａ）に示すｐ型半導体層と同じ負の分極電荷が発生する。このため、図２の（ｄ）に示す複数の組成傾斜層によるｐ型半導体層は、図２の（ａ）に示すｐ型半導体層と比べて負の分極電荷を増加させることができる。
【0027】
このように、主表面を極性面または半極性面とされたｐ型の窒化物半導体による複数の単位半導体層１２１からｐ型半導体層１０２を構成することは、負の分極電荷を増加させる技術として有効であることが分かる。窒化物半導体におけるアクセプタ不純物がイオン化し、負の分極電荷の領域に正孔が誘起されることでｐ型となるので、負の分極電荷の増加は、正孔濃度の増加につながる。
【0028】
なお、各々の単位半導体層１２１には、アクセプタ不純物をドーピングすることでｐ型とすることが好ましい。このアクセプタ不純物として一般的にＭｇが用いられるが、これに限らず、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａなどがアクセプタ不純物として適用可能である。各々の単位半導体層１２１におけるアクセプタ不純物の濃度は、２×１０16ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下が好ましい。各々の単位半導体層１２１におけるアクセプタ不純物の濃度が２×１０16ｃｍ-3未満であると、正孔濃度が低下し、例えば発光デバイスに用いた際にｐ型半導体層１０２のホール注入効率が低下するおそれがある。
【0029】
また、各々の単位半導体層１２１におけるアクセプタ不純物の濃度が２×１０20ｃｍ-3を超えると、いわゆる自己補償効果のため正孔濃度が大幅に低下し、ｐ型半導体層１０２が高抵抗化するおそれがある。各々の単位半導体層１２１アクセプタ不純物の濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により確認することができる。
【0030】
なお、各々の単位半導体層１２１にアクセプタ不純物がドーピングされていない場合でも、各々の単位半導体層１２１にアクセプタ性の欠陥などが存在する場合、正孔供給源が存在するためｐ型となりうる。また、各々の単位半導体層１２１にアクセプタ不純物がドーピングされていない場合でも、ｐ型半導体層１０２に、ｐ型の窒化物半導体による層が接して配置されている場合、正孔供給源が存在するため、ｐ型半導体層１０２は、ｐ型になりうる。
【0031】
ところで、図２の（ｆ）に示すように、図２の（ｄ）に示すｐ型半導体層では、隣り合う各組成傾斜層の界面に正の分極電荷が発生するため、この界面において正孔分布が不連続となり、空乏化するおそれがある。この、隣り合う各組成傾斜層の界面での空乏化を補償するための技術として、アクセプタ不純物のデルタドーピングが考えられる。例えば、隣り合う単位半導体層１２１の界面にアクセプタ不純物としてＭｇのデルタドーピングを行うことで、上記界面における価電子帯の障壁を低減することができる。
【0032】
また、単位半導体層１２１は、全域が単結晶構造であることが好ましいが、結晶質の窒化物半導体の種々の性質を失わない程度に、部分的に、多結晶またはアモルファスな領域が偏在していてもよい。複数の単位半導体層１２１の各々の層厚は、ｐ型半導体層１０２の層厚に対して２％～５０％であることが好ましい。
【0033】
複数の単位半導体層１２１の各々の層厚が、ｐ型半導体層１０２の層厚に対して２％未満であると、隣り合う単位半導体層１２１の界面のポテンシャル障壁の数が増加するため、ｐ型半導体層１０２を発光デバイスに適用した場合に正孔注入効率が低下するおそれがある。また、複数の単位半導体層１２１の各々の層厚が、ｐ型半導体層１０２の層厚に対して５０％を超えると、正孔濃度が低下して高抵抗化するおそれがある。なお、より好ましくは、複数の単位半導体層１２１の各々の層厚は、ｐ型半導体層１０２の層厚に対して５％～４０％である。
【0034】
また、複数の単位半導体層１２１は、全て同じ層厚である必要はない。ｐ型半導体層１０２を構成する複数の単位半導体層１２１の一部が、他とは異なる層厚とされていてもよい。例えば、各々の層厚２０ｎｍの１０層の単位半導体層１２１と、各々の層厚５０ｎｍの２層の単位半導体層１２１とから、層厚３００ｎｍのｐ型半導体層１０２としてもよい。
【0035】
複数の単位半導体層１２１から構成したｐ型半導体層１０２の断面構造は、高角散乱電子（ＨＡＡＤＦ）像において、明瞭に確認される。なお、ＨＡＡＤＦ像とは、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）によって得られる、高角度に非弾性散乱された電子の積分強度のマッピング像である。ＨＡＡＤＦ像においては、像強度は原子番号の２乗に比例し、原子番号が大きい原子が存在する箇所ほど明るく（白く）観察される。
【0036】
また、複数の単位半導体層１２１から構成したｐ型半導体層１０２の元素分布は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）で元素分析することで特定される。ＥＤＳは、ＳＴＥＭ装置に付帯しているＥＤＳ測定装置により測定される。その他の元素分析方法としては、ＳＩＭＳがある。
【0037】
実施の形態におけるｐ型半導体層１０２（単位半導体層１２１）は、例えば、種々のエピタキシャル成長法により形成することができる。エピタキシャル成長法は、例えば、ＭＯＶＰＥ（metal organic vapor phase epitaxy）法を採用することが好ましい。なお、エピタキシャル成長法は、ＭＯＶＰＥ法に限らず、例えば、ＨＶＰＥ（hydride vapor phase epitaxy）法、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法、スパッタ法などを採用してもよい。
【0038】
ｐ型半導体層１０２は、基板１０１を準備した後、基板１０１をエピタキシャル成長装置の成膜室に導入（搬入）し、エピタキシャル成長法により単位半導体層１２１を積層することで製造する。エピタキシャル成長装置としてＭＯＶＰＥ装置を採用し、単位半導体層１２１をＡｌＧａＮから構成する場合、Ａｌの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を採用することが好ましい。また、Ｇａの原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を採用することが好ましい。Ｎの原料ガスとしては、ＮＨ3を採用することが好ましい。また、ｐ型導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を採用することが好ましい。また、キャリアガスとしては、例えば、Ｈ2ガス、Ｎ2ガス、Ｈ2ガスとＮ2ガスとの混合ガスなどを採用することが好ましい。また各原料ガスは、特に限定されず、例えば、Ｇａの原料ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｎの原料ガスとしてヒドラジン誘導体などを採用してもよい。
【0039】
上述したことにより複数の単位半導体層１２１を積層した後、ｐ型不純物を活性化するための加熱を行う。加熱を行うための加熱装置としては、例えば、ランプ加熱装置、電気炉などを採用することができる。ｐ型不純物は、アクセプタ不純物を意味し、例えばＭｇである。
【0040】
上述した例では、単位半導体層１２１として、主表面を(０００１)面とした基板１０１の上にＡｌxＧａ1-xＮを結晶成長しているが、これに限るものではない。例えば、主表面を(０００－１)面とした基板１０１の上にＡｌxＧａ1-xＮを結晶成長することでも、複数の単位半導体層１２１によるｐ型半導体層１０２が形成可能である。この場合、複数の単位半導体層１２１は、－ｃ軸方向に結晶成長するものとなり、結晶成長方向に対してＡｌ組成ｘを増加させることで、負の分極電荷が誘起され正孔が生成される。また、主表面を(１－１０２)面とした基板１０１の上にＡｌxＧａ1-xＮを結晶成長することで、複数の単位半導体層１２１によるｐ型半導体層１０２を形成することもできる。
【0041】
また、基板１０１は、ＳｉＣに限らず、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＮｄＧａＯ3、ＳｃＡｌＭｇＯ4、ＺｎＳ、ＧａＡｓＳｉなどの他の材料から構成することもできる。また、単位半導体層１２１は、ＡｌxＧａ1-xＮに限らず、ＩｎxＧａ1-xＮ、ＩｎxＡｌ1-xＮ、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮや、これらの組み合わせから構成することもできる。
【0042】
ところで、ｐ型半導体層１０２の正孔濃度は、ホール効果測定法により測定することができる。詳細は以下に示すが、ｐ型半導体層１０２の正孔濃度が１×１０17ｃｍ-3以上であり、正孔濃度の活性化エネルギーが１５０ｍｅＶ以下であると、ｐ型半導体層１０２を発光デバイスに適用した場合に良好な発光特性が得られやすい。活性化エネルギーは、ｐ型半導体層１０２のホール効果測定の際に温度を変えて測定し、キャリア濃度の対数を温度の逆数に対してプロット（アレニウスプロット）したときの傾きによって求められる。
【0043】
実施の形態のｐ型半導体層１０２（単位半導体層１２１）は、高いＡｌ組成（ｘ＞０．７）においても、１０17ｃｍ-3以上の高い正孔濃度が得られるため、発光波長３００ｎｍ以下の深紫外ＬＥＤや深紫外ＬＤにおいても好適に適用可能である。
【0044】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【0045】
［実施例１］
はじめに、実施例１について説明する。実施例１では、半絶縁性４Ｈ－ＳｉＣからなり、主表面の面方位を（０００１）とした基板１０１の上に、まず、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮを成長させてバッファ層を形成し、このバッファ層の上に複数の単位半導体層１２１を積層してｐ型半導体層１０２を形成した。単位半導体層１２１は、ＭｇドープＡｌxＧａ1-xＮから構成し、厚さ２０ｎｍとした。複数の単位半導体層１２１の各々は、Ａｌの組成ｘを結晶成長方向に対して０．９から０．７に減少させた。また、１０層の単位半導体層１２１からｐ型半導体層１０２を構成した。
はじめに、実施例１について説明する。実施例１では、半絶縁性４Ｈ－ＳｉＣからなり、主表面の面方位を（０００１）とした基板１０１の上に、まず、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮを成長させてバッファ層を形成し、このバッファ層の上に複数の単位半導体層１２１を積層してｐ型半導体層１０２を形成した。単位半導体層１２１は、ＭｇドープＡｌxＧａ1-xＮから構成し、厚さ２０ｎｍとした。複数の単位半導体層１２１の各々は、Ａｌの組成ｘを結晶成長方向に対して０．９から０．７に減少させた。また、１０層の単位半導体層１２１からｐ型半導体層１０２を構成した。
【0046】
図３に、上述した実施例１におけるｐ型半導体層１０２の、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像（ａ），Ａｌ組成のＥＤＳマッピング像（ｂ）、Ｇａ組成のＥＤＳマッピング像（ｃ）を示す。この測定には、ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆ（日本電子製）を利用し、測定における加速電圧は２００ｋＶとした。ＡＤＥＰＴ１０１０（ULVAC PHI製）を用いたＳＩＭＳの測定により、単位半導体層１２１におけるＭｇのドーピング量は２×１０19ｃｍ-3であることが分かった。また、同じＳＩＭＳによる測定で、単位半導体層１２１においては、Ａｌ組成ｘが０．９から０．７に変化していることが確認された。
【0047】
なお、図３の（ａ）のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像に示すように、隣り合う単位半導体層１２１の界面は急峻であり、層厚２０ｎｍの単位半導体層１２１が作製されていることが確認された。また、図３の（ｂ），（ｃ）のＥＤＳマッピング像から、ＡｌおよびＧａの組成は、結晶成長方向に対して線形に変化している状態で、単位半導体層１２１が繰り返し積層されていることが確認された。なお、１つの単位半導体層１２１における平均Ａｌ組成はｘ＝０．８である。
【0048】
［実施例２］
次に、実施例２について説明する。実施例２では、前述した実施例１と同様に、半絶縁性４Ｈ－ＳｉＣからなり、主表面の面方位を（０００１）とした基板１０１の上に、まず、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮを成長させてバッファ層を形成し、このバッファ層の上に複数の単位半導体層１２１を積層し、厚さ２００ｎｍのｐ型半導体層１０２を形成した。
次に、実施例２について説明する。実施例２では、前述した実施例１と同様に、半絶縁性４Ｈ－ＳｉＣからなり、主表面の面方位を（０００１）とした基板１０１の上に、まず、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮを成長させてバッファ層を形成し、このバッファ層の上に複数の単位半導体層１２１を積層し、厚さ２００ｎｍのｐ型半導体層１０２を形成した。
【0049】
実施例２では、厚さ５ｎｍの単位半導体層１２１を４０層積層してｐ型半導体層１０２とした試料１、厚さ１０ｎｍの単位半導体層１２１を２０層積層してｐ型半導体層１０２とした試料２、厚さ２０ｎｍの単位半導体層１２１を１０層積層してｐ型半導体層１０２とした試料３、厚さ５０ｎｍの単位半導体層１２１を４層積層してｐ型半導体層１０２とした試料４、厚さ１００ｎｍの単位半導体層１２１を２層積層してｐ型半導体層１０２とした試料５を作製した。いずれの試料においても、１つの単位半導体層１２１においては、ＡｌxＧａ1-xＮのＡｌ組成ｘを、結晶成長方向に対して０．９から０．７に減少させた。いずれの試料においては、Ｍｇのドーピング量は２×１０19ｃｍ-3である。また、各試料を作製した後に、ランプ加熱装置を用い、８００℃で１０分間、Ｎ2フローをしながら加熱して、活性化を実施した。
【0050】
また、比較例として、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌxＧａ1-xＮからなる層厚２００ｎｍのｐ型半導体層による比較試料１を作製した。比較試料１においては、ＡｌxＧａ1-xＮのＡｌ組成ｘを、ｐ型半導体層の結晶成長方向に対して０．９から０．７に減少させた。比較試料１は、厚さ２００ｎｍの１層の単位半導体層１２１からｐ型半導体層１０２を構成した試料である。また、比較例として、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ｎからなる層厚２００ｎｍのｐ型半導体層による比較試料２を作製した。比較試料２は、厚さ方向に組成が変化していない。いずれの比較試料においては、Ｍｇのドーピング量は２×１０19ｃｍ-3である。また、各比較試料を作製した後に、ランプ加熱装置を用い、８００℃で１０分間、Ｎ2フローをしながら加熱して、活性化を実施した。
【0051】
実施例２では、試料１～５のｐ型半導体層１０２，比較試料１，２におけるｐ型半導体層の正孔濃度を測定した。正孔濃度は「van der Pauw」法を用いて測定することができる。ホール効果測定装置およびその測定条件例は以下に示す。
【0052】
・ホール効果測定装置：東陽テクニカ製の「Ｒｅｓｉ Ｔｅｓｔ８３００」。
・測定条件：室温（約２５℃）、約０．２５［Ｔ］、約１０-4～１０-9 ［Ａ］、ＡＣ磁場ホール測定。
・試料形状は、平面視約５ｍｍ×５ｍｍの板状とした。
・測定条件：室温（約２５℃）、約０．２５［Ｔ］、約１０-4～１０-9 ［Ａ］、ＡＣ磁場ホール測定。
・試料形状は、平面視約５ｍｍ×５ｍｍの板状とした。
【0053】
上述したホール濃度の測定結果を図４に示す。図４に示すように、厚さ２０ｎｍまでは、単位半導体層１２１の厚さが小さいほど、正孔濃度が高いことがわかる。単位半導体層１２１の厚さを５０ｎｍ以下にすることで１０17ｃｍ-3以上の正孔濃度が得られている（試料１～４）。この結果は、比較試料１と比較して、１ケタ以上の正孔濃度が上昇している。分極ドーピングに加え、複数の単位半導体層１２１からｐ型半導体層１０２を構成することで、多くの負の分極電荷が各単位半導体層１２１に誘起されるため、正孔濃度が増加したためと考えられる。また、比較試料２については、抵抗率が９．６×１０4Ωｃｍと高いため、ホール効果測定を用いて正孔濃度を測定することができなかった。非特許文献１，２に記載されていることから、比較試料２の正孔濃度は１０14ｃｍ-3以下と考えられる。
【0054】
また、試料２と、比較試料１について、温度を室温から５００Ｋまで変化させて正孔濃度の温度依存性の測定を行った。ｐ＝ｎ0ｅｘｐ（－Ｅａ／ｋＴ）の式にしたがって、横軸に温度の逆数、縦軸に正孔濃度の対数を取り、その傾き（活性化エネルギー＝Ｅａ）を求めた。ここで、「Ｔ」は温度、「ｐ」は温度Ｔでの正孔濃度、「ｎ0」は定数、「Ｅａ」は活性化エネルギー、そして「ｋ」はボルツマン定数を示す。この結果、試料２は、活性化エネルギーが５２ｍｅＶとなった。一方、比較試料１の活性化エネルギーは１７１ｍｅＶとなり、試料２より活性化エネルギーが高くなり、比較試料１は試料２より温度依存性が高いことが分かった。
【0055】
［実施例３］
実施例３では、深紫外ＬＥＤを作製して評価を実施した。作製した深紫外ＬＥＤについて、図５を参照して説明する。この深紫外ＬＥＤは、基板２０１の上にバッファ層２０２、ｎ型半導体層２０３、発光層２０４、電子ブロック層２０５、ｐ型半導体層２０６、コンタクト層２０７を備える。また、発光層２０４、電子ブロック層２０５、ｐ型半導体層２０６、コンタクト層２０７によるメサの周囲において、ｎ型半導体層２０３の上に電極２０８が形成されている。また、コンタクト層２０７の上に、半透明電極層２０９、電極２１０が形成されている。
実施例３では、深紫外ＬＥＤを作製して評価を実施した。作製した深紫外ＬＥＤについて、図５を参照して説明する。この深紫外ＬＥＤは、基板２０１の上にバッファ層２０２、ｎ型半導体層２０３、発光層２０４、電子ブロック層２０５、ｐ型半導体層２０６、コンタクト層２０７を備える。また、発光層２０４、電子ブロック層２０５、ｐ型半導体層２０６、コンタクト層２０７によるメサの周囲において、ｎ型半導体層２０３の上に電極２０８が形成されている。また、コンタクト層２０７の上に、半透明電極層２０９、電極２１０が形成されている。
【0056】
基板２０１は、半絶縁性４Ｈ－ＳｉＣから構成され、主表面の面方位が（０００１）とされている。バッファ層２０２は、ＡｌＮから構成され、ｎ型半導体層２０３は、シリコンをドープしたｎ型のＡｌＮ/ＡｌＧａＮ超格子から構成され、発光層２０４は、ＡｌＧａＮの多重量子井戸から構成され、電子ブロック層２０５は、ＡｌＮから構成されている。また、ｐ型半導体層２０６は、前述した実施の形態のｐ型半導体層１０２であり、各々がＡｌＧａＮから構成され組成が変化している複数の単位半導体層から構成されている。また、コンタクト層２０７は、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮから構成されている。
【0057】
各半導体の層は、ＭＯＶＰＥ法により基板２０１の上に順次に結晶成長することで形成することができる。また、発光層２０４、電子ブロック層２０５、ｐ型半導体層２０６、コンタクト層２０７を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることでメサを形成し、このメサの周囲にｎ型半導体層２０３の上面を露出させる。このようにして露出させたｎ型半導体層２０３の上面に、よく知られた蒸着法およびリフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕの電極２０８を形成する。また、メサに形成したコンタクト層２０７の上に、Ｐｄ／Ａｕの半透明電極層２０９を形成し、半透明電極層２０９の上に、Ａｕからなる電極２１０を形成する。
【0058】
実施例３では、厚さ１０ｎｍの単位半導体層を２０層積層してｐ型半導体層２０６としたＬＥＤ試料１、厚さ２０ｎｍの単位半導体層を１０層積層してｐ型半導体層２０６としたＬＥＤ試料２、厚さ５０ｎｍの単位半導体層を４層積層してｐ型半導体層２０６としたＬＥＤ試料３、厚さ１００ｎｍの単位半導体層を２層積層してｐ型半導体層２０６としたＬＥＤ試料４を作製した。いずれのＬＥＤ試料においても、１つの単位半導体層においては、ＡｌxＧａ1-xＮのＡｌ組成ｘを、結晶成長方向に対して０．９から０．７に減少させた。いずれのＬＥＤ試料においては、Ｍｇのドーピング量は２×１０19ｃｍ-3である。また、各ＬＥＤ試料を作製した後に、ランプ加熱装置を用い、８００℃で１０分間、Ｎ2フローをしながら加熱して、活性化を実施した。
【0059】
また、比較例として、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌxＧａ1-xＮからなる層厚２００ｎｍのｐ型半導体層２０６による比較ＬＥＤ試料１を作製した。比較ＬＥＤ試料１においては、ＡｌxＧａ1-xＮのＡｌ組成ｘを、ｐ型半導体層２０６の結晶成長方向に対して０．９から０．７に減少させた。比較ＬＥＤ試料１は、厚さ２００ｎｍの１層の単位半導体層からｐ型半導体層２０６を構成した試料である。また、比較例として、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ｎからなる層厚２００ｎｍのｐ型半導体層２０６による比較ＬＥＤ試料２を作製した。比較ＬＥＤ試料２は、厚さ方向に組成が変化していない。いずれの比較ＬＥＤ試料においては、Ｍｇのドーピング量は２×１０19ｃｍ-3である。また、各比較ＬＥＤ試料を作製した後に、ランプ加熱装置を用い、８００℃で１０分間、Ｎ2フローをしながら加熱して、活性化を実施した。
【0060】
上述した各ＬＥＤ試料について発光スペクトルの測定結果を図６に示す。図６において、（ａ）は、ＬＥＤ試料１の発光スペクトルの測定結果を示し、（ｂ）は、ＬＥＤ試料２の発光スペクトルの測定結果を示し、（ｃ）は、ＬＥＤ試料３の発光スペクトルの測定結果を示し、（ｄ）は、ＬＥＤ試料４の発光スペクトルの測定結果を示す。また、図６において、（ｅ）は、比較ＬＥＤ試料１の発光スペクトルの測定結果を示し、（ｆ）は、比較ＬＥＤ試料２の発光スペクトルの測定結果を示す。
【0061】
図６に示す波長２５２ｎｍ付近に観測されたＥＬピークは、発光層２０４を構成するＡｌＧａＮ多重量子井戸からの発光である。図６のＬＥＤ試料１～４の結果に示されているように、複数の単位半導体層からｐ型半導体層２０６を構成することで、比較ＬＥＤ試料１，２に対して発光強度が増大した。
【0062】
図７に、実施例３の深紫外ＬＥＤの発光強度の、単位半導体層の層厚依存性の結果を示す。層厚２００ｎｍから薄くするにしたがって発光強度が増加し、層厚５０ｎｍ（ＬＥＤ試料３）で最大値となった。単位半導体層の層厚５０ｎｍのＬＥＤ試料３は、比較ＬＥＤ試料１に対して約８倍の発光強度である。複数の単位半導体層からｐ型半導体層２０６を構成し、単位半導体層の層厚を短くすることで、多くの負の分極電荷が誘起されるため、ｐ型半導体層２０６の正孔濃度が増加する。この結果、ｐ型半導体層２０６から発光層２０４への正孔注入効率が増加し、発光強度が増大したと考えられる。
【0063】
一方、単位半導体層の層厚を５０ｎｍからさらに薄くすると、発光強度が低下していく傾向が見られた。この原因として、単位半導体層の薄層化に伴い、隣り合う単位半導体層の界面のポテンシャル障壁の数が増加するため、ｐ型半導体層２０６から発光層２０４への正孔注入効率が低下したことが考えられる。以上から、発光強度を高めるためには、ｐ型半導体層２０６における高正孔濃度、および単位半導体層界面のポテンシャルバリア数の低減の両方が必要であることが分かる。
【0064】
以上に説明したように、本発明では、ｐ型半導体層を、複数の単位半導体層から構成し、複数の単位半導体層の各々を、主表面を極性面または半極性面とされたｐ型の窒化物半導体から構成し、複数の単位半導体層の各々は、積層方向に組成を変化させた。この結果、本発明によれば、窒化物半導体からなる正孔濃度が高く低抵抗なｐ型半導体層が提供できる。
【0065】
本発明によれば、ＬＥＤやＬＤの、ｐ型半導体層から発光層（活性層）へのホール注入効率が改善され、発光強度を増大させることができる。例えば、単位半導体層を、Ａｌ組成ｘ＞０．７としたＡｌxＧａ1-xＮから構成したｐ型半導体層は、１０17ｃｍ-3以上の高い正孔濃度が得られるため、発光波長３００ｎｍ以下の深紫外ＬＥＤや深紫外ＬＤに好適に用いることができる。
【0066】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【0067】
１０１…基板、１０２…ｐ型半導体層、１２１…単位半導体層。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】